Pendahuluan

Kebutuhan jalan yang aman dan nyaman mutlak harus dipenuhi. Sehingga dalam perancangannya harus mempertimbangkan beberapa faktor yaitu struktur lapis perkerasan dan suhu perkerasan. Ketebalan dan jenis material harus dipertimbangkan dalam desain struktur lapis perkerasan. Sedangkan faktor suhu perkerasan sangat berperan dalam penentuan jenis aspal. Pengetahuan tentang nilai kekakuan (stiffness) dalam proses desain perkerasan lentur perlu dikembangkan.

Dalam perancangan perkerasan jalan metode yang sering digunakan adalah Metode Empiris, yang mengacu kepada hasil “full scale test” yang dilakukan di Ottawa, Amerika Serikat awal tahun 60-an [1]. Berikut beberapa metode empiris dalam perancangan tebal perkerasan jalan : Metode Asphalt Institute (TAI, 1970), Metode AASHO 1972 (AASHO, 1972), Metode Analisa Komponen 1987 (SNI, 2002), Metode Road Note 29, dan Metode Road Note 31. Pedoman desain perkerasan lentur yang dikeluarkan oleh Bina Marga merupakan modifikasi AASHTO dari Amerika dan AUSTROADS dari Australia. Sejauh ini, sudah ada empat pedoman desain perkerasan lentur yang digunakan yaitu : Bina Marga Pt. T-01-2002-B, Bina Marga Pd. T-05-2005-B, Bina Marga No. 001/BT/2010 dan Bina Marga No.02/M/BM/2013. Hasil perancangan tebal perkerasan jalan lentur dengan keempat metode tersebut sudah sesuai dengan pedoman perkerasan jalan lentur yang selama ini digunakan [2]. Penelitian pada Jalan Lingkar Timur Surabaya menunjukkan bahwa Metode Bina Marga 2002 merupakan metode yang paling efektif dalam desain perkerasan jalan tersebut dengan menggunakan lapis pondasi Agregat Kelas A dan Kelas B [3]. Perencanaan tebal perkerasan lentur juga dapat dilakukan dengan Pedoman Manual Desain Pekerasan Jalan 2017 [4], [5]. Pedoman tersebut merupakan pelengkap dari pedoman desain perkerasan PtT-01-2002-B dan Pd T-14-2003. Dengan Pedoman Manual Desain Pekerasan Jalan 2017, umur pelayanan jalan dapat diketahui berdasarkan elemen perkerasan [6]. Berdasarkan penelitian yang dilakukan Arthono dan Pransiska diperoleh kesimpulan bahwa tebal lapis perkerasan lentur hasil perhitungan menggunakan Metode AASTHO 1993 lebih besar dibandingkan dengan menggunakan Metode SNI-1932-1989-F [7]. Penelitian tentang perbandingan perencanaan perkerasan lentur dengan Metode AASHTO 1993 dan Manual Desain Perkerasan (MDP) Bina Marga 2017 juga telah dilakukan. Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa Metode Manual Desain Perkerasan (MDP) Bina Marga 2017 memiliki lapis permukaan dan lapis pondasi yang lebih tebal daripada menggunakan Metode AASHTO 1993 [8], [9]. Selain itu, untuk menambah umur pelayanan jalan sebelum terjadi kegagalan struktur terjadi maka dilakukan perbaikan berupa pemberian lapis tambahan (overlay). Perhitungan tebal lapis tambahan (overlay) dapat dilakukan dengan pedoman Metode AASHTO seperti yang telah dilakukan oleh Surandono dan Suci [10]. Berdasarkan penelitian Maharani dan Wasono, disimpulkan bahwa umur pelayanan perkerasan kaku lebih lama tanpa adanya perawatan/perbaikan non struktural bila dibandingkan dengan perkerasan lentur [11]. Penelitian mengenai perkerasan lentur di atas tanah ekspansif juga telah dilakukan. Perubahan kadar air tanah dasar ekspansif dapat mengakibatkan terjadinya deformasi pada struktur perkerasan lentur [12], [13]. Penggunaan program komputer untuk membantu proses desain perkerasan jalan perlu dikembangkan. Salah satu program yang digunakan dalam desain tebal perkerasan lentur adalah program Kenpave. Program tersebut sangat membantu dalam perancangan tebal perkerasan jalan. Sehingga perbandingan desain perkerasan jalan dengan beberapa metode seperti metode Analisa Komponen dan Austroads dapat dengan mudah dilakukan [14].

Perancangan struktur perkerasan jalan menggunakan metode analitis juga perlu dikembangkan. Beberapa metode analitis dalam perancangan perkerasan struktur perkerasan jalan adalah metode Asphalt Institute (1982) dan Nottingham Design Method [15]. Metode analitis struktur perkerasan jalan memiliki beberapa keunggulan diantaranya dapat melakukan berbagai macam variasi komponen seperti data ketebalan, modulus elastisitas, dan angka poisson ratio sehingga proses desain menjadi lebih cepat. Salah satu program desain perkerasan jalan menggunakan metode analitis adalah program BISAR (Bitumen Stress Analysis in Roads). Program tersebut dikembangkan berdasarkan Nottingham Design Methodoleh Shell Research. Perhitungan nilai tegangan (stress), regangan (strain), dan displacements dapat lebih mudah dihitung dalam satu sistem berlapis-lapis yang elastis dengan bantuan program ini. Kekakuan (stiffness) aspal dalam analisis struktur perkerasan jalan dengan Nottingham Design Method bergantung pada parameter nilai penetrasi aspal awal, suhu udara di lapangan dan kecepatan rata-rata kendaraan. Dalam desain campuran aspal perkerasan jalan juga harus mempertimbangkan bentuk dari agregat yang akan digunakan sebagai bahan dari lapis pondasi perkerasan jalan [16]. Oleh karena itu, pengetahuan mengenai pengaruh kekakuan (stiffness) susunan lapis perkerasan dalam proses desain perkerasan lentur menggunakan program Bisar 3.0 perlu dikembangkan.

Metode

Metode analitis yang digunakan dalam penelitian ini adalah Nottingham Design Method. Nilai regangan (strain) yang terjadi pada lapis perkerasan dihitung dengan menggunakan program Bisar 3.0. Selanjutnya pedoman Bina Marga 2002 [17] digunakan untuk menghitung nilai kekakuan (stiffness) lapis pondasi dan konversi satuan umur pelayanan jalan dalam msa (millions of standard axles) ke tahun. Berikut langkah-langkah desain perkerasan jalan yang dilakukan pada penelitian ini :

1. Menghitung Beban Gandar Standar Kendaraan

Menurut Sukirman [18] beban standar adalah beban sumbu tunggal beroda ganda seberat 18.000 lbs atau setara dengan 8,16 ton.

2. Menghitung Kekakuan Tanah Dasar (E₃ = S_s)

Nilai kekakuan tanah dasar dapat dikorelasikan secara kasar dengan nilai CBR (California Bearing Ratio) maupun nilai IP (Index Plastisitas) tanah dasar [19] menggunakan persamaan berikut :

S_s = 10 x CBR (1)

S_s = 70 – IP (2)

dengan S_s = kekakuan tanah dasar (MPa)

3. Menghitung Kekakuan Lapis Pondasi Bawah (Sub Base Course)

Korelasi nilai kekakuan (stiffness) dan nilai CBR (California Bearing Ratio) pada lapis pondasi bawah granular menggunakan nomogram Bina Marga 2002 [17].

4. Menghitung Kekakuan Lapis Pondasi Atas (Base Course)

Nilai kekakuan (stiffness) lapis pondasi atas CTB (Concrete Treated Base) dihitung menggunakan nilai kuat tekan pada umur 7 hari dengan Pedoman Bina Marga 2002 [17]. Berikut persamaan yang sesuai berdasarkan nomogram pada Pedoman Bina Marga 2002 [17] tersebut :

S_CTB = 0,005σ + 4,02 (3)

5. Menghitung Kekakuan Bitumen (S_b)

Faktor temperatur desain digunakan untuk menghitung besarnya pengaruh temperatur terhadap nilai kekakuan bitumen. Berikut persamaan untuk menghitung temperatur desain berdasarkan kriteria kerusakan menggunakan suhu udara rerata tahunan (°C) [19] :

a. Kerusakan retak lelah (fatigue cracking)

T_d = 1,92 T (4)

b. Kerusakan deformasi permanen (permanent deformation)

T_d = 1,47 T (5)

Selain faktor temperatur desain, kekakuan bitumen juga dipengaruhi oleh waktu pembebanan (loading time). Menurut Brown dan Brunton [19] persamaan yang sesuai untuk menghitung waktu pembebanan (loading time) adalah sebagai berikut :

log t = 5 x 10^-4 h – 0,2 - 0,94 log v (6)

dengan :

t = waktu pembebanan (detik)

h = ketebalan lapisan (mm)

v = kecepatan kendaraan (km/jam)

Selanjutnya nilai kekakuan bitumen dihitung dengan persamaan yang telah diturunkan oleh Ullidtz (1979) sebagai berikut [19] :

S_b = 1,157 x 10^-7 x t ^-0.368 x 2,718^–PIr (SP_r – T)⁵ (7)

dengan :

S_b = kekakuan bitumen (MPa)

t = waktu pembebanan (detik)

PI_r = recovered penetration index (0,1 mm)

SP_r = recovered softening point (°C)

T = temperatur desain (°C)

Nilai Penetration Index dihitung dengan persamaan yang telah ditetapkan oleh Pfeiffer dan Van Doormaal (1936) sebagai berikut [20] :

(8)

Penetration Index = (9)

Menurut Brown dan Brunton [19] Recovered Penetration Index dan Recovered Softening Point (SP_r) dihitung dengan persamaan berikut :

(10)

(11)

dengan P_i = penetrasi aspal awal (0,1 mm)

Penggunaan persamaan nilai kekakuan bitumen tersebut mempunyai batasan berikut :

t = 0,01 sampai dengan 0,10 detik

PI_r = -1 sampai dengan +1

(SP_r – T) = 20 ^oC sampai dengan 60 ^oC

Nilai kekakuan bitumen diperkirakan dengan nomogram Van der Poel (1954) bila salah satu nilai dari batasan tersebut tidak terpenuhi [21].

6. Menghitung Kekakuan Campuran Elastik

Menurut Heukelom dan Klomp (1964), nilai kekakuan campuran elastik (S_me) dihitung dengan persamaan berikut [22], [23] :

S_me = S_b (12)

n = 0,83 log (13)

C_v = (14)

dengan :

S_me = kekakuan campuran elastik (MPa)

S_b = kekakuan bitumen (MPa)

C_v = konsentrasi volume agregat (%)

n = konstanta kekakuan campuran elastik berdasarkan kekakuan bitumen

V_A = volume of aggregate (%)

V_B = volume of binder (%)

Persamaan tersebut hanya berlaku untuk kepadatan dengan volume rongga kurang dari 3% sedangkan untuk kepadatan dengan volume rongga lebih besar dari 3% menggunakan persamaan sebagai berikut :

C'_v = (15)

dengan :

C'_v = modifikasi konsentrasi volume agregat (%)

VIM = voids in mix/volume rongga udara dalam campuran (%)

Persamaan tersebut berlaku apabila volume konsentrasi bitumen (C_b) memenuhi nilai C_b > 2/3 (1 – C'_v). Berikut persamaan untuk menghitung besarnya volume konsentrasi bitumen (C_b) :

C_b = (16)

dengan :

V_A = volume of aggregate (%)

V_B = volume of binder (%)

7. Menghitung Horisontal dan Vertikal Strain

Nilai horisontal dan vertikal strain dihitung dengan program Bisar 3.0. Nilai horisontal strain yang digunakan adalah ε_t (asphalt mix horizontal tensile strain). Sedangkan nilai vertikal strain yang digunakan adalah ε_z (subgrade vertical strain). Berikut gambar worksheet dan alur pengerjaan program BISAR 3.0 :

Figure 1. Gambar 1. Worksheet Program BISAR 3.0.

Figure 2. Gambar 2. Prosedur Pengerjaan Program BISAR 3.0.

8. Menghitung Umur Pelayanan Jalan

Menurut Brown dan Brunton [19], umur pelayanan jalan pada kriteria retak lelah dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

log N = 15,8 log ε_t – k – (5,13 log ε_t – 14,39) log V_B – (8,63 log ε_t – 24,2) log SP_i (17)

dengan :

N = umur pelayanan (msa)

ε_t = asphalt mix horizontal tensile strain (µstrain)

k = konstanta retak lelah (kondisi kritis, k = 46,82 dan kondisi gagal, k = 46,06)

V_B = volume of binder (%)

SP_i = initial softening point (°C)

Sedangkan umur pelayanan jalan pada kriteria deformasi permanen menurut Brown dan Brunton (1986) dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

1. Kondisi kritis

N = f_r (18)

2. Kondisi gagal

N = f_r (19)

dengan :

N = jumlah kumulatif beban sumbu standar selama umur pelayanan (msa)

ε_z = subgrade vertical strain (µstrain)

f_r = rut factor

Nilai rut factor untuk beberapa tipe material adalah sebagai berikut :

Hot rolled asphalt : 1,00

Dense bitumen macadam : 1,56

Modified rolled asphalt : 1,37

Modified dense bitumen macadam : 1,5 2

Pada standard rolled asphalt keadaan aman dapat diasumsikan f_r = 1. Selanjutnya, dilakukan konversi umur pelayanan jalan satuan msa (millions of standard axles) ke tahun dengan prosedur Bina Marga (Departemen Pekerjaan Umum). Berikut langkah-langkah konversi umur pelayanan jalan satuan msa (millions of standard axles) ke tahun :

a. Menghitung angka ekivalen beban gandar sumbu kendaraan (E)

Berdasarkan pedoman Bina Marga [24] angka ekivalen (E) masing-masing golongan beban sumbu kendaraan dapat dihitung dengan persamaan berikut :

Figure 3.

b. Menentukan faktor distribusi arah (D_D) dengan Tabel 1 berikut :

Figure 4. Tabel 1. Koefisien Distribusi Kendaraan (D_D) [24]

Keterangan : *) Mobil Penumpang

Keterangan : **) Truk dan Bus

c. Menentukan faktor distribusi lajur (D_L) dengan Tabel 2 berikut :

Figure 5. Tabel 2. Faktor Distribusi Lajur (D_L) [17]

d. Menghitung umur pelayanan jalan berdasarkan jumlah beban gandar tunggal standar kumulatif dengan persamaan Bina Marga adalah sebagai berikut [17] :

W_t = W₁₈ x (24)

dengan :

W_t = jumlah beban gandar tunggal standar kumulatif

W₁₈ = beban gandar standar kumulatif selama 1 tahun

W₁₈ = D_D x D_L x Ŵ₁₈

Ŵ₁₈ = beban gandar standar kumulatif untuk dua arah

n = umur pelayanan (tahun)

g = perkembangan lalu lintas (%)

Hasil dan Pembahasan

Pada penelitian ini, proses desain perkerasan jalan dilakukan menggunakan program Bisar 3.0 yang berpedoman pada Nottingham Design Method untuk menghitung nilai strain yang terjadi pada lapis perkerasan jalan. Selanjutnya, nilai strain tersebut digunakan untuk menghitung umur pelayanan jalan berdasarkan kriteria kerusakan retak lelah (fatigue cracking) dan deformasi permanen (permanent deformation). Susunan lapis perkerasan yang digunakan dalam desain perkerasan lentur dapat dilihat pada Gambar berikut :

Figure 6. Gambar 3. Susunan lapis perkerasan jalan

Selanjutnya, dilakukan perhitungan parameter yang mempengaruhi kekuatan struktur jalan sesuai dengan desain yang diinginkan. Berikut langkah-langkah perhitungan desain perkerasan yang dilakukan pada penelitian ini :

1. Menghitung waktu pembebanan (loading time)

h = h_AC-WC + h_AC-BC = 50 mm + 50 mm = 100 mm

log t = 5 x 10^-4 h - 0,2 - 0,94 log v → v = 58,36 km/jam

log t = 5 x 10^-4 x 100 - 0,2 - 0,94 log 58,36

log t = -1,81 ® t = 0,0155 detik

2. Menghitung suhu perkerasan (temperatur desain)

dengan T = 27 ˚C

T_{desain retak lelah} = 1,92 T = 1,92 x 27 ˚C = 51,84 ˚C

T_{desain deformasi permanen} = 1,47 T = 1,47 x 27 ˚C = 39,69 ˚C

3. Menghitung kekakuan campuran elastik

dengan P_i = 67,3 dan SP = 49,3 ˚C

98,4 - 26,35 x log (0,65 x 67,3) = 55,2 ˚C

A = [log 800 - log (67,3)] / (49,3 ˚C - 25 ˚C) = 0,0442

PI = (20 - 500A) / (50A + 1)

PI = (20 - 500 x 0,0442) / (50 x 0,0442 + 1) = -0,6545

PI_r = (27,00 x log P_i - 21,65) / (76,35 x log P_i - 232,82)

PI_r = (27,00 x log 67,3 - 21,65) / (76,35 x log 67,3 - 232,82) = -0,2971

S_b = 1,157 x 10^-7 x t ^-0.368 x 2,718^-PIr (SP_r - T)⁵

Batasan penggunaan rumus kekakuan bitumen :

t = 0,01 sampai dengan 0,10 detik → diperoleh t = 0,0155 detik

PI_r = -1 sampai dengan +1 → diperoleh PI_r = -0,2971

(SP_r - T) = 20 ˚C sampai dengan 60 ˚C

diperoleh (SP_r - T_{desain retak lelah}) = 55,2 ˚C - 51,84 ˚C = 3,36 ˚C

diperoleh (SP_r - T_{desain deformasi permanen}) = 55,2 ˚C - 39,69 ˚C = 15,51 ˚C

Nilai (SP_r - T) tidak termasuk diantara 20 ˚C sampai 60 ˚C, sehingga S_b dicari dengan Nomogram Modulus Kekakuan Bitumen Van der Poel, (1954)

dengan t = 0,0155 detik

dengan (SP - T_{desain retak lelah}) = (49,3 ˚C - 51,84 ˚C) = -2,54 ˚C

dengan (SP - T_{desain deformasi permanen}) = (49,3 ˚C - 39,69 ˚C) = 9,61 ˚C

dengan PI = -0,6545

diperoleh S_{b kriteria retak lelah} = 0,3 MPa

diperoleh S_{b kriteria deformasi permanen} = 1,0 MPa

Berikut perhitungan modifikasi konsentrasi volume agregat (C'_v) :

Lapis AC-WC

dengan V_B = 12,59%; V_A = 81,99%; VIM = 5,42%

C_v = = = 0,8669

C'_v = = = 0,8932

C_b = = = 0,1331

2/3 (1 - C'_v) = 2/3 (1 - 0,8932) = 0,0712

C_b > 2/3 (1 - C'_v) → Memenuhi syarat

Lapis AC-BC

dengan V_B = 12,16%; V_A = 83,31%; VIM = 4,52%

C_v = = = 0,8726

C'_v = = = 0,8992

C_b = = = 0,1274

2/3 (1 - C'_v) = 2/3 (1 - 0,8992) = 0,0672

C_b > 2/3 (1 - C'_v) → Memenuhi syarat

n = 0,83 log

Kriteria Kerusakan Retak Lelah (Fatigue Cracking)

n = 0,83 log = 4,25

Lapis AC-WC

S_me = 0,3

S_me = 746,64 MPa

Lapis AC-BC

S_me = 0,3

S_me = 933,47 MPa

Kriteria Kerusakan Deformasi Permanen (Permanent Deformation)

n = 0,83 log = 3,82

Lapis AC-WC

S_me = 1,0

S_me = 1588,12 MPa

Lapis AC-BC

S_me = 1,0

S_me = 1947,03 MPa

4. Menghitung kekakuan lapis pondasi atas (base course)

Nilai kuat tekan CTB (Concrete Treated Base) 7 Hari (σ) = 141,47 kg/cm² = 2011,845 Psi

S_CTB = 0,005σ + 4,02

S_CTB = 0,005. 2011,845 + 4,02

S_CTB = 14,079224350.10⁵ Psi

S_CTB = 1407922,435 Psi

S_CTB = 99003,0543 kg/cm²

S_CTB = 9900,31 MPa

5. Menghitung kekakuan lapis pondasi bawah (sub base course)

Nilai CBR (California Bearing Ratio) Soaked 100% Agregat Klas B = 62,50% diperoleh :

S_g = 18 x 1000 Psi

S_g = 1265,734 kg/cm²

S_g = 126,5734 MPa » 126,6 MPa

6. Menghitung kekakuan tanah dasar (subgrade)

Nilai kekakuan tanah dasar (subgrade) diperoleh dari hasil korelasi dengan nilai CBR (California Bearing Ratio) Soaked 100% tanah dasar (subgrade) sebesar 15,90%.

S_s = 10 x 15,90 = 159 MPa

7. Menghitung strain dengan program Bisar 3.0

Berdasarkan input data yang dilakukan dalam program Bisar 3.0 maka diperoleh nilai strain sebagai berikut :

Regangan horisontal (ε_t) = 19,7 μstrain

Regangan vertikal (ε_z) = 52,67 μstrain

8. Menghitung umur pelayanan jalan

Kriteria Kerusakan Retak Lelah (Fatigue Cracking)

log N = 15,8log ε_t - k - (5,13log ε_t - 14,39)log V_B - (8,63log ε_t - 24,2)log SP_i

dengan :

k = 46,06

SP_i = 49,3 ^oC

V_B = 12,16%

ε_t = 19,7 μstrain

Maka diperoleh :

N = 48235,71332850 msa

Konversi umur pelayanan jalan ke dalam satuan tahun

W_t = W₁₈ x

W₁₈ = 464416 sa

g = 5%

W_t = 48235713328,50 sa

Maka diperoleh :

n = 175,35 tahun

Kriteria Kerusakan Deformasi Permanen (Permanent Deformation)

N = f_r

N = 1

N = 2143,58252633 msa

Konversi umur pelayanan jalan ke dalam satuan tahun

W_t = W₁₈ x

W₁₈ = 464416 sa

g = 5%

W_t = 2143582526,33 sa

Maka diperoleh :

n = 111,62 tahun

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa umur pelayanan jalan pada kriteria kerusakan retak lelah lebih besar daripada umur pelayanan jalan pada kriteria kerusakan deformasi permanen (175,35 tahun < 111,62 tahun). Hasil perhitungan umur pelayanan tersebut lebih besar daripada umur pelayanan perkerasan lentur yang didesain dengan metode empiris yang berkisar ± 20 tahun [18]. Besarnya umur pelayanan jalan yang dihasilkan dipengaruhi oleh nilai kekakuan (stiffness) lapis pondasi yang digunakan. Nilai kekakuan (stiffness) CTB (Concrete Treated Base) sebagai lapis pondasi atas yang besar (9900,31 MPa) mengakibatkan nilai strain yang dihasilkan oleh program Bisar 3.0 menjadi kecil. Selain itu, nilai LHR (Lalu Lintas Harian Rata-rata) juga dapat mempengaruhi besarnya umur pelayanan jalan.

Simpulan

Berdasarkan hasil analisis dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Umur pelayanan jalan hasil perhitungan dengan metode analitis (Nottingham Design Method) menggunakan program Bisar 3.0 lebih besar daripada umur pelayanan jalan yang didesain dengan metode empiris pada umumnya (± 20 tahun).

2. Umur pelayanan jalan pada kriteria kerusakan retak lelah lebih besar daripada umur pelayanan jalan pada kriteria kerusakan deformasi permanen (175,35 tahun < 111,62 tahun).

Ucapan Terimakasih

Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian penelitian.