Evaluasi Perkerasan Jalan Menggunakan FWD* Bagian 1

Evaluasi Perkerasan Jalan Menggunakan FWD*

Bagian 1

Source: http://atmaja.staff.umy.ac.id/2010/11/20/technical-notecategory-pavement/

Oleh: Ridwan Umbara, ST.♦; Sri Atmaja P. Rosyidi Ph.D♥.; Siegfried Ph.D.♣

*technical note dari penelitian hibah bersaing dan menjadi penelitian payung terhadap tugas akhir mahasiswa Ridwan Umbara (Universitas Muhammadiyah Yogyakarta).
♦alumni, ♥dosen, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta , ♣peneliti, Pusat Penelitian dan Pengembangan Jalan dan Jembatan, Bandung

Modulus Elastisitas Bahan Jalan

Salah satu parameter yang digunakan untuk menentukan kekuatan struktur perkerasan jalan adalah nilai modulus elastisitas (E). Berdasarkan hasil-hasil penelitian sebelumnya, nilai modulus elastisitas (E) yang dihasilkan dengan menggunakan program BAKFAA, Kosasih dan Siegfried (2008) mendapatkan nilai E di ruas Jalan Soekarno-Hatta berada pada rentang 90 MPa – 4000 MPa untuk semua lapisan. Begitu juga dengan penelitian yang dilakukan di Jalan Soekarno Hatta, Jalan Lingkar Barat, dan Jalan Padalarang-Purwakarta oleh Muhammad (2008), nilai modulus yang dihasilkan berada pada interval 90 MPa – 4000 MPa. Nilai modulus elastisitas (E) yang berada pada rentang tersebut dikategorikan nilai yang logis (reasonable) dan kondisi baik (good performance), karena telah memenuhi batas nilai CBR tanah dasar yaitu  sebesar 5 % atau 50 MPa (Sukirman, 1992), batas nilai CBR lapisan pondasi atas yaitu  sebesar 50 % atau 500 MPa (Sukirman, 1992), dan nilai modulus elastisitas (E) lapisan beraspal yang berada pada rentang 1500 – 3500 MPa (Sukirman, 1992).

Apa itu Falling Weight Deflectometer (FWD)?

Falling Weight Deflectometer (FWD) merupakan peralatan uji lapangan untuk perkerasan jalan yang telah lama digunakan di berbagai negara. Sekitar 30 tahun yang lalu, alat ini diperkenalkan pertama kali di Perancis untuk mengevaluasi struktur perkerasan jalan (Karadelis, 1999).  Selanjutnya pada tahun 1981, Denmark menggunakan FWD untuk menilai daya dukung, umur manfaat, dan disain overlay pada jaringan jalan (Schmidt, 1989). Berbagai penelitian juga telah berhasil dilakukan untuk mengembangkan penggunaan alat FWD dalam evaluasi struktur perkerasan jalan, diantaranya di Amerika Serikat (Parker dkk, 1994, Garg dan Marsey, 2002, Romanoschi dan Metcalf, 2003, Appea, 2003, Zhaghloul dkk, 2005, Henderson, 2006, Westover dan Guzina, 2009), Denmark (Ulidtz, 1998), Jepang (Dong dkk, 2001), Kanada (Tighe dkk, 2003), China (Ji dkk, 2006), Turki (Goktepe dan Agar, 2006., Terzi, 2005), dan di Indonesia (Kosasih, 2004, Subagio, Cahyanto, Rachman, dan Mardiyah, 2005, Muhammad, 2008).
Menurut Rosyidi dkk (2006), terdapat beberapa keuntungan menggunakan alat FWD untuk sistem manajemen jalan, yaitu:

1. dapat menampilkan kinerja perkerasan secara menyeluruh dengan memberikan nilai modulus setiap lapisan struktur perkerasan jalan,
2. peralatan FWD dioperasikan dengan mudah dan memberikan hasil pengukuran yang tepat serta ketelitian yang tinggi,
3. beban pelat dan ketinggian jatuh yang dapat diukur, dengan demikian intensitas beban yang direpresentasikan sebagai beban kendaraan dapat disesuaikan untuk kondisi di Indonesia (8,16 ton).

Perhitungan Balik (Backcalculation)

Struktur perkerasan akan mengalami lendutan pada saat menerima beban roda kendaraan (Kosasih, 2004). Secara teoritis, Kosasih (2004) menjelaskan bahwa besarnya lendutan struktur perkerasan dapat dihitung dari data komposisi dan tebal lapisan perkerasan, karakteristik bahan perkerasan (modulus elastisitas dan konstanta poisson), dan konfigurasi beban roda kendaraan. Di lain pihak, lendutan struktur perkerasan juga dapat diukur di lapangan, yaitu dengan menggunakan alat ukur Falling Weight Deflectometer. Lendutan dalam alat FWD dihasilkan dari pelat beban yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu ke atas permukaan perkerasan jalan dan direkam oleh sejumlah sensor (tujuh hingga sembilan buah sensor) yang terpasang pada batang pengukur. Backcalculation telah dikembangkan untuk menghitung balik modulus perkerasan berdasarkan data lendutan dengan mempersamakan cekung lendutan teoritis terhadap cekung lendutan survai FWD.
Menurut Irwin (2002) terdapat tiga faktor penting dalam teknik perkerasan jalan yang menyebabkan perhitungan balik berkembang cukup pesat saat ini, yaitu:

1. pada kenyataannya, lapisan perkerasan yang kuat memiliki lendutan yang kecil, sebaliknya lapisan perkerasan yang lemah memiliki nilai lendutan yang besar oleh karena itu kualitas struktur perkerasan jalan ditentukan oleh besarnya lendutan yang terjadi (konsep ini berkembang pada periode 1935-1960).
2. pengembangan teori mekanistik berkaitan erat dengan ketersediaan data-data struktur perkerasan yang penting yaitu tegangan, regangan dan lendutan pada setiap lapisan (konsep ini berkembang pada periode 1940-1970).
3. adanya kebutuhan akan sistem instrumentasi untuk mengukur lendutan perkerasan jalan yang memiliki mobilisasi tinggi (portable), memiliki akurasi yang baik dan mudah dioperasikan (berkembang pada periode 1955-1980).

Pada dasarnya, proses perhitungan balik masih memiliki beberapa kekurangan, yaitu tidak dipertimbangkannya gradasi modulus tanah dasar dalam arah vertikal akibat perbedaan kadar air, gradasi modulus perkerasan (lapisan beraspal) dalam arah vertikal akibat variasi temperatur dan ketergantungan modulus lapisan agregat dan tanah dasar pada tegangan yang terjadi. Meskipun demikian, di sisi lain ada juga sejumlah potensi manfaat dari modulus perkerasan yang dihasilkan, seperti untuk disain dan analisis disain lapisan tambahan, untuk koreksi variasi pengaruh lingkungan terhadap kekuatan struktur perkerasan atau untuk kontrol kualitas hasil pekerjaan konstruksi (Kosasih, 2004).

Konsep Perhitungan Balik

Konsep perhitungan balik (backcalculation) pertama kali diusulkan oleh Westergaard pada tahun 1925. Prinsip perhitungan ini menunjukkan bahwa modulus perkerasan jalan dapat dihitung dengan mempersamakan cekung lendutan teoritis dengan hasil survai. Besarnya lendutan perkerasan yang dihasilkan dapat dihitung dari data komposisi dan tebal lapisan perkerasan (modulus elastisitas dan rasio poisson), pengaruh lingkungan dan konfigurasi beban roda.
Secara umum, ada dua pendekatan yang dapat digunakan dalam proses perhitungan balik yaitu pendekatan basis data (database) dan pendekatan iteratif (Kosasih, 2004). Pendekatan basis data (database) dilakukan dengan membandingkan cekung lendutan survai terhadap cekung lendutan teoritis yang telah tersimpan dalam basis data untuk rentang data modulus perkerasan dan modulus tanah dasar sesuai dengan variasi struktur perkerasan yang telah ditetapkan terlebih dahulu. Pendekatan ini pada dasarnya dapat dioperasikan dengan sangat efisien. Namun, pendekatan ini tidak selalu siap untuk mengakomodasi variasi struktur perkerasan yang mungkin terjadi di lapangan (Kosasih, 2004). Pendekatan iteratif dilakukan untuk menghitung modulus perkerasan secara iteratif sesuai dengan struktur perkerasan yang ada di lapangan sampai kriteria konvergensi tercapai (Kosasih, 2004). Prinsip dasar pendekatan ini adalah mempersamakan data lendutan hasil survai dengan nilai lendutan teoritis guna mencari modulus elastisitas yang sesuai.
Dalam proses perhitungan balik diperlukan asumsi awal struktur perkerasan sebagai struktur dengan dua lapisan (two layer system), tiga lapisan (three layer system) atau menggunakan empat lapisan (four layer system). Pilihan penggunaan satu dari ketiga sistem tersebut sangat berpengaruh terhadap hasil analisis nantinya. Faktor lingkungan, seperti suhu perkerasan dan jumlah musim per tahun, masing-masing perlu diperhitungkan dalam perhitungan modulus lapisan perkerasan dan lapisan tanah dasar (subgrade).

Program Perhitungan Balik

Menurut Irwin (2002), proses perhitungan balik telah dikembangkan secara intensif dan berkelanjutan di Eropa dan Amerika Serikat. Beberapa kontribusi penting dalam menentukan modulus elastisitas perkerasan jalan yang disumbangkan oleh para peneliti pada periode awal pengembangan proses perhitungan balik ini, bisa dilihat melalui beberapa metode yang dikembangkan oleh peneliti-peneliti terdahulu seperti solusi nomografis untuk pemodelan struktur sistem dua lapisan yang dipublikasikan oleh Swift (1973) dan Scrivner dkk (1973) serta dua makalah penting yang memuat penyelesaian analisis nilai modulus elastisitas menggunakan komputer (computer-based solution) yang dipublikasikan oleh Irwin (1977) dan Ulidtz (1977).
Pada dasarnya, perhitungan balik dapat dilakukan secara manual dengan salah satu program komputer yang menggunakan teori lapisan elastis. Akan tetapi, proses ini tidak praktis dan memakan waktu yang sangat lama. Oleh karena itu, banyak peneliti mengembangkan beberapa program komputer untuk melakukan proses perhitungan balik, diantaranya adalah:

• ELMOD (Dynatest)
• MICHBACK (Michigan University)
• BAKFAA (Federal Aviation Administration, AS)
• EVERCALC (Washington State DOT)
• MODCOMP (Cornell University)
• MODULUS (Texas A&M University)
• PADAL (University of Nottingham)
• WESDEF (U.S. Army, Waterways Experiment Station)

Sumber: http://labtransportumy.wordpress.com/2010/11/20/falling-weight-deflectometer-a-technical-note-1/

Portable Falling Weight Deflectometer

Light Falling Weight Deflectometer

 „TERRATEST 3000“

The Light Falling Weight Deflectometer in accordance with the german technical regulations TP BF-StB section B 8.3 can be used to obtain the dynamic deformation modulus (Evd value) for soils and stone pavements in road sites. This high-tech instrument has such features that guarantee a fast, practical and, thanks to the GPS system, precise investigation of the measuring data in road and pipe construction:

	integrated GPS system with Google®-Maps interface to determine quickly the position of the test points (patent pending)
	modern designed splashproof electronic box with a wide transparent window for the use of the device also during bad weather conditions
	practical and back-lit graphic display to view the curves during the tests
	clear control panel
	internal memory up to 2000 tests
	automatic plausibility check of the result
	audio signal
	external splashproof buttons
	first-rate plug connection thanks to the use of high quality plugs
	solid screwed safety grip with spirit-level
	ergonomic handle on the drop weight and loading plate with handy transport handles for a better carry
	user-friendly and practical software

Function

„TERRATEST 3000“ service is very user-friendly, as already during the construction and development phase we focused on the fact that wrong tests would automatically be excluded thanks to an internal plausibility check. Because of this, it´s guaranteed that also inexperienced people can immediately use the device and carry out precise measurements right after a quick training given by our qualified technicians.

The test execution described below shows how simple and fast it is to take measurements that can be immediately printed through the integrated mini printer and saved on the chipcard (automatic safe in the internal memory) in order to take afterwords prints also from your PC.

The practical and back-lit graphic display guides you in a very easy and clear way through the different applications and allows you to work also in bad visibility conditions.
„TERRATEST 3000“ service is very user-friendly, as already during the construction and development phase we focused on the fact that wrong tests would automatically be excluded thanks to an internal plausibility check. Because of this, it´s guaranteed that also inexperienced people can immediately use the device and carry out precise measurements right after a quick training given by our qualified technicians.

The test execution described below shows how simple and fast it is to take measurements that can be immediately printed through the integrated mini printer and saved on the chipcard (automatic safe in the internal memory) in order to take afterwords prints also from your PC.

The practical and back-lit graphic display guides you in a very easy and clear way through the different applications and allows you to work also in bad visibility conditions.

Make sure the plate perfectly adheres to the ground. If necessary use the plate or other auxiliary tools to flatten the ground. At the start, „TERRATEST 3000“ checks the sensor connection, the battery charge, the chipcard and the GPS system and displays their status. By pressing again „START“ you automatically enter into the measuring menu and you will be asked to take the 3 preconsolidation tests and then the 3 measurements After each test, the display shows the displacement and the curves. After the third test it displays also the Evd value. The control panel is well structured and easy to use. Thanks to the back-lit display it´s easy to follow the instruc­tions. After the test, it displays the 3 displacement curves with the Evd value. sumber: http://www.terratest3000.com/english/function.html

Insert the cable and turn the electronic box on. Confirm the status query with the button „START“.

Follow the instruction: take first 3 preconsolidation tests and then 3 measurements.

Both the measuring and Evd data will be displayed. The tests are saved and can be printed later on.

Falling Weight Deflectometer

A falling weight deflectometer, FWD, is a testing device used by civil engineers to evaluate the physical properties of pavement. This could include (but is not limited to) highways, local roads, airport runways and railway tracks. The machine is usually contained within a trailer that can be either towed to a location by another vehicle or, when used on railway tracks, placed on a hand trolley and pushed to the location.
The FWD is designed to impart a load pulse to the pavement surface which simulates the load produced by a rolling vehicle wheel. The load is produced by dropping a large weight, and transmitted to the pavement through a circular load plate - typically 300mm diameter. A load cell mounted on top of the load plate measures the load imparted to the pavement surface. Deflection sensors (most FWDs use geophones, force-balance seismometers are also used) mounted radially from the center of the load plate measure the deformation of the pavement in response to the load. Some typical offsets are 0mm, 200mm, 300mm, 450mm, 600mm, 900mm, 1200mm 1500mm. The deflections measured at these geophones are termed D0, D200, D300 etc.
FWD data is most often used to calculate stiffness-related parameters of a pavement structure. The process of calculating the elastic moduli of individual layers in a multi-layer system (e.g. asphalt concrete on top of a base course on top of the subgrade) based on surface deflections is known as "backcalculation", as there is no closed-form solution. Instead, initial moduli are assumed, surface deflections calculated, and then the moduli are adjusted in an iterative fashion to converge on the measured deflections. This process is computationally intensive although quick on modern computers. It can give quite misleading results and requires an experienced analyst.
Instead, many analysts use simplified methods to calculate related parameters that are empirical in nature. The most common is maximum deflection under the centre of the load plate (D0) which is related to empirical measures such as the Benkelman Beam deflection (after minor adjustment for differences in the two devices). Historically some used the radius of curvature (D0-D200) but this is out of favour now because it is clear that the steel loading plate of 300mm diameter affects the shape of the deflection bowl between the centre (D0) and the D200 sensor at 200mm. However this means that a lot of useful information about the shape of the deflected bowl is wasted. Horak and Emery have published indices that use this information: BLI=D0-D300 and gives an indication of the basecourse performance, MLI = D300-D600 and gives an indication of the subbase performance, and LLI=D600-D900 and gives an indication of subgrade performance. These and other similar indices are known as shape factors. The FWD data can also be very useful in helping the engineer divide the length of the pavement into homogeneous sections.
FWD data can also be used to calculate the degree of load transfer between adjacent concrete slabs, and to detect voids under slabs.
A Light Weight Deflectometer (LWD) is a portable falling weight deflectometer. It is used primarily to test insitu base and subgrade moduli during construction.
A Heavy Weight Deflectometer (HWD) is a falling weight deflectometer that uses higher loads, used primarily for testing airport pavements.
A Rolling Weight Deflectometer (RWD) is a deflectometer that can gather data at a much higher speed (as high as 55 mph) than the FWD. It is a specially designed tractor-trailer with laser measuring devices mounted on a beam under the trailer. Another advantage of the RWD over the FWD is that it can gather continuous deflection data as opposed to discrete deflection data collected by the FWD.
The test materials are described in ASTM D 4694, and the test method is defined in ASTM D 4695.

sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/Falling_weight_deflectometer

APKJ

UJI COBA ALAT PENGUJI KEKERASAN JALAN

Berikut adalah video uji coba alat FWD (Falling Weight Deflectiometer)

fwd.wmv

Pengetesan Alat Uji Kekerasan Jalan (Falling Weight Deflectometer)

Berikut adalah video pengetesan FWD device buatan PT. Prima Springs Mfg. Bandung Indonesia: