HUBUNGAN TANAH DAN ALAT PERTANIAN

PENDAHULUAN

· Alat pertanian: peralatan pra‑panen, peralatan panen dan peralatan pasca panen.

Peralatan pra‑panen: dipisahkan sesuai fungsinya.

Peralatan pengolahan tanah paling erat kaitannya dengan tanah.

· Hubungan tanah dan alat pertanian melibatkan dua aspek yang sangat berbeda tetapi dalam hubungannya dengan pertanian, keterkaitannya sangat menentukan ”hasil akhir” baik secara langsung maupun tidak langsung.

· Analisis hubungan tanah dan alat pertanian banyak melibatkan pengetahuan: mekanika tanah dan alat; gaya­-gaya dan gerakan yang timbul di dalam tanah akibat kerja alat dan lalu lintas alat.

Kegunaan analisis hubungan tanah dan alat pertanian:

• Untuk keperluan praktis pertanian: pemilihan alat, roda, ukuran peralatan dsb.

• Untuk keperluan penelitian (teknik sipil, agronomi, tanah, dan keteknikan pertanian): mengevaluasi pengaruh pengolahan tanah dan lalu lintas alat pada sistem produksi dan kondisi tanah.

• Untuk keperluan industri: disain peralatan.

Tiga tinjauan yang menjadi titik berat analisis:

1. Studi mengenai pemadatan karena alat partanian dan alat traksi.

• perubahan kondisi fisik tanah akibat tekanan yang diberikan oleh alat maupun oleh bagian alat traksi yaitu roda.

• Perubahan geometrik: pemadatan, deformasi, keruntuhan tanah (failure) dan perpindahan tanah.

2. Studi mangenai proses, sistematika dan analisis pemotongan, pangolahan atau penggemburan tanah (soil loosening).

• pendekatan proses: fungsi masing‑masing alat dan bagian alat.

• penyederhanaan analisis ; dua kelompok alat:

- Tine dan ‑ Curved Blade

3. Studi Kelengketan Tanah (Soil Sticking ‑ Soil Adhesion) pada alat pertanian dan alat traksi.

• dalam praktek sangat umum tetapi belum mendapat banyak perhatian, meskipun perlu ditangani secara serius.

BAB I

SIFAT‑SIFAT MEKANIS TANAH

1.1. ANALISIS TEGANGAN DAN REGANGAN

· Sifat‑sifat dinamik tanah: sifat‑sifat yang dinyatakan melalui pergerakan tanah.

• Apabila suatu blok tanah bergerak di atas permukaan maka gesekan resultan adalah sifat dinamik tanah; sifat ini tidak terlihat dan ditentukan sebelum blok tanah itu bergerak.

• bila tanah gembur dipadatkan maka kekuatan tanahnya akan meningkat; kekuatan tanah ini adalah merupakan sifat dinamik tanah.

• Apabila tanah bergerak maka gaya‑gaya yang berkerja dapat menyebabkan deformasi atau perpindahan (displacement) tanah.

• Untuk menjelaskan hubungan antara gaya yang diaplikasikan dengan deformasi yang dihasilkan, diperlukan persamaan dasar matematik yang mengandung parameter (ukuran dari sifat dinamik tanah).

· Struktur atau tekstur dari tanah bukan merupakan sifat dinamik.

• Struktur mungkin berubah akibat gerakan tanah, tetapi perubahan struktur ini dapat diukur sebelum dan sesudah pergerakan terjadi.

· Studi mengenai dinamika, pengukuran fisiknya harus dilakukan selama proses terjadi.

• masuknya alat pengukur ke dalam suatu massa tanah mempengaruhi reaksi tanah.

• usaha untuk mengidentifikasi sifat dinamik tanah telah mencapai banyak kemajuan.

1.1.1. Tegangan

· Untuk menganalisis kejadian pada suatu blok tanah finite medium seperti gaya luncur, maka diperlukan gaya gravitasi, gaya yang diaplikasikan dan gaya gesek.

· Untuk menganalisis kejadian pada suatu blok tanah semi‑finite medium dimana gaya‑gaya yang diaplikasikan terdistribusi ke semua bagian maka permasalahannya lebih kompleks.

• pada media semi‑finite tiga dimensi, dimana baik arah maupun batas area tidak tetap maka konsep gaya per satuan luas menjadi tidak berarti.

• diperlukan suatu metoda untuk menguraikan gaya‑gaya yang bekerja pada setiap titik pada atau di dalam suatu media.

· Besaran dan keadaan tegangan pada suatu titik merupakan salah satu metoda dalam penguraian gaya‑gaya dalam suatu medium.

• dapat dikembangkan dalam pola matematik apabila medianya diasumsikan bersifat kontinyu, yaitu tidak mempunyai lubang atau cela.

• tanah adalah media yang bersifat tidak kontinyu karena tanah terdiri dari butiran atau kelompok butiran dan berpori.

• peneliti terdahulu telah berhasil menggunakan analisis tegangan dalam menguraikan gaya‑gaya yang bekerja pada tanah dengan asumsi bahwa pada suatu luasan kecil terbatas berlaku sifat kekontinyuan.

· Bila suatu bidang bayangan melalui suatu media, maka suatu bagian dari media tersebut mempengaruhi gaya‑gaya di bagian lainnya.

• Apabila titik 0 dari suatu blok dengan luasan kecil A, ditentukan sebagai pusat sistem ordinat maka vektor dari gaya‑gaya F yang bekerja pada bidang tersebut dapat ditentukan.

• Vektor tegangan T pada titik 0 pada bidang:

(1.1)

· Vektor tegangan T diuraikan dalam komponen normal pada bidang dan membentuk sudut dengan bidang.

• Huruf sigma (s) untuk tegangan normal dan huruf tau (t) untuk tegangan geser yang membentuk sudut dengan bidang kerja.

• Bila terdapat bidang lain yang melalui titik 0 yang sama, maka akan didapatkan vektor tegangan yang berbeda.

· Pada Gambar 1.1:

• Tegangan normal (s): tegangan yang arahnya tegak lurus pada bidang kerja.

• Tegangan geser (t): tegangan yang arahnya sejajar dengan bidang kerja.

Ganbar 1.1. Tegangan normal (s) dan tegangan geser (t) pada suatu blok tanah dengan titik pusat 0.

· Penguraian tensor tegangan menurut bidang kerja disajikan pada Gambar 1.2.

Gambar 1.2. Komponen tensor tegangan

· Bila tegangan terjadi pada suatu titik 0 (beban titik), dengan memilih sistem koordinat X, Y, Z maka dinding‑dinding blok tanah adalah sejajar dengan sumbu koordinat tersebut.

· Tegangan pada dinding‑dinding tersebut dianalisis berdasarkan tegangan normal:

• Tegangan normal X (s_x) = tegangan normal yang sejajar sumbu‑x

• Tegangan normal Y (s_y) = tegangan normal yang sejajar sumbu‑y

• Tegangan normal Z (s_z) = tegangan normal yang sejajar sumbu‑z

· Komponen tangensial: tegangan geser dengan notasi sesuai arah tegangan normal (subscript pertama) dan arah tegangan geser (subscript kedua):

• Tegangan geser xy (t_xy), tegangan geser xz (t_xz)

• Tegangan geser yx (t_yx), tegangan geser yz (t_yz)

• Tegangan geser zx (t_zx), tegangan geser zy (t_zy)

· Komponen‑komponen (9 buah) dari tiga vektor tegangan pada titik 0, disusun dalam bentuk matrix:

• Setiap komponen mempunyai letak yang tetap pada matrix.

• Tegangan nomal: terletak pada posisi diagonal dari atas ke bawah, sedangkan tegangan geser menempati posisi lainnya.

· Nilai komponen matrix tergantung pada pemilihan sistem koordinat.

• apabila dipilih sistem koordinat seperti Gambar 1.3 maka posisi blok tanah yang dianalisis akan mengikuti posisi koordinat.

• matrik mempunyai nilai yang berbeda dengan nilai yang ada pada sistem koordinat x, y, z.

• Susunan matrixnya adalah sbb.

Gambar 1.3. Tensor tegangan dg koordinat x’, y’, z’.

· Matrix dari tensor tegangan selalu simetris, sehingga dapat dipilih sistem koordinat dalam keadaan seimbang dengan 6 nilai tagangan.

· Sifat matrix yang sangat penting: selalu ada posisi sistem koordinat yang menyederhanakan jumlah komponen dalam tensor tegangan, yaitu sistem koordinat dimana semua tegangan geser (t) adalah nol pada waktu yang sama. Sehingga hanya tegangan normal yang bekerja pada tiga bidang datar.

• Kordinat sistem tersebut adalah sistem koordinat x’’, y’’, Z’’.

• Dengan demikian matrixnya adalah

• Apabila tegangan ini lebih besar daripada kedua tegangan sebelumnya (x, y, z dan x’, y', z’) maka berarti tekanan ini adalah tegangan terbesar pada titik tersebut.

• Teganan terbesar disebut tegangan utama (principal stress).

• salah satu dari tegangan s_x’’, s_y’’, s_z’’ yang nilainya lebih kecil dari tegangan‑tegangan sebelumnya akan disebut tegangan minor (minor stress) atau tegangan utama ketiga.

• Arah tegangan utama dan tegangan minor tergantung pada arah sumbuh utama.

· Tegangan utama s₁ dan tegangan minor s₃ . Sisanya adalah tegangan utama kedua (intermediate) s₂.

Apabila ada nilai yang sama maka keadaan tegangan menjadi sederhana.

• misaI: s₁ = s₂ = s₃, semua tegangan normal sama.

• pada keadaan ini tidak ada tegangan geser.

• matrix akan menjadi:

· Pada kasus dimana x’’’ dan z’’’ membentuk sudut 45⁰ dengan arah tegangan s₁ dan s₃, (Gambar 1. 4).

Gambar 1. 4. Tegangan utama dan tegangan geser maximum.

· Sifat lain dari tensor tegangan adalah dengan dinyatakannya invariant.

• Apabila ingin dihitung jumlah dari s_x + s_y + s_z: untuk sistem koordinat x, y, z, dan jumlah s_x’’ + s_y’’ + s_z’’ untuk sistem x’’, y’’, z’’, dan sebagainya, maka akan diperoleh bahwa jumlah tersebut akan sama.

• Jumlah tegangan normal pada setiap matrix untuk tensor tegangan tertentu tidak tergantung pada posisi dari sistem koordinat.

• Penjumlahan ini disebut invariant pertama (I₁), yang dinyatakan: I₁ = s₁ + s₂ + s₃

• dimana s₁, s₂ dan s₃ adalah tegangan prinsipal.

• Jumlahnya adalah suatu tetapan dari tensor tegangan sehingga diperoleh hubungan berikut:

s_m = ( s₁ + s₂ + s₃)/3 ................ (1.2)

• dimana s₁, s₂, dan s₃, adalah tegangan normal yang berhubungan dengan setiap sumbu koordinat dari bentuk tegangan.

· Bentuk total tegangan secara matematik dibagi dalam dua komponen, yaitu spherical dan deviatoric.

• Dalam teori elasitisitas dan plastisitas, spherical stress pada umumnya dihubungkan dengan perubahan volume, sedangkan deviatoric stress berhubungan dengan perubahan bentuk.

• Cara demikian akan lebih memudahkan dan menyederhanakan bentuk suatu hubungan dalam menguraikan perilaku.

Gambar 1.5. Distribusi tegangan pada berbagai bentuk media.

1.1.2. Regangan

· Gaya‑gaya yang bekerja pada tanah umumnya menghasilkan deformasi atau pergerakan atau keduanya.

· Gaya yang bekerja pada tanah harus dinyatakan sebagai gaya yang bekerja baik pada tanah ataupun di dalam massa tanah, dengan kata lain deformasi tanah harus dapat diuraikan dengan tepat.

· Prosedur yang umum (dalam menganalisis deformasi) menentukan regangan pada suatu titik di dalam suatu media, sehingga regangan dari setiap titik di sekitarnya dapat dihitung secara relatif pada titik yang dipilih.

• Untuk menentukan dan menguraikan regangan pada suatu titik dengan tepat diperlukan lebih dari satu nilai.

• Posisi dan panjang elemen garis dari suatu titik dinyatakan secara relatif terhadap suatu titik setelah deformasi terjadi.

• Perubahan panjang elemen garis adalah ukuran regangan linear atau longitudinal.

• Regangan longitudinal didefinisikan sebagai:

dimana:

lo = panjang awal dari elemen garis

l = panjang setelah mengalami regangan

e = regangan longitudinal

• Untuk dapat menyatakannya dalam sifat fisik maka elemen garis harus bersifat kontinyu ; jadi asumsi kekontinyuan diperlukan untuk menguraikan dan menyatakan regangan.

• Secara matematik regangan longitudinal diturunkan menjadi

............................ (1.4)

dimana de dan dl = turunan dari nilai e dan l.

· Pendekatan lain untuk mengukur deformasi adalah dengan menghitung perubahan sudut antara dua elemen garis yang saling tegak lurus.

Gambar 1.6. Regangan geser dinyatakan dalam bentuk perubaban sudut 90⁰

• Definisi yang umum untuk pendekatan ini:

Y = tan (90⁰ ‑ Q) (1.5)

dimana :

Y = regangan geser

90⁰ ‑ Q = sudut deformasi

· Sebagaimana pada analisis tegangan, enam nilai independen harus ditentukan untuk mencari regangan.

• Nilai‑nilai yang diperlukan adalah tiga regangan longitudinal yang saling tegak lurus dan tiga regangan geser pada bidang.

• Dari nilai‑nilai tersebut dapat dihitung regangan longitudinal dari setiap elemen garis atau regangan geser dari setiap dua elemen garis yang saling tegak lurus.

• Keenam nilai independen ini berasal dari bentuk/turunan kedua tensor simetris.

• Jadi tensor regangan adalah sama dengan tensor tegangan yang diperlukan untuk menentukan regangan pada suatu titik.

· Kegunaan dari teori regangan kecil adalah bahwa regangan dapat dilanjutkan sampai mencapai regangan yang lebih besar dengan mendefinisikan kembali persamaan kenaikan yang mewakili rengangan sebagai berikut

(1.6)

dimana adalah suatu pernyataan umum dari regangan longitudinal.

• Pada regangan kecil konvensional, perubahan, dalam bentuk pertambahan panjang dibagi dengan panjang awal disebut sebagai pertambahan regangan natural.

(1.7)

• dengan menghitung nilai l/lo dari persamaan 1.3 disubstitusikan ke persamaan 1.7 menghasilkan

(1.8)

yang merupakan hubungan antara sistem regangan konvensional dan natural.

• Dengan analogi, regangan geser‑natural dinyatakan sebagai berikut

(1.9)

dimana Y adalah regangan geser natural dan Y adalah regangan geser konvensional.

· Seperti halnya pada analisis tegangan, elemen garis dapat diputar pada suatu titik sehingga timbul regangan longitudinal dan semua regangan geser menjadi nol.

• Arah putaran ini disebut sebagai sumbu regangan prinsipal dan regangan longitudinal.

• Pertambahan besar atau regangan volume pada sistem regangan kecil longitudinal didefinisikan:

d = s₁ + s₂ + s₃ = e₁ + e₂ + e₃

dan pada regangan natural

dimana angka ₁, ₂, dan ₃ menunjukkan regangan prinsipal dan x, y dan z menunjukkan sumbu koordinat pada titik.

1.2. ANALISIS KEKUATAN TANAH (SOIL STRENGTH)

· Kekuatan tanah: kemampuan dari suatu tanah pada kondisi tertentu untuk melawan gaya yang bekerja.

• Kekuatan tanah = kemampuan suatu tanah untuk mempertahankan diri dari deformasi atau regangan.

• kekuatan tanah tidak nyata tanpa terjadinya (adanya) regangan.

• Kekuatan tanah, merupakan salah satu sifat fisik tanah.

· Kekuatan tanah biasanya dinyatakan sebagai parameter dari tahanan yang harus diatasi yang menyebabkan terjadinya deformasi suatu satuan tanah.

· Dalam kaitan dengan dinamika tanah, kekuatan tanah diukur dengan intensitas tegangan yang diperlukan untuk

(a) mengubah tanah ke dalam suatu tingkat kerapatan tanah tertentu,

(b) menyebabkan kenaikan kecil dalam kerapatan tanah.

· Permasalahan: bagaimana mengukur dan menjelaskan kekuatan tanah sehingga diperoleh nilai numerik tertentu.

• Masalah ini belum terpecahkan secara tuntas.

• Beberapa hasil percobaan menunjukkan hasil yang bervariasi dengan selang yang berbeda.

• Kekuatan tanah berubah-­ubah pada saat diberlakukan, gaya dan juga pada saat tanah bergerak.

• Berubah‑ubahnya kekuatan sebenarnya terlihat juga pada bahan‑bahan yang lain tetapi perubahannya tidak seperti pada tanah.

• Dengan demikian kekuatan tanah juga adalah merupakan sifat dinamik tanah.

· Salah satu cara untuk menjelaskan kekuatan tanah adalah dengan menggunakan parameter dari hubungan tegangan‑regangan.

• Nilai numerik dari parameter pada setiap kondisi dapat secara kuantitatif menjelaskan kekuatan tanah.

• Misalnya viscoelastic, viscoplastic, dan mekanika fluida adalah contoh hubungan tegangan‑ regangan.