## STUDI PERBANDINGAN ANALISIS FEM 2D DAN 3D PADA STABILITAS SHEET PILE LONG STORAGE KOTA JAKARTA
Serli Yulianti 1) , Muhammad Riza 2) , Vitta Pratiwi 3)
1) Program Studi Teknik Sipil, Universitas Komputer Indonesia, Jl. Dipatiukur No. 112-116, Bandung, 40132, Indonesia serliyulianti79@gmail.com
2) Program Studi Teknik Sipil, Universitas Komputer Indonesia, Jl. Dipatiukur No. 112-116, Bandung, 40132, Indonesia mriza.geo@gmail.com
3) Program Studi Teknik Sipil, Universitas Komputer Indonesia, Jl. Dipatiukur No. 112-116, Bandung, 40132, Indonesia vitta.pratiwi@gmail.com
Masuk: 01-02-2023, revisi: 07-02-2023, diterima untuk diterbitkan: 19-05-2023

## ABSTRACT
Long storage with sheet pile construction is one of the flood’s handling in the capital city of Indonesia,  called as Jakarta. This study presents an analysis of sheet pile stability in the case of long storage in Jakarta City using the finite  element  2D  and  3D  methods  to  determine  the  value  of  safety  factor,  deformation,  bending  moment,  and settlement behind the wall. In FEM 2D, the analysis is carried out with plain-strain conditions where there are only two axes, x and y, while in FEM 3D the analysis is carried out with axisymmetric conditions where modeling is divided into three directions, x, y, and z which are considered to be able to model geometry in the field. Effective parameter approach  and hardening  soil  modeling  were  used  in  this  study.  The  results  showed  that the  deformation,  bending moment, and settlement behind the sheet pile wall in 2D had a greater value and tended to be overestimate compared to the results of 3D analysis, while the safety factor value in 3D analysis had a greater value.
Keywords: Sheet pile stability; long storage; FEM; Plaxis 3D, 2D.

## ABSTRAK
Long  storage dengan  konstruksi sheet  pile merupakan  salah  satu  penanganan  banjir  di  Ibu  Kota  Indonesia  yakni Jakarta. Tujuan penelitian adalah melakukan analisis stabilitas sheet pile pada kasus long storage Kota Jakarta dengan metode finite  element 2D  dan  3D  untuk  mengetahui  nilai  faktor  keamanan,  deformasi, bending  moment ,  dan penurunan  di belakang dinding. Studi perbandingan ini dilakukan karena pada FEM 2D analisis dilakukan dengan kondisi plain-strain dimana hanya terdapat dua sumbu yakni x dan y, sedangkan pada analisis FEM 3D dilakukan dengan kondisi axisymmetric dimana pemodelan terbagi tiga sumbu yakni x, y, dan z yang dinilai dapat memodelkan geometri  secara  aktual.  Pendekatan  parameter  efektif  dan  pemodelan  tanah Hardening  Soil digunakan  dalam penelitian  ini.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  nilai  deformasi, bending  moment ,  dan  penurunan  tanah  di belakang dinding sheet pile pada 2D memiliki nilai yang lebih besar dan cenderung overestimate dibandingkan dengan hasil analisis 3D, sedangkan untuk nilai faktor keamanan pada analiais 3D memiliki nilai yang lebih besar.
Kata kunci: Stabilitas sheet pile; long storage; FEM; Plaxis 3D, 2D.

## 1. PENDAHULUAN
Banjir  merupakan  permasalahan  yang  sering  terjadi  di  Kota  Jakarta  yang  diakibatkan  oleh  perubahan  kondisi lingkungan karena tingginya tingkat pertumbuhan penduduk, sehingga hal tersebut berdampak siginifikan terhadap pengelolaan ruang kota  (Widyaiswara et al., 2020). Kota Jakarta sendiri merupakan ibu kota Republik Indonesia yang memiliki letak geografis yang rentan terhadap banjir atau genangan air, baik dari hujan maupun banjir kiriman (Pratiwi &  Rahajoeningroem,  2020). Long  storage yang  merupakan  bangunan  air  untuk  menampung  atau  menyimpan kelebihan jumlah air digunakan sebagai salah satu penanganan untuk permasalahan banjir ( Bangunan Penampung Air PUPR ,  n.d.). Long  storage dapat  didukung  dengan  perencanaan  galian  dengan  dinding  penahan  berupa sheet  pile sebagai  konstruksi water-front dengan  daya  tahan  yang  baik  (Boscato  et  al.,  2011).  Adapun,  stabilitas  sheet  pile merupakan faktor yang harus dipertimbangkan penggunaannya sebagai struktur penahan tanah, dalam hal ini analisis stabilitas sheet  pile dapat  dilakukan  menggunakan  metode  FEM  dengan  aplikasi  Plaxis  2D  dan  3D.  Analisis  2D dilakukan dalam  kondisi plain-strain seringkali  tidak  dapat  memodelkan  secara  aktual geometri,  khususnya  untuk
kasus galian (Kefas, 2022). Berbeda halnya dengan analisis 3D yang dinilai dapat memberi gambaran secara akurat dikarenakan analisis dilakukan dalam kondisi axisymmetric sehingga simulasi yang dilakukan terbagi ke arah radial dan longitudinal. Adapun, model tanah Hardening Soil/HSM dalam FEM Plaxis dinilai paling baik menggambarkan pendekatan kondisi nyata dari perilaku tegangan-regangan dalam tanah (Riza et al., 2014). Berdasarkan penjelasan sebelumnya maka  diperlukan analisis  perbandingan mengenai stabilitas  sheet pile dalam  kasus long storage untuk mengetahui sejauh mana perbedaan antara FEM Plaxis 2D  dan 3D, serta untuk memberikan keluaran berupa nilai faktor keamanan atau safety factor , bending moment , deformasi horizontal, dan penurunan tanah di belakang dinding.

## Finite element analysis
Finite element method atau metode elemen hingga merupakan salah satu perhitungan yang digunakan dalam analisis sheet pile. Perhitungan ini menggunakan konsep persamaan integral dalam menghitung  suatu nilai infinite. Adapun aplikasi Plaxis merupakan salah satu program dengan analisis FEM . Pada program Plaxis geometri pemodelan dibagi menjadi elemen yang disebut dengan jaringan elemen hingga, dimana setiap elemen memuat titik node yang berkaitan dengan nilai parameter.

## Plaxis
Plaxis  merupakan  program  atau  aplikasi yang  berbasis  elemen  hingga  dalam  analisis  dan  desain bidang geoteknik (Hamdhan & Fitriani Iskandar, 2019). Dalam program Plaxis terdapat prosedur atau langkah-langkah untuk analisis diantaranya adalah menentukan judul analisis, model, dan elemen, menuliskan dimensi tanah, membentuk dimensi dari tanah, serta input nilai parameter tanah. Pada penelitian ini digunakan aplikasi Plaxis 2 dimensi serta 3 dimensi sebagai perbandingan. Adapun perbedaan antara Plaxis 2D dan 3D terdapat pada kondisi analisis, dimana pada analisis 2D hanya mensimulasikan kondisi plain-strain dan pada analisis 3D mensimulasikan kondisi axisymmetric.

## 2. METODE PENELITIAN
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah finite element 2D dan 3D menggunakan aplikasi Plaxis, di mana keluaran  hasil  analisis  dari  penelitian  ini  berupa  faktor  keamanan,  deformasi  horizontal,  bending  moment,  dan penurunan tanah di belakang dinding serta pendekatan parameter efektif dengan pemodelan tanah berupa Hardening Soil/HSM digunakan dalam penelitian ini. Diagram alir untuk penelitian studi perbandingan analisis FEM 2D dan 3D dapat dilihat pada Gambar 1 berikut ini.

## Data Sekunder
Dalam  penelitian  ini  digunakan  data  sekunder  berupa  hasil  penyelidikan  tanah  SPT,  CPT,  dan  data  laboratorium seperti uji triaksial CU dan Atterberg Limit.

## Teknik Analisis
Plaxis merupakan aplikasi yang dimodelkan dengan metode finite element yang analisisnya terbagi atas elemen (node) sesuai dengan parameter tanah. Sedangkan Mohr-Coulomb dan Hardening Soil (model konstitutif) merupakan model tanah yang biasa digunakan dalam FEM (Kempfert & Gebreselassie, 2006). Freiseder menyatakan bahwa Hardening Soil Model lebih memberikan hasil deformasi dan penurunan tanah di belakang dinding secara realistis(Kempfert & Gebreselassie, 2006). Hardening Soil Model juga merupakan model tingkat lanjut yang memiliki tiga nilai kekakuan, diantaranya  E 50 ref ,  E oed ,  serta E ur .  Dalam  buku Excavation and  Foundation  in  Soft  Soils oleh  Hans-Georg  Kemfert (2006), nilai modulus kekakuan diasumsikan E 50 ref = E oed , dan E ur =3. E 50 ref . Menurut Vermer dan Meier nilai E 50 ref < E oed untuk jenis tanah lempung dan Schanz, HSM dapat memodelkan perilaku berbagai jenis tanah keras dan lunak (Kempfert & Gebreselassie, 2006).  Adapun dalam buku Muni Budhu, Soil Mechanic and Foundation menyatakan bahwa analisis tegangan efektif umumnya digunakan untuk menganalisis stabilitas sheet pile. Sedangkan, dalam kasus long storage yang berupa galian, Lafleur et.al menyatakan bahwa pendekatan tegangan efektif kondisi drained dapat mengestimasikan  nilai  faktor  keamanan  serta  menjadi  kondisi  yang  paling  kritis  (Budhu,  2010).  Kondisi drained secara  teori  nilai  c’  diasumsikan  bernilai  0  (Kempfert  &  Gebreselassie,  2006).  Akan  tetapi,  dalam  analisis menggunakan aplikasi Plaxis, input nilai 0 untuk c’ akan terjadi kegagalan. Oleh karena itu, pada penelitian ini c’ akan dicantumkan nilai sebesar 1.

## Kondisi subsoil dan parameter tanah
Penelitian  ini  dilakukan  pada  kasus long  storage Kota  Jakarta  dengan  galian  sedalam  2,5  meter,  kondisi  air  yang tertampung  tidak  diperhitungkan  dan  asumsi  beban  sebesar  10kN/m 2 .  Berdasarkan  pengujian  tanah  di  lapangan didapatkan  stratifikasi  tanah yang dapat dilihat  pada  Gambar  2,  di  mana  tidak  terdapat lapisan  tanah keras  hingga kedalaman 30 meter dan diasumsikan worst case /kondisi kritis pada BH-5. Pada 10 meter pertama rata-rata nilai N SPT sebesar 0-10, dengan nilai PI berkisar 41,12%. Lapisan kedua 10,5-22,5 meter didapatkan nilai N SPT rata-rata kisaran 41,81 dan berdasarkan uji triaksial CU serta grafik korelasi nilai PI didapatkan kisaran rentang 25̊-28̊.
Gambar 2 Stratifikasi Tanah
Sedangkan input parameter HSM dan input parameter sheet pile 2 dimensi dan 3 dimensi pada penelitian ini dapat dilihat pada tabel 1, 2 dan 3 berikut ini.

## Tabel 1 Parameter Hardening Soil
Untuk input parameter sheet pile pada Plaxis 3D dapat dilihat pada Tabel 2, sedangkan untuk input parameter sheet pile pada Plaxis 2D terdapat pada Tabel 3.
Tabel 2 Parameter Sheet Pile Plaxis 3D
Jenis Sheet Pile W-325/ Kelas B Mcrack (kNm/m) 130,4 kNm/m d (thickness) m 0,35 f'c 62 E Beton (kN/m 2 ) 37007837,01 Length (m) 11 E 1 13910000
E 2 695300 G 12 695300 G 13 2015000 G 23 604500 V 12
0,15
Tabel 3 Parameter Sheet Pile Plaxis 2D
Jenis Sheet Pile W-325/ Kelas B Mcrack (kNm/m) 130,4 kNm/m d (thickness) m 0,35 f'c 62 E Beton (kN/m 2 ) 37007837,01 Length (m) 11 EA 4866530,567 EI 49688,20228 v 0,15
Soil Type k (m/day) c' (kN/m 2 ) φ' ɣ sat (kN/m 3 ) ɣ unsat (kN/m 3 ) V ur E oed E 50 E ur m K 0 ѱ Silty Clay (Very Soft to Soft) 2,29E-03 1 25 16,6 15,6 0,2 995 904,5 2713 1 0,58 0 Sandy Silt (Stiff to Hard) 1,62E-03 1 27 18 17 0,2 13054 11867 35602 1 0,55 0 Silty Clay (Medium to Stiff) 2,00E-03 1 26 17,6 16,6 0,2 7077 6434 19036 1 0,56 0

## Pemodelan numerik
Pada pemodelan numerik perbandingan analisis FEM terjadi pada geometri dimana pada Plaxis 2D hanya terdapat 2 sumbu  yakni  x  dan  y  dengan  analisis  kondisi plain-strain ,  sedangkan  pada  3D  analisis  dilakukan  dalam  kondisi axisymmetric yang terdapat 3 sumbu yaitu, x, y, dan z sehingga dinilai dapat memberikan gambaran aktual geometri di lapangan khususnya pada galian. Berikut adalah pemodelan numerik pada Plaxis 2D dan 3D yang dapat dilihat pada Gambar 3 untuk pemodelan plaxis 2D dan Gambar 4 untuk pemodelan plaxis 3D.

## Gambar 3 Pemodelan Plaxis 2D
Sedangkan pemodelan numerik pada analisis 3D Plaxis terdapat 3 sumbu yakni x, y, dan z dimana analisis dilakukan secara axisymmetric yang  akan  berpengaruh  terhadap  hasil  analisis.  Berikut  adalah  pemodelan  numerik  pada pemodelan plaxis 3D pada Gambar 4.

## Gambar 4 Pemodelan Plaxis 3D

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam hasil dan pembahasan, nilai faktor keamanan, deformasi horizontal, nilai bending moment, serta penurunan di belakang dinding akan ditampilkan dalam bentuk tabel dan grafik antara analisis FEM 2 dimensi dan 3 dimensi yang dapat dilihat pada Gambar 5 dan 6. Hasil displacement pada analisis 2D didapatkan 23 cm, sedangkan pada analisis 3D didapatkan nilai yang lebih kecil daripada analisis 2D senilai 17 cm. Adapun, grafik bending moment tercantum
pada Gambar 6 di mana hasil bending moment pada analisis 2D juga memiliki nilai yang lebih besar daripada analisis 3D.

## Gambar 5 Displacement
Dari hasil analisis menunjukkan bahwa displacement /deformasi pada analisis 2 dimensi memilki nilai yang lebih besar daripada  hasil  analisis  3  dimensi.  Hal  tersebut  membuktikan  penelitian  oleh  Liang  Tang  et.al  (Tang  et  al.,  2018) mengenai Finite Element Analysis of Lateral Earth Pressure on Sheet Pile Walls bahwa displacement dalam analisis 3D  dinilai  lebih  akurat  serta  mudah  dipertimbangkan  daripada  dengan  analisis  2D,  hal  itu  disebabkan  dimensi penampangnya dalam 3D yang dinilai lebih realistis. Sedangkan, menurut Alireza dan M. Ahmadi bahwa analisis 2D menghasilkan nilai defleksi yang overestimate dan desain yang digunakan kemungkinan tidak ekonomis (Ahmadi & Ahmadi, 2022). Sedangkan, bending moment dalam 2 dimensi juga memiliki hasil yang overestimate daripada analisis 3 dimensi. Hal tersebut juga membenarkan penelitian oleh Ong Yin Hoe dan Hisham Mohamad mengenai Excavation in 2D and 3D Problems bahwa, dalam 2D model overestimate dalam bending moment di perbandingan terhadap 3D model.  Oleh  karena  itu,  dalam  situasi  ini  analisis  2D  menyebabkan  desain  yang  berlebihan (over-design) (Hoe  & Mohamad, 2018) .
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 0 0.07 0.14 0.21 0.28 0.35 0.42 0.49
Dept h ( m ) Displacement (m) 2D 3D -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 Dept h ( m ) Bending Moment (kNm/m) 2D 3D
Sedangkan grafik penurunan tanah di belakang dinding hasil perbandingan antara FEM 2D dan 3D dapat dilihat pada gambar  7  di  bawah,  dimana  nilai  penurunan  pada  2  dimensi  memiliki  nilai  hampir  dua  kali  lipat  lebih  besar dibandingkan dengan hasil analisis 3 dimensi.
Gambar 7 Penurunan Tanah di Belakang Dinding
Hasil keseluruhan dari analisis antara FEM 2D dan 3D menggunakan aplikasi Plaxis yang menunjukkan bahwa hasil dari  analisis  2D  memiliki  nilai  yang  lebih  besar  dan  cenderung overestimate berdasarkan  nilai bending  moment , deformasi, dan penurunan tanah di belakang dinding dapat dilihat pada Tabel 4 di bawah ini.
Tabel 4 Hasil Analisis FEM 2D dan 3D Results Bending Moment kNm/m SF Displacement (cm) Settlement (cm) Min. Max. 2D -36,16 0,1463 2 23 19 3D -13,28 6,836 2,47 17 9
Sedangkan  untuk  hasil  keluaran displacement dari  analisis  menggunakan  aplikasi  Plaxis  2  dimensi  dan  3  dimensi dapat dilihat pada Gambar 8 dan 9 berikut.
-25 -20 -15 -10 -5 0 -15 -10 -5 0 Set tlem ent ( cm ) Distance from Wall (m) 2D (cm) 3D (cm)
Gambar 8 Displacement pada Plaxis 2D

## Gambar 9 Displacement pada Plaxis 3D (Side-View)
Adapun, pada Gambar 10 berikut menunjukkan nilai displacement analisis 3D dengan pemodelan akhir (front-view) berikut ini.

## Gambar 10 Displacement pada Plaxis 3D (Front-View)

## 4. KESIMPULAN
Pada analisis perbandingan antara FEM dua dimensi dengan tiga dimensi didapatkan hasil faktor keamanan yang lebih besar pada tiga dimensi. Sedangkan hasil bending moment, deformasi horizontal, serta penurunan di belakang dinding analisis FEM dua dimensi menunjukkan hasil yang lebih besar dan overestimate dibandingkan dengan analisis tiga dimensi. Hal tersebut dikarenakan konsep (plain-strain) dua dimensi yang mana pada kondisi ini tegangan-regangan disimulasikan hanya pada sumbu x dan y, sedangkan untuk sumbu z dianggap nol. Berbeda halnya dengan FEM tiga dimensi konsep (axisymmetric ) yang terdapat tiga sumbu (x, y, dan z) sehingga simulasi analisis terbagi ke arah radial dan longitudinal, sehingga analisis FEM tiga dimensi dinilai lebih akurat.

## DAFTAR PUSTAKA
Ahmadi,  A.,  &  Ahmadi,  M.  M.  (2022).  Three-dimensional  numerical  analysis  of  corner  effect  of  an  excavation supported  by  ground  anchors. International  Journal  of  Geotechnical  Engineering , 16 (7),  903–915. https://doi.org/10.1080/19386362.2019.1682349
bangunan penampung air PUPR . (n.d.).
Boscato, G., Mottram, J. T., & Russo, S. (2011). Dynamic Response of a Sheet Pile of Fiber-Reinforced Polymer for Waterfront Barriers.
Journal of Composites for Construction , 15 (6), 974–984. https://doi.org/10.1061/(asce)cc.1943-5614.0000231
Budhu, M. (2010). Soil Mechanics Foundation 3 rd Edition . New Jersey: Hamilton Company.
Galian, K., Di, L., Lunak, T., & Riza, M. (n.d.). Reliabilitas Model Tanah Mohr-Coulomb Dan Hardening Soil Pada Kasus . https://www.researchgate.net/publication/361244798
Hamdhan, I. N., & Fitriani Iskandar, F. (2019). Analisis Perkuatan Timbunan Di Atas Tanah Lunak Menggunakan Dinding Turap dengan Pendekatan Model Numerik. In Media Komunikasi Teknik Sipil (Vol. 25, Issue 1).
Hoe, O. Y., & Mohamad, H. (2018). Comparison of Induced Deflection and Forces in Piles Adjacent to Tunnelling and Deep Excavation in 2D and 3D Problems. MATEC Web of Conferences , 203 . https://doi.org/10.1051/matecconf/201820304011
Inovasi  Penelitian,  J.,  Eldi  Widyaiswara  Kementerian  Agraria  dan  Tata  Ruang,  O.,  Pertanahan  Nasional  Jl Sisingamangaraja No, B., Kby Baru, K., Jakarta Selatan, K., & Khusus, D. (n.d.). Analisis Penyebab Banjir Di Dki Jakarta .
Kefas, P. (2022). Analisis Galian Dalam Dengan Perkuatan Angkur Dan Strut Menggunakan Model 3d Di Jakarta Utara. TERAS JURNAL , 12 (2), 515. https://doi.org/10.29103/tj.v12i2.725
Kempfert, H.-Georg., & Gebreselassie, Berhane. (2006). Excavations and foundations in soft soils . Springer-Verlag.
Pratiwi,  V.,  &  Rahajoeningroem,  T.  (2020).  Perencanaan  Prasarana  Dan  Sarana  Sistem  Pengendalian  Banjir  Kota Administrasi Jakarta Pusat Infrastructure Planning And Facilities For Flood Control System Of Central Jakarta. IComSE (Indonesian Community Service and Empowerment , 1 (1), 36–44.
Tang, L., Cong, S., Xing, W., Ling, X., Geng, L., Nie, Z., & Gan, F. (2018). Finite element analysis of lateral earth pressure on sheet pile walls. Engineering Geology , 244 , 146–158. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2018.07.030