Menara Pisa dan Penyebab Kemiringannya

Menara Pisa adalah sebuah menara lonceng milik cathedral (bell Tower of the Cathedral) dan merupakan salah satu dari 4 bangunan yang berada di area Medieval Piazza dei Miracoli. Menara ini berlokasi di belakang Cathedral dan merupakan bangunan tertua yang ketiga pada struktur bangunan Pisa's Cathedral Square (Piazza del Duomo) berurutan setelah Bangunan Cathedral dan the Baptistry.

Tinggi dari bangunan ini adalah 55.86 meter pada area tanah yang rendah sedangkan 56.70 m pada area tanah yang lebih tinggi. Lebar dari antar kolom bangunan ini adalah 4.09 m pada bagian bawahnya dan 2.48 meter pada bagian atasnya. Berat bangunan ini adalah sekitar 14500 ton dan memiliki kurang lebih 296 anak tangga. Proses pembangunan menara ini dimulai pada 9 Agustus 1173 yang dilakukan secara bertahap. Terdapat 3 tahapan pembangunan dimana rentang waktu antara pembangunan pertama dan pembangunan tahap berikutnya terlampau cukup jauh. Tidak ada yang tahu pasti penyebab jeda pembangunan yang terlalu jauh tersebut. Pembangunan kemudian dilanjutkan lagi pada tahun 1272 setelah berhenti selama 100 tahun, diyakini ketika itu lempung dibawah bangunan sudah selesai mengalami pemampatan sehingga lebih kuat akibat beban bangunan diatasnya. Sekitar tahun 1278 membangunan sudah mencapai pemasangan penghias tembok pada bangunan lantai 7 lalu kemudian dihentikan lagi akibat kondisi militer yang tidak stabil. Pembangunan dilanjutkan lagi hingga pembangunan ruangan untuk lonceng pada tahun 1360 dan selesai pada tahun 1370.

Dari menara inilah, muncul cerita-cerita yang bermacam-macam. Misalnya saja, astronom Galileo Galilei sempat menjatuhkan dua bola yang berbeda berat dari menara. Ini untuk menunjukkan bahwa kecepatan yang berkurang dari kedua bola itu tidak karena beratnya. Tapi, kabarnya cerita ini juga dongeng saja. Namun, yang benar terjadi adalah perintah dari penguasa Italia saat itu Benito Mussolini memerintahkan agar menara dikembalikan ke posisi vertikal atau tegak. Untuk melaksanakan perintah itu, pondasi menara diberi tambahan beton. Ternyata, hasilnya tidak sesuai perkiraan. Menara malah tambah tenggelam ke dalam tanah yang lembek. Saat Perang Dunia II, militer Amerika nyaris juga menghancurkan Menara Pisa ini karena khawatir ada penembak jitu di sana. Untunglah, penarikan mundur pasukan menyelamatkan menara itu. Ada kontroversi mengenai identitas dari arsitek Menara Miring Pisa. Selama beberapa tahun lamanya desainer dipredikatkan kepada Guglielmo dan Bonanno Pisano, seorang seniman lokal terkemuka abad ke-12 di Pisa, yang populer oleh cetakan perunggunya, khususnya di dalam Pisa Duomo. Bonanno Pisano meninggalkan Pisa pada 1185 menuju ke Monreale, Sisilia, hanya untuk pulang kampung dan meninggal di kampung halamannya. Sarkofagus nya ditemukan di dasar menara pada tahun 1820.

Menara ini dibangun dengan desain hollow dimana bangunan utama yang difungsikan adalah bagian pinggirnya sedangkan bagian tengahnya seolah sebagai lubang besar layaknya menara-menara lonceng khas Eropa. Menara ini dirancang dengan 6 tiang penyangga besar dengan menggunakan kolom, sedangkan desain dinding luar maupun dalamnya menggunakan marmer San Giuliano. Menara ini diketahui mengalami kemiringan kearah selatan selama pelaksanaan pembangunan tahap kedua hingga kemudian kemiringan terus terjadi dan meningkat. Akibat kemiringan yang dianggap berbahaya pada tanggal 7 Januari 1990 menara ini tertutup untuk umum. Lonceng telah dihapus untuk mengurangi berat badan, dan kabel dipasangkan untuk menopang menara. Saat itu apartemen dan rumah di jalan menara dikosongkan demi keselamatan umum. Solusi terakhir untuk mencegah jatuhnya menara adalah untuk sedikit meluruskan menara ke sudut yang lebih aman. Selain pekerjaan untuk memperkuat struktur, dilakukan juga pekerjaan pemulihan fisik menara dalam rangka untuk memperbaiki kerusakan visual, terutama korosi dan penghitaman. Ini terutama disebabkan oleh karena usia menara dan eksposur terhadap angin dan hujan. Setelah satu dekade rekonstruksi korektif dan upaya stabilisasi, menara ini dibuka untuk umum pada tanggal 15 Desember 2001, dan telah dianggap stabil setidaknya selama 300 tahun.

Sebelumnya,upaya stabilisasi untuk mengurangi dan menghilangkan terjadinya penurunan secara berkelanjutan dilakukan. Berdasarkan hasil study yang dilakukan oleh Burland dan Potts (1994) mengindikasikan bahwa tekanan rata-rata yang terjadi pada pondasi adalah 500 kPa dimana tekanan terbesar terjadi pada sisi selatan yaitu mencapai 1000 kPa sehingga tekanan yang terjadi pada sisi sebelah utara adalah mendekati 0 kPa. Study-study lain juga dilakukan untuk memperoleh penyebab terjadinya tilting pada bagian pondasi yang menyebabkan terjadinya kemiringan menara tersebut. Tahapan study yang dilakukan adalah mengecek desain bangunan termasuk beban-beban yang terjadi hingga melakukan pengecekan terhadap lapisan tanah dibawah bangunan.

Lapisan tanah dibawah menara ini terdiri dari tiga bagian utama seperti yang terlihat pada Gambar. Pada

bagian Horizontal A memiliki ketebalan 10 m yang terdiri dari lapisan deposite muara lunak yang kepasiran (soft estuarine deposite sandy) dan lapisan lanau yang kelempungan yang berada dibawah muka air tanah. Horizontal B terdiri dari tanah lempung marine yang lunak dan sensitive yang sudah terkonsolidasi normal dengan kedalaman hingga -40 m. Karena sifat tanah yang terlalu sensitive menyebabkan tanah tersebut akan kehilangan sebagian besar kekuatannya apabila terganggu. Horizontal C adalah lapisan tanah marine yang padat hingga kedalaman -60 m. Muka air tanah pada Horizontal A adalah kurang lebih 1-2 m dibawah lapisan tanah dasar. Lapisan tanah pada Horizontal A dan lapisan tanah lempung marine pada Horizontal B yang berada dibawah menara tersebut dapat mengindikasikan terjadinya pemampatan pada lapisan tanah sebesar 3-5 meter. Pada tahun 1990 Pemerintah Italia semakin serius melakukan pencegahan-pencegahan terhadap terjadinya kemiringan menara tersebut untuk menghindari kerusakan struktur yang terjadi. Keseriusan pemerintahan ditandai dengan dibentuknya suatu komite internasional yang beranggotakan tokoh dari berbagai disiplin ilmu untuk menstabilisasi kondisi menara pisa tersebut. Kegiatan komite ini difokuskan terhadap stabilitas stuktur bangunan dengan memperkuat bangunan yang direportasei oleh MIBAC (2006).

Pekerjaan Stabilisasi

Pengukuran terhadap kejadian kemiringan telah dilakukan sejak 1911. Hasil pengukuran tersebut menunjukan bahwa pada abad 20 menara ini sudah mengalami peningkatan kemiringan dari tahun ketahun dan kondisi tersebut mengalami peningkatan 2 kali lipat sejak tahun 1930an. Pada tahun 1990, peningkatan tilt adalah sekitar 6 arc seconds per tahun yang ekivalen dengan perubahan arah horizontal pada bagian atas menara sebesar 1.5 mm per tahun (Jamiolkowski,2001). Perdebatan sering terjadi untuk mengetahui penyebab utama dari kejadian tersebut. Salah satu yang diyakini sebagai pengebab terjadinya kemiringan tersebut adalah adanya creep atau rangkak pada lapisan tanah lempung marine yang lunak dibawah bangunan yang menyebabkan terjadinya pemampatan yang berlebih pada area di selatan. Study lanjutan yaitu study geodetic yang dilakukan menunjukkan bahwa pergerakan yang terjadi pada pondasi menara tersebut adalah tidak sesuai dengan hasil perhitungan desain awal yang telah dilakukan. Pengukuran dengan menggunakan theodolite menunjukan bahwa, menara tersebut ternyata bukan mengalami pergerakan secara horizontal yang ditunjukan pada hasil pengukuran yang dilakukan pada 1934 dan 1970an. Selain itu, pengukuran lain yang dilakukan pada tahun 1928 menunjukan bahwa pusat pondasi bangunan juga mengalami pergerakan yang bukan vertical. Hal tersebut menunjukan bahwa bangunan menara seperti dilihat pada gambar memiliki pusat pergerakan yang berada tepat diatas titik pusat dari pondasi. Pergerakan yang terjadi pada titik FN dan FS adalah ditunjukan dengan tanda panah. Dari gambar tersebut terlihat jelas bahwa pondasi tersebut mengalami pergerakan kearah utara dengan titik FN mengarah keatas dan FS mengarah kebawah/tenggelam (Burland dan Viggiani,1994).

Setelah muncul hasil penelitian diatas, kemudian beberapa penelitian-penelitian dilakukan yang didasari oleh penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya dan menghasilkan beberapa kesimpulan yang diyakini merupakan penyebab dari kemiringan yang terjadi pada menara Pisa tersebut. Hambly (1985), menyatakan bahwa pergerakan yang terjadi pada menara tersebut adalah lebih sesuai dengan phenomena Leaning instability dibandingkan dengan terjadinya bearing capacity failure. Burland dkk (1993) melakukan observasi dan menyimpulkan bahwa perlu adanya pemasangan counterweight yang bersifat sementara pada area utara menara untuk mengurangi terjadinya penurunan pada bagian selatan. Menurut Burland dan Potts dari study yang dilakukan pada 1994, menyatakan bahwa berdasarkan pergerakan tanah yang terjadi dapat disimpulkan bahwa pergerakan rotasi tersebut terjadi pada lapisan di horizontal A dan bukan pada lapisan lempung marine seperti yang diasumsikan selama ini. Hal tersebut bisa terjadi akibat proses waktu sehingga tanah dikatakan mengalami semacam penuaan dan lelah/rangkak akibat terlalu lama menahan beban diatasnya. Kesimpulan tersebut diperoleh berdasarkan pemodelan yang dilakukan dengan program computer. Fluktuasi muka air tanah dianggap juga merupakan salah satu penyebab utama terjadinya rangkak pada tanah. Perubahan muka airtanah tersebut diyakini terjadi akibat terjadinya hujan yang sangat deras yang biasanya terjadi pada bulan September dan Desember pada tiap tahunnya. Rotasi pergerakan bangunan tiap tahunnya terjadi pada saat kondisi muka air tanah meningkat secara siknifikan pada lapisan Horizontal A yang terjadi pada saat hujan deras (Burland dkk, 2003). Berdasarkan Gambar pada grafik hasil penelitian dapat dilihat bahwa perubahan kemiringan menara akan semakin besar apabila terjadi hujan deras yang terjadi pada September dan Oktober 1995 di kawasan tersebut. Masing-masing kondisi tersebut ditunjukan dengan meningkatnya nilai piezometric head yang lebih besar pada bagian Utara dibandingkan dengan dibagian selatan menara tersebut. Untuk mengurangi kemiringan yang terjadi setiap tahunnya, antisipasi yang bersifat temporary dan stabilisasi jangka panjang perlu dilakukan.

Antisipasi Sementara

Stabilisasi yang bersifat sementara mulai dilakukan pada kisaran tahun 1993 dengan memberikan pemberat 600 ton di bagian utara dengan meletakan beton pada area yang lebih tinggi akibat kenaikan tanah untuk mengimbangi penurunan tanah yang terjadi di sisi lainnya. Pemberat ini dapat mengurangi terjadinya kemiringan sebesar one minute of arc pada bangunan dan mengurangi terjadinya moment overturning (moment pendorong) sebesar 10 persen. Pada bulan September 1995, beban pemberat tersebut diperbesar menjadi 900 ton yang bertujuan untuk mengkonttrol pergerakan menara kearah selatan selama pemasangan anchor untuk antisipasi jangka panjang. Periode ini merupakan periode yang paling sulit sehingga para pekerja dan para ahli yang bergabung dalam tim ini menyebutnya sebagai Black September.

Antisipasi Jangka Panjang

Sebuah solusi permanen untuk jangka panjang dicari yang akan mengurangi kemiringan Menara sebesar setengah derajat yang tidak dapat dilihat secara visual, tetapi akan mengurangi tekanan di sisi selatan selain itu juga dapat menstabilkan pondasi. Mengingat bahwa fondasi Menara itu sudah mengalami kegagalan struktur dan bahwa setiap gangguan sedikit ke tanah di sisi selatan hampir pasti akan memicu terjadinya keruntuhan, maka para ahli berusaha untuk menemukan metode demi mengurangi kemiringan yang terus terjadi. Banyak penyelidikan yang dilakukan untuk mengendalikan pemampatan yang terjadi beberapa diantaranya adalah pemasangan drainase bawah sisi utara menggunakan sumur, konsolidasi bawah sisi utara dengan elektro-osmosis dan pembebanan tanah di sekitar sisi utara Menara dengan cara menekan pelat dimuat oleh jangkar tanah. Tak satu pun dari metode ini terbukti memuaskan.

Pada tahap ini, ide lain yang dapat sedikit mengurangi kemiringan menara yaitu dengan cara ekstraksi tanah yang dilakukan di bawah sisi utara bangunan mulai menarik minat tim. Metode ini, yang dikenal sebagai underexcavation, kemudian berkembang secara bertahap. Ini melibatkan pemasangan beberapa jumlah tabung ekstraksi tanah yang berada di bawah sisi utara pondasi. Metode ini awalnya diusulkan oleh Terracina (1962) untuk Pisa dan telah berhasil digunakan sebelumnya (Johnston dan Burland, 2004), terutama untuk mengurangi differential settlement yang dapat merusak bangunan gedung Katedral Metropolitan Meksiko City (Tamez, Ovando dan Santoyo, 1997). Tetapi penerapan metode tersebut untuk menara Pisa adalah sangat jauh berbeda dan harus dipelajari lebih dalam lagi. Selama beberapa tahun metode ini dipelajari melalui pemodelan fisik, kemudian dengan pemodelan numerik dan akhirnya dengan cara uji coba skala besar (Burland et al, 2000). Temuan kunci dari penelitian di atas adalah bahwa, disediakan ekstraksi tanah dari bawah fondasi yang mengambil tempat di sebelah utara garis kritis, menghasilkan respon Menara selalu baik. Garis kritis ini terletak sekitar setengah radius dalam dari tepi utara bangunan. Tujuan utama dari skala besar percobaan ini adalah untuk mengembangkan teknologi pengeboran untuk ekstraksi tanah. Bor yang dikembangkan ini terdiri dari auger berongga-bertangkai yang disimpan di dalam casing kontra-rotating yang memiliki diameter 168mm. Hal ini dilakukan untuk meminimalisir kemungkinan gangguang yang terjadi pada bor pada saat didalam tanah. Ketika bor sudah mencapai titik yang ditentukan maka pengeboran dihentikan dan ditarik yang jaraknya sekitar satu meter dari rongga silinder. Uji coba menunjukkan bahwa rongga yang terbentuk di tanah berlumpur Horizon A dapat tertutup dengan baik sehingga ekstraksi berulang dapat dibuat pada lokasi yang sama. Pondasi percobaan berhasil diputar oleh suatu alat pengkontrol sebesar 0.25 derajat dan dipertahankan dalam kondisi terarah meskipun kondisi tanah agak non-seragam. Tim berusaha untuk melakukan yang terbaik dalam pembangunan ini, yaitu dengan melakukan komunikasi berkala dan membentuk suatu sistem yang baik. Sistem ini terdiri dari laporan harian dari pekerja ke insinyur yang bertanggung jawab dari respon dasar untuk ekstraksi tanah dihari sebelumnya. Para insinyur yang bertanggung jawab kemudian mengeluarkan dokumen yang ditandatangani di mana respon hari sebelumnya dirangkum dan dianalisis. Ekstraksi tanah hari yang akan datang yang telah ditetapkan dan instruksi yang diberikan untuk lokasi dan volume dari ekstraksi tanah berikutnya. Pada bulan Agustus 1998 tim setuju untuk melaksanakan ekstraksi tanah yang terbatas pada bagian bawah Menara saja dengan tujuan untuk mengamati respon yang terjadi. Untuk underexcavation awal adalah dilakukan lebih lebar 6m terbatas pada bagian utara Menara menggunakan dua belas lubang dilapisi dengan casing berdiameter 219mm. Pada tanggal 9 Februari 1999, dalam suasana ketegangan yang besar, ekstraksi tanah pertama dilakukan Menara ini perlahan-lahan mulai berputar ke utara.

Ketika rotasi utara telah mencapai sekitar 80 second arc pada awal Juni 1999, ekstraksi tanah awal dihentikan. Rotasi utara dilanjutkan dengan penurunan tingkat sampai Oktober 1999. Keberhasilan awal underexcavation membuat tim merasa lega dan menyimpulkan bahwa kondisi sudah aman untuk melakukan ekstraksi tanah keseluruhan. Dengan demikian, antara Desember 1999 dan Januari 2000, 41 lubang ekstraksi dipasang di utara Menara pada jarak 0.5m dengan auger dan casing di lubang masingmasing. Underexcavation penuh dimulai pada tanggal 21 Februari 2000 dan Menara itu diarahkan supaya berputar keutara. Menjelang akhir Mei 2000 pelepasan progresif dari ingot timah sudah dimulai. Pada 16 Januari 2001 ingot timah terakhir telah dilepas dari cincin beton pasca-dikencangkan dan selanjutnya hanya ekstraksi tanah yang dilakukan terbatas. Pertengahan Februari 2001 cincin beton itu sendiri telah dilepas dan pada awal Maret penghapusan progresif augers dan casing dimulai dengan lubang yang diisi oleh nat bentonitic. Ekstraksi final dan pelepasan auger berlangsung pada 6 Juni 2001 di mana proses pemutaran menara ke utara menggunakan waktu sekitar 1800 second arc. Rincian lengkap dari operasi ekstraksi tanah dan respon terkait Menara diberikan oleh Burland et al, (2003). Hingga kini, proses antisipasi kemiringan yang berkelanjutan pada menara Pisa dianggap sudah cukup berhasil sehingga menara Pisa sudah mulai dibuka untuk umum. Namun, terdapat banyak perdebatan dikalangan ilmuan dan praktisi tentang kondisi menara pisa jangka panjang jika ditinjau dari kekuatan bangunan itu sendiri mengingat usia bangunan yang sudah tua. Untuk sementara ini,Pisa masih bisa dikunjungi.