13 Daniel r Teruna Dan Hendrik bun Paper

ANALISIS RESPONSE BANGUNAN ICT UNIVERSITAS SYIAH KUALA YANG MEMAKAI SLIDER ISOLATOR AKIBAT GAYA GEMPA Daniel Rumbi Teruna, Hendrik Singarimbun

1 PENDAHULUAN Pada umumnya Perencanaan konvensional bangunan tahan gempa dengan memperhitungkan besaran gaya gempa dari kurva respon spektra elastis. Gaya gempa elastis dapat direduksi dengan faktor R untuk memperhitungkan dissipasi energi melalui deformasi inelastis yang terjadi pada struktur. Deformasi inelastis ini diarahkan pada bagian komponen struktur tertentu untuk mengabsorb energi pada peristiwa gempa kuat, dan biasanya direncanakan pada bagian balok yang dekat dengan sambungan balokkolom (beam-column joint), sehingga mengakibatkan kerusakan yang cukup berarti pada komponen-komponen struktur tersebut. Disamping itu, akibat beban gempa yang bekerja secara siklik akan mengakibatkan terjadinya degradasi perilaku hysterisis loop komponen struktur meskipun telah dirancang dengan pendetailan yang cukup baik. Lebih lanjut simpangan antar tingkat yang terjadi karena dibutuhkan untuk mengabsorb energi gempa akan menyebabkan komponen non-struktural seperti dinding pengisi, partisi, plafond, jendela, pintu dan sebagainya akan mengalami kerusakan juga. Besar kecilnya Kerusakan komponen struktur dan non-struktur akibat gerakan tanah tidak hanya tergantung kepada karakteristik gempa saja. Berikut ini diberikan beberapah faktor utama yang mempengaruhi kerusakan bangunan akibat gempa [6], antara lain: 1.

Karakteristik gempa yang terjadi Percepatan puncak muka tanah Durasi gempa Frekwensi gempa Panjang patahan

2.

Karakteristik lokasi dimana bangunan akan didirikan Jarak bangunan ke pusat gempa Struktur geologi antara bangunan ke pusat gempa Jenis lapisan tanah dilokasi bangunan Waktur getar alami tanah dilokasi bangunan

3.

Karakteristik struktur Waktu getar alami dari struktur bangunan Redaman(damping) dari struktur bangunan Persyaratan dan konsep detailing yang direncanakan Faktor utama satu (1) dan dua (2) diatas merupakan kejadian alam yang harus diperhitungkan pengaruhnya terhadap bangunan yang direncanakan, tetapi faktor yang ketiga (3) merupakan properties dinamis dari bangunan yang dapat dirubah atau direkayasa sedemikian rupa agar pengaruh gempa terhadap bangunan yang direncanakan dapat diminimalisir. Jadi adalah suatu hal yang sulit untuk menghindari kerusakan bangunan akibat gempa, bila digunakan perencanaan konvensional,

Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

1

karena hanya bergantung kepada kekuatan komponen struktur itu sendiri, serta perilaku respon pasca elastisnya. Berikut ini diberikan beberapa contoh bangunan yang mengalami kerusakan akibat gempa tektonik padang yang terjadi pada tanggal 30 September 2009 yang lalu dengan magnitude 7,6 skala Richter. Besar kecilnya kerusakan bangunan di kota ini terutama disebabkan faktor karakteristik struktur yang berkaitan dengan detailing serta konsep filosophi desain struktur kolom kuatbalok lemah tidak dilaksanakan.

Gambar 1 Kantor Samsat mengalami kerusakan pada kolom pada daerah sambungan balok-kolom

1

Gambar 2 Kantor dinas perikanan mengalami kerusakan pada kolom bawah (soft story). Sendi plastis terbentuk pada kedua ujungnya(sway mechanism) Seiring dengan perkembangan teknologi dalam perencanaan bangunan tahan gempa, telah dikembangkan suatu pendekatan desain alternatif untuk mengurangi resiko kerusakan bangunan akibat gempa, dan mampu mempertahankan integritas komponen struktural dan non-struktural terhadap gempa kuat. Pendekatan desain ini bukan dengan cara memperkuat struktur bangunan, tetapi adalah dengan mereduksi gaya gempa yang bekerja pada bangunan atau menambah suatu sistim pada struktur yang dikhususkan untuk mengabsorb sebagian besar energi gempa yang masuk ke bangunan dan hanya sebagian kecil (sisanya) akan dipikul oleh komponen struktur bangunan itu Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

2

sendiri. Salah satu konsep pendekatan perencanaan yang telah digunakan banyak orang adalah dengan menggunakan structural control devices seperti base isolation system atau menggunakan energy dissipation passive Berikut ini diberikan beberapa jenis bangunan yang sering menggunakan sistem kontrol struktural agar kerusakan bangunan pada peristiwa gempa kuat dapat diminimalisir dan tidak menganggu operasional bangunan tersebut. Bangunan yang berhubungan dengan fasilitas keadaan darurat (rumah sakit, pembangkit listrik, telekomunikasi, dsb) Bangunan dengan komponen atau bahan yang beresiko tinggi terhadap makhluk hidup( fasilitas nuklir, bahan kimia, dsb) Bangunan yang berhubungan dengan orang banyak (mall, apartemen, perkantoran, sekolah, dsb) Bangunan yang berhubungan dengan pertahanan Negara Bangunan yang memiliki komponen dan peralatan elektronik yang mahal Bangunan/museum/monumen yang berhubungan dengan sejarah Dengan menerapkan sistem kontrol pada struktur diharapkan kinerja bangunan dapat masuk pada level kinerja operasional.

2 SISTEM KONTROL STRUKTURAL (STRUCTURAL CONTROL DEVICES) Ada beberapa sistem kontrol respons struktur akibat gaya gempa dimana sistem ini dapat digolongkan atas tiga(3) kelompok besar [7], yaitu: sistem kontrol activesemiactive , sistem kontrol passive dan sistem isolasi dasar seperti pada gambar 3. Konsep pemakaian sistem kontrol struktural merupakan perkembangan yang cukup signifikan dalam rekayasa kegempaan dalam 25 tahun terakhir ini. Sistem ini telah banyak digunakan Negara – Negara yang mempunyai resiko tinggi terhadap gempa seperti Jepang, Italy, USA, Selandia Baru, Portugal, Iran, Indonesia, Turki, China, dan Taiwan. Meskipun penggunaaan sistem ini masih terbatas, sistem isolasi seismik dan energi dissipator passive atau kombinasinya merupakan sistem kontrol struktural yang paling banyak diterapkan pada bangunan didunia untuk mengontrol respon bangunan akibat gempa. Sistem kontrol struktural secara passive tidak membutuhkan energi listrik (power) untuk menghasilkan gaya kontrol pada struktur. Pada sistem passive gaya kontrol dihasilkan oleh sistem itu sendiri yang timbul karena adanya gerakan relatif dari titik-titik bagian struktur sendiri, sedangkan pada sistem kontrol aktif membutuhkan energi luar untuk menggerakkan aktuator untuk mengasilkan gaya kontrol yang diinginkan struktur. Untuk mengukur respons struktur dibutuhkan sebuah sensor yang dihubungkan dengan komputer. Sensor akan mengirimkan informasi tentang respons struktur ke komputer dan komputer akan menentukan besarnya gaya yang diinginkan aktuator berdasarkan informasi tersebut. Kelebihan sistem aktif kontrol adalah menghasilkan repons struktur yang sesuai sedangkan kekurangannya adalah biaya yang tinggi karena membutuhkan power dari luar yang cukup besar. Skematik aktif kontrol dapat dilihat pada gambar 4.

Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

3

STRUCTURAL CONTROL

PASSIVE CONTROL

ACTIVE/SEMI-ACTIVE CONTROL

SEISMIC ISOLATION ISOLATIONONTR OL

1. 2. 3. 4.

1. Active bracing systems 2. Active mass dampers 3. Variable stiffness and damping 4. Smarts material

1. High damping rubber bearings 2. Lead rubber bearing 3. Friction pendulum systems

Metallic dampers Friction dampers VE. Dampers Viscous fluid damper 5. Tune mass damper 6. Tune liquid damper

Gambar 3 Sistem kontrol struktural

Sensors

Computer controller

Sensors

Control actuator

Exitation

Structures

Response

Gambar 4 Skema aktif kontrol

Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

4

3 SISTEM ISOLASI DASAR (BASE ISOLATION SYSTEM) Prinsip utama cara kerja base isolator jenis elastomerik bearing (HDRB atau LRB) adalah dengan memperpanjang waktu getar alami struktur diluar frekwensi dominan gempa sampai 2.5 atau 3 kali dari waktu getar struktur tanpa isolator (fixed base structures) dan memiliki damping antara 10 s/d 20%. Akibatnya gaya gempa yang disalurkan ke struktur menjadi lebih kecil [3]. Sedangkan pada friction pendulum systemh(FPS), parameter yang berpengaruh terhadap besarnya reduksi gaya gempa yang bekerja pada struktur adalah koefisien gesekan dan radius kelengkungan dari permukaan cekung bidang gelincir sistem FPS. Disamping itu satu hal yang unik dari sistem ini adalah waktu getar struktur tidak tergantung kepada massa bangunan tetapi tergantung kepada radius kelengkungan dan percepatan gravitasi Bumi dari sistem FPS [9]. Pada bangunan ICT Universitas Syiah Kuala jenis base isolator (silider isolator) yang dipasang berbeda materialnya dengan isolator jenis elastomerik (terdiri dari karet dan pelat baja) maupun dengan jenis FPS ( terdiri dari pelat baja dan teflon), tetapi cara kerjanya hampir sama. Energi dissipasi dihasilkan oleh gesekan pada permukaan bahan PTPE (Teflon) sedangkan gaya pemulih dihasilkan oleh spring yang terbuat dari bahan polyurethane. Untuk memikul gaya vertikal maupun rotasi yang terjadi disediakan bearing yang disebut dengan polytron disk (gambar 5). Kelebihan sistem ini adalah memiliki damping yang cukup besar dapat mencapai sampai 60% dari damping kritikal.

Spring (restoration) Energy dissipated

Polytron disk (load &rotation)

Shear pin

Gambar 5. 5 Bentuk Bentuk tipikal tipikal Slider Slider isolator isolator

Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

5

4 PEMODELAN SLIDER ISOLATOR KARAKTERISTIK HUBUNGAN GAYA DAN PERPINDAHAN Perilaku hubungan gaya dan perpindahan pada Slider isolator seperti ditunjukkan pada gambar 6. Dalam analisis struktur, slider isolator dapat dimodelkan sebagai model linier atau bi-linier. Untuk analisis linier digunakan kekakuan effectif K eff , sedangkan untuk analisis nonlinier ada tiga parameter yang menentukan karakteristik dari slider isolator , yaitu: Kekakuan awal K1 , kekakuan pasca leleh K 2 , dan perpindahan leleh D y . Hubungan parameter ini diberikan seperti pada persamaan (1) dan (2)

Gambar 6. Pemodelan hysterisis bi-liniear

Keff F

Q , D Q K 2 Dy

K2 y

(1) (2)

Dimana adalah rasio redaman, Q adalah kekuatan karakteristik, dan D adalah perpindahan maksimum yang terjadi pada slider isolator. Nisbah redaman dengan pemodelan redaman viskos ekivalen diperoleh dari persamaan berikut ini [2].

1 ED 4 ES Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

(3)

6

Dimana E D adalah energi yang dissipasi per cycle (luas kurva hysterisis loop) diberikan sebagai (4) ED 4Q D Dy dan E S adalah energi regangan diberikan sebagai ES

1 K 2 eff

D2

(5)

Mengingat respons spectra dibuat berdasarkan nisbah redaman 5%, maka respons spectra yang digunakan pada bangunan yang menggunakan isolasi seismic dapat direduksi yang besarnya bergantung kepada nisbah redaman isolator seismic tersebut. Salah satu formula yang dapat digunakan untuk menentukan besarnya reduksi ini adalah berdasarkan Eurocode 8 [3].

10

(6)

5 Dimana

adalah nisbah redaman slider isolator. Untuk bangunan ICT ini digunakan 40% , jadi desain respons spektra dapat direduksi sekitar 47%. Sedangkan spesifikasi AASHTO [1] menetapkan koefisien reduksi untuk spektra percepatan juga sebesar 47%. Alternatif lain menghitung besarnya koefisien reduksi spektra percepatan diberikan oleh Kelly dan Naeim [4]. (7)

0.25 1 ln

5 ANALISIS STRUKTUR BANGUNAN DENGAN SILIDER ISOLATOR Persamaan gerakan bangunan dengan isolasi seismic akibat gaya gempa, ditinjau atas dua bagian yaitu pertama untuk struktur bangunan diatas isolator dan untuk struktur pada level bearing isolator. Tinjau suatu bangunan seperti gambar 7 dan gambar 8. Suatu bangunan dengan jumlah lantai N . Penomoran lantai mulai dari 1 sampai ke N , dimana lantai paling bawa bertumpu pada bearing. Perpindahan relative setiap lantai ditunjukkan pada gambar 8. Perpindahan pada tanah dinamakan d g , pada bearing d b , dan lantai satu sampai atas berturut-turut dinamakan d1 , d 2 , d 3 , d 4 , …, d N PERSAMAAN GERAKAN PADA BEARING ISOLATOR Pesamaan gerakan pada level isolator dapat diberikan seperti pada persamaan (8) dibawah ini [8].

Mt

db

Cb

db

N

Kb

db

Mi

di

Mt

dg

(8)

i 1

Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

7

dimana

Mi

3N x

xi yi 

3 adalah matrix massa lantai ke i , di

i

, db

xb yb 

,

b

xg

dan

dg

yg

adalah masing –masing adalah vektor percepatan pada lantai ke

0 N

i , isolator, dan gerakan tanah. Sedangkan

Mt

Mb

adalah massa total

Mi i 1

struktur yang bekerja pada isolator.

dN

mN

d4 m4 d3 m3 d2 m2 d1 m1 db dg

mb

Gambar 7 Bangunan dengan base isolator

Gambar 8 Perpindahan pada bangunan

PERSAMAAN GERAKAN PADA STRUKTUR ATAS Persamaan gerakan pada struktur atas persamaan dibawah ini[5].

dengan jumlah lantai diberikan seperti

Untuk struktur bangunan dengan jumlah lantai N , persamaan (12) dapat ditulis menjadi Mu

du

Cu

du

Ku

du

Muc

db

Muc

Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

dg

(9)

8

dimana M1

0

0

M2

Mu



0







Mn 

0 C1 C2 C2 Cu

C2 C2 C3 C3

0

1

0

Mn 

0 C3 C3 C4

0

(11)

  0

K1 K 2 K2 Ku

Cn

K2 K2 K3 K3

Cn

1



Cn



0 K3 K3 K 4

Cn Cn

0

(12)

  0

Muc

(10)

M1 M2  MN MN

Kn 

3N x 3 1

, du

d1 d2  dN 1

1

Kn

Kn

3N x 3

Kn Kn

(13)

dN

Mengingat dalam desain praktis hanya response maksimum yang dibutuhkan, maka percepatan gempa yang digunakan diambil dari desain response spektra seperti yang diberikan dalam desain code. Berhubung respons spectra ini dibuat dengan asumsii damping ratio 5%, maka untuk bangunan dengan base isolator, respons spectra ini dapat direduksi seperti pada pers.(5). Disamping itu struktur atas bangunan dengan isolator harus dirancang dalam keadaan elastis, maka factor modifikasi reponse R biasanya diambil 2.

6 CONTOH KASUS BANGUNAN ICT USYIAH Bangunan ICT dengan luas sekitar 2500 m2 terdiri dari 3 lantai terletak di kota Banda Aceh provinsi NAD. Struktur bangunan dari beton bertulang dan didukung sebanyak 36 bearing isolator yang sama ukurannya dengan rasio redaman sama sebesar 40% kritikal. Bangunan direncanakan terletak pada zona 6 peta gempa Indonesia. Response

Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

9

spectra yang digunakan adalah untuk tanah sedang sesuai dengan SNI-03-1726-2002. Bentuk gambar 3D dan pemasangan isolator pada gambar 9. dan gambar 10.

Gambar 9 Gambar 3D Bangunan ICT Unsyiah

Gambar 10 pemasangan bearing isolator

Analisis struktur dilakukan dengan bantuan program SAP.2000 Ver. 10.1 dengan pemodelan isolator sebagai linier model. Gaya gempa yang bekerja dalam dua arah dimana arah yang satunya diambil cukup 30% saja. Dari hasil analisa diperoleh waktu getar struktur bangunan konvensional (fixed base) untuk arah x dan y adalah 0,53 detik dan 0.49 detik, sedangkan untuk bangunan isolator untuk kedua arah berturut-turut 1.28 detik dan 1.17 detik.

Height (cm)

1200

800

400

0.1

0.2

0.7

0.85

0.3

With isolator Fixed base

1.1 Gambar 12. Simpangan antar tingkat arah sb x

Interstory drift(%) 0.5

1.0

1.5

2.0

Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

10

Height (cm)

1200

0.12

800

0.18

400

0.55

0.25

0.65

With isolator Fixed base

1.0 Gambar 13. Simpangan antar tingkat arah sb y

Interstory drift(%) 0.5

1.0

1.5

2.0

Perpindahan maksimum pada isolator mencapai 8 cm, sedangkan interstory drift untuk bangunan dengan isolator pada kedua arah diberikan pada gambar 12 dan gambar 13. Sedangkan base shear untuk kedua arah bangunan diberikan pada tabel 1.

Tabel 1 Perbandingan base shear bangunan dengan dan tanpa isolator Arah Bangunan Base shear Base shear Isolator/fixed Tabel 1. Besar base shear dengan factor modiifikasi respon R=2 (fixed base) (isolator) (%) Melintang (X) 1124 ton 303 ton 27 Memanjang (Y)

1126 ton

318 ton

base

28

7 DISKUSI DAN KESIMPULAN Dari gambar 12 dan gambar 13 dapat dilihat bahwa interstory drift yang terjadi cukup kecil dimana untuk arah melintang bangunan besarnya berturut-turut 0.3%, 0.20%, dan 0.1%. Sedangkan untuk arah memanjang bangunan besar interstory drift sebesar 0.25%, 0.18%, dan 0.12%. Dari hasil ini menujukkan bangunan diatas isolator berperilaku sebagai rigid body. Dapat dikatakan secara keseluruhan kinerja bangunan dengan isolator berada pada level operasional. Pada bangunan fixed base (tanpa isolasar) untuk arah melintang besarnya interstory drift berturut-turut adalah 1.1%, 0.85%, dan 0.7%. Sedangkan untuk arah memanjang sebesar 1%, 0.65%, dan 0.55%.Jadi pemakaian isolator dapat mereduksi deformasi lateral sekitar 75%

Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

11

Pada tabel 1 dapat dilihat bahwa pengunaan isolator dapat mereduksi gaya geser dasar untuk arah melintang sampai mencapai 73% dan arah memanjang sebesar 72%. Besarnya reduksi gaya geser ini disebabkan isolator memiliki rasio redaman sampai 40% kritikal. Disamping itu pemakaian isolator juga memeperpanjang waktur getar bangunan sampai 2.5 kali dari bangunan konvensional (tanpa isolator).

DAFTAR PUSTAKA AASTHO (1999).” Guide Specifications for Seismic Isolation Design,” American Assocition of State Highway and Transportaion Offcials, Washington, D.C. Chopra, A.K., 1995.”Dynamics of Structures,” Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ. Eurocode 8,” Design Of Structures For Earthquake Resistance,” Part 1: General rules, Seismic Actions and Rules For Building. Kelly, J.M., and Naeim, F.(1999),”Design Of Seismic Isolated Building: From Theory To Practice,”John Wiley & Sons, Inc., New York. Kelly, J. M., 1993. Earthquake-Resistant Design with Rubber, Springer-Verlag, New York. Linderburg, R.M. and Baradar, M.(2001).” Seismic Design of Bulding Structures: A Profesional’s Introduction to Earthquake Forces and Design Details,” Profesional Publications, Inc. Belmont, CA. Soong, T.T. and Spencer, JR.(2002).” Supplemental energy dissipation: state-of-the-art and state-of-thepractice,” Journal of Engineering Structures, Vol.24, pp. 243-259. Teruna, D.R., (2006),” Perencanan Bangunan Tahan Gempa Dengan Menggunakan Base Isolator (LRB): Contoh Kasus Gedung Auditorium UNCEN, Papua,” Konstruksi Bangunan Tahan Gempa Indonesia, Seminar dan Pameran HAKI, Jakarta. Teruna, D.R. and Tsai, C.S. (2006),” The Basic Principles and Aplication Of Multiple Friction Pendulum Sytem For Protection Of The Structures From Seismic Damage,” Perkembangan Standard Dan Metodologi Konstruksi Tahan Gempa Indonesia, Seminar dan Pameran HAKI, Medan. Yang, B.Y., Chang, C.K., and Yau, D.J. (2003),” Earthquake Engineering Handbook: Base Isolation,” CD-ROM.

Makalah ini disampaikan dalam rangka diseminasi informasi melalui Seminar HAKI. Isi makalah sepenuhnya merupakan tanggung jawab penulis, dan tidak mewakili pendapat HAKI.

Seminar dan Pameran Haki 2010 - “ Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia”

12