Penjelasan Singkat Desain Seismic Isolation Dengan High Damping Rubber Bearing (HDRB)

28-04-2015

ryanrakhmats.wordpress.com

Penjelasan Singkat Desain Seismic Isolation dengan High Damping Rubber Bearing (HDRB) Ryan Rakhmat Setiadi, ST ([email protected] [email protected])) High-damping Rubber Bearing (HDRB)

High-damping Rubber Bearing (HDRB) memamfaatkan rekayasa kimia untuk menciptakan karateristik yang berbeda dari Natural Rubber Bearing (NRB). Nilai modulus geser yang berubah - ubah terhadap regangan geser yang terjadi membuat hysteretic loop yang gemuk sehingga menghasilkan nilai equivalent damping ratio yang tinggi. Jenis seismic isolation ini umumnya tidak membutuhkan damping device tambahan.

Gambar 1. Bentuk High-damping Rubber Bearing Serta Kurva Cyclic Test untuk Shear Force vs Shear Displacement (Bridgestone Catalog) Kelebihan lainnya dari seismic isolation tipe HDRB adalah transisi kekakuan dari linear ke nonlinear lebih halus jika dibandingkan dengan seismic isolation tipe Lead Rubber Bearing (LRB). Hal ini penting karena penurunan kekakuan secara tajam dapat mengebabkan efek vibrasi yang lebih besar dan merusak equipment yang sensitif terhadap vibrasi. Kekakuan vertikal (Kv)

Nilai kekakuan vertikal (Kv) ditentukan oleh rumus berikut :

28-04-2015

ryanrakhmats.wordpress.com

Keterangan : Kv

= Vertical Stiffness Properties

Ec

= Longitudinal Elastic Modulus of Rubber

Ar

= Effective Area

n

= Total Number of Rubber Layer

tr

= Thickness of Rubber Layer

n.tr

= Total Thickness of Rubber

E00

= Bulk Modulus

E0

= Longitudinal Elastic Modulus of Rubber

κ 

= Correction Modulus of Rubber Hardness

S1

= Primary Shape Factor

Nilai vertical stiffness bergantung kepada efektif area untuk deformasi lateral yang terjadi. Semakin tinggi nilai deformasi lateral yang terjadi, nilai efektif area semakin rendah dan vertical stiffness semakin kecil. Namun hasil eksperimen menandakan bahwa untuk deformasi lateral sama dengan diameter rubber bearing (Ar = 0), nilai kekakuan dengan deformasi tertentu terhadap kekakuan awal (Kv/Kvo) masih tersisa sekitar 20% (Gordon P. War n et. Al 2007).

Gambar 2. Ilustrasi Efektif Area Pada Seismic I solation Berbentuk Lingkaran dan Hasil Eksperimen Rasio Kekakuan Vertikal Setelah Deformasi dan Kekakuan Awal (Kv/Kvo) terhadar Rasio Deformasi Terhadap Jari  – Jari (Gordon P. Warn et. Al 2007 ) Nilai efektif area dari seismic isolation terhadap deformasi yang terjadi adalah :

28-04-2015

ryanrakhmats.wordpress.com

Dengan Bb = bounded plan dimension of bearing, B = overall plan dimension of bearing, Ab = bounded area of bearing, dan Δ = applied or assumed lateral displacement. Nilai Parameter Horizontal

Nilai

parameter

horizontal

dari

HDRB

ditunjukkan oleh figure 2. Nilai kekakuan lateral equivalen (K eq) dan nilai equivalen damping (Heq) merupakan dua parameter penting yang digunakan untuk trial awal kebutuhan deformasi lateral seismic isolation dengan metode static equivalent. Nilai ini digunakan dalam analisis static equivalent untuk mensimplifikasi respon nonlinear dari HDRB, namun tetap harus diverifikasi lagi dengan analisis nonlinear time history. Karena

nilai

K eq

dan

Heq 

merupakan

pendekatan linearitas, nilai ini berubah  – ubah bergantung kepada strain strain yang terjadi. terjadi. nilai Keq dan Heq bisa didapatkan dari persamaan berikut :

Dimana Geq  = modulus elastisitas geser yang bergantung kepada shear strain, X = deformasi desain, ΔW = adalah area loop dari hysteretic, Q d = kekuatan geser karakteristik, dan u = rasio kekuatan geser karakteristik terhadap gaya ge ser maksimum loop. Disini trial dan error diperlukan, nilai G eq bergantung kepada tegangan geser yang terjadi pada saat deformasi desain (γ   =X/H) sehingga nilai Keq  dan Heq  juga berubah  –  ubah. Sementara itu deformasi desain (X) dari hasil preliminary desain dengan static equivalent juga membutuhkan input Keq dan Heq. Sementara itu, untuk properti nonlinear yaitu initial stiffness (K 1) dan kekuatan geser karakteristik (Q d) ditentukan oleh supplier berdasarkan test yang dilakukan. Catatan untuk kekuatan geser karakteristik (Q d) nilainya bergantung pada shear strain saat tes dilakukan (atau diambil sebesar 250 % untuk gempa DBE).

28-04-2015

ryanrakhmats.wordpress.com

Gambar 3. Tipikal Shear Modulus dan Damping Terhadap Shear Strain untuk HDRB, t erlihat nilainya yang dependent terhadap shear strain (R. Ivan Skinner et. al 2007) Insinyur tetap harus memperhatikan report dari supplier untuk nilai toleransi manufacture, pengaruh temperature, dan umur karet. Nilai kekakuan bisa berubah dan mungkin perlu mempertimbangkan efek lower dan upper bound parameter untuk melihat emplove karakteristik respon struktur.

Gambar 4. Contoh Performance Variation dari HDRB (Bridgestone)

28-04-2015

ryanrakhmats.wordpress.com

Diagram Kekuatan Dari HDRB

Kekuatan dari seismic isolation digambarkan oleh oleh kurva interaksi tegangan kompresi vs regangan geser (σ vs γ ), ), dimana diagram kurva dibatasi oleh garis tegangan kompresi maksimum (σmax = σL ), regangan geser maksimum ( γ max max = γ L =  Δmax  . n . ts), dan tegangan kompresi akibat bukling (σcr).

Gambar 5. Tipikal Diagram Interaksi Kapasitas Dari Seismic Isolation Untuk kapasitas limit buckling di diagram interaksi ditentukan oleh persamaan berikut ini (standar ISO 22762 dan JIS K 6410) :

Dimana nilai αc  adalah faktor yang dipengaruhi oleh second shape factor (S 2  = D/n.tr) dan nilainya bervariasi antara 0.8 sampai 1.40, nilai ini juga ditentukan oleh tes yang dilakukan supplier. Pada prakteknya di Jepang (Toshio NISHI et al. 2013), nilai tegangan kompresi nominal ( σnom) dibatasi sampai 33% dari tegangan maksimum bukling atau hasil eksperimen supplier diambil yang terkecil (σnom = σcr x 0.33 atau σnom = σult x 0.33), sementara itu JIS K 6410 juga membatasi nilai tegangan kompresi nominal yaitu maksimum 15 Mpa. Nilai tegangan kompresi nominal

28-04-2015

ryanrakhmats.wordpress.com

disini adalah tegangan pada seismic isolation akibat beban longterm. Sementara itu untuk beban kondisi ekstrem (akibat gempa), prakteknya di Jepang adalah dengan membatasi tegangan kompresi kurang dari 66% tegangan maksimum bukling bukling atau hasil eksperimen supplier supplier diambil yang terkecil (σmax=σcr x 0.66 atau σnom = σult x 0.66). Nilai ultimate regangan geser ditentukan oleh structure engineer atau hasil tes dari supplier (ISO 22762). Nilai maksimum regangan geser sangat bergantung kepada material karet dan second shape factor (S2) dimana nilainya bervariasi dari 300% ~ 400%. Prakteknya di Jepang nilai regangan geser nominal (γnom) dibatasi sampai 100% (JIS K 6410) sementara untuk regangan geser maksimum (γmax) dibatasi sampai 250%. Perlu dicatat disini bahwa di Jepang nilai gempa yang digunakan untuk mendesain bangunan dengan seismic isolation adalah berdasarkan gempa level 2 atau ekuivalen dengan periode ulang 500 tahunan.

(Toshio NISHI et al. 2013) Perbandingan Standar ISO dan JIS Nobuo MUROTA et. al 2010 merangkum beberapa perbedaan dari standar ISO dan JIS untuk seismic isolation. Terlihat bahwa ketentuan JIS lebih jelas mengatur mengenai seismic isolation dan lebih menekankan pada hasil tes supplier seismic isolation dibandingkan menyerahkannya kepada structure engineer.

28-04-2015

ryanrakhmats.wordpress.com

Ketentuan Periode Ulang Gempa Untuk Desain Seismic Isolation Beberapa negara memiliki ketentuan masing  –  masing untuk mendesain bangunan dengan seismic isolation. Periode ulang gempa yang digunakan serta batasan untuk drift superstruktur untuk beberapa Negara ditunjukan oleh tabel berikut :

(Demin FENG et. al 2012) Pada tabel diatas terlihat ada perbedaan desain terutama untuk di Jepang dan di US. Di Jepang level ground motion untuk pengecekan bangunan dengan seismic isolation yaitu untuk periode ulang 50 tahunan (service level) dan 500 tahunan (DBE level), sementara di US menggunakan periode ulang 50 tahunan (service level) dan 2500 tahunan (MCE level). International Council for Research and Innovation in Building and Construction (CIB) juga mengeluarkan publikasi yaitu CIB/W114 - International Project on Performance-based Design of Seismically Isolated Buildings. Publikasi ini mengatur desain seismic isolation yang diperuntukkan secara internasional. Berbeda dengan ISO 22762, CIB/W114 juga mengatur mengenai teknik desain gempa dan periode ulang gempa yang digunakan untuk bangunan dengan seismic Isolation. Beberapa ketentuannya ditunjukkan oleh tabel berikut :

28-04-2015

ryanrakhmats.wordpress.com

(Demin FENG et. al 2012) Referensi :

Murota, N., Kani, N., Muramatsu, Y., Kaneko, S., Yoshizawa, T., & Nishi, T. “Development “ Development of JIS Standard of Laminated Rubber Bearings for Seismic Isolation ”, (Powerpoint file in PDF), 1st

Kashiwazaki International Symposium on Seismic Safety of Nuclear Installations, Nov.2010 Nishi, T., Murota, N., Kelly, J. M., Fuller, K., Zhou, F. L, “A Survey of Specifications for Design and Testing of Seismic Isolators - Comparison of ISO 22762, EN 15129, and JIS K 6410”. 13th World

Conference on Seismic Isolation, Sept.2013 Higashino, M., S. Okamoto, 2006, “ Response Response Control and Seismic Isolation of Buildings” Buildings ”, Taylor & Francis ICC, 2009, 2009 International Building Code, (Falls Church, VA: International Code Council) Warn, G. P. Whittaker, A. S. Constantinou, C onstantinou, M. C. "Vertical Stiffness of Elastomeric and Lead –  –  Rubber Seismic Isolation Bearings". Journal Of Structural Engineering ASCE, Sept. 2007

Kelly, J.M., Skinner, R.I.& Robinson, B. (2007), " Seismic Isolation for Designers and Structural Engineers", Robinson Seismic LTD and Holmes Consulting Group

Feng, D., etc., "A Comparative Study of Seismic Isolation Codes Worldwide" , 15 WCEE, Lisboa.2012 BRIDGESTONE Set of Catalogues in seismic isolators