METODE PENELITIAN ANALISA DRIFT-BASE FRAGILITY: EVALUASI HASIL EKSPERIMENTAL DAN NUMERIKAL DINDING BATU BATA DAN RANGKA KAYU.

Program Studi Magister Teknik Sipil, Program Pascasarjana Universitas Udayana SM- Pada kondisi lainnya bahwa bangunan masonry URM maupun infill-masonry khususnya non-engineered structure yang jumlahnya hampir 60 di Indonesia Kusumastuti, 2008, terutama struktur batu bata yang rusak parah menyebabkan korban jiwa dan kerugian materi Boen, 2000; 2001; 2006a; b; 2009; Boen and Pribadi, 2003 selama kejadian gempa. Menariknya, struktur rangka kayu tradisional, seperti rumah panjang panggung, bisa menahan gempa bumi tanpa kerusakan yang signifikan P. Pudjisuryadi 2005. Rumah tradisional omo hada adalah salah satu contoh yang baik tahan terhadap gempa. Pengamatan struktur perumahan kayu yang ringan memiliki ketangguhannya setelah gempa 7.0 MW di HAITI EERI-USGS, 2010. Tidak ada kerusakan atau kehancuran struktur pada perumahan yang terbuat dari kayu. Pada dasarnya, bobot yang ringan dari bahan bangunan mengurangi gaya inersia gempa. Pengamatan yang berkaitan dengan kinerja struktur performance base terhadap URM dan infill-masonry beserta portalrangka kayu traditional timber frame juga telah dilakukan dengan simulasi numerik Susila, 2012a; b. Hasil studi menunjukkan bahwa kinerja seismik struktur rangka kayu sambungan tradisional lebih baik dibandingkan URM karena adanya knee-brace dan karakteristik material kayunya sendiri. Namun, beberapa bangunan kayu menderita kerusakan setelah tsunami, bencana kebakaran Kantorinfokom, 2007, karena material yang digunakan adalah kayu ringan dan mudah terbakar serta angin ribut dapat menyebabkan keruntuhnya ANTARA News, 2012; Balipost, 2013 Manfaat penelitian Memberikan informasi tentang ketahanan struktur berkaitan dengan kinerja seismik-nya pada bangunan URM dan rangka kayu traditional timber frame. Untuk menentukan kapasitas lateral dari URM dan timber frame dilakukan kajian dan pengamatan eksperimental dan numerical dengan pembebanan tipikal statik pushover monotonik dan siklik. Dari hasil pengamatan dapat dilakukan perbaikan struktur retrofitting, strengthening sehingga dapat meningkatkan kapasitas lateral secara khusus dan meningkatkan kinerja seismiknya. Bambu sebagai salah satu material yang sustainable juga dipergunakan sebagi tulangan pada dinding batu bata dan sebagai pengikat luar woven type sebagai upaya memperbaiki kinerja struktur masonry. Penggunaan bambu sangat memungkinkan sebagai material alternative dan material ini mudah didapatkan pada daerah-daerah yang terpencil ataupun diperkotaan. Pengamatan juga dilakukan untuk timber frame yang menggunakan traditional base isolation batu, kemudian dilakukan perbaikan kinerja pada perletakannya dengan menggunakan fix support steel base plate and connector hal ini dilakukan karena alasan penggunaan kolom miring.

2. METODE PENELITIAN

Properti material Densitas batu bata diselidiki dengan mengukur dimensi batu bata sebagai adalah rasio berat dan volume. Densitasnya adalah Densitas sebesar 1.21 +- 0,4 gr cm 3 dimana dimensi rata-rata batu bata Bali panjang = 230 +-1,5 mm , lebar = 110 +- 1,0 mm dan ketebalan = 55 +- 1,0 mm. Dimensi dikategorikan sebagai M6 dalam standar Indonesia SK SNI 5-04-1989 F. Penyerapan air dari batu bata ditentukan oleh kecepatan air yang diserap oleh bata bata tingkat hisap . Hal ini dievaluasi dengan cara merendam permukaan bidang unit batu bata di sebuah nampan air. Prosedur ini ditentukan dalam BS 3921 dan BS-EN BS 3921:1985, 1985; BS EN 771-1:2011, 2011 untuk High Density HD - Unit padat . Tes ini berhubungan dengan berat total air yang diserap per satuan tidur daerah sendi dari batu bata. Sedangkan kuat tekan mean compressive strength unit batu bata di beberap daerah di Bali berkisar antara 4.4 -4.7 MPa. Komposisi mortar pada dinding batu bata terdiri dari semen biasa - hidrolik, agregat pasir dan air biasa berdasarkan ASTM ASTM C109C109M - 08, 2008 beserta pengujiannya untuk menentukan kuat tekan mortir semen hidrolik. Spesimen kubus dibuat dengan komposisi semen: pasir menurut SNI-03-6825: 2002, mortar kelas-A 1: 3 merupakan mortar untuk kategori struktural dan kelas-C 1:5 sampai kelas-E 1:7 merupakan mortar untuk non structural. Benda uji dibuat di laboratorium struktur Universitas Udayana dan diuji pada umur 28 hari. Hasil pengujian menunjukan bahwa mortar kelas A memiliki rata-rata tertinggi kuat tekan f b = 21.03 MPa, kelas C dan kelas E masing-masing f b = 9,2 MPa dan 8,0 MPa. Pengujian untuk unit dinding pasangan bata masonry wall-panel dilakukan dengan menggunakan mesin desak yang kapasitas 150 kN dan 2000 kN. Jenis panel batu MW7 diuji untuk menentukan kekuatan dan memberikan kurva tegangan regangan, modulus elastisitas, dan yang lainnya. Rata-rata kuat tekan f b dari batu bata panel - MW7 adalah 1,373 MPa , rata-rata kuat tekan karakteristik f k adalah 1,14 MPa dan modulus elastisitas E m adalah di kisaran 1029,54 untuk 1143,94 MPa Susila, 2014 . Tulangan bambu ini dibuat dari bambu petung Dendrocalamus Asper Schult yang telah diuji tarik di laboratorium untuk mengetahui diagram tegangan dan regangannya. Tulangan bambu ini dibuat dengan tingkat kekeringan pada kondisi kadar air 8 dimana tegangan yang didapat dengan dan tanpa nodia berkisaran sampai Numerik Dinding Batu Bata dan Rangka Kayu Program Studi Magister Teknik Sipil, Program Pascasarjana Universitas Udayana SM- f bambu = 440 MPa Juniartha, 2003; Suastiningsih, 2003 . Tulangan bambu ini kemudian dibuat dalam permodelan numerik FEM-Abaqus memiliki ukuran untuk 10x10mm Ab 1 = 100 mm 2 . Untuk pengujian timber frame, material kayu yang dipergunakan adalah bangkirai Dryobalanops yang telah diuji tekan, tekan parsial dan bending di laboratorium Struktur Universitas Gajah Mada untuk mengetahui diagram tegangan dan regangannya. Hasil pengujian kuat tekan beberapa material kayu untuk tegangan-regangannya dapat dilihat pada Susila, 2014. Uji lateral pada dinding bata dan portal kayu tradisional Benda uji dinding batu bata wall panel dibuat berbentuk persegi sebesar 600 x 600 x 110 mm. Benda uji timber frame terbuat dari kayu Bangkirai berukuran kolom 110 mm x110mm dan 140mm x140mm dengan tinggi kolom +- 3 meter dan bentang balok 3.3 meter disertai diagonal bracing. Sambungan-sambungan pada struktur kayu ini adalah tipe sambungan tradisional carpenter connection tenon-mortice dengan pasak dowel sebagai fuse elemen terlemah pada struktur. Pembebanan lateral monotonik dan siklis diberikan mengikuti setup pengujian seperti pada Gambar 1 dan Gambar 2 Susila, 2014. Gambar 1 Setup pengujian dinding batu bata masonry wall panel Gambar 2 Setup pengujian portal kayu traditional timber frame Gambar 3 Uji lateral monotonic pada dinding batu bata Gambar 4 Hasil uji lateral monotonik pada dinding batu bata dari pengujian terlihat pada Gambar 3 Simulasi dengan pemodelan numerik FEM-Abaqus juga dilakukan bertujuan untuk membuat validasi terhadap hasil pengujian dilaboraturium experimental. Dengan memanfaatkan semua sifat-sifat mekanis dari material material property. Selanjutnya, dengan mempertimbangkan validasi yang meyakinkan maka bisa dicoba membuat studi lanjutan dengan parameter yang berbeda untuk tujuan-tujuan khusus seperti retrofitting dan strengthening pada berbagai struktur yang ditinjau. Misalnya pada studi ini, perkuatan dinding batu bata dengan tulangan bambu atau memberikan selimutpengekangan dari luar bamboo woven. Parametric study juga dilakukan pada struktur kayu traditional timber frame dengan memberikan variasi perlakuan pada struktur misalnya mengganti jenis perletakan pada struktur, memberi perkuatan pada knee-brace dan lain sebagainya. Program Studi Magister Teknik Sipil, Program Pascasarjana Universitas Udayana SM- Upaya-upaya yang dapat ditempuh untuk membuat validasi antara hasil eksperimental dan analisa numerik antara lain: 1. Geometric nonlinearity berguna untuk memprediksi non- linear dari struktur yang solid. Dalam FEM, iterasi numerik mengasumsikan degradasi kekakuan bahan struktur sebagai akibat dari pengaruh bebankekuatan eksternal. Perubahan kekakuan struktur tangent stiffness mempengaruh perubahan beban dan deformasi berlaku untuk masalah deformasi yang sangat besar maupun sangat kecil large and small deformation problem. Pada ABAQUS, metofe numeriknya berdasarkan metode Newton – Raphson klasik atau yang dimodifikasi Susila, 2012b. Gambar 5. Hasil uji lateral siklik pada dinding batu bata 2 Material nonlinearity berkaitan dengan model plastisitas dimana hubungan tegangan-regangan linier dari bahan yang diubah menjadi model bahan nonlinear. Beberapa model material dapat diadopsi seperti Drucker- Prager, Crystal plastisitas dan elemen kohesif cohesive element untuk menyediakan hubungan elastik-plastik. Ketiga material model diatas dipergunakan untuk memprediksi prilaku dinding batu bata yang menerima beban lateral monotonik dan siklik. Secara khusus crystal plasticity model Crystaline suboutine-UMAT digunakan untuk mengestimasi perilaku material kayu yang orthotropic Susila, 2014. a b Gambar 6 a perbandingan retak crack yang terjadi pada hasil laboraturium dan numerik FEM, b hasil Fem dengan menggunakan material model cohesive element Gambar 7 Beberapa upaya validasi terhadap hasil eksperimental dari evaluasi mesh sensitivity a b c Gambar 8 a-b perkuatan bamboo woven dalam FEM dan c perkuatan dengan tulangan dalam dinding Pada Abaqus dipilih dua jenis elemen solid antara lain: C3D8R type elemen linear brick 8 node – integrasi tereduksi dan C3D20R type elemen quadratic brick 20 node – integrasi tereduksi. Numerik Dinding Batu Bata dan Rangka Kayu Program Studi Magister Teknik Sipil, Program Pascasarjana Universitas Udayana SM- Dari uji validasi didapatkan kelayakan berdasarkan mesh sensitivity dan convergence yang memberikan hasil seperti Gambar 7 dimana berbagai ukuran dan jumlah element El dievaluasi dan pemilihan tipe C elastik continuous elemen, membandingkan lamanya proses simulasi CPU serta penggunaan plasticity model CP yang dibandingkan dengan hasil eksperimental. Salah satu hasil material model cohesive element ditunjukan pada Gambar 6 a –b dengan keterangan hasil: RF reaction force, U displacment, Sstress, LE strain, PHLSM dan STATUS XFEM contour kegagalan elemen terkait terjadinya crack berdasarkan analisa XFEM. Sedangkan Gambar 8 menunjukan upaya perkuatan struktur pada dinding batu bata a-b bamboo woven dan c perkuatan dengan tulangan bambu setelah validasi pada Gambar 6 dan Gambar 7 dilakukan. Validasi juga dilakukan pada hasil uji lateral baik monotonik maupun siklik untuk struktur kayu timber frame seperti Gambar 9 Susila, 2014. Selanjutnya seluruh hasil eksperimental maupun hasil analisa numerik terkait dengan load-displacement di kumpulkan sebagai basis data untuk dapat dilakukan studi terkait base-drift fragility. a b Gambar 9 a Uji lateral montonik pushover pada struktur kayu traditional timber frame di UGM, b hasil analisa numerik yang menggunakan traditional base- isolation, failure dominan pada sambungan khusunya fuse struktur yield pada dowel Analisa drift-base fragility Untuk kasus prosedur pengujian diperlukan fragility function untuk komponen struktur, data kerusakan mungkin didapatkan dari data empiris, analisis, atau dari pendapat ahli Keith Porter, 2006 yang dikenal sebagai data engineering demand parameter EDP yang komponen dikenakan dan terkait dengan kerusakan. Fungsi komponen kerapuhan struktural relevan dengan probabilitas bahwa komponen dari jenis tertentu akan mencapai atau melebihi keadaan kerusakan tertentu. Damage states dapat dibuat berdasarkan sebuah hubungan matematis digunakan untuk menunjukkan fungsi kerapuhan ketika struktursistem akan mengalami kerusakan pada saat dan atau pada tingkat tertentu. Biasanya damage states kerapuhankerentaan: kondisi kerusakan diekspresikan selalu dibawah tingkat permintaan demand: DP . Bentuk matematis didefinisikan sebagai berikut : = [ | = ] atau [ | = ] = pers. 1 di mana, D atau DM adalah kerusakan yang diderita oleh komponenstruktur, DS atau dm adalah keadaan kerusakan tertentu yang dapat inisiasi seperti retak, cacat struktural, dan lainnya, DP atau EDP merupakan parameter yang digunakan untuk mengukur kebutuhan struktur sistem , Φ adalah standar normal Gaussian fungsi distribusi kumulatif, x m adalah nilai median dari distribusi dan adalah standar deviasi logaritmik . Biasanya, permintaan deman bisa menjadi parameter: ∆ perpindahan , δ inter-storey drift ratio , a atau s a akselerasi dan respon percepatan komponenstruktur FEMA-461, 2007 Komponen yang dalam keadaan rusak dm dapat didefinisikan dengan menggunakan parameter EDP = edp, sebagai berikut : Program Studi Magister Teknik Sipil, Program Pascasarjana Universitas Udayana SM- [ = | = ] = 1 = 0 = 1 = = pers. 2 di mana , N adalah jumlah negara kemungkinan kerusakan untuk komponen . Ada tiga kondisi yang mungkin yang dapat dikaitkan dengan damage states failure : rusak dan total failure kerusakan total ditentukan dalam persamaan 2 a dan c . Untuk menurunkan fungsi kerapuhankerusakankeruntuhan fragility function, normal Gaussian kumulatif digunakan sebagai fungsi distribusi dapat digunakan. Hal ini memerlukan program konversi untuk mengubah fungsi kerapuhan normal yang lognormal Keith Porter, 2006 . Untuk menentukan x m dan , sebuah perhitungan dapat digunakan dari parameter dari distribusi normal , sebagai berikut : = ln1 + = + pers. 3 di mana adalah nilai rata-rata Gaussian fragility function dan standar deviasi. Di sisi lain, prosedur untuk mengembangkan fragility function disediakan berkaitan dengan observasi pada data eksperimental maupun analisa numerik. Untuk spesimen gagal rusak, actul EDP dapat ditentukan dengan memperkirakan x m dan sebagai berikut: = 1 N ln + pers. 4 = di mana, i = indeks spesimen, i 1, 2, ... N , N adalah jumlah spesimen yang diuji dengan kegagalan, r i adalah EDP di mana kerusakan yang diamati terjadi pada spesimen ke i dalam hal ini r i = displacementdrift dan = 0,25 untuk setiap kondisi benar: semua spesimen berada di konfigurasi yang sama, kondisi instalasi yang sama, diberikan pembebanan yang sama setara dan N kurang dari 5, atau bisa bernilai nol 0. Untuk menentukan batas limit states atau damage state struktur dari kurva fragility, damage states dapat diasosiasikan dengan kriteria batas layanan serviceability criteria. Untuk damage states d displacementratio drift, dapat diasumsikan bahwa struktur mencapai batas kelayanan di mana respon struktural Ft melebihi F d _ di bawah respons kritisnya.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN