1.3. MAKSUD DAN TUJUAN
Maksud dan tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengkaji pengaruh parameter base isolator terhadap respon bangunan akibat gaya gempa
dengan metode analisis
time history
. Dalam tugas akhir ini dilakukan pengkajian mengenai bagaimana pengaruh parameter base isolator seperti kekakuan
stiffness
, dan
post-yield stiffness ratio
terhadap terhadap respon bangunan akibat gaya gempa yang meliputi perpindahan lateral bangunan
displacement
, simpangan antar tingkat bangunan
interstory drift
, percepatan pada lantai bangunan, waktu getar alami bangunan, gaya geser dasar
base shear
akibat gaya gempa, energy yang bekerja pada base isolator, momen, lintang dan normal akibat kombinasi beban mati, beban
hidup dan beban gempa, Selain itu maksud dan tujuan dari penulisan tugas akhir ini ialah untuk
mengetahui perbandingan respon struktur akibat gaya gempa antara bangunan tanpa base isolator dengan bangunan yang menggunakan base isolator sehingga dapat
dilihat keunggulan dari sistem base isolation ini dalam hal ketahanan terhadap gaya gempa dibandingkan sistem perencanaan konvensional yang masih banyak
digunakan di Indonesia.
1.4. PEMBATASAN MASALAH
Dalam tugas akhir ini akan dilakukan kajian terhadap base isolator yang disisipkan di antara pondasi dan struktur atas pada bangunan 6 lantai tanpa basemen.
Base isolator yang digunakan ialah base isolator tipe LRB
Lead Rubber Bearing
dengan dimensi dan properti desain base isolator tersebut diperoleh dari spesifikasi
Dynamic Isolation Systems
DIS, Inc, USA yang tercantum pada lampiran A.
Universitas Sumatera Utara
Bangunan merupakan bangunan beton bertulang yang berada pada wilayah gempa 4, jenis tanah sedang, dan bangunan dikategorikan bangunan beraturan serta berfungsi
sebagai gedung perkantoran. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa pengkajian parameter base
isolator dilakukan dengan memvariasikan nilai
post yield stiffness ratio
• sehingga dihasilkan respon struktur bangunan yang berbeda-beda tergantung variasi tersebut.
Variasi nilai
post yield stiffness ratio
• y ang digunakan ialah 0.05, 0.10, 0.15, dan 0.20. Analisa struktur yang digunakan pada tugas akhir ini ialah analisis dinamik
riwayat waktu
time history analysis
dengan menggunakan
recorded accelerogram
El Centro North-South N-S yang memiliki percepatan puncak 0,3
g
. Pada tugas akhir ini analisa struktur dilakukan dengan menggunakan bantuan program analisa
struktur SAP 2000.
1.5. METODOLOGI PEMBAHASAN
Adapun metodelogi penelitian pada tugas akhir ini dilakukan dengan metode studi literatur yaitu mencari solusi untuk permasalahan dengan mengumpulkan data-
data dan keterangan dari buku-buku yang berasal perpustakaan maupun jurnal-jurnal yang dapat diakses melalui
searching
internet yang berhubungan dengan pembahasan tugas akhir ini serta masukan dari dosen pembimbing. Analisa struktur
pada tugas akhir ini dilakukan dengan bantuan program komputer analisa struktur untuk mempercepat perhitungan dan meningkatkan keakuratan hasil perhitungan.
Universitas Sumatera Utara
BAB II TEORI DASAR
2.1 UMUM
Gempa bumi merupakan salah satu bencana alam yang tidak dapat diprediksi secara pasti kapan dan dimana datangnya serta berapa besar kekuatannya. Dampak
dari gempa bumi ini selain menimbulkan kerusakan pada bangunan, infrastruktur jalan serta fasilitas umum lainnya, juga dapat menimbulkan jatuhnya korban jiwa.
Gempa bumi ini sendiri dapat diartikan sebagai getaran atau guncangan yang bersifat alamiah yang terjadi di permukaan bumi. Gempa bumi disebabkan oleh
beberapa hal antara lain: 1. Aktivitas tektonik berupa pergerakan lempeng bumi
Gempa bumi ini biasa disebut gempa bumi tektonik. Gempa bumi tektonik berhubungan dengan kegiatan gaya-gaya tektonik yang terus berlangsung dalam
proses pembentukan gunung-gunung, terjadinya patahan-patahan
faults
dan tarikan atau tekanan dari pergerakan lempeng-lempeng batuan penyusun kerak bumi.
2. Aktivitas vulkanik gunung berapi Gempa bumi akibat aktivitas vulkanik ini biasa disebut gempa bumi vulkanik.
Gempa bumi vulkanik terjadi baik sebelum, selama, ataupun sesudah letusan gunung api. Penyebab gempa vulkanik ini adalah adanya persentuhan antara magma dengan
dinding gunung api dan tekanan gas pada letusan yang sangat kuat, atau perpindahan magma secara tiba-tiba dari dapur magma. Kekuatan gempa bumi vulkanik
sebenarnya sangat lemah dan hanya terjadi di wilayah sekiar gunung api yang sedang aktif. Dari seluruh gempa bumi yang terjadi hanya 7 yang termasuk ke dalam
Universitas Sumatera Utara
gempa bumi vulkanik, walaupun demikian kerusakannya cukup luas juga, karena disertai dengan letusan gunung api.
3. Tabrakan Tabrakan benda langit atau sering disebut meteor terhadap permukaan bumi
juga dapat menyebabkan getaran, hanya saja getaranya tidak sampai terekam oleh alat pencatat getaran gempa bumi dan juga sangat jarang terjadi.
4. Runtuhan lubang-lubang interior bumi Runtuhnya lubang-lubang interior bumi seperti gua atau tambang
batuanmineral dalam bumi dapat menyebabkan getaran di atas permukaannya, namun getaran ini tidak terlalu besar dan terjadi bersifat setempat saja atau terjadi
secara lokal. Dari keempat penyebab gempa bumi yang disebutkan di atas gempa bumi
tektonik yang mempunyai kekuatan paling besar dan frekuensi terjadinya juga tinggi, sehingga dampak yang ditimbulkan gempa bumi tektonik ini juga cukup besar.
Proses terjadinya gempa tektonik dapat dijelaskan dengan teori plat tektonik
tectonic plate
. Pada teori plat tektonik dijelaskan bahwa bumi terdiri dari dari lempeng-lempeng bumi atau yang disebut lempeng tektonik
tectonic plate
. Lempeng-lempeng tektonik yang lebih kaku mengapung di atas lapisan mantel bumi
yang bersifat lebih cair dan bergerak secara tidak beraturan baik arah maupun kecepatannya. Pergerakan ini disebabkan karena pada lapisan mantel terjadi aliran
arus panas konveksi yang berasal dari inti bumi. Pergerakan lempeng bumi dapat berupa pergerakan yang saling menjauhi berpisah, saling mendekati atau
berpapasan, dan saling bertumbukan atau bergesekan. Kecepatan pergerakan lempeng-lempeng tektonik berkisar antara 2 cmtahun sampai 15 cmtahun.
Universitas Sumatera Utara
Proses tekan menekan dan desak mendesak diantara massa bumi pada lempeng- lempeng tektonik telah menciptakan pengumpulan dan penimbunan energi di dalam
bumi. Jangka waktu proses penimbunan dan pelepasan energi yang menimbulkan gempa bumi itu berlangsung antara 30-600 tahun. Terdapat variasi siklus berulang
gempa antara satu kawasan dengan kawasan lain, ada siklus kejadian gempa bumi 30-50 tahunan, ada 100 tahun, 200 tahun dan 600 tahun. Energi yang terkumpul atau
tersimpan di dalam bumi massa batuan pada suatu saat tidak mampu lagi ditahan oleh massa bumi dan akhirnya bumi batuan itu pecah remuk patah atau sobek
rupture. Pada saat bumi itu remuk atau pecah disaat itulah energi dilepaskan dan bergerak dalam wujud gelombang. Energi ini akan menyebabkan getaran yang akan
merambat dari sumber getaran ke permukaan bumi. Getaran inilah yang disebut dengan gempa bumi.
Dalam bidang teknik sipil gempa bumi merupakan salah satu bagian dari jenis beban yang dapat membebani struktur selain beban mati, beban hidup dan beban
angin. Beban gempa memang tidak selalu diperhitungkan dalam perencanaan atau analisa struktur. Namun bagi struktur yang dibangun pada suatu lokasi yang rawan
akan terjadinya gempa bumi, maka analisa terhadap beban gempa harus dilakukan. Gaya gempa yang bekerja pada struktur bangunan dapat digolongkan sebagai
beban dinamis, yaitu beban yang berubah-ubah menurut waktu, arah maupun posisinya. Pembebanan gaya gempa ini berbeda dengan pembebanan- pembebanan
statis. Pada pembebanan statis, respon dan pembebanannya bersifat tetap atau statis. Sementara pada pembebanan akibat gaya gempa, respon dan pembebanannya
berubah menurut waktu sehingga dalam perhitungannya gaya gempa tidak mempunyai solusi tunggal seperti pada gaya statis.
Universitas Sumatera Utara
Gaya gempa yang bekerja pada struktur bangunan terjadi pada seluruh arah pembebanan baik arah horizontal maupun arah vertikal. Gaya gempa arah vertikal
memiliki kekuatan lebih besar dari pada gaya gempa arah horizontal. Tetapi dalam perencanaan, pada umumnya hanya gaya gempa arah horizontal saja yang digunakan
untuk mewakili pembebanan akibat gempa. Hal ini dikarenakan gaya gempa arah horizontal lebih besar pengaruhnya terhadap kerusakan bangunan. Gaya gempa
horizontal dapat menimbulkan simpangan
drift
pada lantai-lantai bangunan sehingga apabila simpangan yang terjadi cukup besar maka tingkat kerusakan
bangunan yang terjadi lebih signifikan dan resiko korban jiwa juga akan lebih besar. Sementara untuk gaya gempa arah vertikal, pengaruhnya lebih kecil terhadap
kerusakan struktur bangunan dibandingkan gaya gempa arah horizontal. Gaya gempa arah verikal yang bekerja pada bangunan akan menimbulkan gaya aksial pada
elemen kolom. Elemen kolom mempunyai kekakuan yang besar dalam menahan gaya aksial sehingga gaya gempa arah vertikal ini tidak menimbulkan pengaruh
yang signifikan terhadap kerusakan bangunan. Gaya gempa arah vertikal harus diperhitungkan pada struktur bangunan yang unsur-unsurnya memiliki kepekaan
yang tinggi terhadap beban gravitasi seperti yang tertera dalam SK SNI-1726-2002 Standar Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur Bangunan Gedung pasal
4.8.1 bahwa unsur-unsur struktur gedung yang memiliki kepekaan yang tinggi terhadap beban gravitasi seperti balkon, kanopi dan balok kantilever berbentang
panjang, balok transfer pada struktur gedung tinggi yang memikul beban gravitasi dari dua atau lebih tingkat di atasnya serta balok beton pratekan berbentang panjang,
harus diperhitungkan terhadap komponen vertikal gerakan tanah akibat pengaruh gempa rencana.
Universitas Sumatera Utara
Besarnya tingkat pembebanan gempa berbeda-beda dari satu wilayah ke wilayah lain, yang tergantung pada keadaan seismetektonik, geografi dan geologi
setempat. Analisa gempa terutama pada bangunan tinggi perlu dilakukan karena pertimbangan keamanan struktur dan kenyaman penghuni bangunan.
Struktur bangunan tahan gempa harus direncanakan selain mampu menahan gaya gempa juga harus mampu memberikan tingkat keamanan dan pelayanan yang
memadai bagi penghuni di dalamnya saat terjadi gempa. Menurut T. Paulay 1988, tingkat layanan dari struktur yang dibebani gaya gempa terdiri dari tiga, yaitu:
1. Serviceability. Jika gempa dengan intensitas percepatan tanah yang kecil dalam waktu ulang
yang besar mengenai struktur, disyaratkan tidak mengganggu fungsi bangunan, seperti aktivitas normal di dalam bangunan dan perlengkapan yang ada. Artinya tidak
dibenarkan ada terjadi kerusakan pada struktur baik pada komponen struktur maupun dalam elemen non-struktur yang ada. Dalam perencanaan harus diperhatikan kontrol
dan batas simpangan
drift
yang dapat terjadi pada saat gempa, serta menjamin kekuatan yang cukup bagi komponen struktur untuk menahan gaya gempa yang
terjadi dan diharapkan struktur masih berprilaku elastis. 2. Kontrol kerusakan.
Jika struktur dikenai gempa dengan waktu ulang sesuai dengan umur atau masa rencana bangunan, maka struktur direncanakan untuk dapat menahan gempa
ringan atau gempa kecil tanpa terjadi kerusakan pada komponen struktur ataupun maupun komponen non-struktur, dan diharapkan struktur dalam batas elastis.
Universitas Sumatera Utara
3. Survival Jika gempa kuat yang mungkin terjadi pada umur masa bangunan yang
direncanakan membebani struktur, maka struktur direncankan untuk dapat bertahan dengan tingkat kerusakan yang besar tanpa mengalami kerusakan dan keruntuhan
collapse
. Tujuan utama dari keadaan batas ini adalah untuk menyelamakan jiwa manusia. Pengaruh gempa bumi yang sangat merusak struktur bangunan adalah load
pad dari komponen gaya atau getaran horizontal. Getaran horizontal tersebut menimbulkan gaya reaksi yang besar, bahkan di lokasi puncak atau ujung bangunan
dapat mengalami pembesaran hingga dua kalinya. Bila aliran gaya pada bangunan itu lebih besar daripada kekuatan struktur maka bangunan itu akan rusak parah. Untuk
daerah yang rawan gempa bumi dibutuhkan ekstra kewaspadaan dan solusi teknologi tepat guna yang mampu meminimalkan korban jiwa dan harta benda. Untuk itu
betapa pentingnya penerapan teknologi yang tepat guna. Kerusakan bangunan akibat gempa bumi dapat diantisipasi dengan beberapa
metode, baik secara konvensional maupun secara teknologi. Pada saat sekarang ini para ahli telah menemukan sistem
base isolation
untuk memproteksi struktur dari bahaya gempa, dengan cara mereduksi gaya gempa yang bekerja pada struktur
bangunan dan meresapkan energi gempa yang terjadi pada bangunan tersebut. Penggunaan base isolator baik secara teoritis maupun eksperimental telah
terbukti efektif untuk mereduksi gaya gempa yang bekerja pada struktur bangunan. Base isolator dengan kekakuan horizontal yang relatif kecil disisipkan di antara
bangunan atas dan pondasinya atau dengan kata lain base isolator ini akan memisahkan bangunan atau struktur dari komponen horizontal pergerakan tanah.
Bangunan yang disisipkan base isolator mempunyai frekuensi yang jauh lebih kecil
Universitas Sumatera Utara
dari bangunan konvensional dan frekuensi dominan dari gerakan tanah. Akibatnya percepatan gempa yang bekerja pada bangunan menjadi lebih kecil. Ragam getar
pertama bangunan hanya menimbulkan deformasi lateral pada sistem isolator, sedangkan bagian atas akan berperilaku sebagai
rigid body motion
. Ragam-ragam getar yang lebih tinggi yang menimbulkan deformasi pada struktur adalah orthogonal
terhadap ragam pertama dan gerakan tanah sehingga ragam-ragam getar ini tidak ikut berpartisipasi didalam respons struktur, atau dengan kata lain energi gempa tidak
disalurkan ke struktur bangunan Naeim and Kelly, 1999. Pada saat terjadi gempa khususnya gempa kuat, base isolator dengan kekakuan horizontal yang relatif kecil
akan meningkatkan waktu getar alamiah bangunan umumnya antara 2 sd 3,5 detik. Dengan meningkatnya waktu getar alamiah bangunan maka percepatan gempa yang
terjadi akan relatif kecil khususnya pada tanah keras sehingga gaya gempa yang bekerja pada bangunan akan tereduksi.
Base Isolator yang pertama kali digunakan untuk memproteksi bangunan terhadap gaya gempa ialah
elastromeric-based system
atau disebut
laminated rubber bearing
. Isolator ini digunakan pertama kali pada bangunan Sekolah Pestalozzi di Sopje, Macedonia. Pada mulanya isolator ini hanya berupa blok karet yang cukup
besar tanpa lempengan baja. Isolator ini mempunyai kekakuan vertikal yang hanya beberapa kali kekakuan horizontal dan karet dari isolator ini relatif tidak mempunyai
redaman. Sejak bangunan tersebut selesai dibangun, banyak bangunan-bangunan lainnya dibangun dengan isolator ini hanya saja diberi tambahan lempengen baja
pada lapisan karetnya, sehingga mampu meningkatkan kekakuan vertikalnya hingga beberapa ratus kali kekakuan horizontalnya.
Universitas Sumatera Utara
Salah satu jenis dari base isolator yang telah dikembangkan dan banyak digunakan sekarang ini ialah base isolator jenis
lead rubber bearing LRB. Lead rubber bearing
LRB ditemukan di Selandia Baru pada tahun 1975 dan sudah digunakan secara luas di Selandia Baru, Jepang, dan Amerika Serikat. LRB
merupakan jenis
laminated rubber bearing
dan
low-damping rubber bearing
tetapi terdiri dari satu atau lebih batangan bulat timah
lead
yang dimasukkan ke dalam lubang di bagian tengah isolator ini. LRB ini terdiri dari beberapa lapisan karet alam
atau sintetik yang mempunyai nisbah redaman kritikal antara 2-5. Dengan adanya batangan bulat dari timah tersebut, nisbah redaman isolator ini dapat mencapai
hingga 30 . Untuk dapat menahan beban vertikal agar tidak terjadi tekuk, maka isolator diberi lempengan baja yang dilekatkan ke lapisan karet dengan sistem
vulkanisir. Sejak gempa Kobe dan Northrigde yang menimbulkan kerusakan bangunan
dan kerugian yang besar serta korban jiwa yang cukup banyak, penggunaan base isolator terus meningkat khususnya pada bangunan-bangunan penting seperti rumah
sakit, telekomunikasi, pusat komputer, apartemen, bangunan kantor, gedung perkuliahan, bangunan komersial, bangunan berbahaya seperti instalasi nuklir, bahan
kimia, bangunan bersejarah dan bangunan penting lainnya. Untuk bangunan rumah sakit, pembangkit listrik, telekomunikasi harus diberi perhatian lebih khusus,
berhubung bangunan ini harus tetap berfungsi bila terjadi gempa.
Universitas Sumatera Utara
2.2 KARAKTERISTIK DINAMIK STRUKTUR BANGUNAN
Kategori