ANALISIS GAYA GEMPA RENCANA PADA STRUKTU
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7
Universitas Sebelas Maret (UNS-Solo), 24-25 Oktober 2013
ANALISIS GAYA GEMPA RENCANA PADA STRUKTUR BERTINGKAT BANYAK
DENGAN METODE DINAMIK RESPON SPEKTRA
Restu Faizah1 dan Widodo2
1
Program Beasiswa Unggulan BPKLN, Magister Teknik Sipil UII.
2
Pengajar Magister Teknik Sipil FTSP UII.
Email: resfaiz@yahoo.co.id
ABSTRAK
SNI 03-1726-2012 menyebutkan bahwa pengaruh gempa rencana harus ditinjau dalam perencanaan
dan evaluasi struktur bangunan gedung dan non gedung, yang ditetapkan sebagai gempa dengan
kemungkinan terlewati besarnya selama umur struktur bangunan 50 tahun adalah sebesar 2%.
Pengaruh gempa rencana pada bangunan direpresentasikan sebagai gaya geser dasar V yang bekerja
pada dasar bangunan yang akan didistribusikan secara vertikal sepanjang ketinggian struktur sebagai
gaya horizontal tingkat F i. Pengaruh gempa rencana pada struktur bertingkat banyak dengan
ketinggian lebih dari 10 tingkat atau 40 meter harus ditinjau sebagai pengaruh beban dinamik dan
analisisnya harus didasarkan pada analisis respon dinamik. Dalam pelaksanaannya, analisis respon
dinamik dirasa tidak praktis dan memerlukan banyak waktu, sehingga merepotkan para perancang
bangunan. Oleh karena itu, penelitian tentang analisis dinamik pada bangunan gedung tidak
beraturan ini akan sangat membantu para perencana sebagai bahan pertimbangan dalam
perancangan. Dalam penelitian ini dilakukan analisis gaya gempa rencana pada model struktur 2
dimensi, yaitu berupa rangka portal terbuka (open moment resisting frames) beton bertulang, dengan
ketinggian 48 meter atau 12 tingkat. Model struktur ditinjau pada 23 kota besar di Indonesia, dengan
menggunakan metode dinamik respon spektra. Sebagai perbandingan, respon spectra design pada
tiap kota dibuat sesuai dengan ketentuan SNI 1726-2002 dan SNI 1726-2012. Hasil dari analisis
menunjukkan bahwa gaya gempa rencana pada tahun 2012 mengalami penurunan dari tahun 2002
pada 7 kota, sedangkan yang lainnya relatif meningkat. Peningkatan yang sangat besar terjadi di
Kota Semarang, Yogyakarta, Kendari, Banda Aceh dan Palu. Gaya gempa rencana tertinggi juga
mengalami pergeseran yaitu dari kota Bengkulu pada tahun 2002 beralih ke kota Banda Aceh pada
tahun 2012. Hal itu dapat terjadi, dikarenakan terjadinya pergeseran status wilayah kegempaan dari
tahun 2002 ke 2012.
Kata kunci: struktur bertingkat banyak, gaya gempa rencana, analisis dinamik respon spektra.
1.
PENDAHULUAN
Gempa akan menimbulkan getaran/goyangan pada tanah ke segala arah dan menggetarkan bangunan yang berdiri di
atas tanah tersebut. Gaya akibat gempa pada bangunan direpresentasikan sebagai gaya geser dasar V yang bekerja
pada dasar bangunan dan selanjutnya digunakan sebagai gaya gempa rencana yang harus ditinjau dalam
perencanaan dan evaluasi struktur bangunan gedung. Pada bangunan bertingkat, gaya geser dasar tersebut akan
didistribusikan secara vertikal sepanjang ketinggian struktur sebagai gaya horizontal tingkat Fi. Pedoman perumusan
gempa rencana pada SNI 1726-2012 mengacu pada ASCE 7-05 yang ditentukan berdasarkan perioda ulang gempa
2475 tahun (probabilitas terlampaui 2% dalam 50 tahun), sedangkan SNI 1726-2002 memakai konsep wilayah
gempa (seismic zone) yang ditentukan berdasarkan perioda ulang gempa 500 tahun (probabilitas terlampaui 10%
dalam 50 tahun). Beban geser dasar V akibat gempa rencana sesuai ASCE 7-05 menunjukkan kecenderungan lebih
besar dibandingkan dengan hasil perhitungan menurut SNI 1726-2002. (Purwono dan Takim A, 2010)
Pengaruh gempa rencana pada bangunan gedung beraturan dapat ditinjau sebagai pengaruh beban gempa ekivalen
statik, sedangkan pada bangunan gedung tidak beraturan harus ditinjau sebagai pengaruh beban dinamik. Beban
gempa ekivalen statik merupakan penyederhanaan dari beban gempa dinamik, yaitu berupa gaya horizontal F yang
bekerja pada pusat massa bangunan dan bersifat statik. Perhitungan dalam metode ini hanya memperhatikan
kontribusi dari mode ke-1 saja, sehingga hanya cocok untuk bangunan yang cenderung kaku, yaitu bangunan yang
memiliki ketinggian tidak lebih dari 40 m atau 10 tingkat. Sebagai konsekuensinya, semakin tinggi bangunan akan
semakin fleksibel dan kontribusi higher mode menjadi lebih besar, sehingga perancangan bangunan harus
didasarkan pada analisis dinamik. (Widodo, 2001)
1
2. GAYA GESER DASAR V, GAYA HORIZONTAL TINGKAT F i, DAN GAYA GESER
TINGKAT Vi .
Gaya geser dasar V merupakan pengganti/penyederhanaan dari getaran gempabumi yang bekerja pada dasar
bangunan dan selanjutnya digunakan sebagai gaya gempa rencana yang harus ditinjau dalam perencanaan dan
evaluasi struktur bangunan gedung. (Widodo, 2011). Menurut SNI 1726-2002, gaya geser dasar V pada struktur
gedung beraturan dapat ditentukan dengan metode ekivalen statik, sedangkan bagi struktur gedung tidak beraturan
harus ditinjau dengan metode dinamik. Struktur gedung beraturan di antaranya ditunjukkan dengan beberapa hal
berikut ini:
1. Tinggi struktur gedung diukur dari taraf penjepitan lateral tidak lebih dari 10 tingkat atau 40 m.
2. Memiliki ketidakberaturan struktur horizontal maupun struktur vertikal.
3. Memiliki periode getar struktur kurang dari 3.5 Ts atau T Ts,
=
0.4 + 0.6
1
Dengan Sa = percepatan respon spektra,
SDS = parameter respon spektra pada periode pendek,
dan SD1 = parameter respon spekktra pada periode 1
detik.
Gambar 1. Respon spectra design (SNI 1726-2012)
4.
METODE DINAMIK RESPON SPEKTRA
Menurut SNI 1726-2002, perhitungan respons dinamik struktur gedung tidak beraturan terhadap pembebanan gempa
nominal akibat pengaruh gempa rencana, dapat dilakukan dengan metode analisis dinamik respon spektra. Nilai
untuk masing-masing parameter yang ditinjau kemudian dihitung untuk berbagai ragam dan harus dikombinasikan
menggunakan metode Akar Kuadrat Jumlah Kuadrat ( SRSS) atau metode Kombinasi Kuadrat Lengkap (CQC).
Tahapan analisis metode respon spektra meliputi analisis modal amplitudo Z, modal displacement Y, dan modal
seismic force F ij, menggunakan persamaan 1-3. Selanjutnya simpangan horisontal tingkat Yi dan gaya horisontal
tingkat F i diperoleh dengan prinsip SRSS menggunakan persamaan 4 dan 5. Dengan menjumlahkan gaya horizontal
tingkat F i akan diperoleh besarnya gaya geser dasar bangunan Vj akibat gempa rencana dengan menggunakan
persamaan 6.
=
�
(1)
�2
=� .
� = �.
=
� =
� =
(2)
(3)
=(
=
)2
(4)
(� )2
(5)
=1 �
(6)
Zj=modal amplitude, C =koefisien gempa dasar, g =gaya grafitasi, ɷ=frekuensi sudut, Yij=modal
displacement, ϕij= mode shape, F ij=modal seismic force , M=matriks massa, Yi= simpangan horizontal
tingkat, F i=gaya horizontal tingkat dan Vj=gaya geser dasar bangunan.
5.
METODOLOGI PENELITIAN
5.1. Model struktur
Analisis dilakukan pada model struktur 2D portal beton bertulang 12 tingkat 4 bentang, yang diperoleh dengan
bantuan program SAP 2000, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.
A
4.00
8.00
4.00
4.00
8.00
4.00
4.00
8.00
4.00
8.00
4.00
A
6.00
4.00
6.00
6.00
6.00
6.00
6.00
6.00
4.00
Denah
Dimensi (cm):
Kolom tepi
Kolom tengah
Balok
4.00
4.00
: 70/70
: 80/80
: 35/70
4.00
8.00
8.00
8.00
8.00
Pot. A-A
Gambar 2. Model struktur 2D portal beton bertulang 12 tingkat.
5.2. Lokasi dan klasifikasi situs
Model struktur ditinjau pada 23 lokasi di Indonesia yang memiliki klasifikasi situs yang berbeda-beda dengan
kondisi tanah sedang, sebagaimana disebutkan dalam Tabel 1.
5.3. Pengolahan data
Pengolahan data dalam penelitian ini meliputi:
1. Menghitung massa dengan prinsip lumped mass.
2. Menghitung kekakuan struktur dengan metode shear building.
3. Membuat respon spectra design dengan mengikuti ketentuan SNI 1726-2002 dan SNI 1726-2012.
4. Analisis dinamik respon spektra dengan bantuan program Matlab 7-10-0 (R2010a).
Tabel 1. Lokasi model struktur beserta klasifikasi situs.
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
6.
SNI 1726-2012
Ss
S1
1.4
0.65
0.52
0.33
1.3
0.6
1.1
0.55
0.75
0.33
0.275
0.175
0.69
0.26
1.4
0.51
1.5
0.45
1.1
0.39
0.65
0.24
0.98
0.39
0.95
0.35
0.95
0.35
1.1
0.29
0.06
0.04
0.125
0.09
0.3
0.14
0.95
0.35
2.15
0.55
1.2
0.48
1.5
0.6
1.5
0.55
Kota
Banda Aceh
Medan
Padang
Bengkulu
Bandar Lampung
Palembang
Jakarta
Bandung
Yogyakarta
Semarang
Surabaya
Cilacap
Denpasar
Mataram
Kupang
Banjarmasin
Samarinda
Makassar
Kendari
Palu
Menado
Jayapura
Sorong
SNI 1726-2002
Wil Gempa
4
3
5
6
5
2
4
4
3
2
2
4
4
4
5
1
2
2
2
4
5
5
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
6.1. Massa dan kekakuan struktur.
Hasil perhitungan berat, massa dan kekakuan struktur ditunjukkan dalam Tabel 2.
Tabel 2. Berat, Massa dan Kekakuan struktur 12 tingkat
Tingkat
1-11
12 (atap)
Berat (kg)
134144
107264
2
Massa (kg dt /cm)
136.8816
109.4531
Kekakuan (kg/cm)
534062.5
534062.5
6.2. Mode shape
Dengan bantuan program Matlab, diperoleh mode shape struktur seperti ditunjukkan ada Gambar 3.
Gambar 3. Mode shape
6.3. Respon spectra design
Setiap lokasi akan memiliki respon spectra design yang berbeda-beda sesuai dengan karakteristik situs,
sebagaimana disebutkan dalam Tabel 1. Sebagai contoh, akan ditunjukkan perbandingan respon spectra design
berdasarkan SNI 1726-2002 dan SNI 1726-2012 pada Kota Banda Aceh, Yogyakarta dan Lampung, yaitu pada
Gambar 4.
Gambar 4. Perbandingan respon spectra design pada Kota Banda Aceh, Yogyakarta dan Lampung.
Pada Gambar 4, ditunjukkan respon spektra Kota Banda Aceh dan Yogyakarta memiliki karakteristik yang hampir
sama, yaitu respon spektra SNI 1726-2012 cenderung lebih tinggi dibandingkan dengan respon spektra SNI 17262002. Tetapi untuk Kota Lampung, respon spektra SNI 1726-2012 terlihat lebih rendah dari pada respon spektra
SNI 1726-2002. Hal ini menunjukkan bahwa status kegempaan Kota Banda Aceh dan Yogyakarta mengalami
kenaikan dari tahun 2002 ke 2012, sedangkan Kota Lampung justru mengalami penurunan dari tahun 2002 ke 2012.
Selain kondisi sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4, ada beberapa kota memiliki respon spektra yang tidak
seragam pada semua periode T, seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Respon spektra Kota Medan mengalami
penurunan dari tahun 2002 ke 2012 hanya pada T0.4 detik. Kondisi respon spektra yang berbeda-beda ini akan
menghasilkan nilai koefisien gempa dasar C yang berbeda-beda pula pada setiap lokasi, sehingga besar gaya geser
dasar bangunan akibat gempa rencana juga akan berbeda-beda.
Gambar 5. Respon spectra design Kota Medan dan Kupang
6.4. Gaya horizontal tingkat, F i.
Dalam analisis gaya horizontal tingkat F i, ditinjau 3 lokasi yaitu kota Banda Aceh, Yogyakarta dan Lampung
sebagaimana ditampilkan Gambar 6, dengan pembanding hasil analisis metode ekivalen statik. Dari Gambar 6
tersebut nampak bahwa gaya horizontal tingkat yang dihitung dengan metode dinamik respon spektra relatif lebih
besar dari pada hitungan dengan metode ekivalen statik, terutama hitungan yang mengikuti code baru 2012.
Perbedaan yang besar terutama terjadi pada tingkat-tingkat bawah, diduga akan menimbulkan implikasi pada respon
struktur, sehingga perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui risiko struktur dalam menahan beban
gempa rencana.
Gaya horizontal tingkat yang dihitung dengan metode ekivalen statik menunjukkan bahwa peningkatan gaya
horizontal tingkat pada tahun 2012 hanya terjadi pada tingkat-tingkat atas saja, sementara pada tingkat bawah justru
mengalami penurunan. Namun berbeda dengan hasil hitungan dengan metode dinamik, kenaikan terjadi pada semua
tingkat, sehingga terjadi perbedaan yang signifikan antara hasil dua metode ini, terutama pada tingkat-tingkat
bawah.
Keterangan:
RS= Metode
Dinamik Respon
Spektra
ES= Metode
Ekivalen Statik
Gambar 6. Gaya horizontal tingkat F i.
6.5. Gaya geser tingkat Vi.
Diagram gaya geser tingkat untuk struktur yang berlokasi di Banda Aceh dan Bandar Lampung ditunjukkan pada
Gambar 7. Gaya geser tingkat yang timbul akibat gempa rencana tahun 2012 di Kota Banda Aceh mengalami
kenaikan yang signifikan terutama pada tingkat-tingkat bawah, sedangkan di Kota Bandar Lampung justru
mengalami penurunan. Diagram gaya geser tingkat ini juga menunjukkan bahwa analisis dinamik respon spektra
tahun 2012 di Kota Banda Aceh menghasilkan nilai yang sangat tinggi, dikarenakan percepatan respon spectral
design 2012 mengalami peningkatan yang sangat tinggi pula dibandingkan percepatan respon spectral design 2002.
Gambar 7. Diagram gaya geser tingkat (Vi)
6.6. Gaya geser dasar, V
Gaya geser pada dasar bangunan yang merupakan penjumlahan dari gaya horizontal tingkat pada portal 12 tingkat 4
bentang yang ditinjau pada 23 lokasi, ditunjukkan dengan Gambar 8 dan Tabel 3.
Gambar 8. Gaya geser dasar (V) ton.
Tabel 3. Hasil perhitungan gaya geser dasar (V)
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Kota
Banda Aceh
Medan
Padang
Bengkulu
Bandar Lampung
Palembang
Jakarta
Bandung
Yogyakarta
Semarang
Surabaya
Cilacap
Denpasar
Mataram
Kupang
Banjarmasin
Samarinda
Makassar
Kendari
Palu
Menado
Jayapura
Sorong
*Nilai tertinggi
Gaya geser dasar (V) ton
SNI 1726-2002
SNI 1726-2012
98.3483
77.3258
116.8994
126.4478*
116.8994
53.7272
98.3483
98.3483
77.3258
53.7272
53.7272
98.3483
98.3483
98.3483
116.8994
18.6035
53.7272
53.7272
53.7272
98.3483
116.8994
116.8994
98.3483
178.3296*
96.7774
165.0429
146.8214
92.7311
51.1452
78.4760
156.1612
153.1193
121.2193
73.1827
108.4283
106.1870
106.1870
107.2518
11.1361
23.1484
38.4156
101.2892
173.3177
140.5611
175.3598
167.7218
Keterangan
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Menurun
Menurun
Menurun
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Menurun
Menurun
Menurun
Menurun
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
%∆
81
25
41
16
-21
-5
-20
59
98
126*
36
10
8
8
-8
-40
-57
-28
89
76
20
50
71
Dari Gambar 8 dan Tabel 3, dapat diketahui bahwa gaya geser dasar ( V) rata-rata mengalami peningkatan dari tahun
2002 ke 2012, kecuali pada 7 kota yaitu Bandar Lampung, Palembang, Jakarta, Kupang, Banjarmasin, Samarinda
dan Makasar. Dengan demikian, bangunan yang sudah terbangun sesuai SNI 1726-2002 pada 7 kota tersebut dapat
dipastikan akan memenuhi persyaratan dari SNI 1726-2012.
5 Kota yang mengalami peningkatan gaya gempa rencana dari tahun 2002 hingga 2012, dari yang tertinggi
peningkatannya adalah Kota Semarang, Yogyakarta, Kendari, Banda Aceh dan Palu. Hal ini menunjukkan adanya
peningkatan status kegempan wilayah tersebut, sehingga beban gempa dalam perancangan bangunan sesuai SNI
1726-2012 menjadi lebih besar dibandingkan beban gempa dalam perancangan sesuai SNI 1726-2002. Adanya
peningkatan gaya gempa rencana yang sangat tinggi dapat mengakibatkan bangunan yang dibangun mengikuti
peraturan SNI 1726-2002 menjadi under designed . Namun demikian, perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk
mengetahui batas peningkatan beban gempa yang dapat mengakibatkan bangunan tidak memenuhi persyaratan SNI
1726-2012, sehingga dapat ditentukan tindakan yang tepat agar bangunan tetap memenuhi persyaratan code yang
baru.
Gaya gempa rencana tertinggi juga mengalami pergeseran, yaitu dari Kota Bengkulu pada tahun 2002 bergeser ke
Kota Banda Aceh pada tahun 2012. Pergeseran ini dikarenakan pada tahun 2002 Kota Bengkulu termasuk dalam
wilayah gempa 6 dan Kota Banda Aceh termasuk dalam wilayah gempa 4, namun pada tahun 2012, keadaan
bergeser dimana parameter percepatan spektral disain Kota Banda Aceh lebih tinggi dibandingkan Kota Bengkulu.
Sehingga pada Kota Banda Aceh mengalami kenaikan mencapai 81%, sedangkan Kota Bengkulu hanya 16%.
Hasil analisis ini menimbulkan pertanyaan lebih lanjut, apakah bangunan yang sudah berdiri di Kota Semarang,
Yogyakarta, Kendari, Banda Aceh dan Palu, saat ini masih mampu menahan gaya gempa rencana sesuai SNI 17262012? Untuk menjawab pertanyaan ini, perlu dilakukan penelitian yang lebih seksama dan lebih lengkap seperti
cakupan semua jenis tanah, variasi model struktur, implikasi respon struktur dll. Apabila diketahui bangunan tidak
mampu menahan gaya gempa rencana SNI 1726-2012, maka dapat dilakukan perkuatan struktur yang sesuai agar
kekuatan bangunan memenuhi persyaratan SNI 1726-2012.
7.
KESIMPULAN
Dari hasil analisis ini dapat disimpulkan bahwa:
1.
Gaya gempa rencana tahun 2012 tidak selalu lebih tinggi daripada gaya gempa rencana tahun 2002, tetapi
tergantung pada percepatan respon spektral dari lokasi bangunan tersebut.
2.
Gaya gempa rencana di kota Bandar Lampung, Palembang, Jakarta, Kupang, Banjarmasin, Samarinda dan
Makasar mengalami penurunan dari tahun 2002 ke 2012.
3.
Gaya gempa rencana di Kota Semarang, Yogyakarta, Kendari, Banda Aceh dan Palu, pada tahun 2012
mengalami peningkatan yang sangat besar, sehingga perlu dilakukan penelitian yang lebih seksama terkait
dengan kualitas bangunan yang sudah berdiri di kota tersebut.
4.
Peningkatan gaya gempa rencana yang besar sangat berpengaruh pada bangunan, terutama pada tingkattingkat bawah.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih yang setinggi-tingginya kepada Biro Perencanaan dan Kerjasama Luar Negeri
(BPKLN) Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan yang telah memberikan Beasiswa Unggulan.
DAFTAR PUSTAKA
ASCE 7-02. American Society of Civil Engineers. (2002). Minimum Design Loads for Buildings and other
Structures, ASCE Standard, USA.
Budiono, B (2002). Perkembangan Desain Struktur Beton Bertulang Tahan Gempa di Indonesia . Departemen
Teknik Sipil ITB, Bandung.
Budiono, Bambang. (2011). “Konsep SNI Gempa 1726-201X”. Seminar HAKI 2011.
Budiono, B, dan Lucky S. (2011). Studi Komparasi Desain Bangunan Tahan Gempa dengan menggunakan SNI 31726-2002 dan RSNI 03-1726-201X. Penerbit ITB, Bandung.
FEMA 451. (2006). NEHRP Recommended Provisions: Design Examples-August 2006. National Institute of
Building Sciences. Washington, DC
Ghosh. (1999). Impact of Seismic Design Provisions of 2000 IBC: Comaparison with 1997 UBC , SEAOC
Convention 1999.
Hanselman, Duane & Bruce Littlefield. (2002). Matlab Bahasa Komputasi Teknis. Andi Offset, Yogyakarta.
Indarwanto, M (tanpa tahun). Teknologi Bangunan 6, Modul 4: Pembebanan dan Dimensi Beton Bertulang. Pusat
Pengembangan Bahan Ajar UMB.
Irsyam, M, dkk (2010). Ringkasan Hasil Studi Tim Revisi Peta Gempa Indonesia 2010, eisi 2, Kementrian Pekerjaan
Umum, Bandung, Juli 2010.
Kusumastuti. (2010). Pengaruh Tinggi Struktur dan Jumlah Bentang Terhadap Kontribusi Mode pada Struktur
Beton Bertulang Bertingkat Banyak dengan Pendekatan Kekakuan Kolom Shear Building dan Cara Muto,
Tesis Magister Teknik Sipil UII.
Purwono dan Takim A. (2010). “Implikasi Konsep Seismic Design Category (SDC) – ASCE 7-05 Terhadap
Perencanaan Struktur Tahan Gempa Sesuai SNI 1726-02 Dan SNI 2847-02”, Seminar dan Pameran HAKI
2010 – Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia.
PPTGIUG (1981). Peraturan Perencanaan Tahan Gempa Indonesia untuk Gedung. Dit.Jen. Tjipta Karya, DPU,
Jakarta.
SNI 03-1726-2002 (2002). Standar Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur Bangunan Gedung , Departemen
Kimpraswil PU, Bandung.
SNI 03-1726-2012 (2012). Standar Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur Bangunan Gedung dan Non
Gedung. Badan Standardisasi Nasional BSN.
Widodo. (2001). Respon Dinamik Struktur Elastik. UII Press, Yogyakarta.
Widodo. (2011). Seismologi Teknik & Rekayasa Kegempaan . Pustaka Pelajar, Yogyakarta.
Widiarsono, Teguh. (2005). Tutorial Praktis Belajar Matlab . Yogyakarta
Universitas Sebelas Maret (UNS-Solo), 24-25 Oktober 2013
ANALISIS GAYA GEMPA RENCANA PADA STRUKTUR BERTINGKAT BANYAK
DENGAN METODE DINAMIK RESPON SPEKTRA
Restu Faizah1 dan Widodo2
1
Program Beasiswa Unggulan BPKLN, Magister Teknik Sipil UII.
2
Pengajar Magister Teknik Sipil FTSP UII.
Email: resfaiz@yahoo.co.id
ABSTRAK
SNI 03-1726-2012 menyebutkan bahwa pengaruh gempa rencana harus ditinjau dalam perencanaan
dan evaluasi struktur bangunan gedung dan non gedung, yang ditetapkan sebagai gempa dengan
kemungkinan terlewati besarnya selama umur struktur bangunan 50 tahun adalah sebesar 2%.
Pengaruh gempa rencana pada bangunan direpresentasikan sebagai gaya geser dasar V yang bekerja
pada dasar bangunan yang akan didistribusikan secara vertikal sepanjang ketinggian struktur sebagai
gaya horizontal tingkat F i. Pengaruh gempa rencana pada struktur bertingkat banyak dengan
ketinggian lebih dari 10 tingkat atau 40 meter harus ditinjau sebagai pengaruh beban dinamik dan
analisisnya harus didasarkan pada analisis respon dinamik. Dalam pelaksanaannya, analisis respon
dinamik dirasa tidak praktis dan memerlukan banyak waktu, sehingga merepotkan para perancang
bangunan. Oleh karena itu, penelitian tentang analisis dinamik pada bangunan gedung tidak
beraturan ini akan sangat membantu para perencana sebagai bahan pertimbangan dalam
perancangan. Dalam penelitian ini dilakukan analisis gaya gempa rencana pada model struktur 2
dimensi, yaitu berupa rangka portal terbuka (open moment resisting frames) beton bertulang, dengan
ketinggian 48 meter atau 12 tingkat. Model struktur ditinjau pada 23 kota besar di Indonesia, dengan
menggunakan metode dinamik respon spektra. Sebagai perbandingan, respon spectra design pada
tiap kota dibuat sesuai dengan ketentuan SNI 1726-2002 dan SNI 1726-2012. Hasil dari analisis
menunjukkan bahwa gaya gempa rencana pada tahun 2012 mengalami penurunan dari tahun 2002
pada 7 kota, sedangkan yang lainnya relatif meningkat. Peningkatan yang sangat besar terjadi di
Kota Semarang, Yogyakarta, Kendari, Banda Aceh dan Palu. Gaya gempa rencana tertinggi juga
mengalami pergeseran yaitu dari kota Bengkulu pada tahun 2002 beralih ke kota Banda Aceh pada
tahun 2012. Hal itu dapat terjadi, dikarenakan terjadinya pergeseran status wilayah kegempaan dari
tahun 2002 ke 2012.
Kata kunci: struktur bertingkat banyak, gaya gempa rencana, analisis dinamik respon spektra.
1.
PENDAHULUAN
Gempa akan menimbulkan getaran/goyangan pada tanah ke segala arah dan menggetarkan bangunan yang berdiri di
atas tanah tersebut. Gaya akibat gempa pada bangunan direpresentasikan sebagai gaya geser dasar V yang bekerja
pada dasar bangunan dan selanjutnya digunakan sebagai gaya gempa rencana yang harus ditinjau dalam
perencanaan dan evaluasi struktur bangunan gedung. Pada bangunan bertingkat, gaya geser dasar tersebut akan
didistribusikan secara vertikal sepanjang ketinggian struktur sebagai gaya horizontal tingkat Fi. Pedoman perumusan
gempa rencana pada SNI 1726-2012 mengacu pada ASCE 7-05 yang ditentukan berdasarkan perioda ulang gempa
2475 tahun (probabilitas terlampaui 2% dalam 50 tahun), sedangkan SNI 1726-2002 memakai konsep wilayah
gempa (seismic zone) yang ditentukan berdasarkan perioda ulang gempa 500 tahun (probabilitas terlampaui 10%
dalam 50 tahun). Beban geser dasar V akibat gempa rencana sesuai ASCE 7-05 menunjukkan kecenderungan lebih
besar dibandingkan dengan hasil perhitungan menurut SNI 1726-2002. (Purwono dan Takim A, 2010)
Pengaruh gempa rencana pada bangunan gedung beraturan dapat ditinjau sebagai pengaruh beban gempa ekivalen
statik, sedangkan pada bangunan gedung tidak beraturan harus ditinjau sebagai pengaruh beban dinamik. Beban
gempa ekivalen statik merupakan penyederhanaan dari beban gempa dinamik, yaitu berupa gaya horizontal F yang
bekerja pada pusat massa bangunan dan bersifat statik. Perhitungan dalam metode ini hanya memperhatikan
kontribusi dari mode ke-1 saja, sehingga hanya cocok untuk bangunan yang cenderung kaku, yaitu bangunan yang
memiliki ketinggian tidak lebih dari 40 m atau 10 tingkat. Sebagai konsekuensinya, semakin tinggi bangunan akan
semakin fleksibel dan kontribusi higher mode menjadi lebih besar, sehingga perancangan bangunan harus
didasarkan pada analisis dinamik. (Widodo, 2001)
1
2. GAYA GESER DASAR V, GAYA HORIZONTAL TINGKAT F i, DAN GAYA GESER
TINGKAT Vi .
Gaya geser dasar V merupakan pengganti/penyederhanaan dari getaran gempabumi yang bekerja pada dasar
bangunan dan selanjutnya digunakan sebagai gaya gempa rencana yang harus ditinjau dalam perencanaan dan
evaluasi struktur bangunan gedung. (Widodo, 2011). Menurut SNI 1726-2002, gaya geser dasar V pada struktur
gedung beraturan dapat ditentukan dengan metode ekivalen statik, sedangkan bagi struktur gedung tidak beraturan
harus ditinjau dengan metode dinamik. Struktur gedung beraturan di antaranya ditunjukkan dengan beberapa hal
berikut ini:
1. Tinggi struktur gedung diukur dari taraf penjepitan lateral tidak lebih dari 10 tingkat atau 40 m.
2. Memiliki ketidakberaturan struktur horizontal maupun struktur vertikal.
3. Memiliki periode getar struktur kurang dari 3.5 Ts atau T Ts,
=
0.4 + 0.6
1
Dengan Sa = percepatan respon spektra,
SDS = parameter respon spektra pada periode pendek,
dan SD1 = parameter respon spekktra pada periode 1
detik.
Gambar 1. Respon spectra design (SNI 1726-2012)
4.
METODE DINAMIK RESPON SPEKTRA
Menurut SNI 1726-2002, perhitungan respons dinamik struktur gedung tidak beraturan terhadap pembebanan gempa
nominal akibat pengaruh gempa rencana, dapat dilakukan dengan metode analisis dinamik respon spektra. Nilai
untuk masing-masing parameter yang ditinjau kemudian dihitung untuk berbagai ragam dan harus dikombinasikan
menggunakan metode Akar Kuadrat Jumlah Kuadrat ( SRSS) atau metode Kombinasi Kuadrat Lengkap (CQC).
Tahapan analisis metode respon spektra meliputi analisis modal amplitudo Z, modal displacement Y, dan modal
seismic force F ij, menggunakan persamaan 1-3. Selanjutnya simpangan horisontal tingkat Yi dan gaya horisontal
tingkat F i diperoleh dengan prinsip SRSS menggunakan persamaan 4 dan 5. Dengan menjumlahkan gaya horizontal
tingkat F i akan diperoleh besarnya gaya geser dasar bangunan Vj akibat gempa rencana dengan menggunakan
persamaan 6.
=
�
(1)
�2
=� .
� = �.
=
� =
� =
(2)
(3)
=(
=
)2
(4)
(� )2
(5)
=1 �
(6)
Zj=modal amplitude, C =koefisien gempa dasar, g =gaya grafitasi, ɷ=frekuensi sudut, Yij=modal
displacement, ϕij= mode shape, F ij=modal seismic force , M=matriks massa, Yi= simpangan horizontal
tingkat, F i=gaya horizontal tingkat dan Vj=gaya geser dasar bangunan.
5.
METODOLOGI PENELITIAN
5.1. Model struktur
Analisis dilakukan pada model struktur 2D portal beton bertulang 12 tingkat 4 bentang, yang diperoleh dengan
bantuan program SAP 2000, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.
A
4.00
8.00
4.00
4.00
8.00
4.00
4.00
8.00
4.00
8.00
4.00
A
6.00
4.00
6.00
6.00
6.00
6.00
6.00
6.00
4.00
Denah
Dimensi (cm):
Kolom tepi
Kolom tengah
Balok
4.00
4.00
: 70/70
: 80/80
: 35/70
4.00
8.00
8.00
8.00
8.00
Pot. A-A
Gambar 2. Model struktur 2D portal beton bertulang 12 tingkat.
5.2. Lokasi dan klasifikasi situs
Model struktur ditinjau pada 23 lokasi di Indonesia yang memiliki klasifikasi situs yang berbeda-beda dengan
kondisi tanah sedang, sebagaimana disebutkan dalam Tabel 1.
5.3. Pengolahan data
Pengolahan data dalam penelitian ini meliputi:
1. Menghitung massa dengan prinsip lumped mass.
2. Menghitung kekakuan struktur dengan metode shear building.
3. Membuat respon spectra design dengan mengikuti ketentuan SNI 1726-2002 dan SNI 1726-2012.
4. Analisis dinamik respon spektra dengan bantuan program Matlab 7-10-0 (R2010a).
Tabel 1. Lokasi model struktur beserta klasifikasi situs.
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
6.
SNI 1726-2012
Ss
S1
1.4
0.65
0.52
0.33
1.3
0.6
1.1
0.55
0.75
0.33
0.275
0.175
0.69
0.26
1.4
0.51
1.5
0.45
1.1
0.39
0.65
0.24
0.98
0.39
0.95
0.35
0.95
0.35
1.1
0.29
0.06
0.04
0.125
0.09
0.3
0.14
0.95
0.35
2.15
0.55
1.2
0.48
1.5
0.6
1.5
0.55
Kota
Banda Aceh
Medan
Padang
Bengkulu
Bandar Lampung
Palembang
Jakarta
Bandung
Yogyakarta
Semarang
Surabaya
Cilacap
Denpasar
Mataram
Kupang
Banjarmasin
Samarinda
Makassar
Kendari
Palu
Menado
Jayapura
Sorong
SNI 1726-2002
Wil Gempa
4
3
5
6
5
2
4
4
3
2
2
4
4
4
5
1
2
2
2
4
5
5
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
6.1. Massa dan kekakuan struktur.
Hasil perhitungan berat, massa dan kekakuan struktur ditunjukkan dalam Tabel 2.
Tabel 2. Berat, Massa dan Kekakuan struktur 12 tingkat
Tingkat
1-11
12 (atap)
Berat (kg)
134144
107264
2
Massa (kg dt /cm)
136.8816
109.4531
Kekakuan (kg/cm)
534062.5
534062.5
6.2. Mode shape
Dengan bantuan program Matlab, diperoleh mode shape struktur seperti ditunjukkan ada Gambar 3.
Gambar 3. Mode shape
6.3. Respon spectra design
Setiap lokasi akan memiliki respon spectra design yang berbeda-beda sesuai dengan karakteristik situs,
sebagaimana disebutkan dalam Tabel 1. Sebagai contoh, akan ditunjukkan perbandingan respon spectra design
berdasarkan SNI 1726-2002 dan SNI 1726-2012 pada Kota Banda Aceh, Yogyakarta dan Lampung, yaitu pada
Gambar 4.
Gambar 4. Perbandingan respon spectra design pada Kota Banda Aceh, Yogyakarta dan Lampung.
Pada Gambar 4, ditunjukkan respon spektra Kota Banda Aceh dan Yogyakarta memiliki karakteristik yang hampir
sama, yaitu respon spektra SNI 1726-2012 cenderung lebih tinggi dibandingkan dengan respon spektra SNI 17262002. Tetapi untuk Kota Lampung, respon spektra SNI 1726-2012 terlihat lebih rendah dari pada respon spektra
SNI 1726-2002. Hal ini menunjukkan bahwa status kegempaan Kota Banda Aceh dan Yogyakarta mengalami
kenaikan dari tahun 2002 ke 2012, sedangkan Kota Lampung justru mengalami penurunan dari tahun 2002 ke 2012.
Selain kondisi sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4, ada beberapa kota memiliki respon spektra yang tidak
seragam pada semua periode T, seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Respon spektra Kota Medan mengalami
penurunan dari tahun 2002 ke 2012 hanya pada T0.4 detik. Kondisi respon spektra yang berbeda-beda ini akan
menghasilkan nilai koefisien gempa dasar C yang berbeda-beda pula pada setiap lokasi, sehingga besar gaya geser
dasar bangunan akibat gempa rencana juga akan berbeda-beda.
Gambar 5. Respon spectra design Kota Medan dan Kupang
6.4. Gaya horizontal tingkat, F i.
Dalam analisis gaya horizontal tingkat F i, ditinjau 3 lokasi yaitu kota Banda Aceh, Yogyakarta dan Lampung
sebagaimana ditampilkan Gambar 6, dengan pembanding hasil analisis metode ekivalen statik. Dari Gambar 6
tersebut nampak bahwa gaya horizontal tingkat yang dihitung dengan metode dinamik respon spektra relatif lebih
besar dari pada hitungan dengan metode ekivalen statik, terutama hitungan yang mengikuti code baru 2012.
Perbedaan yang besar terutama terjadi pada tingkat-tingkat bawah, diduga akan menimbulkan implikasi pada respon
struktur, sehingga perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui risiko struktur dalam menahan beban
gempa rencana.
Gaya horizontal tingkat yang dihitung dengan metode ekivalen statik menunjukkan bahwa peningkatan gaya
horizontal tingkat pada tahun 2012 hanya terjadi pada tingkat-tingkat atas saja, sementara pada tingkat bawah justru
mengalami penurunan. Namun berbeda dengan hasil hitungan dengan metode dinamik, kenaikan terjadi pada semua
tingkat, sehingga terjadi perbedaan yang signifikan antara hasil dua metode ini, terutama pada tingkat-tingkat
bawah.
Keterangan:
RS= Metode
Dinamik Respon
Spektra
ES= Metode
Ekivalen Statik
Gambar 6. Gaya horizontal tingkat F i.
6.5. Gaya geser tingkat Vi.
Diagram gaya geser tingkat untuk struktur yang berlokasi di Banda Aceh dan Bandar Lampung ditunjukkan pada
Gambar 7. Gaya geser tingkat yang timbul akibat gempa rencana tahun 2012 di Kota Banda Aceh mengalami
kenaikan yang signifikan terutama pada tingkat-tingkat bawah, sedangkan di Kota Bandar Lampung justru
mengalami penurunan. Diagram gaya geser tingkat ini juga menunjukkan bahwa analisis dinamik respon spektra
tahun 2012 di Kota Banda Aceh menghasilkan nilai yang sangat tinggi, dikarenakan percepatan respon spectral
design 2012 mengalami peningkatan yang sangat tinggi pula dibandingkan percepatan respon spectral design 2002.
Gambar 7. Diagram gaya geser tingkat (Vi)
6.6. Gaya geser dasar, V
Gaya geser pada dasar bangunan yang merupakan penjumlahan dari gaya horizontal tingkat pada portal 12 tingkat 4
bentang yang ditinjau pada 23 lokasi, ditunjukkan dengan Gambar 8 dan Tabel 3.
Gambar 8. Gaya geser dasar (V) ton.
Tabel 3. Hasil perhitungan gaya geser dasar (V)
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Kota
Banda Aceh
Medan
Padang
Bengkulu
Bandar Lampung
Palembang
Jakarta
Bandung
Yogyakarta
Semarang
Surabaya
Cilacap
Denpasar
Mataram
Kupang
Banjarmasin
Samarinda
Makassar
Kendari
Palu
Menado
Jayapura
Sorong
*Nilai tertinggi
Gaya geser dasar (V) ton
SNI 1726-2002
SNI 1726-2012
98.3483
77.3258
116.8994
126.4478*
116.8994
53.7272
98.3483
98.3483
77.3258
53.7272
53.7272
98.3483
98.3483
98.3483
116.8994
18.6035
53.7272
53.7272
53.7272
98.3483
116.8994
116.8994
98.3483
178.3296*
96.7774
165.0429
146.8214
92.7311
51.1452
78.4760
156.1612
153.1193
121.2193
73.1827
108.4283
106.1870
106.1870
107.2518
11.1361
23.1484
38.4156
101.2892
173.3177
140.5611
175.3598
167.7218
Keterangan
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Menurun
Menurun
Menurun
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Menurun
Menurun
Menurun
Menurun
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
Meningkat
%∆
81
25
41
16
-21
-5
-20
59
98
126*
36
10
8
8
-8
-40
-57
-28
89
76
20
50
71
Dari Gambar 8 dan Tabel 3, dapat diketahui bahwa gaya geser dasar ( V) rata-rata mengalami peningkatan dari tahun
2002 ke 2012, kecuali pada 7 kota yaitu Bandar Lampung, Palembang, Jakarta, Kupang, Banjarmasin, Samarinda
dan Makasar. Dengan demikian, bangunan yang sudah terbangun sesuai SNI 1726-2002 pada 7 kota tersebut dapat
dipastikan akan memenuhi persyaratan dari SNI 1726-2012.
5 Kota yang mengalami peningkatan gaya gempa rencana dari tahun 2002 hingga 2012, dari yang tertinggi
peningkatannya adalah Kota Semarang, Yogyakarta, Kendari, Banda Aceh dan Palu. Hal ini menunjukkan adanya
peningkatan status kegempan wilayah tersebut, sehingga beban gempa dalam perancangan bangunan sesuai SNI
1726-2012 menjadi lebih besar dibandingkan beban gempa dalam perancangan sesuai SNI 1726-2002. Adanya
peningkatan gaya gempa rencana yang sangat tinggi dapat mengakibatkan bangunan yang dibangun mengikuti
peraturan SNI 1726-2002 menjadi under designed . Namun demikian, perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk
mengetahui batas peningkatan beban gempa yang dapat mengakibatkan bangunan tidak memenuhi persyaratan SNI
1726-2012, sehingga dapat ditentukan tindakan yang tepat agar bangunan tetap memenuhi persyaratan code yang
baru.
Gaya gempa rencana tertinggi juga mengalami pergeseran, yaitu dari Kota Bengkulu pada tahun 2002 bergeser ke
Kota Banda Aceh pada tahun 2012. Pergeseran ini dikarenakan pada tahun 2002 Kota Bengkulu termasuk dalam
wilayah gempa 6 dan Kota Banda Aceh termasuk dalam wilayah gempa 4, namun pada tahun 2012, keadaan
bergeser dimana parameter percepatan spektral disain Kota Banda Aceh lebih tinggi dibandingkan Kota Bengkulu.
Sehingga pada Kota Banda Aceh mengalami kenaikan mencapai 81%, sedangkan Kota Bengkulu hanya 16%.
Hasil analisis ini menimbulkan pertanyaan lebih lanjut, apakah bangunan yang sudah berdiri di Kota Semarang,
Yogyakarta, Kendari, Banda Aceh dan Palu, saat ini masih mampu menahan gaya gempa rencana sesuai SNI 17262012? Untuk menjawab pertanyaan ini, perlu dilakukan penelitian yang lebih seksama dan lebih lengkap seperti
cakupan semua jenis tanah, variasi model struktur, implikasi respon struktur dll. Apabila diketahui bangunan tidak
mampu menahan gaya gempa rencana SNI 1726-2012, maka dapat dilakukan perkuatan struktur yang sesuai agar
kekuatan bangunan memenuhi persyaratan SNI 1726-2012.
7.
KESIMPULAN
Dari hasil analisis ini dapat disimpulkan bahwa:
1.
Gaya gempa rencana tahun 2012 tidak selalu lebih tinggi daripada gaya gempa rencana tahun 2002, tetapi
tergantung pada percepatan respon spektral dari lokasi bangunan tersebut.
2.
Gaya gempa rencana di kota Bandar Lampung, Palembang, Jakarta, Kupang, Banjarmasin, Samarinda dan
Makasar mengalami penurunan dari tahun 2002 ke 2012.
3.
Gaya gempa rencana di Kota Semarang, Yogyakarta, Kendari, Banda Aceh dan Palu, pada tahun 2012
mengalami peningkatan yang sangat besar, sehingga perlu dilakukan penelitian yang lebih seksama terkait
dengan kualitas bangunan yang sudah berdiri di kota tersebut.
4.
Peningkatan gaya gempa rencana yang besar sangat berpengaruh pada bangunan, terutama pada tingkattingkat bawah.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih yang setinggi-tingginya kepada Biro Perencanaan dan Kerjasama Luar Negeri
(BPKLN) Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan yang telah memberikan Beasiswa Unggulan.
DAFTAR PUSTAKA
ASCE 7-02. American Society of Civil Engineers. (2002). Minimum Design Loads for Buildings and other
Structures, ASCE Standard, USA.
Budiono, B (2002). Perkembangan Desain Struktur Beton Bertulang Tahan Gempa di Indonesia . Departemen
Teknik Sipil ITB, Bandung.
Budiono, Bambang. (2011). “Konsep SNI Gempa 1726-201X”. Seminar HAKI 2011.
Budiono, B, dan Lucky S. (2011). Studi Komparasi Desain Bangunan Tahan Gempa dengan menggunakan SNI 31726-2002 dan RSNI 03-1726-201X. Penerbit ITB, Bandung.
FEMA 451. (2006). NEHRP Recommended Provisions: Design Examples-August 2006. National Institute of
Building Sciences. Washington, DC
Ghosh. (1999). Impact of Seismic Design Provisions of 2000 IBC: Comaparison with 1997 UBC , SEAOC
Convention 1999.
Hanselman, Duane & Bruce Littlefield. (2002). Matlab Bahasa Komputasi Teknis. Andi Offset, Yogyakarta.
Indarwanto, M (tanpa tahun). Teknologi Bangunan 6, Modul 4: Pembebanan dan Dimensi Beton Bertulang. Pusat
Pengembangan Bahan Ajar UMB.
Irsyam, M, dkk (2010). Ringkasan Hasil Studi Tim Revisi Peta Gempa Indonesia 2010, eisi 2, Kementrian Pekerjaan
Umum, Bandung, Juli 2010.
Kusumastuti. (2010). Pengaruh Tinggi Struktur dan Jumlah Bentang Terhadap Kontribusi Mode pada Struktur
Beton Bertulang Bertingkat Banyak dengan Pendekatan Kekakuan Kolom Shear Building dan Cara Muto,
Tesis Magister Teknik Sipil UII.
Purwono dan Takim A. (2010). “Implikasi Konsep Seismic Design Category (SDC) – ASCE 7-05 Terhadap
Perencanaan Struktur Tahan Gempa Sesuai SNI 1726-02 Dan SNI 2847-02”, Seminar dan Pameran HAKI
2010 – Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia.
PPTGIUG (1981). Peraturan Perencanaan Tahan Gempa Indonesia untuk Gedung. Dit.Jen. Tjipta Karya, DPU,
Jakarta.
SNI 03-1726-2002 (2002). Standar Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur Bangunan Gedung , Departemen
Kimpraswil PU, Bandung.
SNI 03-1726-2012 (2012). Standar Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur Bangunan Gedung dan Non
Gedung. Badan Standardisasi Nasional BSN.
Widodo. (2001). Respon Dinamik Struktur Elastik. UII Press, Yogyakarta.
Widodo. (2011). Seismologi Teknik & Rekayasa Kegempaan . Pustaka Pelajar, Yogyakarta.
Widiarsono, Teguh. (2005). Tutorial Praktis Belajar Matlab . Yogyakarta