PENGEMBANGAN KURVA KERAPUHAN BERBASIS INCREMENTAL DYNAMIC ANALYSIS UNTUK EVALUASI KINERJA SEISMIK JEMBATAN RANGKA BAJA SKRIPSI

Transkripsi

1 PENGEMBANGAN KURVA KERAPUHAN BERBASIS INCREMENTAL DYNAMIC ANALYSIS UNTUK EVALUASI KINERJA SEISMIK JEMBATAN RANGKA BAJA DEVELOPMENT OF FRAGILITY CURVE BASED ON INCREMENTAL DYNAMIC ANALYSIS FOR SEISMIC PERFORMANCE EVALUATION OF STEEL TRUSS BRIDGE SKRIPSI Disusun sebagai Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Pada Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Disusun oleh : DEAN HADI WARDANA I PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit 2016 to user

2 Sebelas Maret Surakarta Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

3

4 MOTTO Fa-inna ma al usri yusran Karena sesungguhnya, sesudah kesulitan itu ada kemudahan, (QS.94:5) PERSEMBAHAN Saya persembahkan karya ini untuk: Bapak dan almarhumah ibu yang telah membuat saya bisa menjadi seperti ini Seseorang yang terkasih yang selalu mensupport dalam keadaan apapun Teman-teman yang selalu memberikan bantuan, dukungan dan semangat Terima kasih kepada: Pembimbing yang selalu mengarahkan dengan sabar serta membagi ilmunya Seluruh dosen dan staf Program Studi Teknik Sipil yang telah memberi banyak bekal iv

5 ABSTRAK Dean Hadi Wardana, Pengembangan Kurva Kerapuhan Berbasis Incremental Dynamic Analysis untuk Evaluasi Kinerja Seismik Jembatan Rangka Baja. Skripsi. Program Studi Teknik Sipil Fakultas teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dampak yang ditimbulkan akibat gempa bumi sangat luas. Salah satunya adalah kegagalan pada infrastruktur jembatan. Untuk mengantisipasi kegagalan tersebut dibutuhkan suatu parameter serta metode untuk mengevaluasi kinerja seismik dari struktur. Kurva kerapuhan merupakan parameter kinerja seismik yang cukup baik untuk mengevaluasi suatu struktur khususnya jembatan. Metode yang digunakan untuk membentuk kurva kerapuhan adalah incremental dynamic analysis yang menggunakan analisis riwayat waktu yang dilakukan secara increment. Penelitian ini menggunakan jembatan rangka baja hypothetic 1 span dengan panjang 80m yang dimodelkan dalam bentuk 3D. Beban gravitasi dihitung berdasarkan SNI T tentang perencanaan struktur baja untuk jembatan. Beban gempa menggunakan 12 ground motion records yang disesuaikan dengan target respon spektra daerah Semarang. Analisis dilakukan secara dinamis dengan menjalankan analisis riwayat waktu. Setiap ground motion records dianalisis secara increment hingga struktur collapse. Hasil analisis berupa 12 kurva IDA yang menggambarkan perilaku linier dan nonlinier struktur pada arah x dan y. Kurva kerapuhan berupa fungsi probabilistik dianalisis berdasarkan 12 kurva IDA pada arah x dan y dengan menggunakan tingkat kerusakan berdasarkan definisi Hazus (slight, moderate, extensive dan complete). Aleatory randomness dan epistemic uncertainty digunakan untuk menghitung ketidakpastian total dari fungsi probabilistik kurva kerapuhan. Berdasarkan kurva kerapuhan pada arah x dan y, kerusakan struktur jembatan rangka baja untuk tiap batas kerusakan pada arah sumbu x lebih besar daripada arah y. Hal ini menunjukkan bahwa arah x lebih rapuh daripada arah y. Probabilitas kerusakan complete damage struktur jembatan rangka baja mencapai 100% jika terjadi gempa dengan PGA sebesar 4 g untuk arah x dan 6,2 g untuk arah y. Namun dalam kenyataan, probabilitas terjadinya gempa dengan PGA lebih dari 2 g kecil sekali. Ini menunjukkan bahwa desain kolom terlalu kuat. Selain itu, probabilitas kerusakan complete damage pada arah y dengan nilai PGA diatas 3,5 g tidak relevan dengan batas kerusakan yang dipakai karena terdapat komponen struktur yang rusak terlebih dahulu yaitu LRB daripada komponen yang ditinjau yaitu pier. Alasan ini juga yang menguatkan pernyataan bahwa adalah kolom yang menjadi tinjauan terlalu kuat. Kata Kunci: aleatory randomness, epistemic uncertainty, ground motion records, incremental dynamic analysis, jembatan rangka baja, kurva kerapuhan, kinerja seismik. v

6 ABSTRACT Dean Hadi Wardana, Development of Fragility Curve Based on Incremental Dynamic Analysis for Seismic Performance Evaluation Steel Truss Bridge. Thesis. Civil Engineering Department of Engineering Faculty of Sebelas Maret University, Surakarta. Earthquakes give so much impact. One of the impact is failure of bridge infrastructure. To anticipate the failure, it needs a parameter and method to evaluate seismic performance of structure. Fragility curve is a good parameter of seismic performance to evaluate a structure, especially bridge. Method used to create fragility curve is incremental dynamic analysis which uses time history analysis incrementally. This research uses 1 span hypothetic steel truss bridge with length 80m in 3D modeling. Gravitation load is calculated based on SNI T tentang perencanaan struktur baja untuk jembatan. Seismic load uses 12 ground motion records which are matched with target response spectra in Semarang. Analysis is conducted dynamically by time history analysis. Every ground motion record is analysed incrementally till the structure was collapse. The result is 12 IDA curves which describe linearity and non-linearity of structure in axis x and y. Fragility curve which in the form of probabilistic function, is analysed based on 12 IDA curves in axis x and y using Hazus s damage state (slight, moderate, extensive dan complete). Aleatory randomness and epistemic uncertainty is used to calculate uncertainty from probabilistic function of fragility curve. Based on fragility curve to axis x and y, damage of steel truss bridge structure for every damage state on axis x is higher than axis y. It indicates that the structure on axis x is more fragile than on axis y. If earthquake occurs with PGA 4 g on axis x and 6,2 g on axis y, the probability of complete damage on steel truss bridge structure reach 100%. But probability of earthquake which its PGA over than 2 g is very low. Besides, probability of complete damage on axis y which its PGA over than 3,5 g is irrelevant to used damage state. It caused by earlier damaged component structure (LRB) than the observed component (pier). This reason also strengthens the statement above that observed pier is too strong. Keyword: aleatory randomness, epistemic uncertainty, ground motion records, incremental dynamic analysis, jembatan rangka baja, fragility curve, seismic performance vi

7 PENGANTAR Puji syukur penyusun panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa yang telah melimpahkan rahmat-nya sehingga penyusun dapat menyelesaikan Skripsi dengan judul Pengembangan Kurva Kerapuhan Berbasis Incremental Dynamic Analysis untuk Evaluasi Kinerja Seismik Jembatan Rangka Baja. Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan akademik untuk menyelesaikan Program Sarjana pada Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Penyusun menyadari keterbatasan kemampuan dan pengetahuan yang penyusun miliki sehingga masih ada kekurangan dalam penyusunan skripsi ini, untuk itu penyusun mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari para pembaca. Akhir kata semoga skripsi ini bermanfaat bagi penyusun khususnya dan pembaca umumnya. Surakarta, Agustus 2016 Penyusun vii

8 DAFTAR ISI JUDUL... i LEMBAR PERSETUJUAN... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii MOTTO DAN PERSEMBAHAN... iv ABSTRAK... v ABSTRACK... vi PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR LAMPIRAN... xiv DAFTAR NOTASI... xv BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat... 4 BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 Struktur Jembatan Jembatan Jembatan Rangka Baja Pembebanan Jembatan Analisis Riwayat Waktu Akselerogram Target Respon Spektra viii

9 2.2.3 Menentukan Ground Motion Record dalam Analisis Riwayat Waktu Penyesuaian Ground Motion Record dengan Target Respon Spektra Analisis Riwayat Waktu Incremental Dynamic Analysis (IDA) Konsep Dasar Incremental Dynamic Analysis (IDA) Limit State Pengaplikasian Incremental Dynamic Analysis Kurva Kerapuhan Metode Penurunan Kurva Kerapuhan Kurva Kerapuhan untuk Struktur Jembatan BAB 3 METODE PENELITIAN 3.1 Tahapan Penelitian Studi Literatur Pengumpulan Data Struktur Jembatan Lokasi Jembatan Pemodelan Struktur Perhitungan Pembebanan Analisis Struktur dengan Metode Incremental Dynamic Analysis Analisis Hasil Incremental Dynamic Analysis Analisis dan Penggambaran Kurva Kerapuhan Diagram Alir Penelitian BAB 4 ANALISIS DAN PEMBAHASAN 4.1 Pemodelan Struktur Perhitungan Beban Mati dan Beban Hidup Perhitungan Beban Mati Perhitungan Beban Hidup Perhitungan Beban Truk (T) Pembebanan Gempa Target Respon Spektrum Pemilihan Ground Motion Records ix

10 4.3.3 Perhitungan Scale Factor Penyesuaian Ground Motion Records dengan Target Respon Spektra Menggunakan SeismoMatch Analisis Incremental Dynamic Analysis Hasil Analisis Incremental Dynamic Analysis Analisis Kurva Kerapuhan Hasil Analisis Kurva Kerapuhan BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN x

11 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Jumlah lajur lalu lintas rencana Tabel 2.2 Deskripsi batas kerusakan (Limit State) berdasarkan HAZUS Tabel 2.3 Definisi limit state untuk pier jembatan Tabel 4.1 Perhitungan beban perkerasan jalan dan pelat Tabel 4.2 Perhitungan beban trotoar Tabel 4.3 Ground motion records yang digunakan Tabel 4.4 Nilai scale factor setiap gempa untuk arah x dan arah y Tabel 4.5 Penambahan scale factor Tabel 4.6 Nilai ground motion parameter sesuai limit state, λ (rata-rata dari ln(x) dengan x adalah ground motion parameter), ketidakpastian total, aleatory serta epistemic untuk arah x Tabel 4.7 Nilai ground motion parameter sesuai limit state, λ (rata-rata dari ln(x) dengan x adalah ground motion parameter), ketidakpastian total, aleatory serta epistemic untuk arah y Tabel 4.8 Perbandingan gaya aksial aktual dengan kapasitas gaya aksial LRB xi

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Jembatan rangka... 6 Gambar 2.2 Beban D : BTR vs panjang yang dibebani... 8 Gambar 2.3 Beban lajur D... 9 Gambar 2.4 Penyebaran pembebanan pada arah melintang Gambar 2.5 Pembebanan truk T (500 kn) Gambar 2.6 Akselerogram Hospital de Curico Gambar 2.7 Desain Respon Spektra Gambar 2.8 Kurva IDA dengan 30 rekaman gempa Gambar 3.1 Perspektif jembatan hypothetic rangka baja Gambar 3.2 Lokasi jembatan hypothetic rangka baja Gambar 3.3 Diagram alir penelitian Gambar 4.1 Model tiga dimensi jembatan rangka baja kelas B Gambar 4.2 Susunan pembebanan truk T (500 kn) Gambar 4.3 Target respon spektra daerah Semarang Gambar 4.4 Akselerogram unscaled gempa Kern Country arah x Gambar 4.5 Respon spektra gempa Kern Country arah x Gambar 4.6 Respon spektra ground motion records arah x yang belum disesuaikan (unscaled) Gambar 4.7 Respon spektra ground motion records arah y yang belum disesuaikan (unscaled) Gambar 4.8 Hasil matching dengan SeismoMatch Gambar 4.9 Hasil matching dengan SeismoMatch Gambar 4.10 Respon spektra ground motion records arah x yang telah disesuaikan Gambar 4.11 Respon spektra ground motion records arah y yang telah disesuaikan Gambar 4.12 Artificial akselerogram gempa Kern Country arah x Gambar 4.13 Kumpulan 12 kurva IDA arah x Gambar 4.14 Kumpulan 12 kurva IDA arah y xii

13 Gambar 4.15 Kurva kerapuhan struktur jembatan rangka baja arah x berdasarkan limit state Kim dan Shinozuka (2004) Gambar 4.16 Kurva kerapuhan struktur jembatan rangka baja arah y berdasarkan limit state Kim dan Shinozuka (2004) Gambar 4.17 Kurva kerapuhan struktur jembatan rangka baja arah x dan y pada kerusakan complete damage xiii

14 DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN A Geometri, data properti dan pemodelan struktur... LA-1-8 LAMPIRAN B Analisis pembebanan gempa... LB-1-66 LAMPIRAN C Hasil analisis IDA dan Kurva Kerapuhan... LC-1-44 LAMPIRAN D Surat-surat... LD-1-15 xiv

15 DAFTAR NOTASI Ф[.] = fungsi standar normal distribusi kumulatif δ = displacement h = tinggi kolom δ/h = drift ratio λ = rata-rata dari ln(x) βr = ketidakpastian aleatory βu = ketidakpastian epistemic βru = ketidakpastian total Ā = spectral acceleration target respon spectra A = spectral acceleration respon spectra yang akan diskala Fa = koefisien situs untuk perioda pendek (pada perioda 0,2 detik) Fv = koefisien situs untuk perioda panjang (pada perioda 1 detik) L = Panjang total jembatan yang dibebani ln x 84% = ln x 16% = ln dari percentile 84% dari nilai x ln dari percentile 16% dari nilai x M = magnitude n = jumlah data P = probabilitas kerusakan PGA = peak ground acceleration p = intensitas beban garis (BGT) dalam arah melintang jembatan q = intensitas beban terbagi rata (BTR) dalam arah memanjang jembatan S1 = parameter percepatan respons spektral MCE dari peta gempa pada perioda 1 detik, redaman 5 persen Sa = percepatan total maksimum Sd = simpangan relatif maksimum SD1 = parameter percepatan respons spektral pada periode 1 detik, redaman 5 persen xv

16 SDS = parameter percepatan respons spektral pada perioda pendek, redaman 5 persen SF = scale factor Ss = parameter percepatan respons spektral MCE dari peta gempa pada perioda pendek, redaman 5 persen Sv = kecepatan relatif maksimum T = period X = ground motion parameter (PGA atau Sa) x = ground motion parameter (PGA atau Sa) sesuai limit state x 84% = percentile 84% dari nilai x x 16% = percentile 16% dari nilai x xi = ground motion parameter (PGA atau Sa) ke-i sesuai limit state xvi