ANALISIS PENGARUH INTERAKSI TANAH STRUKTUR PONDASI DAN BASEMENT TERHADAP FAKTOR AMPLIFIKASI RESPON SPEKTRA PERMUKAAN TESIS

Transkripsi

1 ANALISIS PENGARUH INTERAKSI TANAH STRUKTUR PONDASI DAN BASEMENT TERHADAP FAKTOR AMPLIFIKASI RESPON SPEKTRA PERMUKAAN TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh I NENGAH SUKERTHA NIM : Program Studi Rekayasa Geoteknik INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 ABSTRAK ANALISIS PENGARUH INTERAKSI TANAH STRUKTUR PONDASI DAN BASEMENT TERHADAP FAKTOR AMPLIFIKASI RESPON SPEKTRA PERMUKAAN Oleh I NENGAH SUKERTHA NIM : Penentuan beban gempa pada bangunan didasarkan pada rambatan gelombang gempa dari batuan dasar menuju pemukaan tanah melalui medium free-field. Sementara itu pada kenyataannya, khususnya pada bangunan-bangunan tingkat tinggi, terdapat struktur tertanam seperti pondasi dan basement. Analisis dinamik akan keberadaan struktur-struktur tertanam ini dilakukan dengan menggunakan metode numerik melalui piranti lunak Plaxis Dynamics versi 8.2 yang berdasarkan pada Metode Elemen Hingga dalam domain waktu dan 2 (dua) dimensi dengan verifikasi menggunakan piranti lunak Deepsoil versi 6.2 yang berdasarkan pada domain waktu dan 1 (satu) dimensi. Dilakukan penelitian pada 62 kasus yang melibatkan keadaan free-field, kondisi Soil-Structure Interaction yang melibatkan konstruksi tertanam basement dan pondasi, dan kondisi Soil- Structure Interaction yang selain melibatkan konstruksi tertanam juga melibatkan konstruksi bangunan atas (bangunan tingkat tinggi 5 (lima) lantai), dengan variasi klasifikasi site tanah kaku, sedang dan lunak untuk beban gempa sebesar 0.1 g, 0.2 g dan 0.3 g untuk mekanisme gempa kerak dangkal dan subduksi. Penentuan parameter koefisien damping α dan β Rayleigh merupakan salah satu hal menarik yang dikaji dalam penelitian ini. Parameter α dan β ini merupakan data input yang dibutuhkan dalam analisis menggunakan domain waktu untuk piranti lunak Plaxis Dynamics versi 8.2. Parameter α dan β diperoleh dengan menggunakan piranti lunak Deepsoil versi 6.2. Hasil yang ditampilkan adalah respon spektra dan selubung respon spektra yang kemudian dibandingkan dengan standar yang umum dipakai dalam perencanaan saat ini, yaitu UBC 1997 dan SK SNI Keberadaan konstruksi tertanam basement dan pondasi memberikan nilai Peak Ground Acceleration (PGA) yang lebih kecil dengan variasi nilai antara 0% hingga 12.5% terhadap kondisi free-field untuk beban gempa 0.1 g, 0.2 g dan 0.3 g dengan klasifikasi site lempung lunak, sedang dan kaku. Variasi pada dimensi diameter dari pondasi tidak memberi pengaruh terhadap perambatan gelombang gempa ke permukaan tanah.

3 ABSTRACT THE ANALYSIS OF SOIL STRUCTURE INTERACTION EFFECTS IN FOUNDATION AND BASEMENT ON AMPLIFICATION FACTOR OF SURFACE RESPONSE SPECTRA Presented by, I NENGAH SUKERTHA NIM : The determination of earthquake dynamic load depends on the propagation of seismic wave from the base rock to the surface through free-field soil medium. In real condition, especially on high-rise buildings, there are buried structures such as foundation and basement. The dynamic analysis of the buried structures was done by numerical method of Plaxis Dynamics version 8.2 software based on finite element method in time domain and 2 (two) dimensional analysis verified using Deepsoil version 6.2 software which is based on time domain and 1 (one) dimensional analysis. The research was done on 62 cases involving any conditions such as free-field soil condition, soil-structure interaction condition related to buried structures such as basement and foundation, and soil-structure interaction condition related to both buried structures and upper structures (highrise building, 5 (five) floors), varied with stiff, medium and soft site classification and variation in Peak Base Acceleration (PBA) of 0.1 g, 0.2 g and 0.3 g for shallow crustal and subduction earthquake mechanism. The determination of α and β Rayleigh damping coefficients is one of the interesting topics that is discussed in this research. The α and β parameters are the input motion in time domain analysis by Plaxis Dynamics version 8.2. The α and β parameters are determined by Deepsoil version 6.2 software. The results of the analysis are response spectra and envelope response spectra, which are compared to the recent design standard such as UBC (Uniform Building Code) 1997 and SK SNI The buried structures condition analysis has shown that smaller value of Peak Ground Acceleration (PGA) varies between 0% to 12.5% compared to that of the free-field condition for peak base acceleration of 0.1 g, 0.2 g and 0.3 g, under soft, medium and stiff site classification. The dimentional variation in foundation diameters look does not give any effects on the earthquake wave propagation to the surface.

4 ANALISIS PENGARUH INTERAKSI TANAH STRUKTUR PONDASI DAN BASEMENT TERHADAP FAKTOR AMPLIFIKASI RESPON SPEKTRA PERMUKAAN Oleh I NENGAH SUKERTHA NIM : Program Studi Rekayasa Geoteknik Institut Teknologi Bandung Menyetujui Pembimbing, Tanggal... (Ir. Wayan Sengara, MSCE, Ph.D.)

5 PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.

6 Dipersembahkan kepada Mama, Bapak dan adik-adikku...

7 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas rahmat dan anugerah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini sebagai syarat akhir untuk menyelesaikan pendidikan pada Program Magister Teknik Sipil Institut Teknologi Bandung. Pada kesempatan ini penulis menghaturkan terima kasih yang sebesar-besarnya terutama kepada: 1. Bapak Ir. Wayan Sengara, MSCE, Ph.D., sebagai Dosen Pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan dalam penyusunan tesis ini, 2. Bapak Ir. Bigman M, Hutapea, M.Sc., Ph.D., yang telah bersedia menjadi dosen penguji pada seminar I, seminar II dan sidang tesis, dan atas bantuan, saran dan arahannya, 3. Bapak Dr. Ir. Hasbullah Nawir, yang telah bersedia menjadi dosen penguji pada seminar I, seminar II dan sidang tesis, dan atas bantuan, saran dan arahannya, 4. Bapak, Mama, dan adik-adik untuk dukungan yang tak terhingga. Terima kasih.., 5. Alm. Bapak Wisjnu Y. B., Bapak Bambang A. R., Bapak Prof. Paulus P. R., 6. Bli Putu Sumiartha, Mas Hendarto dan teman-teman di PRI ITB, 7. Saudara Pengki Sukamto, Pahala, Willis Guritna dan Putu Puswadi atas kesempatan memakai komputer, 8. Teman-teman geoteknik ITB angkatan 2003, 2004, 2005 dan Secara khusus kepada Pak Irwan, Mas Iman, Yessi, Mas Nunung, Fachmi, Daniel untuk waktu diskusi dan teman S3: Ibu Hasnita, Pak Makruf dan Pak Rivak, 9. Teman-teman dari Jakarta: Sekkasari, Dian juga Putu Lia Suryaningsih (.. ), 10. Keluarga besar di Bali, Lombok, Jakarta, Bogor dan Lampung, 11. Bapak Budhi dan Mas Bayu BMG Jakarta dan juga BMG Bandung, 12. Saudara Aris Handoko, Yunan Halim dan teman-teman GEC,

8 13. Keluarga Bapak Nyoman Semadi, Bapak Namin, Bapak I Wayan Kari, 14. Mahitala Unpar. Khususnya saudari She Nayl dan saudara Stankoplok, 15. Ibu Ida, Ibu Ani, Ibu Ima, Bapak Toto, Bapak Salam, Bapak Imang, Bapak Endang, Bapak Ocing (TU), Bapak Lily (PERPUS) dan Bapak Willion (UKSI), 16. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, yang telah mendukung hingga terselesaikannya program pendidikan dan penelitian ini. Dengan penuh kesadaran dan kerendahan hati, penulis menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis sangat terbuka terhadap kritik dan saran untuk perbaikan-perbaikan di masa yang akan datang. Akhir kata, semoga tulisan ini dapat memberi manfaat bagi pengembangan Rekayasa Geoteknik di tanah air. Bandung, Januari 2008 Penyusun, I Nengah Sukertha

9 DAFTAR ISI DAFTAR ISI...i DAFTAR GAMBAR...iii DAFTAR TABEL...ix Bab I Pendahuluan... 1 I.1 Latar Belakang...1 I.2 Tujuan Penelitian...3 I.3 Hipotesis...3 I.4 Ruang Lingkup Penelitian...3 I.5 Sistematika Penelitian...4 Bab II Tinjauan Pustaka... 6 II.1 Pendahuluan...6 II.2 Gempabumi...7 II.3 Gelombang Gempa...9 II.4 Teori Perambatan Gelombang...9 II.5 Menentukan Kekuatan Gempabumi...14 II.6 Analisis Respons Permukaan...16 II.7 Interaksi Tanah Struktur Beban Dinamik...20 II.8 Plaxis Dinamik versi Bab III Metodologi Penelitian III.1 Pendahuluan...32 III.2 Tahap Penelitian...33 III.3 Parameter Analisis...33 III.4 Analisis Dinamik...35 i

10 III.5 Hasil Analisis...35 Bab IV Analisis dan Pembahasan IV.1 Pendahuluan...39 IV.2 Parameter dan Properties Dinamik Tanah...41 IV.3 Beban Gempa...46 IV.4 Parameter dan Properties untuk Konstruksi Bangunan...48 IV.5 Hasil Keluaran Plaxis Dynamics versi Bab V Kesimpulan dan Saran V.1 Kesimpulan...78 V.2 Saran...81 DAFTAR PUSTAKA ii

11 iii

12 DAFTAR GAMBAR Gambar II-1. Tegangan-tegangan dalam arah x pada kubus infinitesimal Gambar II-2 Tipe seismograph simple mass-spring-dashpot Gambar II-3 (a) Ratio Respon Displacement; (b) Ratio Respon Acceleration untuk sistem SDOF terhadap beban harmonik sederhana Gambar II-4 Transformasi elemen kuadrilateral yang tidak beraturan pada sistem koordinat x-y menjadi elemen bujurangkar pada sistem koordinat s-t Gambar II-5 Pengaruh dari rasio kekakuan dan rasio massa pada (a) frekuensi natural, dan (b) rasio damping dari sistem tanah struktur ( h 1, v = 0.33, ξ = 0.025, ξ = ). (Setelah = g Wolf, 1985.) Gambar II-6 Respon dari sistem tanah struktur terhadap artificial time history ( h 1, m = 3, v = 0.33, ξ = 0.025, ξ = ): (a) = g distorsi struktur maksimum; (b) displacement maksimum massa relatif terhadap kondisi free-field Gambar IV-1 Permodelan sistem interaksi tanah struktur dalam program PLAXIS Dynamics versi Gambar IV-2 Titik tinjauan dalam analisis Gambar IV-3 Perbandingan model hiperbolik (a) dan Mohr-Coulomb (b) (Brinkgreve, et al 2002) Gambar IV-4 Beban Gempa 0.1 g Lokasi Jakarta untuk (a) subduksi, (b) kerak dangkal Gambar IV-5 Beban Gempa 0.2 g Lokasi Jakarta untuk (a) subduksi, (b) kerak dangkal Gambar IV-6 Beban Gempa 0.3 g Lokasi Jakarta untuk (a) subduksi, (b) kerak dangkal iii

13 Gambar IV-7 Potongan melintang konstruksi bangunan Gambar IV-8 Spectral matching untuk tanah lempung kaku, (a) Skala Cartesius (b) Skala Logaritma Gambar IV-9 Spectral matching untuk tanah lempung sedang, (a) Skala Cartesius (b) Skala Logaritma Gambar IV-10 Spectral matching untuk tanah lempung lunak (a) Skala Cartesius (b) Skala Logaritma Gambar IV-11 Selubung Respon Spektra pada tanah lempung lunak pada keadaan free-field maupun keadaan SSI untuk beban gempa 0.1g Gambar IV-12 Selubung Respon Spektra pada tanah lempung lunak pada keadaan free-field maupun keadaan SSI untuk beban gempa 0.2g Gambar IV-13 Selubung Respon Spektra pada tanah lempung lunak pada keadaan free-field maupun keadaan SSI untuk beban gempa 0.3g Gambar IV-14 Selubung Respon Spektra pada tanah lempung sedang pada keadaan free-field maupun keadaan SSI untuk beban gempa 0.1g Gambar IV-15 Selubung Respon Spektra pada tanah lempung sedang pada keadaan free-field maupun keadaan SSI untuk beban gempa 0.2g Gambar IV-16 Selubung Respon Spektra pada tanah lempung sedang pada keadaan free-field maupun keadaan SSI untuk beban gempa 0.3g Gambar IV-17 Selubung Respon Spektra pada tanah lempung kaku pada keadaan free-field maupun keadaan SSI untuk beban gempa 0.1g Gambar IV-18 Selubung Respon Spektra pada tanah lempung kaku pada keadaan free-field maupun keadaan SSI untuk beban gempa 0.2g iv

14 Gambar IV-19 Selubung Respon Spektra pada tanah lempung kaku pada keadaan free-field maupun keadaan SSI untuk beban gempa 0.3g Gambar IV-20 Respon Spektra Permukaan di titik A pada Tanah Lempung Sedang untuk Beban Gempa Subduksi di Batuan Dasar dengan Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basement dan Pondasi: (a) dgn sb Cartesius, (b) dg sb x dlm skala logaritma Gambar IV-21 Respon Spektra Permukaan pada Tanah Lempung Sedang untuk Beban Gempa Subduksi di Batuan Dasar dg Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen dan Pondasi di: (c) titik B, (d) titik C Gambar IV-22 Respon Spektra Permukaan di titik D pada Tanah Lempung Sedang untuk Beban Gempa Subduksi di Batuan Dasar dengan Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen dan Pondasi: (e) dg sb Cartesius, (f) dg sb x dalam skala logaritma Gambar IV-23 Respon Spektra Permukaan pada Tanah Lempung Sedang untuk Beban Gempa Kerak Dangkal di Batuan Dasar dengan Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen dan Pondasi di: (a) titik B, (b) titik C Gambar IV-24 Respon Spektra Permukaan di titik A pada Tanah Lempung Sedang untuk Beban Gempa Kerak Dangkal di Batuan Dasar dengan Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen & Pondasi, (a) dg sb Cartesius, (b) dg sb x dlm skala log Gambar IV-25 Respon Spektra Permukaan di titik D pada Tanah Lempung Sedang untuk Beban Gempa Kerak Dangkal di Batuan Dasar dengan Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen & Pondasi, (a) dg sb Cartesius, (b) dg sb x dlm skala log v

15 Gambar IV-26 Respon Spektra Permukaan di A dg Var. Tanah u Gempa Subduksi 0.1 g dg Memperhitungkan S. Atas, Basement & Pondasi, (a) Cartesius, (b) sb x dlm skala Log Gambar IV-27 Respon Spektra Permukaan dg Var. Jenis Tanah u Gempa Subduksi 0.1 g di Bat. Dasar dg Memperhitungkan S. Atas, Basement dan Pondasi di (a) titik B, (b) titik C Gambar IV-28 Respon Spektra Permukaan di titik D dengan Variasi pada Jenis Tanah untuk Beban Gempa Subduksi 0.1 g di Batuan Dasar dengan Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen dan Pondasi, (a) dalam skala Cartesius, (b) sb x dalam skala Logaritma Gambar IV-29 Respon Spektra Permukaan di Ttitk A dg Variasi pada Jenis Tanah utk Beban Gempa Kerak Dangkal 0.1 g di Bat. Dasar dg Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen & Pondasi, (a) dlm skala Cartesius, (b) sb x dlm skala Log Gambar IV-30 Respon Spektra Permukaan dengan Variasi pada Jenis Tanah untuk Beban Gempa Kerak Dangkal 0.1 g di Batuan Dasar dengan Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen dan Pondasi, (a) titik B, (b) titik C Gambar IV-31 Respon Spektra Permukaan di Ttitk D dengan Variasi pada Jenis Tanah utk Beban Gempa Kerak Dangkal 0.1 g di Bat. Dasar dg Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen & Pondasi, (a) dlm skala Cartesius, (b) sb x dlm skala Log Gambar IV-32 Respon Spektra Permukaan pada Tanah Lempung Kondisi Free Field dan Kondisi SSI dengan Beban Gempa Subduksi 0.1g di Bat. Dasar utk lempung kaku. Gbr di sebelah kanan menampilkan sb x dlm skala log Gambar IV-33 Respon Spektra Permukaan pada Tanah Lempung Kondisi Free Field dan Kondisi SSI dengan Beban Gempa Subduksi 0.1g di Batuan Dasar untuk lempung sedang. vi

16 Gambar di sebelah kanan menampilkan sb x dalam skala logaritma Gambar IV-34 Respon Spektra Permukaan pada Tanah Lempung Kondisi Free Field dan Kondisi SSI dengan Beban Gempa Subduksi 0.1g di Batuan Dasar untuk lempung lunak. Gambar di sebelah kanan menampilkan sb x dalam skala logaritma Gambar IV-35 Respon Spektra Permukaan pada Tanah Lempung Kondisi Free Field dan Kondisi SSI dengan Beban Gempa Kerak Dangkal 0.1g di Batuan Dasar untuk lempung kaku. Gambar di sebelah kanan menampilkan sb x dalam skala logaritma Gambar IV-36 Respon Spektra Permukaan pada Tanah Lempung Kondisi Free Field dan Kondisi SSI dengan Beban Gempa Kerak Dangkal 0.1g di Bat. Dasar utk lempung sedang. Gambar di sebelah kanan menampilkan sb x dalam skala logaritma Gambar IV-37 Respon Spektra Permukaan pada Tanah Lempung Kondisi Free Field dan Kondisi SSI dengan Beban Gempa Kerak Dangkal 0.1g di Batuan Dasar untuk lempung lunak. Gambar di sebelah kanan menampilkan sb x dalam skala logaritma Gambar IV-38 Respon Spektra Permukaan di Ttitk A dengan Variasi pada Kekakuan Struktur Pondasi untuk Beban Gempa Subduksi 0.2g di Batuan Dasar pada Tanah Lempung Sedang dengan Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen dan Pondasi, (a) dalam skala Cartesius, (b) sb x dalam skala Logaritma Gambar IV-39 Respon Spektra Permukaan dengan Variasi pada Kekakuan Struktur Pondasi utk Beban Gempa Subduksi 0.2g di Bat. Dasar pd Tanah Lempung Sedang dg vii

17 Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen & Pondasi, (a) di B, (b) di C Gambar IV-40 Respon Spektra Permukaan di D dgn Variasi pd Kekakuan Pondasi utk Gempa Subduksi 0.2g di Bat. Dasar pd Lempung Sedang dg Memperhitungkan Struktur Atas, Struktur Basement & Pondasi, (a) dlm skala Cartesius, (b) sb x dlm skala Log Gambar IV-41 Respon Spektra Permukaan di A dg Variasi pd Kekakuan Pondasi utk Gempa Kerak Dangkal 0.2g di Bat. Dasar pd Lempung Sedang dg Memperhitungkan Struktur Atas, Struktur Basement & Pondasi, (a) skala Cartesius, (b) sb x dlm skala Log Gambar IV-42 Respon Spektra Permukaan dengan Variasi pada Kekakuan Struktur Pondasi untuk Beban Gempa Kerak Dangkal 0.2g di Batuan Dasar pada Tanah Lempung Sedang dengan Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen dan Pondasi, (a) di titik B, (b) di titik C Gambar IV-43 Respon Spektra Permukaan di Ttitk D dengan Variasi pada Kekakuan Struktur Pondasi untuk Beban Gempa Kerak Dangkal 0.2g di Batuan Dasar pada Tanah Lempung Sedang dengan Memperhitungkan Adanya Struktur Atas, Struktur Basemen dan Pondasi, (a) dalam skala Cartesius, (b) sb x dalam skala Logaritma Gambar IV-44 Respon Spektra Permukaan pada Variasi Kondisi Struktur dengan Beban Gempa Subduksi 0.2g di Batuan Dasar pada Tanah Lempung Sedang, (a) sb Cartesius, (b) sb x adalah skala logaritma Gambar IV-45 Respon Spektra Permukaan pada Variasi Kondisi Struktur dengan Beban Gempa Kerak Dangkal 0.2g di Batuan Dasar pada Tanah Lempung Sedang, (a) sb Cartesius, (b) sb x adalah skala logaritma viii

18 DAFTAR TABEL Tabel IV-1 Stratifikasi lapisan tanah untuk kedalaman batuan dasar di 50 m untuk tanah lempung lunak, tanah lempung sedang dan tanah lempung kaku Tabel IV-2 Pondasi untuk diameter ukuran 0.8m, 1.0m dan 1.2m, panjang 20 m Tabel IV-3 Basement ukuran 40m x 40m x 10m, Tabel IV-4 Struktur atas, 5 (lima) lantai, Tabel V-1 Persentase nilai PGA free-field terhadap SSI Tabel V-2 Pengaruh Beban Gempa SSI... Error! Bookmark not defined. Tabel V-3 Pengaruh variasi dimensi diameter pondasi Tabel V-4 Pengaruh Keadaan Free-Field, Konstruksi Tertanam maupun Konstruksi Atas Tabel V-5 Pengaruh Keadaan Free-Field dan Keadaan Interaksi Tanah Struktur ix

19 x