Laporan Tugas Akhir Pemodelan Numerik Respons Benturan Tiga Struktur Akibat Gempa BAB I PENDAHULUAN

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Saat ini lahan untuk pembangunan gedung yang tersedia semakin lama semakin sedikit sejalan dengan bertambahnya waktu. Untuk itu, pembangunan gedung berlantai banyak (bertingkat) yang dibangun berdekatan dapat menjadi solusi permasalahan lahan. Tetapi pengaruh gempa bumi, terutama di Indonesia, sangat penting untuk dianalisis, karena Indonesia terletak pada kawasan yang merupakan pertemuan tiga lempeng permukaan bumi yaitu lempeng Indian-Australian, Eurasian dan Pasifik. Subduksi atau benturan antara Eurasian Plate dan Indian- Australian Plate dikenal dengan Patahan Sunda dengan aktivitas seismik yang tinggi. Sebagai contoh gempa bumi hebat yang pernah mengguncang Pulau Sumatera dan Jawa dalam tiga tahun terakhir ini adalah sebuah bukti bahwa Patahan Sunda (Sunda Trench) salah satu seksi dari Ring of Fire di belahan barat Pacific rim telah memperlihatkan aktivitas seismik paling berbahaya. Aktivitasnya bisa saja terus berlanjut karena terkait dengan pergerakan lempeng-lempeng permukaan bumi. Patahan Sunda membentang mulai dari Teluk Bengali, bersambung ke Pulau Andaman dan Nikobar, Sumatera, Jawa, Bali, Lombok, dan seterusnya, berakhir di Tanimbar. Patahan ini termasuk ke dalam tipe convergent boundary, dimana dua buah lempeng permukaan bumi Eurasian Plate dan Indian Australian Plate dalam proses bertumbukan (subduction). Deformasi tektonik sepanjang zona subduksi Patahan Sunda inilah yang menimbulkan gempa bumi di Samudera Hindia tanggal 26 Desember 2004, Nias (28 Maret 2005), Yogyakarta (27 Mei 2006), Pangandaran (17 Juli 2006) dan Padang (6 Maret 2007). Semua ini disebabkan oleh aktivitas Patahan Sunda. Aktivitas seismik Patahan Sunda adalah ancaman paling realistis dan serius Bab I Pendahuluan I-1

2 dewasa ini bagi keberlanjutan bangsa Indonesia, terutama bagi mereka yang tinggal di Pulau Sumatera dan Jawa. Berdasarkan jenis pergerakan lempengnya, pergerakan lempeng tektoniklah yang berpotensi menyebabkan kerusakan pada struktur, tebal lapisan lempeng mencapai km. Lempeng ini bergerak saling mendekat satu dengan lainnya dengan kecepatan pergerakan ± 4 cm pertahun (bahkan saat ini mencapai 8 cm pertahun), pertemuan antar lempeng inilah yang mengakibatkan terjadinya gempa bumi, pada saat lempeng bertemu (bertabrakan) dan tertekan ke atas maka terbentuklah gunung api. Pada daerah dimana terjadi pertemuan lempeng disebut subduction zone. Ada beberapa hal yang penting dan perlu menjadi perhatian pada saat terjadi tabrakan lempeng yaitu : a. Terjadi akumulasi energi potensial (disingkat E p ). b. Energi potensial lebih besar daripada kemampuan lempeng menahan energi. c. Slip antar lempeng mengakibatkan E p diubah menjadi energi kinetik (E k ). d. Energi kinetik ditransmisikan ke permukaan bumi sebagai gempa, besarnya energi kinetik diukur dengan Skala Richter (disingkat M). e. Lokasi slip pertama kali disebut pusat gempa (fokus). f. M (Magnitude atau Richter) 5.0 disebut gempa besar. Pada umumnya R<9.0, kecuali gempa yang terjadi di Banda Aceh (M = 9.3) pada 26 Desember Gambar 1.1 Peta tektonik Indonesia Bab I Pendahuluan I-2

3 Gempa bumi ini menyebabkan gedung-gedung berlantai banyak mengalami goncangan, apalagi kalau gedung bertingkat ini terletak saling berdampingan maka pengaruh goncangan dapat menyebabkan benturan antara gedung yang satu dengan yang lainnya dan menimbulkan gaya benturan yang cukup besar yang berpotensi menambah tingkat kerusakan pada struktur. Struktur dengan denah yang tidak simetris akan menimbulkan torsi yang tidak diinginkan akibat beban gempa, oleh sebab itu perlunya pemisahan (dilatasi) agar struktur tersebut berespons sendiri tanpa menambah beban bagi struktur disebelahnya. Untuk itu, perlunya perencanaan awal gedung yang memperhitungkan initial gap optimum untuk menghindari (mengurangi) terjadinya benturan akibat beban lateral yang pada akhirnya akan merusak struktur. Initial gap ini harus dapat mengakomodir simpangan maksimum yang terjadi pada bangunan, apabila tidak maka ada kemungkinan terjadi benturan antara tiga struktur yang saling berdampingan apabila terjadi gempa bumi. Analisis benturan akibat beban gempa antar gedung bertingkat dapat dilakukan dengan dua metode pendekatan yaitu dengan metode penelitian (eksperimental) di laboratorium dan metode analisis numerik. Dalam laporan ini, digunakan pendekatan numerik. Analisis numerik ini akan memperlihatkan bagaimana pengaruh gempa terhadap benturan antar gedung. Melalui analisis ini diharapkan beberapa solusi pemecahan masalah untuk mengatasi ataupun mengurangi dampak dari kerusakan gedung bertingkat akibat goncangan gempa bumi. Solusinya dapat berupa jarak (initial gap) antar gedung yang berdampingan dan frekuensi natural ω (massa perlantai dan kekakuan) dengan variasi tinggi struktur gedung yang paling baik untuk menghindari kerusakan pada struktur (safety). Saat ini, perencanaan yang memperhitungkan pengaruh benturan pada bangunan yang berdampingan masih belum populer, oleh sebab itu analisis pengaruh benturan ini sangat menarik untuk dikaji. Benturan dapat terjadi pada waktu yang sangat singkat, dengan gaya benturan yang besar. Apabila benturan jarang terjadi dan apabila sekali terjadi benturan maka akan memberikan konsekuensi pada Bab I Pendahuluan I-3

4 kerusakan struktural. Di kota-kota besar di Indonesia, khususnya saat ini kekurangan lahan sudah menjadi persoalan yang rumit, sementara kebutuhan akan pembangunan struktur baik perumahan, apartemen, mall, hotel dan sebagainya dirasa sangat penting. Dengan keadaan ini maka analisis untuk perencanaan struktur yang memperhitungkan pengaruh benturan menjadi utama. 1.2 TUJUAN PENULISAN Tujuan dari penulisan Laporan Tugas Akhir (skripsi) ini adalah : a. Melakukan pemodelan numerik untuk menentukan pengaruh pada gedung bertingkat yang saling berbenturan akibat beban gempa dengan parameterparameter dinamik seperti frekuensi natural ω (kekakuan gedung dan massa perlantai), c (redaman), T (periode struktur) serta variasi tinggi struktur. b. Mencari nilai initial gap yang optimal untuk meminimumkan dampak dari benturan antar gedung dan melihat pengaruh kerusakan bangunan apabila tinggi struktur gedung divariasikan. c. Menghitung Faktor Amplifikasi Dinamik (FAD) akibat benturan pada struktur. FAD ini menggambarkan pembesaran simpangan (displacement) pada sebuah struktur yang saling berbenturan. 1.3 METODE YANG DIGUNAKAN Untuk sistem dinamik dengan banyak derajat kebebasan yang mengalami beban sembarang seperti beban gempa, angin, gelombang laut, beban mesin atau beban dinamik sembarang lainnya, respons struktur dapat dihitung dengan banyak cara, tetapi dalam tulisan ini digunakan integrasi numerik Runga-Kutta untuk analisis dinamiknya. Integrasi numerik dengan menggunakan metode Runga-Kutta banyak digunakan karena ketepatan dan kemudahannya. Metode ini digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial tingkat satu. Untuk menyelesaikan persamaan dinamik yang merupakan persamaan diferensial tingkat dua, maka persamaan tersebut harus Bab I Pendahuluan I-4

5 dibuat dulu menjadi persamaan diferensial tingkat satu dengan metode state space. Penyelesaian integrasi numerik Runga-Kutta dikerjakan dengan software Matlab 5.3, outputnya berupa respons struktur akibat beban gempa. Ada beberapa cara yang digunakan untuk menganalisis frekuensi getaran antara lain metode langsung (determinan), Stodola, Holzer, Iterasi, dan Rayleigh-Ritz, semua metode tersebut adalah untuk menentukan harga frekuensi natural ω dan bentuk mode getar struktur φ. Metode yang digunakan untuk memecahkan masalah (problem) sistem dinamik berderajat banyak dalam tulisan ini adalah metode langsung (determinan). Untuk analisis respons dinamis dipakai metode superposisi mode dimana struktur dengan banyak derajat kebebasan (Multi Degree Of Freedom/MDOF) dapat dianalisis sebagai kumpulan struktur dengan derajat kebebasan tunggal (Single Degree Of Freedom/SDOF). Simpangan (displacement) struktur yang terjadi adalah merupakan penjumlahan dari simpangan dari masing-masing modenya. 1.4 BATASAN MASALAH Permasalahan respons benturan gedung akibat gempa sangat luas dan begitu kompleks, untuk memperkecil ruang lingkup batasan masalah maka analisis yang dilakukan dibatasi hanya untuk tiga struktur gedung yang saling berdekatan dengan 3 (tiga) konfigurasi yang dimodelkan pada program benturan. Selain itu, variasi tinggi gedung dibatasi hanya untuk 10 lantai dan 5 lantai yang akan mewakili gedung sama tinggi maupun gedung yang tinggi dan posisinya berbeda. Struktur dimodelkan sebagai sistem struktur dengan kebebasan berderajat banyak (MDOF). Data beban gempa yang dipakai adalah data time history gempa bumi El-Centro komponen N-S (arah Utara-Selatan), yang merupakan rekaman gempa terkenal pada tanggal 15 Mei 1940 di California, Amerika Serikat. Beban inilah yang merupakan gaya luar yang akan memukul tiga struktur bangunan berdampingan. Bab I Pendahuluan I-5

6 Data Time History akan dikalkulasi oleh program sehingga dapat diperoleh parameter desain (perpindahan, kecepatan dan percepatan) gempa setiap selang waktu tertentu. Dalam analisis ini digunakan interval waktu 0.01 s dari data Time History El-Centro yang telah dimodifikasi selama 10 s dengan interval waktu Integrasi 0.02 s. Bentuk struktur yang dibahas disini adalah hanya struktur dua dimensi. Struktur dua dimensi ini lebih sederhana sehingga lebih mudah dianalisis, namun dapat dianggap mewakili struktur tiga dimensi (dapat dikembangkan untuk struktur tiga dimensi). Strukturnya dianggap (diasumsikan) masih berada dalam keadaan elastik dan linear, yaitu sifat penampang tetap untuk suatu bentang. Dan struktur berespons secara elastis terhadap beban gempa. Bentuk struktur yang dibahas merupakan bangunan penahan geser (shear building), yaitu bentuk struktur dimana lantainya dianggap sangat kaku (diafragma) sehingga hanya terjadi perpindahan lateral. Rotasi dan perpindahan aksial diabaikan. Hal ini untuk memudahkan analisis, karena untuk bentuk struktur yang demikian kekakuannya dapat langsung diperoleh. Nilai awal struktur (perpindahan, kecepatan dan perpindahan) dianggap sama dengan nol. Hal ini untuk mempersingkat perhitungan, apabila nilai awal ini tidak sama dengan nol maka respons mode terhadap pembebanan harus ditambah dengan getaran bebas mode akibat nilai awal tersebut. Massa dianggap sebagai massa tergumpal (lumped mass) yaitu massa perlantai tergumpal pada satu tempat atau titik sehingga matriks massa merupakan matriks diagonal. Model lumped mass ini hanya mempunyai derajat kebebasan searah dengan gaya luar (eksitasi) yang bekerja pada sistem tersebut. Pengaruh respons benturan struktur untuk setiap selang waktu tertentu dengan beban dinamik, dan akan dilihat perpindahan, kecepatan, pecepatan gempanya pada setiap waktu untuk disimulasikan dalam model dan akan dilihat juga Bab I Pendahuluan I-6

7 pengaruh kerusakan struktur dengan mengatur initial gap antar bangunan. Analisis hanya akan dilakukan terhadap perpindahannya saja (displacement) karena simpangan inilah yang akan mengakibatkan gaya dalam momen dan akan langsung bekerja pada struktur. Kecepatan dan perpindahan tetap dipakai sebagai bagian terintegrasi dari metode Runga-Kutta yang digunakan dalam penulisan Laporan Tugas Akhir ini. Variabel yang dipakai dalam tulisan ini adalah ω (natural frequensi) dan δ (initial k gap). ω yang merupakan dimana k adalah kekakuan dan m adalah massa dari m struktur yang dimodelkan. Dalam pemodelan respons benturan, k dibedakan dan m disamakan untuk hal tertentu nilai ini diubah untuk melihat respons struktur akibat benturan yang terjadi. Bab I Pendahuluan I-7

8 1.5 METODOLOGI ANALISIS Metodologi analisis merupakan suatu tahapan proses yang dijadikan sebagai landasan berpikir sekaligus arahan praktis bagi keseluruhan alur analisis skripsi ini. Untuk memudahkan proses penulisan Laporan Tugas Akhir tersebut maka kerangka pemikiran ini akan disajikan dalam diagram alir (flow chart) berikut ini : Gambar 1.2 Flow Chart Metodologi Analisis Bab I Pendahuluan I-8

9 1.6 SISTEMATIKA PENULISAN Sistematika penulisan Laporan Tugas Akhir ini direncanakan akan dibagi menjadi lima bagian utama ditambah dengan lampiran-lampiran. Adapun deskripsi singkat dari masing-masing bab adalah sebagai berikut : a. Bab I Pendahuluan Dalam bab ini, akan dijelaskan mengenai latar belakang, tujuan penulisan laporan, metode yang digunakan, batasan permasalahan, metodologi analisis dan sistematika penulisan laporan. b. Bab II Respon Struktur terhadap Pembebanan Dinamik Dalam bab ini, akan diuraikan mengenai pendahuluan, sifat goncangan tanah, respons struktur dengan SDOF, dua dan banyak derajat kebebasan, gaya tumbukan, dan integrasi numerik Runga-Kutta. c. Bab III Pemodelan Respons Benturan Dalam bagian ini, akan dianalisis mengenai parameter dinamik, kinerja struktur gedung, persamaan gerak dinamik dengan benturan, model rheologi zona kontak yang dipakai untuk memodelkan kekakuan benturannya. d. Bab IV Analisis dan Pembahasan Bab ini berisi analisis mengenai pemilihan konfigurasi, penjelasan program dan program untuk model dan konfigurasi yang dipakai. e. Bab V Kesimpulan dan Rekomendasi Pada bagian ini, akan dijelaskan mengenai kesimpulan yang diperoleh dari penulisan Laporan Tugas Akhir ini dan akan diberikan juga rekomendasi untuk perencanaan yang diharapkan dapat berguna dimasa mendatang guna memberikan sumbangsih bagi kemajuan pengetahuan ilmu Teknik Sipil di Indonesia. Bab I Pendahuluan I-9