ANALISIS PUSHOVER TERHADAP RESPON STRUKTUR DENGAN MENGGUNAKAN BASE ISOLATOR

Transkripsi

1 Jurnal Arsip Rekayasa Sipil dan Perencanaan (JARSP) Journal of Archive in Civil Engineering and Planning E-ISSN: Journal homepage: ANALISIS PUSHOVER TERHADAP RESPON STRUKTUR DENGAN MENGGUNAKAN BASE ISOLATOR Fitry Hasdanita a,*, Mochammad Afifuddin b, Muttaqin Muttaqin c a Magister Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Syiah kuala, Banda Aceh b,c Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh *Corresponding author, address: fitryhasdanita@gmail.com A R T I C L E I N F O A B S T R A C T Article History: Recieved 7 December 017 Recieved in revised from 01 March 018 Accepted 07 March 018 Keywords: Pushover Analysis, Base Isolator, Lead Rubber Bearing, Fixed Base, Base Isolated, Performance point The earthquake-resistant building is a concept in construction technology that is in line with technology evolution. The idea of this earthquake-resistant concept is to reduce the seismic force that might work to the building structure instead of strengthening the structure itself. The structural component for reducing the earthquake force is called as a base isolator or seismic isolation. During seismic loading, this component is expected to accept and minimize the earthquake forces at a certain level without any significant damage to structure. This research is conducted to evaluate the response of the structure with base isolator. Then, the influence of base isolator on building structure is justified. Two () different types of structures, fixed base and baseisolated structure with a variety of post-yield stiffness (K ), were developed. The used type of base isolator is Lead Rubber Bearing (LRB). The analysis is conducted in accordance with pushover analysis method using SAP000 v.19 program. The result suggested that the building structure with base isolator extends the natural period of the structure up to 1,380 times. The interstory drift of the base-isolated structure is smaller than the fixed base structure. The use of base isolator reduces the top displacement to an average of 1.93% for x- and % for y-direction. The overall structure performance evaluation of fixed base and base-isolated structures is at Damage Control level. 018 Magister Teknik Sipil Unsyiah.All rights reserved 1. PENDAHULUAN Seiring dengan perkembangan teknologi khususnya teknologi konstruksi, muncul konsep baru mengenai bangunan tahan gempa. Gagasan dari konsep ini ialah bangunan tahan gempa tidak didesain dengan memperkuat tahanan strukturnya terhadap gaya gempa, melainkan bagaimana cara mereduksi gaya gempa yang bekerja pada bangunan tersebut atau menambah suatu sistem struktur yang dikhususkan untuk menyerap sebagian energi gempa yang masuk kebangunan dan hanya sebagian kecil (sisanya) dipikul oleh komponen struktur bangunan tersebut. Sistem struktur yang mampu mereduksi gaya gempa ini dikenal dengan nama base isolator atau isolasi seismic (Erista D, 011). Tujuan dari penelitian ini mengevaluasi respon struktur akibat pengaruh penggunaan base isolator pada struktur gedung sebagai alternatif pereduksi beban gempa. Hasil penelitian ini dibandingkan dengan respon struktur fixed base. 169

2 . KAJIAN PUSTAKA.1 Perencanaan Berbasis Kenerja (Performance Based Design) Menurut dewobroto (005), bangunan pada daerah rawan gempa harus direncanakan mampu bertahan terhadap gempa. Trend perencanaan yang terkini adalah performance based seismic design, yang memanfaatkan teknik analisis nonlinear berbasis komputer untuk menganalisis perilaku inelastis struktur dari berbagai macam intensitas gerakan tanah (gempa). Sehingga dapat diketahui kinerja pada kondisi kritis. Selanjutnya dapat dilakukan tindakan bilamana tidak memenuhi persyaratan yang diperlukan. Mengacu pada FEMA (Federal Emergency Management Agency) 73 (1997) yang menjadi acuan klasik bagi perencanaan berbasis kinerja maka kategori level kinerja struktur, adalah IO (Immediate Occupancy), LS (Life-Safety), CP (Collapse Prevention). Tingkat kinerja struktur yang diatur dalam ATC 40 (Aplplied Technology Council-40) adalah seperti pada Tabel 1. Tabel 1 Tingkat Kinerja Struktur Menurut ATC 40 Immediate Interstory drift limit Occupancy Damage Control Life safety Structural Stability Maximum Total Drift V i /P i Maximum Inelastis Drift No Limit No Limit Sumber : ATC 40 Menurut Wisnumurti et al (008), analisis statik nonlinear pushover merupakan komponen performance based design yang menjadi sarana dalam mencari kapasitas dari suatu struktur. Dasar analisis dilakukan dengan peningkatan beban statik tertentu dalam arah lateral yang nilainya ditingkatkan berangsur-angsur (incremental) secara proporsional pada struktur hingga mencapai target displacement atau mencapai mekanisme diambang keruntuhan. Prosedur analisisnya akan menjelaskan bagaimana mengidentifikasikan bagian-bagian dari bangunan yang akan mengalami kegagalan terlebih dahulu. Performance point adalah titik dimana capacity sama dengan demand. Hasil dari analisis pushover adalah kurva kapsitas (capacity curve). Agar kurva kapasitas dan kurva kebutuhan ini dapat dibandingkan secara langsung, maka kurva kapasitas struktur harus digambarkan menjadi satu dengan kurva kebutuhan dengan format Acceleration (Sa) dan Displacement (Sd), dan Response Spectrum (ADRS). Setelah performance point diperoleh, dapat diketahui nilai simpangan antar tingkat dan sendi plastis untuk berbagai periode ulang gempa. Selain itu, dapat ditentukan tingkat kinerja struktur dari simpangan antar tingkat untuk berbagai periode ulang gempa. Proses pembentukan performance point dapat dilihat pada Gambar 1.. Base Isolation System Menurut Samsuryana (011), base isolation sistem adalah desain alternatif untuk mengurangi resiko kerusakan bangunan akibat gempa dengan cara mereduksi beban gempa yang bekerja pada bangunan. Base isolator mempunyai kekakuan geser yang relatif kecil akan meningkatkan daya tahan bangunan terhadap gempa. Bangunan memiliki waktu getar alami yang lebih panjang, sehingga percepatan gempa yang bekerja pada bangunan tersebut menjadi lebih kecil. Dengan demikian gaya gempa yang bekerja pada struktur atau bangunan tersebut menjadi berkurang atau tereduksi (Marsico, M.R, 008). Disamping itu, base isolator juga mempunyai kemampuan untuk kembali ke posisi semula saat terjadi gerakan seismik. Contoh struktur bangunan base isolator seperti pada Gambar

3 Gambar 1. Struktur dengan Base Isolator (Sumber: Akhare dan Wankhade, 014) Menurut Naeim, F dan Kelly, J.M (1999), LRB adalah salah satu jenis base isolator yang telah dikembangkan untuk memproteksi struktur dari bahaya gempa. LRB merupakan base isolator jenis elastomeris rubber bearing yang terdiri dari beberapa lapisan karet alam atau sintetik yang mempunyai nisbah redaman kritikal antara % 5%. Dalam analisis struktur, LRB dapat dimodelkan sebagai model bilinier dengan tiga (3) parameter yang menentukan karakteristik mekanisme dari LRB, yaitu: kekakuan awal (K 1 ), kekakuan pasca leleh (K ), dan kekakuan leleh dari inti timah (Q) seperti pada Gambar. K 1 memiliki nilai kekakuan yang cukup besar dan direncanakan untuk beban angin dan gempa kecil. Nilai K 1 sulit diukur dan biasanya diambil secara empiris dari kelipatan K. Pada umumnya nilai K 1 mencapai 6 s/d 10 kali kekakuan K. Nilai K dapat diperkirakan secara akurat dari modulus geser karet dan desain bearing. Gambar. Kurva bilinier hysteresis loop, parameter dasar yang menentukan mekanisme LBR (Sumber: Naeim, F dan Kelly, J.M, 1999) Rasio antara K dengan K 1 disebut post yield stiffness ratio ( ) ditulis dengan Persamaan berikut: α = K K 1 (1) Dimana: : K : K 1 : post yield stiffness ratio kekakuan pasca leleh kekakuan awal base isolator Variasi nilai post yield stiffness rasio mempengaruhi K 1, K, dan kekauan efektif (K eff ), sehingga respon struktur yang dihasilkan akan bervarisi tergantung dari nilai post yield stiffness ratio yang digunakan. 171

4 K eff dihitung dengan Persamaan: K eff = K + Q D () Dimana: K eff : kekakuan efektif Q : kekuatan karakteristik D : perpindahan maksimum yang terjadi pada slider isolator.3 Waktu Getar Alami Struktur Menurut Budiono (011), semakin besar periode struktur maka nilai kekakuan struktur semakin kecil, begitu juga sebaliknya. Berdasarkan SNI ,terdapat dua nilai batas untuk periode bangunan, yaitu nilai minimum periode bangunan (T a minumum ) dan nilai maksimum periode bangunan (T a maksimum). Menurut Anonim (01), penentuan simpangan antar lantai tingkat desain ( ) harus dihitung sebagai perbedaan defleksi pada pusat massa tingkat teratas dan terbawah yang ditinjau seperti pada Gambar 3. Apabila tidak terletak segaris dalam arah vertikal, diizinkan untuk menghitung defleksi di tingkat dasar berdasarkan proyeksi vertikal dari pusat massa tingkat diatasnya. Gambar 3. Penentuan Simpangan Antar Lantai Berdasarkan SNI (Sumber: SNI , 01) 3. METODE PENELITIAN 3.1 Geometri Model Gedung yang dianalisis merupakan bangunan gedung beton bertulang SRPMK 10 lantai dengan tinggi setiap lantai 4 m. Pemodelan struktur dilakukan terhadap kondisi yaitu, struktur gedung fixed base dan base isolated. Fungsi gedung adalah untuk perkantoran dengan berjarak 5 km dari pantai, diasumsikan terletak di Kota Banda Aceh dan bangunan terletak di kelas situs SD (tanah sedang). Gambar geometri denah gedung ditunjukkan pada Gambar 4. Pemodelan struktur bangunan gedung dilakukan dengan program SAP000 v.19. Pada struktur base isolated terdiri dari 4 model dengan variasi nilai kekakuan pasca leleh (K ) seperti diuraikan pada Tabel. 17

5 Tabel Simulasi Pemodelan Struktur Gambar 4. Denah Pemodelan Struktur No. Model Struktur K 1 Fixed base GTB GBI GBI Base Isolated 4 GBI GBI Keterangan: GTB : Struktur fixed base GBI 1 : Struktur dengan base isolator tipe 1 GBI : Struktur dengan base isolator tipe GBI 3 : Struktur dengan base isolator tipe 3 GBI 4 : Strukturdengan base isolator tipe 4 3. Pemodelan Base isolator langkah-langkah yang dijadikan dasar dalam memilih jenis LRB yang digunakan yaitu: a. Menentukan gaya aksial maksimum bangunan dari struktur dari masing-masing kolom berdasarkan beban-beban yang telah direncanakan sebelumnya; b. Menentukan dimensi LRB yang digunakan berdasarkan gaya aksial maksimum kolom; c. Menghitung redaman, tekuk dan stabilitas LRB Penambahan parameter pada LRB dilakukan dengan kekakuan pasca leleh (K ) berdasarkan data LRB yang digunakan. variasi nilai K yang digunakan adalah 0,7; 1,00; 1,0; dan 1,0 denagan adalah 0,. Simulasi pemodelan parameter LRB adalah seperti pada Tabel. 3.3 Analisis Pushover Tahapan analisis pushover pada struktur fixed base dan base isolated adalah sebagai berikut: a. Setelah struktur aman maka dilanjutkan dengan define properties sendi plastis pada elemen balok dan kolom. b. Menjalankan analisis pushover dangan SAP000 v.19 secara otomatis; c. Melakukan plot kurva pushover, performance point, d. Mengevaluasi level kinerja struktur ketika titik kontrol tepat berada pada target perpindahan merupakan hal utama dari perencanaan berbasis kinerja. 173

6 Lantai Lantai Perioda (s) Jurnal Arsip Rekayasa Sipil dan Perencanaan 1(1): (018) 4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Hasil analisis menunjukkan waktu getar alami struktur base isolated lebih besar dibandingkan dengan struktur fixed based. Waktu getar alami struktur terjadi penurunan seiring dengan pertambahan kekakuan awal pada base isolator. Grafik perbandingan waktu getar alami struktur fixed base dan base isolated dapat lihat pada Gambar 5 berikut: 3,000,500,000 1,500 1,000 0,500 0,000 GBI 1 GBI GBI 3 GBI 4 GTB,63,533,490,41 1,798-0,500 1,000 1,500 Kekakuan Pasca Leleh, K (kn/mm) Fixed base Base isolator Gambar 5. Grafik periode struktur fixed base dan base isolated dengan variasi nilai k Gambar 6 dan 7 menampilkan grafik perbandingan displacement struktur fixed base dan base isolated. Displacement pada lantai dasar sruktur base isolated memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan srtuktur bangunan fixed base. Pada struktur fixed base dasar bangunan tidak terjadi perpindahan karena ditahan oleh pondasi. Displacement terbesar pada GTB yaitu sebesar m dalam arah y, sedangkan pada struktur base isolated pada GB I yaitu m dalam arah x ,0000 0,1000 0,000 0,3000 0,4000 Displacement (m) Gambar 6. Displacement Arah x ' = 0.0 GTB GBI 1 (K = 0.70) GBI (K = 0.10) GBI 3 (K = 1.0) GBI 4 (K = 1.40) ,000 0,100 0,00 0,300 0,400 0,500 Displacement (m) Gambar 7. Displacement Arah y ' = 0.0 GTB GBI 1 (K = 0.70) GBI (K = 0.10) GBI 3 (K = 1.0) GBI 4 (K = 1.40) 174

7 Lantai Lantai Jurnal Arsip Rekayasa Sipil dan Perencanaan 1(1): (018) Interstory drift dianalisis berdasarkan nilai target perpindahan yang telah diperoleh kemudian dievaluasi berdasarkan persyaratan SNI Perbandingan interstory drift arah x dan y struktur fixed base dan base isolated dapat dilihat pada Gambar 8 dan 9. Interstory drift lantai 1 dan struktur base isolated variasi nilai K lebih besar dari struktur fixed base. Pada lantai 3 sampai 10 interstory drift struktur base isolated lebih kecil daripada struktur fixed base. Hal ini dipengaruhi oleh adanya perpindahan dasar pada struktur akibat penggunaan base isolator. Bangunan yang menggunakan base isolator memiliki nilai interstory drift lebih mendekati nol dari pada struktur fixed based. Interstory drift maksimum struktur fixed base terjadi pada lantai 4 dan struktur base isolated terjadi pada lantai 1. Dari hasil perhitungan interstory drift untuk struktur fixed base dan base isalated untuk masing-masing model memenuhi persyaratan yang diizinkan SNI ' = GTB 5 GBI 1 (K = 0.70) 4 GBI (K = 1.00) 3 GBI 3 (K3 = 1.0) GBI 4 (K = 1.40) 1 SNI ,0000 0,000 0,0400 0,0600 0,0800 0,1000 Interstory Drift (m) Gambar 8. Interstory Drift Arah x ' = GTB 4 GBI 1 (K = 0.70) 3 GBI (K = 1.00) GBI 3 (K = 1.0) 1 GBI 4 (K = 1.40) 0 SNI ,0000 0,000 0,0400 0,0600 0,0800 0,1000 Interstory Drift (m) Gambar 9. Interstory Drift Arah y Eveluasi kinerja menurut ATC 40 berdasarkan nilai maksimum interstory drift seperti pada Tabel 1. Interstory drift masksimum arah x dan y pada struktur fixed base dan base isolated dapat dilihat pada Tabel 3. Mengacu pada ATC 40 nilai interstory drift maksimum pada struktur fixed base dan base isolated untuk arah x da y berada pada nilai 0.01 m 0.0 sehingga kinerja struktur berada pada level Damage Control. 175

8 Tabel 3 Tingkat Kinerja Struktur Fixed Base dan Base Isolator Berdasarkan ATC 40 ATC 40 Model Struktur K Maksimum interstory Drift (m) Arah x Arah y Fixed base GTB GBI Base isolated GBI GBI GBI Kriteria Kinerja Struktur Damage Control 4. Pembahasan Berdasarkan hasil penelitian yang diperoleh seperti pada Gambar 7 menunjukkan penggunaan base isolator dapat memperpanjang periode struktur bangunan. Peride struktur fixed base adalah s sedangkan pada strukur gedung base isolated (GBI 1; GBI ; GBI 3; GBI 4) mengalami penurunan seiring dengan peningkatan nilai K. Penurunan nilai periode seiring dengan meningkatnya K menunjukkan semakin kaku suatu struktur maka periode semakin kecil. Peningkatan periode struktur menyebabkan interstory drift dan gaya gempa yang bekerja pada bangunan menjadi lebih kecil. Tabel 4 Peningkatan Periode Struktur Bangunan No. Model Struktur K Perioda Peningkatan perioda kn/mm (s) kali 1 Fixed base GTB GBI GBI Base isolated 4 GBI GBI Pada lantai dasar bangunan base isolated memiliki displacement yang lebih besar daripada bangunan fixed base. Pada bangunan fixed base tidak terjadi perpindahan karena dasar bangunan ditahan oleh pondasi. Perpindahan dasar pada bangunan dengan base isolator terjadi karena LRB yang terletak didasar bangunan base isolator memiliki kekakuan yang lebih kecil dan sangat fleksibel dalam arah horizontal. Displacement yang terjadi dalam arah x dan y ditinjau pada lantai 3 dan 6. Pada lantai 3 displacement bangunan masih besar akibat perpindahan dasar bangunan oleh base isolator dibandingkan dengan bangunan fixed base. Pada ke-6 nilai perpindahan pada tiap lantai bangunan base isolator tidak besar, menandakan bentuk displacement tidak lagi mengikuti efek gempa. Pemakaian base isolator pada bangunan akan memperbesar deformasi pada lantai dasar namun memperkecil perbedaan simpangan tiap lantai, sehingga membuat bangunan bergerak sebagai satu kesatuan struktur yang kaku ketika terjadi gempa. Hasil analisis top displacement diperoleh bahwa bangunan base isolator dibandingkan dengan bangunan fixed base maka nilai displacement dapat direduksi rata-rata mencapai 1.93% untuk arah x dan % pada arah y, Berdasarkan Gambar Gambar 8 dan 9 interstory drift terbesar terjadi pada bangunan fixed base kemudian diikuti bangunan dengan base isolator Interstory drift bangunan yang menggunakan base isolator lebih kecil daripada bangunan fixed base untuk arah x dan y. Bangunan dengan base isolator memiliki nilai simpangan antar lantai mendekati nol. Kerusakan bangunan dapat direduksi serta 176

9 membutuhkan waktu yang lebih singkat untuk mencapai partisipadi modal yang diinginkan. Bangunan dengan sistem base isolator lebih baik digunakan daripada bangunan fixed base, terlebih pada daerah rawan gempa yang memiliki skala besar. Kinerja struktur dievaluasi berdasarkan nilai maksimum drift struktur ketika mencapai performance point. Perbanding performance point untuk masing-masing model struktur dapat dilihat pada Tabel 5. Tabel 5 Perbandingan Performance Point Model Struktur Pecepatan Spektra, g Performance Point Perpindahan Spektra, m Sumbu x Sumbu y Sumbu x Sumbu y GTB GBI GBI GBI GBI Mengacu pada ATC 40 nilai interstory drift maksimum pada struktur fixed base dan base isolated untuk arah x da y berada pada nilai 0,01 0,0 m sehingga kinerja struktur pada GTB; GBI ; GBI 3; dan GBI 4 berada pada level Damage Control. 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Penggunaan base isolator dengan pada struktur gedung dapat memperbesar periode alami struktur. Peningkatan periode alami struktur dengan base isolator dibandingkan dengan struktur fixed base ratarata mencapai dan kali;. Simpangan antar lantai (interstory drift) pada struktur dengan base isolator lebih kecil dibandingkan dengan struktur fixed base baik dalam arah x maupun y. Hal ini menyebabkan gaya gempa yang bekerja pada struktur menjadi lebih kecil. 3. Pemakaian isolator pada bangunan memperbesar perpindahan lateral (displacement) pada lantai dasar namun memperkecil interstory drift, sehingga membuat bangunan bergerak sebagai satu kesatuan struktur yang kaku ketika terjadi gempa. 4. Pemakaian isolator dapat mereduksi top displament rata-rata mencapai 1.93% untuk arah x dan % pada arah y, 5. Hasil eveluasi berdasarkan interstory drift maksimum. Interstory drift maksimum pada struktur fixed base dan base isolated untuk arah x da y berada pada nilai 0.01 m 0.0 sehingga kinerja struktur berada pada level Damage Control. 5. Saran Berdasarkan hasil penelitian diberikan beberapa saran berikut: 1. Melakukan analisis pada struktur gedung tidak beraturan dengan menggunakan base isolator tipe lain seperti Elactomeric Rubber Bearing (ERB), Friction Pendulum System (FPS), High Dumping Rubber Bearing (HDRB); 177

10 . Penggunaan base isolator pada struktur dengan sistem penahan gaya seismik lainnya, seperti Rangka Baja Pemikul Momen Khusus DAFTAR PUSTAKA Anonim, 01, Tata Cara Perencanaan Ketahanan gempa untuk Struktur Banguna gedung dan Non Gedung, SNI , Bandung. Anonim, 000, Prestandart and Commentary for The Seismic Rehabilitation of Building, FEMA-356, Washington, D.C. Anonim,1996, Seismic Evaliation and Retrofit of Concrete, Vol. 1, ACT-40, California. Bisch, P., Carvalho, E., dan Degee, H., 011, Seismic Design of Building Worked Examples, (EC 8), Luxembourg, European Union. Budiono, B dan Lucky.S, 011, Studi Komparasi Desain Bangunan Tahan Gempa Dengan Menggunakan SNI dan RSNI x, Penerbit ITB, Bandung. Dewobroto, W., 005, Evaluasi Kinerja Portal Baja Tahan Gempa Dengan SAP000, http: wira@uph.edu. Erista, D., 011, Kajian Parameter Base Isolator Terhadap Respon Bangunan Akibat Gaya Gempa dengan Menggunakan Analisis Riwayat Waktu, Tugas Akhir, Universitas Sumatera Utara, Medan. Marsico, M.R., Seismic Isolation and Energy Dissipation: Theorical Basis and Applications, Thesis, Universitas Degli Studi di Napoli Federico II. Naeim, F., and Kelly, J.M., 1999,Design of Seismic Isolated Structures: From Theory to Practice., Jhon Wiley & Sons, Inc, New York. Teruna, D.R, 005, Analisis Respon Bangunan dengan Base Isolator Akibat Gaya Gempa, Jurnal Sistem Teknik Industri Volume 6, No. 4 Oktober 005 Hal. 58 s/d 63, Oktober 005. Yang, B.Y., Chang, C.K., dan Yau, D.J. (003), Earthquake Engineering Handbook Chapter 17 Base Isolation, National Taiwan University, Taipe. 178