Bab I PENDAHULUAN A. Latar Belakang A.1. Umum Statistik bangunan-bangunan yang mengalami kerusakan dan yang tidak mengalami kerusakan dibawah pengaruh beban gempa merupakan masukan penting untuk penilaian dan pengembangan prosedur desain tahan gempa (seismic/earthquake resistant design). Fokus pemikirannya terletak pada jawaban terhadap pertanyaan ini: Apakah standar peraturan bangunan yang diterapkan (di banyak negara) dapat mengakomodasi kebutuhan mitigasi bencana gempa?. Beberapa pemeriksaan (reconnaisance report) akan diberikan disini. Berdasar observasi yang termuat dalam jurnal elektronik JSCE (Japan Society for Civil Engineers), jurnal EERI (Earthquake Engineering Research Institute), dan beberapa laporan (36, 19, 13, 22) : 1. Gempa Northridge, California, 17 Januari 1994 (Jangkauan PGA (30) : 0.34g 1.78g). Struktur beton bertulang yang didirikan setelah 1976, yang didesain menggunakan metoda analisis gaya (Force-Based Design) mampu mencegah terjadinya kerusakan berat (heavy damage) dan keruntuhan (collapse), akan tetapi tidak adekuat dalam pencegahan lateral. bahaya kerusakan potensial akibat deformasi 2. Gempa Kobe, 17 Januari 1995 (Jangkauan PGA (30) : 0.63g 1.09g). Struktur Jembatan, struktur bawah tanah, pier dan konstruksi beton bertulang yang didirikan setelah pemberlakuan standar 1980-an dengan konsep kekuatan (Ultimate Strength-Based Design) mengalami tingkat kerusakan yang kurang parah dibanding struktur-struktur yang dibangun pada era sebelumnya. Observasi yang memeriksa sampel 3900 (bangunan) tersebut menemukan bahwa sementara kerusakan struktur atas bangunan (above/upper-structures) didominasi oleh efek akselerasi gempa bumi atau gaya inersia, kerusakan struktur bawah tanah (below/under-ground structures) benar-benar merupakan akibat langsung pergeseran tanah (ground-displacement). Konsep yang kelihatannya terpisah ini 1
memiliki satu persamaan yaitu hakekat kerusakan struktural yang terjadi disebabkan deformasi. Dan, dalam hal suatu struktur bangunan bawah tanah berdiri di atas fondasi dangkal (shallow underground structures), perilaku struktural bangunan mungkin merespons secara berbeda dari lingkungannya dan menyerupai struktur di atas permukaan. Laporan-laporan observasi pasca gempa menegaskan kekurangmampuan metodametoda tradisional, yaitu metoda gaya-kekuatan (Force/Strength-Based Design) dalam efektivitas struktur tahan gempa, khususnya pada wilayah dengan percepatan maksimum tanah dasar yang tinggi (PGA > 0.30g). Bercermin pada statistik dampak gempa-gempa besar yang terkenal (Tabel 1.1.) untuk membuktikan kebenaran pernyataan diatas. Tabel 1.1. Korban jiwa dan statistik kerusakan struktur (moderate-severe-collapse) akibat gempa Loma Prieta, Northridge dan Kobe [DIS. Earthquake Facts and Statistics] E v e n G e m p a Korban JIwa Struktur Bangunan Gedung/ Kantor/ RS/Pusat Bisnis Bangunan rumah tinggal biasa (ord. people buildings) Loma Prieta, 17-10-89 62 100 518 Northridge,17-1-94 58 18 29000 Kobe, 17-1-95 5502 3700 167833 Infrastruktur Transportasi (Jalan/Jembatan/ Pelabuhan) 3 jembatan, 2 ruas jalan 9 jembatan, 11 ruas jalan 2 pelabuhan, jembatan Est. Biaya Kerusakan Langsung (Direct Damage Cost) 8.3 milyar US$ 44 milyar US$ 200 milyar US$ Fakta-fakta yang telah dikemukakan diatas mendasari suatu arah baru dalam penelitian teoretik dan eksperimental rekayasa struktur tahan gempa. Sehingga, dalam dekade terakhir konsep desain tahan gempa telah bergeser dari konsep desain berdasarkan kekuatan struktural (force-strength-based design) menjadi konsep desain yang ditentukan berdasarkan keadaan batas (limit states design), yang disebut Performance- Based Engineering (PBE). Perubahan filosofi desain dalam standar/kode bangunan ini pertama kali dimuat dalam tinjauan Structural Engineering Association of California (SEAOC Bluebook) dan Applied Technology Council (ATC-40) 1996. Kemudian konsep baru tersebut didokumentasikan dalam NEHRP 1997, FEMA 302 dan UBC 1997. Dan, yang terakhir dimuat dalam SEAOC Vision 2000. 2
Desain berdasarkan kinerja (Performance-Based Design, atau DBK=Desain Berdasarkan Kinerja) didefinisikan sebagai (1,31) proses desain struktur/jaringan infrastruktur untuk menjamin terpenuhinya kriteria perilaku tertentu dari komponenkomponen struktural/non-struktural dibawah skenario pembebanan simultan dengan probabilitas yang berbeda-beda. Dalam Vision 2000 [Vision 2000 Report, SEAOC], telah didiskusikan sejumlah 6 pendekatan untuk pengembangan desain berdasarkan kinerja, namun demikian hanya 3 pendekatan yang dianggap telah mencapai tahapan yang matang untuk implementasi PBD (31), yaitu: (1) metoda spektra kapasitas (capacity spectrum method, CSM), (2) metoda N2, dan, (3) metoda deformasi langsung (directdisplacement-based method, DDBD). Semua teknik yang disebutkan ini mengandung satu hal mendasar yang sama, yaitu menggunakan perpindahan (displacement) maksimum sebagai parameter kunci, dan oleh sebab itu kesemuanya digolongkan sebagai Metoda Perpindahan (Displacement-Based Design Method). Dengan demikian, displacement-based design, didefinisikan sebagai prosedur desain yang menggunakan (estimasi) displasemen lateral struktur tertentu sebagai parameter kunci respons struktur sehubungan terjadinya gempa bumi atau getaran tanah dasar. A.2. Spesifik Dampak kegagalan desain dalam peristiwa gempa Northridge dan Kobe segera menarik minat banyak peneliti untuk mengembangkan prosedur baru analisis dan desain tahan gempa. Sedikitnya ada 8 prosedur/metoda yang sudah diusulkan oleh beberapa peneliti dalam beberapa tahun belakangan ini (Timothy Sullivan, The Current Limitations of Displacement Based Design, 2003). Implementasi metoda-metoda perpindahan yang berbeda pada suatu kasus tertentu segera menggambarkan bahwa metoda ini dikembangkan secara terpisah oleh para peneliti, dan karena itu menghasilkan perbedaan yang signifikan dalam hasil-hasil desain. Pada (Gambar 1.1) diberikan model suatu portal simetrik beton bertulang bertingkat tujuh (7 storeys) yang hasil desainnya diberikan dalam (Tabel 1.2). Adalah suatu hal yang menarik untuk mengetahui mengapa metoda-metoda itu memberikan hasil-hasil yang berbeda cukup signifikan. 3
6 lantai @ 3.66 m Gambar 1.1. Struktur portal simetrik beton bertulang 7 lantai Lantai dasar 4.27 m Tabel 1.2. Gaya geser dasar total bangunan untuk 8 prosedur Metoda Perpindahan (34) Metoda Gaya Geser Dasar Deviasi* Total (kn) (%) Panagiotakos 13406 273 Ascheim 3732 4 Chopra 3077-14 Freeman 4499 25 SEAOC 3596 0 Priestly 6136 71 Kappos 9627 168 Browning 13369 272 * Ditentukan terhadap metoda SEAOC 1997. B. Rumusan Masalah Metoda displasemen didefinisikan sebagai suatu prosedur analisis yang didasarkan atas parameter deformasi elastik dan inelastik yang tertentu ( y, y, maks, maks ) ataupun spektra perpindahan (S D ) sebagai dasar analisis. Pendekatan sedemikian ini bertitik tolak dari fakta yang diobservasi bahwa kerusakan-kerusakan (baik struktural maupun non-struktural) selama terjadinya gempa bumi terutama berhubungan dengan terlampauinya limit operasional deformasi lateral. 4
Dalam implementasi analisis dan desain struktur yang menggunakan metoda-metoda berbasis perpindahan, batas-batas displasemen lateral maksimum diberikan pada Tabel (1.3) dan (1.4). Tabel 1.3. Limit Deformasi yang Direkomendasikan dalam SEAOC Bluebook 1999 Struktur Beton Bertulang Simpangan sistem struktur sehubungan Intensitas Gempa EQ-I (PGA=0.16g) EQ-II (PGA=0.33g) EQ-III (PGA=0.40g) EQ-IV (PGA=0.66g) Dinding geser H/L=1 0.003 0.0055 0.008 0.010 Dinding geser H/L=2 0.004 0.008 0.012 0.015 Dinding geser H/L=3 0.010 0.019 0.028 0.035 Dinding geser kopel 0.005 0.015 0.030 0.040 Portal tahan momen 0.005 0.015 0.030 0.040 Tabel 1.4. Limit Deformasi untuk Evaluasi Tahan Gempa dan Perkuatan Struktur Beton Bertulang (ATC-40, 1996) Tingkat Kinerja Struktural Simpangan antar Immediate Damage Structural Life Safety lantai Occupancy Control Stability Simpangan total maksimum 0.01 0.01 0.02 0.02 0.33Vi/Pi Simpangan inelastik maksimum 0.005 0.005 0.015 No limit No limit Karakteristik lainnya yang penting dari metoda berbasis displasemen (dan yang membedakannya dengan metoda berbasis gaya) adalah penggunaan sifat-sifat inelastik respons struktur (kekakuan dan redaman) di bawah pembebanan gempa, terutama yang dinyatakan secara eksplisit dalam prosedur DDBD (MJN Priestley). Digunakannya parameter deformasi maksimum (secara realistik dan aktual) sebagai landasan untuk kelompok metoda-metoda berbasis perpindahan (Displacement-Based Design) dipandang sebagai sesuatu yang lebih rasional, relevan dan mengandung level akurasi yang lebih baik dalam pendesainan struktur tahan gempa dibanding metoda tradisional desain berdasarkan kekuatan (strength-based design method). Akan tetapi, meskipun semua prosedur menggunakan konsep paramater desain yang sama terdapat variasi signifikan dalam hasil desain diantara prosedur/metoda yang dikembangkan para peneliti (lihat Tabel 1.2). Karena itu akan dikaji perbedaan fundamental apa atau perbedaan konseptual apa yang menyebabkannya. 5
C. Tujuan Penelitian Dalam studi literatur ini, penulis ingin merealisasikan tiga tujuan penelitian, sbb: 1. Memahami parameter-parameter dasar yang digunakan para peneliti dalam penyusunan metodanya (etiologi). 2. Memverifikasi metoda desain gempa mana yang tepat (dan mana yang tidak tepat) untuk suatu kasus tertentu. 3. Menemukan bilamana terdapat kontradiksi yang fundamental, konseptual, atau empirikal diantara berbagai prosedur/metoda. D. Manfaat Kajian Kehandalan suatu teknik (baru) dalam rekayasa sipil memerlukan bukti terapan atau uji laboratorium. Beberapa model percobaan (simulasi dan tes) yang canggih telah dibuat di New Zealand dan USA, sehingga meyakinkan penulis bahwa secara fundamental pendekatan metoda perpindahan adalah tepat (correct). Maka, apabila problem yang diturunkan disini telah dipecahkan dan hasil-hasil pengkajian literatur ini memiliki validitas ilmiah, tulisan ini akan bisa dimanfaatkan untuk hal-hal sbb: 1. Memilih teknik-teknik atau pendekatan-pendekatan mana yang relevan (atau mana yang tidak relevan) dalam analisis kasus tertentu. 2. Penyusunan konsep peraturan gempa baru, dengan kata lain memutakhirkan teknik analisis dan desain struktur tahan gempa. 3. Perluasan literatur rekayasa gempa. E. Batasan Masalah dan Istilah Penggunaan kata parameter dalam tulisan ini (judul thesis: Kajian Parameter dalam Beberapa Prosedur Desain Metoda Perpindahan ), menerangkan bahwa fokus pengkajian thesis adalah problem tentang parameter-parameter. Kata itu sendiri berarti konstanta yang melukiskan sifat sistem. Dalam peninjauan (review) terhadap garis besar metoda-metoda perpindahan, paling tidak harus diasumsikan (untuk hipotesis kerja) bahwa satu atau beberapa dari metoda-metoda itu kurang valid, dan dengan demikian menyebabkan bias-bias perhitungan yang cukup signifikan. Mengambil konsep metoda ilmiah maka bias-bias itu dapat disebabkan oleh faktor-faktor empirik 6
(sistem pengujian, teori, logika hipotesis-deduktif) maupun faktor-faktor konseptual (simplifikasi model, preferensi, struktur teori, keterbatasan data observasi). Maka, berdasar pertimbangan ketersediaan literatur, kompleksitas masalah dan derajat prakiraan yang diperlukan, penulis membatasi ruang lingkup penulisan sebagai: 1. Evaluasi empat teknik, masing-masing, (a) Direct Displacement-Based Design Method, DDBD (J.M.N. Priestly) (b) Proportioning Method for Reinforced Concrete Structures, PM (J.P. Browning) (c) Displacement Based Design using Inelastic Design Spectra, IDS (A.K. Chopra) (d) Capacity Spectrum Method, CSM (S.A. Freeman, ATC-40 CSSC) 2. Aplikasi desain pada dua studi kasus, sbb, (a) Struktur portal beton bertulang tahan momen (medium-rise building Ductile Moment Resistant Frame/DMRF, 8 lantai) simetrik (b) Struktur portal beton bertulang tahan momen (medium-rise building DMRF, 8 lantai) non-simetrik vertikal 3. Peninjauan satu arah dalam sudut datang gempa bumi (non-orthogonal/tak dikombinasikan) 7