Studi Assessment Kerentanan Gedung Beton Bertulang Terhadap Beban Gempa Dengan Menggunakan Metode Pushover Analysis Windya Dirgantari, Endah Wahyuni dan Data Iranata Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: endahwahyuni@gmail.com 1 Abstrak Bangunan pada daerah rawan gempa harus direncanakan mampu bertahan terhadap gempa berdasarkan peraturan standar perencanaan ketahanan gempa. Namun demikian, acuan yang digunakan dalam peraturan tersebut tidak dapat secara langsung menunjukkan kinerja bangunan terhadap suatu gempa yang sebenarnya. Untuk itu diperlukan assessment terhadap bangunan - bangunan sekolah yang telah ada, agar dapat dievaluasi kerentanannya (tingkat kinerja struktur). Studi ini membahas tentang assessment kerentanan gedung beton bertulang yaitu analisa tentang hubungan base shear dengan displacement dan kerusakan kerusakan apa saja yang terjadi. Tahap pertama pengevaluasian adalah melakukan analisa beban seismik dengan program bantu Statik Nonlinier (Pushover) Analisis pada SAP2000. Dari hasil analisa pushover dapat dilihat level kerusakan yang terjadi sehingga dapat dilakukan assessment kerusakan gedung. Penelitian berpedoman pada SNI 03-1726-2002, Federal Emergency Management Agency (FEMA) 273/356, FEMA 440, dan Applied Technology Council (ATC)-40. Nilai displacement yang didapat dari hasil perhitungan numerik dengan Pushover Analysis dibandingkan dengan hasil penelitian dilapangan sebelumnya. Dari hasil analisa dengan pushover didapatkan hasil berupa kurva kapasitas yang menunjukkan hubungan antara base shear dengan displacement yang ditinjau pada setiap kondisi elastis, ultimate, plastis sampai titik keruntuhannya ternyata mendekati kondisi tingkat kinerja struktur pada saat dilakukan pengujian dilapangan. Sehingga analisa ini dapat dijadikan acuan sebagai assessment tingkat kinerja dan perilaku kerentanan struktur eksisting maupun dalam perencanaan struktur. Kata Kunci Bangunan Tahan Gempa, Analisa Statik Nonlinier Pushover, Kurva Kapasitas, Tingkat Kinerja Struktur, Assessment. masih layak digunakan dan mampu menahan gaya gempa yang mungkin akan terjadi. Bangunan pada daerah rawan gempa harus direncanakan mampu bertahan terhadap gempa. Sebagian besar struktur bangunan gedung memang direncanakan berdasarkan peraturan standar perencanaan ketahanan gempa. Peraturan dibuat untuk menghindari terjadinya korban jiwa oleh runtuhnya gedung maupun membatasi kerusakan gedung akibat gempa ringan sampai sedang, serta membatasi ketidaknyamanan penghunian. Namun demikian, acuan yang digunakan dalam peraturan tersebut tidak dapat secara langsung menunjukkan kinerja bangunan terhadap suatu gempa yang sebenarnya. Analisa statik nonlinier (Pushover) merupakan prosedur analisa untuk mengetahui perilaku keruntuhan suatu bangunan terhadap gempa. Analisa dilakukan dengan memberikan suatu pola beban lateral statik pada struktur, yang kemudian secara bertahap ditingkatkan dengan faktor pengali sampai satu target perpindahan lateral dari suatu titik acuan tercapai [2]. Proses pushover bisa dilakukan dengan prosedur load-controlled atau displacementcontrolled. Nilai displacement yang didapat dari hasil perhitungan numerik dengan Pushover Analysis tersebut nantinya dibandingkan dengan hasil penelitian dilapangan sebelumnya, sehingga dapat diketahui seberapa besar gaya geser akibat gempa yang mampu diterima oleh bangunan beton bertulang sampai bangunan tersebut berada pada kondisi kritis.judul subbagian ini. G I. PENDAHULUAN EMPA bumi merupakan bencana alam yang dapat merusak bangunan perumahan, sarana dan prasarana penting. Kerusakan akibat gempa bumi di masa lalu menunjukkan bahwa betapa besarnya kerugian yang kita alami. Sekolah-sekolah di daerah yang rawan terhadap gempa bumi sangatlah rentan pada saat terjadinya gempa bumi, terutama resiko terjadinya kerusakan berat bahkan memakan korban baik siswa maupun guru [1]. Untuk itu diperlukan assessment terhadap bangunan - bangunan sekolah yang telah ada, agar dapat dievaluasi kerentanannya (tingkat kinerja struktur) yang telah di atur dalam FEMA (Federal Emergency Management Agency) 356 sehingga dapat diketahui apakah bangunan tersebut A. Konsep Penelitian II. URAIAN PENELITIAN Penelitian ini menganalisa kerentanan gedung beton bertulang yang menjadi objek studi. Dilakukan dengan memodelkan bangunan beton bertulang ke dalam program bantu analisa struktur SAP 2000. Struktur dianalisa kekuatannya penampangnya secara elastis, kemudian dianalisa beban seismiknya dengan program bantu pushover analisis. Nilai displacement dan base shear yang dihasilkan dari analisa tersebut akan dibandingkan dengan hasil pengujian dilapangan dan diassessment tingkat kinerjanya sampai sampai titik keruntuhannya.
2 B. Metodologi Proses penelitian ini ditampilkan dalam sebuah diagram alir metodologi yang dapat dilihat pada diagram alir dibawah ini : - Tebal pelat atap t = 16 cm b. Balok - Balok B1 : 35 cm x 60 cm - Balok WB2A2 : 40 cm x 40 cm - Balok WB2C2 : 40 cm x 45 cm - Balok WB2AR : 24 cm x 45 cm - Balok WB2CR : 24 cm x 45 cm - RB 1 : 24 cm x 35cm c. Kolom - Kolom A1 A7 : 35 cm x 40 cm - Kolom C1 C7 : 35 cm x 40 cm - Kolom C2 : 24 cm x 40 cm Gambar 2. Denah Gedung 1 Objek Studi Gambar 1. Diagram Alir Metode Studi III. HASIL DAN DISKUSI A. Studi Kasus Dalam studi, objek merupakan gedung 2 lanti yang berfungsi sebagai gedung sekolah dengan data bangunan dibawah ini: 1. Zona Gempa : Wilayah 2 Tanah Keras 2. Konfigurasi Gedung a. Tinggi 1 : 3.6 m b. Tinggi atap : 3.6 m 3. Mutu Bahan - Mutu Beton (fc ) : 15.1 Mpa - Berat jenis beton : 2400 kg/m3 - Elastisitas beton, Ec : 4700 f c : 18263.59 Mpa - Tulangan Longitudinal Tegangan tarik minimum (Fy) : 287.2Mpa Tegangan tekan minimum (Fu) : 425.5 Mpa - Tulangan Transversal Tegangan tarik minimum (Fy) : 477.2Mpa Tegangan tekan minimum (Fu) : 678.1Mpa 5. Data Elemen Struktur a. Pelat - Tebal pelat lantai 2 t = 17 cm Gambar 3. Permodelan Struktur Pada penelitian dilapangan, gedung dberikan gaya dorong sampai pada nilai pergeseran tertentu. Berikut adalah data penelitian hasil pengujian dilapangan: Tabel 1 Hasil Pengujian Beban Lateral pada Gedung Displacement Target Roof Displacement Base shear (%) mm Ton 0 0 0 0.25 18.39 90 0.5 36.78 114 0.75 55.16 116 1 73.55 115 1.25 91.94 114 1.5 110.33 111
3 1.75 128.71 107 2 147.1 102 2.25 183.88 91 2.5 220.65 87 5 376.75 33 B. Analisa Elastis Pembebanan Struktur 1. Beban Mati (DL) Beban mati sendiri (SW) dihitung secara otomatis oleh program SAP2000 Beban mati tambahan (SIDL): a. 1 MEP : 0.10 kn/m2 Keramik : 0.24 kn/m2 Spesi : 0.21 kn/m2 b. Atap MEP : 0.10 kn/m2 Waterproofing : 0.05 kn/m2 Beban mati dinding pasangan ½ batu : 2.5 kn/m2 Beban mati dinding beton : 24 kn/m3 2. Beban Hidup (LL) Beban hidup untuk sekolah = 2.5 kn/m2 Beban hidup atap = 1.0 kn/m2 3. Beban Gempa (E) 2) 1.2 DL + 1.6 LL Kombinasi pembebanan gempa: 3) 1.2 DL + 1.0 LL + 1.0 EX + 0.3 EY 4) 1.2 DL + 1.0 LL + 1.0 EX - 0.3 EY 5) 1.2 DL + 1.0 LL - 1.0 EX + 0.3 EY 6) 1.2 DL + 1.0 LL - 1.0 EX - 0.3 EY 7) 1.2 DL + 1.0 LL + 0.3 EX +1.0 EY 8) 1.2 DL + 1.0 LL + 0.3 EX -1.0 EY 9) 1.2 DL + 1.0 LL - 0.3 EX +1.0 EY 10) 1.2 DL + 1.0 LL - 0.3 EX -1.0 EY 11) 0.9 DL + 1.0 EX + 0.3 EY 12) 0.9 DL + 1.0 EX - 0.3 EY 13) 0.9 DL - 1.0 EX + 0.3 EY 14) 0.9 DL - 1.0 EX - 0.3 EY 15) 0.9 DL + 0.3 EX +1.0 EY 16) 0.9 DL + 0.3 EX -1.0 EY 17) 0.9 DL - 0.3 EX +1.0 EY 18) 0.9 DL - 0.3 EX -1.0 EY - Kinerja Batas Layan ( s ) dan Kinerja Batas Ultimit ( M ) Tabel 2 Kontrol simpangan antar tingkat s hi (m) s Simpangan s antar tingkat Syarat Simpangan s Ket Atap 3,6 2.653 1.7267 30 OK 1 3,6 0.956 0.9566 30 OK Tabel 3 Kontrol simpangan antar tingkat M Atap 1 hi (m) Syarat Simpanga n s Simpanga n M antar tingkat Syarat simpan gan M Ket 3,6 2.653 6,5005 OK 3,6 0.956 2,3437 OK Gambar 4 Respon Spektrum Gempa Rencana Untuk Wilayah Gempa 2 (SNI 1726-2002) Faktor keutamaan (I) yang dipakai untuk memperbesar beban gempa rencana agar struktur mampu memikul beban gempa dengan periode lebih panjang atau dengan kata lain tingkat kerusakan yang lebih kecil, dipakai nilai 1 untuk gedung sekolah (SNI-1726-2002 Tabel 1). Dan nilai faktor reduksi gempa representatif dari struktur gedung (R) yang dipakai adalah 3.5 (SRPMB Beton Bertulang, SNI-1726-2002 Tabel 3). Sedangkan mengenai reduksi beban hidup yang digunakan sebagai sumber massa gempa telah diatur dalam Peraturan Pembebanan Indonesia Untuk Gedung (PPIUG) 1983, yang menunjukkan bahwa koefisien reduksi beban hidup untuk ruang sekolah sebesar 0.5 yang artinya bahwa beban hidup pada saat terjadi gempa akan berkurang daripada gedung dalam kondisi layan. Kombinasi pembebanan gravitasi: 1) 1.4 DL C. Analisa Beban Dorong Statik (Pushover Analysis) Pada bab sebelumnya telah dilakukan analisa gempa menggunakan respon spektrum dimana beban mati, hidup dan gempa dianalisis secara linier. Dari hasil running pertama tersebut diketahui ratio antara kapasitas dengan kebutuhan pada frame sehingga telah diketahui bahwa struktur aman atau tidak. Kemudian struktur diberikan beban gempa dengan statik nonlinier pushover. Semua beban diset dengan analisis nonlinier (beban gravitasi dan pushover). Running kedua ini menghasilkan perilaku struktur sampai keadaan inelastis. Hasil akhir berupa nilai-nilai gaya-gaya geser dasar (base shear) untuk mengahasilkan perpindahan dari struktur tersebut. Nilai-nilai tersebut akan digambarkan dalam bentuk kurva kapasitas yang merupakan gambaran perilaku struktur dalam bentuk perpindahan lateral terhadap beban (demand) yang diberikan. Selain itu, analisis pushover dapat menampilkan secara visual elemen-elemen struktur yang mengalami kegagalan.
4 Dimana untuk gedung beraturan nilai = 0,7R = 0,7 x 3,5 = 2,45 Jadi, simpangan ultimit arah X = 0,026 x 2,45 = 0,064m Gambar 5. Kurva kapasitas hasil running pushover 4. Hasil Evaluasi Kinerja Performance Point Tabel 5.2 Rangkuman Target Perpindahan (Performance Point) Struktur Metode Target Perpindahan (m) Spektrum Kapasitas (ATC-40) 0,031 Koefisien Perpindahan (FEMA 356) 0,127 Koefisien Perpindahan Yang Diperbaiki 0,127 (FEMA 440) Kinerja Batas Ultimit Menurut SNI 03-0,064 1726-2002 Dari tabel diatas dapat disimpulkan bahwa target perpindahanyang paling maksimum adalah 0,127 m (FEMA 356, FEMA 440). Setelah melihat Tabel 4.7 dan Tabel 4.2 dapat disimpulkan bahwa pada saat terjadi target perpindahan maksimum, struktur berada pada kondisi kinerja LS-CP yaitu masih berkinerja Life Safety yang mendekati Collapse Prevention. Tabel 5 Tabel hasil analisis pushover D. Assessment Tingkat Kinerja Struktur 5.4.3 Target Peralihan (Performance Point) 1. Metode Spektrum Kapasitas (ATC-40) Gambar 7 Kurva kapasitas perbandingan hasil pushover dengan pengujian di lapangan Kondisi Pertama Elastis Gambar 6 Performance point pada kurva kapasitas Dari gambar 6dapat dilihat bahwa performance point tercapai pada peralihan 70,447mm dan gaya geser sebesar 110,801 ton. 1. Metode Koefisien Perpindahan (FEMA 356) 2. Metode Koefisien Perpindahan Yang Diperbaiki (FEMA 440) 3. Kinerja Batas Ultimit Menurut SNI 03-1726-2002 Berdasarkan hasil analisa struktur diperoleh peralihan atap maksimum arah X = 0,026 m Simpangan ultimit yang terjadi :.X Gambar 8 Skema kelelehan / distribusi sendi plastis Kondisi Pertama (step 2) Berdasarkan hasil analisa pushover pada Gambar 8 dapat dilihat bahwa sendi plastis mulai terjadi pada sebagian ujung balok dan kolom, gedung memasuki kategori B-IO (Operational Level menuju Immediate Occupancy Level) dalam artian berada pada tingkat penggunaan yang sedang dengan mengalami displacement sebesar 21,61 mm dengan baseshear sebesar 89,51 ton. Berdasarkan FEMA 356 kondisi tersebut menunjukkan indikator bahwa gedung tidak mengalami penyimpangan yang permanen, dalam hal ini dikatakan gedung masih dalam kondisi elastis. Struktur
5 masih memiliki kekakuan dan hanya mengalami kerusakan ringan yaitu retak rambut pada kolom, balok dan dinding partisi. Dengan perubahan displacement yang hampir sama pada hasil pengujian dilapangan yaitu 18,39 mm dengan baseshear 90 ton dapat dilihat pada Gambar 6.3 struktur juga mengalami kerusakan yang sama yaitu retak rambut pada kolom dan kolom tidak mengalami penyimpangan yang begitu besar. Berdasarkan hal tersebut dapat disimpulkan bahwa analisa statik pushover menghasilkan gambaran kinerja struktur yang mendekati dengan kondisi pengujian dilapangan dengan perbedaan nilai persentase displacement sebesar 85,1% dan baseshear 99,45 %. Kondisi Kedua - Ultimate Gambar 9 Skema kelelehan / distribusi sendi plastis Kondisi Kedua (step 5) Pada kondisi kedua (Step 5) hasil analisa pushover pada Gambar 9 menunjukkan bahwa sendi plastis terjadi pada seluruh ujung balok dan sebagian pangkal kolom, gedung masih dalam kategori B-IO (Operational Level menuju Immediate Occupancy Level) dalam artian berada pada tingkat penggunaan yang sedang tetap tetapi sudah bersifat inelastis dengan mengalami displacement sebesar 55,97 mm dengan baseshear sebesar 109,57 ton. Struktur gedung tidak mengalami penyimpangan yang permanen hanya mengalami kerusakan ringan yaitu retak rambut pada kolom, balok dan dinding partisi. Dengan perubahan displacement hasil pengujian dilapangan yaitu 36,78 mm dengan baseshear 114 ton dapat dilihat pada Gambar 6.5 struktur juga mengalami ciri kerusakan yang hampir sama yaitu retak rambut pada kolom, balok dan dinding partisi. Kolom jg tidak mengalami penyimpangan yang begitu besar. Berdasarkan hal tersebut dapat disimpulkan bahwa analisa statik pushover menghasilkan gambaran kinerja struktur yang mendekati dengan kondisi pengujian dilapangan dengan perbedaan nilai persentase displacement sebesar 65,71 % dan base shear 96,11 %. Kondisi Ketiga Plastis Gambar 10 Skema kelelehan / distribusi sendi plastis Kondisi Ketiga (step 9) Pada kondisi ketiga (Step 9) hasil analisa pushover pada Gambar 10 menunjukkan bahwa sendi plastis terjadi pada seluruh ujung balok dan kolom, gedung memasuki kategori IO-LS (Immediate Occupancy Level menuju Life Safety) dalam artian gedung mengalami kerusakan namun struktur tetap stabil, kerusakan masih dapat terkontrol dan dalam tingkat yang aman untuk dihuni dengan mengalami displacement sebesar 70,54 mm dengan baseshear sebesar 110,76 ton. Struktur masih memiliki kekakuan dan hanya mengalami kerusakan ringan yaitu retak rambut pada kolom, balok dan dinding partisi, terjadi spelling kecil pada beberapa kolom, dan retak pada beberapa join kolom. Dengan perubahan displacement hasil pengujian dilapangan yaitu 73,55 mm dengan baseshear 115 ton dapat dilihat pada Gambar 6.7 ternyata beberapa struktur pada kolom sudah mengalami rusak parah yang ditandai dengan retak tembus. Berdasarkan hal tersebut dapat disimpulkan bahwa analisa statik pushover menghasilkan gambaran kinerja struktur yang sedikit berbeda secara kerusakan fisik bangunan dengan kondisi pengujian dilapangan dengan perbedaan nilai persentase displacement sebesar 95,9 % dan base shear 96,31 %. Kondisi Keempat Stabilitas Struktur Gambar 11 Skema kelelehan / distribusi sendi plastis Kondisi Ketiga (step 10) Pada kondisi empat (Step 13) hasil analisa pushover pada Gambar 11 menunjukkan bahwa sendi plastis terjadi pada seluruh ujung balok dan kolom, gedung sudah mengalami kondisi stabilitas struktur dimana kemampuan struktur dalam menerima beban sudah berkurang. Memasuki kategori LS-C (Life Safety Level menuju Collaps) dalam artian bangunan tetap berdiri dan kerusakan atau kehilangan lain masih diperkenankan dengan beberapa perbaikan struktur. Struktur mengalami displacement sebesar 143,52 mm dengan baseshear sebesar 110,19 ton, terjadi simpangan yang permanen, beberapa kolom mengalami rusak parah yang ditandai dengan retak tembus. Dengan perubahan displacement hasil pengujian dilapangan yaitu 147,1 mm dengan baseshear 102 ton dapat dilihat pada Gambar 6.9 terdapat sedikit perbedaan dengan analisa pushover dimana struktur mengalami simpangan yang permanen dengan beberapa kolom mengalami rusak parah yang ditandai dengan retak geser. Dengan melihat kondisi sebelumnya, base shear yang menahan gaya lateral terus berkurang artinya struktur sudah mendekati titik keruntuhan. Berdasarkan hal tersebut dapat disimpulkan bahwa analisa statik pushover menghasilkan gambaran kinerja struktur yang sedikit berbeda secara kerusakan fisik dengan kondisi pengujian dilapangan dimana sebagian kolom sudah mengalami kerusakan sendi yang parah dengan perbedaan nilai persentase displacement sebesar 97,57% dan baseshear 92,57%.
6 Kondisi Kelima Runtuh Gambar 12 Skema kelelehan / distribusi sendi plastis Kondisi Ketiga (step 14) Pada kondisi empat (Step 18) hasil analisa pushover pada Gambar 12 menunjukkan struktur sudah memasuki kategori Collapse dalam artian sebagian besar bangunan sudah mengalami keruntuhan. Struktur mengalami keruntuhan pada displacement sebesar 289,52 mm dengan baseshear sebesar 12,06 ton. Dengan perubahan displacement hasil pengujian dilapangan yaitu 376,75 mm dengan baseshear 33 ton dapat dilihat pada Gambar 6.9 seluruh pangkal kolom pada lantai satu sudah mengalami keruntuhan, sehingga bangunan sudah tidak dapat terpakai lagi. Berdasarkan hal tersebut dapat disimpulkan bahwa analisa statik pushover menghasilkan gambaran kinerja struktur yang mendekati dengan kondisi pengujian dilapangan dimana keruntuhan juga terjadi pada pangkal kolom lantai satu dengan perbedaan nilai persentase displacement sebesar 76,85 % dan base shear 36,54 %. IV. KESIMPULAN 1. Dari analisa pengujian dilapangan dan dibandingkan dengan analisa numerik statis pushover dapat dilakukan assessment tingkat kerentanan dengan hasil sebagai berikut : Secara analisa elastisitas didapatkan hasil bahwa penampang struktur mampu menahan beban beban yang diberikan, baik secara gravitasi maupun beban gempa yang telah dikombinasikan. Namun struktur tidak memenuhi syarat hubungan balok kolom. Baik berdasarkan hasil analisa numerik pushover maupun pengujian dilapangan, didapatkan kerusakan akibat sendi plastis pertama kali terjadi pada pangkal balok yang kemudian sampai ke pangkal kolom. Keruntuhan yang terjadi terdapat pada kolom lantai 1. Pola keruntuhan tersebut dapat dikatakan tidak baik karena seharusnya keruntuhan pertama kali terjadi pada balok yang kemudian diikuti dengan keruntuhan kolom. Dari studi yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa analisa numerik statis nonlininier pushover dapat menghasilkan perilaku struktur dari setiap kondisi elastis, ultimate, plastis, stabilitas struktur hingga runtuh yang ditinjau mendekati dengan kondisi real dilapangan, sehingga analisa ini dapat dijadikan acuan sebagai assessment tingkat kinerja dan perilaku kerentanan struktur eksisting. 2. 2. Dari perbandingan hasil uji lapangan dengan hasil analisis pushover, pada kondisi elastis diperoleh perbedaan displacement sebesar 85,1% dan baseshear 99,45 %., pada kondisi ultimate perbedaan displacement sebesar 65,71 % dan base shear 96,11 %, pada kondisi plastis perbedaan displacement sebesar 95,9 % dan base shear 96,31 %, pada kondisi stabilitas struktur perbedaan displacement sebesar 97,57 % dan baseshear 92,57 % dan kondisi runtuh perbedaan displacement sebesar 76,85 % dan base shear 36,54 %. Secara keseluruhan didapatkan rata rata perbadaan hasil pengujian dengan analisa numerik sebesar 84,21 %. V. SARAN Dalam melakukan assessment kinerja struktur yang lebih akurat diperlukan studi lanjut tentang beberapa peninjauan yang lebih detil terhadap faktor - faktor yang mempengaruhi kerusakan suatu struktur. DAFTAR PUSTAKA [1] Briceño, S ; Onogawa, K. 2009. Mengurangi Kerentanan Anak - Anak Sekolah terhadap Bahaya Gempa Bumi. Pusat Pembangunan Wilayah Perserikatan Bangsa Bangsa (UNCRD). Proyek Inisiatif Keselamatan Sekolah Terhadap Gempa Bumi (SESI) [2] Dewobroto, W. 2005. Evaluasi Kinerja Bangunan Baja Tahan Gempa dengan Analisa Pushover. Civil Engineering National Conference : Sustainability Construction & Structural Engineering Based on Professionalism, Unika Soegijapranata, Semarang, Indonesia.