ANALISA BEBAN GEMPA PADA DINDING BASEMENT DENGAN METODA PSEUDO-STATIK DAN DINAMIK Ferry Aryanto 1 dan Gouw Tjie Liong 2 1 Universitas Bina Nusantara, Jl. K H. Syahdan No. 9 Kemanggisan Jakarta Barat 11480, (021) 53696969 E-mail: ferry_aryanto@ymail.com 2 Dosen Departemen Teknik Sipil, Universitas Bina Nusantara, Jl. K H. Syahdan No. 9 Kemanggisan Jakarta Barat 11480, (021) 53696969 E-mail: xxxx ABSTRAK Indonesia adalah salah satu negara yang banyak memiliki daerah zonasi gempa karena terletak pada pertemuan beberapa lempeng tektonik. Oleh sebab itu dalam mendesain struktur bangunan termasuk basement harus memperhatikan beban gempa. Penelitian ini mengkaji beberapa metode untuk mendesign struktur basement tahan gempa. Metodologi yang digunakan dalam penelitian adalah memodelkan struktur dinding basement dengan metode pseudo-static dan dynamic, yang kemudian dibandingkan dengan perhitungan manual dari metode Seed-Whitman, Mononobe-Okabe, dan Wood. Berdasarkan hasil analisa pseudo-static dan dynamic dengan mengunakan program elemen hingga, didapatkan hasil bahwa metode Seed-Whitman dan Mononobe-Okabe tidak begitu sesuai untuk analisa dinding basement terutama jika perbandingan panjang terhadap tinggi basement (L/H) > 2. Sedangkan untuk metode Wood memberikan nilai tegangan lateral yang semakin meningkat untuk pengaruh panjang terhadap tinggi (L/H). Akan tetapi metode Wood memberikan nilai yang lebih tinggi dibanding program elemen hingga. FA Kata Kunci Analisa beban gempa, dinding basement, metode pseudo-static dan dynamic, tegangan lateral aktif PENDAHULUAN Struktur penahan tanah (retaining wall) adalah jenis struktur di bidang geoteknik yang berfungsi untuk menahan massa tanah dimana terdapat perbedaan kontur ataupun elevasi yang berbeda. Struktur penahan tanah sudah banyak diaplikasikan dalam dunia teknik sipil, salah satunya adalah struktur dinding basement. Hal yang mempengaruhi struktur dinding basement adalah pembebanan yang terjadi pada struktur. Pembebanan tersebut dapat disebabkan oleh beban internal maupun eksternal yang bekerja pada dinding basement. Salah satu beban eksternal yang banyak terjadi di Indonesia adalah beban gempa. Hal ini disebabkan Indonesia terletak pada pertemuan 4 lempeng tektonik besar yaitu lempeng Indo-Australia, lempeng Pasifik, lempeng Eurasia, lempeng Laut Filipina. Oleh sebab itu dalam mendesign suatu struktur juga harus memasukan beban gempa dalam design rencana struktur tersebut.
Adapun beberapa kajian pustaka yang dilakukan dan dua diantaranya adalah penelitian yang dilakukan oleh Fei song dan Jian-Min Zhang dengan judul Estimation of Seismic Earth Pressure Against Rigid Retaining Structures with Rotation Mode. Pada penelitian pertama ini dibahas mengenai perhitungan tegangan tanah seismik dengan metode RTT dan RBT pada dinding kaku. Diusulkan pula sebuah metode baru dalam menghitung tegangan tanah seismik berdasarkan penurunan rumus dan perhitungan dari program komputer. Selain itu untuk mengetahui efektivitas dari metode tersebut dilakukan pula penelitian di laboratorium. Penelitian kedua dilakukan oleh Marshall Lew, Nicholas Sitar, Linda Al Atik, Mehran Pourzanjani, dan Martin B. Hudson dengan judul Seismic Earth Pressure on Deep Building Basement. Pada penelitian ini dibahas dimana hasil dari tegangan tanah seismic dengan mengunakan metode Mononobe-Okabe yang dikembangkan pada tahun 1920, jika dibandingkan dengan pengujian yang lebih baru tidak sesuai. Pada metode Mononobe-Okabe, dilakukan penguji dengan model dinding penahan pada meja bergetar. Sedangkan pada pengujian yang lebih baru mengunakan Centrifuge Test yang menyarankan bahwa pengujian dilakukan Mononobe-Okabe tidak pada skala sebenarnya. Berdasarkan kajian-kajian sebelumnya, maka pada penelitian ini akan diteliti mengenai pengaruh beban gempa pada struktur dinding basement kaku dengan mengunakan metode elemen hingga yang kemudian dibandingkan dengan metode Mononobe-Okabe, Seed-Whitman, dan Wood. Sedangkan untuk metode elemen hingga akan mengunakan bantuan software PLAXIS V.8.2 dalam melakukan analisa pseudo-statik dan dinamik. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh beban gempa terhadap struktur basement dengan membandingkan tegangan lateral aktif pada bagian dinding basement melalui metode pseudo-static dan dynamic pada program elemen hingga dan perhitungan manual. Manfaat dari penelitian ini adalah untuk mengetahui metode pseudo-static atau dynamic yang lebih sesuai digunakan untuk mendesign struktur basement yang tahan gempa. METODE PENELITIAN Penelitian ini dimulai dengan melakukan identifikasi masalah-masalah mengenai pengaruh beban gempa terhadap tegangan lateral pada struktur dinding basement. Kemudian melakukan tinjauan pustaka melalui teori-teori dari buku ataupun referensi yang ada sehingga mendapatkan gambaran dan cara menyelesaikan masalah. Setelah itu melakukan pengumpulan data-data yang diperlukan untuk melakukan pemodelan pada program elemen hingga dengan program Plaxis V.8.2 untuk mendapatkan nilai teganagan lateral. Selain itu juga melakukan perhitungan manual dengan metode Mononobe-Okabe, Seed-Whitman, dan Wood. Kemudian melakukan perbandingan hasil tegangan lateral dari program elemen hingga dengan perhitungan manual. Lalu dilakukan analisa dan menarik kesimpulan dari hasil penelitian. Sedangkan untuk data yang digunakan dalam penelitian ini adalah data hyphotetical. Untuk data hypothetical, jenis tanah yang digunakan adalah tanah lempung dengan variasi nilai kohesi (c) dan pasir dengan variasi sudut geser dalam (φ). Selain itu juga dapat dilakukan dengan melakukan korelasi-korelasi antara data yang tersedia ataupun melakukan asumsi untuk data tertentu. Data-data yang telah dikumpulkan tersebut kemudian akan dijadikan untuk input program elemen hingga ataupun perhitungan manual dengan metode Seed-Whitman, Mononobe-Okabe, Wood.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Pengumpulan Data Hypothetical Berdasarkan hasil studi literatur yang telah dilakukan, pada penelitian ini parameter tanah lempung, pasir dan dinding basement yang digunakan merupakan data hypothetical (asumsi) sebagai berikut : 1. Parameter pasir Pada penelitian ini, jenis tanah yang digunakan adalah pasir lepas (loose sand) yang seragam untuk tiap lapisan tanah pada kondisi undrained. Adapun parameter tanah pasir yang digunakan diasumsikan sebagai berikut : Berat isi total (γ t ) = 20 kn/m 3 Kekakuan tanah (E) = 15.000 kn/m 2 Sudut geser dalam (φ) = 30 0-40 0 Kohesi tanah (c) = 0 kn/m 2 Poisson Ratio (υ) = 0,3 Nilai sudut geser dalam (φ) yang digunakan dalam input program PLAXIS V.8.2 pada penelitian ini dijadikan variable bebas, dimana besarnya sudut geser dalam (φ) divariasikan dari nilai 30 0-40 0 dengan interval 2. 2. Parameter tanah lempung Pada penelitian ini, jenis tanah yang digunakan adalah tanah lempung yang seragam untuk tiap lapisan tanah dalam kondisi efektif. Adapun parameter tanah lempung yang digunakan diasumsikan sebagai berikut: Berat isi total (γt) = 16-18 kn/m3 Kekakuan tanah (E ) = (300-500. c ) kn/m 2 Sudut geser dalam (φ ) = 10-30 o Kohesi tanah (c ) = 0-25 kn/m 2 Poisson Ratio (υ) = 0,3 Nilai kohesi tanah (c ) yang digunakan dalam input program PLAXIS V.8.2 pada penelitian ini dijadikan variable bebas, dimana nilai kohesi tanah (c ) divariasikan dari nilai 0-25 kn/m 2 dengan interval 5. Adapun nilai kohesi tanah efektif didapatkan dari konversi nilai kohesi tanah dalam kondisi undrained (Cu) dengan mengunakan rumus berikut : kn/m 2 3. Parameter beban gempa rencana Beban gempa yang digunakan untuk analisa dinamik dalam penelitian ini mengacu pada RSNI-03-1726-201X Tata cara perencanaan ketahanan gempa untuk struktur bangunan gedung dan non-gedung. Adapun beban gempa yang dimaksud adalah desain respons spectra Jakarta pada kelas lokasi E (tanah lunak) dengan percepatan gempa maksimum 0.25g.
Berikut adalah desain respons spectra Jakarta dengan percepatan 0,25g : 4. Parameter dinding basement Dinding basement yang diasumsikan dalam penelitian ini adalah dinding basemet yang terbuat dari material beton dengan ketebalan 20 cm dengan jarak bentang yang bervariasi. Jarak bentang yang digunakan dalam penelitian ini didasarkan pada perbandingan tinggi galian dinding basement terhadap jarak bentang dinding basement (L/H), dimana tinggi galian dinding basement lantai 1 adalah 4 m dan tinggi galian total untuk dinding basement 2 lantai ada 7,5 m. Berikut adalah input yang dimasukan kedalam program PLAXIS V.8.2 : Normal stiffness (EA) = 4 x 10 6 kn/m Flexural rigidity (EI) = 1,33 x 10 4 kn/m Berat struktur (w) = 0,8 kn/m/m Poisson Ratio (υ) = 0,15 Tebal dinding basement (d) = 0,2 m (20 cm) Hasil Perhitungan Manual Analisa tegangan lateral tanah terbagi menjadi 2 yaitu tegangan lateral aktif sebelum terjadi gempa (P a ) dan tegangan lateral aktif saat terjadi gempa (P AE ), dimana pada ke-2 perhitungan tersebut dapat mengunakan metode yang berbeda-beda. Adapun nilai percepatan gempa arah horisontal (a h ) yang akan digunakan dalam perhitungan bernilai 0,25g. - Metode Mononobe-Okabe (1924) Metode Mononobe-Okabe (1924) yang mengacu pada teori tegangan lateral tanah yang dikembangkan oleh Coulomb (1776). Sehingga untuk menghitung tegangan lateral tanah sebelum terjadi gempa (P a ) akan mengunakan teori Coulomb.
Berikut adalah contoh perhitungan manual untuk model galian dinding basement 1 lantai dengan bentang 4 m (L/H = 1) tanpa muka air tanah Berat isi kering (γ dry ) = 20 kn/m 3 Berat isi jenuh (γ sat ) = 20 kn/m 3 Ketinggian galian basement (H) = 4 m Sudut geser dalam (φ) = 30 0 Sudut kemiringan backfill ( ) = 0 0 Sudut kemiringan dinding = 90 0 Sudut kemiringan tegangan = 0 0 Percepatan gravitasi (g) Pemodelan Galian Dinding Basement dengan Bentang 4 m = 0,25 g Perhitungan tegangan lateral aktif sebelum terjadi gempa (P A )
kn/m Perhitungan tegangan lateral tanah aktif setelah terjadi gempa (P AE ) tanpa percepatan gempa arah vertical Maka nilai tegangan lateral tanah aktif saat terjadi gempa (P E ) adalah sebagai berikut:
- Metode Seed & Whitman Berikut adalah contoh perhitungan dengan mengunakan metode Seed & Whitman untuk menentukan nilai tegangan lateral tanah saat terjadi gempa (P E ). Untuk contoh pemodelan perhitungan manual mengunakan model galian dinding basement 1 lantai dengan bentang 4 m (L/H = 1) tanpa muka air tanah Perhitungan tegangan tanah lateral aktif sebelum terjadi gempa (P A ) Perhitungan tegangan tanah lateral aktif saat terjadi gempa (P E ) Maka nilai tegangan tanah lateral aktif setelah terjadi gempa (P AE ) adalah - Metode Wood Berikut adalah contoh perhitungan manual dengan metode Wood untuk menentukan nilai tegangan tanah lateral saat terjadi gempa (P E ). Untuk contoh pemodelan perhitungan manual mengunakan model galian dinding basement 1 lantai dengan bentang 4 m (L/H = 1) tanpa muka air tanah. (Sumber : Lateral Earth Pressure Static & Seismic Pseudo Static Analysis, Gouw, 2010)
Perhitungan tegangan tanah lateral aktif sebelum terjadi gempa (P A ) Perhitungan tegangan tanah lateral aktif saat terjadi gempa (P E ) dengan mengunakan grafik dibawah ini : Sehingga didapatkan nilai faktor resultan gaya ada dinding kaku (Fp) = 0,3 Maka nilai tegangan lateral aktif tanah setelah terjadi gempa (P AE ) Berikut adalah tabel-tabel hasil perhitungan manual : Tabel perhitungan manual basement 1 lantai untuk tanah pasir dengan sudut geser dalam (φ) Bernilai 30 0 L/H Basement Seed Whitman Mononobe - Okabe Wood L (m) H (m) PA PAE PE PA PAE PE PA PAE PE 1.0 4 4 53.33 83.33 30.00 53.33 82.92 29.58 53.33 77.33 24.00 2.0 8 4 53.33 83.33 30.00 53.33 82.92 29.58 53.33 101.33 48.00 3.0 12 4 53.33 83.33 30.00 53.33 82.92 29.58 53.33 119.33 66.00 4.0 16 4 53.33 83.33 30.00 53.33 82.92 29.58 53.33 129.33 76.00 Tabel perhitungan manual basement 2 lantai untuk tanah pasir dengan sudut geser dalam (φ) Bernilai 30 0 Basement Seed Whitman Mononobe - Okabe Wood L/H L H (m) (m) PA PAE PE PA PAE PE PA PAE PE 1.0 4 4 187.50 292.97 105.47 187.50 291.51 104.01 187.50 264.84 77.34 2.0 8 4 187.50 292.97 105.47 187.50 291.51 104.01 187.50 356.25 168.75 3.0 12 4 187.50 292.97 105.47 187.50 291.51 104.01 187.50 419.53 232.03 4.0 16 4 187.50 292.97 105.47 187.50 291.51 104.01 187.50 454.69 267.19
Hasil Perhitungan Program PLAXIS V.8.2 dengan Metode Pseudo-statik Tabel perhitungan program PLAXIS V.8.2 basement 1 lantai untuk tanah pasir dengan sudut geser dalam (φ) Bernilai 30 0 L/H Plaxis Pseudo-static Basement Kiri Kanan L H PL PLE PE PL PLE PE (m) (m) 1.0 7.5 7.5 80.97 107.32 26.35 80.45 111.59 31.14 2.0 15 7.5 81.11 110.82 29.71 80.44 114.45 34.01 3.0 22.5 7.5 82.26 118.75 36.49 81.73 115.55 33.82 4.0 30 7.5 84.48 128.25 43.77 83.88 115.64 31.76 Tabel perhitungan program PLAXIS V.8.2 basement 2 lantai untuk tanah pasir dengan sudut geser dalam (φ) Bernilai 30 0 L/H Plaxis Pseudo-static Basement Kiri Kanan L H (m) PL PLE PE PL PLE PE (m) 1.0 7.5 7.5 264.73 328.32 63.59 262.05 321.79 59.74 2.0 15 7.5 305.08 405.40 100.32 293.70 376.93 83.24 3.0 22.5 7.5 328.33 438.66 110.33 315.41 395.92 80.51 4.0 30 7.5 318.40 480.55 162.14 308.34 383.42 75.09 Hasil Perhitungan Program PLAXIS V.8.2 dengan Metode Dinamik Berikut adalah tabel hasil perhitungan program PLAXIS V.8.2 basement 1 lantai untuk tanah pasir dengan sudut geser dalam (φ) Bernilai 30 0 Plaxis Dynamic Basement L/H Kiri Kanan L (m) H (m) PL PLE PE PL PLE PE 1.0 4 4 80.97 106.32 25.35 80.59 138.80 58.22 2.0 8 4 80.93 114.82 33.89 80.29 100.06 19.77 3.0 12 4 82.26 123.40 41.14 81.73 87.56 5.83 4.0 16 4 84.48 137.32 52.84 83.07 67.27-15.80 Berikut adalah tabel hasil perhitungan program PLAXIS V.8.2 basement 2 lantai untuk tanah pasir dengan sudut geser dalam (φ) Bernilai 30 0 Plaxis Dynamic Basement L/H Kiri Kanan L (m) H (m) PL PLE PE PL PLE PE 1.0 4 4 293.16 355.65 62.49 290.91 324.46 33.55 2.0 8 4 298.16 529.11 230.95 293.70 331.96 38.26 3.0 12 4 320.79 572.18 251.39 315.41 375.26 59.85 4.0 16 4 336.68 613.57 276.89 321.67 306.41-15.25
Pembahasan Grafik Hasil Perhitungan Grafik pengaruh panjang dan tinggi basement (L/H) terhadap tegangan lateral saat terjadi gempa (P E ) untuk basement 1 lantai Grafik pengaruh panjang dan tinggi basement (L/H) terhadap tegangan lateral saat terjadi gempa (P E ) untuk basement 2 lantai
Grafik perbandingan perhitungan pseudo-static dan dynamic program PLAXIS saat terjadi gempa (P E ) untuk basement 1 lantai Grafik perbandingan perhitungan pseudo-static dan dynamic program PLAXIS saat terjadi gempa (P E ) untuk basement 1 lantai KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulam 1. Pada analisa pseudo-static dan dynamic pada program PLAXIS, nilai tegangan lateral aktif dengan mengunakan metode dynamic memberikan hasil yang lebih besar dibanding metode pseudo-static.
2. Untuk desain dinding basement terhadap beban gempa akan lebih baik melakukan analisa dinamik dibanding analisa pseudo-statik, karena lebih sesuai dengan beban gempa yang terjadi. Sedangkan dalam analisa gempa, di sisi salah satu dinding basement pada saat terjadi gempa akan berperilaku pasif. Sehingga tegangan lateral pada dinding basement akan lebih besar. 3. Jika tidak dapat melakukan analisa dengan mengunakan program elemen hingga, maka untuk perhitungan desain dinding basement disarankan mengunakan metode Wood dibanding metode Seed-Whitman dan Mononobe-Okabe karena pada metode Wood meninjau pengaruh panjang terhadap tinggi (L/H) saat terjadi gempa 4. Berdasarkan hasil grafik hubungan panjang terhadap tinggi (L/H) untuk tegangan lateral aktif saat terjadi gempa, dapat disimpulkan bahwa metode Seed-Whitman dan Mononobe- Okabe tidak begitu sesuai untuk analisa basement terutama jika L/H > 2. Hal ini disebabkan struktur yang dimodelkan kedua metode ini adalah dinding penahan tanah. Sedangkan untuk metode Wood memberikan nilai tegangan lateral yang semakin meningkat untuk pengaruh panjang terhadap tinggi (L/H). Akan tetapi metode Wood memberikan nilai yang lebih tinggi dibanding program elemen hingga 5. Analisa tegangan lateral pada basement saat terjadi gempa menyebabkan perilaku yang berbeda pada kedua sisi dinding basement. Dimana pada saat terjadi gempa dari kiri, maka pada dinding sebelah kiri akan berperilaku aktif sedangkan pada dinding sebelah kanan akan berperilaku pasif dan sebaliknya. Saran 1. Untuk menyempurnakan penelitian ini, dalam analisa dynamic pada program PLAXIS disarankan untuk memperhatikan letak beban gempa yang bekerja pada model. 2. Beban gempa untuk analisa dynamic pada penelitian ini mengunakan desain respon spektra sehingga kurang sesuai. Disarankan untuk penelitian berikutnya mengunakan data gempa asli sehingga terdapat efek goyangan ke arah yang berlawanan atau bolak-balik. REFERENSI Das, Braja M. (2002). Principles of Geotechnial Engineering Fifth Edition. United States of America: Penerbit Wadsworth Group. Day, Robert W. (2002). Geotechnical Earthquake Engineering Handbook. New York : McGRAW-HILL. Gouw, Tjie Liong. (2010). Lateral Earth Pressure Static and Seismic Pseudo Static Analysis. Jakarta Gouw, Tjie Liong. (2012). Dasar Teori Metoda Element Hingga Dalam Geoteknik. Jakarta Gouw, Tjie Liong. (2012). The Application of Finite Element Method in Geotechnic. Jakarta PLAXIS b.v. (2002), PLAXIS Version 8 Manual, A.A. Balkema Publishers; Netherlands RIWAYAT PENULIS Ferry Aryanto lahir di Tebing Tinggi pada 28 Febuari 1991. Penulis menamatkan pendidikan S1 di Universitas Bina Nusantara dalam bidang Teknik Sipil pada 2013.