Bab 6 6 Analisa Seismik 6.1 Definisi Gempa bumi dapat dikelompokkan menjadi tiga kategori : intensitas lemah, sedang dan kuat. Intensitas ini ditentukan oleh percepatan gerakan tanah, yang dinyatakan dengan spektrum respons dan koefisien-koefisien yang diturunkan dari spektrum tersebut. Suatu struktur diperkirakan mempunyai respons yang elastis terhadap gempa berintensitas lemah. Dalam kasus tersebut, tegangannya diduga tetap berada di dalam rentang elastis, dengan sedikit kemungkinan timbulnya inelastisitas terbatas yang hanya mengakibatkan kerusakan ringan pada elemen struktural atau non-struktural. Respons stuktural diduga bersifat inelastis untuk gempa bumi dengan intensitas kuat yang mempunyai intensitas 5 atau lebih dalam skala Richter dan didaerah yang dekat dengan epicenter. Gerakan tanah, diakibatkan oleh getaran seismik, meliputi percepatan, kecepatan, dan peralihan. Ketiganya pada umumnya teramplifikasi, sehingga menimbulkan gaya dan peralihan, yang dapat melebihi yang dapat ditahan oleh struktur yang bersangkutan. Nilai maksimum besarnya gerakan tanah, yaitu kecepatan tanah puncak, percepatan tanah puncak dan peralihan tanah puncak, menjadi parameter-parameter utama di dalam desain seismik anjungan lepas pantai. Perlu diketahui bahwa anjungan lepas pantai didesain untuk menahan gerakan gempa bumi sedemikian sehingga struktur tersebut mampu bertahan dan selamat dari gempa bumi melalui disipasi energi dan deformasi inelastis yang besar, lewat retak dan kegagalan material secara lokal dan terbatas, tetapi tanpa kehilangan stabilitas. Akan tidak ekonomis Jenis Tripod di Selat Makassar 6-1
apabila kita mendesain sistem penahan gempa yang berdeformasi hanya secara elastis saja. Standar-standar menyatakan hal ini sebagai filosofi dasar khususnya untuk gempa bumi besar di mana kerusakan struktural tertentu dapat terjadi. Analisis seismik dari anjungan lepas pantai dibagi menjadi 2 : 1. Analisis strength level 2. Analisis ductilitas level. Pada analisis strength level, bertujuan untuk memastikan suatu platform memiliki properties dan kekakuan yang sesuai dalam usaha menghindari kerusakan yang signifikan akibat gempa. Selain itu, sesuai dengan filosofi dasar desain gempa bumi, struktur direncanakan mampu menahan gempa kuat, dimana struktur akan berespon plastis (daktail). Ketika struktur sudah melewati batas leleh, struktur didesain tidak runtuh dengan menggunakan prinsip daktilitas. Berdasarkan prinsip tersebut, maka perlu dilakukan analisis duktilitas. 6.1.1 Analisis Strength Level 1. Dasar Perencanaan Untuk tujuan desain, percepatan gempa efektif yang dipakai sesuai dengan tabel dibawah ini : Tabel 6.1 Nilai PGA untuk Setiap Zona Gempa Z 0 1 2 3 4 5 G 0 0.05 0.1 0.2 0.25 0.40 Dimana : Z G : Zona gempa : Perbandingan antara percepatan gempa efektif dengan percepatan gravitasi. Nilai ini berlaku baik untuk metode respons spektra maupun metode riwayat waktu (time-history). Dalam analisis anjungan lepas pantai ini, beban gempa dianalisis dengan prosedur beban dinamik respon spektra. 2. Pemodelan Struktur Struktur dimodelkan dalam bentuk massa dan kekakuan disetiap lantai. Adapun massa yang diperhitungkan dalam analisis seismik adalah berat sendiri dari struktur, massa air yang berada pada struktur, dan massa tambahan lainnya. Kekakuan struktur dipengaruhi oleh properties dari struktur yang ditinjau. Dalam pemodelan pondasi, terdapat perbedaan yang cukup signifikan untuk tiang yang berada dekat dengan kepala Jenis Tripod di Selat Makassar 6-2
tiang (pile head), dengan tiang yang berada dibawahnya. Variasi terhadap kedalaman menjadi pertimbangan dalam melakukan desain. 3. Analisa Respons Dalam melakukan terhadap respons dari struktur bisa digunakan metode complete quadratic combination (CQC), atau bisa juga menggunakan metode the square root of the sum of the squares (SRSS). Dalam metode respons spektra, terdapat banyak mode yang dihasilkan dari respons struktur. Namun untuk kebutuhan desain diambil paling tidak 2 buah mode yang memiliki respons paling maksimal. Beban gempa harus dikombinasikan dengan beban yang simultan, seperti beban gravitasi, gaya apung dan tekanan hidrostatik. 6.1.2 Analisis Ductility Level Daktilitas adalah sifat penting yang harus dimiliki struktur yang harus merespons inelastisitas pada gempa bumi yang besar. Sifat ini diukur dari regangan, peralihan, dan rotasi. Daktilitas yang besar memungkinkan suatu komponen struktur atau suatu joint menahan regangan plastis tanpa mengalami reduksi tegangan yang signifikan. Jadi, rotasi-rotasi yang besar harus betul-betul diperhatikan sebagai ukuran kelengkungan, apabila diskontinuitas, peralihan yang tidak dapat ditahan, atau raptur ingin kita hindari. Sambungan antara frame yang terletak di joint, merupakan bagian penting yang harus menahan deformasi besar akibat gempa bumi. 6.1.3 Respon Spektra Secara sederhana dijelaskan bahwa respons spektra adalah plat respons maksimum (perpindahan, kecepatan, percepatan maksimum) dari fungsi beban tertentu untuk semua kemungkinan sistem berderajat kebebasan tunggal. Dengan mengunakan satu grafik skala logaritmis, kita dapat memplot respons maksimum dalam besaran percepatan, perpindahan relatif dan kecepatan palsu relatif (relatif pseudovelocity). Tiga besaran ini yaitu, spektrum percepatan, spektrum perpindahan dan spektrum kecepatan. Spektrum perpindahan S D adalah perpindahan relatif maksimum yang selaras dengan spektrum percepatan S a yaitu percepatan absolut maksimum. Adapun hubungan antara S a dan S D adalah 2 S a = ω S D ( 6.1 ) Jenis Tripod di Selat Makassar 6-3
dimana ω = k / m adalah frekuensi natural dari sistem. Sedangkan hubungan antara S v, S D dan S a adalah S a S v = ωs D = ( 6.2 ) ω Analisis seismik yang dilakukan pada anjungan ini terdiri dari dua bagian yaitu : 1. Level Strength ( Perioda ulang 200 tahun ) 2. Level Ductility ( Perioda ulang 2000 tahun ) Perbedaan dari kedua level analisis seismik tersebut adalah : 1. Peak Ground Acceleration Level strength menggunakan PGA dengan besar 0.1 g sedangkan level ductility menggunakan PGA dengan besar 0.2 g. Dengan demikian beban gempa yang dihasilkan pada level ductility akan lebih besar daripada beban gempa level strength. 2. Kondisi Struktur Pasca Beban Gempa Struktur yang dikenai beban gempa pada level strength sebagai reperentasi gempa kecil dan sedang harus tetap berperilaku elastik, artinya masih berperilaku linier. Struktur yang dikenai beban gempa level ductility sebagai representasi gempa kuat boleh rusak dan mengalami kelelehan atau plastis tetapi tidak boleh runtuh/ collapse. 6.2 Analisa Seismik Pada analisis seismik berikut akan digunakan metoda Respon Spektra. Analisis seismik dengan SACS dilakukan dengan beberapa tahap yaitu : 1. Linearisasi Pondasi 2. Analisis Modal 3. Respon Dinamik Penjelasan dari tiap-tiap tahap akan diberikan pada bagian selanjutnya. 6.2.1 Linearisasi Pondasi Metoda Respon Spektra adalah analisis linier, sedangkan modul PSI (Pile Soil Interaction) sebagai cara meng-input data tanah memiliki karakteristik non-linier. Karena itu pada tahap linearisasi pondasi SACS mengembangkan superelement yang merepresentasikan interaksi pile-tanah secara linier. Jenis Tripod di Selat Makassar 6-4
Untuk men-generate linearisasi pondasi ini digunakan kombinasi beban vertikal (Load Condition 1, 11, 21) dengan beban lain sebesar berat sendiri struktur pada arah X+ dan Y+ (SUPX dan SUPY). Kombinasi pembebanan ini dikalikan dengan load factor yang besarnya harus diiterasi untuk mencapai base shear dan beban horizontal akibat gempa yang konvergen. Opsi superelement creation harus diaktifkan pada file data tenah dan dikorelasikan dengan beban SUPX, SUPY dengan menggunakan perintah PILSUP. Hasil run tahap pertama ini akan menghasilkan file dynsef yang berisi pile superelement sebagai bentuk lienearisasi pondasi untuk run analisis modal tahap selanjutnya. 6.2.2 Analisis Modal Analisis modal akan menghitung eigen value yang menghasilkan perioda natural dan mode shape struktur. Analisis ini akan membentuk file output dynmas dan dynmod yang digunakan sebagai dasar untuk mengkonversi model struktur menjadi massa pada analisis respon dinamik gempa.file model yang digunakan pada analisis modal hanya berisi model struktur dan beban vertikal saja (Load condition 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, dan 12). Dalam men-generate modal analisis, program SACS menggunakan modul Dynamic- Extract Mode Shape untuk membaca file input dinamik (dyn.input). Cara dan input yang digunakan sama dengan analisis modal untuk analisis inplace. 6.2.3 Respon Dinamik Respon dinamik struktur dilakukan dengan program SACS menggunakan modul Dynamic- Earthquake. Analisis yang digunakan menggunakan metoda Respon Spektra berdasarkan peraturan API RP2A edisi ke 20. Respon platform terhadap spektrum gempa harus berdasarkan atas mode shapes dan perioda natural dari analisis modal. Diperlukan minimal 95% partisipasi massa struktur yang tergambar dari banyaknya mode shape yang dianalisis pada analisis modal. Metoda yang digunakan untuk modal combination adalah CQC (Complete Quadratic Combination) dengan arah 1.0, 1.0, dan 0.5 berturut-turut untuk arah X, Y, dan Z. Sementara itu metoda SRSS (Square Root Sum Square) digunakan untuk menghitung respon pada ketiga arah spektra. Faktor redaman global sebesar 5% digunakan untuk semua analisis mode shape. Jenis Tripod di Selat Makassar 6-5
Modul respon dinamik ini juga memiliki kemampuan untuk mengkombinasikan hasil analisis statik sebagai bagian dari analisis seismik dengan perintah STCOMB. Dengan demikian akan dibentuk dua kondisi pembebanan final yaitu beban statik ditambah beban aksial maksimum dari analisis respon dinamik serta beban statik ditambah beban aksial minimum dari analisis respon dinamik. Analisis seismik ini dilakukan dengan proses iterasi load factor SUPX dan SUPY pada tahap linearisasi pondasi agar mendapatkan kekonvergenan dari base shear. Nilai base shear yang konvergen akan sama besar dengan beban kombinasi arah horizontal struktur. 6.3 Hasil Analisa Seismik 6.3.1 Rasio Tegangan Member (Unity Check) Rasio tegangan merupakan perbandingan antara tegangan aktual member dengan tegangan izin. Ringkasan rasio tegangan member untuk analisis seismik pada strength dan ductility diberikan pada Tabel 6.2 dan 6.3. Tabel 6.2 Rasio Tegangan Maksimum Hasil Analisa Seismik Untuk Kondisi Strength Lokasi Deskripsi Member Grup Jacket Dek Horizontal Framing UC Max Member EL. +2.50 ft 1203-1185 A74 0.01 EL. -22.50 ft 699L-601L A61 0,07 EL. 52.50 ft 1098-1091 A53 0,05 EL. 87.50 ft 1068-1069 A43 0.05 EL. - 127.50 ft 1020-1037 A33 0,06 EL. - 174.50 ft 299L-219L A21 0,06 EL. - 194.50 ft (mudline) 119L-199L A11 0,05 Diagonal Bracing EL. +2.50 ft to EL. -22.50 m 619L-799L K06 0.11 EL. 22.50 ft to EL. 52.50 ft 519L-699L K05 0.10 EL. 52.50 ft to EL. 87.50 ft 401L-599L K04 0.11 EL. - 87.50 ft to EL. -127.50 ft 319L-499L K03 0.10 EL. - 127.50 ft to EL. -174.50 ft 399L-201L K02 0.11 EL. - 174.50 ft to EL. -194.50 ft 1032-219L K01 0.03 Jacket Leg 599L-699L L4B 0.09 Cellar Deck (EL. +15.00 ft) 1221-1294 CD1 0.12 Main Deck (EL. +34,06 ft) 1388-1226 MD1 0.70 Deck Support A037-1223 T01 0.10 Jenis Tripod di Selat Makassar 6-6
Tabel 6.3 Rasio Tegangan Maksimum Hasil Analisa Seismik Untuk Kondisi Ductility Lokasi Deskripsi Member Grup Jacket Dek Horizontal Framing UC Max Member EL. +2.50 ft 701L-1166 A71 0.19 EL. -22.50 ft 699L-601L A61 0.13 EL. 52.50 ft 1098-1091 A53 0.11 EL. 87.50 ft 1068-1069 A43 0.10 EL. - 127.50 ft 1020-1037 A33 0.12 EL. - 174.50 ft 299L-219L A21 0.11 EL. - 194.50 ft (mudline) 119L-199L A11 0.09 Diagonal Bracing EL. +2.50 ft to EL. -22.50 m 619L-799L K06 0.20 EL. 22.50 ft to EL. 52.50 ft 519L-699L K05 0.18 EL. 52.50 ft to EL. 87.50 ft 401L-599L K04 0.19 EL. - 87.50 ft to EL. -127.50 ft 319L-499L K03 0.18 EL. - 127.50 ft to EL. -174.50 ft 399L-201L K02 0.21 EL. - 174.50 ft to EL. -194.50 ft 1032-219L K01 0.05 Jacket Leg 599L-699L L4B 0.16 Cellar Deck (EL. +15.00 ft) 1221-1294 CD1 0.18 Main Deck (EL. +34,06 ft) 1388-1226 MD1 0.71 Deck Support A037-1223 T01 0.12 Tidak ada kenaikan batas izin tegangan pada perhitungan rasio tegangan untuk kondisi strength maupun ductility level. Dari tabel diatas dapat dilihat bahwa semua member pada jacket dan dek memiliki rasio tegangan dibawah 1.0, artinya tegangan yang terjadi pada member-member tersebut berada dibawah tegangan izin seperti yang tercantum dalam API RP2A edisi 21. Member dengan rasio tegangan tertinggi terjadi pada member 1388-1226 pada main deck dengan rasio tegangan sebesar 0.71. Secara umum dapat dikatakan bahwa seluruh member pada platform ini dapat bertahan terhadap gaya yang terjadi akibat beban gempa dengan perioda ulang 200 tahun (Strength Level) dan 2000 tahun (Ductility Level). Beban gempa ini tergolong kedalam gempa kecil dan sedang. Pada kondisi ini, struktur diharapkan tahan terhadap gempa dan masih berperilaku linier. Jenis Tripod di Selat Makassar 6-7
6.3.2 Rasio Tegangan Sambungan Tubular Hasil run program SACS berupa rasio kekuatan sambungan antar elemen tubular dengan dasar tegangan punching shear akan ditampilkan berikut ini. Ringkasan tegangan maksimum sambungan tubular untuk strength dan ductility level diberikan pada Tabel 6.4 dan 6.5 berikut : Tabel 6.4 Rasio Tegangan Maksimum Sambungan Strength Level Seismic Elevasi Sambungan UC Max Sambungan EL. +2.50 ft 701L 0,141 EL. -22.50 ft 699L 0,117 EL. 52.50 ft 599L 0,425 EL. 87.50 ft 499L 0,401 EL. - 127.50 ft 319L 0,499 EL. - 174.50 ft 299L 0,449 EL. - 194.50 ft (mudline) 199L 0,217 Tabel 6.5 Rasio Tegangan Maksimum Sambungan Ductility Level Seismic Elevasi Sambungan UC Max Sambungan EL. +2.50 ft 701L 0,273 EL. -22.50 ft 699L 0,219 EL. 52.50 ft 599L 0,842 EL. 87.50 ft 499L 0,788 EL. - 127.50 ft 319L 0,982 EL. - 174.50 ft 299L 0,925 EL. - 194.50 ft (mudline) 199L 0,444 Member yang memiliki rasio tegangan dibawah 1.0 artinya tegangan yang terjadi pada jointjoint tersebut berada dibawah tegangan izin punching seperti yang tercantum dalam API RP2A edisi 21. Tidak ada kenaikan batas tegangan izin pada kondisi ini. Dapat dilihat bahwa sambungan yang rasio tegangannya lebih dari 1.0 pada ductility level adalah sambungan yang pada strength level juga memiliki rasio tegangan lebih dari 1.0. Hal ini cukup wajar mengingat beban gempa pada ductility level lebih besar dibandingkan pada strength level sehingga rasio tegangan yang dihasilkan pun akan lebih besar. Jenis Tripod di Selat Makassar 6-8
Sambungan dengan rasio tegangan punching shear kurang dari 1.0 dapat dikatakan aman dan kuat terhadap beban gempa sedangkan sambungan dengan rasio tegangan lebih dari 1.0 perlu diperkuat. Sambungan dapat diperkuat dengan mempertebal wall thicknes, memberikan perkuatan dengan baja tubular atau gusset. 6.3.3 Faktor Keamanan Pile Hasil run program SACS berupa rasio tegangan dan faktor keamanan untuk pile akan diberikan pada pembahasan berikut. Ringkasan rasio tegangan maksimum dan faktor keamanan pile untuk kondisi strength level diberikan pada Tabel 6.6 dan Tabel 6.7. Tabel 6.6 Rasio Tegangan Pile Maksimum Strength Level Tabel 6.7 PILE JOINT PILE JOINT Kedalaman (ft) Unity Check 101P 15,1 0,219 119P 15,1 0,202 199P 15,1 0,312 Faktor Keamanan Pile Strength Level Safety Factor Compression Tension 101P 10,192 0,0 119P 10,794 0,0 199P 5,397 0,0 Tabel 6.6 menunjukkan rasio tegangan maksimum yang terjadi pada pile. Dapat dilihat bahwa rasio tegangan pile besarnya sekitar 1.0 dengan nilai maksimum 0.312 yang terjadi pada joint pile 199P di kedalaman 15.1 ft dibawah mudline. Nilai mksimum UC ini masih tergolong aman karena nilainya lebih kecil dari 1.0 Tabel 6.7 menunjukkan faktor keamanan maksimum yang terjadi pada pile. Nilai faktor keamanan merupakan perbandingan antara kapasitas aksial pile dengan beban maksimum yang bekerja. Nilai faktor keamanan yang terjadi untuk seluruh pile besarnya diatas 1.50 seperti yang disyaratkan API RP2A untuk kondisi strength level, artinya beban yang bekerja masih dibawah kapasitas pile dalam menahan beban. Pile juga dianalisis terhadap beban gempa pada ductility level. Ringkasan rasio tegangan maksimum dan faktor keamanan pile untuk kondisi ductility level diberikan pada Tabel 6.8 dan Tabel 6.9. Jenis Tripod di Selat Makassar 6-9
Tabel 6.8 Rasio Tegangan Pile Maksimum Ductility Level Tabel 6.9 PILE Kedalaman Unity JOINT (m) Check 101P 17,3 0,413 119P 17,3 0,395 199P 17,3 0,590 PILE JOINT Faktor Keamanan Pile Ductility Level Safety Factor Compression Tension 101P 5,733 0,0 119P 5,912 0,0 199P 3,200 0,0 Nilai rasio tegangan pada Tabel 6.8 telah memperhitungkan kenaikan batas tegangan izin sebesar 70 % untuk kondisi ductility level. Dapat dilihat bahwa rasio tegangan maksimum yang terjadi nilainya 0.590, yang masih berada dibawah rasio tegangan maksimum yang diizinkan yaitu 1.0. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan yang terjadi pada pile masih pada kapasitas tegangan izin. Tabel 6.9 menunjukkan faktor keamanan pile pada ductility level. Berdasarkan API RP2A edisi 21, faktor keamanan minimum untuk ductility level adalah 1.50. Untuk itu, pile pada anjungan ini masih memenuhi batas yang disyaratkan. 6.3.4 Base Shear Base shear merupakan total gaya gempa yang terjadi pada struktur yang bekerja di permukaan tanah. Gaya gempa pada dasarnya merupakan gaya inersia yang terjadi karena adanya percepatan gempa yang bekerja pada massa struktur. Base shear diperoleh dengan menjumlahkan gaya inersia struktur pada seluruh mode yang ditinjau pada arah X, Y, dan Z dengan metoda tertentu, dalam hal ini CQC (Complete Quadratic Combination). Besarnya base shear akibat gempa disajikan pada Tabel 6.10 berikut ini : Tabel 6.10 Base Shear Akibat Gempa Base Shear Arah X (kips) Arah Y (kips) Strength Level 64,2 0,841 Ductility Level 132 1,72 Jenis Tripod di Selat Makassar 6-10
Base shear ductility level besarnya sekitar dua kali lipat base shear strength level. Hal ini memungkinkan terjadi karena PGA (Peak Ground Acceleration) kondisi ductility level sebesar 0.2 g lebih besar daripada untuk strength level sebesar 0.1 g. Base shear ini akan didistribusikan ke massa strukutur menjadi beban gempa. Jenis Tripod di Selat Makassar 6-11