Vol. 4, No., Oktober 5, Halaman: - 6, ISSN: 97-447 (Print), ISSN: 477-4863 (Online) Alamat Website: http://cantilever.unsri.ac.id ANALISIS STRUKTUR RANGKA BAJA MENGGUNAKAN BASE ISOLATION DENGAN TIME HISTORY ANALYSIS Saloma Jurusan Teknik Sipil, Universitas Sriwijaya (Jl. Raya Palembang - Prabumulih KM 3 Inderalaya, Ogan Ilir, Sumatera Selatan) E-mail: saloma_57@yahoo.co.id Abstract This paper discussed the usage of base isolation in the form of leading rubber bearing which is applicated on steel structure of five floor. The analysis is done on steel structure by using base isolation. It is compared with steel structure without base isolation. The usage of base isolation on steel structure with loading earthquake can reduce response structure either displacement, velocity or accelaration. Key Words: base isolation, lead-rubber bearing.. PENDAHULUAN Seiring perkembangan teknologi perencanaan struktur tahan gempa, telah dikembangkan suatu pendekatan desain alternatif untuk mengurangi resiko kerusakan bangunan tahan gempa, dan mampu mempertahankan integritas komponen struktural dan non struktural terhadap gempa kuat. Pendekatan desain ini bukan dengan cara memperkuat struktur bangunan, tetapi dengan mereduksi gaya gempa yang bekerja pada bangunan. Sistem kontrol pada struktur terdiri dari sistem kontrol pasif dan sistem kontrol aktif. Sistem kontrol pasif bekerja tanpa menggunakan tambahan energi luar, sehingga gaya kontrol hanya dapat memberikan respon pada struktur dalam batasan tertentu. Walaupun demikian, penggunaan sistem ini masih diminati karena kemudahan pengerjaan dan ketahanannya. Selain itu, penerapan sistem kontrol pasif tidak beresiko menimbulkan kondisi yang tidak stabil pada struktur. Sistem kontrol pasif dibedakan atas sistem isolasi gempa (seismic isolation system) seperti elastomeric bearings, lead rubber bearings, sliding friction pendulum dan alat penyerap energi mekanik (passive energy dissipation devices) seperti tuned mass dampers, tuned liquid dampers, metallic dampers, viscoelastic dampers, dan viscous fluid dampers. Sedangkan sistem kontrol aktif bekerja menggunakan tambahan energi luar, sehingga mekanisme kerjanya lebih efektif bila dibandingkan dengan kontrol pasif. Hal ini dikarenakan sistem kontrol aktif dapat memberikan gaya kontrol pada parameter struktur seperti perpindahan, kecepatan dan percepatan sampai batasan tertentu. Beberapa contoh sistem kontrol aktif yaitu active bracing systems, active mass dampers, variable stiffness atau damping systems, smart material dan aktif tendon. Keunggulan masing-masing sistem kontrol tentunya memberikan pilihan bagi para engineer untuk mengaplikasikannya pada bangunan struktural. Walaupun teknologi kontrol yang banyak berkembang pada abad ke- adalah sistem kontrol aktif dan hybrid, namun penggunaan sistem kontrol pasif masih menjadi alternatif yang lebih relevan dikarenakan total biaya konstruksi yang lebih murah dan pemasangan alat yang lebih sederhana. Paper ini menganalisis tentang base isolation sebagai peredam gempa secara pasif pada struktur rangka baja 5 lantai. Tujuan utama paper ini adalah membandingkan perilaku struktur baik yang menggunakan base isolation maupun tanpa base isolation. Perbandingan dilakukan dengan melihat hasil displacement, kecepatan dan percepatan struktur dengan time history analysis.
Saloma / Analisis Struktur Rangka Baja Menggunakan Base Isolation / Cantilever, Vol. 4, No., Oktober 5 ( 6). TINJAUAN PUSTAKA () Pemodelan Base isolation Perilaku hubungan gaya dan perpindahan pada isolator seperti ditunjukkan pada Gambar. [ M]{ && x} + [ C]{ x& } + [ K]{ x} = && x [ M]{} g (5) Gambar. Model struktur MDOF dengan base isolation Gambar. Pemodelan hysteresis bilinier Dalam analisis struktur, isolator dapat dimodelkan sebagai model linier atau bi-linier. Untuk analisis linier digunakan kekakuan efektif, sedangkan untuk analisis nonlinier ada tiga parameter yang menentukan karakteristik dari isolator, yaitu: kekakuan awal, kekakuan pasca leleh, dan perpindahan leleh. Hubungan parameter ini diberikan seperti pada persamaan berikut: Q k eff = k p + () D Q D y = () k k y e p p F = Q+ k D (3) dimana: D = perpindahan maksimum yang terjadi pada isolator Q = kekuatan karakteristik Effective damping didapat sebagai berikut: E D β eff = (4) πk D dimana: E D = Energi dissipasi per cycle (luas kurva hysterisis E = 4Q D D eff loop) yaitu D ( y) () Persamaan Gerak MDOF pada Gedung dengan Base isolation Model struktur multi degree of freedom terdapat pada Gambar. Persamaan (5) menyatakan persamaan gerak MDOF pada gedung dengan base isolation: y m m O M M = m m L O sym mn m n c+ c c c c3 + O M C = cm+ cm+ L O sym cn + cn cn c n k+ k k k k3 + O M K = k m+ k m+ L O sym k n + k n k n k n { x} T = { x x K x K x x } m n n { x& } T = { x& x& K x& K x& x& } m n n {&& x} T = {&& x && x K && x K && x && x } { x} = [ Φ]{ x' } m n n
Saloma / Analisis Struktur Rangka Baja Menggunakan Base Isolation / Cantilever, Vol. 4, No., Oktober 5 ( 6) φ φ K φ K φ φ φ φ K φ K φ φ K K K K K K K Φ = φ φ K φ K φ φ K K K K K K K φ φ K φ K φ φ φ φ K φ K φ φ,,,m,n,n,,,m,n,n m, m, m,m m,n m,n n, n, n,m n,n n,n n, n, n,m n,n n,n 3. Shear yield force pada masing-masing arah = 7 kips. 4. Perbandingan post yield shear stiffness dan initial shear stiffness,. [ M][ Φ ]{&& x '} + [ C][ Φ ]{ x & '} + [ K][ Φ ]{ x '} = && x [ M]{} g 3. MODEL STRUKTUR Kasus I. Struktur rangka baja tanpa base isolation Data struktur:. Jenis struktur rangka baja. Bentang per portal = 8 m 3. Tinggi per lantai = 3,5 m 4. Dimensi balok = W7x94, kolom = Wx48 Data material:. Baja: Berat jenis = 785kg/m 3 E =. MPa f y = 4 MPa f u = 37 MPa. Beton: Berat jenis = 4 kg/m 3 f c = 3 MPa Gambar 3. Model struktur rangka baja tanpa base isolation Kasus II. Struktur rangka baja dengan base isolation Data struktur:. Jenis struktur rangka baja. Bentang per portal = 8 m 3. Tinggi per lantai = 3,5 m 4. Dimensi balok = W7x94, kolom = Wx48 Data material:. Baja: Berat jenis = 785kg/m 3 E =. MPa f y = 4 MPa f u = 37 MPa. Beton: Berat jenis = 4 kg/m 3 f c = 3 MPa Rubber Isolator properties:. Vertikal (axial) stiffness =. k/in (linier). Initial shear stiffness pada masing-masing arah = k/in. Gambar 4. Model struktur rangka baja dengan base isolation 4. HASIL DAN PEMBAHASAN () Modal Periods and Frequencies Tabel dan memperlihatkan periode struktur hasil analisis untuk struktur dengan base isolation dan tanpa base isolation. Model struktur tanpa base isolation memiliki periode maksimum 4,96 detik, hal ini menjadi dasar memberikan tambahan base isolation sehingga periode maksimum menjadi,9 detik.
Saloma / Analisis Struktur Rangka Baja Menggunakan Base Isolation / Cantilever, Vol. 4, No., Oktober 5 ( 6) Tabel. Periode dan frekuensi struktur tanpa base isolation Mode Period (detik) Frequency (Cyc/detik) CircFreq (rad/detik) Eigen value rad /sec 4.96.3.78.634 4.863.6.9.669 3 4.79.34.469 4.55.85.44 3 5.337.97 8.67 349 6.39 3.43 9. 366 7.55 3.94 4.654 68 8.58 6.333 39.79 583 9.3 9.678 6.87 3698.9.6 69.499 483.76 3.8 8.36 6783.44.58 4.89 3 Tabel. Periode dan frekuensi struktur dengan base isolation Mode Period (detik) Frequency (Cyc/detik) CircFreq (rad/detik) Eigen value rad/sec.9.97 6.6 37.87.537.86.699 36.86 3.35.859 7.963 3.66 4.9 4.56 8.657 8. 5.75 5.7 35.943 9.9 6.65 6.48 38. 444. 7. 9.8 6.7 388. 8.86.636 73.3 5345.5 9.75 3.363 83.963 749.7.69 4.574 9.573 8385.6.6 6.644 4.58 936.8 35.48.47 4949 () Response Struktur Hasil analisis perbandingan sistem struktur dengan dan tanpa base isolation dilakukan pada arah x dan y. Parameter yang diperiksa adalah perpindahan antar lantai, percepatan pada lantai, dan gaya geser dasar. Berdasarkan gaya geser yang terjadi, sistem struktur dengan base isolation mampu menyerap energi gempa tambahan hingga empat kali jika dibandingkan dengan sistem biasa. Hal ini dapat dilihat dengan periode struktur yang semakin kaku dari 4,96 detik menjadi,9 detik. Perilaku struktur dengan base isolation memberikan kinerja yang lebih baik dibandingkan struktur tanpa base isolation. Hal ini dikonfirmasi oleh tingkat perpindahan lantai maupun antar lantai yang lebih kecil. Hasil analisis struktur dengan base isolation dan tanpa base isolation dapat dilihat pada Tabel 3 dan 4. Parameter yang dianalisis adalah displacements antar lantai, kecepatan dan percepatan pada lantai. Selanjutnya, grafik hubungan antara displacements vs waktu, kecepatan vs waktu dan percepatan vs waktu pada masing-masing lantai dapat dilihat pada Gambar 5 sampai 9. 3 4 5 3 4 5 Lantai Tabel 3. Response struktur dengan base isolation Displacements (mm) Respon struktur base isolation Kecepatan (mm/detik) Percepatan (mm/detik ) Maks.84 3.83 9.68 Min -3. -3.3 -.46 Maks 7.64 37.44 93.795 Min -3.856-3.747-99.47 Maks 45.97 378.779 936.555 Min -48.65-35.7-338.336 Maks 54.66 43.474 95.9 Min -57.337-383.5-349.486 Maks 58. 463.945 38.36 Lantai 5 5 - -5 - Min -6.46-47.44-357.4 Tabel 4. Response struktur tanpa base isolation Respon struktur tanpa base isolation Displacements (mm) Kecepatan (mm/detik) Percepatan (mm/detik ) Maks 34.88 89.63 3634.539 Min -33.793-8.4-377.839 Maks 5.93 53.86 4599.96 Min -4.569-478.9-467.76 Maks 6.68 8.6 543.85 Min -6.36-648.454-377.955 Maks 53.675 887.45 468.35 Min -48.67-78.989-497. Maks 67.5 93.57 5479.88 Min -6.68-79.35-576.66 LANTAI 3 4 5 6-5 TANPA Gambar 5. Respon displacement vs waktu lantai 3
Saloma / Analisis Struktur Rangka Baja Menggunakan Base Isolation / Cantilever, Vol. 4, No., Oktober 5 ( 6) 5 LANTAI, 8 LANTAI 5-5 - -5-3 4 5 6 TANPA 6 4 - -4-6 -8 -, 3 4 5 6 TANPA Gambar 6. Respon displacement vs waktu lantai Gambar. Respon kecepatan vs waktu lantai 5 LANTAI 3, 8 LANTAI 5-5 - -5-3 4 5 6 TANPA 6 4 - -4-6 -8 -, 3 4 5 6 TANPA Gambar 7. Respon displacement vs waktu lantai 3 Gambar. Respon kecepatan vs waktu lantai LANTAI 4, LANTAI 3 5 5-5 - -5-3 4 5 6 TANPA 8 6 4 - -4-6 -8 -, 3 4 5 6 TANPA Gambar 8. Respon displacement vs waktu lantai 4 Gambar. Respon kecepatan vs waktu lantai 3 LANTAI 5, LANTAI 4 5 8 5-5 - -5-3 4 5 6 TANPA 6 4 - -4-6 -8 -, 3 4 5 6 TANPA Gambar 9. Respon displacement vs waktu lantai 5 Gambar 3. Respon kecepatan vs waktu lantai 4 4
Saloma / Analisis Struktur Rangka Baja Menggunakan Base Isolation / Cantilever, Vol. 4, No., Oktober 5 ( 6) LANTAI 4 LANTAI 5, 6 8 45 6 4-3 4 5 6-4 -6-8 3 5-5 3 4 5 6-3 -45 TANPA TANPA -6 -, Gambar 4. Respon kecepatan vs waktu lantai 5 Gambar 8. Respon percepatan vs waktu lantai 4 LANTAI 5 6 45 45 LANTAI 6 3 5-5 3-3 4 5 6 TANPA -45-6 3 5 4 5 6 TANPA -45-6 Gambar 6. Respon percepatan vs waktu lantai LANTAI 3 6 45 3 4 5 6-3 TANPA Berdasarkan perbandingan Gambar 5 9 dapat dijelaskan beberapa analisis terhadap kinerja struktur base isolation, antara lain:. Respon struktur perpindahan, kecepatan, dan percepatan bertambah besar terutama pada lantai atas.. Struktur dengan base isolation membuat kinerja struktur, khususnya perpindahan (displacement) menjadi lebih baik. 3. Struktur dengan base isolation mulai bekerja efektif pada detik ke- eksitasi beban luar. Hal ini dapat diketahui dari response struktur secara umum mengecil setelah detik ke-. Hal yang sama terjadi pada perpindahan yaitu respon semakin mengecil. 4. Penggunaan base isolation menyebabkan respon struktur percepatan dan kecepatan secara umum bertambah, yang membuat struktur tidak nyaman (comfortable) untuk digunakan. 45-3 Gambar 9. Respon percepatan vs waktu lantai 5 6 3 LANTAI -5-6 5-45 Gambar 5. Respon percepatan vs waktu lantai -5 3 3 5-5 3 4 5 (3) Hubungan Gaya Geser Dasar (Base Shear) dan Displacements 6-3 -45-6 TANPA Gambar memperlihatkan respon gaya terhadap deformasi struktur. Dapat dilihat kurva yang dihasilkan pada setruktur dengan base isolation bersifat nonlinier. Hal ini menunjukkan bahwa struktur dengan base isolation menyerap Gambar 7. Respon percepatan vs waktu lantai 3 5
Saloma / Analisis Struktur Rangka Baja Menggunakan Base Isolation / Cantilever, Vol. 4, No., Oktober 5 ( 6) energi lebih besar dibandingkan struktur tanpa base isolation. Base shear - - -8-6 -4-4 6 8-3 Gambar. Hubungan base shear vs displacement pada struktur dengan base isolation (4) Energi Redaman -6-9 - -5 Plot grafik hubungan energi redaman vs waktu dapat dilihat pada Gambar dan. Berdasarkan gambar tersebut dapat diketahui bahwa base isolation bekerja sesuai dengan pemodelan base isolation yang diajukan sebelumnya. Input energy 4 8 6 4 5 9 6 3 Displacement (mm) 5. KESIMPULAN Berdasarkan hasil pemodelan dan analisis yang dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut:. Penggunaan base isolator pada struktur rangka baja yang dikenai beban gempa mampu mereduksi respon struktur baik perpindahan, kecepatan maupun percepatan.. Kinerja struktur yang menggunakan base isolator lebih baik dibandingkan kinerja struktur tanpa base isolator. Hal ini dapat dilihat dari berkurangnya simpangan lantai atau gaya geser akibat beban gempa. 3. Base isolation pada lantai mendisipasi energi lebih besar dari lantai di atasnya. 4. Lokasi penempatan base isolation pada arah x dan y terbukti mampu meningkatkan kinerja struktur. REFERENSI ) Anil K. Chopra, 7, Dynamics of Structures Theory and Application to Earthquake Engineering. Fracklin Y. Cheng, Hongping Jiang, and Kangyu Lou, 8, Smart Structures Innovative Systems for Seismic response Control, CRC Press. 3 4 5 6 7 8 9 Gambar. Hubungan modal damping energy vs waktu Modal damping energy 8 6 4 3 4 5 6 7 8 9 Gambar. Hubungan input energi vs waktu 6