PROKONS: Jurnal Teknik Sipil ISSN: 1978-1784 Vol. 10, No. 1 (Februari), Halaman 49 55 PERILAKU GEMPA AKIBAT PENGARUH PERGERAKAN TANAH DAN PERGERAKAN PATAHAN PADA JEMBATAN RANGKA PELENGKUNG Evi Nur Cahya Teknik Pengairan, Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Abstrak Studi ini membahas tentang analisis respon dinamik perilaku gempa pada jembatan rangka pelengkung sebagai akibat dari pengaruh pergerakan tanah dan patahan. Data gempa didapat dari integral waktu gelombang respon percepatan gempa Jiji Taiwan pada tahun 1999 yang kemudian diaplikasikan kepada struktur jembatan rangka pelengkung untuk diteliti perilaku responsnya. Analisis respons dinamik dibuat menggunakan gerakan tanah pada saat gempa pada arah transversal dan longitudinal, bersamaan dengan pergerakan patahan pada arah vertical dan transversal, untuk meneliti perilaku gempa dari model jembatan baja pelengkung yang digunakan. Model analitis dengan sejarah waktu (time history) disimulasikan menggunakan model 3D dengan program ABAQUS. Berdasarkan hasil analisis, perilaku respons dari kedua kasus pada arah transversal dan longitudinal akibat akselerasi menunjukkan bentuk respons yang sedikit berbeda. Selain, itu juga ditemukan bahwa elemen struktur yang mengalami plastis berkumpul pertemuan antara rangka utama jembatan pelengkung dan girder pengakunya. Kata kunci: perilaku gempa, pergerakan tanah, pergerakan patahan (inland fault displacement), jembatan pelengkung rangka batang. Pendahuluan Studi ini didasari oleh perlunya menyusun metode yang mempertimbangkan efek dari pergerakan patahan untuk meneliti perilaku gempa yang dikembangkan dari analisis dinamik nonlinier untuk desain jembatan pelengkung rangka batang, terutama pada daerah-daerah yang cenderung mempunyai banyak patahan (in-land fault). Seperti yang terjadi di Kumamoto Perfecture, Japan, beberapa saat lalu, yang menyebabkan perpindahan dalam arah vertikal maupun horisontal pada suatu luasan lahan akibat adanya gempa yang terjadi. Selain itu, sangat penting untuk membangun jembatan baja rangka pelengkung yang memiliki kapasistas gempa yang cukup tinggi dengan biaya minimum. Jembatan rangka pelengkung merupakan satu di antara jembatan pelengkung yang memiliki perilaku yang kompleks bila dipengaruhi oleh gempa bersamaan dengan pergerakan patahan. Bagaimanapun juga, perilaku gempa dan kegagalan untuk jembatan rangka pelengkung belum diteliti lebih dalam dan hanya sedikit studi yang telah ada yang mempertimbangkan analisis gempa nonlinier akibat pergerakan patahan. Studi ini menjelaskan perilaku gempa dengan analisis respons dinamik pada jembatan rangka pelengkung yang dipengaruhi oleh gerakan gempa dan gerakan patahan secara bersamaan. Analisis Respons Gempa Model Rangka Teoritis Model rangka teoritis yang dipelajari di sini bersesuain dengan jembatan rangka pelengkung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, di mana 11 kolom vertikal dengan tumpuan sendi-sendi dihubungkan pada rangka pelengkung pada kedua ujungnya. Pelengkung mempunyai panjang bentang (l) 106 m dan tinggi pelengkung (f) adalah 22 m. Axis global batang rangka pelengkung juga ditunjukkan pada Gambar 1 di mana b dan L adalah lebar girder pengaku dan bentang lantai kendaraan. Potongan melintang dari masing-masing profil untuk elemen vertikal dan elemen lateral adalah persegi dan profil I, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 1. Model rangka teoritis
(a) (b) (c) Gambar 2. Potongan melintang elemen struktur (a) Arch rib (rangka utama pelengkung) (b) Vertical column (kolom vertikal) (c) Lateral member (batang lateral) Model ini diasumsikan tidak menerima tegangantegangan sisa dan tidak mempunyai cacat awal. Material baja yang digunakan dalam analisis ini adalah baja tipe SM490Y (JIS) dengan tegangan leleh sebesar ( y) of 353 MPa and modulus Young E sebesar 206 GPa. Rasio tinggi lengkung dibanding bentang (f/l) diambil sebesar 0.21 sesuai dengan kondisi jembatan rangka pelengkung yang sesungguhnya. Data Masukan Gelombang Gempa dan Pergerakan Patahan Gelombang gempa yang digunakan dalam analisi ini ditunjukkan pada Gambar 3. Gelombang pergerakan patahan diperoleh dari integral waktu gelombang akselerasi pergerakan tanah yang disimulasikan dari gempa Jiji Taiwan 1999. Untuk gempa Jiji Taiwan 1999 Untuk data masukan gelombang gempa Taiwan Jiji tahum 1999, pergerakan patahan relatif setelah gempa dimasukkan dalam perhitungan. Ada tiga data gelombang pergerakan patahan yang digunakan dalam analisis ini, yaitu TCU68EW2-3, TCU68EW2-5 dan TCU68EW2-6, seperti ditunjukkan dalam Gambar 4. Kurva perpindahan relatif didapatkan dari dua data gelombang pergerakan patahan, dan perpindahan relatif maksimum adalah tiga meter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Pada analisis respons dinamik, kedua data gelombang gempa dan data gelombang pergerakan patahan dimasukkan dalam perhitungan untuk mensimulasi pergerakan pada kedua ujung girder pengaku (stiffened girder) dan pada ujung pelengkung (arch springing). Gambar 3. Data masukan akselerasi gempa Jiji 1999 Gambar 4. Data masukan pergerakan patahan gempa Jiji 1999 Gambar 5. Kurva perpindahan relatif untuk dua data pergerakan patahan yang berbeda Eigenvalue Analysis Eigenvalue analysis dilakukan untuk mengetahui pengaruh rangka pelengkung utama dan girder pengaku pada periode alami model jembatan rangka pelengkung yang bersangkutan. Untuk mengetahui karakteristik dinamik dasar, tabel 1 menggambarkan periode alami dan rasio massa efektif pada tiap mode predominan yang digunakan dari program ABAQUS. Rasio massa efektif maksimum yang diperoleh pada arah X, Y, Z menggambarkan urutan periode alami yang dominan. Matriks Redaman dan Analisis Numerik Analisis numerik dilakukan dengan menggunakan Newmark-β method (β = 0.25) di mana persamaan gempa diintegrasi berdasarkan waktu dengan memasukkan pengaruh non-linieritas geometris. Pada 50
model yang digunakan diberikan kenaikan waktu konstan 0.01 detik dan massa serta model redaman (Rayleigh type) dikalibrasi pada kekakuan awal. Analisis respons gempa dengan input akselerasi gempa dan beban mati konstan diberikan menggunakan program FEM non linier ABAQUS, yang mampu memperhitungkan non-linieritas geometris dan material. Tabe1 1. Hasil eigenvalue analysis Frekuensi Periode Urutan Alami Alami Periode (Hz) (sec) Rasio massa efektif (%) X Y Z 1 1.0341 0.9670 74 0 0 2 1.9767 0.5059 0 0 75 3 2.6452 0.3780 0 0 0 4 2.6452 0.3780 0 0 0 5 3.3823 0.2957 0 0 0 6 3.7199 0.2688 26 0 0 7 4.1054 0.2436 0 0 25 8 4.1988 0.2382 10 0 0 0 9 5.0428 0.1983 0 0 0 10 5.2847 0.1892 0 0 0 Perilaku Respons Pergerakan Patahan Analisis dinamik jembatan rangka pelengkung dilakukan dalam analisis integrasi langsung. Dalam analisis ini, gelombang gempa diinput pada arah longitudinal dan transversal dengan program ABAQUS. Kasus-kasus yang dibahas dalam studi ini dijelaskan dalam Tabel 2. Tabel 2. Kasus-kasus dalam analisis Kasus Arah pergerakan Arah akselerasi patahan gempa I-a Y X I-b Y Z II-a Z X II-b Z Y Dengan menggunakan data akselerasi untuk arah longitudinal dan data pergerakan patahan dari gempa Jiji 1999, dengan damping ratio (h) = 0.03, perpindahan longitudinal (arah X) and perpindahan sebidang jembatan/in-plane displacement (arah Y) telah diteliti pada puncak pelengkung, pada kasus aplikasi pergerakan patahan dalam arah Y (Kasus I). Gambar 6 dan Gambar 7 menunjukkan respons perpindahan yang diperoleh dari analisis dinamik dalam arah X (dalam arah akselerasi) dan dalam arah Y (dalam arah pergerakan patahan) dalam kasus I-a. Analisis dinamik juga diberikan dalam arah transversal dengan prosedur yang sama untuk kasus I- b. Perpindahan transversal (arah Z) dan perpindahan sebidang jembatan/in-plane (arah Y) telah diteliti pada puncak pelengkung. Gambar 8 dan Gambar 9 menunjukkan respons perpindahan yang diperoleh dari analisis dinamik pada arah Z (dalam arah akselerasi) dan arah Y (dalam arah pergerakan patahan) yang menjadi masalah dalam kasus I-b. Gambar 6. Respons waktu (time history) vs. perpindahan dalam arah X (dalam arah akselerasi) dalam kasus I-a Gambar 7. Respons waktu (time history)vs. perpindahan dalam arah Y (dalam arah pergerakan patahan) dalam kasus I-a 51
Gambar 8. Respons waktu (time history)vs. perpindahan dalam arah Z (dalam arah akselerasi) dalam in kasus I-b Gambar 9. Respons waktu (time history)vs. perpindahan dalam arah Y (dalam arah pergerakan patahan) dalam kasus I-b Pada kasus aplikasi pergerakan patahan dalam arah Z (kasus II), dengan akselerasi pada arah longitudinal (arah X) dan arah sebidang jembatan/in-plane (arah Y), hasil analisi dapat dilihat pada Gambar 10 hingga Gambar 13. Gambar 10. Respons waktu (time history)vs. perpindahan dalam arah X (dalam arah akselerasi) dalam kasus II-a 52
Gambar 11. Respons waktu (time history)vs. perpindahan dalam arah Z (dalam arah pergerakan patahan) dalam kasus II-a Gambar 12. Respons waktu (time history)vs. perpindahan dalam arah Y (dalam arah akselerasi) dalam kasus II-b Gambar 13. Respons waktu (time history)vs. perpindahan dalam arah Z (dalam arah pergerakan patahan) dalam kasus II-b 53
(a) (b) Gambar 14. Rasio platis maksimum dan minimum respons regangan / y pada (a) girder pengaku (b) rangka pelengkung utama (untuk akselerasi dalam arah longitudinal) (a) (b) Gambar 15. Rasio platis maksimum dan minimum respons regangan / y pada (a) girder pengaku (b) rangka pelengkung utama (untuk akselerasi dalam arah transversal) Berdasarkan hasil analisis, diketahui bahwa elemen plastis terjadi dan berkumpul pada pertemuan interseksi antara rangka pelengkung utama dengan girder pengaku.dan hal ini terjadi diakibatkan oleh deformasi yang cukup besar pada zona interseksi ini. Dari gambar, dapat dilihat pula bahwa baik girder pengaku maupun rangka pelengkung utama pada akselerasi dalam arah longitudinal menghasilkan respons regangan yang lebih besar bila dibandingkan dnegan hasil dari respons regangan pada kasus akselerasi dalam arah transversal. Hal ini dipengaruhi oleh kekakuan struktur dalam kedua arah yang bersangkutan. Kesimpulan Perilaku gempa pada jembatan rangka pelengkung akibat adanya pergerakan tanah dalam arah longitudinal dan transversal secara bersamaan dengan pergerakan patahan pada arah transversal dan dalam arah bidang memanjang jembatan rangka diamati dengan analisis respons dinamik. Kesimpulan dari studi ini dijelaskan sebagai berikut: 1. Arah pergerakan patahan memberikan pengaruh yang dominan pada kerusakan model jembatan rangka pelengkung 2. Dari hasil analisis yang diperoleh, dapat dilihat bahwa elemen plastis yang terjadi terkumpul di dekat pertemuan antara rangka pelengkung utama dan girder pengaku dalam arah longitudinal dan transversal. Hal ini diakibatkan oleh deformasi yang sangat besar pada zona pertemuan interseksi ini. 3. Perpindahan maksimum terjadi pada respons perpindahan dalam gelombang gempa arah longitudinal. Dan jembatan rangka pelengkung mengalami keruntuhan pada perpindahan relatif tiga meter dalam gelombang gempa ini karena tegangan maksimum yang terjadi telah melebihi tegangan leleh material penyusun rangkanya. Daftar Pustaka T. Yamao, T. Sho, S. Murakami and T. Mazda, Seismic behavior and evaluation of seismic performance of half through steel arch bridges subjected to fault displacement, Journal of Seismic Engineering, 2007, 317-324 F. Chandra, S. Atavit and T. Yamao, Seismic behavior and a performance evaluation of deck-type steel arch bridges under the strong earthquakes, The 5th International Symposium on Steel Structures, Seoul, Korea, 2009, 388-395. Japan Road Association, Specifications for Highway Bridges, Part V-Seismic Design, Japan, 2012. Japan Society of Civil Engineering (1999), The 1999 54
Ji-Ji Earthquake, Taiwan Investigation into Damage to Civil Engineering Structures. Somerville, P. (2001), Characterizing Near Fault Ground Motion For the Design and Evaluation of Bridges. USA. Nakano, T and Ohta, Y. (2008). Non-linear Dynamic Response Analysis of Bridge crossing Earthquake Fault Rupture Plane. The 14th World Conference on Earthquake Engineering, China. Fukumoto, Y. and Sakimoto, T., Structural Stability and Design, Ch. 9., Arches, British, Pergamon, 1997. Trahair, N.S., Bradford, M.A. and Nethercot, D.A., The Behaviour and Design of Steel Structures to BS5950, Third edition, British, Spon Press, 2001. Abaqus 6.11, Abaqus/CAE User s Manual, Dassault Systèmes Simulia Corp., Providence, RI, USA, 2011. 55