ABSTRAK Interaksi tanah-struktur (ITS) adalah proses pergerakan struktur dan respon tanah yang saling mempengaruhi satu sama lain. Pada pembebanan gempa metode statik, pondasi dimodel sebagai sistem struktur kaku (model kaku), sedangkan dalam interaksi tanah-struktur pondasi dimodel sebagai sistem struktur yang fleksibel (model fleksibel). Pada perencanaan struktur gedung yang dilakukan pada SAP2000, pada umumnya bagian dasar kolom diasumsikan terjepit, padahal pada kenyataanya terdapat pondasi yang menghubungkan struktur dengan tanah. Dilakukan pemodelan pada struktur rangka beton bertulang dengan jumlah tingkat 5 dan diberikan perlakuan yang berbeda pada sub-struktur. Pada model tanpa interaksi tanah-struktur digunakan asumsi model jepit dan model sendi. Pada model dengan interaksi tanah struktur menggunakan elemen spring dan elemen solid untuk merepresentasikan sifat tanah. Gempa yang digunakan adalah gempa statik dan dinamik. Dari hasil analisis dan desain, dapat disimpulkan bahwa model jepit dan sendi menghasilkan perilaku yang sebanding. Begitu juga model spring dan solid menghasilkan perilaku yang sebanding. Pada gempa dinamik model spring menghasilkan simpangan puncak 3,8% lebih besar dari model jepit. Secara keseluruhan model jepit menghasilkan gaya dalam hingga 5% lebih besar dibandingkan model dengan spring, namun pada kolom model spring menghasilkan momen 7,43% lebih besar dari model jepit. Pemodelan interaksi tanah struktur yang menggunakan spring dan solid elemen memiliki tingkat kompleksitas yang relatif tinggi, maka untuk mempermudah pemodelan dengan jumlah tingkat 5 lantai cukup digunakan model jepit atau sendi pada gempa statik dan dinamik, namun secara keseluruhan akan menghasilkan gaya gaya dalam lebih besar dibandingkan model dengan interaksi tanah struktur. Kata kunci: Interaksi tanah-struktur, elemen spring, elemen solid, SAP2000 i
UCAPAN TERIMAKASIH Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa, karena atas berkat rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul Pemodelan Pondasi Tiang Pada Struktur Gedung Dengan dan Tanpa Interaksi Tanah-Struktur. Terselesaikannya Tugas Akhir ini tidak lepas dari dorongan serta bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak Ir. Made Sukrawa, MSCE, Ph.D dan Bapak Made Dodiek W. Ardana, ST, MT selaku dosen yang membimbing dalam pembuatan Tugas Akhir, keluarga, dan teman-teman saya; Cok Aswindya, Dwi Wisnu, Gung Ngurah, dan Dwijaya yang selalu memberikan doa dan dukungan moral untuk penulis. Penulis menyadari bahwa dalam pembuatan Tugas Akhir ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan adanya saran dan kritik yang bersifat konstruktif dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini. Harapannya semoga Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua untuk kedepannya. Bukit Jimbaran, Februari 2017 Penulis ii
DAFTAR ISI ABSTRAK... i UCAPAN TERIMAKASIH... ii DAFTAR ISI... iii DAFTAR GAMBAR...v DAFTAR TABEL... vi DAFTAR NOTASI... vii BAB I PENDAHULUAN...8 1.1 Latar Belakang...8 1.2 Rumusan Masalah...9 1.3 Tujuan Penelitian...9 1.4 Manfaat Penelitian...10 1.5 Batasan Penelitian...10 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... Error! 2.1 Interaksi Tanah-Struktur... Error! 2.2 Penelitian Tentang Interaksi Tanah-Struktur... Error! Bookmark not 2.3 Sifat Elastis Pada Tanah... Error! 2.3.1 Koefisien Reaksi Tanah Dasar dan Modulus Deformasi Tanah Error! 2.3.2 Poisson s Ratio... Error! 2.4 Pemodelan Interaksi Tanah-Struktur... Error! 2.4.1 Pemodelan Daya Dukung Tanah Lateral Sebagai Elemen Spring Error! 2.4.2 Pemodelan Tanah Sebagai Elemen Solid... Error! Bookmark not 2.5 Pembebanan Gempa... Error! 2.5.1 Beban Gempa Statis... Error! 2.5.2 Beban Gempa Dinamis... Error! BAB III METODE PENELITIAN... Error! 3.1 Model Struktur... Error! 3.2 Prosedur Analisis... Error! 3.3 Data-Data Struktur... Error! 3.3.1 Data Material... Error! 3.3.2 Dimensi Struktur... Error! 3.3.3 Pembebanan Gravitasi Struktur... Error! 3.3.4 Pembebanan Gempa... Error! 3.4 Pemodelan Struktur Bawah... Error! 3.4.1 Menentukan Dimensi Pondasi... Error! 3.4.2 Memodel Elemen Spring... Error! 3.4.3 Memodel Elemen Solid... Error! BAB IV PEMBAHASAN... Error! 4.1 Nilai Eo, Kh, dan Kv... Error! 4.2 Perbandingan Perilaku Struktur Pada Gempa Statis... Error! Bookmark not iii
4.2.1 Perbandingan Simpangan... Error! 4.2.2 Drift Ratio... Error! 4.2.3 Perbandingan Gaya-gaya Dalam... Error! 4.3 Perbandingan Perilaku Struktur Pada Gempa Dinamis Error! Bookmark not 4.3.1 Perbandingan Simpangan... Error! 4.3.2 Drift Ratio... Error! 4.3.3 Perbandingan Gaya-gaya Dalam... Error! 4.3.4 Waktu Getar Alami... Error! 4.4 Perbandingan Perilaku Struktur Pada Gempa Statis dengan Dinamis. Error! 4.4.1 Simpangan... Error! 4.4.2 Gaya-gaya dalam... Error! BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... Error! 5.1 Kesimpulan... Error! 5.2 Saran... Error! Daftar Pustaka... Error! LAMPIRAN... Error! A. Data Gempa Desain Spektra Indonesia (Lokasi Denpasar Selatan)... Error! B. Rekaman Gempa El Centro... Error! C. Perhitungan Daya Dukung Pondasi... Error! D. Kontrol Geser Terhadap Pilecap... Error! E. Koreksi Data N SPT... Error! F. Perhitungan Daya Dukung Pondasi Setelah N Dikoreksi... Error! Bookmark not iv
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kekakuan pondasi dan harga k dari tanah pondasi. Error! Bookmark not Gambar 2.2 Bentuk diagram tegangan keruntuhan (bulb pressure)... Error! Gambar 3.1 Dimensi Struktur... Error! Gambar 3.2. Model dengan perlakuan berbeda pada sub-struktur (a) Model Jepit (b) Model Sendi (c) Model Spring (d) Model Solid... Error! Bookmark not Gambar 3.3 Bagan Alir Penelitian... Error! Gambar 3.4 Pendefinisian Auto Lateral Load Pattern... Error! Bookmark not Gambar 3.5 Modifikasi Auto Lateral Load PatternError! Gambar 3.6 Mendefinisikan Sumber Massa... Error! Gambar 3.7 Pendefinisian Fungsi Riwayat Waktu Error! Gambar 3.8 Data Akselerogram Gempa El Centro Error! Gambar 3.9 Grafik Fungsi Riwayat Waktu Gempa El Centro... Error! Bookmark not Gambar 3.10 Data Load Case Riwayat Waktu... Error! Gambar 3.11 Detail ukuran dan jarak tiang (mm). Error! Gambar 3.12 Input nilai Kh pada Elemen Spring.. Error! Gambar 3.13 Input Nilai E dan v pada Elemen Solid... Error! Bookmark not Gambar 3.14 Tampilan keempat model pada SAP2000 (a) model jepit, (b) model sendi, (c) model spring, (d) model solid... Error! Gambar 4.1 Input Nilai Spring Pada Model Spring... Error! Bookmark not Gambar 4.2 Smax Solid Elemen Pada Kedalaman 6 meter. Error! Bookmark not Gambar 4.3 Grafik Perbandingan Simpangan Arah X Pada Gempa Statis... Error! Gambar 4.4 Grafik Perbandingan Simpangan Arah Y Pada Gempa Statis... Error! Gambar 4.5 Drift Ratio 4 model Pada Gempa Statis... Error! Bookmark not Gambar 4.6 Perbandingan Momen Balok 2AB Pada Gempa Statis... Error! Gambar 4.7 Perbandingan Gaya Geser Balok 2AB Pada Gempa Statis... Error! Gambar 4.8 Perbandingan Momen Kolom 2B Pada Gempa Statis... Error! Gambar 4.9 Perbandingan Gaya Geser Kolom 2B Pada Gempa Statis... Error! Gambar 4.10 Perbandingan Gaya Aksial Kolom 2B Pada Gempa Statis... Error! v
Gambar 4.11 Kontur M11 Shell Thick Elemen Model Spring Pada Pilecap Pondasi Pada Gempa Statis... Error! Gambar 4.12 Gaya dalam Pada Pondasi Tiang 1A Pada Gempa Statis... Error! Gambar 4.13 Grafik Perbandingan Simpangan Arah X Pada Gempa Dinamis... Error! Gambar 4.14 Grafik Perbandingan Simpangan Arah Y Pada Gempa Dinamis... Error! Gambar 4.15 Drift Ratio 4 model Pada Gempa Dinamis... Error! Bookmark not Gambar 4.16 Perbandingan Momen Balok 2AB Pada Gempa Dinamis... Error! Gambar 4.17 Perbandingan Gaya Geser Balok 2AB Pada Gempa Dinamis. Error! Gambar 4.18 Perbandingan Momen Kolom 2B Pada Gempa Dinamis... Error! Gambar 4.19 Perbandingan Gaya Geser Kolom 2B Pada Gempa Dinamis.. Error! Gambar 4.20 Perbandingan Gaya Aksial Kolom 2B Pada Gempa Dinamis. Error! Gambar 4.21 Kontur M11 Pada Shell Thick Elemen Model Spring Pada Pilecap Pondasi Pada Gempa Dinamis... Error! Gambar 4.22 Gaya dalam Pada Pondasi Tiang 1A Pada Gempa Dinamis... Error! Gambar 4.23 Perbandingan simpangan antara gempa statis dan dinamis... Error! vi
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Cara Pembacaan Data Gempa El CentroError! Tabel 4.1 Nilai Koefisien Reaksi Tanah Dasar (Kh dan Kv)Error! Bookmark not Tabel 4.2 Nilai Modulus Deformasi Tanah (Eo)... Error! Tabel 4.3 Drift Ratio keempat model Pada Gempa Statis... Error! Bookmark not Tabel 4.4 Rasio gaya dalam maksimum antar model Pada Gempa Statis... Error! Tabel 4.5 Rasio gaya dalam maksimum antara Non-SSI dan SSI Pada Gempa Statis... Error! Tabel 4.6 Drift Ratio keempat model Pada Gempa Dinamik... Error! Bookmark not Tabel 4.7 Rasio gaya dalam maksimum antar model Pada Gempa Dinamis Error! Tabel 4.8 Rasio gaya dalam maksimum antara Non-SSI dan SSI Pada Gempa Dinamis... Error! Tabel 4.9 Waktu getar alami keempat model... Error! Tabel 4.10. Rasio Gaya Dalam Antara Metode Gempa Statis dan Dinamis Pada Model Non-SSI... Error! Tabel 4.11 Rasio Gaya Dalam Antara Metode Gempa Statis dan Dinamis Pada Model SSI... Error! vii
DAFTAR NOTASI A = nilai percepatan puncak a = 0,022 (l/d) 0,05 Amax = nilai percepatan puncak dari rekaman gempa Ao = percepatan puncak muka tanah saat oleh pengaruh gempa rencana Ap = Luas penampang netto dari tiang (cm 2 ) Cd = faktor amplifikasi defleksi Cs = Koefisien respon seismik Cvx = faktor distribusi vertikal D = Diameter tiang (cm) Do = Jarak minimum antara pusat tiang sehingga dianggap saling tidak mempengaruhi dalam suatu gabungan tiang Eo = Modulus deformasi tanah pondasi pada tempat yang direncanakan (kg/cm 2 ) Ep = Modulus elastisitas tiang (kg/cm 2 ) f = faktor skala hsx = tinggi tingkat dibawah tingkat x hx dan hi = tinggi dari dasar sampai tingkat x atau i Ie = Faktor keutamaan gempa Kh = Koefisien reaksi tanah dalam arah mendatar (kg/cm 3 ) Kv = Koefisien reaksi tanah dalam arah vertikal (kg/cm 3 ) l = panjang tiang (cm) le = faktor keutamaan gempa N = Jumlah pukulan pada SPT n = banyaknya hasil analisis (number of output time step) r = Jari-jari (radius) rata-rata tiang R = faktor modifikasi respon SDS = Parameter percepatan spektrum respon disain dalam rentang periode pendek tn = periode akhir rekaman gempa tss = periode per data percepatan (output time step size) V = Gaya geser dasar W = Berat seismik efektif wx dan wi = berat seismik total struktur (W) yang dikenakan pada tingkat x atau i a = Simpangan ijin antar lantai δxe = defleksi pada pusat viii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Bangunan teknik sipil melibatkan beberapa tipe elemen struktur, salah satunya adalah sub-struktur yang berhubungan langsung dengan tanah. Ketika gaya vertikal dan gaya lateral bekerja pada sistem ini, perpindahan struktur dan perpindahan tanah tidaklah independen satu sama lain. Menurut Tuladhar (2008) Proses pergerakan struktur dan respon tanah yang saling mempengaruhi satu sama lain disebut soil-structure interaction (Interaksi Tanah-Struktur). Metode desain struktural konvensional mengabaikan efek dari Interaksi Tanah-Struktur. Mengabaikan Interaksi Tanah-Struktur bisa dikatakan beralasan dan diterima untuk struktur yang ringan dengan kondisi tanah yang relatif kaku contohnya seperti gedung bertingkat rendah dan dinding penahan sederhana yang kaku. Menurut Wolf (1985) efek dari Interaksi Tanah-Struktur akan menjadi signifikan untuk struktur yang berat dengan kondisi tanah yang relatif lemah (tanah lunak/tanah lempung) seperti contohnya pada pembangkit listrik tenaga nuklir, bangunan tingkat tinggi, dan jalan layang tinggi diatas tanah lemah. Perencanaan dan persyaratan beton struktural untuk bangunan gedung beton bertulang di indonesia diatur dalam SNI 2847:2013. Adapun untuk persyaratan struktur tahan gempa diatur dalam SNI 1726:2012 dengan faktor-faktor tertentu seperti lokasi, kondisi tanah, fungsi gedung, tinggi gedung, kategori desain seismik, dan lain-lain. Perencanaan gedung banyak dilakukan dengan program SAP2000 untuk mempercepat waktu dan mempermudah analisis dari model struktur yang sederhana hingga kompleks. Adapun dampak dari Interaksi Tanah-Struktur pada struktur rangka beton bertulang dapat kita amati apabila dimodel pada SAP2000 pada gempa statis dan dinamis. Pada gempa statis pada prinsipnya mengganti gaya gempa berupa percepatan tanah menjadi beban lateral statis yang ekivalen dan bekerja pada tiap tingkat, sedangkan pada gempa dinamis tanah/dasar pada struktur bergerak mengalami percepatan sesuai dengan data rekaman gempa. Setiap perencanaan struktur gedung, metode pemodelan struktur yang dilakukan pada SAP2000 berbeda-beda. Pada umumnya dalam pemodelan struktur 9
gedung beton bertulang, perletakan dasar dari kolom diasumsikan terjepit atau sendi, padahal pada kenyataanya terdapat pondasi yang menghubungkan struktur dengan tanah. Para pengguna menginginkan kemudahan, kecepatan dan yang terpenting adalah akurasi pada hasil pemodelan. Masih sedikit referensi pustaka tentang aplikasi SAP2000 yang membandingkan hasil antara metode-metode pemodelan yang mempertimbangkan Interaksi Tanah-Struktur untuk perencanaan struktur gedung beton bertulang sehingga tidak ada alasan pasti dalam memilih salah satu metode dan metode manakah yang paling konservatif. Widyaswari (2010) telah melakukan penelitian interaksi tanah-struktur pada gedung C Kampus Sudirman Universitas Udayana yang menggunakan pondasi tiang pancang. Namun terdapat perbedaan pada nilai modulus reaksi tanah dasar, modulus deformasi tanah dan asumsi pada model yang digunakan, yang akan penulis teliti pada tugas akhir ini. Selain itu, penulis juga ingin mendapatkan metode pemodelan struktur yang sederhana namun dapat memberikan hasil yang mendekati perilaku struktur yang memperhitungkan interaksi tanah-struktur. Berdasarkan pemaparan diatas, maka dalam penulisan tugas akhir ini akan dibahas langkah-langkah melaksanakan pemodelan struktur rangka beton bertulang dengan dan tanpa Interaksi Tanah-Struktur pada SAP2000. Kemudian, akan dibandingkan perilaku dari struktur rangka beton bertulang tersebut yang berupa gaya-gaya dalam dan simpangan yang terjadi pada suprastruktur dan pondasi ketika dilakukan pemodelan pada 2 tipe model struktur yang berbeda; struktur dimodel tanpa tanah dan pondasi (model kaku), dan struktur dimodel lengkap yang memperhatikan Interaksi Tanah-Struktur (model fleksibel) dengan beban gempa statis dan dinamis. 1.2 Rumusan Masalah Permasalahan dalam penelitian ini adalah bagaimanakah perilaku dari struktur rangka beton bertulang yang dimodel tanpa Interaksi Tanah-Struktur (model kaku) dibandingkan dengan struktur rangka beton bertulang yang dimodel dengan Interaksi Tanah-Struktur (model fleksibel) pada gempa statis dan dinamis? 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui perilaku dari struktur rangka beton bertulang yang dimodel tanpa Interaksi Tanah-Struktur (model kaku) 10
dibandingkan dengan struktur rangka beton bertulang yang dimodel dengan Interaksi Tanah-Struktur (model fleksibel) gempa statis dan dinamis. Dari hasil analisis ini diharapkan diperoleh model struktur yang efisien untuk keperluan praktis perencanaan struktur. 1.4 Manfaat Penelitian Manfaat yang ingin dicapai pada penulisan tugas akhir ini adalah dapat memberikan informasi hasil perbandingan struktur rangka beton bertulang yang dimodel dengan dan tanpa memperhatikan Interaksi Tanah-Struktur pada software SAP2000. Selain itu tulisan ini diharapkan dapat menjadi pedoman dalam mempertimbangkan model struktur yang lebih tepat saat melibatkan Interaksi Tanah-Struktur bagi perencana struktur gedung beton bertulang yang menggunakan software SAP2000. 1.5 Batasan Penelitian Untuk membatasi ruang lingkup permasalahan yang ditinjau agar tidak terlalu luas, maka diambil batasan masalah sebagai berikut: 1. Terdapat 4 jenis model yang digunakan yakni model dengan perletakan jepit, model dengan perletakan sendi, model lengkap dengan pondasi tiang dan tanah dimodel sebagai spring elemen, serta model lengkap dengan pondasi tiang dan tanah dimodel sebagai solid elemen. 2. Nilai-nilai modulus reaksi tanah dasar dan modulus deformasi tanah yang digunakan berdasarakan penelitian terkait interaksi tanah-struktur. 3. Suprastrukur yang digunakan pada keempat model adalah sama, yakni 5 lantai. 4. Kondisi tanah yang digunakan adalah tanah sedang dengan lokasi Denpasar Selatan. 5. Perilaku struktur yang ditinjau adalah simpangan dan gaya gaya dalam pada suprasturktur dan pondasi. 11