Studi Bangunan Tingkat Tinggi Menggunakan Base Isolation sebagai Pereduksi Beban Gempa di Wilayah Gempa Tinggi OLEH : SAMSURYANA (3106 100 042) DOSEN PEMBIMBING : Tavio, ST, MT., PhD Data Iranata, ST, MT., PhD JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOVEMBER SURABAYA 2010
Latar Belakang Gempa bumi merupakan bencana alam yg paling banyak menyebabkan kerusakan. Indonesia merupakan salah satu negara yg rawan gempa. Teknologi base isolation system (sistem isolasi dasar) berkembang dgn pesat. Teknologi ini digunakan untuk mendesain bangunan yg berada pada zona gempa tinggi
Perumusan Masalah Bagaimana permodelan Lead Rubber Bearing (LRB) sbg dumper terhadap beban gempa dlm sistem Base Isolation?? Bagaimana analisa dan evaluasi kinerja struktur gedung dgn Base Isolation System apabila dibandingkan dgn struktur gedung konvensional menggunakan SAP 2000?? Bagaimana Respon Spectra yg terjadi akibat beban gempa pada struktur gedung konvensional dan struktur gedung dgn Base Isolation System?? Bagaimana lateral displacement yg timbul pada struktur dgn base isolation system pada daerah dgn zona gempa tinggi??
Maksud & Tujuan Mendapatkan permodelan Lead Rubber Bearing (LRB) Mendapatkan gaya-gaya dalam tiap elemen struktur dan kinerja struktur (struktur Base Isolation maupun struktur normal) Memperoleh Respon Spectra untuk kedua bangunan tersebut Memperoleh Lateral Displacement yg timbul pada struktur dgn Base Isolation
Batasan Masalah Tipe struktur yg ditinjau adalah simetris dan teratur. Tidak meninjau analisa biaya. Analisa perhitungan menggunakan ACI 318-2002code, SNI 03-2847-2002 Tata Cara Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung, SNI 03-1726-2002 Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Bangunan Gedung. Struktur gedung yg ditinjau termasuk struktur beton bertulang dan merupakan Struktur Rangka Pemikul Momen (SRPM).
Base Isolation System Merupakan desain alternatif untuk mengurangi resiko kerusakan bangunan akibat gempa dgn cara mereduksi beban gempa yg bekerja pd bangunan. Energy Dissipation Core Steel Reinforcing Plates Cover Rubber Internal Rubber Layers Bottom Mounting Plate
Base Isolation System Struktur Konvensional Struktur dgn Base Isolator
Multi Degree of Freedom (MDOF) : Analisa Dinamis Respon dinamik dari multistory rigid frame buildings termasuk kedalam sistem berderajad kebebasan banyak, dengan asumsi bahwa massa dari frame atau gedung terpusat pada lantainya, dan balok diasumsikan mempunyai kekakuan yang jauh lebih besar dari kolom.
Analisis Struktur Konsep bangunan dengan isolator adalah mengeliminasi pengaruh ragam-ragam getar yang lebih tinggi terhadap struktur. Persamaan gerakan bangunan dengan isolasi seismic akibat gaya gempa, ditinjau atas dua bagian yaitu pertama untuk struktur bangunan diatas isolator dan untuk struktur pada level bearing isolator.
START STUDI LITERATUR Metodologi STUDI KASUS STRUKTUR KONVENSIONAL STRUKTUR DGN BASE ISOLATOR MENGHITUNG PARAMETER STRUKTUR MENGHITUNG PARAMETER STRUKTUR ANALISA STRUKTUR ANALISA STRUKTUR DYNAMIC ANALISIS DYNAMIC ANALISIS KESIMPULAN CHECK PERLETAKAN NOT OK SELESAI
Layout Denah
Pre-eliminary Design Data Perencanaan Gedung : Jenis gedung : Perkantoran Tinggi : 20 lantai Luas denah : 30 20 m 2 Mutu baja BJ41 (f y ) : 320 MPa Mutu beton (f c ) : 35 MPa Zona gempa : zona 6 Tebal pelat Atap : 15 cm Lantai : 15 cm Dimensi Kolom : 80/80 Balok induk : 40/60
Pembebanan Atap Beban mati (DL) : 629184 kg Beban hidup (LL): 60000 kg Berat total lantai atap : Watap = 629184 + (0,8 x 60000) = 629184 + 48000 = 677184 kg* (*) pada input SAP 2000, massa total lantai (m) dikurangi massa balok dan kolom. Jadi massa lantai atap = (677184 221184 172800)/ 9,81 = 28868,50 kg s 2 /m Momen inersia massa lantai atap : M 2 ( b 12 d 2 ) 677184 (30 12 2 20 2 ) 73361600 kgm 4
Pembebanan Lantai Beban mati (DL) : 794584kg Beban hidup (LL): 240000 kg Berat total lantai atap : Watap = 629184 + (0,8 x 240000) = 794584 + 192000 = 986184 kg * *) pada input SAP 2000, massa total lantai (m) dikurangi massa balok dan kolom. Jadi massa lantai lantai = (986184 221184 172800)/ 9,81 Momen inersia massa lantai : = 60366,972 kg s 2 /m M ( b2 d 2 ) 12 986184 (30 2 20 2 ) 12 1068366kgm4
Pembebanan Pembebanan gempa mengacu pada SNI 03-1726-2002 Pasal 5.8.2 yaitu : Gempa X : efektifitas 100% gempa arah x ; efektifitas 30% gempa arah y Gempa Y : efektifitas 30% gempa arah x ; efektifitas 100% gempa arah y Pembebanan gempa dinamik menggunakan respon spektrum WG 6 dengan kondisi tanah lunak. Metode penjumlahan respon ragam menggunakan kombinasi kuadratik lengkap (Complete Quadratic Combination atau CQC). Dimana waktu getar alami dianggap berdekatan apabila selisih nilainya dominan kurang dari 15%.
Pemodelan Portal memanjang Tinggi Bangunan : 19 lantai @ 4m + base floor @5m= 81m Lebar bangunan : 6 portal @ 5m = 30 m Fix Base LRB
Kontrol Penjumlahan Respon Ragam mode Periode selisih 1 2,721 68 25,51 % 2 2,46661 8 27,75% 3 2,1 891 39 1 30,1 4% 4 0,887777 9,00% 5 0,797733 8,01 % 6 0,71 7642 21,05% 7 0,5071 1 6 6,1 2% 8 0,445945 3,1 7% 9 0,41 4228 6,69% 1 0 0,347294 3,98% 1 1 0,307522 2,1 3% 1 2 0,2861 94 2,93% 1 3 0,256894 2,74% 1 4 0,229456 1,55% 1 5 0,21 3964 1,45% 1 6 0,1 99433 1,34% 1 7 0,1 86028 0,55% 1 8 0,1 80576 1,27% 1 9 0,1 67904 0,08% 20 0,1 671 44 Fix Base Mode Periode Selisih 1 4,2521 1 9 1 6,27% 2 4,089433 38,75% 3 3,701 95 244,96% 4 1,252305 6,53% 5 1,1 86977 1 6,1 0% 6 1,025966 37,34% 7 0,652568 7,53% 8 0,577268 4,55% 9 0,531 745 1 0,1 7% 1 0 0,430036 5,22% 1 1 0,377796 2,69% 1 2 0,350856 3,83% 1 3 0,31 2605 3,72% 1 4 0,275438 1,87% 1 5 0,256766 1,61 % 1 6 0,240631 2,66% 1 7 0,21 4061 1,47% 1 8 0,1 99362 0,31 % 1 9 0,1 96255 0,45% 20 0,1 91 797 LRB
Layout Joint TABLE: Joint Reactions Output U3 Joint Case (kn) TABLE: Joint Reactions Output U3 Joint Case (kn) 1 DCON2 531 0,735 1 9 DCON2 6029,834 2 DCON2 6572,753 20 DCON2 7343,028 3 DCON2 6792,821 21 DCON2 7567,644 4 DCON2 6792,821 22 DCON2 7567,644 5 DCON2 6572,753 23 DCON2 7343,028 6 DCON2 531 0,735 24 DCON2 6029,834 7 DCON2 5885,338 25 DCON2 5885,338 8 DCON2 71 95,51 3 26 DCON2 71 95,51 3 9 DCON2 741 8,402 27 DCON2 741 8,402 1 0 DCON2 741 8,402 28 DCON2 741 8,402 1 1 DCON2 71 95,51 3 29 DCON2 71 95,51 3 1 2 DCON2 5885,338 30 DCON2 5885,338 1 3 DCON2 6029,834 31 DCON2 531 0,735 1 4 DCON2 7343,028 32 DCON2 6572,753 1 5 DCON2 7567,644 33 DCON2 6792,821 1 6 DCON2 7567,644 34 DCON2 6792,821 1 7 DCON2 7343,028 35 DCON2 6572,753 1 8 DCON2 6029,834 36 DCON2 531 9,735
Katalog Lead Rubber Bearing (LRB) & Data Histeric LOOP k e 10 k d 10 1525 15250kN/m Qd 303 Δy 0,022m k e k d 15250 1525 f y k e Δy 15250 0,022 336,667kN Post yield ratio = k d k e 1525 15250 0,1 Dimana : k e = kekakuan awal k d = kekakuan pasca leleh Q d = kekakuan leleh dari inti imah
Contoh verifikasi Manual & SAP 4 lantai
Contoh verifikasi Manual & SAP 4 lantai
Contoh verifikasi Manual & SAP 4 lantai
Contoh verifikasi Manual & SAP 4 lantai
Hasil Perbandingan Manual & SAP 4 lantai Periode story Manual SAP 2000 Fix Base LRB Fix Base LRB 1 0,1 501 0,371 4 0,1 569 0,3758 2 0,0454 0,0821 0,0438 0,0831 3 0,0229 0,0345 0,0235 0,0361 4 0,01 59 0,01 91 0,01 62 0,01 95 Displacement story Manual SAP 2000 Fix Base LRB Fix Base LRB Base 0,0 26,25 0,0 26,70 1 2,41 28,94 2,45 29,05 2 5,98 30,27 6,1 0 30,80 3 8,75 32,1 4 8,90 32,35 4 1 1,56 33,48 1 1,85 33,65
Elemen Force TABLE: Element Forces - Frames Frame P V2 V3 T M2 M3 Text KN KN KN KN-m KN-m KN-m 1 3 1 3 1 5-1 336,1 5-1 889,32-21 38,7-3482,02 1 03,01 1 1 36,446 1 05,541 1 38,1 61 1 1 5,448 1 1 8,1 75 1 49,495 1 52,2 0,51 29 0,0403 0,051 9 0,01 78 498,6749 504,067 554,71 51 559,5576 504,8999 560,5563 509,6306 563,4076-6561,65-7786,1 9-6528,1 1-7567,64-1 23,555-1 36,984-1 26,346-1 38,1 61-1 25,636-1 29,1 42-1 49,81 9-1 52,421-0,6094-0,0368-0,0555-0,01 78-51 5,51 5-522,004-555,321-559,966-539,598-561,733-544,425-564,545 Portal memanjang exterior fix base
Elemen force TABLE: Element Forces - Frames Frame P V2 V3 T M2 M3 Text KN KN KN KN-m KN-m KN-m 61 63 73 75-1 569,44-2099,4-21 77,72-3483,9 64,61 2 1 54,703 69,452 1 59,1 49 74,909 78,891 1 55,562 1 60,372 0,9326 0,0585 0,0492 0,022 226,641 8 237,955 450,3504 463,021 5 220,851 6 458,5737 233,251 6 470,6552-6431,46-7591,41-651 9,62-7529,59-1 1 4,036-1 55,1 75-1 20,1 99-1 59,621-1 00,776-1 06,855-1 56,351-1 60,924-0,6448-0,0628-0,0347-0,021 2-302,802-320,88-452,423-464,595-349,492-460,052-367,902-472,1 59 Portal melintang exterior LRB
Reduksi Gaya Dalam Frame Text A B C D Type P KN Reduksi gaya V2 KN Reduksi gaya V3 KN Reduksi gaya T KN-m Reduksi gaya M2 KN-m Reduksi gaya M3 KN-m Fix Base 2486,39 1 23,87 1 20,03 0,62 482,21 532,01 85% 54% 49% 69% 34% LRB 21 22,97 66,68 58,27 0,43 1 65,37 1 90,26 Fix Base 3092,48 1 26,66 1 41,6 0,07 51 7,71 536,98 88% 62% 47% 57% 37% LRB 2708,1 0 78,1 66,31 0,04 1 92,1 6 224,94 Fix Base 2593,70 1 26,66 1 41,6 0,06 51 7,71 536,98 91 % 62% 56% 50% 44% LRB 2350,56 78,67 79,96 0,03 225,68 233,08 Fix Base 3054,45 1 38,35 1 44,1 2 0,04 522,39 555,98 1 00% 58% 57% 50% 44% LRB 3048,44 80,1 8 82,25 0,02 231,86 230,95 Reduksi gaya 36% 42% 43% 42%
Displacement Perbandingan defleksi arah sumbu X (mm) story portal x portal y Fix Base LRB Fix Base LRB base 0,0 98,8 0,0 99,4 1 5,0 1 08,4 4,6 1 06,8 2 1 1,7 1 1 6,2 1 0,4 1 1 2,8 3 1 9,0 1 23,8 1 6,5 1 1 8,7 4 26,2 1 31,1 22,6 1 24,4 5 33,4 1 38,2 28,7 1 30,0 6 40,3 1 45,0 34,7 1 35,0 7 46,9 1 51,4 40,5 1 40,7 8 53,2 1 57,6 46,1 1 45,7 9 59,2 1 63,3 51,6 1 50,6 1 0 64,9 1 68,7 56,8 1 55,2 1 1 70,2 1 73,8 61,8 1 59,5 1 2 75,2 1 78,4 66,5 1 63,6 1 3 79,8 1 82,6 71,0 1 67,4 1 4 84,0 1 86,4 75,2 1 70,9 1 5 87,8 1 89,7 79,0 1 74,0 1 6 91,1 1 92,6 82,5 1 76,9 1 7 93,9 1 95,0 85,6 1 79,4 1 8 96,2 1 97,0 88,2 1 81,6 1 9 97,9 1 98,5 90,5 1 83,5 20 99,2 1 99,7 92,3 1 85,1 story Fix Base LRB 20 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 1 00,0 1 20,0 1 40,0 1 60,0 1 80,0 200,0 Interstory drift (mm) Portal X
Displacement Perbandingan defleksi arah sumbu X (mm) story portal x portal y Fix Base LRB Fix Base LRB base 0,0 98,8 0,0 99,4 1 5,0 1 08,4 4,6 1 06,8 2 1 1,7 1 1 6,2 1 0,4 1 1 2,8 3 1 9,0 1 23,8 1 6,5 1 1 8,7 4 26,2 1 31,1 22,6 1 24,4 5 33,4 1 38,2 28,7 1 30,0 6 40,3 1 45,0 34,7 1 35,0 7 46,9 1 51,4 40,5 1 40,7 8 53,2 1 57,6 46,1 1 45,7 9 59,2 1 63,3 51,6 1 50,6 1 0 64,9 1 68,7 56,8 1 55,2 1 1 70,2 1 73,8 61,8 1 59,5 1 2 75,2 1 78,4 66,5 1 63,6 1 3 79,8 1 82,6 71,0 1 67,4 1 4 84,0 1 86,4 75,2 1 70,9 1 5 87,8 1 89,7 79,0 1 74,0 1 6 91,1 1 92,6 82,5 1 76,9 1 7 93,9 1 95,0 85,6 1 79,4 1 8 96,2 1 97,0 88,2 1 81,6 1 9 97,9 1 98,5 90,5 1 83,5 20 99,2 1 99,7 92,3 1 85,1 story Fix Base LRB 20 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 1 00,0 1 20,0 1 40,0 1 60,0 1 80,0 200,0 Interstory drift (mm) Portal Y
Story drift Perbandingan drift arah sumbu X (mm) portal x portal y story Fix Base LRB Fix Base LRB interstory interstory interstory interstory base 0,0 0,0 0,0 0,0 1 5,0 9,6 4,6 7,4 2 6,7 7,8 5,8 6,0 3 7,3 7,6 6,1 5,9 4 7,2 7,3 6,1 5,7 5 7,2 7,1 6,1 5,6 6 6,9 6,8 6,0 5,0 7 6,6 6,4 5,8 5,7 8 6,3 6,2 5,6 5,0 9 6,0 5,7 5,5 4,9 1 0 5,7 5,4 5,2 4,6 1 1 5,3 5,1 5,0 4,3 1 2 5,0 4,6 4,7 4,1 1 3 4,6 4,2 4,5 3,8 1 4 4,2 3,8 4,2 3,5 1 5 3,8 3,3 3,8 3,1 1 6 3,3 2,9 3,5 2,9 1 7 2,8 2,4 3,1 2,5 1 8 2,3 2,0 2,6 2,2 1 9 1,7 1,5 2,3 1,9 20 1,3 1,2 1,8 1,6
Gaya Dalam struktur pada zona gempa berbeda type bangunan Fix Base LRB WG Rencana WG 1 WG 2 WG 3 WG 4 WG 5 WG 6 P V2 V3 T M2 M3 KN KN KN KN-m KN-m KN-m 1 5,945 124,997 46,693 20,006 120,061 194,602-7567,644-1 24,997-46,693-20,006-1 20,061-1 94,454 22,988 1 37,889 89,821 20,327 294,909 298,826-7567,644-1 37,889-89,821-20,327-294,909-298,826 28,857 173,668 1 34,471 23,642 442,169 466,998-7567,644-173,668-1 34,471-23,642-442,169-466,998 31,256 190,1 46 1 52,720 25,123 501,286 506,580-7458,657-190,1 46-1 52,720-25,123-501,286-506,580 32,431 198,094 1 61,650 25,786 530,739 536,212-7458,657-198,094-1 61,650-25,786-530,739-536,212 62,541 204,306 1 61,971 26,439 466,621 478,1 91-7591,406-204,306-1 61,971-26,439-466,621-478,1 91
Reduksi reaksi base Sumbu Base Reaction Fix Base LRB Reduksi X 1 0432,1 8 4950,754 47,46% Y 1 2220,1 6 4978,907 40,74%
Kesimpulan pada struktur gedung yang menggunakan Base Isolator LRB mempunyai gaya-gaya dalam yang relatif kecil dibandingkan pada gedung dengan fix base. Pemakaian system rubber base isolator pada struktur gedung memberikan simpangan relatif terhadap ground yang lebih besar, tetapi direduksi oleh simpangan pada base floor. Pemakaian LRB jika dilihat dari segi ekonomis akan lebih mahal. Tetapi jika dilihat dari segi fungsi opersional suatu bangunan, maka pemakaian LRB bisa dijadikan alternatif isolasi seismik.