Indah Herning Suari - Naskah Ringkas - FT - 2015

RESPONS SEISMIK BANGUNAN TINGGI DENGAN PENGGUNAAN ELASTOMERIC ANTARA STRUKTUR SHEARWALL DAN SISTEM PORTAL DENGAN ANALISA RIWAYAT WAKTU Yuskar Lase dan Indah Herning Suari Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia Email : [email protected]

Abstrak Struktur bangunan tinggi beresiko mengalami beban gempa sehingga dibutuhkan sistem penahan gempa yang andal. Perkembangan teknologi menggabungkan sistem tube-in-tube yang dihubungkan dengan isolator antara keduanya. Pada penelitian ini, dimodelkan struktur bangunan sebagai sistem ganda yang terdiri dari SRPMK baja dan corewall yang terbuat dari beton. Isolator yang menghubungkan corewall dan balok baja merupakan tipe elastomeric. Sebagai variasi pemodelan, isolator diletakkan pada beberapa lokasi yang beresiko menahan beban lateral yang besar. Beban gempa yang digunakan merupakan hasil matching antara rekaman gempa chi-chi dengan respon spektrum daerah DKI Jakarta. Analisa gempa yang digunakan yaitu respon spektrum dengan beban gempa MCER dan time history nonlinear. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan elastomeric dengan spesifikasi dan lokasi yang tepat akan meningkatkan periode getar dan displacement struktur secara keseluruhan, serta memperkecil gaya geser dasar bangunan.

Abstract High rise building have large risk due to earthquake load so it requires a good earthquake resistance system. Development of technology combines tube-in-tube that connected by isolation in between. This research, structure simulated as dual system which consist of moment resisting steel frame and concrete corewall. Isolation type that connects corewall and steel beam is elastomeric type. As a variant, isolation put on some location which have large risk due to large lateral load. Earthquake load using matching between chi-chi and spectrum response of DKI Jakarta. Earthquake analysis is using spectrum response MCE R and time history nonlinear. Based on research, using of elastomeric with exact spesification and location will increase period and displacement of structure and decrease the base shear of structure. Keywords : Tube-in-tube, dual system, elastomeric, chi-chi, time history nonlinear

Pendahuluan Teknologi yang berkembang pesat memicu penggunaan kombinasi antara dinding geser dan sistem isolator pada konstruksi bangunan pencakar langit (skyscrapper). Sebagai contoh gedung World Trade Center di New York, yang menggunakan dinding geser dengan sistem tabung (tube system) model tube-in-tube dan viscoelastis yang diletakkan antara rangka baja dan inti bangunan (core)1. Sistem isolator yang sering digunakan yaitu tipe elastomeric

(natural rubber atau neoprene), atau sliding bearing dengan permukaan Teflon dan stainless steel2. Selain itu, menurut Vladimir, bangunan dengan isolator dan core wall mampu mengurangi dua kali gaya geser dasar dan percepatan pada lantai dasar sehingga mencegah terjadinya sendi plastis pada dinding dasar3. Maka dari itu, pada penelitian ini digunakan kombinasi antara dinding geser tube-in-tube dengan elastomeric. Untuk merancang komposisi bangunan yang efektif, maka selanjutnya mencari konfigurasi isolator yang tepat pada balok, selain itu mencari lokasi lantai yang tepat untuk penempatan isolator. Pada penelitian ini, dilakukan pemodelan 3D struktur bangunan gedung perkantoran 20 tingkat dengan menggunakan software ETABS ver 9.7.2 (Gambar 2). Sistem struktur bangunan merupakan sistem ganda, yang terdiri dari kolom yang di bagian luar peripheral yang terbuat dari baja dimana dimensi profil tiap elemen struktur didapatkan dari perhitungan stress check dan sistem dinding penumpu khusus yang terbuat dari beton. Isolator yang ditinjau diletakkan di bawah balok yang terhubung dengan dinding geser melalui corbel (Gambar 1). Untuk perhitungan stress check, beban gempa yang digunakan adalah analisis dinamik respons spektrum pada wilayah DKI Jakarta berdasarkan SNI-1726-2012 dimana asumsi jenis tanah yang digunakan merupakan tanah lunak dan menggunakan R = 1 dimana nilai R merepresentasikan gempa MCER. Sedangkan untuk analisis nonlinear digunakan analisis time history dimana gempa yang digunakan yaitu gempa Chi-Chi. Kemudian, untuk menyesuaikan antara gempa lokal dengan gempa Chi-Chi maka digunakan software SeismoMatch ver.2.1.0

Tinjauan Teoritis Bangunan tahan gempa yang menggunakan isolator dirancang menggunakan data rekaman gempa yang disebabkan oleh subduksi (Megathrust) yang memiliki percepatan gempa yang tinggi4. Sehingga, pada saat terjadi gempa besar diharapkan bangunan akan tetap aman. Salah satu contoh gempa subduksi adalah gempa Chi-Chi dengan momen magnitude 7,62 Mw yang terjadi di Taiwan5. Sistem penahan lateral yang digunakan untuk menahan gaya lateral yang ditimbulkan oleh angin atau gempa terdiri dari berbagai jenis, yakni sistem dinding penumpu (shear wall), sistem rangka pemikul momen, dan sistem isolasi dasar (base isolation)6. Sistem dinding penumpu yaitu sistem struktur yang tidak memiliki rangka ruang pemikul beban gravitasi secara lengkap, yang beban gravitasinya dipikul oleh dinding penumpu dan sistem bresing, sedangkan beban lateral akibat gaya gempa dipikul oleh dinding geser atau rangka bresing7. Sistem isolasi dasar merupakan teknik kontrol pasif yang memisahkan kumpulan elemen struktur bangunan dari pondasi, menahan getaran tanah untuk melindungi struktur

bangunan tersebut 4. Isolator berfungsi untuk mengontrol displacement dan respons percepatan bangunan untuk menahan kerusakan akibat pergerakan tanah akibat gempa dan mengurangi dimensi elemen struktur8. Pada umumnya, isolator terdiri dari dua tipe, yakni elastomeric dan sliding. Elastomeric terbagi menjadi beberapa tipe, yakni natural rubber bearing, high damping rubber bearing, dan lead rubber bearing8.

Metode Penelitian Pemodelan yang dilakukan yakni mencari spesifikasi isolator yang akan dijadikan sebagai tolak ukur dalam berbagai variasi. Setelah itu, membandingkan karakteristik dinamik model bangunan yang tidak menggunakan isolator dengan model yang menggunakan isolator di antara balok dan shear wall (Gambar 1), untuk selanjutnya model bangunan yang tidak menggunakan isolator dinamakan rigid connection.

Gambar 1. Pemodelan Isolator, Gap dan Hook

Kemudian, pemodelan dibagi menjadi 4 simulasi (Tabel 1) dimana simulasi 1 yaitu isolator memiliki kekakuan linear (K) yang konstan, namun memiliki titik leleh yang berbeda. Untuk simulasi 2, isolator memiliki kekakuan linear yang berbeda, namun titik lelehnya konstan. Pada simulasi 3, isolator memiliki kekakuan linear dan titik leleh yang konstan, namun memiliki kekakuan nonlinear (Ky) yang berbeda. Terakhir, untuk simulasi 4, isolator memiliki kekakuan linear dan titik leleh yang konstan namun diletakkan pada zona yang berbeda (Gambar 3). Untuk menentukan nilai variasi kekakuan dan titik leleh diperlukan nilai gaya geser. Umumnya, karena sebagian besar isolator diletakkan di dasar bangunan, maka gaya geser yang digunakan dalam perhitungan yakni gaya geser dasar. Namun, pada penelitian ini karena isolator diletakkan pada balok, maka untuk menentukan kapasitas isolator berdasarkan gaya geser pada balok dimana isolator tersebut berada. Kemudian menggunakan perhitungan iterasi berdasarkan data acuan dari spesfikasi isolator yang beredar di pasaran. Dalam penelitian ini mengacu pada katalog Bridgestone.

Tabel 1 Simulasi Pemodelan Struktur

Adapun pemodelan bangunan pada software ETABS ver.9.7.2 sebagai berikut :

Gambar 2. Pemodelan Struktur Bangunan 2D dan 3D

Sedangkan untuk pembagian zona, penempatan lokasi isolator dibagi dalam 3 zona sebagai berikut :

Gambar 3. Lokasi Isolator Berdasarkan Zona

Hasil Penelitian Berdasarkan pemodelan didapatkan output dari ETABS ver.9.7.2 dimana hasil tersebut akan dibandingkan dan dianalisa. Pada setiap simulasi yang akan dianalisa adalah periode getar alami, displacement struktur dan isolator, story drift, titik leleh isolator, base shear, story shear.

Periode getar, pola getar, dan jumlah mode Pada prinsipnya, isolator menyebabkan periode getar bertambah panjang. Pengaruh lokasi isolator yang berada pada sebagian struktur atas mengakibatkan isolator tidak dapat berpindah terlalu besar (Tabel 1 s/d 4). Hal ini mengakibatkan perbedaan periode getar bangunan model 1 s/d 11 tidak berbeda jauh dengan model rigid connection. Selain itu, pada model 10 terjadi pengecilan periode getar karena pergerakan isolator terkekang dengan sambungan rigid diaphragm dari bangunan diatasnya (Tabel 5). Namun, pada model 11 dimana semua diaphragm frame dan core terlepas, periode getar bangunan tetap tidak terlalu jauh. Hal ini dikarenakan ada batasan displacement yang diatur dari nilai kekakuan gap dan hook (Gambar 1). Sehingga, diharapkan tidak terjadi benturan antara core dan frame. Selain itu, diharapkan gap antara core dan frame tidak terlalu jauh.

Tabel 2 Perbandingan periode, jumlah mode, partisipasi massa simulasi 1




Displacement pada Struktur Hasil displacement yang diambil merupakan nilai mutlak/absolut, sehingga merujuk ke satu arah saja walaupun bernilai negatif. Pada simulasi 1 s/d 3 hasil displacement hampir menyerupai dikarenakan variasi tidak terlalu jauh, sedangkan pada simulasi 4 sangat terlihat perbedaannya (Gambar 4). Hal ini menunjukkan bahwa perbedaan lokasi isolator sangat mempengaruhi displacement. Nilai maksimum untuk arah-x ditunjukkan pada model 9 dikarenakan lantai paling atas memiliki displacement paling besar, ditambah lantai di bawahnya tidak terkekang sehingga memberikan ruang untuk berdefleksi lebih besar. Namun, nilai maksimum pada arah-y ditunjukkan pada model 10. Meskipun secara prinsipal sedikit menyimpang, namun hal ini bisa saja terjadi karena konfigurasi struktur dan besaran gempa yang berbeda.

Gambar 4 Perbandingan Perpindahan Struktur Arah-X dan Arah-Y Simulasi 4

Simpangan antar Lantai (Story Drift) Secara teori, isolator menyebabkan simpangan antar lantai mengecil. Hal ini berlaku ketika isolator diletakkan pada struktur bawah (pondasi). Pada kondisi tersebut, isolator seolah – olah memisahkan struktur atas dan struktur bawah. Sehingga, displacement maksimum terjadi pada lantai dasar. Namun, pada penelitian ini isolator diletakkan pada balok, struktur atas. Sehingga, dikondisikan diaphragma core dan frame terpisah. Selain itu, hal tersebut juga mengakibatkan

displacement pada tiap lantai akan berbeda secara signifikan. Akibatnya seperti pada model 9, yaitu nilai simpangan antar lantai menjadi jauh berbeda dan mencapai maksimum bahkan melebihi batas izin (Gambar 5). Bangunan yang ideal memiliki nilai simpangan antar lantai yang kecil. Hal ini ditujukan untuk meminimalisir kerusakan bangunan pada saat terkena beban lateral. Jika dibandingkan dengan model lain, terlihat pada model 11 nilai simpangan antar lantai terdistribusi merata dan secara keseluruhan memiliki nilai simpangan antar lantai minimum.

Gambar 5 Perbandingan Perpindahan Simpangan antar Lantai Struktur Arah-X dan Arah-Y Simulasi 4

Terpisahnya struktur frame dan core mengakibatkan nilai simpangan antar lantai pada frame lebih besar daripada core (Gambar 6 & 7). Selain itu, faktor lain yang menyebabkan terjadinya peristiwa tersebut yakni struktur core memiliki kekakuan yang lebih besar daripada frame. Struktur yang lebih lemah, yaitu frame, akan terkena dampak efek lateral lebih besar.

Gambar 6 Perbandingan Perpindahan Simpangan antar Lantai Frame Arah-X dan Arah-Y Simulasi 4

Gambar 7 Perbandingan Perpindahan Simpangan antar Lantai Core Arah-X dan Arah-Y Simulasi 4

Gaya Geser Tingkat (Story Shear) Berdasarkan hasil running, model yang menggunakan isolator memiliki nilai gaya geser tingkat yang lebih kecil daripada model bangunan konvensional (Gambar 8). Hal ini sesuai dengan teori bahwa isolator dirancang untuk menyerap sebagian besar energi lateral agar struktur primer hanya sedikit terkena beban lateral dan lebih besar menanggung beban mati dan beban hidup.

Gambar 8 Perbandingan Gaya Geser Tingkat Struktur Arah-X dan Arah-Y Simulasi 4

Namun, pada struktur frame terlihat bahwa model rigid connection memiliki nilai gaya geser tingkat yang lebih besar (Gambar 9). Hal ini diakibatkan karena isolator terhubung dengan balok dimana balok merupakan bagian dari frame yang pada dasarnya merupakan struktur yang lebih lemah dibandingkan dengan struktur core. Sehingga ketika terjadi beban lateral yang sangat besar, isolator bergerak sesuai arah beban lateral tersebut dan menyebabkan balok ikut bergerak.

Gambar 9 Perbandingan Gaya Geser Tingkat Frame Arah-X dan Arah-Y Simulasi 4

Sedangkan pada struktur core, gaya geser tingkat pada model rigid connection lebih besar dibandingkan model yang menggunakan isolator (Gambar 10). Hal ini diakibatkan struktur core merupakan struktur yang lebih kaku daripada isolator maupun struktur frame. Sehingga, energi gempa sebagian besar diserap oleh isolator. Namun, nilai gaya geser dasar struktur core lebih besar daripada gaya geser dasar struktur frame. Hal ini menunjukkan bahwa pada penelitian ini struktur core masih berperan besar dalam menahan beban lateral dan tidak sepenuhnya beban lateral terserap oleh isolator.

Gambar 10 Perbandingan Gaya Geser Tingkat Core Arah-X dan Arah-Y Simulasi 4

Displacement vs Titik Leleh Isolator Pada simulasi 1, displacement pada isolator mencapai maksimum pada model 1 (Gambar 11). Sedangkan, gaya shear mencapai maksimum pada model 3. Berdasarkan grafik dibawah, dapat disimpulkan bahwa titik leleh isolator berbanding lurus dengan gaya shear dan berbanding terbalik terhadap displacement. Hal ini sesuai dengan teori bahwa semakin besar titik leleh dari suatu isolator maka defleksinya semakin kecil. Sesuai pula dengan teori dimana semakin besar

titik leleh isolator maka isolator tersebut memiliki kapasitas menahan gaya shear yang lebih besar.

Gambar 11 Perbandingan Perpindahan terhadap Geser Arah-X dan Arah-Y Simulasi 1

Pada simulasi 2, displacement pada isolator mencapai maksimum pada model 4. Sedangkan, gaya shear mencapai maksimum pada model 5 (Gambar 12). Berdasarkan grafik dibawah, dapat disimpulkan bahwa kekakuan linear berbanding lurus dengan gaya shear dan berbanding terbalik terhadap displacement. Hal ini sesuai dengan teori bahwa semakin kaku suatu bangunan maka defleksinya semakin kecil. Sesuai pula dengan teori dimana semakin kaku bangunan maka bangunan tersebut memiliki kapasitas menahan gaya shear yang lebih besar.


Pada simulasi 3, jika diamati lebih dalam maka terdapat perbedaan pada saat isolator bekerja (berada pada titik leleh) dimana semakin besar kekakuan nonlinearnya maka semakin besar gaya shear yang dapat diterima dan semakin kecil displacement yang dihasilkan (Gambar 13). Hal ini dikarenakan isolator berdeformasi ketika terjadi gempa besar (MCE R), sehingga saat gempa tersebut berlangsung, maka isolator dengan kekakuan nonlinear yang paling kecil akan berdeformasi lebih besar dibandingkan isolator dengan kekakuan nonlinear yang besar.


Pada simulasi 4,

terdapat perbedaan yang signifikan dimana model 13 memiliki nilai

displacement dan gaya shear minimum. Hal ini disebabkan oleh banyaknya isolator yang bekerja sehingga beban gempa yang ditanggung oleh tiap isolator lebih sedikit dibandingkan pada model lainnya (Gambar 14). Namun, berbeda kasus dengan model 10. Terlihat displacement yang dihasilkan dan gaya shear yang mampu ditahan lebih kecil daripada model 9. Hal ini terjadi karena pada model 10 ruang untuk isolator berdeformasi terkekang oleh lantailantai di atasnya yang bersifat rigid diaphragm.


Kesimpulan Berdasarkan hasil pemodelan, pada penelitian ini dapat disimpulkan sebagai berikut : 

Periode getar pada bangunan yang menggunakan isolator lebih panjang daripada bangunan yang tidak menggunakan isolator



Displacement bangunan yang menggunakan isolator lebih besar dibandingkan model rigid connection dimana displacement maksimum diperoleh pada model 9.



Gaya geser antar tingkat (story drift) lebih kecil pada bangunan yang memiliki isolator dimana nilai minimum diperoleh pada model 11



Gaya geser tingkat (story shear) lebih kecil pada bangunan yang menggunakan isolator dimana nilai minimum diperoleh pada model 11



Displacement isolator akan lebih besar pada isolator yang memiliki nilai kekakuan linear dan atau kekakuan nonlinear yang rendah



Semakin besar nilai kekakuan isolator maka gaya geser yang mampu diterima akan semakin besar

Daftar Referensi 1

Samali, B.1995.”Use of Viscoelastic Dampers in Reducing Wind and Earthquake Induced Motion of Building”.Engineering Structures Vol.17 No.9 pp 639-645:Great Britain.

2

Naeim, Farzad and James M.Kelly.1999. “Design of Seismic Isolated Structures from Theory to Practice. John Willey and Sons Inc:NewYork.

3

Calugaru,Vladimir. “Earthquake Resistant and Resilient Tall Buildings using Seismic Isolation and Rocking Core Walls. Department of Civil and Enviromental Engineering University of California:Berkeley.

4

Standar SNI 1726-2012, ”Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur Bangunan Gedung dan Non Gedung”, Badan Standarisasi Nasional, Bandung, 2012.

5

Seno, et all. 2000. “The 1999 Chi-Chi, Taiwan Earthquake : a Subduction Zone Earthquake on Land”. Bull Earthquake Resistant Inst, 75, 57-77.

6

Bruneau, Michel et all. 2011.”Ductile Design of Steel Structures 2 nd Edition”.Mc-Graw Hill:USA.

7

Chopra, Anil. K. 1995. “Dynamic of Structure Theory and Applications To Earthquake Engineering”, Prentice Hall Inc:New Jersey.

8

Higashino, Masahiko and Shin Okamoto.2006. “Response Control and Seismic Isolation of Building”.Taylor and Francis:USA.

9

Member of the International Code Family.2009.International Building Code.International Code Council:USA.

10

American Society of Civil Engineers.2006.”Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”.ASCE:New York.

11

Direktorat Penyelidikan Masalah Bangunan. 1983. “Peraturan Pembebanan Indonesia untuk Gedung”. Yayasan Lembaga Penyelidikan Masalah Bangunan:Bandung.

12

Naeim, Farzad. 2000. “Seismic Design Handbook second edition” Kluwer Academic Publisher : California.

13

NEHRP Recommended Seismic Provisions for New Building and Other Structures.2009. Commentary for ASCE 7-05.

14

Petrina, Bogdan, et all.2011.”Seismic Isolation Systems Classification, Properties and Utilization”. Bul. Inst. Polit. Iaşi, t. LVII (LXI), f. 3.

15

Standar SNI 03-1729-2002. “Tata Cara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung”, Departemen Pekerjaan Umum, Bandung, 2002.

16

Tim Revisi Peta Gempa Indonesia. 2010. ”Ringkasan Hasil Studi Tim Revisi Peta Gempa Indonesia”.Kementerian Pekerjaan Umum : Bandung

Lampiran : Desain Pemodelan Struktur Denah Bangunan

Dimensi Struktur

Indah Herning Suari - Naskah Ringkas - FT - 2015

Recommend Documents