KONSTRUKSI GEDUNG TAHAN GEMPA

Wilayah Indonesia mencakup daerah-daerah yang mempunyai tingkat resiko gempa yang tinggi diantara beberapa daerah gempa diseIuruh dunia.

Data-data terakhir yang berhasil direkam menunjukkan bahwa rata-rata setiap tehun terjadi sepuluh kegiatan gempa bumi yang mengakibatkan kerusakan yang cukup besar di Indonesia. Sebagian terjadi pada daerah lepas pantai dan sebagian lagi pada daerah pemukiman.

Pada daerah pemukiman yang cukup padat, perlu adanya suatu perlindungan untuk mengurangi angka kematian penduduk dan kerusakan berat akibat goncangan gempa.

Dengan menggunakan prinsip teknik yang benar, detail konstruksi yang baik dan praktis maka kerugian harta benda dan jiwa menusia dapat dikurangi.

Dalam webblog ini, diuraikan faktor-faktor dasar dari goncangan gempa yang kemudian di uraikan prinsip-prinsip utamanya yang akan dipakai dalam membangun rumah tahan gempa.

BEBERAPA KARAKTERISTIK GONCANGAN GEMPA

Pada lokasi bangunan, gempa bumi akan menyebabkan tanah dibawah bangunan dan di sekitarnya tergoncang dan bergerak secara tak beraturan (random).

Percepatan tanah terjadi dalam tiga dimensi membentuk kombinasi frekwensi getaran dari 0,5 Hertz sampal 50 Hertz.

Jika bangunan kaku (fixed) terhadap tanah (dan tidak dapat tergeser) gaya inersia yang menahan percepatan tanah akan bekerja pada tiap-tiap elemen struktur dari bangunan selama gempa terjadi. Besarnya gaya-gaya inersia ini tergantung dari berat bangunannya, semakin ringan berarti semakin kecil gaya inersia yang bekerja dalam elemen struktur tersebut.

Tanggung jawab sebagai orang yang berkecimpung daIam industri konstruksi adalah mendirikan bangunan sedemikian rupa sehingga bangunan tetap mampu berdiri menahan gaya-gaya inersia tersebut. Pertanyaan yang timbul kemudian, “Berapa kekuatan bangunan yang kita perlukan ?”.

TINGKAT PEMBEBANAN GEMPA

Pada tahun 1981, studi untuk menentukan besarnya “beban gempa rencana” sudah dilakukan. Studi ini adalah proyek kerja sama antara Pemerintah Indonesia-New Zealand yang menghasilkan. Peraturan Muatan Gempa lndonesia.

Pada konsep peraturan tersebut ada 2 (dua) langkah pendekatan untuk menghitung pembebanan gempa yang dapat digunakan.

Kriteria pertama, bahwa perencanaan pembebanan gempa sedemikian rupa sehingga tidak terjadi kerusakan struktur atau kerusakan arsitektural setiap kali terjadi gempa.

Kriteria kedua meskipun terjadi gempa yang hebat bangunan tidak boleh runtuh tetapi hanya boleh kerusakan-kerusakan pada bagian struktur yang tidak utama atau kerusakan arsitektur saja.

Telah diketahui bahwa adalah tidak ekonomis merencanakan bangunan tahan gempa cara elastis. Jadi untuk gempa yang besar dimana kemungkinan terjadinya kira-kira 15% dari umur bangunan tersebut, dipakai harga perencanaan yang rendah dan perencanaan khusus serta ukuran detail-detail diambil sedemikian sehingga menjamin beberapa bagian tertentu dari struktur akan Ieleh (berubah bentuk dalam keadaan plastis) untuk menyerap sebagian enersi gempa (yang berlaku untuk keadaan kenyal).

Besarnya harga beban rencana yang terjadi berhubungan dengan beberapa faktor yang selengkapnya terdapat pada reference, yang disimpulkan sebagai berikut:

1. Faktor Lapangan (site)

Parameter ini dimodifikasikan untuk perhitungan pada kondisi tanah Iunak dimana goncangan tanah akibat gempa akan diperbesar (mengalami pembesaran).

(Untuk Jakarta, pada zone 4 dan diatas tanah lunak koefisien beban rencana lateral adalah 0,05 untuk struktur yang kaku seperti perumahan bertingkat rendah.

2. Faktor Bangunan

Beban yang terjadi pada suatu bangunan juga tergantung pada keadaan (features) dari bangunan rersebut, yakni fleksibilitasnya, beratnya dan behan bangunan untuk konstruksinya.

Biasanya suatu bangunan yang fIeksibel akan menerima beban gempa yang Iebih kecil dibandingkan bangunan yang lebih kaku. Bangunan yang lebih ringan akan menerimna beban gempa yang Iebih keciI dari pada bangun yang berat dan bangunan yang kenyal akan menyerap beban gempa yang lebih kecil dari pada bangunan yang getas yang mana dalam keadaan pengaruh gempa akan tetap elastis atau runtuh secara mendadak.

Bangunan dari kayu digolongkan sebagai bangunan yang kenyal. Untuk struktur kayu harus direncanakan dengan menggunakan Peraturan Muatan Indonesia yang baru. Beban rencana adalah 33% - 50% dari gaya yang menyebabkan struktur belum mulai Ieleh atau masih dalam keadaan elastis.

Reduksi ini tidaklah sama besarnya untuk bahan bangunan yang lain, misalnya baja yang mempunyai kekenyalan yang lebih besar dari kayu. Meskipun demikian kekenyalan dapat diciptakan dalam struktur kayu dengan menggunakan alat penyambung yang kenyal pada tiap-tiap hubungan elemen stuktur kayu tersebut. Pada umumnya, sambungan dengan paku memberikan kekenyalan yang cukup.

3. Tingkat Pembebanan Gempa untuk Bangunan Kayu

Dengan memperhatikan faktor lapangan dan faktor bangunan, struktur kayu harus tetap mampu berdiri untuk menahan beban-beban sebagai berikut : (Jakarta, tanah lunak)

Rangka kayu kenyal : 0,05 ^*) x 1,7 = 0,085
Dinding geser kayu : 0,05 ^*) x 2,5 = 0,125
Konstruksi rangka kayu yang diperkuat dengan batang pengaku diagonal: 0,05 ^*) x 3 = 0,15

Keterangan :

^*) Faktor ini mempunyai harga maksimum 0,13 pada zone I dan 0 pada zone 6.

Hal ini berarti, misalnya suatu dinding geser yang terbuat dari plywood atau particle board, harus dapat menerima gaya horisontal sebesar 0,125 x berat total dari bagian struktur yang membebani dinding tersebut.

Meskipun suatu bangunan direncenakan dengan harga pembebanan yang benar, mungkin bangunan. tersebut mengalami kerusakan akibat gempa jika sebagian dari prinsip-prinsip utamanya tidak dipenuhi.

PRlNSlP-PRlNSIP UTAMA KONSTRUKSI TAHAN GEMPA

1. Denah yang sederhana dan simetris

Penyelidikan kerusakan akibat gempa menunjukkan pentingnya denah bangunan yang sederhana dan elemen-elemen struktur penahan gaya horisontal yang simetris. Struktur seperti ini dapat menahan gaya gempa Iebih baik karena kurangnya efek torsi dan kekekuatannya yang lebih merata.

2. Bahan bangunan harus seringan mungkin

Seringkali, oleh karena ketersedianya bahan bangunan tertentu. Arsitek dan Sarjana SipiI harus menggunakan bahan bangunan yang berat, tapi jika mungkin sebaiknya dipakai bahan bangunan yang ringan.

Hal ini dikarenakan besarnya beban inersia gempa adalah sebanding dengan berat bahan bangunan.

Sebagai contoh penutup atap genteng diatas kuda-kuda kayu menghasilkan beban gempa horisontal sebesar 3 x beban gempa yang dihasilkan oleh penutup atap seng diatas kuda-kuda kayu. Sama halnya dengan pasangan dinding bata menghasiIkan beban gempa sebesar 15 x beban gempa yang dihasilkan oleh dinding kayu.

3. Perlunya sistim konstruksi penahan beban yang memadai

Supaya suatu bangunan dapat menahan gempa, gaya inersia gempa harus dapat disalurkan dari tiap-tiap elemen struktur kepada struktur utama gaya honisontal yang kemudian memindahkan gaya-gaya ini ke pondasi dan ke tanah.

Adalah sangat penting bahwa struktur utama penahan gaya horizontal itu bersifat kenyal. Karena, jika kekuatan elastis dilampaui, keruntuhan getas yang tiba-tiba tidak akan terjadi, tetapi pada beberapa tempat tertentu terjadi Ieleh terlebih dulu.

Suatu contoh misalnya deformasi paku pada batang kayu terjadi sebelum keruntuhan akibat momen lentur pada batangnya.

Cara dimana gaya-gaya tersebut dialirkan biasanya disebut jalur Iintasan gaya.

Tiap-tiap bangunan harus mempunyai jalur lintasan gaya yang cukup untuk dapat menahan gaya gempa horisosontal.

Untuk memberikan gambaran yang jelas, disini diberikan suatu contoh rumah sederhana dengan tiga hal utama yang akan dibahas yaitu struktur atap, struktur dinding dan pondasi.

3.1. Struktur atap

Jika tidak terdapat batang pengaku (bracing) pada struktur atap yang menahan beban gempa dalam arah X maka keruntuhan akan terjadi.

Jika lebar bangunan lebih besar dari lebar bangunan di mungkin diperlukan 2 atau 3 batang pengaku pada tiap-tiap ujungnya.

Dengan catatan bahwa pengaku ini harus merupakan sistim menerus sehingga semua gaya dapat dialirkan melalui batang-batang pengaku tersebut.

Gaya-gaya tersebut kemudian dialirkan ke ring balok pada ketinggian langit-langit.

Jika panjang dinding pada arah lebar (arah pendek) lebih hesar dari 4 meter maka diperlukan batang pengaku horisontal pada sudut untuk memindahkan beban dari batang pengaku pada bidang tegak dinding daIam arah X dimana elemnen-elemen struktur yang menahan beban gempa utama.

Sekali lagi ring balok juga harus menerus sepanjang dinding dalam arah X dan arah Y

Sebagai pengganti penggunaan batang pengaku diagonal pada sudut, ada 2 (dua) alternatif yang dapat dipilih oIeh perencana;

Ukuran ring balok dapat diperbesar dalam arah horisontal, misalnya 15 cm menjadi 30cm atau sesuai dengan yang dibutuhkan dalam perhitungan. Ring bolok ini dipasang diatas dinding dalam arah X.
Dipakai langit-langit sebagai diafragma, misalnya plywood.

Untuk beban gempa arah Y, sistim struktur dibuat untuk mencegah ragam keruntuhan. Untuk mengalirkan gaya dari atap kepada dinding dalam arah Y, salah satu alternatif diatas dapat dipilih yaitu penggunaan batang pengaku horisontal ring balok atau memakai langit-langit sebagai diafragma.

3.2. Struktur dinding

Gaya-gaya aksiaI dalam ring balok harus ditahan oleh dinding.

Pada dinding bata gaya-gaya tersebut ditahan oleh gaya tekan diagonal yang diuraikan menjadi gaya tekan dan gaya tarik. Gaya aksiaI yang bekerja pada ring balok juga dapat menimbulkan gerakan berputar pada dinding. Putaran ini ditahan oleh berat sendiri dinding, berat atap yang bekerja diatasnya dan ikatan sloof ke pondasi.

Jika momen guling lebih besar dari momen penahannya maka panjang dinding harus diperbesar.

Kemungkinan lain untuk memperkaku dinding adalah sistim diafragma dengan menggunakan plywood, particle board atau sejenisnya, atau pengaku diagonal kayu untuk dinding bilik.

Penggunaan dinding diafragma lebih dianjurkan karena sering terjadi kesulitan untuk memperoleh sambungan ujung yang lebih pada sistim pengaku diagonal.

Beban gempa yang bekerja pada arah Y ditahan dengan cara yang sama dengan arah X

Sebagal sistem struktur utama yang mana dinding harus mampu menahan beban gempa yang searah dengan bidang dinding, dinding juga harus mampu menahan gempa dalam arah yang tegak lurus bidang dinding.

Dengan alasan ini maka dinding bata (tanpa tulangan) harus diperkuat dengan kolom praktis dengan jarak yang cukup dekat. Sebagai pengganti kolom praktis ini dapat dipakai tiang kayu.

3.3. Struktur pondasi

Struktur pondasi berperanan penting untuk memindahkan beban gempa dari dinding ke tanah.

Pertama, pondasi harus dapat menahan gaya tarik vertikal dan gaya tekan dari dinding. Ini berarti sloof menerima gaya geser dan momen lentur sebagai jalur Iintasan gaya terakhir sebelum gaya-gaya tersebut mencapai tanah.

Akhirnya sloof memindahkan gaya-gaya datar tersebut ke pada tanah yang ditahan oleh daya dukung tanah dan tekanan tanah lateral.

Rumah yang terbuat dari kayu dengan lantai kayu dan pondasi kayu memerlukan batang pengaku untuk mencegah keruntuhan.

SISTEM KONTROL STRUKTURAL (STRUCTURAL CONTROL DEVICES)

Ada beberapa sistem kontrol respons struktur akibat gaya gempa dimana sistem ini dapat digolongkan atas tiga(3) kelompok besar yaitu: sistem kontrol active-semiactive , sistem kontrol passive dan sistem isolasi dasar seperti pada gambar 3.

Sistem ini telah banyak digunakan Negara – Negara yang mempunyai resiko tinggi terhadap gempa seperti Jepang, Italy, USA, Selandia Baru, Portugal, Iran, Indonesia, Turki, China, dan Taiwan. Meskipun penggunaaan sistem ini masih terbatas, sistem isolasi seismik dan energi dissipator passive atau kombinasinya merupakan sistem kontrol struktural yang paling banyak diterapkan pada bangunan didunia untuk mengontrol respon bangunan akibat gempa. Sistem kontrol struktural secara passive tidak membutuhkan energi listrik (power) untuk menghasilkan gaya kontrol pada struktur.
Pada sistem passive gaya kontrol dihasilkan oleh sistem itu sendiri yang timbul karena adanya gerakan relatif dari titik-titik bagian struktur sendiri, sedangkan pada sistem kontrol aktif membutuhkan energi luar untuk menggerakkan aktuator untuk mengasilkan gaya kontrol yang diinginkan struktur. Untuk mengukur respons struktur dibutuhkan sebuah sensor yang dihubungkan dengan komputer. Sensor akan mengirimkan informasi tentang respons struktur ke komputer dan komputer akan menentukan besarnya gaya yang diinginkan aktuator berdasarkan informasi tersebut.

Kelebihan sistem aktif kontrol adalah menghasilkan repons struktur yang sesuai sedangkan kekurangannya adalah biaya yang tinggi karena membutuhkan power dari luar yang cukup besar. Skematik aktif kontrol dapat dilihat pada gambar 4.

SISTEM ISOLASI DASAR (BASE ISOLATION SYSTEM)

Prinsip utama cara kerja base isolator jenis elastomerik bearing (HDRB atau LRB) adalah dengan memperpanjang waktu getar alami struktur diluar frekwensi dominan gempa sampai 2.5 atau 3 kali dari waktu getar struktur tanpa isolator (fixed base structures) dan memiliki damping antara 10 s/d 20%. Akibatnya gaya gempa yang disalurkan ke struktur menjadi lebih kecil. Sedangkan pada friction pendulum systemh(FPS), parameter yang berpengaruh terhadap besarnya reduksi gaya gempa yang bekerja pada struktur adalah koefisien gesekan dan radius kelengkungan dari permukaan cekung bidang gelincir sistem FPS. Disamping itu satu hal yang unik dari sistem ini adalah waktu getar struktur tidak tergantung kepada massa bangunan tetapi tergantung kepada radius kelengkungan dan percepatan gravitasi Bumi dari sistem FPS.

Pada bangunan ICT Universitas Syiah Kuala jenis base isolator (silider isolator) yang dipasang berbeda materialnya dengan isolator jenis elastomerik (terdiri dari karet dan pelat baja) maupun dengan jenis FPS ( terdiri dari pelat baja dan teflon), tetapi cara kerjanya hampir sama. Energi dissipasi dihasilkan oleh gesekan pada permukaan bahan PTPE (Teflon) sedangkan gaya pemulih dihasilkan oleh spring yang terbuat dari bahan polyurethane. Untuk memikul gaya vertikal maupun rotasi yang terjadi disediakan bearing yang disebut dengan polytron disk (gambar 5). Kelebihan sistem ini adalah memiliki damping yang cukup besar dapat mencapai sampai 60% dari damping kritikal.

Mungkin baru sampai sini saja saya bisa membahas apa saja yang diperlukan dalam memperhitungkan /meminimalisir gaya gempa pada bangunan.

jika ada kekurangan saya mohon teman2 bisa memberikan masukan atau pendapat yang bersifat membangun.

KESIMPULAN

Dari uraian diatas, goncangan gempa dan cara menghitung harga pembebanan gempa untuk suatu bangunan, dapat disimpulkan bahwa :

Kekenyalan struktur sangat ditekankan sekali untuk mencegah keruntuhan bangunan.
Gaya gempa hanya dapat ditahan oleh sistem struktur yang menerus (jalur lintasan gaya yang menerus) dari puncak bangunan sampai ke tanah.

Analisa dinamika struktur SDOF

Rabu, 06 Juli 2011

Analisa Dinamika struktur

Memperhitungkan Gaya Gempa pada Bangunan Gedung

KONSTRUKSI GEDUNG TAHAN GEMPA

Minggu, 29 Mei 2011

Singel Degree of Freedom


Equation of Motion for SDOF Systems


SDOF vibration can be analyzed by Newton's second law of motion, F = m*a. The analysis can be easily visualized with the aid of a free body diagram, The resulting equation of motion is a second order, non-homogeneous, ordinary differential equation: with the initial conditions, The solution to the general SDOF equation of motion is shown in the damped SDOF discussion.