Tune Mass Damper 1. Pendahuluan
Perencanaan struktur bangunan gedung sangat penting di Indonesia, karena posisi Indonesia yang berada di sekitar jalur subduksi lempeng yang menyebabkan wilayah Indonesia terletak pada zona seismik aktif dan tingkat kegempaan yang tinggi. Indonesia merupakan daerah yang rawan bencana gempa karena merupakan daerah tektonik aktif tempat bertemunya lempeng Eurasia di sebelah utara dengan lempeng Indoaustralia di sebelah selatan dan juga lempeng Pasifik di sebelah timur. Telah tercatat beberapa gempa signifikan yang membawa korban yang cukup banyak. Gempa Aceh, gempa Yogyakarta, gempa padang dan lain-lain. Dengan kondisi Indonesia yang demikian itu maka diperlukan kemampuan untuk mengatasi permasalahan yang timbul oleh bencana gempa tersebut, khususnya runtuhnya bangunan untuk menghindari jatuhnya korban yang lebih banyak lagi.
Masalah utama yang sering ditemui dalam merancang struktur dimasa sekarang adalah keadaan dimana struktur yang dibangun sifatnya semakin fleksibel dan tinggi. Contohnya adalah seperti bangunan pencakar langit dan tower, struktur ini sifatnya akan menjadi semakin fleksibel. Dengan fleksibilitas yang makin besar, level vibrasi yang tidak diinginkan mungkin saja akan terjadi jika struktur tersebut dikenai beban lingkungan yang besar. Sehingga kontrol struktur terhadap permasalahan yang menimbulkan kebutuhan struktur bersifat adaptif.
Kontrol struktur pada dasarnya adalah mengatur karakteristik dinamik struktur tersebut untuk menjamin bahwa struktur merespon dengan baik gaya-gaya luar yang terjadi. Mekanisme ini pada umumnya memerlukan suatu sistem yang dapat memberikan gaya luar tambahan yang disebut dengan gaya kontrol. Asumsi-asumsi dasar yang digunakan untuk memodelkan suatu struktur sebagai bangunan geser antara lain adalah massa dari struktur yang terpusat di setiap lantainya, kekakuan balok diangap tak terhingga, dan deformasi aksial kolom diabaikan. Asumsi-asumsi ini menyederhanakan struktur tersebut dari banyak derajat kebebasan menjadi hanya satu derajat kebebasan di setiap lantainya.
Perilaku suatu sistem untuk dapat berlaku dan berjalan dengan baik pasti berada dalam suatu sistem yang terkendali, dimana pusat kendali ini menyebabkan sistem bekerja dengan baik. Perencanaan struktur bangunan gedung sangat penting di Indonesia , karena Indonesia yang berada di jalur subduksi lempeng menyebabkan tingkat kegempaan yang sangat tinggi di beberapa wilayah Indonesia. Telah tercatat beberapa gempa signifikan yang menyebabkan korban jiwa yang sangat banyak.Gempa Aceh, gempa Yogyakarta,
gempa Pangandaran, gempa Padang dan lain-lain. Dengan kondisi Indonesia yang demikian itu maka diperlukan kemampuan untuk mengatasi permasalahan yang timbul oleh bencana gempa tersebut, khususnya runtuhnya bangunan untuk menghindari jatuhnya korban yang lebih banyak.
Pada masa sekarang, semakin banyak bangunan gedung bertingkat dan semakin beragamnya teknik arsitektur dari gedung menyebabkan maningkatnya kebutuhan akan keamanan dan kenyaman dari gedung. Unsur keamanan dan kenyaman dari gedung ini tidak terlepas dari kokohnya suatu gedung dalam berdiri. Akan tetapi adanya gangguan-gangguan alam seperti gempa bumi dapat menyebabkan rusaknya struktur bangunan, yang mengakibatkan ketidaknyamanan bagi manusia yang berada didalam maupun disekitar gedung tersebut. Untuk itu perlu adanya suatu pengendali pada gedung, agar gedung dapat menahan getaran akibat adanya gempa bumi sehingga struktur bangunan tidak mudah rusak.
2. Tune Mass Damper 2.1 Umum
Sebuah Tuned mass damper (TMD) adalah sebuah alat atau instrument yang terdiri dari suatu massa, kekakuan dan sebuah damper (peredam) yang dempet atau menempel pada suatu struktur yang bekerja untuk mengurangi respon dinamik dari sebuah struktur. Dalam bagian ini konsep dari tuned mass damper (TMD) adalah diilustrasikan menggunakan dua sistem masa ditunjukan dalam gambar 2.1.
m 2 k m (2.1) c 2m (2.2) 2 kd (2.3) d d
m = massa dari struktur SDOF
md = massa dari damper
ω = frekuensi natural struktur ξ = rasio redaman struktur
ωd = rasio frekuensi natural damper ξd = rasio redaman damper
Tujuan penambahan peredam massa adalah untuk sebagai pembatas dari gerakan sebuah struktur ketika struktur terkena eksitasi khusus. Desain dari peredam massa melibatkan ketetapan massa (md), kekakuan (kd), dan koefisien peredam (cd).
Sifat-sifat dan karakter fisik dari setiap suatu sistem struktur yang bersifat elastis secara linier yang dikenakan pada suatu beban gempa adalah meliputi massa, redaman dan kekakuan struktur. Parameter-parameter ini sangat menentukan respon yang dihasilkan dari suatu struktur yang diberikan percepatan tanah akibat gempa sebesar ag yang diakibatkan oleh suatu gempa bumi.
2.2 Kekakuan Struktur
Kekakuan struktur adalah gayayang dapat disimpan oleh sistem struktur bila struktur tersebut diberi suatu perpindahan (gaya) baik itu perpendekan, perpanjangan, perputaran sudut, atau deformasi-deformasi lainnya.
Kekakuan pada setiap tingkat atau lantai adalah jumlah kekakuan lateral dari semua kolom di lantai tersebut baik panjang, modulus elastis, momen inersia, modulus elastisitas geser, dan luas penampang. Tingkat atau lantai dengan tinggi h dan kolom dengan modulus E dan momen inersia Ic maka kekakuan lantai tersebut adalah
Kekakuan struktur yang dicapai dengan penyusunan elemen-elemen struktur, seperti :
a) Bidang-bidang bangunan tersusun secara kaku (rigid) satu sama lain, seperti struktur bidang lipat;
b) Bentuk tiga dimensi merupakan elemen penunjang utama pada kekakuan stuktur unit box (box system);
c) Material plat datar dibuat monolit (solid) atau sistim rangka yang terisi bidang-bidang yang sifatnya non-struktural.
Matriks kekakuan elemen menghubungkan gaya dan perpindahan pada koordinat lokal nodal elemen, sedangkan matriks kekakuan sistem menghubungkan gaya dan perpindahan pada koordinat global nodal sistem. Sifat matriks kekakuan sistem yang diperoleh adalah simetris dan mempunyai jalur suku yang tidak sama dengan nol (Banded Matrix).
2.3 Redaman struktur
Terdapat dua jenis redaman yang dapat digunakan digunakan untuk menformulasikan redaman struktur, yaitu : redaman viskos (Viscous Damping) dan redaman kekakuan kompleks (Complex Stiffness Damping). Redaman viskos memberikan formulasi yang mudah apabila dibandingkan dengan formulasi redaman kekakuan kompleks, tetapi tidak memberikan gambaran yang sebenarnya dari redaman struktur (terutama dalam definisi kehilangan energi per siklus yang bergantung kepada frekuensi respon). Sedangkan redaman kekakuan kompleks memberikan formulasi yang sulit, tetapi lebih menggambarkan keadaan redaman pada struktur.
Nilai redaman pada struktur akan berpengaruh pada bagaimana struktur menyerap energi yang bekerja pada struktur. Hal ini ditunjukan oleh simpangan yang terjadi pada struktur tersebut. Semakin kecil redaman struktur, semakin
k1 k2 k2 0 0 K k2 k2 k3 k3 0 (2.12 ) 0 k3 k3 kd kd 0 0 kd kd
besar simpangan yang terjadi. Begitu juga sebaliknya, semakin besar redaman struktur, semakin kecil simpangan yang terjadi. Nilai C (redaman) pada dasarnya akan berkerja efektif pada daerah resonansi struktur saja, selebihnya besarnya nilai C (redaman) tidak akan memberikan efek yang sangat signifikan.
2.4 Tune Mass Damper
TMD adalah sebuah massa inersia yang melekat pada lokasi bangunan dengan gerak maksimum (umumnya di dekat bagian atas ), melalui semi disetel dengan benar dan elemen redaman. TMD memberikan histeresis bergantung pada frekuensi yang meningkatkan redaman pada struktur rangka yang melekat padanya untuk mengurangi gerakannya. Ketahanan ditentukan oleh karakteristik dinamis ,redaman dan jumlah massa tambahan yang digunakan. Redaman tambahan diperkenalkan oleh TMD juga tergantung pada rasio massa peredam dengan massa efektif bangunan di modus getaran tertentu. Berat TMD bervariasi antara 1% - 10% dari berat bangunan struktur utama. Frekuensi TMD yang disetel ke frekuensi struktural tertentu ketika frekuensi TMD akan beresonansi keluar dari fase dengan gerakan frame dan mengurangi respon. Seringkali untuk kontrol respon konfigurasi multi -
peredam yang lebih baik ( MDCS ) yang terdiri dari beberapa peredam ditempatkan dalam paralel dengan frekuensi alami didistribusikan di sekitar kontrol Penyesuaian frekuensi yang digunakan. Untuk massa total yang sama, peredam massa beberapa signifikan dapat meningkatkan redaman setara diperkenalkan ke sistem . C1 C2 C2 0 0 0 C C2 C2 C3 C3 0 0 (2.13) 0 0 Cn1 Cn1 Cn Cn 0 0 0 Cn Cn
Sumber: Maurer Tuned Mass and Viscous Dampers.
Tuned Mass Damper (TMD) dan Elemen-elemennya
TMD, peredam gaya harmonik. Cara kerja dari TMD yaitu, ketika suatu struktur bergetar sesuai natural frekuensinya, peredam akan beresonansi untuk tetapi gerakan dari peredam ini berlawan dari getaran pada sturuktur tersebut. Sehingga energy getaran dari bangunan dapat berkurang.
STRUCTURE MODEL
Sistem model struktur yang digunakan SDOF. M sebagai massa, x(t) koordinat perpindahan dari motion pada massa, k merupakan kekakuan, b adalah koefisien peredam. Struktur bergantung pada variasi gaya terhadap waktu F(t).
Gambar 3. Skema dari model struktur SDOF
Untuk memformulasikan persamaan dari gerakan sistem dapat dilihat dari diagram free body di bawah ini.
Gambar 4. Free Body Diagram dari SDOF 𝑥 (𝑡) + 𝑏 𝑀 𝑥 (𝑡) + 𝑘 𝑀 𝑥(𝑡) = 1 𝑀 𝐹(𝑡)
Gerakan dari suatu struktur dimisalkan dengan gaya eksternal dari fungsi F(t). Selama desain dari TMD bergantung pada frekuensi dari beban eksternal, fungsi gaya eksternal di asumsikan menjadi perioda. Untuk menghitung respons frekuensi dari struktur, dapat digunakan rumus Laplace, sebagai berikut :
Dimana :
𝜉 = 𝑏 / 𝑏𝑐𝑟 = 𝑏 / 2√𝑘𝑀 𝜔 = √(𝑘 /𝑀)
DESIGN OF THE TUNED MASS DAMPERS
Tuned mass damper adalah sebuah alat instrument yang terdiri dari suatu massa, kekakuan dan sebuah damper (peredam) yang menempel pada suatu struktur yang bekerjanuntuk mengurangi respon dinamik dari sebuah struktur. Tuned mass damper diilustrasikan menggunakan dua sistem massa :
2.5 Bangunan yang Mengaplikasikan TMD
1. Citicrop Centre , New York Citicrop Centre , New York
Pertama skala penuh struktur peredam massa disetel dipasang di gedung Citicorp Center di New York City. Ketinggian bangunan adalah 279 m dengan periode dasar sekitar 6,5 s dan rasio redaman dari 1 % di sepanjang kedua sumbu . Itu selesai pada tahun 1977 dengan TMD ditempatkan di lantai tiga puluh di mahkota memiliki berat 400 ton struktur . Waktu itu massa TMD adalah 250 kali lebih besar daripada yang ada TMD. Redaman dari keseluruhan bangunan meningkat dari 1 % sampai 4 % dari kritis dengan rasio massa TMD 2% dari massa modal pertama. Hasil pengurangan amplitudo bergoyang dengan faktor 2 . Sistem TMD terdiri dari 8 blok besar bantalan beton pada film tipis minyak , dengan pegas pneumatik yang memberikan kekakuan struktural.
Sumber: Thesis Vibration Control Of Frame Structure Using Multiple Tuned Mass Dampers
2. John Hancock Tower , Boston
Dua peredam yang memiliki berat dari 2700kN ditambahkan ke bangunan berlantai 60, John Hancock Tower di Boston untuk mengurangi respon terhadap Beban angin. Peredam ditempatkan di ujung-ujung cerita kelima puluh delapan gedung dengan jarak 67 m. Karena bentuk khas bangunan peredam ini dirancang untuk melawan gaya angin pada bangunan.
Sumber: Thesis Vibration Control Of Frame Structure Using Multiple Tuned Mass Dampers
3. CN Tower, Toronto
Karena keunikan dalam perspektif desain Menara Nasional Kanada di Toronto maka menambahkan TMD adalah wajib untuk menekan gerakan angin diinduksi bangunan dalam mode kedua dan keempat. Itu diperlukan untuk menekan efek dinamis beban angin dari 102 meteran baja antena di puncak menara. Yang pertama dan ketiga mode antena memiliki karakteristik getaran yang sama dengan struktur beton yang teredam.
Untuk mengurangi getaran , dua cincin baja berbentuk donat dengan memiliki massa 9 ton yang ditambahkan pada ketinggian yang sesuai dengan getaran puncak mode bermasalah. Setiap cincin dipasang pada sendi universal sedemikian rupa sehingga bisa memutar ke segala arah dan bertindak sebagai massa tuned terlepas dari arah eksitasi angin. Empat peredam hidrolik
diaktifkan per cincin diberikan untuk menghilangkan energi .
Sumber: Thesis Vibration Control Of Frame Structure Using Multiple Tuned Mass Dampers
4. Chiba Port Tower , Jepang
Chiba Port Tower , struktur baja dari 125 m di ketinggian 1.950 ton berat badan dan memiliki rencana belah ketupat berbentuk dengan panjang sisi 15 m ( selesai pada 1986) adalah menara pertama di Jepang yang dilengkapi dengan TMD. Waktu periode pertama dan kedua modus getaran 2,25 s dan 0,51 s , masing-masing untuk arah x dan 2,7 s dan 0.57 s untuk arah y . Redaman untuk modus dasar dihitung sebesar 0,5 %. Untuk mode yang lebih tinggi meredam getaran rasio sebanding dengan frekuensi yang diasumsikan dalam analisis . Penggunaan TMD adalah untuk meningkatkan redaman modus pertama untuk kedua arah x dan y. Rasio massa peredam sehubungan dengan massa modal dari modus pertama adalah sekitar 1/ 120 di arah x dan 1/ 80 di arah y; periode dalam arah x dan y dari 2.24 s dan 2.72 s , masing-masing; dan peredam damping rasio 8% .
Sumber: Thesis Vibration Control Of Frame Structure Using Multiple Tuned Mass Dampers
5. Taipei 101 , Taiwan
Taipei 101, bangunan struktur baja ini adalah bangunan tertinggi ke-3 di dunia. Berikut TMD itu digunakan untuk tujuan arsitektur bersama dengan tujuan struktural. Untuk mengurangi getaran lingkup bangunan berbentuk TMD berat 728 ton berdiameter 5,5 m antara 88-92 lantai digunakan. Lingkup besar diskors oleh empat set kabel, dan energi dinamis hilang oleh delapan hidrolik piston setiap panjang memiliki 2 m. Damper dapat mengurangi 40 % dari gerakan menara. Dua peredam massa disetel , masing-masing seberat 6 ton duduk di ujung menara tersebut. Ini mencegah kerusakan struktur akibat beban angin yang kuat.
Di Jepang , untuk mengurangi getaran lalu lintas yang disebabkan untuk dua struktur baja perkotaan di jalan tol TMD digunakan pada jembatan tersebut ( Inoue et al . 1994). TMD dengan rasio massa sekitar 1 % hasil dalam pengurangan nilai-nilai puncak respon percepatan dari dua bangunan dengan 71 % dan 64 % , masing-masing.
Sumber: Thesis Vibration Control Of Frame Structure Using Multiple tuned Mass Dampers
6. Burj Al Arab
Burj Al Arab dilengkapi dengan 11 TMD pada lantai yang berbeda untuk mengontrol angin diinduksi getaran .
Sumber: Thesis Vibration Control Of Frame Structure Using Multiple tuned Mass Dampers
3. Kesimpulan
1. Tuned Mass Damper dapat memperbesar periode gempa pada struktur bangunan dan memperkecil besarnya periode percepatan gempa sehingga memperkecil gaya gempa dan mengurangi displacement dan simpangan antar lantai (drift)
2. Untuk perhitungan gempa dengan metode analisis modal, Tuned Mass Damper pada mode yang nilai periodanya besar memiliki nilai ragam getaran yang relative besar dan yang memiliki periode kecil memiliki ragam getaran yang kecil.
3. Nilai rasio tuned mass damper berbanding terbalik dengan besar gaya gempa yang terjadi.
4. Penempatan tuned mass damper pada bangunan beraturan yang memiliki kekauan dan masa struktur yang relative sama pada lantai paling atas lebih efektif dari pada pemasangan tuned mass damper pada lantai bawah
