BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kajian Damper Sebagai Seismic Devices

Pengaruh gempa terhadap struktur yang dibangun di atas permukaan tanah menjadi problematika yang sering dibahas oleh para ilmuwan dan engineer teknik sipil. Gempa bumi merupakan suatu bentuk pelepasan energi dari dalam lempeng tektonik atau aktivitas vulkanik bumi. Pada hakikatnya permukaan lapisan bawah tanah selalu bergerak ( dinamis ) karena adanya aktivitas pergerakan lempeng bumi yang terjadi. Hasil dari pertemuan antar lempeng baik di daratan benua ( continental ) maupun lautan berupa gesekan yang menimbulkan terjadinya goncangan dan gerakan percepatan tanah dengan amplitudo yang tergantung pada jenis tanah. Hal ini menyebabkan terjadinya pergerakan dan bangunan yang diatas tanah mengalami pergeseran. Akumulasi dari gerakan permukaan tanah dan perambatan energi antar medium menyebabkan kerusakan pada bangunan seperti soft story dan bagian kolom yang miring dan roboh.

Pada saat ini ilmuwan berusaha mengembangkan seismic devices yang bertujuan mereduksi energi yang diserap oleh bangunan serta memperkecil resiko kerusakan. Sistem dissipasi energi gempa yang paling efisien untuk digunakan pada dasarwasa ini adalah sistem kontrol pasif dan base isolator. Keduanya menjadi perhatian utama dalam mendesain bangunan tahan gempa di berbagai belahan dunia. Meskipun relatif mahal untuk bangunan dengan tingkat kepentingan biasa seperti perumahan namun kajian mengenai kontrol pasif telah dikenal luas dan banyak ahli teknik sipil yang melakukan percobaan atau eksperimen.

(2)

Sistem kontrol pasif berdasarkan cara pemasangannya terdiri dari viscous damper, friction damper, viscoelastic damper dan yielding damper. Setiap damper memiliki keterbatasan dan sifatnya masing-masing. Gempa yang pernah terjadi pada daerah rawan gempa di dunia dicatat dan dipelajari tipe – tipe kerusakan bangunan sehingga peraturan tentang gempa selalu diperbaharui dan dibahas dalam forum internasional. Pada dasarnya bangunan tingkat tinggi telah memakai damper sebagai seismic devices.

( Sumber : Symans,dkk.2008.Energy Dissipation Systems for Seismic Applications: Current Practice and Recent DevelopmentsVol. 134, No. 1 )

Gambar 13 : Bangunan Wallace F. Bennett Federal

(3)

Gambar 15 : Menara Torre Mayor

(4)

Berikut beberapa foto sistem penempatan partikel damper pada bangunan berlantai Parque Araucano :

Gambar 17 : Tampak Depan Bangunan Parque Araucano

Gambar 18 : Kontainer berisi partikel damper pada saat pelaksanaan konstruksi

(5)

( Sumber : Masri.S, Wensheng.L,Xilin.L,Zheng.L (2011), Experimental studies of the effects of buffered particle dampers attached to a multi-degree-of-freedom system under dynamic loads, Journal of Sound and Vibration 331 (2012) 2007–2022 )

Gambar 20 : Partikel damper ditempatkan di sebuah kontainer untuk dipindahkan

(6)

2.2 Karakteristik Damper

Damper sebagai disipator energi memiliki karakteristik tersendiri dalam mengurangi respons serta ukuran derajat kerusakan ( Damage Measure ) dari bangunan. Para ahli mendefinisikan Damage Factor sebagai berikut :

dimana Demand dan EDemand merupakan maksimum daktilitas perpindahan dan kumulatif

energi histeretik untuk disipasi sistem atau komponen. Capacity dan ECapacity merupakan

kapasitas untuk daktalitas dan kapasitas energi histeretik untuk satu siklus deformasi inelastik dari sistem atau komponen serta  = faktor kalibrasi. Faktor kalibrasi merupakan faktor yang tergantung pada material dan kinerja struktur. Faktor ini dihasilkan dari akomodasi respons material pada keadaan DM = 0 ( keadaan ketika struktur tidak hancur ) dan DM = 1 ketika struktur keadaan hampir collapse ( runtuh ).

Efek dari penambahan damper menurut Symans ( 2008 ) dapat dilihat pada tabel berikut :

(7)

Dari data tabel diatas, dapat terlihat bahwa penambahan damper memperkecil resiko kerusakan. Untuk damper jenis metallic biasanya dipasang pada bagian diatas bracing yang menghubungkan kolom dan balok. Pemasangan tersebut berfungsi menyalurkan energi akibat gempa serta mereduksi respons dinamik.

Gambar 22 : Struktur metallic damper dengan kombinasi bracing Tabel 2 : Efek Penambahan Viscous Fluid Device dalam struktur

(8)

Gambar 23 : ( a ) . Contoh pemodelan sistem struktur bermassa satu dengan 3 kekakuan ekivalen dan ( b ) . Pemodelan struktur bermassa satu dengan 1 kekakuan ekivalen.

Gambar 24 : Sistem penempatan damper untuk single story frame

Elemen damper dapat dilihat sebagai seismic device ditambah dengan dua bracing dan kekakuan horizontal damper dapat dirumuskan sebagai :

a

(9)

dimana :

Kbd = kekakuan gabungan bracing dan damper

Kb = kekakuan bracing

Kd = kekakuan damper

B/D = rasio dari kekakuan 2 buah bracing dan kekakuan damper

Xia dan Hanson dalam D.R Teruna,dkk (2014) mendefinisikan stiffness ratio (SR) sebagai rasio dari kekakuan elemen horizontal damper dengan kekakuan elemen tanpa damper . Secara matematis dirumuskan :

SR = K

bd

/ K

f

dimana : Kbd = kekakuan elemen gabungan devices bracing

Kf = kekakuan sistem frame

Menurut Xia dan Hanson dalam D.R Teruna,dkk (2014) nilai SR yang baik tidak berada di bawah 2 meskipun parameter ini kurang efektif dalam mengontrol rasio maksimum daktilitas dari device.

Hubungan antara energi histeretik dan strain energy

Hubungan antara disipasi energi histeretik dengan dengan strain energy adalah :

dengan Wd = energi histeretik damper β = faktor rasio damping Ws = strain energy

(10)

Energi hysteretic model bilinear dapat ditinjau sebagai luasan dari kurva histeretik yaitu :

Dimana : Wd = luasan kurva hysteretic Py = Kd . Δyd

= Kp / Ke ( rasio kekakuan elastik dan kekakuan plastis )

Gambar 25 : Model bilinear dari damper devices

( Sumber : Teruna.D.R,Majid.T.A,Budiono.B.2014. The Use of Steel Damper for Enhancing the Seismic Performance of R/C Frame with Soft First Story, Journal of Civil Engineering Research 2014, 4(3A): 191-202)

Ws adalah energi regangan akibat adanya tegangan dengan rumus sebagai berikut :

W_S 



K_S.K_d_yd



2 1

dimana Ks = Kekakuan struktur , Δ = perpindahan elemen , Kd = kekakuan damper , Δyd = perpindahan leleh damper

(11)

Strain energy berperan penting dalam mereduksi energi akibat gempa. Wd merupakan faktor penting dari damper untuk bekerja dalam deformasi inelastik. Besarnya tergantung pada karakteristik dan material damper.

Damping Efektif

Ws

W

_D eff







4 



Dimana : _eff = damping efektif

Wd = luasan kurva histeretik damper

Ws = strain energi

β= faktor damping rasio ( biasa diambil 0,05 )

Damping efektif bisa juga dituliskan sebagai berikut :

2

.

2 





eff D eff

K

W







Dimana : _eff = damping efektif

Wd = luasan kurva histeretik damper

Keff = kekakuan efektif

 = faktor damping rasio ( biasa diambil 0,05 ) Δ = perpindahan elemen

Damping efektif merupakan hasil dari kinerja damper untuk menambah reduksi respons akibat gaya gempa. Selain itu, faktor – faktor energi histeretik menjadi kajian penting dalam menganalisa struktur gedung bertingkat.

(12)

Gambar 26 : Model antara kekakuan sistem dan bracing dari damper devices

( Sumber : Teruna.D.R,Majid.T.A,Budiono.B.2014. Improvement Of Seismic Performance Of Seven Story Steel Building With Hysteretic Steel Dampers Under Severe Seismic Excitation, The 6 th Civil Engineering Conference in The Asia Region Hotel Brobudur, Jakarta, Indonesia August, 20-22,2013)

(13)

(Sumber : Teruna.D.R,Majid.T.A,Budiono.B.2015.Experimental Study of Hysteretic Steel Damper for Energy Dissipation Capacity, Hindawi Publishing Corporation, Volume 2015, Article ID 631726)

Mekanisme dari kehilangan energi untuk tipe viscous damping sistem akan memiliki sifat proporsionalitas dengan frekuensi sistem seperti dalam metallic damper. Percobaan di laboratorium menunjukkan konsep koefisien viscous damping mendekati kenyataan. Model matematis dengan properti atau ciri khas yang bebas dari pengaruh frekuensi memunculkan istilah konsep histeretika damping.

D.R.Teruna,dkk (2014) melakukan percobaan damper dengan dimensi tertentu seperti sampel DHSD untuk studi eksperimental di laboratorium Institut Teknologi Bandung ( ITB ) . Alat loading test yang dipakai ditunjukkan oleh gambar di bawah :

Gambar 28 : ( a ) . Tampak samping alat loading test untuk percobaan dan ( b ) . Tampak depan alat loading test untuk percobaan

(14)

Gambar 29 : Tampak depan dari alat eksperimental

Gambar 30 : Tampak samping dari alat eksperimental

(15)

Energi absorpsi dari histeretik damper bergantung pada loading history. Untuk mempelajari dependansi dari karakteristik ini, hubungan antara tegangan – regangan dari material baja dalam pembebanan siklus bisa didekomposisikan menjadi tiga bagian yaitu skeleton , Bauschinger dan elastik untuk unloading. Dekomposisi ini menjadi berguna untuk mendeskripsikan karakteristik histeretik dari struktur dimana bagian skeleton memiliki kesamaan sifat dengan hubungan tegangan – regangan di bawah pembebanan monotonik.

Pembagian pembebanan oleh loading test menjadi hubungan siklus karena terbagi atas dua segmen yaitu segmen positif dan segmen negatif. Jadi, kurva skeleton didapat dari koneksi antara segmen – segmen. Sisa dari kurva dibagi untuk diagram elastik ketika unloading dengan slope yang dekat dengan inisial kekakuan elastis dan kurva Bauschinger. Energi plastis terdisipasi oleh komponen baja di setiap pembebanan ( loading ) sampai keretakan terjadi dan dibentuk dari gabungan kurva skeleton dan Bauschinger.

WD = WS + WB

dimana WD adalah total energi disipasi plastis dari komponen, WS dan WB adalah total energi

plastis disipasi dari domain positif dan negatif dari skeleton dan bagian Bauschinger.

Gambar pembebanan deformasi dapat ditunjukkan oleh diagram berikut :

(16)

Gambar 33 : Diagram perpindahan , tegangan – regangan , dan hubungan kekakuan efektif dengan gaya – perpindahan

(17)

D.R. Teruna ( 2015 ) juga melakukan pendekatan tentang model trilinear empat spesimen untuk mempelajari karakteristik parameter dari perkembangan gaya – deformasi karena dari segi kemudahan dalam mengaplikasikannya ke dalam software. Gambar di bawah ini menunjukkan perbandingan antara model trilinear dan kurva skeleton dari percobaan.

1

 dan ₂ adalah rasio kekakuan elastis dan rasio kekakuan plastis.

Gambar 34 : Perbandingan dari kurva skeleton dan aproksimasi trilinear untuk keempat spesimen

(18)

Gambar 35 : Tabel perbandingan antara jenis – jenis damper