Evaluasi Kinerja Struktur Beton Bertulan

(1)

EVALUASI KINERJA STRUKTUR BETON BERTULANG

DENGAN DAN TANPA INTERAKSI TANAH DAN STRUKTUR

Harry Rudiyanto Manukoa1, I Ketut Sudarsana2

1

Alumni Teknik Sipil, Universitas Udayana, Bali

2

Dosen Teknik Sipil, Universitas Udayana, Bali e-mail: harry4412@gmail.com

Abstrak: Dalam studi ini evaluasi kinerja struktur akibat pengaruh beban gempa dilakukan dengan memperhitungkan pengaruh interaksi tanah dan struktur (Soil-Structure Interaction). Struktur yang dimodelkan ada tiga yaitu Model I dengan perletakan jepit. Pemodelan SSI yaitu Model II, tanah dan pondasi sebagai elemen solid yang dimodel berdasarkan nilai modulus elastisitas tanah ES; Model III, daya dukung

tanah lateral sebagai elemen spring yang dimodel berdasarkan nilai modulus reaksi tanah dasar lateral KH.

Modulus reaksi tanah dasar lateral KH didapat berdasarkan modulus elastisitas tanah ES. Struktur atas ketiga

model adalah sama. Untuk Model SSI, pondasi kelompok tiang dianggap sebagai kaison dengan modulus elastisitas tanah di antara tiang dianggap sama dengan tiang. Analisis dilakukan dengan analisis pushover. Struktur dievaluasi terhadap batasan kinerja dengan parameter berupa kurva pushover, simpangan lantai,

drift ratio, faktor daktilitas aktual, spektrum kapasitas ATC-40 & koefisien perpindahan FEMA 356, tingkat kinerja, dan distribusi sendi plastis. Hasil analisis menunjukan bahwa model terjepit memiliki perpindahan lateral dan kemampuan menahan gaya geser dasar yang lebih kecil dari model SSI. Selain itu adanya simpangan pada lantai dasar menyebabkan simpangan total pada atap model SSI lebih besar dibandingkan model terjepit. Drift ratio tingkat dasar pada model SSI lebih besar dibandingkan model terjepit. Efek SSI

dapat mengurangi daktilitas aktual struktur. Semua model menunjukkan level kinerja Life Safety sesuai dengan spektrum kapasitas ATC-40 sehingga dapat diketahui bahwa efek SSI tidak mempengaruhi level kinerja struktur. Jumlah sendi plastis berstatus collapse pada model SSI lebih banyak dari model terjepit. Mekanisme keruntuhan yang terjadi pada ketiga model adalah collumn sway mechanism.

Kata kunci: analisis pushover, interaksi tanah dan struktur, kinerja struktur

PERFORMANCE EVALUATION OF REINFORCED CONCRETE

BUILDING WITH AND WITHOUT SOIL-STRUCTURE INTERACTION

Abstract: In this study, evaluation of structural performance due to the effect of seismic load is done by taking the soil-structure interaction effect into consideration. There is three computer models of the structure. Model I with fixed base. SSI modeling Model II, soil and foundation modeled as solid element based of the soil modulus of elasticity ES; Model III, lateral support of soil modeled as spring element which is based of

lateral subgrade reaction modulus KH. KH value is obtained by the ES value. Upper structure of the SSI

models is the same as fixed base model. For SSI models the group of pile foundation is considered as caisson foundation. The analysis process performed using pushover analysis. The structure is evaluated against the performance limits with such parameters as pushover curves, floor drift, drift ratio, actual ductility factor, ATC-40 capacity spectrum & FEMA 356 displacement coefficient, performance level, and plastic hinge distribution. Analysis results shows that fixed base model has smaller lateral displacement and smaller ability to withstand base shear than SSI models. There is a displacement on ground floor that causing a larger total roof displacement on SSI models. SSI effect can reduce the actual ductility of the structure. All models shows the Life Safety performance level based on ATC-40 capacpty spectrum so that it can be seen that the SSI effect does not affect the performance level of the structure. The ammount of plastic hingge with collapse status on SSI models is greater than fixed base model. Failure mechanism that occurs to all models are collumn sway mechanism.

(2)

Evaluasi Kinerja Struktur Beton Bertulang Dengan dan Tanpa Interaksi Tanah dan Struktur……….(Manukoa, Sudarsana)

PENDAHULUAN

Indonesia banyak memiliki catatan gempa-gempa besar yang menelan banyak korban jiwa. Sehingga struktur yang dibangun pada daerah rawan gempa di Indonesia harus mengikuti peraturan perencanaan bangunan tahan gempa yang tercantum dalam SNI 1726-2012. Struktur yang dibangun dengan peraturan lama maupun baru harus tetap dilakukan evaluasi kinerja sesuai dengan SNI 1726-2012. Kinerja struktur dibatasi pada batas simpangan antar lantai ijin namun tidak menjelaskan kriteria kinerja hingga level kinerja yang telah dicapai oleh struktur tersebut.

Alternatif lain untuk menjawab kekurangan tersebut adalah dengan konsep perencanaan struktur berbasis kinerja (performance based design), yang memanfaatkan analisa nonlinier untuk menganalisis perilaku inelastis struktur dari berbagai macam intensitas gempa sehingga dapat diketahui kinerjanya sampai dengan kondisi kritis. Salah satu metode analisis yang digunakan adalah analisis pushover.

Hal lain yang perlu diperhatikan dalam analisis perilaku suatu struktur akibat beban gempa yaitu dengan adanya interaksi tanah dan struktur (Soil-Structure Interaction). Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mengetahui sejauh mana pengaruh interaksi tanah dan struktur terhadap kinerja struktur. Jinchi LU et al (2004) yang melakukan analisis pemodelan tanah di sekitar struktur dengan program elemen hingga nonlinier dengan hasil yang di peroleh yaitu terdapat perpindahan lateral permanen permukaan tanah setelah getaran. Laintarawan (2006) yang melakukan penelitian tentang Jembatan Serangan-Tanjung Benoa yang merupakan jembatan pelengkung beton bertulang dengan hasil respon dinamis yang terjadi pada struktur yang menyertakan interaksi tanah dengan struktur akan berbeda apabila respon dinamis struktur diprediksi dengan model struktur terjepit. Hoedajanto dan Surono (2007) melakukan studi tentang perilaku dinamik dari struktur tower tinggi pada tanah lunak dan menyimpulkan bahwa interaksi tanah dan struktur mempengaruhi perilaku dinamis struktur atas. Widiaswari (2009) meneliti tentang perilaku dinamis struktur beton bertulang dengan dan tanpa memperhitungkan interaksi tanah dengan struktur dengan studi kasis Gedung C Kampus Sudirman FT Unud yang menyimpulkan bahwa waktu getar struktur, gaya geser dasar, dan perpindahan struktur dengan perletakan jepit lebih pendek dibandingkan model interaksi tanah-struktur. Dari beberapa penelitian tersebut dapat disimpulkan bahwa perlu untuk dilakukan evaluasi dengan mempertimbangkan efek interaksi tanah dan struktur.

Oleh karena revisi dalam peraturan perencanaan bangunan tahan gempa beserta kriteria kinerja struktur yang belum dicakupi oleh peraturan tersebut beserta perlunya mempertimbangkan efek interaksi tanah dan struktur, maka perlu diadakan evaluasi

terhadap kinerja struktur yang telah dibangun dan berfungsi terhadap beban gempa dengan memperhatikan pengaruh interaksi tanah dan struktur.

MATERI DAN METODE

Rancangan Perencanaan

Pada penelitian ini digunakan desain bangunan beraturan 4 lantai sebagai studi kasus. Proses analisis menggunakan software SAP2000 untuk menghitung gaya-gaya dalam struktur untuk mendesain tulangan elemen-elemen struktur yang dihitung secara manual untuk tulangan terpasang. Hasil perhitungan kemudian akan di-input ke software SAP2000 untuk di evaluasi.

Pada ketiga model, elemen-elemen struktur atas/upper structure menggunakan data jenis material, data kekuatan mahan/material dan data jenis penampang yang sama. Besarnya pembebanan struktur atas akibat beban vertikal dan horisontal yang diberikan pada masing-masing model adalah sama. Beban vertikal yaitu beban mati dan beban hidup direncanakan berdasarkan peraturan pembebanan PPIUG 1983. Untuk struktur bawah/sub-structure, tanah dan pondasi dimodel sebagai elemen solid pada Model II. Pada Model III, daya dukung tanah lateral dimodel sebagai elemen spring. Sebagai model pembanding adalah Model I, yaitu dengan tumpuan jepit pada perletakan struktur gedung.

Data Struktur

Berikut ini adalah informasi umum dan denah dari struktur yang dirancang dan dievaluasi dalam penelitian ini.

1. Geometri

Tinggi lantai dasar : 4.0 m Tinggi sisa lantai di atasnya : 3.5 m

Dimensi kolom lantai 1-4 : 500x500 (mm) Dimensi balok untuk lantai : 250x400 (mm) Dimensi balok lantai 2-4 : 300x500 (mm) Modulus elastisitas beton : 23500 MPa Kuat tarik baja (fy) : 400 MPa Modulus elastisitas baja : 200000 MPa

(3)

Denah struktur lantai 2 sampai 4 adalah sama dengan denah struktur pada lantai atap. Namun, pada lantai atap tidak terdapat void pada pelat.

Gambar 1. Denah struktur lantai dasar

Gambar 2. Denah struktur lantai 2-4

Gambar 3. Denah struktur lantai atap

Pemodelan Struktur

Dalam penelitian ini, dibuat tiga model struktur yaitu Model I, model struktur gedung dengan tumpuan jepit; Model II, tanah dan pondasi dimodel sebagai elemen solid; Model III, daya dukung tanah lateral dimodel sebagai elemen spring. Input data tulangan pada struktur atas setiap model (Model I, Model II, dan Model III) adalah sama.

Model I yang ada pada Gambar 4 dimodelkan dengan perletakan jepit dalam software SAP2000. Tumpuan struktur tidak diijinkan berotasi dan bertranslasi pada arah sumbu x, y, dan z.

Struktur atas pada Model 1 digunakan sebagai model dasar untuk struktur atas pada Model II dan III. Yang membedakan dari ketiga model hanya pada pemodelan struktur bawah saja.

Gambar 4. Model I struktur dengan tumpuan jepit

Pada Model II tanah dan pondasi dimodel sebagai elemen solid dengan bangunan atas yang sama dengan Model I. Pondasi kelompok tiang diasumsikan sebagai pondasi kaison dengan modulus elastisitas tanah di antara tiang-tiang dalam kelompok tiang dianggap sama dengan modulus elastisitas tiang (Laintarawan, 2006). Tanah yang sebagai elemen solid dimodel berdasarkan modulus elastisitas tanah ES yang dihitung berdasarkan nilai

SPT di lapangan pada tiap lapisan tanah. Batas area tanah yang di model sebagai elemen solid adalah tiga kali radius pondasi untuk arah horizontal (Ghosh and Wilson, 1969 dalam Tabatabaiefar and Massumi, 2010). Untuk arah vertikal adalah pada batas ujung pondasi tiang pancang karena pada kedalaman 13 meter batas ujung tiang pancang, jenis tanah yang ada merupakan tanah keras.

Untuk Model III daya dukung tanah lateral dimodelkan sebagai elemen spring. Pondasi dimodelkan sebagai elemen solid seperti Model II. Dalam pemodelan spring diperlukan koefisien reksi tanah dasar dalam arah mendatar (KH). kekakuan

spring lateral k didapat dari perkalian antara KH

dengan luas tributary area bidang pondasi. Nilai KH

didapatkan berdasarkan modulus elastisitas tanah ES

yang nilainya sama dengan nilai ES pada Model II.

Persamaan untuk mencari nilai KH dan ES adalah

(Sosrodarsono dan Nakazawa, 1984):

𝐾𝐻= 0.512 𝐸𝑠 𝐵𝐻−3/4 (𝑘𝑔/𝑐𝑚3) (1)

ES = 28 N (2)

Dimana:

ES : modulus elastisitas tanah (kg/cm2)

BH : lebar pembebanan yang sesuai dengan pondasi

(cm), yang didapat dari BH = √𝐴𝐻 (AH adalah luas

permukaan kaison)

(4)

Gambar 5. Model 3D dan struktur bawah Model II

(5)

Gambar 7. Model 3D dan struktur bawah Model III

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Analisis

Hasil analisis yang ditampilkan adalah berupa tabel dan grafik yang meliputi perilaku masing- masing model struktur berupa kurva pushover, besarnya simpangan lantai dan drift ratio, faktor daktilitas aktual struktur, spektrum kapasitas

(6)

Gambar 8. Perbandingan kurva pushover arah X

Gambar 9. Perbandingan kurva pushover arah Y

Gambar 10. Simpangan lantai pushover arah X kondisi leleh pertama & ultimate

Gambar 11. Drift pushover arah X kondisi leleh pertama & ultimate

Gambar 12. Simpangan lantai pushover arah Y kondisi leleh pertama & ultimate

Gambar 13. Drift pushover arah X kondisi leleh pertama & ultimate

Kurva Pushover Arah X

Model I Push X (terjepit)

Model II Push X (solid)

Model III Push X (spring)

0

Kurva Pushover Arah Y

Model 1 Push Y (terjepit)

Model II Push Y (solid)

Model III Push Y (spring)

0

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00

(7)

Tabel 1. Nilai faktor daktilitas aktual

Tabel 2. Tingkat kinerja ATC-40

D (m) H Struktur (m) D/H Performance Level

Tabel 3. Distribusi sendi plastis

Model

Berdasarkan kurva pushover, terlihat bahwa simpangan pada model terjepit lebih kecil dari model

SSI pada saat terkena gaya geser dasar gempa rencana sebesar 1936 kN. Hal ini terjadi karena sifat tanah yang lunak sehingga struktur bawah ikut berdeformasi lateral dan menyebabkan adanya simpangan lateral pada lantai dasar yang mempengaruhi simpangan total pada atap. Simpangan pada lantai dasar terjadi karena pemodelan struktur bawah pada Model II dan Model III membuat tumpuan struktur pada ujung bawah kolom tidak terjepit sempurna tetapi mampu berdeformasi lateral ketika terkena beban gempa akibat deformasi dari struktur bawah/model pondasi.

Dapat diketahui bahwa efek interaksi tanah dan struktur tidak mempengaruhi tingkat kinerja struktur. Tingkat kinerja struktur (performance level) untuk gedung kantor yang ditinjau, berdasarkan ATC-40 berada pada kondisi life safety (LS) yang artinya terjadi kerusakan pada komponen struktur, kekakuan berkurang, tetapi masih mempunyai ambang yang cukup terhadap keruntuhan. Komponen non-struktur masih ada tetapi tidak berfungsi. Dapat dipakai lagi jika sudah dilakukan perbaikan. Tingkat kinerja LS merupakan tingkat kinerja yang umum disyaratkan untuk bangunan perkantoran.

Jumlah sendi plastis dengan status collapse pada Model II dan Model III lebih banyak dari Model I tanpa pemodelan interaksi tanah dan struktur. Hal ini terjadi karena model dengan interaksi tanah dan struktur memiliki deformasi lateral yang lebih besar daripada model terjepit. Mekanisme keruntuhan pada struktur gedung kantor yang dievaluasi adalah

collumn sway mechanism karena sendi plastis dengan status collapse terjadi terlebih dahulu pada ujung bawah kolom.

KESIMPULAN DANSARAN

Simpulan

Berdasarkan analisis dan pembahasan yang telah dilakukan dapat tiambil beberapa simpulan sebagai berikut :

1. Dari kurva pushover, Model I (terjepit) memiliki perpindahan lateral dan kemampuan menahan gaya geser dasar yang lebih kecil dari model dengan interaksi tanah dan struktur (SSI).

2. Pada kondisi leleh pertama hingga ultimate, simpangan total pada atap ketiga model memenuhi syarat simpangan maksimum SNI 1726-2012 yaitu di bawah 362.5 mm dengan simpangan ultimate terbesar adalah 297.95 mm yang terjadi pada Model III.

3. Drift ratio lantai 2 dan 3 pada model dengan interaksi tanah dengan struktur lebih besar dibandingkan dengan model terjepit. Saat kondisi leleh pertama, drift ratio ketiga model memenuhi syarat drift ratio SNI 1726-2012 yaitu di bawah 0.025 atau 2.5%.

(8)

Model II dengan tanah sebagai elemen solid daktilitas aktual berkurang 17.55% pada arah X dan 9.83% pada arah Y terhadap Model I. Pada Model III dengan elemen spring daktilitas aktual berkurang 17.17% pada arah X dan 17.12% pada arah Y terhadap Model I. 5. Semua model menunjukkan level kinerja Life

Safety (LS) sesuai dengan spektrum kapasitas ATC-40. Dapat diketahui bahwa efek interaksi tanah dan struktur tidak mempengaruhi tingkat kinerja struktur/

performance level.

6. Jumlah sendi plastis kondisi collapse pada model dengan interaksi tanah dan struktur lebih banyak dari model terjepit. Mekanisme keruntuhan pada struktur gedung kantor yang dievaluasi adalah collumn sway mechanism

karena sendi plastis dengan status collapse

terjadi pada ujung bawah kolom.

Saran

Dalam perencanaan struktur beton bertulang, taraf penjepitan lateral struktur perlu diperhitungkan terutama pada struktur yang di bangun di atas tanah yang lunak. Karena pondasi yang semakin dalam dapat menyebabkan terjadinya deformasi lateral pada lantai dasar saat struktur terkena beban gempa.

Ucapan Terima Kasih

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat-Nyalah penulis dapat menyelesaikan Jurnal Ilmiah ini. Adapun juga penulis mengucapkan terima kasih kepada dosen pembimbing karena selalu memberikan masukan untuk membuat jurnal ini menjadi lebih baik, pihak-pihak yang telah membantu dalam menyusun jurnal ini yang tidak dapat disebutkan satu per satu.

DAFTAR PUSTAKA

ATC 40. 1996. Seismic Evaluation And Retrofit Of Concrete Building Volume 1. 555 Twin Dolphin Drive, Suite 550 Redwood City, California.

Badan Standar Nasional. 2012. Standar Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur Bangunan Gedung (SNI 1726-2012). Jakarta.

Laintarawan, I. P. 2006. Pemodelan Pelengkung Beton Bertulang dengan Memperhitungkan Interaksi Tanah dan Struktur (Kasus: Alternatif Rencana Jembatan Serangan – Tanjung Benoa), Tesis, Program Magister Program Studi Teknik Sipil Program Pasca Sarjana Universitas Udayana, Denpasar.

LU, Jinchi. et al. 2004. Computational Modeling of Nonlinear Soil Structure Interaction on Parallel Computers. Website: http://cyclic.ucsd.edu/ 13wcee_ssi_parallel.pdf Simplified Method to Determine Seismic Responses of Reinforced Concrete Moment Resisting Building Frames Under Influence of Soil – Structure Interaction, Soil Dynamics and Earthquake Engineering 30, 2010, Page 1259-1267.