2. LANDASAN TEORI
2.1. Pendahuluan
Bab ini memberikan uraian singkat dari beberapa teori yang mendasari penelitian ini, antara lain :
• Perilaku umum bangunan yang didesain dengan beban gravitasi saja (gravity load designed buildings) terhadap gempa.
• Perilaku umum bangunan yang didesain dengan irregularity terhadap gempa.
• Analisis kinerja struktur berdasarkan ACMC 1999.
• Retrofitting yang digunakan sebagai perkuatan untuk mendapatkan bangunan tahan gempa sesuai standard dan peraturan yang berlaku.
2.2. Perilaku Umum Bangunan yang Didesain Dengan Beban Gravitasi (gravity load designed buildings) Terhadap Gempa
Sebelum membahas tentang perkuatan gempa menggunakan retrofit pada bangunan, penting untuk mengetahui perilaku bangunan GLD ketika terjadi gempa yang dapat memberi ancaman serius pada bangunan. Maka dari itu berikut ini akan dibahas beberapa perilaku umum bangunan GLD.
Dalam sistem struktur portal bangunan GLD, pada umumnya dijumpai jumlah tulangan sengkang yang lebih sedikit dibandingkan dengan jumlah tulangan sengkang pada bangunan yang didesain terhadap gempa. Kejadian ini menyebabkan terjadinya nonductile reinforcement pada balok, kolom, dan beam column joint ketika bangunan GLD terkena gempa. Nonductile reinforcement ini terjadi dikarenakan kapasitas tulangan sengkang pada elemen struktur (balok dan kolom) tidak mencukupi untuk menahan gaya geser yang meningkat akibat beban gempa. Hal ini dipengaruhi oleh jumlah sengkang pada bangunan GLD.
Proses terjadinya nonductile reinforcement bermula dari beban gempa yang berupa gaya geser yang tidak mampu diterima oleh tulangan sengkang dari bangunan GLD. Kemudian elemen struktur kolom pada bangunan GLD mengalami momen yang menerus ke elemen struktur balok dengan penyaluran
beban melewati beam column joint. Maka momen pada elemen struktur balok juga bertambah akibat beban gempa yang terjadi dan menyebabkan gaya geser pada elemen struktur balok tersebut bertambah besar, sehingga kapasitas tulangan sengkang pada balok pun juga tidak mampu menahan beban geser yang terjadi.
Dengan gagalnya tulangan sengkang pada elemen struktur balok dan kolom, maka tulangan utama menjadi kehilangan ikatan, akibatnya tulangan utama tidak dapat berfungsi dengan baik dan hanya mencapai kondisi nonductile reinforcement.
Kondisi nonductile reinforcement ini membuat struktur bangunan menjadi lebih lemah. Hal ini disebabkan karena kinerja dari tulangan belum maksimal namun sudah mengalami kegagalan akibatnya bangunan menjadi mudah runtuh.
Di samping itu bangunan GLD tidak menggunakan prinsip strong column weak beam, yang seharusnya merupakan standar dalam perencanaan bangunan baik di Indonesia maupun di luar negeri. Prinsip ini adalah prinsip di mana desain elemen struktur kolom lebih kuat dari elemen struktur balok, dengan alasan apabila terjadi keruntuhan, elemen struktur balok runtuh terlebih dahulu sehingga bangunan tetap stabil. Dengan kata lain prinsip ini mempertimbangkan apabila terjadi gempa, di mana struktur bangunan menerima gaya yang relatif besar, sehingga diharapkan ketika elemen struktur balok mengalami leleh, gaya gempa yang ditahan oleh elemen struktur kolom sudah berkurang, maka elemen struktur kolom tetap stabil saat balok sudah runtuh. Selain itu elemen struktur kolom merupakan bagian yang penting untuk menjaga kestabilan suatu bangunan.
Apabila desain dari elemen struktur kolom tidak lebih kuat dari desain elemen struktur baloknya, maka elemen struktur kolom dari sebuah bangunan akan hancur terlebih dahulu ketika terjadi gempa dan bangunan mengalami collapse.
Konsep dari desain strong column weak beam ini adalah elemen struktur kolom harus didesain mampu menerima momen dari kolom itu sendiri, namun juga mampu menahan momen dari elemen struktur balok yang berada pada beam column joint-nya. Yang mana momen dari elemen struktur balok tersebut harus dikalikan dengan faktor pembesaran momen, faktor inilah yang menjadi faktor perkuatan kolom pada desain strong column weak beam.
2.3. Perilaku Umum Bangunan yang Didesain Dengan Irregularity Terhadap Gempa
Dalam mendesain sebuah bangunan, menentukan bentuk dan konfigurasi bangunan merupakan hal yang penting. Penentuan bentuk dan konfigurasi dalam mendesain sebuah bangunan mempengaruhi perilaku bangunan ketika bangunan tersebut menerima beban gempa. Suatu bangunan dapat dikatakan memiliki desain irregularity apabila bangunan tersebut tidak memenuhi persyaratan dalam SNI 03-1726-02 pasal 4.2.1. Bangunan yang didesain dengan irregularity memiliki pusat kekakuan dan pusat massa pada titik yang berbeda seperti pada Gambar 2.1. Pada kenyataanya gaya gempa bekerja pada pusat massa dan gaya perlawanan bangunan berada pada pusat kekakuan, sehingga bangunan seperti ini rawan terkena torsi. Apabila torsi ini terjadi, maka gaya-gaya pada bangunan tersebut menjadi bertambah besar dan perilaku pergoyangannya pun menjadi tidak beraturan. Hal ini membuat pengaruh gempa rencana harus ditinjau sebagai beban dinamis dan analisanya menggunakan metode response spectrum atau time history.
Gambar 2.1. Torsi pada bangunan tidak beraturan
2.4. Analisa Kinerja Struktur berdasarkan ACMC 1999.
Suatu struktur bangunan, selain dianalisis berdasarkan kapasitasnya juga harus dianalisa pula tingkat kinerja struktur pada saat mengalami pembebanan gempa dengan intensitas tertentu, yang disesuaikan dengan kesepakatan antara perencana struktur dan pemilik bangunan. Menurut standar Performance Based
TORSI PUSAT MASSA PUSAT KEKAKUAN
Designed dalam ACMC, 1999, dapat dibuat hubungan sederhana antara tingkat intensitas gempa dan kinerja struktur yang diinginkan sebagai berikut:
a. Struktur harus mampu menahan gempa minor tanpa adanya kerusakan yang berarti pada elemen struktur meskipun telah terdapat retakan dan terjadi kerusakan pada elemen non-struktur. (Serviceability Limit State) b. Struktur harus mampu menahan gempa moderate dengan kerusakan pada
elemen struktur yang masih dapat diperbaiki dan kerusakan pada beberapa elemen non-struktur. (Damage Control Limit State)
c. Struktur harus mampu menahan gempa mayor dengan adanya kerusakan pada elemen struktur maupun non-struktur tanpa terjadinya keruntuhan total pada bangunan.(Safety Limit State)
Berdasarkan ACMC (1999), pada kondisi batas Serviceability, digunakan kriteria tingkat kerusakan sebesar 0,1-0,25 dan simpangan antar tingkat maksimum sebesar 0,5%. Pada kondisi batas Damage Control, digunakan kriteria tingkat kerusakan sebesar 0,25-0,40 dan simpangan antar tingkat maksimum sebesar 1%. Sedangkan pada kondisi batas Safety, digunakan kriteria tingkat kerusakan sebesar 0,4-1,0 dan simpangan antar tingkat maksimum sebesar 2%.
Secara singkat, matriks kinerja struktur berdasarkan ACMC dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Matriks kinerja struktur untuk berbagai tingkat intensitas gempa Sumber: ACMC, 1999
2.5. Metode Retrofit sebagai Perkuatan
Salah satu bangunan GLD di Indonesia adalah bangunan ruko, di mana ruko ini merupakan bangunan yang cenderung didesain dengan irregularity. Hal ini mengakibatkan bangunan ruko tersebut menjadi rawan terjadi keruntuhan akibat gempa. Oleh karena itu diperlukan metode untuk meningkatkan ketahanan terhadap gempa yang mungkin terjadi, metode tersebut dapat berupa retrofit/
perkuatan pada struktur yang ada. Retrofit/perkuatan tersebut memadukan konsep peningkatan kekuatan, pemodelan kembali dan memperbaiki kualitas performa ruko terhadap gempa di masa yang akan datang (Sugano, 1992). Hubungan konsep dasar retrofit memiliki suatu hubungan yang erat dengan rehabilitasi (Gambar 2.3), rehabilitasi mengacu ke arah pembangunan kembali yang menyediakan fungsi level yang sama dan lebih diprioritaskan terhadap bangunan yang rusak. Retrofit dan rehabilitasi jika digabungkan membentuk restoration yang bertujuan untuk perbaikan atau pemulihan performa ruko terhadap gempa.
Gambar 2.3. Hubungan konsep dasar retrofit yang memadukan peningkatan kekuatan, pemodelan kembali, dan perbaikan kualitas
Sumber : Sugano, 1992
Sistem retrofit/perkuatan terhadap gempa merupakan modifikasi dari elemen-elemen struktur pada bangunan dengan tujuan untuk meningkatkan performa bangunan tersebut terhadap gempa di kemudian hari. Penggunaan sistem retrofit/perkuatan dapat dilakukan sebelum gempa terjadi sebagai langkah pencegahan, ataupun setelah gempa terjadi yang biasanya dilakukan sebagai langkah perbaikan kembali dengan disertai perkuatan pada bangunan tersebut.
Harus diperhatikan juga bahwa retrofit/perkuatan tersebut tidak hanya dibutuhkan untuk struktur bangunan saja (termasuk struktur pondasi) tetapi juga untuk komponen non struktural (Sugano, 1992).
Menurut penelitian S.Sugano (1992) retrofit mulai menjadi suatu hal yang perlu diperhatikan sebab jumlah dari bangunan bertingkat rendah di Jepang banyak mengalami dampak kerusakan yang cukup berat karena gempa. Sementara di Indonesia sendiri penggunaan metode retrofit/perkuatan masih jarang dilakukan dikarenakan masih kurangnya pemahaman dan kurang tersedianya panduan tentang metode ini. Seiring dengan berkembangnya pengetahuan tentang retrofit, tujuan dari retrofit berkembang menjadi peningkatan kekuatan, peningkatkan daktilitas dan kombinasi dari kekuatan serta daktilitas. Kombinasi dari meningkatkan kekuatan dan daktilitas merupakan pendekatan yang paling menjanjikan untuk bangunan bertingkat rendah sampai sedang. Beberapa contoh metode retrofit yang umum dipakai yaitu dengan memasang dinding pengisi, steel bracing, dinding samping, dan jacketing pada kolom, seperti pada Gambar 2.4 dan Gambar 2.5.
Gambar 2.4. Strategi retrofit yang digunakan untuk meningkatan kekuatan, daktilitas, dan kombinasi kekuatan dengan daktilitas
Sumber : Sugano, 1992
Gambar 2.5. Contoh metode retrofit infilled walls, steel braces, side walls, dan column jacket
Sumber : Sugano, 1992
Penerapan metode retrofit sendiri di Indonesia umumnya masih jarang dilakukan dikarenakan kurangnya pemahaman owner terhadap kriteria desain ruko yang aman terhadap gempa, keterbatasan peralatan-peralatan untuk proyek retrofit, kurangnya pengetahuan tentang pandangan perspektif arsitek terhadap bangunan retrofit, dan evaluasi para pelaksana yang masih kurang tepat terhadap strategi retrofit untuk bangunan ruko. Di masa mendatang, keselamatan hidup penghuni akan tetap menjadi motivasi utama untuk evaluasi dan retrofit sebagai alternatif perbaikan bangunan dengan biaya minimum dibanding membangun ulang bangunan.
Evaluasi seismik dan retrofit dari bangunan beton bertulang menurut Applied Technology Council (ATC 40, 1996) secara garis besar dibagi menjadi 3 bagian yaitu pemilihan strategi retrofit, konsep, dan detail pelaksanaan yang
sesuai. Apabila semuanya dapat dipenuhi dengan baik, diharapkan metode retrofit dapat berguna untuk meningkatkan performa bangunan terhadap gempa.
Pada tahap pemilihan strategi retrofit, merupakan hal yang penting, sehingga pada proses pemilihannya harus dilakukan dengan hati-hati dan bila perlu dapat digunakan bantuan dari para profesional. Hal ini dikarenakan, terdapat beberapa faktor yang harus diperhitungkan, yaitu faktor tipe bangunan, faktor metode retrofit yang akan digunakan, dan faktor keterbatasan pengetahuan tentang metode retrofit baik dalam desain maupun analisa.
Metode retrofit merupakan suatu hal yang sebaiknya diterapkan pada bangunan-bangunan bertingkat rendah maupun bertingkat sedang di daerah rawan gempa di Indonesia. Di Indonesia ruko merupakan salah satu objek bangunan yang menarik diteliti dengan metode retrofit, sebab pada umumnya kegagalan akibat desain irregularity merupakan kejadian yang paling sering terjadi pada ruko.
Gambar 2.6. Softstory pada ruko
Sumber : http://www.kaltimpost.co.id/?mib=berita.detail&id=40349 dan http://ronymedia.wordpress.com/2010/04/page/2/
2.6. Retrofit dengan Metode Buckling Restrained Braces
Metode retrofit dengan menggunakan bracing baja sebenarnya sudah lama dipakai. Namun metode retrofit dengan bracing baja ini memiliki kelemahan yaitu terjadinya tekuk (buckling). Oleh karena itu, banyak dilakukan penelitian
untuk pengembangan metode tersebut sehingga munculah metode Buckling Restrained Braces (BRB). Metode ini dikembangkan oleh pada tahun 1980 oleh Prof. Akira Wada dari Tokyo Institute of Technology yang berkolaborasi dengan Nippon Steel Corporation. Prof. Akira Wada terinspirasi dengan tulang selangka pada tubuh manusia yang lebih besar pada kedua ujungnya dibanding bagian tengahnya. Selanjutnya, melalui ide tersebut, konsep BRB sebagai damage controlled element mulai dipergunakan pada bangunan.
c) Bagian-bagian BRB
Gambar 2.7. Penampang dan bagian-bagian BRB
Sumber : Sabeli & Lopez, 2004 (Gambar a dan b) Hussain et al., 2007 (Gambar c)
Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.7, metode BRB ini terdiri dari profil baja sebagai inti utama, yang terbungkus oleh beton dengan tube yang terbuat baja sebagai casing. Inti baja ini menahan beban aksial yang terjadi dengan bantuan beton atau tube baja yang berfungsi sebagai pengaku lateral. Hal ini membuat BRB sedikit berbeda dengan bracing biasa, di mana pada BRB tidak mengalami tekuk ketika menerima beban lateral, dan ketika mengalami beban gempa sistem BRB memiliki perilaku yang lebih stabil. Perbandingan perilaku dari BRB dengan bracing konvensional dapat dilihat pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8. Perbandingan perilaku bracing konvensional dengan BRB.
Sumber :
http://www.informaworld.com/ampp/image?path=/781715625/913104621/tiea_a_
387753_o_f0001g.png
Seperti yang terlihat pada Gambar 2.8, kapasitas BRB dalam menahan tekan lebih besar dibandingkan bracing konvensional serta memiliki energi disipasi yang besar.
Untuk mengetahui lebih jauh mengenai performa BRB pada bangunan maka akan dibahas penelitian yang telah dilakukan mengenai BRB. Pada tahun 1999 dan 2000, penelitian untuk mengetahui performa BRB dilakukan oleh Black et al. di UC Berkeley (Black et al.,2002). Penelitian tersebut merupakan uji coba pertama BRB di Amerika Serikat. Pada penelitian tersebut, BRB dibebani secara siklis dengan 3.100 kN hidraulic actuator dan in-line load cell. Actuator tersebut memiliki kapasitas simpangan hingga ±15,3 cm dan simpangan tersebut dapat dikontrol melalui linear variable displacement transducer yang dipasang pada actuator. Uji spesimen tersebut didesain sedemikian rupa sehingga tidak terjadi slip di antara portal uji dan lantai laboratorium uji. Gambar 2.9 merupakan detail penampang BRB yang digunakan dalam penelitian dan Gambar 2.10 menunjukkan tampak atas dan samping spesimen Black et al. (2002).
Gambar 2.9. Detail penampang yang diuji di UC Berkeley Sumber : Black et al., 2002
Gambar 2.10. Tampak atas dan samping dari spesimen Black et al. (2002) Sumber : Black et al., 2002
Tes yang dilakukan dibagi menjadi dua tahap. Pada tahap pertama, setiap bracing dibebani sesuai dengan standart loading protocol yang disetujui insinyur UC Davis Plant and Environmental Services Building untuk tes pada tahun 1999 dan Office of Statewide Health, Planning, and Development (OSHPD) pada tes tahun 2000. Kedua tes itu diikuti dengan tes lainnya seperti large-deformation, low-cycle fatigue test, dan simulated earthquake deformation test. Selanjutnya detail mengenai tes tersebut dapat dilihat di tesis Black et al. (2002).
Gambar 2.11. Salah satu hasil penelitian metode BRB Sumber : Black et al., 2002
Dari hasil penelitian pada tesis Black (2002) disimpulkan bahwa BRB memiliki performa yang baik dalam beberapa macam pembebanan, berperilaku daktail dan stabil. Salah satu contoh hasil dari penelitian tersebut yang menunjukkan perilaku hysteretic BRB ditampilkan pada Gambar 2.11.
Eksperimen mengenai BRB lainnya ialah eksperimen Yooprasertchai (2007), penelitian tersebut bertujuan untuk mengetahui perilaku dan performa BRB dengan quasi-static loading test. Detail mengenai tiga spesimen BRB dapat dilihat pada gambar 2.12.
Gambar 2.12. Detail (a)BRB 1, (b) BRB 2 dan 3 Sumber : Yooprasertchai, 2007
Penelitian tersebut dilakukan dengan memberi beban lateral pada bagian ujung atas kolom kN dan diberi engsel pada bagian bawah supaya dapat bergerak ke kiri dan kanan seperti yang terlihat pada gambar, kemudian data percobaan tersebut dicatat dengan komputer dan didapat grafik axial berbanding dengan drift. Untuk mengetahui lebih jauh metode yang dipakai dalam penelitian ini dapat dibaca pada tesis Yooprasertchai (2007).
Gambar 2.13. Spesimen BRB Yooprasertchai (2007) Sumber : Yooprasertchai, 2007
Gambar 2.14 . Hasil penelitian metode BRB Yooprasertchai (2007) Sumber : Yooprasertchai, 2007
Sedangkan untuk penelitian performa BRB pada bangunan GLD, dapat digunakan penelitian Mazzolani et al. (2006). Sesuai yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya, bangunan yang dipakai dalam penelitian tersebut merupakan tipikal bangunan GLD. Enam bangunan dengan tipikal seperti yang terlihat pada Gambar 2.15 diberikan retrofit yang berbeda satu sama lain kemudian keenam spesimen tersebut diuji terhadap beban siklis.
Dalam penelitian ini, hanya BRB saja yang akan dibahas. Penelitian Mazzolani tentang BRB dilakukan dengan dua spesimen dengan detail BRB1 pada Gambar 2.16 dan BRB pada Gambar 2.17. Kedua bangunan yang diperkuat dengan BRB tersebut kemudian diuji dengan pembebanan siklis.
Gambar 2.15 Tipikal spesimen full scale test BRB Mazzolani et al. (2006) Sumber : Mazzolani et al., 2006
Gambar 2.16. Detail BRB1 spesimen Mazzolani et al., (2006) Sumber : Mazzolani et al., 2006
Gambar 2.17. Detail BRB2 spesimen Mazzolani et al. (2006) Sumber : Mazzolani et al., 2006
Pada hasil eksperimen bangunan dengan perkuatan BRB1 didapatkan bahwa BRB mengalami kegagalan akibat putusnya inti baja BRB1. Oleh karena itu penelitian dilanjutkan dengan menggunakan BRB2 yang lebih daktail. Dari hasil eksperimen, dapat dilihat bahwa BRB2 lebih daktail dibanding BRB1.
Gambar 2.18 menunjukkan hasil BRB1 dan Gambar 2,19 menunjukkan hasil eksperimen BRB2 yang dibandingkan dengan performa bangunan tanpa perkuatan BRB. Terlihat bahwa peningkatan kekuatan, kekakuan, daktilitasnya baik untuk meningkatkan performa bangunan.
Gambar 2.18 Hasil eksperimen BRB1 spesimen Mazzolani et al. (2006) Sumber : Mazzolani et al., 2006
Gambar 2.19 Hasil eksperimen BRB2 spesimen Mazzolani et al. (2006) Sumber : Mazzolani et al., 2006
Maka, dari seluruh hasil penelitian yang telah dibahas disimpulkan bahwa BRB memiliki daktilitas yang baik dan dapat dipakai sebagai alternatif retrofit yang cocok digunakan pada bangunan lama maupun baru karena kemampuan energi disipasinya yang baik dan memiliki perilaku hysteretic yang stabil.
