Ketidakpastian (uncertainties) dan Risko (risk) dalam Perencanaan Bangunan Tahan Gempa, Perpektif Standard Nasional Indonesia (SNI)

1 Ketidakpastian (uncertainties) dan Risko (risk) dalam Perencanaan Bangunan Tahan

Gempa, Perpektif Standard Nasional Indonesia (SNI) Prof. Indra Djati Sidi, Ph.D *)

*) Dosen Prodi Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Teknologi Bandung

1. Latar Belakang

Indonesia adalah satu kawasan dengan kejadian gempa yang tinggi karena terletak pada benturan berbagai lempengan tektonik besar yang dikenal juga dengan kawasan ring of fire. Kalau

dicermati peta gempa yang telah di mutakhirkan pada tahun 2017 oleh Tim Pemutakhiran Peta Sumber dan Bahaya Indonesia Tahun 2017 [1] terlihat dengan jelas bahwa gempa terjadi dari ujung Sumatera hingga Papua dengan berbagai besaran magnitude. Dalam 20 tahun terakhir ini telah terjadi gempa yang bervariasi dari magnitudo 6.3 (Yogyakarta 2006) hingga magnitudo 9.2 (Aceh 2004). Dan gempa2 ini telah mengakibatkan kehilangan jiwa, kerusakan infrastruktur, dan menghancurkan bangunan2 yang tidak memenuhi syarat syarat perencanaan.

Dengan demikian perencanaan infrastruktur dan bangunan harus menyertakan pengaruh gempa yang akan menimbukan percepatan pergerakan tanah (ground motion) di lokasi infrastruktur atau bangunan. Bangunan2 yang ada akan diguncang pada muka tanah akibat terjadinya gempa tersebut. Indonesia telah mempunyai peraturan untuk merancang bangunan tahan gempa yang selalu diperbarui secara berkala. Standard terbaru saat ini adalah Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur Bangunan Gedung dan Non Gedung yang telah disyahkan pada tahun 2012 [2], dan saat ini sedang bekerja tim yang akan memperbarui peraturan gempa tersebut karena peta gempa sudah dimutakhirkan pada tahun 2017 yang harus diikuti dengan peta gempa bagi perencanaan infrastruktur dan gedung. Dan ada kecenderungan peraturan gempa semakin berat karena perubahan peta gempa akibat ditemukannya gempa baru, sesar patahan baru dan karena pengembangan terbaru akan gempa dan bangunan tahan gempa yang muncul dari riset dan pengalaman dari gempa yang baru saja terjadi [1]. Berbagai teknik perencanaan telah digunakan di Indonesia, seperti analisis respons spektra dan pushover yang sudah

merupakan common practice. Sedangkan analisis yang berbasiskan kinerja (performance based design- PBD) [3] yang memanfaatkan analisis non linear riwayat waktu mulai mendapatkan perhatian karena menawarkan model yg lebih realistis dengan potensi penghematan yang akan diperoleh.

Namum demikian gempa tetap merupakan misteri; tetap saja tidak dapat diketahui dengan pasti kapan gempa terjadi, dimana gempa terjadi, berapa besar magnitudo gempa, dan berapa tepatnya (exactly) percepatan tanah yang terjadi dilokasi bangunan, dan seperti apa respons bangunan akibat gempa masih diselimuti dengan ketidakpastian (uncertainty). Karena banyaknya ketidakpastian (uncertainries) yang ada dalam perencanaan bangunan tahan gempa maka pendekatan probabilitas dan reliabilitas menjadi pilihan yang rasional. Rekayasa gempa akan selalu dihadapkan pada kemungkinan bahwa tahanan gempa yang disiapkan lebih kecil dari gaya

2 gempa yang akan datang. Kemungkinan ini ada dan tidak dapat dihilangkan. Namun perencana dapat menekan kemungkinan gagal tersebut atau risiko gagal sekecil mungkin hingga batas yang dapat diterima atau disebut sebagai acceptable risk. Dengan basis risiko yang dapat diterima inilah dibuat peta percepatan gempa dengan basis risiko yang dapat diterima dan base shear akibat ground acceleration yang akan bekerja pada dasar bangunan, serta load resistance factor design (LRFD) yang digunakan dalam perencanaan elemen2 satruktur, yang secara keseluruhan disebut sebagai probability based factor of safety atau reliability based design.

Makalah ini akan menggambarkan berbagai ketidakpastian (uncertainties) yang ada dalam perencanaan bangunan tahan gempa, khususnya pada bangunan ruko 3 lantai yang banyak

dibangun di Jakarta. Faktor2 tadi digunakan untuk menghitung risk atau reliability dari bangunan ruko dengan memanfaatkan fungsi hazard dan kapasitas gempa gedung tinggi melalui proses teorema probabilitas total.

ASCE 7 – 2010 dan ASCE 7 – 2016 [4] dan Standar Nasional Indonesia 1726 - 2012 dan yang sedang disiapkan SNI 1726 -2019 memasukan nilai risiko dalam perencanaan secara eksplisit yang merupakan antisipasi terhadap gaya gempa dan berbagai ketidakpastian yang

menyelimutinya.

2. Ketidakpastian (uncertainties) Dalam Perencanaan Bangunan Tahan Gempa

Ketidakpastian dalam perencanaan bangunan dapat dibagi 2 bagian besar yaitu ketidakpastian yang ada pada tahanan atau resistance dan ketidakpastian yang berkaitan dengan beban atau load, dalam hal ini beban mati, beban hidup, dan beban gempa. Dan ketika berbicara tentang seberapa aman atau seberapa reliable kah gedung2 super tinggi terhadap gempa maka pertanyaan yang harus dijawab adalah seberapa akurasi atau ketepatan perencana dapat menetapkan kekuatan bangunan dan beban gempa yang bekerja. Beban gempa tidak bekerja sendirian, melainkan diikuti beban mati, dan sebagian dari beban hidup yang tentunya ikut diperhitungkan, dan pada akhirnya menghasilkan beban total pada gedung.

2.1. Tahanan Dalam Bangunan Gedung

Dapat dikatakan bahwa hampir semua parameter atau variabel yang terlibat dalam perencanaan bangunan tahan gempa adalah variabel yang sifatnya acak atau random.Tidak pernah ada dari uji coba kuat tekan beton atau uji tarik baja diperoleh hasil yang seragam, selalu menunjukan variasi yg mengikuti pola tertentu (Gambar 1 dan Gambar 2). Selain itu rumus2 yang dipakai untuk menghitung kuat lentur atau kuat geser penampang, atau kekuatan tekan kolom merupakan simplifikasi dari dari phenomena yang kompleks. Perbandingan antara nilai prediksi (predicted value) dan nilai yang diukur (observed value) tidak selalu satu (model sempurna) melainkan menunjukan variasi yang harus diperhitungkan dalam perencanaan (Gambar 3). Ketidakpastian juga muncul dalam respons bangunan yang bervariasi akibat beban gempa yang bervariasi walaupun mempunyai yang peak ground acceleration (PGA)yang sama. Tabel 1 Menunjukan

3 bahwa suatu gedung dapat runtuh pada PGA yang berbeda, karena pengaruh gempa yg berbeda energi, frekwensi, serta durasinya.

Gambar 1. Uji Kuat tekan Beton Tower 1, Thamrin Nine

Gambar 2. Histogram Uji Tarik Baja, Tower 1, Thamrin Nine

4 Gambar 3. Perbandingan Antara Prediksi dan Kuat Geser

(Sesudah Nilson et. al., 2004, [5])

Tabel 1. Variasi Kapasitas Tower 1, Thamrin nine Akibat Beban Gempa Riwayat Waktu Yang Berbeda

(Sesudah Patrisia, dkk, [6] 2017)

5 Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa tahanan bangunan akibat gaya gempa merupakan variabel yang sifatnya acak yang mempunyai nilai rata2, fungsi distribusi, dan nilai deviasi standar. Pada umumnya tahanan mengikuti distribusi lognormal dan dalam banyak hal disebut sebagai fungsi fragilitas bangunan atau fragility function.

.

2.2. Ketidakpastian Dalam Menentukan Gaya Gempa

Ketidakpastian yang paling besar datang dari prediksi percepatan guncangan tanah yang akan bekerja pada suatu gedung dalam masa guna bangun

an tersebut. Ketidakpastian ini bersumber dari ketidak tahuan kita untuk menentukan kapan dan dimana gempa akan terjadi, berapa magnitudo gempa yang akan terjadi, dan berapa percepatan gempa yang akan terjadi dilokasi gedung. Tegasnya kita tidak tahu dengan pasti (deterministik).

Para perencana dihadapkan pada ketidakpastian dan risiko, namun keputusan harus diambil.

Pembangunan harus tetap berlanjut. Dan ini bukan masalah baru, enjiniring selalu berhadapan dengan ketidakpastian dan tidak pernah hal ini mencegah perencana untuk memutuskan.

Perencana adalah seorang risk taker. Untuk mengatasi hal ini perencana menggunakan konsep angka keamanan yg harus dipenuhi, yaitu rasio antara kekuatan nominal / beban nominal. Atau konsep Load Resistance Factor Design dalam merancang elemen2 struktur seperti: pelat, balok, kolom, dinding geser, dan/ atau core wall yang kesemuanya didasarkan atas tingkat risiko yg telah diterima. Sebagai contoh SNI 1726: 2012 [2] menetapkan probabilitas gagal sebesar 1%

dapat diterima untuk umur gedung 50 tahun.

2.3. Peta Hazard Gempa dan Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA).

Untuk menentukan gaya gempa yang akan dipakai dalam merancang sebuah gedung super tinggi dilokasi tertentu, perencana memerlukan informasi percepatan tanah maksimum yang akan dipergunakan untuk menentukan gaya geser dasar (base shear) gempa yang bekerja (diperkirakan akan bekerja) pada dasar gedung. Maka diperlukan peta hazard (bahaya) gempa yang dipakai untuk menentukan koefisien geser Cs. Peta yang telah dibuat dalam SNI 1726 2012 [2] dan segera akan dimutakhirkan pada akhir 2019 didasarkan atas konsep 1% accepatable risk. Tentu saja sudah diperkirakan bahwa banyak ketidakpastian dalam menentukan percepatan batuan dasar pasa perioda pendek atau Ss dan percepatan batuan dasar pada perioda 1 detik atau yg biasa disebut dengan S₁. Tentu saja penetapan S_s dan S₁ tidak terlepas dari ketidakpastian yang

inherent ada dalam konsep yang dikembangkan. PSHA yang digunakan selalu mengandung unsur2 sebagai beriukut [7]:

1. Kejadian gempa yang dimodel sebagai proses Poisson

2. Magnitudo yang akan terjadi pada suatu patahan dimodel sebagai random variable berdistribusi truncated exponential

3. Lokasi hypocentrum pada patahan dimodel sebagai berdistribusi uniform artinya gempa dapat terjadi dengan probabilitas yang sama pada sesar tertentu.

6 4. Panjang sesar dapat dimodel untuk mengikuti distribusi beta yang mempunyai banyak

kemungkinan bantuk namun mempunyai batas atas dan bawah

5. Jika Gempa terjadi pada suatu kawasan maka kawasan tersebut dapat juga dimodel untuk mengikuti distribusi beta, dan gempa dapat terjadi secara uniform pada kawasan tersebut.

6. PSHA dikembangkan untuk fungsi atenuasi tertentu, atau yang biasa disebut sebagai GMPE, Ground Motion Prediction Equation. GMPE ini pada umumnya diturunkan untuk kawasan tertentu dengan menggunakan regresi linear maupun nonlinear. Sejak Esteva dan

Rosenbleuth (1964) [8] memperkenalkan fungsi GMPE pertama (Gambar 4), hingga kini telah tercatat ada 440 GMPE yang dipublikasikan, dan yang terakhir diusulkan oleh Mahani dan Kao (2018 [9]). Sebagai catatan belum pernah ada GMPE yang 100% fit dengan data, selalu ada deviasi jika dibandingkan dengan pengukuran lapangan. GMPE adalah salah satu persamaan yang digunakan dalam menentukan hazard suatu daerah dan ikut menyumbang pada variabilitas peta gempa dan fungsi hazard suatu kawasan. Gambar 5, 6, dan 7 menunjukan penyebaran data pengukuran terhadap fungsi atenuasi tertentu/ GMPE.

Gambar 4. Variasi nilai PGA dengan Focal Distance (Sesudah Esteva dan Rosenbleuth, 1964 [8])

Ditinjau dari pendekatan pobabilistik dapat dikatakan bahwa peta yang eksak atau fungsi hazard suatu kawasan tertentu yg eksak tidak mungkin diperoleh, karena ia merupakan

“penjumlahan”dari banyak random variable. Penjumlahan dari banyak random variable akan mendekati distribusi normal dengan mengacu pada teorema limit sentral atau cental limit

theorem. Dapat dikatakan bahwa fungsi hazard bagi suatu daerah merupakan random variable yg bervariasi yang tentunya akan mempengaruhi nilai annual hazard atau risiko yang akan dihitung.

Variabilitas ini dapat diperhitungkan untuk mendapatkan hasil risiko bangunan atau probability of collaps bangunan.

7

2.4. Perbedaan antara Proses Desain dan Kinerja Gedung akibat Gempa.

Dalam proses desain gedung tinggi pada umumnya perencana menggunakan gaya lateral yang bekerja pada tiap lantai gedung. Gaya tingkat tersebut di hitung dari gaya geser dasar yang bekerja pada permukaaan tanah. Perbedaaan yang mendasar antara proses desain dan realita gaya gempa yang bekerja adalah dalam persamaan gaya yang diselesaikan.

Gambar 5. Perbandingan Model NGA Parkfield 2004 dengan Prediksi dari GME BA07 , [10] (Sesudah Boore dan Atkinson, 2007)

Gambar 6. Perbandingan Data Gempa, Akbar dan Boomer 2010, strike-slip M=4.5 dgn Data Gempa Market [11] Rasen (sesudah Arrangoi et al 2012)

8

Gambar 7. Percepatan Tanah untuk 3 Macam Sumber Gempa, Dengan T = 0.1 detik (Sesudah Boore, 2008, [12]

Dalam proses desain persamaan yang diselesaikan adalah:

{P} = [K] {x} (1) Matrix P adalah gaya lateral ekivalen yang bekerja yang diharapkan dampaknya mendekati gaya yang terjadi akibat gempa, K adalah kekakuan struktur, dan x adalah deformasi.

Sedangkan persamaan gerak gedung akibat gempa mengandung matix masa M dan redaman C yang tidak ada dalam persamaan yang digunakan dalam tahap perencanaan, sebagai berikut:

[M] {𝑥̈} + [C] {𝑥 ̇} + [K] {x} = - [M] {𝑥̈ _𝑔} (2) Dimana 𝑥̈ _𝑔 adalah percepatan tanah akibat gempa. Jelas sekali akan ada perbedaan antara hasil persamaan 1 dan 2, karena simplifikasi yang diambil. Secara umum persamaan 1 akan

memberikan hasil yang konsevatif karena berbagai persyaratan yang harus dipenuhi dalam menentukan gaya geser dasar rencana yang diatur oleh standar SNI 1726:2012 [2]. Analisis pushover pun tidak merefleksikan perilaku gedung dalam menahan gaya gempa, namun besaran2 yang diperoleh dari analisis pushover seperti C_d , R, dan Ω_o dapat dipakai dalam perencanaan awal untuk mendapatkan dimensi dan tulangan. Setelah itu sebaiknya perencana back to basic menggunakan performance based design (PBD) dengan memanfaatkan persamaan gerak gedung akibat gaya gempa. Analisis nonlinear riwayat waktu dapat diterapkan pada gedung melalui step by step direct integration e.g, Newmark β Method (Newmark and Rosenbleuth, 1971 [13]).

9 Dalam PBD yang diperlukan adalah input ground motion dilokasi bangunan dan karakteristik penampang yang ditandai oleh dimensi penampang, tulangan, mutu beton, dan mutu baja. Jika input ground motion ini dimiliki melalui research dan pengukuran lapangan maka berbagai ketidakpastian yang muncul dalam PSHA dapat di bypass. Khususnya dalam perencanaan gedung super tinggi lebih realistis jika gedung tersebut diuji dengan beberapa ground motion yang diperkirakan bekerja dilokasi gedung. Semakin banyak ground motion yang digunakan akan semakin baik perencana mendapat gambaran akan perilaku gedung, kekuatan dan kekakuan gedung. Lebih jauh lagi dari data kekuatan diatas dibentuk probability density function dari kapasitas atau yg lebih dikenal dengan nama fungsi fragilitas gedung tersebut.

2.5. Pengaruh Hukum Atenuasi atau GMPE yang Berbeda

Hingga saat ini telah diperkenalkan lebih dari 400 GMPE dan tidak ada satupun yang

memberikan hasil dapat menggambarkan kegempaan suatu daerah dengan akurat atau eksak.

Artinya kurva hazard yang dibuat dengan GMPE yang berbeda akan memberikan hazard yang berbeda juga, dan akan memberikan nilai annual exceedance yang berbeda. Dengan kata lain nilai risiko yang diperoleh juga merupakan nilai yang acak yang tidak pernah dapat ditentukan dengan pasti. Engineer hanya dapat melakukan best estimate dengan menggunakan misalnya total probability theorem. Dengan sedikit simplifikasi, tentunya. Gambar 8 menunjukan kurva hazard yang diperoleh untuk 4 GMPE atau fungsi atenuasi yang sering digunakan.

Gambar 8. Kurva Hazard Untuk Berbagai Atenuasi di Jakarta

0,0001 0,0010 0,0100 0,1000 1,0000

0,0001 0,001 0,01 0,1 1

Annual Frequency Acceedence

Spectral Acceleration (g)

Hazard Curve dari Berbagai Atenuasi

Boore-Atkinson (2008) NGA USGS 2008 Abrahamson-Silva (2008) NGA Zhao et al (2006) USGS 2008 Campbell (2003) USGS 2008 Mw

10 Gambar 9. Sumber gempa untuk wilayah Jakarta radius 500 km

Kurva hazard ini dibuat dengan melakukan PSHA yang memasukan berbagai sumber gempa disekitar kota Jakarta pada radius 500m km seperti yang terlihat pada Gambar 9 dan Tabel 2, 3, dan 4.

Tabel 2. Parameter gempa fault/shallowcrustal untuk Jakarta Fault Name Slip-Rate

Sense Dip Top Bottom Width

Mmax Design

mm/yr deg km km km

Cimandiri 4 Strike-slip 90 3 18 15 7.2

Lembang 1.5 Strike-slip 90 3 18 15 6.6

Sunda 5 Strike-slip 90 3 18 15 7.6

Semangko 5 Strike-slip 90 3 18 15 7.2

Tabel 3. Parameter gempa subduksi/megathrust untuk Jakarta

Subduction Name Mmax History b-value a-value Mmax (Desain) GR Char Southern Sumatra Megathrust 7.9 (04-06-2000) 1.05 5.76 8.2 8.2

Java Megathrust 8.1 (27-02-1903) 1.1 6.14 8.1 8.1 Terlihat pada Gambar 8 bahwa nilai probability of annual exceedance untuk Jakarta bervariasi, tergantung fungsi atenuasi yang digunakan. Dan kita tidak mengetahui dengan pasti mana fungsi yang tepat untuk Jakarta. Sehingga peta gempa yang diperoleh bukanlah sesuatu yang pasti.

11

Tabel 4. Parameter gempa shallow, intermediate dan deep background untuk Jakarta Background Condition Depth of

Background (km)

Magnitude

b-value a-value Minimum Maximum

Shallow Background

0 - 10 5 6.5 1 4.772

10 - 20 5 6.5 1 4.795

20 - 30 5 6.5 1 5.011

30 - 40 5 6.5 1 5.702

40 - 50 5 6.5 1 5.094

Intermediate- Deep Background

50 - 75 5 7.6 1 5.149

75 - 100 5 7.6 1 5.226

100 - 150 5 7.6 1 5.357

150 - 200 5 7.8 1 5.154

200 - 300 5 7.8 1 5.134

3. Model Probabilitas Gedung Akibat Gaya Gempa

Annual Hazard adalah probabilitas suatu besaran PGA diliwati dalam satu tahun untuk suatu lokasi tertentu. Annual hazard ini diperoleh melalui PSHA. Sebagai contoh, jika suatu gedung dirancang untuk dapat menahan PGA = 0.2 g, maka gedung tersebut akan gagal bila PGA yang terjadi lebih besar dari 0.2g, atau gagal bila PGA > 0.2g atau Probabilitas gagal = P (X > 0.2g), dimana X adalah PGA yang akan terjadi. Inilah yang mendasari konsep uniform hazard dimana nilai hazard dianggap sama dengan risiko gagal struktur gedung. Hasil ini akan benar jika kekuatan gedung merupakan deterministik variabel, bukan acak. Konsep ini digunakan dalam SNI 1726:2002. Perkembangan lebih lanjut menunjukan bahwa kapasitas struktur merupakan random variable, jauh dari deterministik. Karakteristik acak ini sebagai akibat variabilitas dalam bahan baja dan beton dan pengaruh rekor gempa yang berbeda. Setiap gempa mempunyai energi, frekwensi, PGA, dan durasi yang berbeda satu sama lainnya yang memberikan dampak berbeda juga dalam respons bangunan. Dengan demikian jika kapasitas penampang sama dengan Y, maka gagal dapat didefinisikan sebagai percepatan tanah yang terjadi lebih besar kapasitas gedung atau X > Y atau dalam bentuk condional probability dapat dituliskan sebagai:

P(Gagal) = P(X > Y | kapasitas = y) (3) Karena Y merupakan variabel acak maka melalui teorema probabilitas total, probabilitas gagal dapat dinyatakan sebagai:

P(Gagal) = ∫ P(X > Y | y)₀^𝑎 𝑓_𝑌 (y) (4)

12 P (X > Y |y) adalah fungsi hazard yang diperoleh melalui PSHA sedangkan 𝑓_𝑌 (y) adalah

kapasitas struktur atau yang disebut juga fragilitas struktur. Pada umumnya 𝑓_𝑌 (y) mengikuti distribusi lognormal dengan demikian risiko dapat dinyatakan sebagai [14], [15], dan [16]:

P_f = T x ∫ P(X > y | y) _√2πβy¹ exp {−¹

2[ln y− ln µ+0.5 ln( 1 + Ω𝑦2 )

β ]

2

} (5)

Dimana μ nilai rata2 dari kapasitas Y, Ωy adalah koefisien variasi dari Y dan β adalah deviasi standar dari lnY, dan T adalah umur bangunan. Statistik dari Y ini diperoleh dengan cara menguji ketahanan gedung terhadap gempa riwayat waktu yang diperbesar hingga terjadi collapse atau keruntuhan pada kolom atau shearwall. Teknik ini dikenal sebagai incremental dynamic analysis (IDA). Jika dilakukan terhadap n riwayat waktu, maka akan diperoleh n data kekuatan gedung dalam bentuk Y atau PGA maksimum yang dapat ditahan gedung. Dengan demikian dari n data tersebut dapat diperoleh nilai rata2 maupun koefisien variasi yang menjadi input dalam Persamaan 5.

Untuk mengantisipasi pengaruh kekuatan bahan yang random, terbatasnya data riwayat waktu yang digunakan, atau model struktur yang tidak sempurna, maka koefisien variasi dari kapasitas diperbesar dengan pendekatan first order second moment (e.g., Ang dan Tang, 1970 [17]) sebagai berikut:

Ω _Y² = Ω_𝑅² + Ω_D² + Ω_S² + Ω_M² (6) Dimana ΩR = koefisien variasi yang diperoleh dari IDA, ΩD = koreksi koefisien variasi karena terbatasnya data riwayat waktu gempa, Ω_S = koreksi karena model struktur yang tidak sempurna, dan ΩM = koreksi karena variabilitas dari bahan baja dan beton.

Dan β menjadi:

β = √ln(1 + Ω_Y²) (7)

Dengan menggunakan persamaan 1 hingga 7 probabilitas gagal suatu gedung dapat dievaluasi dengan cepat dan sederhana. Metoda ini bukan satu satunya cara untuk menghitung risiko terhadap gempa. Risiko kegagalan dapat juga ditentukan melalui proses random vibration dimana beban gempa dimodel sebagai sebuah proses stokastik atau melalui proses simulasi Monte Carlo (e.g., Ang dan Tang 1970)

4. Contoh Perhitungan Risiko Pada Bangunan Ruko 3 Lantai

13 Untuk menunjukan perhitungan risiko dengan mempertibangkan pengaruh berbagai pengaruh ketidakpastian diatas, maka dilakukan evaluasi risiko bangunan Ruko 3 lantai dengan denah seperti pada Gambar 10 dan potongan seperti pada Gambar 11. Bangunan Ruko ini telah direncanakan dengan mengikuti SNI 1726 – 2012.

Gambar 10. Denah Bangunan Ruko 3 Lantai

6 m

6 m 6 m 6 m

8 m 8 m

14 Gambar 11. Potongan Bangunan Ruko 3 Lantai

Berikut adalah properti material yang digunakan dalam desain bangunan ruko:

 Beton = 30 MPa

 Tulangan = 400 MPa

 Sengkang = 400 MPa

Beban yang digunakan dalam studi ruko ini disesuaikan berdasarkan fungsi dari ruko yaitu difungsikan sebagai kantor dengan besar beban sesuai SNI 1727:2013 sebagai berikut:

a) Dead Load (DL) = Self Weight Beton 24 kN/m³; Tulangan 78.5 kN/m³ b) Super Imposed (SIDL) = 1.5 kN/m²

c) Live Load (LL) = 2.4 kN/m² d) Live Load Roof (Lr) = 2 kN/m²

Beban gempa yang diaplikasikan pada bangunan ruko adalah beban gempa yang disyaratkan dalam SNI 1726:2012. Beban gempa dikenakan pada struktur melalui metode respons spektra yang ditentukan berdasarkan lokasi bangunan, yaitu kota Jakarta. Parameter beban gempa yang didapat adalah berdasarkan web PUSKIM. Berikut adalah parameter gempa serta respon spectra (Gambar 12) untuk jenis tanah SE.

Table 5. Parameter2 dalam Perencanaan Bangunan Ruko

Parameter Nilai S_S (g) 0.68 S₁ (g) 0.299

F_A 1.34

F_V 2.806

S_MS (g) 0.911 S_M1 (g) 0.838 S_DS (g) 0.607 S_D1 (g) 0.559 8

m 8

m

3.5 m 3.5

m 3.5

m

15 T₀ (detik) 0.184

T_S (detik) 0.919

Gambar 12. Respons Spektra Desain

Kombinasi pembebanan yang digunakan adalah sesuai dengan SNI 1726:2012 sebagai berikut:

Kombinasi Pembebanan Gravitasi:

1. 1,4 DL

2. 1,2 DL + 1,6 LL + 0,5 Lr 3. 1,2 DL + 1,6 Lr + LL Kombinasi Pembebanan Gempa:

4. 1,32 DL ± Qx ± 0,3 Qy + L 5. 1,32 DL ± Qy ± 0,3 Qx + L 6. 0,78 DL ± Qx ± 0,3 Qy 7. 0,78 DL ± Qy ± 0,3 Qx

Pemodelan dilakukan dengan menggunakan bantuan software ETABS 2017 secara 3 dimensi (3- D) seperti berikut (Gambar 13 dan 14)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0 1 2 3 4 5

Sa (g)

T (detik)

Respon Spektra (Tanah SE)

16 Gambar 13. Denah Pemodelan Ruko 3 Lantai

Gambar 14. Pemodelan 3 Dimensi (3D) Ruko 3 Lantai

17 Partisipasi massa pada analisis modal didapatkan hasil sebagai berikut dalam Tabel 6:

Tabel 6. Partisipasi Masa Bangunan Ruko 3 Lantai Mode Period

UX UY RZ Sum UX Sum UY Sum RZ sec

1 0.57 0.8592 0 0 0.8592 0 0

2 0.501 0 0.8755 0 0.8592 0.8755 0

3 0.456 0 0 0.8668 0.8592 0.8755 0.8668

4 0.178 0.115 0 0 0.9742 0.8755 0.8668

5 0.164 0 0.1025 0 0.9742 0.9781 0.8668 6 0.146 0 0 0.1089 0.9742 0.9781 0.9757

Ketentuan analisis respon spectra sesuai SNI 1726:2012 mensyaratkan bahwa gaya geser dasar struktur akibat beban dinamik respon spectra harus ≥ 0.85 gaya geser dasar analisis static lateral ekivalen atau Vdinamik ≥ 0.85 Vstatik. Gaya Lateral Ekivalen diberikan pada Tabel 7.

Tabel 7. Gaya Lateral Ekivalen Dalam Perencanaan Banunan Ruko Lantai di Jakarta Gaya Lateral Ekivalen Elastik Arah X Gaya Lateral Ekivalen Elastik Arah Y

Nilai Cs Nilai Cs

SD1 0.559 detik SD1 0.559 detik

S_DS 0.607 detik S_DS 0.607 detik

S1 0.299 detik S1 0.299 detik

R 8 R 8

I 1 I 1

T 0.52 detik T 0.50 detik

Cs 0.0759 Cs 0.0759

Cs max 0.1348 Cs max 0.1395

Cs _{min 1} 0.0267 Cs _{min 1} 0.0267

Cs min 2 Tidak Perlu Cs min 2 Tidak Perlu

Cs Pakai 0.0759 Cs Pakai 0.0759

W 8239.456 kN W 8239.456 kN

V_s 625.17 kN V_s 625.17 kN

Faktor pengali 1.019 Faktor pengali 1.002

Elemen struktur ruko dalam studi ini memiliki dimensi sebagai berikut:

 Balok Induk = 600 mm x 400 mm

 Balok Anak = 400 mm x 200 mm

 Kolom = 500 mm x 500 mm

18 Kebutuhan tulangan longitudinal dan geser elemen struktural ditentukan berdasarkan kombinasi pembebanan SNI 1726:2012 dan juga persyaratan detailing dari SNI 2847:2013 dengan hasil seperti pada Tabel 10, sebagai berikut:

Tabel 8. Tulangan Pada Bangunan Ruko 3 Lantai Balok Induk

Tipe Lokasi Tumpuan I Lapangan Tumpuan J

Tulangan Area Tulangan Area Tulangan Area

Tipe 1

Atas 2D25 981.75 2D25 981.75 2D25 981.75

Tengah 2D13 265.46 2D13 265.46 2D13 265.46

Bawah 2D25 981.75 2D25 981.75 2D25 981.75

Geser 2D10 - 150 1047.20 2D10 - 250 628.32 2D10 – 150 1047.20

Tipe 2

Atas 2D25 981.75 2D25 981.75 2D25 981.75

Tengah 2D13 265.46 2D13 265.46 2D13 265.46

Bawah 2D25 981.75 2D25 981.75 2D25 981.75

Geser 2D13 - 150 1769.76 2D13 - 200 1327.32 2D13 – 150 1769.76

Tipe 3

Atas 2D22 760.27 2D22 760.27 2D22 760.27

Tengah 2D13 265.46 2D13 265.46 2D13 265.46

Bawah 2D22 760.27 2D22 760.27 2D22 760.27

Geser 2D13 - 151 2693.86 2D13 - 201 1853.23 2D13 – 151 2693.86

Tipe 4

Atas 3D25 1472.62 2D25 981.75 3D25 1472.62

Tengah 2D13 265.46 2D13 265.46 2D13 265.46

Bawah 2D25 981.75 2D25 981.75 2D25 981.75

Geser 2D10 - 150 1047.20 2D10 - 250 628.32 2D10 – 150 1047.20

Balok Anak

Tipe Lokasi Tumpuan I Lapangan Tumpuan J

Tulangan Area Tulangan Area Tulangan Area Tipe 1

Atas 4D22 1520.53 2D22 760.27 4D22 1520.53

Tengah 2D13 265.46 2D13 265.46 2D13 265.46

Bawah 2D22 760.27 3D22 1140.40 2D22 760.27

Geser 2D10 - 150 1047.20 2D10 - 200 785.40 2D10 – 150 1047.20

Tabel 9. Tulangan Kolom Pada Bangunan Ruko 3 Lantai Longitudinal Kolom Interior Longitudinal Kolom Eksterior

Jumlah 12 buah Jumlah 12 Buah

Diameter 25 mm Diameter 22 Mm

As 5890.49 mm² As 4561.59 mm²

Percentage 2.36 % Percentage 1.82 %

19 Tabel 10. Input Ground Motion Dalam Menentukan Fungsi Fragilitas

(Wayan Sengara, 2019)

N o

Kode Gempa

Dur

asi Arah

PGA PGA

MAX

Arah Beban

Scal e Fact

or

Performance PGA Collapse deti

k

Ma x Min

20 Hasil analisis dapat disampaikan sebagai berikut, bahwa struktur ruko gagal dalam berbagai nilai PGA yang tergantung pada input motionnya, bervariasi dari 024g hingga 065g ( Tabel 11), dengan nilai rata2 0548g serta deviasi standar 0.152 (Tabel 12)

Tabel 11. Nilai PGA yang Menggagalkan Struktur Ruko Akibat Berbagai Gempa PGA Failure

No Earthquake Ground Motion PGA Scale PGA Scaled

1 Padang 100

0 N S

0.2 72

- 0.27

1 0.2721

X 1 Kolom Dasar CP

0.245 9

0 E W

0.0 58

- 0.06

1

Y 0.9 Kolom Dasar CP

2 ABY 50

0 N S

0.1 74

- 0.20

5 0.2504

X 1 Yield to IO

0.689 9

0 E W

0.2 36

- 0.25

0

Y 2.75 Kolom Dasar CP

3 TAP035 88

0 N S

0.2 27

- 0.24

1 0.2408

X 1 IO to LS

0.602 9

0 E W

0.1 82

- 0.18

9

Y

2.5

Kolom Dasar CP

4 TCU120 90

0 N S 0.1

57 - 0.15

7 0.1829

X 1 Elastik

0.457 9

0 E W

0.1 63

- 0.18

3

Y

2.5

Kolom Dasar CP

5 TCU089 79

0 N S 0.1

73 - 0.18

1 0.2327

X 1 Elastik

0.582 9

0 E W

0.2 18

- 0.23

3

Y

2.5

Kolom Dasar 2 Sendi Plastis

6 TCU015 90

0 N S 0.1

87 - 0.15

6 0.2017

X 1 Elastik

0.605 9

0 E W

0.2 02

- 0.17

1

Y

3

Kolom Dasar CP

7 MYG013 262.

5

0 N S 0.2

61 - 0.20

4 0.2614

X 1 Elastik

0.654 9

0 E W

0.1 24

- 0.13

5

Y

2.5

Kolom Dasar CP

21

g g

8 MYG013 0.26 2.5 0.65

9 TCU015 0.20 3.0 0.61

10 TCU089 0.23 2.5 0.58

11 TCU120 0.18 2.5 0.46

12 ABY 0.25 2.8 0.69

13 TAP035 0.24 2.5 0.60

14 Padang 0.27 0.9 0.24

Tabel 12. Parameter Statistik Tahanan Ruko dari Hasil Riwayat Waktu Parameter Nilai

Μ 0.548

Σ 0.152

Λ -0.639

Ζ 0.346

Jika di plot maka akan memberikan fungsi fragilitas ruko dalam bentuk probability density function dan cumulative distribution function seperti pada Gambar

0 0,5 1 1,5 2 2,5

0,1 1 10

Fragility Function (PDF)

PGA (g) - Logaritmic Scale

Fragility Curve (PDF)

22 Gambar 15. Probability Density Function dan Cumulative Distribution Function

Dari Gedung Ruko 3 Lantai

Dengan menggunakan Persamaan 4 dan 5, risiko gagal akibat beban gempa di evaluasi dengan memanfaatkan kurva hazard pada Gambar 16 (Sesudah Sengara, 2016). Terlihat bahwa risiko gagal bervariasi dari 0.39 % hingga 8.44% tergantung pada nilai T gempa itu sendir, short periode atau long periode. Bangunan ruko adalah bangunan yang relative kaku dengan perioda kurang 0.6 detik. Dengan demikian risiko kurang dari 8% (Tabel 8).

Gambar 16. Fungsi Hazard Kota Jakarta untuk Beberapa Nilai T Gempa [21]

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0,1 1 10

Fragility Function (PDF)

PGA (g) - Logaritmic Scale

Fragility Curve (CDF)

50 % PE in 30 years

2% PE in 50 years 0,0001

0,001 0,01 0,1 1 10

0,0001 0,001 0,01 0,1 1

Annual Frequency Acceedence

Spectral Acceleration (g)

HAZARD CURVE JAKARTA

T = PGA T = 0.2 sec

23 Tabel 8. Kemungkinan Gagal Gedung Ruko 3 Lantai

Periode Ulang Probability of Collapse

T = PGA T = 0.2 detik T = 1 detik

Tahunan 0.02% 0.18% 0.01%

50 Tahun 0.92% 8.44% 0.39%

5. Risiko Menurut ASCE 7 2016 dan SNI 1726 2012 dan SNI 1726 2019

Secara konseptual dalam menentukan gempa desain perencana harus menentukan berapa gempa maksimum yang mungkin terjadi dalam umur bangunan, melalui data statistik yang dimiliki daerah. Namun pendekatan tersebut memerlukan pengetahuan statistik ekstrim yang tidak praktikal digunakan dan khususnya di Indonesia data gempa belumlah lengkap dimiliki.

Akhirnya dibuat kesepakatan bahwa peta gempa yang akan digunakan untuk menentukan gempa nominal atau gempa desain didasarkan atas 1% risk of failure. Artinya bangunan yang dirancang menggunakan peta gempa tersebut secara implisit mempunyai risiko kegagalan 1% terhadap gempa yang mungkin terjadi didaerah tertentu. Gempa terasebut dinamakan Risk Targetted Maximum Considered Earthquake atau MCER.Tentu saja untuk suatu daerah tertentu bisa saja tidak terjadi gempa pada tenggang umur bangunan. Perlu diingat bahwa kejadian gempa merupakan phenomena yang random.

Lebih jauh lagi ASCE 7 2016 mengatur bahwa risiko kegagalan akibat gempa MCER harus mencapai nilai tertentu. Dalam hal ini diasumsikan bahwa gempa maksimum akan terjadi (conditional probability) dalam kurun waktu umur bangunan. Misalnya pada bangunan dengan importance factor = 1.25 (kategori risiko III), struktur bangunan harus mencapai risk = 5%. Ini adalah probability of failure akibat MCER saja. Berbeda dengan nilai 1% risk yang diakibatkan oleh semua gempa, bukan saja MCER.

6. Penutup

Ketidakpastian dalam perencanaan bangunan tahan gempa tidak dapat dihindarkan, baik dalam menentukan kapasitas bangunan terhadap gaya gempa maupun dalam menentukan gaya gempa MCER, misalnya. Lebih jauh lagi, dalam umur bangunan yang direncanakan gempa kuat bisa saja terjadi dan bisa juga tidak. Kejadian gempa merupakan variabel random yang kerap dimodelkan sebagai proses Poisson.

Oleh karena ASCE 7 – 2010 dan ASCE 7 – 2016 dan kemudian SNI 1726 – 2012 maupun SNI 1726 – 2018 (mudah2an) memasukan secara eksplisit faktor risiko sebagai persyaratan kinerja yang harus dicapai oleh bangunan Gedung. Peta gempa didasarkan atas asumsi 1% risk, artinya bangunan yang dirancang mempunyai nilai risiko kegagalan 1%.

24 Sebenarnya risiko kegagalan sangat sukar diperkirakan, namun kita membuat the best estimate yang diterjemahkan dalam peta gempa yang dibuat. Pada bangunan ruko sederhana saja risiko bervariasi tergantung pada fungsi atenuasi yang digunakan dan record to record variation dari gaya gempa yang digunakan untuk menentukan kapasitas bagunan.

Perlu dilakukan studi yang lebih mendalam akan fungsi atenuasi yang akan digunakan serta dampaknya pada ketidakpastian serta gempa desain yang lebih sesuai dengan karakteristik bangunan.

7. Pustaka Acuan

1. “Peta Sumber Gempa dan Bahaya Gempa Indonesia 2017”, Tim Pusat Studi Gempa Nasional, Pusat Litbang Perumahan dan Pemukiman, Badan Penelitian dan Pengembangan Kementerian Pekerjaan Umum dan Perumahan rakyat, September 2017.

2. “Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur Bangunan Gedung dan Non Gedung”, SNI 1726:2012, Badan Standardisasi Nasional 2012.

3. Budiono, B., “Struktur Bangunan Tahan Gempa”, Orasi Ilmiah dalan Rangka Dies ITB, 2017.

4. ASCE/ SEI 7-16, “Minimum design Loads and Associated Criteria for Buildings and other Structures”, ASCE 2017.

5. Nilson, A. H., Darwin, D., and Dolan, C. W., “Design of Concrete Structures”, McGraw Hill, 13^th Edition, 2004.

6. Junisa Arini Patrisia, Bambang Budiono, Indra Djati Sidi, “ Reliabilitas Struktur Gedung T9-Tower 1 Terhadap Beban Gempa MCER Dengan Incremental Dynamic Analysis”, Sdeminar HAKI 2017.

7. Robin K. Mc Guire, “Seismic Hazard and Risk Analysis”, Earthquake Engineering Research Institute, 2004.

8. Esteva and Rosenbleuth, “Espectros de Temblores a Distancias Moderadas y Grandes”, Boletin Sociedad Merxicana de Ingeniria Sesmica, 2:1 18, 1964. (in Spanish).

9. Mahani, A.B. and Kao, H., “Ground Motion from m 1.5 to 3.8 Induced Earthquakes at Hypocentral distance < 45 km in the Montrey Play of North East British Columbia”, Canada, Seismological Research Letters, 89 (18): 22-34, January 2018.

10. Boore, D. M. and Atkinson, G.M.,”Boore-Atkinson NGA Ground Motion Relations for the Geometric Mean Horizontal Component of Peak and Spectral Ground Motion Parameters”, PEERC Report 2007/1, University of Berkeley, May 2007.

25 11. Arango et. al., “Comparing Predicted and Observed Ground Motions from UK

Earthquakes”, 15 WCEE, Lisboa, 2012.

12. Boore, D.M., “Ground Motion Prediction Equations (GMPEs) from a Global Dataset:

The PEER NGA Equation”, USGS

13. Newmark, N.M. and Rosenblueth, E., “Fundamentals of Earthquake Engineering”, Prentice Hall 1971.

14. Sidi, I.D., Putri, I.R.P., Rivani, D.A.F., Patrisia, J.A., and Hapsari, W. (2016), "Probabilistic Modeling of Seismic Risk Based Design for Super Tall Building with Outrigger and Belt Truss in Jakarta", 5th International Symposium on Reliability Engineering and Risk

Management", August 17 – 20, 2016, Seoul, Korea.

15. Indra Djati Sidi, Widiadnyana Merati, I Wayan Sengara, M. Rilly A. Yogi (212),

"Development of Seismic Risk Based Design for Buildings in Indonesia", 1st International Coference on Sustainable Civil Engineering Structures and Construction Materials (SCESCM) Enhancing the Role of Civil Engineering in Indonesia 11-13 Sept 2012.

16. Indra Djati Sidi, "Development of Seismic Risk Based Design for Super Tall Buildings in Indonesia", The Latest Development in Civil Engineering, A book/ monograph to honnor the 80th Birthday of Prof.Dr. Ir. Wiratman Wangsadinata, Februari 2015, ISBN: 978-602- 72044-0-9.

17. Alfredo H-S. Ang and Wilson Tang, “Probability Concepts in Engineering Panning and Design”, Volume II Decision, Risk, and Reliability, John Wiley, 1990.

18. Bambang Budiono, Wiratman Wangsadinata, Indra Djati Sidi, “Desain Berbasis

Kinerja(Performance Based Design) Untuk Struktur Gedung Super Tinggi Thamrin 9 Tower 1 Dengan Sistem Outrigger & Belt-truss”, Seminar HAKI 2017.

19. “2015 NEHRP recommended Seismic Provision: Design Examples”, FEMA P-1051 / July 2016.

20. Putri, I.R.P., “Reliability of 60 Storey Building with Single Outrigger and Belt Truss Subjected to Earhtquake Load”, (in Indonesian). Final Project at Department of Civil Engineering, Institut Teknologi Bandung, 2015

21. Sengara, W., “ SSRA + Time History and Steel Belt Truss Subjected to

EarhtquaGround Motion Generation”, Thamrin Nine Development Project – Jakarta, 2019.

26 22. Patrisia, J.A, “ Reliability of 60 Storey Building with Multi Outrigger and Belt Truss

Subjected to Earhtquake Load” (in Indonesian). Final Project at Department of Civil Engineering, Institut Teknologi Bandung, 2015.