BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Umum
Gempa bumi merupakan salah satu bagian daripada jenis beban yang dapat membebani struktur selain beban mati, beban hidup dan beban angin. Beban gempa memang tidak selalu diperhitungkan dalam perencanaan atau analisa struktur. Namun bagi struktur yang dibuat pada suatu lokasi dimana gempa bumi dapat terjadi maka analisa ini harus dibuat.
Besarnya tingkat pembebanan gempa berbeda-beda dari suatu wilayah ke wilayah lain tergantung pada keadaan seismotektonik geografi dan pada geologi setempat. Kerusakan bangunan akibat gempa bumi dapat diantisipasi dengan beberapa metode, baik secara konvensional maupun secara teknologi sekarang ini yaitu sistem control pasif dengan penambahan alat seismic devices kedalam struktur. Seismic devices bekerja dengan merubah kekakuan, damping dan menambah massa ke struktur. System seismic device adalah dengan menggunakan alat yang disebut damper. Damper merupakan alat tambahan yang dipasang pada struktur untuk menambah redaman (damping) dari suatu struktur. Damper bekerja dengan mendissipasi energi melalui pembentukan sendi plastis atau pelelehan bahan damper. Damper merupakan alat dissipasi energi yang berfungsi memperkecil respon simpangan struktur dan menghentikan getaran, agar simpangan simpangan antar tingkat dapat diperkecil sehingga gaya lateral kolom menjadi kecil, sehingga struktur dapat direncanakan secara elastis meskipun akibat gaya gempa besar, maka biaya yang dibutuhkan cukup ekonomis.
2.2 Karakteristik Struktur Bangunan
Pada persamaan difrensial melibatkan tiga properti utama suatu struktur yaitu massa, kekakuan dan redaman. Ketiga properti struktur itu umumnya disebut dinamik karakteristik struktur. Properti-properti tersebut sangat spesifik yang tidak semuanya digunakan pada problem statik. Kekakuan elemen / struktur adalah salah satu-satunya karakteristik yang dipakai pada problem statik, sedangkan karakteristik yang lainnya yaitu massa dan redaman tidak dipakai.
2.2.1 Massa
Suatu struktur yang kontinu kemungkinan mempunyai banyak derajat kebebasan karena banyaknya massa yang mungkin dapat ditentukan. Banyaknya derajat kebebasan umumnya berasosiasi dengan jumlah massa tersebut akan menimbulkan kesulitan.
Hal ini terjadi karena banyaknya persamaan differensial yang ada. Terdapat dua permodelan pokok yang umumnya dilakukan untuk mendeskripsikan massa struktur.
2.2.1.1 Model Lumped Mass
Model pertama adalah model diskretisasi massa yaitu massa diangggap menggumpal pada tempat-tempat (lumped mass) join atau tempat-tempat tertentu. Dalam hal ini gerakan / degree of freedom suatu join sudah ditentukan. Untuk titik model yang hanya mempunyai satu derajat kebebasan / satu translasi maka nantinya elemen atau struktur yang bersangkutan akan mempunyai matriks yang isinya hanya bagian diagonal saja. Clough dan Penzien (1993) mengatakan bahwa
bagian off-daigonal akan sama dengan nol karena gaya inersia hanya bekerja pada tiap-tiap massa. Selanjutnya juga dikatakan bahwa apabila terdapat gerakan rotasi massa ( rotation degree of freedom ), maka pada model lumped mass ini juga tidak akan ada rotation moment of inertia. Hal ini terjadi karena pada model ini massa dianggap menggumpal pada suatu titik yang tidak berdimensi (mass moment of inertia dapat dihitung apabila titik tersebut mempunyai dimensi fisik). Dalam kondisi tersebut terdapat matriks massa dengan diagonal mass of moment
inertia sama dengan nol.
Pada bangunan gedung bertingkat banyak, konsentrasi beban akan terpusat pada tiap-tiap lantai tingkat bangunan. Dengan demikian untuk setiap tingkat hanya ada satu tingkat massa yang mewakili tingkat yang bersangkutan. Karena hanya terdapat satu derajat kebebasan yang terjadi pada setiap massa / tingkat, maka jumlah derajat kebebasan pada suatu bangunan bertingkat banyak akan ditunjukkan oleh banyaknya tingkat bangunan yang bersangkutan. Pada kondisi tersebut matriks massa hanya akan berisi pada bagian diagonal saja.
2.2.1.2 Model Consistent Mass Matrix.
Model ini adalah model yang kedua dari kemungkinan permodelan massa struktur. Pada prinsip consistent mass matrix ini, elemen struktur akan berdeformasi menurut bentuk fungsi (shape function) tertentu. Permodelan massa seperti ini akan sangat bermanfaat pada struktur yang distribusi massanya kontiniu.
Apabila tiga derajat kebebasan (horizontal, vertikal dan rotasi) diperhitungkan pada setiap node maka standar consistent mass matrix akan
menghasilkan full-populated consistent matrix artinya suatu matri yang off-diagonal matriksnya tidak sama dengan nol. Pada lumped mass model tidak akan terjadi ketergantungan antar massa (mass coupling) karena matriks massa adalah diagonal. Apabila tidak demikian maka mass moment of inertia akibat translasi dan rotasi harus diperhitungkan. Pada bangunan bertingkat banyak yang massanya terkonsentrasi pada tiap-tiap tingkat bangunan, maka penggunaan model lumped mass masih cukup akurat. Untuk pembahasan struktur MDOF seterusnya maka model inilah (lumped mass) yang akan dipakai.
2.2.2 Kekakuan
Kekakuan adalah salah satu dinamik karakteristik struktur bangunan yang sangat penting disamping massa bangunan. Antara massa dan kekakuan struktur akan mempunyai hubungan yang unik yang umumnya disebut karakteristik diri atau Eigenproblem. Hubungan tersebut akan menetukan nilai frekuensi sudut ω, dan periode getar struktur T. Kedua nilai ini merupakan parameter yang sangat penting dan akan sangat mempengaruhi respon dinamik struktur.
Pada prinsip bangunan geser ( shear building ) balok pada lantai tingkat dianggap tetap horizontal baik sebelum maupun sesudah terjadi pergoyangan. Adanya plat lantai yang menyatu secara kaku dengan balok diharapkan dapat membantu kekakuan balok sehingga anggapan tersebut tidak terlalu kasar. Pada prinsif desain bangunan tahan gempa dikehendaki agar kolom lebih kuatdibandingkan dengan balok, namun demikian rasio tersebut tidak selalu linear dengan kekakuannya. Dengan prinsif shear building maka dimungkinkan
pemakaian lumped mass model. Pada prinsif ini, kekakuan setiap kolom dapat dihitung berdasarkan rumus yang telah ada.
2.2.3 Redaman
Redaman merupakan peristiwa pelepasan energi ( energi dissipation) oeh struktur akibat adanya berbagai macam sebab. Beberapa penyebab itu antara lain adalah pelepasan energi oleh adanya gerakan antar molekul didalam material, pelepasan energi oleh gesekan alat penyambung maupun system dukungan, pelepasan energi oleh adanya gesekan dengan udara dan pada respon inelastic pelepasan energi juga terjadi akibat adanya sendi plastis. Karena redaman berfungsi melepaskan energi maka hal ini akan mengurangi respon struktur.
2.2.4 Simpangan (Drift) Akibat Gaya Gempa
Simpangan (drift) adalah sebagai perpindahan lateral relative antara dua tingkat bangunan yang berdekatan atau dapat dikatakan simpangan mendatar tiap-tiap tingkat bangunan (horizontal story to story deflection). Simpangan lateral dari suatu system struktur akibat beban gempa adalah sangat penting yang dilihat dari tiga pandangan yan berbeda, menurut Farzat Naeim (1989):
1. Kestabilan struktur (structural stability)
2. Kesempurnaan arsitektural (architectural integrity) dan potensi kerusakan bermacam-macam komponen bukan struktur
3. Kenyaman manusia (human comfort), sewaktu terjadi gempa bumi dan sesudah bangunan mengalami gerakan gempa.
2.2.5 Derajat Kebebasan (Degree Of Freedom, DOF)
Derajat kebebasan (degree of freedom) adalah derajat independensi yang diperlukan untuk menyatakan posisi suatu system pada setiap saat. Pada masalah dinamika, setiap titik atau massa pada umumnya hanya diperhitungkan berpindah tempat dalam satu arah saja yaitu arah horizontal. Karena simpangan yang terjadi hanya terjadi dalam satu bidang atau dua dimensi, maka simpangan suatu massa pada setiap saat hanya mempunyai posisi atau ordinat tertentu baik bertanda negative ataupun bertanda positif. Pada kondisi dua dimensi tersebut, simpangan suatu massa pada saat t dapat dinyatakan dalam koordinat tunggal yaitu U(t). Struktur seperti itu dinamakan struktur dengan derajat kebebasan tunggal (SDOF system).
Dalam model system SDOF atau berderajat kebebasan tunggal, ssetiap massa m, kekakuan k, mekanisme kehilangan atau redaman c, dan gaya luar yang dianggap tertumpu pada elemen fisik tunggal. Struktur yang mempunyai n-derjat kebebasan atau struktur dengan derajat kebebasan banyak disebut multi degree of
freedom (MDOF).
Akhirnya dapat disimpulkan bahwa jumlah derajat kebebasan adalah jumlah koordinat yang diperlukan untuk menyatakan posisi suatu massa pada saat tertentu.
2.3. Prinsip Damping Pada Struktur
Damper mempunyai cara kerja mendissipasi energi yang masuk ke struktur dengan merubah energi tersebut menjadi sendi plastis atau pelelehan bahan damper, sehingga response simpangan struktur menjadi kecil. Peran damping dalam struktur antara lain :
1. Menyebabkan getaran dapat berhenti
2. Memperkecil response simpangan ( displacement ) 3. Mengurangi simpangan saat resonansi
Damping dalam struktur disebut juga inherent damping, yaitu damping yang berasal dari gesekan antara struktur dengan bagian non struktur, gesekan udara dan tutup bukanya penampang beton yang retak, dan plastisitas bahan setelah struktur mengalami deformasi inelastic. Besarnya damping tersebut sekitar 1% sampai 5%, bergantung pada jenis dan kekakuan struktur.
Bila suatu struktur tanpa damping, getaran struktur tidak akan berhenti, seperti yang ditunjukan gambar 2.1. Untuk getaran bebas tanpa damping (undamped free vibration) atau 0% damping, amplitudo getaran akan tetap dan berulang-ulang terus tanpa berhenti, sedangkan getaran dengan damping ( damped free vibration ) yang ditunjukan oleh kurva dengan damping 5%, dan 10%, amplitude getaran semakin mengecil terhadap waktu.
Makin besar damping dari suatu sistim makin cepat amplitudo getaran berkurang dan makin cepat berhenti bergetar. Perbedaaan tersebut ditunjukan oleh kurva dengan damping 5% dan kurva dengan damping 10% pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Pengaruh Damping terhadap Getaran Sumber: Mahadianto, Hotma, Daniel (2008)
Bila terjadi resonansi pada getaran suatu sistim SDOF, simpangan getaran akan menjadi membesar sesuai dengan amplikasi yang terjadi, besarnya amplikasi ditentukan dengan faktor dinamis (magnification factor) yang berbanding terbalik dengan besarnya factor damping ζ, yaitu:
Gambar 2.2 Magnification Faktor Getaran Sumber: Mahadianto, Hotma, Daniel (2008)
Untuk getaran tanpa damping ζ = 0, nilai Rd menjadi tak berhingga, sehingga deformasi juga menjadi tak berhingga, sedangkan dengan damping 50% factor amplikasi menjadi satu atau tidak terjadi pembesaran simpangan sama sekali. Gambar 2.2 menunjukan besarnya amplikasi simpangan yang terjadi untuk berbagai nilai damping yang ditandai dengan magnification factor Rd.
2.4. Sistem Kontrol Struktur
Upaya untuk mengatasi kerusakan-kerusakan yang terjadi pada struktur dilakukan dengan memberikan alat tambahan ke struktur, untuk membatasi energi atau mendissipasi energi gempa yang masuk ke bangunan. Alat-alat tersebut dikenal dengan Seismic Devices. Dengan menambah alat-alat tersebut, energy gempa yang masuk ke struktur dapat direduksi dan dikontrol sehingga gaya-gaya dan simpangan struktur menjadi kecil. Seismic devices pada umumnya dapat dibagi menjadi 2 jenis, yaitu :
1. Actived seismic device 2. Passived seismic device
Seismic devices adalah alat yang dipasang pada bangunan untuk membatasi energi atau mendisipasi energi gempa yang masuk ke bangunan seperti yang sudah dijelaskan tadi. Seismic devices bekerja dengan merubah kekakuan, damping dan menambah massa ke struktur. Pemakaian seismic devices tidak hanya terbatas pada struktur bangunan gedung saja, juga bisa digunakan juga pada jembatan, tangki penimbunan dan lainnya.
2.4.1 Actived Seismic Devices
Actived seismic devices bekerja dengan menerima masukan data getaran dari sensor yang dipasang pada sekeliling struktur. Melalui computer, data tersebut digunakan untuk mengatur gerakan sesuai dengan input gempa ke bangunan. Perangkat aktif memanfaatkan sumber daya eksternal untuk menyesuaikan respon dari perangkat untuk bereaksi terhadap perilaku struktur secara real time dan mencapai respon yang diinginkan secara keseluruhan.
2.4.2 Passived Seismic Devices
Tujuan utama dari respon struktural pada gerakan tanah adalah kemampuan untuk menghilangkan energi dalam jumlah besar selama periode waktu yang singkat. Sarana disipasi energi yang mengisolasi kerusakan, atau secara signifikan mengurangi kerusakan elemen struktural utama, dapat dicapai dengan menambahkan perangkat kontrol ke sistem struktur konvensional.
Passived seismic devices bekerja setelah energi gempa masuk ke struktur, pada umumnya reaksi seismic devices semakin besar bila respon struktur atau energi yang masuk semakin besar. Passived seismic devices sesuai fungsinya secara garis besar dapat dibagi dalam 2 jenis, yaitu bersifat isolasi (seismic
isolator) dan yang bersifat dissipasi energi (damper).
2.4.2.1 Seismic Isolator
Seismic Isolator dipasang dibagian bawah bangunan, alat ini mereduksi energy yang masuk ke struktur dengan merubah getaran frekwensi tinggi menjadi frekwensi rendah, percepatan bangunan bagian atas menjadi kecil sehingga gaya inertia juga menjadi kecil. ada 2 jenis seismic isolator yang telah sering dipakai yaitu jenis rubber bearing dan jenis friction pendulum. Rubber bearing memiliki kekakuan dan sifat damping yang rendah, untuk memperbesar damping dipasang batangan timah dibagian tengah. Isolator jenis friction pendulum bekerja dengan membentuk kekakuan dari gesekan antara piringan bawah dengan tumpuan bulatan di bagian atas yang diberi lapisan bahan Teflon.
2.4.2.2 Damper
Damper bekerja dengan mendissipasi energi melalui pembentukan sendi plastis atau pelelehan bahan damper. Bila gaya yang bekerja pada damper adalah gaya siklik atau gempa, hubungan gaya dan simpangan akan membentuk kurva yang disebut dengan hysteristic loop. Luas hysteristic loop merupakan energi yang didissipasi oleh damper tersebut.
2.5. Hysteristic Loop
Hyterestic loop merupakan kurva hubungan gaya dengan simpangan pada sistim SDOF yang dibebani dengan beban siklik. dan luas dari loop merupakan besarnya energi yang dissipasi. Hysteristic loop akan berbentuk ellips, kalau kekakuan konstan dengan linier-viscous damping. Bila kekakuan tidak konstan dan damping bukan linier vicous damping, loop tidak berbentuk ellips lagi.
Besar gaya dalam sistim adalah gaya dari kekakuan struktur ditambah gaya damping, yaitu:
F = Fk + Fd (2.21)
Dimana:
F = total gaya dalam struktur
Fk = k u = gaya dari kekakuan pegas Fd = c ú = gaya dari damping
Dari persamaaan undamped forced vibration, m ü + k u = Po cos (ωt) ,
bila kekakuan tidak konstant, tetapi sebagai fungsi dari simpangan u, k = k (u).
Maka gaya dalam struktur adalah :
F = u . k (u) (2.22)
Persamaan getaran menjadi :
m ü + k (u) . u = Po cos (ωt) (2.23) Bila kita gambarkan hubungan gaya dengan displacement akan terbentuk loop, seperti pada getaran linier-vicous damping, tapi dengan bentuk yang berbeda, lihat gambar 2.10. Tapi energi yang didissipasi tetap sama yaitu sebesar luas dari loop. Getaran dengan gaya gesekan yang konstan, seperti getaran dengan coulomb friction , gaya gesekan:
Ff = N µ fr (2.24)
Dimana :
Ff = Gaya gesekan N = Gaya normal μfr = Koefisien gesekan Dengan persamaan getaran menjadi:
m ü + k u ± N µ fr = Po cos (ωt) (2.25) Hysteristic loop getaran akan berbentuk segi -4, lihat gambar 2.10. Energi yang didissipasi dalam 1 siklus pembebanan Po cos (ωt) sama dengan luas segi 4,
Ed = N µ fr μo (2.26)
Gambar 2.3. Hysterestic – Loop kekakuan Bi-linier dan Gesekan
2.6. Ekuivalent Viscous Damping
Menurut Bertero and Wang, Energi gempa yang masuk dan yang diterima struktur yang memakai hysterestic–yield damper dapat ditulis dengan :
Eqin = Ek + Es + Ed + Ehys (2.27)
Dimana:
Eqin = Energi gempa yang masuk ke struktur. Ek = Energi kinetic dalam struktur.
Es = Energi regangan dalam struktur.
Ed = Energi yang didissipasi oleh damping dari struktur.
Ehys = Energi yang didissipasi oleh hysterestic loop dari sifatinelastis bahan damper.
Ruas kiri merupakan energi yang diperlukan ( demand Energi ) sedangkan bagian kanan adalah jumlah energi yang harus disediakan oleh struktur.
Ek dan Es merupakan energy yang bersifat tetap (konservatif), yang besarnya Ek dan Es adalah konstan, Dissipasi energy hanya dilakukan oleh viscous damping Ed dan hysteristic loop Ehys dari sifat inelastis bahan . Energi yang didissipasi oleh hysteristic loop dari sifat inelastic bahan sulit diperhitungkan, untuk itu diupayakan penyederhanaan menghitung besarnya dissipasi energy hysteristis loop dengan pendekatan model yang bersifat linier. Pemodelan sifat inelastis menjadi model viscous damping dilakukan oleh Jacobean (1930,1960), kemudian dikembangkan oleh Housner (1956) dan jenning (1964), konsep equivalent viscous damping digunakan untuk menggantikan dissipasi energi berbagai bentuk hysteristic loop menjadi dissipasi energi linier viscous damping.
Dengan konsep Equivalent Viscous Damping, bentuk hysterestic loop dirubah menjadi bentuk ellips dengan luas yang sama.
𝐴ℎ𝑦𝑠 = 𝐸ℎ𝑦𝑠
𝐴ℎ𝑦𝑠 = 2𝜋 𝜁𝑒𝑞 𝜔𝜔𝑛 𝑘 𝑢𝑜2
𝜁𝑒𝑞 = 2𝜋1 𝜔𝜔𝑛 𝑘 𝑢𝐴ℎ𝑦𝑠𝑜2 (2.28)
Dimana:
𝐴ℎ𝑦𝑠 = 𝐸ℎ𝑦𝑠 = luas hysterestic loop
𝜁 = 𝜁𝜃+ 𝜁𝑛 (2.29)
Dimana:
ζ = Jumlah damping ratio
𝜁𝜃 = Equivalent Damping Ratio dari dissipasi energy dari hyterestic loop.
2.7 Metode Dissipasi Energi Damper
Damper yang biasa dipasang pada struktur, dapat dibedakan menurut cara dissipasi energinya : 1. Viscous Damper 2. Friction Damper 3. Hysterestic-yield Damper 4. Visco-elstic Damper 2.7.1 Friction Damper
Jenis damper ini mendissipasi energi berdasarkan gesekan yang terjadi dalam damper. Sama seperti metallic yielding damper jenis ini juga biasanya dipasang diantara tingkatan lantai untuk mengurangi perbedaaan pergeseran lantai dan dipasang dengan bracing pada struktur. Untuk friction damper, besarnya energi yang didissipasi bergantung pada deformasi dan gaya gesekan yang terjadi. besarnya gesekan antar pelat bergantung pada gaya tekan antar pelat, tidak bergantung pada simpangan, kecepatan maupun percepatan. jadi dalam pemodelannya berupa suatu gaya yang konstan bila gaya tekan antar pelat tetap.
Fd= N μfr (2.32)
Dimana :
Fd = Gaya damping dari damper N = gaya tekan antar pelat μfr = koefisien friksi antar pelat
Pemodelan Friction damper dalam bangunan derajat kebebasan 1 ( SDOF ) dengan input percepatan gempa , persamaan getarannya dapat ditulis :
mü + cú + ku – |Fd|= -müg (2.33) Dimana :
m = massa bangunan
c = konstanta damping bangunan k = kekakuan struktur
|Fd| = gaya gesekan damper ( gaya tersebut mempunyai nilai absolute karena tetap berlawanan arah dengan arah getaran)
ü = Percepatan massa ú= kecepatan massa
üg = percepatan gerakan tanah dasar.
Karena gaya gesekan selama getaran tidak bergantung pada simpangan, maka bentuk hysterestic loop akan berbentuk rigid bilinier (empat persegi panjang) , lihat Gambar 2.12.
Gambar 2.5. Hysterestic loop friction damper.
2.7.2 Viscous Damper
Viscous damper mendissipasi energi berdasarkan kecepatan gerak dari bagian damper, bentuk yang paling dasar adalah redaman cairan dalam dashpot yang digunakan pada peralatan mesin. Liquid Viscous Damper mendissipasi energi berdasarkan kecepatan gerak piston dan kekentalan cairan yang mengalir melalui lobang di piston, ada yang memakai silikon sebagai pengganti cairan. Dalam pemodelannya untuk analisa, bentuk umum dari gaya redaman atau damping dapat ditulis:
𝐹𝑑 = 𝑐𝑑 ú2 (2.30)
Dimana :
𝐹𝑑 = gaya damping.
𝑐𝑑 = kontanta damping dari damper
ú = kecepatan
Koefisien α mempengaruhi kelinieran dari damping, bila α = 1 gaya damping 𝐹𝑑
Bila suatu sistim SDOF dipasang damper jenis ini, persamaan getarannya untuk α = 1 adalah :
mü + (c + cd) ú + ku = - müg (3.31) dimana :
m = massa bangunan
c = konstanta damping struktur cu = konstanta damping dari damper k = kekakuan
u = simpangan massa
üg = percepatan gerakan tanah dasar.
Damping alat ini bekerja untuk semua simpangan baik sewaktu simpangan getaran kecil maupun besar, gaya damping paling besar terjadi pada saat simpangan sama dengan nol. hysteristic loop untuk linier vicous damping yang dibawah beban harmonis ( α =1) akan berbentuk ellips seperti yang ditunjukan gambar 2.11.
Gambar 2.7. Hysterestic loop linier viscous damper.
2.7.3 Visco-Elastic Damper
Visco-elastic damper memilki sifat damping yang bergantung pada kecepatan gerakan dan juga memiliki sifat kekakuan. bentuk yang paling banyak dijumpai adalah dua lapisan polymer yang dilekatkan pada tiga lapisan pelat baja, ada juga yang menggunakan bahan bitumen dan karet. Gaya damper dapat ditulis dengan persamaan :
Fd = Kd u + cd ú
Persamaan getaran untuk bangunan SDOF yang dipasang damper jenis ini adalah: mü + (c +cd) ú + (k + Kd) u = -müg (2.35) Dimana :
k = Kekakuan struktur Kd = Kekakuan damper
u = Simpangan / pergeseran damper cd = persen damping damper
c = Persen damping struktur ú = Kecepatan
Gambar 2.8 Visco-Elastic Damper
Gambar 2.10. Hyteristic loop Viscous-elastic damper
2.7.4 Metallic Yielding Damper
Perangkat ini didasarkan pada kemampuan baja ringan atau logam lainnya untuk mempertahankan beban siklik, dimana perilaku tersebut menghasilkan kurva histeresis yang stabil. Kurva tersebut menunjukkan kemampuan perangkat tersebut untuk meredam energi yang masuk kedalam struktur. Pelelehan bahan yield damper dapat berupa pelelehan oleh momen lentur, pelelehan oleh momen puntir, ataupun berupa tekuk dari batangan baja. Damper ini biasanya dipasang diantara tingkatan lantai untuk mengurangi perbedaaan pergeseran lantai ( storey
drift), umumnya dipasang bergabung dengan bracing. Hysterestic-yielding
damper, memiliki karateristik yang berbeda dengan jenis damper sebelumnya. Damper jenis ini mendissipasi energi dengan membentuk hysteristic loop dari perubahan kekakuan damper, yaitu dari keadaan elastic menjadi plastis (yielding). Pelelehan damper ada yang berupa pelelehan lentur , geser atau secara axial (tekuk). Bahan yang sering digunakan adalah baja lunak dan timah.
Peredam baja adalah salah satu mekanisme yang paling populer dan banyak peredam baja dengan skema yang berbeda telah diusulkan dan diaplikasikan. Gambar. 1 menunjukkan pilihan yang paling popular untuk saat ini.
Gambar 2.11 Tipe dari metallic dampers: (a) ADAS; (b) TADAS; (c) honeycomb damper; (d) slit damper; (e) shear
panel damper; (f) bucklingrestrained brace.
Sumber: Amadeo Benavent-Climent (2009)
Seperti yang kita kenal bentuk jam pasir ini disebut peredam ADAS dan variasi lainnya yang berbentuk segitiga disebut peredam TADAS, peredam ini digunakan untuk pelat logam dengan deformasi lentur seperti ditunjukkan pada Gambar 2.11 (a) dan (b) . Pada peredam honeycomb atau celah peredam, masing-masing ditunjukkan pada Gambar 2.11 (c) dan (d). Sebuah pelat baja dengan sejumlah bukaan dikenakan di perangkat deformasi geser maka energi akan hilang melalui lentur/geser dari pelat bukaan baja tersebut. Perangkat lain memanfaatkan disipasi energi melalui deformasi geser plastis panel logam dilas untuk penutupan rangka baja yang memberikan dukungan sepanjang batas seperti ditunjukkan pada Gambar 2.11 (e). Selain itu peredam logam yang juga banyak digunakan adalah baja yang sering disebut Buckling Brace Restrained ( BRB ). BRB dipasang
diagonal dalam kerangka struktural sebagai penahan konvensional atau penjepit – jenis peredam seismik, seperti ditunjukkan pada gambar 2.11 (f).
Dalam pembahasan ini peredam yang akan dibahas adalah hysteretic
damper. Contoh hysteretic damper seperti di jelaskan sebelumnya adalah: pelat
baja ditambahkan redaman dan kekakuan perangkat disebut sebagai ADAS
damper , variasi berbentuk segitiga perangkat ADAS ini disebut TADAS damper,
dan panel geser. Untuk meningkatkan disipasi energi dari hysteretic damper bahkan dalam getaran lebih kecil dan juga untuk memastikan perencanaan disipasi energi pada kekuatan yang ditentukan dalam desain , upaya yang dilakukan adalah dengan menggunakan bahan peredam yang berkualitas tinggi dan baja berkadar rendah
Untuk menjamin tidak terjadi keruntuhan sewaktu gempa besar, maka struktur harus cukup daktail, hal ini dapat dilakukan dengan pembentukan sendi plastis yang cukup daktail pada lokasi-lokasi tertentu, lokasi pembentukan sendi-sendi plastis biasanya dipilih pada tumpuan balok, bila pembentukan sendi-sendi plastis terjadi di kolom maka akan terjadi soft-story dengan daktilitas struktur yag kecil , perencanaan yang demikian dikenal dengan perencanaan kolom kuat dan balok lemah. Pembentukan sendi plastis pada struktur akan menimbulkan kerusakan-kerusakan, bila kerusakan masih dalam batas tertentu masih dapat diperbaiki, tapi teknik perbaikan biasanya cukup sulit, memerlukan waktu dan biaya yang cukup besar.
Dengan memilih pembentukan sendi plastis pada bagian struktur yang mudah diganti atau memakai struktur tambahan yang direncanakan untuk terjadi kerusakan bila terjadi gempa besar, maka pada struktur utama tidak akan terjadi
kerusakan. Konsep perencanaan yang demikian disebut dengan konsep structural fuse.
Untuk struktur yang dipasang metallic damper, damper direncanakan sebagi sumbu dari struktur, bila terjadi gempa besar damper akan rusak dengan deformasi plastis yang besar, struktur utama tetap elastis, walaupun keadaan struktur pasca gempa besar akan terjadi off-center atau sideway yang tetap karena deformasi plastis terjadi pada damper, dengan melepaskan damper yang rusak sewaktu penggantian damper baru, bangunan akan kembali kekeadaan awal.
2.7.4.1 ADAS (Added Damping And Stiffness)
ADAS sering disebut metallic yielding damper karena terdiri dari kumpulan pelat baja yang didesain untuk dipasang pada rangka bangunan.
Passived seismic devices bekerja setelah energi gempa masuk ke struktur,
pada umumnya reaksi seismic devices semakin besar bila respon struktur atau energi yang masuk semakin besar. Passived seismic devices sesuai yang bersifat mendissipasi energi disebut damper.
Damper merupakan alat tambahan yang dipasang distruktur untuk
menambah redaman (damping) dari suatu struktur. Dengan alat ini simpangan pada struktur akan berkurang, demikian juga gaya dalam struktur akibat beban lateral, struktur dapat direncanakan secara elastis akibat gempa besar dengan biaya yang cukup ekonomis.
Ada beberapa damper yang dipasang pada struktur, adalah sistem seismic
device yaitu dengan menggunakan alat yielding damper disebut juga hysterestic-yield damper yaitu bekerja dengan mendissipasi energi melalui pembentukan
sendi plastis atau pelelehan bahan damper. Yielding damper yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah damper pelat dengan kekakuan tri-linier, yaitu jenis damper dengan dissipasi energi melalui pelelehan lenturan pelat. Pelelehan bahan yielding damper dalam tugas akhir ini berupa pelelehan oleh gaya lentur. Bahan yang sering digunakan adalah baja lunak . Damper jenis ini merubah kekakuan dari keadaan elastis menjadikeadaan plastis (yielding). Pelelehan damper yang terjadi berupa pelelehan lentur.
Damper jenis ini memerlukan simpangan yang besar untuk meleleh, makin besar simpangan pasca pelelehan makin besar damping yang timbul. Persamaan getaran untuk bangunan SDOF untuk damper jenis ini adalah :
mü + cú + k(u) u = -m üg (3.1)
dimana :
m = massa bangunan
c = konstanta damping strukturk
(u) = kekakuan sebagai fungsi dari displacement
ü = percepatan massa ú = kecepatan massa u = simpangan massa
üg = percepatan gerakan tanah dasar.
Fungsi kekakuan k(u) merupakan kekakuan dari bangunan dan damper, biasanya disederhanakan dengan model bilinier.
Gambar 2.12. Hysterestic loop yield damper
Gambar 2.13 Metallic Damper
Gambar 2.15. Sambungan ADAS pada balok dan bracing
Beberapa keuntungan dari pendissipasian energi selama melelehnya ADAS, yaitu:
1. Pendisipasian energy gempa terkonsentrasi pada lokasi yang direncanakan.
2. Kebutuhan pendissipasian energy pada batang lain dapat direduksi dengan besar.
3. Karena perangkat ADAS ini merupakan perangkat struktur yang
berfungsi dalam menahan beban lateral saja, lelehnya elemen ini tidak akan berpengaruh kepada kapasitas layan beban gravitasi dari struktur. Perangkat ADAS dapat dengan mudah diganti setelah gempa jika dibutuhkan. ADAS telah diuji bahwa ADAS merupakan alat pendisipasi energi yang sangat baik, hal ini dapat dilihat dari kurva hysteresis yang stabil.
Bila gaya yang bekerja pada damper adalah gaya siklik atau gempa, hubungan gaya dan simpangan akan berbentuk loop jajaran genjang yang disebut juga dengan hysteristic loop. Luas hysteristic loop merupakan energi yang didissipasi oleh damper.
2.8 Aplikasi Yielding Damper Pada Bangunan
Aplikasi penggunaan alat yielding damper ini banyak digunakan pada negara–negara ataupun wilayah-wilayah yang sering terjadi gempa besar, seperti Taiwan dan Jepang. Dalam perencanaan bangunan, beban akibat gempa sangat diperhitungkan dalam analisanya sehingga walaupun bangunan tersebut terkena gempa tidak langsung rubuh melainkan timbul keretakan yang akan memperkecil korban jiwa.
Pada analisa beban gempa sangat tergantung kepada struktur dari bangunan tersebut dimana bentuk dari denah dan ketinggian bangunan tersebut adalah factor utama dalam memperhitungkan gaya akibat dan guncangan gempa tersebut. Oleh sebab itu, bila telah direncanakan bangunan dengan struktur pengaku masih tidak aman maka solusi yang dianjurkan adalah dengan yielding damper untuk mereduksi gaya gempa dan deformasi yang bias mengakibatkan kerusakan pada struktur yang menyebabkan bangunan rubuh. . Aplikasi yielding
damper ini termasuk mudah karena bila terjadi gempa besar maka yang akan
rusak terlebih dahulu adalah dampernya, dan kita hanya mengganti damper yang mengalami kerusakan tanpa mengganggu struktur lainya.
Untuk penggunaan damper dalam proses pemasangan, perbaikan, dan perbaikan cukup ekonomis dibandingkan dengan pada konsep secara tradisional. Hanya saja pada metallic damper ada beberapa kekurangan yaitu antara lain hanya berfungsi jika terjadi gempa besar, akan merubah tampak bangunan yang direncanakandan lainnya. Oleh sebab itu perlu pemakaian sistim ini harus tepat agar efisien dalam penggunaannya dalam struktur bangunan.
Seiring perkembangan jaman alat ini sudah banyak di pakai di Negara maju yang umumnya kekuatan gempanya yang sangat besar. Meskipun demikian alat ini umumnya jarang digunakan pada konstruksi bangunan, karena selain alat ini hanya akan efektif jika terjadi gempa yang besar dan alat ini dari segi keindahan maupun arsitektur akan berkurang karena akan ada struktur pengaku tempat meletakkan alat yielding damper ini. Di Taiwan alat ini digunakan di perpustakaan dari Universitas Feng-Chia, di tempat perbelanjaan Jung-He city, apartemen Taichung city, dan di beberapa bangunan lainnya..
Berikut adalah gambar dari beberapa contoh bangunan yang menggunakan alat yielding damper yaitu :
