i
ANALISIS DINAMIK RIWAYAT WAKTU NONLINIER
SKEW BRIDGE
SKEW BRIDGE NONLINEAR TIME HISTORY DYNAMIC ANALYSIS
SKRIPSI
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Pada Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik
Universitas Sebelas Maret Surakarta
Disusun oleh:
ZAINAL ABIDIN
I0113139
PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
iv
MOTTO
“Dan Aku tidak menciptakan jin dan manusia melainkan supaya mereka beribadah kepadaKu”
(QS. Adz Dzariyat: 56)
“Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.”
(QS. Al-Insyiroh: 5-6)
When Allah loves a servant, He tests him
Trust Allah but tie your camel
Bekerjalah sebagaimana kamu akan hidup selamanya, beribadahlah sebagaimana kamu akan mati esok
Tidak peduli betapa miskin seseorang, apabila ia memiliki keluarga, maka ia kaya
v
PERSEMBAHAN
Tugas skripsi sebagai tugas akhir program studi Teknik Sipil saya ini telah saya persembahkan secara khusus untuk :
Allah SWT
Alhamdulillah, puji syukur kehadirat Allah SWT, yang telah membimbing saya dalam menjalani hidup dan mengerjakan skripsi ini sampai selesai.
Nabi Muhammad SAW
Shalawat serta salam selalu tercurah kepada Beliau suri teladan umat manusia dan keluarga beserta anak cucu Beliau.
Saya Sendiri
Skripsi ini sebagai hasil atau hadiah dari jerih payah yang saya kerahkan dalam proses penyelesaian studi saya. Semoga hasil dan proses pekerjaan skripsi ini dapat memberikan manfaat yang besar bagi saya.
Kedua Orang Tua
Terima kasih atas segala hal yang Ibu dan Ayah berikan untuk anak mu dalam menjalani hidup ini. Mungkin tidak ada hal di dunia ini bahkan skripsi yang cukup untuk membalas kebaikan Ibu dan Ayah untuk ku, semoga semua nya dapat terbalas dengan sebaik-baik balasan dari Allah SWT.
Keluarga Besar
Terima kasih atas segala kepedulian yang keluarga saya saat ini telah berikan selama ini. Kupersembahkan skripsi ini untuk kalian yang selalu hadir di setiap kesempatan. Semoga skripsi dan proses pembelajaran saya dapat memberikan manfaat yang berarti bagi kalian semua.
Keluarga Program Studi Teknik Sipil UNS
vi
ABSTRAK
Abidin, Zainal, 2018. Analisis Dinamik Riwayat Waktu Nonlinier Skew Bridge.
Skripsi. Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Skew bridge sering diterapkan dalam perencanaan jembatan karena adanya kendala seperti terbatasnya ruang atau kondisi rintangan. Para insinyur sering mendesain skew bridge di kota-kota besar karena kondisi ruangnya yang terbatas akibat tingkat kepadatan penduduk yang tinggi. Skew bridge juga harus memiliki ketahanan yang baik terhadap gempa. Banyak peneliti menyimpulkan bahwa saat terjadi gempa besar, sebagian material struktur telah mengalami deformasi plastis sehingga menyebabkan struktur berperilaku nonlinier, dengan begitu analisis dinamik nonlinier dilakukan pada penelitian ini.
Metode penelitian diawali dengan membuat pemodelan 3 dimensi struktur jembatan skew bridge yang mengacu pada 2 bentang utama jembatan jalan tol Solo Kertosono sta 108+666 di kota Madiun. Langkah selanjutnya yaitu menganalisis pembebanan yang terdiri dari beban statis dan beban dinamis. Beban dinamis menggunakan beban gempa yang dianalisis dengan metode riwayat waktu berdasarkan 3 rekaman gempa yaitu gempa Park Field (USA, 1966), San Fernando (USA, 1971), dan Kobe (Jepang, 1995). Salah satu hasil analisis pada penelitian ini berupa respon histeretik pada pilar jembatan. Respon histeretik digunakan untuk menganalisis respon nonlinier dengan menghitung nilai kekakuan dan menganalisis kondisi struktur pilar pada setiap siklus beban gempa. Beban gempa diperbesar 2 kali untuk membantu perhitungan analisis respon nonlinier.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa semua rekaman gempa menghasilkan respon displacement dengan drift ratio kurang dari 0,5%. Hasil analisis nonlinier menunjukkan bahwa respon struktur pada siklus ke-2 sampai akhir pembebanan sudah bersifat nonlinier. Penyebab utama terjadinya nonlinieritas respon struktur jembatan diakibatkan terjadinya cracking pada material beton.
vii
ABSTRACT
Abidin, Zainal, 2018. Skew Bridge Nonlinear Time History Dynamic Analysis.
Bachelor Thesis. Civil Engineering Department, Engineering Faculty, Sebelas
Maret University.
Skew bridges are often applied in bridge planning due to constraints such as limited space or obstacle conditions. Engineers often design skew bridges in big cities because of their limited space conditions due to high population density. Skew bridges should also have good resistance to earthquakes. Many researchers conclude that when a large earthquake occurs, some structural material has undergone plastic deformation which causing the structure to behave nonlinearly, thus a nonlinear dynamic analysis is performed in this study.
The research method begins by making 3 dimensional modeling of skew bridge bridge structure which refers to 2 main spans of Solo Kertosono sta 108 + 666 toll road in Madiun city. The next step is to analyze the load consisting of static load and dynamic load. Dynamic loads using earthquake loads were analyzed by historical timing method based on 3 earthquake records like Park Field (USA, 1966), San Fernando (USA, 1971), and Kobe (Japan, 1995). One of the analysis results is hysteretic response of bridge pillar. Hysteretic response is used to analyze the nonlinear response by calculating the stiffness value and analyzing the condition of the pillar structure at each earthquake load cycle. Earthquake load enlarged 2 times to help calculation of nonlinear response analysis.
The results showed that all earthquake recordings produced displacement responses with a drift ratio less than 0.5%. The result of nonlinear analysis shows that the structure response on the 2nd cycle until the end of loading is nonlinear. The main cause of nonlinearity of bridge structure response is caused by cracking of concrete material.
viii
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan tugas akhir dengan judul “Analisis Dinamik Riwayat Waktu Nonlinier Skew Bridge”. Penyusunan tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana pada Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa tanpa bantuan dari berbagai pihak penulis sulit mewujudkan tugas akhir ini. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua dan keluarga, yang selalu mendukung dan mendoakan penulis.
2. Dr. Senot Sangadji, S.T, M.T, selaku Dosen Pembimbing I tugas akhir. 3. Ir. Agus Supriyadi, M.T, selaku Dosen Pembimbing II tugas akhir. 4. Ir. Slamet Prayitno, M.T, selaku Dosen Pembimbing Akademis. 5. Segenap pengurus Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik UNS.
6. Teman – teman Program Studi Teknik Sipil UNS, khususnya angkatan 2013. 7. Semua pihak yang membantu dalam penulisan skripsi ini yang tidak mungkin
saya sebutkan satu-persatu.
ix
x
2.3.1 Beban Mati ... 10
2.3.2 Beban Berjalan ... 11
2.3.3 Beban Gempa ... 14
2.4 Konsep Perencanaan Struktur Tahan Gempa ... 16
2.4.1 Wilayah Gempa Indonesia ... 16
2.4.2 Klasifikasi Situs ... 17
2.4.3 Koefisien Situs ... 17
2.4.4 Parameter Percepatan Spektral Desain ... 18
2.4.5 Arah Pembebanan Gempa ... 18
3.3.2 Pemodelan Bagian Struktur Jembatan ... 33
xi
3.6.2 Analisis Respon Histeretik ... 40
3.7 Diagram Alir Penelitian ... 41
BAB 4 ANALISIS DAN PEMBAHASAN ... 43
4.1 Pemodelan Struktur Jembatan ... 43
4.2 Perhitungan Pembebanan ... 43
4.2.1 Beban Mati ... 43
4.2.2 Beban Berjalan ... 45
4.3 Analisis Dinamik Gempa ... 46
4.3.1 Analisis Respon Spektra ... 46
4.3.2 Analisis Riwayat Waktu ... 53
4.4 Analisis Respon Nonlinier Struktur ... 67
4.4.1 Analisis Respon Struktur Jembatan ... 67
4.4.2 Analisis Respon Histeretik Pilar Jembatan ... 70
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 81
5.1 Kesimpulan ... 81
5.2 Saran ... 82
DAFTAR PUSTAKA ... 83
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Jumlah Lajur Lalu Lintas ... 11
Tabel 3.1 Data Struktur Jembatan ... 31
Tabel 3.2 Daftar Rekaman Gempa yang Digunakan ... 31
Tabel 4.1 Koefisien Situs Fa (SNI 1726:2012) ... 49
Tabel 4.2 Koefisien Situs Fv (SNI 1726:2012) ... 49
Tabel 4.3 Respons Spektra Kota Madiun Tanah Lunak (SE) ... 52
Tabel 4.4 Data Rekaman Gempa yang Digunakan ... 55
Tabel 4.5 Rentang Periode Proses Matching Rekaman Gempa ... 60
Tabel 4.6 Hasil Analisis Nilai Scale Factor (SF) Proses Matching ... 60
Tabel 4.7 Perbandingan Nilai Maksimum Respon Struktur Arah Longitudinal ... 69
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perbedaan Jembatan Normal dan Skew Bridge ... 8
Gambar 2.2 Detail Ilustrasi Skew Bridge ... 9
Gambar 2.3 Pembebanan pada Arah Melintang ... 12
Gambar 2.4 Ilustrasi Beban D (BTR dan BGT) ... 12
Gambar 2.10 Sifat Elastisitas Material Beton ... 25
Gambar 2.11 Sifat Elastisitas Material Baja ... 26
Gambar 2.12 Respon Nonlinier Histeretik Struktur ... 27
Gambar 2.13 Kekakuan pada Siklus Kurva Respon Histeresik ... 28
Gambar 2.14 Degradasi Kekakuan pada Kurva Respon Histeresik ... 29
Gambar 3.1 Pemodelan Jembatan Penelitian ... 32
Gambar 3.2 Pemodelan Bagian Struktur Jembatan ... 33
Gambar 3.3 Penggambaran Desain Respon Spektra ... 37
Gambar 3.4 Titik Tinjauan Analisis Respon Struktur ... 39
Gambar 3.5 Pilar Tinjauan Analisis Respon Histeretik ... 39
Gambar 3.6 Kurva Respon Histeretik Penelitian ... 40
Gambar 3.7 Diagram Alir Penelitian ... 41
Gambar 4.1 Peta Percepatan Puncak (PGA) Periode 0,2 Detik (Ss) ... 46
Gambar 4.2 Percepatan Puncak (PGA) Periode 0,2 Detik (Ss) Kota Madiun .... 47
Gambar 4.3 Peta Percepatan Puncak (PGA) Periode 1,0 Detik (S1) ... 47
Gambar 4.4 Percepatan Puncak (PGA) Periode 1,0 Detik (S1) Kota Madiun .... 48
Gambar 4.5 Kurva Respons Spektra Kota Madiun Tanah Lunak ... 53
Gambar 4.6 Modus Getar Alami Struktur Arah Longitudinal (Sumbu x) ... 54
Gambar 4.7 Modus Getar Alami Struktur Arah Transversal (Sumbu y) ... 54
Gambar 4.8 Rekaman Gempa Park Field Arah Longitudinal ... 56
xiv
Gambar 4.10 Proses Awal Penggunaan Program Seismosignal ... 57
Gambar 4.11 Hasil Penggunaan Program Sesmosignal ... 58
Gambar 4.12 Kurva Spektrum Asli Rekaman Gempa Park Field ... 59
Gambar 4.13 Proses Awal Penggunaan Program Seismomatch ... 61
Gambar 4.14 Proses Input Respons Spektra Target pada Seismomatch ... 62
Gambar 4.15 Proses Matching Data Gempa pada Seismomatch ... 63
Gambar 4.16 Respons Spektra Gempa Hasil Matching pada Seismomatch ... 64
Gambar 4.17 Hasil Matching Akselerogram Gempa Park Field Sumbu x ... 65
Gambar 4.18 Hasil Matching Akselerogram Gempa Park Field Sumbu y ... 65
Gambar 4.19 Data Spektrum Gempa Sebelum Proses Matching ... 66
Gambar 4.20 Data Spektrum Gempa Sesudah Proses Matching ... 66
Gambar 4.21 Respon Displacement Gempa Park Field ... 68
Gambar 4.22 Respon Velocity Gempa Park Field ... 68
Gambar 4.23 Respon Acceleration Gempa Park Field ... 68
Gambar 4.24 Respon Histeretik Gempa Park Field ... 71
Gambar 4.25 Respon Histeretik Gempa San Fernando ... 71
Gambar 4.26 Respon Histeretik Gempa Kobe ... 72
Gambar 4.27 Siklus ke-1 Kurva Respon Histeretik Gempa Park Field ... 73
Gambar 4.28 Siklus ke-2 Kurva Respon Histeretik Gempa Park Field ... 74
Gambar 4.29 Siklus ke-3 Kurva Respon Histeretik Gempa Park Field ... 75
Gambar 4.30 Kondisi Material Pilar Jembatan pada (a) Siklus ke-1, (b) Siklus ke-2, dan (c) Siklus ke-3 Gempa Park Field ... 76
Gambar 4.31 Perbandingan Kekakuan Rekaman Gempa dengan Skala Asli ... 78
xv
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A Data dan Spesifikasi Struktur Jembatan
LAMPIRAN B Data dan Hasil Analisis Dinamik Riwayat Waktu
LAMPIRAN C Hasil Analisis Respon Struktur
LAMPIRAN D Hasil Analisis Respon Histeretik Pilar
xvi
DAFTAR NOTASI
Ā = Spectral acceleration respon spektra target
A = Spectral acceleration respon spektra yang akan di skala aλ = Rekaman gempa yang sudah terskala
a1 = Percepatan rekaman gerakan tanah
E = Modulus elastisitas f’c = Nilai kuat tekan beton fy = Nilai tegangan leleh baja fu = Nilai tegangan tarik ultimit baja
Fa = Faktor amplifikasi getaran tanah terkait percepatan getaran tanah pada
M = Rata-rata dari kapasitas percepatan spektra struktur yang ditinjau MCER = Gempa tertimbang maksimum
n1 = Jumlah lajur lalu lintas rencana
n = Jumlah data
p = Intensitas beban garis (BGT)
PGA = Percepatan muka tanah MCER terpeta
R = Koefisien modifikasi respons q = Intensitas beban terbagi rata (BTR) SF = Faktor skala
Ss = Parameter nilai respons spektra percepatan gempa mcer terpetakan pada
periode 0,2 detik
S1 = Parameter nilai respons spektra percepatan gempa mcer terpetakan pada
periode 1 detik
xvii
SM1 = Parameter spektrum respons percepatan pada periode 1 detik
Sa = Percepatan total maksimum Sd = Simpangan relatif maksimum Sv = Kecepatan relatif maksimum T = Periode getar alami struktur
