ASPEK PENTING DAN PETUNJUK PRAKTIS DALAM
PERENCANAAN STRUKTUR GEDUNG DI DEKAT PUSAT GEMPA
Nathan Madutujuh1ABSTRAK
Negara Indonesia terletak di daerah yang memiliki potensi gempa besar, bahkan ada beberapa daerah yang terletak sangat dekat dengan pusat gempa besar atau patahan aktif, seperti Aceh, Jogja, Padang, dan sebagainya. Sampai dengan tahun 2010 ini telah terjadi berbagai kejadian gempa bumi dan tsunami yang memakan ribuan korban jiwa. Makalah ini membahas mengenai aspek penting dan petunjuk praktis dalam perencanaan struktur di daerah dekat pusat gempa, atau yang dikenal dengan daerah Zona 5 dan 6, karena dari pengamatan ke beberapa lokasi korban gempa, ada beberapa hal yang masih luput dalam pedoman gempa yang sekarang berlaku. Dalam bagian akhir makalah ini juga akan diberikan petunjuk praktis bagi praktisi dalam merencanakan gedung di daerah dekat pusat gempa, yang dapat digunakan sebagai pegangan sampai dikeluarkannya peraturan disain yang lebih lengkap.
KATA KUNCI : Disain Tahan Gempa, Daerah dekat Pusat Gempa, Epicenter, Zona 5 dan 6
ABSTRACT
Indonesia is located at a region that has high potential for large earthquake, even there are several areas that are located very near to epicenter or active fault, such as Aceh, Jogja, Padang, etc. Until 2010, there have been many earthquakes and tsunamis events, causing thousands of death. In this paper, several important aspects and practical guides for designing structures at location near epicenter will be discussed, because from several field observations, some important aspects are still not covered by the existing earthquake design code. A practical design guide for practice engineers for designing a building near epicentrum will be given at the end of this paper. This guide can be used until more complete design code has been released.
KEYWORD: Earthquake Resistant Design, Sites near Epicentrum, Zone 5 and 6
1Nathan Madutujuh, Director of PT AMCK Engineering Consultant, and Engineering Software
Research Center, Currently pursuing Doctoral Degree in Civil Engineering at Post-Graduate Department, Parahyangan Catholic University, Bandung, under guidance of Prof. Bambang
ASPEK PENTING DAN PETUNJUK PRAKTIS DALAM
PERENCANAAN STRUKTUR GEDUNG DI DEKAT PUSAT GEMPA
Nathan Madutujuh11 PENDAHULUAN
Dalam beberapa kejadian gempa bumi di kota besar di Indonesia, seperti di Aceh, Jogja dan Padang, telah dijumpai bahwa kerusakan bangunan dan besarnya korban jiwa yang terjadi tidak hanya disebabkan oleh rendahnya mutu material, kesalahan dalam disain dan kesalahan dalam konstruksi dan detail tulangan, melainkan juga oleh beberapa hal dibawah ini: Peta gempa yang perlu di update, Pengaruh gelombang S dan Gempa Vertikal, Arah memanjang bangunan, Kegagalan pondasi, Soil Liquefaction, differential settlement yang besar, Efek kolom pendek, Efek Kolom Langsing, Efek Torsi, dan Kurangnya Redundancy pada bangunan. Hal lain adalah tidak tersedianya jalur evakuasi yang aman secara struktur.
Untuk itu dalam tulisan ini akan dibahas: Apakah Design Code sudah memadai ?, Apakah Pemahaman dan Kemampuan Perencana sudah memadai ?, Bagaimana meminimalisasi Kegagalan Struktur ?, dan Bagaimana meminimalisasi Korban pada saat kegagalan struktur (Plan B) ?.
2 KONSEP DISAIN LIMIT STATE
Prinsip dasar yang melandasi semua peraturan bangunan adalah bagaimana mendapatkan disain gedung yang aman dan kalau pun terjadi keruntuhan harus dapat meminimalkan korban jiwa. Bukan gempa yang membunuh, atau pun gedungnya, tetapi gedung yang didisain dengan buruk. Walaupun gedung telah didisain dengan baik, keruntuhan gedung tetap perlu diantisipasi, khususnya untuk daerah dekat pusat gempa, karena kemungkinan selalu ada untuk ketidaktepatan data gempa yang digunakan, dan juga karena metode disain kapasitas yang ada hanya ditujukan untuk getaran pada arah horizontal saja.
Untuk mendapatkan disain yang aman, perlu ditinjau beberapa limit states yang akan menentukan keamanan suatu gedung. Limit State untuk gedung tahan gempa adalah sbb: Kekuatan Tanah -> Kekuatan Pondasi -> Kekuatan Sloof -> Kekuatan Struktur -> Kekuatan Struktur pada Jalur Evakuasi -> Kekuatan Struktur pada Emergency Shelter. Rekomendasi: Kenali titik lemah gedung, tingkatkan redundansi, hindari sistem/komponen tanpa redundansi (Kantilever, kolom langsing, Canopy), Perkuat struktur di jalur evakuasi dengan gempa elastik (Hindari dinding bata di area koridor, perkuat tulangan dan stek tangga, canopy, dsb)
3
MIKROZONASI PETA GEMPA
Untuk Kota Padang, telah diindikasikan kenaikan percepatan batuan dasar dari 0.25g (Zona 5) menjadi 0.4g (Lebih dari Zona 6 = 0.3g), dengan kenaikan 60%. Untuk itu diperlukan pemutahiran peta gempa Indonesia berdasarkan riwayat gempa terakhir dan dengan skala yang lebih halus (Mikrozonasi). Bila pada peta gempa yang baru akan diantisipasi gempa dengan periode ulang 2500 tahun, maka dapat dibayangkan berapa besar gempa yang harus diantisipasi sedangkan catatan riwayat gempa yang digunakan hanya sampai beberapa ratus tahun saja.
Rekomendasi: Gunakan Peta Gempa dengan update terbaru, atau Gunakan Peta Gempa lama dengan Zona yang lebih tinggi + Importancy Factor 1.4
4
PENGARUH GELOMBANG P YANG BESAR
Energi gempa akan merambat dalam gelombang P, S, Raleygh dan Love. Energi yang disalurkan oleh gelombang P ini (getaran horizontal push-pull) ini dominan untuk semua lokasi, sehingga kita dapat merasakan getaran pada arah horizontal, tapi pada daerah dekat pusat gempa, gelombang S juga akan memiliki pengaruh signifikan, dimana getaran vertikal dan differential settlement yang terjadi akibat perambatan gelombang S ini akan memiliki efek merusak yang besar. Gelombang P yang besar akan menyebabkan percepatan horizontal yang besar, kebutuhan untuk daktilitas struktur yang tinggi dan meningkatnya potensi Liquefaction pada tanah berpasir lepas.
Rekomendasi: Gunakan sistem struktur yang berpotensi daktail (Portal Daktail atau Dinding Geser), Gunakan prinsip disain kapasitas secara ketat, Gunakan nilai R yang lebih kecil dari maksimum (R=7 untuk SRPMK), Periksa potensi liquefaction bekerjasama dengan Ahli Geoteknik yang kompeten, Arah lemah kolom jangan berada pada arah gempa.
5
PENGARUH GELOMBANG S YANG BESAR
Gelombang S ini dapat terlihat pada saat gempa terjadi, sebagai pergerakan tanah naik-turun. Pengaruh gelombang S dan gempa vertikal ini akan menyebabkan dua hal: Penambahan beban vertikal, Differential Settlement yang besar.
Gambar 1: Gelombang P dan S
Rekomendasi: Hindari penggunaan balok prategang, Gunakan Rasio panjang:lebar = 1:4, Gunakan Sloof yang sanggup memikul differential settlement >= 50-100mm, letakkan arah panjang bangunan pada arah tegak lurus gempa (arah pendek searah gempa). Untuk daerah sangat dekat dengan episenter, bangunan dibatasi tidak boleh memanjang, tetapi berbentuk kotak atau bulat, karena arah gempa tidak dapat ditentukan dengan pasti.
6
ARAH MEMANJANG BANGUNAN (DIRECTIVITY)
Dari penelitian yang dilakukan oleh Rahardjo (2010) di Kota Padang setelah gempa September 2009, didapati fenomena yang menarik, yaitu ada beberapa bangunan yang identik dan berumur sama, namun yang satu memanjang pada arah gempa, dan yang lain arah memanjangnya tegak lurus gempa, dijumpai bahwa bangunan yang arah memanjangnya sejajar arah gempa mengalami keruntuhan, sedangkan bangunan yang terletak pada arah tegak lurus tetap utuh. Bahkan ada beberapa gedung yang berbentuk L, mengalami keruntuhan pada bagian sayap yang sejajar arah gempa (Barat-Timur). Salah-satu penyebab dari fenomena ini adalah karena gelombang S merambat pada arah gempa dan bila arah memanjang bangunan sejajar dengan gelombang S ini maka, gelombang vertikal ini akan menyebabkan differential settlement yang besar dan berulang-ulang pada bangunan, yang mengakibatkan patahnya balok dan sloof karena momen yang berubah tanda, dan menyebabkan keruntuhan. Bila arah pendek bangunan yang mengalaminya, efeknya akan jauh berkurang.
Rekomendasi: Letakkan arah memanjang bangunan tegak lurus arah gempa, atau gunakan denah kotak / bulat saja, Gunakan Rasio panjang:lebar = 1:4, Gunakan Sloof yang sanggup memikul differential settlement >= 50-100mm.
7
AKSELERASI VERTIKAL GEMPA
Akselerasi vertikal gempa pada daerah dekat pusat gempa cukup signifikan dan perlu diperhitungkan dalam disain. Sayangnya data dan ketepatan pengukuran akselerasi vertikal ini sangat minim, karena hanya dapat diukur langsung pada lokasi kejadian gempa saja. Besar akselerasi vertikal ini adalah av = 0.3g – 1.0g, dimana untuk Zona 6, SNI-1726-2003 memberikan av,max = 0.304 (Zone 6, I=1.0).
Akselerasi vertikal yang besar akan menyebabkan balok retak pada daerah tulangan sekunder, dan efeknya akan lebih signifikan pada balok prategang karena balok prategang hanya dioptimasi untuk beban vertikal ke arah bawah saja.
Rekomendasi: Hindari penggunaan balok prategang atau gunakan tulangan tambahan untuk akselerasi vertikal, Perhitungkan akselerasi vertikal dalam kombinasi beban, minimal akselerasi vertikal yang digunakan = 0.5g (Faktor beban vertikal = 1.5)
1.2 DL + 1.6 LL (1)
8
POTENSI LIQUEFACTION
Pada tanah dengan lapisan pasir halus dan tekanan air pori tinggi (tipikal tanah daerah pantai), gelombang P yang besar akan menyebabkan percepatan horizontal yang besar yang meningkatkan tekanan air pori yang menyebabkan lapisan pasir secara tiba-tiba kehilangan daya dukungnya sama sekali, bahkan dapat memancar keluar dari dalam tanah. Karena hal ini dapat terjadi tidak merata pada area gedung, maka gedung dapat mengalami diffrerential settlement yang sangat besar secara tiba-tiba (mencapai 20-100cm), yang akan menyebabkan keruntuhan. Pedoman geoteknik untuk meninjau bahaya Liquefaction ini dapat dilihat pada tulisan Rahardjo (2010). Pada Gempa Padang 2009, banyak bangunan yang menggunakan pondasi sumuran dangkal mengalami keruntuhan atau kerusakan hebat yang diakibatkan oleh efek liquefaction ini, sedangkan kedalaman aktual bedrock adalah 25-40m. Catatan: Efek Liquefaction ini tidak dapat dilawan tapi harus dihindari dengan sistem pondasi yang tepat.
Rekomendasi: Harus meninjau potensi liquefaction, Gunakan pondasi tiang menembus lapisan liquefaction atau pondasi raft, atau Pile-raft, Gunakan pelat dasar beton bertulang minimal 30cm dengan tulangan minimal D13-150 sebagai cadangan kekuatan (Redundancy) terhadap liquefaction.
9
DISAIN PONDASI TAHAN GEMPA
Pondasi yang digunakan harus memiliki kekuatan dan redundansi yang cukup dan dapat mengurangi bahaya liquefaction. Jenis pondasi yang dapat dipilih adalah : Pondasi Tiang Pancang, Pondasi Pile-Raft, Pondasi Raft + Grouting dimana pondasi harus didisain terhadap kombinasi gaya sbb:
DL + LLrt <= P (3)
DL + LLrf + EQx +/- 0.3 Eqz <= 1.3 P (4)
DL + LLrf + Ω (EQx +/- 0.3 Eqz) <= 2.5 P (5) Dimana : P = daya dukung ijin tiang, LLrt adalah Live Load dengan reduksi
tingkat, dan LLrf adalah Live Load dengan reduksi terhadap gempa Untuk meningkatkan redundansi, hindari penggunaan tiang tunggal, dan gunakan jarak antar tiang minimal 3D. Untuk tanah lunak, digunakan grouting semen pada sekeliling tiang, dan urugan sirtu yang dipadatkan setebal 2m pada lapisan tanah teratas. Lantai dasar harus menggunakan pelat beton setebal minimal 30cm sebagai cadangan kekuatan.
10
SISTEM STRUKTUR YANG DAKTAIL
Untuk daerah dekat pusat gempa, penggunaan sistem struktur yang daktail dan memiliki redundansi tinggi adalah suatu keharusan. Empat hal yang harus dihindari adalah: Denah yang kurang baik, Efek Torsi, Efek Soft-Story, dan Efek Balok Transfer dan Kolom Pendek. Efek torsi dapat dihindari dengan menggunakan denah yang simetris dan tidak memiliki tonjolan yang panjang.
Gambar 2. Efek Soft-Story (Earthquake Tips, 2010)
Efek Soft-Story ini dapat terlihat jelas atau tersembunyi dalam bangunan, seperti gambar b dan c diatas. Pada gambar 2d terlihat potensi kerusakan pada kolom gantung dan balok transfer.
Rekomendasi: Hindari gedung yang terletak diatas lereng karena gedung demikian akan mengalami efek soft-story, efek kolom-pendek, dan efek torsi sekaligus. Tanah di lereng juga dapat mengalami liquefaction pada arah horizontal yang akan menyebabkan keruntuhan lereng.
Gambar 3. Efek Soft-Story dan Kolom Pendek (Earthquake Tips, 2010)
Pada kejadian Gempa Padang, dijumpai banyak sekali Ruko yang mengalami kerusakan pada area pintu depan. Hal ini disebakan efek soft-story dan efek kolom-pendek, dimana
kolom sisi kiri ke sisi kanan ruko (Gambar 3b). Balok melintang ini akan menyebabkan efek kolom pendek (Short-Column Effects), dimana seharusnya penulangannya adalah menggunakan sengkang rapat sepanjang kolom pendek, sbb:
Gambar 4. Penulangan untuk Efek Kolom-Pendek (Earthquake Tips, 2010)
11
SISTEM STRUKTUR DENGAN REDUNDANSI TINGGI
Karena ada begitu banyak faktor yang belum dapat ditentukan dengan akurat, menggunakan sistem struktur dengan redundansi tinggi sangatlah dianjurkan untuk menghindari korban jiwa yang besar pada saat kegagalan struktur. Hindari penggunaan kantilever panjang, bangunan gantung, balok transfer, kolom langsing, flat-slab, yang berpotensi menghasilkan keruntuhan tiba-tiba.
Detail tulangan untuk disain kapasitas mutlak harus digunakan (Imran, 2010). Tulangan joint dan tulangan menerus minimal 2 batang diatas dan bawah balok (dengan diameter yang sama dengan tulangan utama) harus dipasang baik pada balok maupun pelat lantai.
Mutu bahan beton digunakan minimal K-300 dan mutu baja minimal U-39 (Ulir) dengan Fu/Fy > 1.25 dan 1.0 < Fy,actual/ Fy < 1.30.
Reduksi beban hidup yang digunakan adalah maksimal 0.50 (50%) saja, atau dianjurkan menggunakan 100% beban hidup pada saat gempa.
Untuk bangunan sekolah, rumah ibadah, pemadam kebakaran, power house, gardu, rumah sakit, kampus, hotel, apartment, rusunami, asrama, kantor pemda, chemical plant, dan bangunan dengan minimal penghuni 300 orang, minimal digunakan Importancy Factor 1.40.
Kekakuan struktur ditingkatkan dan dibatasi secara lebih konservatif. Analisis dinamik dibatasi dengan nilai-nilai dan batasan sbb:
1. Time Periode To dibatasi <= 0.10 - 0.12 NF dimana NF = Jumlah lantai 2. Mode 1 dan 2 harus berupa translasi
3. Drift bangunan harus dibatasi < Drift maksimum 4. Koreksi Eksentrisitas harus diterapkan
5. Persyaratan Base shear dinamik Vd >= 0.8 Base shear statik harus dipenuhi 6. Effective Mass Participation >= 90%
12 JALUR EVAKUASI DAN EMERGENCY SHELTER
Untuk mengurangi korban jiwa secara total, limit state yang terakhir, yaitu jalur evakuasi dan tempat penampungan korban harus direncanakan untuk memiliki kekuatan yang lebih dari bagian struktur yang lain.
Struktur tangga yang biasanya didisain secara biasa saja, sekarang perlu ditinjau terhadap gempa yang lebih besar (gempa elastik), khususnya daerah sambungan, agar kejadian di Padang, dimana banyak tangga yang terlepas pada saat penghuni hendak keluar gedung, tidak terjadi lagi.
Sepanjang jalur evakuasi, dinding tembok didisain untuk menggunakan bahan yang ringan, atau diikat dengan baik agar tidak melukai penghuni yang sedang melarikan diri. Khusus untuk gedung yang menjadi tujuan berkumpul (meeting point) dan mengungsi, seperti rumah ibadah, sekolah, rumah sakit, harus didisain dengan Importancy Factor dan redundansi yang lebih tinggi.
Rekomendasi: Gunakan dinding hebel/dry-wall, Disain tangga dengan gempa elastik, Gunakan diameter tulangan utama tangga >= D16, stek tulangan tangga yang lebih panjang (60 Db), Gunakan Importancy Factor >= 1.4 untuk rumah ibadah, sekolah, rumah sakit, dan posko Bencana. Gunakan R=7.0, Naikkan tulangan lapangan 20%, Hindari pengurangan tulangan tumpuan akibat redistribusi momen.
13 SUMMARY
Dari pembahasan diatas dapat diberikan ringkasan sebagai petunjuk praktis untuk digunakan pada perencanaan gedung tahan gempa di daerah dekat pusat gempa (Zona 5/6) sbb :
1. Gunakan sistem struktur daktail dan denah simetris 2. Arah memanjang gedung tegak lurus arah gempa 3. Gunakan tinggi tingkat seminimal mungkin
4. Gunakan Mutu beton K-300, Baja Ulir U-39 5. Gunakan Tanah Lunak (Soft soil)
6. Gunakan Zona 6 dengan Percepatan bedrock ah = 0.4g 7. Gunakan Zona 6 dengan Percepatan vertikal av = 0.5g
9. Gunakan Faktor Keutamaan, I = 1.4-1.6
10. Gunakan Perioda Dasar, To <= 0.10 - 0.12 NF
11. Check terhadap liquefaction menggunakan data borlog dan sondir CPTu 12. Sistem Pondasi Tiang menembus lapisan liquefaction
13. Gunakan pelat lantai dasar beton t=30cm, tulangan minimal D13-150 // 14. Tanah lunak sekeliling tiang digrouting dengan air semen sedalam 10m dan dan sirtu 2m
15. Sloof didisain dapat menahan differential settlement >= L/100 16. Gunakan tulangan joint dan tulangan penuh pada kolom pendek 17. Tulangan lapangan ditambah 20%, tulangan tumpuan tetap
18. Hindari penggunaan balok/pelat prategang tanpa tulangan penguat 19. Hindari penggunaan kolom pipih
20. Gunakan standard detail kapasitas untuk beton bertulang 21. Gunakan shearwall daktail bilamana mungkin
22. Hindari penggunaan patokan Rasio beton dan Rasio tulangan
Rekomendasi untuk Pemda Kota di daerah yang dekat Pusat Gempa:
1. Pencatatan gempa horizontal dan vertikal yang lebih akurat perlu disediakan 2. Model gedung dengan To = 0.1 detik dan 1.0 detik yang dilengkapi dengan instrumentasi perlu dibuat untuk memvalidasi teori yang ada
3. Peta Mikrozonasi gempa perlu dibuat dengan teliti
4. Peta Potensi Liquefaction perlu dibuat dengan teliti disertai peta rekomendasi jenis pondasi
5. Beberapa gedung tinggi perlu dilengkapi instrumentasi untuk mendapatkan perilaku aktual, validasi teori dan data yang digunakan dalam disain.
6. Untuk non-engineered building, perlu disediakan standard design untuk rumah T.21, T.36, T.72, T.108 yang dapat diakses oleh semua pihak
7. Menyediakan Check-List sesuai rekomendasi diatas untuk memeriksa disain dari engineered building
14 PENUTUP
Demikian pembahasan mengenai petunjuk praktis untuk perencanaan gedung tahan gempa di daerah dekat pusat gempa ini, semoga tulisan ini dapat digunakan sebagai pedoman dan rekomendasi dalam merencanakan gedung yang aman terhadap gempa di daerah tersebut sampai dikeluarkan petunjuk yang lebih lengkap dan akurat dari badan yang lebih berwenang berdasarkan data yang lebih mutahir dan akurat.
15 DAFTAR PUSTAKA
FEMA 99, Non-technical explanation of NEHRP Recommendation, 1999 IIT/BMTPC, Earthquake Tips, 2010
Rahardjo, P. P, Potensi Liquefaction Kota Padang, Seminar Gempa ITP, Padang, 2010. Imran, Iswandi, Disain Konstruksi Beton Tahan Gempa, Seminar Gempa ITP, Padang, 2010
