Educational Building Volume 1 No. 1: .... – ..... ANALISA DIMENSI DAN LUAS TULANGAN KOLOM GEDUNG YANG MENGALAMI BEBAN GEMPA EL-CENTRO DAN UBC94S2 Sutrisno *) Abstrak Gempa merupakan salah satu fenomena alam yang belakangan ini sering terjadi dan memberikan dampak yang besar terhadap struktur bangunan gedung. Gedung yang semula kokoh tiba-tiba runtuh. Keruntuhan struktur bangunan gedung umumnya disebabkan oleh hancurnya komponen utama yang terdapat didalam struktur tersebut yaitu kolom. Respon gempa El-Centro dan UBC 94S2 adalah merupakan respon gempa yang saat ini digunakan sebagai acuan perancangan bangunan gedung tahan gempa. Melalui tulisan ini akan diperlihatkan sejauh mana perbedaan dimensi dan luas tulangan pada kolom akibat kedua respon tersebut. Setelah dianalisa dan dihitung dengan alat bantu software 2000 diperoleh bahwa analisa dengan respon gempa UBC 94S2 memberikan luas tulangan lebih besar dibandingkan dengan analisa respon gempa El-Centro. Kata kunci : kolom, El-Centro, UBC 94S2 Pendahuluan Gempa merupakan fenomena alam yang terjadi dan tidak dapat dielakan dari kehidupan manusia. Gempa bumi adalah getaran atau gegaran pergerakan permukaan bumi. Permukaan bumi senantiasa bergerak dalam pergerakan tektonik, dan gempa bumi terjadi disebabkan tekanan melebihi kemampuan bumi meredamnya. Salah satu kaitan gempa bumi didalam teknik sipil adalah dampak dari getaran gempa tersebut terhadap bangunan di permukaan bumi. Sesuai dengan getaran yang dihasilkan gempa dan mutu serta kualitas mendesain sebuah bangunan akan berdampak terhadap bangunan itu sendiri. Di dalam perencanaan struktur beton bertulang khususnya gedung, analisa beban yang diberikan selain beban sendiri bangunan, beban hidup, serta beban angin, beban gempa juga harus diperhitungkan, berkaitan dengan wilayah Indonesia yang terletak pada jalur wilayah gempa. Perencanaan yang melibatkan beban gempa adalah bertujuan agar bangunan yang didesain tahan terhadap gempa. Gempa El-Centro yang terjadi di California Amerika Serikat pada tahun 1979 merupakan salah satu gempa terdahsyat yang pernah terjadi di bumi ini dimana sekitar 80 % bangunan yang ada dikota California bagian utara di jalan Imperial mengalami kerusakan yang sangat parah. Disepanjang jalan Brawley sebagai pusat bisnis kota, seluruh struktur bangunan mengalami kerusakan yang parah. Dampak getaran yang terjadi dirasakan sampai sekitar 40 mil disepanjang jalan Imperial. Kerugian yang diperkirakan pada saat itu adalah sekitar $US 6 juta. Gempa El Centro menjadi pedoman pertama dalam perancangan bangunan tahan gempa. Nilai magnitude gempa El Centro adalah 7.1. UBC ( Uniform Building Code ) adalah salah satu pedoman perancangan bangunan gedung tahan gempa dimana pedoman ini dibuat berdasarkan observasi kelakuan struktur terhadap gempa Northridge di California pada tahun 1994 dan gempa Hyogoken-Nanbu di Kobe, Jepang pada tahun 1995. Kedua gempa ini memberikan efek yang sangat signifikan terhadap perancangan dan pendetailan sebuah struktur, terutama perancangan struktur di daerah beresiko gempa yang tinggi. Peraturan UBC telah dibuat pada tahun 1994, dan direvisi ulang pada tahun 1997 setelah gempa dahsyat terjadi di kota Kobe, Jepang. Peraturan UBC juga merupakan peraturan yang dibuat berdasarkan peraturan ACI 318-95. Perancangan gaya geser dasar minimum pada daerah Zone 4 menurut UBC juga dibuat berdasarkan hasil penelitian dan observasi gerakan tanah pada daerah sekitar pada saat terjadi gempa Northridge pada tahun 1994. Peraturan UBC 94S2 merupakan peraturan yang selalu dipakai di dalam perencanaan sebuah struktur tahan gempa dengan menggunakan respon spektrum yang telah di observasi
Educational Building Volume 1 No. 1: .... – ..... dan diakui secara luas. Sementara gempa El-Centro yang memberikan respon spektrum efek yang sangat signifikan uga sangat berpengaruh besar terhadap struktur, sehingga didalam perencanaan sebuah struktur dengan metode analisa dinamis kita dapat mengetahui sebuah struktur yang di disain dengan memperhitungkan analisa respon spektrum peraturan UBC 94S2 dapat dinyatakan aman atau tidak apabila didisain dengan menggunakan respon spektrum dari gempa El-Centro dan berapa besar perbedaan dari keduanya. Landasan Teori Kolom adalah elemen struktur yang menahan kombinasi beban gaya aksial tekan dan momen lentur. Untuk struktur beton bertulang, desain kolom dirancang sedemikian rupa sehingga pengaruh tekuk tidak dominan, sehingga keruntuhan yang terjadi akibat beban luar saja bukan karena tekuk (buckling). Jadi dimensi kolom harus “gemuk” (Stocky) tidak langsing (Slender). a. Beban yang bekerja hanya gaya aksial tekan
eC = 0,003
A
A
0,85fc'
As' fy
As' Cc=0,85 fc'
As
Gaya luar = Gaya dalam Po = 0,85 fc’ (Ag – Ast) + Ast fy Pn = 80% Po (kekuatan max. Tekan dibatasi 80% saja) Pn = 0,8 [0,85 fc’ (Ag – Astot) + Astot fy]
As fy e
Stress & Gaya Dalam
A- A
b. Beban Aksial Tekan + Lentur : Pn Mn
eC = 0,003 d' As'
y
Mn Pn
Plastic Centroid
es'
c
0,85fc'
a
Cs Cc
(bekerja pd pusat plastik-plastik centroid)
Plastik Centroid
As
Ts es
A-A
a Mn = Pn e = Cc y + Cs ( y - d’) + Ts (d - y ), momen terhadap plastic centroid) 2 Dimana : Cc = 0,85 fc’ ab εs’ > εy fs’ = fy Cs = As’ fs’ εs’ < εy → fs’ = εs’ Es Ts = As fy atau As fs dengan kondisi s.d.a ΣH = 0 Pn = Cc +Cs - Ts = 0,85 fc’ab + As’ab + As’fs’ _ Asfy a 1 = Pne = 0,85fc’ab y + As’ fs’ ( y - d’) + As fs (d - y ) ; y = h Mn 2 2 ▫ Type Keruntuhan : 1. Keruntuhan tark ( fs = fy ) 2. Keruntuhan tekan
Educational Building Volume 1 No. 1: .... – ..... Berhubung ada 2 tipe keruntuhan yang bergantung pada kombinasi Pn & Mn maka interaksi antara Pn & Mn menghasilkan diagram interaksi keruntuhan sebagai berikut : Pn (Mn, Pn )
Compression failure
tan (Mnb, Pnb) Pn
Mu e Pn
Balanced failure a
eb
e > eb ;Compression failure failure surface
Gambar 7.3. Diagram Interaksi Tension failure (at surface)
Mn
▫
Mn
Balanced Failure
eC = 0,003 Cb d
es'
Cb 0,003 = d 0,003 fy
Es Es = 200.000 MPa 600 Cb = d 600 fy
ab = β1 Cb = β1 d
600 600 fy
fy/Es
▫
Pnb = 0,85 fc’b ab + As’ fs’ – As fy a Mnb = Pnb eb = 0,85 fc’ bab y b + As’ fs’ ( y - d’) + Asfy (d- y ) 2 C d' < fy dimana fs’ = 0,003 Es b d Kriteria Keruntuhan Pn < Pnb atau e > eb → tension failure Pn = Pnb → balanced failure Pn > Pnb atau e < eb → compression failure Untuk desain kolom : selama kombinasi Pn & Mu mempunyai koordinat didalam ”failure surface” desain dapat diterima.
Gempa El-Centro Gempa El Centro terjadi di Imperial Valley, California pada tanggal 15 Oktober 1979. Gempa El Centro dapat dirasakan sekitar lebih dari 128.000 km luasan area. Dampak terburuk yang dirasakan di bagian Utara California dan bagian Selatan Negara Imperial dimana sebelas perusahaan dan dua rumah hancur. Empat ratus perusahaan dan 1565 rumah rusak berat. Walaupun tidak ada korban jiwa, sembilan puluh satu orang dilaporkan terluka akibat benda – benda tajam yang melayang dan tertimpa akibat reruntuhan benda. Salah satu struktur terbaik yang ada runtuh akibat getaran gempa El Centro. Untuk bangunan yang bukan tergolong
Educational Building Volume 1 No. 1: .... – ..... struktur juga dalam keadaan rusak berat termasuk dampak terhadap abutmen jembatan yang terjadi retak-retak dan badan jalan yang mengalami pergeseran akibat merosot dan hancur. Gempa El Centro juga memberikan dampak yang cukup besar di bidang pertanian, dimana saluran –saluran dan bangunan-bangunan Irigasi mengalami kerusakan yang cukup fatal. Goncangan akaibat gempa El Centro menyebabkan keruntuhan bendungan di sepanjang 13 km Timur Kanal Calexico. Setiap akselerogram mengandung ketidakpastian untuk dipakai disuatu lokasi. Karena itu harus ditinjau sedikitnya 4 buah akselerogram gempa yang berbeda. Gempa El Centro dianggap sebagai standar, karena akselerogramnya mengandung frekuensi yang lebar, tercatat pada jarak sedang dari pusat gempa dengan magnitude yang sedang pula. Sebagai alternatif maka diperbolehkan mempergunakan percepatan tanah yang disimulasikan sebagai gerakan gempa masukan dalam analisis respons dinamik riwayat waktu.
Gambar 1. Riwayat waktu gempa El Centro di California
Gambar 2. Kerusakan pada sendi plastis kolom akibat gempa El-Centro
Gempa El Centro menjadi pedoman pertama dalam perancangan bangunan tahan gempa setelah peristiwa gempa pada tahun 1933. Nilai magnitude gempa El Centro adalah 7,1.
Educational Building Volume 1 No. 1: .... – ..... Peraturan UBC94S2 UBC ( Uniform Building Code ) adalah salah satu pedoman perancangan bangunan gedung tahan gempa dimana pedoman ini dibuat berdasarkan observasi kelakuan struktur terhadap gempa Northridge di California pada tahun 1994 dan gempa Hyogoken-Nanbu di Kobe, Jepang pada tahun 1995. Peraturan UBC telah dibuat pada tahun 1994, dan direvisi ulang pada tahun 1997 setelah gempa dahsyat terjadi di kota Kobe, Jepang. Peraturan UBC juga merupakan peraturan yang dibuat berdasarkan peraturan ACI 318-95. Gempa Kobe terjadi sekitar pukul 5 : 46 a.m, haris Selasa pada tanggal 17 Januari 1995. Gempa Kobe juga disebut sebagai gempa South Hyogo, Hyogo – Ken Nanbu. Gempa Kobe menelan korban sebanyak 140.000 jiwa dan 5100 jiwa khususnya di kota Kobe. Gempa Kobe tercatat dengan nilai magnitude 7,2 dengan durasi waktu kejadian sekitar 20 detik. Pusat terjadinya ledakan gempa adalah sekitar 20 Km di bawah pulau Awaji-Shima, salah satu pulau yang terletak di Jepang. Pulau ini letaknya dekat dengan kota Kobe, dimana kota Kobe adalah kota pelabuhan.
Gambar 3. Riwayat waktu gempa Kobe Jepang
Gambar 4. Keruntuhan akibat gempa Kobe dan Northridge
Educational Building
Volume 1 No. 1: .... – .....
4. Hasil Penelitian danPembahasan Untuk mendapatkan apa yang dimaksudkan pada pendahuluan dan latar belakang, yaitu mengetahui seberapa besar perbedaan dimensi dan luas tulangan pada kolom jika dianalisa dengan respon gempa UBC 94S2 dibandingkan dengan analisa respon gempa El-Centro, maka pada pembahasan ini diambil satu asumsi gedung dengan data sebagai berikut : Sistem Struktur : Building frame dengan beton bertulang Penggunaan Struktur : Sebagai hotel
Beban atap : 426 kg/m2 x 5 m = 2130 kg/m Beban lantai : 510 kg / m2 x 5 m = 2550 kg/m
Ketinggian Struktur : 12 tingkat dengan tinggi masing-masing tingkat empat meter. Lebar Struktur : 24 meter Standart : Uniform Building Code ( UBC ) Mutu Material : Mutu beto (f’c) = 40 MPa, Baja U-60 dengan fy = 600 MPa Asumsi Tebal Pelat : Untuk Atap, h = 14 cm dan Untuk Lantai, h = 16 cm
Beban Lantai
Total berat (kg)
Atap 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2
124656 163776 172032 187584 187584 192624 203184 208704 211104 219552 229632 244080
Beban atap : 170 kg/m2 x 5 m = 850 kg/m Beban lantai : 250 kg/m2 x 5 m = 1250 kg/m
Educational Building
Volume 1 No. 1: .... – .....
Educational Building
Beban atap : 170 kg/m2 x 5 m = 850 kg/m Beban lantai : 250 kg/m2 x 5 m = 1250 kg/m
Volume 1 No. 1: .... – .....
Beban atap : 170 kg/m2 x 5 m = 850 kg/m Beban lantai : 250 kg/m2 x 5 m = 1250 kg/m
Educational Building
Volume 1 No. 1: .... – .....
FRAMES LABEL
JOINTS LABEL
Selanjutnya perhitungan dilakukan dengan menggunakan bantuan software Sap 2000. Hasil yang diperoleh sebagai berikut : PERBANDINGAN LUAS TULANGAN LONGITUDINAL PADA KOLOM DAERAH LAPANGAN
LuasanTulanganyangDiperlukan
35000 Berdas arkan Peraturan UBC 94S2
30000
Berdas arkan Res pon Gem pa El-Centro
25000 20000 15000 10000 5000 0 1
4
7
10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 Nomor Elemen Kolom PERBANDINGAN LUAS TULANGAN LONGITUDINAL PADA KOLOM DAERAH TUMPUAN ATAS
50000 Berdas arkan Peraturan UBC 94S2
L uasanTulan ganyan gD ip erlukan
45000
Berdas arkan Res pon gem pa El-Centro
40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1
4
7
10
13
16
19
22
25
28
31
34
37
40
Nomor Elemen Kolom
43
46
49
52
55
58
Educational Building
Volume 1 No. 1: .... – ..... PERBANDINGAN LUAS TULANGAN LONGITUDINAL PADA KOLOM DAERAH TUNMPUAN BAWAH
30000 LuasanTulanganyangdiperlukan
Berdas arkan Peraturan UBC 94S2 Berdas arkan Res pon Gem pa El-Centro
25000
20000
15000
10000
5000
0 1
4
7
10
13
16
19
22
25
28
31
34
37
40
43
46
49
52
55
58
Nomor Elemen Kolom
Kesimpulan 1. Analisa dengan menggunakan peraturan UBC 94S2 menghasilkan tulangan longitudinal yang lebih besar nilainya daripada analisa yang menggunakan respon gempa El-Centro. 2. Persentase selisih hasil tulangan yang paling maksimum adalah terletak pada elemen kolom nomor 11 daerah tumpuan yaitu mencapai 80 %. 3. Pada beberapa elemen kolom di bagian lapangan terdapat hasil luas persentasi tulangan yang sama didalam mendisain menggunakan respon gempa El-Centro dan peraturan UBC 94S2 diantaranya yaitu pada elemen kolom nomor 12, 11, 10, 9, dan 8. Saran
Kasus yang dikaji pada penelitian ini adalah gedung berlantai duabelas dan juga geometri dari gedung adalah simetris, untuk ini perlu penelitian lanjutan untuk kasus gedung berlantai lebih dari duabelas atau bangunan gedung yang memiliki geometris tak simetris. Daftar Pustaka 1. Badan Standarisasi Nasional, 2002. “ Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Bangunan Gedung “. Jakarta. Standar Nasional Indonesia. 2. Chu-Kia-Wang & Charles G. Salmon, 1994, “ Disain Beton Bertulang “. Jilid 1. Jakarta. Erlangga. 3. David A.Fanella & Javeed A. Munshi, “Design of Concrete Buildings For Earthquake and Wind Forces “. According to the 1997 Uniform Building Code. USA. Portland Cement Association. 4. Gideon Kusuma & Takim Andriono, 1994, “ Desain Struktur Rangka Beton Bertulang di Daerah Rawan Gempa “. Berdasarkan SKSNI T-15-1991-03. Jilid 3. Jakarta. Erlangga. 5. Pusat Pelatihan MBT, “ Struktur Beton Untuk Gedung Di daerah Gempa ”. 6. SAP-2000, “ A Series of Computer Programs for the Finite Element Analysis of Structures ”, Computers and Structures, Inc., Berkeley, CA, 1992. 7. T. Paulay & M.J.N. Priestley, 1992. “ Seismic Design Of Reinforced Concrete And Masonry Buildings “. A Wiley Interscience Publication. 8. W.C. Vis & Gideon Kusuma, 1994. “ Dasar-dasar Perencanaan Beton Bertulang “. Jilid 1. Jakarta. Erlangga.
