KINERJA STRUKTUR PIER JEMBATAN DENGAN DAN TANPA MEMPERHITUNGKAN INTERAKSI TANAH DAN STRUKTUR
TUGAS AKHIR
Oleh : I KETUT RAMAWAN NIM: 1004105039
JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2015
ABSTRAK
Pembangunan sarana transportasi yang pesat tentu harus memperhatikan letak geografis Indonesia. Indonesia merupakan daerah rawan gempa dengan kategori risiko gempa tinggi. Hal lain yang perlu diperhatikan dalam analisis perilaku suatu struktur akibat beban gempa yaitu dengan adanya interaksi tanah dan struktur (Soil-Structure Interaction). Dalam kasus ini kinerja struktur pier akan dianalisis dengan nonlinear static pushover analysis dengan memperhatikan interaksi tanah dan pondasinya. Struktur yang dimodelkan ada tiga yaitu pemodelan dengan perletakan jepit (Model I), pemodelan SSI yaitu Model II, tanah dan pondasi dimodelkan sebagai elemen solid; Model III, daya dukung tanah lateral dimodelkan sebagai elemen spring. Struktur atas Model II dan Model III adalah sama dengan Model I dengan perbedaan hanya pada pemodelan pondasi. Untuk Model II dan III, pondasi kelompok tiang dianggap sebagai kaison dengan modulus elastisitas tanah di antara tiang dianggap sama dengan modulus elastisitas tiang. Modulus reaksi tanah dasar lateral KH dimodelkan sebagai elemen spring dan modulus elastisitas tanah Es dimodelkan sebagai elemen solid. Modulus reaksi tanah dasar lateral KH didapat berdasarkan modulus elastisitas tanah Es. Analisis dan evaluasi kinerja dilakukan dengan analisis pushover. Analisis pushover dilakukan untuk menentukan level kinerja struktur yang akan dievaluasi terhadap batasan kinerja dengan parameter berupa kurva pushover, simpangan dan faktor daktilitas aktual struktur pier, koefisien perpindahan FEMA 356 dan tingkat kinerja/performance level, serta distribusi sendi plastis. Hasil analisis menunjukkan bahwa dalam kondisi elastis, model terjepit mempunyai displacement yang lebih kecil daripada kedua model SSI, namun pada gaya geser dasar yang hampir sama, model terjepit memiliki simpangan yang lebih kecil daripada model SSI pada kondisi ambang keruntuhan. Adanya ketentuan khusus yang mengharuskan desain sendi plastis hanya terjadi pada ujung-ujung kolom pier mempengaruhi daktilitas aktual struktur pier. Untuk sendi plastis yang terjadi hanya pada kolom pier, daktilitas aktual pada model SSI berkurang 36,4% terhadap model terjepit. Sedangkan jika berdasarkan sendi plastis yang terbentuk pada seluruh bagian pier daktilitas aktual pada model SSI justru meningkat 5,76% terhadap model terjepit. Semua model menunjukkan level kinerja Immediate Occupancy (IO) sesuai dengan tingkat kinerja pada FEMA 356. Dapat diketahui bahwa efek interaksi tanah dan struktur tidak mempengaruhi tingkat kinerja struktur/performance level. Jumlah sendi plastis dengan status collapse pada model dengan interaksi tanah dan struktur lebih banyak dari model terjepit. Kata kunci: interaksi tanah dan struktur, kinerja struktur, analisis pushover
ii
UCAPAN TERIMA KASIH
Puji syukur penulis hantarkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmat-Nya lah penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Adapun tugas akhir ini merupakan langkah akhir bagi Mahasiswa Fakultas Teknik Jurusan Teknik Sipil yang akan menyelesaikan masa studinya. Selain itu Tugas Akhir ini merupakan buah hasil dari pemahaman yang lebih mendalam sekaligus penerapan teori-teori yang telah diberikan saat perkuliahan. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat bimbingan dan informasi yang sangat berharga dari berbagai pihak, oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada bapak I Ketut Sudarsana, ST., Ph.D. dan bapak I Gede Adi Susila, ST, MSc., Ph.D selaku dosen pembimbing Tugas Akhir serta semua orang-orang terdekat, teman-teman seangkatan dan para senior yang turut membantu membagi informasi dan membagi ilmunya sebagai referensi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulis telah berusaha keras dalam membuat Tugas Akhir ini, namun penulis menyadari masih banyak hal yang perlu diperbaiki, ditambah, ataupun dilengkapi agar Tugas Akhir ini bisa dibilang sempurna. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik dari para pembaca sebagai bahan pertimbangan dalam penyempurnaan Tugas Akhir penulis di masa mendatang. Semoga Tugas Akhir ini dapat berguna sebagaimana mestinya.
Denpasar, Juli 2015
Penulis.
iii
DAFTAR ISI PERNYATAAN....................................................................................................... i ABSTRAK .............................................................................................................. ii UCAPAN TERIMA KASIH .................................................................................. iii DAFTAR ISI .......................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. vi DAFTAR TABEL ................................................................................................ viii DAFTAR NOTASI ............................................................................................. viiii BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang ............................................................................................ 1 1.2 Rumusan Masalah ....................................................................................... 3 1.3 Tujuan Penelitian ........................................................................................ 3 1.4 Manfaat Penelitian ...................................................................................... 4 1.5 Batasan Masalah.......................................................................................... 4 1.6 Gambaran Umum Struktur .......................................................................... 4 1.7 Organisasi Tugas Akhir............................................................................... 7 BAB II TINJAUAN PUSTAKA............................................................................. 8 2.1 Pier Jembatan .............................................................................................. 8 2.2 Pembebanan pada Pier ................................................................................ 8 2.2.1 Berat Sendiri (MS) .......................................................................... 8 2.2.2 Beban Mati Tambahan (MA) .......................................................... 9 2.2.3 Beban Lajur "D" (TD) ..................................................................... 9 2.2.4 Beban Truk "T"(TT) ..................................................................... 11 2.2.5 Beban Pedestrian / Pejalan Kaki (TP) ........................................... 12 2.2.6 Gaya Rem (TB) ............................................................................. 13 2.2.7 Beban Angin (EW) ........................................................................ 14 2.2.8 Gaya Gesek (FB) dan Pengaruh Temperatur / Suhu (ET) ............ 16 2.2.9 Beban Gempa ................................................................................ 16 2.2.10 Kombinasi Pembebanan ................................................................ 17 2.3 Daktilitas Struktur ..................................................................................... 18 2.4 Analisis Pushover ...................................................................................... 21 2.4.1 Langkah-langkah Analisis Pushover ............................................. 21 2.4.2 Target Perpindahan ....................................................................... 23 2.4.3 Kriteria Kinerja Struktur ............................................................... 24 2.5 Pondasi Tiang ............................................................................................ 24 2.5.1 Efisiensi Kelompok Tiang............................................................. 26 2.5.2 Pelat Penutup Tiang (Pile Cap)..................................................... 26 2.6 Sifat Elastis Pada Tanah ............................................................................ 27 2.6.1 Modulus Elastisitas Tanah dan Poisson Ratio (μ)......................... 28 2.6.2 Modulus Reaksi Tanah Dasar (Koefisien Reaksi Tanah Dasar) ... 29 2.7 Pemodelan Interaksi Tanah dengan Struktur ............................................ 31 2.7.1 Pemodelan Tanah dan Pondasi Sebagai Elemen Solid ................. 31 2.7.2 Pemodelan Tanah dan Pondasi Sebagai Elemen Spring ............... 33 2.7.3 Pemodelan Restraint Jepit pada Perletakan Struktur .................... 34 BAB III METODE ANALISIS ............................................................................. 35 3.1 Umum........................................................................................................ 35 iv
3.2 3.3 3.5
Prosedur Analisis ...................................................................................... 36 Data Struktur ............................................................................................. 38 Pemodelan Struktur Pier ........................................................................... 39 3.4.1 Struktur Pier Dimodel Dengan Perletakan Jepit (Model I) ........... 39 3.4.2 Tanah dan Pondasi Dimodel Sebagai Elemen Solid (Model II) ... 41 3.4.3 Daya Dukung Tanah Lateral Sebagai Elemen Spring (Model III) 42 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................. 44 4.1 Pembebanan Struktur ................................................................................ 44 4.1.1 Berat Sendiri (MS) ........................................................................ 44 4.1.2 Beban Mati Tambahan (MA) ........................................................ 47 4.1.3 Beban Lajur "D" (TD) ................................................................... 48 4.1.4 Beban Pejalan Kaki (TP) ............................................................... 49 4.1.5 Gaya Rem (TB) ............................................................................. 51 4.1.6 Beban Angin (EW) ........................................................................ 51 4.1.7 Beban Gempa (EQ) ....................................................................... 52 4.2 Pemodelan Struktur ................................................................................... 53 4.2.1 Model I Struktur Dengan Perletakan Jepit .................................... 54 4.2.2 Model II Tanah Dan Pondasi Sebagai Elemen Solid .................... 54 4.2.3 Model III Daya Dukung Tanah Lateral Sebagai Elemen Spring .. 57 4.3 Perbandingan Hasil Evaluasi Kinerja Struktur ......................................... 59 4.3.1 Kurva Pushover ............................................................................. 59 4.3.2 Simpangan dan Faktor Daktilitas Aktual Struktur Pier (µ)........... 61 4.3.3 Koefisien Perpindahan FEMA 356 dan Tingkat Kinerja/ Performance Level ........................................................................ 62 4.3.4 Distribusi Sendi Plastis ................................................................. 63 BAB V PENUTUP ................................................................................................ 66 5.1 Simpulan ................................................................................................... 66 5.2 Saran .......................................................................................................... 66 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 68 LAMPIRAN A ...................................................................................................... 70 LAMPIRAN B ...................................................................................................... 76 LAMPIRAN C ...................................................................................................... 82 LAMPIRAN D ...................................................................................................... 87 LAMPIRAN E ...................................................................................................... 90
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Denah jembatan ................................................................................. 5 Gambar 1.2 Potongan memanjang jembatan ........................................................ 6 Gambar 2.1 Beban lajur "D" ............................................................................... 10 Gambar 2.2 Faktor beban dinamis (DLA) .......................................................... 10 Gambar 2.3 Distribusi beban "D" ....................................................................... 11 Gambar 2.4 Beban truk "T" ................................................................................ 12 Gambar 2.5 Pembebanan untuk pejalan kaki ...................................................... 13 Gambar 2.6 Gaya rem per lajur ........................................................................... 14 Gambar 2.7 Gaya gesek dan pengaruh temperatur ............................................. 16 Gambar 2.8 Deformasi elastis pada struktur ....................................................... 19 Gambar 2.9 Deformasi plastis pada struktur ....................................................... 20 Gambar 2.10 Kelompok tiang dibebani beban vertikal dan momen ..................... 27 Gambar 2.11 Kekakuan pondasi dan harga k dari tanah pondasi ......................... 29 Gambar 2.12 Kemungkinan bentuk elemen shell ................................................. 31 Gambar 2.13 Contoh pemodelan tanah dengan elemen solid ............................... 33 Gambar 3.1 Bagan alir analisis ........................................................................... 36 Gambar 3.2 Struktur pier yang dimodel dengan perletakan jepit ....................... 40 Gambar 3.3 Luas area pemodelan tanah sebagai elemen solid ........................... 42 Gambar 3.4 Struktur dengan pemodelan tanah sebagai elemen solid ................ 42 Gambar 3.5 Struktur dengan daya dukung tanah lateral dimodel sebagai spring 43 Gambar 4.1 Distribusi beban MS pada pier ........................................................ 46 Gambar 4.2 Distribusi beban MA pada pier ...................................................... 48 Gambar 4.3 Distribusi beban TD pada pier ....................................................... 49 Gambar 4.4 Distribusi beban TP pada pier ........................................................ 50 Gambar 4.5 Distribusi beban EW pada pier ...................................................... 52 Gambar 4.6 Beban gempa pada pier ................................................................... 53 Gambar 4.7 Pemodelan struktur dengan peretakan jepit ................................... 54 Gambar 4.8 Model 3D Model II ........................................................................ 55 Gambar 4.9 Struktur bawah model II ................................................................. 56 Gambar 4.10 Model 3D dan struktur bawah model III ........................................ 59 Gambar 4.11 Joint pada model struktur yang ditinjau sebagai displacement control ........................................................................................................ 60 Gambar 4.12 Perbandingan kurva pushover pada tiap model............................... 60 Gambar 4.13 Sendi plastis pada model I............................................................... 64 Gambar 4.14 Sendi plastis pada model II ............................................................. 64 Gambar 4.15 Sendi plastis pada model III ............................................................ 65
vi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Tabel 2.2 Tabel 2.3 Tabel 2.4 Tabel 2.5 Tabel 2.6 Tabel 2.7 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5
Faktor beban untuk berat sendiri ........................................................... 8 Faktor beban untuk beban mati tambahan ............................................ 9 Faktor beban akibat gaya rem ............................................................. 14 Kecepatan rencana angin Vw .............................................................. 15 Koefisien seret Cw .............................................................................. 15 Kriteria kinerja struktur ....................................................................... 24 Nilai poisson untuk berbagai jenis tanah ............................................ 28 Nilai faktor daktilitas aktual berdasarkan sendi plastis yang terbentuk di seluruh bagian struktur pier ............................................................ 61 Nilai faktor daktilitas aktual berdasarkan sendi plastis yang terbentuk hanya pada kolom pier ........................................................................ 62 Nilai parameter target perpindahan ..................................................... 63 Tingkat kinerja/performance level FEMA 356 ................................... 63 Jumlah sendi plastis dengan status leleh pertama dan status collapse 65
vii
DAFTAR NOTASI Cd CS Cvx Ec Eh Es Ev f f1 Fa f’c Fv Fx fxn, fyn, fzn fy hi, hx hn hsx Ie Ig k K M mx, my, mz Mx, Mx, Mx n N PF1 Px Pxn, Pyn, Pzn QE R Rm S1 SD1 SDS SM1 SMS Ss T T0 Ta
: factor pembesaran defleksi. : koefisien respons seismic. : faktor distribusi vertikal. : modulus elastisitas beton, MPa : pengaruh gaya seismik horizontal. : modulus elastisitas baja, MPa. : pengaruh gaya seismik vertikal. : frekuensi getaran, per-detik. : faktor kuat lebih beban dan bahan yang terkandung di dalam suatu struktur gedung. : faktor amplifikasi getaran terkait percepatan pada perioda 0,2 detik. : kuat tekan silinder beton, MPa. : faktor amplifikasi getaran terkait percepatan pada perioda 1 detik. : gaya gempa lateral pada tingkat ke x, KN. : participation factor. : kuat leleh baja, MPa. : tinggi dari dasar sampai tingkat i atau x, m. : ketinggian struktur, m. : tinggi tingkat dibawah tingkat ke x, mm. : factor keutamaan hunian. : inersia penampang utuh, mm4. : eksponen yang terkait perioda struktur. : matrik kekakuan. : matrik diagonal massa. : satuan beban percepatan. : total massa yang tidak dikekang yang bekerja pada arah X,Y dan Z. : jumlah mode. : jumlah tingkat : modal participation factor : beban disain vertikal total pada dan diatas tingkat x, KN. : participating mass ratios. : pengaruh gaya seismic horizontal dari V atau Fx, KN. : faktor reduksi gempa. : faktor reduksi gempa maksimum yang dapat dikerahkan oleh suatu jenis sistem struktur. : parameter percepatan batuan dasar pada perioda 1 detik. : parameter respons spektral percepatan pada perioda 1detik. : parameter respons spektral percepatan disain pada perioda pendek (0,2 detik). : parameter spektrum respons percepatan pada perioda 1 detik. : parameter spektrum respons percepatan pada perioda pendek (0,2 detik). : parameter percepatan batuan dasar pada perioda pendek (0,2 detik). : perioda fundamental struktur, detik. : perioda fundamental awal, detik. : perioda fundamental pendekatan, detik. viii
Teff V Ve
x α (alpha) (beta)
: waktu getar efektif, detik. : gaya geser dasar seismic, KN. : gaya geser dasar maksimum akibat pengaruh Gempa Rencana yang dapat diserap oleh struktur gedung elastik penuh dalam kondisi di ambang keruntuhan, KN. : gaya geser dasar akibat pengaruh Gempa Rencana yang harus ditinjau dalam perencanaan struktur gedung, KN. : gaya geser dasar dari kombinasi ragam yang disyaratkan, KN. : faktor gaya geser dasar yang menyebabkan pelelehan pertama di dalam struktur gedung, KN. : berat seismic efektif, KN. : bagian berat seismic efektif total struktur (W) yang ditempatkan atau dikenakan pada tingkat i atau x, KN. : nilai parameter perioda pendekatan : modal mass coeffisient. : rasio kebutuhan geser terhadap kapasitas geser untuk tingkat antara
eff
tingkat x dan x – 1. : redaman struktur efektif.
Vn Vt Vy W wi , wx
δm (delta-m) : simpangan maksimum struktur gedung akibat pengaruh Gempa Rencana pada saat mencapai kondisi di ambang keruntuhan, mm. δx (delta-x) : defleksi pusat massa ditingkat x, mm. δy (delta-y) : simpangan struktur gedung akibat pengaruh Gempa Rencana pada saat terjadinya pelelehan pertama, mm. Δ (delta) : simpangan antar lantai, mm. Δα : gaya simpangan antar lantai tingkat ijin, mm. Δmaks : simpangan antar lantai pada saat batas, mm. Δroof : perpindahan pada atap, mm. Δy : simpangan antar lantai pada saat leleh pertama, mm. μ (miu) : faktor daktitas struktur gedung. μm (miu-m) : faktor daktilitas maksimum yang dapat dikerahkan oleh suatu sistem struktur. Ω (omega) : matrik diagonal eigenvector. ω (omega) : freluensi sudut, per-detik. ρ (rho) : faktor redundansi. (theta) : koefisien stabilitas. max : koefisien stabilitas maksimum. Ø : matrik yang berhubungan dengan eigenvector (mode shapes). Φ1i : amplitudo mode pertama pada level I, detik.
ix
