PERHITUNGAN PARAMETER DYNAMIC ABSORBER BERBASIS RESPON AMPLITUDO SEBAGAI KONTROL VIBRASI ARAH HORIZONTAL PADA GEDUNG AKIBAT PENGARUH GERAKAN TANAH Oleh (Astrie Ivo, Ir. Yerri Susatio, M.T) Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo – Surabaya 60111
ABSTRAK Perlindungan struktur bangunan dari getaran tanah harus diperhatikan untuk mengurangi banyaknya tingkat kerusakan bangunan saat terjadi getaran tanah. Salah satu hal yang dapat dilakukan adalah penggunaan dynamic absorber sebagai kontrol getaran yang dipasang di antara pondasi dan struktur bangunan. Meningkatkan fleksibilitas bangunan dan menyerap gaya eksitasi merupakan prinsip kerja dynamic absorber untuk memperkecil amplitudo getaran yang diterima oleh struktur bangunan. Metode kesetimbangan dinamis digunakan dalam proses perhitungan pada simulasi untuk mengetahui besarnya amplitudo respon maksimum yang diterima oleh bangunan dengan menggunakan sistem peredam dinamis. Simulasi dilakukan pada bangunan berlantai satu dengan massa 750 kN menggunakan beberapa kombinasi dimensi diameter dan ketebalan rubber bearing soft, rubber bearing normal, dan high damping rubber bearing soft. Hasil dari simulasi diketahui bahwa peredam yang paling baik digunakan pada bangunan tersebut adalah jenis high damping rubber bearing soft dengan diameter 300 mm, ketebalan 96 mm, kekakuan 0.29 kN/mm, dan koefisien redaman 27982.1 yang dapat meredam getaran tanah horizontal 12.6 m menjadi 0.82 m dan mencapai keadaan tunak 0.11 m selama 150 detik.
1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Gerakan tanah adalah guncangan atau getaran pada permukaan bumi yang terjadi akibat keruntuhan material patahan, yaitu pertemuan dari lempeng tektonik yang menyusun kulit bumi. Keruntuhan material patahan tersebut berbentuk gelombang gempa yang merambat ke semua arah dan menghasilkan getaran di semua permukaan tanah. Fenomena ini menjadi ancaman bagi rakyat Indonesia dalam kurun waktu beberapa tahun belakangan. Setiap getaran tanah yang terjadi menyebabkan kerusakan pada pemukiman penduduk, bangunan pemerintahan, maupun bangunan yang difungsikan sebagai prasarana umum. Kerusakan utama pada suatu bangunan diakibatkan oleh tidak mampunya struktur bangunan tersebut merespon getaran yang ditimbulkan oleh gerakan tanah. Pengaruh gerakan tanah yang sangat merusak struktur bangunan adalah komponen getaran horizontal. Getaran tersebut dapat menimbulkan gaya reaksi yang besar, bahkan pada puncak bangunan dapat berlipat hingga mendekati dua kalinya. Oleh sebab itu apabila getaran horizontal yang sampai pada bangunan tersebut lebih besar dari kekuatan struktur maka bangunan tersebut akan rusak. Berdasarkan keadaan tersebut maka perlu dilakukan suatu perancangan peredam getaran yang dipasang pada pondasi suatu bangunan untuk
mengurangi sebagian gaya reaksi yang sampai pada bangunan. Pada dasarnya cara perlindungan bangunan oleh suatu peredam tahan gempa dicapai melalui penyerapan gaya eksitasi oleh peredam, meningkatkan fleksibilitas bangunan dan memperkecil amplitudo getaran yang diterima oleh struktur. Berdasarkan prinsip kerja peredam getaran yang akan digunakan, dapat dilakukan simulasi untuk mengetahui besarnya mplitudo yang akan diterima oleh struktur bangunan dengan menggunakan suatu jenis peredam getaran. 1.2 Rumusan Masalah Adapun masalah yang diangkat dalam pengerjaan Tugas Akhir ini adalah : Bagaimana melakukan analisis getaran dinamis arah horizontal pada suatu bangunan ? Bagaimana merancang peredam getaran pada suatu bangunan berdasarkan analisis getaran dinamis pada arah horizontal yang telah dilakukan sesuai dengan karakteristik bangunan tersebut ? 1.3 Tujuan Tujuan yang akan dicapai dalam pengerjaan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : Melakukan analisis getaran dinamis arah horizontal pada suatu bangunan Merancang peredam getaran pada suatu bangunan berdasarkan analisis getaran dinamis
pada arah horizontal yang telah dilakukan sesuai dengan karakteristik bangunan tersebut. 1.4 Batasan Masalah Untuk menghindari meluasnya permasalahan maka dalam pengerjaan Tugas Akhir ini terdapat batasan masalah berikut : Perhitungan dilakukan dengan analisis getaran dinamis menggunakan metode kesetimbangan dinamis. Komponen getaran ditinjau pada arah horizontal. Bangunan yang digunakan adalah bangunan satu lantai
2.2 Getaran Dinamis Pada saat terjadi gerakan tanah, kerusakan utama pada suatu bangunan diakibatkan oleh tidak mampunya struktur merespon getaran yang ditimbulkan oleh gerakan tanah tersebut. Analisis struktur yang paling efektif digunakan adalah analisis dengan beban dinamis karena beban akibat suatu getaran akan direspon menurut perubahan waktunya. Peredam getaran dinamis dimodelkan serupa dengan nilai frekuensi natural dari sistem diluar frekuensi yang dibangkitkan sehingga amplitudo dari gerakan tanah dapat direduksi dengan penambahan peredam getaran dinamis.
1.5 Manfaat Jika semua tujuan dari tugas akhir ini tercapai maka akan diperoleh sebuah rancangan peredam getaran untuk suatu bangunan sehingga bangunan tersebut tidak mengalami kerusakan secara struktural maupun non struktural pada saat terjadi gerakan bawah tanah. 2. Teori Penunjang 2.1 Gerakan Tanah Arah Horizontal dan Respon Bangunan Terdapat dua jenis komponen getaran dari gerakan tanah, yaitu getaran pada arah horisontal dan arah vertikal. Komponen getaran gerakan tanah yang dominan terhadap respon bangunan adalah komponen getaran pada arah horisontal, sedangkan komponen getaran vertikal bisa berpengaruh pada komponen-komponen struktur tertentu dan bendabenda non struktural yang ada di dalam bangunan. Setiap bangunan memberikan respon yang berbeda terhadap getaran yang ditimbulkan oleh gerakan tanah. Respon tersebut dipengaruhi oleh berbagai faktor, salah satunya adalah struktur dan material penyusun bangunan tersebut. Perbedaan respon dari bangunan yang dibangun dengan menggunakan absorber sebagai pengendali getaran gerakan tanah dan yang tidak menggunakan absorber dapat dilihat pada gambar 2.1 berikut
a. bangunan tanpa absorber
Gambar 2.2 Sistem Peredam Getaran Dinamis pada Arah Horizontal Dari gambar 2.2 di atas dapat diperoleh gaya-gaya yang bekerja pada sistem, yaitu : Gaya Inersia : 𝐹𝑖 = 𝑚 𝑥 Gaya Pegas : 𝐹𝑝 = 𝑘 𝑥 Gaya Redaman : 𝐹𝑐 = 𝑐 𝑥
(2.1) (2.2) (2.3)
Dengan persamaan kesetimbangan dinamis akan diperoleh solusi komplementer dan solusi partikulir dari sistem. Persamaan kesetimbangan tersebut ditampilkan sebagai berikut : 𝐹 𝑡 = 𝑚 𝑥 + 𝑐𝑥 + 𝑘 𝑥
(2.4)
2.3 Derajat Kebebasan Tunggal Getaran Dinamis Sistem getaran dengan satu derajat kebebasan adalah sistem yang mempunyai satu pegas dan satu beban dalam setiap arah gaya atau modus yang ada. Getaran bebas dari sistem dengan satu derajat kebebasan dengan penambahan peredam dapat diilustrasikan dengan gambar 2.3 di bawah ini
b. bangunan dengan absorber
Gambar 2.1 Respon Bangunan Terhadap Getaran Gerakan Tanah Arah Horizontal
Gambar 2.3 Sistem Getaran dengan Satu Derajat Kebebasan
Pada sistem getaran di atas terdapat gaya eksitasi yang bekerja pada sistem. Persamaan gerak massa (m) sebagai respon dari adanya gaya tersebut dapat ditentukan dari analisis gaya-gaya yang bekerja pada massa (m) ketika posisinya tersimpang sejauh x dari posisi seimbang statis. Persamaan diferensial dalam kondisi keseimbangan dinamis dapat disusun sebagai berikut : mx + cx + kx = f(t)
3.2 Pemodelan bangunan Bangunan tahan gempa pada penelitian tugas akhir ini merupakan bangunan satu lantai dengan massa 750 kN. Pemasangan dynamic absorber pada bangunan tersebut dimodelkan pada gambar 3.2 berikut ini
(2.5)
dimana : mx = Gaya inersia massa cx = Gaya redaman kx = Gaya pegas Misalkan gaya eksitasi yang bekerja pada gambar 2.4 merupakan fungsi sinus dengan amplitudo F0 dan frekuensi ω, maka persamaan diferensial akan dinyatakan sebagai : Gambar 3.2 Sistem Peredaman pada Bangunan mx + cx + kx = F0 sin ωt
(2.6)
Dari persamaan (2.6) di atas dapat diperoleh amplitudo respon dan kondisi steady dari sistem getaran yang digunakan.
3. Metodologi Penelitian 3.1 Flow Chart Penelitian Penelitian tugas akhir ini dilaksanakan sebagaimana flow chart di bawah ini
Persamaan kesetimbangan dari sistem peredaman di atas dinyatakan sebagai : Mx+cx+kx = cy+ky
(3.1)
dengan M = massa bangunan (kg) c = koefisien redaman dynamic absorber k = kekakuan redaman (N/m) y = getaran tanah (getaran pengganggu) x = respon sistem Base Isolation yang digunakan sebagai dynamic absorber pada bangunan di atas tersusun dari lapisan karet dan baja yang dipasang sebagai penghubung antara pondasi dan bangunan, seperti pada gambar 3.2 berikut ini :
Mulai Studi Literatur Pengumpulan Data Pemodelan Sistem Peredam pada Bangunan
Menentukaan Persamaan Gerak Sistem
Menentukan Parameter Peredam Getaran Dinamik
Menentukan Respon Sistem
Respon Sistem < Respon Bangunan ?
tidak
ya Selesai
Gambar 3.1 Flow Chart Penelitian
Gambar 3.3 Pemasangan Dynamic Absorber pada Bangunan Pemasangan peredam dinamik pada bangunan di atas akan memberikan respon terhadap getaran tanah pada arah horizontal. Respon peredam dinamik tersebut sesuai dengan gambar 3.4 berikut
3.4 Perubahan Kecepatan Gerakan Tanah dan Amplitudo
Gambar 3.4 Respon Peredam Dinamik terhadap Getaran Horizontal
Magnitudo gempa adalah besaran yang menyatakan besarnya energi seismik yang dilepaskan dari suatu sumber gempa[1]. Besaran ini akan berharga sama meskipun diukur pada titik yang berbeda. Ada beberapa rumusan untuk mencari nilai magnitude ini. Skala yang sering digunakan untuk menyatakan magnitude ini adalah skala Richter, yang didefinisikan sebagai berikut : M = 10log A
3.3 Dynamic absorber Base isolation yang sering digunakan pada bangunan tahan gempa adalah jenis rubber bearing dan High Damping Rubber Bearing (HDRB). Kedua jenis base isolation tersebut akan digunakan sebagai perbandingan pada penelitian tugas akhir ini. Bentuk fisik dari kedua jenis base isolation tersebut dapat dilihat pada gambar berikut
(3.3)
Dengan M = magnitude skala Richter A = amplitudo maksimum (mikro meter) Dari persamaan di atas, maksimum tercatat dengan seismograf 100 km dari sumber gempa.
amplitudo pada jarak
4. Simulasi dan Analisa Data 4.1 Simulasi Amplitudo Respon
Baik rubber bearing maupun high damping rubber bearing merupakan suatu bantalan yang terdiri dari lapisan karet dan baja dan disusun bergantian hingga ketinggian tertentu. Bantalan karet tersebut dirancang dengan sangat kaku dan kuat dalam arah vertikal, tetapi tetap fleksibel dalam arah horizontal[2]. Rubber bearing dan high damping rubber bearing dibedakan menjadi beberapa tipe berdasarkan perbedaan nilai modulus elastisitas dari masing-masing karet penyusun. perbedaan tersebut dapat dilihat pada tabel 3.1 di dawah ini Tabel 3.1 Karakteristik Karet Penyusun Base Isolator Jenis Base Isolator Modulus elastisitas (N/mm2) Rubber Soft 0.4 Rubber Normal 0.9 High Dampig Soft 0.4 High Damping Normal 0.8 High Damping Hard 1.4
amplitudo respon (m)
Gambar 3.5 Peredam Dinamik
Dynamic absorber yang digunakan pada perhitungan ini terdiri dari tiga jenis, yaitu Rubber Soft, Rubber Normal, dan High Damping Rubber Soft dengan perbandingan beberapa ragam yang diklasifikasikan berdasarkan dimensi yang disarankan. Hasil perhitungan dari ketiga jenis dynamic absorber yang digunakan akan dibandingkan tingkat keberhasilannya berdasarkan amplitudo respon yang diredam dari amplitudo awal pada gambar 4.1 di bawah ini 20 10 y ( t)
0 10 20
0
2
4
6
8
10
t
waktu (detik)
Gambar
4.1
Respon Awal Bangunan Tanpa Dynamic Absorber
Dari Gambar 4.1 dapat diketahui bahwa nilai amplitudo awal yang digunakan yaitu sebesar 12.6 m. Nilai ini diperoleh dari perhitungan amplitudo yang ditimbulkan oleh getaran tanah sebesar 7.1 pada skala Richter.
amplitudo respon (m)
1
1
amplitudo respon (m)
a. rubber Soft Ragam 1 spesifikasi dari rubber ini adalah : diameter 0.3 m, ketebalan 0.096 m, kekakuan 4x105 N/m, dan koef redaman 32863. Respon sistem bangunan dari penggunaan rubber ini adalah :
0.5
x( t )
0
0.5
0.5 1
0
50
100
150
200
t
x( t )
0
periode (s)
Gambar 4.4 Respon Bangunan
0.5
1
0
50
100
150
200
t
periode (s)
d. High Damping Soft Ragam 2 spesifikasi dari rubber ini adalah : diameter 0.35 m, ketebalan 0.096 m, kekakuan 3.9x10 5 N/m, dan koef redaman 32450. Respon sistem bangunan dari penggunaan rubber ini adalah :
Gambar 4.2 Respon Bangunan 1
b. High Damping Soft Ragam 1 spesifikasi dari rubber ini adalah : diameter 0.3 m, ketebalan 0.072 m, kekakuan 3.9x10 5 N/m, dan koef redaman 32450. Respon sistem bangunan dari penggunaan rubber ini adalah :
0.5
x( t )
0
1
0.5
0.5
1
x( t )
0
50
0
100
150
200
t
Gambar 4.5 Respon Bangunan 0.5
1
4.2 Analisa Hasil Simulasi
0
50
100
150
200
t
Gambar 4.3 Respon Bangunan c. High Damping Soft ragam 1 spesifikasi dari rubber ini adalah : diameter 0.3 m, ketebalan 0.096 m, kekakuan 2.9x105 N/m, dan koef redaman 27982.1. Respon sistem bangunan dari penggunaan rubber ini adalah :
Parameter keberhasilan penggunaan dynamic absorber pada suatu bangunan dapat dilihat dari besarnya amplitudo getaran penggaggu yang dapat diredam dengan pemasangan dynamic absorber tersebut. Dari beberapa jenis peredam yang disimulasikan pada sub bab 4.1 terdapat 4 macam dynamic absorber dengan amplitudo respon maksimum paling rendah seperti yang ditampilkan pada tabel 4.31 berikut ini
Tabel 4.1 Nilai Respon Terbaik Dynamic Absorber Jenis absorber Rubber soft (ragam 1) High damping soft (ragam 1) High damping soft (ragam 1) High damping soft (ragam 2)
Tebal (m) 0.096
Amplitudo respon max (m) 0.95
Keadaan tunak (m) 0.12
0.072
0.95
0.12
0.096
0.82
0.11
0.096
0.95
0.12
Dari tabel di atas dapat diketahui bahwa jenis dynamic absorber yang paling baik digunakan pada bangunan yang ditinjau pada penelitian tugas akhir ini adalah high damping soft dengan diameter 300 mm, ketebalan 96 mm, kekakuan 0.29 kN/mm, dan koefisien redaman 27982.1. Jenis dynamic absorber ini dapat meredam getaran tanah 12.6 m menjadi 0.82 m dan mencapai keadaan tunak 0.11 m selama 150 detik. Penggunaan dynamic absorber pada bangunan harus memperhatikan karakteristik bangunan tersebut. Nilai kekakuan (K) dan koefisien redaman (C) dari masing-masing dynamic absorber yang akan digunakan harus disesuaikan dengan massa bangunan. Dynamic absorber yang digunakan pada penelitian ini hanya berlaku untuk bangunan yang memiliki massa 750 kN. Untuk massa bangunan yang lebih kecil, kombinasi-kombinasi di atas tidak menghasilkan atenuasi amplitudo yang signifikan bahkan getaran eksitasi tidak dapat diredam. 5. Penutup 5.1 Kesimpulan Dari hasil simulasi dan analisa data pada penelitian tugas akhir ini dapat disimpulkan bahwa dapat rancang suatu bangunan tahan gempa dengan massa 750 kN yang dapat meredam getaran tanah hingga 7.1 pada skala Richter. Hasil dari simulasi dan analisa data adalah sebagai berikut :
Jenis dynamic absorber yang paling baik digunakan pada bangunan tersebut adalah high damping soft dengan diameter 300 mm, ketebalan 96 mm, kekakuan 0.29 kN/mm, dan koefisien redaman 27982.1. Jenis dynamic absorber ini dapat meredam getaran tanah 12.6 m menjadi 0.82 m dan mencapai keadaan tunak 0.11 m selama 150 detik.
Dynamic absorber yang digunakan pada penelitian ini tidak berlaku untuk bangunan ringan karena tidak akan menghasilkan atenuasi amplitudo yang signifikan.
BIODATA PENULIS Nama : Astrie Ivo TTL : Polewali, 23 Oktober 1986 Alamat : Jln. G.Tamengundur no 85 Polewali
Email :
[email protected]
