Vol.17 No.2. Agustus 2015
Jurnal Momentum
ISSN : 1693-752X
EVALUASI KINERJA STRUKTUR PILAR JEMBATAN PURUS PADA SAAT GEMPA KUAT DENGAN METODE ELEMEN HINGGA NON LINIER TIGA DIMENSI
Oleh: Hamdeni Medriosa¹, Jafril Tanjung², Oscar Fithrah Nur³ 1
Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Padang 2 Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Universitas Andalas 3 Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Padang
Abstrak Saat ini, sebagian besar struktur tahan gempa direncanakan dengan prosedur yang ditulis dalam peraturan perencanaan. Peraturan dibuat untuk menjamin keselamatan pengguna infrastruktur terhadap gempa besar yang mungkin terjadi, untuk menghindari, mengurangi kerusakan atau kerugian sebagai akibat dari beban gempa yang diterima oleh struktur. Akan tetapi, prosedur yang digunakan dalam peraturan tersebut tidak dapat secara langsung menunjukkan kinerja struktur akibat pembebanan gempa yang telah diaplikasikan pada struktur. Perencanaan struktur tahan gempa berbasis kinerja (performance-based seismic design) merupakan proses yang dapat digunakan untuk perencanaan struktur baru maupun perkuatan terhadap struktur yang sudah ada. Perencanaan berbasis kinerja ini akan memberikan pemahaman yang realistik terhadap resiko keselamatan (life), kesiapan pakai (occupancy) dan kerugian harta benda (economic loss) yang mungkin terjadi akibat gempa pada masa yang akan datang. Perencanaan berbasiskan kinerja digunakan untuk menentukan sasaran seperti yang diatur dalam FEMA 273 (1997) yang merupakan level kinerja infrastruktur. Dari konsep diatas, perhitungan jembatan Purus II dapat dilihat, bagaimana kinerja infrastruktur yang direncanakan ketika menerima beban-beban, terutama beban gempa yang telah direncanakan, dengan menggunakan metode elemen hingga. Kata Kunci : pilar jembatan, pushover
pilar jembatan Purus akibat beban gempa kuat yang mungkin terjadi di wilayah kota Padang dengan menggunakan analisis pushover, yakni dengan membebani model struktur pilar jembatan secara monotonik dalam arah horizontal. Beban horizontal ini ditentukan berdasarkan beban inersia yang bekerja pada struktur pilar, yakni hasil perkalian antara massa struktur dengan akselerasi pergerakan tanah maksimum yang pernah terjadi di wilayah kota Padang. Hasil evaluasi ini diharapkan dapat menjadi salah satu pertimbangan dan masukan, baik dalam perencanaan struktur jembatan di daerah rawan gempa, juga sebagai pertimbangan dalam pemanfaatan jembatan Purus nantinya. Kinerja insfrastruktur yang telah direncanakan tersebut perlu dievaluasi. Dalam studi ini, evaluasi kinerja dilakukan dengan menggunakan metode numerik berbasiskan Metode Elemen Hingga. Secara spesifik, dalam mengevaluasi kinerja secara analitik ini, akar permasalahan yang muncul dapat diberikan sebagai berikut: 1. Bagaimana memodelkan struktur pilar jembatan purus dengan metode elemen hingga?
1.
Pendahuluan Indonesia adalah negara yang rawan terhadap gempa karena berada dalam wilayah yang tingkat kegempaannya tinggi. Gempa besar yang melanda wilayah Indonesia terjadi pada 30 September 2009 di wilayah provinsi Sumatera Barat. Epicentrum berada sekitar 60 km dari Kota Padang. Para peneliti kegempaan mempredisi bahwa wilayah pesisir pantai Sumatera Barat berpotensi akan terjadi gempa besar yang diikuti oleh tsumani. Salah satu wilayah yang diprediksi akan menerima imbas gempa dan tsunami tersebut adalah Kota Padang. Berkenaan dengan hal tersebut di atas, Pemerintah Daerah kota Padang telah dan sedang menyiapkan infrastruktur untuk meminimalisasi dampak bencana yang mungkin akan menimpa kota Padang. Salah satu infrastruktur dimaksud adalah penyediaan jembatan yang menghubungkan daerah yang dibatasi oleh sungai di Kota Padang. Disamping sebagai infrastruktur yang menunjang perkembangan kota Padang, jembatan juga digunakan sebagai jalur evakuasi jika kota Padang mengalami bencana gempa dan tsunami. Tujuan dari studi ini adalah untuk mengevaluasi kinerja konstruksi beton bertulang
94
Vol.17 No.2. Agustus 2015
Jurnal Momentum
ISSN : 1693-752X
level kinerja infrastruktur seperti diberikan sebagai berikut: 1. Segera dapat digunakan (IO = Immediate Occupancy), 2. Keselamatan masih terjamin (LS = LifeSafety), 3. Terhindar dari keruntuhan total (CP = Collapse Prevention).
2. Bagaimana mengevaluasi kinerja pilar jika dibebani beban akibat gempa kuat? Agar proses analisis yang dilakukan dalam studi ini dapat lebih sederhana, analisis untuk menentukan kinerja jembatan Purus ini hanya dilakukan pada struktur pilar beton bertulang yang menumpu gelagar dan lantai jembatan tersebut. Pemilihan analisis pilar ini dilakukan berdasarnya kenyataan bahwa kegagalan struktur pilar jembatan akan mengakibatkan kegagalan struktur jembatan secara keseluruhan. 2. Metodologi Perencanaan Berbasis Kinerja (PerformanceBased Seismic Design) Saat ini, sebagian besar struktur tahan gempa direncanakan dengan prosedur yang ditulis dalam peraturan perencanaan. Peraturan dibuat untuk menjamin keselamatan pengguna infrastruktur terhadap gempa besar yang mungkin terjadi, untuk menghindari, mengurangi kerusakan atau kerugian sebagai akibat dari beban gempa yang diterima oleh struktur. Akan tetapi, prosedur yang digunakan dalam peraturan tersebut tidak dapat secara langsung menunjukkan kinerja struktur akibat pembebanan gempa yang telah diaplikasikan pada struktur. Perencanaan struktur tahan gempa berbasis kinerja (performance-based seismic design) merupakan proses yang dapat digunakan untuk perencanaan struktur baru maupun perkuatan terhadap struktur yang sudah ada. Perencanaan berbasis kinerja ini akam memberikan pemahaman, yang realistik terhadap resiko keselamatan (life), kesiapan pakai (occupancy) dan kerugian harta benda (economic loss) yang mungkin terjadi akibat gempa pada masa yang akan datang. Kriteria umum yang digunakan dalam perencanaan infrastruktur pada daerah rawan gempa telah di atur dalam UBC 1997, dimana kriteria ini disusun untuk mencegah terjadinya kegagalan struktur dan kehilangan korban jiwa. Kriteria dimaksud diberikan sebagai berikut : 1. Ketika terjadi gempa kecil,tidak terjadi kerusakan sama sekali. 2. Ketika terjadi gempa sedang, diperbolehkan terjadi kerusakan arsitektural tetapi bukan merupakan kerusakan struktur. 3. Ketika terjadi gempa kuat, diperbolehkan terjadinya kerusakan struktural dan non struktural ,namun kerusakan yang terjadi tidak sampai menyebabkan bangunan runtuh. Perencanaan berbasiskan kinerja digunakan untuk menentukan sasaran seperti yang diatus dalam FEMA 273 (1997) yang merupakan
Gambar 1. Perencanaan Struktur Berbasiskan Kinerja (Sumber: FEMA 273) Metode Elemen Hingga Dalam Masalah NonLinier Metode elemen hingga merupakan salah satu metode numerik yang umum digunakan untuk menganalisis masalah dalam bidang rekayasa. Perkembangan bidang teknologi komputer dan komputasi serta metode numerik memungkinkan metode elemen hingga dapat menyelesaikan masalah bidang rekayasa yang rumit dan kompleks. Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa dalam mengevaluasi kinerja struktur sipil, salah satunya berupa simulasi numerik, dimana model struktur dianalisis dengan menggunakan pendekatan analitik. Metode Elemen Hingga telah dikenal luas dalam bidang rekayasa yang mempunyai kemampuan dalam mensimulasikan model struktur seperti yang diharapkan dalam perencanaan struktur berbasiskan kinerja. Persamaan Umum ( Governing Equation ) Persamaan umum untuk metode elemen hingga diturunkan berdasarkan asumsi perpindahan infinitesimal (infinitesimal displacement) yang secara matematis dituliskan dalam persamaan (1)
(1)
95
Vol.17 No.2. Agustus 2015 Dimana
Jurnal Momentum
ISSN : 1693-752X
merepresentasikan perilaku inelastis struktur beton. c) Dapat digunakan untuk beton polos, meskipun penggunaan utamanya lebih ditujukan untuk analisis struktur beton bertulang. d) Dapat digunakan untuk memodelkan tulangan dalam beton. e) Didesain untuk penggunaan dimana beton yang dikenakan beban monotonic, siklik dan dinamis. f) Dapat mengontrol faktor pengaruh pemulihan kekakuan material selama proses pembalikan beban siklik. g) Dapat didefinisikan untuk peka terhadap the rate of straining h) Mensyaratkan bahwa perilaku elastis material dapat bersifat isotropis dan linear. Model yang didasarkan kepada kriteria damaged plasticity model mengasumsikan bahwa dua mekanisme keruntuhan utama adalah retak tarik dan kehancuran tekan dari material beton. Perkembangan dari kehancuran permukaan dikontrol dengan dua variabel hardening, yaitu mekanisme kegagalan dibawah pengaruh tarik dan pembebanan tekan. Uniaxial tension and compression stress behavior Kriteria damaged plasticity model mengasumsikan bahwa tarik uniaksial dan respon tekan struktur beton dikarakterisasikan oleh damaged plasticity, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.:
merupakan komponen
tegangan; g merupakan gravitasi. Dalam notasi tensor , persamaan (2.1) dapat dituliskan sebagai berikut: (2) Formulasi Metode Elemen Hingga Non Linier Formulasi metode elemen hingga non linier dalam studi ini diturunkan dengan mengacu kepada Weighted Residual Method (WRM), dimana perpindahan dalam domain yang ditinjau u, diambil sebagai faktor yang tidak diketahui, seperti yang dituliskan dalam persamaan (2.3). (3) Model Konstitutive Material Beton Perilaku struktur beton yang diperoleh dari hasil eksperimental sifatnya adalah sebagai makroscopik dan tidak bisa selalu merepresntasikan kondisi sebenarnya pada tingkat mikroscopik. Diharapkan kondisi makroscopik perilaku material dapat menjadi cerminan dalam model konstitutif material beton. Hal ini dikarenakan mekanisme internal yang menentukan perilaku material beton belum pernah diamati secara langsung. Sebagai contoh, proses fraktur, slip, friksi, crushing, penyebaran retakan, dan dilatasi dalam retakan beton tidak diamati secara langsung, tetapi diperoleh dari pengukuran eksperimental dan pengamatan terhadap permukaannya. Mekanisme ini kemudian dikembangkan kedalam bentuk model persamaan matematis menggunakan teori elastisitas, teori plastisitas, dan teori kehancuran dengan ekstrapolasi dan asumsi tertentu. Akibatnya, semua model memiliki batasan dan hanya mampu mensimulasikan aspek tertentu dari perilakunya. Kriteria Damaged Plasticity Model Dalam studi ini, perilaku beton mengikuti kriteria damaged plasticity model seperti yang diatur dalam Manual ABAQUS V6.11. Kehandalam kriteria ini antara lain. a) Menyediakan kemampuan untuk memodelkan struktur beton dan material getas lainnya untuk semua tipe struktur, seperti beam, truss, shell dan solid. b) Menerapkan konsep kehancuran isotropik elastis dengan mengkombinasikan dengan isotropis tarik dan tekan plastisitas untuk
Gambar 2. Perilaku Tarik dan Tekan Uniaksial Beton (Sumber : ABAQUS Theory Manual)
96
Vol.17 No.2. Agustus 2015
Jurnal Momentum
ISSN : 1693-752X
Penulangan pilar diperlihatkan dalam Gambar 4. Untuk memudahkan permasalahan, penulangan yang ditinjau tidak termasuk penulangan pada sayap pilar. Konstruksi beton pada sayap diasumsikan kuat dalam menerima beban yang ada. Bagaimanapun, analisis dengan meninjau tulangan dalam konstruksi beton bertulang akan membutuhkan memori yang besar dalam proses analisis dengan menggunakan perangkat lunak komputer. Disamping itu, proses analisis juga akan membutuhkan waktu yang relatif lama untuk mendapatkan hasil yang diharapkan. Agar analisis dapat dilakukan lebih sederhana, dalam studi ini, baja tulangan dalam konstruksi beton bertulang pilar jembatan ini dimodelkan dalam bentuk baja lembaran dengan volume yang sama dengan baja tulangan yang sesungguhnya seperti diperlihatkan dalam Gambar 4.b. Hubungan antara beton dan baja tulangan diasumsikan terekat sempurna (perfectly bonded) mengingat baja tulangan yang digunakan adalah baja ulir dan beton dengan mutu K-350, sehingga diharapkan tidak terjadi slip antara beton dan baja tulangan.
Ketika berada dibawah pengaruh beban tarik uniaksial, respon tegangan-regangan beton mengikuti hubungan linear elastis sampai nilai tegangan keruntuhan, tercapai. Keruntuhan permukaan berkaitan dengan permulaan retakan kecil yang terjadi pada struktur beton. Lebih lanjut, proses pembentukan tegangan keruntuhan pada retakan kecil direpresentasikan secara makroskopis dengan respon softening tegangan-regangan yang akan menghasilkan regangan dalam struktur beton.Keruntuhan awal, (initial yield) menandakan bahwa respon struktur beton mengalami beban tekan uniaksial yang bersifat linear. Pemodelan Elemen Hingga Dalam studi ini, pilar jembatan Purus Padang diambil sebagai objek dalam analisis. Jembatan Purus merupakan salah satu jembatan di kota Padang yang salah satu fungsinya adalah sebagai jalur evakuasi jika bencana gempa dan tsunami melanda daerah pesisir pantai kota Padang. Dengan demikian, diharapkan jembatan ini dapat berfungsi sebagaimana mestinya. Jembatan dengan bentang 80.00 meter dibagi menjadi tiga bagian dengan dua pilar peyangga dan dua abutment. Studi kasus yang diambil adalah pilar beton bertulang dengan lebar 12.00 meter, tebal 1.00 meter dan ketinggian 5.00 meter seperti diperlihatkan dalam Gambar 3. Pilar ditumpu oleh pile cap dan pondasi tiang pancang. Dalam studi ini, diasumsikan bahwa pondasi tetap stabil ketika dibebani dan pada saat gempa kuat. Atas dasar tersebut, analisis dalam studi ini hanya dilakukan pada pilar tanpa pile cap dan pondasi, dimana dasar pilar diasumsikan terjepit sempurna pada pile cap.
(a) Penulangan Pilar
A
B (b) Idealisasi Penulangan Gambar 4. Model Analisis Penulangan Pilar (a)
Model Pilar (b) Ukuran Penampang Gambar 3. Model Pilar Jembatan Purus 97
Vol.17 No.2. Agustus 2015
Jurnal Momentum
ISSN : 1693-752X
pembebanan hingga 200% dari rencana pembebanan yang ada. Hasil analisis berupa perpindahan kepala pilar terlihat tidak stabil, terutama ketika mendekati pembebanan 200% dari beban rencana.
Model elemen hingga dibuat dengan membagi struktur pilar menjadi lebih dari 2682 solid elemen 8 titik kumpul (8-node hexahedron element), 6082 titik kumpul dengan 12882 derajat kebebasan, seperti diperlihatkan dalam Gambar 5.
Titik A
(a) Pembagian Elemen Pada Beton
Gambar 6. Posisi Titik Acuan
Analisis Distribusi Tegangan Tarik Beton Distribusi tegangan utama (tarik) konstruksi beton pada akhir pembebanan yang diaplikasikan ditunjukkan dalam Gambar 7. Seperti yang diharapkan, konsentrasi tegangan dimulai dari dasar pilar dan menjalar ke bagian tengah atas pilar. Histori tegangan utama tersebut terhadap waktu pembebanan yang diberikan, ditunjukkan pada grafik dalam Gambar 8. Dari grafik tersebut terlihat bahwa seiring dengan penambahan beban, tegangan tarik menuju tegangan tarik beton yang diizinkan. Kondisi ini menunjukkan bahwa pada daerah tersebut telah mengalami retak.
(b) Pembagian Elemen Pada Baja Gambar 5. Model Elemen Hingga 3.Analisis Dan Pembahasan Model elemen hingga yang telah dibahas dalam bab sebelumnya, selanjutnya dianalisis dengan menggunakan perangkat lunak ABAQUS. Untuk menentukan kinerja konstruksi beton bertulang pilar jembatan tersebut, dalam studi ini, pembahasan akan disampaikan dalam bentuk numeric, grafik dan kontur distribusi yang relevan dengan pembahasan yang dilakukan. Seperti juga telah dibahas sebelumnya bahwa analisis yang dilakukan dengan mengaplikasikan beban monotonic terhadap model konstruksi pilar jembatan (load control)
Gambar 7. Distribusi Tegangan Utama (Tarik) Konstruksi Beton Akan tetapi, pasca mencapai titik tegangan tarik izinnya, kembali tegangan izin pada beton menurun. Ketidak stabilan hasil analisis ini diyakini karena model pada material beton tidak mencakup kondisi pasca mencapai tegangan tarik izinnya, yakni kondisi keruntuhan tarik pada beton. Kondisi ini juga tentunya akan
Perpindahan Kepala Pilar Hubungan antara base shear yang bekerja pada dasar pilar dengan perpindahan kepala pilar ditunjukkan dalam Gambar 6. Posisi dimana titik acuan untuk perpindahan kepala pilar ditunjukkan dalam Gambar 6. (titik A). Grafik dalam Gambar 6. memperlihatkan bahwa perpindahan kepala pilar relative kecil, hanya berkisar 0.5 cm pada
98
Vol.17 No.2. Agustus 2015
Jurnal Momentum
ISSN : 1693-752X
displacement control. Hasil analisis juga menunjukkan bahwa model konstitutif yang digunakan dalam studi ini belum sepenuhnya memadai untuk mensimulasikan perilaku material beton. Hal ini terutama terlihat pasca tegangan tarik telah mencapai tegangan tarik izinnya. Untuk itu disarankan untuk menggunakan model konstitutif yang mencakup perilaku material beton pasca tegangan tarik izinnya.
secara langsung menjelaskan tentang tidak stabilnya perilaku perpindahan kepala pilar yang dijelaskan dalam bagian sebelumnya.
REFERENSI Kawamura, M. and Tanjung, J., 2000, Parallel FEM Analysis for Dynamic Responses of Saturated Soil Layer, Journal of Structural Engineering.JSCE, Vol. 46A, pp. 703-712. Gambar 8. Perilaku Tegangan Utama (Tarik) Konstruksi Beton
Nguyen, Van bac (2006). Numerical Modelling of Reinforced Concrete Bridge Pier under Artificially Generated Earthquake Time Histories. University of Birmingham.
Kesimpulan Kesimpulan ini diambil berdasarkan hasil analisis dan pembahasan yang dijabarkan pada bab sebelumnya seperti yang dirangkum sebagai berikut: 1. Perpindahan kepala pilar yang terjadi relatif kecil sehingga ketika mengalami pembebanan gempa kuat, gelagar jembatan yang menumpu pada kepala pilar tidak akan mengalami perubahan posisi yang berarti. Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa, jika gelagar jembatan tidak mengalami kerusakan pada saat gempa kuat, jempatan Purus masih dapat berfungsi sebagaimana mestinya, baik pada saat gempa kuat, maupun pasca gempa kuat yang mungkin terjadi. 2. Beberapa bagian pada konstruksi beton telah mengalami kondisi awal plastis, akan tetapi belum mencapai kondisi batasnya. Dengan demikian, dapat diprediksi bahwa konstruksi beton hanya mengalami retak awal dan tanpa mengalami kerusakan yang berarti.
Dewobroto, Wiryanto. 2008. Evaluasi Kinerja Struktur Baja Tahan Gempa dengan Analisa Pushover. Universitas Pelita Harapan, Jakarta Setty, Kaliprasana (2011), Application of Pushover Analysis to RC Bridge ,project report. National Institute of Technology, Rourkela. C.C Spyrakos,. Seismic behavior of Bridge Piers including Soil-Structure Interaction. Virginia University. Vol. 43, No 2 (1992). ASCE, “FEMA 356 - Prestandard And Commentary For The Seismic Rehabilitation Of Buildings” , Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C., 2000 Weaver, William Jr. dan Paul R. Johnston (1986), Elemen Hingga untuk Analisis Struktur,PT. Eresco, Bandung. Timoshenko, S.P. & J.N. Gordier (1982), Theory of Elasticity, 3th Edition, Mc. Graw-Hill Book, New York. L.C. Wilson (1986)., Analysis of the observed seismic response of a highway bridge. Earthquake Eng. Struct Dyn. 14, 339-354
Saran Hasil analisis pushover dalam studi ini memperlihatkan kondisi tidak stabil jika pushover dilakukan dengan menerapkan pembebanan load control. Berkenaan dengan hal tersebut, disarankan dalam analisis pushover sebaiknya dilakukan dengan sistem pembebanan berbasiskan
Abaqus V6.8 HTML User Documentation.
99
