Perbandingan Respon Seismik Pondasi Mesin Tunggal dan Grup ...

Perbandingan Respon Seismik Pondasi Mesin Tunggal dan Grup dengan Variasi Perletakan Fleksibel dan Pegas Tanah

Adia Angga Rinaya1, Yuskar Lase2, dan Widjojo A. Prakoso3

1. Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 2. Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 3. Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok

Email: [email protected]

Abstrak

Penelitian ini membahas mengenai perbandingan karakteristik dinamik dan respon seismik struktur pondasi mesin yang dimodelkan secara tunggal dan grup dengan perletakan fleksibel (base isolation-Elastomeric Bearing). Struktur pondasi secara keseluruhan terdiri dari dua bagian, yaitu tiga blok pondasi mesin pada bagian atas dan blok beton pada bagian bawah. Elastomeric Bearing disisipkan diantara blok pondasi mesin dan blok beton. Permodelan secara tunggal hanya memodelkan satu blok pondasi mesin dengan base isolation yang bertumpu di atas tanah yang dianggap rigid. Permodelan grup memodelkan keseluruhan bagian utama pondasi dengan mengikutsertakan efek pegas tanah (soil spring constant) di bawah blok beton. Eksitasi gempa berupa gempa megathrust, Kobe, yang disesuaikan dengan respon spektrum Indonesia. Respon seismik dari pondasi tunggal dan grup dibandingkan dengan memvariasikan properti base isolation dan konstanta pegas tanah dalam kondisi linier. Hasil penelitian menunjukkan penggunaan pegas tanah pada pondasi yang dimodelkan secara grup memperbesar respon seismik struktur.

Comparison of Seismic Response of Single and Group Machine Foundation with Variation of Flexible Bearing and Soil Spring Constant

Abstract

This study discusses the comparison of dynamic characteristic and seismic response of machine foundation that is modeled as single and group system using flexible bearing (base isolation-Elastomeric Bearing). The whole structure of machine foundation consists of two main parts of block of machine foundation (the top part) and block of concrete (the bottom part). Elastomeric Bearing is inserted between those parts. The behaviour of single foundation is modeled as one single block of machine foundation with the base isolation, the soil is assumed as rigid material. While group behaviour is modeled by three block of machine foundation, base isolation, block of concrete and soil spring component. The earthquake excitation is megathrust earthquake, Kobe, that is matched to Indonesian response spectra. Seismic response is compared between two conditions above with variation of base isolation and soil spring constant with linear condition is considered. The soil spring provides the higher value of seismic response of structure. Keyword: Dynamic characteristic, seismic response, base isolation, Elastomeric Bearing, machine block foundation, concrete block, soil spring constant, megathrust earthquake, response spectra, single machine foundation, group machine foundation, linear condition. Pendahuluan

Penggunaan base isolation merupakan salah satu solusi untuk mengurangi dampak kerusakan

struktur terhadap gempa. Prinsip kerja base isolation adalah mereduksi gaya gempa dengan

Perbandingan respon …, Adia Angga Rinaya, FT UI, 2014

memanfaatkan mekanisme disipasi energi melalui peningkatan periode getar struktur. Periode

getar juga meningkat ketika tanah pada dasar struktur diasumsikan mendekati kondisi aslinya,

yaitu bersifat fleksibel. Ketika tanah dimodelkan sebagai pegas tanah (fleksibel), seringkali

percepatan gempa yang bekerja pada struktur menjadi lebih kecil. Namun peningkatan

periode getar struktur tidak otomatis selalu mereduksi respon seismik struktur dikarenakan

respon struktur juga dipengaruhi oleh periode predominan gempa. Penelitian ini mencoba

membuktikan hipotesa tersebut. Studi kasus dilakukan pada struktur pondasi mesin diesel dan

generator berkapasitas 600 rpm untuk keperluan pembangkit listrik. Pengaruh permodelan

pegas tanah diperoleh dengan membandingkan struktur pondasi mesin pada kondisi tunggal

(dengan base isolation dan perletakan jepit) dan kondisi grup (dengan base isolation dan

pegas tanah). Adapun pengaruh penggunaan base isolation (isolator) berupa Elastomeric

Bearing diperoleh dengan memvariasikan nilai kekakuan dalam arah vertikal dan horizontal.

Respon seismik struktur, pegas tanah, dan Elastomeric Bearing dimodelkan dalam kondisi

linier dan dianalisa menggunakan metode Modal Time History. Dimana respon struktur pada

tiap time step diperoleh berdasarkan hasil penjumlahan pola ragam getar yang

dipertimbangkan. Metode untuk menentukan pola ragam getar secara garis besar terdiri dari

analisa modal yang menggunakan persamaan eigen dan generalize coordinat dengan

pendekatan vektor Ritz (CSI Analysis Reference, 2013).

Struktur pondasi mesin dimodelkan menggunakan elemen solid, dimana dalam satu nodal

terdiri dari tiga derajat kebebasan/ degree of freedom (DOF) dengan sifat menyerupai elemen

membran, yaitu menerima beban dalam arah bidangnya (Solid Element, 1989). Pegas tanah

dihitung menggunakan teori Elastic Half Space untuk pondasi mesin terbenam dimana

pondasi mesin diasumsikan sebagai blok rigid (Braja M. Das, 2011). Novak dan Beredugo

(1972) merumuskan perhitungan kekakuan vertikal ( ) dan horizontal ( ) pondasi terbenam

dengan solusi elastic half-space berturut-turut dirumuskan sebagai berikut dengan modulus

elastisitas tanah (G) yang digunakan adalah untuk tanah pasir dan adalah jari-jari ekivalen

struktur pondasi.

(1)

(2)


Nilai modulus elastisitas tanah pasir dihitung pada kondisi regangan kecil (10-4-10-6), hal ini

dikarenakan ketika beban yang bekerja pada tanah adalah beban dinamik, maka gaya inersia

menjadi cukup signifikan terhadap perubahan deformasi tanah, sehingga tidak dapat

diabaikan efeknya (Emilie Rascol, 2009).

Karakteristik mekanik multilayer Elastomeric Bearing dihitung menggunakan pendekatan

teori elastik yang sekarang ini telah diuji menggunakan analisa elemen hingga, dimana

properti mekanik Elastomeric Bearing yang utama berupa kekakuan horizontal (KH) dan

kekakuan vertikal (KV) (James Kelly, 2011). Respon seismik struktur yang dibandingkan

antara kondisi tunggal dan grup meliputi gaya geser dasar, gaya dalam dan deformasi isolator,

perpindahan struktur. Karakteristik dinamik dianalisa untuk mendapatkan gambaran

mengenai efek permodelan pegas tanah terhadap perilaku struktur pondasi.

Gempa didesain berdasarkan teori acak dengan menggunakan program SeismoMatch 1.3.0

dimana mekanisme kerja program ini adalah menyesuaikan (matching) akselerograf gempa

asli (gempa Kobe) dengan respon spektrum target Indonesia. Proses matching yang dilakukan

diawali dengan pembentukan spektrum desain lokasi Jakarta (SE) sesuai ketentuan SNI

1726:2012. Respon desain ini diinputkan bersama dengan rekaman gempa Kobe asli ke dalam

software SeismoMatch untuk selanjutnya dilakukan proses matching. Akselerograf sintetis

harus memenuhi ketentuan SNI 1726:2012 pasal 12.3.2 dimana untuk ketentuan respon

riwayat waktu linier, maka rata-rata respon spektrum untuk redaman 5% harus lebih besar

dari respon spektrum desain setempat untuk periode 0.2T – 1.5T. Untuk sistem dengan

isolasi seismik, periode 0.2T – 1.5T diganti menjadi 0.5TD– 1.25TM,

Material dan Metodologi

Dalam penelitian ini, struktur pondasi mesin secara keseluruhan terdiri dari tiga bagian utama,

yaitu bagian atas (blok pondasi mesin), isolator, dan bagian bawah (blok beton). Secara lebih

detail komponen pondasi mesin dapat dilihat pada gambar di bawah ini.


Gambar 1. Bagian struktur pondasi mesin secara keseluruhan tampak atas

Gambar 2. Potongan melintang struktur pondasi mesin secara keseluruhan

Gambar 3. Layout struktur dan denah struktur pondasi mesin


Spesifikasi properti material yang digunakan untuk komponen pondasi mesin adalah beton

dengan kuat tekan (fc`) sebesar 30 MPa, modulus elastisitas beton sebesar 25742,96 MPa

dengan berat jenis sebesar 24 kN/m3. Tulangan menggunakan baja dengan mutu 400 MPa

dengan modulus elastisitas sebesar 2x105 MPa. Beban dimodelkan sebagai beban mati yang

terdiri dari berat sendiri struktur dan beban mesin dengan nilai sebesar 30 ton untuk mesin

diesel dan 16 ton untuk generator.

Elastomeric Bearing yang digunakan divariasikan untuk dapat melihat pengaruh penggunaan

base isolation dengan spesifikasi dimensi dan nilai kekakuan pada tabel di bawah ini.

Tabel 1. Spesifikasi variasi kekakuan Elastomeric Bearing

Elastomeric Bearing Panjang (mm) Lebar (mm) Tebal (mm) Kh (kN/mm) Kv (kN/mm)

E1 250 250 200 0,299 54,62

E2 250 250 200 0,331 60,41

E3 250 250 200 0,370 67,56

Pada permodelan pegas tanah, untuk kekakuan horizontal dan vertikal dibedakan menjadi

kekakuan kompresi dan kekakuan friksi yang dihitung berdasarkan perbandingan geometri

pondasi terhadap fungsi kedalaman terbenam.

Tabel 2. Variasi konstanta pegas tanah vertikal dan horizontal

Tanah RD (%) Khx~y (kN/m) Kv (kN/m)

Kkompresi Kfriksi Kkompresi Kfriksi T1 30 121897,84 704611,80 997373,4 70115,4 T2 75 218722,08 1257023,48 1632324,2 127158,0 T3 90 332316,23 2090039,20 2566750,4 182753,0

Gempa Kobe hasil matching yang dapat digunakan dalam penelitian ini adalah gempa Kobe

stasiun Nishi-Akashi dalam arah yang saling ortogonal (NIS00 dan NIS90), dengan posisi

akselerometer berada pada permukaan tanah. Adapun respon spektrum hasil matching gempa

Kobe dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Dalam permodelan, sepasang akselerograf

sintetis Kobe dimasukan sebagai fungsi Time History untuk tiap arah X dan Y. Sehingga,

untuk arah X dikenakan fungsi Kobe NIS00 (Kobe 1), dilambangkan dengan arah X dan

Kobe NIS90 (Kobe 2) yang dilambangkan dengan arah X-1. Demikian pula untuk arah Y.


Gambar 4. Perbandingan respon spektrum hasil matching dan spektrum target

Gambar 5. Time history hasil matching Proses analisa yang digunakan dalam penelitian ini digambarkan dalam diagram alur berpikir.

Gambar 6. Diagram alur berpikir


Hasil dan Pembahasan

Karakteristik dinamik:

Pengaruh penggunaan pegas tanah diperoleh dengan membandingkan hasil permodelan secara

tunggal dan grup. Hasil permodelan menunjukkan ketika struktur dimodelkan secara tunggal

dengan base isolation dan perletakan jepit, maka partisipasi massa 90% telah dihasilkan pada

mode 1. Sementara ketika pondasi dimodelkan secara grup dengan sistem fleksibel yang

terdiri dari base isolation dan pegas tanah, maka partisipasi massa terbagi ke dalam dua mode

utama, yaitu mode awal 1 dan 2 (mode lokal) dan mode tinggi 13 dan 14 (mode global).

Adapun periode getar struktur grup pondasi mesin lebih besar dari permodelan secara tunggal

untuk tiap Elastomeric Bearing yang digunakan.

Gambar 7. Perbandingan periode getar struktur pondasi tunggal dan grup Selain itu, penggunaan pegas tanah mengubah perilaku struktur yang sebelumnya hanya

bergantung pada base isolation (model tunggal), namun kini dipengaruhi oleh sistem fleksibel

yang terdiri dari base isolation dan pegas tanah (model grup). Komponen sistem fleksibel ini

memecah perilaku struktur sebanyak jumlah komponen fleksibel. Hal ini dapat dilihat pada

partisipasi massa yang terbagi menjadi dua bagian besar dalam arah mode yang sama. Karena

dalam grup pondasi mesin perilaku struktur dipengaruhi oleh sistem fleksibel, maka secara

keseluruhan arah lemah struktur juga berubah mengikuti arah lemah sistem fleksibel, yaitu

dimana ketika struktur hanya dimodelkan menggunakan base isolation arah lemah berada

dalam arah X dan Y. Namun ketika pegas tanah ikut dimodelkan bersama dengan base

isolation, maka arah lemah struktur berubah menjadi arah Y dan X.


Tabel 3. Partisipasi massa model tunggal terhadap variasi Elastomeric Bearing

Mode Arah Patisipassi Massa (%)

E1 E2 E3 1 Ux 99,59 99,59 99,59 2 Uy 100 100 100

Tabel 4. Partisipasi massa model grup terhadap variasi Elastomeric Bearing untuk pegas tanah T1

Mode Arah Patisipassi Massa (%)

E1 E2 E3

1 Uy 46,98 47,28 47,63

2 Ux 46,27 46,51 46,81

13 Uy 52,34 52,08 51,76

14 Ux 53,51 53,26 52,96

Pengaruh penggunaan base isolation untuk model pondasi tunggal dan grup dapat dilihat pada

periode getar yang dihasilkan. Semakin kaku base isolation yang digunakan, maka periode

getar menjadi lebih kecil. Upaya mengubah fleksibilitas struktur melalui penggunaan sistem

fleksibel dilakukan untuk memperkecil gaya gempa yang bekerja pada struktur. Pada

umumnya, struktur yang fleksibel mampu meredam gaya gempa. Namun tidak selalu

demikian, hal ini dikarenakan respon seismik struktur tidak hanya dipengaruhi oleh periode

getar struktur namun juga dipengaruhi oleh periode predominan gempa. Penggunaan sistem

fleksibel yang tepat adalah ketika periode getar akibat penggunaan sistem fleksibel berada

pada periode predominan gempa dengan percepatan gempa yang kecil atau dengan kata lain

penggunaan sistem fleksibel mampu memperkecil/ meredam gaya gempa yang bekerja pada

struktur.

Respon seismik:

Hasil permodelan menunjukkan bahwa respon seismik permodelan secara grup

(mempertimbangkan efek pegas tanah) memiliki nilai yang lebih besar daripada permodelan

secara tunggal (tidak mempertimbangkan efek pegas tanah), baik pada respon gaya geser pada

level isolator, gaya dalam isolator, deformasi isolator maupun perpindahan strukturnya. Hal

ini sesuai dengan hipotesa yaitu, bahwa dengan meningkatkan periode getar struktur tidak

otomatis memperkecil respon seismik struktur dikarenakan respon seismik struktur juga

dipengaruhi oleh periode predominan gempa.


Gambar 8. Grafik perbandingan gaya geser maksimum struktur pondasi mesin tunggal dan grup

Gambar 9. Grafik perbandingan gaya dalam lintang struktur pondasi mesin tunggal dan grup

Gambar 10. Grafik perbandingan deformasi isolator struktur pondasi mesin tunggal dan grup


Gambar 11. Grafik perbandingan perpindahan struktur pondasi mesin tunggal dan grup Penggunaan pegas tanah untuk memodelkan kondisi perletakan pada level tanah adalah

mengkondisikan tanah sebagai material fleksibel. Oleh karena itu, permodelan pondasi secara

grup memiliki perpindahan struktur yang lebih besar dari permodelan pondasi mesin secara

tunggal. Hal ini dikarenakan perpindahan grup pondasi mesin adalah perpindahan yang terjadi

pada dasar blok beton ditambah dengan deformasi isolator dan defleksi blok pondasi mesin.

Sementara perpindahan pondasi mesin tunggal adalah deformasi isolator ditambah defleksi

pada blok pondasi mesin.

Besarnya gaya dalam dan deformasi isolator yang terjadi pada model dengan pegas tanah

dipengaruhi oleh gaya gempa yang bekerja pada model grup lebih besar dari model tunggal.

Hal ini dibuktikan dengan nilai gaya geser model grup dengan pegas tanah yang lebih besar

dari model tunggal (dapat dilihat pada grafik perbandingan gaya geser). Besarnya gaya geser

grup pondasi pada level isolator menunjukkan bahwa penggunaan komponen sistem fleksibel

yang lebih banyak (struktur menjadi lebih fleksibel) tidak selalu meredam gaya gempa yang

bekerja.

Adapun persentase perbedaan nilai antara model grup dan model tunggal relatif terhadap

model tunggal dirangkumkan dalam tabel berikut. Dimana untuk tiap parameter respon

seismik, grup pondasi mesin menghasilkan nilai yang lebih besar dari pondasi mesin tunggal.


Tabel 5. Persentase perbandingan nilai model pondasi mesin tunggal dan grup

Parameter Respon Seismik Persentase Perbedaan Nilai Model Tunggal dan

Grup (%) X X-1 Y Y-1

Gaya geser level isolator 3,89 3,75 4,03 3,91 Gaya dalam lintang isolator 4,52 2,52 2,42 4,78 Deformasi isolator 0,244 12,89 12,18 0,88 Perpindahan struktur 7,52 18,82 20,37 9,44

Kesimpulan

Dari hasil pembahasan dalam penelitian ini dapat disimpulkan poin-poin berikut ini. Pertama,

struktur yang lebih kaku memiliki periode getar yang lebih besar. Kedua, pada permodelan

secara tunggal partisipasi massa 90% tercapai pada mode awal. Namun ketika dilakukan

permodelan secara grup dimana sistem fleksibel terdiri dari dua komponen, partisipasi

massanya terbagi ke dalam dua mode utama, yaitu mode awal (mode lokal) dan mode tinggi

(mode global). Ketiga, besarnya gaya geser yang diterima struktur menunjukkan besarnya

percepatan gempa yang bekerja pada struktur tersebut, dimana untuk model tunggal

percepatan gempa yang bekerja pada model dapat dianalisa menggunakan statik ekivalen,

namun tidak demikian untuk model grup. Keempat, penggunaan sistem fleksibel berupa pegas

tanah dan base isolation tidak otomatis selalu mereduksi respon seismik struktur. Hal ini

dikarenakan respon seismik struktur tidak hanya dipengaruhi oleh periode getar struktur

namun juga periode predominan gempa yang bekerja. Kelima, respon seismik model grup

pondasi mesin lebih besar dari model pondasi tunggal untuk tiap parameter respon seismik.

Daftar Referensi

Computers and Structures, Inc. (2013). CSI Analysis Reference Manual. California, University Avenue Berkeley.

Das, Braja M. (2011). Principles of Soil Dynamics. United States of America: PWS-KENT. Ecole des Mines de Paris. (1991). Finite Element. Centre des Materiaux. Kelly, James M., & Konstantinidis, Dimitrios A. (2011). Mechanics of Rubber Bearing for

Seismic and Vibration Isolation. A John Wiley & Sons, Ltd. Rascol, Emilie. (2009). Thèse No 4546 “Cyclic Properties of Sand: Dynamic Behaviour for

Seismic Applications”. Suisse: École Polytechnique Fédérale De Lausanne. Rinaya, Adia A. (2014). Skripsi “Perbandingan Respon Seismik Pondasi Mesin Tungga dan

Grup dengan Variasi Perletakan Fleksibel dan Pegas Tanah”. Departemen Teknik Sipil, Universitas Indonesia.


Perbandingan Respon Seismik Pondasi Mesin Tunggal dan Grup ...

Documents