09E02719.pdf

download 09E02719.pdf

of 157

Transcript of 09E02719.pdf

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper

    Akibat GayaGempa

    Tugas Akhir

    Diajukan untuk melengkapi tugas-tugas dan memenuhi Syarat untuk menempuh ujian sarjana Teknik Sipil

    Disusun oleh:

    HELMY ISKANDARSYAH 04 0404 046

    SUB JURUSAN STRUKTUR

    DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK

    UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

    2009

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    ABSTRAK

    Kerusakan bangunan akibat gempa secara konvensional dapat dicegah dengan memperkuat struktur bangunan terhadap gaya gempa yang bekerja padanya. Namun, hasil ini sering tidak memuaskan karena kerusakan elemen baik struktural maupun nonstruktural umumnya disebabkan adanya perbedaan simpangan antar tingkat (interstory drift). Untuk memperkecil interstory drift dapat dilakukan dengan memperkaku bangunan dalam arah lateral. Tetapi , hal ini akan memperbesar gaya gempa yang bekerja pada bangunan. Metode yang lebih baik adalah dengan meredam energi gempa sampai pada tingkat yang tidak membahayakan bangunan. Sejalan dengan perkembangan teknologi bahan/sistem untuk anti gempa, telah ditemukan bahan anti seismik (seismic device) yang disebut juga dengan Damper dalam hal ini yaitu Yielding Damper. Metode perencanaan struktur tahan gempa dapat dibagi menjadi dua, yaitu metode konvensional yang mengutamakan bentuk-bentuk struktur yang kaku dan daktailitas yang yang tinggi metode teknologi dengan menambahkan alat-alat seismic devices ke struktur.

    Yielding damper / metallic yielding damper bekerja dengan mendissipasi energi melalui pelelehan bahan damper yaitu adalah pelat lentur, yaitu jenis damper dengan dissipasi energi melalui lenturaan pelat. Hubungan gaya dan displacement pelat damper. Pada tugas akhir ini akan digunakan metode respon spektrum dengan bantuan perhitungan program SAP 2000 versi 11. Pada analisa ini akan diperoleh nilai perioda getar struktur, displacement, momen, gaya lintang, dan gaya normal. Dimana struktur yang digunakan adalah struktur baja profil WF. Struktur yang dianalisa adalah struktur konvensional, dengan menggunaka bracing dan yielding damper. Dimana, struktur dengan menggunakan yielding damper ini dapat memperkecil periode getar struktur bangunan dibandingkan kedua struktur lainnya. Sehingga simpangan antar struktur akan menjadi lebih kecil dan struktur akan lebih aman. Perbandingan periode getar, gaya gaya yang bekerja (momen, gaya lintang (geser), gaya normal dan simpangan pada struktur dengan menggunakan yielding damper yang didapatkan dari hasil analisa akan akan memperoleh maksimal 38.02 % atau sampai 40% lebih kecil bila dibandingkan dengan struktur konvensional dan struktur dengan menggunakan bracing.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    KATA PENGANTAR

    Alhamdulillah, puji dan syukur kepada Allah SWT, yang telah memberikan

    rahmat dan hidayah-Nya hingga selesainya Tugas Akhir ini dengan judul Analisa

    Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper

    Akibat Gaya Gempa

    Tugas Akhir ini disusun untuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus

    dipenuhi dalam Ujian Sarjana Teknik Sipil Bidang Studi Struktur pada Departemen

    Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU). Penulis menyadari

    bahwa Tugas Akhir ini yang masih banyak kekurangan. Hal ini disebabkan

    keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. Dengan tangan

    terbuka dan hati yang tulus penulis menerima saran dan kritik bapak dan ibu dosen

    serta rekan mahasiswa demi penyempurnaan Tugas Akhir ini.

    Penulis juga menyadari bahwa selesainya Tugas Akhir ini tidak lepas dari

    bimbingan, dukungan dan bantuan semua pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini

    penulis menyampaikan rasa terima kasih yang tulus dan tidak terhingga kepada

    kedua orang tua yang selalu penulis muliakan yang telah memberikan segalanya

    hingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan ini.

    Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada :

    1. Bapak Prof. DR. Ing. Johannes Tarigan, selaku Ketua Departemen Teknik Sipil

    Universitas Sumatera Utara.

    2. Bapak IR.Teruna Jaya, M.Sc., selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil

    Universitas Sumatera Utara.

    3. Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT dan Bapak Ir. Robert Panjaitan selaku

    pembimbing dan Co- pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    dan pikiran dalam memberikan bimbingan yang tiada hentinya kepada penulis

    dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

    4. Bapak/Ibu Dosen Staf Pengajar Jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.

    5. Kedua orang tua penulis tersayang yang tak pernah lelah berdoa, memberikan

    segala yang terbaik dan kasih sayang yang tak berkesudahan, serta seluruh

    saudara-saudara saya semuanya.

    6. Rekan rekan mahasiswa Jurusan Teknik Sipil, terutama teman teman

    Angkatan 2004,. Adik- adik angkatan 2005, 2006, 2007, dan Abang / kakak

    stambuk 2003, 2002, 2001, 2000, terima kasih atas masukan nya selama ini.

    Medan, 2009

    HELMY ISKANDARSYAH 040404046

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    DAFTAR ISI

    KATA PENGANTAR .. ...................................................................... i

    ABSTRAK .. ..................................................................... iv

    DAFTAR ISI ...................................... .......................................................... v

    DAFTAR NOTASI .. .................................................... xvi

    BAB 1. PENDAHULUAN .................................................................. 1

    1.1. Latar Belakang.. ............................................ 1

    1.2. Permasalahan ............................................................... 2

    1.3. Tujuan Penulisan .......................................................... 5

    1.4. Pembatasan Masalah .................................................... 5

    1.5. Metode Pembahasan .................................................... 6

    BAB 2. TEORI DASAR ........................................................................ 7

    2.1. Umum .. ............................................. 7

    2.2. Karakteristik Struktur Bangunan .................................. 13

    2.2.1 Massa ................................................................. 13

    2.2.1 Model Lumped Mass ................................ 13

    2.2.1 Model Consistent Mass Matrix .................. 14

    2.2.2 Kekakuan ............................................................ 15

    2.2.3 Redaman ............................................................. 15

    2.3. Simpangan Drift Akibat Gaya Gempa .......................... 16

    2.4. Derajat Kebebasan (Degree Of Freedom, DOF...............17

    2.4.1 Persamaan Differensial pada struktur SDOF ...... 18

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    2.4.2 Pers. Diferensial SDOF akibat base motion .......... 19

    2.4.3 Pers. Diferensial Struktur MDOF ..21

    2.4.3.1 Matriks Massa, Matriks Kekakuan dan Matriks

    Redaman....21

    2.4.3.2 Matriks Redaman..24

    2.4.3.3 Non Klasikal / Non Proporsional

    Damping... 25

    2.4.3.4 Klasikal / Proporsional Damping. 26

    2.4.4 Getaran Bebas Pada Struktur MDOF 28

    2.4.4.1 Nilai Karakteristik (Eigenproblem)... 28

    2.4.4.2 Frekuensi Sudut () dan Normal Modes30

    2.4.5 Getaran Bebas Pada Struktur MDOF................ 32

    2.4.5.1 Persamaan Difrensial Independen

    ( Uncoupling).32

    2.4.5.2 Getaran Bebas Tanpa Redaman..37

    2.4.5.3 Getaran Bebas Dengan Redaman...40

    2.4.5.4 Persamaan Difrensial Dependen

    ( Coupling).42

    2.4.5.5 Penyelesaian Persamaan Difrensial

    Gerakan..43

    2.4.5.6 Metode - Newmark...43

    2.4.6 Persamaan Difrensial Struktur MDOF Akibat Base

    Motion 46

    2.5. Respon Spektrum ......................................................... 48

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    2.5.1 Modal amplitude Zj dan modal displacement uj.51

    2.5.2 Modal Seismic Force Fj ....................................... 54

    2.5.3 Modal story Shear Vij .......................................... 56

    2.5.4 Modal story Drift, i ............................................. 57

    2.5.5 Modal Lateral Displacement ................................. 57

    2.5.6 Modal Overtuning Moment ................................. 57

    2.5.7 Modal Base Shear Vi ........................................... 58

    2.5.8 Modal Effective Weight ....................................... 58

    BAB 3. Analisa Metallic Yielding Damper Pada Bangunan...................60

    3.1. Umum. ............................ 60

    3.2. Konsep perencanaan struktur tahan gempa..61

    3.3. Peran Damper Terhadap Getaran..63

    3.4 Metallic Yielding Damper ....................................64

    3.5. Kekakuan Dan Daktailitas Pelat Damper ...................68

    3.5.1 Daktailitas Bahan Pelat.........................69

    3.5.2 Pengaruh Bentuk Pelat.........................................71

    3.6 Model Analisa Damper Terhadap Suatu Bangunan 78

    3.7 Pengaruh Damping Terhadap Response Spektrum

    Gempa84

    3.8 Aplikasi Yielding Damper Pada Bangunan...86

    BAB 4. APLIKASI............................. ..................................................... ..88

    4.1. Pendahuluan. ........................................................... ..88

    4.2. Pengerjaan Model Struktur. ..................................... ..89

    4.2.1. Pemodelan Struktur89

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    4.2.2. Pembebanan Pada Struktur90

    4.3. Prosedur Perencanaan Bangunan Tahan Gempa Dengan

    MetallicYielding Damper......................................................95

    4.4. Prosedur Analisa SAP 2000 Versi 11..97

    4.5 Analisa Data Struktur Bangunan...105

    4.5.1. Analisa Struktur Bangunan Biasa (Konvensional)..105

    4.5.2. Analisa Struktur Bangunan Dengan

    Menggunakan Bracing..107

    4.5.3. Analisa Struktur Bangunan Dengan Damper.109

    4.6. Hasil Analisa Momen , Gaya Lintang , Dan Gaya Normal112

    4.6.1. Hasil Analisa Pada Struktur Biasa Pada Balok112

    4.6.2. Hasil Analisa Pada Struktur Dengan

    Menggunakan Bracing Pada Balok...114

    4.6.3. Hasil Analisa Pada Struktur Dengan

    Menggunakan Damper Pada Balok115

    4.6.4. Hasil Analisa Pada Struktur Biasa Pada Kolom......117

    4.6.5. Hasil Analisa Pada Struktur Dengan.

    Menggunakan Bracing Pada Kolom..118

    4.6.6. Hasil Analisa Pada Struktur Dengan

    Menggunakan Damper Pada Kolom...............120

    4.7. Perbandingan Gaya-Gaya Maksimum Struktur Biasa Dengan

    Struktur Dengan Menggunakan Yielding Damper..121

    4.7.1.Perbandingan Gaya-Gaya Maksimum Pada

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Balok Struktur Biasa Dengan Struktur

    Dengan Menggunakan Yielding Damper121

    4.7.2.Perbandingan Gaya-Gaya Maksimum Pada Kolom

    Struktur Biasa Dengan Struktur Dengan Struktur

    Menggunakan Yielding Damper.....122

    4.8. Perbandingan Gaya-Gaya Maksimum Struktur Menggunakan

    Bracing Dengan Struktur Dengan StrukturYang Menggunakan

    Yielding Damper123

    4.8.1. Perbandingan Gaya-Gaya Maksimum Pada Balok ..123

    4.8.2 .Perbandingan Gaya-Gaya Maksimum Pada Kolom..124

    4.9. Kinerja Batas Layan Pada Struktur Bangunan Dengan Atau

    pun Tanpa Menggunakan Metallic Yielding Damper125

    4.9.1. Kinerja Batas Layan Untuk Struktur Bangunan

    Biasa (Konvensional).125

    4.9.2. Kinerja Batas Layan Untuk Struktur Bangunan

    Dengan Menggunakan Bracing127..

    4.9.3. Kinerja Batas Layan Untuk Bangunan

    Yang Menggunakan Yielding Damper..128

    BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN.................................................. ...133

    5.1. Kesimpulan ..............................................................................133.

    5.2. Saran .................................................................. ...135

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    DAFTAR NOTASI

    b lebar pelat damper

    h tinggi pelat damper

    ccr damping kritis ( critical damping gaya lateral pelat )

    g gravitasi sebesar 980 cm/detik2

    cd konstanta damping dari damper

    m Massa

    k Kekakuan

    k1 kekakuan awal ( jumlah kekakuan struktur dan kekakuan

    damper)

    k2 kekakuan struktur

    kd kekakuan damper

    kdp kekakuan damper pelat

    kp kekakuan pelat

    kpe kekakuan pelat keadaan elastic

    kpp kekakuan pelat keadaan plastis

    fp gaya lateral pelat

    u Simpangan

    up deformasi pelat

    upy deformasi pelat keadaan permulaan leleh

    um simpangan maksimum keadaan leleh

    ue simpangan maksimum keadaan elastic

    uy simpangan permulaan leleh

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    u(t) simpangan pada waktu t

    u(0) simpangan pada waktu t =0

    v(0) kecepatan awal pada waktu t = 0

    E modulus elastika bahan pelat

    Ed dissipasi energi getaran akibat damping

    Ehys dissipasi energi dari pelelehan bahan struktur

    F gaya dalam struktur

    Fd gaya damping

    I momen inersia pelat

    t tebal pelat damper

    Mp momen pelat diujung atau di tumpuan

    Mpy momen pelat saat serat paling ujung mulai meleleh

    Mpp momen plastis pelat

    H tinggi bangunan

    SDOF Single Degree Of Freedom

    Sa percepatan spectral response gempa

    Sa5 percepatan spectral response gempa zone 5 SNI

    Sv kecepatan spectral response gempa

    Sv5 kecepatan spectral response gempa zone 5 SNI

    Sd simpangan spectral response gempa

    Sd5 simpangan spectral response spektrum gempa zone 5

    T waktu getar

    T1 waktu getar awal struktur dengan damping

    Te waktu getar model pengganti equivalent

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    d perbandingan kekakuan damper dengan kekakuan struktur

    )( factor damping

    daktilitas bahan pelat

    tegangan pelat

    y tegangan leleh bahan pelat

    persen damping

    ,,u Percepatan getaran

    ,,u g Percepatan gerakan tanah

    ,u kecepatan getaran

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    BAB 1

    PENDAHULUAN

    1.1 Latar Belakang

    Gempa bumi merupakan suatu gerakan tiba tiba dari tanah yang berasal dari

    gelombang pada suatu tempat dan menyebar dari daerah tersebut ke segala arah.

    Gempa bumi dalam hubungannya dengan suatu wilayah berkaitan dengan gerakan

    muka bumi dan pengaruhnya terhadap daerah yang bersangkutan. Masing masing

    daerah mempunyai prilaku yang berbeda terhadap gempa, karena tiap daerah

    mempunyai bentuk maupun jenis wilayah yang berbeda.

    Pada perencanaan bangunan, parameter gempa bumi yang langsung

    mempengaruhi perencanaan adalah percepatan tanah yang ditimbulkan gelombang

    seismic yang bekerja pada massa bangunan. Kedalaman pusat gempa bumi, jarak

    episenter ke daerah yang dituju, sistem pondasi, massa dan geometri bangunan dan

    lain sebagainya.

    Seperti yang dijelaskan tadi pengaruh gempa juga tergantung daerah/wilayah

    yang mengalami gempa. Untuk wilayah Indonesia dibagi dalam 6 (enam) wilayah

    gempa dengan masing-masing tingkat kerawanan terjadinya gempa dan wilayah

    Indonesia merupakan wilayah yang sering dilanda gempa karena terletak pada 4

    (empat) lempeng tektonik yaitu lempeng Australia-India, lempeng Euro-Asia,

    lempeng Pasifik dan Philipine. Gempa bumi tidak mungkin di cegah dan sulit sekali

    di ramalkan kapan terjadi, dimana lokasinya dan berapa magnitudenya. Jadi yang

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    harus dilakukan adalah bagaimana mengatasi atau memperkecil pengaruh kerusakan

    yang ditimbulkan oleh gempa bumi pada suatu struktur bangunan.

    Kerusakan bangunan akibat gempa secara konvensional dapat dicegah dengan

    memperkuat struktur bangunan terhadap gaya gempa yang bekerja padanya. Namun,

    hasil ini sering tidak memuaskan karena kerusakan elemen baik struktural maupun

    nonstruktural umumnya disebabkan adanya interstory drift (perbedaan simpangan

    antar tingkat). Untuk memperkecil interstory drift dapat dilakukan dengan

    memperkaku bangunan dalam arah lateral. tetapi , hal ini akan memperbesar gaya

    gempa yang bekerja pada bangunan. Metode yang lebih baik adalah dengan

    meredam energi gempa sampai pada tingkat yang tidak membahayakan bangunan.

    Sejalan dengan perkembangan teknologi bahan/sistem untuk anti gempa, telah

    ditemukan bahan anti seismik yang disebut juga dengan Damper dalam hal ini yaitu

    Yielding Damper.

    1.2 Permasalahan

    Yielding damper ini dipasang pada struktur bangunan baja, karena alat ini

    diletakkan antara balok suatu struktur dan struktur pengaku (Braced Frame).

    Yielding damper adalah suatu sistem unik yang mengkombinasikan regangan dan

    kekakuan rangka (kekakuan baja) dengan karakteristik momen.Yielding Damper

    bekerja pada daerah yang mengalami leleh pada struktur rangka pengaku, baik pada

    pengakunya ataupun pada link pada struktur rangka pengaku. Anti seismik yielding

    damper ini erat kaitannya dengan rangka pengaku karena alat ini diletakkan di atas

    pada eksentrisitas brace frame (link) maupun pada pengakunya. Karena elemen

    inilah yang menerima gaya lateral yang paling besar dari struktur. Sehingga elemen

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    ini harus mendapat perhatian yang lebih khusus, dalam hal perencanaannya. Oleh

    sebab itu, untuk daerah tersebut perlu disiasati agar tidak terjadi deformasi yang

    terlalu besar atau melebihi kapasitas terhadap gaya gempa.

    Yielding Damper ini dapat berupa Added Damping and Stiffness Damper

    (ADAS Damper) dan Reinforced Buckling Restrained Brace Damper (RBRB

    Damper) yang memiliki system yang memberikan kekakuan untuk mereduksi respon

    akibat gempa dari perpindahan lateral, bahaya tingkat, dan torsi dari struktur

    bangunan selama gempa terjadi. Damper ini juga menghamburkan kapasitas energi

    maksimum saat puncak energi akibat gaya gempa pada struktur. Yielding damper

    sudah dapat digunakan pada suatu struktur dengan struktur pengaku seperti yang

    telah dijelaskan di atas. Damper ini terdiri dari bahan campuran baja murni sesuai

    dengan peraturan building code di Taiwan. Metalic Yielding Damper adalah Sistem

    alat anti gempa atau Seismic device.Seismic devices bekerja dengan merubah

    kekakuan, damping dan menambah massa ke struktur. Yielding damper disebut juga

    hysterestic-yield damper bekerja dengan mendissipasi energi melalui pembentukan

    sendi plastis atau pelelehan bahan damper, Yielding damper yang dibahas dalam

    tugas akhir ini adalah damper pelat dengan kekakuan bi-linier , yaitu jenis damper

    dengan dissipasi energi melalui pelelehan lenturan pelat.

    Untuk yielding damper yang diletakkan pada struktur pengaku baik pada link

    ataupun pada struktur pengaku, karena bila terjadi gaya yang sangat besar pada

    struktur, maka yang akan mengalami deformasi hanya elemen linknya saja dan

    bagian leleh pada struktur pengaku. Maka yielding damper ini efektif digunakan

    untuk gaya gempa yang melebihi kapasitas bangunan hanya dengan struktur pengaku

    tanpa damper.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Damper atau disebut sistem anti seismic, merupakan suatu system yang kuat

    untuk perencanaan bangunan. Sebaiknya bangunan yang mempunyai kapasitas

    tahanan terbatas terhadap gempa bumi setelah menggunakan struktur pengaku

    merupakan bangunan yang semestinya menggunakan damper.

    Selama gempa terjadi damper ini meredam energi gempa dengan daktilitas

    pada pelat baja dan mereduksi deflection yang berlebihan. Di Taiwan banyak

    bangunan menggunakan yielding damper yang mengalami gempa dengan kekuatan

    rata-rata 6.5 SR dan damper ini menunjukkan kerja yang baik selama gempa terjadi

    tanpa ada kerusakan berarti. Pemasangan, perawatan, dan pengamatan terhadap

    damper ini termasuk mudah.

    Dalam perencanaan bangunan, beban akibat gempa sangat diperhitungkan

    dalam analisanya sehingga walaupun bangunan tersebut terkena gempa tidak

    langsung rubuh melainkan timbul keretakan yang akan memperkecil korban jiwa.

    Pada analisa beban gempa sangat tergantung kepada struktur dari bangunan tersebut

    dimana bentuk dari denah dan ketinggian bangunan tersebut adalah factor utama

    dalam memperhitungkan gaya akibat dan guncangan gempa tersebut. Oleh sebab itu,

    bila telah direncanakan bangunan dengan struktur pengaku masih tidak aman maka

    solusi yang dianjurkan adalah dengan yielding damper untuk mereduksi gaya gempa

    dan deformasi yang bias mengakibatkan kerusakan pada struktur yang menyebabkan

    bangunan rubuh.

    Untuk itu analisa yang dipakai dalam menganalisis struktur bangunan tersebut

    adalah Analisa Respon Spektrum yang akan memperhitungkan pengaruh torsi,

    momen dan perpindahan pusat massa dari pusat kekakuan. Analisis respon spectrum

    adalah analisa yang akan memberikan suatu diagram yang akan memberikan

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    hubungan antara percepatan respon maksimum suatu system satu derajat kebebasan

    (SDK) akibat suatu masukan gempa tertentu sebagai fungsi dari faktor redaman C

    dan waktu getar alami T sistem tersebut. Perhitungan gaya gempa yang

    menggunakan ragam respon spectrum bahwa gempa rencana akan dikalikan dngan

    faktor koreksi gempa I/R, dimana I adalah factor reduksi gempa representative dari

    struktur gempa yang direncanakan. Dalam hal ini, jumlah ragam vibrasi yang ditinjau

    dalam penjumlahan respon ragam menurut metode ini sedemikian rupa.

    1.3 Tujuan Penulisan

    Adapun tujuan penulisan dari tugas akhir ini adalah:

    1. Menghitung respon struktur bangunan dimana struktur yang dianalisa adalah

    struktur biasa (konvensional), struktur dengan bracing, dan struktur dengan

    menggunakan damper dalam hal ini adalah Yielding Damper.

    2. Menghitung momen, gaya lintang, gaya normal, displacement atau

    perpindahan antar lantai akibat gaya gempa pada bangunan tersebut

    3. Untuk mengetahui efektifitas damper pada struktur bangunan dengan

    membandingkan struktur biasa (konvensional), struktur dengan bracing, dan

    struktur dengan menggunakan damper dalam hal ini adalah Yielding Damper.

    1.4 Pembatasan Masalah

    Yang menjadi batasan masalah adalah:

    1. Analisa gaya gempa berdasarkan analisa respon spektrum dari SNI 03-1726-

    2002.

    2. Struktur berada pada wilayah gempa 5 Indonesia.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    3. Material struktur yang digunakan adalah material baja dengan material

    struktur yang digunakan adalah profil baja WF.

    4. Damper yang digunakan adalah yielding damper dengan jenis metallic

    yielding damper bentuk X.

    5. Bangunan yang ditinjau bangunan bertingkat 5.

    6. design struktur dihitung oleh struktur olh program SAP 2000 versi 11

    1.5 Metode Pembahasan

    Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah studi literatur

    yaitu dengan mengumpulkan data-data dan keterangan dari literatur yang

    berhubungan dengan pembahasan pada tugas akhir ini serta masukan dari dosen

    pembimbing. Penganalisaan struktur dilakukan dengan program komputer yaitu

    Program SAP 2000 versi 11 untuk mempercepat perhitungan.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    BAB 2

    TEORI DASAR

    2.1 Umum

    Getaran sering dirasakan oleh manusia pada kehidupan sehari-hari. Suatu

    benda akan bergetar apabila terdapat sumber energi yang diteruskan sampai ke benda

    yang bersangkutan. Gempa bumi misalnya, walaupun tidak termasuk kejadian sehari-

    hari juga dapat menimbulkan getaran. Energi mekanik akibat rusaknya struktur

    batuan pada peristiwa gempa bumi selanjutnya akan diubah menjadi energi

    gelombang yang menggetarkan batuan sekelilingnya. Getaran batuan akibat gempa

    bumi selanjutnya diteruskan oleh media tanah sampai pada permukaan tanah. Tanah

    yang bergetar akibat gempa akan mengakibatkan bangunan yang berada di atas tanah

    ikut bergetar. Kerusakan bangunan sering terjadi akibat peristiwa gempa bumi seperti

    ini, khususnya pada daerah-daerah tertentu.

    Gempa bumi merupakan salah satu bagian daripada jenis beban yang dapat

    membebani struktur selain beban mati, beban hidup dan beban angin. Beban gempa

    memang tidak selalu diperhitungkan dalam perencanaan atau analisa struktur.

    Namun bagi struktur yang dibuat pada suatu lokasi dimana gempa bumi dapat terjadi

    maka analisa ini harus dibuat.

    Besarnya tingkat pembebanan gempa berbeda-beda dari suatu wilayah ke

    wilayah lain tergantung pada keadaan seismotektonik geografi dan pada geologi

    setempat. Analisa gempa terutama pada bangunan perlu dilakukan karena

    pertimbangan. Kerusakan bangunan akibat gempa bumi dapat diantisipasi dengan

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    beberapa metode, baik secara konvensional maupun secara teknologi sekarang ini

    para ahli telah menemukan sistem seismic devices.

    Seismic devices bekerja dengan merubah kekakuan, damping dan menambah

    massa ke struktur. Salah satu system seismic device adalah dengan menggunakan alat

    yielding damper disebut juga hysterestic-yield damper bekerja dengan mendissipasi

    energi melalui pembentukan sendi plastis atau pelelehan bahan damper, Yielding

    damper yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah damper pelat dengan kekakuan bi-

    linier , yaitu jenis damper dengan dissipasi energi melalui pelelehan lenturan pelat.

    Bila gaya yang bekerja pada damper adalah gaya siklik atau gempa, hubungan gaya

    dan simpangan akan berbentuk loop jajaran genjang yang disebut juga dengan

    hysteristic loop. Luas hysteristic loop merupakan energi yang didissipasi oleh

    damper . Struktur yang memakai metallic damper akan merubah persamaan dinamis

    menjadi persamaan non-linier, Untuk menghindari kesulitan perencanaan dengan

    metode riwayat waktu gempa yang lebih kompleks dan memerlukan waktu yang

    lebih lama , dipakai model pendekatan linier viscous damping untuk menggantikan

    model non-linier . Model pengganti linier equivalent tersebut memakai konsep

    equivalent viscous damping dengan menyamakan luas loop bilinier dengan luas loop

    bentuk ellips dari linier viscous damping. Dari hasil analisa, respons simpangan

    model pengganti equivalent tidak selalu memberikan hasil yang sama dengan model

    dinamis non-linier, untuk itu dipakai faktor koreksi untuk menyamakan atau

    mendekati kedua hasil perhitungan dalam batas toleransi tertentu.

    Gaya gempa tidak dapat diprediksi kapan datangnya, sehinga ketika gempa

    menimpa struktur bangunan maka ada hal yang dapat dilihat. Bangunan itu tetap

    kokoh tanpa ada korban jiwa, bangunan rusak tanpa ada korban jiwa, dan bisa juga

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    bangunan rusak serta terdapat korban jiwa. Gaya gempa adalah goncangan alamiah

    bersumber bumi. Goncangan alamiah yang mengguncang bumi beserta apa saja yang

    ada di atasnya pada hakekatnya adalah perambatan energi berwujud gelombang.

    Energi yang merambat di dalam bumi atau lapisan tanah atau di dalam air laut

    menciptakan goncangan pada bumi yang di kenal gempa bumi atau tsunami. Pada

    dasarnya telah diketahui bahwa bagian permukaan bumi kita ini terdiri dari lempeng-

    lempeng bumi yang disebut lempeng tektonik (tectonic plate). Oleh energi yang

    terdapat di dalam bumi (hotspot, arus konveksi dll.), lempeng-lempeng itu

    digerakkan satu dengan lainnya. Lempeng-lempeng tektonik tadi bergerak satu

    terhadap lainnya dengan kecepatan antara 2 cm/tahun sampai 15 cm/tahun.

    Pergerakkan lempeng-lempeng itu ada yang saling menjauh (berpisah), ada yang

    saling berpapasan berlawanan arah. Ada pula yang saling bertemu atau bertubrukkan.

    Semua jenis pergerakkan lempeng tektonik telah menciptakan daerah bergempa,

    yang berbeda adalah kekuatan gempa yang tersimpan di dalam bumi pada batas-batas

    pertemuan lempeng bumi itu. Energi gempa yang paling besar terdapat pada batas

    pertemuan atau perbenturan lempeng tektonik. Energi yang tersimpan pada jalur

    perbenturan lempeng bumi itu telah menimbulkan gempa bumi besar. Proses tekan

    menekan dan desak mendesak diantara massa bumi pada lempeng-lempeng tektonik

    telah menciptakan pengumpulan dan penimbunan energi di dalam bumi. Jangka

    waktu proses penimbunan dan pelepasan energi yang menimbulkan gempa bumi itu

    berlangsung antara 30-600 tahun. Terdapat variasi siklus perulang gempa antara satu

    kawasan dengan kawasan lain, ada siklus kejadian gempa bumi 30-50 tahunan, ada

    100 tahun, 200 tahun dan 600 tahun. Energi yang terkumpul atau tersimpan di dalam

    bumi / massa batuan pada suatu saat tidak mampu lagi ditahan oleh massa bumi dan

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    akhirnya bumi / batuan itu pecah / remuk / patah atau sobek (rupture). Pada saat

    bumi itu remuk atau pecah disaat itulah energi dilepaskan dan bergerak dalam wujud

    gelombang. Energi yang bergerak dalam wujud gelombang yang merambat di dalam

    tanah di daratan disebut gempa bumi. Dan yang merambat di dalam air laut disebut

    tsunami, sedangkan yang merambat di dalam danau disebut seische.

    Permasalahan gaya gempa ini berbeda dengan pembebanan- pembebanan

    statis, sehingga dalam perhitungannya gaya gempa tidak mempunyai solusi tunggal

    seperti pada gaya statis karena respon dan beban berubah menurut waktu.

    Besarnya tingkat pembebanan gempa berbeda-beda dari satu wilayah

    kewilayah lain, yang tergantung pada keadaan seismetektonik, geografi dan geologi

    setempat. Analisa gempa terutama pada bangunan tinggi perlu dilakukan karena

    pertimbangan keamanan struktur dan kenyaman penghuni bangunan. Beban gempa

    yang terutama dalam arah mendatar akan menimbulkan simpangan (driff) yang perlu

    dikontrol.

    Dalam perencanaan struktur atau bangunan yang mempunyai ketahanan

    terhadap gempa dengan tingkat keamanan yang memadai, struktur yang harus

    dirancang dapat memikul gaya horizontal atau gaya gempa. Yang harus diperhatikan

    adalah bahwa struktur dapat memberikan layanan yang sesuai dengan perencanaan.

    Menurut T. Paulay (1988), tingkat layanan dari struktur gaya gempa terdiri dari tiga,

    yaitu:

    1. Serviceability.

    Jika gempa dengan intensitas percepatan tanah yang kecil dalam waktu ulang

    yang besar mengenai struktur, disyaratkan tidak mengganggu fungsi bangunan,

    seperti aktivitas normal didalam bangunan dan perlengkapan yang ada. Artinya tidak

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    dibenarkan ada terjadi kerusakan pada struktur baik pada komponen struktur maupun

    dalam elemen non-struktur yang ada. Dalam perencanaan harus diperhatikan control

    dan batas simpangan (driff) yang dapat terjadi semasa gempa, serta menjamin

    kekuatan yang cukup bagi komponen struktur untuk menahan gaya gempa yang

    terjadi dan diharapkan struktur masih berprilaku elastis.

    2. Kontrol kerusakan.

    Jika struktur dikenai gempa dengan waktu ulang sesuai dengan umur atau,

    masa rencana bangunan, maka struktur direncanakan untuk dapat menahan gempa

    ringan atau gempa kecil tanpa terjadi kerusakan pada komponen struktur ataupun

    maupun komponen non-struktur, dan diharapkan struktur dalam batas elastis.

    3. Survival

    Jika gempa kuat yang mungkin terjadi pada umur / masa bangunan yang

    direncanakan membebani struktur, maka struktur direncankan untuk dapat bertahan

    dengan tingkat kerusakan yang besar tanpa mengalami kerusakan dan keruntuhan

    (collapse). Tujuan utama dari keadaan batas ini adalah untuk menyelamakan jiwa

    manusia.

    Pengaruh gempa bumi yang sangat merusak struktur bangunan adalah load

    pad dari komponen gaya atau getaran horizontal. Getaran horizontal tersebut

    menimbulkan gaya reaksi yang besar, bahkan di lokasi puncak atau ujung bangunan

    dapat mengalami pembesaran hingga dua kalinya. Bila aliran gaya pada bangunan itu

    lebih besar daripada kekuatan struktur maka bangunan itu akan rusak parah.Untuk

    daerah yang rawan gempa bumi dibutuhkan ekstra kewaspadaan dan solusi teknologi

    tepat guna yang mampu meminimalkan korban jiwa dan harta benda. Untuk itu

    betapa pentingnya penerapan teknologi yang tepat guna. Salah satu cara untuk

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    menghindari hal tersebut di atas maka bisa kita gunakan teknologi yang akan kita

    bahas pada tugas akhir ini yaitu Yielding Damper khususnya Metalic Yielding

    Damper.

    2.2 Karakteristik Struktur Bangunan

    Pada persamaan difrensial melibatkan tiga properti utama suatu struktur yaitu

    massa, kekakuan dan redaman. Ketiga properti struktur itu umumnya disebut

    dinamik karakteristik struktur. Properti-properti tersebut sangat spesifik yang tidak

    semuanya digunakan pada problem statik. Kekakuan elemen / struktur adalah salah

    satu-satunya karakteristik yang dipakai pada problem statik, sedangkan karakteristik

    yang lainnya yaitu massa dan redaman tidak dipakai.

    2.2.1 Massa

    Suatu struktur yang kontinu kemungkinan mempunyai banyak derajat

    kebebasan karena banyaknya massa yang mungkin dapat ditentukan. Banyaknya

    derajat kebebasan umumnya berasosiasi dengan jumlah massa tersebut akan

    menimbulkan kesulitan. Hal ini terjadi karena banyaknya persamaan differensial

    yang ada.

    Terdapat dua permodelan pokok yang umumnya dilakukan untuk

    mendeskripsikan massa struktur.

    2.2.1.1 Model lumped mass

    Model pertama adalah model diskretisasi massa yaitu massa diangggap

    menggumpal pada tempat-tempat (lumped mass) join atau tempat-tempat tertentu.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Dalam hal ini gerakan / degree of freedom suatu join sudah ditentukan. Untuk titik

    model yang hanya mempunyai satu derajat kebebasan / satu translasi maka nantinya

    elemen atau struktur yang bersangkutan akan mempunyai matriks yang isinya hanya

    bagian diagonal saja. Clough dan Penzien (1993) mengatakan bahwa bagian off-

    daigonal akan sama dengan nol karena gaya inersia hanya bekerja pada tiap-tiap

    massa. Selanjutnya juga dikatakan bahwa apabila terdapat gerakan rotasi massa (

    rotation degree of freedom ), maka pada model lumped mass ini juga tidak akan ada

    rotation moment of inertia. Hal ini terjadi karena pada model ini massa dianggap

    menggumpal pada suatu titik yang tidak berdimensi (mass moment of inertia dapat

    dihitung apabila titik tersebut mempunyai dimensi fisik). Dalam kondisi tersebut

    terdapat matriks massa dengan diagonal mass of moment inertia sama dengan nol.

    Pada bangunan gedung bertingkat banyak, konsentrasi beban akan terpusat

    pada tiap-tiap lantai tingkat bangunan. Dengan demikian untuk setiap tingkat hanya

    ada satu tingkat massa yang mewakili tingkat yang bersangkutan. Karena hanya

    terdapat satu derajat kebebasan yang terjadi pada setiap massa / tingkat, maka jumlah

    derajat kebebasan pada suatu bangunan bertingkat banyak akan ditunjukkan oleh

    banyaknya tingkat bangunan yang bersangkutan. Pada kondisi tersebut matriks

    massa hanya akan berisi pada bagian diagonal saja.

    2.2.1.2 Model consistent mass matrix.

    Model ini adalah model yang kedua dari kemungkinan permodelan massa

    struktur. Pada prinsip consistent mass matrix ini, elemen struktur akan berdeformasi

    menurut bentuk fungsi (shape function) tertentu. Permodelan massa seperti ini akan

    sangat bermanfaat pada struktur yang distribusi massanya kontinu.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Apabila tiga derajat kebebasan (horizontal, vertikal dan rotasi)

    diperhitungkan pada setiap node maka standar consistent mass matrix akan

    menghasilkan full-populated consistent matrix artinya suatu matri yang off-diagonal

    matriksnya tidak sama dengan nol. Pada lumped mass model tidak akan terjadi

    ketergantungan antar massa (mass coupling) karena matriks massa adalah diagonal.

    Apabila tidak demikian maka mass moment of inertia akibat translasi dan rotasi

    harus diperhitungkan.

    Pada bangunan bertingkat banyak yang massanya terkonsentrasi pada tiap-tiap

    tingkat bangunan, maka penggunaan model lumped mass masih cukup akurat. Untuk

    pembahasan struktur MDOF seterusnya maka model inilah (lumped mass) yang akan

    dipakai.

    2.2.2 Kekakuan

    kekakuan adalah salah satu dinamik karakteristik struktur bangunan yang

    sangat penting disamping massa bangunan. Antara massa dan kekakuan struktur akan

    mempunyai hubungan yang unik yang umumnya disebut karakteristik diri atau

    Eigenproblem. Hubungan tersebut akan menetukan nilai frekuensi sudut , dan

    periode getar struktur T. Kedua nilai ini merupakan parameter yang sangat penting

    dan akan sangat mempengaruhi respon dinamik struktur.

    Pada prinsip bangunan geser ( shear building ) balok pada lantai tingkat

    dianggap tetap horizontal baik sebelum maupun sesudah terjadi pergoyangan.

    Adanya plat lantai yang menyatu secara kaku dengan balok diharapkan dapat

    membantu kekakuan balok sehingga anggapan tersebut tidak terlalu kasar. Pada

    prinsif desain bangunan tahan gempa dikehendaki agar kolom lebih kuat

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    dibandingkan dengan balok, namun demikian rasio tersebut tidak selalu linear

    dengan kekakuannya. Dengan prinsif shear building maka dimungkinkan pemakaian

    lumped mass model. Pada prinsif ini, kekakuan setiap kolom dapat dihitung

    berdasarkan rumus yang telah ada.

    2.2.3 Redaman

    Redaman merupakan peristiwa pelepasan energi ( energi dissipation) oeh

    struktur akibat adanya berbagai macam sebab. Beberapa penyebab itu antara lain

    adalah pelepasan energi oleh adanya gerakan antar molekul didalam material,

    pelepasan energi oleh gesekan alat penyambung maupun system dukungan,

    pelepasan energi oleh adanya gesekan dengan udara dan pada respon inelastic

    pelepasan energi juga terjadi akibat adanya sendi plastis. Karena redaman berfungsi

    melepaskan energi maka hal ini akan mengurangi respon struktur.

    2.3 Simpangan (Drift) Akibat Gaya Gempa

    Simpangan (drift) adalah sebagai perpindahan lateral relative antara dua

    tingkat bangunan yang berdekatan atau dapat dikatakan simpangan mendatar tiap-

    tiap tingkat bangunan (horizontal story to story deflection).

    Simpangan lateral dari suatu system struktur akibat beban gempa adalah

    sangat penting yang dilihat dari tiga pandangan yan berbeda, menurut Farzat Naeim

    (1989):

    1. Kestabilan struktur (structural stability)

    2. Kesempurnaan arsitektural (architectural integrity) dan potensi kerusakan

    bermacam-macam komponen bukan struktur

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    3. Kenyaman manusia (human comfort), sewaktu terjadi gempa bumi da

    sesudah bangunan mengalami gerakan gempa.

    Dalam pada itu juga, Richard N. White (1987) berpendapat bahwa dalam

    perencanaan bangunan tinggi selalu dipengaruhi oleh pertimbangan lenturan

    (deflection), bukannya oeh kekuatan (strength).

    Simpangan antar tingkat dari suatu titik pada suatu lantai harus ditentukan

    sebagai simpangan horizontal titik itu, relative terhadap titik yang sesuai pada lantai

    yang berada dibawahnya. Perbandingan antar simpangan antar tingkat dan tinggi

    tingkat yang bersangkutan tidak boleh melebihi 0.005 dengan ketentuan dalam segala

    hal simpangan tersebut tidak boleh lebih dari 2 cm. Terhadap simpangan antar

    tingkat telah diadakan pembatasan-pembatasan untuk menjamin agar kenyamanan

    bagi para penghuni gedung tidak terganggu dan juga untuk mengurangi momen-

    momen sekunder yang terjadi akibat penyimpangan garis kerja gaya aksial didalam

    koom-kolom (yang lebih dikenal dengan P-delta).

    Berdasarkan UBC 1997 bahwa batasan story driff atau simpangan antar

    tingkat adalah sebagai berikut:

    Untuk periode bangunan yang pendek T< 0.7 detik, maka simpangan antar tingkat

    m 0.0025Ih atau 2.5%dari tinggi bangunan.

    Untuk periode bangunan yang pendek T> 0.7 detik, maka simpangan antar tingkat

    m 0.002Ih atau 2.0% dari tinggi bangunan.

    2.4 Derajat Kebebasan (Degree Of Freedom, Dof)

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Derajat kebebasan (degree of freedom) adalah derajat independensi yang

    diperlukan untuk menyatakan posisi suatu system pada setiap saat. Pada masalah

    dinamika, setiap titik atau massa pada umumnya hanya diperhitungkan berpindah

    tempat dalam satu arah saja yaitu arah horizontal. Karena simpangan yang terjadi

    hanya terjadi dalam satu bidang atau dua dimensi, maka simpangan suatu massa

    pada setiap saat hanya mempunyai posisi atau ordinat tertentu baik bertanda negative

    ataupun bertanda positif. Pada kondisi dua dimensi tersebut, simpangan suatu massa

    pada saat t dapat dinyatakan dalam koordinat tunggal yaitu U(t). Struktur seperti itu

    dinamakan struktur dengan derajat kebebasan tunggal (SDOF system).

    Dalam model system SDOF atau berderajat kebebasan tunggal, ssetiap massa

    m, kekakuan k, mekanisme kehilangan atau redaman c, dan gaya luar yang dianggap

    tertumpu pada elemen fisik tunggal. Struktur yang mempunyai n-derjat kebebasan

    atau struktur dengan derajat kebebasan banyak disebut multi degree of freedom

    (MDOF). Akhirnya dapat disimpulkan bahwa jumlah derajat kebebasan adalah

    jumlah koordinat yang diperlukan untuk menyatakan posisi suatu massa pada saat

    tertentu.

    2.4.1 Persamaan differensial pada struktur SDOF

    System derajat kebebasan tunggal (SDOF) hanya akan mempunyai satu

    koordinat yang diperlukan untuk menyatakan posisi massa pada saat tertentu yang

    ditinjau. Bangunan satu tingkat adalah salah satu contoh bangunan derajat kebebasan

    tunggal.

    Pada gambar 2.1 tampak model matematik untuk SDOF system. Tampak

    bahwa P(t) adalah beban dinamik yaitu beban yang intensitasnya merupakan fungsi

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    dari waktu. Struktur seperti pada gambar 2.1.a kemudian digambar secara ideal

    seperti tampak pada gambar 2.1.b yaitu gambar yang telah dimodelkan. Notasi m, k,

    dan c seperti yang tampak pada gambar berturut-turut adalah massa, kekakuan kolom

    dan redaman.

    Gambar 2.1 Permodelan struktur SDOF

    Apabila beban dinamik P(t) bekerja ke arah kanan, maka akan terdapat

    perlawanan pegas, damper dan gaya redaman seperti pada gambar 2.1.c. gambar-

    gambar tersebut umumnya disebut free body diagram. Berdasarkan prinsif

    keseimbangan dinamik pada free body diagram tersebut, maka dapat diperoleh

    hubungan,

    p(t) fS fD = mu atau mu + fD + fS = p(t) (2.4.1)

    dimana:

    fD = c.u

    fS = k.u (2.4.2)

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Apabila persamaan (2.4.1) disubtitusikan kepersamaan (2.4.2), maka akan

    diperoleh :

    mu + cu+ ku = p(t) (2.4.3)

    Persamaan (2.4.3) adalah persamaan differensial gerakan massa suatu

    struktur SDOF yang memperoleh pembebanan dinamik p(t). pada problema dinamik,

    sesuatu

    Yang penting untuk diketahui adalah simpangan horizontal tingkat atau dalam

    persamaaan tersebut adalah u(t).

    2.4.2 Persamaan difrensial struktur SDOF akibat base motion

    Beban dinamik yang umum dipakai pada anlisis struktur selain beban angin

    adalah beban gempa. Gempa bumi akan mengakibatkan permukaan tanah menjadi

    bergetar yang getarannya direkam dalam bentuk aselogram. Tanah yang bergetar

    akan menyebabkan semua benda yang berada di atas tanah akan ikut bergetar

    termasuk struktur bangunan. Di dalam hal ini masih ada anggapan bahwa antara

    fondasi dan tanah pendukungnya bergerak secara bersama-sama atau fondasi

    dianggap menyatu dengan tanah. Anggapan ini sebetulnya tidak sepenuhnya benar

    karena tanah bukanlah material yang kaku yang mampu menyatu dengan fondasi.

    Kejadian yang sesungguhnya adalah bahwa antara tanah dan fondasi tidak akan

    bergerak secara bersamaan. Fondasi masih akan bergerak horizontal relative terhadap

    tanah yang mendukungnya. Kondisi seperti ini cukup rumit karena sudah

    memperhitungkan pengaruh tanah terhadap analisis struktur yang umumnya disebut

    soil-structure interaction analysis.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Untuk menyusun persamaan difrensial gerakan massa akibat gerakan tanah

    maka anggapan di atas tetap dipakai, yaitu tanah menyatu secara kaku dengan kolom

    atau kolom dianggap dijepit pada ujung bawahnya. Pada kondisi tersebut ujung

    bawah kolom dan tanah dasar bergerak secara bersamaan. Persamaan difrensial

    gerakan massa struktur SDOF akibat gerakan tanah selanjutnya dapat dirturunkan

    dengan mengambil model seperti pada gambar 2.2.

    Gambar 2.2 Struktur SDOF akibat base motion

    Berdasarkan pada free body diagram seperti gambar di atas maka deformasi

    total yang terjadi adalah

    utt (t) = u(t) + ug (t) (2.4.4)

    Dari free body diagram yang mengandung gaya inersia f1 tampak bahwa

    persamaan kesetimbangannya menjadi

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    fI + fD + fS = 0 (2.4.5)

    dimana inersia adalah,

    fI = mut (2.4.6)

    Dengan mensubstisusikan persamaan (2.4.2) dan (2.4.5) ke (2.4.5) dan

    (2.4.4),sehingga diproleh persmaaannya sebagai berikut,

    mu + cu + ku = - mug (t) (2.4.7)

    Persamaan tersebut disebut persamaan difrensial relative karena gaya inersia,

    gaya redam dan gaya pegas ketiga-tiganya timbul akibat adanya simpanganrelative.

    Ruas kanan pada persamaan (2.4.7) disebut sebagai beban gempa efektif atau beban

    gerakan tanah efektif. Ruas kanantersebut seolah menjadi gaya dinamik efektif yang

    bekerja pada elevasi lantai tingkat. Kemudian gaya luar ini akan disebut sebagai faya

    efektif gempa:

    Peef (t) - mug (t). (2.4.8)

    2.4.3 Persamaan difrensial struktur MDOF

    2.4.3.1 Matriks massa, matriks kekakuan dan matriks redaman

    Untuk menyatakan persamaan diferensial gerakan pada struktur dengan

    derajat kebebasan banyak maka dipakai anggapan dan pendekatan seperti pada

    struktur dengan derajat kebebasan tunggal SDOF. Anggapan seperti prinsip shear

    building masih berlaku pada struktur dengan derajat kebebasan banyak (MDOF).

    Untuk memperoleh persamaan diferensial tersebut, maka tetap dipakai prinsip

    keseimbangan dinamik (dynamic equilibrium) pada suatu massa yang ditinjau. Untuk

    memperoleh persamaan tersebut maka diambil model struktur MDOF.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Struktur bangunan gedung bertingkat 3, akan mempunyai 3 derajat

    kebebasan. Sering kali jumlah derajat kebebasan dihubungkan secara langsung

    dengan jumlahnya tingkat. Persamaan diferensial gerakan tersebut umumnya disusun

    berdasarkan atas goyangan struktur menurut first mode atau mode pertama seperti

    yang tampak pada garis putus-putus. Masalah mode ini akan dibicarakan lebih lanjut

    pada pembahasan mendatang. Berdasarkan pada keseimbangan dinamik pada free

    body diagram. maka akan diperoleh :

    0)()()(. 11.

    2

    .

    21221

    .

    1111

    ..

    1 =+++ tFuucuukucukum (2.4.9)

    0)()()()()( 22.

    3

    .

    21231

    .

    2

    .

    21222

    ..

    2 =++ tFuucuukuucuukum (2.4.10)

    0)()()( 123..

    31233

    ..

    3 =++ tFuucuukum (2.4.11)

    Pada persamaan-persamaan tersebut diatas tampak bahwa keseimbangan

    dinamik suatu massa yang ditinjau ternyata dipengaruhi oleh kekakuan, redaman dan

    simpangan massa sebelum dan sesudahnya. Persamaan dengan sifat-sifat seperti itu

    umumnya disebut coupled equation karena persamaan-persamaan tersebut akan

    tergantung satu sama lain. Penyelesaian persamaan coupled harus dilakukan secara

    simultan artinya dengan melibatkan semua persamaan yang ada. Pada struktur

    dengan derajat kebebasan banyak, persamaan diferensial gerakannya merupakan

    persamaan yang dependent atau coupled antara satu dengan yang lain.

    Selanjutnya dengan menyusun persamaan-persamaan di atas menurut

    parameter yang sama (percepatan, kecepatan dan simpangan) selanjutnya akan

    diperoleh :

    )())(.)( 1221212.

    21211

    ..

    1 tFukukkucuccum =++++ (2.4.12)

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    )()()( 23323213.

    32

    .

    321

    .

    22

    ..

    2 tFukukkuucuccucum =++++ (2.4.13)

    )(333233.

    32

    .

    33

    ..

    3 tFukukucucum =++ (8.2) (2.4.14)

    Persamaan-persamaan di atas dapat ditulis dalam bentuk matriks sebagai berikut :

    =

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    )()()(

    0

    0

    0

    0

    000000

    3

    2

    1

    3

    2

    1

    33

    3322

    221

    3

    ..

    2

    ..

    1

    ..

    33

    3322

    221

    3

    ..

    2

    ..

    1

    ..

    3

    2

    1

    tFtFtF

    uuu

    kkkkkk

    kkk

    u

    u

    u

    cccccc

    ccc

    u

    u

    u

    mm

    m

    (Pers. 2.4.14 dapat ditulis dalam matriks yang lebih kompleks,

    [M]{U} + [C]{U} + [K]{U} = {F(t)} (2.4.15)

    Yang mana [M], [C] dan [K] berturut-turut adalah mass matriks, damping matriks

    dan matriks kekakuan yang dapat ditulis menjadi,

    [M] =

    3

    2

    1

    000000

    mm

    m, [C] =

    +

    +

    33

    3322

    221

    0

    0

    cccccc

    ccc,

    [K] =

    +

    +

    33

    3322

    221

    0

    0

    kkkkkk

    kkk (2.4.16)

    Sedangkan {}, {} dan {Y} dan {F(t)} masing-masing adalah vektor percepatan,

    vektor kecepatan, vektor simpangan dan vektor beban, atau,

    {..

    U } =

    3

    ..

    2

    ..

    1

    ..

    u

    u

    u

    , {.

    U } =

    3

    .

    2

    .

    1

    .

    u

    u

    u

    , {U} =

    3

    2

    1

    u

    u

    u

    dan {F(t)} =

    )()()(

    3

    2

    1

    tFtFtF

    (2.4.17)

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Secara visual Chopra (1995) menyajikan keseimbangan antara gaya dinamik, gaya

    pegas, gaya redam dan gaya inersia seperti pada gambar 2.3

    Displacement u Diplacement u Velocity u Acceleration u

    Velocity u

    Acceleration u

    (a) (b) (c) (d)

    Gambar 2.3 Keseimbangan Gaya Dinamik dengan fS, fD, dan f1 (Chopra, 1995)

    2.4.3.2 Matriks redaman

    Pada persamaan diferensial di atas, maka tersusunlah berturut-turut matriks

    massa, matriks redaman dan matriks kekakuan. Sebagaimana telah dibahas

    sebelumnya bahwa kekakuan kolom sudah dapat dihitung secara lebih pasti.

    Kekakuan kolom dapat dihitung berdasarkan model kekakuan balok yang dipakai.

    Dengan demikian matriks kekakuan sudah dapat disusun dengan jelas. Pada bagian

    lain yang sudah dibahas adalah massa struktur. Apabila model distribusi massa

    struktur sudah dapat dikenali dengan baik, maka massa setiap derajat kebebasan juga

    dapat dihitung dengan mudah. Akhirnya matriks massa juga dapat disusun secara

    jelas. Maka sesuatu yang perlu dibahas lebih lanjut adalah matriks redaman.

    Sebelum menginjak matriks redaman maka akan dibahas terlebih dahulu jenis dan

    sistem redaman.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    2.4.3.3 Non klasikal / non proporsional damping.

    Apabila matriks massa dan matriks kekakuan telah dapat disusun, maka

    selanjutnya tinggalah matriks redaman. Pada struktur SDOF, koefisien redaman c

    dapat dihitung yaitu merupakan produk antara rasio antara redaman-redaman kritik.

    Pada Bab III telah dibahas tentang sistem redaman yaitu redaman klasik (clasiccal

    damping) dan redaman non-klasik (non clasiccal damping). Damping non-klasik

    dapat tergantung pada frekuensi (frequency dependent). Clough dan Penzien (1993)

    memberikan contoh damping non-klasik.

    Pada gambar 2.4.a tampak kombinasi antara struktur beton di bagian bawah

    misalnya dan struktur baja pada bagian atas. Jenis bahan akan mempengaruhi rasio

    redaman. Antara struktur beton dan struktur baja akan mempunyai perbedaan rasio

    redaman yang cukup signifikan. Oleh karena itu sistem struktur mempunyai rasio

    redaman yang berbeda. Prinsip non-klasikal damping akan berlaku pada struktur

    tersebut. Pada gambar 2.4.b adalah sistem struktur yang memperhitungkan efek /

    pengaruh tanah dalam analisis struktur. Analisis struktur seperti itu biasanya disebut

    analisis interaksi antara tanah dengan bangunan (soil-structure interaction analysis).

    Struktur tanah umumnya mempunyai kapasitas meredam energi atau mempunyai

    rasio redaman yang jauh lebih besar daripada bangunan atas. Disamping itu interaksi

    antara tanah dan fondasi sebenarnya adalah interaksi frequency dependent, artinya

    kualitas interaksi akan dipengaruhi oleh frekuensi beban yang bekerja.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Gambar 2.4 Struktur dengan damping non-klasik (Clough & Pensien, 1993)

    Apabila interaksi antara tanah dengan struktur dipengaruhi frekuensi, maka

    kekakuan dan redaman interaksi juga frequency dependent. Pada kondisi tersebut

    sistem struktur tidak akan mempunyai standar mode shapes (akan dibahas

    kemudian). Dengan memperhatikan kenyataan-kenyataan seperti itu maka ada empat

    hal yang perlu diperhatikan. Pertama rasio redaman struktur atas yang dipengaruhi

    oleh level respon, kedua rasio redaman pada stuktur atas dan bawah sangat berbeda,

    ketiga rasio redaman struktur bawah tergantung pada frekuensi beban dan keempat

    sistem struktur tidak akan mempunyai standar mode shapes. Apabila analisis struktur

    akan memperhatikan hal itu semua, maka problemnya tidak hanya terletak pada

    redaman tetapi penyelesaian yang komprehensif terhadap sistem struktur.

    Penyelesaian soil-structure interaction pada bangunan bertingkat banyak sungguhlah

    tidak sederhana. Oleh karena itu memperhitungkan redaman non-klasik ini

    memerlukan kemampuan yang sangat khusus.

    2.4.3.4 Klasikal / proposional damping

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Damping dengan sistem ini relatif sederhana bila dibanding dengan non-

    klasikal damping. Namun demikian penggunaan sistem damping seperti ini juga

    terbatas, yaitu hanya dipakai pada analisis struktur yang tidak memperhatikan

    interaksi antara tanah dengan bangunan. Ada juga yang memakainya, namun hal itu

    disertai dengan anggapan-anggapan. Analisis struktur yang menggunakan damping

    jenis ini adalah analisis struktur elastik maupun inelastik yang mana struktur

    bangunan dianggap dijepit pada dasarnya.

    Pada analisis dinamik yang menggunakan superposisi atas persamaan

    independen (uncoupled modal superposition method) maka masih dapat dipakai

    prinsip ekivalen damping rasio, yaitu yang dinyatakan dalam bentuk,

    Cj = 2 j Mj j (2.4.18)

    yang mana Cj, Mj adalah suatu simbol yang berasosiasi dengan mode j, dan j

    berturut-turut adalah rasio redaman dan frekuensi sudut mode ke-j.

    Untuk menyederhanakan persoalan umumnya dipakai rasio redaman yang

    konstan, artinya nilai rasio redaman diambil sama untuk semua mode. Apabila hal ini

    telah disepakati maka analisis dinamik struktur dengan modal analis tidak

    memerlukan matriks redaman. Cara ini mempunyai kelemahan, karena pada mode

    yang lebih tinggi umumnya frekuensi sudut dan rasio redaman akan lebih besar.

    Pada analisis dinamik yang melakukan integrasi secara langsung dan analisis

    dinamik inelastik, maka konsep ekivalen damping ratio sebagaimana tercantum pada

    persamaan 2.4.18 tersebut tidak dapat dipakai. Pada kedua analisis ini diperlukan

    suatu matriks redaman, dan oleh karenanya matriks redaman perlu disusun. Didalam

    analisis tersebut damping matriks disusun berdasarkan satu dan dua nilai

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    proporsional damping. Terdapat beberapa sistem redaman proporsional yang dapat

    disusun yang secara skematis ditunjukkan oleh gambar 2.5

    Gambar 2.5 Jenis-Jenis Proporsional Damping

    2.4.4 Getaran bebas pada struktur MDOF

    2.4.4.1 Nilai karakteristik (eigenproblem)

    Sebagaimana disebut di atas bahwa walaupun getaran bebas (free vibration

    system) pada kenyataannya jarang terjadi pada struktur MDOF, tetapi membahas

    jenis getaran ini akan diperoleh suatu besaran/karakteristik dari struktur yang

    bersangkutan yang selanjutnya akan sangat berguna untuk pembahasan-pembahasan

    respon struktur berikutnya. Besaran-besaran tersebut terutama adalah frekuensi sudut

    , periode getar T, frekuensi alam f dan normal modes.

    Pada getaran bebas di struktur yang mempunyai derajat kebebasan banyak

    (MDOF), maka matriks persamaan diferensial gerakannya adalah seperti pada

    persamaan 8.8), dengan nilai ruas kanan sama dengan nol atau,

    [M]{ ..

    U } + [C]{ .

    U } + [K]{U} = 0 (2.4.19)

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Telah dibahas sebelumnya bahwa frekuensi sudut pada struktur dengan

    redaman (damped frequency) d nilainya hampir sama dengan frekuensi sudut pada

    struktur yang dianggap tanpa redaman . Hal ini akan diperoleh apabila nilai

    damping ratio relatif kecil. Apabila hal ini diadopsi untuk struktur dengan derajat

    kebebasan banyak, maka untuk nilai C = 0, pers. 2.4.19 akan menjadi,

    [M]{ ..

    U } + [K]{U} = 0 (2.4.20)

    Karena pers. 2.4.20 adalah persamaan diferensial pada struktur MDOF yang

    dianggap tidak mempunyai redaman, maka sebagaimana penyelesaian persamaan

    diferensial yang sejenis pada pembahasan-pembahasan di depan, maka penyelesaian

    persamaan tersebut diharapkan dalam fungsi harmonik menurut bentuk,

    U = {}i sin (t)

    .U = - {}i cos (t)

    ..U = - 2 {}i sin (t) (2.4.21)

    Yang mana {}i adalah suatu koordinat masa pada mode yang ke-i. Substitusi pers.

    2.4.21 ke dalam pers. 2.4.20 selanjutnya akan diperoleh,

    - 2 [M] {}i sin (t) + [K] sin (t) = 0

    {[K] - 2 [M]}{}i = 0 (2.4.22)

    Pers.2.4.22 adalah suatu persamaan yang sangat penting dan biasa disebut persamaan

    eigenproblem atau karakteristik problem atau ada juga yang menyebut eigenvalue

    problem. Pers. 2.4.22 tersebut adalah persamaan simultan yang harus dicari

    penyelesaiannya. Salah satu cara yang dapat dipakai untuk menyelesaikan persamaan

    simultan tersebut adalah dengan memakai dalil Cramer (1704-1752). Gabriel Cramer

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    adalah salah satu ahli matematika yang berasal dari Swiss. Dalil tersebut

    menyatakan bahwa penyelesaian persamaan simultan yang homogen akan ada

    nilainya apabila determinan dari matriks yang merupakan koefisien dari vektor {}i

    adalah nol, sehingga,

    |[K] - 2 [M]| = 0 (2.4.23)

    Jumlah mode pada struktur dengan derajat kebebasan banyak biasanya dapat

    dihubungkan dengan jumlah massa. Mode itu sendiri adalah jenis / pola / ragam

    getaran/ goyangan suatu struktur bangunan. Mode ini hanya merupakan fungsi dari

    properti dinamik dari struktur yang bersangkutan (dalam hal ini adalah hanya massa

    dan kekakuan tingkat) dan bebas dari pengaruh waktu dan frekuensi getaran. Dengan

    adanya hubungan antara jumlah mode dengan jumlah massa struktur, maka bangunan

    yang mempunyai 5 tingkat misalnya, akan mempunyai 5 derajat kebebasan dan akan

    mempunyai 5 jenis mode gerakan dan akan mempunyai 5 nilai frekuensi sudut

    yang berhubungan langsung dengan jenis / nomor mode nya. Apabila jumlah derajat

    kebebasan adalah n, maka persamaan 9.5) akan menghasilkan suatu polinomial

    pangkat n yang selanjutnya akan menghasilkan 12 untuk i = 1, 2,3 ...n. Selanjutnya,

    substitusi masing-masing frekuensi 1 ke dalam persamaan 9.4 akan diperoleh nilai-

    nilai 1, 2,........ n.

    2.4.4.2 Frekuensi sudut () dan normal modes

    Sebagaimana dijelaskan sebelumnya, didalam menghitung frekuensi sudut

    untuk struktur yang mempunyai derajat kebebasan banyak (MDOF), diambil suatu

    anggapan bahwa struktur tersebut dianggap tidak mempunyai redaman atau C = 0.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Untuk menghitung dan sekaligus menggambar normal modes maka diambil suatu

    model struktur seperti pada gambar berikut:

    Gambar 2.6 Bangunan 2-DOF dan model matematika

    Setiap struktur yang dibebani dengan beban dinamik akan mengalami

    goyangan. Untuk struktur derajat kebebasan banyak, maka struktur yang

    bersangkutan akan mempunyai banyak ragam / pola goyangan. Normal modes adalah

    suatu istilah yang sering dipakai pada problem dinamika struktur, dan kata tersebut

    diterjemahkan sebagai ragam/pola goyangan.

    Kembali pada persoalan inti, suatu persamaan diferensial gerakan dapat

    diperoleh dengan memperhatikan free body diagram seperti pada gambar 9.1. c dan

    diperoleh,

    0)( 122111..

    1 =+ uukukum

    0)( 1222..

    2 =+ uukum (2.4.24)

    Pers 2.4.24 dapat ditulis dalam bentuk yang sederhana yaitu,

    0)( 222211..

    1 =++ ukukkum

    0221222 =+ ukukum (2.4.25)

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Pers 2.4.25 dapat ditulis dalam bentuk matriks yaitu,

    =

    ++

    00

    0)(

    00

    2

    1

    2

    221

    2

    ..

    1

    ..

    2

    1

    uu

    kkkk

    u

    um

    m (2.4.26)

    Selanjutnya persamaan Eigenproblem atas pers. 2.4.26 adalah,

    =

    +

    00)(

    2

    1

    22

    22

    212

    21

    mkkkmkk

    (2.4.27)

    Dengan 1 adalah suatu nilai / ordinat yang berhubungan dengan massa ke-i pada

    ragam / pola goyangan massa ke-i. Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa pers. 2.4.27

    akan ada penyelesaiannya apabila dipenuhi nilai determinan,

    22

    22

    212

    21 )(

    mkkkmkk

    + = 0 (2.4.28)

    Apabila 2.4.28 tersebut diteruskan maka nilai determinannya adalah,

    m1 m2 4 {(k1 + k2) m2 k2m1} 2 + (k1 + k2) k2 k22 = 0 (2.4.29)

    Struktur dianggap tidak mempunyai redaman sehingga periode getar dicari

    sebenarnya adalah merupakan undamped free vibration periods. Sebagaimana

    disampaikan pada pembahasan struktur SDOF bahwa periode getar ini akan sedikit

    lebih kecil dibanding dengan periode getar yang mana redaman struktur

    diperhitungkan (ingat d < , sehingga T < Td).

    Selain daripada itu nilai-nilai mode shapes juga tidak dipengaruhi oleh waktu,

    artinya nilai-nilai tersebut akan tetap asal nilai-nilai massa dan kekakuan tingkatnya

    tidak berubah. Karena nilai kekakuan tingkat ki tidak berubah-ubah maka mode

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    nnnnnnn

    nn

    nn

    nn

    ZZZZY

    ZZZZYZZZZY

    ZZZZY

    ++++=

    ++++=

    ++++=

    ++++=

    ..................................................................

    .......

    .......

    .......

    332211

    23332231313

    23322221212

    13132121111

    shapes merupakan nilai untuk struktur yang bersifat elastik, atau hanya struktur yang

    elastiklah yang mempunyai nilai mode shapes. Juga tampak bahwa nilai mode shapes

    tidak dipengaruhi oleh frekuensi beban. Dengan demikian apabila disimpulkan

    bahwa nilai-nilai mode shapes adalah :

    a. bebas dari pengaruh redaman,

    b. bebas dari pengaruh waktu

    c. bebas dari pengaruh frekuensi beban dan

    d. hanya untuk struktur yang elastik

    2.4.5 Getaran bebas pada struktur MDOF

    2.4.5.1 Persamaan difrensial independen (uncoupling)

    Pada kondisi standar shear building, struktur yang mempunyai n-derajat

    kebebasan akan mempunyai n-modes atau pola/ragam goyangan. Pada prinsip ini,

    masing-masing modes akan memberikan kontribusi pada simpangan horizontal tiap-

    tiap massa seperti ditunjukkan secara visual pada gambar 2.8 (Clough dan Penzien,

    1993). Pada prinsip ini, simpangan massa ke-i atau Yi dapat diperoleh dengan

    menjumlahkan pengaruh atau kontribusi tiap-tiap modes. Kontribusi mode ke-j

    terhadap simpangan horizontal massa ke-i tersebut dinyatakan dalam produk antara

    ij dengan suatu modal aplitudo Zj atau seluruh kontribusi tersebut kemudian

    dinyatakan dalam,

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    [ ]

    =

    nnnnnnn

    n

    n

    Z

    ZZZ

    Y........

    3

    2

    1

    ........321

    3.......333231

    11......232221

    1131211

    (2.4.40)

    Pers. 2.4.40 juga dapat ditulis menjadi,

    (2.4.41)

    Suku pertama, kedua, ketiga dan seterusnya sampai suku ke-n pada ruas kanan pers.

    2.4.40 diatas adalah kontribusi mode pertama, kedua, ketiga dan seterusnya sampai

    kontribusi mode ke-n. sebagai perjanjian, massa struktur MDOF diberi indeks m,

    dengan i = 1,2,3, m, sedangkan mode diberi indeks shape ij adalah ordinat mode

    ke-j untuk massa ke-i.

    Pers. 2.4.41 tersebut dapat ditulis dalam bentuk yang lebih kompak.

    { } [ ]{ }ZY = (2.4.42)

    Derivative pertama dan kedua pers. 2.4.42 tersebut adalah,

    [ ]

    [ ]

    =

    =

    ....

    ..

    ZY

    ZY

    (2.4.43)

    Subtitusi pers. 2.4.42 dan pers. 2.4.43 kedalam pers. 2.4.40 maka akan diperoleh,

    [ ][ ] [ ]{ } [ ][ ]{ } [ ]{ }.....

    1 tyMZKZCZM =+

    +

    (2.4.44)

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Pers. 2.4.44 sebetulnya adalah 1- set persamaan simultan dependent non-

    homogen.

    Untuk dapat mentransfer persamaan dependent menjadi persamaan independen,

    maka pers. 2.4.44 premultiply dengan transpose suatu mode {}T sehingga

    diperoleh,

    { } [ ] [ ] { } [ ][ ] { } [ ] [ ]{ } { } [ ]{ } tTTTT yMZKZCZM.....

    1 =+

    +

    (2.4.45)

    Untuk pembahasan awal akan ditinjau pengaruh mode ke-1 saja. Misalnya

    diambil struktur yang mempunyai 3-derajat kebebasan, mak perkalian suku pertama

    pers. 2.4.45 sebenarnya adalah berbentuk,

    { }

    ..

    3

    ..

    2

    ..

    1

    333231

    232221

    131211

    2

    2

    1

    311211

    000000

    Z

    Z

    Z

    mm

    m

    (2.4.46)

    Menurut contoh sebelumnya telah terbukti bahwa hubungan orthogonal akan

    terbukti apabila i tidak sama dengan j. dengan demikian untuk mode ke-1 pers.

    2.4.46 akan menjadi,

    { }..

    1

    3

    2

    1

    2

    2

    1

    311211

    000000

    Zm

    mm

    (2.4.47)

    Untuk mode ke-j secara umum persamaan 2.4.47 juga dapat ditulis dengan,

    { } [ ]{ } jjTj ZM..

    (2.4.48)

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Cara seperti diatas juga berlaku untuk suku ke-2 dan ke-3 pada persamaan

    2.4.43 Dengan demikian setelah diperhatikan hubungan orthogonal pers. 2.4.45 akan

    menjadi,

    { }[ ]{ } { } [ ]{ } { } [ ]{ } { } [ ]{ }.....

    1 tTjjj

    T

    jjj

    T

    jj yMKZCZM Zj =++ (2.4.49)

    Pers. 2.4.49 adalah persamaan deferensial yang bebas/independent antar satu

    dengan yang lain. Persamaan tersebut diperoleh setelah diterapkannya hubungan

    orthogonal, baik orthogonal untuk matriks massa, matriks redaman dasn matriks

    kekakuan. Sekali lagi bahwa apabila i tidak sama dengan j maka perkalian suku-suku

    pada pers. 2.4.45 akan sama dengan nol, kecuali untuk i = j. Dengan demikian untuk

    n-derajat kebebasan independent/ uncoupling. Dengan sifat-sifat seperti itu maka

    penyelesaian persamaan diferensial dapat diselesaikan untuk setiap pengaruh

    mode.

    Berdasarkan pers. 2.4.49 maka dapat didefenisikan suatu generalisasi

    massa (generalized mass), redaman dan kekakuan sebagai berikut,

    { } [ ]{ }{ } [ ]{ }{ } [ ]{ }jTjj

    jTjj

    jTjj

    K

    C

    M

    KCCM

    =

    =

    =

    *

    *

    *

    (2.4.50)

    Misalnya bangunan bertingkat-3, maka orde perkalian matriks pada pers.

    2.4.40 adalah 1x3 x 3X3 3x1 = 1x1. artinya pers. 2.4.50 adalah satu persamaan

    independent untuk mode ke-j. dengan demikian dengan memakai pers. 2.4.50

    maka persamaan 2.4.49 akan menjadi,

    tjjjjjjj yZZ PZKCM..**.*..* =++ (2.4.51)

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    dengan,

    { } [ ]MTjjP =* (2.4.52)

    Pada pembahasan sebelumnya diperoleh suatu hubungan bahwa,

    jj

    j

    cr

    jj M

    CCC

    *

    **

    2== maka jj

    cr

    j

    CC

    2*

    =

    *

    *2

    j

    jj M

    K= dan *

    *

    j

    jj M

    P= (2.4.53)

    Dengan hubungan-hubungan seperti pada pers.2.4.53 tersebut, maka pers.

    2.4.51 akan menjadi,

    tjtjjjj yZZ Z..2... 2 =++ (2.4.54)

    dan

    { } [ ]{ } [ ]{ }

    =

    ==== m

    iij

    m

    iij

    jTj

    Tj

    j

    j

    m

    m

    MMj

    MP

    1

    2

    1

    *

    *

    (2.4.55)

    Pers. 2.4.55 sering disebut dengan partisipasi setiap mode atau

    participation factor, Selanjutnya pers. 2.4.54 juga dapat ditulis menjadi,

    ..2

    .

    2

    ..

    tj

    jj

    j

    jjj

    j

    j yZ ZZ =+

    +

    (2.4.56)

    Apabila diambil suatu notasi bahwa,

    ===

    j

    j

    jj

    jj

    j

    jj

    ZgdanZgZg ,,.

    .

    ....

    (2.4.57)

    Maka pers. 2.4.57 akan menjadi,

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    ...

    ..22 tjjjjjj ygg g =++ (2.4.58)

    Pers. 2.4.58 adalah persamaan diferensial yang independent karena

    persamaan tersebut hanya berhubungan dengan tiap-tiap mode. Pers. 2.4.58

    adalah mirip dengan persamaan diferensial SDOF seperti telah dibahas

    sebelumnya.

    Nilai partisipasi setiap mode akan dihitung dengan mudah setelah koordinat

    setiap mode telah diperoleh. Nilai gi, .g i dan

    ..g i dapat dihitung dengan integrasi

    secara numerik. Apabila nilai tersebut telah diperoleh maka nilaiZi dapat dihitung.

    Dengan demikian simpangan horizontal setiap tingkat akn dapat dihitung

    2.4.5.2Getaran bebas tanpa redaman

    Untuk membahas pemakaian modal analis pada struktur getaran bebas tanpa

    redaman, maka perlu dikemukakan prinsip-prinsip pokok yang akan dilakukan.

    Seperti telah disampaikai pada pers. 10.1) bahwa simpangan struktur dapat diperoleh

    dengan menjumlahkan produk antara koordinat normal modes dengan faktor

    amplitudo Z untuk setiap mode yang ada. Untuk itu disamping normal modes, faktor

    amplitudo tersebut harus dicari terlebih dahulu. Prinsip tersebut dapat dinyatakan

    seperti pada persamaan 10.2) di atas yaitu,

    {Y} = []{Z}

    Dengan demikian maka faktor amplitudo Z adalah,

    {Z} = []-1 {Y}

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    dengan []-1 adalah nilai inverse atas modal matriks dan {Y} adalah vektor

    simpangan horisontal.

    Prinsip pemakaian getaran bebas pada modal analis ini dapat dilakukan

    dengan memberikan nilai-nilai simpangan awal yang kemudian dinyatakan dalam

    vektor simpangan {Y} pada persamaan 10.34) tersebut. Apabila faktor amplitudo Z

    akibat adanya simpangan awal seperti pada persamaan 10.34) telah dihitung, maka

    respon struktur / simpangan struktur dapat diperoleh dengan substitusi kembali

    persamaan tersebut ke dalam pers 10.23).

    Secara manual, yang menjadi masalah adalah bagaimana memperoleh nilai

    inverse atas modal matriks []-1 seperti pada persamaan 10.34). Nilai tersebut salah

    satunya dapat diperoleh dengan memperhatikan generalized mass matrix sebagai

    berikut,

    [M*] = []T[M][]

    dengan [] adalah modal matriks.

    Dari persamaan 10.35) maka akan diperoleh,

    []-1 = [M-]-1 []T[M]

    Suatu alasan mengapa generalized mass matrix dipakai karena matriks massa adalah

    matriks diagonal sehingga perkalian matriks dapat dilakukan secara lebih mudah.

    Generalized mass matrix seperti tersebut pada persamaan 10.36) juga merupakan

    matriks diagonal sehingga nilai inverse matriksnya dapat dilakukan dengan mudah.

    Apabila nilai inverse modal matrix seperti pada persamaan 10.36) telah dihitung

    maka faktor amplitudo Z seperti pada pers. 10.34) dapat dihitung.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Gambar 2.7. Respon struktur MDOF akibat getaran bebas (tanpa redaman)

    2.4.5.3 Getaran bebas dengan redaman .

    Apabila pembahasan di atas diperhatikan maka hitungan yang relatif panjang

    adalah dalam rangka menghitung nilai inverse modal matriks []-1. Untuk mencari

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    nilai tersebut sebetulnya dapat dipakai cara yang lain yang relatif lebih mudah. Untuk

    itu pembahasan akan dimulai dari persamaan,

    Y = 1Z1 + 2Z2 + 3Z3 +............. + nZn

    Apabila pers. 10.40) dikalikan awal (premultiply) dengan jT M maka,

    nnTj

    Tj

    Tj

    Tj

    Tj ZMZMZMZMMY ++++= ...332211

    Pada pembahasan hubungan orthogonal telah diketahui bahwa perkalian pada

    suku-suku ruas kanan pers. 10.41) akan sama dengan nol kecuali untuk koordinat

    yang subskribnya sama. Dengan demikian pers. 10.41) akan menjadi,

    jjTj

    Tj ZMMY = , maka

    Zj = YMM

    jTj

    j

    Dengan logika yang sama juga akan diperoleh hubungan,

    j = YMM

    jTj

    j

    Dengan memperhatikan persamaan 10.34) maka vektor modal amplitudo {Z}j dapat

    diperoleh dengan,

    {Z}j = []-1 {Y}j

    Pers. 10.44) juga berarti bahwa melalui nilai inverse modal matriks maka akan dapat

    diperoleh modal amplitudo, Zj yaitu modal amplitudo untuk tiap-tiap mode.

    Selanjutnya dengan memperhatikan pers. 10.42) dan 10.44) maka diperoleh

    hubungan,

    1][][][][

    ][][ =

    M

    MT

    T

    Senada dengan pers. 10.37), maka untuk struktur MDOF yang mempunyai redaman,

    modal amplitudo Zj dapat dihitung berdasarkan,

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    Zj =

    + )(sin)0(

    )(cos)0(,

    tZ

    tZe jjd

    jjj

    tj

    Langkah yang pertama adalah menghitung modal amplitudo awal Zj(0) dan modal

    kecepatan awal Zj(0).

    Gambar 2.8 Respon struktur MDOF akibat getaran bebas (dengan redaman)

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    2.4.5.4 Persamaan differensial dependen kouplling

    Seperti telah dibahas sebelumnya, pada struktur bangunan derajat kebebasan

    banyak (multi degree of freedom/ MDOF) umumnya akan mempunyai persamaan

    diferensial gerakan banyak derajat kebebasan yang ada. Persamaan diferensial

    gerakan pada struktur MDOF akibat beban dinamik dapat ditulis dalam bentuk

    matriks yang kompak yaitu,

    [M] {} + [C] }{Y + [K] {Y} = P(t)

    dengan [M], [C] dan [K] berturut-turut adalah matriks massa, matriks redaman dan

    matriks kekakuan, {}, {} dan {Y} berturut-turut adalah vektor percepatan, vektor

    kecepatan dan vektor simpangan dan P(t) adalah beban dinamik.

    Apabila struktur dengan derajat kebebasan banyak tersebut dikenai dengan

    beban gerakan tanah atau beban gempa bumi maka persamaan diferensial gerakan

    yang ada menjadi,

    [M] {} + [C] }{Y + [K] {Y} = - [M] {1} b

    Baik pers. 11.1) dan pers. 11.2) sebetulnya terdiri atas beberapa / banyak

    persamaan yang sering terkait antara persamaan satu dengan persamaan yang lain.

    Seprti disebut sebelumnya persamaan itu disebut coupled equations atau dependent

    equations.

  • Helmy Iskandasyah : Analisis Respon Spektrum Pada Bangunan Yang Menggunakan Yielding Damper Akibat GayaGempa, 2009.

    2.4.5.5 Penyelesaian persamaan differensial gerakan.

    Sebagaimana disampaikan sebelumnya bahwa respon yang paling penting di

    dalam persoalan analisis dinamik struktur (baik SDOF maupun MDOF) adalah

    simpangan horisontal tingkat. Dengan diketahuinya simpangan horisontal tingkat,

    maka gaya geser tingkat dan momen guling struktur dapat dihitung. Pendekatan yang

    dipakai pada penyelesaian persamaan differensial suatu permasalahan yang sudah

    kompleks adalah pendekatan numerik tahap demi tahap (step by step).

    Selain jenis beban, durasi beban, step integrasi t maka jumlah derajat

    kebebasan akan bertambah volume pekerjaan. Kombinasi dari durasi beban yang

    panjang, step integrasi yang kecil dan derajat kebebasan yang banyak akan menuntut

    memori komputer yang cukup besar. Banyaknya massa / derajat kebebasan juga akan

    berakibat pada munculnya banyak pola / ragam goyangan / mode shapes

    sebagaimana telah dibahas sebelumnya. Terdapat beberapa cara yang dapat dipakai

    untuk menyelesaikan persamaan differensial gerakan yang kesemuanya mempunyai

    kelebihan dan kekurangannya masing-masing.

    2.4.5.6 Metode - Newmark (incremental formulation)

    Metode -Newmark seperti yang telah dib