ANALISA DINAMIK PADA BANGUNAN SIPIL

Pendahuluan

Secara sederhana dinamik dapat diartikan sebagai variasi atau perubahan terhadap waktu dalam konteks gaya yang bekerja (eksitasi) pada struktur. Beban dinamis dapat berupa variasi besarannya (magnitude), arahnya (direction) atau posisinya (point of application) berubah terhadap waktu. Demikian pula respons struktur terhadap beban dinamik, yaitu lendutan dan tegangan yang dihasilkan juga perubahan-waktu, atau bersifat dinamik.

Gambar 1. Balok kantilever dengan (a) beban statis dan (b) beban dinamis.

Pada gambar diatas terlihat balok kantilever dengan dua jenis pembebanan berbeda yaitu beban statis dan dinamis. a. gambar 1. (a) menunjukan balok kantilever dengan beban statis, responnya dipengaruhi oleh beban P. b. gambar 1. (b) menunjukan balok kantilever dengan beban dinamis atau beban yang bervariasi terhadap waktu P(t). Lendutan dan tegangan internal yang timbul dalam kasus beban statis hanya ditimbulkan langsung oleh beban P, sedangkan dalam kasus beban dinamis, percepatan yang dialami oleh balok akibat P(t) menimbulkan gaya inersia yang terdistribusi pada seluruh bagian balok. Lendutan dan tegangan pada balok sangat dipengaruhi pula oleh gaya inersia yang ditimbulkan oleh massa balok ketika mengalami percepatan. Jika pengaruh gaya inersia yang terjadi sangat signifikan, maka perlu dilakukan analisa dinamis. Perbedaan respon untuk beban statis dan dinamis juga dapat dilihat pada gambar 2 berikut.

Gambar 2. Balok dengan (a) beban statis dan (b) beban dinamis

Analisa Dinamis pada Struktur

Dapat dikatakan bahwa langkah yang paling diperlukan dalam sebuah analisa dinamis adalah pemodelan matematis. Namun secara keseluruhan langkah- langkah dalam analisa dinamis dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 3. Langkah-langkah dalam analisa dinamis. 

Model analitis terdiri dari: a. Asumsi sederhana yang dibuat untuk menyederhanakan suatu sistem. b. Gambar dari model analitis tersebut. c. Daftar parameter desain.

Model analitis terbagi dalam dua kategori dasar : a. Model berkesinambungan (continues model) b. Model diskrit (discrete-parameter model)

Model berkesinambungan (continues model) mempunyai jumlah derajat kebebasan (number of DOF) tak berhingga. Namun dengan proses idealisasi, sebuah model matematis dapat mereduksi jumlah derajat kebebasan menjadi suatu jumlah diskrit.

Gambar 4. Model analitis berkesinambungan (continues) dan diskrit (discrete-parameter)pada sebuah balok kantilever.

Model berkesinambungan (continues model) pada gambar 4(a) menunjukan jumlah derajat kebebasan tak berhingga, model diskrit pada gambar 4 (b) dan (c) ditunjukan dengan model massa terkelompok (lumped-mass model) dimana massa terbagi rata dari sistem dianggap sebagai massa titik atau partikel.

Analisis Gempa

Sejarah Analisis Gempa Analisis Gempa atau Seismik adalah bagian dari analisis struktur dan perhitungan respon dari sebuah bangunan struktur untuk gempa bumi. Ini adalah bagian dari proses perencanaan struktur, rekayasa gempa bumi atau penilaian struktural dan retrofit (lihat rekayasa struktural) di daerah rawan gempa bumi. Seperti yang terlihat dalam gambar, bangunan memiliki potensi untuk berdeformasi menurut pola gelombang selama gempa bumi. Hal ini disebut mode dasar atau ‘fundamental mode ‘, dan merupakan respon frekuensi terendah bangunan. Sebagian besar bangunan, memiliki mode yang lebih tinggi dari respon, yang unik selama gempa bumi. Angka ini hanya menunjukkan mode kedua, tetapi ada yang lebih tingg. Namun mode pertama dan kedua cenderung menyebabkan kerusakan yang paling banyak.

Ketentuan awal untuk ketahanan seismik yaitu persyaratan desain untuk gaya lateral dimana beban gempa tiap tingkat sebanding dengan proporsi berat bangunan. Pendekatan ini diadopsi dalam lampiran dari 1927 Uniform Building Code (UBC), yang digunakan di pantai barat Amerika Serikat . Hal Ini kemudian berkembang bahwa sifat dinamik struktur mempengaruhi beban yang dihasilkan selama gempa bumi. Pada Los Angeles County Building Code tahun 1943 ketentuan untuk memvariasikan beban berdasarkan jumlah tingkat lantai diadopsi (berdasarkan penelitian yang dilakukan di Caltech bekerjasama dengan Universitas Stanford danPantai AS dan Geodetic Survey , yang dimulai pada tahun 1937) .

Konsep “respon spectra” dikembangkan pada 1930-an, tapi tidak sampai 1952 bahwa komite bersama dari San Francisco Bagian dari ASCE dan Insinyur Struktural Asosiasi California Utara (SEAONC) mengusulkan menggunakan periode alami bangunan (yang invers frekuensi) untuk menentukan gaya lateral. University of California, Berkeley merupakan perguruan tinggi awal yang mengembangkan analisis struktur seismik berbasis-komputer, diketuai oleh Profesor Ray Clough (yang juga menciptakan istilah elemen hingga). Diantara mahaiswanya adalah Edward L Wilson, yang kemudian menulis program SAP pada tahun 1970, generasi awal yang mengembangkan program ” Analisis Elemen Hingga “.

Analisis Statik Ekivalen

Metode ini mendefinisikan serangkaian gaya yang bekerja pada sebuah gedung untuk mewakili efek dari gerakan tanah gempa, biasanya ditentukan oleh desain seismik spektrum respon. Dalam metode ini diasumsikan bahwa bangunan merespon gempa dalam mode fundamental. Respon dibaca dari desain spektrum respons, mengingat frekuensi alami bangunan (baik dihitung atau ditentukan oleh peraturan/kode bangunan). Penggunaaan metode ini diperluas dalam banyak peraturan bangunan dengan menerapkan faktor penambahan (untuk bangunan tinggi) dengan beberapa mode yang lebih tinggi, dan (untuk tingkat rendah) yang mengalami rotasi. Untuk mempertimbangkan dampak karena pelelehan struktur, peraturan banyak menerapkan faktor modifikasi yang mengurangi kekuatan desain (misalnya faktor reduksi kekuatan, R).

Analisis Respon Spektrum

Pendekatan ini memperhitungkan beberapa mode respons bangunan. Hal ini diperlukan dalam banyak peraturan bangunan kecuali untuk bangunan yang sangat sederhana atau sangat kompleks struktur. Respons struktur dapat didefinisikan dari kombinasi dari banyak mode khusus sehingga dalam rangkaian getaran sesuai dengan beban harmonik. Analisis dengan komputer dapat digunakan untuk menentukan mode untuk struktur. Untuk setiap mode, respon dibaca dari spektrum desain, berdasarkan pada frekuensi modal dan massa modal dan kemudian dikombinasikan untuk memberikan perkiraan total respon struktur. Kombinasi Modal terdiri atas : 1. Metode absolut – puncak : nilai yang ditambahkan bersama-sama 2. Kuadrat akar dari jumlah kuadrat (SRSS) 3. Kombinasi Kuadrat Lengkap (CQC) – sebuah metode yang merupakan perbaikan pada SRSS untuk mode berjarak dekat.

Hasil dari analisis respon spektrum dengan menggunakan respon spektrum gerakan tanah biasanya berbeda dari yang akan dihitung langsung dari analisis linier dinamik menggunakan gerakan tanah langsung, karena terdapat tahapan informasi yang hilang dalam proses menghasilkan respon spektrum. Dalam kasus di mana struktur sangat tidak teratur, sangat tinggi atau sangat penting bagi masyarakat di respon bencana, pendekatan respon spektrum tidak lagi sesuai, dan analisis kompleks analisis dibutuhkan, seperti non-linear analisis statis atau dinamis.

Analisis Dinamis Linier

Prosedur statis sesuai apabila efek mode yang lebih tinggi tidak signifikan. Ini umumnya berlaku untuk jangka pendek, bangunan biasa. Oleh karena itu, untuk bangunan tinggi, bangunan yang mengalami torsi, atau sistem non-ortogonal, sebuah diperlukan prosedur dinamis. Dalam prosedur dinamik linier, gedung dimodelkan sebagai sistem derajat-kebebasan-banyak (MDOF) dengan matriks kekakuan elastis linear dan matriks redaman viskos setara. Masukan seismik dimodelkan baik menggunakan analisa spektral modal atau analisis riwayat waktu tetapi dalam kedua kasus, kekuatan-kekuatan internal yang sesuai dan perpindahan ditentukan menggunakan analisis elastis linier. Keuntungan dari prosedur dinamik linier berkaitan dengan prosedur statis linear adalah bahwa mode yang lebih tinggi dapat diperhitungkan. Namun, hal ini didasarkan pada respon elastis linier dan karenanya penerapan menurun dengan meningkatnya perilaku nonlinear didekati dengan faktor reduksi kekuatan global. Dalam analisis dinamik linier, respon struktur terhadap gerakan tanah dihitung dalam domain waktu dan semua fase informasi itu dipertahankan. Metode analitis dapat menggunakan dekomposisi modal sebagai alat untuk mengurangi derajat kebebasan dalam analisis.

Analisis Statis Non-Linier

Secara umum, prosedur linier yang berlaku saat struktur diharapkan tetap hampir elastis untuk tingkat pergerakan tanah atau ketika hasil desain dalam distribusi hampir seragam di seluruh respon nonlinier struktur. Sebagai tujuan bahwa kinerja struktur menyiratkan tuntutan inelastis yang lebih besar dengan peningkatan prosedur linier ke titik yang membutuhkan tingkat tinggi konservatif dalam asumsi permintaan dan kriteria penerimaan untuk menghindari kinerja yang tidak diinginkan. Oleh karena itu, prosedur memasukkan analisis inelastik dapat mengurangi ketidakpastian dan konservatif. Pendekatan ini juga dikenal sebagai analisis “pushover“. Sebuah pola gaya diterapkan pada model struktural yang mencakup sifat non-linear (seperti pada baja), dan gaya total diplot terhadap perpindahan referensi untuk menentukan kurva kapasitas. Ini kemudian dapat dikombinasikan dengan kurva persyaratan (biasanya dalam bentuk percepatan-perpindahan spektrum respon (ADR)). Hal ini pada dasarnya adalah mengurangi masalah dengan membawa ke tingkat kebebasan tunggal. Prosedur nonlinier statik ekuivalen SDOF menggunakan model struktural yang mewakili gerakan tanah seismik dengan spektrum respons. Story drift (perpindahan tingkat) dan komponen gaya terkait terhadap parameter permintaan global oleh kurva pushover atau kapasitas merupakan dasar dari prosedur statis non-linear.

Analisisi Dinamik Non-linier

Analisis nonlinier dinamik memanfaatkan kombinasi catatan gerakan tanah dengan model struktural rinci, sehingga mampu menghasilkan hasil dengan ketidakpastian yang relatif rendah. Dalam analisis dinamik nonlinear, model struktural rinci dikenakan ke rekaman gerakan tanah (ground-motion) menghasilkan estimasi deformasi komponen untuk setiap derajat kebebasan dalam model dan respon modal yang digabungkan dengan menggunakan skema seperti jumlah-kuadrat-akar (SRRS). Dalam analisis dinamis non-linear sifat non-linier struktur dianggap sebagai bagian dari suatu domain analisis waktu. Pendekatan ini adalah yang paling ketat dan digunakan oleh beberapa peraturan bangunan untuk bangunan dengan konfigurasi yang tidak biasa atau untuk keperluan khusus. Namun, respon dihitung bisa sangat sensitif terhadap karakteristik gerakan tanah individu digunakan sebagai input seismik, sehingga diperlukan beberapa analisis menggunakan catatan gerakan tanah yang berbeda untuk mencapai estimasi yang handal dari distribusi probabilistik respon struktural. Karena sifat-sifat respon gempa tergantung pada intensitas, atau keparahan, dari getaran seismik, penilaian yang komprehensif untuk berbagai analisis dinamik nonlinear pada berbagai tingkat intensitas untuk mewakili skenario yang mungkinn untuk gempa yang berbeda. Hal ini mengakibatkan munculnya metode seperti Incremental Dynamic Analysis.

Sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/Seismic_analysis