Efektivitas Teknologi Damper Dalam Mereduksi Respon Dinamik Akibat Beban Seismik

Efek dari gempa bumi yang terjadi dan yang sangat nyata ada pada konstruksi bangunan. Gedung roboh, rumah ambruk maupun jalan miring adalah contoh kerusakan yang diakibatkan oleh gempa bumi (pembahasan sebelumnya). Banyak cara yang telah diterapkan untuk meminimalisir kerusakan akibat gempa bumi. Jepang sebagai salah satu negara terdepan dalam teknologi, telah mengaplikasikan salah satu teknologi tahan gempa yakni penggunaan kontrol pada struktur bangunan untuk mereduksi respon dinamik yang diakibatkan oleh beban seismik (gempa bumi).Kontrol pada struktur dibagi menjadi dua jenis berdasarkan perlu tidaknya energi untuk menghasilkan gaya kontrol, yaitu :

• Kontrol aktif memerlukan arus listrik untuk operasi alat dan menghasilkan gaya kontrol. Kelebihan kontrol aktif adalah karakteristik dinamik struktur dapat beradaptasi dengan beban dinamis yang timbul 
• kontrol pasif menggunakan energi potensial yang dibangkit kan oleh respons struktur untuk menghasilkan gaya kontrol. Kelebihan kontrol pasif adalah karena kesederhanaan dalam desain, pemasangan, dan terutama pemeliharaannya.

Salah satu alat kontrol pasif (isolasi seismik) pada struktur yang berdasarkan penggunaan massa tambahan sebagai sistem penyerap energi adalah penggunaan damper. Alat ini dapat dipasang pada bermacam-macam struktur seperti : gedung bertingkat tinggi, menara, bentangan yang panjang, dan jembatan. Tujuan utama pemasangan damper pada gedung tinggi dan menara untuk mengurangi goyangan gedung akibat gempa bumi dan angin, pada struktur berbentang panjang untuk mengurangi getaran akibat lalu lintas, dan pada jembatan untuk mengurangi goyangan akibat angin atau getaran akibat lalu lintas.

Pada tulisan ini akan disajikan mengenai perkembangan dan penggunaan teknologi damper pada struktur bangunan. Struktur bangunan yang ditinjau adalah rumah tinggal dan gedung tinggi dengan penggunaan bantalan karet (seismic bearing). Analisis kelebihan dan kekurangan penggunaan damper akan menunjukkan efektivitas dalam meminimalisir kerusakan akibat gempa bumi.

Azas utama penyediaan bangunan sipil adalah untuk tujuan kemanusiaan. Oleh karena itu perlu diperhatikan faktor keamanan dan kenyamanan bagi penghuninya. Beberapa tahun terakhir, perancangan isolasi dasar (base isolation) yang digunakan untuk perlindungan gedung dari bahaya dan kerusakan yang disebabkan oleh gempa bumi telah digunakan sebagai teknologi dalam perancangan struktur gedung di wilayah gempa tinggi. Beberapa tipe struktur telah didesain menggunakan teknologi ini, baik gedung yang telah dibangun maupun yang masih dalam tahap konstruksi.

Dalam pemodelan struktur gedung dengan base isolator diperlukan pemodelan base isolation yang optimum sehingga akan diperoleh lateral dan vertikal displacement yang akurat. Adapun alat peredam gempa tersebut, cukup banyak jenisnya seperti :

1. Bantalan karet tahan gempa (seismic bearing)
2. Lock Up Device (LUD)
3. Fluid Viscous Damper (FVD)
4. High Damping Device (HIDAM)

Penggunaan peralatan tahan gempa tersebut, pada prinsipnya berfungsi untuk menyerap energi gempa yang dipikul oleh elemen-elemen struktur. Sehingga, struktur bangunan menjadi lebih elastis dan terhindar dari kerusakan gempa yang parah.

Respon antara struktur dengan damper dan tanpa damper ketika diguncang gempa

1. Bantalan karet tahan gempa (seismic bearing)

Bantalan karet sering dikenal sebagai base isolation, tampaknya penggunaannya akan semakin berkembang luas di masa datang. Berbagai daerah di Indonesia yang dikategorikan rawan gempa, menjadikan bantalan karet peredam gempa ini sangat diperlukan untuk melindungi struktur bangunan. Bantalan karet ini tergolong murah, dan bukan merupakan alat berteknlogi tinggi. 

  Bantalan karet

Aplikasi bantalan karet

Dalam aplikasinya, bantalan karet tersebut dipasang pada setiap kolom, yaitu diantara pondasi dan bangunan. Bantalan karet alam ini, berfungsi untuk mengurangi getaran akibat gempa. Sedangkan lempengan baja, digunakan untuk menambah kekakuan bantalan karet, sehingga penurunan bangunan saat bertumpu di atas bantalan karet tidak terlalu besar.

Adapun prinsip kerja dari bantalan karet (base isolation seismic bearing) ini adalah pengaruh gempa bumi yang sangat merusak struktur bangunan, merupakan komponen getaran karet horizontal. Getaran tersebut, dapat menimbulkan gaya reaksi yang besar. Bahkan, pada puncak bangunan, dapat terlihat hingga mendekati dua kalinya. Oleh karena itu, apabila gaya yang sampai pada bangunan itu lebih besar dari kekuatan struktur maka bangunan itu akan rusak.

 Perletakan bantalan karet pada tiap kolom

 Gaya reaksi yang sampai pada bangunan tersebut, dapat dikurangi melalui penggunaan bantalan karet tahan gempa ini. Pada dasarnya, cara perlindungan bangunan oleh bantalan karet tahan gempa ini, dicapai melalui penggunaan getaran gempa bumi ke arah horizontal. Dengan bantalan tersebut, juga memungkinkan bangunan untuk bergerak bebas, pada saat berlangsung gempa bumi, tanpa tertahan oleh pondasi. Bantalan karet tersebut, dapat mengurangi daya reaksi hingga 70%. Karena, secara alami karet alam memiliki fleksibilitas yang tinggi dan dapat menyerap energi.

 Uji geser

Uji tekan

Peredam gempa berupa bantalan karet alam ini, kini mulai banyak diaplikasikan pada bangunan-bangunan hunian maupun gedung-gedung bertingkat. Dan berdasarkan pengalaman di lapangan., bangunan yang menggunakan bantalan karet peredam gempa ini, tidak mengalami kerusakan yang signifikan, ketika terjadi gempa.

2. Lock Up Device (LUD)

Selain bantalan karet, kini beberapa bangunan publik yang berlokasi di daerah rawan gempa, juga sudah mulai mengaplikasikan teknologi peredam gempa berteknologi tinggi dari mancanegara. Salah satunya adalah jalan layang (flyover) Pasupati, Bandung. Konon, bangunan publik ini, merupakan jalan layang pertama di indonesia, yang mengaplikasikan perangkat teknologi peredam gempa shock transmission unit, dipilih jenis Lock Up Devices (LUD) yang didatangkan dari Prancis. Teknik yang umumnya dipakai di Tank atau pesawat angkasa, sekarang ada di jalan Pasupati ini.

LUD pada jembatan Rigid

Salah satu alasan pemasangan LUD pada jalan layang Pasupati ini, karena Bandung termasuk kota rawan gempa. Kekuatan gempa di Indonesia, terutama Jawa, tercatat masuk region 3 – 4 atau sekitar 8 Ritcher. Karenanya, di sepanjang jalan laying Pasupati, setidaknya dipasang sekitar 76 unit LUD. Seluruh unit tersebut, dipasang pada tiang-tiang (pier) jalan layang. Pada setiap tiang yang ditentukan, dipasang dua unit LUD yang akan bekerja meredam guncangan pada konstruksi jalan layang ketika terjadi gempa.
Seperti pada produk peredam gempa LUD yang konon harga per-unitnya lebih dari 100 juta tersebut, jika dilihat dari dekat pada konstruksi jembatan layang Pasupati ini ada semacam dongkrak atau shockbreaker pada pertemuan antara tiang dan segmen jalan layang. Benda itulah yang dinamakan LUD, sebagai alat untuk meredam guncangan jika terjadi gempa.

 LUD

Prinsip kerja LUD

Prinsip kerja LUD sangat sangat sederhana, jika diibaratkan tiang dan badan jalan layang sebagai huruf  T. Dimana garis melintang sebagai badan jalan. Gerak redam LUD pada saat terjadi gempa, akan berlangsung dari arah kiri ke kanan atau sebaliknya. Dengan penggunaan cairan khusus (gel silikon) yang menjadi bantalan pada LUD, guncangan ekstrem akibat gempa, pada saat tertentu mengakibatkan LUD terkunci, dan mengakibatkan seluruh badan jalan dan tiang akan bergerak serentak ke arah yang sama seperti huruf T, ke kanan dan ke kiri. Sistem ini, juga bisa meredam gerakan liar, akibat guncangan yang disebabkan oleh getaran lainnya. Kekuatan LUD dengan gaya horizontal, adalah 3.400 kN/unit.

 Peletakan LUD pada jembatan (tampak atas)

Peletakan LUD pada jembatan (tampak samping)

Supaya awet LUD harus dirawat dengan mengganti cairan LUD (gel silikon) setiap 25 tahun, dan mengganti cincin karena 10 tahun. Umur struktur jembatan itu sendiri, diperkirakan bisa mencapai lebih dari 100 tahun.

3. Fluid Viscous Damper (FVD)

Peralatan peredam gempa lain yang cukup terkenal dan banyak diaplikasikan pada struktur bangunan, adalah fluid viscous damper (FVD). Fungsi utama dari peralatan ini, adalah menyerap energi gempa dan mengurangi gaya gempa rencana yang dipikul elemen-elemen struktur. Sehingga, struktur bangunan menjadi lebih elastis dan mampu meredam guncangan gempa. Dengan mengaplikasikan peralatan FVD, gempa rencana yang dipikul elemen struktur menjadi lebih kecil. Sehingga, dengan kondisi tersebut diharapkan tidak terjadi kerusakan struktur bangunan ketika gempa terjadi.

  Pemasangan FVD pada struktur gedung

Cara Kerja FVD

FVD merupakan alat peredam gempa yang berfungsi sebagai disipator energi, dengan cara memberikan perlawanan gaya melalui pergerakan yang dibatasi. Gaya yang diberikan oleh FVD timbul, akibat adanya gaya luar yang berlawanan arah, bekerja pada alat tersebut. Peralatan ini bekerja, dengan menggunakan konsep mekanika fluida dalam mendispasikan energi.

 Skema Kerja FVD

Pada perkuatan FVD kolom berfungsi sebagai pegas. FVD mampu mereduksi tegangan dan defleksi yang terjadi secara simultan (bersamaan), karena gaya FVD yang bekerja sebanding dengan perubahan kecepatan stroke-nya (stroking velocity). Mekanisme kerja ini, dianalogikan seperti suspensi atau shock absorbser pada mobil, yang digunakan untuk mengatur pergerakan pegas di posisi tumpuan. Gaya redaman yang dibutuhkan relatif kecil, dibandingkan gaya yang dipikul pegas, akibat beban kendaraan dan beban guncangan.

 FVD pada perkuatan struktur gedung

 

Jika pada struktur dipasang FVD, gaya redaman akan sama dengan nol pada saat defleksi maksimum, karena kecepatan stroke sama dengan nol dan kemudian berbalik arah. Saat kolom berbalik arah ke posisi semula, akan menyebabkan menjadikan kecepatan stroke menjadi maksimum atau gaya redamannya menjadi maksimum. Pada posisi kolom normal, tegangan kolom adalah minimum. Dengan, demikian penggunaan FVD sebagai alat peredam struktur, tidak akan meningkatkan beban pada kolom akibat gaya yang dikeluarkan FVD, karena saat terjadi gempa dan gaya damper maksimum, tegangan kolom justru minimum.

FVD pada jembatan

Adapun kelebihan FVD, yaitu

1. Dapat mereduksi tegangan, gaya geser dan defleksi pada struktur, dapat bekerja secara pasif (tidak membutuhkan peralatan atau sumber daya dalam penggunaannya).
2. Dapat bekerja dengan tekanan fluida lebih tinggi, sehingga bentuknya semakin kecil dan praktis.

4. High Damping Device (HIDAM)

Jepang adalah salah satu negara yang sering dilanda gempa, sehingga para engineer di jepang dituntut untuk dapat mengatasi kerusakan bangunan akibat guncangan gempa sehingga mengurangi korban jiwa dan materi. Alat peredam gempa ini adalah hasil penelitian dan pengembangan laboraturium Kobori, afiliasi perusahaan kontraktor Kajima. Di Jepang sendiri, alat ini berhasil diaplikasikan pada gedung-gedung tinggi dan struktur khusus lainnya. 

 Prinsip kerja HiDAM

Untuk HiDAM pada bagian struktur atas sebagai respon pasif juga mulai banyak diaplikasikan. Hal ini penting, karena berdasarkan simulasi, jika gempa berkekuatan 7-8 magnitude mengguncang Tokyo, maka lebih dari sepertiga areanya akan luluh lantah, dengan banyak korban jiwa.

Prinsip Kerja HiDAM

Sekilas mengenai prinsip kerja HiDAM, secara umum hampir sama dengan FVD taylor device . Yakni kedua alat ini sama-sama menggunakan prinsip viskositas dalam menciptakan gaya redaman. Berdasarkan hasil penelitian terhadap alat peredam gempa HiDAM ini, rasio redaman struktur, mampu ditingkatkan oleh HiDAM pada kisaran 10 – 20 %.  Angka ini, sangat signifikan dalam mengurangi respon struktur terhadap gempa dan kerusakan bangunan, serta telah memenuhi kriteria konvensional gempa di Jepang.

Aplikasi HiDAM dalam Bangunan

KESIMPULAN

Penggunaan damper memang sangat penting dalam meredam reduksi beban dinamik oleh gerakan seismik. Keunggulan damper adalah karena kesederhanaan dalam desain, pemasangan, dan terutama pemeliharaannya. Kita akui penggunaan damper membutuhkan biaya yang sangat mahal dibandingkan membangun tanpa damper. Tetapi, Biaya untuk memperbaiki kerusakan relatif kecil dan biaya terhentinya akibat terhentinya aktivitas hampir tidak ada.

Yang perlu diperhatikan tidak selamanya damper dapat digunakan dengan leluasa di daerah Jepang. Dengan banyaknya daerah yang tersidementasi (tanah pasir atau lempung) di Jepang perlu juga di perhatikan kejadian likuifaksi yang menyebabkan degradasi lahan. Pada daerah ini perlu juga pemakaian pondasi yang sesuai, baru dapat menerapkan damper pada bangunan.

Perilaku Struktur dengan dan tanpa Base Isolator

Horizontal Displacement Time History Plot

Diatas dapat kita lihat perbandingan antara bangunan yang menggunakan damper dan yang tidak menggunakan damper. Dengan menggunakan damper dapat meminimalisir perpindahan atau goncangan dimana ditunjukkan oleh difference line. Efektivitas damper pada saat kejadian gempa di Jepang memang mampu meminimalisir kerusakan bangunan. Pada kejadian gempa sendai 2011, bangunan di Jepang tidak mengalami kerusakan parah akibat gempa, melainkan kerusakan parah diakibatkan tsunami.

Damper merupakan solusi yang cocok untuk daerah rawan gempa. Baik itu bangunan rumah maupun gedung. Sebagai negara yang maju dalam teknologi, Jepang telah mampu menerapkan teknologi ini. Penggunaan damper untuk daerah tertentu di Jepang mampu mereduksi respon dinamik yang disebabkan beban seismik. Kerusakan-kerusakan yang dialami pada gempa di Jepang cenderung merupakan akibat tsunami. Untuk negara-negara yang rawan gempa patutnya dapat menerapkan teknologi damper khususnya base isolation untuk mengantispasi dan meminimalisir efek primer maupun efek sekunder dari gempa bumi.

Pustaka :

http://pustaka-ts.blogspot.com

http://sanggapramana.wordpress.com

http://www.georesources.co.uk

http://factsanddetails.com/japan.php?itemid=863&catid=26&subcatid=161.

http://www.bridgestone-dp.jp

http://www.wbdg.org

http://www.ndsse.com
http://www.ipard.com

http://rebar.ecn.purdue.edu

http://istgeography.wikispaces.com

dan masih banyak sumber yang lainnya