MATERI REKAYASA GEMPA

MATERI REKAYASA GEMPA UNTUK KD1 

SEBAB-SEBAB GEMPA

• Keruntuhan tanah di dalam gua

• Tumbukan antara meteor dan permukaan bumi 

• Peristiwa gunung api meletus 

• Peristiwa tektonik 

TEORI PLAT TEKTONIK

• Teori plat tektonik menganggap bahwa lapisan kerak bumi terdiri dari beberapa plat kaku / lempeng.

• Ada 12 plat tektonik yang besar/utama: plat Asia, plat Pasifik, plat Indo-Australia, plat Antartik, plat Afrika, plat Amerika Utara, plat Selatan, plat Filipina, plat Karibia, plat Naska 

Pertemuan antara dua plat

• Penunjaman, plat yang satu bergerak membelok ke bawah (menunjam), sedang plat yang lain sedikit terangkat. Contoh terjadi di sebelah barat Sumatera, sebelah selatan Jawa - Nusa Tenggara.

• Pemisahan, kedua plat saling bergerak ke atas kemudian saling menjauh. Contoh terjadi di lautan Atlantik yang membujur dari utara-selatan.

• Tumbukan, kedua plat saling mendekat laku bertumbukan. Contoh terjadi di pegunungan Himalaya.

• Patahan, plat satu bergerak vertikal / horisontal terhadap yang lain. Contoh terjadi di Amirika Barat.

PELEPASAN ENERGI

• Dalam gerakannya plat-plat tektonik terhambat oleh gaya gesek yang timbul akibat koefisien gesekan antar plat tidak sama dengan nol 

• Akibat adanya hambatan gerakan plat tersebut terjadi pengumpulan energi 

• Jika pengumpulan energi telah melampui kekuatan gaya gesek maka plat-plat tersebut bergerak dengan disertai pelepasan energi yang besar 

• Energi yang dilepas menyebabkan getaran yang besar dan merambat ke batuan di sekitarnya dan mengetarkan tanah diatas batuan tersebut yang disebut gempa bumi 

SUMBER GEMPA, EPISENTER, DAN JARAK HIPOSENTER

• Lokasi sumber gempa umumnya berada pada perbatasan plat-plat tektonik, suatu tempat yang sering terjadi patahan 

• Sumber gempa juga disebut focus atau hypocentre 

• Titik dipermukaan bumi yang letaknya tepat diatas sumber gempa disebut episenter 

• Lokasi sumber gempa umumnya berada pada perbatasan plat-plat tektonik, suatu tempat yang sering terjadi patahan 

• Sumber gempa juga disebut focus atau hypocentre 

• Titik dipermukaan bumi yang letaknya tepat diatas sumber gempa disebut episenter 

AFTERSHOCKS

• Pelepasan energi pada lokasi lain disekitar sumber gempa dinamakan aftershocks 

• Gempa akibat akibat aftershocks ini dapat lebih besar dari pada gempa yang pertama 

JALUR GEMPA

• Sumber –sumber gempa yang terjadi di muka bumi dapat dikelompokkan menjadi 3 jalur gempa. Ketiga jalur gempa itu adalah :

• Circum Pasific Eartquake Belt  atau Great Eartquake Belt (jalur gempa pasifik), yang melalui Chili, Ecuador, Colifornia, Kepulauan Aleutian, Jepang, Taiwan, Philipina, Sulawesi Utara, Kepulauan Maluku, Irian, Melanesia, Polenisia, dan Selandia Baru.

• Alpide Eartquake Belt atau Trans Asiatic Eartquake Belt (jalur gempa asia), yang melalui Azores, Pegunungan Alpine di Eropa, Jawa, Nusa Tenggara, dan Irian.

• Mid Atlantic Eartquake Belt ( jalur gempa Atlantik Tengah), yang dari Atlantik Selatan melintas ke utara melalui Iceland dan Spitzbergen.

UKURAN GEMPA

 Untuk mengukur besarnya gempa, ada 2 macam ukuran yaitu besar energi yang dilepaskan pada sumber gempa dan besar percepatan maksimum permukaan tanah 

Besar energi : Pada saat terjadi gempa, terjadi pelepasan energi pada sumber gempa. Besar energi gempa yang dilepas dari sumber gempa itu diukur dengan skala Richter. Hubungan antara energi yang dilepas pada sumber gempa dan skala Richter ialah sebagai berikut 

 Log E = 11,4 + 1,5 . R

 dimana :

 E : energi yang dilepaskan ( erg atau dyne-cm )

 R : besaran skala Richter 

Percepatan maksimum permukaan tanah : Ukuran gempa yang dapat langsung mempengaruhi struktur bangunan ialah intensitas lokal gempa, yaitu besar kecilnya percepatan maksimum permukaan tanah pada saat dilanda gempa. Semakin jauh suatu tempat dari sumber gempa semakin kecil percepatan maksimum permukaan tanah. Ada 2 rumus yang sering digunakan untuk menghubungkan antara besarnya energi gempa yang dilepas di sumber gempa dan percepatan permukaan tanah pada suatu tempat. Rumus itu diusulkan oleh Donovan dan Matuschka 

• Karena intensitas lokal diukur dengan percepatan maksimum permukaan tanah (dalam gal  atau cm / dt2), maka dapat dihubungkan dengan besar kecilnya kerusakan bangunan

• Besar kecilnya kerusakan bangunan akibat gempa juga diukur dengan skala standar Internasional yang disebut Modified Mercali , dengan simbul MM. Ada 12 tingkat skala Intensitas  Modified Mercali. ( Ringkasan ) :

• I. Tidak terasa orang , hanya tercatat oleh alat pencatat yang peka.

• II. Terasa oleh orang yang sedang istirahat, terutama orang yang berada dilantai dua dan diatasnya.

• III.Benda- benda yang tegantung bergoyang, bergetar ringan.

• IV.Getaran seperti truk lewat. Jendela, pintu dan barang pecah belah bergemerincing.

• V. Terasa oleh orang diluar gedung. Orang tidur terbangun. Benda-benda di atas meja tidak stabil, terguling jatuh. Pintu bergerak menutup-membuka.

• VI.Terasa oleh semua orang. Banyak orang takut dan keluar rumah. Berjalan kaki sulit. Kaca jendela dan pintu pecah. Meja kursi bergerak. Plesteran tembok mutu D retak-retak .

• VII. Sulit berdiri. Terasa oleh pengendara sepeda motor dan mobil. Tembok mutu D retak dan rusak, plester lepas, genting di atap jatuh. Tembok mutu C retak. Rawa dan kolam bergelombang. Longsor kecil pada lereng-lereng pasir dan kerikil.

• VIII. Pengemudi mobil terganggu. Tembok mutu C rusak, tembok mutu B retak-retak, tetapi mutu tembok mutu A masih baik. Menara air roboh. Gedung berportal bergerak bila tidak diangker dengan fondasinya. Tanah basah retak-retak, terutama pada lereng yang curam.

• IX. Semua orang panik. Tembok mutu C rusak berat, beberapa runtuh . Tembok mutu B rusak. Portal gedung bila diangker lepas dari fondasinya. 

• X. Sebagian besar konstruksi portal dan temboknya rusak beserta fondasinya. Beberapa bangunan kayu dan jembatan rusak. Banyak terjadi tanah longsor. Air di sungai dan kolom muncrat ke tepi. Tanggul dan bendungan rusak berat. Di daerah yang datar pasir dan lumpur bergerak-gerak. Rel kereta api bengkok.

• XI. Rel kereta api rusak berat . Pipa dalam tanah rusak berat.

• XII. Terjadi kerukan total. Batu-batu besat berpindah tempat. Benda-benda terlempar ke udara.

GELOMBANG GEMPA

Energi gempa menjalar lewat batuan dan naik ke permukaan tanah dalam bentuk gelombang gempa. Macam-macam gelombang gempa adalah sebagai berikut:

• Gelombang Primer, yaitu gelombang yang menjalar secara longitudinal. Kecepatan gelombang antara 1,4 sampai dengan 6,4 km/ dt.

• Gelombang Sekunder, yaitu gelombang yang menjalar secara transversal. Kecepatan sekitar 2/3 kali kecepatan gelombang primer.

• Gelombang Rayleigh, gelombang yang hanya menjalar pada permukaan tanah, butir-butir tanah bergerak secara elips.

• Gelombang Love, gelombang yang hanya menjalar pada permukaan tanah, butir-butir tanah permukaannya bergerak tranversal.

Pada dasarnya getaran gempa pada jarak jauh merambat secara horisontal melalui batuan di bawah permukaan tanah, kemudian naik ke permukaan di masing-masing tempat.

Hal-hal yang mempengaruhi rambatan getaran gempa adalah sebagai berikut :

• Panjang lapisan tanah di atas batuan.

• Tebal lapisan tanah di atas batuan.

• Kemiringan lapisan tanah endapan.

• Perubahan jenis tanah.

• Topografi batuan dasar.

• Retakan di dalam batuan.

FREKUENSI GEMPA

• Hubungan yang banyak dipakai pada bidang teknik sipil ialah hubungan antara frekuensi dan besar percepetan maksimum permukaan tanah pada suatu daerah tertentu.Frekuensi Percepatan maksimum tanah (g)

• Makin lama jangka waktu ulang makin besar percepatan permukaan tanah.

BEBAN GEMPA

• Beban gempa tidak sama dengn beban angin. Kerusakan struktur karena getaran tanah saat dilanda gempa disebabkan oleh gaya dalam pada struktur yang bersangkutan. 

• Hanya dalam perhitungan seolah-olah gaya gempa mirip dengan beban angin, bekerja pada tempat-tempat yang dianggap dapat mewakili terhadap pengaruh yang ditimbulkannya, dan biasanya berimpit dengan titik berat masa struktur. 

• Massa struktur, ukuran maupun bentuknya mempengaruhi sifat beban gempa dan sifat ketahanan strukturnya.

• Percepatan permukaan tanah yang diakibatkan getaran gempa merupakan hal yang sangat mentukan terhadap besarnya gaya gempa yang seolah-olah harus didistribusikan pada suatu struktur.

• Sesuai hukum Newton ; F = m.a , gaya yang timbul sebanding dengan massa dan percepatan, maka bila terjadi getaran akibat gempa yang mengakibatkan percepatan permukaan tanah, gaya gempa dihitung dari perkalian antara massa struktur dan percepatan permukaan tanah dimana struktur tersebut berada.

• Massa struktur dapat dihitung dari Volume struktur dikalikan dengan massa jenis struktur. Sedang percepatan permukaan tanah dapat dihitung berdasarkan waktu getar alami struktur yang bersangkutan.

• Gempa mengguncang gedung pada pada tiga arah dimensi, yaitu dua arah horisontal dan satu arah vertikal. Besar gaya vertikal dapat sampai dua per tiga gaya horisontalnya

Dalam perencanaan gaya vertikal dianggap terlalu kecil untuk diperhitungkan dengan alasan :

• Pembesaran gaya batang akibat beban gempa arah vertikal tidak begitu berpengaruh karena pemberian angka keamanan pada beban mati dan beban hidup yang cukup besar yaitu :

 U1 = 1,2 UD + 1,6 UL 

 sedangkan jika diberi beban gempa, maka :

 U2 = 1,05 ( UD + UL + UE )

• Bentuk struktur umumnya sudah kuat terhadap beban vertikal, namun kurang kuat terhadap beban horisontal.

Tinjauan beban vertikal tidak dapat diabaikan pada elemen struktur yang bersifat khusus, misalnya :

• kantilever

• balok panjang dengan beban kolom di atasnya

WAKTU GETAR ALAMI

Untuk perencanaan pendahuluan dalam SNI 1726-1989 pasal 2.4.5 memberikan rumus penekatan sebagai berikut:

• Untuk struktur-struktur gedung berupa portal-portal tanpa unsur pengaku yang dapat membatasi simpangan :

 T = 0,085. H 0,75 untuk portal baja.

 T = 0,060. H 0,75 untuk portal beton.

• Untuk struktur gedung yang lain :

 T= 0,090 . H. B( - 0,5 )

 dimana :

 T :waktu getar gedung pada arah yang ditinjau, dt

 B :panjang gedung pada arah gempa yang ditinjau, m

 H :tinggi puncak bagian utama struktur, m

• Setelah gaya akibat gempa disebar di masing-masing lantai dan simpangan yang terjadi dihitung, maka waktu getar alami gedung dihitung kembali dengan rumus :

 (å Wi di2 ) 

 T = 6,3 Ö ¾¾¾¾¾ 

 (g å Fi di )

 dimana :

 Wi : beban vertikal ( mati dan hidup ) pada tingkat i, kg

 Fi : beban gempa horisontal pada tingkat i, kg

 di : simpangan pada tingkat i akibat beban horisontal, mm

 g : percepatan grafitasi, mm/ dt

 Jika waktu getar T yang dihitung dengan rumus terakhir kurang dari 80 % nilai T dari hitungan pendahuluan maka beban gempa harus dihitung ulang 

RESPON SPEKTRUM 

 Getaran permukaan tanah saat terlanda gempa berbeda-beda dari satu tempat dengan tempat yang lain disebabkan dipengarui oleh : besar gempa, jarak dari sumber gempa, jenis tanah, keadaan topografi dan lain-lain. 

 Perbedaan getaran permukaan tanah mengakibatkan response spectrumnya berbeda-beda.

• Ada tiga macam respon dari gempa yang terjadi pada suatu daerah yaitu percepatan tanah, kecepatan tanah, dan simpangan tanah 

DAKTILITAS

• Sebagaimana pada bahan, struktur dapat bersifat getas dan daktail (liat). 

• Getas ialah sifat yang apabila diberi beban luar sampai melebihi kuat elastisnya maka bahan atau struktur segera patah/pecah/rusak.

• Daktail ialah sifat yang apabila diberi beban luar sampai melebihi kuat elastisnya tidak langsung patah/pecah/rusak, melainkan berubah bentuk secara plastis sampai batas tertentu dan baru mengalami kerusakan bila kemampuan plastisnya terlampui.

 Struktur yang mempunyai sifat getas, maka struktur tersebut harus kuat menahan beban gempa.

 Sedang struktur yang mempunyai sifat daktail (ulet) kekuatanya tidak perlu lebih besar dari pada beban gempa, karena struktur tidak akan segera runtuh bila beban gempa melebihi kekuatan elastisnya melainkan akan terjadi kondisi plastis 

• Daktilitas adalah rasio antara simpangan rancang maksimum sebelum runtuh dengan simpangan leleh awal dari struktur yang ditinjau.

• Daktilitas adalah rasio antara simpangan rancang maksimum sebelum runtuh dengan simpangan leleh awal dari struktur yang ditinjau.

m = dult /dy 

 dimana :

m : daktilitas

dult : simpangan maksimum 

dy : simpangan leleh

KEUTAMAAN GEDUNG

 Faktor keutamaan gedung adalah suatu koefisien yang diadakan untuk memperpanjang waktu ulang dari kerusakan struktur gedung yang relatif lebih utama antra lain : 

• gedung monumental, untuk mengamankan penanaman modal pada gedung tersebut.

• gedung yang dipakai untuk penyediaan fasilitas yang harus tetap berfungsi setelah gempa bumi terjadi, misalnya rumah sakit, pemancar radio, pusat penyelamatan keadaan darurat (gedung sekolah), gudang bahan makanan, bangunan air minum. 

• gedung penyimpan bahan berbahaya, misalnya bahan beracun,pusat tenaga atom/nuklir.

PEMBAGIAN BEBAN GEMPA SEPANJANG TINGGI GEDUNG

• Untuk gedung kurang dari 40 meter, maka pembagian beban gempa sepanjang tinggi gedung dapat menggunakan rumus sebagai berikut :

 (Wi.hi)

• F1 = ¾¾¾¾ x V

 (å Wi .hi)

• dimana :

• Fi : beban gempa pada lantai tingkat i, ton

• hi : ketinggian lantai tingkat i, meter

• Wi : berat lantai tingkat i, ton

• V : beban gempa dasar, ton 

SIMPANGAN AKIBAT GEMPA

• Momen inersia yang diperhitungkan dalam menghitung simpangan struktur gedung sebesar : I = 0,75 I bruto

• Dalam pasal 2.6.3. Pedoman Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Rumah dan Gedung (SNI-1726-1989-F) ditetapkan bahwa goyangan antar lantai tidak boleh melebihi salah satu dari dua besaran berikur :

 a. 0,005 kali tinggi tingkat (antar lantai)

 b. 2 cm

JARAK PEMISAHAN GEDUNG

• Setiap gedung harus mempunyai jarak pemisahan terhadap perbatasan lahan, dengan jarak tidak boleh kurang dari :

 a. 4 kali goyangan maksimum akibat gempa

 b. 0,02 kali tinggi gedung

 c. 3,75 cm

• Gedung satu harus dipisahkan terhadap gedung yang lain, dengan jarak pemisahan tidak kurang dari :

 a. 4 kali jumlah goyangan masing-masing gedung 

 b. 0,004 kali tinggi gedung

 c. 7,5 cm

PEMISAHAN UNSUR NON- STRUKTUR

• Yang disebut unsur non-struktur adalah : tangga, dinding, jendela, pintu, partisi, dan lain-lain.

• Akibat adanya unsur-unsur non-struktur tersebut maka goyangan struktur saat dilanda gempa terhalang. Ada dua kemungkinan yang akan terjadi :

 Jika unsur non-struktur lemah, maka unsur tersebut akan rusak karena tidak kuat menahan beban dari struktur yang bergoyang. Unsur yang rusak tersebut berbahaya karena segera runtuh misalnya : langit-langit, tembok, dan sebagainya. 

 Jika unsur non-struktur kuat, maka unsur tersebut akan menahan goyangan struktur dan struktur menjadi lebih kaku. Penambahan kekakuan struktur dapat sangat membahayakan karena dapat menambah beban gempa,dan menyebabakan puntiran yang tidak direncakan.

• Pemisahan unsur non-struktur diatur dalam Pedoman Perencanan Ketahanan Gempa untuk Rumah dan gedung (SNI-1726-1989-F) sebagai berikut:

• Pemisahan unsur-unsur non struktur terhadap unsur struktur tidak perlu diadakan, dengan syarat goyangan antar tingkat tidak melampui 0,0003 tinggi tingkat, atau dengan rumus : 

 di – di-1 £ 0,0003 hi 

 dimana :

 di : simpangan lantai ke i 

 di-1 : simpangan lantai ke i-1

 hi : tinggi tingkat

• Pemisahan unsur-unsur non-struktur harus benar-benar terpisah dari unsur, dengan jarak pemisah tidak boleh kurang dari :

 4 kali simpangan antar lantai yang diperoleh dari hitungan

 1 cm

PUNTIRAN GEDUNG

• Gedung yang dibuat sebaiknya mempunyai bentuk yang semitris, karena tuntutan arsitektur kondisi simitris ini sulit dicapai. Hal ini akan mengakibatkan puntiran pada saat terlanda gempa dan gedung mengalami keruntuhan.

• Bentuk semitris diartikan sebagai unsur-unsur penahan gempa diletakan semitris terhadap pusat masa dari gedung yang bersangkutan atau pusat kekakuan harus berimpit dengan pusat masa.

• Pusat kekakuan adalah titik tangkap resultan gaya geser gempa yang bekerja di dalam semua penampang unsur vertikal (kolom dan dinding geser) yang terdapat pada lantai tingkat yang bersangkutan.

• Pusat masa adalah titik tangkap dari beban geser tigkat dan harus dihitung sebagai titik pusat dari beban gravitasi yang bekerja di atas lantai yang bersangkutan.

Kekakuan kolom dihitung dengan cara :

• Bila balok dan plat lantai dianggap kaku sempurna, maka kekakuan kolom dapat dihitung dengan rumus :

 k = (12EI) / (L3)

 dimana :

 k : kekakuan kolom

 E : modulus elastis bahan kolom

 I : momen inersia penampang kolom

 L : panjang kolom

• Bila balok dan plat lantai tidak kaku sempurna terhadap kolom, maka kekakuan kolom dihitung :

 k = V/d

 dimana :

 V : gaya geser kolom yang bersangkutan

 d : simpangan kolom yang bersangkutan

PUSAT KEKAKUAN

• Momen puntir puntir dihitung dari beban dikalikan eksentrisitas beban. Eksentrisitas beban adalah jarak antara pusat beban dan pusat kekakuan. Pusat kekakuan dihitung titik tangkap kekakuan masing-masing kolom tehadap garis acuan tertentu.

 ey = {å ei,y . ki,x}/{å ki ,x}

 dimana : 

 ey : jarak pusat kekakuan gedung dari sumbu X

 ei,y : jarak kolom i dari sumbu X

 ki,x : kekakuan kolom i pada arah sumbu X

EKSENTRISITAS RENCANA

• Dalam buku Pedoman Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Rumah dan Gedung (SNI-1726-1989-F) diberikan toleransi sebagai berikut.

• Eksentrisitas teoris ec ialah eksentrisitas berdasarkan hasil hitungan. Sedang eksentrisitas rencana ed ialah eksentrisitas yang dipakai dalam hitungan perencanaan. Ketentuannya sebagai berikut :

 a.Apabila ec kurang dari 0,1 b dan jumlah tingkat sama dengan 4 atau kurang , maka ed dianggap sama dengan nol (b = lebar gedung pada arah tegak lurus arah gempa).

 b.Apabila ec lebih dari 0,1 b namun kurang dari 0,3 b dan jumlah tingkat sama dengan 4 atau kurang atau ec kurang dari 0,3 b dan jumlah tingkat lebih dari 4, maka beban geser rencana harus dihitung mempunyai jarak terhadap pusat kekakuan atau eksentrisitas rencana ed sebesar :

 ed = 1,5 ec + 0,05b atau ed = ec - 0,05 b

 c.Apabila ec lebih dari 0,3b (untuk semua gedung) maka harus ditinjau dengan analisis dinamis tiga demensi.