Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

EFEKTIFITAS PEREDAM VISKOELASnK DALAM MENGONTROLSIMP ANGAN LATERAL P ADA STRUKTUR BAJA 1

Iswandi lmran2, Antonius2

ABSTRAKEFEKTlFlTAS PEREDAM VISKOELASTIK DALAM MENGONTROL SIMPANGAN LATERAL PADA

STRUKTUR BAJA. Tujuan yang biasanya ingin dicapai dalarn perencanaan struktur. terutarna terhadap beban gempa, adalahuntuk rnendapatkan struktur yang seoptimal mungkin. Narnun dalarn mencapai tujuan ini. persyaratan kekakuan, yang biasanyadiukur lewat parameter simpangan lateral, umurnnya menjadi faktor yang paling menentukan. Sehingga sering dijumpai kondisidimana dimensi daD berat struktur yang diperoleh menjadi lebih besar dari yang sebenarnya dibutuhkan berdasarkanpertimbangan kekuatan, terutarna dengan semakin meningkatnya penggunaan material bermutu tinggi untuk konstruksibangunan. Makalah ini menyajikan suatu studi kasus penggunaan peredarn viskoelastik melalui kajian metoda modal superposisipada struktur baja, yang jika digunakan secara tepat, baik dari segi dimensi, penempatan daD jumlah peredarn viskoelastik yangdigunakan, akan dapat berfungsi untuk mengontrol besarnya simpangan lateral yang terjadi akibat beban gempa. Untukmengevaluasi efektifitas dari peredarn viskoelastik tersebut dilakukan perbandingan perilaku struktur tanpa peredarn, strukturyang diperkaku dengan memperbesar dimensi, serta memperkaku struktur tanpa peredarn tadi dengan memasang "bracing ". Daribasil studi ini diperoleh beberapa kesimpulan bahwa pemasangan peredarn viskoelastik sangat efisien daD dapat diandalkan untukmereduksi energi getaran gempa bila dibandingkan dengan pemasangan sistem struktur lain. Pernakaian peredarn viskoelastiksangat menguntungkan ditinjau dari segi berat untuk desain struktur tahan gempa. SeIsin itu dengan menempatkan peredarnviskoelastik pada lokasi yang tepat, dapat menghemat pemakaian peredarn viskoelastik sebesar :t:55%. Hasillain yang diperolehadalah bahwa dengan penggunaan peredarn viskoelastik, berat total struktur hanya rnembutuhkan :f:25% dari desain strukturberdasarkan kekakuan, atau hanya :t:50% terhadap desain kekuatan ditarnbah bracing.

ABSTRACTEFFECTIVENESS OF VISCOELASTIC DAMPER IN CONTROLING LATERAL DISPLACEMENT OF

STEEL STRUCTURES. The main objective in designing building structure, especially under earthquake loading, is how to getthe optimum structure. In attemps to achieve this objective, lateral stiffness requirement, which is usually measured through theresulting lateral displacement in the structure, is most of the time becoming the governing factor in design process. Thus, it iscommon in the design process to have structural elements with sire and weight, which are for beyond those required by strengthcriterion only. This condition is even worse nowadays, especially with the increase use of high strength material in construction.This paper presents an analitical study on the effectiveness of viscoelastic damper in controlling lateral deformation of steelstructure. The analisis is carried out using the method of modal superposition. In order to evaluate effectiveness of viscoelasticdamper in reducing lateral deformation of structure, the lateral behaviour of four different types of structures are analized andcompared. These a structure designed based only on strength criteria (KT), the KT structure stiffened by increasing the sire ofvertical resisting elements (KK), structure stiffened by installing bracing elements (KK+BR), and the KT structure with addedviscoelastic damper (KT + VE). From this study. it is found that compared to other forms of lateral deformation control the use ofviscoelastic damper is very effective in reducing lateral deformation of steel structure. To reach similar effectiveness of lateraldeformation control. the KT+VE structures, KK structures needs weight four time as much and KT+BR structures needs weighttwice as much. Furthermore, correct use of viscoelastic, in terms of location, quantity and sire, is a very important step in order toachieve an efficient application of viscoelastic damper.

PENDAHULUANTujuan para desainer dalam mendesain

struktur pada umumnya adalah untukmendapatkan struktur yang memenuhi syaratkekuatan daD kenyarnanan. Dalam perencanaanstruktur tahan gempa, persyaratan kekakuandiimplementasikan dalam bentuk pembatasansimpangan lateral yang boleh terjadi.Pembatasan ini disyaratkan untukmeminimalkan kerusakan non-struktural pada

bangunan.Salah satu solusi yang dilakukan

secara konvensional oleh para desainer untukmengurangi besarnya simpangan lateral agarmemenuhi persyaratan pada umumnya adalahmemperkaku struktur, yaitu denganmemperbesar dimensi struktur yang telahdidesain berdasarkan kriteria kekuatan. Dengancara memperbesar dimensi struktur seperti inimaka struktur menjadi lebih berat, daD biayayang dikeluarkan lebih mahal.

Cara lainnya yang dilakukan adalahdengan memperkaku struktur yang telahdide;sain berdasarkan kriteria kekuatan tadi

dengan memasang bracing. Mekanisme kerjabracing adalah bersifat menahan gaya tariklateral yang terjadi pada struktur akibat eksitasidinamis. Solusi inipun juga cenderungmenambah berat struktur clan biaya secarakeseluruhan.

Alternatif lain yang telahdikembangkan untuk memperkaku struktur padabeberapa tahun terakhir ini adalah denganmemasang peredam viskoelastik (VB) yangterbuat dari material polymer dissipatij; yangdalam pelaksanaannya dipasang pada elemenstruktur. Peredam VB mekanisme pelepasanenerginya terbentuk dengan adanya deformasigeser pada material VEnya. Dari segi berat,pemakaian peredam tipe VB relatif lebih ringandibandingkan kedua alternatif diatas. Karenasifat-sifat inilah, peredam viskoelastik sangatcocok digunakan untuk mengontrol Imengurangi getaran bangunan tinggi akibatbeban angin yang frekuensi kejadiannyaumurnnya cukup tinggi.

Paper ini menyajikan hasil dari studikasus desain bangunan tinggi secara numerik

Dipresentasikan pacta Seminar Ilmiah Sains Materi 1996Laboratorium Struktur & Bahan Jurusan SipillTB

1.2.

485

yang bertujuan untuk mempelajari efektifitasperedam VE dalam meredam energi getaranyang terjadi akibat beban gempa pada strukturbaja. Studi kasus yang dilakukan adalah denganmenerapkan desain struktur bangunan tinggiyang menggunakan kriteria-kriteria kekuatan,kekakuan, kekuatan ditambah bracing, clankekuatan ditambah peredam VE. Penempatanlokasi clan jumlah peredam VE yang digunakanmerupakan parameter-parameter yang ditinjaudalam studi ini.

G'.Ah

k'= (3)

dimana A=luas total geser daD h = tebalperedam viskoelastik.

b) Modulus Viscous (G") yang menunjukkanukuran besarnya bagian energi yang hilangatau terlesapkan oleh sistem peredamviskoelastik pacta setiap siklus.

c) Rasio G"/G' (loss factor) yangmenunjukkan kapasitas pelesapan energiyang dimiliki material viskoelastik, yangbesarnya adalah :

G" = tan 0MATERIAL VISKOELASTIK

Dalam studi ini material viskoelastikyang digunakan terbuat dari bahan acryliccopolymer, produksi 3M Co. USA clanmempunyai sifat tegangan regangan gesertertentu. Sifat bahan tersebut yangdimanfaatkan sebagai peredam adalah sifattegangan regangan gesernya [10,11]. Akibatbeban harmonik, sifat tegangan regangangesernya dapat dinyatakan sebagai berikut :

11= GO

Besarnya energi yang terdisipasi untuksetiap siklus getaran adalah :

WD = X.GO1.yo. V (5)

dimana V = volume material viskoelastik.

(4)

METODA MODAL SUPERPOSISIPeredam viskoelastik yang dipasang /

diterapkan pada struktur berperilaku linier.Dengan sifat linier tersebut, maka dapatdigunakan persamaan gerak linier struktur padasistim derajat kebebasan banyak (MDOF)dengan eksitasi F(t) yaitu :[m]{x} + [c]{x} + [k]{x} = {F(t)} (6)

Meskipun respon struktur dapatdiperoleh dengan integrasi langsung persamaan(6), tetapi analisis akan lebih efisien denganteknik modal superposisi. Salah satu tujuanutama pemakaian modal superposisi adalahdapat dilakukan estimasi modal parameter,seperti modal frekuensi, modus getar dan modalrasio redaman sesuai tiap-tiap mode. lnimenjadikan praktisnya kalkulasi modalfrekuensi.

y = Yo sin~ (1)

't = 'to sin(~ + 0) (2)

dimana Yo clan 't 0 adalah amplitudo regangan

clan tegangan. sedangkan 0 adalah hecla phaseantara response regangan clan tegangan, yangbesarnya untuk material viskoelastik adalahantara 0 sampai 900. Beda phase inimenyebabkan terbentuknya "histeresis loop"pada hubungan teganga-regangan geser materialviskoelastik (Gambar 1). Luas yang dibatasioleh "histeresis loop" tersebut merupakanenergi yang terlesapkan oleh materialviskoelastik selama satu siklus getaran..

Gambar 1. Hubungan tegangan-reganganmaterial viskoelastik.

Sifat material viskoelastis pada saatdikenakan aksi geser dipengaruhi olehparameter-parameter berikut :a) Modulus Elastisitas Geser (GO) yang

menunjukkan ukuran besarnya bagian energiyang diserap daD dikembalikan secara totaloleh sistem peredam viskoelastik padasetiap siklus. Nilai G' ini menentukanbesarnya kekakuan elastik peredamviskoelastik, yaitu :

dimana

486

Nilai rasio redaman untuk struktur denganperedam VB diperoleh daTi hasil penelitianSoong & Lai (1991), yaitu :

~ = ..:!l[l- j~_!~ ]0 2 <I>~ Ks <1>0 (8)

memperkaku struktur KT tersebut dilakukandesain kriteria kekakuan (struktur KK), denganmemperbesar dimensi kolom menjadi profil WF508x462x75x75. Desain lainnya dilakukanuntuk memperkaku struktur KT adalah denganmemasang bracing diagonal (struktur KT +BR).Bracing yang digunakan adalah profil WF350x350x14x22. Yang terakhir untukmemperkaku struktur KT adalah denganmemasang peredam VB (struktur KT+VB).Dimensi VB yang dipakai adalah ukuran2(50x35xO.3), yang mempunyai nilai kekakuansebesar 144065.19 kg/cm serta loss factorsebesar 0.36.

Gambar 2 memperlihatkan bentukstruktur KT daD KK. Penempatan bracingdiagonal pada struktur gedung diperlihatkanpada gambar 3, dimana penempatan bracingtersebut divariasikan untuk empat kondisikekakuan. Sedangkan gambar 4 menunjukkanpenempatan peredam VE pada struktur gedung,yang juga bervariasi dalam empat kondisikekakuan.

!

8Bn

e

1

dimana :K = matrix kekakuan tanpa peredam VBK. = matrix kekakuan dengan peredam VB11 = "loss factor"Kekakuan peredam VB ditentukan daTipersamaan (3).

Desain pada struktur dengan peredamVE adalah sebagai berikut :1. Menentukan dimensi struktur clan

kemudian dilakukan analisis strukturtersebut.

2. Menentukan rasio redaman.3. Menentukan lokasi penempatan peredam

VB pada struktur.4. Mernilih dimensi peredam VB, yang mana

dapat ditentukan kekakuan clan lossfactornya.

5. Masukkan peredam VE pada matrixkekakuan struktur yang kemudiandianalisis struktur kembali denganmenggunakan metoda modal superposisiuntuk mendapatkan respon struktur.

~4m-+ 3+- 4nr-o\

(b) IQ(

~4m-+ 3+- 4nr1

(a) KT

Gambar 2. Struktur KT daD KK

APLIKASI P ADA BANGUNAN TINGGIPada studi ini desain struktur

dilakukan dengan kriteria 4 (empat) buahkondisi kekakuan,yaitu :I) Struktur yang didesain berdasarkan kriteria

kekuatan saja (KT).2) Struktur yang didesain berdasarkan kriteria

kekakuan dengan memperbesar dimensi(KK).

3) Memperkaku struktur desain kekuatan (KT)dengan menambah bracing diagonal(KT +BR).

4) Memperkaku struktur desain kekuatan (KT)dengan menambah peredam viskoelastik(KT + VB).

Struktur KT didesain denganmenggunakan program SAP90 versi 5.4.Struktur KT menggunakan profil WF438x412x25x40 untuk kolom clan WF600x300xI4x23 untuk balok. Kemudian untuk

487

III

~!

-

..1

1-

4ft

1

~

~-+*~(~ KJ:I18

~--+3+-~(c) Kr;1.e3

~4m-+ 3+- 4n j

(a) KT-+BR1

Jt-4m-+3+-4m-1

(b)KT~

Gambar 4. Struktur Desain Kekuatan DitambahPeredam VE (KT+VE)

!

-

-1

Gambar S. Pemasangan peredam VE

~~ 3-+- ~(~Kr~

jo-4 j1. 3t- 4~

(C)Kr~Selanjutnya struktur bangunan tersebut

diatas dikenai beban gernpa EI Centro. Hasilyang didapat daTi perhitungan ini adalahsirnpangan lateral pada atap bangunan. Dariernpat kriteria desain diatas, dilakukanperbandingan respon struktur antara perilakustruktur KT + VE dengan perilaku struktur KTdan KK (garnbar 6 sarnpai 9). Perbandinganlainnya diberikan pada garnbar 10 dan 11, yaituantara perilaku struktur KT dengan KT +BR.

Kernudian untuk rnendapatkanperbandingan berat struktur dengan kondisisirnpangan lateral pada atap bangunan yangkurang lebih sarna satu dengan lainnya,dilakukan perhitungan kernbali untuk strukturKK dengan rnengoptirnalkan dirnensi, sertarnernperbesar profil bracing pada strukturKT +BRI sedemikian rupa sehingga didapatkansirnpangan lateral pada atap bangunan yangrelatif harnpir sarna dengan sirnpangan lateralstruktur KT + VE 1. Respon basil optirnasitersebut dapat dilihat pada garnbar 12a, danperbandingan berat total struktumya diberikanpada garnbar 12b.

Gambar 3. Struktur Desain Kekuatan DitarnbahBracing (KT+BR)

I-I..1

~4m-f3+-4~(b)Kr~

1o-4m-+- 3-ojt- 4m--1

(a) KT+\E1

488

,,

1---1-..' 1"".'1:.'."+--'-"""-.'.'.".10

I ..1"--

,

..., , "".'" .'.-"~.

t '~ -

18

,'. ; i..I I

I --"--- TiWl.(__)_-,-~." I-""'UKK -S'~uKT+VE2 j

(b)Gambar 7. ResponStruktur: "

(a)KTvsKT+VE2; (b)KKvsKT+VE1'

;"c.!

H, ': '!i~ jj',." " ' ,." ,.l\",'t'.,",. .,~,'."..

~. ...fa

i:'.!. '8

.0

~ :', ~ ! ; ; .t0 , ., '0

T~J

f,=~~~~=--,,-=~~JW" (a) "~il~'.

~:':~Ti~;;~ T!;:. ,. ...

00.ji~~!"

..I-..!Li

i" I'.~. 7i

'"I.:--

~

',"M

.,--,- __r (-.\__. ,

)_"""KK -S"'~K7+VEII, ,

i (b) 1 j

Gambar 6. Respon Struktur :(a)KT vs KT+VEI ; (b) KK vs KT+VEI

.N

01'

u~ft.., ,to

11""'i11 -

IIi"n

~~\ 1,.

!.~

(b) _.~..

Gambar 8. Respon Struktur :(a)KT vs KT+VE3 ; (b) KK vs KT+VE3

.

M.,a

:11) i~,,~miq 1Mli:ilUU"l

!a1oT ~:~a

489

Selanjutnya gambar lOamemperlihatkan perbandingan respon antaraperilaku struktur KT +BRI dengan perilakustruktur KT. Dari gambar tersebut terlihat

bahwa pemasangan bracing diagonal sepertistruktur KT+BRI lebih kecil daTi persyaratan,clan cukup efektif dalam mereduksi getaranakibat beban gempa hila dibandingkan dengandesain struktur yang hanya didesainberdasarkan kriteria kekuatan.

! ~~;EWj._! :I:;c---t -A.--

I .,. :r-~-4V., ;.) :. :::~j::~.:1::::.1'.'.'--i -..-j i i I ! ~ ! ! ~ .1-., I I ...r ..,0r_~_~__~. , ~s_v M,1+8R3II=S_V~1 -s_v M,1+~~

(a)

j,.., ~ ..

/(.,.

,i J~=l-.0

['~ '0'"'~&1 ...

0481

_.

Pemasangan peredarn VB sepertistruktur KT + VB3 daD KT + VE4 sangatmenarik, karena daTi garnbar 8 dan 9 terlihatbahwa meskipun hanya dengan memasang 5(lima) atau bahkan 4 (empat) buah peredarnVE, tetapi simpangan lateral yang terjadi dapatdikatakan sarna dengan simpangan lateral yangapabila peredarn VB dipasang seperti strukturKT+VEI (semua tingkat dipasang peredarnVE). Hal ini berarti dapat menghematpemakaian peredarn VB pada struktur sebesar

:t55%.

..c,., ' ,'---'. I i I I

" : i j ~ i _,'J"'.' ,...-1-.1[~'_"~1 ~.-"K';~I

(b)Gambar II. Respon Struktur :

(a)KTvsKT+BR31 ; (b)KTvsKT+BR4

..-..

i ...,[ .

.i;t

:~--.i.~ ' , ! ':;-I-=IJ=;

'.-1--.18'

-,

-at

l'Ix~

l)

I i-1 ,ii,';-"..""--."';--":--'-1"-'--"-'- --+---4---

I I ' : ! , I , ;I I j ! ! !: I I, , i , ,~ I I" '..

T1".I~h .t""--- -_.,- --~.,.- I

(a)

1\1i

.--1

j.i

-- ~

l !" i [-; Iii

""'.~'--~---,_. .,-."'_KT -."'oMKT"~1 I

(a)

'Ii J.!.

..I1 ...

...,.w(b)

Gambar 12. Basil Optimasi Dimensi (a)ResponStruktur ; (b) Berat Total Struktur

.,.-

(b)Garnbar 10. Respon Struktur :

(a)KT vs KT+BRI ; (b) KT vs KT+BR2

490

tidak berpengaruh banyak terhadappenambahan berat total struktur.

4. Pemasangan peredam viskoelastik sangathemat daTi segi biaya untuk desain strukturtahan gempa dibandingkan dengan desainperilaku struktur kriteria kekakuan daDkriteria kekuatan ditambah bracing, karenaberat total struktur hanya bertambah sedikitdibandingkan dengan kedua kriteria desaindiatas.

DAFTARPUSTAKA1. AIKEN, I.D; KELLY, I.M; MAHMOODI,

P.; "The Application of ViscoelasticDampers To Seismically ResistantStructures ", Proc. of 4th Conf. onEarthquake Engineering, California, May20-24, 1990.

2. ANTONIUS; "Perilaku Dinamik StrukturBaja Dengan Viscoelastic Damper", Tesis,Institut Teknologi Bandung, 1995.

3. CHANG, K.C; EL-NATUR, H.A.;"Parametric Study of Structures WithAdded Viscoelastic Dampers", ASCE-Structures Congress XI, CA, pp. 724-729,1993.

4. CHANG, K.C.; SOONG, T.T.; LAI, M.L.;NIELSEN, E.I.; "Development of A DesignProcedure For Structures With AddedViscoelastic CA, pp Dampers", ATC-17Seminar, San Fransisco,. 473-484, 1993.

5. SOONG, T.T.; LAI, M.L.; "Correlation ofExperimental Results With Predictions ofViscoelastic Damping For A ModelStructure", Damping '91 Conf.-February13-15, 1991.

6. 3M Vibration Control Project; "PassiveViscoelastic Dampers To Help ReduceBuilding Vibration From Wind and SeismicEvents", May, 1993.

7. DRISCOLL, W.A;" Linear Viscoelasticity ",3M Publication.

8. KASAl, K.; MUNSHI, I.A.; LAI, M.L.;MAISON, B.F.; "Viscoelastic DamperHysteretic Model: Theory, Experiment, andApplication", ATC-17 Seminar, SanFransisco, CA, pp. 521-532, 1993.

Pemasangan bracing diagonal sepertistruktur KT +BR2, KT +BR3, daD KT +BR4temyata tidak efektif. Karena dari garnbar lOb,Iia daD lIb menunjukkan simpangan lateralyang terjadi lebih besar dari persyaratan, daDbahkan memperbesar simpangan lateral padaatap bangunan hila dibandingkan dengankondisi struktur KT.

Garnbar 12a menunjukkan responstruktur basil optimasi dimensi pada strukturKK daD KT+BRI, yang dibandingkan denganrespon struktur KT + VE 1. Hasil optimasistruktur KK, temyata didapatkan dimensi yangmaksimal (terbesar), sedangkan responsimpangan maksimurnnya masih belum sarnadaD masih lebih besar dari respon strukturKT+VE1. Untuk basil optimasi dimensistruktur KT+BR1, diperoleh pula simpanganlateral yang masih lebih besar dari responstruktur KT+VEI. Sedangkan luas bracing yangdidapat jauh lebih besar daripada luasan profilstruktur utamanya (kolom daD balok), dimanahal tersebut hampir tidak mungkin dijumpaidalarn desain struktur tahan gempa.

Setelah basil optimasi strukturdiperoleh, perbandingan berat yang diberikanpada garnbar 12b, menunjukkan bahwameskipun simpangan lateral struktur KK daDKT +BR masih lebih besar daripada strukturKT+VEI, tetapi berat total struktur KK daDKT +BR tersebut telah jauh melebihi berat totaldaripada struktur KT + VE 1. Berat total strukturKT+VEI yang diperoleh adalah hanya .i:25%dari berat total struktur KK, atau hanya ::1:50%dari berat total struktur KT +BR.

KESIMPULANDari pembahasan serta basil-basil yang

didapat, dapat ditarik beberapa kesimpulan sbb:I. Pemasangan peredarn viskoelastik pada

lokasi yang tepat temyata sangat efisien daDdapat diandalkan untuk mendisipasi energigetaran akibat beban gempa hiladibandingkan dengan pemasangan sistimstruktur lain untuk memperkaku struktur(desain kekakuan dengan memperbesardimensi daD desain kekuatan ditarnbah

bracing).2. Selarna peredarn viskoelastik ditempatkan

pada lokasi yang tepat, penggunaanperedarn viskoelastik dapat dihemat

sehingga didapatkan jumlah peredarnviskoelastik yang minimum tetapi tetaparnan.

3. Pemakaian peredarn viskoelastik sangatmenguntungkan ditinjau dari segi beratnyayang sangat ringan, karena peredarnviskoelastik tersebut daD profil penjepitnya

DISKUSI :AntoniusDimanakah perbandingan ini dipakai danbagaimana pasar bahan ini di Indonesiamengingat Indonesia bukan daerah yang rentan

gempa?Iswandi :Perbandingan yang dipakai bisa dipakai dimanasaja ( Indonesia atau Amerika), asal data bebangempanya akurat. Kalau ingin struktur tersebutada di Indonesia, maka beban gempa dibuat

491

dengan artificial accelelogram, sehinggakondisi tersebut dapat dibuat di Indonesia.Indonesia adalah daerah yang rawan gempa.Prospek Viskoelastik di Indonesia cukup baik.Keadaan yang dihadapi adalah peraturantentang Tahan Gempa Indonesia tahun 1987,belum sampai mengatur tentang penggunaanperedam terhadap beban gempa.

Ir Achmad SugihartoBagaimana cara penempatan bracing yangpaling optimum daD optimasi dimensistruktumya ? Acuan tinggi dak 0.5% dari lantaidiarnbil dari mana? Apakah perhitungantersebut sering dipakai pada gedung-gedungyang ada di Indonesia?IswandiDari studi penempatan bracing posisi yangpaling optimim adalah dipasang pada semuatingkat dengan posisi dipasang menyilang.Optimasi dimensi struktur diatur sedemikianrupa sehingga diperoleh kondisi dimanasimpangan lateralnya sarna dengan simpanganlateral struktur + peredam Viskoelastik. Misal :

MhA harns < 100

Perhitungan tersebut sangat umum dipakai diIndonesia. terutama infrastruktur berperilakulinier dan dilakukan dengan cara statik ekivalen

492