Teknik Desain Tahan Gempa untuk Struktur Bangunan

Sepanjang sejarah, Rumah dan gedung-gedung pencakar langit yang berdiri tegak dan mengesankan dapat hancur seketika dengan kekuatan alam. Gempa bumi adalah salah satu kekuatan Bumi yang paling merusak - gelombang seismik di seluruh tanah dapat menghancurkan bangunan, merenggut nyawa, dan menelan biaya yang sangat besar untuk kehilangan dan melakukan perbaikan.

Menurut Pusat Informasi Gempa Bumi Nasional, rata-rata ada 20.000 gempa setiap tahun — 16 di antaranya merupakan bencana besar. Pada 20 September 2017, kekuatan 7,1 mengguncang ibu kota Meksiko dan menewaskan sekitar 230 orang. Seperti halnya dengan gempa bumi lainnya, kerusakan itu bukan disebabkan oleh gempa itu sendiri tetapi oleh runtuhnya bangunan dengan orang-orang di dalamnya, membuat bangunan tahan gempa menjadi suatu keharusan.

Selama beberapa dekade terakhir, para insinyur telah memperkenalkan desain baru dan bahan bangunan untuk melengkapi bangunan dengan lebih baik dari gempa bumi.

Bagaimana Gempa Bumi Berdampak pada Bangunan



Sebelum kita melihat fitur-fiturnya, penting untuk memahami bagaimana gempa bumi berdampak pada struktur buatan manusia. Ketika gempa bumi terjadi, ia mengirimkan gelombang kejut ke seluruh tanah dalam interval cepat singkat di semua arah yang berbeda. Sementara bangunan umumnya dilengkapi untuk menangani kekuatan vertikal dari berat dan gravitasi, mereka tidak dapat menangani kekuatan sisi-ke-sisi yang dipancarkan oleh gempa.

Beban horizontal ini menggetarkan dinding, lantai, kolom, balok, dan konektor yang menyatukannya. Perbedaan pergerakan antara bagian bawah dan atas bangunan memberikan tekanan yang ekstrem, menyebabkan kerangka pendukung pecah dan seluruh struktur runtuh.

Cara Membuat Bangunan yang Tahan Gempa :

Untuk merancang bangunan tahan gempa, para insinyur perlu memperkuat struktur dan menangkal kekuatan gempa. Karena gempa melepaskan energi yang mendorong bangunan dari satu arah, strateginya adalah membuat bangunan mendorong dengan cara yang berlawanan. Berikut adalah beberapa metode yang digunakan untuk membantu bangunan menahan gempa.

1. Membuat Pondasi Bangunan Yang Flexibel.

Salah satu cara untuk melawan kekuatan darat adalah dengan "mengangkat" fondasi bangunan di atas bumi. Isolasi dasar melibatkan pembangunan gedung di atas bantalan fleksibel yang terbuat dari baja, karet, dan timah. Ketika pangkalan bergerak selama gempa bumi, isolator bergetar sementara struktur itu sendiri tetap stabil. Ini secara efektif membantu menyerap gelombang seismik dan mencegahnya bepergian melalui bangunan.

Desain bangunan yang tahan gempa tergantung pada penyediaan kekuatan, kekakuan, dan kapasitas deformasi elastis pada bangunan yang cukup hebat untuk menahan tingkat kekuatan yang dihasilkan dari gempa.

Ini umumnya dilakukan melalui pemilihan konfigurasi struktural yang sesuai dan perincian yang cermat dari anggota struktural, seperti balok dan kolom, dan hubungan di antara mereka.

Tetapi teknik yang lebih maju untuk ketahanan gempa bukan untuk memperkuat bangunan, tetapi untuk mengurangi kekuatan yang dihasilkan oleh gempa bumi.

Di antara teknik canggih yang paling penting dari desain dan konstruksi tahan gempa adalah:

*  Isolasi Basis.

*  Perangkat Pembuangan Energi.

Metode Isolasi Basis

Struktur dasar terisolasi didukung oleh serangkaian bantalan bantalan yang ditempatkan di antara bangunan dan pondasi bangunan. (Lihat Gambar 1.) Berbagai jenis bantalan bantalan isolasi dasar telah dikembangkan.

Bantalan sangat kaku dan kuat dalam arah vertikal, tetapi fleksibel dalam arah horizontal.

  Gambar 1: Basis-Isolasi dan Bangunan Basis Tetap.

Hasil dari Gesekan Gempa Bumi :

Untuk mendapatkan ide dasar tentang cara kerja isolasi dasar, periksa Gambar 2. Ini menunjukkan gempa bumi yang bekerja pada bangunan terisolasi basis dan bangunan konvensional, fixed-base,. Akibat gempa bumi, tanah di bawah setiap bangunan mulai bergerak. Pada Gambar 2, ditampilkan bergerak ke kiri.

Setiap bangunan merespons dengan gerakan yang cenderung ke kanan. Bangunan itu mengalami perpindahan ke arah kanan. Perpindahan bangunan ke arah yang berlawanan dengan gerakan tanah sebenarnya disebabkan oleh kelembaman. Gaya inersia yang bekerja pada bangunan adalah yang paling penting dari semua yang dihasilkan selama gempa bumi.

Penting untuk diketahui bahwa gaya inersia yang dialami bangunan sebanding dengan akselerasi bangunan selama gerakan tanah.

Penting juga untuk menyadari bahwa bangunan tidak benar-benar bergeser hanya dalam satu arah. Karena sifat kompleks gerakan tanah gempa, bangunan sebenarnya cenderung bergetar bolak-balik ke berbagai arah.

Gambar 2: Basis-Isolasi, Bangunan Basis Tetap.

Perubahan Bentuk dan Kerusakan pada Struktur:

Selain bergeser ke kanan, bangunan yang tidak terisolasi juga terbukti berubah bentuk dari persegi panjang menjadi genjang. Itu merusak. Penyebab utama kerusakan gempa bumi pada bangunan adalah deformasi yang dialami bangunan sebagai akibat dari gaya inersia yang bekerja padanya.

Reaksi dari dasar Bangunan yang terisolasi :

Sebaliknya, meskipun ia juga bergeser, bangunan dasar yang terisolasi mempertahankan bentuk aslinya yang persegi panjang. Ini adalah bantalan karet utama yang mendukung bangunan yang cacat.

Bangunan yang diisolasi dari pangkalan itu sendiri lolos dari deformasi dan kerusakan, yang menyiratkan bahwa gaya inersia yang bekerja pada bangunan yang diisolasi dari pangkalan telah berkurang.

Eksperimen dan pengamatan bangunan basis-terisolasi dalam gempa bumi telah terbukti mengurangi akselerasi bangunan menjadi hanya 1/4 dari percepatan bangunan dasar tetap yang sebanding, yang setiap bangunan mengalami sebagai persentase gravitasi.

Seperti yang kita catat di atas, gaya inersia meningkat, dan menurun, secara proporsional ketika akselerasi bertambah atau berkurang.

Akselerasi berkurang karena sistem isolasi dasar memperpanjang periode getaran bangunan, waktu yang diperlukan untuk bangunan untuk bergerak maju mundur dan kemudian kembali lagi. Dan secara umum, struktur dengan periode getaran yang lebih lama cenderung mengurangi akselerasi, sedangkan struktur dengan periode yang lebih pendek cenderung meningkatkan atau memperkuat akselerasi.

Akhirnya, karena sangat elastis, bantalan isolasi karet tidak mengalami kerusakan apa pun. Tetapi sumbat timah di tengah bantalan contoh kami mengalami deformasi yang sama dengan karet. Namun, itu menghasilkan panas.

Dengan kata lain, sumbat timah mengurangi, atau menghilangkan, energi gerak, yaitu, energi kinetik – dengan mengubah energi itu menjadi panas. Dan dengan mengurangi energi yang masuk ke gedung, ini membantu memperlambat dan akhirnya menghentikan getaran bangunan lebih cepat daripada yang seharusnya, dengan kata lain, itu meredam getaran bangunan.

Perangkat Meredam Energi :

Yang kedua dari teknik baru utama untuk meningkatkan ketahanan gempa bangunan juga bergantung pada redaman dan disipasi energi, tetapi sangat memperluas redaman dan disipasi energi yang disediakan oleh bantalan karet timbal.

Seperti yang telah kami katakan, sejumlah energi getaran ditransfer ke bangunan dengan gerakan tanah gempa. Bangunan itu sendiri memiliki kemampuan bawaan untuk menghilangkan, atau meredam, energi ini. Namun, kapasitas bangunan untuk menghilangkan energi sebelum mereka mulai mengalami deformasi dan kerusakan sangat terbatas.

Bangunan akan membuang energi baik dengan menjalani gerakan skala besar atau mempertahankan ketegangan internal dalam elemen seperti kolom dan balok bangunan. Kedua hal ini pada akhirnya menghasilkan berbagai tingkat kerusakan.

Jadi, dengan melengkapi bangunan dengan perangkat tambahan yang memiliki kapasitas redaman tinggi, kita dapat sangat mengurangi energi seismik yang memasuki gedung, dan dengan demikian mengurangi kerusakan bangunan.

Oleh karena itu, berbagai perangkat pembuangan energi telah dikembangkan dan sekarang sedang dipasang di gedung-gedung nyata. Perangkat pembuangan energi juga sering disebut perangkat redaman. Sejumlah besar perangkat redaman yang telah dikembangkan dapat dikelompokkan ke dalam tiga kategori besar:

  *  Peredam Gesekan: ini menggunakan gaya gesek untuk meredam energi.

  *  Peredam Logam: memanfaatkan perubahan bentuk elemen logam di dalam peredam.

  *  PeredamViscoelastic : memanfaatkan geser padatan yang terkontrol.

  *  Peredam Kental: memanfaatkan gerakan paksa (orificing) cairan dalam redaman.

2. Melawan Tekanan dengan Redaman.

Anda mungkin sadar bahwa mobil memiliki peredam kejut. Namun, Anda mungkin tidak tahu bahwa insinyur juga menggunakannya untuk membuat bangunan tahan gempa. Mirip dengan penggunaannya di mobil, peredam kejut mengurangi besarnya gelombang kejut dan membantu bangunan melambat. Ini dilakukan dengan dua cara: perangkat kontrol getaran dan peredam pendulum.

Perangkat Kontrol Getaran



Metode pertama melibatkan menempatkan peredam di setiap tingkat bangunan antara kolom dan balok. Setiap damper terdiri dari kepala piston di dalam sebuah silinder yang diisi dengan minyak silikon. Ketika gempa bumi terjadi, bangunan mentransfer energi getaran ke piston, mendorong terhadap minyak. Energi diubah menjadi panas, menghilangkan kekuatan getaran.

Kekuatan Ayunan



Metode redaman lainnya adalah kekuatan ayunan, yang digunakan terutama di gedung pencakar langit. Para insinyur menangguhkan bola besar dengan kabel baja dengan sistem hidrolika di bagian atas gedung. Ketika bangunan mulai bergoyang, bola bertindak sebagai pendulum dan bergerak ke arah yang berlawanan untuk menstabilkan arah. Seperti redaman, fitur-fitur ini disetel untuk mencocokkan dan menetralkan frekuensi bangunan jika terjadi gempa.

Peredam Cairan Kental :

Prinsip umum perangkat redaman di ilustrasikan melalui peredam cairan kental. Bagian selanjutnya, menjelaskan karakteristik dasar peredam cairan kental, proses pengembangan dan pengujian mereka, dan pemasangan peredam cairan kental di gedung, aktualnya untuk membuat lebih tahan gempa.

Perangkat Redaman dan Sistem yang Menguatkan :

Perangkat redaman biasanya dipasang sebagai bagian dari sistem bracing. Gambar 3 menunjukkan satu jenis pengaturan damper-brace, dengan satu ujung melekat pada kolom dan satu ujung melekat pada balok lantai. Terutama, pengaturan ini memberikan kolom dengan dukungan tambahan.

Sebagian besar gerakan tanah gempa berada dalam arah horizontal; jadi, itu adalah kolom bangunan yang biasanya mengalami perpindahan paling relatif terhadap gerakan tanah. Gambar 3 juga menunjukkan perangkat redaman yang dipasang sebagai bagian dari sistem bracing dan memberikan beberapa gagasan tentang tindakannya.

  Gambar 3: Perangkat Redaman Dipasang dengan Brace.

3. Melindungi Bangunan dari Getaran.



Alih-alih hanya menangkal kekuatan, peneliti bereksperimen dengan cara bangunan dapat membelokkan dan mengalihkan energi dari gempa bumi sekaligus. Dijuluki "jubah tembus pandang seismik", inovasi ini melibatkan pembuatan jubah dari 100 cincin plastik dan beton konsentris dan menguburnya setidaknya tiga kaki di bawah fondasi bangunan.


Ketika gelombang seismik memasuki cincin, mereka dipaksa untuk pindah ke cincin luar untuk perjalanan yang lebih mudah. Akibatnya, mereka pada dasarnya disalurkan dari bangunan dan menghilang ke piring di tanah.

4. Memperkuat Struktur Bangunan.



Untuk menahan keruntuhan, bangunan perlu mendistribusikan kembali kekuatan yang melaluinya selama peristiwa seismik. Dinding geser, kawat gigi silang, diafragma, dan bingkai penahan momen adalah pusat untuk memperkuat bangunan.

Dinding geser adalah teknologi bangunan yang berguna yang membantu mentransfer kekuatan gempa. Terbuat dari panel, dinding ini membantu bangunan menjaga bentuknya selama gerakan. Dinding geser sering didukung oleh kawat gigi silang diagonal. Balok baja ini memiliki kemampuan untuk mendukung kompresi dan tegangan, yang membantu untuk menangkal tekanan dan mendorong kekuatan kembali ke fondasi.

Diafragma adalah bagian sentral dari struktur bangunan. Terdiri dari lantai bangunan, atap, dan geladak yang diletakkan di atasnya, diafragma membantu menghilangkan ketegangan dari lantai dan mendorong kekuatan ke struktur vertikal bangunan.


Frame anti-momen memberikan lebih banyak fleksibilitas dalam desain bangunan. Struktur ini ditempatkan di antara sambungan bangunan dan memungkinkan kolom dan balok menekuk sementara sambungan tetap kaku. Dengan demikian, bangunan ini mampu menahan kekuatan gempa yang lebih besar sembari memungkinkan para desainer lebih bebas untuk mengatur elemen-elemen bangunan.

5. Material Tahan Gempa.

Sementara peredam kejut, pendulum, dan “jubah tembus pandang” dapat membantu menghilangkan energi sampai batas tertentu, bahan yang digunakan dalam bangunan sama-sama bertanggung jawab atas stabilitasnya.



a. Baja dan Kayu

Agar bahan bangunan tahan terhadap tegangan dan getaran, ia harus memiliki daktilitas tinggi - kemampuan untuk mengalami deformasi dan tegangan besar. Bangunan modern sering dibangun dengan baja struktural - komponen baja yang datang dalam berbagai bentuk yang memungkinkan bangunan membungkuk tanpa patah. Kayu juga merupakan bahan ulet yang mengejutkan karena kekuatannya yang tinggi relatif terhadap strukturnya yang ringan.

b. Bahan Inovatif
Para ilmuwan dan insinyur sedang mengembangkan bahan bangunan baru dengan retensi bentuk yang lebih besar. Inovasi seperti alloy memory bentuk memiliki kemampuan untuk menahan tekanan berat dan kembali ke bentuk aslinya, sementara bungkus plastik yang diperkuat serat - dibuat oleh berbagai polimer - dapat dililitkan di sekitar kolom dan memberikan kekuatan dan daktilitas hingga 38% lebih besar.

Insinyur juga beralih ke elemen alami. Serat kerang yang lengket namun kaku dan rasio kekuatan-ke-ukuran dari sutra laba-laba memiliki kemampuan yang menjanjikan dalam menciptakan struktur. Bahan cetak dari bambu dan 3D juga dapat berfungsi sebagai struktur ringan dan saling terkait dengan bentuk tanpa batas yang berpotensi memberikan ketahanan yang lebih besar untuk bangunan.

Selama bertahun-tahun, insinyur dan ilmuwan telah menemukan teknik untuk membuat beberapa bangunan tahan gempa yang efektif. Dengan semakin canggihnya teknologi dan bahan-bahan saat ini, bangunan belum dapat sepenuhnya menahan gempa kuat tanpa cedera. Namun, jika sebuah bangunan dapat memungkinkan penghuninya untuk melarikan diri tanpa runtuh dan menyelamatkan nyawa dan masyarakat, kita dapat menganggap itu sukses besar.