pengaruh pasir terhadap peningkatan rasio redaman pada

Struktur
PENGARUH PASIR TERHADAP PENINGKATAN RASIO REDAMAN PADA
PERANGKAT KONTROL PASIF
(238S)
Daniel Christianto1, Yuskar Lase2 dan Yeospitta3
1
Jurusan Teknik Sipil, Universitas Tarumanagara, Jl. S.Parman No.1,Jakarta
Email: [email protected]
2
Jurusan Teknik Sipil, Universitas Indonesia, Depok
Email: [email protected]
3
Jurusan Teknik Sipil, Universitas Tarumanagara, Jl. S.Parman no.1, Jakarta
Email: [email protected]
ABSTRAK
Perancangan struktur bangunan yang tahan terhadap gempa telah menjadi suatu kebutuhan di masa
sekarang. Berbagai macam inovasi telah ditemukan dalam pembuatan alat peredam gempa yang
dipasangkan pada struktur bangunan. Inovasi ini merupakan salah satu jenis dari sistem kontrol pasif
yang memodifikasi massa dan kekakuan maupun dengan menambahkan material peredam untuk
mengontrol respon dinamik struktur akibat pengaruh gaya lateral, salah satunya adalah gaya gempa.
Penelitian ini memfokuskan pada alat peredam yang dapat ditambahkan pada struktur, yaitu
pencampuran karet dengan material pasir. Beberapa penelitian sebelumnya telah membuktikan
bahwa karet memiliki kemampuan meredam getaran oleh karena sifatnya yang elastis. Sedangkan
pemilihan bahan pasir sebagai bahan tambahan didasarkan pada bentuk butiran pasir yang seragam,
sehingga menimbulkan gaya gesek internal di antara pasir tersebut dan dapat menghasilkan redaman
(ξ ). Penelitian dilakukan terhadap butiran pasir paling halus, sedang, dan paling kasar yang tertahan
pada saringan sieve analysis dengan komposisi seragam yang dimasukkan ke dalam karet. Karet dan
pasir kemudian dilakukan pengujian geser melalui sensor getar yang mampu merekam percepatan
yang terjadi dan dapat menghasilkan nilai rasio redaman. Hasil percobaan penelitian
memperlihatkan bahwa nilai rasio redaman karet yang berisi dengan pasir mengalami peningkatan
hingga mencapai 56,32% daripada benda uji karet tanpa pasir.
Kata kunci: karet, pasir, butiran pasir komposisi seragam, diameter butiran pasir, rasio redaman,
peningkatan nilai rasio redaman
1. PENDAHULUAN
Gempa bumi diartikan sebagai peristiwa getaran yang merambat di atas permukaan bumi akibat terjadinya pelepasan
energi di dalam batuan dari bawah permukaan bumi sehingga menyebabkan percepatan pada bangunan di atasnya.
Gempa bumi menyebabkan kerugian, salah satunya adalah kerusakan pada struktur bangunan.Untuk menghindari
kerugian tersebut, saat ini telah ditemukan sistem peredam pada bangunan yang disebut dengan sistem kontrol pasif
(passive control system) dan salah satunya adalah base isolation.
Mengacu pada aplikasi base isolation sebagai bahan peredam pada struktur bangunan, penelitian ini memfokuskan
penggunaan bahan karet dan pasir sebagai pengisi pada poros karet yang merupakan salah satu inovasi baru dari
suatu alat peredam. Konsep penelitian ini mengacu pada nilai rasio redaman yang dihasilkan oleh karet dan pasir
berbutir seragam dengan melakukan uji geser pada laboratorium. Dengan demikian, penelitian ini dilakukan untuk
mendapatkan nilai rasio redaman karet dengan pasir berbutir seragam.
Redaman
Menurut Vino (2010), Redaman dapat dijabarkan sebagai perlawanan gaya dari suatu sistem struktur yang
mengalami getaran. Perlawanan gaya tersebut timbul sebagai akibat dari pelepasan energi yang mengkondisikan
apabila suatu sistem mengalami getaran, maka sistem tersebut akan kembali untuk diam. Dengan demikian, redaman
merupakan suatu peristiwa pelepasan energi yang terjadi pada saat suatu sistem struktur yang bergetar hingga
cenderung kembali untuk diam. Redaman pada suatu sistem struktur biasanya sangat kecil, sehingga pada
kebanyakan analisa komponen ini seringkali diabaikan.
Redaman dapat timbul akibat berbagai hal. Redaman dapat timbul oleh adanya sifat bawaan material penyusun atau
biasa dikenal dengan hysteretic damping atau structural damping. Redaman juga timbul oleh adanya gesekan dari
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
S - 315
Struktur
aliran fluida, baik itu udara maupun air yang disebut dengan viscous damping . Redaman juga terjadi karena ada
gesekan antar dua permukaan kering pada suatu sistem mengalami getaran atau yang biasa dikenal dengan dry
friction damping atau coulomb damping.
Redaman friksi (coulomb damping) merupakan redaman yang terjadi oleh adanya gesekan di antara suatu sistem
pada permukaan yang kering. Gaya gesek dari luar yaitu F dinyatakan pada persamaan:
F = μN
(1)
dengan μ merupakan nilai dari koefisien gesek baik dalam kondisi statis maupun kinetis, dan N merupakan gaya
normal yang terjadi di antara 2 buah permukaan.
Berbeda dengan redaman viskos, penurunan amplitudo dalam suatu grafik percepatan redaman friksi berbentuk garis
linear. Perbedaan penurunan tersebut terlihat pada Gambar 1.
(a)
(b)
Gambar 1. (a) Penurunan amplitudo secara eksponensial pada viscous damping. (b) Penurunan amplitudo berbentuk
linear pada friction damping.
Untuk bisa menentukan suatu nilai redaman perlu dilakukan suatu pengujian untuk bisa menjadi dasar perhitungan
dari nilai redaman pada struktur sesungguhnya, salah satunya dengan melakukan free vibration test. Pada free
vibration test pengujian dilakukan dengan cara memberikan suatu gangguan terhadap struktur dari titik
keseimbangannya dan membiarkan struktur tersebut untuk berosilasi tanpa gangguan lain. Walupun sulit untuk bisa
menghitung nilai redaman dari suatu struktur tetapi pendekatan secara matematis bisa dilakukan untuk
mengideliasasikan struktur dengan metode equivalent viscous damping.
Karet dan pasir sebagai peredam
Bahan karet dipilih karena memiliki daya elastisitas yang tinggi, sehingga dimodelkan sebagai pegas dalam
menerima gaya lateral. Karet merupakan polimer yang memperlihatkan resilensi (daya pegas), atau kemampuan
meregang dan kembali ke keadaan semula dengan cepat. Karet alam merupakan salah satu dari jenis karet elastomer
yang sangat cocok digunakan sebagai peredam getaran. Sifat karet yang mampu menahan tekanan, kuat terhadap
tarik, memiliki daya gesek yang baik, cocok digunakan sebagai peredam getaran dalam sebuah bangunan dalam
menahan gaya gempa.
Bahan kedua yang digunakan pada penelitian adalah pasir. Pasir dapat menyerap energi melalui gesekan antara butir
pasirnya. Hal ini dapat terjadi apabila butir pasir mendapatkan suatu tekanan sehingga menyebabkan terjadinya
perubahan posisi antar pasir oleh karena gaya gesek antar butirannya, sehingga pasir dapat menyerap energi dengan
mengubah energi mekanik menjadi energi panas. Cara pasir menyerap energi melalui gesekan disebut dengan
redaman friksi atau coulomb friction.
Rasio redaman pada lapisan pasir dipengaruhi oleh ukuran butir pasir, kadar air, angka pori, tingkat kepadatan,
jumlah siklus pembebanan,tingkat regangan, serta besar tekanan efektif yang bekerja pada lapisan pasir tersebut
(Das,1992). Pasir dapat meredam getaran oleh karena terbentuknya sudut geser dalam. Semakin besar sudut geser
dalam yang dihasilkan, maka rasio redaman pasir akan meningkat. Ukuran butiran pasir mempengaruhi sudut geser
dalam yang dihasilkan. Semakin besar ukuran butiran maka sudut geser dalam yang dihasilkan semakin besar.
Besarnya sudut geser dalam yang dihasilkan pada ukuran butiran pasir berdasarkan penelitian Handoyo (2013)
terlihat pada Tabel 1.
2. METODE PENELITIAN
Metode penelitian yang dilakukan pada penulisan ini adalah melalui pengujian kekakuan dan pengujian geser yang
dilakukan di laboratorium. Pengujian ini membutuhkan beberapa alat, yaitu karet elastomer yang telah memenuhi
persyaratan Standar Rubber Indonesia dengan dimensi 8 cm x 8 cm x 8 cm, bagian tengah karet dibuat lubang
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
S - 316
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Struktur
dengan dimensi 4 cm x 4 cm x 8 cm yang memiliki penutup pada bagian atas dan dasar karet yang terbuat dari
bahan baja, pasir berbutir seragam yang tertahan pada saringan no.60, no.20, dan no.4 (yang diklasifikasikan
menjadi pasir berbutir halus, pasir berbutir sedang, dan pasir berbutir kasar berdasarkan ASTM), dial gauge, sensor
percepatan, dan beban penggantung (611,5 gram, 1153 gram, 2210 gram, 3221 gram, 4282 gram). Pengujian
kekakuan dilakukan dengan mendapatkan nilai deformasi yang ditunjukkan oleh dial gauge ketika benda uji
dibebani. Pengujian tersebut terlihat pada Gambar 2.
Tabel 1. Sudut geser dalam
Sudut geser dalam pasir (ϕ )
Tan (ϕ )
Pasir saringan no.4
44.6255
0.98701
Pasir saringan no.10
43.1283
0.93671
Pasir saringan no.20
33.011
0.64968
Pasir saringan no.40
25.0963
0.46836
Pasir saringan no.60
21.9296
0.40278
Gambar 2. Sketsa pengujian kekakuan
Nilai kekakuan didapat melalui perhitungan rumus:
K=
P
(2)
∆
dengan K adalah nilai kekakuan dengan satuan kg/m, P adalah beban tes yang merupakan massa penggantung
dengan satuan massa (kg atau gr), dan ∆ adalah nilai deformasi dengan satuan panjang (mm).
Pengujian geser dilakukan dengan mengacu pada free vibration test seperti yang telah dijelaskan sebelumnya.
Melalui sensor percepatan akan didapat grafik percepatan hasil getaran bebas yang terjadi dengan beban
penggantung yang berbeda. Penentuan nilai rasio redaman didapat dari pengujian geser yang terlihat pada Gambar 3
dengan menggunakan rumus:
ξ=
(3)
Gambar 3. Pengujian geser
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
S - 317
Struktur
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
".+*6".600*6;<609
Hasil pengujian telah menghasilkan nilai kekakuan tiap benda uji melalui grafik hubungan deformasi dan beban
yang diberikan seperti terlihat pada Gambar 4. Pada grafik menunjukkan nilai kekakuan yang tidak memberikan
peningkatan yang besar dan relatif sama terhadap karet tanpa terisi dengan pasir. Namun, nilai rasio redaman yang
dihasilkan oleh bahan karet yang terisi pasir dengan variasi beban penggantung mengalami peningkatan yang
terlihat pada grafik rasio redaman pada Gambar 5. Nilai rasio redaman pada karet yang terisi dengan pasir berbutir
kasar (yaitu pasir tertahan pada saringan no.4) menghasilkan peningkatan paling besar dibandingkan pasir yang
memiliki ukuran butiran yang lebih kecil daripadanya yaitu pasir yang tertahan pada saringan no.60 dan no.20.
Kemudian didapat nilai rasio redaman yang dirata-ratakan dari 5 jenis massa penggantung yang terlihat pada
Gambar 6.
!')
!')&('$%
!')&('$%
!')&('$%
?./795*:155
Gambar 4. Hubungan beban penggantung dan deformasi
:.??.=2;44.;@A;4
:.??.=2;44.;@A;4
:.??.=2;44.;@A;4
:.??.=2;44.;@A;4
:.??.=2;44.;@A;4
#*:17#.-*5*6
8.>2@8<?<;4
8.>2@=.?6>;<
8.>2@=.?6>;<
8.>2@=.?6>;<
Gambar 5. Peningkatan Rasio Redaman dengan Variasi Massa Penggantung
Rasio redaman antar butir pasir yang dihasilkan tidak menunjukkan peningkatan yang berarti. Pada benda uji karet
kosong yang dicampur dengan pasir no.60 dan pasir no.20, nilai rasio redaman yang dihasilkan relatif sama
walaupun pasir no.20 masih memiliki nilai rasio redaman yang lebih besar daripada pasir no.60. Sedangkan pada
pasir no.4, nilai rasio redaman mengalami peningkatan yang cukup besar. Hal ini menunjukkan bahwa dengan
adanya peningkatan nilai rasio redaman, maka timbul redaman melalui gesekan antar butir pasir tersebut. Redaman
inilah yang kemudian dapat dikatakan redaman friksi, di mana pasir memiliki perilaku turut meredam suatu getaran
melalui gesekan antar partikelnya.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
S - 318
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Struktur
8.>2@8<?<;4
8.>2@=.?6>;<
8.>2@=.?6>;<
8.>2@=.?6>;<
'.?6<'21.:.;
Gambar 6. Nilai rasio redaman rata-rata
Pada redaman gesek yang biasa disebut dengan Coulomb friction,, pola peredaman getaran yang dihasilkan pa
pada
umumnya bersifat garis lurus. Namun pada percobaan yang telah dilakukan, grafik tidak menunjukkan peredaman
secara garis lurus. Bentuk garis redaman cenderung parabola, sehingga sifat pe
peredam
redam getaran yang dihasilkan
cenderung bersifat viskos walaupun pasir turut meredam getaran melalui gesekannya. Grafik ttersebut terlihat pada
Gambar 7.
Gambar 7. Redaman viskos pada grafik percepatan yang dihasilkan
ihasilkan
Kemudian dilakukan pengujian kembali untuk redaman antara campuran pasir berbutir halus hingga kasar dengan
karet melalui uji geser. Hal ini dilakukan untuk membuktikan pengaruh dari percampuran gradasi terhadap
peningkatan nilai rasio redaman. Dalam penentuan percampuran gradasi pasir halus hingga kasar, digunakan sistem
perhitungan pendekatan yang mengacu pada percampuran agregat halus dalam aturan SNI
SNI-03-2834-2000. Sehingga
didapatkan peningkatan rasio redaman yang terlihat pada grafik sesuai Gambar 8.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24
24-26 Oktober 2013
S - 319
#*:17#.-*5*6
Struktur
8<?<;4
=.?6>
;<
=.?6>
;<
=.?6>;<
0.:=A>.;
.6-*&21
Gambar 8. Peningkatan nilai rasio redaman pada pasir berbutir tak seragam
4. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan, maka ditarik kesimpulan sebagai berikut: Pengisian pasir pada benda
uji karet menghasilkan peningkatan rasio redaman terhadap benda uji karet kosong, di mana peningkatan rasio
redaman karet + pasir no.60 sebesar 19,82%, peningkatan rasio redaman karet + pasir no.20 sebesar 23,45%,
peningkatan rasio redaman karet + pasir no.4 sebesar 36,99%, peningkatan rasio redaman karet + pasir campuran
sebesar 56,32%. Di sisi lain, hasil penelitian menunjukkan bahwa pasir yang berbutir tidak berseragam memiliki
nilai rasio redaman yang lebih besar daripada pasir yang berbutiran seragam. Redaman yang dihasilkan pada uji
geser karet dan pasir bersifat viskos. Walaupun pasir meredam getaran melalui gesekan antar butirnya, pada
penelitian ini menunjukkan bahwa redaman viskos memiliki pengaruh yang lebih dominan.
DAFTAR PUSTAKA
Chopra, A. K. (1997). Dynamics of Structures, Theory and Application to Earthquake Engineering. Prentice Hall,
New Jersey.
Christianto, Daniel. (2013). Penggunaan Aspal pada Sistem Perangkat Kontrol Pasif Untuk Meredam Energi
Gempa. Disertasi, Universitas Tarumanagara.
Das, Braja M. (1992). Principles of Soil Dynamics. Thomson Learning, Boston.
Handoyo, Fera Suryani. (2013). Analisis Pengaruh Butiran Pasir Terhadap Rasio Redaman Dengan Metode Uji
Geser. Tugas Akhir, Universitas Tarumanagara.
Pujianto, As’at. (2009). Pengaruh Lapisan Pasir di Bawah Fondasi Terhadap Redaman dan Frekuensi Natural
Akibat Beban Gempa. Jurnal Ilmiah Semesta Teknik. Vol.12. No.1, hal. 28 – hal. 43.
Saptono, Rahmat. (2008). Pengetahuan Bahan. Universitas Indonesia, Jakarta.
Vino. (2010). Analisa Rasio Redaman Bahan Karet Dan Gabungan Bahan Karet - Aspal Terhadap Uji Geser.
Tugas Akhir,Universitas Tarumanagara.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
S - 320
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013