Rekayasa gempa

Rekayasa gempa atau rekayasa kegempaan, adalah cabang ilmu teknik antardisiplin yang mendesain dan menganalisis struktur, seperti bangunan dan jembatan, dengan mempertimbangkan gempa bumi. Secara keseluruhan, tujuan dari cabang ilmu ini adalah membuat struktur-struktur tersebut lebih tahan terhadap gempa bumi. Rekayasawan gempa (atau seismik) memiliki tujuan untuk membangun struktur yang tidak akan mengalami kerusakan akibat guncangan kecil dan menghindari kerusakan serius atau keruntuhan akibat gempa bumi besar. Rekayasa gempa merupakan bidang ilmiah yang berfokus dalam melindungi masyarakat, lingkungan alami, dan lingkungan buatan manusia dari gempa bumi dengan membatasi risiko seismik pada tingkat yang diterima secara sosioekonomi.^[1] Secara tradisional, cabang ilmu ini secara sempit didefinisikan sebagai bidang ilmu yang mempelajari perilaku struktur dan struktur geoteknik yang dikenai beban gempa; definisi ini memandang studi ini sebagai bagian dari rekayasa struktur, rekayasa geoteknik, teknik mesin, teknik kimia, teknik fisika, dll. Akan tetapi, kerugian sangat besar yang dialami pada gempa bumi terkini membawa ilmu ini ke perluasan cakupan untuk memuat disiplin dari bidang teknik sipil, teknik mesin, dan teknik nuklir yang lebih luas, serta dari ilmu sosial, khususnya sosiologi, ilmu politik, ekonomi, dan keuangan.^[2]

Tujuan utama dari rekayasa gempa adalah:

Memprediksi potensi yang diakibatkan oleh gempa bumi kuat pada kawasan perkotaan dan infrastruktur sipil.
Mendesain, membangun, dan memelihara struktur sehingga memiliki performa yang baik saat dikenai gempa bumi terekspektasi dan memenuhi kode standar bangunan.^[3]

Struktur yang direkayasa secara baik tidak perlu sangat kuat atau mahal. Struktur tersebut harus didesain secara baik untuk menahan efek gempa sembari mempertahankan tingkat kerusakan yang diterima.

Beban gempa

Tokyo Skytree, dilengkapi dengan peredam massa tertala, adalah menara tertinggi di dunia dan struktur tertinggi kedua di dunia.

Beban gempa memiliki arti penerapan eksitasi yang dibangkitkan oleh gempa bumi pada suatu struktur (atau struktur geoteknik). Beban ini terjadi pada permukaan kontak struktur dengan tanah,^[4] struktur berdekatan,^[5] atau gelombang gravitasi dari tsunami. Beban yang diekspektasikan pada suatu lokasi di permukaan Bumi diperkirakan dengan merekayasa seismologi. Beban ini berkaitan dengan bahaya seismik pada lokasi tersebut.

Performa seismik

Performa seismik atau gempa bumi adalah kemampuan struktur dalam mempertahankan fungsi utamanya, seperti keselamatan dan kemampuan layan, saat dan setelah terpapar gempa bumi tertentu. Suatu struktur dianggap aman secara umum jika struktur tersebut tidak membahayakan nyawa dan kesejahteraan orang yang berada di dalam atau sekitar struktur dengan mengalami keruntuhan sebagian maupun seluruhnya. Sementara itu, struktur dapat dikatakan memiliki kemampuan layan jika struktur tersebut dapat memenuhi fungsi operasional sebagaimana yang didesain.

Konsep dasar rekayasa gempa, terimplementasi di dalam kode standar bangunan utama, menganggap bahwa bangunan harus dapat sintas terhadap gempa bumi langka dan sangat parah dengan mempertahankan kerusakan signifikan tanpa mengelami keruntuhan global.^[6] Di sisi lain, bangunan harus tetap beroperasi pada kejadian gempa yang lebih sering terjadi tetapi memiliki tingkat keparahan lebih rendah.

Penilaian

Rekayasawan perlu mengetahui tingkat terukur dari performa seismik yang diantisipasi atau aktual berkaitan dengan kerusakan langsung bangunan tunggal yang dikenai guncangan tanah tertentu. Penilaian tersebut dapat dilakukan baik secara eksperimen maupun analitis.

Penilaian eksperimen

Evaluasi eksperimen merupakan pengujian mahal yang biasanya dilakukan dengan meletakkan model struktur terskala pada meja getar yang mensimulasikan guncangan tanah dan mengamati perilaku struktur. Eksperimen semacam ini pertama kali dilakukan pada lebih dari seabad yang lalu.^[7] Hanya saja, baru-baru ini pengujian skala 1:1 pada struktur penuh baru dapat dilakukan.

Akibat biaya yang tinggi pada pengujian tersebut, penilaian ini cenderung digunakan terutama untuk memahami perilaku seismik dari struktur, memvalidasi model, dan memeriksa metode analisis. Untuk itu, ketika tervalidasi dengan baik, model komputasi dan prosedur numerik memikul beban utama dalam penilaian performa seismik struktur.

Penilaian analitis/numerik

Tangkapan layar video pengujian destruktif meja getar dari bangunan beton nondaktil 6 lantai

Penilaian performa struktur atau analisis struktur seismik merupakan alat rekayasa gempa yang kuat dengan memanfaatkan pemodelan detail struktur bersama metode analisis struktur untuk memperoleh pemahaman yang lebih baik dari performa seismik struktur bangunan dan nonbangunan. Teknik ini sebagai konsep formal relatif baru dikembangkan.

Secara umum, analisis sturktur seismik didasarkan pada metode dinamika struktur.^[8] Selama beberapa dekade, instrumen analisis seismik paling terkemuka adalah metode respons spektra yang juga berkontribusi dalam usulan konsep kode standar bangunan saat ini.^[9]

Akan tetapi, metode tersebut hanya baik digunakan pada sistem elastik linear, sebagian besar tidak dapat memodelkan perilaku struktur ketika kerusakan muncul (memiliki sifat nonlinear). Integrasi langkah per langkah secara numerik terbukti menjadi metode analisis yang lebih efektif pada sistem struktur dengan derajat kebebasan ganda dan sifat nonlinear signifikan di bawah proses sesaat dari eksitasi gerak tanah.^[10] Penggunaan metode elemen hingga merupakan salah satu pendekatan paling umum dalam menganalisis model komputer interaksi struktur tanah nonlinear.

Pada dasarnya, analisis numerik dilakukan dengan tujuan untuk mengevaluasi performa seismik bangunan. Evaluasi performa secara umum dilakukan dengan menggunakan analisis beban dorong statik nonlinear atau analisis riwayat waktu nonlinear. Pada analisis tersebut, penting untuk memperoleh pemodelan komponen struktur nonlinear secara akurat seperti balok, kolom, hubungan balok-kolom, dan dinding geser. Dengan demikian, hasil eksperimen memainkan peran penting dalam menentukan parameter pemodelan dari masing-masing komponen, terutama pada komponen yang menerima deformasi nonlinear secara signifikan. Masing-masing komponen kemudian digabungkan untuk menciptakan model nonlinear penuh dari struktur. Model yang telah dibuat dianalisis untuk mengevaluasi performa bangunan.

Kemampuan perangkat lunak analisis struktur menjadi pertimbangan utama dalam proses tersebut karena setiap perangkat lunak memiliki batasan model komputer yang dimungkinkan, metode analisis yang tersedia, dan, yang paling penting, keteguhan numerik. Alasan terakhir menjadi pertimbangan utama pada struktur yang dianalisis dalam rentang nonlinear dan melalui pendekatan keruntuhan global maupun lokal sehingga penyelesaian numerik secara meningkat menjadi tak stabil dan sulit untuk diperoleh. Terdapat beberapa perangkat lunak analisis elemen hingga yang tersedia secara komersial, seperti CSI-SAP2000 dan CSI-PERFORM-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS, serta Ansys; semua perangkat lunak tersebut dapat digunakan untuk mengevaluasi performa seismik bangunan. Lebih lanjut, terdapat platform analisis elemen hingga berbasis penelitian, seperti OpenSees, MASTODON (berbasis pada MOOSE Framework, RUAUMOKO, dan versi lebih lama DRAIN-2D/3D; beberapa perangkat lunak tersebut saat ini telah menjadi sumber terbuka.

Penelitian

Pengujian meja getar dari bantalan pendulum friksi di EERC

Penelitian untuk rekayasa gempa mencakup investigasi lapangan dan analitis atau percobaan yang dimaksudkan untuk penemuan dan penjelasan saintifik terhadap fakta terkait rekayasa gempa, merevisi konsep konvensional berdasarkan penemuan baru, dan aplikasi praktis dari pengembangan teori.

Yayasan Sains Nasional (NSF) adalah badan pemerintah Amerika Serikat utama yang mendukung penelitian dan edukasi mendasar dalam semua bidang dari rekayasa gempa. Secara khusus, badan ini berfokus pada penelitian eksperimental, analitis, dan komputasi dalam peningkatan desain dan performa sistem struktur.

Institut Penelitian Rekayasa Gempa (EERI) terdepan dalam penyebaran informasi mengenai penelitian rekayasa gempa baik di Amerika Serikat maupun secara global.

Daftar penelitian rekayasa gempa definitif terkait meja getar di dunia dapat ditemukan pada daftar yang telah dikumpulkan oleh Badan Energi Nuklir (NEA).^[11] Penelitian yang paling terkemuka saat ini di antaranya adalah E-Defense Shake Table di Jepang.^[12]

Lihat pula

Referensi

^ Bozorgnia, Yousef; Bertero, Vitelmo V. (2004). Earthquake Engineering: From Engineering Seismology to Performance-Based Engineering. CRC Press. ISBN 978-0-8493-1439-1.
^ "Earthquake Engineering - an overview | ScienceDirect Topics". www.sciencedirect.com. Diakses tanggal 14 Oktober 2020.
^ Berg, Glen V. (1983). Seismic Design Codes and Procedures. EERI. ISBN 0-943198-25-9.
^ "Geotechnical Earthquake Engineering". earthquake.geoengineer.org.
^ "Archived copy" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2008-10-30. Diakses tanggal 17 Juli 2008.
^ Seismology Committee (1999). Recommended Lateral Force Requirements and Commentary (PDF) (edisi ke-7th). Sacramento: Structural Engineers Association of California.
^ Omori, F. (1900). Seismic Experiments on the Fracturing and Overturning of Columns (PDF). Tokyo: Publications of the Earthquake Investigation Committe in Foreign Language.
^ Chopra, Anil K. (1995). Dynamics of Structures. Prentice Hall. ISBN 0-13-855214-2.
^ Newmark, N.M.; Hall, W.J. (1982). Earthquake Spectra and Design. EERI. ISBN 0-943198-22-4.
^ Clough, Ray W.; Penzien, Joseph (1993). Dynamics of Structures. McGraw-Hill. ISBN 0-07-011394-7.
^ "Experimental Facilities for Earthquake Engineering Simulation Worldwide: Are Large Testing Facilities for Nuclear Power Plants Design and Verification at Risk?". Badan Energi Nuklir. 30 September 2021. Diakses tanggal Maret 2022.
^ "The NIED 'E-Defence' Laboratory in Miki City". Pusat Penelitian Rekayasa Gempa Hyogo. Diakses tanggal 3 Maret 2008.

Pranala luar

[Bozorgnia2004-1] Bozorgnia, Yousef; Bertero, Vitelmo V. (2004). Earthquake Engineering: From Engineering Seismology to Performance-Based Engineering. CRC Press. ISBN 978-0-8493-1439-1.

[2] "Earthquake Engineering - an overview | ScienceDirect Topics". www.sciencedirect.com. Diakses tanggal 14 Oktober 2020.

[SeismicDesignCodes-3] Berg, Glen V. (1983). Seismic Design Codes and Procedures. EERI. ISBN 0-943198-25-9.

[4] "Geotechnical Earthquake Engineering". earthquake.geoengineer.org.

[5] "Archived copy" (PDF). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2008-10-30. Diakses tanggal 17 Juli 2008.

[RecommendedLateralForce-6] Seismology Committee (1999). Recommended Lateral Force Requirements and Commentary (PDF) (edisi ke-7th). Sacramento: Structural Engineers Association of California.

[SeismicExperiments-7] Omori, F. (1900). Seismic Experiments on the Fracturing and Overturning of Columns (PDF). Tokyo: Publications of the Earthquake Investigation Committe in Foreign Language.

[DynamicsOfStructures-8] Chopra, Anil K. (1995). Dynamics of Structures. Prentice Hall. ISBN 0-13-855214-2.

[EarthquakeSpectra-9] Newmark, N.M.; Hall, W.J. (1982). Earthquake Spectra and Design. EERI. ISBN 0-943198-22-4.

[DynamicsofStructures-10] Clough, Ray W.; Penzien, Joseph (1993). Dynamics of Structures. McGraw-Hill. ISBN 0-07-011394-7.

[11] "Experimental Facilities for Earthquake Engineering Simulation Worldwide: Are Large Testing Facilities for Nuclear Power Plants Design and Verification at Risk?". Badan Energi Nuklir. 30 September 2021. Diakses tanggal Maret 2022.

[12] "The NIED 'E-Defence' Laboratory in Miki City". Pusat Penelitian Rekayasa Gempa Hyogo. Diakses tanggal 3 Maret 2008.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]