i

PROPOSAL PENELITIAN UNGGULAN DASAR MULTIDISIPLIN

DANA ITS TAHUN 2020

Isolasi Seismik Berbiaya Rendah Dengan Tumpuan Bonded dan Unbonded Untuk Rumah Tinggal Sederhana

di Daerah Rawan Gempa

Tim Peneliti:

Ketua : Prof. Tavio, M.Eng., PhD. (Teknik Sipil/FTSLK/ITS Surabaya) Anggota1: Dr. Windiani, S.Sos., M.Si. (Studi Pembangunan/FBMT ITS) Anggota2: Lienggar Rahadiantino, SE., M.Sc. (Studi Pembangunan/FBMT ITS) Anggota3: Sandy I. Yansiku, ST., M.Eng. (Teknik Sipil/FTSLK ITS)

LEMBAGA PENELITIAN DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2020

ii  

HALAMAN PENGESAHAN

PROPOSAL PROGRAM PENELITIAN UNGGULAN DASAR MULTIDISIPLIN DANA LOKAL ITS TAHUN 2020

1. Judul penelitian : Isolasi Seismik Berbiaya Rendah Dengan Tumpuan Bonded dan Unbonded Untuk Rumah Tinggal Sederhana di Daerah Rawan Gempa

2. Ketua tim a. Nama Lengkap : Prof. Tavio, M.Eng., PhD. b. NIP : 197203271997021001 c. Pangkat / Golongan : d. Jabatan Fungsional : Guru Besar e. Departemen : Teknik Sipil f. Fakultas : FTSLK - ITS Surabaya g. Alamat Kantor : Program Studi Teknik Sipil

ITS Surabaya, Keputih, Sukolilo, Surabaya Jawa Timur, Indonesia 60111

h. Telp / HP / Fax : 0816537135 3. Jumlah anggota : 4 orang 4. Jumlah mahasiswa yang terlibat : 1 orang 5. Sumber dan dana penelitian yang diusulkan: a. Dana ITS tahun 2020 : Rp. 109.400.000,- b. Sumber lain : Rp. ………………….. Jumlah : Rp. 109.400.000,-

Menyetujui Kepala Pusat Studi Mitigasi Kebencanaan dan Perubahan Iklim, Adjie Pamungkas, ST.,M.Dev.Plg, Ph.D NIP. 197811022002121002

Kota Surabaya, 04-03-2020 Ketua Tim Peneliti, Prof. Tavio, S.T., M.T., PhD. NIP. 197003271997021001

Mengesahkan Direktur DRPM,

Agus Muhamad Hatta, S.T., M.Si., Ph.D. NIP. 197809022003121002

iii

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN ii DAFTAR ISI iii DAFTAR TABEL iv DAFTAR GAMBAR v DAFTAR LAMPIRAN vi BAB 1. RINGKASAN 1 BAB 2. LATAR BELAKANG 2

2.1 Latar Belakang 2 2.2 Perumusan Masalah 3 2.3 Tujuan Penelitian 4 2.4 Manfaat Penelitian 4 2.5 Urgensi Penelitian 4 2.6 Kontribusi Penelitian dan Relevansinya terhadap Skema 5

BAB 3. TINJAUAN PUSTAKA 7 3.1 Teknologi Low-cost Base Isolator 7 3.2 Pengaruh Mekanisme Tumpuan Bonded 12 3.3 Pengaruh Mekanisme Unbonded 16 3.4 Design 21 3.5 State of the Art Penelitian 22 3.6 Road Map Penelitian 24

BAB 4. METODE 25 3.1. Material 25 3.2. Geometri Isolator dan Notasi 26 3.3. Metode Pengujian Material 26 3.4. Desain Isolator 29 3.5. Manufakturisasi 29 3.6. Pengujian Base Isolator 30 3.7. Alur Penelitian 31 3.8. Organisasi Tim 32

BAB 5. JADWAL 33 BAB 6. DAFTAR PUSTAKA 34 BAB 7. LAMPIRAN 38

iv

DAFTAR TABEL

Tabel 1. State of the art penelitian ............................................................................................ 22 Tabel 2. Dimensi rencana isolator karet ................................................................................... 27 Tabel 3. Notasi Spesimen Uji ................................................................................................... 27 Tabel 4. Tanggunjawab tim peneliti ......................................................................................... 32 Tabel 5. Jadwal penelitian ........................................................................................................ 33

v

DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Jenis pengekangan pada isolator karet ................................................................... 11 Gambar 2. Overlapping area of rubber bearing without core .................................................. 12 Gambar 3. Pengaruh lubang dan tekanan vertikal pada model bonded FRRI ......................... 14 Gambar 4. Kurva histeresis LDNRI, HDRI dan LRI .............................................................. 15 Gambar 5. Isolator usang dan penggantinya terpasang di dasar gedung ................................. 16 Gambar 6. Tata cara umum desain base isolator karet ............................................................ 21 Gambar 7. Tata cara umum desain base isolator karet ............................................................ 24 Gambar 8. Material uji............................................................................................................. 25 Gambar 9. Geometri bonded dan unbonded isolator rencana ................................................. 26 Gambar 10. Dumbbell specimen uji tarik uniaksial ............................................................... 28 Gambar 11. Konfigurasi lubang penampang karet .................................................................. 28 Gambar 12. Mold dan proses vulkanisasi ................................................................................ 29 Gambar 13. Pengujian vertikal (tekan) dan horisontal ............................................................ 30 Gambar 14. Bagan alir penelitian ............................................................................................ 31

vi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran A. Biodata Tim Peneliti ........................................................................................... 38 Lampiran B. Pernyataan Kesediaan Anggota Tim ................................................................... 40

1

BAB 1. RINGKASAN

Kerusakan bangunan oleh gempa bumi mengindikasikan urgensi penggunaan teknik

pemisahan struktur dengan base isolator. Kendala yang dihadapi oleh masyarakat luas adalah tingginya harga isolator yang kurang efektif untuk diterapkan pada rumah tinggal sederhana (RTS). Berbagai pendekatan untuk mengurangi harga isolator seperti variasi jenis karet dan lempeng baja, memodifikasi faktor bentuk dan aspek rasio belum menghasilkan kapasitas yang efektif untuk rumah tinggal sederhana. Dengan demikian perlu dilakukan suatu rangkaian studi eksperimental dan analisis guna menghasilkan suatu prototipe base isolator yang ekonomis dan layak untuk RTS di daerah rawan gempa.

Penelitian ini melakukan suatu studi literatur serta rangkaian eksperimen pada karet alam dengan nilai kekerasan Shore A 60, 70 dan 80, dalam bentuk uji kekerasan Shore A, ketahanan sobek, density, perubahan volume, uji pengusangan dan uji tarik uniaksial karet dan GSM yang akan dilaksanakan di Laboratorium Pusat Penelitian Karet Bogor, Laboratorium Inovasi Material Fakultas Teknik Industri ITS, Laboratorium Metalurgi Fakultas Teknik Mesin ITS Surabaya dan serta pengujian kekakuan vertikal, kekakuan horisontal dan kapasitas redaman base isolator dalam kondisi tumpuan bonded dan unbonded di Laboratorium Lembaga Getah Malaysia. Dalam kajian ini dilakukan analisis elemen hingga dengan bantuan aplikasi FEM atas berbagai variasi faktor bentuk dan aspek rasio atas ketebalan dan jumlah lapisan karet alam, ketebalan dan jumlah lapisan perkuatan GSM untuk memprediksi nilai optimal geometri isolator. Desain isolator dilakukan berdasarkan ASCE 7-10 atau SNI 1726-2018 dan EN 1337-3 2005. Spesimen isolator hasil rancangan kemudian diuji performanya kekakuan dan redamannya dengan Double Compressive-Shear Test. Pengujian laboratorium ini bertujuan untuk menyelidiki performa kekakuan dan redaman prototipe base isolator dengan kondisi tumpuan bonded dan unbonded akibat beban dinamik.

Dengan berbagai kombinasi material penyusun berbiaya rendah tersebut diharapkan dapat diperoleh suatu sistem base isolator yang murah namun layak secara teknis dalam mengurangi goncangan saat gempa terjadi. Pengembangan low-cost rubber base isolation dengan mengoptimalkan pemanfaatan material lokal dengan harga rendah pakai disertai prosedur desain dan pengujian yang komprehensif mampu memperdalam konsep ilmu pengetahuan dalam bidang teknik sipil khususnya perencanaan dan penerapan teknologi peredam gempa. Pendekatan ini diharapkan akan memberikan luaran berupa produk base isolator yang memadai dari sudut pandang teknis maupun ekonomis agar dapat diterapkan pada rumah tinggal sederhana di daerah rawan gempa. Dengan diperkenalkannya hasil penelitian ini, nilai dan peran ilmu pengetahuan yang sesungguhnya yakni kebermanfaatannya bagi kehidupan manusia dapat terlaksana. Jurnal ilmiah yang menjadi target publikasi hasil penelitian ini adalah Archives of Civil and Mechanical Engineering (Q1) pada akhir tahun 2020 Kata kunci: base isolator; karet, wiremesh; bonded, unbonded.

2

BAB 2. LATAR BELAKANG

2.1 Latar Belakang Kerusakan akibat kejadian gempa kuat telah menunjukkan pentingnya langkah mitigasi

gempa pada struktur bangunan khususnya hunian sederhana yang lebih berpotensi mengalami

kerusakan dan menelan korban jiwa. Rumah tinggal sederhana pada umumnya dibangun tanpa

mempertimbangkan beban gempa dan dengan biaya yang jauh lebih murah. Untuk mengurangi

dampak kerusakan akibat gempa pada struktur bangunan, salah satu teknik peredaman getaran

gempa yang sering digunakan dan telah dibuktikan keberhasilannya adalah pemasangan base

isolator (BI) yang berfungsi sebagai komponen pemisah struktur bawah dan struktur atas.

Meskipun pemanfaatan BI dapat mengurangi besarnya getaran yang terjadi pada bangunan,

tingginya harga isolator disertai biaya instalasinya menyebabkan teknik ini dianggap tidak

efisien untuk diaplikasikan pada rumah tinggal sederhana. Dengan mempertimbangkan

kerusakan yang ditimbulkan, akan sangat bermanfaat apabila biaya isolator ini dapat direduksi

melalui berbagai teknik yang lebih sederhana dan efektif serta mempertimbangkan daya beli

masyarakat luas sehingga dapat digunakan pada rumah tinggal khususnya di daerah dengan

aktivitas seismik tinggi.

Berbagai modifikasi telah dikembangkan pada isolator konvensional seperti high

damping rubber bearing (HDRB) dan lead rubber bearing (LRB) untuk menyederhanakan

jenis-jenis isolator tersebut. Pendekatannya antara lain dengan penggantian mutu karet dengan

material karet alternatif seperti karet ban bekas (Jie et al., 2016; Mishra, 2012; Tsompanakis et

al., 2011; Turer & Özden, 2008) atau karet hasil daur ulang (A. Calabrese et al., 2019; Andrea

Calabrese et al., 2015; Spizzuoco et al., 2014) untuk menggantikan karet elastomer mutu tinggi.

Selain itu, peran lempeng baja (steel shim) sebagai perkuatan pada isolator konvensional diganti

dengan penulangan serat karbon (Angeli et al., 2013; Russo et al., 2013; Toopchi-Nezhad et al.,

2008)(Moon et al., 2002), serat kaca (Das et al., 2016; Moon et al., 2002; Mordini & Strauss,

2008), aramid dan nilon (Moon et al., 2002) sehingga disebut fiber reinforced elastomeric

isolator (FREI). Metode lainnya adalah penghilangan inti timah atau lead core yang harganya

sangat mahal untuk satu unit LRB. Memodifikasi bentuk dan dimensi karet isolator serta

pemilihan jenis tumpuan, yang memiliki pengaruh pada seluruh komponen performa isolator,

juga merupakan metode yang ditempuh untuk menurunkan harga isolator.

Dalam pengkajiannya, karet pengganti memiliki daya serap energi lebih rendah

sehingga sulit terjadi perubahan gaya geser (A. Habieb, 2017; A. B. Habieb et al., 2017; Mishra,

3

2012). Sebagian besar hasil penelitian menyimpulkan bahwa karet berkapasitas redaman rendah

yang digunakan pada low damping rubber bearing (LDRB) mengakibatkan penurunan kinerja

isolator yang cukup signifikan sedangkan pemanfaatan berbagai jenis serat sebagai pengganti

lempeng baja masih membutuhkan biaya yang relatif tinggi karena memerlukan proses

manufakturisasi yang spesifik. Sementara itu, isolator tanpa lead core yang berperan dalam

menyerap energi sangat berpengaruh pada penurunan kapasitas dukung isolator terhadap

perpindahan lateral akibat gempa.

Pemanfaatan karet dengan tingkat kekerasan yang memadai, modifikasi bentuk

penampang isolator, substitusi elemen perkuatan serta pemilihan model tumpuan yang tepat

akan berdampak besar pada performa dan biaya isolator secara keseluruhan. Sehingga perlu

dilakukan suatu rangkaian kajian mengenai pendekatan-pendekatan tersebut guna

menghasilkan suatu sistem base isolator yang ekonomis dan layak untuk rumah tinggal

sederhana.

2.2 Perumusan Masalah

Penelitian ini akan dilaksanakan dalam rentang waktu yang panjang (3 tahun), sehingga

permasalahannya dibagi dalam tiga tahap yaitu:

Tahun I:

1. Bagaimana karakteristik material karet alam dengan nilai hardness Shore A 50-80,

galvanished square mesh, sebagai komponen alternatif penyusun base isolator seismik

untuk rumah tinggal sederhana?

2. Bagaimana model dan kalibrasi material karet dan mesh dengan analisa FEM?

3. Bagaimana hasil kekakuan vertikal dan kekakuan horisontal isolator untuk rumah tinggal

sederhana melalui simulasi FEM?

4. Bagaimana karakteristik kekakuan dan redaman sistem base isolator yang tersusun atas

komponen-komponen tersebut berdasarkan hasil eksperimen pada kondisi tumpuan

bonded?

Tahun II:

Melakukan optimalisasi geometris komponen isolasi seismik berdasarkan shape factor dan

aspect ratio dilanjutkan dengan simulasi FEM dan pengujian karakteristik kekakuan dan

redaman isolator dengan komponen hasil analisa elemen hingga.

Tahun III:

4

Melaksanakan validasi hasil uji pada tahap ke dua disertai dengan pengembangan aplikasi

desain dan petunjuknya dan menguji karakteristik komponen pada kondisi tumpuan

unbonded untuk studi lebih lanjut.

2.3 Tujuan Penelitian 1. Melakukan kajian literatur dan rangkaian eksperimen pada karet alam, galvaized

square mesh, tanah pasir padat dan lempung sebagai komponen alternatif penyusun

base isolator seismik untuk rumah tinggal sederhana.

2. Melaksanakan studi parametrik penampang karet isolator dalam bentuk perforasi dan

melakukan simulasi FEM untuk memprediksi karakteristik kekakuan karet isolator.

3. Melakukan desain serta menguji performa kekakuan dan redaman base isolator hasil

rancangan dengan kondisi tumpuan bonded akibat beban dinamik.

2.4 Manfaat Penelitian 1. Menjabarkan potensi fisik material alternatif serta kelayakan metode reduksi biaya

isolator konvensional melalui rangkaian analisis dan program eksperimen baku

dalam pengembangan ilmu pengetahuan di bidang teknik mitigasi gempa.

2. Menciptakan produk base isolator yang terjangkau secara komunal dan ekonomis

serta efektif secara teknis sebagai bentuk kontribusi dalam usaha untuk mengurangi

dampak kerusakan rumah tinggal sederhana dan meningkatkan keselamatan jiwa

manusia akibat aktivitas seismik.

2.5 Urgensi Penelitian Beberapa faktor berikut menjadikan penelitian ini perlu dilakukan yaitu :

1. Sejumlah besar penelitian telah dilakukan untuk menyelidiki perilaku isolator secara luas

berkonsentrasi pada material mutu tinggi seperti HDRB yang lebih efektif digunakan pada

struktur gedung bertingkat tinggi atau gedung fasilitas umum sedangkan dari segi biaya

penerapan HDRB sangat tidak fisibel untuk hunian tingkat rendah maupun rumah sederhana

di seluruh pelosok khususnya daerah yang rentan terhadap kejadian gempa.

2. Meskipun pemanfaatan karet bekas telah dilakukan oleh beberapa peneliti, penyekat karet

elastomer cenderung menggunakan material dengan biaya tinggi seperti tulangan baja,

fiberglas dan serat karbon yang membutuhkan proses fabrikasi kompleks. Selain material,

bentuk lapisan antar karet pun memerlukan proses tambahan yang tidak sederhana karena

memiliki bentuk dan konfigurasi yang tidak konvensional.

3. Penelitian ini mengajukan suatu pendekatan baru dengan memanfaatkan material lokal yang

tersedia secara masif dalam kehidupan sehari-hari sehingga dapat mereduksi biaya total

5

sistem rubber isolator secara keseluruhan namun tetap mempertahankan kemampuan layan

bagi gedung hunian saat gempa.

4. Secara keseluruhan, material dasar sistem rubber isolator konvensional diganti dengan

komposisi material yang lebih murah, bersifat lokal, masif dan dengan komposisi tertentu

sehingga menghasilkan kapasitas fungsi isolasi yang optimal dari segi kelayakan teknis serta

mempromosikan pendekatan yang ramah terhadap lingkungan hidup serta terjangkau bagi

masyarakat luas terlebih di daerah rawan gempa. Pendekatan gabungan ini menjadi alternatif

praktis dalam menyempurnakan kemampuan struktural sambil mempromosikan

keberlanjutan dalam konstruksi.

2.6 Kontribusi Penelitian dan Relevansinya terhadap Skema Rekayasa low-cost base isolator menjadi bagian penting dari bentuk kontribusi ITS

Surabaya dalam menanggapi permasalahan nasional kegempaan yang sesuai dengan Sasaran

Strategis ITS point K10 dalam Rencana Strategis ITS PTNBH 2015 – 2020 melalui peningkatan

jumlah produk inovasi yang dapat dimanfaatkan pengguna. Selain itu, sesuai dengan Sasaran

Strategis ITS point I2, penelitian ini dapat berkontribusi dalam penguatan internasionalisasi

hasil riset yang berorientasi produk. Publikasi intellectual output innovation ini dalam jurnal-

jurnal internasional dan jurnal nasional terakreditasi dapat meningkatkan reputasi ITS sebagai

WCU.

1. Kontribusi pada pencapaian renstra perguruan tinggi

Penelitian ini mendukung bidang ilmu Teknik Sipil yang menjadi salah satu kelompok riset

unggulan di ITS Surabaya. Penelitian ini mendukung ITS Surabaya untuk menjadi

kontributor nasional dalam mengatasi permasalahan nasional khususnya dalam aspek

mitigasi bencana gempa bumi melalui inovasi penelitian. Penelitian ini akan meningkatkan

reputasi ITS menjadi World Class University (WCU) melalui publikasi internasional hasil

riset penelitian ini.

2. Kontribusi mendasar pada suatu bidang ilmu

Pengembangan low-cost rubber base isolation dengan mengoptimalkan pemanfaatan

material lokal dengan harga rendah pakai disertai prosedur desain dan pengujian yang

komprehensif mampu memperdalam konsep ilmu pengetahuan dalam bidang teknik sipil

khususnya perencanaan dan penerapan teknologi peredam gempa. Dengan

diperkenalkannya hasil penelitian ini, nilai dan peran ilmu pengetahuan yang sesungguhnya

yakni kebermanfaatannya bagi kehidupan manusia dapat terlaksana. Hasil penelitian ini

6

berpotensi paten untuk desain model base isolator untuk rumah tinggal sederhana terhadap

gempa. Hasil penelitian juga dapat menjadi topik buku ajar pada matakuliah Teknik Gempa

dan Struktur Tahan Gempa pada Program Studi Teknik Sipil (S1) di Indonesia. Rencana-

rencana luaran jangka panjang ini akan diupayakan segera diusulkan dan diharapkan selesai

pada tahun 2022.

7

BAB 3. TINJAUAN PUSTAKA

3.1 Teknologi Low-cost Base Isolator Teknologi base isolator (BI) untuk bangunan gedung telah dikembangkan dari waktu

ke waktu dalam berbagai model dari beragam material dan bentuk. BI yang paling populer ialah

dalam bentuk laminasi lapisan karet diselingi dengan lempeng baja tipis dan memiliki inti timah

berbentuk silinder di tengahnya yang sering disebut steel laminated lead rubber isolator

(SLRI). Tingkat kesulitan yang tinggi dalam proses pembuatan SLRI disertai harga material

yang tinggi menyebabkan tipe isolator ini pada umumnya hanya diaplikasikan pada gedung

bertingkat tinggi atau gedung dengan tingkat keutamaan tinggi. Kondisi ini mendorong para

peneliti untuk dapat menciptakan suatu jenis isolator dengan harga yang terjangkau secara lebih

luas dan oleh karena fokus utama penelitian tersebut adalah rentang harga maka terminologi

“base isolator murah” menjadi populer disertai dengan berbagai pendekatan di dalamnya.

Pendekatan teknis yang diajukan oleh para peneliti dalam memodifikasi SLRI di

antaranya adalah (1) penggantian jenis dan kualitas karet dengan karet berkemampuan redaman

yang lebih rendah dan karet daur ulang; (2) melakukan perubahan bentuk penampang menjadi

model lajur (strip) dan berlubang; (3) mengganti pelat baja dengan pelat spiral, laminasi serat

karbon, serat kaca, polyester, aramid dan serat nilon, dan plastik, (4) menghilangkan inti timah

dan (5) memodifikasi tumpuan isolator sehingga dapat mengurangi berat dan biaya total sistem

isolasi dasar.

3.1.1. Penggantian Jenis dan Kualitas Karet Elastomer sangat ideal untuk komponen BI karena modulus geser rendah, hampir tidak

dapat dimampatkan dan berkemampuan untuk mengakomodasi regangan balik yang besar pada

tingkat stres yang relatif rendah (Toopchi-Nezhad et al., 2011). Sifat mekanik karet juga

dikendalikan oleh komposisi karbon hitam dalam bahan karet di mana dalam jumlah tinggi

dapat menimbulkan efek Mullins dan umumnya meningkatkan kekuatan, kelenturan dan

ketahanan terhadap kerusakan dan abrasi (Bijarimi et al., 2010). Untuk aplikasi model isolasi

seismik dengan modulus geser antara 0,65 MPa hingga 0,9 MPa karet alam dengan nilai

kekerasan durometer A50 biasanya digunakan (Warn & Ryan, 2012).

Karet bermutu rendah yang dihasilkan dari karet alam atau dalam kombinasi dengan

karet daur ulang memiliki potensi besar untuk digunakan sebagai BI berbiaya murah. Referensi

(Wijaya & Tavio, 2019) menyelidiki sifat-sifat karet di Indonesia dengan mengadopsi model

konstitutif yang ada untuk bahan hiperelastik. Karet lokal memiliki nilai kekerasan Shore A 53-

8

55 dan uji uniaksial mengkonfirmasi bahwa model yang paling cocok untuk karet adalah model

Yeoh dan menghasilkan kelas yang lebih baik daripada yang diusulkan sebelumnya.

Pengamatan lain menunjukkan bahwa karet dengan nilai hardness Shore A 85-95 memiliki

modulus geser tertinggi yaitu 3,73 MPa dan mengalami deformasi aksial yang sangat kecil

dibandingkan dengan sampel karet dengan tingkat kekerasan yang lebih kecil. Semakin keras

sampel, modulus geser semakin tinggi pada regangan rendah dan semakin rendah modulus

geser pada tingkat regangan tinggi (Wijaya & Tavio, 2019). Dengan demikian karet dengan

tingkat kekerasan tinggi dapat digunakan sebagai isolator seismik pada tingkat regangan tinggi

karena berkurangnya modulus geser yang akan meningkatkan kemampuan disipasi energi

gempa.

3.1.2. Model hiperelastik karet Model konstitutif material dikembangkan dengan tujuan untuk memudahkan proses

simulasi dalam analisis elemen hingga (FEA) sehingga hasil simulasi sedapat mungkin

menggambarkan kondisi riil material. Data hasil uji sifat material di laboratorium digunakan

sebagai dasar pengembangan model konstitutif material berdasarkan fungsi energi regangan

(SEF). Karet dikategorikan sebagai material hiperelastik yang memiliki beberapa model

konstitutif. Formulasi model Neo-Hook menunjukkan bahwa kekakuan meningkat ketika

menerima beban tekan dan menurun jika mendapat beban tarik. Hubungan antara tegangan

geser dan deformasi murni bersifat linier. Pada fungsi energi regangan dalam model Mooney-

Rivlin terdapat dua konstanta sehingga kemungkinan untuk menyesuaikan model dengan data

eksperimen akan lebih baik. Meskipun model Mooney-Rivlin (Rivlin, 1948) menunjukkan

kesamaan yang cukup baik dengan data eksperimental model ini dianggap tidak konsisten

dalam memodelkan perilaku volumetrik yang sebenarnya (Sugihardjo et al., 2018). Model

Yeoh dengan fungsi multiparameter dapat menggambarkan kurva tegangan-regangan dari tes

laboratorium yang jauh lebih baik namun membutuhkan upaya ekstra dalam menentukan

konstanta dengan berbagai ketentuan. Model Ogden (Ogden et al., 2004) secara konsisten

melakukan prediksi hubungan tegangan-regangan yang cukup akurat dalam memprediksi

perilaku base isolator akibat tekanan aksial konsentris.

3.1.3. Perubahan Geometri Bentuk dan dimensi isolator merupakan aspek yang turut menentukan besar biaya sistem

isolator karet dan biasanya didefinisikan sebagai faktor bentuk /shape factor. Rasio luas

penampang karet A terhadap tebal satu lapisan karet tr disebut sebagai faktor bentuk pertama

9

S1. Untuk isolator berbentuk lajur, S1 setara dengan rasio setengah lebar strip, b/2 dan tr (J. M.

Kelly & Konstantinidis, 2011). Nilai S1 untuk isolator berbentuk lajur, isolator berpenampang

lingkaran dan yang memiliki lubang di tengahnya ditentukan menggunakan persamaan (1)

sampai (4). Faktor bentuk kedua atau second shape factor, S2, atau sering disebut aspek rasio

adalah rasio lebar isolator B atau panjang L yang sejajar dengan arah pembebanan terhadap total

ketebalan karet ttr seperti dalam persamaan (4) (Toopchi-nezhad et al., 2018) di mana D adalah

diameter penampang lingkaran, sedangkan D2 and D1 adalah diameter luar dan diameter dalam

penampang isolator yang berlubang.

𝑆𝑆1 = 𝐷𝐷4𝑡𝑡𝑟𝑟

= 𝐷𝐷2−𝐷𝐷14𝑡𝑡𝑟𝑟

(1)

𝑆𝑆2 =𝐿𝐿 = 𝐵𝐵𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

(2)

Sistem isolasi dengan nilai S1 besar yakni berkisar antara 15-30 menghasilkan kekakuan

vertikal yang lebih besar sehingga mampu mengurangi besarnya goncangan tanah (Soleimanlo

& Barkhordar, 2013). Penelitian lainnya (J. M. Kelly & Takhirov, 2001; Russo & Pauletta,

2013) mengungkapkan bahwa kekakuan horizontal FRRI dengan S1 antara 20,53 sampai 25,7

meningkat sejalan dengan meningkatnya tegangan desak. Namun, perbedaan signifikan antara

kekakuan vertikal Kv dengan kekakuan horisontal Kh menyebabkan sistem isolasi karet hanya

bekerja secara efektif pada arah horisontal (Warn & Ryan, 2012). Di sisi lain, lapisan karet yang

lebih tebal yang memperkecil nilai S1 menyebabkan timbulnya tonjolan horisontal/horizontal

bulging lapisan karet karena pengekangan oleh lapisan serat hanya terjadi dalam jumlah kecil

(Ahmadipour & Alam, 2015). Perangkat isolator karet konvensional pada umumnya

menggunakan nilai S2 sebesar 2,5. Referensi (A. Calabrese et al., 2019) melakukan kajian

dengan nilai S2 antara 1,2-1,75 dan untuk mempertinggi nilai S2 dapat dilakukan dengan

menggunakan karet dengan modulus geser lebih yang rendah seperti yang direkomendasikan

oleh (Taniwangsa & Kelly, 1996).

Variasi ketebalan lempeng baja pada SFRRI menghasilkan variasi kekakuan vertikal yang

tidak signifikan. Ini mendukung gagasan tentang kemungkinan untuk mengganti lempeng baja

dengan tulangan serat yang dapat meregang selama pembebanan vertikal isolator (J. M. Kelly

& Konstantinidis, 2011). Ketebalan total karet kemudian ditentukan dengan persamaan (3)

dengan G adalah modulus geser karet, Th adalah desain periode isolator, dan m menunjukkan

massa total bangunan.

𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 =(𝐺𝐺 ∑𝐴𝐴)

𝑚𝑚�2𝜋𝜋𝑇𝑇ℎ�2 (3)

10

Usaha untuk mengurangi berat sistem isolasi juga dapat dilakukan dengan meggunakan

karet perforasi yaitu karet dengan lubang-lubang vertikal. Keberadaan lubang pada isolator

karet mempengaruhi kinerja bantalan dalam arah vertikal dan horisontal. Keberadaan lubang

tidak hanya mengurangi modulus kompresi tetapi juga meningkatkan regangan geser isolator

(Pinarbasi & Okay, 2011). Hasil ini selaras dengan hasil temuan (Ahmadipour & Alam, 2015)

bahwa semakin tinggi jari-jari inti timah, semakin tinggi kekakuan horisontal pada LRI. Model

isolator persegi panjang dalam bentuk lajur dianggap sebagai teknik yang menguntungkan

untuk mengurangi dampak seismik pada bangunan gedung berdinding pasangan bata

dibandingkan model lingkaran dan bujur sangkar karena perpindahan lateral telah ditahan oleh

dinding bangunan (J. M. Kelly & Konstantinidis, 2011; Toopchi-Nezhad et al., 2011) dan lebih

bergantung pada beban tekan vertikal (J. M. Kelly & Takhirov, 2001). Persentase panjang

ikatan Bmax yang tidak mengalami efek guling pada isolator setempat berpenampang lingkaran,

bujur sangkar dan persegi ditentukan dengan persamaan (4) (Van Engelen, Osgooei, et al.,

2015). Untuk mencegah terjadinya rollout atau dengan kata lain Bmax = 0% maka diperlukan

nilai S2 sebesar 3,33.

𝐵𝐵𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = �1 −103𝑆𝑆2

� 𝑥𝑥100 (4)

3.1.4. Modifikasi Perkuatan Usaha untuk mereduksi berat total dan biaya sistem isolasi dengan mengganti lempeng

baja/steel shim dengan serat penguat adalah metode yang paling populer dan menarik minat

banyak peneliti. Peran lempeng baja pada SLRI adalah mencegah “bulging effect” namun tetap

memungkinkan terjadinya deformasi geser dan tahanan momen lentur isolator karet. Efek

tonjolan karet dapat dibatasi dengan menyelipkan serat penguat antar lapisan karet karena S1

meningkat (Osgooei et al., 2014b). Jika peningkatan S1 ini mencapai nilai maksimumnya,

tonjolan karet akan sepenuhnya ditahan oleh lapisan serat ini sehingga modulus kompresi karet

mendekati nilai modulus curahnya (Engelen, 2019; Naeim & Kelly, 1999). Ketika lapisan

perkuatan serat pengganti pelat baja dalam volume yang sesuai, sistem isolasi yang

dimodifikasi ini menawarkan redaman gesekan tambahan terhadap energi gempa (J. M. Kelly

& Takhirov, 2001; Russo et al., 2013; Toopchi-Nezhad et al., 2011). Sehingga, dengan dimensi

atau faktor bentuk yang setara, karet dalam FRRI membutuhkan kapasitas redaman yang lebih

sedikit sehingga biaya yang dibutuhkan menjadi lebih sedikit.

Pengurangan berat dapat dicapai karena material serat seperti serat-kaca lebih ringan

dengan kekakuan elastis yang sebanding dengan baja (Engelen, 2019), harga dapat dikurangi

11

karena proses yang lebih sederhana di mana tahap vulkanisasi dapat dilakukan dengan

pemanasan microwave (J. M. Kelly & Konstantinidis, 2011; Toopchi-Nezhad et al., 2011).

Fleksibilitas penguat serat memiliki efek minor pada kekakuan geser isolator. Kekakuan FRRI

berkurang menjadi sekitar 80-85% dibandingkan dengan isolator yang diperkuat baja dengan

ukuran dan ketebalan elastomer yang sama (J. M. Kelly & Takhirov, 2001).

Berbagai jenis serat yang disebutkan dalam pendahuluan telah diselidiki secara luas.

Sebuah penelitian (Mordini & Strauss, 2008) berupaya menggantikan pelat baja dengan

perkuatan serat gelas (gFRRI) dan mengadopsi model hiperastik Ogden untuk mengamati

perilaku isolator dalam berbagai ukuran dan jumlah lapisan melalui serangkaian tes

eksperimental dan simulasi elemen hingga. Penelitian ini menggunakan modulus curah K =

2000 MPa dan modulus geser yang berbeda G = 0,45 dan 1,02 MPa dengan asumsi terjadi

ikatan sempurna antara serat dan karet. Tekanan vertikal sebesar 8,3 MPa diterapkan sebelum

deformasi lateral 150% untuk gFRRI. Distribusi serat menentukan homogenitas atau

keseragaman sistem material. Semakin tidak seragam distribusi serat, semakin heterogen

material dan semakin tinggi kemungkinan terjadinya kegagalan.

3.1.5. Jenis Pengekangan Kondisi pengekangan tepi atas dan bawah isolator karet pada pelat atau pada struktur

bangunan secara substansial tidak hanya mempengaruhi karakteristik teknis isolator karet tetapi

juga biaya per unit. Para peneliti telah mendalilkan tiga jenis pengekangan: terikat/bonded,

tidak terikat/unbonded dan terikat sebagian/partial bonded seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 1. Tipe bonded dan unbonded telah dikaji secara luas oleh para ilmuwan dan hanya

beberapa makalah (Van Engelen, Osgooei, et al., 2015) memperkenalkan mekanisme partial

bonded. Hasil investigasi terhadap kondisi batas ini dibahas lebih jauh pada sub-sub bab

berikutnya.

Gambar 1. Jenis pengekangan pada isolator karet

12

3.2 Pengaruh Mekanisme Tumpuan Bonded

Isolator karet dengan kondisi terjepit sempurna pada bagian atas dan bawahnya

menghasilkan momen tidak seimbang tegangan desak vertikal dan deformasi lateral setelahnya.

Beban vertikal dipikul oleh irisan massa (overlapping area) vertikal berbentuk seperti kolom

sedangkan beban lateral menimbulkan tegangan tarik di seluruh area di luar irisan tadi seperti

yang ditunjukkan dalam Gambar 2Error! Reference source not found. (J. M. Kelly &

Konstantinidis, 2011; Toopchi-Nezhad et al., 2011). Oleh karena itu, perlu adanya

ikatan/bonding yang cukup antara lapisan karet dengan lapisan perkuatan untuk mengimbangi

momen yang terjadi selama proses penambahan dan pengurangan beban. Luas daerah irisan

pada isolator berpenampang persegi, bujur sangkar dan lingkaran pada Gambar 2 ditentukan

dengan persamaan (5), (6) dan (7).

𝐴𝐴𝑜𝑜𝑡𝑡 = 𝐵𝐵(𝐿𝐿 − 𝑑𝑑) (5) 𝐴𝐴𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝐿𝐿(𝐿𝐿 − 𝑑𝑑) (6)

𝐴𝐴𝑜𝑜𝑜𝑜 =𝐷𝐷2

2�

1𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(𝑑𝑑 𝐷𝐷⁄ ) − 𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠 �

2𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(𝑑𝑑 𝐷𝐷⁄ )�� (7)

Beban vertikal tereduksi P’cr yang bekerja tegak lurus daerah irisan dapat ditentukan dengan

persamaan (8).

𝑃𝑃′𝑜𝑜𝑡𝑡 = 𝑃𝑃𝑜𝑜𝑡𝑡(𝐴𝐴𝑜𝑜 𝐴𝐴⁄ ) (8)

Gambar 2. Overlapping area of rubber bearing without core

Namun terdapat argumentasi bahwa metode overlapping area ini menggambarkan estimasi

dengan tingkat perbedaan tertentu antara analisis dan data eksperimen karena metode ini

menghasilkan estimasi kapasitas beban yang berubah-ubah saat perpindahan horisontal setara

dengan diameter isolator (Buckle et al., 2002).

13

1. Kekakuan Horisontal Respons lateral isolator karet yang diperkuat serat (bFRRI) dan terjepit sempurna

pada ujungnya mendekati linier sehingga kriteria desainnya dapat disederhanakan dengan

menentukan perpindahan rencana yang bergantung pada periode isolator dan redaman di

lokasi gempa (J. M. Kelly & Konstantinidis, 2011). Kekakuan lateral bFRRI dapat dihitung

menggunakan persamaan (13) (Toopchi-Nezhad et al., 2011). Dengan demikian kekakuan

isolator meningkat dan rasio redaman berkurang ketika pelat atas dalam kondisi jepit. Hal

ini wajar karena pengekangan tambahan akan meningkatkan kekakuan isolator (Kalfas et al.,

2017). Berbeda dengan penggunaan karet alam dalam bFRRI, kekakuan horizontal dari

bFRRI yang menggunakan karet daur ulang, sedikit berkurang karena adanya peningkatan

suhu di dalam karet yang disebabkan oleh deformasi besar (A. Calabrese et al., 2019).

2. Kekakuan Vertikal

Fleksibilitas lapisan perkuatan antar lapisan karet memberi pengaruh yang

mendasar pada kekakuan vertikal FRRI pada nilai S1 yang besar (Osgooei et al., 2014b).

Kekakuan vertikal model bonded FRRI 400% lebih tinggi daripada kekakuan

horisontalnya (Engelen, 2019) dan diperbesar secara proporsional selaras dengan

peningkatan beban vertikal yang diterapkan pada isolator. Penggunaan model konstitutif

nonlinier Neo-Hookean dan penonjolan horisontal maksimum, yang juga bersifat nonlinier

akibat beban vertikal pada isolator dengan nilai S1 yang lebih rendah, mempengaruhi

perilaku pengerasan karet isolator (Osgooei et al., 2014b). Meskipun kekakuan efektif

FRRI 20% lebih rendah daripada isolator konvensional dengan perkuatan lempeng baja,

pada dimensi yang sama kekakuan vertikal FRRI relatif setara dan stabil pada regangan

geser 150% (J. M. Kelly & Takhirov, 2001). Penelitian tentang perilaku nonlinear isolator

seismik (Ramli & Adnan, 2015) menyimpulkan bahwa penggantian tersebut menurunkan

nilai kekakuan vertikal sebesar 6 kali lipat dan meningkatkan kekakuan horisontal sebesar

2,5 kali.

3. Deformasi

Perpindahan horisontal mengontrol perilaku tegangan tarik isolator bonded.

Tegangan tarik maksimum akan meningkat drastis selaras dengan peningkatan

perpindahan lateral (Toopchi-Nezhad et al., 2011). Apabila terdapat lubang pada sistem,

lempeng baja mengalami tekanan yang lebih besar sehingga pelat berdeformasi ke arah

14

luar sehingga seolah-olah penampang melintangnya menjadi lebih besar. Jika ketebalan

pelat dikurangi, kemampuan deformasi ini dan deformasi keseluruhan isolator juga akan

berkurang (Takayama & Morita, 2000). Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3,

terdapat eksentrisitas antara pusat pelat baja dan pusat deformasi geser sebesar 50% yang

berarti bahwa deformasi geser tidak berubah dan tidak bergantung pada dari momen guling

yang disebabkan oleh beban vertikal (Angeli et al., 2013; Takayama & Morita, 2000).

Gambar 3. Pengaruh lubang dan tekanan vertikal pada model bonded FRRI

4. Modulus Kompresi dan Modulus Geser Besaran modulus kompresi Ec untuk isolator strip berlubang dengan perkuatan

lempeng baja dan dapat dihitung dengan persamaan (1) (J. M. Kelly & Takhirov, 2002)

dan dijabarkan secara terperinci dalam (Pinarbasi & Okay, 2011) khusus untuk isolator

berpenampang lingkaran. Sedangkan modulus kompresi efektif, Efc , ditentukan dengan

persamaan (9) (J. M. Kelly & Takhirov, 2001).

𝐸𝐸𝑜𝑜𝑓𝑓

4𝐺𝐺𝑆𝑆2 =3𝛼𝛼2

�1 −tanh 𝛼𝛼𝛼𝛼

� (9)

Parameter tanpa dimensi α ditentukan berdasarkan modulus elastis tarik fiber Ef, ketebalan

lapisan fiber tf , dan setengah lebar strip b sesuai persamaan (10) (J. M. Kelly &

Konstantinidis, 2011).

𝛼𝛼2 =12𝐺𝐺𝑏𝑏2

𝐸𝐸𝑓𝑓 𝑡𝑡𝑓𝑓 𝑡𝑡𝑡𝑡 (10)

Penentuan modulus kompresi FRRI berpenampang lingkaran, bujur sangkar dan berlubang

menggunakan formulasi persamaan (11), (12) dan (13) (Engelen et al., 2016).

1𝐸𝐸𝑜𝑜

=1

6𝐺𝐺𝑆𝑆12+

43𝐾𝐾

+7𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

3𝐸𝐸𝑓𝑓𝑡𝑡𝑓𝑓 (11)

1𝐸𝐸𝑜𝑜

=1

6.748𝐺𝐺𝑆𝑆12+

75𝐾𝐾

+14𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡5𝐸𝐸𝑓𝑓𝑡𝑡𝑓𝑓

(12)

1𝐸𝐸𝑜𝑜

=1

4𝐺𝐺𝑆𝑆12+

65𝐾𝐾

+6𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

5𝐸𝐸𝑓𝑓𝑡𝑡𝑓𝑓 (13)

15

Namun perlu diperhatikan bahwa dalam menentukan modulus kompresi perlu

mempertimbangkan kompresibilitas dan ekstensibilitas sehingga tidak terjadi perbedaan

yang signifikan antara pengujian dan solusi analitis, terutama pada nilai faktor bentuk yang

besar (Engelen et al., 2016). Adanya lubang pada model bonded FRRI yang menggunakan

serat karbon menyebabkan karakteristik tekan isolator ditentukan oleh kapasitas ekstensi

serat, dimensi lubang, aspek rasio dan modulus curah karet (Pinarbasi & Okay, 2011).

Peneliti (J. M. Kelly & Takhirov, 2001) merekomendasikan untuk menggunakan karet

dengan modulus geser rendah meskipun kapasitas redaman yang dihasilkan lebih kecil.

Penggunaan sistem isolasi strip sebagai pengganti sistem isolasi konvensinal sangat

dianjurkan untuk hasil yang lebih dapat diandalkan.

5. Redaman

Redaman viskos mempengaruhi besarnya serapan energi selama pembebanan

dinamis dan energi elastis tersimpan seperti ditentukan dalam persamaan (17). Luas daerah

histeresis Aloop model sLRB 5% lebih tinggi dari LRB dan nilainya berubah secara linear

terhadap perubahan deformasi (Govardhan & Paul, 2016). Gambar 4 menunjukkan bahwa

HDRI memberikan kinerja redaman yang lebih tinggi diikuti oleh LRI dan LDRI (Hedayati

Dezfuli & Alam, 2017). Garis putus-putus dan garis utuh mewakili versi bilinear dan hasil

uji kurva histeresis.

Gambar 4. Kurva histeresis LDNRI, HDRI dan LRI

Sumber: (Hedayati Dezfuli & Alam, 2017)

Sebuah penelitian oleh (A. Calabrese et al., 2019) menunjukkan bahwa perilaku disipasi energi

isolator karet daur ulang setara dengan HDRI tanpa degradasi yang berarti pasca pembebanan

siklik. Namun, tidak ada perbedaan kinerja redaman yang signifikan ketika beban horisontal

berubah dari 0o ke 45o (Das et al., 2012). Faktor bentuk S1 berbanding terbalik dengan rasio

redaman (Russo et al., 2013). Sifat karet seperti daya lekat biasanya berkurang seiring dengan

16

usianya. Pada isolator karet, berkurangnya ikatan dan deformasi memperburuk perilaku

gesekan serta membutuhkan pembebanan vertikal yang lebih tinggi untuk mencegah

penggelinciran. Sehingga untuk difungsikan sebagai karet isolator diperlukan uji ikatan atau

bond test spesimen karet berusia lebih tua sebelum penggunaan dan mengaplikasikan beban

tambahan sekitar 50% dari beban yang biasa digunakan (Russo & Pauletta, 2013). Gambar 5

menunjukkan isolator unbonded berusia tua yang dipasang di dasar gedung Sekolah Pestalozzi,

Skopje Makedonia dan penggantinya berupa isolator bonded.

Gambar 5. Isolator usang dan penggantinya terpasang di dasar gedung (Garevski, 2012; M Kelly, 2018)

3.3 Pengaruh Mekanisme Unbonded

Pada Gambar 2 terlihat bahwa dalam mekanisme unbonded bagian atas dan bawah

base isolator karet bebas untuk bergerak ke segala arah sehingga terjadi tegangan tarik.

Meskipun demikian, momen tidak berimbang sepenuhnya ditahan oleh gaya desak dan gesekan

antara permukaan yang bersinggungan. Sistem isolator dengan mekanisme tumpuan seperti ini

(uFRRI) mampu menahan regangan horisontal ekstrim (M. Kelly & Konstantinidis, 2007) dan

rasio biaya yang dibutuhkan sekitar 1/10 dibandingkan dengan LRI (Toopchi-Nezhad et al.,

2011; Van Engelen et al., 2016). Bentuk tumpuan unbonded dapat dimodifikasi sedemikian

sehingga mampu mengendalikan bagian isolator yang mengalami pengerasan secara terpisah

dari bagian yang bagian yang tidak mengeras akibat pembebanan. Deskripsi tentang kedua

“rejim” tersebut akan dibahas dalam penerapan isolator karet untuk hunian sederhana.

1. Kekakuan Horisontal Seperti yang telah dibahas sebelumnya, uFFRI mengalami perubahan bentuk akibat

penggulingan/rollover sehingga berperilaku tidak linier sehingga pengujian kekakuan

lateral secara teknis menjadi lebih kompleks (Toopchi-Nezhad et al., 2011). Terlepas dari

analisis yang kompleks, Kheff dalam persamaan (15) lebih tergantung pada dimensi,

kompresi vertikal dan regangan lateral. Keuntungan dari mekanisme unbonded pada

Old bearing

Old bearing

New installed

17

isolator karet di mana rollover mengurangi tegangan tarik dapat dicapai selama isolator

tetap stabil dalam arah lateral (Karimzadeh Naghshineh et al., 2015) atau memiliki

kekakuan positif (J. M. Kelly & Konstantinidis, 2011; J. M. Kelly & Takhirov, 2001).

Tegangan tarik yang berkurang tersebut pada gilirannya akan mengakibatkan permintaan

daya lekat yang jauh lebih rendah antara karet dan perkuatannya dan ini berdampak pada

biaya produksi (Ahmad B. Habieb et al., 2017; J. M. Kelly & Konstantinidis, 2011). Efek

rollover dapat mengurangi Kheff karena perpindahan horizontal meningkat baik berdasarkan

hasil pengujian (Toopchi-Nezhad et al., 2011) maupun melalui simulasi numerik (Osgooei

et al., 2014a). Namun penurunan nilai Kheff memperpanjang periode isolator sehingga

bermanfaat dalam mitigasi gempa pada bangunan (Toopchi-Nezhad et al., 2011). Sebagian

besar eksperimen menunjukkan bahwa keadaan stabil pada isolator unbonded dapat dicapai

pada nilai S1 ≥ 2.5 (Toopchi-Nezhad et al., 2008; Van Engelen et al., 2014, 2016; Van

Engelen, Tait, et al., 2015) dan nilai maksimum sebesar 2,9 (Osgooei et al., 2014a) dengan

S2 sebesar 2,8 (Toopchi-Nezhad et al., 2009) meskipun isolator mengalami deformasi geser

sebesar 150%. Studi lain merekomendasikan lebar B ≥ 2d dan tr ≥ d/2 (J. M. Kelly &

Konstantinidis, 2011). Hubungan linier antara deformasi geser dan gaya tahan tidak

menimbulkan ketidakstabilan selama pengujian (Karimzadeh Naghshineh et al., 2015).

Hasil percobaan awal (J. M. Kelly & Konstantinidis, 2011) menunjukkan bahwa

kekakuan horizontal dan redaman ekivalen berkurang dengan peningkatan regangan geser

hingga 150% pada tekanan vertikal konstan 6,90 MPa. Tidak diperlukan usaha yang

berlebihan dalam menyetarakan nilai kekakuan gFRRI terhadap kekakuan isolator

konvensional (Mordini & Strauss, 2008; Russo & Pauletta, 2013). Selain itu, deformasi

lateral akibat efek Poisson rasio effect (Bijarimi et al., 2010; Toopchi-nezhad et al., 2018)

pada isolator unbonded tidak menimbulkan penggelinciran selama beban tekan vertikal

bekerja (A. Calabrese et al., 2019). Meskipun demikian, kemungkinan terjadinya

penggelinciran bergantung pada ikatan antarmuka antara karet dan struktur serta pada

gesekan. Ketika gaya lateral melebihi nilai yang diijinkan, regangan geser isolator tetap

konstan dan penggelinciran dimulai. Sangat penting untuk menentukan besaran gaya yang

menyebabkan isolator tertentu mulai tergelincir karena ketika berpindah tempat, isolator

mungkin tidak berkontribusi dalam mengimbangi gaya gempa sehingga isolator lain akan

memiliki beban kerja yang lebih besar. Oleh karena perpindahan akibat rollout tidak

dipengaruhi oleh S1 (Pauletta et al., 2015) melainkan oleh S2 dan tegangan desak, observasi

tentang rollout dapat dilakukan dengan prototipe isolator dengan skala yang lebih kecil.

Sehingga uFRRI dinyatakan stabil ketika Em mencapai nilai tak terhingga atau S2 berkisar

18

2,5 hingga 10,0 atau dengan mempertimbangkan bagian isolator yang mengalami rollover.

Dalam rentang tersebut, model geser murni dapat diterapkan pada isolator unbonded

sehingga menghasilkan hubungan linear antara gaya dan perpindahan (Van Engelen, Tait,

et al., 2015). Kekakuan horizontal uFRRI dapat diperkirakan dengan persamaan (14)

sebelumnya dan setelah rolloff kekakuan dipengaruhi oleh luas daerah efektif Aeff pada

persamaan (15) akibat perpindahan lateral.

𝐴𝐴𝑒𝑒𝑓𝑓𝑓𝑓 = 𝐵𝐵(𝐿𝐿 − 3𝑑𝑑 4⁄ ) (14) Jadi,

𝐾𝐾ℎ.𝑒𝑒𝑓𝑓𝑓𝑓 =𝐺𝐺𝐴𝐴𝑒𝑒𝑓𝑓𝑓𝑓𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

𝛼𝛼𝑆𝑆1𝑛𝑛1𝑆𝑆2𝑛𝑛2 (15)

di mana α = 0,64, n1 = 0,05, n2 = 0,15 (Toopchi-nezhad et al., 2018; Toopchi-Nezhad et al.,

2013). Nilai Kheff dan pengerasan isolator juga dipengaruhi oleh perubahan arah pembebanan

horisontal sampai 45o. Kekakuan lateral ekivalen dapat ditentukan dengan persamaan (16)

dan dipengaruhi oleh perpindaha vertikal dv dan perpindahan lateral maksimum dmax (Russo

et al., 2013).

𝐾𝐾ℎ.𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 =𝐺𝐺𝐵𝐵𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

�𝐿𝐿 − 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 + �2𝐻𝐻𝑑𝑑𝑒𝑒 + 𝑑𝑑𝑒𝑒2�

0.5� (16)

Jika tinggi isolator dikurangi, pengaruh arah pembebanan pun berkurang (Osgooei et al.,

2014a). Penelitian oleh (Russo & Pauletta, 2013) menggunakan serat karbon dua arah (bi-

directional) sebagai perkuatan untuk mengkaji ketidakstabilan penggelinciran uFRRI akibat

gesekan. Kekakuan menurun ke 0.80 – 0.85 dibandingkan perkuatan dengan lepmpeng baja

sedangkan serat karbon empat arah menghasilkan kekakuan lateral yang lebih besar (Russo

et al., 2013). Pada regangan lateral 200% di mana bonded isolator membutuhkan volume

karet dan lapisan serat 75% lebih besar (Toopchi-Nezhad et al., 2011), versi stabil uFRRI

lebih hemat biaya untuk diterapkan sebagai sistem isolasi seismik untuk rumah tinggal

sederhana.

2. Kekakuan Vertikal Kondisi tidak terkekangnya kedua ujung isolator unbonded saat terjadi rollover

menyebabkan isolator berubah bentuk pada arah horisontal dan menghasilkan gaya kopel

tegak lurus pada kedua permukaan struktur untuk mengimbangi momen guling seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 1 (b) (Toopchi-Nezhad et al., 2011). Momen ini secara

signifikan mempengaruhi kekakuan vertikal isolator. Jika jumlah lapisan karet dan lapisan

serat meningkat, kekakuan vertikal isolator kurang sensitif terhadap slip dan sebaliknya

19

(Tsai, 2004). Ketika slip terjadi di antara permukaan isolator dan permukaan struktur

karena tekanan vertikal yang lebih rendah atau beban lateral yang lebih tinggi, kekakuan

vertikal bantalan secara linear bergantung pada gesekan antara permukaan ini (Engelen,

2019; Mordini & Strauss, 2008; Russo & Pauletta, 2013). Isolator unbonded juga

mengurangi kekakuan rotasi hingga 75% karena terjadi pembentukan zona bebas tegangan

(bagian rollover dalam gambar) dan pengurangan kekakuan torsional dapat diabaikan

karena gesekan dan pra-pembebanan vertikal (A. B. Habieb et al., 2018).

3. Deformasi

Deformasi akibat perpindahan horizontal pada uFRRI menyebabkan terjadinya

perubahan bentuk dan konfigurasi geometri isolator sehingga membatasi pergerakan

vertikal. Batasan ini berlawanan dengan isolator bonded yang menghasilkan pergerakan

vertikal yang lebih leluasa (Osgooei et al., 2016). Untuk memperkirakan batas deformasi

geser, material karet dianggap tidak dapat dimampatkan, unsur perkuatan sangat fleksibel

dan tidak ada tegangan pada tepi isolator selama roll-off (J. M. Kelly & Konstantinidis,

2011).

4. Modulus Kompresi dan Modulus Geser

Modulus kompresi isolator unbonded lebih responsif terhadap perubahan modulus

curah untuk lapisan karet dengan faktor bentuk yang lebih besar (Konstantinidis & Rastgoo

Moghadam, 2016). Dalam semua uji geser, seiring dengan meningkatnya regangan,

kekakuan efektif isolator berkurang. Peningkatan beban vertikal awal menghasilkan nilai

kekakuan horizontal yang lebih tinggi. Deformasi rollover dipengaruhi oleh rasio antara

ketebalan dan panjang sisi isolator. Penurunan kekakuan terjadi pada level regangan rendah

karena ukuran bantalan yang kecil. Isolator dengan rasio yang lebih kecil lebih responsif

terhadapa rollover daripada isolator dengan rasio besar (Karimzadeh Naghshineh et al.,

2015).

Diamati bahwa 0,15 bagian dari isolator karet unbonded tanpa penguatan dengan

S1 = 10 dan koefisien gesek μ = 1,0 dapat tergelincir pada area yang dekat dengan tepi

sehingga mengurangi regangan geser. Namun, jika rasio K/G dikombinasikan dengan S1

dan μ yang lebih tinggi, regangan geser tidak responsif terhadap perubahan gesekan

(Konstantinidis & Rastgoo Moghadam, 2016). Matriks karet memiliki dampak yang lebih

signifikan pada koefisien gesek karet dibandingkan dengan bahan karet dan pengisinya

(Roth et al., 1942).

20

5. Redaman

Rumah tinggal sederhana biasanya mengalami pembebanan vertikal yang lebih

rendah sehingga tidak perlu menggunakan karet isolator dengan modulus geser tinggi. [54]

Untuk kondisi pembebanan rendah, modulus geser sebesar 0,3 – 0,4 MPa diyakini sudah

cukup (J. M. Kelly & Takhirov, 2001). Faktanya, modulus geser yang rendah tersebut akan

menggambarkan luasan kurva histeresis yang ramping dalam artian memiliki kapasitas

redaman yang lebih rendah. Namun kehadiran lembaran serat perkuatan dengan kapasitas

disipasi energi hingga 18% dapat mengatasi kekurangan redaman tersebut (J. M. Kelly &

Takhirov, 2001). Di sisi lain, karet alam redaman rendah (LDNR) hanya menunjukkan

rasio redaman dalam kisaran dari 2% hingga 3% pada regangan geser penuh (Warn &

Ryan, 2012). Berdasarkan pengujian lembaran serat karbon dalam jumlah besar pada empat

arah quadrilateral menunjukkan kinerja redaman yang lebih baik daripada pada serat dua

arah (Karimzadeh Naghshineh et al., 2015; Russo et al., 2013).

Sebuah penelitian oleh (A. Calabrese et al., 2019) menunjukkan bahwa perilaku

disipasi energi isolator karet daur ulang setara dengan HDRI tanpa degradasi yang berarti

pasca pembebanan siklik. Namun, tidak ada perbedaan kinerja redaman yang signifikan

ketika beban horisontal berubah dari 0o ke 45o (Das et al., 2012). Faktor bentuk S1

berbanding terbalik dengan rasio redaman (Russo et al., 2013). Sifat karet seperti daya lekat

biasanya berkurang seiring dengan usianya. Pada isolator karet, berkurangnya ikatan dan

deformasi memperburuk perilaku gesekan serta membutuhkan pembebanan vertikal yang

lebih tinggi untuk mencegah penggelinciran. Sehingga untuk difungsikan sebagai karet

isolator diperlukan uji ikatan atau bond test spesimen karet berusia lebih tua sebelum

penggunaan dan mengaplikasikan beban tambahan sekitar 50% dari beban yang biasa

digunakan (Russo & Pauletta, 2013).

6. Kerusakan Deformasi horisontal yang diterapkan pada uFRRI persegi panjang atau bujur

sangkar menimbulkan tegangan desak di sekitar sudut isolator di mana karet dan serat

mengalami kompresi biaksial yang signifikan di daerah ini. Secara umum, tegangan dapat

menyebabkan tingkat kerusakan tertentu pada sudut-sudut isolator (Toopchi-Nezhad et al.,

2011). Pengamatan oleh (J. M. Kelly & Takhirov, 2002) menemukan kerusakan pada

lapisan serat karbon dengan jarak antar fiber yang tidak teratur tetapi tetap dapat berfungsi

21

dengan baik. Terlepasnya ikatan antara serat karbon dan matriks karet diakibatkan oleh

faktor kimiawi ikatan. Karet tidak bereaksi sempurna dengan epoksi resin yang digunakan

pada permukaan karbon. Penelitian ini menunjukkan bahwa terjadi ikatan sempurna

apabila serat kaca yang digunakan sebagai perkuatan isolator karet. Anyaman serat karbon

memiliki modulus elastisitas 210000 MPa dan massa per unit luas 160 g/m2 sedangkan

serat kaca 70000 MPa dan 250 g/m2 (Mordini & Strauss, 2008).

3.4 Design

Tujuan perencanaan sistem isolasi dasar berbasis karet umumnya melibatkan aspek-

aspek berikut: daya dukung beban gravitasi, peningkatan periode fundamental dengan

pengurangan kekakuan lateral, meminimalkan efek goncangan dengan peningkatan kekakuan

vertikal, kinerja redaman yang tepat dan kekakuan awal yang memadai terhadap angin atau

getaran gempa kecil. Prototipe sistem isolasi karet sesuai persyaratan ASCE 7, harus diuji

dalam skala penuh dan disahkan oleh insinyur bersertifikat resmi sebelum digunakan pada

bangunan (Govardhan & Paul, 2016). Dalam kebanyakan kasus, parameter isolator seperti

kekakuan vertikal, kekakuan lateral dan rasio redaman diperkirakan pada tahap desain awal.

Tujuan estimasi adalah untuk memverifikasi kelayakan frekuensi vertikal dan lateral isolator

yang mengendalikan fenomena goncangan dan perpindahan lateral (Toopchi-Nezhad et al.,

2011). Pedoman desain iteratif untuk isolator karet dengan inti timah akibat gerakan gempa

berdasarkan BS 5400, UBC dan AASHTO umumnya dibagi menjadi lima langkah utama

seperti diilustrasikan dalam Gambar 6 (T. E. Kelly, 2001).

Gambar 6. Tata cara umum desain base isolator karet

22

3.5 State of the Art Penelitian

Berdasarkan kajian pustaka atas hasil penelitian terdahulu dan pertimbangan tentang

kebutuhan akan base isolator murah dan terjangkau bagi banyak orang dalam usaha mengurangi

dampak gempa bumi pada bangunan dan keselamatan jiwa manusia maka dijumpai beberapa

gap dan pendekatan yang dituangkan dalam konsep pada Tabel 1. Pendekatan-pendekatan

tersebut akan diimplementasikan dalam rangkaian kajian dan analisis dalam penelitian ini.

Tabel 1. State of the art penelitian

Modifikasi sifat karet Hardness/G Efek Pendekatan ShoreA/MPa

Moon et al., 2002 35-NR/0,4 Penurunan kekakuan vertikal dan performa geser tidak optimal pada nilai hardness lebih kecil dari 55-60 sehingga redaman ekivalen tidak optimal

Pengaruh hardness pada Kv lebih besar daripada Kh, modifikasi dilakukan untuk mengimbangi penurunan Kv. Menggunakan karet dengan modulus geser rendah

Osgooei, Tait, & Konstantinidis, 2014a 45-65 NR/0,5

Russo & Pauletta, 2013a

55-HDNR/0,8

60-LDNR/1,5 Buckle, Nagarajaiah, & Ferrell, 2002 70-NR/0,9

Kumar et al., 2015 35-40 LDNR/0,4 60-65 LDNR/0,8

Penelitian ini 60-80 NR/0,7 Biaya meningkat Perforasi

Geometri Penampang Satu Lubang/S1/S2 Efek Pendekatan Moon et al., 2002 (lingkaran) circular/8/2 Kekakuan horisontal

menurun sehingga terjadi pengurangan kapasitas disipasi energi 15%-20%. Kekakuan vertikal ikut menurun dan peningkatan tegangan puncak pada model berlubang.

Perlu pengisi lubang dengan material berkemampuan redam namun dengan harga murah. Tinggi lubang < tinggi isolator sehingga karet berfungsi sebagai confinement agar kekakuan meningkat.

Kumar et al., 2015 (lingkaran) circular/10-18/1,5-2

Ohsaki et al., 2015 (lingkaran) circular/21/1,5

Kalfas, Mitoulis, & Katakalos, 2017 (lingkaran)

circular/42/3

Osgooei et al., 2014b (bujur sangkar) circular/10-17,5/2-3

Van Engelen, Osgooei, Tait, & Konstantinidis, 2014a (segi empat)

circular/4/3-4

Penelitian ini Berlubang dengan S1

besar dan S2 maximum 2,5

Studi parametrik konfigurasi lubang

Perforasi, S1 = 20-25 dan S2 = 2,0-2,5

23

Tabel 1. State of the art penelitian (lanjutan)

Modifikasi reinforcement

Bidirectional Efek Pendekatan

fiber

Osgooei et al., 2014a

Steel

Terjadi perbedaan signifikan pada nilai kekakuan horisontal jika ukuran fiber diperkecil

Tebal serat ≥ 1 mm

Karimzadeh Naghshineh et al., 2015

Moon et al., 2002

Carbon

Penurunan kekakuan 5,4% dan damping berkurang 61%

Diperlukan mekanisme adaptasi dua arah saat terjadi pergeseran lateral melalui core atau reinforcement

Russo & Pauletta, 2013b, Russo et al., 2013

Nilai damping setara dengan isolator konvensional menggunakan steel shim, Kh berkurang jika regangan geser diperbesar, harga tinggi.

Osgooei et al., 2014a

Kh menurun akibat rollover, terjadi "hardening" jika arah beban lateral berubah dari 0 ke 45o. Adanya peningkatan tegangan tarik pada reinforcement jika perpindahan horisontal diperbesar

Rollover menyebabkan reinforcement horisontal mengalami peralihan menjadi tegak lurus saat full rollover, perlu daya dukung ekstra saat terjadi displacement vertikal dan kapasitas redam yang setara

Karimzadeh Naghshineh et al., 2015

Tidak terjadi perbedaan signifikan pada nilai damping yang dihasilkan

Van Engelen et al., 2016

Fenomena pengerasan akibat rollover berperan dalam mempertahankan stabilitas horisontal

Pergerakan horisontal tetap berlangsung dan tidak dibatasi

Moon et al., 2002

Glass

Kekakuan vertikal hanya 53% dari kekakuan vertikal isolator dengan serat karbon

Adanya inti/core dapat menutupi penurunan kekakuan vertikal

Osgooei et al., 2014a

Kekakuan vertikal lebih rendah 28%-47% dibandingkan isolator menggunakan steel fiber, harga relatif tinggi

Moon et al., 2002 Aramid, Nylon, Polyester

Kekakuan vertikal tertinggi pada serat nilon namun lebih rendah dari serat baja

Penelitian ini Steel mesh Proses manufakturisasi tersendiri

Galvanized square mesh M8,10,12 mm

24

3.6 Road Map Penelitian

Gambar 7. Tata cara umum desain base isolator karet

25

BAB 4. METODE

Penelitian ini mencoba menerapkan pendekatan yang telah dibahas untuk

menghasilkan isolator karet yang efektif dari segi fungsi namun dengan harga yang terjangkau

bagi masyarakat. Pendekatannya adalah pemanfaatan karet alam dengan karakteristik damping

yang memadai serta memodifikasi shape factor dengan penerapan sistem perforasi,

menggunakan perkuatan dengan light wiremesh serta mengganti lead core dengan filler.

Tampak visual material uji dalam penelitian ini disajikan dalam Gambar 8.

4.1. Material

4.1.1. Karet Kompoun karet alam pada Gambar 8 yang digunakan diproduksi oleh Pusat Penelitian

Karet, Bogor sesuai SNI 3966:2012 dan SNI 3697:2013 (AASHTO M251). Pada tingkat

regangan yang lebih besar, karet dengan tingkat kekerasan tinggi akan menghasilkan

kemampuan disipasi energi yang lebih besar (Wijaya & Tavio, 2019). Dalam penelitian ini akan

diuji sampel karet dengan tiga tingkat kekerasan yang berbeda dalam rentang Shore A 50-85.

Gambar 8. Material uji

4.1.2. Galvanized square mesh Sebagai pengganti steel shim, digunakan perkuatan berupa galvanized square mesh (GSM)

dengan 64 lubang dalam 1 cm2 dan tebal 1 mm yang tersedia dengan harga murah di pasaran.

Selain ringan dan murah, flexibilitas perkuatan memberi pengaruh minor pada kekakuan geser

isolator karet (Warn & Ryan, 2012) namun tetap diperlukan guna memperkuat ikatan antar

lapisan karet. Sifat lentur GSM memungkinkan pengembalian gaya/restoring force pasca

rollover sehingga dapat mencegah kerusakan pada free stress zone (A. B. Habieb et al., 2018)

dan daerah sudut (Toopchi-Nezhad et al., 2011) isolator dengan sistem unbonded.

GSM Kompoun karet alam

26

4.2. Geometri Isolator dan Notasi

Jumlah lapisan karet mempengaruhi kekakuan vertikal sistem isolator karena makin

besar S1 makin tinggi pula kekakuan horisontal sistem. Penelitian ini menggunakan model

bonded dengan dimensi dan geometri seperti pada Tabel 2 dan Gambar 9 serta diberi nama

“bonded Mesh Rubber Isolator” (bMRI).

Gambar 9. Geometri bonded dan unbonded isolator rencana

Dimensi isolator diperoleh dari hasil preliminary desain dan akan dilakukan penyesuaian

berdasarkan hasil uji material karet dan GSM yang mempengaruhi penentuan S1 dan S2.

4.3. Metode Pengujian Material

Karet dan GSM 1. Sifat fisik karet

Pengujian sifat fisik karet dilakukan uji kekerasan/hardness Shore A, ketahanan

sobek/tear strength, kepadatan/density, kuat desak/compressive strength, perubahan

volume/volume change pada suhu 25oC selama 48 jam dan pengusangan/ageing pada

suhu 70oC selama 192 jam sesuai EN 1337-3. Notasi spesimen disajikan dalam Tabel

3. Seluruh pengujian ini dilaksanakan di Pusat Penelitian Karet, Bogor.

27

Tabel 2. Dimensi rencana isolator karet

Parameter bonded unbonded

Shape factor, S1 10.00 5.00 Aspect ratio, S2 2.50 2.00 Lebar karet, L = B = D(mm) 200 200 Tebal total karet, ttr (mm) 118 100 Tebal karet, tr (mm) 5.00 10 Jumlah napisan karet, nr 24 10 Jumlah napisan mesh, nf 23 9 Tebal wiremesh, tf 0.8 0.8 Tebal total mesh, ttf (mm) 18.08 7.2 Lebar pelat, p (mm) 250 - Tebal pelat, tp (mm) 5 - Tebal total isolator, ti (mm) 146.08 107.2 Diameter lubang dh (mm) 56.5 56.5 Tinggi lubang hh (mm) 126.08 87.2

Tabel 3. Notasi Spesimen Uji

Sifat Fisik Karet GSM Bonded Unbonded Hardness Density Ageing Uniaxial Equibiaxial Planar Uniaxial Compr.-Shear

RH-h1 RH-d1 RH-a1 RH1u RH-e1 RH-v1 GH1u bHI-1 uHI-1 RH-h2 RH-d2 RH-a2 RH2u RH-e2 RH-v2 GH2u bMI-1 uMI-1 RH-h3 RH-d3 RH-a3 RH3u RH-e3 RH-v3 GH3u bLI-1 uLI-1 RM-h1 RM-d1 RM-a1 RM1u RM-e1 RM-v1 GM1u bHL-1 uHL-1 RM-h2 RM-d2 RM-a2 RM2u RM-e2 RM-v2 GM2u bLH-1 uLH-1 RM-h3 RM-d3 RM-a3 RM3u RM-e3 RM-v3 GM3u RL-h1 RL-d1 RL-a1 RL-h2 RL-d2 RL-a2

RL-h3 RL-d3 RL-a3

2. Uji tarik uniaksial

Dimensi spesimen uji tarik material karet sesuai standar ISO 37:2011 dengan

ketebalan 2 mm seperti ditunjukkan dalam Gambar 10. Spesimen karet dengan nilai

kekerasan 75-85, 65-75 dan 40-65 diberi notasi sesuai Tabel 3. Tiga sampel untuk

masing-masing tipe bertujuan untuk mencegah kemungkinan terjadinya kesalahan

pengujian yaitu failure pada daerah sayap spesimen. Tiap spesimen diberi beban tarik

dengan kecepatan 500 mm/menit (Wijaya & Tavio, 2019). Output pengujian ini

adalah kuat tarik karet (MPa), elongation at break (%) dan kurva tegangan regangan.

Pengujian tarik karet akan dilaksanakan di Puslit Karet Bogor. Dengan cara yang

28

sama dilakukan pengujian untuk GSM dengan notasi seperti pada Tabel 3. Khusus

GSM uji tarik uniaxial dilakukan berdasarkan standar ASTM D3039 dan D638 yang

akan dilaksanakan di Laboratorium Metalurgi Fakultas Teknik Mesin ITS Surabaya.

Gambar 10. Dumbbell specimen uji tarik uniaksial

3. Curve Fitting

Berdasarkan hasil uji sifat fisik material karet, selanjutnya dilakukan pencocokan

kurva antara hasil uji material dengan model-model konstitutif karet dengan bantuan

aplikasi FEM.

Shape Factor dan Simulasi FEM

Gambar 11. Konfigurasi lubang penampang karet

29

Optimalisasi konfigurasi bentuk dan dimensi model isolator yang tersusun atas karet dan square

mesh dilakukan dengan simulasi FEM isolator karet dan GSM menggunakan parameter pada

Tabel 2 dan konfigurasi pada

4.4. Desain Isolator

Desain isolator dengan skala penuh mengacu pada tata cara pada Gambar 6. dan

mempertimbangkan beban rencana yang sesuai. Dalam penelitian ini, desain base isolator

mengacu pada ASCE 7-10 2013 dan EN 1337-3 2005.

4.5. Manufakturisasi

Isolator diproduksi menggunakan cetakan dari bentuk yang diinginkan sesuai dengan

ukuran dari hasil desain seperti contoh pada Gambar 12. Lapisan karet diletakan bergantian

dengan lapisan jaring kawat GSM satu di atas yang lainnya. Untuk mencegah terjadinya

delaminasi dini, satu lapis karet setebal 5 mm ditempatkan pada bagian atas dan bawah isolator

serta tebal selimut isolator 4 mm. Setelah tersusun sesuai urutan berdasarkan jumlah lapisan

pada tahap desain, karet dan kawat GSM disatukan melalui proses vulkanisasi dengan

temperatur tinggi sesuai ISO 2393: 2014. Suatu alat tekan dikondisikan memberi tekanan lebih

besar dari 3,5 Mpa selama 60 menit pada bagian atas permukaan pelat dan suhu pemanasan

dipertahankan secara merata sebesar 150 oC selama 20 menit

Gambar 12. Mold dan proses vulkanisasi (Wijaya, 2019)

30

4.6. Pengujian Base Isolator

1. Uji kompresi vertikal

Analisis statis menggunakan universal testing machine dengan menerapkan beban

vertikal sebesar 66 kN dalam 3 siklus loading dan unloading seperti pada Gambar 13(a).

Setelah beban maksimum diaplikasikan pada isolator, pembebanan vertikal susunan

dilakukan secara bertahap dengan peningkatan beban sebesar 5 ± 0,5 MPa per menit dan

pengukuran defleksi pada 1/3 pembebanan untuk mengetahui kekakuan vertikal Kv

berdasarkan BS-EN 1337: 2005. Pengujian akan dilakukan di G-TACR Laboratory,

Lembaga Getah Malaysia.

2. Uji beban lateral

Sampel yang digunakan pada pengujian vertikal bersama pasangan sampelnya kemudian

digunakan pada pengujian lateral seperti ilustrasi dalam Gambar 13(b). Dalam pengujian

ini dilakukan kombinasi aplikasi beban yakni beban vertikal tetap sebesar 15 kN serta

perpindahan horisontal maksimum sebesar 0,10 – 0,25 – 0,50 – 0,60 terhadap tinggi total

karet ttr = 118 mm dengan kecepatan 90 mm/detik untuk memperoleh grafik hubungan

gaya-perpindahan untuk selanjutnya digunakan dalam menentukan kekakuan horisontal

Kh dari nilai rerata kekakuan pasangan isolator sesuai BS EN 15129:2009. Pengujian akan

dilakukan di G-TACR Laboratory, Lembaga Getah Malaysia.

Gambar 13. Pengujian vertikal (tekan) dan horisontal (Wijaya, 2019)

(a) Vertikal (b) Horisontal

31

3. Redaman Efektif

Output pengujian laboratorium berupa kurva histeresis gaya versus perpindahan.

Digunakan untuk menghitung luas kurva histeresis Aloop menggunakan prinsip Unequal-

segmen Trapezoidal Rule dengan bantuan MS Excel. Luas Aloop juga digunakan untuk

memperkirakan kekakuan horisontal, kekakuan vertikal dan kapasitas redaman sistem

isolator menggunakan persamaan relevan yang telah dibahas sebelumnya.

4.7. Alur Penelitian

Gambar 14. Bagan alir penelitian

32

4.8. Organisasi Tim

Tabel 4. Tanggunjawab tim peneliti

No Nama dan NIP Jabatan dalam Tim, Alokasi Waktu

(jam/minggu) Rincian tugas dalam Penelitian

1 Prof. Tavio, M.Eng., PhD. NIP: 197203271997021001 Ketua Tim Peneliti, 16 jam/minggu

Koordinator & penanggungjawab umum penelitian, kajian teori dan pustaka, review instrumen penelitian, penyusunan laporan penelitian.

2 Windiani, S.Sos., M.Si. NIP: 197105131998022001

Anggota Tim(1); 8 jam / minggu Bertanggungjawab terhadap kegiatan administrasi, anggaran biaya dan laporan biaya penelitian.

3 Sandy I. Yansiku, ST., M.Eng. NRPM: 03111960010001

Anggota Tim(2); 12 jam / minggu Bertanggungjawab terhadap seluruh kegiatan operasional penelitian, pelaporan dan penyusunan publikasi

4 Lienggar Rahadiantino, SE., M.Sc. NIP: 19920191209

Anggota Tim(3); 8 jam / minggu menyusun pelaporan penelitian dan publikasi hasil penelitian

33

BAB 5. JADWAL

Tabel 5. Jadwal penelitian

No Kegiatan & ruang lingkup penelitian Mar Apr Mei Jun Jul Agu Sep Okt Nop Des

1 Kontrak penelitian

2 Pengadaan material dan persiapan sampel uji

3 Uji laboratorium

4 Penulisan laporan kemajuan penelitian

5 Laporan kemajuan dan Monev I (70%)

6 Desain dan simulasi FEM

7 Analisis dan diskusi hasil penelitian

8 Penulisan laporan akhir

9 Penulisan artikel dan publikasi

10 Laporan akhir 11 Monev II (30%)

34

BAB 6. DAFTAR PUSTAKA

Ahmadipour, M., & Alam, M. S. (2015). Effect of number of rubber layers, core radius and lead type on lead-core rubber bearings’ performance. The 11th Canadian Conference on Earthquake Engineering (11CCEE), April 2016.

Angeli, P., Russo, G., & Paschini, A. (2013). Carbon fiber-reinforced rectangular isolators with compressible elastomer: Analytical solution for compression and bending. International Journal of Solids and Structures, 50(22–23), 3519–3527. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2013.06.016

Bijarimi, M., Zulkafli, H., & Beg, M. D. H. (2010). Mechanical properties of industrial tyre rubber compounds. In Journal of Applied Sciences (Vol. 10, Issue 13, pp. 1345–1348). https://doi.org/10.3923/jas.2010.1345.1348

Buckle, I., Nagarajaiah, S., & Ferrell, K. (2002). Stability of Elastomeric Isolation Bearings: Experimental Study. 2(January), 3–11.

Calabrese, A., Losanno, D., Spizzuoco, M., Strano, S., & Terzo, M. (2019). Recycled Rubber Fiber Reinforced Bearings (RR-FRBs)as base isolators for residential buildings in developing countries: The demonstration building of Pasir Badak, Indonesia. Engineering Structures. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.04.076

Calabrese, Andrea, Serino, G., Strano, S., & Terzo, M. (2015). Experimental investigation of a low-cost elastomeric anti-seismic device using recycled rubber. Meccanica, 50(9), 2201–2218. https://doi.org/10.1007/s11012-015-0155-7

Das, A., Deb, S. K., & Dutta, A. (2016). Shake table testing of un-reinforced brick masonry building test model isolated by U-FREI [John Wiley & Sons, Ltd]. In Earthquake Engineering & Structural Dynamics (Vol. 45, Issue 2). https://doi.org/10.1002/eqe.2626

Das, A., Dutta, A., & Deb, S. K. (2012). Modeling of Fiber-Reinforced E. 15th World Conference on Earthquake Engineering (15WCEE).

Engelen, N. C. Van. (2019). Fiber-reinforced elastomeric isolators : A review. 125(March). https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2019.03.035

Engelen, N. C. Van, J. M. Tait, & Konstantinidis, D. (2016). Development of Design Code Oriented Formulas for Elastomeric Bearings Including Bulk Compressibility and Reinforcement Extensibility. Journal of Engineering Mechanics, 142(6), 4016024. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0001015

Garevski, M A. (2012). Replacement of the Old Rubber Bearings of the First Base Isolated Building in the World. 15th World Conference on Earthquake Engineering (15WCEE).

Govardhan, & Paul, D. K. (2016). Effect of Lead in Elastomeric Bearings for Structures Located in Seismic Region. Procedia Technology, 25, 146–153. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.protcy.2016.08.091

Habieb, A. (2017). A two-story masonry building isolated with low-cost rubber seismic isolators. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.15904.89604

Habieb, A. B., Milani, G., Tavio, & Milani, F. (2017). Low cost rubber seismic isolators for masonry housing in developing countries. AIP Conference Proceedings, 1906(1), 90012. https://doi.org/10.1063/1.5012369

Habieb, A. B., Milani, G., Tavio, T., & Milani, F. (2018). An abaqus user element for the structural implementation of low-cost rubber seismic isolators in masonry buildings. AIP Conference Proceedings, 2040(April), 10–15. https://doi.org/10.1063/1.5079148

Habieb, Ahmad B., Milani, G., Tavio, & Milani, F. (2017). Seismic performance of a masonry building isolated with low-cost rubber isolators. WIT Transactions on the Built Environment, 172, 71–82. https://doi.org/10.2495/ERES170071

Hedayati Dezfuli, F., & Alam, M. S. (2017). Effect of different steel-reinforced elastomeric

35

isolators on the seismic fragility of a highway bridge. Structural Control and Health Monitoring, 24(2). https://doi.org/10.1002/stc.1866

Jie, S. W., Tong, S. Y., Kasa, A., & Osman, S. A. (2016). Effect of recycle tire isolator as earthquake resistance system for low rise buildings in Malaysia. Journal of Engineering Science and Technology, 11(8), 1207–1220.

Kalfas, K. N., Mitoulis, S. A., & Katakalos, K. (2017). Numerical study on the response of steel-laminated elastomeric bearings subjected to variable axial loads and development of local tensile stresses. Engineering Structures, 134(March), 346–357. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.12.015

Karimzadeh Naghshineh, A., Akyuz, U., & Caner, A. (2015). Lateral response comparison of unbonded elastomeric bearings reinforced with carbon fiber mesh and steel. Shock and Vibration, 2015. https://doi.org/10.1155/2015/208045

Kelly, J. M., & Konstantinidis, D. (2011). Seismic Isolation For Housing, Schools and Hospitals in the Urban Environment. July, 19–20.

Kelly, J. M., & Takhirov, S. M. (2001). Analytical and Experimental Study of Fiber-Reinforced Elastomeric Isolators. In Rep. No. PEER 2001/11, Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley (Issue September).

Kelly, J. M., & Takhirov, S. M. (2002). Analytical and Experimental Study of Fiber-Reinforced Strip Isolators. Rep. No. PEER 2002/11, Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, September.

Kelly, T. E. (2001). Base Isolation of Structures: Design Guidlines. July, 229. https://doi.org/10.1002/eqe.31

Konstantinidis, D., & Rastgoo Moghadam, S. (2016). Compression of unbonded rubber layers taking into account bulk compressibility and contact slip at the supports. International Journal of Solids and Structures, 87. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2016.02.008

M. Kelly, J., & Konstantinidis, D. (2007). Low-cost seismic isolators for housing in highly-seismic developing countries.

M Kelly, J. (2018). Vertical Flexibility in Isolation Systems. Civil Engineering Research Journal, 4(1), 1–11. https://doi.org/10.19080/cerj.2018.04.555629

Mishra, H. K. (2012). Experimental and Analytical Studies on Scrap Tire Rubber Pads for Application to Seismic Isolation of Structures.

Moon, B. Y., Kang, G. J., Kang, B. S., & Kelly, J. M. (2002). Design and manufacturing of fiber reinforced elastomeric isolator for seismic isolation. Journal of Materials Processing Technology, 130–131, 145–150. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(02)00713-6

Mordini, A., & Strauss, A. (2008). An innovative earthquake isolation system using fibre reinforced rubber bearings. 30, 2739–2751. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2008.03.010

Naeim, F., & Kelly, J. M. (1999). Design of seismically isolated structures: from theory to practice. John Wiley & Sons.

Ogden, R. W., Saccomandi, G., & Sgura, I. (2004). Fitting hyperelastic models to experimental data. Computational Mechanics, 34(6), 484–502. https://doi.org/10.1007/s00466-004-0593-y

Osgooei, P. M., Konstantinidis, D., & Tait, M. J. (2016). Variation of the vertical stiffness of strip-shaped fiber-reinforced elastomeric isolators under lateral loading. Composite Structures, 144, 177–184. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.01.089

Osgooei, P. M., Tait, M. J., & Konstantinidis, D. (2014a). Finite element analysis of unbonded square fiber-reinforced elastomeric isolators (FREIs) under lateral loading in different directions. Composite Structures, 113(1), 164–173. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.02.033

36

Osgooei, P. M., Tait, M. J., & Konstantinidis, D. (2014b). Three-dimensional finite element analysis of circular fiber-reinforced elastomeric bearings under compression. Composite Structures, 108(1), 191–204. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2013.09.008

Pauletta, M., Cortesia, A., & Russo, G. (2015). Roll-out instability of small size fiber-reinforced elastomeric isolators in unbonded applications. Engineering Structures, 102, 358–368. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2015.08.019

Pinarbasi, S., & Okay, F. (2011). Compression of hollow-circular fiber-reinforced rubber bearings. Structural Engineering and Mechanics, 38(3), 361–384. https://doi.org/10.12989/sem.2011.38.3.361

Ramli, M. Z., & Adnan, A. (2015). Performance of Isomeric and Spiral Plate Rubber Bearing Base Isolator System in Bridges. July. https://www.researchgate.net/publication/279861712%0APerformance

Rivlin, R. S. (1948). Large Elastic Deformations of Isotropic Materials-Further Developments of The General Theory (Issue October).

Roth, F. L., Driscoll, R. L., & Holt, W. L. (1942). Frictional properties of rubber. Journal of Research of the National Bureau of Standards, 28(4), 439. https://doi.org/10.6028/jres.028.016

Russo, G., & Pauletta, M. (2013). Sliding instability of fiber-reinforced elastomeric isolators in unbonded applications. Engineering Structures, 48, 70–80. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2012.08.031

Russo, G., Pauletta, M., & Cortesia, A. (2013). A study on experimental shear behavior of fiber-reinforced elastomeric isolators with various fiber layouts, elastomers and aging conditions. Engineering Structures, 52, 422–433. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2013.02.034

Soleimanlo, H. S., & Barkhordar, M. A. (2013). Effect of Shape Factor and Rubber Stiffness of Fiber-reinforced Elastomeric Bearings on the Vertical Stiffness of Isolators. In Trends in Applied Sciences Research (Vol. 8, Issue 1, pp. 14–25). https://doi.org/10.3923/tasr.2013.14.25

Spizzuoco, M., Calabrese, A., & Serino, G. (2014). Innovative low-cost recycled rubber–fiber reinforced isolator: Experimental tests and Finite Element Analyses. Engineering Structures, 76, 99–111. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2014.07.001

Sugihardjo, H., Tavio, & Lesmana, Y. (2018). FE Model of Low Grade Rubber for Modeling Housing’s Low-Cost Rubber Base Isolator. Civil Engineering Journal, 4(1). www.CivileJournal.org%0ACivil

Takayama, M., & Morita, K. (2000). Finite element analysis focused on the flange plates and connecting bolts of rubber bearings. Proc. of 12WCEE, New Zealand, 1–9.

Taniwangsa, W., & Kelly, J. M. (1996). Experimental dan Analytical Studies of Base Isolation Applications for Low-cost Housing.

Toopchi-nezhad, H., Karaji, M., & Mohammad Reza, G. (2018). An Efficient Horizontal Stiffness Solution for Unbonded-Frebs. Proceedings of Academics World 103 Rd International Conference, Toronto, Canada, 1, 3–8.

Toopchi-Nezhad, H., Tait, M., & Drysdale, R. (2008). Testing and modeling of square carbon fiber‐reinforced elastomeric seismic isolators. Structural Control and Health Monitoring, 15, 876–900. https://doi.org/10.1002/stc.225

Toopchi-Nezhad, H., Tait, M. J., & Drysdale, R. G. (2009). Simplified analysis of a low-rise building seismically isolated with stable unbonded fiber reinforced elastomeric isolators. Canadian Journal of Civil Engineering, 36(7), 1182–1194. https://doi.org/10.1139/L09-056

Toopchi-Nezhad, H., Tait, M. J., & Drysdale, R. G. (2011). Bonded versus unbonded strip fiber reinforced elastomeric isolators: Finite element analysis. Composite Structures,

37

93(2), 850–859. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2010.07.009 Toopchi-Nezhad, H., Tait, M. J., & Drysdale, R. G. (2013). Influence of thickness of

individual elastomer layers (first shape factor) on the response of unbonded fiber-reinforced elastomeric bearings. Journal of Composite Materials, 47(27), 3433–3450. https://doi.org/10.1177/0021998312466686

Tsai, H.-C. (2004). Compression stiffness of infinite-strip bearings of laminated elastic material interleaving with flexible reinforcements. International Journal of Solids and Structures, 41(24–25), 6647–6660. https://doi.org/10.1016/J.IJSOLSTR.2004.06.005

Tsompanakis, Y., Psarropoulos, P. N., & Drosos, V. (2011). Low-Cost Seismic Base Isolation using Recycled Tire Cushions. 13th International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing.

Turer, A., & Özden, B. (2008). Seismic base isolation using low-cost Scrap Tire Pads (STP). Materials and Structures, 41(5), 891–908. https://doi.org/10.1617/s11527-007-9292-3

Van Engelen, N. C., Konstantinidis, D., & Tait, M. J. (2016). Structural and nonstructural performance of a seismically isolated building using stable unbonded fiber-reinforced elastomeric isolators. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 45(3). https://doi.org/10.1002/eqe.2665

Van Engelen, N. C., Osgooei, P. M., Tait, M. J., & Konstantinidis, D. (2014). Experimental and finite element study on the compression properties of Modified Rectangular Fiber-Reinforced Elastomeric Isolators (MR-FREIs). Engineering Structures, 74, 52–64. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2014.04.046

Van Engelen, N. C., Osgooei, P. M., Tait, M. J., & Konstantinidis, D. (2015). Partially bonded fiber-reinforced elastomeric isolators (PB-FREIs). Structural Control and Health Monitoring, 22(3), 417–432. https://doi.org/10.1002/stc.1682

Van Engelen, N. C., Tait, M. J., & Konstantinidis, D. (2015). Model of the shear behavior of unbonded fiber-reinforced elastomeric isolators. Journal of Structural Engineering (United States), 141(7), 1–11. https://doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001120

Warn, G. P., & Ryan, K. L. (2012). A Review of Seismic Isolation for Buildings: Historical Development and Research Needs. 300–325. https://doi.org/10.3390/buildings2030300

Wijaya, B. T. W. (2019). Behavior of low-cost rubber base isolation using glass fiber based reinforcement. ITS Surabaya.

Wijaya, B. T. W., & Tavio. (2019). Mechanical properties of Indonesian rubber for low-cost base isolation. International Journal of Civil Engineering and Technology, 10(1), 884–890.

38

BAB 7. LAMPIRAN

Lampiran A. Biodata Tim Peneliti 1. Ketua tim a. Nama Lengkap : Prof. Tavio, M.Eng., PhD. b. NIP : 197203271997021001 c. Bidang Keahlian : Base isolation system d. Departemen/Fakultas : Teknik Sipil/ FTSLK – ITS Surabaya e. Alamat Rumah dan Telp. : 0816537135 f. Riwayat Penelitian relevan :

1. Inovasi dan Aplikasi Lanjutan Peredam Dasar Sederhana dan Murah untuk Perumahan Rakyat di Daerah Rawan Bencana Gempa Bumi 2018 (PU ITS-Ketua)

2. Inovasi Lanjut dan Aplikasi Low-Cost Base Isolation untuk Perumahan Rakyat di Wilayah Resiko Gempa Tinggi 2017 (PU ITS-Ketua)

g. Publikasi Relevan :

1. Low cost rubber seismic isolators for masonry housing in developing countries

2. Comparative behavior of local hyperelastic lowgrade rubbers for low-cost base isolation

h. Paten Terakhir Perangkat Simulator Gempa dari Karet untuk Peredam Gempa Bumi (draft Paten).

i. Tugas Akhir Relevan yang telah selesai dibimbing

Thesis

1. Behavior of low-cost rubber base isolation using glass fiber based reinforcement

2. Kajian data eksperimental penggunaan Low Cost Rubber Base Isolator-Strip pada rumah sederhana di daerah rawan gempa

Disertasi: Development of low-cost base isolation system for residential housing in high seismic zones

2. Anggota1 a. Nama Lengkap : Dr. Windiani, S.Sos., M.Si. b. NIP : 197105131998022001 d. Bidang Keahlian Sosial Budaya, Lingkungan dan Kebencanaan e. Departemen/Fakultas : Studi Pembangunan/ FBMT - ITS Surabaya f. Alamat Rumah dan Telp : Surabaya. HP: 082231357382

39

2. Anggota2 a. Nama Lengkap : Sandy I. Yansiku, ST., M.Eng. b. NRP : 03111960010001 c. Bidang Keahlian Teknik Sipil Struktur d. Departemen/Fakultas : Teknik Sipil/ FTSLK - ITS Surabaya e. Alamat Rumah dan Telp : Jln. Sutorejo Selatan IV – 32, Mulyosari,

Surabaya. HP: 081339041999

2. Anggota3 a. Nama Lengkap : Lienggar Rahadiantino, SE., M.Sc. b. NIP/NIDN : 19920191209 / 0006059201 c. Bidang Keahlian Studi Pembangunan d. Departemen/Fakultas : Studi Pembangunan/ FBMT - ITS Surabaya e. Alamat Rumah dan Telp : Surabaya. HP:

DATA USULAN DAN PENGESAHAN

PROPOSAL DANA LOKAL ITS 2020

1. Judul Penelitian

Isolasi Seismik Berbiaya Rendah Dengan Tumpuan Bonded dan Unbonded Untuk Rumah Tinggal Sederhana di Daerah Rawan Gempa

Skema : PENELITIAN UNGGULAN ITS (DASAR MULTIDISIPLIN)

Bidang Penelitian : Mitigasi Kebencanaan dan Perubahan Iklim

Topik Penelitian : Gempa Surabaya

2. Identitas Pengusul

Ketua Tim

Nama : Prof. Tavio S.T. M.T. Ph.D.

NIP : 197003271997021001

No Telp/HP : 0816537135

Laboratorium : -

Departemen/Unit : Departemen Teknik Sipil

Fakultas : Fakultas Teknik Sipil, Perencanaan, dan Kebumian

  Anggota Tim

No Nama Lengkap Asal Laboratorium Departemen/UnitPerguruan

Tinggi/Instansi

1Prof. Tavio S.T.

M.T. Ph.D.Departemen Teknik

SipilITS

2Windiani S.Sos.,

M.Si.

Laboratorium Kajian Lingkungan Sosial

Budaya dan Ekonomi Masyarakat

Departemen Studi Pembangunan

ITS

3Lienggar

Rahadiantino S.E.,M.Sc

Laboratorium Statistika Sosial dan

Kependudukan

Departemen Studi Pembangunan

ITS

3. Jumlah Mahasiswa terlibat : 1

4. Sumber dan jumlah dana penelitian yang diusulkan

  a. Dana Lokal ITS 2020 : 109.400.000,-

  b. Sumber Lain : 0,-

 

  Jumlah : 109.400.000,-

Tanggal Persetujuan

Nama Pimpinan Pemberi

Persetujuan

Jabatan Pemberi Persetujuan

Nama Unit Pemberi

PersetujuanQR-Code

10 Maret 2020

Adjie Pamungkas

ST.,M.Dev.Plg, Ph.D

Kepala Pusat Penelitian/Kajian/Unggulan

Iptek

Mitigasi Kebencanaan

dan Perubahan Iklim

10 Maret 2020

Agus Muhamad Hatta , ST, MSi,

Ph.DDirektur

Direktorat Riset dan Pengabdian

Kepada Masyarakat