Analisis Dinamik Gempa pada Bendungan Urugan dengan GeoStudio: Panduan Lengkap

~~Baca Juga:~~

GeoStudio merupakan salah satu perangkat lunak yang populer digunakan untuk melakukan analisis geoteknik, termasuk analisis dinamik gempa pada bendungan urugan. Software ini menyediakan berbagai modul yang dapat digunakan untuk memodelkan perilaku tanah dan struktur di bawah berbagai kondisi pembebanan, termasuk beban gempa, beban hidroulik dll.

Langkah-langkah Analisis

Pengumpulan dan Persiapan Data:
- Data Geoteknik: Profil tanah, sifat fisik dan mekanik tanah (sudut geser dalam, kohesi, berat volume, modulus elastisitas), parameter gempa (percepatan maksimum tanah, spektrum respons).
- Data Geometri: Pemodelan geometri Dimensi bendungan, lapisan tanah, kedalaman pondasi, kondisi drainase,
- Data Hidrolik: Tingkat muka air tanah, ground water level (GWL), kondisi rembesan, pola operasi waduk seperti Low weter level (LWL), normal water level (NWL), flood water level (FWL), sumur observasi (OW), data instrument (piezometer, inklonometer, extensiometer dll.)
Simulasi 3D analisis Rembesan Bendungan dengan geo studio versi 2023.1
- Data Gempa: Peta zona gempa, spektrum respons gempa, rekaman gempa historis.
Pembuatan Model:
- Pilih Modul yang Tepat: Biasanya modul SEEP/W (analisis rembesan), SLOP/W (analisis stabilitas), SIGMA/W (analisis deformasi) dan QUAKE/W digunakan untuk analisis dinamik gempa pada bendungan.
- Definisikan Geometri (Pemodelan): Buat model 2D atau 3D yang merepresentasikan geometri bendungan dan lereng sekitarnya.
- Tentukan Parameter Material: Tetapkan sifat material tanah dan struktur sesuai dengan data yang ada.
- Atur Kondisi Batas: Tentukan kondisi batas yang sesuai, misalnya muka air waduk (sesuai operasi seperti surut cepat, muka air normal, muka air banjir dll.), fixed atau roller pada dasar bendungan.
- Definisikan Beban Gempa: Terapkan beban gempa dalam bentuk percepatan tanah atau gaya inersia sesuai dengan spektrum respons yang dipilih.
Analisis:
- Analisis Statik: Lakukan analisis statik terlebih dahulu untuk mendapatkan kondisi tegangan awal.
- Analisis Dinamik: Lakukan analisis dinamik dengan memberikan beban gempa.
- Evaluasi Hasil: Periksa deformasi, tegangan, dan gaya geser, serta displacement yang dapat terjadi sesuai dengan arah vektor gaya dan konsentrasi vektor gaya tersebut yang terjadi pada bendungan. Bandingkan dengan kriteria keamanan yang telah ditetapkan.
Interpretasi Hasil:
- Visualisasi: Gunakan fitur visualisasi GeoStudio untuk melihat distribusi tegangan, deformasi, dan gaya geser.
- Evaluasi Kestabilan: Periksa faktor keamanan terhadap longsoran, rembesan (piping), uplift, likuifaksi, dan kegagalan geser.
- Identifikasi Daerah Kritis: Tentukan bagian-bagian bendungan yang paling rentan terhadap kerusakan akibat gempa seperti material dengan kondisi sudut geser yang kecil dan material non kohesi (pada bagian join antar zona dan material pelindung paling luar biasanya akan berdampak jika ada gempa terjadi, sedangkan material yang terlindungi seperti material inti kita kontrol terhadap piping, tekanan uplift, untuk material filter biasanya kita kontrol untuk liquifaksi, uplift dll).

Tips dan Trik Analisis dengan GeoStudio

Validasi Model: Bandingkan hasil analisis dengan data pengujian laboratorium atau hasil analisis sebelumnya pemodelan dalam perencanaan dll.
Pertimbangan Non-Linearitas: Pertimbangkan perilaku non-linear material, terutama pada kondisi tegangan tinggi.
Efek Interaksi: Pertimbangkan interaksi antara bendungan, tanah pondasi, dan air.
Uncertainties: Lakukan analisis sensitivitas untuk mempertimbangkan ketidakpastian dalam parameter input.
Manfaatkan Fitur Otomatis: GeoStudio menyediakan berbagai fitur otomatis yang dapat mempercepat proses analisis (seperti dengan cuckoo search algoritma dll untuk mengetahui bidang paling kritis atau nilai FK terkecil/terkritis).
Gunakan Panduan Pengguna: Baca panduan pengguna GeoStudio secara detail untuk memahami fitur-fitur yang tersedia.

Kesimpulan dan Saran

Analisis dinamik gempa pada bendungan urugan dengan GeoStudio merupakan alat yang sangat berguna untuk mengevaluasi keamanan bendungan terhadap gempa bumi. Dengan mengikuti langkah-langkah di atas dan memperhatikan tips serta trik yang diberikan, diharapkan analisis dapat dilakukan dengan baik dan memberikan hasil yang akurat.

Saran Tambahan:

Kerja Sama Tim: Libatkan berbagai disiplin ilmu (geoteknik, struktur, hidrologi) untuk mendapatkan hasil yang komprehensif.
Pembaruan Data: Lakukan pembaruan data secara berkala untuk memastikan analisis selalu relevan.
Pemantauan Berkala: Terapkan sistem pemantauan untuk mendeteksi perubahan kondisi bendungan.
Perbaikan Berkelanjutan: Lakukan perbaikan desain atau penguatan struktur jika diperlukan.

Penting: Analisis ini hanya merupakan salah satu alat bantu dalam perencanaan dan desain bendungan. Keputusan akhir terkait keamanan dan keberlanjutan bendungan harus berdasarkan pertimbangan yang komprehensif, termasuk aspek sosial, ekonomi, dan lingkungan.

Dynamic Earthquake Modeling

Simulasi 3D analisis Rembesan Bendungan dengan geo studio versi 2023.1

Analisis dinamik bendungan urugan adalah suatu studi yang sangat penting untuk memastikan keamanan dan stabilitas bendungan terhadap beban gempa. Mengingat potensi bahaya yang besar jika terjadi kegagalan bendungan, analisis ini menjadi salah satu persyaratan utama dalam perencanaan dan evaluasi kondisi bendungan.

Pentingnya Analisis Dinamik

Beban Gempa: Beban gempa merupakan beban dinamis yang signifikan dan dapat menyebabkan kerusakan serius pada bendungan.
Kestabilan: Analisis dinamik membantu dalam mengevaluasi stabilitas lereng bendungan terhadap gaya-gaya inersia yang timbul akibat gempa.
Deformasi: Analisis ini juga digunakan untuk memprediksi deformasi yang mungkin terjadi pada tubuh bendungan selama gempa.
Perencanaan Mitigasi: Hasil analisis dapat digunakan untuk merancang tindakan mitigasi yang tepat, seperti perbaikan struktur atau pengembangan prosedur darurat.

Tahapan Analisis Dinamik

Secara umum, analisis dinamik bendungan urugan meliputi tahapan sebagai berikut:

Penelusuran Bahaya Gempa:
- Identifikasi sumber gempa: Menentukan sumber-sumber gempa potensial di sekitar lokasi bendungan.
- Penentuan parameter gempa: Menentukan parameter gempa seperti magnitudo, jarak episenter, dan mekanisme sumber.
Analisis Bahaya Gempa:
- Pembuatan peta gempa: Membuat peta yang menunjukkan distribusi guncangan gempa di sekitar lokasi bendungan.
- Penentuan spektrum respons: Menentukan spektrum respons gempa yang sesuai dengan kondisi tanah dan struktur bendungan.
Pemodelan Bendungan:
- Diskretisasi: Membagi bendungan menjadi elemen-elemen finite yang lebih kecil.
- Definisi material: Menentukan sifat-sifat material dari setiap elemen, seperti modulus elastisitas, berat jenis, dan koefisien Poisson.
- Pemberian beban: Menerapkan beban gempa pada model bendungan dalam bentuk percepatan tanah.
Analisis Respon:
- Analisis modal: Menentukan frekuensi dan mode getar alami bendungan.
- Analisis respons waktu: Menghitung respons bendungan terhadap beban gempa dalam domain waktu.
- Evaluasi hasil: Menganalisis hasil analisis untuk mengevaluasi tegangan, deformasi, dan faktor keamanan bendungan.

Metode Analisis

Beberapa metode analisis dinamik yang umum digunakan antara lain:

Metode elemen hingga: Metode yang paling umum digunakan karena fleksibilitasnya dalam memodelkan geometri dan kondisi batas yang kompleks.
Metode respons spektrum: Metode yang lebih sederhana dan efisien untuk mendapatkan gambaran umum tentang respons bendungan.
Analisis sejarah waktu: Metode yang lebih akurat untuk memperhitungkan efek non-linearitas material dan interaksi tanah-struktur.

Faktor yang Mempengaruhi Analisis

Karakteristik gempa: Magnitudo, jarak episenter, dan mekanisme sumber gempa sangat mempengaruhi respons bendungan.
Karakteristik tanah: Sifat-sifat tanah dasar dan lapisan tanah di bawah bendungan sangat berpengaruh terhadap penyebaran gelombang gempa.
Geometri bendungan: Dimensi, bentuk, dan konfigurasi bendungan akan mempengaruhi perilaku dinamiknya.
Material bendungan: Sifat-sifat material penyusun bendungan, seperti kepadatan, modulus elastisitas, dan kekuatan geser, sangat penting dalam analisis.

Catatan: Analisis dinamik bendungan merupakan pekerjaan yang kompleks dan membutuhkan keahlian khusus. Oleh karena itu, sangat disarankan untuk melibatkan tenaga ahli yang berpengalaman dalam bidang ini.

Referensi Tambahan

Untuk informasi yang lebih detail, Anda dapat merujuk pada pedoman dan standar yang berlaku, seperti:

Pusat Penelitian dan Pengembangan Sumber Daya Air (Puslitbang SDA): Lembaga ini memiliki berbagai publikasi terkait analisis keamanan bendungan.
Standar Nasional Indonesia (SNI): SNI terkait perencanaan dan konstruksi bendungan.
International Commission on Large Dams (ICOLD): Organisasi internasional yang menerbitkan berbagai publikasi tentang bendungan.

Perbedaan Analisis Statis dan Dinamik

Analisis statis dan dinamik adalah dua pendekatan berbeda dalam menganalisis struktur. Perbedaan utama terletak pada pertimbangan waktu dalam penerapan beban.

Analisis Statis

Beban: Beban dianggap bekerja secara perlahan dan konstan, tidak ada perubahan seiring waktu.
Waktu: Waktu tidak menjadi faktor yang signifikan dalam perhitungan.
Tujuan: Menghitung gaya dalam, tegangan, dan deformasi pada struktur dalam kondisi kesetimbangan.
Contoh Beban: Beban mati struktur, beban hidup statis seperti perabotan, dan beban angin yang dianggap konstan.
Metode: Biasanya menggunakan persamaan kesetimbangan gaya dan momen.

Analisis Dinamik

Beban: Beban bervariasi terhadap waktu, seperti beban gempa, beban angin kencang, atau beban akibat lalu lintas.
Waktu: Waktu menjadi variabel penting dalam perhitungan karena respons struktur terhadap beban berubah seiring waktu.
Tujuan: Menghitung respons struktur terhadap beban dinamis, termasuk perpindahan, kecepatan, percepatan, dan gaya dalam yang berubah seiring waktu.
Contoh Beban: Beban gempa, beban angin kencang, beban akibat lalu lintas, dan beban ledakan.
Metode: Menggunakan persamaan diferensial gerak, analisis modal, dan analisis respons spektrum.

Tabel Perbandingan

Aspek	Analisis Statis	Analisis Dinamik
Waktu	Tidak signifikan	Sangat signifikan
Beban	Konstan	Berubah seiring waktu
Tujuan	Kesetimbangan	Respons terhadap beban dinamis
Metode	Persamaan kesetimbangan	Persamaan diferensial gerak, analisis modal, respons spektrum

Langkah Analisis

1. Pengumpulan Data

Langkah awal pengerjaan yang dilakukan pada tahap ini adalah mengumpulkan sumber-sumber gempa yang berpengaruh terhadap lokasi studi. Dalam penelitian ini diambil radius pengaruh sumber gempa terhadap lokasi studi adalah 500 km. Sumber-sumber gempa yang digunakan dalam penelitian ini adalah megathrust, benioff, dan shallow crustal. Data-data tersebut didapat melalui badan geologi serta Buku Peta Gempa Tahun 2021. Pengumpulan dan pengolahan data sumber-sumber gempa dibantu dengan perangkat lunak Arc Gis.

2. Analisis Bahaya Gempa

Apabila seluruh sumber gempa dengan radius pengaruh terhadap lokasi studi 500 km didapat, data tersebut dimasukkan kedalam perangkat lunak EZ Frisk. Ez Frisk membantu penelitian dalam melakukan seismic hazard analysis. Adapun data penting dari sumber-sumber gempa yang diperlukan dalam analisis adalah jarak serta magnitudo dari masing-masing sumber. EZ Frisk akan melakukan perhitungan probabilistik berdasarkan probabilitas jarak, magnitudo, serta percepatan gempa. Percepatan gempa didapatkan melalui sebuah fungsi atenuasi. Fungsi atenuasi didapat dari hasil penelitian percepatan gempa yang ada disekitar lokasi terjadinya gempa dengan memasukkan fungsi jarak, karakteristik sumber gempa serta magnitudo. Di Indonesia pencatatan percepatan gempa terdahulu tidak dilakukan sehingga fungsi atenuasi yang menggambarkan kondisi lokal tidak dapat ditemukan. Oleh karena itu dalam penelitian ini digunakan fungsi atenuasi global yang kerap digunakan di dunia. Penentuan fungsi atenuasi dalam penelitian mengikuti acuan Buku Peta Gempa 2021 dimana dibedakan antara tiap sumber gempa yakni megathrust, benioff, serta shallow crustal. Setelah data telah tersedia lengkap dimasukkan kedalam EZ Frisk maka EZ Frisk akan menghitung Total Hazard Spectra yang dihasilkan dari perhitungan. Total hazard spectra menggambarkan probabilitas dari percepatan gempa yang terlampaui di lokasi bendungan. Nantinya Total Hazard Spectra akan diverifikasi dengan data Buku Peta Gempa 2021 untuk masing-masing periode ulang yang dibutuhkan.

3. Mencari nilai deagregasi untuk setiap sumber gempa.

Dalam proses deagregasi dibutuhkan suatu nilai periode natural dari bendungan. Nilai periode natural akan didapat melalui analisis model dengan menggunakan Quake/W sesuai dengan karakter tanah dan geometri Bendungan. Adapun tujuan dilakukannya deagregasi adalah untuk membuat conditional mean spetra dan juga untuk menentukan nilai magnitudo, jarak, serta amplitudo percepatan yang menggambarkan sumber tersebut. Setelah proses deagregasi dilakukan pencarian time histories di lokasi lain yang memiliki keunikan jarak, magnitudo, dan percepatan seperti lokasi studi. Dari data time histories tersebut akan dilakukan spectral matching dengan conditional mean spectra lokasi studi agar tercipta time histories sintetik. Time histories inilah yang akan digunakan dalam melakukan analisis respon dinamik Bendungan.

4. Analisis Deformasi Newmark

Pembuatan model geometri Bendungan dibuat bersamaan dengan dilakukannya seismic hazard analysis. Tujuannya agar pada tahap analisis deagregasi kebutuhan periode natural dari Bendungan dapat dimasukkan ke dalamnya.

Kemudian time histories yang telah sesuai dari hasil scaling akan dilakukan penjalaran gelombang menuju puncak dan diamati untuk setiap posisi y/h 0.1, 0.2, hingga 1. Nilai amplifikasi ataupun deamplifikasi untuk setiap ketinggian akan digunakan untuk mencari parameter 𝛽. Nilai 𝛽 akan digunakan sebagai faktor perbesaran atau pengecilan koefisien pseudo-statik.

Selanjutnya dilakukan analisis deformasi newmark yang digunakan untuk mengetahui nilai perbandingan koefisien pseudo-statik terhadap percepatan gempa di permukaan. Dalam analisis ini pertama tama menentukan empat bidang longsor di bagian hulu dan hilir dengan ketentuan y/h = 1. Kemudian output dari analisis tersebut adalah nilai deformasi yang berpotensi terjadi. Nilai deformasi untuk bendungan urugan sebagai angka toleransi adalah 30 cm (Bray, 1998). Arti dari deformasi 30 cm adalah pada saat nilai angka keamanan pseudo-statik adalah 1, maka ditoleransi akan terjadi deformasi sebesar 30 cm. Oleh karena itu, pada tahap ini akan dilakukan scaling ground motion hingga tercipta deformasi sebesar 30 cm. Nilai PGA dan koefisien pseudo-statik akan dibandingkan sehingga didapatkanlah nilai 𝛼. Setelah parameter 𝛽 dan 𝛼 maka persamaan koefisien pseudo-statik yang menggambarkan Bendungan telah didapatkan. Kemudian akan dilakukan perbandingan nilai koefisien pseudo-statik tersebut dengan studi literatur lainnya.

5. Analisis Dinamik Quake/W Untuk Mencari Periode Natural

Periode natural bendungan dapat ditentukan dengan melihat bagaimana respon spectral kecepatan di puncak bendungan yang terlihat signifkan besar dalam perode tertentu, Ghanbari (2013). Pemodelan akan dilakukan dengan metode elemen hingga 2D dengan model perambatan adalah nonlinier. Meshing pemodelan elemen hingga yang digunakan berukuran 2 m. Adapun model Quake/W yang dibuat untuk dilakukan analisis dinamik adalah nonlinier.
Dalam pemodelan analisis dinamik mencari periode natural Bendungan cukup memasukkan beban ground motion dari sembarang tempat. Dalam studi ini menggunakan 7 ground motion, di antaranya:

1. Tokachi-Oki 2003

2. Estern Honshu 2011

3. Niigata Ken Chuetsu 2004

4. Sintetik Bintang Bano

5. El Centro 1940

6. Treasure Island 1989

7. Palu 2018

6. Validasi Model

Sebuah model perlu untuk divalidasi apakah sudah benar atau belum. Pada analisis ini model akan divalidasi dengan pedoman SNI 1726-2019 mengenai amplifikasi akibat perambatan gelombang. Validasi dilakuakan pada 3 ground motion, yaitu Tokachi-Oki 2003, Estern Honshu 2011, dan Niigata Ken Chuetsu (2004). Dalam pedoman tersebut dituliskan bahwa material tanah dengan kelas situs terntentu (i.e. SA, SB, SC, SD, SE, dan SF) akan merespon percepatan gempa dari batuan dasar hingga ke permukaan dengan perilaku yang berbeda.

Tabel dibawah menjelaskan klasifikasi kelas situs tanah berdasarkan Vs, Nspt, dan Su.

7. Memodelkan geometri bendungan dan batasan Pemodelan

Definisi Geometri: Buat model 2D atau 3D yang merepresentasikan geometri bendungan, tanah dasar, dan lapisan tanah di sekitarnya.
Material Model: Tentukan model material yang sesuai untuk masing-masing lapisan tanah dan material bendungan. Model material yang umum digunakan adalah Mohr-Coulomb, Drucker-Prager, atau model elastis sempurna.
Parameter Material: Tentukan parameter material seperti modulus elastisitas, koefisien Poisson, berat jenis, sudut geser dalam, dan kohesi untuk setiap material. Parameter-parameter ini dapat diperoleh dari hasil uji laboratorium atau data lapangan.

8. Definisi Kondisi Batas

Kondisi Batas Eksternal: Tentukan kondisi batas eksternal seperti penahanan lateral, kondisi drainase, dan pembebanan awal.
Kondisi Batas Internal: Tentukan kondisi batas internal antara elemen-elemen finite.

9. Analisis Statis

Beban Statis: Terapkan beban statis seperti berat sendiri bendungan, tekanan air, dan beban tanah.
Verifikasi Model: Lakukan analisis statis untuk memverifikasi bahwa model yang telah dibuat berperilaku sesuai dengan yang diharapkan.

10. Analisis Dinamik

Definisi Beban Gempa:
- Spektrum Respons: Tentukan spektrum respons gempa yang sesuai dengan kondisi tanah dan peraturan perencanaan yang berlaku.
- Sejarah Waktu: Jika tersedia data percepatan tanah dari gempa historis, maka dapat digunakan sebagai input beban gempa.
Analisis Modal: Hitung frekuensi dan mode getar alami dari sistem bendungan-tanah.
Analisis Respons: Hitung respons bendungan terhadap beban gempa, termasuk perpindahan, kecepatan, percepatan, dan tegangan.

11. Evaluasi Hasil

Faktor Keamanan: Evaluasi faktor keamanan terhadap berbagai jenis kegagalan, seperti longsor, geser, dan retak.
Deformasi: Periksa deformasi yang terjadi pada bendungan, terutama pada daerah kritis seperti lereng hulu dan hilir.

Tekanan Pori dan Uplift pressure: Evaluasi perubahan tekanan pori dalam tanah untuk menilai potensi likuifaksi.

Modul GeoStudio yang relevan digunakan.

SEEP/W: Untuk analisis aliran air dalam tanah dan tekanan pori.
SLOPE/W: Untuk analisis stabilitas lereng.
QUAKE/W: Untuk analisis respons gempa struktur.
SIGMA/W: Untuk analisis tegangan dan deformasi.

Tips Tambahan

Kalibrasi Model: Kalibrasi model dengan data hasil pengujian lapangan atau data monitoring bendungan yang ada.
Sensitivitas Analisis: Lakukan analisis sensitivitas untuk mengetahui pengaruh perubahan parameter material dan beban terhadap hasil analisis.

Perbandingan dengan Metode Lain: Bandingkan hasil analisis GeoStudio dengan hasil analisis yang diperoleh menggunakan metode lain dan software lain seperti Geo5 untuk verifikasi.

Contoh Analisis Sederhana

Model 2D: Buat model 2D sederhana yang mewakili penampang melintang bendungan.
Material: Tentukan parameter material untuk bendungan dan tanah dasar.
Beban Gempa: Terapkan spektrum respons gempa yang sesuai.
Analisis Modal: Hitung frekuensi dan mode getar alami.
Analisis Respons: Hitung perpindahan maksimum dan faktor keamanan terhadap longsor.

Penting: Analisis gempa dinamik pada bendungan merupakan pekerjaan yang kompleks dan membutuhkan pemahaman yang mendalam tentang geoteknik, struktur, dan gempa bumi. Sebaiknya konsultasikan dengan ahli geoteknik dan struktural yang berpengalaman.

Perlu diingat bahwa ini adalah panduan umum. Langkah-langkah yang spesifik dapat bervariasi tergantung pada kompleksitas model, peraturan yang berlaku, dan tujuan analisis.