Penelitian yang dilakukan oleh Ahmad Asaadi dan Mohammad Sharifipour, dosen dari Departemen Teknik Sipil Universitas Razi, Iran, hadir sebagai kontribusi penting dalam upaya memahami fenomena likuifaksi tanah dan interaksinya dengan fondasi tiang tunggal. Artikel berjudul "Numerical simulation of liquefaction susceptibility of soil interacting by single pile" yang diterbitkan pada Juni 2015 di International Journal of Mining and Geo-Engineering (IJMGE) ini menyajikan analisis mendalam tentang perilaku dinamis sistem tanah-tiang selama gempa bumi dengan fokus khusus pada kerentanan terhadap likuifaksi.
Latar Belakang dan Signifikansi Penelitian
Likuifaksi tanah telah lama dikenal sebagai salah satu penyebab utama kegagalan struktur selama gempa bumi besar. Catatan sejarah dari berbagai gempa bumi signifikan seperti Niigata (1964), Loma-Prieta (1989), Kobe (1995), dan Tohoku (2011) menunjukkan bahwa likuifaksi menyebabkan kerusakan parah pada banyak struktur yang didukung oleh fondasi tiang. Mengingat konsekuensi serius dari fenomena ini, kemampuan untuk memprediksi potensi ketidakstabilan yang disebabkan oleh peningkatan tekanan air pori menjadi pertimbangan penting dalam desain fondasi dalam yang tahan terhadap gempa.
Asaadi dan Sharifipour menekankan bahwa pengalaman lapangan dari gempa bumi masa lalu mengindikasikan bahwa likuifaksi umumnya terjadi pada kedalaman kurang dari 15 meter. Pemahaman tentang batasan kedalaman ini menjadi dasar untuk parameter model yang digunakan dalam penelitian mereka.
Metodologi dan Pendekatan Numerik
Penelitian ini menggunakan pendekatan simulasi numerik melalui metode elemen hingga dengan program FLAC2D. Para peneliti mengembangkan model dua dimensi dengan menggunakan konstitutif Mohr-Coulomb elastoplastis nonlinear untuk mewakili perilaku tanah dan elemen elastis linear untuk tiang beton.
Geometri model terdiri dari 600 zona dalam 12 baris dan 50 kolom dengan dimensi 60 m secara lateral dan 15 m secara vertikal. Tiang dimodelkan dengan 12 elemen dengan tiga derajat kebebasan (dua perpindahan dan satu rotasi) pada setiap node, dan ditetapkan pada bagian bawah dalam kedua arah translasi dan rotasi untuk mensimulasikan tiang ujung tetap.
Salah satu aspek penting dari penelitian ini adalah pemodelan interaksi tanah-tiang melalui elemen antarmuka yang tersedia dalam perangkat lunak FLAC2D. Elemen-elemen ini dimodelkan melalui pegas penghubung geser dan normal, yang dipilih sekitar sepuluh kali kekakuan ekuivalen dari zona tetangga yang paling kaku.
Untuk mensimulasikan likuifaksi, peneliti menggunakan model Finn yang tersedia di FLAC2D, yang menggabungkan persamaan empiris Byrne (1991) ke dalam model plastisitas Mohr-Coulomb standar. Model ini memungkinkan perhitungan tekanan air pori berlebih selama pembebanan gempa dengan mengukur regangan volumetrik yang tidak dapat dipulihkan.
Parameter Studi dan Variasi Model
Penelitian ini mempertimbangkan tiga jenis tanah dengan kepadatan relatif berbeda:
- Pasir lepas (Dr = 35%)
- Pasir semi-padat (Dr = 55%)
- Pasir padat (Dr = 75%)
Selain itu, tiga riwayat waktu gempa bumi yang tercatat dengan frekuensi predominan berbeda diterapkan pada dasar model:
- Gempa Kocaeli (Turki) dengan frekuensi predominan 0,29 Hz
- Gempa Kobe (Jepang) dengan frekuensi predominan 0,95 Hz
- Gempa Bam (Iran) dengan frekuensi predominan 4,1 Hz
Setiap riwayat waktu percepatan gempa bumi diskalakan sebagai 0,2g dan 0,4g untuk nilai percepatan puncak, memungkinkan analisis pengaruh intensitas gempa.
Temuan Utama
1. Pengaruh Kepadatan Relatif Tanah
Hasil simulasi menunjukkan bahwa kerentanan likuifaksi tanah menurun dengan kedalaman seiring dengan peningkatan kepadatan relatif tanah. Untuk semua kasus, ditemukan bahwa kerentanan likuifaksi pada kedalaman rendah lebih tinggi dibandingkan dengan kedalaman tinggi. Ketika kepadatan tanah meningkat, wilayah yang mengalami likuifaksi bergeser ke permukaan.
Temuan penting lainnya adalah bahwa tanah di sekitar tiang mengalami tekanan air pori berlebih yang lebih rendah, yang merupakan hasil dari deformasi geser yang lebih kecil karena efek perkuatan dari fondasi tiang. Di dekat tiang, jumlah maksimum rasio tekanan pori berlebih (Ru) kurang dari 0,95 dalam semua kasus, menunjukkan bahwa likuifaksi tanah secara teoritis tidak terjadi di sekitar tiang.
2. Pengaruh Amplitudo Maksimum Gempa
Gempa Kobe dengan dua amplitudo maksimum berbeda (PGA = 0,2g dan 0,4g) digunakan untuk menganalisis efek percepatan puncak gempa. Hasil menunjukkan bahwa tanah mengalami likuifaksi untuk kedua nilai amplitudo maksimum, tetapi inisiasi likuifaksi lebih cepat untuk PGA = 0,4g.
Perpindahan horizontal pada kepala tiang dan sejarah waktu penurunan tanah di sekitar tiang juga dianalisis. Seperti yang diharapkan, dengan meningkatnya amplitudo maksimum gempa, deformasi meningkat baik secara horizontal maupun vertikal. Perpindahan horizontal maksimum pada kepala tiang adalah 34 mm untuk PGA = 0,2g dan 44 mm untuk PGA = 0,4g (nilai puncak absolut). Penurunan tanah di sekitar tiang setelah goncangan adalah 13 mm (untuk PGA = 0,2g) dan 15 mm (untuk PGA = 0,4g), yang secara signifikan lebih kecil daripada nilai-nilai untuk lapangan bebas, masing-masing 80 dan 100 mm.
3. Pengaruh Frekuensi Predominan Gempa
Tiga riwayat waktu gempa bumi yang berbeda (Kocaeli, Kobe, dan Bam) dengan frekuensi predominan berbeda (0,29, 0,95, dan 4,1 Hz) diterapkan pada model untuk mempertimbangkan efek konten frekuensi.
Hasil menunjukkan bahwa kerentanan likuifaksi tanah untuk kedua area, di dekat tiang dan lapangan bebas, menurun ketika nilai frekuensi predominan gempa meningkat, dan tingkat disipasi meningkat dengan peningkatan frekuensi. Waktu utama di mana perubahan utama dalam tekanan air pori dimulai tidak berkorelasi dengan frekuensi predominan gempa, tetapi sepenuhnya bergantung pada peningkatan pertama dalam amplitudo gempa.
Hasil perhitungan juga menunjukkan bahwa frekuensi yang lebih rendah menyebabkan deformasi yang lebih besar baik secara horizontal maupun vertikal. Perpindahan horizontal maksimum kepala tiang dan penurunan maksimum tanah di sekitarnya terjadi pada gempa Kocaeli dan masing-masing sama dengan 170 mm dan 24 mm (nilai puncak absolut).
Implikasi untuk Desain Fondasi Tahan Gempa
Temuan dari studi ini memiliki implikasi penting untuk desain fondasi dalam yang tahan terhadap gempa, terutama di daerah dengan potensi likuifaksi tinggi. Beberapa implikasi utama meliputi:
- Efek Perkuatan Tiang: Hasil simulasi menunjukkan bahwa kehadiran tiang dapat mengurangi potensi likuifaksi di sekitar tiang. Ini menunjukkan bahwa fondasi tiang dapat memberikan beberapa perlindungan terhadap likuifaksi dengan mencegah deformasi geser besar melalui perkuatan tanah.
- Pertimbangan Kedalaman: Karena likuifaksi lebih mungkin terjadi pada kedalaman yang lebih rendah, insinyur harus memberikan perhatian khusus pada lapisan tanah dangkal saat mendesain fondasi tiang di daerah rawan gempa.
- Pemilihan Parameter Gempa: Amplitudo dan frekuensi gempa memiliki pengaruh signifikan terhadap perilaku sistem tanah-tiang. Insinyur harus mempertimbangkan karakteristik gempa bumi lokal saat mengevaluasi kerentanan likuifaksi dan mendesain fondasi tahan gempa.
- Reduksi Penurunan: Fondasi tiang dapat secara signifikan mengurangi penurunan tanah selama gempa bumi, yang merupakan pertimbangan penting untuk stabilitas struktur.
Keterbatasan dan Arah Penelitian Masa Depan
Meskipun studi ini memberikan wawasan berharga tentang kerentanan likuifaksi tanah yang berinteraksi dengan tiang tunggal, beberapa keterbatasan perlu diakui:
- Model ini menggunakan simulasi dua dimensi, yang mungkin tidak sepenuhnya menangkap perilaku tiga dimensi kompleks dari sistem tanah-tiang selama gempa bumi.
- Studi ini tidak menemukan hubungan yang signifikan antara frekuensi predominan gempa dan deformasi objektif, yang mungkin disebabkan oleh karakteristik seismik lain seperti intensitas Arias atau durasi signifikan. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menyelidiki hubungan ini.
- Model tidak mempertimbangkan efek dari kelompok tiang atau struktur atas, yang dapat mempengaruhi respons dinamis sistem secara keseluruhan.
Arah penelitian masa depan dapat mencakup:
- Pengembangan model tiga dimensi untuk simulasi yang lebih realistis
- Penyelidikan pengaruh karakteristik seismik lainnya seperti intensitas Arias atau durasi signifikan
- Analisis respons kelompok tiang dan interaksinya dengan struktur atas
- Validasi model numerik dengan pengujian laboratorium atau data lapangan
Kesimpulan
Studi yang dilakukan oleh Asaadi dan Sharifipour memberikan kontribusi signifikan untuk pemahaman kita tentang kerentanan likuifaksi tanah yang berinteraksi dengan tiang tunggal selama gempa bumi. Melalui serangkaian simulasi numerik, mereka menunjukkan bahwa kerentanan likuifaksi tanah dipengaruhi oleh kepadatan relatif tanah, amplitudo maksimum gempa, dan frekuensi predominan gempa.
Secara khusus, mereka menemukan bahwa tiang dapat secara efektif mengurangi potensi likuifaksi di sekitarnya dengan mencegah deformasi geser besar melalui perkuatan tanah. Hasil ini memiliki implikasi praktis untuk desain fondasi dalam yang tahan terhadap gempa, terutama di daerah dengan potensi likuifaksi tinggi.
Meskipun model numerik yang digunakan dalam studi ini memiliki beberapa keterbatasan, pendekatan yang digunakan memberikan dasar yang kuat untuk penelitian lebih lanjut tentang interaksi kompleks antara tanah yang mengalami likuifaksi dan fondasi tiang selama gempa bumi.
Dengan meningkatnya frekuensi dan intensitas peristiwa seismik di seluruh dunia, penelitian semacam ini menjadi semakin penting untuk pengembangan pedoman desain yang lebih baik untuk infrastruktur tahan gempa, yang pada akhirnya dapat membantu mengurangi kerugian akibat gempa bumi di masa depan.
Sumber: Asaadi, A., & Sharifipour, M. (2015). Numerical simulation of liquefaction susceptibility of soil interacting by single pile. International Journal of Mining and Geo-Engineering, 49(1), 47-56.