Millennium Tower – Bangunan Tinggi yang Tenggelam (Part 3)

Millennium Tower Tampak Dari Bawah

Tulisan ini merupakan kelanjutan dari tulisan sebelumnya di link berikut:
Millennium Tower – Bangunan Tinggi yang Tenggelam (Part 1)
Millennium Tower – Bangunan Tinggi yang Tenggelam (Part 2)

——————————————————
Catatan bahwa banyak informasi yang didapatkan pada artikel di bawah didapat dari 2 tulisan berikut:
1. Hamburger et al – Stabilizing San Francisco’s Leaning Tower (Structuremag.org)
2. Hamburger et al – The Millennium Tower Perimeter Pile Update – 2020 LATBSDC Conference
Gambar – gambar di artikel ini juga banyak yang merupakan karya SGH consulting yang penulis dapatkan dari beberapa sumber, dan bukan karya penulis.
—————————————————–

Pasca Hasil Safety Evaluation
Follow-up artikel sebelumnya mengenai safety evaluation bangunan Millennium Tower, dapat disimpulkan bahwa penurunan bangunan tidak memperburuk respons bangunan terhadap gempa lebih dari beberapa persen saja. Bahkan tim SGH meng-informasikan jika settlement dan kemiringan yang terjadi digandakan atau dikalikan tiga maka efek yang terjadi terhadap performa struktur masih cukup minor. Tim SGH menyimpulkan bahwa respons global bangunan akibat gempa memenuhi kriteria penerimaan di PEER TBI, dan respons lokal dari elemen struktur juga masih dapat diterima, kecuali untuk plastic rotation pada outrigger coupling beam seperti yang dijelaskan di artikel sebelumnya. Untuk masalah outrigger coupling beam ini, tim SGH telah memodifikasi model struktur PERFORM3D sedemikian rupa sehingga elemen outrigger coupling beam dapat dimodelkan kehilangan semua kekuatan dan kekakuannya setelah nilai limitnya tercapai, dan hasilnya respons global bangunan tetap masih dapat diterima seusai standard yang berlaku serta tidak ada elemen lain yang kelebihan beban. Sehingga kesimpulan akhir safety evaluation tetap, bahwa pengaruh penurunan dan kemiringan bangunan yang terjadi terhadap keamanan gedung sesungguhnya dapat diabaikan.

Hasil dari tim SGH ini di review oleh tim ahli independent yang diketuai oleh Professor dari Stanford University. Dari debat yang panjang dan tanya jawab yang sangat lama, akhirnya tim review setuju dengan analisa akhir tim SGH untuk safety evaluation Millennium Tower (dapat dilihat di sini).

Analisa dari Konsultan Independent Lain
Pada 2016, Millennium Tower Homeowners Association juga men-hire konsultan struktur LERA untuk mengevaluasi masalah tersebut. Tim LERA membuat model bangunan dan pondasi dengan ETABS model, dimana pile dan soil di-representasikan sebagai spring / pegas. Insinyur struktur menetapkan kekakuan spring pada tiang pile yang memperhitungkan pola tipikal penurunan pada fondasi bangunan sesuai hasil pengukuran, sehingga pile perimeter lebih kaku daripada pile di tengah raft. Model ini memprediksi beban aksial berlebihan pada pile di perimeter bangunan dan beban yang lebih rendah pada pile di tengah / interior. Hasil dari analisa ini menyimpulkan bahwa banyak pile yang mengalami tegangan struktur berlebih terutama saat gempa MCE terjadi, sehingga diperlukan perkuatan pondasi yang cukup massif.

Hal ini cukup berbeda dengan pendekatan yang dilakukan oleh tim SGH, dimana mereka melakukan evaluasi pondasi dengan metode LRFD. Metode LRFD memperbolehkan struktur pile mengalami plastifikasi sehingga redistribusi gaya terjadi. Hal ini dilakukan dengan memodelkan nonlinear spring stiffness yang juga mempertimbangkan nonlinearitas dari material pile.

Sayangnya, detail analisa dari LERA penulis tidak temukan, sehingga penjelasan lebih jauh mengenai metode yang mereka kerjakan tidak bisa dijelaskan lebih detail pada artikel ini.

Proposed Perbaikan dari Konsultan LERA
Seperti yang dijelaskan sebelumnya, tim LERA merasa bahwa kapasitas pile secara struktur kurang sehingga butuh perkuatan terutama di bagian exterior pile karena beban yang lebih besar. Proposed retrofit yang diajukan memerlukan pemasangan beberapa ratus tiang pancang baru dengan end bearing menembus colma sand sampai bedrock (lihat figure 1). Pondasi ini dipasang menembus pondasi raft setebal 2.5 meter dan dirancang untuk mengambil beberapa beban bangunan. Pondasi tambahan pile ini juga dilengkapi dengan jacking prestress yang dapat mendongkrak pondasi raft secara pelan – pelan dan berurutan untuk range waktu selama beberapa tahun, agar dapat memulihkan kemiringan yang telah terjadi. Lokasi tiang pancang tambahan ini dipilih secara strategis sehingga existing tulangan pada pondasi raft dapat tetap memadai, bahkan dengan mempertimbangkan banyaknya penetrasi di pondasi raft di-ikuti pemotongan baja tulangan eksisting, yang diperlukan untuk memasang tiang tambahan tersebut.

Layout proposed tambahan tiang panjang dari tim LERA ditunjukkan sebagai berikut (sayang file-nya hasil scan, sehingga kurang jelas) :

Figure 1 – Proposed Tambahan Pile Dari Tim LERA

Skema ini memiliki beberapa kelebihan yaitu bentuknya yang cukup regular sehingga diyakini lebih baik untuk response gempa, selain itu diduga tambahan settlemen akibat gangguan pada tanah saat pekerjaan tambahan pondasi ini, akan minim efeknya terhadap tambahan kemiringan bangunan.

Namun skema ini memiliki kekurangan utama yaitu biaya yang diproyeksikan untuk pekerjaannya menjadi sangat tinggi. Biaya yang tinggi ini terkait dengan kesulitan memasang pondasi tambahan yang panjangnya sekitar 75 meter (sampai bedrock) mengingat ketinggian lantai hanya 2.5 meter floor to floor di basement. Pilihan yang jelas untuk mengurangi biaya retrofit ini adalah dengan memindahkan tiang pancang tambahan menjadi luar gedung, yaitu di sekelilingnya.

Proposed Perbaikan dari Konsultan SGH
Akses ke perimeter pondasi hanya tersedia di dua sisi, sisi utara (North) sepanjang Mission Street dan sisi barat (West) sepanjang jalan Fremont. Sisi timur berbatasan langsung dengan pondasi struktur podium mid-rise dan terminal Transbay (Salesforce) berada di sisi selatan, sehingga tambahan pondasi sulit dilakukan di sisi ini.

Perhitungan jumlah dan maksimum gaya aksial yang bisa diberikan pada tambahan pondasi pile di sisi NorthWest didasarkan pada kapasitas momen dan gaya geser maksimum pada existing raft footing. Hal ini dikarenakan retrofit pada raft footing sebisa mungkin dihindari akibat sulitnya pekerjaan tersebut. Dari perhitungan didapat bahwa tambahan pile dengan jarak sekitar 1.5 meter (5 feet) dari ujung raft dan spasi antar pile 1.8 meter (6 feet) dapat menahan masing – masing 3550 kN (800 kips). Tambahan pile totalnya sekitar 52 tiang, dimana 23 tiang berada di sepanjang sisi North dan 29 tiang sepanjang sisi west (lihat Figure 2 berikut).

Figure 2 – 3D View dan Plan View Proposed Tambahan Pile Dari Tim SGH

Goteknik konsultan membuat model 3D dengan perangkat lunak FLAC3D (Figure 3). Pembebanan pada model dilakukan secara bertahap, yang mencerminkan peningkatan bertahap berat pada bangunan saat bangunan dikonstruksi dan ditempati. Parameter geoteknik dikalibrasi terhadap record penurunan bangunan yang telah terukur, sehingga kontur penurunannya bisa sesuai antara model dan yang terjadi dilapangan. Terakhir Jacking System pada tiang pancang retrofit sebesar 3550 kN per-pile disimulasikan pada model FLAC3D.

Pemodelan FLAC3D menunjukkan bahwa 52 tiang pile tambahan akan cukup untuk menghilangkan deformasi primary consolidation pada Old Bay Clays, dan juga mengurangi secondary compression di sepanjang sisi North West ke tingkat penurunan yang dapat diabaikan (terlalu kecil). Sementara itu, konsolidasi masih sengaja dimungkinkan berlanjut di sisi East dan South. Dengan ini, diharapkan deformasi vertical secara efektif berhenti sepanjang jalan Fremont dan Mission dan memungkinkan pemulihan kemiringan bertahap dari waktu ke waktu akibat tambahan penurunan di sisi East South. Hasil analisis menunjukkan kemungkinan pemulihan kemiringan sekitar setengahnya dari hasil jacking pondasi, setelah itu potensi pemulihan semua kemiringan seiring waktu.

Figure 3 – 3D Model FLAC3D untuk Analisa Pile dan Penurunan

Masalahnya dari asumsi ini, adalah ketidakpastian apakah sisi East South akan mengalami penurunan, sementara seperti yang kita ketahui di artikel sebelumnya (baca part 1), sisi South (lokasi Transbay) terdapat Buttress Wall dengan toe level sampai bedrock yang kemungkinan dapat menghentikan tambahan penurunan deformasi konsolidasi di lokasi ini. Jika seandainya hal terbalik justru terjadi, sisi East South ternyata tidak settle dan tambahan tiang di sisi North West tetap turun, nilai gaya aksial di tiang retrofit bisa bertambah sampai 6200 kN per-pile yang merupakan limit untuk kekuatan raft pondasi. Hal ini tentu sangat tidak di-inginkan karena kegagalan non-ductile geser pada raft bisa terjadi.

Oleh karenanya, detailing amat penting pada retrofit pondasi ini. Diperlukan detail yang bisa di-adjust beban yang masuk ke tiang pile retrofit agar lebih dari 3550 kN dan kurang dari 6200 kN. Proposed detail yang diajukan oleh tim SGH adalah sebagai berikut (klik dulu, baru zoom untuk memperbesar).

Figure 4 – Jacking Pile Details dan Sambungan Antara Pile dan Existing Raft

Seperti yang dilihat pada gambar diatas, shear key dipasang pada tepi bawah pondasi raft yang dibobok untuk mengekspos tulangan lentur. Mechanical coupler digunakan untuk memperpanjang tulangan bawah agar dapat masuk ke pondasi raft yang baru. Beberapa epoxy dowel digunakan untuk memastikan bahwa kekuatan geser dari sambungan melebihi kapasitas lentur sambungan, sehingga perilaku daktail di-antisipasi jika terjadi beban berlebih. Beban pada eksisting raft dipindahkan ke tiang pile baru melalui dongkrak hidrolik (hydraulic jacks) yang ditempatkan di bagian atas tiang pile, seperti yang ditunjukkan pada Figure 4. Hydraulic jacks ini memberikan gaya dorong kebawah pada tiang pile dan gaya dorong ke atas pada balok girger baja diatas hydraulic jacks. Girder baja ini disambungkan ke pondasi raft baru dengan 4 buah high-strength threaded rods berdiameter 2½ inci. Diameter baja high-strength threaded rods ini dipilih sedemikian rupa sehingga gabungan ke-empat kekuatan lelehnya dibatasi sampai 4900 kN (1.100 kips), hal ini dilakukan dengan mempertimbangkan agar kegagalan geser pada pondasi raft tidak terjadi lebih dahulu (capacity design), seandainya terjadi beban berlebih yang terkait dengan penurunan yang tidak terprediksi atau gempa bumi besar yang tidak terduga, pembebanan pada tiang dibatasi oleh ductile yield baja rod sebagai mekanisme sekering. Hydraulic jacks juga memiliki kemampuan kunci mekanis serta pengaturan kembali gaya jacking force jika diperlukan untuk menambah atau mengurangi beban pada tiang pile. Sebuah bangunan pelindung juga dibangun di sekitar hydraulic jacks dengan akses berupa man hole untuk memungkinkan monitoring nantinya jika diperlukan (lihat figure 4).

Retrofit pile pada Millennium Tower ini dimaksud untuk mengurangi tegangan pada tanah consolidated clay layer dan mentransfer gayanya ke bedrock. Adalah sangat penting untuk memastikan tiang pile tambahan ini tidak justru memberikan beban kembali ke tanah consolidated clay atau beban di layer diatasnya. Figure 5 mengilustrasikan desain tiang pancang, yang terdiri dari casing pipa baja berdiameter 24 inch (610mm) yang diisi beton, dengan reinforcement berupa single baja ulir berongga diameter 103mm high-strength steel yang juga berfungsi sebagai tremie. Dimensi pile yang memanjang sampai batuan dasar yaitu beton bertulang berdiameter 20 inch tanpa casing yang mentransfer beban melalui friction di bedrock (lihat section 2 pada figure 5). Di atas layer consolidated clay, tiang pancang berdiameter 24 inch dipasang dengan tambahan casing baja luar berdiameter 36 inch. Gap antara casing baja dalam 24 inch dan luar 32 inch di-isi dengan material low-strength controlled-density fill hanya setelah beban jack telah diberikan ke tiang, hal ini untuk mencegah tambahan beban di layer tanah ini (lihat figure 5). Permukaan luar casing berdiameter 24 inci juga dilapisi dengan bahan licin pengurang gesekan untuk meminimalkan tambahan beban di layer Old Bay Clay dibawah layer Colma Sand (lihat figure 5). Panjang penetrasi ke dalam bedrock dan ke-efektifan lapisan licin pengurang gesekan dikonfirmasi dengan indicator test pile, yang di-uji dengan Osterberg Cell yang ditempatkan di-bagian pile tanpa casing berdiameter 20 inch. Test indicator pile ini juga menggunakan beberapa strain gage dan fiber-optic strain measurement yang di-install sepanjang tiang.

Figure 5 – Detail Retrofit Pile Dengan Casing 36 inch dan 24 inch Untuk Meminimalisir Transfer Gaya ke Layer Consolidated Clay

Dari kedua metode proposed konsultan LERA dan SGH, akhirnya metode SGH yang dipilih dengan pertimbangan biaya dan kemudahan pekerjaan. Metode pekerjaan dan report calculation telah di submit ke dewan building audit dari San Francisco, dan telah melalui berbulan – bulan evaluasi dan tanya jawab secara teknikal sehingga akhirnya disetujui.

Konstruksi dan Isu Terkait Pelaksanaan
Konstruksi dimulai pada Oktober 2020, dengan target penyelesaian dijadwalkan pada Oktober 2022. Tiang pancang retrofit nantinya akan di-jacking di semua tiang secara bersamaan dengan step peningkatan beban 445 kN (100 kip) dan ditahan selama 24 jam, yang mana waktu tersebut digunakan untuk evaluasi dan peninjauan respon bangunan terlebih dahulu sebelum dilanjutkan ke step berikutnya.

Monitoring proyek secara berkelanjutan akan dilakukan selama minimal 10 tahun setelah konstruksi selesai. Instrumentasi pada pile yang terus ditinjau meliputi load cell pada setiap pile, penurunan pada pondasi raft, piezometer dan ekstensometer pada lubang bor, dan titik survei kemiringan pada fasad dan atap bangunan. Seperti disebutkan sebelumnya, beban pada Hydraulic jacks masih dapat disesuaikan sesuai kebutuhan jika diperlukan mempengaruhi perilaku bangunan dan distribusi gaya.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, tim desain SGH telah menyadari bahwa pada proses pelaksanaan konstruksi tambahan pile, diduga akan terjadi tambahan penurunan pada bangunan. Hal ini dikarenakan ada 2 kemungkinan yaitu:

1. Saat instalansi pile tanah dibawah pondasi Raft berpindah / bergerak sehingga menyebabkan tambahan penurunanan;
2. Metode pekerjaan instalansi membuat vibrasi ke tanah colma sand yang membuat pasir terkompaksi dan akhirnya terjadi penurunan;

Nilai besarnya penurunan yang terjadi saat pelaksanaan baru – baru ini ditunjukkan oleh monitoring berikut:

Dari gambar diatas terlihat bahwa saat pekerjaan tambahan pile terjadi percepatan penurunan, namun nilainya masih sangat jauh dari total penurunan yang telah terjadi. Jika hasil safety evaluation menunjukkan bahkan dengan 2 sampai 3 kali kemiringan-pun performance struktur bangunan masih baik saat terjadi gempa MCE, rasanya tidak ada ada ruang untuk menyatakan bahwa hanya karena tambahan penurunan akibat konstruksi pile seperti dilihat di gambar atas, bangunan menjadi tidak aman. Selain itu, pekerjaan ini perlu untuk dilanjutkan agar nantinya jacking force pada pile bisa dikerjakan dan memperbaiki kemiringan pada bangunan, yang membuat bangunan menjadi lebih aman.

Pembelajaran dari Kasus Ini
Menurut penulis, ada banyak pembelajaran yang bisa diambil dari kasus ini, yaitu minimal:

1. Hanya karena pondasi yang berhenti di layer keras (dalam kasus ini layer Colma Sand) itu biasa dilakukan, tetap evaluasi yang menyeluruh perlu dilakukan terutama jika masih ada tanah consolidated clay di bawah tanah keras tersebut;
2. Proses excavasi dan dewatering di sekitar bangunan eksisting dapat menggangu performa pondasinya, cut of wall dan stiff retaining wall sangat diperlukan agar meminimalisir pengaruh galian ke bangunan sekitar;
3. Pier review baik bangunan struktur maupun geoteknik sangat diperlukan untuk menghindari kesalahan dalam desain;
4. Evaluasi ke-amanan bangunan akibat kemiringan perlu analisis konverhensif. Nonlinear analysis lebih cocok untuk evaluasi ini untuk menghindari over-conservative pada analisa linear elastic;
5. Proposed retrofit strategi mungkin memerlukan lebih dari satu konsultan agar didapat masukan menyeluruh dan opsi yang lebih optimal secara biaya;
6. Jangan terlalu percaya dengan media massa, terutama mengenai hal yang sangat complicated seperti kasus ini, perlu pengetahuan yang mendalam mengenai enjiniring agar dapat menilai apa yang terjadi, dan dipastikan pihak media tidak memiliki SDM dengan pengetahuan itu;
7. Structural and Geotechnical Engineer is a very risky job. A bad thing can happen all the time, prepare yourself !

—————– END —————–

Referensi:
1. Hamburger et al – Stabilizing San Francisco’s Leaning Tower (Structuremag.org);
2. Hamburger et al – The Millennium Tower Perimeter Pile Update – 2020 LATBSDC Conference;
3. SGH Drawings and Structural Analysis Report;
4. SF City Goverment Website
5. All internet media.

Artikel terkait Part 1 dan Part 2:
Millennium Tower – Bangunan Tinggi yang Tenggelam (Part 1)
Millennium Tower – Bangunan Tinggi yang Tenggelam (Part 2)

Artikel terkait kegagalan struktur:
Runtuhnya Jembatan Metro Mexico May 2021
Runtuhnya Jembatan Cable Stayed Chirajara di Colombia
Runtuhnya Jembatan di Miami USA
Ronde 2 Investigasi Keruntuhan FIU Bridge – Kisah 2 mm Beton Yang Mungkin Bisa Menyelamatkan Keruntuhan
Belajar Dari Kegagalan – Opal Tower
Pembelajaran Dari Kegagalan di Gempa Christchurch 2011 New Zealand