Prosiding Seminar Nasional Teknik Sipil 1 (SeNaTS 1) Tahun 2015 Sanur - Bali, 25 April 2015

Transkripsi

1 Prosiding Seminar Nasional Teknik Sipil 1 (SeNaTS 1) Tahun 2015 Sanur - Bali, 25 April 2015 ANALISIS PERBANDINGAN EFISIENSI STRUKTUR BAJA DENGAN SISTEM RANGKA PEMIKUL MOMEN KHUSUS DAN SISTEM RANGKA BRESING EKSENTRIK PADA LEVEL KINERJA YANG SAMA I Ketut Sudarsana 1, Ida Ayu Made Budiwati 1, dan I Gede Juliarta 2 1 Jurusan Teknik Sipil, Universitas Udayana-Bali ksudarsana@civil.unud.ac.id 2 Alumni Jurusan Teknik Sipil, Universitas Udayana-Bali ABSTRAK Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui perbandingan efisiensi antara struktur baja dengan Sistem Rangka Pemikul Momen Khusus (SRPMK) dan struktur baja dengan Sistem Rangka Bresing Eksentrik (SRBE) pada level kinerja yang sama yaitu Life Safety. Perbandingan ini ditinjau dari berat material baja yang diperlukan, simpangan, dan gaya geser seismik yang mampu dipikul masing-masing struktur. Sebanyak enam buah model struktur 3-Dimensi dibuat dan dianalisis dengan bantuan commercialsoftware. Adapun keenam model tersebut terdiri atas 3 buah model struktur SRPMK dan 3 buah model SRBE dengan variasi tingkat 4, 7, dan 10. Analisis yang dilakukan meliputi analisis linear untuk menghitung gaya-gaya dalam elemen struktur dan analisis nonlinear static pushover untuk mengevaluasi kinerja struktur yang telah didesain untuk mengetahui level kinerjanya mencapai life safety. Analisis nonlinear static pushover dilakukan setelah semua elemen struktur dari setiap model didesain untuk memenuhi beban-beban yang bekerja mengikuti standar yang berlaku pada SNI (Baja) dan SNI 1726:2012 (beban Gempa). Bangunan yang ditinjau dianggap berada pada wilayah dengan kategori desain seismik (KDS) D dengan fungsi sebagai perkantoran.hasil analisis menunjukan bahwa SRPMK memiliki nilai berat total material baja yang lebih besar dari SRBE pada level kinerja Life Safety. Pada struktur 4, 7, dan 10 tingkat, SRPMK akan lebih berat berturut-turut sebesar 29,70 %, 26,42 %, dan 19,68 % dibandingkan dengan SRBE. Semakin tinggi tingkat gedung, perbedaan berat struktur semakin berkurang. Disamping itu, SRPMK juga memiliki nilai target perpindahan dan gaya geser seismik yang lebih besar dari SRBE baik pada Arah sumbu X maupun Y pada saat dicapainya level kinerja life safety. Kata kunci: kinerja struktur, life safety, pushover analysis,srbe,struktur baja, SRPMK, 1. PENDAHULUAN Penerapan analisis non-linear seperti analisis statik nonlinear pushover atau pushover analysis mulai banyak diterapkan dalam perencanaan struktur berbasis kinerja. Konsep perencanaan inimenjadi trend baru dalam mendesain struktur terhadap beban gempa atau dikenal denganperformance Based Earthquake Engineering (PBEE). Prosedur pushover analysis sesuai konsep PBEE telah diuraikan pada dokumen Applied Technology Council 40 (ATC-40) yaitu capacity spectrum method serta Federal Emergency Management Agency 356/440 (FEMA 356/440) yaitu displacement coefficient method. Menurut FEMA 356/440, level kinerja suatu struktur dapat dijadikan acuan dalam perencanaan berbasis kinerja dimana level kinerja struktur terdiri atas3 level kinerja, yaitu Immediate Occupancy, Life Safety, dan Collapse Prevention.Penentuan level kinerja suatu struktur diukur berdasarkan kriteria roof drift ratioatau driftyaitu rasio perpindahan horizontal atap dibagi dengan tinggi struktur dari taraf penjepitan. Dalam penentuan level kinerja Roof drift ratio dicari berdasarkan target perpindahan struktur yaitu perpindahan maksimum yang terjadi saat struktur menerima gempa rencana. Pada struktur bangunan tahan gempa, material baja banyak dipergunakan karena sifatnya yang daktail. Dalam SNI 1726:2013 diuraikan ada beberapa sistem struktur bangunan baja diantaranya sistem rangka pemikul momen (SRPM) dan sistem rangka bresing (SRB). Kinerja dari sistem-sistem struktur baja ini tentu berbeda terhadap pengaruh gempa. FEMA 356/440 mensyaratkan roof drift ratio untuk masing-masing level kinerja dari SRPM SM-49

2 I Ketut Sudarsana dan SRB seperti terlihat pada Tabel 1. Dalam suatu perencanaan struktur baja untuk bangunan gedung, pemilihan sistem struktur merupakan salah satu dari pilihan perencana setelah mempertimbangkan keuntungan dan kerugiannya. Penelitian ini bertujuan untuk membandingkan kinerja dan efisiensi penggunaan berat baja dari sistem struktur rangka pemikul momen khusus (SRPMK) dan sistem rangka bresing eksentrik (SRBE) tipe Inverted-V. Perbandingan dilakukan pada kondisi kinerja yang sama yaitu life safety seperti disyaratkan pada FEMA 356/440. Tabel 1. Kriteria roof drift ratio dari SRPM dan SRBE untuk menentukan level kinerja Level Kinerja SRPM SRB Immediate Occupancy 0% < Drift < 0.7% 0% < drift < 0.5% Life safety 1% < Drift < 2.5% 0.5% < Drift < 1.5% Collapse prevention 2.5% < Drift < 5% 1.5% < Drift < 2% 2. METODE ANALISIS Pemodelanstruktur Penelitian ini menganalisis struktur baja untuk gedung beraturan dengan panjang bentang 6 m pada Arah X dan Ydengan sistem rangka pemikul momen khusus (SRPMK) dan sistem rangka bresing eksentrik (SRBE)seperti terlihat masing-masing pada Gambar 1 dan 2. Gambar 1. Denah model struktur SRPMK (a), Portal model 10 tingkat Arah X (b), Arah Y (c) Gambar 2. Denah model struktur SRBE (a), Portal model 10 tingkat Arah X (b), Arah Y (c) Adapun variasi jumlah tingkat yang ditinjau adalah 4, 7, dan 10 tingkat untuk mewakili struktur tingkat rendah, menengah dan tinggi. Pada model SRBE, Tipe bresing berbentuk inverted V dengan panjang link diambil sebesar 300 mm sesuai hasil penelitian sebelumnya (Mustopo dan Mirza, 2006; Dwitama, 2013). Semua model struktur memiliki tinggi tingkat 4 m. Komponen struktur kolom dan balok menggunakan baja IWF dengan kuat leleh (fy) dan ultimit (fu) masing-masing 250 MPa dan 410 MPa. Modulus elastisitas baja (Es) MPa. SM-50

3 Analisa Perbandingan Efisiensi Struktur Baja dengan Sistem Rangka Pemikul Momen Khusus dan Sistem Rangka Bresing Eksentrik pada Level Kinerja yang sama Semua model yang ditinjau dibebani dengan beban mati tambahan sebesar 392 kg/m 2 pada lantai dan 320 kg/m 2 pada atap. Sedangkan beban hidup yang diperhitungkan untuk fungsi bangunan sebagai kantor 250 kg/m 2 pada lantai dan 100 kg/m 2 pada atap. Beban gempa rencana dihitung berdasarkan analisis beban gempa statik ekivalenmengacu pada SNI 1726:2012 untuk kategori desain seismikd.gaya gempa pada masing-masing tingkat dikerjakan pada masing-masing pusat massa tingkat dari struktur gedung. Analisis struktur dan desain Seluruh model SRPMK dan SRBE dianalisisdan didesain dengan bantuan software commercial SAP2000v15. Adapun desain elemen struktur dikontrol berdasarkan nilai stress ratio 0,95 sesuai dengan persyaratan Load Resistant Factor Design (LRFD).Secara umum diketahui bahwa kolom, balok, dan bresing pada lantai paling bawah merupakan yang paling kritis sehingga direncanakan memiliki stress ratio yang paling kritis pula yaitu mendekati 0,95. Setelah semua model telah memiliki kecukupan dimensi untuk memikul beban-beban yang bekerja, kemudian baru dilakukan analisis nonlinear static pushover untuk mengetahui bahwa dimensi elemen struktur yang dipilih mampu menghasilkan target kinerja yang diharapkan yaitu life safety. Dalam analisis statik nonlinear pushover, beban gravitasi dikerjakan terlebih dahulu kemudian beban horizontal monotonic secara bertahap dengan perbandingan yang tetap untuk setiap lantainya. Perilaku dari elemen struktur dalam memikul beban didefinisikan dengan terjadinya sendi plastis pada titik tertentu. Perilaku sendi plastis pada saat pembebanan mengikuti Gambar 3. Level kinerja bangunan dievaluasi berdasarkan kriteria roof drift ratio sesuai FEMA 356 seperti pada Gambar 4. Level kinerja Life Safety untuk SRPMK sebesar 2,5% transient dan 1% permanent sedangkan untuk SRBE 1,5% transient dan 1% permanent. Proses desain dan analisis untuk evaluasi kinerja dilakukan secara berulang hingga tercapai level kinerja yang sama dari masing-masing strukturyaitu level kinerja Life Safety. Setelah tercapai level kinerja yang sama yaitu life safety dari masingmasing model. Perbanding antara SRPMK dan SRBE dilakukan setelah model struktur mencapai level kinerja yang sama. Gambar 3. Perilaku sendi plastis Gambar 4. Ilustrasi roof drift ratio 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Dimensi komponen struktur Hasil desain struktur berupadimensikomponen struktur (balok, kolom, dan bresing) yang telah memenuhi persyaratan LRFDdengan stress ratio 0,95 seperti terlihat pada Tabel 2. Kolom, balok, dan bresing pada lantai paling bawah memiliki stress ratio paling kritis yaitu paling mendekati 0,95. Setelah dimensi semua model struktur yang ditinjau memenuhi, analisis static nonlinear pushover dilakukan untuk mendapatkan level kinerja yang sama untuk semua model struktur yaitu life safety. SM-51

4 Model SRPMK SRBE Tabel 2. Dimensi komponen struktur untuk masing-masing model Tingkat Rentang Kolom Kolom Balok Balok Balok Link Tingkat Pinggir Tengah Induk Anak Di Luar Link Bresing HP 14x102 HP 16x141 S 12x50 S 10x HP 16x162 HP 18x204 S 15x50 S 10x HP 10x57 HP 16x121 S 12x50 S 10x HP 16x183 HP 18x204 S 18x54,7 S 10x HP 14x117 HP 18x204 S 18x54,7 S 10x HP 14x89 HP 16x101 S 10x35 S 10x HP 8x36 HP 12x63 S 10x35 S 10x35 S 10x35 S 10x35 HP 10x HP 10x42 HP 16x121 S 10x35 S 10x35 S 15x50 S 15x50 HP 10x HP 8x36 HP 10x57 S 10x35 S 10x35 S 10x35 S 10x35 HP 8x HP 12x53 HP 18x204 S 10x35 S 10x35 S 18x54,7 S 18x54,7 HP 10x HP 10x42 HP 16x101 S 10x35 S 10x35 S 12x50 S 12x50 HP 10x HP 8x36 HP 10x42 S 10x35 S 10x35 S 10x35 S 10x35 HP 8x36 Kurva pushover hasil analisis pushover Kurva hasil analisis pushover berupa kurva hubungan antara gaya geser dasar (V) dengan simpangan horizontal atap seperti terlihat pada Gambar 5 sampai 7 untuk masing-masing variasi jumlah tingkat yang ditinjau. Perilaku kurva pushover dari model struktur SRPMK untuk 4, 7, dan 10 tingkat memiliki kecendrungan yang sama, begitu juga untuk model struktur SRBE. Untuk model struktur SRPMK, gaya geser dasar terus meningkat sampai keruntuhan terjadi yang diidentifikasikan oleh terjadinya beberapa sendi plastis mencapai kondisi collapse. Hal ini berbeda dengan perilaku model struktur SRBE dimana setelah tercapai gaya geser maksimum, kemampuan struktur menahan beban naik-turun (jagness). Kondisi jagness dari kurva pushover model SRBE mungkin disebabkan adanya interaksi dari bresing. Bila dilihat dari kemiringan dalam menuju beban punvaknya, struktur SRBE memiliki kekakuan yang jauh lebih besar dari SRPMK untuk semua tingkat yang ditinjau. Untuk mencapai level kinerja yang sama yaitu life safety dari model struktur dengan dimensi-dimensi yang diperoleh hasil desain sesuai beban berlaku, terlihat bahwa deformasi horizontal SRPMK jauh lebih besar dari SRBE. Gambar 5. Perbandingan kurva pushovermodel SRPMK dan SRBE 4 tingkat dalam Arah X dan Y Gambar 6. Perbandingan kurva pushovermodel SRPMK dan SRBE 7 tingkat dalam Arah X dan Y Gambar 7. Perbandingan kurva pushovermodel SRPMK dan SRBE 10 tingkat dalam Arah X dan Y SM-52

5 Analisa Perbandingan Efisiensi Struktur Baja dengan Sistem Rangka Pemikul Momen Khusus dan Sistem Rangka Bresing Eksentrik pada Level Kinerja yang sama Dalam analisis static nonlinear pushover, keruntuhan dari model struktur dianggap terjadi apabila satu atau lebih sendi plastis yang terbentuk mencapai konsisi collape. Gambar 8-10 menunjukan sendi palstis pada salah satu portal arah X dan Y dari semua model struktur yang ditinjau pada kondisi batas. (a) SRPMK Portal 3-3 (b) SRPMK Portal B-B (c) SRBE Portal 1-1 (d) SRBE Portal A-A Gambar 8. Sendi plastis pada SRPMK dan SRBE pada kondisi batas untuk struktur 4 tingkat (a) SRPMK Portal 3-3 (b) SRPMK Portal B-B (c) SRBE Portal 1-1 (d) SRBE Portal A-A Gambar 9. Sendi plastis pada SRPMK dan SRBE pada kondisi batas untuk struktur 7 tingkat (a) SRPMK Portal 3-3 (b) SRPMK Portal B-B (c) SRBE Portal 1-1 (d) SRBE Portal A-A Gambar 10. Sendi plastis pada SRPMK dan SRBE pada kondisi batas untuk struktur 10 tingkat Perilaku elemen struktur pada SRBE sesuai dengan harapan dimana keruntuhan sendi plastis terjadi pada link element. Begitu pula model struktur SRPMK, keruntuhan terjadi pada ujung-ujung balok kecuali pada model 4 tingkat pada saat bersamaan keruntuhan juga terjadi di ujung bawah kolom pada tarap penjepitan. Sesungguhnya sendi plastis pada taraf penjepitan kolom diijinkan apabila sendi plastis telah terjadi pada semua ujung-ujung balok. Namun pada Gambar 8(a) dan (b) terlihat sendi plastis pada ujung-ujung balok atap belum seluruhnya terbentuk. Titik kinerja struktur (performance point) Titik kinerja struktur (performance point)dievaluasi berdasarkan metode displacement coefficient FEMA 356denganmencarinilai target perpindahan struktur. Target perpindahan dan besarnya gaya geser dasar pada saat tercapainya target perpindahan tersebut ditampilkan pada Tabel 3. SM-53

6 Tabel 3. Target perpindahan dan gaya geser dasar semua model dalam arah sumbu X dan Y pada kondisi performance point Parameter SRPMK 4 lantai SRPMK 7 lantai SRPMK 10 lantai SRBE 4 lantai SRBE 7 lantai SRBE 10 lantai X Y X Y X Y X Y X Y X Y C C C C Sa Te Vt (KN) Tabel 3 menunjukan bahwa struktur SRBE memiliki target perpindahan dan gaya geser dasar yang lebih rendah dari struktur SRPMK. Perbandingan persentase target perpindahan dan gaya geser dasar untuk masing-masing variasi jumlah tingkat dapat dilihat pada Gambar 8 hingga Gambar 11.Semakin tinggi jumlah tingkat suatu struktur maka persentase perbandingantarget perpindahan dan gaya geser dasar dari kedua sistem struktur ini semakin kecil, kecuali pada SRPMK 10 lantai arah Y dimana persentase perbandingan gaya geser dasarnya lebih besar dari SRPMK 7 lantai arah Y. Hal ini mungkin disebabkan oleh kontribusi mode yang lebih tinggi dan denah struktur yang lebih panjang dalam arah Y. Gambar 8. Perbandingan target perpindahan terhadap variasi tingkat dalam Arah X Gambar 9. Perbandingan target perpindahan terhadap variasi tingkat dalam Arah Y Gambar 10. Perbandingan gaya geser seismik terhadap variasi tingkat dalam Arah X Gambar 11. Perbandingan gaya geser seismik terhadap variasi tingkat dalam Arah Y Level kinerja struktur Level kinerja dari semua model struktur diukur berdasarkan roof drift ratio pada saat target perpindahan tercapai seperti terlihat pada Tabel 4. Sebagai contoh perhitungan diambil model struktur SRPMK 10 tingkat pada arah X dimana target perpindahan tercapai pada step 4 sebesar 6964,09 kn. Level kinerja kemudian didapat dari hasil perhitungan roof drift ratio sebagai berikut: Roof Drift Ratio = (1) =, = 0,0126 = 1,26 % SM-54

7 Analisa Perbandingan Efisiensi Struktur Baja dengan Sistem Rangka Pemikul Momen Khusus dan Sistem Rangka Bresing Eksentrik pada Level Kinerja yang sama Tabel 4. Roof drift ratio dan level kinerja pada semua model struktur Metode FEMA 356 SRPMK 4 lantai SRPMK 7 lantai SRPMK 10 lantai SRBE 4 lantai SRBE 7 lantai SRBE 10 lantai X Y X Y X Y X Y X Y X Y Vt (KN) Roof Drift Ratio (%) Level Kinerja LS LS LS LS LS LS LS LS LS LS LS LS Tabel 4 menunjukkan bahwa baik model struktur SRPMK maupun SRBE untuk ketiga tingkat yang ditinjau sudah mencapai level kinerja life safety mengacu pada ketentuan drift dari FEMA 356.Pada level kinerja yang sama (life safety), kemampuan struktur SRBE dalam memikul gaya gempa lebih kecil dari struktur SRPMK. Namun bila ditinjau pada kondisi simpangan yang sama pada saat tercapainya beban maksimum dari SRBE, gaya geser seismik dari SRPMK jauh lebih kecil seperti terlihat pada Gambar 5-7. Perbandingan material baja Berat material baja yang diperlukan pada masing-masing model struktur di berikan pada Tabel 5. Berat ini belum memasukan alat sambung yang diperlukan pada masing-masing model. Material yang diperlukan pada SRPMK kemudian dibandingkan terhadap kebutuhan material SRBE seperti terlihat pada Gambar 12. Hasil pada Tabel 4 dan Gambar 12 menunjukkan bahwa kebutuhan material baja pada SRPMK lebih banyak daripada SRBE pada level kinerja yang sama yaitu life safety. Hal ini menunjukan bahwa sistem struktur SRBE lebih ekonomis dalam hal penggunaan material baja. Disamping itu, Gambar 12 juga menunjukan bahwa semakin tinggi jumlah tingkat dari suatu gedung, maka selisih kebutuhan material bajanya semakin kecil. Semakin tinggi struktur SRBE, kekakuan semakin berkurang sehingga deformasi lateral semakin meningkat yang mengakibatkan tegangan yang terjadi pada elemen struktur meningkat. Meningkatnya tegangan ini memerlukan dimensi yang lebih besar pula sehingga berat total material baja juga meningkat. Pada struktur 4 lantai SRPMK akan lebih berat sebesar 29,70 % (45,18 ton) dibandingkan dengan SRBE. Pada struktur 7 lantai SRPMK akan lebih berat sebesar 26,42 % (75,54 ton) dibandingkan dengan SRBE. Dan pada struktur 10 lantai SRPMK akan lebih berat sebesar 19,68 % (83,39 ton) dibandingkan dengan SRBE. Tabel 5. Perbandingan berat material baja Gambar 12. Persentase perbandingan material baja kebutuhan 4. KESIMPULAN Dari hasil analisis dan pembahasan dapat diambil kesimpulan, bahwa perbandingan efisiensi antara struktur baja dengan Sistem Rangka Pemikul Momen Khusus (SRPMK) dan struktur baja dengan Sistem Rangka Bresing Eksentrik (SRBE) pada level kinerja yang sama yaitu Life Safety yang mengacu pada ketentuan SNI 1726:2012 adalah : 1. Pada level kinerja yang sama yaitu Life Safety, SRPMK memiliki target perpindahan dan gaya geser seismik yang lebih besar dari SRBE. Semakin tinggi jumlah tingkat maka persentase perbandingannya semakin kecil. 2. SRPMK memiliki nilai berat total material baja yang lebih besar dari SRBE pada level kinerja yang sama yaitu level kinerja Life Safety. Semakin tinggi jumlah tingkat maka persentase perbandingan material baja yang digunakan antara kedua struktur semakin kecil. SM-55

8 UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada pihak-pihak yang telah membantu dan memberikan masukan dalam proses penelitian dan penulisan karya ilmiah ini. DAFTAR PUSTAKA Applied Technology Council, Inc. (1996). Seismic Evaluation and Retroit Of Concrete Buildings Volume 1. California Seismic Safety Commission. California. Aziz, A. (2012). Studi Perilaku Sistem Rangka Baja K-Split EBF (Eccentrically Braced Frame) terhadap Beban Gempa dengan Analisis Pushover. Depok :Laporan Penelitian. Budiono, B., & Nidiasari. (2010). Kajian Numerik Perilaku Link Panjang dengan Pengaku Diagonal Badan pada Sistem Rangka Baja Berpengaku Eksentrik: Seminar dan Pameran HAKI. Dwi Tama, A. (2013). Analisis Pushover Struktur Rangka Bresing V-Terbalik Eksentrik dengan Panjang Link Bervariasi. Bukit Jimbaran : Laporan Penelitian. Federal Emergency Management Agency 356, Inc. (2000). Prestandard and Commentary for The Seismic Rehabilitation Of Buildings. California. Federal Emergency Management Agency 440, Inc. (2005). Improvement of Nonlinier Static Seismic Analysis Procedures. California. Moestopo, M. (2007). Beberapa Ketentuan Baru Mengenai Desain Struktur Baja Tahan Gempa: Seminar dan Pameran HAKI. Moestopo, M., &Mirza, A. (2006).Kinerja Link dengan Sambungan Baut pada Struktur Rangka Berpengaku Eksentrik. Jakarta : Seminar HAKI. Sulistiana, D. (2014). Analisis Pengaruh Penggunaan Bresing atau Dinding Geser terhadap Kinerja Struktur Rangka Baja Gedung Beraturan. Denpasar : Laporan Penelitian. SM-56