STUDI PEMODELAN INELASTIK DAN EVALUASI KINERJA STRUKTUR GANDA DENGAN MIDAS/Gen TM

Transkripsi

1 Konferensi Nasional Teknik Sipil I (KoNTekS I) Universitas Atma Jaya Yogyakarta Yogyakarta, Mei 2007 STUDI PEMODELAN INELASTIK DAN EVALUASI KINERJA STRUKTUR GANDA DENGAN MIDAS/Gen TM Yosafat Aji Pranata 1, Djoni Simanta 2 1 Dosen Jurusan Teknik Sipil, Universitas Kristen Maranatha, Jl. Suria Sumantri 65, Bandung, yosafat.ap@eng.maranatha.edu 2 Dosen Pascasarjana Magister Teknik Sipil, Universitas Katolik Parahyangan, Jl. Ciumbuleuit 94, Bandung, simanta@home.unpar.ac.id ABSTRAK Perencanaan struktur tahan gempa dengan sistem struktur ganda (interaksi antara sistem rangka pemikul momen dan shearwall) telah banyak dijumpai pada saat ini. Namun, pemodelan struktur dalam perencanaan berbasis kinerja untuk mengetahui kinerja bangunan pada sistem struktur ganda mengalami beberapa kendala, yaitu antara lain pemodelan properti sendi untuk elemen struktur shearwall. Software analisis dan desain struktur MIDAS/Gen TM memiliki fasilitas untuk memodelkan properti sendi tersebut. Dalam studi ini, gedung perkantoran beton bertulang dengan sistem struktur ganda, dua puluh lantai, dengan kategori gedung beraturan, akan didesain sesuai Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Bangunan Gedung (SNI ) dan Tata Cara Perhitungan Struktur Beton untuk Bangunan Gedung (SNI ), kemudian dilakukan evaluasi berbasis kinerja dengan menggunakan analisis pushover. Pemodelan properti sendi sesuai ATC-40 untuk elemen rangka dan shearwall. Evaluasi dilakukan terhadap dua model gedung yang didesain di wilayah gempa 4 dan 6, dengan jenis tanah lunak, sistem struktur SRPMM (wilayah 4) dan SRPMK (wilayah 6). Hasil evaluasi memperlihatkan bahwa seluruh model gedung termasuk dalam tingkat kinerja damage control, artinya pada saat terjadi gempa rencana, struktur dapat berdeformasi secara daktail, mekanisme leleh telah terbentuk, terjadi kerusakan namun struktur tidak runtuh. Kata kunci: Gedung beton bertulang, beraturan, shearwall, analisis pushover. 1. PENDAHULUAN Telah diketahui bersama bahwa perencanaan struktur bangunan gedung tahan gempa di Negara Indonesia menjadi hal yang penting, mengingat kejadian gempa yang terjadi hampir di seluruh bagian wilayah Pulau Sumatera, Pulau Jawa, dan pulau yang lainnya. Berdasarkan peta gempa Indonesia [SNI , 2002], dapat dilihat bahwa hampir sebagian besar wilayah Indonesia, khususnya bagian sebelah barat pulau sumatera, bagian selatan pulau jawa, serta beberapa tempat lainnya terletak pada wilayah gempa dengan intentitas moderat hingga tinggi. Salah satu teknik perencanaan yang sedang berkembang pada saat ini adalah perencanaan berbasis kinerja. Beberapa kunci bagaimana membuat perencanaan berbasis kinerja menjadi lebih bermanfaat, yaitu antara lain berbasis persetujuan umum, memberikan kesan ekonomis, transparan, simpel, konsisten, berakar pada kondisi nyata, dan apabila perlu secara berkala diperbaharui [Poland, 2004]. Tahap awal perencanaan berbasis kinerja adalah pemilihan awal target kinerja bangunan, yang mempunyai maksud untuk mengetahui level kerusakan struktur atau memilih kemampuan absorpsi energi untuk mengantisipasi akibat adanya beban gempa. Untuk mencapai tujuan ini, maka dibutuhkan kemampuan untuk memprediksi kinerja deformasi struktur sampai dengan tingkat kerusakan ultimit [MIDASoft, 2006]. ISBN

2 Yosafat Aji Pranata dan Djoni Simanta (a). Perencanaan berbasis gaya. (b). Perencanaan berbasis kinerja. Gambar 1. Konsep metode perencanaan berbasis gaya dan berbasis kinerja [ATC, 1996] Analisis pushover menjadi salah satu metode untuk mengevaluasi deformasi struktur, kurva spektrum beban-peralihan dibuat sebagai ilustrasi kurva capacity vs demand. Kurva demand dibuat bergantung dari level kemampuan absorpsi energi struktur. Dari perpotongan kedua kurva tersebut kemudian diperoleh titik kinerja (Gambar 1.b). Gambar 2. Tingkat Kinerja Struktur [Applied Technology Council, 1996] Ruang lingkup penulisan meliputi : gedung perkantoran beton bertulang dengan sistem struktur ganda (kombinasi struktur sistem rangka pemikul momen dan shearwall), kategori beraturan, jumlah lantai dua puluh, gedung didesain pada wilayah gempa 4 dan 6 di Indonesia dengan jenis tanah lunak, sistem rangka menggunakan SRPMM (Wilayah 4) dan SRPMK (Wilayah 6), pemodelan properti sendi sesuai ATC-40 [Applied Technology Council, 1996], Struktur dianggap terjepit lateral pada taraf jepitan lateral di pondasi. Tujuan penulisan meliputi : melakukan perencanaan dan detailing struktur bangunan gedung, serta melakukan evaluasi kinerja struktur dengan menggunakan analisis pushover. Software yang digunakan dalam penulisan ini menggunakan MIDAS/Gen TM. 452 ISBN

3 Studi Pemodelan Inelastik dan Evaluasi Kinerja Struktur Ganda dengan Midas/Gen TM 2. TINJAUAN LITERATUR 2.1. Pemodelan Struktur dan Sistem Struktur Ganda Pemodelan struktur dilakukan untuk mempelajari perilaku struktur apabila dikenakan beban Gempa Rencana. Secara umum struktur bangunan dapat dimodelkan menjadi struktur atas dan struktur bawah. Struktur atas adalah seluruh bagian struktur bangunan gedung yang berada di atas muka tanah. Struktur bawah adalah seluruh bagian struktur bangunan gedung yang berada di bawah muka tanah, yang terdiri dari struktur basement (bila ada) dan/atau struktur pondasi. Apabila tidak dilakukan analisis interaksi tanah-struktur, struktur atas dan struktur bawah suatu struktur bangunan gedung dapat dianalisis terhadap pengaruh Gempa Rencana secara terpisah, di mana struktur atas dianggap terjepit lateral pada taraf lantai dasar [SNI , 2002]. Sistem struktur ganda berfungsi untuk memikul seluruh beban gravitasi dan pemikul beban lateral berupa shearwall dan rangka pemikul momen. Pada sistem struktur ganda, perencanaan dengan asumsi sistem memikul secara bersama-sama seluruh beban lateral harus memperhatikan interaksi/sistem ganda [SNI , 2002] Analisis Pushover dan Evaluasi Kinerja Metode analisis pushover merupakan metode dengan pendekatan nonlinier statik, dimana dapat digunakan pada struktur dengan karakteristik dinamik mode tinggi yang tidak dominan. Spektrum kapasitas hasil dari analisis pushover selanjutnya menunjukkan hubungan kurva beban lateral-peralihan oleh peningkatan beban statik sampai pada kondisi ultimit. Gambar 3. Transformasi kurva pushover menjadi spektrum kapasitas. Beberapa manfaat dari analisis pushover yaitu : dapat digunakan untuk mengevaluasi karakteristik perilaku dan kinerja struktur, memungkinkan dilakukan investigasi skema kelelehan atau distribusi sendi plastis, serta pada saat kondisi struktur diperlukan suatu perkuatan maupun retrofit, dapat diketahui elemen-elemen struktur mana saja yang perlu diperkuat, sehingga hal ini berhubungan efisiensi biaya. Gambar 4. Klasifikasi tingkat Keamanan [Applied Technology Council, 1996]. ISBN

4 Yosafat Aji Pranata dan Djoni Simanta 2.3. Pemodelan Properti Sendi Model properti sendi untuk elemen balok 2D dan elemen balok-kolom 3D adalah seperti terlihat pada Gambar 5.a. Beban dan peralihan elemen balok atau elemen balok-kolom menggambarkan efek dari momen biaksial pada bidang 3D. { P} T = { F, M, F, M, F, M, F, M, F, M, F, M } x1 x1 y1 y1 z1 z1 x2 x2 y2 y2 z2 z2 x1 x1 y1 y1 z1 z1 x2 x2 y2 y2 z2 z2...(1) {} u T = { u, θ, v, θ, v, θ, u, θ, v, θ, v, θ }...(2) (a). Elemen balok 2D dan balok-kolom 3D. (b). Elemen shearwall. Gambar 5. Nodal forces dan peralihan. Sedangkan model properti sendi untuk elemen wall dapat dilihat pada Gambar 5.b. sebuah garis vertikal pada bagian tengah yang menghubungkan balok rigid atas dan bawah merupakan elemen wall. Garis tengah ini sama seperti pada elemen 3D balokkolom. Balok rigid atas dan bawah menggambarkan rigid bodies pada bidang x-y, dan momen terhadap sumbu-z menunjukkan perilaku bending. (a). Moment-y, z hinge property (b). P-My-Mz hinge property Gambar 6. Pemodelan properti sendi pada MIDAS/Gen TM Karakteristik Spring Nonlinier Spring yang dimodelkan pada tiap elemen baik balok, kolom, maupun wall tersebut bukanlah menggambarkan kondisi aktual elemen spring, namun hanyalah penyederhanaan. Elemen balok berhubungan dengan beban-peralihan, gaya aksial arah-1 sudut momenrotasi, gaya geser-deformasi geser, dan torsi-deformasi torsi. Sedangkan untuk elemen kolom dan wall berhubungan dengan beban-peralihan, gaya aksial arah-2 sudut momen-rotasi, gaya geser-deformasi geser, dan torsi-deformasi torsi. Deformasi elemen dinyatakan dalam Persamaan ISBN

5 Studi Pemodelan Inelastik dan Evaluasi Kinerja Struktur Ganda dengan Midas/Gen TM Gambar 7. Distribusi dari kekakuan lentur asumsi. Sedangkan deformasi plastik akibat momen lentur yang diasumsikan terjadi dan terkonsentrasi pada zona αl dapat dilihat pada ilustrasi Gambar 7. Oleh karena itu, matrik fleksibilitas termasuk didalamnya deformasi plastik dan deformasi geser. Hubungan beban-peralihan untuk spring dapat disusun dalam Persamaan 4 dan 5. e p s θ = θ + θ + θ... (3) {} θ = [ f]{ M}...(4) e p s [ f ] = [ f] + [ f] + [ f]...(5) α α M M nx ny + = 1, 0 M nox M...(6) noy Gaya aksial, momen torsi, dan gaya geser sisa konstan dan sendi plastis pada titik tengah elemen untuk analisis pushover. Maka hubungan gaya-deformasi dapat dinyatakan mirip dengan deformasi lentur. Sedangkan untuk spring lentur biaksial dinyatakan dalam Persamaan 6. Gambar 8. Kurva yang menunjukkan hubungan sudut momen-deformasi. 3. STUDI KASUS DAN PEMBAHASAN 3.1. Asumsi Data dan Model Struktur Studi kasus menggunakan data mutu beton (f c ) = 30 MPa dan mutu baja (f y ) = 400 MPa. Jumlah lantai dua puluh, dengan tinggi lantai dasar 4 meter, dan tinggi lantai 2-20 tipikal 3,8 meter. Beban mati superimposed (SDL) = 1,5 kn/m², sedangkan beban hidup (LL) = 2,5 kn/m² (lantai) dan 1,0 kn/m² (atap). Variasi model gedung berupa wilayah gempa, jenis tanah, sistem struktur selengkapnya dapat dilihat pada Tabel 1 dan Tabel 2. ISBN

6 Yosafat Aji Pranata dan Djoni Simanta Gambar 9. Denah model struktur gedung. (a). Model 3D. (b). Potongan (portal arah-y). Gambar 10. Model 3D dan potongan struktur gedung. Tabel 1: Variasi model struktur. Model Wilayah Gempa Jenis Tanah Sistem Struktur G4 4 Lunak SRPMM G6 6 Lunak SRPMK Tabel 2: Dimensi dan ukuran penampang. Model Lantai Balok (mm) Kolom (mm) Shearwall (mm) G x x x x G x x x x Pemodelan, Analisis, Desain, dan Detailing Pemodelan dilakukan untuk masing masing model struktur. Analisis dilakukan dengan menggunakan analisis dinamik respons spektrum untuk mengetahui karakteristik dinamik untuk semua variasi model gedung [SNI , 2002]. Dari hasil analisis dinamik diperoleh nilai T sebesar 3,29 detik (model G4) dan 2,96 detik (model G6). Desain dilakukan untuk mendapatkan jumlah tulangan nominal untuk desain. Kombinasi pembebanan yang digunakan adalah (a). 1,4DL; (b). 1,2DL + 1,6LL; (c). 1,2DL + 0,5LL ± E; dan (d). 0,9DL ± E. Setelah tahapan pemodelan, analisis dan 456 ISBN

7 Studi Pemodelan Inelastik dan Evaluasi Kinerja Struktur Ganda dengan Midas/Gen TM desain selesai, selanjutnya dilakukan detailing. Hasil penulangan model gedung G4 dan G6 selengkapnya ditampilkan pada Tabel 3, Tabel 4, dan Tabel 5. Tabel 3: Penulangan balok. Portal Lantai Tump. kiri Lapangan Tump.kanan Model G4 arah-x tengah atas 5D25 2D25 5D25 bawah 2D25 2D25 2D25 arah-x tengah 1-10 atas 4D25 2D25 4D25 bawah 2D25 2D25 2D25 arah-x tepi 1-20 atas 3D25 2D25 3D25 bawah 2D25 2D25 2D25 arah-y atas 5D25 2D25 5D25 arah-y 1-10 atas 4D25 2D25 4D25 Model G6 arah-x tengah atas 5D25 2D25 5D25 arah-x tengah 1-10 atas 4D25 2D25 4D25 arah-x tepi 1-20 atas 3D25 2D25 3D25 bawah 2D25 2D25 2D25 arah-y atas 5D25 2D25 5D25 arah-y 6-15 atas 5D25 2D25 5D25 bawah 4D25 2D25 4D25 arah-y 1-5 atas 4D25 2D25 4D25 Tulangan sengkang diperoleh D mm (daerah tumpuan) dan D mm (lapangan) Analisis Pushover Model Gedung G4 dan G6 Tabel 4: Penulangan shearwall. Tulangan Vertikal D Horisontal D Tabel 5: Penulangan kolom. Model Gedung Lantai Tul. utama Tul. sengkang G D25 D D25 D D25 D D25 D G D25 D D25 D D25 D D25 D Parameter pola beban yang digunakan dalam analisis ini yaitu pola beban Mode-1, dan asumsi target peralihan adalah sebesar 0,595 meter. Sebagai initial loads digunakan beban gravitasi yaitu beban mati (DL) dan beban hidup (LL). Hasil analisis pushover berupa skema kelelehan / distribusi sendi plastis yang terjadi dan kurva kapasitas ditampilkan pada Gambar 11 dan Gambar 12. ISBN

8 Yosafat Aji Pranata dan Djoni Simanta (a). Model G4. (b). Model G6. Gambar 11. Distribusi sendi plastis. (a). Model G4. (b). Model G6. Gambar 12. Kurva kapasitas Evaluasi Kinerja dan Pembahasan Evaluasi kinerja dilakukan setelah diperoleh kurva kapasitas, untuk mendapatkan titik kinerja bangunan. Hasil selengkapnya ditampilkan dalam Gambar 13 dan Tabel 6. (a). Model G4. (b). Model G6. Gambar 13. Evaluasi kinerja prosedur B ATC-40 [Applied Technology Council, 1996]. 458 ISBN

9 Studi Pemodelan Inelastik dan Evaluasi Kinerja Struktur Ganda dengan Midas/Gen TM Evaluasi tingkat kinerja bangunan selanjutnya dilakukan setelah titik kinerja berupa informasi gaya geser dasar dan peralihan diperoleh, dari hasil peralihan kemudian dapat dihitung rasio drift, lalu dapat diperoleh level kinerja bangunan sesuai tabel klasifikasi tingkat keamanan ATC-40 (Gambar 4). Tabel 6: Hasil evaluasi kinerja bangunan. Model Gedung V (kg) D (meter) T eff (detik) β eff (%) drift Kinerja G , ,00669 Damage Control G , ,00701 Damage Control 4. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari penulisan ini adalah sebagai berikut : 1. Sendi plastis terbentuk pada elemen kolom dan shearwall lantai dasar, sedangkan pada elemen balok terjadi di seluruh lantai. 2. Hasil evaluasi memperlihatkan bahwa seluruh model gedung masih termasuk tingkat kinerja damage control, artinya pada saat terjadi gempa rencana, struktur dapat berdeformasi secara daktail, mekanisme leleh telah terbentuk, terjadi kerusakan namun struktur tidak runtuh, sehingga masih memenuhi persyaratan kriteria model struktur yang direncanakan untuk gedung perkantoran. 3. Damping efektif (β eff ) pada saat tercapai titik kinerja bangunan belum melampaui kriteria ijin sebesar 40% untuk model struktur sebagai bangunan baru. 4. Nilai T eff diperoleh berkisar antara 2,44 s/d detik, hal ini menunjukkan penggunaan shearwall cukup baik untuk berperan memikul beban lateral, sehingga struktur mempunyai kekakuan yang cukup. 5. DAFTAR PUSTAKA 1. Applied Technology Council (1996), Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, ATC 40, Volume 1, Report No. SSC Applied Technology Council (2004), Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures, FEMA 440, Draft Camera-Ready, ATC-55 Project. 3. Bozorgnia, Y., Bertero, V.V. (2004), Earthquake Engineering: from Engineering Seismology to Performance-Based Engineering, CRC Press, USA. 4. MIDASoft, Inc. (2006), Analysis Manual version 7.02, MIDASoft, Inc., Houston, USA. 5. Poland, C.D. (2004), Making Performance-Based Engineering Useful, 13WCEE, Canada. 6. Pranata, Y.A. (2005), Studi Analisis Beban Dorong Untuk Gedung Beton Bertulang Beraturan dan Tidak Beraturan, Tesis, Program Pascasarjana, Magister Teknik Sipil, Universitas Katolik Parahyangan, Bandung. 7. SNI (2002), Tata Cara Perhitungan Struktur Beton untuk Bangunan Gedung, Departemen Permukiman dan Prasarana Wilayah. ISBN

10 Yosafat Aji Pranata dan Djoni Simanta 8. SNI (2002), Standar Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur Bangunan Gedung. 460 ISBN