KAJIAN KINERJA STRUKTUR RANGKA BRESING V-TERBALIK EKSENTRIK DAN KONSENTRIK (215S)

Transkripsi

1 KAJIAN KINERJA STRUKTUR RANGKA BRESING V-TERBALIK EKSENTRIK DAN KONSENTRIK (215S) Made Sukrawa, Ida Bagus Dharma Giri, I Made Astarika Dwi Tama Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Udayana msukrawa@yahoo.com ABSTAK Penelitian tentang Kajian Kinerja Struktur Rangka Bresing V-Terbalik Eksentrik dan Konsentrik telah dilakukan dengan memodel struktur gedung 10 lantai dalam SAP2000 dengan model Sistem Rangka Pemikul Momen (SRPM) sebagai pembanding. Model Sistem Rangka Bresing Eksentrik (SRBE) dibuat dengan panjang link bervariasi dari 500, 400 dan 300 mm sampai dengan 0 pada model Sistem Rangka Bresing Konsentrik (SRBK). Kelima model struktur dibebani dan dirancang sesuai pedoman perencanaan SNI Baja Setelah semua model struktur memenuhi syarat kekuatan, dilakukan analisis Pushover untuk mendapatkan tingkat kinerja (performance level) masing-masing model struktur. Perhatian khusus ditujukan pada SRBE untuk mengetahui pengaruh panjang link terhadap kinerja struktur. Hasil analisis menunjukkan bahwa semua sistem struktur yang dimodel memenuhi konsep disain balok lemah kolom kuat. Model SRBE memiliki kinerja paling baik diantara struktur lainnya, sedangkan diantara SRBE, model dengan panjang link 300 mm memiliki kinerja yang paling baik. Kata kunci: kinerja struktur, rangka bresing, analisis pushover. 1. PENDAHULUAN Link pada Sistem Rangka Bresing Eksentrik (SRBE) merupakan elemen khas yang membedakan sistem rangka ini dari Sistem Rangka Penahan Momen (SRPM) dan Sistem Rangka Bresing Konsentrik (SRBK). Pada SRBE tipe V- Terbalik, panjang link ini menjadi penting karena pada daerah itulah sendi plastis diharapkan terjadi lebih awal sehingga struktur rangka berperilaku in-elastis dan mampu mendisipasi energi dan berdeformasi maksimal tanpa mengalami keruntuhan. Penelitian terkait panjang link pada SRBE tipe V-Terbalik telah dilakukan (Moestopo, et al, 2009) dengan panjang link bervariasi dari 0,5 sampai 0,3 m serta dengan rasio L/h dan e/l yang berbeda-beda. Dilaporkan bahwa deformasi maupun disipasi energi akibat lelehya link semakin meningkat pada link yang semakin pendek. Penelitian lain tentang SRBE tipe V-Terbalik melaporkan bahwa link yang lebih besar dari 20% panjang bentang balok menghasilkan struktur yang lebih daktail (Nikam & Sharfaei, 2011). Dari kedua penelitian tersebut menjadi jelas bahwa panjang link pada SRBE memegang peranan penting, tetapi, masih tidak jelas apakah link yang lebih pendek menghasilkan struktur yang lebih baik. Dari keraguan ini perlu dilakukan penelitian terkait kinerja struktur SRBE tipe V-Terbalik untuk menjawab dualisme panjang link. Dalam penelitian ini kinerja struktur SRBE tipe V-Terbalik dengan panjang link bervariasi dievaluasi melalui analisis statik pushover dengan memperhatikan perilaku keruntuhan struktur. Keempat model struktur SRBE dinamakan SRBE500, SRBE400, SRBE300 dan SRBK. Model rangka terbuka, SRPM juga dianalisis sebagai pembanding. Dari penelitian ini diharapkan diperoleh gambaran yang lebih jelas terkait kinerja struktur SRBE dengan panjang link yang berbeda-beda. 2. METODE Perilaku keruntuhan struktur akibat beban lateral dapat diketahui melalui analisis statik pushover dengan memberikan suatu pola beban lateral sesuai moda struktur, yang kemudian secara bertahap beban lateral ditingkatkan sampai target perpindahan lateral dari suatu titik acuan tercapai. Dari analisis ini dihasilkan kurva pushover, yang menggambarkan hubungan antara gaya geser dasar (V) dan perpindahan titik acuan (D). Sebelum analisis pushover dilakukan kelima struktur dimodel, dibebani, dan dianalisis untuk memenuhi semua kriteria perencanaan menurut SNI baja 2002 (DPU, 2002). Dimensi elemen struktur ditetapkan sedemikian rupa sehingga memenuhi ketentuan rasio tegangan maksimum kurang dari 1. Dengan demikian diperoleh lima model struktur yang sebanding untuk dibandingkan kinerjanya melalui analisis statik pushover. Untuk memperoleh kinerja struktur yang Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, Oktober 2013 S - 269

2 lebih baik maka dilakukan penyesuaian dimensi beberapa elemen struktur agar pada saat target perpindahan tercapai, leleh pertama terjadi pada elemen link. Menurut FEMA 273 (1997) kinerja struktur (primary, P dan secondary, S) dapat dijelaskan dengan Gambar 1. Level kinerja (performance level) dibedakan atas Immediate Occupancy (IO) atau segera dapat dihuni, Life Safety (LS) atau keselamatan jiwa, dan Collapse Prevention (CP) atau pencegahan keruntuhan. Lima (5) titik acauan pada Gambar 1 meliputi titik awal atau Origin Point (A), titik leleh atau Yield Point (B), runtuh atau Collapse (C), titik residu atau Residual point (D), dan titik gagal atau Failure Point (E) yang selanjutnya digunakan dalam mengevaluasi kinerja masing-masing struktur. Gambar 1 Kinerja struktur terhadap gaya geser dan perpindahan Sumber: FEMA 273 Penentuan sendi plastis pada masing-masing elemen struktur pada SAP2000 merujuk pada tabel 5-6 FEMA 356 (FEMA, 2000). Dalam hal ini, elemen kolom menggunakan tipe sendi default-pmm untuk hubungan gaya aksial dengan momen. Untuk elemen balok menggunakan tipe sendi default-m3 dan default-v2 karena balok efektif menahan momen dalam arah sumbu kuat (sumbu-3), dan efektif menahan gaya geser pada sumbu 2. Perilaku nonlinier elemen bresing dimodel dengan anggapan sendi platis terjadi di tengah-tengah bentang. Penentuan sendi plastis pada balok link dilakukan secara manual berdasarkan klasifikasi kegagalan link (e) yang tergantung dari rasio antara momen (Mp) dan gaya geser (Vp) dalam kondisi plastis (AISC, 2002) yang dinyatakan dalam persamaan berikut: a. Jika, maka link mengalami kegagalan geser b. Jika., maka link didominasi kegagalan geser c. Jika, maka link didominasi kegagalan lentur d. Jika, maka link mengalami kegagalan lentur Momen dan gaya geser plastis dihitung berdasarkan persamaan berikut = = (2) Dalam persamaan 1 dan 2, fy adalah tegangan leleh baja dan Zx, d, tf dan tw masing-masing adalah modulus plastis penampang, tinggi penampang, tebal sayap dan tebal badan. Evaluasi kinerja bangunan dilakukan saat deformasi titik kontrol mencapai target perpindahan δ t yang dihitung menggunakan dua metode yakni: metode kinerja batas ultimit mmenurut SNI dan metode koefisien perpindahan menurut FEMA 356. Menurut SNI, kinerja struktur gedung ditentukan oleh simpangan struktur dalam kondisi diambang keruntuhan yang dihitung dari simpangan struktur akibat pembebanan gempa nominal, dikalikan dengan suatu faktor pengali sebesar 0,7 kali reduksi beban gempa (R) untuk gedung beraturan. Metode koefisien perpindahan dimulai dengan menentukan faktor koefisien C 0, C 1, C 2, dan C 3 dari tabel FEMA 356. Nilai target perpindahan δt, juga tergantung dari akselerasi respons spectrum (Sa), waktu getar alami efektif (Te) dan gravitasi (g) sesuai persamaan berikut. S Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, Oktober 2013 (1)

3 2 Te t C0C1C2C3Sa g 2 δ (3) π Obyek analisis dalam penelitian ini menggunakan struktur rangka baja beraturan 10 lantai dengan panjang bentang 6 m pada arah x dan y seperti terlihat pada Gambar 2. Bresing diletakkan pada bentang tengah dari empat rangka luar. Pada Gambar 3 disajikan model struktur rangka berupa rangka terbuka (SRPM), rangka bresing eksentrik (SRBE) dan rangka bresing konsentrik (SRBK). Panjang link pada SRBE bervariasi yakni 500, 400, 300, dan 0 (mm) untuk SRBK. Nilai 300 sama dengan 20% dari 6 meter. Tinggi masing-masing lantai 3,5 m dengan tinggi total 35 m. Pada model SRPM hubungan balok kolom dirancang sebagai sambungan momen, sedangkan pada model rangka bresing semua sambungan dirancang sebagai sendi. Komponen struktur kolom dan balok menggunakan baja WF dengan fy 250 MPa, fu 410 MPa, dam E MPa. Gambar 2 Denah struktur (tipikal) dengan posisi bresing pada SRBE Pembebanan yang ditinjau meliputi beban mati sebesar 360 kg/m 2 pada atap dan 430 kg/m 2 pada lantai 1 9 serta beban hidup sebesar 100 kg/m 2 pada atap dan 250 kg/m 2 pada lantai 1-9. Beban gempa rencana dihitung dengan fitur autoload pada SAP2000 menggunakan parameter mengacu pada SNI gempa (2010) sesuai kelas situs D (daerah Denpasar dan sekitarnya) dengan besaran selengkapnya disajikan pada Tabel 1. Keempat model rangka bresing dan rangka terbuka dianalisis menggunakan SAP2000. Kontrol disain dilakukan dengan batasan rasio tegangan 1. Setelah memenuhi batasan yang telah ditentukan, kemudian dilakukan analisis statik pushover dengan mendefinisikan beban lateral (pushover) dan gravitasi, kemudian mendefinisikan sendi plastis pada masing-masing elemen struktur. Dalam analisis pushover diperlukan target perpindahan (FEMA), kondisi sendi plastis masing-masing elemen struktur serta kurva pushover masing-masing model. Dalam mengevaluasi kinerja struktur ini dilakukan penyesuaian dimensi akhir komponen struktur untuk mendapatkan kinerja struktur yang diharapkan. Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, Oktober 2013 S - 271

4 3. HASIL DAN PEMBAHASAN (a) (b) (c) Gambar 3 Model struktur 10 lantai: (a) SRPM, (b) SRBE, dan (c) SRBK Tabel 1 Parameter beban gempa pada SAP2000 Parameter SRPM SRBE SRBK Ct 0,0724 0,0731 0,03 X 0,8 0,75 0,75 R 8,5 8 7 Omega 3 2,5 2,5 Cd 5,5 4 5,5 I = 1,25; Ss = 0,9; S1 = 0,3 untuk semua jenis gedung Pada titik kontrol target perpindahan yang dihitung berdasarkan metode kinerja batas ultimit (SNI ) dan metode koefisien perpindahan (FEMA 356) disajikan dalam Tabel 2. Simpangan nominal yang diperoleh sudah memenuhi nilai batas simpangan menurut SNI gempa 2002 yaitu 0,015 kali H total. Dari kedua metode pada Tabel 2 metode FEMA menghasilkan target perpindahan dua kali lebih besar dari metode SNI, maka dipilih nilai yang lebih besar (Dewobroto, 2005) yakni untuk arah x adalah 292,8 mm (SRPM), 105,5 mm (SRBE300), 108,3 mm (SRBE400), 116,3 mm (SRBE500), dan 103,2 mm (SRBK). Hasil analisis dan perencanaan struktur diperoleh dimensi akhir struktur dan rasio tegangannya seperti tertera pada Tabel 3. Metode SNI Parameter Simp. Nominal, X ( mm) Simp. Ultimit δ t = ξr.x (mm) Tabel 2. Target perpindahan δ t menurut SNI dan FEMA Model SRPM SRBE300 SRBE400 SRBE500 SRBK 24,9 14,7 14,7 15,3 13,4 148,2 52,4 82,82 85,8 70,7 C 0 1,5359 1,7769 1,7453 1,7962 1,7542 C 1 1 1, ,0076 1,0469 C FEMA C S a 0,531 1,1 1,1 1,1 1,1 T e 1,2052 0,4657 0,4775 0,4872 0,4548 δ t (mm) 292,8 105,5 108,3 116,3 103,2 V t (ton) 99, ,85 229, , ,792 Catatan: simpangan nominal diperoleh dari hasil analisis struktur dengan beban gempa rencana. S Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, Oktober 2013

5 Kinerja struktur berupa kondisi sendi palstis pada saat target perpindahan tercapai disajikan dalam Gambar 4-6 untuk masing-masing model struktur. Gambar 4 menunjukkan bentuk terdeformasi model SRPM pada saat target perpindahan tercapai pada step 5 sebesar 213,7 mm dan gaya geser dasar sebesar 133,686 ton, dimana beberapa balok pada lantai 3 mengalami sendi plastis dengan kondisi leleh (B), sedangkan balok lainnya sudah berada pada kondisi kinerja IO atau segera dapat dihuni. Pada step 5 ini tidak terjadi sendi plastis pada kolom dengan demikian model SRPM memenuhi konsep desain balok lemah kolom kuat. Gambar 5 kiri menunjukkan bentuk terdeformasi model SRBE300 saat target perpindahan tecapai pada step 3 dengan nilai 105,5 mm dan gaya geser dasar sebesar 245,85 ton. Kondisi D terjadi pada link lantai 1, sedangkan link pada lantai 2 mengalami sendi plastis dengan kondisi kinerja IO. Gambar 5 bagian kanan menunjukkan model SRBE400 dimana target perpindahan sebesar 108,3 mm dan gaya geser dasar sebesar 229,826 ton tercapai pada step 5. Dimana sendi plastis dengan kondisi E terjadi pada link lantai 1. Elemen struktur Kolom 1,2,3 Tabel 3 Dimensi akhir elemen struktur dan rasio tegangannya Model SRPM SRBE300 SRBE400 SRBE500 SRBK HP 12x74 - HP HP10x42- HP10x42- HP10x42- HP10x42-18x204 HP16x121 HP16x121 HP16x121 HP16x121 Rasio 0,841-0,928 0,291-0,769 0,293-0,763 0,298-0,764 0,300-0,763 Kolom 4,5,6 HP 10x57- HP14x89 HP8x36-HP14x89 HP8x36-HP14x89 HP8x36- HP14x89 HP8x36- HP14x89 Rasio 0,589-0,882 0,345-0,805 0,346-0,803 0,345-0,803 0,346-0,804 Kolom 7,8,9,10 HP8x36-HP12x63 HP8x36-HP12x63 HP8x36-HP12x63 HP8x36- HP12x63 HP8x36- HP12x63 Rasio 0,652-0,795 0,435-0,562 0,554-0,561 0,554-0,561 0,555-0,561 Balok1-9 S12x35-S12x40,8 S12x35-S18x54,7 S12x35-S18x54,7 S12x35- S18x54,7 S12x35- S18x54,7 Rasio 0,491-0,763 0,723-,0862 0,723-0,862 0,723-0,862 0,723-0,862 Balok 10 S12x31,8-S12x35 S12x31,8-S12x50 S12x31,8-S12x50 S12x31,8- S12x50 S12x31,8- S12x50 Rasio 0,350-0,618 0,611-0,757 0,611-0,757 0,611-0,757 0,611-0,757 Bresing HP8x36 HP8x36 HP8x36 HP8x36-0,076 0,075 0,074 0,077 Gambar 4. Kondisi sendi plastis pada SRPM (step 5) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, Oktober 2013 S - 273

6 Gambar 5. Kondisi sendi plastis pada SRBE300 (step 3) dan SRBE400 (step 5) Gambar 6. Kondisi sendi plastis pada SRBE500 (step 3) dan SRBK (step 2) Gambar 6 kiri menunjukkan model SRBE500 dengan target perpindahan sebesar 116,3 mm dan gaya geser dasar sebesar 248,196 ton tercapai pada step 3. Sendi plastis dengan kondisi D terjadi pada link lantai 1, dan elemen link pada lantai 2, sendi plastis berada pada kondisi kinerja IO. Gambar 6 kanan menunjukkan model SRBK saat target perpindahan tercapai pada step 2 sebesar 103,2 mm dan gaya geser dasar sebesar 256,792 ton. Sendi plastis dengan kondisi leleh (B) terjadi pada elemen bresing lantai 1, sedangkan elemen struktur lainnya belum mengalami kelelehan sama sekali. Pada model SRBE400 sendi plastis yang terjadi pada saat target perpindahan tercapai, berada pada kondisi E, sedangkan sendi plastis pada model SRBE300 dan SRBE500 berada pada kondisi D. Sehingga diantara SRBE, SRBE400 memiliki kinerja yang paling buruk. Evaluasi kinerja struktur juga dilakukan berdasarkan jumlah dan kondisi sendi plastis yang terjadi pada nilai perpindahan yang ditingkatkan seperti disajikan pada Tabel 4. Tabel 4. Jumlah dan kondisi sendi plastis saat target perpindahan tercapai dan setelahnya Kondisi B to IO IO to LS to CP to C to D to LS CP C D E Beyond E SRPM δ t tercapai Kondisi akhir δ t tercapai SRBE kali δ t Kondisi akhir δ t tercapai SRBE kali δ t Kondisi akhir S Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, Oktober 2013

7 SRBE 500 SRBK δ t tercapai 3 kali δ t Kondisi akhir δ t tercapai 3 kali δ t Kondisi akhir Model SRPM sudah berada pada kondisi akhir sebelum simpangan mencapai 3 kali target perpindahan. Pada saat target perpindahan tercapai, model SRBK mengalami sendi plastis dengan kondisi B, namun pada saat kondisi target perpindahan ditingkatkan, SRBK mengalami sendi plastis kondisi E yang paling banyak diantara struktur SRB. Dengan demikian SRBK memiliki kinerja yang lebih jelek dari struktur SRBE. Diantara model SRBE300 dan SRBE500 sebanding tetapi jumlah sendi plastis pada SRBE 500 lebih banyak dibandingkan SRBE300. Hasil akhir dari analisis pushover berupa kurva pushover dapat dilihat pada Gambar 7 yang berupa hubungan antara simpangan lateral tingkat teratas dengan gaya dasar gempa. Terlihat dalam grafik bahwa model SRPM tidak mengalami pelelehan yang jelas sehingga simpangannya jauh lebih besar dibandingkan model SRB. Pada kondisi setelah leleh, SRBK mengalami simpangan yang paling besar dibandingkan SRBE. Model SRBE300, SRBE400, dan SRBE500 kinerjanya relatif sama. Kemudian SRBE300 tidak menyerap gaya gempa sebanyak SRBE PENUTUP Gambar 7 Kurva Pushover masing-masing model Dari lima model struktur yang dianalisis diperoleh bahwa semua sistem struktur memenuhi konsep desain balok lemah kolom kuat. Sistem Rangka Bresing (SRB) menunjukkan kinerja yang lebih baik dan memiliki kekakuan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan Sistem Rangka Penahan Momen. Diantara SRB, besarnya target perpindahan relatif sebanding. Tetapi, pada simpangan sebesar 3 kali target perpindahan SRBK mengalami sendi plastis dengan kondisi E paling banyak. Diantara SRBE, tidak terdapat perbedaan yang jelas, tetapi berdasarkan kondisi sendi plastis saat tercapainya target perpindahan SRBE400 mengalami kegagalan link lebih awal dibandingkan SRBE300. Ini menunjukkan bahwa kinerja SRBE300 lebih baik dari SRBE400. Ini berarti, SRBE dengan link pendek lebih baik kinerjanya dari SRBE dengan link panjang. Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, Oktober 2013 S - 275

8 DAFTAR PUSTAKA AISC, INC. (2002). Seismic Provisions for Structural Steel Buildings. Chicago: AISC. Dep. Pekerjaan Umum. (2010). Standar Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur Bangunan Gedung dan Non Gedung. Dep. Pekerjaan Umum (2002). Tata Cara Perencanaan Struktur Baja Untuk Bangunan Gedung. Dewobroto, W. (2005). Evaluasi Kinerja Struktur Baja Tahan Gempa dengan Analisis Pushover. Semarang: Unika Soegijapranata FEMA. (2000). Prestandard And Commentary For The Seismic Rehabilitation Of Buildings (FEMA 356). Washington, D.C: Federal Emergency Management Agency. FEMA. (1997). NEHRP Guidelines For The Seismic Rehabilitation Of Building (FEMA publication 273). Washington, D.C: A Council of the National Institute of Building Sciences. Moestopo, M., Yudi, H., & Ben, B. N. (2009). Kajian Kinerja Link Yang Dapat Diganti Pada Struktur Rangka Baja Berpengaku Eksentrik Tipe Split-K Niknam, A., & Sharfaei, A. (2011). Comparison Between Seismic Behavior of Suspended Zipper Braced Frames and Various EBF Systems. Iran: Semnan University. S Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, Oktober 2013