BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2011

Transkripsi

1 STUDI PERBANDINGAN RESPON BANGUNAN DENGAN SISTEM RANGKA PEMIKUL MOMEN DAN DENGAN BANGUNAN YANG MENGGUNAKAN SISTEM RANGKA BERPENGAKU KONSENTRIK SERTA DENGAN BANGUNAN YANG MENGGUNAKAN METALIC YIELDING DAMPER AKIBAT BEBAN GEMPA TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Penyelesaian Pendidikan Sarjana Teknik Sipil Disusun oleh : DANIEL TRT SITOHANG BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2011

2 Kata Pengantar Puji dan syukur kepada tuhan yang maha esa, tuhan yesus kristus dan roh kudus yang telah memberikan rahmat dan berkat-nya hingga selesainya tugas akhir ini dengan judul studi perbandingan respon bangunan dengan sistem rangka pemikul momen dengan bangunan yang menggunakan sistem rangka berpengaku konsentrik dan dengan bangunan yang menggunakan metalic yielding damper akibat beban gempa Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam ujian sarjana teknik sipil bidang studi struktur pada departemen teknik sipil fakultas teknik universitas sumatera utara (usu). Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini yang masih banyak kekurangan. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. Dengan tangan terbuka dan hati yang tulus penulis menerima saran dan kritik bapak dan ibu dosen serta rekan mahasiswa demi penyempurnaan tugas akhir ini. Penulis juga menyadari bahwa selesainya tugas akhir ini tidak lepas dari bimbingan, dukungan dan bantuan semua pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang tulus dan tidak terhingga kepada kedua orang tua yang selalu penulis muliakan yang telah memberikan segalanya hingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan ini. Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada : 1. Bapak prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, selaku ketua departemen teknik sipil universitas sumatera utara. 2. Bapak Ir.Syahrizal, MT., selaku sekretaris departemen teknik sipil universitas sumatera utara.

3 3. Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, Mt selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam memberikan bimbingan yang tiada hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 4. Kedua orang tua penulis tersayang yang selalu berdoa dan memberikan semangat serta dukungan kepada penulis sehingga tugas ini dapat selesai dengan baik. 5. Bapak/ibu dosen staf pengajar jurusan Teknik Sipil. 6. Adik adik penulis yang terkasih yang selalu mendukung penulis yaitu vani, vian, elon, wildo, theo, dan echa, teguh, surya, Irma, sarah. Terutama vani yang sudah banyak membantu penulis disaat genting. 7. Ria S Lubis yang selalu mendukung dalam suka maupun duka dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 7. Rekan rekan mahasiswa jurusan teknik sipil, terutama teman teman angkatan 2007,. Adik- adik angkatan 2010, dan abang / kakak stambuk 2004, 2005, 2006, terima kasih atas masukan nya selama ini. Medan, Juli 2011 (Daniel TRT Sitohang)

4 ABSTRAK Dengan kondisi daerah indonesia yang terletak di daerah rawan gempa, maka perlu direncanakan struktur bangunan tahan gempa. Metode perencanaan struktur tahan gempa dibagi menjadi dua, yaitu perencanaan konvensional yang berdasarkan konsep bagaimana meningkatkan kapasitas tahanan struktur terhadap gaya gempa yang bekerja padanya. Konsekwensinya adalah pada bangunan dimana kekakuan lateralnya cukup besar akan mengalami percepatan lantai yang besar, sedangkan pada bangunan fleksibel akan mengalami perpindahan lateral yang cukup besar. Kemudian metode yang kedua yaitu dengan pendekatan teknologi dengan menambahkan alat-alat seismic devices ke struktur. Pada tugas akhir ini dibahas alat seismic devices, yaitu metallic yielding damper. Tujuannya adalah membandingkan struktur yang menggunakan metallic yielding damper dan dengan struktur rangka pemikul momen serta dengan struktur rangka berpengaku konsentrik. Di dalam tugas akhir ini, struktur bangunan yang dimodelkan adalah gedung perkantoran 5 lantai yang terletak di indonesia khususnya nias. Struktur bangunan tersebut dimodelkan dengan bantuan program Sap v14. Kemudian beban gempa direncanakan dengan analisa non-linier, yaitu gempa el-centro n-s yang direkam pada tanggal 15 mei 1940 di california yang diskalakan sesuai dengan percepatan permukaan tanah di daerah Nias sesuai dengan peta hazard gempa Indonesia Berdasarkan hasil analisis dan hitungan disimpulkan bahwa struktur yang menggunakan metallic yielding damper mampu mereduksi displacement, momen, gaya lintang, dan gaya normal. Bangunan dengan metallic yielding damper dapat mereduksi percepatan gempa sebesar 60,9 % terhadap sistem rangka pemikul momen dan sebesar 68% terhadap sistem rangka berpengaku konsentrik.

5 Daftar Isi Kata pengantar Abstrak Daftar isi Daftar Tabel Daftar Gambar i iii iv viii xi Bab I. Pendahuluan 1 I.1. Latar Belakang 1 I.2. Permasalahan 5 I.3. Tujuan Penulisan 6 I.4. Pembatasan masalah 7 I.5. Metode Pembahasan 8 Bab II. Teori Dasar Umum Prinsip Umum Desain Mengatasi Gaya Lateral Karakteristik Struktur Bangunan Massa Model Lumped Mass Model Consistent Mass Matrix Redaman Damping Klasik Damping Nonklasik Kekakuan Kekakuan kolom Kekakuan elemen bracing 20

6 2.4. Model Struktur Sebagai Sistem Derajat Tunggal Sistem Derajat Kebebasan-Tunggal(SDOF) Tak Teredam Sistem Derajat Kebebasan-Tunggal (SDOF Teredam Redaman Liat (Viscous Damping) Persamaan Gerak Sistem Redaman Kritis Sistem Redaman Super Kritis Sistem Redaman Subkritis Model Struktur Sebagai Sistem Derajat-Kebebasan Banyak Persamaan Difrensial Struktur MDOF Matriks Massa, Matriks Kekakuan Dan Matriks Redaman Getaran Bebas Pada Struktur MDOF Frekuensi Sudut (w) Dan Normal Modes Daktailitas Simpangan Antar Lantai Simpangan Inelastis Maksimum Batasan Simpangan Antar Lantai Desain Gempa Analisa Time History Penentuan Percepatan Puncak Di Permukaan Tanah 43 Bab III. Pemodelan Struktur Portal Baja Tahan Gempa Sistem Rangka Pemikul Momen (SRPM) Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik Damping Pada Bangunan 50

7 3.2.1 Metode Dissipasi Energi Damper Adas (Added Damping And Stiffness) Kekakuan Dan Daktailitas Pelat Damper Daktilitas Bahan Pelat Pengaruh Bentuk Pelat Terhadap Daktilitas Dan Kekakuan Pelat Damper Bentuk X Pelat Damper Bentuk Segiempat Model Analisa Damper Terhadap Struktur Efek B/D Ratio Dan Stiffness Ratio (SR) Perencanaan Elemen Struktur Balok Kolom Bracing 73 Bab IV. Pembahasan/Aplikasi Pendahuluan Pengerjaan Model Struktur Pemodelan Struktur Pembebanan Pada Struktur Beban Gravitasi Beban Gempa Perencanaan Elemen Struktur Berdasarkan Beban Gravitasi (Dl + LL) Perencanaan Elemen Balok Pada Struktur Perencanaan Elemen Kolom Pada Struktur Perencanaan Metallic Yielding Damper 97

8 4.4.1 Metallic Damper Bentuk X Dengan Stiffness Ratio (Sr) = 2, Metallic Damper Bentuk Segiempat Dengan Stiffness Ratio (Sr) = 2, Metallic Yieding Damper Dengan Stiffness Ratio (Sr) = 1, Kesimpulan Perencanaan Prosedur Analisa Struktur Dengan Menggunakan Sap2000 V Input Data Untuk Yielding Damper Analisa Hasil Perhitungan Struktur Bangunan Analisa Hasil Perhitungan Sistem Rangka Pemikul Momen Analisa Hasil Perhitungan Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik Analisa Hasil Perhitungan Bangunan Dengan Yielding Damper Bentuk X Analisa Hasil Perhitungan Bangunan Dengan Yielding Damper Bentuk Segiempat Analisa Hasil Perhitungan Bangunan Dengan Yielding Damper Bentuk X Dengan Stiffness Ratio = 1, Grafik respon bangunan terhadap gempa Sistem Rangka Pemikul Momen Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik Bangunan Dengan Damper Bentuk X Bangunan Dengan Damper Bentuk Segiempat Bangunan Dengan Damper Bentuk X Dengan Stiffness Ratio (SR)= 1, Perbandingan Respon Bangunan Kesimpulan Pembahasan 170 BAB V. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Saran. 172 Daftar pustaka 173

9 DAFTAR TABEL Tabel 2.1: Rasio Redaman berdasarkan Jenis dan Kondisi Struktur 16 Tabel 2.2. Faktor Keutamaan Gedung 43 Tabel 2.3. Klasifikasi site didasarkan atas korelasi penyelidikan tanah lapangan dan laboratorium (SNI-2002, UBC-97, IBC-2009, ASCE 7-10,) 43 Tabel 2.4: Percepatan puncak batuan dasar dan percepatan puncak muka tanah berdasarkan Peta Gempa Indonesia Tabel 3.1 klasifikasi sistem struktur, sistem pemikul beban gempa, faktor modifikasi respons, R, dan faktor kuat cadang struktur, Ω 0 52 Tabel 4.1 Kinerja Batas Layan ( s) SRPMK 123 Tabel 4.2 Kinerja Batas Ultimate ( M) SRPMK 124 Tabel 4.3 Gaya gaya maksimum pada balok pada Struktur SRPMK. 125 Tabel 4.4 Gaya gaya maksimum pada kolom pada Struktur SRPMK. 126 Tabel 4.5. Kinerja Batas Layan Struktur SRBKK 129 Tabel 4.6. Kinerja Batas Ultimate Struktur SRBKK 129 Tabel 4.7. Gaya gaya maksimum pada balok struktur SRBKK 130 Tabel 4.8. Gaya gaya maksimum pada kolom struktur SRBKK 131 Tabel 4.9. Gaya gaya maksimum pada bresing struktur SRBKK 132 Tabel Kinerja Batas Layan Struktur dengan Yielding Damper X 135 Tabel Kinerja Batas Ultimate Struktur dengan Yielding Damper X 136

10 Tabel 4.12.Gaya gaya maksimum pada balok struktur dengan Yielding Damper X (136) Tabel Gaya gaya maksimum pada kolom struktur dengan Yielding Damper X (137) Tabel Gaya gaya maksimum pada bracing struktur dengan Yielding Damper 138 Tabel Gaya gaya maksimum pada Yielding Damper X 138 Tabel Deformasi ( ) pada Yielding Damper X 139 Tabel 4.17 Kinerja Batas Layan Struktur dengan Yielding Damper Segiempat 142 Tabel 4.18 Kinerja Batas Ultimate Struktur dengan Yielding Damper Segiempat 143 Tabel 4.19 Gaya gaya maksimum pada balok pada struktur menggunakan damper segiempat 143 Tabel 4.20 Gaya gaya maksimum pada kolom pada struktur menggunakan damper segiempat 144 Tabel 4.20 Gaya gaya maksimum pada kolom pada struktur menggunakan damper segiempat 144 Tabel 4.22 Gaya gaya maksimum pada damper bentuk segiempat 145 Tabel 4.23 Deformasi ( ) pada damper bentuk segiempat 145 Tabel 4.24 Kinerja Batas Layan pada Struktur Menggunakan Damper dengan (SR) =1, Tabel 4.25 Kinerja Batas Ultimate pada Struktur Menggunakan Damper dengan (SR) =1, Tabel 4.26 Gaya gaya maksimum pada balok pada Struktur dengan Damper dengan (SR) =1,15 150

11 Tabel 4.27.Gaya -gaya maksimum pada kolom pada Struktur dengan Damper dengan (SR) =1, Tabel 4.28.Gaya-gaya maksimum Bresing pada Struktur dengan Damper dengan (SR) =1, Tabel 4.29.Gaya-gaya maksimum pada yielding Damper dengan (SR) =1, Tabel 4.30.Deformasi maksimum pada yielding damper dengan SR = 1,15 152

12 DAFTAR GAMBAR Gambar. 1.1.Sistem Rangka Pemikul Momen 8 Gambar. 1.2 Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik 8 Gambar. 1.3 Bangunan menggunakan Yielding Damper 8 Gambar 2.1 Struktur dengan bresing 20 Gambar 2.2 Model matematis untuk sistem berderajat kebebasan satu. 22 Gambar 2.3 Beberapa bentuk alternative dari model matematis sistem berderajatkebebasan-satu 22 Gambar 2.4 Hubungan gaya dan perpindahan (a) pegas kuat, (b) pegas linier, (c) pegas lemah 23 Gambar 2.5 Model struktur sistem derajat kebebasan tunggal teredam 24 Gambar 2.6 Respon getar bebas dengan redaman kritis 28 Gambar 2.7 Grafik simpangan terhadap waktu dari getaran kritis,super kritis,dan sub kritis 31 Gambar 2.8 Struktur 3-DOF, Model Matematik dan Free Body Diagram 32 Gambar 2.9. Peta percepatan puncak (PGA) di batuan dasar (S B ) untuk probabilitas 10% dalam 50 tahun 46 Gambar Peta percepatan puncak (PGA) di batuan dasar(s B ) untuk probabilitas 10% dalam 100 tahun. 47 Gambar Peta percepatan puncak (PGA) di batuan dasar (S B ) untuk probabilitas 2% dalam 50 tahun 48

13 Gambar 3.1. Struktur Rangka Pemikul Momen 5 Gambar 3.2 Model Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik 52 Gambar 3.3 Getaran bebas tanpa damping dan dengan damping 54 Gambar 3.4 Faktor Dinamis Getaran 55 Gambar 3.5 ADAS pada Struktur 56 Gambar 3.6 Bentuk Hysterestic loop pada metallic yielding damper 67 Gambar 3.7 Deformasi plastis pada struktur bertingkat satu 59 Gambar 3.8 Hubungan tegangan regangan baja 60 Gambar 3.9 Pelat Damper Bentuk X 60 Gambar 3.10 Pelat damper bentuk segi-empat 63 Gambar Tegangan dan regangan pada damper segiempat 64 Gambar 3.12 Faktor panjang tekuk untuk beberapa kondisi perletakan 75 Gambar 4.1 Pemodelan Struktur 81 Gambar 4.2. Rekaman percepatan permukaan tanah gempa El-centro. 86 Gambar 4.3 Fungsi Time History pada Sap2000 v14.(sumber:sap2000 v14 Function) 112 Gambar 4.4 Load Case Data untuk fungsi analisa riwayat waktu 113 Gambar 4.5 Load Case Data untuk fungsi modal pada struktur 114 Gambar 4.6 Fungsi Gravitasi untuk analisa riwayat waktu. 115 Gambar 4.7. Kombinasi pembebanan pada Sap2000.(sumber :Sap2000) 116

14 Gambar 4.8. Menjalankan Program Sap2000(sumber :Sap2000v14) 117 Gambar 4.9 Menu Link/support property data. (sumber : Sap2000v14) 119 Gambar Data property untuk Yielding Damper bentuk X(s:Sap2000v14) 120 Gambar Data property untuk Yielding Damper bentuk segi4(s:sap2000v14) 120 Gambar 4.12.Data property untuk Yielding Damper bentuk X tanpa memperhatikan Stiffness Ratio(s:Sap2000v14) 121 Gambar Sistem Rangka Pemikul Momen 122 Gambar Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik 128 Gambar Struktur yang menggunankan Sistem Yielding Damper bentuk X Gambar Struktur yang menggunakan Sistem Yielding Damper bentuk Segiempat 141 Gambar Struktur yang menggunakan Sistem Yielding Damper bentuk X dengan SR = 1, Gambar Grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai 5) pada SRPM 154 Gambar Grafik percepatan pada joitn 24 (lantai5) terhadap waktu pada struktur SRPM 154 Gambar Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada SRPM 155 Gambar Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur SRPM 155

15 Gambar Grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai 5) pada struktur SRBK 156 Gambar Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada struktur SRBK 156 Gambar Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada struktur SRBK 157 Gambar Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur SRBK 157 Gambar Grafik perpindahan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada struktur dengan Damper X 158 Gambar Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada Struktur dengan Damper X 158 Gambar Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada Struktur dengan Damper X 159 Gambar Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur dengan Damper X 159 Gambar Grafik perpindahan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) Damper segiempat 160 Gambar Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) Damper segiempat 160 Gambar Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada bangunan dengan Damper segiempat 161 Gambar Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur dengan Damper Segiempat 161

16 Gambar Grafik perpindahan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada bangunan dengan Damper X dengan SR = 1, Gambar Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada bangunan dengan Damper X dengan SR = 1, Gambar Grafik Base Shear arah X terhadap waktu. pada bangunan dengan Damper X dengan SR = 1, Gambar 4.37 Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur dengan Damper X dengan SR = 1, Gambar Perbandingan perpindahan maksimum tiap lantai pada masingmasing struktur 164 Gambar Perbandingan grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing struktur 164 Gambar Perbandingan grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing bangunan dengan damper yang berbeda. 165 Gambar Perbandingan grafik pecepatan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing bangunan dengan damper yang berbeda 165 Gambar Perbandingan grafik pecepatan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing bangunan. 166 Gambar Perbandingan grafik base shear 166 Gambar Perbandingan grafik momen tumpuan pada balok (KNm). 167 Gambar Perbandingan grafik momen lapangan pada balok (KNm). 167 Gambar Perbandingan grafik gaya normal pada kolom (KN). 168

17 Gambar Perbandingan grafik momen pada kolom (KNm). 168 Gambar Perbandingan grafik gaya normal pada bresing (KN). 169 Gambar Perbandingan grafik gaya geser pada Yielding Damper (KN). 169