APLIKASI SAP2000 UNTUK PEMBEBANAN GEMPA STATIS DAN DINAMIS DALAM PERENCANAAN STRUKTUR GEDUNG BAJA

Transkripsi

1 APLIKASI SAP2000 UNTUK PEMBEBANAN GEMPA STATIS DAN DINAMIS DALAM PERENCANAAN STRUKTUR GEDUNG BAJA TUGAS AKHIR Oleh : Made Hendra Prayoga ( ) JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2015

2

3

4 ABSTRAK Aplikasi SAP2000 untuk pembebanan gempa statis (metode statik ekuivalen dan auto load) dan dinamis (metode response spectrum dan time history) telah dilakukan untuk menganalisis struktur gedung baja perkantoran 5 lantai dengan perletakan sendi dan jepit. Bentang balok 8 m ke arah sumbu Y serta 6 m dan 8 m ke arah sumbu X dengan tinggi tingkat 3,5 m. Kedua model 3D struktur dirancang dengan SRPMK (Sistem Rangka Pemikul Momen Khusus) untuk menahan beban gempa dengan kategori desain seismik D dan kondisi tanah keras. Untuk struktur SRPMK, perbandingan momen kolom terhadap momen balok pada sambungan balok kolom harus lebih besar dari 1. Masing-masing model struktur dengan perletakan sendi dan jepit, dibebani dengan 4 metode beban gempa yang berbeda. Pembebanan gempa mengacu pada SNI Untuk beban gempa response spectrum, menggunakan data spektrum respons desain dari Puskim (Pusat Penelitian dan Pengembangan Permukiman) Kementerian Pekerjaan Umum. Sedangkan beban gempa time history menggunakan akselerogram gempa El-Centro. Setelah kedua model struktur memenuhi ketentuan kekuatan dan kekakuan menurut SNI , kemudian perilakunya dibandingkan, meliputi rasio tegangan, simpangan, gaya geser dasar serta gaya-gaya dalam pada elemen struktur. Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa, untuk perletakan jepit beban gempa statis menghasilkan rasio tegangan, simpangan, gaya geser dasar dan gayagaya dalam yang lebih besar daripada nilai-nilai akibat beban gempa dinamis. Simpangan maksimum arah X dan arah Y akibat beban gempa statis masingmasing 36,80% dan 38,05% lebih besar daripada simpangan akibat beban gempa dinamis. Sedangkan untuk perletakan sendi, beban gempa statis menghasilkan rasio tegangan, gaya geser dasar, gaya normal dan gaya geser maksimum kolom yang lebih besar daripada nilai-nilai akibat beban gempa dinamis. Simpangan arah X pada lantai 1, 2 dan 3 akibat beban gempa statis lebih kecil daripada nilai akibat beban gempa dinamis, dimana simpangan akibat beban gempa dinamis 42,96% lebih besar daripada simpangan akibat beban gempa statis. Untuk gaya-gaya dalam yaitu momen maksimum balok dan kolom serta gaya geser maksimum balok akibat beban gempa statis lebih kecil daripada nilai-nilai akibat beban gempa dinamis. Perletakan jepit menghasilkan rasio tegangan, simpangan, dan gaya-gaya dalam kecuali gaya normal maksimum kolom yang lebih kecil daripada nilai-nilai untuk perletakan sendi. Sedangkan gaya geser dasar dan gaya normal maksimum kolom untuk perletakan jepit lebih besar daripada nilai-nilai untuk perletakan sendi. Kata kunci: statik ekuivalen, auto load, response spectrum, time history, SAP2000 ii

5 UCAPAN TERIMA KASIH Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat dan rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul Aplikasi SAP2000 Untuk Pembebanan Gempa Statis dan Dinamis Dalam Perencanaan Struktur Gedung Baja. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis mendapat bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir. Made Sukrawa, MSCE, Ph.D. dan Bapak Ir. Dharma Putra, MCE selaku pembimbing serta kepada semua pihak yang telah membantu penyelesaian Tugas Akhir ini. Jimbaran, Agustus 2015 Penulis iii

6 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL ABSTRAK... ii UCAPAN TERIMA KASIH... iii DAFTAR ISI...iv DAFTAR TABEL...vi DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR NOTASI...x BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penulisan Manfaat Penulisan Batasan Masalah...3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 SAP Sejarah dan Perkembangannya Model Struktur Sistem Koordinat Metode Statik Ekuivalen Metode Auto Load Metode Response Spectrum Metode Time History Ketentuan Pembebanan Gempa SNI Struktur Bangunan Gedung Tidak Beraturan Faktor Keutamaan (Ie) dan Kategori Risiko Struktur Bangunan Wilayah Gempa dan Spektrum Respons Kategori Desain Seismik Faktor R, C d dan Ω o Penentuan Perioda Batasan Simpangan Antar Lantai Tingkat Struktur Baja Metode LRFD (Load and Resistance Factor Design) Komponen Struktur Lentur Balok Kolom Perbandingan Momen Kolom Terhadap Momen Balok...26 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Umum Data-data Struktur Prosedur Analisis...32 iv

7 3.4 Metode Statik Ekuivalen Metode Auto Load Metode Response Spectrum Metode Time History...70 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum Perhitungan Beban Gempa Beban Gempa Statik Ekuivalen Beban Gempa Auto Load Beban Gempa Response Spectrum Beban Gempa Time History Perbandingan Hasil Dimensi Struktur dan Rasio Tegangan Simpangan Simpangan Arah X Simpangan Arah Y Perioda dan Gaya Geser Dasar Perioda dan Gaya Geser Dasar Arah X Perioda dan Gaya Geser Dasar Arah Y Gaya-gaya Dalam Momen Balok Gaya Geser Balok Momen Kolom Gaya Normal Kolom Gaya Geser Kolom BAB V SIMPULAN DAN SARAN 5.1 Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN Lampiran A: Acuan Gempa Rencana Lampiran B: Perioda dan Percepatan Spektrum Respons Desain Lampiran C: Data Percepatan Gempa El-Centro Lampiran D: Perhitungan Perbandingan Momen Kolom Terhadap Momen Balok 149 v

8 DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Berat dan Tinggi Tiap Lantai...87 Tabel 4.2 Rasio Tegangan Rata-rata Balok Rangka Tabel 4.3 Rasio Tegangan Rata-rata Balok Rangka C Tabel 4.4 Rasio Tegangan Rata-rata Kolom Rangka Tabel 4.5 Rasio Tegangan Rata-rata Kolom Rangka C Tabel 4.6 Kontrol Simpangan Antar Tingkat Arah X Tabel 4.7 Kontrol Simpangan Antar Tingkat Arah Y Tabel 4.8 Momen Maksimum Balok Untuk Perletakan Sendi Tabel 4.9 Momen Maksimum Balok Untuk Perletakan Jepit Tabel 4.10 Gaya Geser Maksimum Balok Untuk Perletakan Sendi Tabel 4.11 Gaya Geser Maksimum Balok Untuk Perletakan Jepit Tabel 4.12 Momen Maksimum Kolom Untuk Perletakan Sendi Tabel 4.13 Momen Maksimum Kolom Untuk Perletakan Jepit Tabel 4.14 Gaya Normal Maksimum Kolom Untuk Perletakan Sendi Tabel 4.15 Gaya Normal Maksimum Kolom Untuk Perletakan Jepit Tabel 4.16 Gaya Geser Maksimum Kolom Untuk Perletakan Sendi Tabel 4.17 Gaya Geser Maksimum Kolom Untuk Perletakan Jepit vi

9 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Spektrum Respons Desain...10 Gambar 2.2 Contoh Rekaman Ground Motion...12 Gambar 2.3 Balok Kolom...24 Gambar 2.4 Asumsi Letak Sendi Plastis...28 Gambar 3.1 Denah Struktur Lantai Tipikal...31 Gambar 3.2 Rangka Gambar 3.3 Rangka A-C...32 Gambar 3.4 Kotak Dialog Frame Section...33 Gambar 3.5 Kotak Dialog Auto Select List...33 Gambar 3.6 Pemilihan Profil Auto Select...34 Gambar 3.7 Diagram Alir Penelitian...37 Gambar 3.8 Diagram Alir Metode Statik Ekuivalen...40 Gambar 3.9 Kotak Dialog Joint Forces...46 Gambar 3.10 Kotak Dialog Define Load Patterns...48 Gambar 3.11 Load Patterns Gempa Auto Load Arah X...49 Gambar 3.12 Load Patterns Gempa Auto Load Arah Y...49 Gambar 3.13 Define Mass Source...50 Gambar 3.14 Define Mass Source Untuk Contoh Model...51 Gambar 3.15 Assign Joint Constraint...52 Gambar 3.16 Diaphragm Constraint...53 Gambar 3.17 Define Load Combinations...54 Gambar 3.18 Input Kombinasi Pembebanan...55 Gambar 3.19 Persiapan Analisis Struktur Beban Gempa Statis...55 Gambar 3.20 Diagram Alir Metode Auto Load...57 Gambar 3.21 Diagram Alir Metode Response Spectrum...58 Gambar 3.22 Spektrum Respons Desain...59 Gambar 3.23 Contoh Input Response Spectrum di MS Excel...60 Gambar 3.24 Copy dan Paste Data ke Editor Teks...61 Gambar 3.25 Kotak Dialog Define Response Spectrum Function...61 Gambar 3.26 Input Data Response Spectrum dari Sumber Luar...62 Gambar 3.27 Modifikasi Input Data Response Spectrum...63 Gambar 3.28 Modifikasi Input RS ke Format User Defined...64 Gambar 3.29 Kotak Dialog Analysis Case Response Spectrum...65 Gambar 3.30 Analyis Case Gempa Response Spectrum Arah-X...66 Gambar 3.31 Analyis Case Gempa Response Spectrum Arah-Y...67 Gambar 3.32 Kotak Dialog Analysis Case Modal...68 Gambar 3.33 Analysis Case Untuk Modal...69 Gambar 3.34 Persiapan Analisis Struktur Beban Gempa Dinamis...70 Gambar 3.35 Kotak Dialog Define Time History Function...71 Gambar 3.36 Input Data Time History Dari Sumber Luar...72 Gambar 3.37 Folder SAP Gambar 3.38 Input Data Akselerogram Time History...73 Gambar 3.39 Modifikasi Input Data Time History...74 Gambar 3.40 Input Teks Akselerogram El Centro...74 vii

10 Gambar 3.41 Modifikasi Input Time History ke Format User Defined...76 Gambar 3.42 Kotak Dialog Analysis Case Time History...77 Gambar 3.43 Analyis Case Gempa Time History Arah-X...79 Gambar 3.44 Analyis Case Gempa Time History Arah-Y...79 Gambar 3.45 Diagram Alir Metode Time History...81 Gambar 4.1 Model 3D Struktur Pada SAP Gambar 4.2 Denah Struktur Lantai Tipikal...83 Gambar 4.3 Rangka Gambar 4.4 Rangka A D...84 Gambar 4.5 Beban Gempa Statik Ekuivalen Rangka X...91 Gambar 4.6 Beban Gempa Statik Ekuivalen Rangka Y...92 Gambar 4.7 Input Beban Gempa Statik Ekuivalen Arah X...93 Gambar 4.8 Input Beban Gempa Statik Ekuivalen Arah Y...93 Gambar 4.9 Input Beban Gempa Auto Load Arah X...94 Gambar 4.10 Input Beban Gempa Auto Load Arah Y...94 Gambar 4.11 Spektrum Respons Desain Lokasi Bangunan...95 Gambar 4.12 Input Beban Gempa Response Spectrum Arah X...95 Gambar 4.13 Input Beban Gempa Response Spectrum Arah Y...96 Gambar 4.14 Akselerogram Gempa El Centro...96 Gambar 4.15 Input Beban Gempa Time History Arah X...97 Gambar 4.16 Input Beban Gempa Time History Arah Y...97 Gambar 4.17 Profil dan Rasio Tegangan Balok Rangka 5 Sendi...99 Gambar 4.18 Profil dan Rasio Tegangan Balok Rangka 5 Jepit Gambar 4.19 Profil dan Rasio Tegangan Balok Rangka C Sendi Gambar 4.20 Profil dan Rasio Tegangan Balok Rangka C Jepit Gambar 4.21 Profil dan Rasio Tegangan Kolom Rangka 5 Sendi Gambar 4.22 Profil dan Rasio Tegangan Kolom Rangka 5 Jepit Gambar 4.23 Error pada Output Frame Details SAP Gambar 4.24 Profil dan Rasio Tegangan Kolom dan Balok Rangka 5 Sendi Gambar 4.25 Profil dan Rasio Tegangan Kolom Rangka C Sendi Gambar 4.26 Profil dan Rasio Tegangan Kolom Rangka C Jepit Gambar 4.27 Simpangan Arah X Untuk Perletakan Sendi dan Jepit Gambar 4.28 Simpangan Antar Tingkat Arah X Untuk Perletakan Sendi dan Jepit Gambar 4.29 Simpangan Arah Y Untuk Perletakan Sendi dan Jepit Gambar 4.30 Simpangan Antar Tingkat Arah Y Untuk Perletakan Sendi dan Jepit Gambar 4.31 Gaya Geser Dasar Arah X Untuk Perletakan Sendi dan Jepit Gambar 4.32 Gaya Geser Dasar Arah Y Untuk Perletakan Sendi dan Jepit Gambar 4.33 Momen Balok Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka Gambar 4.34 Momen Balok Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka C Gambar 4.35 Gaya Geser Balok Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka Gambar 4.36 Gaya Geser Balok Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka C Gambar 4.37 Momen Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit viii

11 Rangka Gambar 4.38 Momen Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka C Gambar 4.39 Gaya Normal Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka Gambar 4.40 Gaya Normal Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan JepitRangka C Gambar 4.41 Gaya Geser Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka Gambar 4.42 Gaya Geser Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka C ix

12 DAFTAR NOTASI A = Luas penampang a = Jarak antara dua pengaku vertical A B = Luas dasar struktur A f = Luas efektif pelat saya A i = Luas badan dinding geser "i" A w = Luas pelat badan bf = Lebar pelat sayap C B = Koefisien pengali momen tekuk torsi lateral Cd = Faktor amplifikasi defleksi C m = Koefesien lentur Cpr = Suatu faktor untuk meperhitungkan kekuatan sambungan CQC = Metoda Kombinasi Kuadrat Lengkap C S = Koefisien respons gempa Ct = Koefesien periode fundamental pendekatan C V = Rasio kuat geser C VX = Faktor distribusi vertical Cw = Koefesien periode fundamental pendekatan untuk struktur dinding geser d = Tinggi penampang d f = Jarak antara titik berat pelat sayap D i = Panjang dinding geser i E = Modulus elastisitas baja E AL = Beban gempa auto load E RS = Beban gempa response spectrum E SE = Beban gempa statik ekivalen E TH = Beban gempa time history Fa = Koefisien situs untuk perioda pendek Fv = Koefisien situs untuk perioda panjang Fi, Fx = Bagian dari gaya geser dasar V pada tingkat i atau x f L = Tegangan leleh dikurangi tegangan sisa f u = Tegangan putus minimum penampang f y = Tegangan leleh G = Modulus geser baja hi, hx = Tinggi dari dasar sampai tingkat i atau x h n = Ketinggian struktur I e = Faktor keutamaan I w = Konstanta puntir lengkung I y = Momen inersia terhadap sumbu lemah J = Konstanta puntir torsi L = Panjang bentang antara dua pengekang lateral yang berdekatan L p = Panjang bentang maksimum untuk balok yang mampu menerima momen L r = Panjang bentang minimum untuk balok yang kekuatannya mulai ditentukan oleh momen kritis tekuk torsi lateral L = Jarak antara sendi plastis x

13 M A M B M c M cr M f M ltu Mmax Mn M ntu Mp Mpr M r M u My N N cr N crb N crs Nn N u P R Ry r y S 1 SA SB SC SD S D1 S DS SE SF Sh S M1 S MS SRSS S S Ta tf tw V V n Vp V u W = Momen pada titik ¼ L = Momen pada titik ½ L = Momen pada titik ¾ L = Momen kritis terhadap tekuk torsi lateral = Kuat lentur nominal dihitung hanya dengan pelat sayap saja = Momen lentur terfaktor orde pertama yang diakibatkan oleh bebanbeban yang dapat menimbulkan goyangan = Momen maksimum sepanjang bentang = Momen lentur nominal = Momen lentur terfaktor orde pertama yang diakibatkan oleh bebanbeban yang tidak menimbulkan goyangan = Momen plastis penampang = Momen pada lokasi sendi plastis = Momen batas tekuk = Momen lentur terfaktor = Momen tambahan akibat amplifikasi gaya geser pada sendi plastis = Jumlah tingkat = Beban kritis elastis = Beban kritis elastis untuk komponen struktur tak bergoyang = Beban kritis elastis untuk komponen struktur dengan goyangan = Kuat aksial nominal komponen struktur = Beban aksial terfaktor = Beban terpusat pada balok = Koefisien modifikasi respons = Faktor modifikasi tegangan leleh = Jari-jari girasi terhadap sumbu lemah = Parameter percepatan respons spektral pada perioda 1 detik = Batuan keras = Batuan = Tanah keras, sangat padat dan batuan lunak = Tanah sedang = Parameter percepatan respons spektral pada perioda 1 detik = Parameter percepatan respons spektral pada perioda pendek = Tanah lunak = Tanah khusus = Jarak sendi plastis ke as kolom = Percepatan percepatan respons spektral MCE pada perioda 1 detik = Parameter percepatan respons spektral MCE pada perioda pendek = Metoda Akar Kuadrat Jumlah Kuadrat = Parameter percepatan respons spektral pada perioda pendek = Periode fundamental pendekatan = Tebal pelat sayap = Tebal pelat badan = Geser desain total di dasar struktur dalam arah yang ditinjau = Kuat geser nominal balok = Gaya geser pada lokasi sendi plastis = Gaya geser perlu = Beban merata pada balok xi

14 W = Berat seismik efektif bangunan Wi, Wx = Berat seismik efektif bangunan pada tingkat i atau x X 1 = Koefisien untuk perhitungan momen tekuk torsi lateral X 2 = Koefisien untuk perhitungan momen tekuk torsi lateral Z = Modulus plastis penampang Βm = Perbandingan momen terkecil dan terbesar yang bekerja pada ujungujung komponen struktur = Simpangan antar lantai tingkat desain a = Simpangan antar lantai tingkat ijin Δoh = Simpangan antar lantai pada tingkat yang sedang ditinjau ΣΗ = Jumlah gaya horizontal yang menghasilkan Δoh pada tingkat yang ditinjau ΣMpb = Jumlah momen-momen balok-balok pada pertemuan as balok dan as kolom ΣMpc = Jumlah momen-momen kolom di bawah dan di atas sambungan pada pertemuan antar as kolom dan as balok ΣΝu = Jumlah gaya aksial tekan terfaktor akibat beban gravitasi untuk seluruh kolom pada satu tingkat δ = Faktor amplifikasi momen δb = Faktor amplifikasi momen untuk komponen struktur yang tidak dapat bergoyang δs = Faktor amplifikasi momen untuk komponen struktur yang dapat bergoyang φ = Faktor reduksi λ = Kelangsingan λp = Batas maksimum untuk penampang kompak λr = Batas maksimum untuk penampang tak-kompak xii