PERENCANAAN STRUKTUR RANGKA BAJA BRESING KONSENTRIK BIASA DAN STRUKTUR RANGKA BAJA BRESING KONSENTRIK KHUSUS TIPE-X TUGAS AKHIR

Transkripsi

1 PERENCANAAN STRUKTUR RANGKA BAJA BRESING KONSENTRIK BIASA DAN STRUKTUR RANGKA BAJA BRESING KONSENTRIK KHUSUS TIPE-X TUGAS AKHIR Diajukan sebagai salah satu persyaratan menyelesaikan Tahap Sarjana pada Program Studi Teknik Sipil Institut Teknologi Bandung Disusun Oleh : Heri Ahmadi S Ravi Octaviana NIM NIM Pembimbing, Ir. Muslinang Moestopo, MSEM, Ph.D. PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG TUGAS AKHIR PERENCANAAN STRUKTUR RANGKA BAJA BRESING KONSENTRIK BIASA DAN STRUKTUR RANGKA BAJA BRESING KONSENTRIK BIASA TIPE-X Oleh HERI AHMADI RAVI OCTAVIANA Disetujui oleh, Pembimbing Ir. Muslinang Moestopo, MSEM., Ph.D. Koordinator Tugas Akhir, KK Rekayasa Struktur Mengetahui, Program Studi Teknik Sipil Ketua, Ir. Made Suardjana, M.Sc., Ph.D. Dr. Ir. Herlien Dwiarti Setio NIP : NIP : Bandung, Juni 2008 ii

3 ABSTRAK PERENCANAAN STRUKTUR RANGKA BAJA BRESING KONSENTRIK BIASA DAN STRUKTUR RANGKA BAJA BRESING KONSENTRIK KHUSUS TIPE-X Heri Ahmadi ( ) dan Ravi Octaviana ( ) Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Teknologi Bandung 2008 Kebutuhan akan struktur bangunan yang mampu menahan beban gempa semakin meningkat mengingat kejadian gempa yang cukup dahsyat melanda sebagian wilayah Indonesia akhir-akhir ini. Seiring dengan perkembangan kebutuhan fasilitas perkantoran berupa gedung-gedung tinggi yang rawan terhadap beban gempa, dibutuhkan perencanaan khusus dalam mengantisipasi keruntuhan bangunan dengan menggunakan struktur baja yang diberikan pengaku lateral berupa ikatan bresing pada bagian tertentu sehingga terjadi peningkatan kekakuan struktur dalam menahan beban gempa. Tugas akhir ini bertujuan untuk memodelkan dan merencanakan serta menganalisis kinerja dua jenis struktur rangka bresing konsentrik yaitu Struktur Rangka Bresing Konsentrik Biasa (SRBKB) dan Struktur Rangka Bresing Konsentrik Khusus (SRBKK). Setelah itu, dilakukan perbandingan antara kedua struktur tersebut terhadap simpangan elastis dan inelastis, kekakuan struktur, distribusi beban lateral pada bresing, serta berat strukturnya. Model struktur berupa bangunan kantor 10 lantai yang dibebani oleh beban-beban vertikal dan beban horizontal melalui analisis statik ekivalen yang selanjutnya dilakukan optimasi elemen struktur melalui perencanaan secara manual dengan mengklasifikasi beberapa bagian elemen struktur yang berperilaku dan memiliki kuat tahanan yang sama. Setelah mendapatkan hasil profil penampang yang sesuai syarat baja tahan gempa kemudian dilakukan analisis perbandingan berdasarkan hasil analisis desain yang telah diperoleh. Terdapat beberapa kesimpulan yang diperoleh dari hasil analisis di atas, yakni bresing mampu secara efektif menyerap distribusi beban gempa yang masuk ke dalam struktur. Tingkat distribusi beban lateral pada bresing cenderung lebih besar pada SRBKK. Simpangan pada SRBKK lebih besar karena kekakuan strukturnya lebih kecil daripada SRBKB. Namun, daktilitas struktur SRBKK lebih baik dibandingkan SRBKB. Oleh karena itu, jenis struktur SRBKK lebih cocok untuk diterapkan pada wilayah gempa kuat. Perbedaan simpangan inelastis yang terjadi antara SRBKK dan SRBKB disebabkan perbedaan kekakuan yang merupakan fungsi dari penampang hasil desain dan tentunya berpengaruh terhadap berat struktur kedua jenis struktur tersebut. Kata kunci : gempa, bresing, statik ekivalen, kekakuan, daktilitas, simpangan, sambungan, pelat buhul. iii

4 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas berkat dan rahmat-nya lah, penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini pada waktunya. Laporan tugas akhir ini disusun sebagai syarat menyelesaikan tahap sarjana pada Program Studi Teknik Sipil Institut Teknologi Bandung. Selain itu, laporan tugas akhir ini juga telah memberikan pemahaman dan wawasan yang sangat banyak terutama yang berkaitan dengan struktur baja tahan gempa. Penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu dalam memberikan pemahaman, masukan, serta kritik yang bertujuan untuk menjadikan tugas akhir ini sebagai bekal dalam rangka menganalisis permasalahan yang berkaitan dengan rekayasa struktural. Pihak-pihak yang telah membantu di antaranya ialah : 1. Bapak Ir. Muslinang Moestopo, MSEM., Ph.D. selaku dosen pembimbing, pengajar, serta pendidik yang telah banyak memberikan sebagian waktunya untuk berbagi pengetahuan dan wawasan mengenai struktur baja tahan gempa serta memberikan banyak masukan mengenai penyusunan laporan tugas akhir ini. 2. Ibu Dr. Ir. Dyah Kusumastuti, selaku dosen penguji seminar proposal dan sidang tugas akhir. 3. Bapak Dr. Ir. Ivindra Pane, selaku dosen penguji seminar proposal. 4. Bapak Dr. Ir. Ananta Sofwan, selaku dosen penguji sidang tugas akhir. 5. Dosen-dosen pengajar di Program Studi Teknik Sipil ITB. 6. Teman-teman satu bimbingan yang bersedia untuk diajak berdiskusi dalam penyelesaian tahapan per tahapan dalam penyusunan tugas akhir ini. 7. Rekan-rekan Tata Usaha Program Studi Teknik Sipil ITB yang telah membantu kelancaran proses administrasi, serta 8. Pihak-pihak lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Walaupun berbagai kendala banyak menghambat proses penyelesaian tugas akhir ini Namun, penulis tetap menghadapinya dengan senang dan berat hati. Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan yang terdapat dalam tugas akhir ini. Maka dari itu, penulis memohon saran dan kritik yang membangun dari para pembaca untuk pengembangan lebih lanjut. Akhir kata, semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca yang memerlukan informasi tentang penggunaan struktur rangka bresing konsentrik dalam mengantisipasi beban gempa khususnya di Indonesia. Bandung, Juni 2008 Penulis iv

5 DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN... ii ABSTRAK... iii KATA PENGANTAR... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... ix DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR NOTASI... xiv BAB I PENDAHULUAN... I Latar Belakang... I Tujuan Penulisan... I Ruang Lingkup Pembahasan... I Metodologi... I Sistematika Penulisan... I-3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... II Konsep Perencanaan Struktur Baja Tahan Gempa... II Beban Gempa Statik Ekivalen... II Eksentrisitas Struktur... II Kinerja Struktur Gedung Tahan Gempa... II Beban dan Kombinasi Pembebanan... II Falsafah Perencanaan LRFD (Load And Resistance Factor Design) II Persyaratan Material Untuk Struktur Baja Tahan Gempa... II Lelah... II Daktilitas Struktur ( µ )... II Penyerapan Energi Gempa... II-15 v

6 2.1.9 Mekanisme Keruntuhan... II Perencanaan Elemen Struktur... II Elemen yang Memikul Gaya Aksial Tekan... II Elemen yang Memikul Gaya Aksial Tarik... II Elemen yang Memikul Momen Lentur.... II Elemen yang Memikul Gaya Kombinasi.... II Sambungan Baut... II Sambungan baut tipe tumpu... II Sambungan baut memikul gaya tarik... II Kuat rencana sambungan baut... II Tata letak baut... II Pertemuan elemen struktur pada sambungan baut... II Perencanaan Sistem Bresing Konsentrik... II Persyaratan Umum Rangka Bresing... II Spesifikasi kolom (SNI butir )... II Sambungan kolom (SNI butir )... II Persyaratan Khusus untuk Sistem Rangka Bresing Konsentrik Khusus (SRBKK) sesuai SNI butir II Batang bresing... II Sambungan batang bresing... II Kolom pada konfigurasi sistem rangka bresing konsentrik khusus II Persyaratan Khusus untuk Sistem Rangka Bresing Konsentrik Biasa (SRBKB) sesuai SNI butir II-35 vi

7 Sambungan batang bresing... II-36 BAB III PEMODELAN STRUKTUR... III Nomenklatur... III Rangka Bresing... III Perletakan Struktur... III Deskripsi Elemen Struktur... III Balok... III Kolom... III Bresing... III Pelat Lantai... III Karakteristik Struktur Rangka Bresing Konsentrik... III Pembebanan Struktur... III Kombinasi Pembebanan... III Pra-Analisis Struktur... III Pembebanan gempa statik ekivalen... III Faktor kuat cadang struktur (Ω o )... III Gaya Dalam Struktur... III-9 BAB IV PERENCANAAN ELEMEN STRUKTUR DAN ANALISIS... IV Analisis Desain... IV Batasan Simpangan... IV Perencanaan Elemen Struktur... IV Struktur Bresing Konsentrik Khusus (Special Concentrically Braced Frame)... IV-7 vii

8 Analisis Elemen Bresing SRBKK... IV Analisis Elemen Balok SRBKK... IV Analisis Elemen Kolom SRBKK... IV Struktur Bresing Konsentrik Biasa (Ordinary Concentrically Braced Frame)... IV Analisis Elemen Bresing SRBKB... IV Analisis Elemen Balok SRBKB... IV Analisis Elemen Kolom SRBKB... IV Perencanaan Sambungan... IV Sambungan SRBKB... IV Sambungan pada SRBKK... IV Perencanaan sambungan pada pertemuan bresing... IV Perbandingan Struktur SRBKK dengan SRBKB... IV Perbandingan Simpangan Elastis dan Inelastis SRBKK dengan SRBKB... IV Perbandingan Distribusi Beban Lateral pada SRBKK dan SRBKB. IV Perbandingan Hasil Desain antara SRBKK dengan SRBKB... IV Perbandingan Berat Struktur Hasil Desain SRBKK dengan SRBKB... IV-55 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... V Kesimpulan... V Saran... V-2 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN viii

9 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Tabel 2.2. Tabel 2.3. Tabel 2.4. Tabel 2.5. Tabel 2.6. Tabel 2.7. Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5 Tabel 4.6 Tabel 4.7 Tabel 4.8 Tabel 4.9 Tabel 4.10 Koefisien ζ yang membatasi waktu getar alami struktur gedung... II-4 Faktor keutamaan I untuk berbagai kategori dan bangunan.... II-4 Klasifikasi sistem struktur, sistem pemikul beban gempa, faktor modifikasi respon, dan kuat cadang struktur (Ω o ).... II-5 Sifat mekanis baja struktural... II-12 Nilai batas perbandingan lebar terhadap tebal, λ p,untuk elemen tekan pada struktur baja tahan gempa... II-19 Rasio (A e /A g ) minimum dari beberapa mutu baja, sehingga kondisi fraktur tidak terjadi... II-21 Bentang untuk pengekangan lateral... II-22 Batasan simpangan dan rasio simpangan untuk beban gempa arah X pada SRBKK... IV-4 Batasan simpangan dan rasio simpangan untuk beban gempa arah Y pada SRBKK... IV-4 Batasan simpangan dan rasio simpangan untuk beban gempa arah X pada SRBKB... IV-5 Batasan simpangan dan rasio simpangan untuk beban gempa arah Y pada SRBKB... IV-5 Perbandingan rasio simpangan SRBKB dan SRBKK... IV-6 Gaya dalam maksimum yang terjadi pada bresing... IV-8 Kuat rencana aksial lentur bresing per lantai... IV-8 Distribusi beban lateral ke batang bresing akibat beban lateral arah Y IV-9 Distribusi beban lateral ke batang bresing akibat beban lateral arah X IV-10 Properti profil bresing lantai 3 struktur SRBKK... IV-10 ix

10 Tabel 4.11 Tabel 4.12 Tabel 4.13 Tabel 4.14 Tabel 4.15 Tabel 4.16 Tabel 4.17 Tabel 4.18 Tabel 4.19 Tabel 4.20 Tabel 4.21 Tabel 4.22 Tabel 4.23 Tabel 4.24 Tabel 4.25 Tabel 4.26 Tabel 4.27 Tabel 4.28 Tabel 4.29 Tabel 4.30 Gaya dalam maksimum balok tengah arah sumbu-y model pada SRBKK... IV-14 Gaya dalam maksimum balok tengah arah sumbu X-model... IV-15 Gaya dalam maksimum balok tepi tanpa bresing pada SRBKK... IV-15 Gaya dalam maksimum balok tepi dengan bresing pada SRBKK... IV-15 Profil balok rencana berikut nilai strength ratio lentur, geser, dan interaksi lentur dan geser pada SRBKK... IV-16 Properti profil untuk balok dengan bresing lantai 2 pada SRBKK... IV-16 Gaya dalam kolom tengah SRBKK... IV-18 Gaya dalam kolom tepi SRBKK... IV-18 Gaya dalam kolom sudut SRBKK... IV-19 Kuat rencana aksial lentur kolom per lantai pada SRBKK... IV-19 Profil kolom tepi lantai 9 SRBKK... IV-20 Gaya dalam maksimum yang terdapat pada bresing... IV-24 Kuat rencana aksial lentur bresing per lantai... IV-24 Distribusi beban lateral per lantai arah Y... IV-25 Distribusi beban lateral per lantai arah X... IV-25 Properti profil bresing WF IV-26 Gaya dalam maksimum balok tengah arah sumbu Y-model pada SRBKB... IV-30 Gaya dalam maksimum balok tengah arah sumbu X-model pada SRBKB... IV-30 Gaya dalam maksimum balok tepi tanpa bresing pada SRBKB... IV-30 Gaya dalam maksimum balok tepi dengan bresing pada SRBKB... IV-31 x

11 Tabel 4.31 Tabel 4.32 Tabel 4.33 Tabel 4.34 Tabel 4.35 Tabel 4.36 Tabel 4.37 Tabel 4.38 Tabel 4.39 Tabel 4.40 Tabel 4.41 Tabel 4.42 Tabel 4.43 Tabel 4.44 Tabel 4.45 Tabel 4.46 Tabel 4.47 Tabel 4.48 Profil balok rencana berikut nilai strength ratio lentur, geser, dan interaksi lentur dan geser pada SRBKB... IV-31 Properti profil untuk balok bentang bresing lantai 2 pada SRBKB... IV-31 Gaya dalam kolom tengah SRBKB... IV-33 Gaya dalam kolom tepi SRBKB... IV-33 Gaya dalam kolom sudut SRBKB... IV-34 Profil kolom sudut dan nilai kuat rencana aksial lentur per lantai pada SRBKB... IV-34 Profil kolom tepi dan nilai kuat rencana aksial lentur per lantai SRBKB... IV-34 Profil kolom tengah dan nilai kuat rencana aksial lentur pada SRBKB... IV-35 Profil kolom tepi lantai 9 SRBKB... IV-35 Kuat tarik perlu dan perencanaan sambungan bresing... IV-39 Kuat tarik perlu dan perencanaan sambungan balok... IV-42 Kuat tarik perlu dan perencanaan sambungan bresing... IV-47 Kuat tarik perlu dan perencanaan sambungan balok... IV-48 Gaya dalam pada sumbu lemah pertemuan bresing lantai 7 bidang 1.. IV-49 Gaya dalam pada sumbu kuat pertemuan bresing lantai 7 bidang 1... IV-51 Rekapitulasi hasil desain pada berbagai elemen struktur dalam satuan mm.... IV-54 Berat struktur hasil perhitungan manual pada SRBKK... IV-55 Berat struktur hasil perhitungan manual pada SRBKB... IV-55 xi

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Gambar 2.2. Gambar 2.3. Gambar 2.4. Gambar 2.5. Gambar 2.6. Gambar 2.7. Gambar 2.8. Gambar 2.9. Gambar 3.1. Gambar 3.2. Gambar 3.3. Gambar 3.4. Gambar 3.5. Gambar 3.6. Gambar 3.7. Gambar 3.8. Gambar 3.9. Grafik distribusi R dan Q... II-10 Distribusi ln (R/Q)... II-10 Hubungan tegangan regangan tipikal... II-13 Hubungan tegangan regangan pada daerah yang lebih rinci... II-13 Mekanisme desain bangunan berdasarkan faktor daktilitas dan kuat lebih... II-15 Diagram penyerapan energi gempa... II-15 Jenis-jenis struktur bresing konsentrik... II-31 Mekanisme deformasi pada bresing... II-31 Mekanisme plastisitas yang direncanakan... II-32 Denah struktur... III-1 Model Struktur 3 Dimensi... III-2 Definisi Metaldeck... III-5 Gaya aksial bresing pada bidang 1 akibat kombinasi pembebanan vertikal dan horizontal... III-10 Gaya aksial pada elemen bresing, dan kolom... III-10 Gaya geser pada elemen balok bidang 1... III-11 Momen lentur balok pada bidang 1... III-11 Momen lentur pada balok bentang dengan bresing... III-12 Distribusi beban lateral pada bidang bresing... III-13 Gambar Transfer gaya lateral ke batang bresing... III-13 xii

13 Gambar 4.1. Gambar 4.2. Gambar 4.3. Gambar 4.4. Gambar 4.5. Gambar 4.6. Gambar 4.7. Gambar 4.8. Gambar 4.9. Ragam perbandingan tahanan elemen struktur terhadap gaya dalam... IV-1 Ragam perbandingan tahanan elemen struktur pada bidang 1... IV-2 Deviasi struktur akibat beban kombinasi (1)... IV-3 Mekanisme terjdi sendi plastis pada pelat buhul akibat tertekuknya batang bresing... IV-41 Pemasangan sambungan bresing balok dan kolom pada lantai 7 SRBKB... IV-44 Pemasangan sambungan bresing balok dan kolom pada lantai 7 SRBKK... IV-46 Pemasangan sambungan bresing balok dan kolom pada lantai 7 SRBKB... IV-49 Grafik perbandingan simpangan elastik dan inelastik antara struktur SRBKK dengan SRBKB pada arah gempa X... IV-52 Grafik perbandingan simpangan elastik dan inelastik antara struktur SRBKK dengan SRBKB pada arah gempa Y... IV-52 Gambar Distribusi beban lateral arah X... IV-53 Gambar Distribusi beban lateral arah Y... IV-54 xiii

14 DAFTAR NOTASI A g A e A w d b C C b E e e d E x E y F i f L fy fu f clt G hi I I x I y J k Kc L L b L p L r m M cr M n M p M u N n N u r=i R R n R y T t f t w Vb Vmax Wt Luas penampang elemen yang ditinjau Luas penampang efektif Luas penampang badan Diameter baut Faktor respon gempa Faktor pengali momen Modulus elastisitas Eksentrisitas struktur Eksentrisitas rencana Pembebanan gempa arah sumbu x model yang ditinjau Pembebanan gempa arah sumbu y model yang ditinjau Gaya lateral pada tingkat yang ditinjau Tegangan sisa penampang Kuat leleh elemen baja Kuat leleh ultimit Kuat tahanan batang tekan akibat lentur torsi Modulus geser penampang Tinggi lantai yang ditinjau Faktor keutamaan bangunan Momen Inersia terhadap sumbu x penampang Momen Inersia terhadap sumbu y penampang Modulus puntir penampang Kekakuan Struktur Nilai ekivalensi dari kekangan yang terjadi dari elemen yang ditinjau Panjang elemen yang ditinjau Panjang tak terkekang elemen yang ditinjau Panjang elemen mencapai batas tekuk torsi lateral inelastis Panjang elemen mencapai tekuk torsi lateral elastis Massa Kuat lentur kritis akibat gaya tekan Kuat nominal lentur Kuat nominal lentur saat plastis Beban ultimit lentur Kuat nominal aksial Beban ultimit aksial Jari-jari girasi Faktor reduksi gempa Kuat tahanan struktur Faktor kuat lebih tegangan nominal baja pada kondisi aktual Waktu getar alami struktur Ketebalan pelat sayap Ketebalan pelat badan Gaya geser dasar gempa rencana dengan tingkat daktilitas umum Gaya gempa maksimum yang diserap oleh struktur dengan adanya tambahan faktor kuat lebih dan berada dalam kondisi plastis diambang keruntuhan Berat total gedung (termasuk beban hidup yang sesuai) xiv

15 Wi Berat lantai tingkat ke- i (termasuk beban hidup yang sesuai) Z x Section modulus terhadap sumbu x penampang yang ditinjau Z y Section modulus terhadap sumbu y penampang yang ditinjau m Perpindahan maksimum inelastik struktur S Perpindahan maksimum elastik struktur x Deformasi lateral lantai yang ditinjau µ Daktilitas struktur Ω o Overstrength factor atau Faktor kuat lebih struktur ζ Koefisien waktu getar alami φ Faktor reduksi kuat nominal ε Regangan λ Faktor kelangsingan penampang λ c Parameter panjang tekuk λ p Parameter batas tekuk lokal ω Faktor reduksi leleh baja τ b Kuat geser baut υ Poisson ratio xv