KAJIAN KINERJA LINK YANG DAPAT DIGANTI PADA STRUKTUR RANGKA BAJA BERPENGAKU EKSENTRIK TIPE SPLIT-K Muslinang Moestopo, Yudi Herdiansah, Ben Novarro Batubara 1. PENDAHULUAN Struktur Rangka Berpengaku Eksentrik (SRBE) telah dikenal memiliki kelebihan dibandingkan Struktur Rangka Pemikul Momen maupun Struktur Rangka Berpengaku Konsentrik (SRBK). SRBE memiliki kekakuan yang lebih tinggi dibandingkan SRPM dan memiliki daktilitas yang lebih tinggi dibandingkan SRBK. Peran bresing sebagai pengaku dan link yang daktail sebagai penyerap energi gempa yang efektif, secara bersamasama meningkatkan kinerja SRBE sebagai struktur baja tahan gempa. Studi yang dilakukan sejauh ini telah membuktikan bahwa SRBE dengan link yang pendek menunjukkan kinerja yang lebih baik sebagai penyerap energi akibat beban lateral siklik, yaitu melalui kelelehan geser yang stabil dan efektif. Kinerja link yang efektif menyerap gempa ditunjukkan dengan kelelehan yang mampu membentuk sudut rotasi inelastik yang cukup besar pada link, hal mana direncanakan terjadi pada saat struktur sudah mengalami deformasi yang besar akibat gempa besar; sementara itu komponen struktur lainnya (balok, kolom, pengaku/bresing) direncanakan tetap dalam kondisi elastik. Kerusakan link akibat kelelehan inilah yang sebenarnya diharapkan terjadi, untuk menghindari runtuhnya struktur. Penggunaan SRBE akan menjadi lebih ekonomis apabila link yang telah rusak akibat gempa dapat diganti tanpa mengganti komponen struktur lainnya (balok, kolom, bresing) yang masih tetap elastik memikul beban gravitasi. Hal ini dimungkinkan pada link yang disambung dengan sambungan baut, yang pada sisi lain memiliki kinerja yang dikenal kurang baik dibandingkan sambungan las. Studi awal yang telah dilakukan oleh penulis pertama 5,9) menunjukkan peluang untuk meningkatkan kinerja link dengan sambungan baut dalam memikul beban siklik. Namun demikian perlu dicermati seberapa jauh struktur akan mengalami goyangan pada saat link mencapai sudut rotasi inelastik yang besar. Apabila struktur sudah mengalami goyangan yang sangat besar, maka penggantian link yang rusak akan menjadi kurang bermanfaat, karena struktur sudah dianggap tidak dapat digunakan lagi. Makalah ini memaparkan hasil kajian numerik yang dilakukan dengan perangkat lunak MSC/NASTRAN untuk mempelajari sejauh mana ukuran geometri SRBE tipe split-k yang masih memungkinkan terjadinya kerusakan link secara efektif sementara struktur masih dianggap cukup baik dan dapat tetap digunakan. Selain itu, dipaparkan pula hasil kajian terhadap beberapa parameter link yang dapat meningkatkan kinerja link. 2. GEOMETRI DAN DEFORMASI SRBE SRBE merupakan struktur rangka yang terdiri dari kolom, balok, pengaku (miring), dan link. Pada struktur tipe split-k, elemen link terletak di tengah bentang, diantara dua buah bresing yang dihubungkan ke ujung kolom bawah pada masing-masing lantai. Link merupakan komponen struktur yang mengalami deformasi paling besar akibat beban
lateral, karena memikul momen lentur dan geser yang paling besar diantara komponen struktur lainnya. Hal ini memungkinkan link berperan sebagai pendisipasi energi akibat gempa, melalui plastifikasi yang dialaminya, sementara momen lentur dan gaya geser maupun aksial pada komponen struktur lainnya relatif masih rendah. Deformasi inelastik yang dialami link dapat berupa deformasi lentur atau geser, dan ditunjukkan dengan besarnya sudut rotasi plastik yang terbentuk diantara sumbu balok dan sumbu link (Gambar 1). V b D q g h a e L a (a). SRBE Tipe Split-K (b). Deformasi Akibat Beban Lateral Gambar 1. Rotasi Link Pada SRBE Berdasarkan ukuran panjang link (e), dikenal klasifikasi jenis link sebagai berikut: a. Link geser murni,, leleh pada link didominasi oleh geser. b. Link dominan geser,, leleh merupakan kombinasi geser -lentur. c. Link dominan lentur,, leleh merupakan kombinasi lentur-geser. d. Link lentur murni,, leleh pada link didominasi oleh lentur. dimana momen plastis penampang link, gaya geser plastis penampang (badan) link, tegangan leleh nominal penampang, modulus plastis penampang link. Link geser atau link pendek memiliki kinerja yang baik dalam mendisipasi energi gempa melalui deformasi inelastik geser pada pelat badan link yang ditunjukkan dengan kurva histeresis yang gemuk dan stabil. Dengan demikian, variasi panjang link akan menentukan tingkat kinerja SRBE. Kajian numerik dilakukan terhadap berbagai ukuran panjang bentang (L) dan tinggi (H) SRBE, serta panjang link (e), seperti ditunjukkan pada Tabel 1 dengan melakukan pembebanan berupa kontrol perpindahan lateral. Gambar 2 menunjukkan pemodelan SRBE dan elemen shell quad-4 yang menggunakan dimensi penampang dan hubungan tegangan-regangan baja seperti ditunjukkan dalam Tabel 2 dan Gambar 3.
Tabel 1. Penamaan dan Dimensi Model Struktur (a). SRBE (b). Komponen Gambar 2. Pemodelan Struktur dan Komponen SRBE Tabel 2. Dimensi Model Struktur Elemen Struktur Dimensi Penampang Link WF 200.100.5,5.8 Balok Diluar Link WF 200.100.5,5.8 Bracing WF 175.175.7,5.11 Kolom WF 200.200.8.12 Pengaku (Stiffener) Pelat 10 mm
Gambar 3. Kurva Model Tegangan-Regangan Material Baja Hasil kajian menunjukkan bahwa untuk panjang link yang sama, peningkatan kekuatan dan kekakuan SRBE akan diperoleh sejalan dengan peningkatan rasio L/H (Gambar 4), artinya plastifikasi atau kelelehan link akan terjadi pada tingkat pembebanan lateral yang lebih tinggi untuk struktur yang tidak langsing (L/H yang besar). Hal ini disebabkan karena kemiringan bresing yang lebih landai pada struktur rangka dengan rasio L/H lebih tinggi, akan lebih efektif memikul beban horizontal. (a). e = 300 mm (b). e = 400 mm (c). e = 500 mm Gambar 4. Kurva Pushover Beban Vs Perpindahan Kontur tegangan von Mises yang terjadi di seluruh komponen struktur pada SRBE akibat beban lateral secara umum diperlihatkan dalam Gambar 5. Terjadi konsentrasi tegangan yang sangat tinggi di pelat link dibandingkan dengan pada kolom, balok, dan bresing. Kontur tegangan pada link secara lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 6, dimana plastifikasi link geser terjadi terlebih dahulu secara serempak pada pelat badan dan kemudian menyebar pada pelat sayap. Selanjutnya dapat dilihat pula bahwa plastifikasi pada link yang lebih pendek akan tersebar lebih merata di sepanjang pelat badan link, mengingat momen lentur yang terjadi tidak terlalu besar pengaruh besarnya pada kelelehan penampang link.
(a). Kondisi Leleh Pertama (b). Kondisi Maksimum Gambar 5. Kontur Tegangan Von Mises ( L/H = 1.25, e = 500 mm) Model LH = 1.25 e = 0.30 Model LH = 1.25 e = 0.40 Model LH = 1.25 e = 0.50 Gambar 6. Kontur Tegangan Von Mises ( L/H = 1.25 ) pada Kondisi Maksimum. Deformasi inelastik yang terjadi pada link ditunjukkan oleh besarnya sudut rotasi inelastik link ( p yang akan semakin besar harganya pada link yang semakin pendek seperti diperlihatkan pada Tabel 3. Untuk rasio L/H yang semakin besar pada nilai H dan e yang tetap, nilai p akan semakin besar, hal mana sejalan dengan semakin kecilnya harga e/l. Tabel 3. Sudut Rotasi Link
Kinerja disipasi energi akibat beban geser siklik diperlihatkan dalam Gambar 7. Untuk link dengan panjang dan kapasitas penampang yang sama, disipasi energi akan meningkat pada rasio L/H yang lebih tinggi, yang ditunjukkan dengan kurva histeresis yang lebih stabil. Disipasi energi juga akan meningkat sejalan dengan berkurangnya ukuran panjang link. Tabel 4 menunjukkan pengaruh panjang link dan rasio e/l terhadap kinerja disipasi energi. Besarnya energi disipasi dihitung sampai dengan siklus pembebanan terakhir sebelum struktur mengalami penurunan kekuatan atau pada saat plastifikasi terjadi di komponen struktur di luar link. (a). L/H = 1.25 (b). L/H = 1.50 (c). L/H = 1.75 Gambar 7. Kurva Histerisis Beban Vs Perpindahan Untuk e = 300 mm Tabel 4. Kinerja Disipasi Energi Link L/H 1.25 1.50 1.75 e (mm) 300 400 500 Kelelehan Di luar - - Balok Jml Siklus 3.5 3.5 3.5 Energi Disipasi (kn- 19.617 24.452 29.514 Kelelehan Di luar - - Balok Jml Siklus 3.5 3.5 3.5 Energi Disipasi (kn- 23.417 27.918 33.241 Kelelehan Di luar - - Balok Jml Siklus 3 3 3 Energi Disipasi (kn- 17.834 20.854 24.526
Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa deformasi maupun disipasi energi akibat lelehnya link akan semakin meningkat pada link yang semakin pendek, baik dihitung berdasarkan: (1) nilai mutlak dari rasio, dan (2) nilai relatif terhadap panjang bentang (e/l). 3. LINK DENGAN SAMBUNGAN BAUT Link yang dapat diganti menuntut jenis sambungan yang mudah dibongkar dan dipasang kembali. Hal ini dimungkinkan bagi link yang disambung dengan baut melalui pelat ujung (end-plate), namun dengan konsekuensi tingkat kinerja yang diperkirakan lebih rendah daripada sambungan las, terutama dalam hal kekuatan, kekakuan, dan disipasi energi. Kajian numerik dilakukan terhadap sejumlah link geser dengan sambungan baut dan pelat ujung menggunakan pemodelan seperti terlihat pada Gambar 8 dan Tabel 5. 500 80 100 100 100 80 20 20 (a). Link Geser (b). Pola Meshing Gambar 8. Model Link Tabel 5. Model Link yang Dikaji Pengaruh ukuran baut penyambung pada pelat ujung ditunjukkan dalam Gambar 9. Link dengan diameter baut 20, 22 dan 25 mm memperlihatkan kuat leleh yang sama namun dengan kekakuan dan kekuatan inelastik yang semakin meningkat pada ukuran baut
Beban (kn) Beban (kn) yang lebih besar. Hal ini menunjukkan sumbangan kekakuan aksial baut pada besarnya deformasi dan perpindahan yang dialami oleh link, yang menyebabkan peningkatan kemampuan link dalam memikul beban. 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Perpindahan (mm) B20P30(450) B22P30(450) B25P30(450) Gambar 9. Kurva Pushover Beban Vs Perpindahan Dengan Variasi Diameter Baut Gambar 10 menunjukkan pengaruh tebal pelat penyambung pada kekuatan paska leleh link. Dengan nilai kekakuan elastik dan kuat leleh yang relatif sama, link dengan pelat penyambung yang lebih tebal menunjukkan peningkatan kekakuan dan kekuatan inelastik. Hal penting lainnya adalah lelehnya pelat akibat kinking tidak terjadi pada pelat yang lebih tebal (Gambar 11), sehingga disipasi energi tetap terjadi terpusat pada pelat badan link geser. 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Perpindahan (mm) B25P30(450) B25P20(450) Gambar 10. Kurva Pushover Beban Vs Perpindahan Dengan Variasi Ketebalan Pelat.
Beban, P (kn) Beban, P (kn) (a). Tebal Pelat 20 mm (b). Tebal Pelat 30 mm Gambar 11. Deformasi horizontal Pelat Ujung Pada Beban Maksimum (Diameter Baut 25 mm) Gambar 12 menunjukkan distribusi tegangan yang masih relatif merata terjadi pada link dengan sambungan baut. Distribusi tegangan yang terjadi di seluruh bagian link menunjukkan bahwa sambungan link yang menggunakan baut berdiameter besar dan pelat sambung yang tebal, akan terhindar dari kelelehan pada baut dan pelat penyambungnya, sehingga kurva histeresis yang dihasilkan menjadi lebih stabil dan menghasilkan disipasi energi yang meningkat secara signifikan, seperti ditunjukkan pada Gambar 13. Gambar 12. Kontur Tegangan Model B25P30(450) B25P20(500) B25P30(450) 350 350 250 250 150 150 50 50-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25-50 -25-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25-50 -150-150 -250-250 -350 Perpindahan, Δ (mm) -350 Perpindahan, Δ (mm) (a). t = 20 mm (b). t = 30 mm Gambar 13. Kurva Histerisis Link dengan Variasi Tebal Pelat Diameter Baut 25 mm
Load (kn) Beban (kn) Beban (kn) Hasil kajian eksperimental menunjukkan peningkatan kinerja link, khususnya disipasi energi, seperti yang dihasilkan dalam kajian numerik. Peningkatan diameter baut dari 20 mm menjadi 22 mm secara signifikan meningkatkan kinerja disipasi energi seperti ditunjukkan oleh Gambar 14. Lelehnya baut karena ukuran baut yang tidak terlalu besar, akan menyebabkan kurva histerisis cenderung mengalami pinching dan link menghasilkan disipasi energi yang terbatas. Selain itu, penebalan pelat ujung/penyambung dari 20 mm menjadi 30 mm dan diameter baut 25 mm, secara nyata meningkatkan disipasi energi melalui kurva histeresis yang relatif lebih gemuk dan stabil (Gambar 15). 300.00 300 200.00 200 100.00 0.00-50 -40-30 -20-10 0 10 20 30 40 50-100.00 100 0-60 -40-20 0 20 40 60-100 -200-200.00-300 -300.00 Peprindahan (mm) -400 Perpindahan (mm) (a) Baut diameter 20 mm (b) Baut diameter 22 mm Gambar 14 Kurva Histeresis Hasil Pengujian Link Dengan Tebal Pelat Ujung 20 mm 400 300 200 100 0-100 -80-60 -40-20 0 20 40 60 80 100-100 -200-300 -400 Displacement (mm) (a) Kurva Histeresis (b) Link Setelah Diuji Gambar 15. Hasil Pengujian Link Dengan Tebal Pelat 30 mm dan Diameter Baut 25 mm
4. APLIKASI LINK YANG DAPAT DIGANTI Hasil kajian terhadap kinerja sambungan baut menunjukkan bahwa peningkatan ukuran diameter baut dan tebal pelat ujung link dapat meningkatkan kemampuan disipasi energi akibat plastifikasi pada link, khususnya pada pelat badan link. Hasil kajian numerik dan eksperimen yang telah dilakukan menunjukkan bahwa hal ini telah secara signifikan mengurangi kelemahan sambungan baut sebagai sambungan yang tidak kaku. Kinerja penting sebagai pendisipasi energi yang handal dapat dihasilkan melalui pembatasan deformasi elastik pada perpanjangan baut berdiameter besar dan pada lentur pelat ujung yang tebal. Dari hasil kajian numerik terhadap link yang menggunakan sambungan baut pada struktur baja berpengaku eksentrik, dapat disimpulkan bahwa penggunaan link yang dapat diganti akan lebih efektif dilakukan pada link geser atau link pendek dan pada bentang portal yang semakin besar. Kerusakan yang terjadi pada link dengan ukuran geometri struktur demikian, akan sangat signifikan dibandingkan dengan kondisi komponen struktur lainnya yang masih elastik, sehingga penggantian link akan bernilai ekonomis pada struktur yang seringkali mengalami pembebanan gempa. Hal ini akan dapat menjawab kebutuhan struktur tahan gempa di daerah rawan gempa. 5. PENUTUP Kajian lanjut mengenai aplikasi link yang dapat diganti sedang dilakukan. Pengembangan diarahkan kepada desain struktur tahan gempa yang secara ekonomis dapat memenuhi kebutuhan bangunan masyarakat di daerah yang sering mengalami gempa besar. Ucapan terimakasih disampaikan kepada Institut Teknologi Bandung dan Direktorat Pendidikan Tinggi Depdiknas yang selama ini telah mendukung penelitian mengenai link yang dapat diganti. 6. DAFTAR PUSTAKA 1. AISC (2005), Seismic Provision for Structural Steel Building, Chicago, American Institute of Steel Construction. 2. Batubara, B.N (2008), Studi ParametrikTerhadap Kinerja Link Geser Yang Dapat Diganti Pada Struktur Baja Berpengaku Eksentrik, Tesis Magister, ITB. 3. Herdiansah, Y,(2009), Kajian Penggunaan Link yang Dapat Diganti Pada Struktur Rangka Baja Berpengaku Eksentrik Tipe Split-K, Tesis Mgister, ITB. 4. Kasai K., and Popov, E.P. (1986), General Behaviour of WF Steel Shear Link Beams, Journal of the Structural Division. Vol.112, No. 2: ASCE,hlm.362-382 5. Moestopo,M et all,(2008), Improved Performance of Bolt-Connected Link Due To Cyclic Load, International Conference on Earthquake Engineering and Disaster Mitigation, Jakarta. 6. Moestopo,M., Mirza, A., (2006), Kinerja Sambungan Baut pada Link struktur Rangka Baja Eksentrik, Seminar dan Pameran HAKI, Agustus 2006.
7. Moestopo,M., Khairullah (2003), On Improved Performance of Eccentrically Braced Frame, Ninth East Asia-Pasific Conference on Structural Engineering and Construction, Bali. 8. Moestopo,M., (2003), On Improved Behaviour of Seismic Resistant Steel Braced Frame, AUN/SEED-NET INA 106, Research Report. 9. Novan, A (2008), Peningkatan Kinerja Link Geser Dengan Sambungan Baut Tipe Flush Yang Memikul Beban Siklik, Tesis Magister, ITB. 10. Ramadan, T., Ghobarah, a., (1995), Behaviour of Bolted Link-Column Joints in Eccentrically Braced Frame, Can. Journal of Civ. Eng. 745-754. 11. Roeder, C.W. and Popov, E.P. (1997), Inelastic Behaviour of Eccentrically Braced Frame under Cyclic Loadings. Report No. UCB/EERC-77/18. Berkeley : Earthquake Engineering Research Centre. University of California. 12. Stratan, A., and Dubina, D (2002), Bolted Link for Eccentrically Braced Steel Frame, The Polytecnica of Timisoara, Romania. 13. MSC., MSC Nastran Verification Pbroblem Manual version 65, The Macneal- Schwendler Corporation, 1998. 14. MSC., MSC Patran 301 Exercise Workbook, The Macneal-Schwendler Coeporation, 2005.