SEMINAR TUGAS AKHIR STUDI PERILAKU DINDING GESER PELAT BAJA (STEEL PLATE SHEAR WALL) PADA BANGUNAN STRUKTUR BAJA AKIBAT BEBAN GEMPA Disusun Oleh: Nur Husain NRP 3104 100 052 Dosen Pembimbing: Budi Suswanto, ST.,MT.,Ph.D Data Iranata, ST.,MT.,PhD JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011
PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian
LATAR BELAKANG MASALAH Lahan pertanian mulai berkurang, sehingga banyak didirikan gedung tinggi sebagai alternatif pemanfaatan lahan secara efektif Struktur gedung tinggi dan ramping mulai digemari para arsitek sehingga material baja digunakan sebagai bahan struktur utama Makin tinggi suatu bangunan makin tinggi pula resiko yang diterima. Bangunan tingkat tinggi harus mampu menerima beban gempa yang kuat (zona 5 dan 6) Struktur harus kuat dan daktail Untuk menahan beban lateral (gempa dan angin) digunakan dinding geser pelat baja (steel plate shear wall)
Dinding geser pelat baja (Steel Plate Shear Wall atau SPSW) adalah sebuah sistem penahan beban lateral yang terdiri dari pelat baja vertikal padat, menghubungkan balok dan kolom di sekitarnya, dan terpasang dalam satu atau lebih plat sepanjang ketinggian struktur membentuk sebuah dinding penopang (Proceedings of the 8th U.S. National Conference on Earthquake Engineering April 18-22, 2006, San Francisco, California, USA Paper no.1089) Secara umum, dalam penelitian ini akan direncanakan sebuah bangunan gedung typical dengan dimensi bangunan 30x18 m (jarak bentang 6 m) dan 8 lantai dengan tinggi bangunan 32 m (tinggi antar lantai 4 m). Gedung yang didesain terletak di daerah rawan gempa dengan mengambil Zona Gempa 6 berdasarkan SNI-03-1726-2002. Secara keseluruhan, perencanan struktur gedung ini akan dibuat dari struktur baja. Untuk analisa struktur secara umum akan menggunakan program bantu SAP 2000 versi 14, untuk analisa penampang elemen struktur menggunakan software ABAQUS versi 6.7
PERUMUSAN MASALAH Bagaimana perilaku atau respon inelastik (drift, gaya geser dasar, simpangan atap) antara suatu bangunan dengan menggunakan steel plate shear wall dibandingkan struktur baja biasa tanpa shear wall (moment resisting frame)? Bagaimana dampak pemakaian SPSW terhadap dimensi profil struktur utama?
TUJUAN PENELITIAN Menghitung respon inelastik (drift, gaya geser dasar, simpangan atap) suatu bangunan dengan menggunakan steel plate shear wall dengan struktur rangka pemikul momen biasa (moment resisting frame) Mengetahui dampak dari pemakaian SPSW terhapada dimensi struktur utama
BATASAN MASALAH Jumlah lantai adalah 10 lantai. Dimana hanya membandingkan struktur menggunakan SPSW (4 bagian) dan struktur open frames biasa (momen resisting frame) Program yang digunakan adalah SAP2000 v.14 dan Abaqus 6.7 Tidak menghitung Pondasi Tidak memperhitungkan biaya dan sambungan
MANFAAT PENELITIAN Sebagai bahan masukan bagi dunia perkonstruksian khususnya pada bangunan baja dalam pengerjaan pengaku pada konstruksi. Sebagai bahan pertimbangan jenis pengaku yang akan digunakan dalam mendesain konstruksi bangunan baja.
PENELITIAN SPSW SEBELUMNYA
POLA DESAIN SPSW
GAYA-GAYA YANG BEKERJA PADA SPSW
METODOLOGI Flowchart Metode Studi
PREMILINARY DESAIN Balok induk Balok anak 6.0 m 18.0m 6.0 m 6.0 m m m 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 30.0m m m m Gambar 2.5 Denah Bangunan
SPSW Balok induk Balok anak 6.0 m 18.0 SPSW 6.0 m 6.0 m 6.0 m 6.0 m 6.0 m 6.0 m 6.0 m 30.0m Gambar 2.6 Denah Bangunan Dengan SPSW
+ 40.00 + 36.00 +32.00 + 28.00 + 24.00 + 20.00 + 16.00 + 12.00 4.0 m 4.0 m 4.0 m 4.0 m 4.0 m 4.0m 4.0m 40.0m + 40.00 + 36.00 +32.00 + 28.00 + 24.00 + 20.00 + 16.00 + 12.00 4.0 m 4.0 m 4.0 m 4.0 m 4.0 m 4.0m 4.0m 40.0m + 8.00 4.0m + 8.00 4.0m + 4.00 4.0m + 4.00 4.0m 4.0m 4.0m ± 0.00 6.0 m 6.0 m 6.0 m 6.0 m 6.0 m 30.0 m ± 0.00 6.0 m 6.0 m 6.0 m 18.0 m Gambar 2.7 permodelan struktur tanpa Pengaku Tampak Depan Gambar 2.8 permodelan struktur tanpa Pengaku Tampak samping
+ 40.00 + 36.00 +32.00 + 28.00 + 24.00 4.0 m 4.0 m 4.0 m 4.0 m + 40.00 + 36.00 +32.00 + 28.00 + 24.00 4.0 m 4.0 m 4.0 m 4.0 m + 20.00 4.0 m 40.0m + 20.00 4.0 m 40.0m 4.0m 4.0m + 16.00 + 16.00 + 12.00 4.0m + 12.00 4.0m + 8.00 + 4.00 ± 0.00 6.0 m 6.0 m 6.0 m 6.0 m 6.0 m 30.0 m 4.0m 4.0m 4.0m + 8.00 + 4.00 ± 0.00 6.0 m 6.0 m 6.0 m 18.0 m 4.0m 4.0m 4.0m Gambar 2.9 permodelan struktur SPSW Tampak Depan Gambar 2.10 permodelan struktur SPSWTampak Samping
Gambar 2.10 permodelan struktur open frame biasa tanpa pengaku 3D Gambar 2.11 permodelan struktur SPSW 3D
3.1 Beban-beban pada struktur 3.1.1 Beban Mati (PPIUG 1983 Bab 2 ) 3.1.2 Beban Hidup (PPIUG 1983 Bab 3) 3.1.3 Beban Angin (PPIUG 1983 - Bab 4) 3.1.4 Beban Gempa ( SNI 03-1726-2002 ) Beban gempa yang digunakan adalah statik eqivalen yang sudah disesuaikan dengan SNI 2002.
3.2 Peraturan Peraturan yang digunakan dalam perencanaan adalah : SNI 03 1729 2002 tentang Tata Cara Perencanaan Struktur Baja Untuk Bangunan Gedung Peraturan Pembebanan Indonesia Untuk Gedung (PPIUG) 1983. SNI 03 1726 2002 tentang Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Bangunan Gedung. Untuk check / kontrol dimensi digunakan SNI 3.3 Data Umum Bangunan - Lokasi : Wilayah gempa 6 (SNI 2002). - Lebar bangunan : 18 m - Panjang bangunan : 30 m. - Tinggi bangunan : 40 m (10 lantai). - Sistem struktur : Struktur bangunan Baja dengan menggunakan x-braced CBF dan Buckling Inhibited Braces (BIB).
3.4 Data Bahan Mutu Baja yang akan digunakan sebagai berikut : Kolom (King Cross Mutu BJ 41): Fy = 250 Mpa Fu = 410 Mpa Balok (WF Mutu BJ 41): Fy = 250 Mpa Fu = 410 Mpa Mutu Beton fc = 30 Mpa
PERENCANAAN STRUKTUR SEKUNDER Pelat atap dan lantai menggunakan tulangan negatif Ø = 10 mm 200 Balok anak menggunakan dimensi WF 300.200.8.12 BALOK Gambar 4.1 Penulangan Bondek Atap
Hasil kontrol yang diperoleh Kontrol Kuat Geser : ΦVn Vu 31752 kg 6796,12 kg Ok Kontrol Kuat Momen Nominal : Mu < Φ Mn 10,194.17 kgm< 18,517.50 kgm ok
BAB V PERENCANAAN GEMPA DAN STRUKTUR UTAMA Tabel 5.1 Berat Struktur Per Lantai Lantai Tinggi (m) Berat Lantai (kg) 10 40 184743.6 9 36 30 50 43.6 8 32 30 50 43.6 7 28 30 7962 6 24 30 7962 5 20 30 7962 4 16 317446.8 3 12 317446.8 2 8 317446.8 1 4 317446.8 298850 4 Berat total bangunan(open frame biasa) = 2988504 kg Berat total bangunan(spsw) = 3056200 kg
Tabel 5.2 Daftar Profil Baja Terpakai Notasi h B tw tf Berat (mm) (mm) (mm) (mm) (kg/m) Balok WF300 300 200 8 12 56.8 WF500 500 200 10 16 89.6 Kolom K346 346 174 6 9 82.8 K400 400 200 8 13 113.2 K600 600 200 11 17 212 Tabel 5.3 Daftar Beban Hidup Deskripsi 1.Lantai Perkantoran 2.Atap Beban hidup 250 kg/m2 100 kg/m2
Tabel 5.4 Gaya gempa tiap lantai menggunakan T = 1.723 Tabel 5.5 Kontrol kinerja batas layan dan kinerja batas ultimate arah sumbu x (moment resisting frame)
Tabel 5.5 Kontrol kinerja batas layan dan kinerja batas ultimate arah sumbu x (SPSW)
gambar displacement open frame biasa tanpa SPSW arah sumbu x gambar displacement dengan SPSW arah sumbu x
STRUKTUR UTAMA WF 500x200x10x16 fvn Vu 67500 kg 17823.49 Balok kuat memikul gaya geser XH 600x200x11x17 Pu fpn 8 Mux 9 fb. Mnx Muy fb. Mny 1,0 0,758 1 Kolom kuat memikul kuat tekan dan lentur
h/tw<lp = 1,10 PERENCANAAN DINDING GESER Direncanakan dimensi shear wall 300 x 200 dengan tebal 6 mm (Bj 41) Panel aspek ratio 0.8 < L/h < 2,5 Rasio = L/h = 300/200 = 1.5 OK twl 1 Tan 4 2Ac α = 3 1 h 1 twh Ab 360IcL 30º <α = 36.8º < 45º OK Kontrol penampang h/tw<λp = 1,10 Kv. E. / Fyw λp = 359 h/tw < λp jadi penampang kompak
Gaya geser Nominal (Vn): Vn = 0.42 Fy. tw. Lc. Sin (2α) Vn = 0.42 x 2500x 40000 x 0.959 Vn = 40278000 kg Gaya geser yang dapat terjadi : Vyc = Cpr.Ry.Vn Cpr = (fy+fu)(2fy) = 1 + fy/2fu Cpr = (2500+4100)/(2x2500) = 1,32 Vyc = Cpr. Ry. Vn Vyc = 1,32x1,1x40278000 = 58483656 kg
Tegangan leleh yang mungkin terjadi: fyc = Ry. Fy fyc = 1.1x2500 = 2750 kg/cm²> fy = 2500 kg/cm² Tegangan Geser Kritis pada dinding geser : Tegangan tekuk kritis tidak boleh lebih kecil dari tegangan leleh pada element plat. Dengan kata lain, tekuk dapat dicegah sebelum tegangan rata-rata sebesar fy tercapai. fcr = 2. E. Kv 2 12(1 v )( h ) tw 2 fcr = 2847,524 kg/cm²> fy=2500kg/cm²..ok
Kontrol tegangan dinding geser: Output dari SAP 2000 combo 7 W53: M11 = 5,94kgcm S11 = 279,23 kgcm Dimensi dinding geser: b= 200cm t= 0,6cm σy = 2500 kg/cm² σ= S11 + = 269,23 + M11 1 2 b. t 6 5,94 1 2 200.0,6 6 = 269, 28 < σy (OK)
ANALISA SPSW DENGAN ABAQUS 6.7 PRE PROCESSING Pemodelan geometrik struktur dengan bentuk yang diinginkan, beserta input data-data seperti jenis material yang digunakan, pola beban, rekatan antar elemen, jenis perletakan, dan messing element. Adapun step-step dari abaqus dalam pemodelan yaitu: Parts Step ini merupakan penggambaran bentuk awal dari geometrik struktur dengan menggunakan titik-titik koordinat dalam penggambaran untuk masing-masing element struktur
Materials Step ini merupakan penentuan jenis material yang digunakan untuk masing-masing element. Dengan mengisi mass density, elastisitas material, dan plastisitas material. Density menu : Mass density untuk baja= 6850 kg/cm³ = 7.7008E-005 N/mm³ Elastis menu : Modulus young baja 200000 Mpa dengan poison ratio 0.3 Plastis menu : Yield stress (250,251,410); Plastis Strain (0,0.0188,0.1988)
Assembly Merupakan penggabungan dari element-element yang telah dibuat menjadi satu kesatuan. Dalam langkah ini dibagi beberapa langkah diantaranya instances (memanggil partpart untuk dibentuk dalam satu kesatuan), steps (pendefinisian element), constrain (input lekatan antar element), loads (input beban yang ada), dab BCs (input perletakan)
PROCESSING Dalam hal ini abaqus mampu menganalisa linear analisis dan non-linear analisis pada finite element dengan ratusan parameter dalam banyak iterasi. Pemecahan analisa non linear dalam abaqus terdapat beberapa tahap yaitu: Kombinasi dan berulang prosedur tambahan; Menggunakan metode newton untuk memecahkan persamaan non linear Menentukan konvergensi; Menentukan beban sebagai fungsi waktu, dan Bertahap memilih waktu yang tepat secara otomatis. Gambar Kurva perpindahan beban non-linear
Tujuan analisis adalah untuk menentukan respon ini. Dalam non linear analisis solusi tidak dapat dihitung dengan menyelesaikan system persamaan linear tunggal, seperti yang akan dilakukan dalam masalah linear. Sebaliknya, solusi ditemukan dengan menetapkan loading sebagai fungsi dari waktu sehingga respon non linear dapat dipeoleh ketika melakukan iterasi. Langkah kenaikan dan iterasi Pada dasarnya simulasi terdiri dari 1 atau banyak langkah. Pendefenisian proses kerja umumnya terdiri dari prosedur analisis, pembebanan dan permintaan output. Beban yang berbeda, kondisi batas, analisis prosedur, dan permintaan output yang dapat digunakan dalam setiap langkah. Konvergensi Dalam hal ini abaqus mempertimbangkan gaya eksternal (P) dan gaya Internal (I) pada tubuh element. Beban internal bekerja pada sebuah nodal disebabkan oleh tegangan dalam element-element yang melekat pada nodal itu) Gambar 6.12. Gambar pemodelan beban internal dan eksternal
Gambar visualisasi SPSW pada abaqus
Gambar prilaku SPSW percobaan di lapangan
PENUTUP Kesimpulan Dimensi Profil ; Dari hasil perhitungan dan analisis yang telah dilakukan pada struktur gedung, didapatkan hasil sebagai berikut : SPSW : Plat baja BJ 41 dengan tebal 6 mm Balok anak WF 300x200x8x12 Balok Induk Eksterior : Untuk lantai 1 s/d 10 WF 500x200x10x16 Balok Induk Interior : Untuk lantai 1 s/d 10 WF 500x200x9x14 Kolom : Lantai 1 s/d 4 : K 700x300x13x24 Lantai 5 s/d 7 : K 600x200x11x17 Lantai 8 s/d 10 : K 400x200x8x13
Balok lantai 1-4 Momen resisting frame Mu max = 4,796,210.00 Kgcm Vu (-) = 19,421.32Kg SPSW Mu max = 2,824,594.00 Kgcm Vu (-) = 13,652.30 Kg Balok lantai 5-10 Momen resisting frame Mu max = 4,200,607.00 Kgcm Vu (-) = 17,374.89Kg SPSW Mu max = 2,543,794.00 Kgcm Vu (-) = 12,673.20 Kg
Gaya dalam yang terjadi pada struktur saat Open Frame tanpa pengaku, dan setelah menggunakan SPSW Balok seg. bawah Open Frame SPSW Mu max( kgcm ) 4,796,210 2,824,594 Vu max (kg) 19,421.32 13,652 Balok seg. Atas Mu max( kgcm ) 4,200,607 2,543,794 Vu max (kg) 17,374.89 12,673 Dari data Mu max dan Vu yang ada di atas, saat Struktur menggunakan SPSW berkurang ±1,7 kali terhadap terhadap struktur saat Open frame. Hal ini memberikan gambaran bahwa suatu struktur yang deberi SPSW, lebih bermaanfaat pada struktur berlantai 10. Sehingga dari momen yang mengalami pengurangan tersebut,dimensi Balok dapat dikurangi lagi hingga kondisi se optimum mungkin.
Pengaruh gaya gempa yang terjadi terhadap struktur Open Frame,dan SPSW dapat dilihat pada grafik dibawah ini: Dari grafik terlihat Drift yang sangat besar terjadi saat Open Frame ( s= 383.78 mm),setelah SPSW menjadi s= 81.038 mm. Pengecilan drift ±4.7 kali ini menunjukkan momen yang diterima oleh kolom dan balok akan mengecil pula.
Simpangan atap max SPSW = 81.04 mm Simpangan atap max Momen resisting frame = 383,78 mm Base Shear max SPSW = 214892,3 kg Base Shear max Momen resisting frame = 834168,5 kg Hal ini menunjukkan bahwa base shear struktur baja dengan menggunakan SPSW lebih kecil dibandingkan dengan struktur momen resisting frame Hal ini mengakibatkan profil struktur yang digunakan SPSW lebih kecil dibandingkan profil yang digunakan momen resisting frame Dari semua hasil perbandingan diatas dapat disimpulkan bahwa struktur dengan menggunakan SPSW lebih efisien dan ekonomis dibandingkan dengan struktur dengan momen resisting frame
Saran Perlu dilakukan analisa struktur gedung penuh dan penggunaan beban cyclic menggunakan software abaqus untuk menganalisa perilaku SPSW dengan sempurna Perlu pembelajaran program ABAQUS secara advance untuk melakukan percobaan bahan dengan teknologi komputer
Terima Kasih