Konferensi Nasional Teknik Sipil (KoNTekS ) Sanur-Bali, - Juni 00 EVALUASI KINERJA SISTEM RANGKA PEMIKUL MOMEN BIASA (SRPMB) BAJA YANG DIDESAIN BERDASARKAN SNI 0-79-00 UNTUK DAERAH BERESIKO GEMPA TINGGI DI INDONESIA Ima Muljati Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Universitas Kristen Petra, Jl.Siwalankerto - Surabaya Email: imuljati@petra.ac.id ABSTRAK Sistem Rangka Baja Pemikul Momen Biasa (SRPMB) adalah sistem struktur yang direncanakan memiliki deformasi inelastis dan tingkat daktilitas yang relatif kecil dibandingkan sistem struktur baja lainnya. Penelitian terakhir menunjukkan bahwa kinerja SRPMB baja yang didesain berdasarkan SNI 0-79-00 untuk wilayah yang beresiko gempa rendah di Indonesia, berada pada level structural stability. Meskipun struktur masih memenuhi persyaratan drift maksimum yang ditentukan, namun beberapa komponen struktural telah mengalami kerusakan yang signifikan. Studi ini bertujuan meneliti kinerja SRPMB baja untuk daerah di Indonesia yang beresiko gempa tinggi. Ada tiga bangunan perkantoran dengan denah simetris yang diperiksa, yaitu bangunan -, 8-, dan -lantai. Semua bangunan didesain sesuai SNI 0-79-00 dengan memperhatikan persyaratan-persyaratan bangunan tahan gempa menurut SNI 0-7-00. Dengan mengacu pada performance based design, kinerja struktur diperiksa menggunakan analisis statis pushover nonlinier dan analisis dinamis time history nonlinier. Hasil penelitian menunjukkan bahwa SRPMB baja yang didesain berdasarkan SNI 0-79-00 dalam penelitian ini, memiliki kinerja yang kurang baik bila ditinjau dari parameter drift. Walaupun demikian, nilai damage index bangunan masih memenuhi persyaratan. Bangunan juga memiliki daktilitas sesuai yang direncanakan. Kata kunci: Sistem Rangka Pemikul Momen Biasa (SRPMB), analisis statis pushover nonlinier, analisis dinamis time history nonlinier, performance based design. PENDAHULUAN Sistem struktural pada bangunan gedung pada umumnya dibuat untuk memikul beban-beban gravitasi. Selain itu bangunan juga harus mampu menahan gaya lateral yang ditimbulkan oleh angin atau gempa. Semakin tinggi bangunan, semakin besar pula pengaruh beban lateral tersebut. Untuk bangunan yang terbuat dari struktur baja dengan ketinggian sedang (medium rise building), ada tiga jenis sistem penahan beban lateral yang lazim dipergunakan, yaitu: sistem rangka bresing, sistem rangka penahan momen (frame structure), dan sistem ganda (kombinasi sistem rangka ruang dan dinding geser). Di antara ketiga sistem penahan beban lateral tersebut, Sistem Rangka Penahan Momen (SRPM) adalah yang paling sederhana dan paling banyak digunakan di Indonesia. Pada sistem ini, beban gravitasi dan beban lateral dipikul oleh sistem rangka ruang (yang terbentuk dari balok dan kolom) melalui mekanisme lentur. Menurut SNI 0-79-00, ada empat macam SRPM, yaitu: Sistem Rangka Penahan Momen Khusus (SRPMK), Sistem Rangka Penahan Momen Terbatas (SRPMT), Sistem Rangka Penahan Momen Biasa (SRPMB), dan Sistem Rangka Batang Pemikul Momen Khusus (SRBPMK). Klasifikasi tersebut berdasarkan tingkat daktilitas yang diperlukan oleh masing-masing sistem dalam memikul beban lateral. SRPMB adalah sistem yang direncanakan untuk memiliki daktilitas yang paling rendah (sekitar.7) di antara SRPM yang lain. Ketika terjadi gempa rencana, SRPMB diharapkan mengalami deformasi inelastis secara terbatas pada komponen struktur dan sambungan-sambungannya. Menurut penelitian Muljati dan Santoso (008), SRPMB di zona wilayah kegempaan Indonesia (SNI 0-7- 00) memiliki kinerja pada level structural stability limit state (SEAOC, 00). Komponen struktural telah mengalami kerusakan yang signifikan, tetapi masih memenuhi persyaratan simpangan antar lantai. Melanjutkan penelitian tersebut, penelitian ini bertujuan mengetahui kinerja SRPMB di wilayah peta gempa Indonesia yang direncanakan sesuai SNI 0-79-00.. STRUKTUR YANG DITINJAU Sebagai studi kasus, dipilihlah tiga bangunan perkantoran berdenah simetris dengan jarak portal meter, masingmasing -, 8- dan -lantai untuk mewakili medium rise building (Gambar ). Tinggi lantai pertama diambil.00 Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 7
Ima Muljati meter sedangkan tinggi lantai-lantai di atasnya diambil.0 meter (Gambar ). Orientasi penampang kolom diletakkan seragam dengan sumbu kuat penampang sejajar dengan sumbu-y agar dapat dievaluasi secara spesifik terhadap sumbu-x saja. Kekakuan struktur dalam arah-y diasumsikan lebih besar dibanding arah-x dengan cara memberikan bresing pada portal A dan F, di antara as- dan -, dari lantai pertama hingga atap. Dengan demikian respon ragam yang pertama berupa translasi dalam arah-x. Struktur diasumsikan berdiri di atas tanah lunak di wilayah peta gempa Indonesia. y @.00 @.00 A B C D E F x Gambar. Denah bangunan yang ditinjau +.0 + 9.00 +.0 +.00 + 8.0 +.00 +.0 + 8.00 +.0 +.00 + 7.0 +.00 ± 0.00 Gambar. Potongan struktur bangunan -, 8- dan -lantai. DESAIN Portal sampai dengan direncanakan sebagai Struktur Rangka Penahan Momen Biasa (SRPMB) sesuai SNI 0-79-00. Untuk efisiensi dimensi balok dan kolom maka persyaratan pembatasan waktu getar alami fundamental yang ditentukan dalam pasal. SNI 0-7-00 tidak diperhatikan. Beban mati diambil berat sendiri struktur sedangkan beban hidup diambil untuk gedung perkantoran sesuai Peraturan Pembebanan Indonesia untuk Gedung (98). Beban gempa diambil sesuai respon spektrum untuk wilayah peta gempa Indonesia menurut SNI 0-7- 00 yang diekivalenkan menjadi beban statis ekivalen. Struktur dimodelkan secara D menggunakan program ETABS v9.0.7 (Wilson, 99). Kombinasi pembebanan yang dipergunakan adalah sebagai berikut: S - 8 Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Evaluasi Kinerja Sistem Rangka Pemikul Momen Biasa (SRPMB) Baja Yang Didesain Berdasarkan SNI 0-79-00 Untuk Daerah Beresiko Gempa Tinggi Di Indonesia U =.D U =.D +.L U =.D + 0.L ± E U = 0.9D ± E () dimana D adalah beban mati, L adalah beban hidup, dan E adalah beban gempa. Komponen-komponen struktur direncanakan sesuai desain kapasitas (load and resistance factor design) dimana pengaruh aksi terfaktor (R u ) tidak boleh melebihi kapasitas penampang yang diperoleh dengan mengalikan kuat nominal komponen (R n ) dengan faktor reduksi (φ) sesuai persamaan: R u φr () n Kecukupan kapasitas komponen balok diperiksa terhadap persamaan interaksi lentur dan geser sesuai pasal 8.9. SNI 0-79-00: M u φm n + Vu 0..7 φv () n dimana M u dan V u adalah momen dan gaya lintang ultimit, M n dan V n adalah momen dan gaya lintang nominal penampang dan φ adalah faktor reduksi. Selanjutnya, komponen kolom diperiksa terhadap persamaan interaksi lentur dan gaya aksial sesuai pasal 7... SNI 0-79-00: Nu M M ux uy Untuk N u /(φn n ) < 0.:.00 φ N + φ M + φ M (a) n b nx b ny Untuk N u /(φn n ) 0.: N 8 u M M ux uy + +.00 φ Nn 9 φbm nx φbm ny (b) dimana N u dan N n adalah gaya aksial terfaktor dan kuat nominal penampang terhadap gaya aksial, M ux dan M uy adalah momen lentur terfaktor terhadap sumbu-x dan -y, M nx dan M ny adalah kuat nominal lentur penampang terhadap sumbu-x dan -y, sedangkan φ b adalah faktor reduksi kuat lentur diambil 0.90. Hasil desain komponen balok dan kolom beserta nilai interaksinya dapat dilihat pada Tabel.. ANALISIS Kinerja struktur pada level gempa tertentu ditentukan melalui analisis statis pushover nonlinier menggunakan program ETABS v9.0.7 dan analisis dinamis time history nonlinier menggunakan program RUAUMOKO D (Carr, 00) dengan beban gempa berperiode ulang 00-, 00- dan 000- untuk merepresentasikan gempa kecil, sedang dan besar. Parameter yang dipergunakan adalah simpangan antar lantai (displacement), rasio simpangan antar lantai (drift), lokasi sendi plastis (untuk menentukan mekanisme keruntuhan) dan indeks kerusakan (damage index). Hubungan momen-kurvatur pada lokasi-lokasi yang direncanakan mengalami sendi plastis dibuat dengan bantuan program XTRACT v.0. (Chadwell, 00). Hasil analisis pushover nonlinier merupakan respon maksimum struktur, sedangkan hasil analisis time history nonlinier merupakan respon maksimum struktur selama response history yang ditinjau. Displacement dan drift untuk ketiga bangunan ditunjukkan secara grafis pada Gambar. Notasi PO dan TH yang diikuti angka 00, 00, dan 000 menunjukkan analisis pushover dan time history untuk gempa 00-, 00-, dan 000-. Jika ditinjau dari parameter displacement dan drift, dapat dilihat bahwa untuk gempa 00- kedua analisis memberikan hasil yang relatif sama. Sedangkan untuk gempa 00- dan 000-, kedua analisis memberikan kecenderungan yang berbeda. Pushover cenderung memberikan hasil displacement yang lebih besar dibandingkan time history. Akan tetapi jika ditinjau dari parameter drift, pushover cenderung memberikan hasil yang lebih kecil dibandingkan time history terutama pada lantai-lantai atas. Besarnya nilai drift pada lantai-lantai atas disebabkan oleh pemilihan dimensi kolom yang relatif kecil dibandingkan kolom di bawahnya. Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 9
Ima Muljati Tabel. Dimensi balok dan kolom beserta nilai interaksi maksimum Bangunan -lantai 8-lantai -lantai Balok Induk Interaksi Kolom Interaksi Balok Anak ke- Eksterior Interior Maksimum Eksterior Interior Sudut Maksimum 0.9 00.00.. 00.00.. 0.9 0.00.8. 00.00.. 00.0.,.8 0.9 0.0.9.9 00.00.. 0.9 00.00.8. 00.00..9 0.8 0.0.. 0.0.0. 0.0.. 0.90 0.7..9 0.7.7..8 00.00.9. 00.00.. 0.7 0.98 00.00.0. 0.9 00.00...0 00.00.8.8 00.00.8.8 0.8.09 00.00.. 0.90 00.00..9 00.00.. 00.0.,.8.09 00.00.. 0.78.07 00.00.8.8 0.0.. 0.80 00.00.9. 0.99 0.0.. 00.00.9. 0.8 7 00.00.7..7 0.0.. 00.00.. 0.87 8 0.7..9 0.7.7. 00.00.7. 0.98 0.0.. 00.00.8. 0.8 0.88 00.00.0.0 00.00.8.8 0.9 00.00..7 00.00..0 0.997 0.9 00.00.0..08 0.8 00.00..7 00.00..7 00.00...088 0.9 00.00.8.8. 0.89 00.00.0. 00.00.0. 00.0.,.8. 00.00.. 00.00.. 0.9 7 00.00..9.097 00.00.. 0.0..9 0.98 0.00.9. 8 00.00.0..07 00.00.8.8 0.0.0. 0.9 9.08 0.0.9.9 0.0.. 0.8 0.00.8. 00.00.9. 0 0.9 0.0..9 00.00..7 0.7.0 00.00.0. 0.0.9. 0.8 0.7.7. 00.00.7. 0.7..9 0.9 0.0.. 00.00.. 0.70 - - PO-00 PO-00 TH-00 TH-00 PO-000 PO-000 TH-000 TH-000 0 8 7 0 0 9 8 7 0 0 0.0 0. 0. 0. 0. 0. Displacement (m) 8-0 0. 0. 0. 0. 0. Displacement (m) - 0 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.7 Displacement (m) PO-00 TH-00 PO-000 8 7 TH-000 0 0 9 PO-00 8 7 TH-00 PO-000 TH-000 0 0 0.00% 0.0%.00%.0%.00%.0% Drift (%) 8-0.00%.00%.00%.00%.00% Drift (%) - 0.00%.00%.00%.00%.00% Drift (%) PO-00 TH-00 PO-000 TH-000 PO-00 TH-00 PO-000 TH-000 Gambar. Displacement dan drift S - 0 Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Evaluasi Kinerja Sistem Rangka Pemikul Momen Biasa (SRPMB) Baja Yang Didesain Berdasarkan SNI 0-79-00 Untuk Daerah Beresiko Gempa Tinggi Di Indonesia Selain displacement dan drift, analisis pushover dan time history juga dapat memberikan informasi mengenai damage index (DI) di setiap lokasi yang direncanakan mengalami sendi plastis. Parameter damage index ini didefinisikan sebagai rasio daktilitas maksimum yang terjadi, µ m dengan daktilitas ultimit, µ u yang dapat dinyatakan dalam persamaan: µ m DI = µ u () Analisis pushover tidak dapat memberikan nilai DI secara eksak seperti halnya time history, melainkan berupa kisaran nilai. Menurut FEMA 0 (000), leleh pertama terjadi jika nilai DI kurang dari 0.. Sedangkan untuk kondisi batas immediate occupancy, life safety, dan structural stability berturut-turut memiliki nilai DI maksimum sebesar 0., 0.0, dan.00. Lokasi sendi plastis yang dihasilkan oleh pushover dan time history untuk bangunan -, 8-, dan -lantai berturut-turut dapat dilihat pada Gambar. PO-00 PO-000 TH-00 TH-000 Gambar. Lokasi sendi plastis pada bangunan -lantai PO-00 PO-000 TH-00 TH-000 Gambar. Lokasi sendi plastis pada bangunan 8-lantai Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S -
Ima Muljati PO-00 PO-000 TH-00 TH-000 Gambar. Lokasi sendi plastis pada bangunan -lantai Dari kedua analisis terlihat bahwa time history berhasil mendeteksi sendi plastis yang lebih banyak dibandingkan pushover. Hal ini realistis mengingat time history dihasilkan dari beban dinamis yang memungkinkan bangunan mengalami pelelehan berulang pada satu lokasi tertentu. Pelelehan yang berulang menyebabkan bangunan mengalami disipasi energi yang semakin besar pula. Sendi plastis juga terjadi pada kolom-kolom lantai atas. Hal ini sesuai dengan displacement dan drift yang telah ditunjukkan pada Gambar di atas.. EVALUASI KINERJA BANGUNAN Kinerja bangunan dinilai memenuhi persyaratan apabila parameter drift dan damage index memenuhi batasan yang ditentukan dalam perencanaan berbasis kinerja (performance based design). Dalam penelitian ini batasan drift ditentukan sesuai VISION 000 (SEAOC, 99), sedangkan batasan damage index ditentukan sesuai rekomendasi FEMA 0 (000). Matrik kinerja struktur berdasarkan drift dan damage index ditunjukkan pada Tabel dan. Berdasarkan parameter drift, semua bangunan cenderung mengalami drift yang lebih besar daripada yang diharapkan (area abu-abu pada Tabel dan ), baik untuk gempa kecil, sedang, maupun besar. Bahkan untuk level gempa rencana (periode ulang 00-), analisis time history mendeteksi adanya drift yang sangat besar melebihi.0% pada bangunan 8- dan -lantai. Walaupun demikian, damage index semua bangunan masih relatif kecil (Tabel ), yaitu pada level immediate occupancy limit state. Analisis pushover menunjukkan bahwa daktilitas struktur yang terjadi masih lebih kecil daripada yang direncanakan, yaitu sebesar.7. Ini menunjukkan bahwa bangunan masih dapat mempertahankan kekuatan dan stabilitasnya dengan cukup baik. S - Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Evaluasi Kinerja Sistem Rangka Pemikul Momen Biasa (SRPMB) Baja Yang Didesain Berdasarkan SNI 0-79-00 Untuk Daerah Beresiko Gempa Tinggi Di Indonesia Tabel. Matrik kinerja struktur berdasarkan parameter drift (%) Periode Immediate Life Safety Structural Stability Unacceptable Ulang Bangunan Occupancy Gempa PO TH PO TH PO TH PO TH -lantai 0.9.0 00-8-lantai 0.9. -lantai 0.90. -lantai.0.98 00-8-lantai.7.9 -lantai.8.9 -lantai.0. 000-8-lantai.9.0 -lantai.. Drift maksimum (%) < 0.0 0.0.0.0.0 >.0 Periode Ulang Gempa 00-00- 000- Damage index maksimum Tabel. Matrik kinerja struktur berdasarkan parameter damage index Immediate Bangunan Occupancy Life Safety Structural Stability Unacceptable PO TH PO TH PO TH PO TH -lantai * 0.0 8-lantai * 0.0 -lantai * 0.0 -lantai * 0.0 8-lantai * 0.0 -lantai * 0.0 -lantai * 0.0 8-lantai * 0.07 -lantai * 0.0 0.0 0. 0. 0.0 0.0.00 >.00. KESIMPULAN Hasil penelitian menunjukkan bahwa SRPMB baja yang didesain berdasarkan SNI 0-79-00 dalam penelitian ini memiliki kinerja yang kurang baik bila ditinjau dari parameter drift. Walaupun demikian, nilai damage index bangunan masih memenuhi persyaratan dan bangunan memiliki daktilitas yang cukup sesuai dengan yang direncanakan. 7. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini dapat terlaksana dengan baik berkat kerjasama beberapa pihak. Untuk itu penulis berterima kasih kepada Saudara Dedy Pramono, Saudara Stephen, dan Bapak Hasan Santoso. DAFTAR PUSTAKA Badan Standarisasi Nasional. (00). Tata Cara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung, SNI 0-79- 00, Departemen Pekerjaan Umum. Bandung. Muljati, I dan Santoso, H. (008). Performance of Ordinary Moment-Resisting Frames in Low Seismic Area Designed Based on Indonesian Steel Building Code SNI 0-79-00. International Conference on Earthquake Engineering and Disaster Mitigation 008, Jakarta, Indonesia. Badan Standarisasi Nasional. (00). Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Bangunan Gedung, SNI 0-7-00, Departemen Pekerjaan Umum. Bandung. Structural Engineers Association of California. (99). Vision 000 Progress Report. California. Departemen Pekerjaan Umum. (98). Peraturan Pembebanan Indonesia untuk Gedung 98. Departemen Pekerjaan Umum Bandung.. Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S -
Ima Muljati Wilson, E.L. (99). Three Dimensional Dynamic Analysis of Structures with Emphasis on Earthquake Engineering. Computer and Structures, Inc. Berkeley. California. Chadwell, C. dan Imbsen and Associates. (00). Program XTRACT v.0.. Carr, Athol J. (00). RUAUMOKO, Inelastic dynamic analysis, -dimensional version. New Zealand: University of Canterbury. SAC Joint Venture (000). FEMA-0, Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings. California: Federal Emergency Management Agency. S - Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta