EVALUASI PERBANDINGAN KONSEP DESAIN DINDING GESER TAHAN GEMPA BERDASARKAN SNI BETON TUGAS AKHIR SEBAGAI SALAH SATU SYARAT UNTUK MENYELESAIKAN PENDIDIKAN SARJANA TEKNIK DI PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL oleh ESTER YULIARI 15004076 SUHELDA 15004090 PEMBIMBING Ir. ISWANDI IMRAN, MASc., Ph.D. PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG TUGAS AKHIR EVALUASI PERBANDINGAN KONSEP DESAIN DINDING GESER TAHAN GEMPA BERDASARKAN SNI BETON oleh ESTER YULIARI SUHELDA 150 04 076 150 04 090 DISETUJUI oleh PEMBIMBING Ir. ISWANDI IMRAN, MASc, PhD NIP: 132 149 433 KOORDINATOR TUGAS AKHIR KK REKAYASA STRUKTUR KETUA PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL ITB Ir. MADE SUARJANA, MSc, PhD Dr. Ir. HERLIEN D.SETIO NIP : 131 667 735 NIP : 131 121 658 BANDUNG, JULI 2008 i
ABSTRAK Evaluasi Konsep Desain Dinding Geser Tahan Gempa Berdasarkan SNI Beton Ester Yuliari (15004076) dan Suhelda (15004090) Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Teknologi Bandung 2008 Indonesia merupakan salah satu negara dengan aktivitas gempa yang tinggi. Oleh karena itu pembangunan infrastruktur di Indonesia harus memenuhi persyaratan ketahanan terhadap gempa. Bangunan tahan gempa umumnya menggunakan elemen struktur dinding struktural berupa dinding geser untuk menahan kombinasi dari geser, momen, dan gaya aksial yang ditimbulkan oleh gaya gempa. Dengan adanya dinding geser yang kaku sebagian besar gaya gempa akan terserap sehingga meringankan kerja dari elemen struktur yang lain. Tugas akhir ini bertujuan untuk membandingkan dua konsep perencanaan dinding geser. Konsep pertama yaitu konsep gaya dalam yang mengacu pada Tata Cara Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung, SNI 03-2847-2002. Namun dalam prakteknya masih terdapat kekhawatiran akan keandalan (reliability) hasil desain dinding geser berdasarkan konsep ini. Konsep kedua adalah dinding geser yang didesain berdasarkan desain kapasitas. Praktisi yakin bahwa desain berdasarkan konsep ini menghasilkan desain yang lebih aman. Konsep desain ini mengacu pada Tata Cara Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung, SNI 03-2847-1992 dan Canadian Code. Analisis yang dilakukan adalah analisis elemen dinding geser dan pushover analisis. Perilaku yang dibandingkan antara kedua elemen ini antara lain adalah faktor modifikasi respon, daktilitas struktur, base shear, dan faktor kuat lebih struktur. Di dalam tugas akhir ini, terdapat 3 buah model yaitu dinding geser yang didesain dengan ketiga konsep tersebut. Analisis yang digunakan adalah dengan menggunakan analisis statik nonlinier yaitu metode pushover. Selain itu dilakukan analisis elemen dengan bantuan Membrane 2000. Berdasarkan metode tersebut, model-model yang digunakan diperiksa perilaku-perilaku yang terjadi sesuai dengan batasan hal yang akan dibandingkan. Dari hasil yang diperoleh berdasarkan analisis elemen dapat diambil kesimpulan bahwa elemen dinding geser yang didesain dengan konsep gaya menunjukkan keruntuhan yang lebih daktail dibandingkan dengan desain kapasitas. Untuk analisis kekuatan terhadap geser, dinding geser yang didesain dengan konsep desain kapasitas mampu menahan gaya geser yang lebih besar. Namun seiring dengan peningkatan kapasitas terhadap geser keruntuhan yang terjadi bisa bersifat brittle karena jumlah tulangan yang relatif rapat. Pada saat dinding geser mencapai level beban maksimum, ada kemungkinan pada desain dinding geser menggunakan gaya dalam sudah mencapai level maksimumnya, namun keruntuhan yang terjadi masih daktail. Oleh karena itu, hal tersebut tidak menjadi suatu masalah yang besar. Perbedaan pada ketiga desain dinding geser adalah pada tulangan geser transversal. Dari ketiga hasil desain tersebut diperoleh momen kurvature masing-masing dengan bantuan program Response 2000. Momen kurvature yang sudah dipengaruhi oleh geser dari ketiga model tidak mempunyai perbedaan yang besar, hanya berbeda pada panjang grafiknya. Pemodelan dinding geser untuk analisis pushover menggunakan portal pengganti berupa kolom dan balok kaku dengan input momen kurvature sebagai input ketidaklinieran material. Base shear hasil analisis pushover untuk model dinding geser yang didesain dengan konsep kapasitas pada SNI 2847-1992 maupun Canadian Code mempunyai nilai yang tidak jauh berbeda. Untuk dinding geser sebagai elemen struktur penahan gempa pada gedung bertingkat, dinding geser yang didesain dengan konsep gaya dalam menghasilkan desain yang cukup aman. Kata kunci : Shearwall, bracing, pushover, daktilitas, simpangan, kekakuan, base shear. ii
KATA PENGANTAR Puji dan Syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat Rahmat dan karunia-nya, kami dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. Laporan Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan tahap sarjana di Program Studi Teknik Sipil dan mencakup analisis perbandingan konsep desain dinding geser dengan konsep gaya dalam dan konsep desain kapasitas. Dalam mengerjakan tugas akhir ini, banyak pihak yang telah membantu penulis, antara lain: 1. Bapak Ir. Iswandi Imran, MSc, PhD, selaku dosen pembimbing, pengajar sekaligus pendidik penulis. Beliau banyak memberikan saran, arahan, dan kritik yang membangun selama penyusunan tugas akhir ini, 2. Bapak Ir. Made Suarjana, MSc, PhD, selaku dosen penguji seminar dan sidang tugas akhir, 3. Bapak Dr. Ir. Ivindra Pane, selaku dosen penguji seminar tugas akhir, 4. Bapak Rildova, ST, MT, PhD, selaku dosen penguji sidang tugas akhir, 4. Dosen-dosen pengajar di Program Studi Teknik Sipil, 5. Teman-teman penulis yang telah banyak memberi masukan dan dorongan semangat dalam penyelesaian tugas akhir ini, 6. Tata Usaha Program Studi Teknik Sipil yang telah membantu kelancaran berlangsungnya kegiatan tugas akhir, dan 7. Pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Penulis telah berusaha mengerjakan tugas akhir ini semaksimal mungkin, namun penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan dan membutuhkan banyak sekali perbaikan dan penelitian yang lebih luas. Oleh sebab itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca untuk pengembangan yang lebih baik. Akhir kata, kami penulis berharap semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca yang memerlukan informasi tentang perbandingan konsep desain dinding geser yaitu konsep gaya dalam dan konsep desain kapasitas. Bandung, Juli 2008 Penulis iii
DAFTAR ISI Lembar Pengesahan Abstrak Kata Pengantar Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar Daftar Notasi i ii iii iv vi vii viii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... I-1 1.2 Tujuan Penulisan... I-2 1.3 Ruang Lingkup... I-2 1.4 Sistematika Penulisan... I-3 BAB II DASAR TEORI 2.1 Konsep Perencanaan Struktur Bangunan Tahan Gempa... II-1 2.1.1 Daktilitas Struktur... II-3 2.1.2 Faktor Kuat Lebih (Overstrength Factor)... II-4 2.1.3 Kekakuan... II-5 2.1.4 Momen Kurvature... II-6 2.2 Elemen Struktur Dinding Geser... II-29 2.3 Konsep Desain Dinding Geser... II-11 2.3.1 Konsep Gaya Dalam... II-12 2.3.2 Konsep Desain Kapasitas... II-14 2.3.3 Elemen Struktur yang Tidak Memikul Gaya Gempa... II-15 2.4 Pola Keruntuhan Dinding Geser... II-16 iv
BAB III STUDI KASUS III-1 3.1 Sistem Struktur Prototipe... III-1 3.1.1 Pembebanan Struktur... III-2 3.1.2 Perhitungan Kekakuan (k)... III-4 3.2 Pemodelan dan Analisis Struktur... III-7 3.2.1 Pemodelan Elemen Struktur dalam ETABS 9.0... III-7 3.3 Desain Dinding Geser... III-9 3.3.1 Desain Dinding Geser Berdasarkan Konsep Gaya Dalam...III-10 3.3.2 Desain Dinding Geser Berdasarkan Konsep Desain Kapasitas...III-18 BAB IV EVALUASI KINERJA DINDING GESER IV-1 4.1 Analisis Elemen Dinding Geser... IV-1 4.2 Pemodelan dan Analisis Statik Push Over... IV-5 4.2.1 Pemodelan Dinding Geser dalam ETABS... IV-6 4.2.2 Input Data... IV-7 4.3 Pembahasan... IV-9 4.3.1 Parameter Aktual NonLinier...IV-11 4.3.2 Analisis Keruntuhan Struktur dalam Push Over Analisis...IV-13 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... V-1 5.2 Saran... V-2 Daftar Pustaka Lampiran xi xii v
DAFTAR TABEL TABEL 2.1 TINGKAT KERUSAKAN BANGUNAN... TABEL 3.1 GAYA DALAM DINDING GESER... TABEL 3.2 HASIL DESAIN DINDING GESER DENGAN KONSEP GAYA DALAM... TABEL 3.3 HASIL DESAIN DINDING GESER DENGAN KONSEP DESAIN KAPASITAS... TABEL 3.4 PERBANDINGAN HASIL DESAIN DINDING GESER DENGAN PENDEKATAN KAPASITAS GESER... TABEL 4.1 RASIO TULANGAN TRANSVERSAL... TABEL 4.2 PERHITUNGAN MANUAL BASE SHEAR... TABEL 4.3 PARAMETER STATIK NONLINIER... II-22 III-9 III-17 III-20 III-22 IV-2 IV-10 IV-13 vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Mekanisme Desain Bangunan Berdasarkan Faktor Daktilitas dan Kuat Lebih (SNI 03-1726-2002)... II-5 Gambar 2.2 Konsep Momen kurvature... II-7 Gambar 2.3 Neutral Axis dan Curvature... II-8 Gambar 2.4 Gaya-Gaya yang Bekerja pada Dinding Geser Kantilever... II-11 Gambar 2.5 Dinding Geser yang Bekerja Sama dengan Rangka... II-12 Gambar 2.6 Pola Keruntuhan pada Squat Walls... II-18 Gambar 3.1 Denah Struktur... III-1 Gambar 3.2 Model Struktur Gedung... III-2 Gambar 3.3 Respon Spektrum Gempa Rencana Zone 4... III-3 Gambar 3.4 Pemodelan Kekakuan Portal dan Dinding Geser Arah X... III-5 Gambar 3.5 Pemodelan Kekakuan Portal dan Dinding Geser Arah Y... III-6 Gambar 3.6 Model Sistem Dinding Geser Kantilever C... III-10 Gambar 3.7 Panjang Penyaluran pada Boundary Element... III-16 Gambar 3.8 Panjang Sambungan Lewatan... III-17 Gambar 3.9 Detail Penulangan Dinding Geser (Desain Konsep Gaya Dalam)... III-18 Gambar 4.1 Pemodelan Panel Dinding Geser pada Membrane 2000... IV-2 Gambar 4.2 Grafik Shear (V) γ xy dengan Variasi Rasio Tulangan Transversal... IV-3 Gambar 4.3 Pemodelan Panel Dinding Geser pada Response 2000... IV-4 Gambar 4.4 Grafik Momen (M) Kurvature (φ)... IV-5 Gambar 4.5 Pemodelan Dinding Geser dengan Portal Pengganti... IV-7 Gambar 4.6 Pemodelan Analisis Pushover Menggunakan Model Kolom Balok... IV-9 Gambar 4.7 Diagram Beban Simpangan Struktur Gedung... IV-12 Gambar 4.8 Kurva Kapasitas... IV-12 vii
DAFTAR NOTASI μ f1 f2 Ω L E I J G A R kd ε c ε s A cv fc Daktilitas struktur Faktor kuat lebih bahan Faktor kuat lebih struktur Faktor amplifikasi gaya gempa yang menyatakan faktro kuat lebih total atau over strength factor Panjang elemen struktur, mm Modulus elastisitas bahan, MPa Momen inersia penampang, Momen inersia polar penampang Modulus elastisitas geser Luas penampang Radius kurvature Tinggi garis netral Regangan beton Regangan tarik baja Luas bruto penampang beton yang dibatasi oleh tebal badan dan panjang penampang dalam arah gaya geser yang ditinjau, mm 2 Kuat tekan beton yang disyaratkan, MPa fc ' Nilai akar dari kuat tekan beton yang disyaratkan, MPa Pu Beban aksial terfaktor, N Mu Momen terfaktor pada penampang, N-mm lw Panjang keseluruhan dinding atau segmen dinding yang ditinjau dalam arah gaya geser, mm Ag Luas bruto penampang, mm 2 h w ρ n Tinggi dinding keseluruhan atau segmen dinding yang ditinjau Rasio tulangan yang tersebar pada bidang yang paralel bidang A cv terhadap luas beton bruto yang tegak lurus terhadap tulangan tersebut viii
A cp c ρ s f yh A sh s h c s x l o h x V u,d,maks ω d Luas penampang beton yang menahan geser dari segmen dinding horisontal, mm 2 Jarak dari serat tekan terluar ke sumbu netral Rasio volume tulangan spiral terhadap volume inti beton yang terkekang oleh tulangan spiral (diukur dari sisi luar ke sisi luar tulangan spiral) Kuat leleh tulangan transversal yang disyaratkan, Mpa Luas penampang total tulangan transversal (termasuk sengkang pengikat) dalam rentang spasi s dan tegak lurus terhadap dimensi h c, mm 2 Spasi tulangan transversal diukur sepanjang sumbu longitudinal sepanjang komponen struktur, mm. Dimensi penampang inti kolom diukur dari sumbu ke sumbu tulangan pengekang, mm Spasi longitudinal tulangan transversal dalam rentang panjang l o, mm Panjang minimum diukur dari muka join sepanjang sumbu komponen struktur, dimana harus disediakan tulangan transversal, mm Spasi horisontal maksimum untuk kaki-kaki sengkang tertutup atau sengkang ikat pada semua muka kolom, mm Kuat geser rencana dinding geser pada penampang dasar sehubungan dengan adanya pembesaran dinamis Koefisien pembesar dinamis yang memperhitungkan pengaruh dari terjadinya sendi plastis pada struktur secara keseluruhan M kap,d Momen kapasitas dinding geser pada penampang dasar yang dihitung berdasarkan luas baja tulangan yang terpasang dengan tegangan tarik baja tulangan sebesar 1,25 fy M E,d,maks V E,d,maks Momen lentur maksimum dinding geser akibat beban gempa tak terfaktor pada penampang dasar. Gaya geser maksimum dinding geser akibat beban gempa tak terfaktor pada penampang D Beban mati atau momen dan gaya-gaya dalam yang berhubungan dengan beban tersebut ix
L b w d ρ g s o E k R δ u Vn Vu ρ v Beban hidup atau momen dan gaya-gaya dalam yang berhubungan dengan beban tersebut Lebar badan atau diameter penampang lingkaran, mm Tinggi efektif penampang, mm Rasio luas tulangan total terhadap luas penampang kolom Spasi maksimum tulangan transversal Pengaruh beban gempa atau gaya dan momen dalam yang berhubungan dengan beban tersebut Kekakuan Faktor reduksi gempa Perpindahan rencana, mm Kuat geser nominal, Newton Gaya geser terfaktor pada penampang, Rasio luas tulangan yang tersebar pada bidang yang tegak lurus bidang A cv terhadap luas beton bruto A cv l d l dh Panjang penyaluran batang tulangan lurus, mm Panjang penyaluran batang tulangan dengan kait standar yang ditentukan dengan persamaan l dh = f y d b 5,4 fc' L γ xy A d Vn Vy Vm Panjang sambungan lewatan Regangan geser Luas bracing diagonal CIW Gaya geser desain bangunan yang dihitung dengan rumus R Gaya geser saat pertama kali terbentuk sendi plastis Gaya geser maksimum struktur yang didapat dari kurva kapasitas. x