BAB IV PERMODELAN STRUKTUR IV.1 Deskripsi Model Struktur Kasus yang diangkat pada tugas akhir ini adalah mengenai retrofitting struktur bangunan beton bertulang dibawah pengaruh beban gempa kuat. Sebagaimana dipaparkan pada bab pendahuluan, mengenai latar belakang kasus, retrofitting ini merupakan jawaban dari permasalahan faktual yang ada pada saat ini dimana bangunan eksisting yang telah didesain dengan peraturan gempa yang lama dilakukan penyembuhan, dalam hal ini penambahan elemen struktur, guna mencapai batas prasyarat yang diijinkan pada revisi peraturan lama tersebut. Fokus Retrofitting yang dilakukan pada tugas akhir ini yakni menambahkan elemen struktur pengaku berupa bracing baja konsentrik pada sisi-sisi luar dari struktur bangunan lama. Perlu diketahui bahwa struktur bangunan lama yang dijadikan model untuk kasus pada tugas akhir ini adalah struktur bangunan dual system, yakni menggunakan pengaku shearwall, yang dalam kasus ini kondisi bangunannya sakit, atau lebih tepatnya tidak memenuhi prasyarat desain tahan gempa dari peraturan revisi yang baru. Jumlah struktur bangunan dual system yang akan di-retrofitting adalah 3 buah dengan masing-masing lantainya yakni struktur bangunan dual sytem 10 lantai, dual system 15 lantai dan 20 lantai. Denah dari struktur bangunan dual system yang akan di-retrofitting adalah typical, yakni terdiri atas 5 bay untuk masing-masing arah x dan y dengan dimensi sebagaimana terlihat pada gambar berikut ini; IV - 1
kolom Shearwall balok Y pelat x Gambar 4.1 denah struktur Kemudian masing-masing struktur bangunan dual system tersebut dimodelkan secara tiga dimensi sebagai portal terbuka dengan menggunakan software ETABS 9.0. Sebagai gambaran bahwa setelah permodelan selesai dilakukan, melalui software ini struktur akan di analisis secara statik non linear. Berikut ini adalah tampak tiga dimensi dari struktur bangunan untuk masing-masing bangunan dual system yang akan di-retrofitting : IV - 2
Dual system 15 lantai Dual system 10 lantai Dual system 20 lantai Gambar 4.2 model struktur Dual system tampak 3 dimensi Berikut ini adalah tampak tiga dimensi dari struktur bangunan dual system untuk masingmasing lantai yang telah di-retrofitting menggunakan konsentrik steel bracing pada perimeternya : IV - 3
Dual system + bracing 10 lantai Dual system + bracing 15 lantai Dual system + bracing 20 lantai Gambar 4.3 model struktur retrofitting ( Dual system + bracing ) tampak 3 dimensi IV - 4
Permodelan struktur bangunan ini didesain dengan menggunakan beton dengan kuat tekan 30 Mpa dan tulangan baja dengan kuat tarik 400 Mpa. Pada perkuatan struktur bangunan tersebut, retrofitting, digunakan profil I dengan BJ37, yaitu baja mutu sedang dengan fy 240 Mpa dan fu 370 Mpa. IV.2 Pembebanan Struktur Perencanaan pembebanan struktur ini dimaksudkan untuk memberikan pedoman dalam menentukan beban-beban yang bekerja pada struktur bangunan. Secara umum, beban direncanakan sesuai Pedoman Perencanaan untuk Rumah dan Gedung (SKBI- 1.3.53.1987) sebagai berikut: 1. Beban Mati Beban mati adalah seluruh bagian bangunan yang bersifat tetap dan tidak terpisahkan dari bangunan yang dimaksud selama masa layannya. Beban mati yang diperhitungkan dalam model ini adalah 5000 N/m 2. 2. Beban Hidup Beban hidup yang diperhitungkan adalah untuk bangunan gedung perkantoran sebesar 2500 N/m 2. 3. Beban Gempa Beban gempa berdasarkan percepatan gempa pada wilayah 3 SNI 1726-2002 dengan percepatan pada batuan dasar (Ca) : 0.23 g. IV - 5
Seluruh beban tersebut diperhitungkan dengan faktor perbesaran dan kombinasi sebagai berikut: 1. 1.4 D 2. 1.2 D + 1.6 L 3. 1.2 D + 0.5 L ± 1.0 E 4. 0.9 D ± 1.0 E Keterangan ; D = beban mati L = beban hidup E = beban gempa Dengan masing-masing beban gempa (E) merupakan kombinasi gaya gempa arah acuan dan 0.3 gaya gempa arah tegak lurusnya. IV - 6
IV.3 Pemodelan Elemen Struktur Dalam pembuatan model struktur pada software ETABS 9.0, masing-masing elemen struktur digambarkan dengan sistem grid dengan titik pusat sumbu pada lokasi pusat massa bangunan di lantai dasar. 1.Pondasi Pada desain permodelan pondasi diasumsikan bahwa pondasi memberikan kekangan translasi dan rotasi yang cukup pada semua arah sumbu bangunan. Berdasarkan asumsi tersebut, pondasi dimodelkan sebagai perletakan jepit pada lantai dasar bangunan, yakni terletak pada ujung-ujung bawah kolom lantai dasar. 2.Pelat Pada software ETABS 9.0, pelat lantai dapat dimodelkan menjadi tiga tipe yang berbeda, antara lain: 1. Shell Pelat lantai dengan jenis ini memiliki kekakuan membran pada kedua arah tegak lurus bidang dan out-of-plane bending stiffness 2. Membrane Pelat lantai dengan jenis ini hanya memiliki kekakuan membran pada kedua arah tegak lurus bidangnya 3. Plate Pelat lantai dengan jenis ini hanya memiliki out-of-plane plate bending stiffness Permodelan struktur dalam tugas akhir ini menggunakan tipe pelat lantai dua arah membrane sehingga beban yang bekerja nantinya akan didistribusikan ke balok pada kedua arah bidang tegak lurus pelat yang dimaksud. Pelat lantai juga dimodelkan untuk bekerja sebagai rigid diaphragm karena lantai tingkat dan atap dengan ikatan struktur gedung model dianggap sangat kaku pada bidangnya terhadap beban kerja horizontal. IV - 7
3.Balok Balok dimodelkan sebagai elemen frame dengan memiliki hubungan (joint) yang kaku sehingga momen-momen maksimum tempat terjadinya sendi plastis adalah pada kedua ujung balok. Untuk memperhitungkan pengaruh retak pada beton ketika terjadinya gempa, momen inersia penampang balok direduksi sehingga momen inersia efektif yang digunakan hanya 35% dari momen inersia awal. Faktor reduksi inersia ini berdasarkan SNI-03-2847-2002. Berikut ini adalah salah satu contoh penampang balok T, yakni yang digunakan pada permodelan struktur 10 lantai : Gambar 4.4 model penampang balok T untuk struktur 10 lantai 4.Kolom Kolom dimodelkan sebagai elemen frame dengan memiliki hubungan (joint) yang kaku sehingga momen-momen maksimum tempat terjadinya sendi plastis adalah pada kedua ujung kolom, namun begitu kolom yang diperbolehkan plastis hanya kaki-kaki kolom lantai dasar. Inersia kolom direduksi menjadi 70% dari momen inersia awal. Berikut ini adalah 3 contoh penampang kolom, yakni yang digunakan pada permodelan struktur 10 lantai : IV - 8
Gambar 4.5 model penampang kolom untuk struktur 10 lantai 5.Shearwall Shearwall dimodelkan sebagai elemen wall dengan tipe membran sehingga hanya diizinkan berdeformasi searah bidang shearwal tersebut tanpa adanya rotasi 6. Elemen Batas Shearwall Kolom-kolom pada boundary element shearwall diperbolehkan mengalami plastis dengan syarat bahwa sendi plastis berada di kaki-kaki dinding geser dan pada ketinggian h yaitu nilai terbesar antara lw (lebar dinding geser) atau Mu/4Vu dengan Mu adalah momen ultimit di kaki dinding geser dan Vu adalah gaya geser ultimit di kaki dinding geser. Boundary element Shearwall Gambar 4.6 model shearwall dan boundary element IV - 9
7. Bressing Bressing dimodelkan sebagai elemen frame dengan memiliki hubungan (joint) yang kaku dan tidak di-release terhadap momen meski hanya akan mengalami leleh akibat aksial. Seluruh bressing diperbolehkan mengalami sendi plastis pada elemen bressing sebagai mekanisme saat terjadinya gempa kuat. IV.4 Karakteristik Permodelan Permodelan yang dibuat dalam tugas akhir ini memiliki beberapa karakteristik perencanaan sebagai batasan analisis yakni diantaranya sebagai berikut: Model kasus yang diteliti merupakan struktur Dual System dan Dual System+Bracing dengan jumlah lantai 10 (T=1-1,8 detik),15 (T=1,5-2,4 detik) dan 20 lantai (T=2-3,6 detik). Peninjauan sendi plastis dianggap hanya terjadi pada ujung-ujung balok, kaki kolom bawah dan kaki komponen batas bawah dari dinding geser serta ujungujung batang bracing. Kategori gedung yang digunakan pada penelitian ini adalah gedung umum yakni peruntukannya adalah terkait penghunian, perniagaan, dan perkantoran, sehingga memiliki faktor keutamaan, I, sebesar I = 1,0. Faktor reduksi gempa, R = 5,0. IV.5 Pemodelan Sendi Plastis Untuk analisis elastik, elemen-elemen struktur yang kaku tidak membentuk sendi sehingga tidak memberikan pengaruh bagi perilaku elastik struktur, sementara pada analisis nonlinier terjadi perubahan perilaku elemen dari kondisi awalnya yang kaku menjadi sendi sehingga perlu dilakukan pendefinisian sendi plastis dalam model struktur yang dieksekusi. Properti sendi plastis yang di-define pada rangka memberikan batasan perpindahan akibat gaya rotasi akibat momen sehingga terbentuk sendi plastis pada lokasi yang ditentukan. IV - 10
Berbagai tipe elemen struktur yang diizinkan membentuk sendi plastis, plastic hinge didefine sebagai berikut: 1. Kolom Pada kolom, sendi plastis dapat terbentuk pada kedua ujungnya akibat komb lentur tekan pada kedua arah bekerjanya beban gempa, sehingga sendi plastis didefine sebagai default PMM 2. Balok Pada balok, sendi plastis akan terbentuk pada kedua ujung balok akibat momen pada arah terlenturnya sehingga sendi plastis pada balok di-define sebagai default- M3 3. Bressing Pada bressing, sendi plastis dapat terbentuk pada kedua ujungnya akibat gaya aksial pada batang bressing, sehingga sendi plastis di-define sebagai default-p Sebagai gambaran, berikut ini disajikan feature / opsi pada software ETABS 9.0 yang dapat digunakan untuk mendefinisikan plastic hinge : Gambar 4.7 feature pada ETABS 9.0 terkait dengan pendefinisian frame hinge IV - 11
IV.6 Batas Simpangan Antar Tingkat Story drift merupakan nilai simpangan antar tingkat pada suatu struktur akibat beban lateral gempa rencana, yang dalam hal ini berupa percepatan maksimum di batuan dasar. Faktor yang mempengaruhi nilai story drift antara lain kekakuan struktur dan daktilitas struktur. Struktur yang kaku akan memiliki nilai story drift yang kecil dibanding struktur yang fleksibel. Kekakuan struktur ini antara lain oleh elemen struktur penahan gaya lateral seperti kolom, dinding geser, dan bressing. Kekuatan dan kekakuan elemen vertikal akan jauh berkurang dalam menahan beban lateral apabila nilai interstory drift melebihi nilai batas interstory drift. Parameter keruntuhan global yang diambil mengikuti ketentuan UBC-97 sebagai berikut: Δ M = 2.5%h untuk T 0.7 detik atau Δ M = 2.0%h untuk T 0.7 detik Dimana : Δ M = Perpindahan maksimum inelastik struktur R = Faktor reduksi gempa h = Tinggi antar tingkat Hal tersebut diatas memiliki pengecualian,yakni apabila dapat dibuktikan pada struktur yang didesain bahwa simpangan antar tingkat yang melebihi batas tersebut tidak memberikan ancaman keselamatan. IV - 12