EVALUASI KINERJA STRUKTUR BANGUNAN BAJA DENGAN MENGGUNAKAN PENGAKU EKSENTRIS (EBF) TUGAS AKHIR Oleh : Cowens 100404171 Disetujui : Pembimbing Ir. Torang Sitorus, MT. BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Abstract Perencanaan struktur bangunan baja tahan gempa sangat penting, karena Indonesia sebagian wilayahnya memiliki kerawanan yang tinggi terhadap gempa. Struktur bangunan yang dirancang tahan gempa adalah system struktur bangunan rangka baja dan system struktur bangunan rangka baja berpengaku. Sistem struktur berpengaku dibagi menjadi sistem rangka bracing konsentris dan sistem rangka bracing eksentris. Sistem ini sangat kuat dan kaku sehingga mampu menahan gaya lateral yang lebih besar dari system rangka baja tanpa pengaku/bracing. Bangunan baja yang dianalisis terdiri dari 7 gedung dengan spesifikasi yang sama, kecuali ada tidaknya penambahan bracing. Bracing yang digunakan adalah tipe diagonal dan tipe V. Gedung 1 ( tanpa bracing ), gedung 2 ( dengan bracing konsentris (e=0) tipe diagonal ), gedung 3 ( dengan bracing konsentris (e=0) tipe V ), gedung 4 ( dengan bracing eksentris (e=0.5m) tipe diagonal ), gedung 5 ( dengan bracing eksentris (e=1m) tipe diagonal), gedung 6 ( dengan bracing eksentris (e=0.5m) tipe V), gedung 7 ( dengan bracing eksentris (e=1m) tipe V) terdiri dari 12 lantai ( termasuk atap) dengan tinggi total 42 m, dan terletak di wilayah gempa 3 tanah keras. Fungsi bangunan adalah perkantoran. Seluruh gedung direncanakan dengan analisis statik ekuivalen. Selanjutnya seluruh gedung akan dilakukan analisis pushover, sehingga didapat perilaku seismik dan kinerja strukturnya dari masing-masing gedung. Berdasarkan FEMA 356, hasil analisis pushover menunjukkan bahwa seluruh gedung, berdasarkan target perpindahan masih memiliki taraf kinerja immediate occupancy. Kurva kapasitas hasil analisis pushover menunjukkan rasio perpindahan atap pada struktur gedung 1 arah X sebesar 0.0085 dan arah Y sebesar 0.0087. Untuk gedung 2 rasio perpindahan atap arah X sebesar 0.0016 dan arah Y sebesar 0.0011. Untuk gedung 3 rasio perpindahan atap arah X sebesar 0.0010 dan arah Y sebesar 0.0008. Untuk gedung 4 rasio perpindahan atap arah X sebesar 0.0018 dan arah Y sebesar 0.0022. Untuk gedung 5 rasio perpindahan atap arah X sebesar 0.0022 dan arah Y sebesar 0.0015. Untuk gedung 6 rasio perpindahan atap arah X sebesar 0.0012 dan arah Y sebesar 0.0010. Untuk gedung 7 rasio perpindahan atap arah X sebesar 0.0019 dan arah Y sebesar 0.0015. Kata Kunci : Rangka Baja, Bracing Konsentris, Bracing Eksentris, Pushover i
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan berkat-nya hingga selesainya tugas akhir ini dengan judul Evaluasi Kinerja Struktur Bangunan Baja dengan Menggunakan Pengaku Eksentris (EBF). Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam ujian sarjana Teknik Sipil bidang Studi Struktur pada Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik (USU). Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih memiliki banyak kekurangan. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. Dengan tangan terbuka dan hati yang tulus penulis menerima saran kritik Bapak dan Ibu dosen serta rekan mahasiswa demi penyempurnaan tugas akhir ini. Penulis juga menyadari bahwa selesainya tugas akhir ini tidak lepas dari bimbingan, dukungan dan bantuan semua pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan ucapan terima kasih kepada : 1. Bapak Ir. Torang Sitorus, M.T., selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam memberikan bimbingan yang tiada hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, selaku ketua departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. 3. Bapak Ir. Syahrizal, M.T., selaku sekretaris departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. 4. Teristimewa kepada kedua Orang Tua penulis, Dickson dan Jessalyn Rotan yang telah mendukung, menyemangati serta mendoakan penulis di setiap kegiatan akademis penulis. ii
5. John Thedy, Desindo Wijaya, Rudi Kirana, Deni Hermawan, Shendy Wijaya, Agus Pranoto, Agus Salim Jadi dan Bapak Sanjaya Aryatnie yang selalu mengingatkan dan memberikan dukungan moral kepada penulis hingga tugas akhir ini dapat selesai. 6. Erwin Kwok, selaku abang senior stambuk 2004 yang memberikan kontribusi besar kepada penulis dalam hal memberikan semangat dan arahan hingga selesainya tugas akhir ini. 7. Teman-teman jurusan Teknik Sipil, terutama teman-teman seangkatan 2010, abang/ kakak stambuk 2007, 2008 dan 2009 serta adik-adik 2013 terima kasih atas dukungan dan informasi mengenai kegiatan sipil selama ini. 8. Para pegawai Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik USU atas ketersediannya untuk mengurus administrasi Tugas akhir ini. 9. Berbagai pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu. Terima kasih untuk semuanya. Medan, Maret 2015 Penulis COWENS WIJAYA 10 0404 171 iii
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR NOTASI... xiii BAB I. PENDAHULUAN... 1 1.1 Umum... 1 1.2 Latar Belakang... 3 1.3 Studi Literatur... 6 1.4 Perumusan Masalah... 7 1.5 Pembatasan Masalah... 8 1.6 Maksud dan Tujuan Penelitian... 10 1.7 Manfaat Penelitian... 10 1.8 Metodologi Penulisan... 10 1.9 SistematikaPenulisan... 10 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA... 12 2.1 Peraturan Pembebanan Gempa Berdasarkan RSNI2 03-1726-201x... 12 2.1.1 Gempa Rencana dan Faktor Keutamaan... 12 2.1.2 Klasifikasi Situs dan Parameter... 15 2.1.3 Parameter Percepatan Gempa... 17 2.1.4 Parameter Percepatan Spektral Desain... 19 2.1.5 Perioda Fundamental Pendekatan.... 20 2.1.6 Kinerja Struktur Gedung... 20 iv
2.2 Peraturan Pembebanan Bedasarkan RSNI 03-1727-201x... 21 2.2.1 Beban Mati... 21 2.2.2 Beban Hidup... 23 2.3 Struktur Rangka Baja... 26 2.3.1 Rangka Baja Penahan Momen (MRF)... 26 2.3.2 Rangka Baja Berpengaku Konsentris (CBF)... 26 2.3.3 Rangka Baja Berpengaku Eksentris (EBF)... 27 BAB III. ANALISIS BEBAN DORONG (NONLINEAR STATIC PUSHOVER)... 29 3.1 Pengertian Analisis Beban Dorong... 29 3.2 Analisis Beban Dorong Berdasarkan ATC-40 (Capacity-Spectrum Method)... 29 3.3.1 Kapasitas (Capacity)... 29 3.3.2 Permintaan (Demand)... 30 3.3.3 Kinerja (Performance)... 36 3.3 Analisis Beban Dorong Berdasarkan FEMA-356 (Target Displacement)... 38 3.4 Analisis Beban Dorong Berdasarkan FEMA-440 (Displacement Coefficient Method).41 3.5 Analisis Beban Dorong Berdasarkan FEMA-440 (Linerization Method)... 41 3.6 Sendi Plastis... 44 3.6.1 Hasil Analisis Sendi Plastis... 45 3.6.2 Distribusi Sendi Plastis... 46 3.6.3 Mekanisme Pembentukkan Sendi Plastis... 47 3.7 Taraf Kinerja Struktur... 47 3.8 Klasifikasi Deformation Limit... 49 BAB IV. PEMBAHASAN... 50 4.1 Permodelan Struktur... 50 4.1.1 Data Struktur... 50 4.1.2 Permodelan di SAP... 51 v
4.1.2.1 Sistem Struktur Rangka Penahan Momen (MRF)... 51 4.1.2.2 Sistem Struktur Rangka Konsentris (CBF)... 55 4.1.2.3 Sistem Struktur Rangka Eksentris (EBF)... 63 4.1.3 Data Material... 79 4.1.3.1 Baja... 79 4.1.3.2 Beton... 79 4.1.4 Pembebanan Struktur... 79 4.1.4.1 Berat Sendiri... 79 4.1.4.2 Beban Mati Tambahan (Superimposed Dead Load)... 79 4.1.4.3 Beban Hidup... 80 4.1.5 Dimensi Penampang Struktur... 80 4.1.5.1 Dimensi Balok... 80 4.1.5.2 Dimensi Kolom... 81 4.1.5.3 Dimensi Bracing... 81 4.1.5.4 Dimensi Plat... 82 4.2 Pembahasan dan Diskusi Analisis Beban Dorong... 82 4.2.1 Penyebaran Sendi Plastis... 82 4.2.1.1 Sistem Struktur Rangka Penahan Momen (MRF)... 83 4.2.1.2 Sistem Struktur Rangka Konsentris (CBF)... 85 4.2.1.3 Sistem Struktur Rangka Eksentris (EBF)... 89 4.3 Design Response Spectrum... 97 4.4 Analisis Beban Dorong... 98 4.5 Hasil Analisis Beban Dorong... 102 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN... 106 5.1 Kesimpulan... 106 5.2 Saran... 107 DAFTAR PUSTAKA... xv vi
DAFTAR GAMBAR BAB I Gambar 1.1 : Moment Resisting Frames (MRF)... 4 Gambar 1.2 : Concentrically Braced Frames (CBF)... 5 Gambar 1.3 : Eccentrically Braced Frames (EBF)... 6 Gambar 1.4 : Permodelan Gedung 3D... 9 BAB II Gambar 2.1 Skema Inelastic CBF...27 Gambar 2.2 Contoh Struktur Baja Berpengaku Eksentris...28 BAB III Gambar 3.1 : Kurva Kapasitas (ATC-40)...30 Gambar 3.2 : Kurva Kapasitas dan Spektrum Kapasitas (ATC-40)...32 Gambar 3.3 : Respons Spektrum Tradisional dan Demand Spectrum (ATC-40)...33 Gambar 3.4 : Plot Spektrum Kapasitas dan Demand Spektrum (ATC-40)...33 Gambar 3.5 : Representasi Bilinear dari Spektrum Kapasitas (ATC-40)...34 Gambar 3.6 : Damping Energi (ATC-40)...34 Gambar 3.7 : Hysteretic Damping memperlihatkan Maximum Strain Energy (ATC-40)...35 Gambar 3.8 : Grafik Perpotongan Kurva Kapasitas dengan Demand Spektrum (ATC-40) 37 Gambar 3.9 : Tahapan DCM berdasarkan FEMA 356...39 Gambar 3.10: Grafik Hubungan Periode Efektif dengan Damping dalam Format ADRS, Acceleration-Displacement Response Spectrum (FEMA 440)...43 Gambar 3.11: Perkiraan Peralihan Maksimum (ATC-40)...45 Gambar 3.12: Kurva Hubungan Momen-Rotasi, Setipe dengan Kurva Hubungan Force- Displacement (FEMA 356)...46 vii
BAB IV Gambar 4.1 : Permodelan Gedung 3D...52 Gambar 4.2 : Denah Gedung...53 Gambar 4.3 : Permodelan Struktur Arah XZ...54 Gambar 4.4 : Permodelan Struktur Arah XZ...55 Gambar 4.5 : Permodelan Gedung 3D...56 Gambar 4.6 : Denah Gedung...57 Gambar 4.7 : Permodelan Struktur Arah XZ...58 Gambar 4.8 : Permodelan Struktur Arah XZ...59 Gambar 4.9 : Permodelan Gedung 3D...60 Gambar 4.10: Denah Gedung...61 Gambar 4.11: Permodelan Struktur Arah XZ...62 Gambar 4.12: Permodelan Struktur Arah XZ...63 Gambar 4.13: Permodelan Gedung 3D...64 Gambar 4.14: Denah Gedung...65 Gambar 4.15: Permodelan Struktur Arah XZ...66 Gambar 4.16: Permodelan Struktur Arah XZ...67 Gambar 4.17: Permodelan Gedung 3D...68 Gambar 4.18: Denah Gedung...69 Gambar 4.19: Permodelan Struktur Arah XZ...70 Gambar 4.20: Permodelan Struktur Arah XZ...71 Gambar 4.21: Permodelan Gedung 3D...72 Gambar 4.22: Denah Gedung...73 Gambar 4.23: Permodelan Struktur Arah XZ...74 Gambar 4.24: Permodelan Struktur Arah XZ...75 Gambar 4.25: Permodelan Gedung 3D...76 Gambar 4.26: Denah Gedung...77 viii
Gambar 4.27: Permodelan Struktur Arah XZ...78 Gambar 4.28: Permodelan Struktur Arah XZ...79 Gambar 4.29: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur MRF, kondisi Step 6...84 Gambar 4.30: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur MRF, kondisi Step 11...84 Gambar 4.31: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur MRF, kondisi Step 7...85 Gambar 4.32: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur MRF, kondisi Step 11...85 Gambar 4.33: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur CBF tipe Diagonal Braced, kondisi Step12...86 Gambar 4.34: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur CBF tipe Diagonal Braced, kondisi Step24...86 Gambar 4.35: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur CBF tipe Diagonal Braced, kondisi Step1...87 Gambar 4.36: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur CBF tipe Diagonal Braced, kondisi Step34...87 Gambar 4.37: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur CBF tipe V Braced, kondisi Step1...88 Gambar 4.38: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur CBF tipe V Braced, kondisi Step29...88 Gambar 4.39: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur CBF tipe V Braced, kondisi Step1...89 Gambar 4.40: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur CBF tipe V Braced, kondisi Step14...89 Gambar 4.41: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur EBF tipe Diagonal Braced dengan panjang e=0.5m, kondisi Step 12...90 Gambar 4.42: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur EBF tipe Diagonal Braced dengan panjang e=0.5m, kondisi Step 23...90 Gambar 4.43: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur EBF tipe Diagonal Braced dengan panjang e=0.5m, kondisi Step 2...91 Gambar 4.44: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur EBF tipe Diagonal Braced dengan panjang e=0.5m, kondisi Step 32...91 Gambar 4.45: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur EBF tipe Diagonal Braced dengan panjang e=1m, kondisi Step 12...92 ix
Gambar 4.46: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur EBF tipe Diagonal Braced dengan panjang e=1m, kondisi Step 22...92 Gambar 4.47: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur EBF tipe Diagonal Braced dengan panjang e=1m, kondisi Step 4...93 Gambar 4.48: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur EBF tipe Diagonal Braced dengan panjang e=1m, kondisi Step 23...93 Gambar 4.49: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur EBF tipe V Braced dengan panjang e=0.5m, kondisi Step 1...94 Gambar 4.50: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur EBF tipe V Braced dengan panjang e=0.5m, kondisi Step 27...94 Gambar 4.51: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur EBF tipe V Braced dengan panjang e=0.5m, kondisi Step 1...95 Gambar 4.52: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur EBF tipe V Braced dengan panjang e=0.5m, kondisi Step 9...95 Gambar 4.53: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur EBF tipe V Braced dengan panjang e=1m, kondisi Step 2...96 Gambar 4.54: Sendi Plastis PUSHOVER-X pada struktur EBF tipe V Braced dengan panjang e=1m, kondisi Step 26...96 Gambar 4.55: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur EBF tipe V Braced dengan panjang e=1m, kondisi Step 2...97 Gambar 4.56: Sendi Plastis PUSHOVER-Y pada struktur EBF tipe V Braced dengan panjang e=1m, kondisi Step 12...97 x
DAFTAR TABEL BAB II Tabel 2.1 : Faktor Keutamaan I untuk Berbagai Kategori gedung dan Bangunan (RSNI 03-1726- 201x)... 13 Tabel 2.2 : Faktor keutamaan gempa (RSNI 03-1726-201x)... 15 Tabel 2.3 : Klasifikasi Sirtu... 16 Tabel 2.4 : Koefisien situs, F... 18 Tabel 2.5 : Koefisien situs, F... 18 Tabel 2.6 : Koefisien C dan x... 20 Tabel 2.7 : Simpangan Antar Lantai Ijin (Δa)... 21 Tabel 2.8 : Berat Sendiri Bahan Bangunan dan Komponen Gedung (ASCE 7-10)... 22 Tabel 2.9 : Beban Hidup Pada Lantai Gedung (RSNI 03-1727-201x)... 23 BAB III Tabel 3.1 : Nilai k (ATC-40)... 35 Tabel 3.2 : Nilai SRA min dan SRV min (ATC-40)... 36 Tabel 3.3 : Tipe Struktur (ATC-40)... 36 Tabel 3.4 : Faktor Modifikasi C m berdasarkan FEMA 356... 39 Tabel 3.5 : Faktor Modifikasi C 2 berdasarkan FEMA 356... 40 Tabel 3.6 : Deformation Limit untuk berbagai Tingkat Kinerja (ATC-40)... 49 BAB IV Tabel 4.1 : Kinerja Struktur untuk rangka penahan momen (MRF)...102 Tabel 4.2 : Kinerja Struktur untuk rangka baja berpengaku konsentris (CBF) tipe diagonal brace...102 Tabel 4.3 : Kinerja Struktur untuk rangka baja berpengaku konsentris (CBF) tipe v- brace. 103 xi
Tabel 4.4 : Kinerja Struktur untuk rangka baja berpengaku eksentris (EBF) tipe diagonal brace dengan panjang e=0.5m...103 Tabel 4.5 : Kinerja Struktur untuk rangka baja berpengaku eksentris (EBF) tipe diagonal brace dengan panjang e=1m...104 Tabel 4.6 : Kinerja Struktur untuk rangka baja berpengaku eksentris (EBF) tipe v-brace dengan panjang e=0.5m...104 Tabel 4.7 : Kinerja Struktur untuk rangka baja berpengaku eksentris (EBF) tipe v-brace dengan panjang e=1m...105 xii
DAFTAR NOTASI A g = Luas bruto penampang (mm 2 ) A sh = Luas penampang total tulangan transversal, termasuk sengkang pengikat (mm 2 ) A s,max = Luas tulangan maximum (mm 2 ) A s,min = Luas tulangan minimum (mm 2 ) a = Panjang pelat (mm) b = Lebar pelat (mm) b w = Lebar badan penampang persegi (mm) D = Beban mati d = Jarak dari serat tekan terluar ke titik berat tulangan tarik (mm) E = Beban gempa e = Panjang Link F a = Koefisien situs untuk perioda pendek (pada perioda 0,2 detik) F v = Koefisien situs untuk perioda panjang (pada perioda 1 detik) f c = Kuat tekan Beton (MPa) f y = Kuat leleh tulangan (MPa) h x = Spasi horizontal maksimum untuk kaki-kaki sengkang tertutup atau sengkang ikat pada semua muka kolom (mm) I e = Faktor keutamaan Gempa L = Beban Hidup ld = Panjang Sambungan Lewatan` P = Gaya aksial terfaktor (N) PF 1 = Modal participation factor untuk mode 1 R = Faktor reduksi gempa xiii
S s = Parameter percepatan respons spectral MCE dari peta gempa pada perioda pendek, redaman 5 persen S 1 = Parameter percepatan respons spectral MCE dari peta gempa pada perioda 1 detik, redaman 5 persen S DS = Parameter percepatan respons spectral pada perioda pendek, redaman 5 persen S D1 = Parameter percepatan respons spectral pada perioda 1 detik, redaman 5 persen S MS = Parameter percepatan respons spectral MCE pada perioda pendek yang sudah disesuaikan terhadap pengaruh kelas situs S M1 = Parameter percepatan respons spectral MCE pada perioda 1 detik yang sudah disesuaikan terhadap pengaruh kelas situs S = Spasi tulangan transversal (mm) S x = Spasi tulangan transversal (mm) t = Tebal pelat (mm)] T = Perioda fundamental bangunan roof = Peralihan atap ADRS = Acceleration-Displacement Response Spectra ATC = Applied Technology Council IO = Immediate Occupancy DC = Damage Control FEMA = Federal Emergency Management Agency CBF = Concentriccally Braced Frames EBF = Eccentriccally Braced Frames xiv