PERBANDINGAN PERILAKU DAN KINERJA STRUKTUR RANGKA BAJA DENGAN SISTEM BREISING KONSENTRIK TIPE-X DAN SISTEM BREISING EKSENTRIK V-TERBALIK COVER TUGAS AKHIR Oleh : I Dewa Gede Amertha Semadi 1204105003 JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2016
HALAMAN PERNYATAAN Yang bertanda tangan di bawah ini, saya : Nama : I Dewa Gede Amertha Semadi NIM : 1204105003 Judul TA : Perbandingan Perilaku dan Kinerja Struktur Rangka Baja dengan Sistem Breising Konsentrik Tipe-X dan Sistem Breising Eksentrik V-Terbalik. Dengan ini saya nyatakan bahwa dalam Laporan Tugas Akhir/Skripsi saya ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya, juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan daalam daftar pustaka. Denpasar, 07 April 2016 i
HALAMAN PENGESAHAN LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR Tugas akhir ini telah diujikan dan dinyatakan lulus, sudah direvisi serta telah mendapat persetujuan pembimbing sebagai salah satu persyaratan untuk menyelesaikan Program S-1 pada Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Universitas Udayana. Judul Tugas Akhir : Perbandingan Perilaku dan Kinerja Struktur Rangka Baja dengan Sistem Breising Konsentrik Tipe-X dan Sistem Breising Eksentrik V-Terbalik. Nama : I Dewa Gede Amertha Semadi NIM : 1204105003 Jurusan : Teknik Sipil Diuji Tanggal : 15 April 2016 Menyetujui: Bukit Jimbaran, 26 April 2016 ii
ABSTRAK Pada penelitian ini dilakukan perbandingan perilaku struktur baja yang terdiri atas simpangan, kekuatan, kekakuan, dan daktilitas, serta kinerja struktur baja dengan breising konsentrik tipe-x dan breising eksentrik V-terbalik. Struktur yang dianalisis diasumsikan sebagai gedung perkantoran 7 lantai yang terletak di tanah lunak (SE). Model struktur yang dianalisis terdiri atas struktur baja dengan sistem rangka pemikul momen (SRPM) sebagai model acuan dan pembanding serta struktur baja dengan sistem rangka breising konsentrik tipe-x (SRBK), dan sistem rangka breising eksentrik V-terbalik (SRBE). Analisis dilakukan dengan menggunakan bantuan software ETABS 2015. Analisis tahap awal dilakukan terhadap model SRPM untuk memperoleh dimensi elemen struktur yang memenuhi kriteria kekuatan elemen struktur dengan nilai stress ratio kurang dari 0,95. Dimensi yang sama digunakan pada model SRBK dan SRBE sehingga dapat diketahui perilaku dan kinerja masing-masing model struktur berdasarkan hasil analisis linear dan analisis statik nonlinear pushover. Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa dengan dimensi elemen struktur yang sama, model SRBK memiliki simpangan yang lebih besar hingga 32% dibandingkan dengan model SRBE. Kekuatan model SRBK lebih besar 23% dibandingkan model SRBE. Model SRBK memiliki kekakuan 10% lebih besar dibandingkan dengan model SRBE. Model SRBK memiliki nilai daktilitas 26% lebih kecil dibandingkan dengan model SRBE. Hasil analisis menunjukkan bahwa model SRBK dan SRBE berada pada level kinerja yang sama yaitu Life Safety (LS). Kata kunci : Struktur rangka baja, Breising konsentrik, Breising eksentrik, Pushover, Perilaku, Kinerja. iii
UCAPAN TERIMAKASIH Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat dan karunia-nya, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan judul Perbandingan Perilaku dan Kinerja Struktur Rangka Baja dengan Sistem Breising Konsentrik Tipe-X dan Sistem Breising Eksentrik V-terbalik tepat pada waktunya. Pada tahap penyusunan tugas akhir ini, penulis mendapat bimbingan, arahan, dukungan serta berbagai informasi yang berkaitan dengan tugas akhir ini dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak I Gede Adi Susila, ST., MSc., Ph.D. dan Ibu Ir. Ida Ayu Made Budiwati, MSc., Ph.D. selaku pembimbing tugas akhir yang telah memberikan pengetahuan, bimbingan, dan dorongan kepada penulis. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada keluarga yang senantiasa memberikan nasihat dan motivasi. Tidak lupa penulis juga mengucapkan terima kasih kepada teman-teman di Jurusan Teknik Sipil, Universitas Udayana, khususnya teman-teman Imagineer yang telah memberikan banyak bantuan selama masa perkuliahan berlangsung. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih memiliki banyak kekurangan, maka dari itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari para pembaca sebagai bahan penyempurnaan dalam penyusunan tugas akhir ini. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat memberikan informasi dan inspirasi bagi para pembaca sehingga dapat bermanfaat bagi para pembaca pada bidang Teknik Sipil. Bukit Jimbaran, 10 April 2016 Penulis iv
DAFTAR ISI HALAMAN PERNYATAAN... i HALAMAN PENGESAHAN... ii ABSTRAK... ii UCAPAN TERIMAKASIH... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... x DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN... xii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 3 1.3 Tujuan... 3 1.4 Manfaat Penelitian... 3 1.5 Batasan Penelitian... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Umum... 5 2.2 Sistem Rangka Breising Konsentrik (SRBK)... 5 2.3 Sistem Rangka Breising Eksentrik (SRBE)... 6 2.3.1 Elemen Link... 8 2.3.2 Kekuatan Geser dan Batasan Panjang Link... 9 2.3.3 Sudut Rotasi Link... 11 2.4 Sistem Sambungan... 12 2.5 Pelat Komposit... 14 2.6 Analisis Modal... 14 2.7 Pembebanan... 15 2.7.1 Beban Mati... 15 2.7.2 Beban Hidup... 15 2.7.3 Beban Gempa... 16 2.8 Kombinasi Pembebanan... 19 2.9 Batasan Simpangan Antar Lantai Tingkat... 20 2.10 Perilaku Struktur Terhadap Beban Gempa... 21 2.10.1 Daktilitas Struktur... 22 2.11 Kinerja Struktur... 23 2.12 Analisis Statik Nonlinear Pushover... 26 2.12.1 Mekanisme Sendi Plastis... 28 2.12.2 Idealisasi Kurva Pushover... 29 2.13 Target Perpindahan... 30 2.13.1 Prosedur Statik Nonlinear (ASCE 41-13 NSP)... 30 2.13.2 Metode Spektrum Kapasitas (FEMA 440 EL)... 32 2.14 Penelitian Terkait Dengan Penggunaan Breising Pada Struktur Baja 35 2.14.1 Kotabagi et al. (2015)... 35 2.14.2 Kalibhat et al. (2014)... 36 2.14.3 Tafheem and Khusru (2013)... 38 2.14.4 Sudarsana, dkk. (2015)... 40 2.14.5 Pradhana (2014)... 41 2.14.6 Tama (2013)... 43 v
BAB III METODE PENELITIAN... 45 3.1 Kerangka Penelitian... 45 3.2 Data Struktur... 47 3.2.1 Geometri Struktur... 47 3.2.2 Data Material... 50 3.3 Pembebanan Struktur... 51 3.3.1 Beban Vertikal... 51 3.3.2 Beban Lateral (Gempa)... 52 3.3.3 Kombinasi Beban... 58 3.4 Pemodelan Struktur... 58 3.5 Analisis Statik Pushover... 60 3.6 Perilaku dan Kinerja Struktur... 63 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 65 4.1 Dimensi Penampang dan Stress Ratio... 65 4.2 Kontrol Terhadap Link... 69 4.2.1 Kontrol Terhadap Panjang Link... 69 4.2.2 Tipe Keruntuhan Link... 70 4.3 Analisis Modal... 71 4.4 Simpangan Antar Lantai Tingkat... 73 4.5 Analisis Statik Nonlinear Pushover... 76 4.5.1 Kurva kapasitas Struktur... 76 4.5.2 Perbandingan Kurva kapasitas Struktur... 80 4.6 Kekuatan Struktur... 82 4.7 Kekakuan Struktur... 84 4.8 Daktilitas Struktur... 85 4.9 Target Perpindahan... 87 4.9.1 Target Perpindahan Berdasarkan FEMA 440 EL... 87 4.9.2 Target Perpindahan Berdasarkan ASCE 41-13 NSP... 90 4.10 Kinerja Struktur... 93 4.10.1 Pola Keruntuhan Struktur... 93 4.10.2 Level Kinerja Struktur... 98 BAB V PENUTUP... 100 5.1 Simpulan... 100 5.2 Saran... 101 DAFTAR PUSTAKA... 102 LAMPIRAN A KETENTUAN PEMBEBANAN VERTIKAL... 105 LAMPIRAN B KETENTUAN PEMBEBANAN GEMPA BERDASARKAN SNI 1726:2012... 108 LAMPIRAN C PROPERTI SENDI PLASTIS ASCE 41-13... 110 LAMPIRAN D HASIL ANALISIS... 111 vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Tipe sistem rangka breising konsentrik (SRBK) 6 Gambar 2.2 Tipe sistem rangka breising eksentrik (SRBE) 7 Gambar 2.3 Pengaruh variasi e/l terhadap kekakuan elastik EBF 9 Gambar 2.4 Rotasi link pada struktur rangka breising eksentrik V-terbalik 11 Gambar 2.5 Sambungan sederhana 12 Gambar 2.6 Sambungan momen 13 Gambar 2.7 (a) Tebal pelat ekivalen (Dp) 14 Gambar 2.7 (b) Diagram tegangan pelat komposit 14 Gambar 2.8 Persyaratan pelat komposit 14 Gambar 2.9 Spektrum respon desain 19 Gambar 2.10 Mekanisme leleh pada struktur gedung 22 Gambar 2.11 Roof drift ratio pada struktur 25 Gambar 2.12 Kurva pushover 27 Gambar 2.13 Grafik hubungan gaya vs perpindahan 28 Gambar 2.14 Kurva pushover (positive post-yield slope) 29 Gambar 2.15 Kurva pushover (negative post-yield slope) 29 Gambar 2.16 Kurva ADRS 33 Gambar 2.17 Penentuan titik kinerja dengan prosedur A 33 Gambar 2.18 Penentuan titik kinerja dengan prosedur B 34 Gambar 2.19 Penentuan titik kinerja dengan prosedur C 34 Gambar 2.20 Model struktur rangka breising konsentrik 35 Gambar 2.21 Simpangan struktur arah X dan Y akibat beban gempa 35 Gambar 2.22 Simpangan struktur arah X dan Y akibat beban angin 36 Gambar 2.23 Model struktur 3 lantai dan 5 lantai 37 Gambar 2.24 Grafik perbandingan simpangan vs gaya geser dasar 37 Gambar 2.25 Portal arah X model struktur breising tipe-x dan tipe-v 39 Gambar 2.26 Grafik simpangan struktur arah Y dan arah X 39 Gambar 2.27 Portal struktur SRPMK dan SRBE 40 Gambar 2.28 Grafik pushover masing-masing model struktur 40 Gambar 2.29 Grafik perbandingan berat masing-masing model struktur 41 Gambar 2.30 Model struktur SRPM dan SRBE dengan L/H bervariasi 42 Gambar 2.31 Grafik pushover struktur SRPM dan SRBE dengan L/H bervariasi 42 vii
Gambar 2.32 Model struktur SRPM, SRBE, dan SRBK 43 Gambar 2.33 Grafik pushover struktur SRPM dan SRBE dengan e bervariasi 44 Gambar 3.1 Kerangka penelitian 45 Gambar 3.2 Denah struktur SRPM (model acuan dan pembanding) 47 Gambar 3.3 Denah struktur SRB (model SRBK dan SRBE) 48 Gambar 3.4 Portal 1-arah X (SRPM) 48 Gambar 3.5 Portal 1-arah X (SRBK) 49 Gambar 3.6 Portal 1-arah X (SRBE) 49 Gambar 3.7 Lysaght Smartdek 50 Gambar 3.8 Grafik respon spektrum desain 55 Gambar 3.9 Definisi fungsi respon spektrum pada ETABS 2015 56 Gambar 3.10 Input parameter respon spektrum pada ETABS 2015 56 Gambar 3.11 Definisi beban gempa arah x dengan metode respon spektrum 57 Gambar 3.12 Definisi berat seismik efektif pada software ETABS 2015 58 Gambar 3.13 Model SRPM pada ETABS 2015 59 Gambar 3.14 Model SRBK pada ETABS 2015 59 Gambar 3.15 Model SRBE pada ETABS 2015 60 Gambar 3.16 Kurva kapasitas pada analisis statik nonlinear pushover 60 Gambar 3.17 Properti sendi plastis pada kolom 61 Gambar 3.18 Properti sendi plastis pada balok 62 Gambar 3.19 Properti sendi plastis pada breising 62 Gambar 3.20 Properti sendi plastis pada link 63 Gambar 4.1 Stress ratio portal SRPM arah X 64 Gambar 4.2 Stress ratio portal SRPM arah Y 67 Gambar 4.3 Stress ratio portal SRBKarah X 67 Gambar 4.4 Stress ratio portal SRBK arah Y 68 Gambar 4.5 Stress ratio portal SRBEarah X 68 Gambar 4.6 Stress ratio portal SRBE arah Y 69 Gambar 4.7 Bentuk mode struktur model SRPM 71 Gambar 4.8 Bentuk mode struktur model SRBK 71 Gambar 4.9 Bentuk mode struktur model SRBE 72 Gambar 4.10 Grafik simpangan struktur arah X akibat beban gempa 73 Gambar 4.11 Grafik simpangan struktur arah Y akibat beban gempa 74 Gambar 4.12 grafik simpangan antar lantai tingkat arah X 75 viii
Gambar 4.13 grafik simpangan antar lantai tingkat arah Y 75 Gambar 4.14 Kurva kapasitas model SRPM arah X 77 Gambar 4.15 Kurva kapasitas model SRPM arah Y 77 Gambar 4.16 Kurva kapasitas model SRBK arah X 78 Gambar 4.17 Kurva kapasitas model SRBK arah Y 79 Gambar 4.18 Kurva kapasitas model SRBE arah X 79 Gambar 4.19 Kurva kapasitas model SRBE arah Y 80 Gambar 4.20 Kurva kapasitas model struktur arah X 81 Gambar 4.21 Kurva kapasitas model struktur arah Y 81 Gambar 4.22 Grafik perbandingan kekuatan struktur 83 Gambar 4.23 Grafik perbandingan kekakuan struktur 84 Gambar 4.24 Grafik perbandingan daktilitas struktur 86 Gambar 4.25 Kurva ADRS model SRPM arah X 87 Gambar 4.26 Kurva ADRS model SRPM arah Y 88 Gambar 4.27 Kurva ADRS model SRBK arah X 88 Gambar 4.28 Kurva ADRS model SRBK arah Y 88 Gambar 4.29 Kurva ADRS model SRBE arah X 89 Gambar 4.30 Kurva ADRS model SRBE arah Y 89 Gambar 4.31 Kurva bilinear dan kapasitas model SRPM arah X 90 Gambar 4.32 Kurva bilinear dan kapasitas model SRPM arah Y 91 Gambar 4.33 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBK arah X 91 Gambar 4.34 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBK arah Y 91 Gambar 4.35 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBE arah X 92 Gambar 4.36 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBE arah Y 93 Gambar 4.37 Pola keruntuhan model SRPM arah X 94 Gambar 4.38 Pola keruntuhan model SRPM arah Y 94 Gambar 4.39 Pola keruntuhan model SRBK arah X 95 Gambar 4.40 Pola keruntuhan model SRBK arah Y 96 Gambar 4.41 Pola keruntuhan model SRBE arah X 97 Gambar 4.42 Pola keruntuhan model SRBE arah Y 98 ix
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Koefisien situs, Fa 16 Tabel 2.2 Koefisien situs, Fv 17 Tabel 2.3 Kategori desain seismic berdasarkan nilai SDS 17 Tabel 2.4 Kategori desain seismic berdasarkan nilai SD1 17 Tabel 2.5 Simpangan antar lantai tingkat ijin 21 Tabel 2.6 Daktilitas struktur 23 Tabel 2.7 Level kinerja bangunan 24 Tabel 2.8 Level kinerja struktur 25 Tabel 2.9 Gaya geser dasar masing-masing model struktur 38 Tabel 2.10 Simpangan atap (RD) masing-masing model struktur 38 Tabel 3.1 Tabulasi nilai Sa untuk masing-masing nilai T 55 Tabel 4.1 Dimensi dan stress ratio elemen struktur 65 Tabel 4.2 Kontrol terhadap panjang link beam 70 Tabel 4.3 Penentuan tipe keruntuhan link beam 70 Tabel 4.4 Periode dan frekuensi alami struktur 72 Tabel 4.5 Kekuatan struktur arah X 82 Tabel 4.6 Kekuatan struktur arah Y 82 Tabel 4.7 Kekakuan struktur arah X 84 Tabel 4.8 Kekakuan struktur arah Y 84 Tabel 4.9 Daktilitas struktur arah X 85 Tabel 4.10 Daktilitas struktur arah Y 86 Tabel 4.11 Parameter pada titik kinerja struktur 90 Tabel 4.12 Target perpindahan dan gaya geser dasar model struktur 92 Tabel 4.13 Level kinerja struktur berdasarkan target perpindahan FEMA 440 EL 99 Tabel 4.14 Level kinerja struktur berdasarkan target perpindahan ASCE 41-13 NSP 99 Tabel A.1 Beban hidup untuk hunian 107 Tabel B.1 Kategori resiko bangunan 108 Tabel B.2 Faktor keutamaan gempa 109 Tabel B.3 Faktor R, Cd, dan Ω0 untuk sistem penahan gaya gempa 109 Tabel C.1 Properti sendi plastis pada balok, kolom, dan link beam 110 Tabel C.2 Properti sendi plastis pada breising 110 Tabel D.1 Hasil analisis modal struktur SRPM 111 x
Tabel D.2 Hasil analisis modal struktur SRBK 111 Tabel D.3 Hasil analisis modal struktur SRBE 112 Tabel D.4 Hasil analisis pushover model SRPM arah X 112 Tabel D.5 Hasil analisis pushover model SRPM arah Y 113 Tabel D.6 Hasil analisis pushover model SRBKarah X 113 Tabel D.7 Hasil analisis pushover model SRBK arah Y 114 Tabel D.8 Hasil analisis pushover model SRBE arah X 114 Tabel D.9 Hasil analisis pushover model SRBE arah Y 115 xi
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN Ag Cm C0 C1 C2 D d e E E Ec Eh Ev Fa Fu Fv Fy f c g h hsx Ie K KR L L Lr Mp Pc Pr QE : Luas penampang : Faktor massa efektif : Faktor modifikasi nilai spektral perpindahan ekivalen : Faktor modifikasi perpindahan inelastik : Koefisien untuk memperhitungkan efek pinching : Beban mati : Tinggi penampang baja : Panjang elemen link beam : Beban gempa : Modulus elastisitas baja : Modulus elastisitas beton : Pengaruh gempa horisontal : Pengaruh gempa vertikal : Koefisien situs berdasarkan nilai SS : Tegangan ultimate baja : Koefisien situs berdasarkan nilai S1 : Tegangan leleh baja : Mutu beton : Percepatan gravitasi : Tinggi tingkat : Tinggi tingkat dibawah tingkat x : Faktor keutamaan gempa : Faktor panjang efektif : Kategori risiko : Beban hidup : Panjang tanpa breising dari komponen struktur : Beban hidup atap : Momen plastis penampang : Kekuatan leleh aksial nominal : Kekuatan aksial perlu kombinasi LRFD : Pengaruh gaya gempa horizontal dari V atau Fp xii
r R R S Sa Sd SdS Sd1 SMS SM1 Ss S1 T td Te tf Ts tw V Vc Vp Vr Vy W W Z α a p γp δ : Radius girasi : Beban hujan : Faktor reduksi beban gempa : Beban salju : Spektral percepatan : Spektral perpindahan : Parameter percepatan spektral desain untuk periode pendek : Parameter percepatan spektral desain untuk periode 1 detik : Parameter spektrum respon percepatan pada periode pendek : Parameter spektrum respon percepatan pada periode 1 detik : Spektral percepatan pada periode pendek ( T=0,2 detik) : Spektral percepatan pada periode 1 detik : Periode alami struktur : Tebal dek baja : Waktu getar alami efektif yang memperhitungkan kondisi elastik. : Tebal sayap penampang baja : Waktu getar karakteristik : Tebal badan penampang baja : Gaya geser dasar : Kekuatan leleh geser nominal : Kekuatan geser : Kekuatan geser perlu kombinasi LRFD : Gaya geser dasar pada saat leleh : Beban angin : Berat seismik efektif struktur : Modulus plastis penampang : Faktor kelas situs : Simpangan antar lantai tingkat desain : Simpangan antar lantai tingkat ijin : Plastic story drift : Sudut rotasi link : Perpindahan pada titik kontrol xiii
δm : Perpindahan struktur pada kondisi di ambang keruntuhan δy : Perpindahan struktur pada kondisi leleh μ : Daktilitas struktur μstrength ω : Rasio elastik antara kekuatan perlu dengan kekuatan leleh. : Frekuensi alami struktur ρ : Faktor redudansi, diambil 1,3 ρ' : Perbandingan nilai Pr/Pc dengan nilai Vr/Vc θp : Besar sudut story drift xiv