BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2. 1 Umum Gaya gempa sangat berbahaya karena gerakan tiba-tiba pelepasan energi tegangan yang kemudian dipindahkan melalui tanah dalam bentuk gelombang getaran elastis yang dipancarkan ke segala arah dari titik runtuh (rupture point). Perpindahan gelombang inilah pada suatu lokasi (site) bumi yang disebut gempa bumi. Ketika terjadinya gempa, suatu struktur mengalami getaran gempa dari lapisan tanah di bawah dasar bangunannya secara acak dalam berbagai arah. Adapun cara yang paling sederhana dan langsung dapat dipakai untuk menentukan pengaruh gempa terhadap struktur adalah dengan analisa beban statik ekuivalen. Analisa beban statik ekuivalen hanya boleh dilakukan untuk struktur - struktur gedung yang sederhana dan beraturan yang tidak menunjukkan perubahan yang mencolok dalam perbandingan antara berat dan kekakuan pada tingkat tingkatnya. Sementara struktur struktur gedung yang tidak begitu mudah diperkirakan perilakunya terhadap gempa harus direncanakan dengan cara analisa dinamik. Oleh gempa mengakibatkan adanya perubahan perubahan dalam bentuk struktur yang menyebabkan simpangan simpangan dari lantai lantainya tak beraturan sehingga gaya inersianya menjadi tidak beraturan. 21

2.1.1 Type Struktur Dalam mendesain sistem struktural perlu diperhatikan kestabilan lateral. Bagaimana suatu struktur dapat menahan gaya lateral tidak saja akan mempengaruhi desain elemen elemen vertikal struktur tetapi juga elemen horizontalnya. Struktur harus disusun sedemikian rupa hingga mekanisme pikul beban lateral mencukupi untuk memikul semua jenis kondisi beban lateral yang mungkin terjadi padanya. Adapun tiga struktur penahan gempa dari gedung bertingkat banyak adalah : 1. Portal Terbuka (Open Frame) Simpangan antar tingkat yang besar dapat mengakibatkan sendi sendi plastis pada balok. Sesuatu yang perlu diperhatikan seksama bahwa terbentuknya sendi sendi plastis jangan sampai terlalu dini karena begitu tingginya bangunan. Portal terbuka segi empat yang terdiri dari kolom dan balok dengan hubungan monolit membentuk ruangan yang besar dan memberikan daya tahan horizontal pada kerangka keseluruhan. Pada struktur beton bertulang dan yang sejenis, kekuatan batang tidak begitu besar sehingga daya tahannya terbatas dan pada gedung bertingkat pemakaian gabungan portal terbuka dan dinding geser umumnya lebih menguntungkan. 2. Portal Dinding Mengingat bahwa sendi plastis jangan terlalu dini untuk terjadi pada bangunan bertingkat tinggi, oleh karenanya perlu elemen struktur yang lain yakni struktur dinding beton bertulang yang dapat mengendalikan simpangan antar tingkat yang berlebihan pada tingkat tingkat 22

bawah. Portal dinding adalah dinding luar gedung yang ditujukan untuk bekerja sebagai balok dan kolom serta penahan gaya gempa. Antar struktur dan portal mempunyai pola simpangan yang saling berlawanan. Struktur portal akan mengalami pola simpangan didominasi shear, sedangkan struktur dinding memiliki pola simpangan yang didominasi lentur (flexure). Tingkat tingkat bawah struktur portal umumnya dibantu oleh struktur dinding. Namun sebaliknya pada tingkat atas struktur dinding ini memiliki pengaruh yang kurang baik. 3. Dinding Geser (Shearwall) Shear wall, yaitu diding dengan material batu bata atau batako yang diperkuat secara khusus dengan angker baja, dimana struktur dengan dinding geser dan portal-portal bertulang ikut menahan beban gempa melalui aksi komposit sehingga meningkatkan kekakuan dan menahan gaya lateral.deformasi pada dinding kantilever menyerupai deformasi balok kantilever yang tegak lurus tanah dan selain deformasi lentur, dinding mengalami deformasi geser dan rotasi secara keseluruhan akibat deformasi tanah. 2.2 Perilaku Dinding Geser (Shearwall) akibat gempa Dinding geser (shearwall) adalah unsur pengaku vertikal yang dirancang untuk menahan gaya lateral atau gampa yang bekerja pada bangunan (Wolfgang Schueller, 1989 : 105). Dinding geser dengan lebar yang besar akan menghasilkan daya tahan lentur dan geser yang sangat tinggi dan merupakan sistem struktur yang paling rasional dengan memanfaatkan sifat-sifat beton bertulang. Pada konstruksi pelat beton bertulang, lantai dapat dianggap tidak mengalami distorsi karena ketegaran lantai sangat besar. Jadi gaya geser yang ditahan oleh sistem struktur 23

disetiap tingkat bisa dihitung berdasarkan rasio ketegaran dengan memakai prinsip statis tak tertentu. Berdasarkan konsep dasar ini, Dr. T. Naito menyebut proporsi yang ditahan oleh berbagai sistem sebagai koefisien distribusi gaya geser, dan menyatakannya dengan notasi D ( nilai D ). gambar 2.1 memperlihatkan deformasi portal terbuka dan dinding geser kantilever yang memikul gaya gempa secara terpisah, terlihat bahwa deformasi kedua sistem ini berlainan. δ f δ w a).portal terbuka b).dinding geser Gambar 2.1. Deformasi portal terbuka dan dinding geser Deformasi pada dinding kantilever menyerupai deformasi balok kantilever yang tegak lurus tanah dan selain deformasi lentur, dinding mengalami deformasi geser dan rotasi secara keseluruhan akibat deformasi tanah. Sebagai perbandingan deformasi portal terbuka besarnya cenderung sama pada tingkat atas dan bawah, sedangkan deformasi pada dinding geser sangat kecil didasar dan besar dipuncak. Gedung yang sesungguhnya tidak memiliki dinding geser yang berdiri sendiri karena dinding berhubungan dalam segala arah dengan balok atau batang lain ke kolom-kolom disekitarnya. Sehingga deformasi dinding akan dibatasi dan keadaan ini sebagai pengaruh pembatasan (boundary effect). Agar daya tahan dinding dapat berfungsi sebagaimana mestinya, maka syarat-syarat dibawah ini harus diperhatikan dalam tujuan perancangan dinding geser. 24

1. Dinding geser sebaiknya menerus sampai keatas. W1 D W2 ( a )letak dinding geser berbeda ( b ) dinding geser menerus Gambar 2.2 letak dinding geser Bila letak dinding geser berbeda antara satu tingkat dengan tingkat lainnya seperti pada gambar 2.2a, gaya geser yang terpusat di dinding atas, w 1, harus disalurkan ke dinding bawah w 2. Dalam hal ini, balok atau pelat D akan memikul gaya tarik dan tekan yang besar. Sebaliknya pada dinding seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.2b, pondasi memikul gaya yang besar karena momen guling (overturning moment) dan tarikan keatas bisa terjadi sehingga menyulitkan perencanaan, namun masalah ini bisa diatasi dengan melebarkan dinding ditingkat bawah, memperkuat dengan kerangka melintang yang tegak lurus pada kedua sisi dinding atau memperkuat balok pondasi. 2. Untuk memperoleh dinding geser yang kuat, balok keliling dan balok pondasi sebaiknya diperkuat. 25

Untuk mengurangi deformasi lentur pada dinding, balok disekitar dinding harus dibuat kuat dan tegar agar daya tahannya lebih baik dan momen lentur dinding harus diusahakan mendekati momen lentur portal terbuka. 3. Bila dinding atas dan bawah tidak menerus atau berseling gaya gempa yang ditahan oleh dinding harus disalurkan melalui lantai. 2.2.1 Dinding Geser Kantilever Dinding geser pada gambar 2.3 yang memikul gaya gempa menurut Kiyoshi Muto,mengalami 4 jenis deformasi yaitu : d d d d Ø Gambar 2.3. Deformasi dinding geser δs = deformasi akibat geser 1. δs = deformasi akibat lentur 2. δs = deformasi akibat rotasi pondasi 3. δs = deformasi akibat pondasi bergeser secara horizont 26

Didalam tugas akhir ini penulis tidak ada membahas tentang deformasi dan kekakuan daripada dinding geser. 2.2.2. Interaksi Dinding Geser dan Portal Bila dinding geser dihubungkan dengan portal, secara alamiah (ditinjau dari pihak geser) deformasi dinding akan dibatasi oleh adanya portal, terutama deformasi akibat lentur dan rotasi pondasi. Pada dinding bertingkat satu, gaya pembatasan ini bisa diabaikan untuk tujuan praktis, sedangkan pada dinding geser yang tinggi dan langsing, gaya ini tidak bisa diabaikan. Pengekangan (restrain) dari portal sangat efektif untuk membuat dinding langsing efisien seperti dinding geser. Bila portal dihubungkan disekeliling dinding, ketegaran (rigidity) dan daya tahan (resistant) dinding dari pihak portal, dinding geser akan menimbulkan deformasi pada bagian portal didekat dinding sehingga tegangan dibagian ini lebih besar daripada bagian lainnya. Pada gambar 2.7a memperlihatkan system kerangka yang dikonversikan menjadi system yang ditunjukkan pada gambar 2.7b.? Sistem kerangka daerah perbatasan Gambar 2.7 Rasio kekakuan efektif balok pembatas 27

Bagian balok perbatasan yang terletak pada dinding geser dianggap sebagai daerah tegar, dan ujung balok lainnya dikonversi menjadi tumpuan rol yang berjarak LBe dari garis pusat dinding.titik tumpuan rol bisa dianggap terletak di antara tengah bentang balok dan kolom sesuai dengan kondisi pengekangan kolom. rasio kekakuan balok efektif (kbe). (2.24) Diman : IB = inersia balok λ = daerah tegar balok K = kekakuan standar Gambar 2.8 Gaya gempa yang bekerja pada portal 28

a).deformasi akibat gempa b).diagram tegangan pada portal Gambar 2.9 a).deformasi yang terjadi akibat adanya perbatasan b).diagaram tegangan portal Gambar 2.10 Gaya gempa bekerja pada suatu portal seperti pada gambar 2.9, deformasi dan diagram tegangan akan seperti pada gambar 2.10 dan dinding akan dikekang oleh portal terbuka yang dihubungkan disekeliling dinding. Pengekangan ini timbul dari daya tahan portal yang sebidang 29

dan portal yang tegak lurus.dimana pada balok pengekangan dari portal yang sebidang berhubungan langsung dengan dinding, dimana putaran sudut dan deformasi dalam arah vertikal dititik kumpul kolom-kolomyang berdekatan diabaikan. 2.3. Metode Analisa Perhitungan tegangan dan deformasi dengan metode pendekatan untuk dinding geser yang berhubungan dengan portal pada semua tepinya bisa dilakukan dengan prosedur berikut : (1). Metode Pendekatan untuk menghitung Pengekangan Portal yang Sebidang.Bila gaya lateral bekerja pada suatu portal seperti yang diperlihatkan dalam gambar berikut : Gambar 2.11 Gaya lateral yang bekerja pada portal 30

Deformasi dan diagram tegangan akan seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.12 berikut : a).deformasi akibat gempa b).diagram tegangan pada portal Gambar 2.12 Deformasi dan diagram tegangan pada portal 31

Dinding akan dikekang oleh portal terbuka yang dihubungkan disekeliling dinding. Pengekangan ini timbul dari daya tahan portal yang sebidang dan portal yang tegak lurus. Pada dasarnya, pengekangan dari portal yang sebidang dianggap merupakan aksi dari balok yang dihubungkan langsung dengan dinding. Pada balok ini putaran sudut dan deformasi dalam arah vertikal di titik kumpul kolom-kolom yang berdekatan dengan dinding (pada garis pusatnya) dan momen pengekang dari balok bisa diperoleh dengan cara yang sederhana. Momen perlawanan balok yang berdekatan, MR, akibat putaran θ di dinding dapat dilihat dari gambar berikut : B =0 A = Gambar 2.13 Gambar momen perlawanan pada balok M R = M A + Q AB x La...(2.25) = M A + ( M A + M B ) x L a /L Dimana : M A = 2 Ekk b (2θ A -3R AB ) = momen lentur di titik kumpul dinding dengan balok 32

Mb = 2 Ekk b (θ A -3R AB ) = momen lentur di titik kumpul lainnya pada balok l l a k B = panjang balok = jarak antara garis pusat dan tepi dinding = rasio kekakuan balok θ A adalah putaran sudut di titik A dan sama besar dengan putaran sudut dinding θ (putaran sudut di titik c), sedang R AB adalah putaran sudut balok yang bisa ditulis sebagai :......(2.26) Apabila persamaan (2.26) di sbstitusi ke persamaan (2.25) akan diperoleh : M R = 6 EK θ x k Be...(2.27) Dimana : K 3 l l Be = 2 2 α + 2x + 2x α xk b l l...(2.28) Bila : l a = 2 l k Be k Be = 2.17 k B (bila balok hanya ada disalah satu tepi dinding) = 4.33 k B ( bila balok ada di kedua tepi dinding) (2). Persamaan Dasar yang Melibatkan Putaran Sudut Titik Kumpul Dinding Persamaan dasar yang berkaitan dengan putaran sudut dinding bisa diturunkan dengan memakai kekuatan rasio efektif k Be. Dalam hal ini, deformasi geser pada dinding dapat diisolir dan dihitung secara terpisah, hanya deformasi lentur yang ditinjau. Persamaan untuk kasus ini bisa dituliskan sebagai berikut (lihat gambar 2.14) : 33

K wn ø n+1 (K wn + K wn-1 + 6k ben ) ø n K wn-1 ø n-1 = ( Qh ) n + ( Qh ) n-1... (2.29) Dimana : ø n k ben k Wen (Qh) n = 2Ekθ n (θ n adalah putaran sudut) = rasio kekakuan efektif balok lantai-n = rasio kekakuan dinding (kolom dinding) tingkat ke-n = momen di tingkat ke n Gambar 2.14 Pemodelan dinding geser 3). Penyelesaian Persamaan Dasar dan Koefisien Distribusi Gaya Geser Penyelesaian persamaan dasar sama seperti persamaan linear simultan dengan tiga suku seperti pada kasus persamaan tiga momen. Putaran sudut titik kumpul (Ø = 2 EKØ) ditentukan 34

dari penyelesaian ini, sedang tegangan dan deformasi dapat dihitung dengan persamaan berikut : Momen perlawanan balok : M Rn = 3k Ben ø n...(2.30) Momen lentur kolom dinding : M Wn + M wn 1 + M Rn = 0...(2.31) Dan M Wn + M wn 1 = (Q h ) n... (2.32) Putaran sudut kolom dinding : R Mn = ø n + ø n+1...(2.33) Koefisien distribusi gaya geser dapat dihitung dari putaran sudut batang akibat lentur, R Mn dan putaran sudut batang akibat deformasi geser, R Qn, seperti yang ditulis dalam persamaan berikut : D = X.(2.34) 2.3.1 Analisa Struktur Beton dengan Model Penunjang dan Pengikat (Strut and Tie Model) 35

Strut-and-Tie Model berawal dari Truss-analogy-model, dengan memperhatikan pola retak yang terjadi pada balok beton bertulang akibat beban, digunakan model rangka batang (truss) untuk menjelaskan aliran gaya (load path) untuk transfer beban P ke tumpuan, yang terjadi pada struktur beton bertulang dalam keadaan retak (cracked condition). Rangka batang terdiri dari batang tekan dan batang tarik, sejajar dengan arah memanjang dari balok, batang tekan diagonal dengan sudut 45 0 dan batang tarik vertikal. Batang tekan dan batang tarik yang sejajar diperlukan untuk memikul beban lentur, yang kita peroleh dari standard penulangan lentur. Tinggi rangka batang ini ditentukan oleh jarak lengan momen dalam d, yang dihitung untuk posisi dengan posisi maksimum. Batang tarik vertikal adalah penulangan geser yang dipasang untuk memikul gaya lintang, sedangkan batang tekan diagonal akan dipikul oleh betonnya sendiri. 2.4 Perencanaan dinding geser Perencanaan dinding geser sebagai elemen struktur penahan beban gempa pada gedung bertingkat bisa dilakukan dengan konsep gaya dalam (yaitu dengan hanya meninjau gaya-gaya dalam yang terjadi akibat kombinasi beban gempa) atau dengan konsep desain kapasitas. Pada bagian berikut ini, kedua konsep desain tersebut akan digunakan. 2.4.1 Konsep Gaya Dalam Menurut konsep ini dinding geser didesain berdasarkan gaya dalam Vu dan Mu yang terjadi akibat beban gempa. Konsep desain dinding geser berdasarkan gaya dalam ini pada dasarnya mengacu pada ACI 318-2005. Kuat geser perlu dinding struktural (Vu) diperoleh dari analisis 36

beban lateral dengan faktor beban yang sesuai, sedangkan kuat geser nominal, V n dinding struktural harus memenuhi: V n A cv (α c + ρ n. f y ).(2.35) dimana: A cv = luas penampang total dinding struktural. α = ¼ untuk hw/lw 1.5 ; 1/6 untuk hw/lw 2 ρ n = rasio penulangan arah horizontal (transversal) Perlu dicatat bahwa pada persamaan (2.35) di atas pengaruh adanya tegangan aksial yang bekerja pada dinding geser tidak diperhitungkan. Hal ini berarti bahwa persamaan (2.35) tersebut di atas akan menghasilkan nilai kuat geser yang bersifat konservatif. Selain itu, agar penerapan konsep desain geser berdasarkan gaya dalam ini berhasil, maka kuat lebih (overstrength) desain lentur dinding struktural yang dirancang sebaiknya dijaga serendah mungkin. Dalam kaitan dengan hal ini, ACI 318-2005 mensyaratkan agar beton dan tulangan longitudinal dalam lebar efektif flens, komponen batas, dan badan dinding harus dianggap efektif menahan lentur. Dinding juga harus mempunyai tulangan geser tersebar yang memberikan tahanan dalam dua arah orthogonal pada bidang dinding. Apabila rasio hw/lw tidak melebihi 2, rasio penulangan ρ (longitudinal) tidak boleh kurang daripada rasio penulangan (lateral). Selain itu, dinding struktural dengan rasio hw/lw tidak melebihi 2 (yaitu 37

dinding struktural yang perilakunya bersifat brittle) sebaiknya didesain dengan metoda desain kapasitas. Sebagai alternatif, bilamana kuat geser nominalnya tetap dipertahankan lebih kecil daripada gaya geser yang timbul sehubungan dengan pengembangan kuat lentur nominalnya, maka dinding struktural tersebut dapat didesain dengan faktor reduksi yang lebih rendah, yaitu 0,55. 2.4.2 Konsep Desain Kapasitas Berdasarkan ACI 318-2005, struktur beton bertulang tahan gempa pada umumnya direncanakan dengan mengaplikasikan konsep daktilitas. Dengan konsep ini, gaya gempa elastik dapat direduksi dengan suatu faktor modifikasi response struktur (faktor R), yang merupakan representasi tingkat daktilitas yang dimiliki struktur. Dengan penerapan konsep ini, pada saat gempa kuat terjadi, hanya elemen elemen struktur bangunan tertentu saja yang diperbolehkan mengalami plastifikasi sebagai sarana untuk pendistribusian energi gempa yang diterima struktur. Elemen - elemen tertentu tersebut pada umumnya adalah elemen-elemen struktur yang keruntuhannya bersifat daktil. Elemen-elemen struktur lain yang tidak diharapkan mengalami plastifikasi haruslah tetap berperilaku elastis selama gempa kuat terjadi. Selain itu, hirarki atau urutan keruntuhan yang terjadi haruslah sesuai dengan yang direncanakan. Salah satu cara untuk menjamin agar hirarki keruntuhan yang diinginkan dapat terjadi adalah dengan menggunakan konsep desain kapasitas. Pada konsep desain kapasitas, tidak semua elemen struktur dibuat sama kuat terhadap gaya dalam yang direncanakan, tetapi ada elemen-elemen struktur atau titik pada struktur yang dibuat lebih lemah dibandingkan dengan yang lain. Hal ini dibuat demikian agar di elemen atau titik tersebutlah kegagalan struktur akan terjadi di saat beban maksimum bekerja pada struktur. Pada dinding geser 38

kantilever, sendi plastis diharapkan terjadi pada bagian dasar dinding dan dalam konsep desain kapasitas, kuat geser di dasar dinding juga harus didesain. 2.5 Persyaratan dinding geser Gambar 3.17 Penulangan dinding geser Pada dinding yang tinggi atau juga dinding geser serta gabungan dinding-dinding seperti pada dinding core yang paling menentukan adalah beban aksial dan lentur, seperti yang berlaku pada kolom. Oleh karena itu, prosedur desain dan perhitungan-perhitungan pada kolom juga secara umum juga dapat diaplikasikan. Detail penulangan untuk dinding berbeda dari penulangan kolom. Elemen-elemen pembatas mungkin dapat diletakan pada akhir atau sudut bidang dinding untuk meningkatkan ketahanan momen-nya, seperti pada Gambar 7.33. Struktur dinding beton berlaku untuk dinding yang menahan beban aksial, dengan atau tanpa lentur. Dinding harus direncanakan terhadap beban eksentris dan setiap beban lateral atau beban lain yang bekerja padanya. Panjang horizontal dinding yang dapat dianggap efektif untuk setiap 39

beban terpusat tidak boleh melebihi jarak pusat ke pusat antar beban, ataupun melebihi lebar daerah pembebanan ditambah 4 kali tebal dinding. Dinding harus diangkurkan pada komponen-komponen struktur yang berpotongan dengannya misalnya lantai dan atap, atau pada kolom, pilaster, sirip penyangga, dan dinding lain yang bersilangan, dan pada fondasi telapak. Rasio minimum untuk luas tulangan vertikal terhadap luas bruto beton haruslah: 0,0012 untuk batang ulir yang tidak lebih besar daripada D16 dengan tegangan leleh yang disyaratkan tidak kurang daripada 400 MPa 0,0015 untuk batang ulir lainnya 0,0012 untuk jaring kawat baja las (polos atau ulir) yang tidak lebih besar daripada P16 atau D16. Rasio minimum untuk luas tulangan horizontal terhadap luas bruto beton haruslah: 1) 0,0020 untuk batang ulir yang tidak lebih besar daripada D16 dengan tegangan leleh yang disyaratkan tidak kurang daripada 400 Mpa 2) 0,0025 untuk batang ulir lainnya 3) 0,0020 untuk jaring kawat baja las (polos atau ulir) yang tidak lebih besar daripada P16 atau D16. Pada dinding dengan ketebalan lebih besar daripada 250 mm, kecuali dinding ruang bawah tanah, harus dipasang dua lapis tulangan di masing-masing arah yang sejajar dengan bidang muka dinding dengan pengaturan sebagai berikut: 1) Satu lapis tulangan, yang terdiri dari tidak kurang daripada setengah dan tidak lebih daripada dua pertiga jumlah total tulangan yang dibutuhkan pada masing-masing 40

arah, harus ditempatkan pada bidang yang berjarak tidak kurang daripada 50 mm dan tidak lebih daripada sepertiga ketebalan dinding dari permukaan luar dinding. 2) Lapisan lainnya, yang terdiri dari sisa tulangan dalam arah tersebut di atas, harus ditempatkan pada bidang yang berjarak tidak kurang dari 20 mm dan tidak lebih dari sepertiga tebal dinding dari permukaan dalam dinding. Jarak antara tulangantulangan vertikal dan antara tulangan-tulangan horizontal tidak boleh lebih besar daripada tiga kali ketebalan dinding dan tidak pula lebih besar daripada 500 mm. Tulangan vertikal tidak perlu diberi tulangan pengikat lateral bila luas tulangan vertikal tidak lebih besar daripada 0,01 kali luas bruto penampang beton, atau bila tulangan vertikal tidak dibutuhkan sebagai tulangan tekan. Di samping adanya ketentuan mengenai tulangan minimum, di sekeliling semua bukaan jendela dan pintu harus dipasang minimal dua tulangan D16. Batang tulangan ini harus lebih panjang dari sisi-sisi bukaan. Terhadap sudut-sudut bukaan, batang tulangan harus diperpanjang sejauh jarak yang diperlukan untuk mengembangkan kemampuannya tetapi tidak kurang dari 600 mm. 41