ANALISIS PERILAKU DAN KINERJA RANGKA BETON BERTULANG DENGAN DAN TANPA BREISING KABEL CFC TUGAS AKHIR Oleh : P. Adi Yasa NIM: 1204105008 JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2016
LEMBAR PENGESAHAN LAPORAN 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 : Analisis Perilaku dan Kinerja Rangka Beton Bertulang dengan dan Tanpa Breising Kabel CFC Nama : P. Adi Yasa NIM : 1204105008 Jurusan : Teknik Sipil Diuji Tanggal : April 2016 Menyetujui, Bukit Jimbaran, April 2016 Pembimbing I Pembimbing II (I Gede Adi Susila, ST., MSc., Ph.D.) (Ir. Putu Deskarta, MASc.) NIP. 19710708 200112 1 005 NIP. 19611025 198803 1 001 Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Udayana (I Ketut Sudarsana, ST., Ph.D.) NIP. 19691016 199601 1 001 i
LEMBAR PERNYATAAN Yang bertandatangan di bawah ini, saya: Nama : P. Adi Yasa NIM : 1204105008 Judul TA : Analisis Perilaku dan Kinerja Rangka Beton Bertulang dengan dan Tanpa Breising Kabel CFC 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 dalam daftar pustaka. Denpasar, April 2016 P. Adi Yasa NIM. 1204105008 ii
UCAPAN TERIMA KASIH Puji syukur penulis panjatkan ke hadapan Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmatnyalah penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul Analisis Perilaku dan Kinerja Rangka Beton Bertulang dengan dan Tanpa Breising Kabel CFC. Terwujudnya tugas ini tidak terlepas dari dorongan serta bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak I Gede Adi Susila, ST., MSc., Ph.D. selaku pembimbing I, Bapak Ir. Putu Deskarta, MASc. selaku pembimbing II, Ibu Ir. Ariany Frederika, MT. selaku dosen pengajar mata kuliah Metode Penelitian, orang tua yang selalu memberi dorongan dan semangat dalam penyelesaian tugas akhir ini, serta temanteman dan semua pihak yang tidak bisa disebutkan namanya satu per satu. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu saran dan kritik yang bertujuan demi kesempurnaan tugas akhir ini sangat penulis harapkan. Akhir kata penulis mohon maaf apabila terjadi kesalahan dan semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak. Bukit Jimbaran, April 2016 Penulis iii
ABSTRAK Perubahan wilayah gempa dan spektrum respon pada peraturan perencanaan katahanan gempa untuk bangunan gedung dari SNI 1726-2002 menjadi SNI 1726-2012, memberikan pengaruh yang buruk pada bangunan jika mengakibatkan struktur bangunan mengalami peningkatan kebutuhan tulangan ataupun over stressed pada beberapa komponen saat menerima beban gempa rencana menurut SNI terbaru. Berdasarkan alasan tersebut, maka penting dilakukan suatu perkuatan struktur. Metode perkuatan yang dilakukan pada penelitain ini menggunakan breising kabel carbon fiber composite (CFC). Untuk mendapatkan cara memodel breising kabel pada SAP2000 yang tepat, maka dilakukan validasi antara model breising sebagai elemen frame dengan hasil eksperimen Lee (2015) menggunakan analisis pushover. Setelah mendapatkan kurva load-drift yang mendekati hasil eksperimen, barulah teknik memodel breising diterapkan pada model gedung 3D empat lantai. Gedung yang tidak diperkuat diberi kode model I, sedangkan untuk gedung yang diperkuat breising kabel CFC elemen frame diberi kode model II, selanjutnya Model I dan II ini dibandingkan untuk mendapatkan perubahan perilaku dan kinerja. Gaya aksial pada breising kabel CFC dicek sebagai elemen kabel pada pada model III. Berdasarkan hasil validasi penelitian ini, disimpulkan bahwa memodel breising kabel CFC (elemen frame) pada SAP2000 perlu dilakukan release terhadap momen, compression limit = 0, dan untuk hubungan antara frame dengan breising berupa flate plate serta protrusion dilakukan reduksi pada elastisitas material kabel sebesar 35% dan 5% dari elastisitas spesifikasinya. Hasil perbandingan perilaku dari model I dan II pada penelitan ini adalah sebagai berikut : dari segi daktilitas, struktur dengan dan tanpa perkuatan breising kabel CFC memiliki nilai faktor daktilitas (µ) sebesar 1.97 dan 2.21, dimana nilai ini masuk dalam kategori daktilitas parsial. Gaya aksial saat penegangan awal dan beban maksimum pada breising kabel, diperoleh melalui model III sebesar 12 kn dan 187.9 kn, sedangkan kapasitas gaya aksial kabel adalah 1200kN. Kapasitas lateral dan drift maksimum hasil pushover antara model I dan II memberikan simpulan bahwa: kapasitas ultimate model II mengalami peningkatan sebesar 150% terhadap gaya geser dasar yang mampu ditahan model I, sedangkan simpangan maksimum yang terjadi pada kurva pushover model II mengalami penurunan sebesar ±30% terhadap Model I. Kinerja struktur dapat digambarkan melalui level kinerja hasil analisis pushover, level kinerja model I dan II berada pada level Immadiate Occupancy (IO) pada aturan ATC-40, sedangkan pada aturan FEMA 356 struktur existing masuk dalam level kinerja live safety (LS), sedangkan ketika diberikan breising kabel CFC level kinerja berubah menjadi IO. Melalui level kinerja dapat dikatakan bahwa struktur yang diperkuat dengan breising kabel CFC memiliki kapasitas lateral yang lebih tinggi dan taraf kerusakan yang lebih kecil. Kata Kunci : Breising Kabel CFC, elemen frame, elemen kabel, kinerja struktur, beban gempa iv
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN LAPORAN TUGAS AKHIR... i LEMBAR PERNYATAAN... ii UCAPAN TERIMA KASIH... iii ABSTRAK... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR LAMPIRAN A... xii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 3 1.3 Tujuan... 3 1.4 Manfaat... 3 1.5 Batasan Masalah... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Umum... 5 2.2 Carbon Fibre Composite Cable (CFCC)... 5 2.3 Elemen Kabel pada SAP 2000... 7 2.3.1 Edit Cable Geometry... 7 2.3.2 Target Force... 8 2.3.3 Nonlinear Analysis... 9 2.4 Penelitian Terkait... 9 2.4.1 Prosedur Pengujian... 11 2.4.2 Spesimen yang tidak diperkuat... 12 2.4.3 Flate Plate Speciment... 13 2.4.4 Protrusion Speciment (CFCC-2)... 15 2.4.5 Kekuatan dan Deformasi... 16 2.5 Strat Diagonal... 17 2.6 Beban Gempa... 18 2.6.1 SNI 1726 : 2002... 19 2.6.2 SNI 1726 : 2012... 21 2.7 Simpangan Antar Lantai... 22 2.8 Tingkat Daktilitas... 24 2.8.1 Daktilitas Struktur... 24 2.9 Analisis Pushover... 25 2.9.1 Langkah-langkah Analisis Pushover... 25 2.9.2 Kenonlinieran Material... 27 2.9.3 Sendi Plastis... 27 2.9.4 Kontrol Pembebanan... 28 2.9.5 Idealisasi Kurva Pushover... 28 2.9.6 Target Perpindahan dengan Metode Koefisien Perpindahan (FEMA 356)... 29 2.9.7 Metode Spektrum Kapasitas... 31 2.9.8 Kriteria Kinerja Struktur... 33 v
BAB III METODE PENELITIAN... 36 3.1 Kerangka Penelitian... 36 3.2 Prosedur Penelitian... 37 3.3 Model Validasi... 43 3.3.1 Data Material... 43 3.3.2 Data Geometrik Struktur... 43 3.3.3 Pemodelan Breising Kabel... 44 3.3.4 Pemodelan Strat Diagonal... 45 3.3.5 Data Pembebanan pada Model Validasi... 46 3.4 Pemodelan Struktur Gedung Empat Lantai... 47 3.4.1 Data Material... 47 3.4.2 Data Geometri Struktur... 47 3.4.3 Data Pembebanan... 48 3.5 Pemodelan breising Kabel CFC pada gedung 4 lantai menggunakan Elemen Frame... 51 3.6 Pemodelan breising Kabel CFC pada gedung 4 lantai menggunakan elemen kabel... 55 3.7 Analisis Pushover Model Validasi dan Gedung Empat Lantai... 60 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 64 4.1 Validasi... 64 4.1.1 Validasi Model Portal Tanpa Perkuatan... 64 4.1.2 Validasi Model Portal dengan Perkuatan Breising Kabel CFC... 65 4.1.3 Perbandingan Load-Drift Portal dengan dan Tanpa Breising Kabel CFC... 69 4.2 Pemodelan Struktur Gedung Empat Lantai ( Model I )... 70 4.3 Perkuatan Model Gedung dengan Breising Kabel CFC (Model II Elemen Frame)... 74 4.3.1 Konfigurasi Breising Kabel CFC Diameter 15.2 mm... 75 4.3.2 Konfigurasi Breising Kabel CFC Diameter 28.5 mm... 79 4.3.3 Konfigurasi Breising Kabel CFC Diameter 40 mm... 82 4.3.4 Kesimpulan Konfigurasi Breising Kabel CFC... 85 4.4 Perkuatan Model Gedung dengan Breising Kabel CFC (Model III Elemen Kabel)... 86 4.5 Perbandingan Perilaku Model Gedung dengan dan Tanpa Breising Kabel CFC... 88 4.5.1 Perbandingan Kebutuhan Tulangan... 89 4.5.2 Perbandingan Simpangan Struktur... 90 4.5.3 Gaya Aksial pada Breising Kabel CFC... 92 4.6 Hasil Analisis Pushover Model Gedung dengan dan Tanpa Breising Kabel CFC... 95 4.6.1 Kurva Pushover... 95 4.6.2 Spektrum Kapasitas ATC-40... 97 4.6.3 Distribusi sendi plastis... 101 4.6.4 Koefisien Perpindahan FEMA 356... 104 4.6.5 Faktor Daktilitas Struktur... 106 4.6.6 Level Kinerja / Performance Level... 108 vi
BAB V PENUTUP... 110 5.1 Kesimpulan... 110 5.2 Saran... 112 DAFTAR PUSTAKA... 113 LAMPIRAN A... 114 vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar optik standar CFCC... 6 Gambar 2.2 Elemen kabel, Sumbu Lokal, and parameter bentuk... 8 Gambar 2.3 Perkuatan struktur dengan menggunakan breising kabel CFCC. 9 Gambar 2.4 Detail Tulangan Spesimen... 10 Gambar 2.5 Detail kabel CFCC... 11 Gambar 2.6 Konfigurasi eksperimental untuk beban siklik... 11 Gambar 2.7 Spesimen rangka beton bertulang tanpa breising (UBF)... 12 Gambar 2.8 Kurva load-drift untuk spesimen tanpa perkuatan... 13 Gambar 2.9 Specimen (CFCC-1) yang sedang diberikan beban siklik... 14 Gambar 2.10 Kurva load-drift Spesimen CFCC-1... 14 Gambar 2.11 Specimen (CFCC-2) yang sedang diberikan beban siklik... 15 Gambar 2.12 Kurva load-drift Spesimen CFCC-2... 16 Gambar 2.13 Hubungan load-drift tiga Spesimen... 17 Gambar 2.14 Model Dinding Pengisi Sebagai Strat Diagonal... 18 Gambar 2.15 Kurva deformasi plastis untuk gaya-perpindahan... 28 Gambar 2.16 Idealisasi Kurva Pushover... 29 Gambar 2.17 Titik Kinerja dengan Metode Spektrum Kapasitas... 32 Gambar 2.18 Roof Drift Ratio... 34 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian... 37 Gambar 3.2 Diagram alir penelitian (lanjutan 1)... 38 Gambar 3.3 Diagram alir penelitian (lanjutan 2)... 39 Gambar 3.4 Kabel CFC dimodel dengan Pipe Section pada model validasi.. 44 Gambar 3.5 Release Momen pada Elemen Frame... 45 Gambar 3.6 Release Gaya Tekan pada Elemen Frame... 45 Gambar 3.7 Release Gaya Tarik pada Strat Diagonal... 46 Gambar 3.8 Pembebanan pada Model Portal, (a) Portal yang diperkuat dengan breising Kabel CFC, (b) Portal yang tidak diperkuat... 47 Gambar 3.9 Denah Struktur... 48 Gambar 3.10 Portal 2-2... 48 Gambar 3.11 Pengaturan UBC 97 yang disesuaikan dengan SNI 2002... 50 Gambar 3.12 Pengaturan IBC 2009 yang disesuaikan dengan SNI 2012... 50 Gambar 3.13 Kabel CFC dimodel dengan Pipe Section pada model gedung... 51 Gambar 3.14 Material Kabel CFC... 52 Gambar 3.15 Release Gaya Tekan pada Strat Diagonal... 53 Gambar 3.16 Denah gedung empat lantai dengan breising Kabel CFC konfigurasi... 53 Gambar 3.17 Denah gedung empat lantai dengan breising Kabel CFC konfigurasi... 54 Gambar 3.18 Variasi konfigurasi breising kabel pada sisi terluar gedung, (a) konfigurasi CFC1, (b) Konfigurasi CFC2... 54 Gambar 3.19 Model 3D gedung empat lantai dengan perkuatan Berising Kabel CFC dengan Frame Section, (a) konfigurasi CFC1, (b) konfigurasi CFC2... 55 Gambar 3.20 Kabel CFC dimodel dengan elemen kabel pada model gedung.. 56 Gambar 3.21 Material kabel CFC... 56 viii
Gambar 3.22 Release Gaya Tekan pada Strat Diagonal... 57 Gambar 3.23 Target Load pada kabel CFC... 58 Gambar 3.24 Denah gedung empat lantai dengan breising Kabel CFC konfigurasi... 58 Gambar 3.25 Denah gedung empat lantai dengan breising Kabel CFC konfigurasi... 59 Gambar 3.26 Variasi konfigurasi breising kabel pada sisi terluar gedung, (a) konfigurasi CFC1, (b) Konfigurasi CFC2... 59 Gambar 3.27 Model 3D gedung empat lantai dengan perkuatan Berising Kabel CFC dengan elemen kabel, (a) konfigurasi CFC1, (b) konfigurasi CFC2... 60 Gambar 3.28 Kurva Pushover... 61 Gambar 3.29 Model frame sederhana dengan perkuatan kabel, dinding pengisi,... 61 Gambar 3.30 Model gedung empat lantai dengan dan tanpa perkuatan kabel CFC... 62 Gambar 3.31 Sendi Plastis untuk kolom pada model validasi... 63 Gambar 3.32 Sendi Plastis untuk Balok... 63 Gambar 3.33 Sendi Plastis untuk Breising Kabel CFC... 63 Gambar 4.1 Model portal tanpa perkuatan (UBF)... 65 Gambar 4.2 Kurva gaya geser dasar dan perpindahan model portal yang tidak... 65 Gambar 4.3 Flate plate dimodel dengan release momen pada SAP2000, (a) Portal yang diperkuat dengan breising Kabel CFC, (b) hubungan kabel dan frame berupa flate plate... 66 Gambar 4.4 Protrusion dimodel dengan release momen pada SAP2000, (a) Portal yang diperkuat dengan breising Kabel CFC, (b) hubungan kabel dan frame berupa protrusion... 67 Gambar 4.5 Kurva gaya geser dasar dan perpindahan model portal yang diperkuat... 68 Gambar 4.6 Kurva gaya geser dasar dan perpindahan model portal yang diperkuat... 69 Gambar 4.7 Kurva gaya geser dasar dan perpindahan model portal yang diperkuat... 70 Gambar 4.8 Denah struktur lantai 1, 2, dan 3 pada model struktur gedung... 71 Gambar 4.9 Denah struktur lantai 4 pada model struktur gedung... 72 Gambar 4.10 Portal arah x dan y pada model struktur gedung... 72 Gambar 4.11 Luas tulangan (mm 2 ) Portal 4-4 (SNI 1726-2002)... 73 Gambar 4.12 Luas tulangan (mm 2 ) Portal 4-4 (SNI 1726-2012)... 74 Gambar 4.13 Variasi konfigurasi breising kabel pada sisi terluar gedung, (a) konfigurasi CFC1, (b) Konfigurasi CFC2... 75 Gambar 4.14 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 15.2 mm... 77 Gambar 4.15 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 15.2 mm... 77 Gambar 4.16 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 15.2 mm... 78 Gambar 4.17 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 15.2 mm... 78 Gambar 4.18 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 28.5 mm... 80 Gambar 4.19 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 28.5 mm... 80 Gambar 4.20 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 28,5 mm... 81 ix
Gambar 4.21 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 28,5 mm... 81 Gambar 4.22 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 28,5 mm... 83 Gambar 4.23 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 28,5 mm... 83 Gambar 4.24 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 28,5 mm... 84 Gambar 4.25 Kebutuhan Tulangan Breising Kabel CFC 28,5 mm... 84 Gambar 4.26 Kebutuhan Tulangan, (a) tanpa perkuatan, (b) Breising kabel CFC dengan konfigurasi CFC2 40 mm... 85 Gambar 4.27 Titik pengamatan simpangan tiap lantai pada portal 4-4... 87 Gambar 4.28 Kotak dialog target force pada kondisi tarik I-end 12 kn... 88 Gambar 4.29 Breising kabel CFC yang ditinjau gaya tariknya saat proses pengencangan dan pada kondisi beban ultimate... 93 Gambar 4.30 Gaya aksial breising kabel CFC yang ditinjau pada kondisi tarik... 93 Gambar 4.31 Gaya aksial breising kabel CFC yang ditinjau pada beban ultimate... 94 Gambar 4.32 Joint pada Model I yang ditinjau sebagai displacement control. 96 Gambar 4.33 Joint pada Model II yang ditinjau sebagai displacement control 96 Gambar 4.34 Perbandingan kurva pushover arah X pada Model I dan II... 97 Gambar 4.35 Input demand spectrum definition berupa respon spectrum... 98 Gambar 4.36 Spektrum kapasitas ATC-40 model I... 99 Gambar 4.37 Spektrum kapasitas ATC-40 model II... 99 Gambar 4.38 Posisi sendi plastis pada model I... 102 Gambar 4.39 Posisi sendi plastis pada model II... 102 Gambar 4.40 Posisi sendi plastis pada portal 1-1 model II... 103 Gambar 4.41 Idealisasi kurva pushover model I... 105 Gambar 4.42 Idealisasi kurva pushover model II... 105 x
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Spesifikasi standar CFCC... 6 Tabel 2.2 Material propertis beton... 10 Tabel 2.3 Beban siklik yang digunakan pada tes ekperimental... 12 Tabel 2.4 Ringkasan kapasitas deformasi dan kekuatan... 17 Tabel 2.5 Faktor keutamaan I untuk berbagai kategori gedung dan bangunan SNI 1726:2002... 20 Tabel 2.6 Spektrum respon gempa rencana... 21 Tabel 2.7 Koefisien untuk menghitung faktor respon gempa vertikal Cv... 21 Tabel 2.8 Simpangan antar lantai tingkat ijin... 25 Tabel 2.9 Level Kinerja Struktur... 33 Tabel 2.10 Deformation Limit... 35 Tabel 4.1 Rekapan perbandingan kebutuhan tulangan setelah dilakukan perkuatan... 86 Tabel 4.2 Perbandingan simpangan antara Model II dan model III yang diberikan tegangan awal pada bresising kabel CFC... 87 Tabel 4.3 Perbandingan kebutuhan tulangan model I, II dan III... 89 Tabel 4.4 Defleksi tiap lantai pada model gedung... 91 Tabel 4.5 Perbandingan simpangan antar lantai tingkat izin dan simpangan antar lantai tingkat desain... 91 Tabel 4.7 Step terjadinya performance point pada model I... 101 Tabel 4.8 Step terjadinya performance point pada model II... 101 Tabel 4.9 Jumlah sendi plastis pada performance point... 101 Tabel 4.10 Nilai parameter target perpindahan... 104 Tabel 4.11 Tabel pushover model I... 107 Tabel 4.12 Tabel pushover model II... 107 Tabel 4.13 Faktor daktulitas struktur gedung dengan dan tanpa perkuatan... 107 Tabel 4.14 Nilai pada kondisi titik kinerja (performance point) ATC-40... 108 Tabel 4.15 Performance level berdasarkan ATC-40... 108 Tabel 4.16 Performance level berdasarkan FEMA 356 dan 273... 109 xi
DAFTAR LAMPIRAN A Gambar A.1 Peta Respons Spektra Percepatan Ss pada perioda 0.20 detik, 2% dalam 50 tahun (redaman 5%)... 114 Gambar A.2 Peta Respons Spektra Percepatan S1 pada perioda 1.0 detik, 2% dalam 50 tahun (redaman 5%)... 115 Tabel A.1 Kategori risiko bangunan gedung dan non gedung untuk beban gempa... 116 Tabel A.2 Kategori risiko bangunan gedung dan non gedung untuk beban (Lanjutan)... 117 Tabel A.3 Faktor Keutamaan gempa... 117 Tabel A.4 Kategori desain seismic berdasarkan parameter respon percepatan pada perioda pendek... 117 Tabel A.5 Kategori desain seismik berdasarkan parameter respon percepatan pada perioda 1 detik... 118 Tabel A.6 Faktor R, Cd, dan Ω0 untuk Sistem Penahan Gaya Gempa... 118 xii