PERILAKU DAN KINERJA STRUKTUR RANGKA BAJA DENGAN DINDING PENGISI DAN TANPA DINDING PENGISI HALAMAN JUDUL (TUGAS AKHIR) Oleh: FIRMAN HADI SUPRAPTO NIM: 1204105043 JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2016
LEMBAR PERNYATAAN Yang bertandatangan di bawah ini, saya: Nama : Firman Hadi Suprapto NIM : 1204105043 Judul TA : Perilaku dan Kinerja Struktur Rangka Baja Dengan Dinding Pengisi dan Tanpa Dinding Pengisi 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, Juni 2016 Firman Hadi Suprapto NIM. 1204105043 i
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 : Perilaku dan Kinerja Struktur Rangka Baja Dengan Dinding Pengisi dan Tanpa Dinding Pengisi Nama : Firman Hadi Suprapto NIM : 1204105043 Jurusan : Teknik Sipil Diuji Tanggal : 27 Mei 2016 Bukit Jimbaran, Juni 2016 Menyetujui: Pembimbing I Pembimbing II (Ir. Ida Bagus Dharma Giri, MT.) NIP. 19640228 199103 1 002 (I Gede Adi Susila, ST, MSc, Ph.D.) NIP. 19710708 200112 1 005 Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Udayana (I Ketut Sudarsana ST, Ph.D.) NIP. 19691016 199601 1 001 ii
ABSTRAK Penelitian tentang perilaku dan kinerja struktur rangka baja dengan dinding pengisi dan tanpa dinding pengisi menggunakan aplikasi SAP 2000 v17 dengan model open frame sebagai acuan perbandingan. Penelitian struktur dilakukan pada model dinding pengisi penuh tanpa meninjau adanya bukaaan. Kinerja struktur dinding pengisi akan dilakukan pada model strat diagonal. Analisis dilakukan dengan memodel 3 struktur, yaitu: model 1 Model Open Frame (MOF), model 2 Model Strat Diagonal (MSD), dan model 3 Model Shell Elemen (MSE). Ketiga model struktur dibebani dan dirancang berdasarkan pedoman perencanaan SNI 03-2847-2002 (Beton) dan SNI 03-1729-2015 (Baja). Untuk model validasi akan dianalisis secara linier dengan penurunan nilai elastisitas pada material dinding, material balok dan kolom. Kinerja struktur bangunan open frame dan struktur dinding pengisi yang dimodel dengan strat diagonal akan dianalisis secara nonlinier. Dari hasil analisis didapatkan hasil bahwa perilaku model open frame memiliki simpangan 46,21 mm, model dinding pengisi dengan strat diagonal memiliki simpangan 8,99 mm dan model dinding pengisi dengan shell elemen memiliki simpangan 15,97 mm. Gaya-gaya dalam yang bekerja baik model strat diagonal atau model shell elemen memiliki nilai yang lebih kecil dari pada gayagaya dalam yang bekerja pada model open frame kecuali gaya aksial kolom yang memiliki nilai yang hampir sama dengan model open frame. Perbandingan kinerja dengan struktur dinding pengisi dengan model strat diagonal memiliki kinerja yang lebih baik dari pada model open frame dengan besar nilai batas perpindahan untuk model open frame sebesar 1.039,556 mm dengan gaya geser sebesar 4213,15 kn, sedangkan nilai batas perpindahan untuk model strat diagonal sebesar 701,84 mm dengan nilai gaya geser sebesar 8.146,6 kn. Sedangkan untuk nilai daktilitas model open frame sebesar 5,93 sedangkan untuk gedung yang dimodel dengan strat diagonal memiliki nilai daktilitas sebesar 4,15. Kata kunci : perilaku, kinerja, analisis pushover dan struktur baja iii
UCAPAN TERIMA KASIH Puji syukur Saya panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa karena berkat tuntunanterselesaikan. Tugas Akhir ini merupakan persyaratan dalam menyelesaikan studi strata 1 (satu) di Jurusan Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Udayana. Terwujudnya Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan, saran, dan motivasi dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini, penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada: 1. Bapak Ir. Ida Bagus Dharma Giri, MT dan Bapak I Gede Adi Susila, ST, MSc, Ph.D selaku dosen pembimbing serta Bapak Dr. Ir. Ngakan Made Anom Wiryasa selaku dosen pembimbing akademik. 2. Bapak, Ibu dan segenap keluarga yang telah banyak membantu, mendoakan dan memberikan dorongan moril maupun material sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. 3. Etika Prima Artini yang senantiasa menemani, mendukung dan menyemangati dalam penyelesaian Tugas Akhir ini. Penulis menyadari bahwa Penelitian ini masih banyak terdapat kekurangan, karena keterbatasan ilmu yang penulis miliki. Untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kesempurnaan Tuga Akhir ini. Atas perhatiannya penulis ucapkan terima kasih dan semoga Tugas Akhir ini dapa memberikan manfaat bagi pembaca. Denpasar, Juni 2016 Penulis iv
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... 1 LEMBAR PERNYATAAN... i LEMBAR PENGESAHAN LAPORAN TUGAS AKHIR... ii ABSTRAK... iii UCAPAN TERIMA KASIH... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR NOTASI... xii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 3 1.3 Tujuan Penuliasan... 3 1.4 Manfaat Penulisan... 3 1.5 Batasan Masalah... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Dinding Pengisi... 5 2.1.1 Definisi... 5 2.1.2 Rangka Dengan Dinding Pengisi... 5 2.2 Pemodelan... 6 2.2.1 Analisis Pendahuluan... 6 2.2.2 Analisis Menengah dan Final... 7 2.2.3 Pendekatan Gabungan untuk Analisis Pendahuluan dan Final... 7 2.3 Strat Diagonal... 7 2.4 Elemen Shell... 8 2.5 Elemen Gap... 9 2.6 Perilaku Dinding Pengisi... 10 2.7 Penelitian Struktur Rangka Baja Dengan Dinding Pengisi... 12 2.8 Pembebanan... 15 2.8.1 Beban Mati... 15 2.8.2 Beban Hidup... 16 v
2.8.3 Beban Horizontal ( SNI 1726:2012)... 16 2.8.4 Kombinasi Pembebanan... 17 2.9 Tegangan Dinding Pengisi dalam Pendekatan Empiris... 17 2.9.1 Tegangan Geser pada Dinding Pengisi... 18 2.9.2 Tegangan Tarik pada Dinding pengisi... 18 2.9.3 Tegangan Tekan Dinding Pengisi... 19 2.10 Tingkat Daktalitas... 19 2.10.1 Daktalitas Struktur... 21 2.10.2 Daktalitas Elemen... 22 2.11 Analisis Kinerja Struktur... 23 2.11.1 Kenonlinieran Material... 25 2.11.2 Sendi Plastis... 25 2.11.3 Kontrol Pembebanan... 27 BAB III METODE PENELITIAN... 28 3.1 Prosedur Analisis... 28 3.2 Validasi Metode Permodelan... 30 3.2.1 Data Material... 31 3.2.2 Data Geometri Struktur... 31 3.2.3 Pemodelan Strat Diagonal... 31 3.2.4 Pemodelan Elemen Shell... 32 3.3 Pemodelan Struktur Gedung 5 Lantai... 34 3.3.1 Data Material... 34 3.3.2 Data Geometri Struktur... 35 3.3.3 Aplikasi Pemodelan... 37 3.4 Analisis Kinerja... 40 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 43 4.1 Validasi... 43 4.1.1 Model Open Frame... 43 4.1.2 Model Strat Diagonal... 46 4.1.3 Model Shell Elemen... 51 4.2 Model Gedung... 53 4.2.1 Model Gedung Dengan Strat Diagonal... 54 vi
4.3 Model Portal... 56 4.3.1 Simpangan yang terjadi... 56 4.3.2 Gaya Geser Kolom... 58 4.3.3 Gaya Geser Balok... 59 4.3.4 Gaya Aksial Kolom... 59 4.3.5 Momen pada Kolom... 60 4.3.6 Momen pada Balok... 60 4.4 Tegangan Pada Dinding Pengisi... 61 4.4.1 Model Strat Diagonal... 61 4.4.2 Model Shell Elemen... 63 4.5 Steel Design Pada Masing-masing Model... 63 4.6 Analisis Pushover... 66 4.6.1 Analisis Kurva Pushover... 66 4.6.2 Target Perpindahan... 68 4.7 Evaluasi Kinerja Struktur... 70 4.7.1 Model Open Frame (MOF)... 71 4.7.2 Model Strat Diagonal... 72 4.7.3 Evaluasi Kinerja Struktur Berdasarkan Jumlah Sendi Plastis... 74 4.8 Analisis Daktilitas Struktur... 74 BAB V PENUTUP... 75 5.1 Simpulan... 75 5.2 Saran... 76 DAFTAR PUSTAKA... 77 LAMPIRAN A : Data Perencanaan Bebean Gempa... 78 LAMPIRAN B : Gaya-gaya Dalam Portal X... 83 LAMPIRAN C : Step Pushover... 91 LAMPIRAN D : Pemodelan Shell Elemen... 103 vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Rangka dengan dinding pengisi... 5 Gambar 2.2 Model dinding pengisi sebagai strat diagonal... 8 Gambar 2.3 Elemen gap... 9 Gambar 2.4 Struktur rangka terbuka... 11 Gambar 2.5 Struktur rangka dengan dinding pengisi... 12 Gambar 2.6 Struktur rangka soft story... 12 Gambar 2.7 Dimensi model eksperimen... 13 Gambar 2.8 Penelitian rangka dinding pengisi... 13 Gambar 2.9 Grafik hubungan beban horizontal dengan simpangan rangka terbuka... 14 Gambar 2.10 Grafik hubungan beban horizontal dengan simpangan rangka dengan dinding pengisi... 15 Gambar 2. 11 Pola pembentukan sendi plastis... 21 Gambar 2. 12 Analisis kinerja struktur... 25 Gambar 2. 13 Kurva hubungan gaya perpindahan serta karakeristik sendi plastis dan informasi level kinerja bangunan... 26 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian... 30 Gambar 3.2 Cara me-release momen pada strut... 32 Gambar 3.3 Cara me-release gaya tarik pada strut... 32 Gambar 3.4 Konfigurasi elemen shell... 33 Gambar 3.5 Konfigurasi elemen gap... 34 Gambar 3.6 Denah lantai... 35 Gambar 3. 7 Potongan melintang gedung 5 lantai... 36 Gambar 3.8 Denah peninjauan dinding hotel... 37 Gambar 3.9 Gempa X pengaturan IBC 2009 yang disesuaikan dengan SNI 201239 Gambar 3. 10 Gempa Y pengaturan IBC 2009 yang disesuaikan dengan SNI 2012... 39 Gambar 3. 11 Sendi plastis untuk kolom... 41 Gambar 3. 12 Sendi plastis untuk balok... 41 Gambar 3.13 Pengaturan sendi plastis pada strut... 42 Gambar 4. 1 Kurva gaya lateral dan perpindahan MO 44 viii
Gambar 4. 2 Kurva gaya lateral dan perpindahan MOF... 46 Gambar 4. 3 Kurva gaya lateral dan perpindahan MSD... 48 Gambar 4. 4 Gaya lateral dan perpindahan MSD... 50 Gambar 4. 5 Gaya lateral dan perpindahan MSE... 53 Gambar 4. 6 Simpangan kombinasi 1,2D+1L-1Ex+0,3Ey portal 3-3... 57 Gambar 4. 7 Simpangan kombinasi 1,2D+1L+1Ey+0,3Ex portal F-F... 58 Gambar 4. 8 Steel design open frame... 64 Gambar 4. 9 Steel design strat diagonal... 64 Gambar 4. 10 Steel design shell elemen... 65 Gambar 4. 11 Titik peninjauan... 66 Gambar 4.12 Perbandingan kurva pushover arah X (push-x) masing-masing model... 67 Gambar 4. 13 Perilaku keruntuhan struktur model open frame arah X... 71 Gambar 4. 14 Perilaku keruntuhan struktur model strat diagonal arah X... 73 ix
DAFTAR TABEL Tabel 2. 1 Sifat material yang digunakan... 14 Tabel 4.1 Gaya dan perpindahan 44 Tabel 4. 2 Besar Reduksi yang dilakukan... 45 Tabel 4. 3 Gaya dan perpindahan setelah reduksi nilai elastisitas... 45 Tabel 4. 4 Gaya dan perpindahan dengan metode strat diagonal... 48 Tabel 4. 5 Besar reduksi yang dilakukan pada material balok dan kolom... 49 Tabel 4. 6 Besar reduksi yang dilakukan pada material dinding pengisi... 49 Tabel 4. 7 Gaya dan perpindahan dengan metode strat diagonal setelah reduksi nilai elastisitas... 50 Tabel 4. 8 Gaya dan perpindahan dengan metode shell elemen... 52 Tabel 4. 9 Dimensi penampang struktur gedung 5 lantai... 54 Tabel 4. 10 Simpangan lantai arah X akibat kombinasi 1,2D+1L-1Ex+0,3Ey... 56 Tabel 4. 11 Simpangan lantai arah Y akibat kombinasi 1,2D+1L+1Ey+0,3Ex... 57 Tabel 4. 12 Gaya geser kolom akibat kombinasi 1,2D+1L-1Ex+0,3Ey... 58 Tabel 4. 13 Gaya geser balok akibat kombinasi 1,2D+1,0L-1,0Ex+0,3Ey... 59 Tabel 4. 14 Gaya aksial kolom akibat kombinasi 1,2D+1,0L-1,0Ex+0,3Ey... 59 Tabel 4. 15 Momen pada kolom akibat kombinasi 1,2D+1L-1Ex+0,3Ey... 60 Tabel 4. 16 Momen pada balok akibat kombinasi 1,2D+1L-1Ex+0,3Ey... 61 Tabel 4. 17 Gaya aksial batang strat diagonal... 62 Tabel 4. 18 Gaya aksial strat diagonal arah vertikal... 62 Tabel 4. 19 Gaya aksial strat diagonal arah horizontal... 62 Tabel 4. 20 Tegangan tekan dinding... 62 Tabel 4. 21 Tegangan geser dinding... 62 Tabel 4. 22 Tegangan tarik dinding... 63 Tabel 4. 23 Tegangan geser dinding... 63 Tabel 4. 24 Tegangan tekan dinding... 63 Tabel 4. 25 Gaya geser dasar masing-masing model arah X pada kurva pushover.... 68 Tabel 4. 26 Perpindahan masing-masing model arah X pada kurva pushover.... 68 x
Tabel 4. 27 Nilai parameter target perpindahan... 69 Tabel 4. 28 Nilai performance point... 70 Tabel 4. 29 Nilai periode dan redaman masing-masing struktur... 70 Tabel 4. 30 Tabel mekanisme terjadi sendi plastis model open frame arah X... 71 Tabel 4. 31 Tabel mekanisme terjadi sendi plastis model strat diagonal arah X. 72 Tabel 4. 32 Jumlah sendi plastis yang terjadi pada kondisi perpindahan tertentu 74 Tabel 4. 33 Perbandingan daktilitas model struktur... 74 xi
DAFTAR NOTASI a = lebar strat diagonal = Beban mati yang diakibatkan oleh berat konstruksi permanen, termasuk dinding, lantai, atap, plafon, partisi tetap, tangga, & peralatan layan tetap. = Beban gempa, yang ditentukan menurut SNI 1726 2012. fe me m u = Modulus elatisitas kolom = Modulus elastisitas dinding pengisi = Modulus elastisitas mortar = Modulus elastisitas dinding pengisi g = Percepatan gravitasi 9,81 m/det 2 G m G u hcol hinf hm Icol Ie k Mn Mu Mp R R r inf SA = Modulus geser mortar = Modulus geser dinding pengisi = tinggi kolom = tinggi dinding = Tebal mortar = Inersia Kolom = Faktor keutamaan hunian. = Eksponen yang terkait dengan perioda struktur. = Beban hidup yang ditimbulkan oleh penggunaan gedung, termasuk kejut, tetapi tidak termasuk beban lingkungan seperti angin, hujan, & lain-lain = Beban hidup di atap yang ditimbulkan selama perawatan oleh pekerja, peralatan, dan material, atau selama penggunaan biasa oleh orang dan benda bergerak. = Momen lentur rencana. = Momen lentur perlu. = Momen plastis penampang. = Beban hujan = Faktor modifikasi respons. = Panjang strut = Batuan keras. xii
SB = Batuan. SC = Tanah keras, sangat padat dan batuan lunak. SD = Tanah sedang. SE = Tanah lunak. SF = Tanah khusus, yang membutuhkan investigasi geoteknik spesifik. S 1 S DS S D1 T T e T s tf tw V Vp Vy W = Parameter percepatan spektrum respons maksimum yang dipetakan. = Parameter percepatan spektrum respons disain dalam rentang perioda pendek. = Parameter percepatan spektrum respons disain pada perioda 1 detik. = Perioda struktur dasar (detik). = Waktu getar alami efektif yang memperhitungkan kondisi inelastic. = Waktu getar karakteristik. = Tebal flens. = Tebal Wet. = Gaya lateral disain total. = Gaya geser plastis penampang. = Gaya geser dasar pada saat leleh. = Beban angin w i dan w x = Bagian berat seismik efektif total struktur yang ditempatkan atau dikenakan pada tingkat I atau x. Zx p = Modulus plastis penampang. = Rasio kekakuan pasca leleh terhadap kekakuan elastis efektif. = Sudut yang dibentuk dari strur diagonal = Faktor reduksi lentur. p = Plastic story drift. p. = Maksimum curvature yang diharapkan. = Yield cuvature. = Sudut rotasi link belam. = Simpangan maksimum struktur gedung akibat pengaruh Gempa Rencana pada saat mencapai kondisi di ambang keruntuhan. = Simpangan struktur gedung pada saat terjadinya pelelehan pertama. xiii