TUGAS AKHIR ANALISA PERBANDINGAN BERBAGAI PENAMPANG DINDING GESER KOMPOSIT AKIBAT BEBAN LATERAL DOSEN KONSULTASI BUDI SUSWANTO, ST. MT.PhD. IR. R. SOEWARDOJO, MSc. OLEH: FRAN SINTA SURYANI 311 0106 041 PROGRAM SARJANA LINTAS JALUR JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2013
Latar Belakang Dinding geser pelat baja sering digunakan dalam bangunan tahan gempa yang diharapkan dapat menahan beban lateral dalam struktur bangunan. Dinding geser pelat baja terdiri dari baja tipis dengan dua kolom dan dua balok lantai horisontal. Selain dinding geser pelat baja, juga terdapat dinding geser komposit pelat baja. Dimana pada dinding geser komposit, lapisan beton bertulang terhubung pada salah satu sisi pelat baja untuk meningkatkan kapasitas geser dengan meningkatkan jumlah garis medan tarik regional, juga untuk meningkatkan bantalan panel terhadap faktor destruktif seperti kebakaran, impuls,dan ledakan. Dilakukan peningkatan kapasitas geser, supaya distribusi garis diagonal di pelat baja yang diperoleh dengan menggunakan lubang baja sebagai pengaku yang terhubung ke pelat baja dapat menghasilkan kekakuan lateral, atau dengan menggunakan lapisan beton yang terhubung ke plat baja dengan konektor geser (studs) untuk menahan tekuk (buckling) (Rahai dan Fatami 2009). 2
Semakin jauh jarak antara stud maka dapat meningkatkan penyerapan energi dalam dinding geser komposit pelat baja dan mengurangi nilai dari perpindahan pergeseran baja dan tegangan normal maksimum pada stud sampai jarak tertentu. Pada tugas akhir kali ini akan dilakukan pembahasan dan analisis mengenai dinding geser komposit pelat baja dengan membandingkan beberapa tipe penampang dinding geser komposit dengan dinding geser yang berupa baja saja atau beton bertulang saja. Yang berdasar pada push-over analysis dimana diberikan pengaruh gempa rencana sebagai beban lateral yang nilainya ditingkatkan secara berangsur-angsur hingga melampaui pembebanan yang menyebabkan terjadinya pelelehan pertama di dalam struktur dinding geser komposit pelat baja tersebut. 3
Rumusan Masalah 1. Bagaimana perilaku perbandingan dinding geser komposit dengan berbagai tipe penampang? 2. Bagaimana asumsi pembebanan pada perilaku konfigurasi dinding geser komposit pelat baja tersebut? 3. Bagaimana deformasi dan tegangan yang terjadi pada masingmasing konfigurasi dinding geser komposit pelat baja? 4. Bagaimana memodelkan dan menganalisa struktur dinding geser komposit pelat baja dengan menggunakan program bantu analisa struktur? 4
Tujuan 1. Dapat menganalisa perilaku perbandingan dinding geser komposit dengan berbagai tipe penampang. 2. Dapat mengasumsikan pembebanan pada perilaku konfigurasi dinding geser komposit pelat baja tersebut. 3. Dapat menentukan deformasi dan tegangan yang terjadi pada masing-masing konfigurasi dinding geser komposit pelat baja. 4. Dapat memodelkan dan menganalisa struktur dinding geser komposit pelat baja dengan menggunakan program bantu analisa struktur. 5
Batasan Masalah 1. Hanya dilakukan analisa terhadap perilaku dinding geser komposit pelat baja dengan berbagai bentuk tipe penampang. 2. Beban gempa lateral diberikan pada dinding geser komposit dengan metode push-over analysis dan dihitung berdasarkan SNI 03-1726-2002. 3. Analisa dinding geser komposit baja ini dimaksudkan sebagai bahan studi dan bukan sebagai value engineering, sehingga tidak mempertimbangkan aspek ekonomi. 6
Manfaat Manfaat yang diperoleh dari penyusunan tugas akhir ini adalah: 1. Memperoleh hasil perbandingan yang signifikan sehingga dapat menjadi pertimbangan dalam pemilihan struktur dinding geser. 2. Sebagai referensi dalam menghitung konfigurasi dinding geser komposit baja. 7
Tinjauan Pustaka o o o Dinding geser merupakan bagian dari struktur bangunan yang berfungsi sebagai penahan lateral bangunan bertingkat tinggi. Dinding geser yang telah umum digunakan adalah dinding geser beton, namun selalu ada kekhawatiran terhadap daktilitas, kekuatan lokal serta efisiensi pembangunan dalam bengunan bertingkat tinggi terutama pada zona gempa tinggi. Dalam beberapa tahun terakhir terdapat alternatif baru mengenai dinding geser, yaitu menggunakan dinding geser pelat baja karena dianggap lebih efisien dibandingkan dinding geser beton. 8
Tetapi tentu saja masih terdapat kelemahan yaitu kekhawatiran terhadap keseluruhan tekuk pada pelat baja yang mempengaruhi kekuatan geser dan kekakuan serta kehilangan energi (Zhao 2004), sebagaimana besarnya deformasi inelastik pada pelat baja dapat menghasilkan putaran atau rotasi yang besar pada hubungan momen dan simpangan (Allen 1980). Di sisi lain, terdapat dinding geser komposit pelat baja yang dapat memberikan alternatif lain karena dapat mengkompensasi kerugian dari dinding geser beton betulang dan dinding geser pelat baja, karena menggabungkan keunggulan dari keduanya. 9
Tipe-tipe dinding geser komposit pelat baja a) Pelat beton berada di salah satu sisi dinding dengan pembatas di sisi lainnya adalah pelat baja. b) Pelat baja berada di tengahtengah struktur dinding geser komposit dengan beton sebagai elemen pembatas. c) Hampir sama dengan Gambar (b), yaitu beton sebagai elemen pembatas yang menyelimuti pelat baja dan kolom. d) Pelat baja berfungsi sebagai elemen pembatas pada sisi kanan dan kiri dinding geser komposit dengan beton sebagai isian. 10
Push-over analysis Menurut SNI 1726-2002: push-over analysis atau analisis beban dorong statik adalah suatu cara analisis statik 2 dimensi atau 3 dimensi linier dan non-linier, dimana pengaruh gempa rencana terhadap struktur dianggap sebagai bebanbeban statik yang menangkap pada pusat massa struktur, yang nilainya ditingkatkan secara berangsur-angsur sampai melampaui pembebanan yang menyebabkan terjadinya pelelehan (sendi plastis) pertama di dalam struktur. Kemudian dengan peningkatan beban lebih lanjut mengalami perubahan bentuk elasto-plastis yang besar sampai mencapai kondisi di ambang keruntuhan. 11
Metodologi Metodologi yang digunakan pada tugas akhir ini adalah: Melakukan studi literatur yang berkaitan dengan topik dari tugas akhir ini Melakukan pemodelan dan analisis dengan program bantu analisa struktur dan penampang Serta kontrol struktur elemen yang berhubungan dengan dinding geser komposit pelat baja Membandingkan deformasi dan tegangan yang terjadi pada masing-masing dinding geser 12
Flowchart metodologi 13
Preliminary desain Direncanakan dinding geser komposit pelat baja dengan dimensi komponen yang berkaitan adalah sebagai berikut: Tabel 3.1 Dimensi struktur dinding geser komposit Komponen Tebal pelat baja Tebal pelat beton Balok Kolom Dimensi 60 mm 100 mm WF 350x250x9x14 WF 300x300x10x15 14
Shear connector Ø13-200 Balok WF 350.250.9.14 Kolom WF 300.300.10.15 Balok WF 350.250.9.14 sambungan las t=5mm 4000 I I Pelat baja tulangan Ø10-100 beton bertulang shear connector Ø13-200 Kolom WF 300.300.10.15 Balok WF 350.250.9.14 Dinding geser komposit 4000 4000 Gambar 3.2 Pelat beton berada di salah satu sisi dinding geser komposit dan pelat baja di sisi lainnya Shear connector Ø13-200 Balok WF 350.250.9.14 Kolom WF 300.300.10.15 Balok WF 350.250.9.14 sambungan las t=5mm 4000 I I Pelat baja tulangan Ø10-100 beton bertulang shear connector Ø13-200 Kolom WF 300.300.10.15 Balok WF 350.250.9.14 Dinding geser komposit 4000 4000 Gambar 3.3 Pelat baja berada di tengah-tengah struktur dinding geser komposit 15
Shear connector Ø13-200 Balok WF 350.250.9.14 Kolom WF 300.300.10.15 Balok WF 350.250.9.14 sambungan las t=5mm 4000 I I Pelat baja beton bertulang Kolom WF 300.300.10.15 Balok WF 350.250.9.14 Dinding geser komposit 4000 tulangan Ø10-100 shear connector Ø13-200 4000 Gambar 3.4 Beton bertulang sebagai elemen pembatas dengan pelat baja berada di tengah-tengah struktur Balok WF 350.250.9.14 Kolom WF 300.300.10.15 Balok WF 350.250.9.14 4000 I DINDING GESER PELAT BAJA I sambungan las t=5mm Pelat baja Balok Kolom WF 350.250.9.14 WF 300.300.10.15 4000 Gambar 3.5 Dinding geser pelat baja 4000 16
Balok WF 350.250.9.14 Kolom WF 300.300.10.15 Balok WF 350.250.9.14 sambungan las t=5mm 4000 I DINDING GESER BETON BERTULANG I beton bertulang tulangan Ø10-100 4000 Balok Kolom WF 350.250.9.14 WF 300.300.10.15 4000 Gambar 3.6 Dinding geser beton bertulang 17
Pemodelan dan analisis F Balok WF 350.250.9.14 Balok WF 350.250.9.14 4000 4000 DINDING GESER DINDING GESER Balok WF 350.250.9.14 Kolom WF 300.300.10.15 4000 Balok WF 350.250.9.14 Kolom WF 300.300.10.15 4000 Gambar 3.7 Pemodelan push-over Analysis 18
Kontrol dimensi struktur Setelah dilakukan analisis dengan program bantu, kemudian dilakukan pula pengontrolan dimensi struktur dengan cara manual. Struktur yang dikontrol adalah struktur-struktur yang berhubungan langsung dengan dinding geser komposit pelat baja: Balok (bab 2.3.4.a) Tekuk Lokal Tekuk Lateral Kuat Geser Lendutan Kolom (bab 2.3.4.b) Kelangsingan kolom Tekuk Elastis Tekuk lokal Tekuk lateral Tekan lentur Dinding Geser (bab 2.3.1) Penampang Geser Nominal 19
Perbandingan Analisa Penampang Setelah dilakukan beberapa tahap pada program bantu untuk analisa penampang, seperti: Preprocessing (part, property, Assembly, step, interaction, load dan mesh) Processing (job dan running) Kemudian diperoleh hasil dari post-processing berupa gambar buckling dan tegangan yang terjadi pada penampang dinding geser. 20
Steel Plate Shear Wall displacement Gambar 5.11 hasil buckle step spsw 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1 0 10 20 30 40 Gambar 5.20 grafik displacement spsw pada node3998 Magnitude x y z Node 3998 Tabel 5.1 displacement spsw Beban displacement arah Magnitude x y z 10 0,818492 0,818491-0,00973-0,00919 20 0,819577 0,819576-0,00972-0,0098 30 0,81995 0,819949-0,00971-0,00917 Displacement maksimum pada steel plate shear wall terjadi pada arah x yaitu sebesar 0,8199mm pada saat beban lateral sebesar 30 ton. 21
Steel Plate Shear Wall Tegangan 40 30 20 Tegangan (Mpa) 10 0-10 -20 0 5 10 15 20 25 30 35 mises Geser Lentur Gambar 5.10 hasil general step spsw -30 Beban (t) Gambar 5.36 grafik tegangan spsw pada node 3998 Tabel 5.1 displacement spsw Node Beban Tegangan Mises Geser Lentur 10 12,0724-6,18248-5,8405 3998 20 24,2666-12,4655-11,5794 30 36,4612-18,7485-17,3183 Pada gambar 5.36, menunjukan bahwa tegangan yang terjadi mengalami tekan, begitu juga pada gambar 5.37. Untuk node 3998, gambar 5.36, tegangan maksimum yang terjadi diakibatkan oleh tegangan geser sebesar 18,7485 N/mm 2 sedangkan tegangan lentur yang terjadi adalah sebesar 17,3183 N/mm 2. 22
Composite Steel Plate Shear Wall type1 0,82330 displacement 0,82320 0,82310 Displacement (mm) 0,82300 0,82290 0,82280 0,82270 0,82260 0,82250 magnitude (baja) magnitude (beton) x (baja) x (beton) Gambar 5.13 hasil buckle step cssw type1 Tabel 5.2 displacement cssw type1 part pelat baja Node 3998 Node 3998 Beban displacement (part pelat baja) arah Magnitude x y z 10 0,82272 0,82254-0,01389-0,01006 20 0,82319 0,82302-0,01390-0,00995 30 0,82313 0,82295-0,01388-0,00999 Tabel 5.3 displacement cssw type1 part pelat beton 0,82240 Beban displacement (part pelat beton) arah Magnitude x y z 10 0,8226 0,8225-0,0121-0,0082 20 0,8231 0,8230-0,0121-0,0081 30 0,8230 0,8229-0,0121-0,0082 0 10 20 30 40 Beban (t) Gambar 5.22 grafik displacement cssw type1 pada node 3998 Pada node 3998, gambar 5.22 menunjukkan bahwa displacement maksimum terjadi pada arah x saat beban lateral yang dibebankan sebesar 20 ton yaitu sebesar 0,82 mm. 23
Composite Steel Plate Shear Wall type1 25 20 Tegangan mises (baja) 15 mises (beton) 10 Tegangan (Mpa) 5 0-5 -10 0 10 20 30 40 teg. geser (baja) teg. Geser (beton) teg.lentur (baja) Gambar 5.12 hasil general step cssw type 1-15 Beban (t) teg. Lentur (beton) Tabel 5.10 tegangan pelat komposit pada cssw tipe 1 (part baja) Node Beban Tegangan Mises Geser Lentur 10 7,57802-3,80146-1,58474 3998 20 15,0341-7,58081-3,00481 30 22,4126-11,2893-4,42214 Tabel 5.11 tegangan pelat komposit pada cssw tipe 1 (part beton) Node Beban Tegangan Mises Geser Lentur 10 1,62683-0,25196-1,68327 3998 20 3,29465-0,51276-3,40452 30 4,97387-0,78245-5,13613 24
Composite Steel Plate Shear Wall type2 0,82250 displacement 0,82240 0,82230 Displacement (mm) 0,82220 0,82210 0,82200 0,82190 0,82180 0,82170 magnitude (baja) magnitude (beton) x (baja) x (beton) Gambar 5.15 hasil buckle step cssw type 2 0,82160 0 10 20 30 40 Beban (t) Tabel 5.4 displacement cssw type2 part pelat baja Node 3998 Node 3998 Beban displacement (part pelat baja) arah Magnitude x y z 10 0,82167 0,82167-0,00893-0,00776 20 0,82200 0,82200-0,00891-0,00772 30 0,82212 0,82212-0,00898-0,00771 Tabel 5.5 displacement cssw type2 part pelat beton Beban displacement (part pelat beton) arah Magnitude x y z 10 0,8220 0,8217-0,0159-0,0147 20 0,8223 0,8220-0,0159-0,0145 30 0,8224 0,8221-0,0158-0,0146 Pada composite steel plate shear wall type2 ini displacement maksimum terjadi pada arah x juga, sebesar 0,822 mm pada beban lateral 30 ton. Namun, displacement ini juga dapat meningkat lagi apabila bebannya ditambahkan lagi, karena pada composite steel plate shear wall type 2 ini belum tampak bahwa pelat mengalami buckling. 25
Composite Steel Plate Shear Wall type2 40 30 20 Tegangan mises (baja) mises (beton) 10 teg. Geser (baja) Tegangan (Mpa) 0-10 -20 0 10 20 30 40 teg. Geser (beton) teg. Lentur (baja) Gambar 5.14 hasil general step cssw type2-30 Beban (t) teg. Lentur (beton) Tabel 5.12 tegangan pelat komposit pada cssw tipe 2 (part baja) Node Beban Tegangan Mises Geser Lentur 10 11,255-6,17443-2,28354 3998 20 22,4802-12,3424-4,43054 30 33,6691-18,4828-6,60936 Tabel 5.13 tegangan pelat komposit pada cssw tipe 2 (part baja) Node Beban Tegangan Mises Geser Lentur 10 1,38068-0,19122-1,42079 3998 20 2,78537-0,3906-2,86391 30 4,17745-0,59092-4,29338 26
Composite Steel Plate Shear Wall type 3 Gambar 5.17 hasil buckle step cssw type 3 Displacement (mm) 0,82910 0,82900 0,82890 0,82880 0,82870 0,82860 0,82850 0,82840 0,82830 0,82820 0 10 20 30 40 Beban (t) Gambar 5.30 grafik displacement cssw type3 pada node3998 deformasi magnitude (baja) magnitude (beton) x (baja) x (beton) Tabel 5.6 displacement cssw type3 part pelat baja Node 3998 Node 3998 Beban displacement (part pelat baja) arah Magnitude x y z 10 0,82854 0,82829-0,01522-0,01348 20 0,82886 0,82861-0,01521-0,01342 30 0,82900 0,82900-0,01500-0,01300 Tabel 5.7 displacement cssw type3 part pelat beton Beban displacement (part pelat beton) arah Magnitude x y z 10 0,8285 0,82825-0,01430-0,01269 20 0,8288 0,8286-0,0143-0,0126 30 0,8290 0,8290-0,0140-0,0130 Pada composite steel plate shear wall type 3, displacement yang terjadi belum sampai pada puncaknya, namun terlihat pada beban lateral 30 ton, displacement arah x yang terjadi adalah sebesar 0,829mm, gambar 5.30 untuk node 3988, sedangkan pada node 187 gambar 5.32 menunjukkan displacement arah x baru terjadi sebesar 0,012mm. 27
Composite Steel Plate Shear Wall type 3 40 30 Tegangan mises (baja) 20 mises (beton) 10 teg. Geser (baja) Tegangan (Mpa) 0-10 -20 0 10 20 30 40 teg. Geser (beton) teg. Lentur (baja) Gambar 5.16 hasil general step cssw type3 Tabel 5.14 tegangan pelat komposit pada cssw tipe 3 (part baja) Node Beban Tegangan Mises Geser Lentur 10 12,2756-6,66268-2,21398 3998 20 24,542-13,8798-4,28298 30 36,7851-20,0039-6,37619-30 teg. Lentur (beton) Beban (t) Gambar 5.42 grafik tegangan pelat beton-baja pada node 3998 Tabel 5.15 tegangan pelat komposit pada cssw tipe 3 (part beton) Node Beban Tegangan Mises Geser Lentur 10 1,19765-0,13691-1,28128 3998 20 2,40316-0,27833-2,56909 30 3,60254-0,42123-3,84939 28
Concrete Shear Wall displacement 1,2 1 0,8 Gambar 5.19 hasil buckle step csw Displacement (mm) 0,6 0,4 0,2 0-0,2 0 10 20 30 40 Beban (t) magnitude x y z Tabel 5.8 displacement csw Node 2236 Beban displacement arah Magnitude x y z 10 1,00001 1-0,00954-0,03346 20 1 1 0,004-0,03355 30 0,85351 0,852804-0,00968-0,03334 Dari gambar 5.34, dapat dilihat bahwa pada concrete shear wall, telah terjadi buckling sebelum leleh. Yaitu pada saat pemberian beban 20 ton dengan displacement arah x sebesar 1mm. Dan ini merupakan displacement terbesar yang terjadi bila dibandingkan dengan empat model sebelumnya. 29
Concrete Shear Wall Tegangan 2,5 2 1,5 1 Mises Tegangan (Mpa) 0,5 0-0,5 0 5 10 15 20 25 30 35 Geser Lentur -1 Gambar 5.18 hasil general step csw -1,5 Beban (t) Gambar 5.44 grafik tegangan csw pada node 2236 Tabel 5.16 tegangan pelat komposit pada csw Node Beban Tegangan Mises Geser Lentur 10 0,666602-0,28853-0,22492 2236 20 1,030726-0,71811-0,43418 30 1,94776-1,0704-0,64332 30
Kesimpulan Dari analisa yang telah dilakukan dengan menggunakan bantuan program analisa struktur dan penampang, diperoleh hasil dari besarnya deformasi serta tegangan yang terjadi pada dinding geser, baik itu untuk dinding geser pelat baja biasa, komposit maupun dinding geser beton. Pada deformasi untuk steel plate shear wall arah x mengalami deformasi sebesar 0,8199mm saat beban lateral sebesar 30 ton. Sedangkan pada composite steel plate shear wall, untuk tipe1 deformasi maksimum terjadi pada arah x sebesar 0,82mm saat beban lateral 20 ton, namun untuk tipe 2 pada saat beban lateral sebesar 20 ton diberikan, masih terjadi peningkatan deformasi hingga beban lateral sebesar 30 ton dari 0,822 mm ke 0,8221 mm begitu juga untuk tipe 3. Tetapi pada tipe 3 sudah terlihat akan terjadi buckling pada saat beban sebesar 30 ton yaitu 0,829mm. Untuk concrete shear wall displacement maksimum yang terjadi pada arah x saat beban 20 ton, sedangkan pada saat pemberian beban sebesar 30 ton pelat sudah mengalami buckling. Ini berarti deformasi dapat ditahan oleh pelat baja (untuk cssw type 2, dimana pelat baja terletak ditengahtengah struktur penampang dinding geser). 31
Sedangkan untuk tegangan maksimum yang terjadi dari kelima model dinding geser yang telah dianalisa dengan menggunakan program bantu, terjadi pada dinding geser pelat baja yaitu sebesar 18,7845 N/mm 2 pada saat pemberian beban lateral sebesar 30t pada tegangan geser. Untuk boundary elemen dinding geser pada kelima model dinding geser tersebut, setelah dilakukan perhitungan analisa penampang, untuk balok menggunakan profil WF350.250.9.14 dan untuk kolom menggunakan profil WF300.300.10.15 telah memenuhi. 32
Saran Pada saat pemodelan pada program bantu analisis struktur ataupun penampang, perlu diperhatikan beban-bebannya dan transfer gaya-gaya dalam. Perlu dilakukan studi yang lebih mendalam untuk mengetahui perilaku dinding geser yang lebih lanjut lagi, sehingga diharapkan dapat diterapkan di lapangan. 33
Daftar Pustaka AISC. 1997. Seismic Provisions for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Inc. May. Chicago. Allen, H.G dan P.S. Bulson. 1980. Background to Buckling. McGraw Hill Book Company, U.K. Astaneh-Asl, A. 2002. Seismic Behavior and Design of Composite Steel Plate Shear Walls. Steel Tips Reports, Structural Steel Educational Council. May. Berkeley, CA. Ericken, Jason, S.E., and Rafael Sabelli,S.E..2008. A Closer Look at Steel Plate Shear Walls. Modern Steel Construction Journal. January. Rahai, A dan F. Hatami. 2009. Evaluation of Composite Shear Wall Behavior Under Cyclic Loadings. Journal of Constructional Steel Research. March. Zhao, Qiuhong dan A. Astaneh-Asl. 2007. Seismic Behavior of Composite Shear Wall Systems and Application of Smart Structures Technology. Journal of Steel Structures. USA. Zhao, Qiuhong dan A. Astaneh-Asl. 2004. Cyclic Behavior of an Innovative Steel Shear Wall System. Proceedings of the 13 th World Conferences on Earthquake Engineering. Vancouver, Canada..1983. Peraturan Pembebanan Indonesia untuk Gedung 1983. Departemen Pekerjaan Umum. Mei. Bandung.. 2002. Tata Cara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung SNI 03-1729-2002. Departemen Pekerjaan Umum.. 2002. Standar Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur Bangunan Gedung SNI 03-1726-2002. Badan Standarisasi Nasional. April. Jakarta. 34
Sekian & Terima Kasih 35