1.1. Umum BAB 1 PENDAHULUAN Dewasa ini, Indonesia merupakan salah satu Negara yang memiliki perkembangan yang pesat. Hal ini ditandai dengan peningkatan ekonomi Indonesia yang cukup stabil setiap tahunnya, sehingga menarik minat para investor luar maupun lokal untuk berinvestasi diindonesia. Sebagai contoh investasi adalah semakin banyaknya pembangunan gedunggedung bertingkat untuk dijadikan hotel, apartemen, mal dan perkantoran. Akan tetapi, Indonesia merupakan Negara yang rawan terhadap gempa. Fenomena gempa bumi sering terjadi di Indonesia. Gempa bumi merupakan pergeseran tiba tiba dari lapisan tanah di bawah permukaaan bumi. Ketika pergeseran terjadi timbul getaran yang disebut gelombang seismik. Gelombang ini menjalar menjauhi fokus gempa ke segala arah di dalam bumi. Sehingga ketika gelombang itu mencapai permukaan bumi, getarannya bisa merusak bangunan, runtuhnya gedung, rumah dan bangunan lainnya, dapat menimbulkan bencana korban jiwa dan kerugian harta benda. Mengingat kerusakan yang timbul akibat gempa dapat menyebabkan penderitaan, kehilangan nyawa, dan harta benda. Dalam skala yang lebih luas bahkan dapat menyebabkan kesulitan yang sangat serius bagi suatu Negara, misalnya terjadi kelumpuhan ekonomi. Oleh sebab itu, desain bangunan tahan terhadap gempa merupakan salah satu tantangan terbesar yang harus dihadapi oleh seorang insinyur bangunan. Salah satu hal yang dilakukan oleh seorang ahli struktur untuk mendapatkan bangunan tahan gempa adalah dengan perencanaan struktur tahan gempa. Struktur bangunan tahan gempa hendaknya memiliki kekuatan dan kekakuan serta daktilitas yang cukup untuk dapat mengakomodasikan gempa yang terjadi. Sampai saat ini, terdapat beberapa jenis struktur bangunan yang sudah umum digunakan yaitu struktur baja dan struktur beton bertulang. Struktur beton bertulang memiliki metode pelaksanaan yang lebih sederhana, namun jenis struktur ini memiliki beberapa kekurangan seperti berat sendiri komponen struktur yang sangat besar serta juga terdapat masalah keramahan lingkungan karena beton merupakan bahan yang kurang dapat diperbaharui jika dibandingkan dengan material baja. 1
Sedangkan baja memiliki keunggulan dibandingkan dengan beton yaitu memiliki elastisitas dan kekuatan yang jauh lebih tinggi. Walaupun baja memiliki berat jenis struktur yang relatif lebih besar jika dibandingkan dengan beton, namun dengan kekuatan yang jauh lebih besar, sekitar sepuluh kali lipat, sistem struktur yang menggunakan material baja dapat menghasilkan struktur dengan berat sendiri yang lebih ringan daripada beton karena minimnya volume baja yang diperlukan untuk dapat memikul beban-beban yang timbul pada sistem struktur. Namun, biaya dan metode pelaksanaan yang relatif lebih besar dari jika dibandingkan dengan struktur beton bertulang menjadi salah satu faktor yang perlu dipertimbangkan untuk menggunakan struktur baja. Oleh sebab itu, tugas akhir ini akan difokuskan kepada struktur baja dalam kaitannya sebagai struktur penahan beban gempa. Seiring dengan semakin berkembangnya dunia konstruksi bangunan, beberapa metode telah digunakan dalam mendisain struktur bangunan.beberapa diantaranya seperti metode tegangan izin (working stress design), metode gaya (strength desing), metode disain berdasarkan kapasitas komponen struktur (capacity design), metode disain plastis (plastic design), dan yang metode disain yang berdasarkan kepada perpindahan struktur (displacement design) serta metode disain berdasarkan kinerja bangunan (performance based design). Pada saat ini, metode yang sedang berkembang dan mulai banyak mendapat perhatian dari perencana adalah metode disain berdasarkan kinerja bangunan. Tujuan dari metode disain berdasarkan kinerja bangunan ini adalah untuk memprediksi dan mensimulasi kinerja struktur dengan memberikan beban gempa, sehingga perencana akan mendapatkan gambaran dan menentukan tingkat kerusakan struktur yang diharapkan pada saat terjadi bencana berupa gempa. Metode disain berdasarkan kepada kinerja bangunan masih dalam tahap perkembangan, namun beberapa rekomendasi prosedur untuk melakukan disain dengan menggunakan metode ini telah diterbitkan sejak beberapa tahun yang lalu seperti ATC 40, FEMA 356 dan FEMA 440. FEMA 440 merupakan revisi dari FEMA 356 dengan melakukan beberapa perubahan koefisien dan ATC digunakan didalam analisa struktur nonlinear statik. Namun, prosedur disain masih mengacu kepada ATC 40 dan FEMA 356. Dalam tugas akhir ini, kedua prosedur analisis yang terdapat dalam ATC 40 dan FEMA 356 akan digunakan untuk menilai kinerja bangunan yang akan dianalisis. Koefisien yang diperlukan akan diadopsi dari FEMA 440. 2
1.2 Latar Belakang Pada umumnya, konstruksi bangunan diindonesia menggunakan struktur beton bertulang atau sering disebut dengan struktur komposit, yaitu gabungan dari campuran beton dan tulangan baja. Pada struktur komposit ini, beton yang memiliki kekuatan tekan yang tinggi berfungsi untuk memikul gaya tekan yang terjadi pada komponen struktur. Namun pada bagian yang mengalami gaya tarik, ditambahkan tulangan baja yang tahan terhadap gaya tarik sehingga dapat bekerja bersama untuk menahan gaya luar yang timbul. Bangunan-bangunan yang dibangun dengan struktur komposit cenderung memiliki kekuatan yang lebih besar dan berperilaku lebih baik dalam menahan gaya lateral seperti gaya lateral akibat dari gempa ataupun beban angin. Disisi lain, penggunaan struktur baja sebagai bahan konstruksi tahan gempa untuk gedung bertingkat masih tergolong sedikit jika dibandingkan dengan struktur komposit, padahal struktur baja mempunyai kualitas yang lebih bagus dalam hal ketahanan terhadap gempa. Dewasa ini terdapat beberapa jenis sistem struktur baja tahan gempa. Secara umum terdapat 2 jenis sistem struktur tahan gempa, yaitu sistem struktur rangka penahan momen atau Moment Resisting Frame (MRF) dan sistem struktur rangka berpengaku atau braced frames. Masing masing sistem struktur baja tersebut memiliki karakteristik masing masing yang berbeda. Sistem struktur MRF memberikan ruang yang luas pada suatu bangunan. Oleh karena itu, sistem ini sering diminati oleh banyak arsitek dan juga banyak digunakan untuk struktur gedung institusi atau perkantoran yang memerlukan ruang yang luas. Dengan rentang balok yang cukup lebar (tanpa pengaku), sistem rangka pemikul momen dapat memberikan deformasi yang cukup besar sehingga sistem ini memiliki daktalitas yang cukup besar dibandingkan dengan sistem portal baja tahan gempa lainnya. Walaupun demikian, dengan deformasi yang cukup besar, sistem MRF memiliki kekakuan yang rendah jika dibandingkan dengan sistem portal baja tahan gempa lainnya Sistem struktur rangka penahan momen memiliki kemampuan menyerap energi yang besar tetapi memiliki kekakuan yang rendah. Dengan demikian, jika dibandingkan dengan system struktur portal baja jenis lainnya, sistem struktur ini memiliki ukuran elemen struktur 3
yang jauh lebih besar untuk menjaga deformasi strukturnya. Meskipun sistem struktur MRF memiliki kestabilan inelastis dan respon yang stabil pada respon siklik lateral, akan tetapi sistem ini terlalu lentur dan umumnya disain struktur MRF didisain dengan membatasi pergeseran struktur untuk mengurangi kerusakan struktur. Berikut adalah contoh gambar sistem MRF : Gambar 1.4 : Moment Resisting Frames (MRF) Berbeda dengan sistem struktur MRF, sistem struktur braced frames memiliki elemen bresing atau pengaku untuk meningkatkan kekakuan strukturnya. Sistem struktur braced frames didesain untuk meminimalisir masalah kekakuan yang terdapat pada jenis sistem portal MRF. Sistem struktur braced frames terbagi jadi, yaitu jenis sistem struktur rangka berpengaku konsentris atau Concentrically Braced Frames (CBF) dan sistem struktur rangka berpengaku eksentris atau Eccentrically Braced Frames (EBF). Sistem struktur CBF merupakan sistem struktur untuk menahan beban lateral dengan kekakuan stuktur yang tinggi. Kekakuan yang tinggi pada sistem struktur ini dihasilkan dari bresing diagonal yang berfungsi untuk menahan beban lateral pada struktur. Pengaku pada sistem CBF berfungsi untuk memperbesar kekakuan struktur. Karena dengan adanya pengaku pada struktur, deformasi struktur akan menjadi lebih kecil namun kekakuan strukturnya meningkat. Secara umum, sistem struktur CBF memiliki kekakuan yang lebih tinggi dibandingkan dengan struktur MRF karena adanya pengaku pada struktur. Namun demikian, kekakuan yang besar pada sistem CBF mengakibatkan deformasi yang terjadi 4
pada struktur lebih terbatas sehingga daktalitas struktur CBF lebih rendah jika dibandingkan dengan sistem struktur MRF. Disisi lain, bila bresing atau pengaku pada struktur CBF mengalami tekuk karena beban lateral berlebih, maka kekakuan struktur dan kapasitas penyerapan energinya akan hilang. Berikut adalah beberapa contoh gambar sistem CBF : Gambar 1.5 : Concentrically Braced Frames (CBF) Sistem struktur EBF merupakan struktur portal baja penahan gaya lateral yang merupakan kombinasi dari keunggulan sistem struktur MRF dan CBF berupa daktalitas dan kekakuan lateral yang serta meminimalisir kekurangan yang terdapat pada sistem struktur MRF dan CBF dengan mengurangi perilaku inelastis dan mampu menjaga pengaku atau bresing tetap elastis tanpa mengalami tekuk serta memiliki kekakuan lateral yang besar pada saat terjadi gempa. Pada sistem struktur EBF terdapat elemen penting 5
yang berpengaruh pada karakteristik EBF yang berupa elemen balok pendek yang disebut link. Link merupakan elemen struktur yang direncanakan untuk berperilaku inelastik serta mampu untuk berdeformasi plastis yang besar pada saat terjadi beban lateral (gempa). Bagian link ini berfungsi menyerap energi pada saat terjadi beban lateral (gempa). Mekanisme leleh pada elemen link terdiri dari 2 mekanisme leleh yaitu kelelehan geser dan kelelehan lentur, tergantung dari panjang link (e) yang digunakan. Pada sistem struktur EBF, elemen struktur di luar link direncanakan untuk berperilaku elastis sedangkan pada bagian link direncanakan untuk dapat berdeformasi inelastis pada saat terjadinya beban lateral (gempa). Berikut adalah contoh gambar sistem EBF : Gambar 1.6 : Eccentrically Braced Frames (EBF) Tugas akhir ini akan mengevaluasi kinerja dari struktur baja berpengaku eksentris (EBF) dan struktur baja tanpa pengaku terhadap gempa. 1.3 Studi Literatur Penelitian-penelitian mengenai EBF telah dilakukan sejak pertengahan tahun 1970, percobaan pertama adalah uji pseudo-statis dengan ukuran sepertiga dari sistem struktur EBF berlantai 3 (Roeder dan Popov, 1977;Manheim, 1982), kemudian percobaan yang sama dilakukan disistem struktur EBF berlantai 5 dengan ukuran sepertiga dengan menggunakan meja getar (Yang, 1982). Penelitian tentang elemen link, balok dan pelat 6
lantai pernah dilakukan oleh Kasai dan Popov (1986) dan oleh Ricles dan Popov (1987). Percobaan dengan menggunakan elemen link berbentang pendek dengan mekanisme leleh geser menunjukkan bahwa EBF memiliki daktilitas dan kestabilan struktur yang lebih besar untuk menahan beban gempa. Akan tetapi, penggunaan elemen link berbentang pendek akan menggangu penempatan arsitektural bangunan, maka penggunaan elemen link berbentang panjang dengan mekanisme leleh lentur dikembangkan dan diuji oleh Engelhardt dan Popov (1989, 1992), penelitian tersebut melibatkan elemen link, balok dan pengaku. Uji pseudo-dinamis dilakukan dengan ukuran sebenarnya pada system struktur EBF berlantai 6 sebagai bagian dari program kerjasama US-Japan (Roeder, Foutch dan Goel, 1987; Foutch, 1989). Belakangan ini, percobaan elemen link berbentang pendek dan panjang yang berbahan baja A992 diuji di Universitas Texas, Austin (Arce, 2002; Galvez, 2004). Percobaan jembatan suspensi San Francisco-Oakland Bay menggunakan elemen link geser berukuran besar dilakukan diuniversitas California, San Diego (McDaniel, Uang, dan Seible, 2003). Semua penelitian dan percobaan yang telah dilakukan menunjukkan keunggulan kinerja dari sistem struktur EBF dan sistem ini menjadi pilihan para perencana sebagai sistem rangka baja yang tahan gempa. 1.4 Perumusan Masalah Dalam tugas akhir ini, Penulis akan melakukan evaluasi kinerja bangunan yang menggunakan sistem struktur portal baja dengan pengaku eksentris yang merupakan sistem struktur baja yang tahan terhadap gempa dibandingkan dengan kinerja bangunan yang menggunakan sistem struktur beton komposit penampang baja yang diselimuti beton yang sekarang banyak digunakan diindonesia. Kinerja bangunan ini akan dinyatakan dalam bentuk perpindahan rencana (target displacement) yang akan dihitung berdasarkan pedoman FEMA 356 dan dalam bentuk titik kinerja (performance point) yang akan dihitung berdasarkan pedoman ATC 40. Metode analisis yang akan digunakan dalam tugas akhir ini adalah metode analisis nonlinear statik seperti yang tertera di dalam pedoman FEMA 356 dan ATC 40. 7
Perpindahan rencana akan dihitung dengan menggunakan metode koefisien (coefficient method) yang direkomendasikan di dalam FEMA 356 sedangkan titik kinerja akan ditentukan dengan menggunakan metode spektrum kapasitas (capacity spectrum) yang direkomendasikan di dalam ATC 40. Analisis beban dorong (pushover analysis) terhadap bangunan gedung yang akan di analisis perlu dilakukan untuk memperoleh kurva kapasitas (capacity curve) yang akan diperlukan di dalam analisis dengan metode spektrum kapasitas. Parameter dan koefisien yang diperlukan pada analisis dengan kedua metode ini akan diadopsi dari FEMA 440 yang merupakan parameter yang telah direkomendasikan kembali sebagai revisi untuk peningkatan tingkat keandalan analsis dengan menggunakan metode statik nonlinier. 1.5 Pembatasan Masalah Ruang lingkup pembahasan tugas akhir ini adalah : 1. Terdapat beberapa model struktur dengan variasi spesifikasi pada penelitian ini yaitu Gedung 1 ( struktur baja tanpa menggunakan bracing ), Gedung 2 ( struktur baja dengan bracing konsentris tipe diagonal ), Gedung 3 ( struktur baja dengan bracing konsentris tipe V ), Gedung 4 ( struktur baja dengan bracing eksentris tipe diagonal dengan panjang e = 0.5m ), Gedung 5 ( struktur baja dengan bracing eksentris tipe diagonal dengan panjang e = 1m ), Gedung 6 ( struktur baja dengan bracing eksentris tipe V dengan panjang e = 0.5m ), Gedung 7 ( struktur baja dengan bracing eksentris tipe V dengan panjang e = 1m ). 2. Mempelajari pengaruh pembebanan dan pengaruh gaya gempa berdasarkan SNI 03-1726-2002 pada portal struktur bangunan baja dengan bracing eksentris (EBF). 3. Mutu baja yang digunakan adalah mutu baja dengan tegangan leleh f y = 350 Mpa (ASTM A615 Gr.60). 4. Material baja yang digunakan adalah profil baja WF. 5. Pemodelan gedung tiga dimensi dengan ukuran tiap bentang untuk arah x dan y sepanjang 8 m bertingkat 12 dengan elevasi tiap lantai 3.5 m. 6. Untuk analisa beban gempa: 1. Bangunan terletak di Medan 8
2. Bangunan berdiri di atas tanah keras (kelas situs SC). 3. Fungsi gedung adalah bangunan perkantoran. 4. Beban gempa rencana berdasarkan pada peraturan RSNI2 03-1726-201x, berdasarkan peta respon spektra dengan probabilitas terlampaui 2% dalam 50 tahun. 7. Analisis yang digunakan dalam studi ini adalah analisis statik nonlinier berupa analisis beban dorong statik yang akan dilakukan dengan menggunakan bantuan program SAP2000 untuk mendapatkan kurva kapasitas. 8. Kinerja bangunan akan ditentukan berdasarkan pedoman yang tercantum di dalam FEMA 356 dan ATC 40. 9. Tugas akhir ini akan mencari perbandingan displacement dan gaya-gaya yang dialami struktur sedangkan untuk perilaku seismiknya dengan analisis beban dorong. Gambar 1.7 : Pemodelan gedung 3D 9
1.6 Maksud dan Tujuan Penelitian Berdasarkan latar belakang dan rumusan masalah di atas, tujuan penulisan karya ilmiah ini adalah untuk : 1. Mengamati perilaku sistem struktur baja dengan berbagai tipe bracing eksentris dan konsentris, serta tanpa bracing. 2.Melakukan perbandingan kinerja struktur antara sistem struktur baja dengan bracing eksentris, konsentris dan tanpa bracing. 1.7 Manfaat Penelitian Adapun manfaat dalam penulisan tugas akhir ini adalah : 1. Sebagai bahan masukan bagi dunia perkonstruksian khususnya pada bangunan baja yang menggunakan bracing eksentris. 2. Sebagai bahan pertimbangan jenis bracing yang akan digunakan dalam mendisain konstruksi bangunan baja. 1.8 Metodologi Penulisan Dalam penulisan tugas akhir ini, metode penulisan yang digunakan oleh penulis adalah dengan mengumpulkan teori-teori dan rumus-rumus yang dibutuhkan untuk melakukan analisa melalui beberapa sumber antara lain: text book (buku-buku yang berkaitan dengan tugas akhir ini), jurnal-jurnal, standar-standar yang berkaitan dengan tugas akhir ini dan sebagainya. Kemudian, analisa dilakukan berdasarkan dengan teori-teori dan rumus-rumus yang telah dikumpulkan. Dalam melakukan analisa tersebut, penulis akan menggunakan bantuan perangkat lunak (software) SAP 2000 untuk digunakan dalam perhitungan analisis Pushover. 1.9 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan ini bertujuan untuk memberikan gambaran secara garis besar isi setiap bab yang akan dibahas pada tugas akhir ini. Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagia berikut : 10
BAB I : PENDAHULUAN Bab ini menyajikan penjelasan mengenai latar belakang, studi literatur, perumusan masalah, pembatasan masalah, maksud dan tujuan penelitian, manfaat penelitian, metodologi penulisan dan sistematika penulisan. BAB II : TINJAUAN PUSTAKA Bab ini menjelaskan teori-teori yang akan menjadi acuan dalam pembahasan masalah BAB III : ANALISIS PUSHOVER Bab ini menyajikan dasar-dasar dan teori mengenai analisis pushover BAB IV : PEMBAHASAN Bab ini menyajikan pemodelan gedung 12 lantai 3D dan analisis untuk menentukan kinerja bangunan. BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini menyajikan penjelasan mengenai kesimpulan yang dapat diambil dari hasil analisis yang dilakukan serta saran untuk pengembangan lebih lanjut. 11