KAJIAN STABILITAS PADA STRUKTUR BAJA GEDUNG TINGGI DENGAN DIRECT ANALYSIS METHOD TUGAS AKHIR Diajukan untuk Melengkapi Syarat Penyelesaian Pendidikan Sarjana Teknik Sipil Disusun oleh : RUDINI SIRAIT 12 0404 039 BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2017
ABSTRAK Baja merupakan salah satu material kontruksi yang sering digunakan dalam kontruksi baik sebagai kolom dan balok pada bangunan bertingkat dan berbagai kontruksi sipil lainnya. Pada kontruksi bangunan modern, struktur baja menjadi pilihan handal. Bagaimana tidak, baja adalah material yang rasio kekuatan terhadap beratnya relatif tinggi, sehingga mutu terjaga ketat. Spesifikasi untuk struktur baja, AISC 360-10, diterbitkan oleh American Institut of Steel Construction. Menguraikan Direct Analysis Method (DAM) dan menentukan penggunaannya dalam perancangan struktur baja. DAM Merupakan perancangan stabilitas struktur baja yang berupa kombinasi analisis untuk menentukan kuat perlu penampang struktur dan metode desain agar mempunyai kekuatan yang mencukupi (AISC 2010). Jika memakai DAM maka pengaruh pembebanan pada struktur dapat ditentukan teliti karena telah memperhitungkan pengaruh geometry imperfection dan reduksi kekakuan selama proses analisis struktur. Untuk melihat keunggulan dari metode DAM, dalam analisa juga memperhitungkan metode cara lama, yakni Effective Length Method (ELM). Direct Analysis Method memperhitungkan efek orde kedua dengan bantuan perangkat lunak, yakni SAP2000 sedangkan Effective Length Method memperhitungkan efek orde kedua dengan menggunakan cara pendekatan saja yaitu faktor B1 dan B2. Perhitungan nilai factor panjang efektif pada Direct Analysis Method tidak perlu dilakukan lagi, sedangkan untuk Effective Length Method harus dilakukan perhitungan panjang efektif kolom, seperti menggunakan nomogram atau rumus Vinnakota 2006. Dari hasil penelitian dipeoleh nilai masing-masing capacity ratio dimana capacity ratio DAM lebih kecil daripada capacity ratio ELM dengan variasi % selisih antara Direct Analysis Method dengan Effective Length Method adalah 1,45 % - 47,73 %. Direct Analysis Method merupakan metode perencanaan stabilitas struktur yang lebih sederhana dibandingkan dengan Effective Length Method. Kata kunci: Stabilitas, Direct Analysis Method, Capacity Ratio
KATA PENGANTAR Syukur Alhamdulillah saya panjatkan atas kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta ala yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-nya kepada saya, sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan dengan baik. Tugas akhir ini merupakan syarat untuk mencapai gelar sarjana Teknik Sipil bidang struktur Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik, dengan judul KAJIAN STABILITAS PADA STRUKTUR BAJA GEDUNG TINGGI DENGAN DIRECT ANALYSIS METHOD. Saya menyadari bahwa dalam menyelesaikan tugas akhir ini tidak terlepas dari dukungan, bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, saya ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada beberapa pihak yang berperan penting yaitu : 1. Bapak Ir. Torang Sitorus, M.T., selaku pembimbing, yang telah banyak memberikan dukungan, masukan, bimbingan serta meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam membantu saya menyelesaikan tugas akhir ini. 2.Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 3. Bapak Ir. Syahrizal, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 4. Bapak Ir. Sanci Barus, MT selaku coordinator pada subjurusan Struktur Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 5. Bapak Ir. Sanci Barus, MT., Bapak M. Agung Putra Handana ST, MT, selaku Dosen Pembanding, atas saran dan masukan yang diberikan kepada penulis terhadap Tugas Akhir ini. 6. Bapak/Ibu seluruh staff pengajar Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 7.Teristimewa dihati buat keluarga saya, terutama kepada kedua orang tua saya, Bapak Nasib Sirait dan Ibu Hamidah Sitorus yang telah memberikan doa, motivasi, semangat dan nasehat kepada saya. Terima kasih atas segala pengorbanan, cinta, kasih sayang dan do a yang tiada batas untuk i
saya.terima kasih buat abang dan kakak saya yang selalu menyemangati, mendukung saya, Abang Erwin, Kak Imah, dan Kak Rahma. Saudara-saudara tercinta, Guru guru yang saya hormati dan cintai, Orang tua yang saya hormati dan a b a n g, k a k a k, adik yang saya sayangi. Dan keluarga besar yang selalu memberi semangat kepada saya. 8. Pegawai Administrasi yang telah memberikan bantuan dalam penyelesaian administrasi. Terima kasih atas bantuannya selama awal kuliah sampai saat ini. 9.Rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknik Sipil Angkatan 2012, T. Rizky Nanda, Alfin Marpaung, Sahri Dani, Aulia Rahman, Zulfikar Nasution, Novia Arisandi, Suryadi, George Lumban Tobing, oshua Manggala, Claudia Benedicta, Ahmad Amanu 10,dan bagi kawankawan serta adek-adek yang belum tersebutkan namanya, saya mohon maaf yang sebesar-besarnya. Miskin harta manusiawi, miskin hati jangan, apalagi miskin ilmu maka dari itu tetaplah berkarya. Saya menyadari bahwa dalam penyusunan tugas akhir ini masih jauh dari kata sempurna, yang disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman saya. Oleh karena itu, saya mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari para pembaca demi perbaikan menjadi lebih baik. Akhir kata saya mengucapkan terima kasih dan semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca. Medan, Maret 2017 Penulis, RUDINI SIRAIT ii
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iii DAFTAR TABEL... vi DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR NOTASI... ix BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang...1 1.2. Perumusan Masalah...3 1.3. Tujuan Penelitian...3 1.4. Manfaat Penelitian...3 1.5. Batasan Masalah...3 1.6. Sistematika Penulisan...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pendahuluan...6 2.2. Direct Analysis Method...7 2.2.1. Persyaratan Analisis Struktur Analysis Method (DAM)...7 2.2.2. Pengaruh Cacat Bawaan (Initial Imperfection)...9 2.2.3. Penyesuaian Kekakuan...10 2.2.4. Perhitungan Kuat Nominal Penampang...12 2.2.5. Perhitungan Kuat Nominal Penampang...13 2.3. Effective Length Method (ELM)...17 2.4. Efek P-Delta...17 2.5. Jenis Pembebanan 2.5.1. Beban Mati (q DL )...18 2.5.2. Beban Hidup (q LL )...20 2.5.3. Beban Angin...23 2.5.4. Beban Gempa...24 iii
2.6. Kombinasi Pembebanan...43 2.7. Kinerja Struktur Gedung 2.7.1. Kinerja Batas Layan...45 2.7.2. Kinerja Batas Kekuatan 2.7.2.1. Perencanaan Batang Tekan...48 2.7.2.2. Perencanaan Batang Lentur...49 2.7.2.3. Perencanaan Balok Kolom...54 BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Bagan Alir...59 3.2. Pengumpulan Data...59 3.3. Studi Literatur...59 3.4. Tahapan Desain Data...60 3.5. Pengolahan Data...61 3.6. Hasil dan Pembahasan...61 3.7. Kesimpulan dan Saran...61 BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA 4.1. Data Gedung 4.1.1. Dimensi Gedung...62 4.1.2. SpesifikasiMaterial...63 4.2. Beban-beban yang Bekerja 4.2.1. Beban Gravitasi...63 4.2.2. Beban Angin...64 4.2.23. Beban Angin...64 4.3. Beban Notional...68 4.4. Kombinasi Pembebanan...69 4.5. Kontrol Profil 4.5.1. Kolom 350x350x12x19...70 4.5.2. Kolom 300x300x10x15...73 4.5.3. Balok 300x175x11x17...76 4.5.4. Balok 300x150x6,5x9...80 iv
4.5.5. Balok 250x125x6x9...83 4.6. Kontrol Profil dengan Cara Lama, Effective Length Method 4.6.1. Kolom 350x350x12x19...88 4.6.2. Kolom 300x300x10x15...92 4.6.3. Balok 300x175x11x17...96 4.6.4. Balok 300x150x6,5x9...99 4.6.5. Balok 250x125x6x9...103 4.7. Perbandingan Direct Analysis Method dengan Effective Length Method...108 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan...110 5.2. Saran...111 DAFTAR PUSTAKA... xiii LAMPIRAN A LAMPIRAN B LAMPIRAN C v
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Berat jenis bahan bangunan...18 Tabel 2.2 Beban Mati Tambahan (komponen gedung)...19 Tabel 2.3 Beban Hidup Pada Lantai Bangunan...21 Tabel 2.4 Beban Hidup Pada Atap...22 Tabel 2.5 Koefisien reduksi beban hidup...22 Tabel 2.6 Koefisien Beban Angin...24 Tabel 2.7 Kategori risiko bangunan gedung dan non gedung untuk beban Gempa...27 Tabel 2.8 Kategori risiko bangunan gedung dan non gedung untuk beban Gempa (lanjutan)...28 Tabel 2.9 Faktor keutamaan gempa...29 Tabel 2.10 Faktor R, Cd, dan Ω0 untuk sistem penahan gaya gempa...31 Tabel 2.11 Klasifikasi situs...35 Tabel 2.12 Koefisien situs, Fa...38 Tabel 2.13 Koefisien situs, Fv...38 Tabel 2.14 Kategori desain seismik berdasarkan parameter respons percepatan pada perioda pendek...39 Tabel 2.15 Kategori desain seismik berdasarkan parameter respons percepatan pada periode 1 detik...40 Tabel 2.16 Nilai parameter perioda pendekatan Ct dan x...42 Tabel 2.17 Koefisien untuk batas perioda struktur...43 Tabel 2.18 Persyaratan untuk masing-masing tingkat yang menahan lebih dari 35 persen gaya geser dasar...45 Tabel 2.19 Simpangan antar lantai ijin...48 Tabel 2.20 Profil Wide Flange Besaran Penampang, termasuk Besaran Torsi...51 Tabel 2.21 Profil Wide Flange Lp dan Lr untuk Berbagai Mutu Baja Menurut AISC 360-10...52 Tabel 2.22 Klasifikasi ELemen Tekan Batang Memikul Lentur ( Table B4.1b AISC 2010)...56 Tabel 2.23 Klasifikasi ELemen pada Batang Tekan Aksial ( Table B4.1b AISC 2010)...58 vi
Tabel 4.1 Berat Gedung Tiap Lantai...66 Tabel 4.2 Distribusi Beban Gempa Tiap Lantai...67 Tabel 4.3 Simpangan Antar Lantai akibat Beban Gempa Statik X...68 Tabel 4.4 Simpangan Antar Lantai akibat Beban Gempa Statik Y...68 Tabel 4.5 Resume gaya geser kolom 350x350x12x19...73 Tabel 4.6 Resume gaya geser kolom 300x300x10x15...76 Tabel 4.7 Resume gaya geser Balok 350x175x11x17...79 Tabel 4.8 Resume gaya geser Balok 300x150x6,5x9...83 Tabel 4.9 Resume gaya geser Balok 250x125x6x9...86 Tabel 4.10 Hasil Capacity Ratio untuk Analysis Method...87 Tabel 4.11 Resume gaya geser kolom 350x350x12x19 (ELM)...91 Tabel 4.12 Resume gaya geser kolom 300x300x10x15 (ELM)...95 Tabel 4.13 Resume gaya geser Balok 350x175x11x17 (ELM)...99 Tabel 4.14 Resume gaya geser Balok 300x150x6,5x9(ELM)...102 Tabel 4.15 Resume gaya geser Balok 250x125x6x9 (ELM)...106 Tabel 4.16 Hasil Capcacity Ratio untuk Effective Length Method...107 Tabel 4.17 Perbandingan Capcacity Ratio DAM dengan ELM...108 vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Baja Profil I yang sering digunakan dalam Kontruksi... Gambar 1.2 Pengaruh Orde ke-2 (AISC 2010)... Gambar 2.1 Pengaruh Orde Ke-2... Gambar 2.2 Brencmark Uji Program Analisa Struktur Orde Ke-2 (AISC 2010)... Gambar 2.3 Tabel Pendekatan Nilai Faktor Panjang Efektif... Gambar 2.4 Nomogram untuk Portal Braced Frame... Gambar 2.5 Nomogram untuk Portal unbraced Frame... Gambar 2.6 A dan B kolom dibebani Gaya Aksial dan Transversal... Gambar 2.7 Peta Gempa pada SNI 1726 2012...25 Gambar 2.8 SS- Parameter Respons Spektral Percepatan Gempa MCE R Terpetakan Untuk Periode Pendek...26 Gambar 2.9 S1- Parameter Respons Spektral Percepatan Gempa MCE R Terpetakan Untuk Periode 1,0 Detik...26 Gambar 2.10 Respon Spektrum Gempa Rencana Wilayah Medan ( SNI 1726 012)...30 Gambar 2.11 Penentuan Simpangan Antar Lantai...47 Gambar 2.9 Kuat Momen Lentur Nominal Akibat Tekuk Torsi Latetal...53 Gambar 3.1 Bagan Alir Penelitian...59 Gambar 4.1 Model Kontruksi 10 Lantai...62 Gambar 4.2 Beban Notional pada SAP2000 ver 14...69 Gambar 5.1 Grafik perbandingan Capacity Ratio DAM dengan ELM...111 viii
DAFTAR NOTASI As : luas penampang profil baja (mm 2 ) Aw : luas badan profil (mm 2 ) B 1 : Pengali untuk menghitung P-δ B 2 : Pengali untuk menghitung P-Δ Bf : lebar sayap profil baja (mm) Cb : faktor midifikasi tekuk torsi lateral untuk diagram momen tidak merata Cd Cu Cs Ct cv : faktor amplifikasi defleksi : koefisien batas prioda struktur : koefisien respons seismik : koefisien prioda struktur pendekatan : koefisien geser Cw : konstanta warping (mm 6 ) E Eh Es Ev : modulus elastisitas baja (MPa) : gaya gempa horizontal : modulus elastisitas baja (MPa) : gaya gempa vertical F cr : Tegangan Kritis (MPa) F e : Tegangan tekuk elastis (MPa) ix
fy : tegangan leleh baja (MPa) g : percepatan grafitasi G : modulus elastis baa (MPa) I I x,i y Ie J K L L Lp Lr Lb Mu Mn Mnt Mp : momen inersia (mm4) : momen inersia pada sumbu utama (mm4) : faktor keutamaan gempa : konstanta torsi : koefisien panjang efektif : panjang bentang (mm) : tinggi tingkat (mm) : panjang plastis : panjang batas untuk kondisi inelastis : panjang profil tak terkekang : momen maksimum pada komponen struktur (Nmm) : momen tahanan nominal profil/penampang : momen ode pertama menggunakan kombinasi beban LRFD (Nmm) : momen lentur plastis (Nmm) Mux : momen lentur terfaktor terhadap sumbu-x Muy : momen lentur terfaktor terhadap sumbu-y Mnx : kuat nominal lentur penampang terhadap sumbu-x Mny : kuat nominal lentur penampang terhadap sumbu-y x
N Ni : Jumlah, tingkat : gaya notional yang bekerja pada level i Pe : Beban tekuk kritis elastis menurut AISC 2010 (N) Pr : gaya tekan hasil kombinasi LRFD Pn : kekuatan aksial nominal (N) r : jari jari inersia (mm4) R : faktor modifikasi respons r x : radius girasi pada sumbu x (mm) r y : radius girasi pada sumbu y (mm) SDS : parameter percepatan spektrum respons desain dalam rentang perioda pendek S1 : parameter percepatan spektrum respons desain dalam rentang sebesar 1,0 detik Sx : Modulus penampang elastis pada sumbu x (mm 3 ) Sy : Modulus penampang elastis pada sumbu y (mm 3 ) Ta Tc : waktu getar struktur pendekatan : waktu getar struktur analisa modal Tf : tebal sayap profil baja (mm) Vn Vu V1 : kuat geser nominal (N) : gaya geser hasil kombinasi LRFD. : gaya geser dasar nominal sebagai respons dinamik ragam yang pertama saja xi
Vt : gaya geser dasar nominal yang didapat dari hasil analisis ragam spektrum respons yang telah dilakukan. W : berat seismik efektif Zx : Modulus penampang plastis pada sumbu x (mm 3 ) Zy : Modulus penampang plastis pada sumbu y (mm 3 ) Δ δ : defleksi pada elemen global : defleksi pada elemen lokal λ : factor kelangsingan φ : factor ketahanan xii