ANALISIS TIME HISTORY BANGUNAN TAHAN GEMPA DENGAN PENEMPATAN DAMPER KARET DIANTARA BRACING DAN BALOK (STUDI LITERATUR) TUGAS AKHIR Diajukan untuk melengkapi syarat penyelesaian pendidikan sarjana teknik sipil
oleh:
SAMUEL A.M.HUTASOIT 060404053
BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa,yang selalu memberikan kasih dan perlindungan-Nya yang besar kepada penulis,hingga penulis mampu meyelesaikan Tugas Akhir ini.Adapun judul Tugas Akhir yang telah diselesaikan oleh penulis adalah “Analisis Time History Bangunan Tahan Gempa dengan Penempatan Damper Karet diantara Bracing dan Balok”.Tugas akhir ini disusun ntuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam Ujian Sarjana Teknik Sipil Bidag Struktur pada Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU). Penulis menyadari bahwa tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan.Hal ini disebabkan
keterbatasan
pengetahuan
dan
kurangnya
pemahaman
penulis
dalam
menyelesaikan Tugas Akhir ini.Dengan tangan terbuka dan kerendahan hati penulis menerima saran dan kritik bapak dan ibu dosen serta rekan mahasiswa demi penyempurnaan Tugas Akhir ini.Penulis juga menyadari bahwa selesainya Tugas Akhir ini tidak lepas dari bimbingan,dukungan dan bantuan semua pihak.Untuk itu,pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang tulus kepada pihak yang terlibat tersebut,terutama kepada kedua orang tua yang selalu penulis kasihi dan banggakan yang telah memberikan segalanya kepada penulis hingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan ini dan dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Universitas Sumatera Utara
Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada: 1. Bapak Prof.DR.Ing.Johannes Tarigan,selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. 2. Bapak Ir.Syahrizal,MT,selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. 3. Bapak Ir.Torang Sitorus,MT selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu,tenaga dan pikiran dalam memeberikan bimbingan yang tiada hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Ir.Daniel Rumbi Teruna,MT selaku co-pembimbing yang telah memberikan waktu,tenaga dan pikiran dalam membantu menyelesaikan Tugas Akhir ini. 5. Bapak/Ibu Dosen Staf Pengajar Jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. 6. Kedua Orang Tua penulis yang tercinta yang selalu dan tiada henti memberikan dukungan finansial dan dukungan moral serta doa kepada penulis.Terima kasih juga atas kasih sayang yangtak berkesudahan
serta seluruh adik-adik tercinta
Rahel,Rahmat,Riska,Boy. 7. Terima kasih terkhusus buat Marni Kristiani Sagala,ST yang selalu memberi dukungan,waktu tenaga dan pikiran serta doa dalam setiap pekerjaan yang penulis lakukan. 8. Teman-teman
stambuk’06,UntungST,Gabelusi,Alexringo,Gom-gom,Vega
ST,
Ruspan, Alboin, Royanto, Riki malinton, Dionserius, Ivan, Sinar, Nasib, Eka,Hagai, Jenlion, Sintong,Riki malau , Olim hunter, Rinaldi, Muhajirin, praku Hendra, Benny, Atha, Khair, Lasthreeda, Dina ST,Jaenette,Maya,stambuk 2006 yang lain.Dan kepada teman-teman satu perguruan Erick, Samuel Kristian silaen(muel), Lae guntur, Paulus, Raymond, Pudur.
Universitas Sumatera Utara
9. Rekan-rekan mahsiswa UKM KMK,terkhusus buat Kak Cahaya yang selalu memberi semangat. 10. Abang/Kakak stambuk 2003, 2004, 2005 dan adik-adaik stambuk 2007, 2008, 2009, 2010.
Medan,
2011
SAMUEL.A.M.HUTASOIT Nim:06 0404 053
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK Indonesia merupakan daerah yang sangat rawan gempa,jadi banyak bangunan di Indonesia yang hancur serta memakan banyak korban nyawa dan kerugian material yang tidak sedikit setiap terjadi gempa.Kerusakan bangunan akibat gempa secara konvensional dapat dicegah dengan memeperkuat struktur bangunan terhadap gaya gempa yang bekerja pada struktur tersebut.Namun,hasil ini sering tidak memuaskan karena kerusakan element baik struktural ataupun non struktural umumnya disebabkan adanya perbedaan simpangan antar tingkat.Untuk memperkecil simpangan tersebut dapat dilakukan dengan memperkaku bangunan dalam arah lateral.Tetapi,hal ini akan mempebesar gaya gempa yang bekerja pada bangunan. Untuk mengatasi masalah tersebut para pemikir-pemikir menemukan metode yang lebih baik dan sederhana adalah dengan meredam energi gempa sampai pada tingkat yang tidak membahayakn bangiunan.Sejalan dengan perkembangan teknologi bahan/sistem untuk anti gempa,telah ditemukan bahan anti gempa yang disebut dengan Damper dalam hal ini yaitu Damper Karet dengan menggunakan bahan Lead Rubber Bearing (LRB).Metode perencanaan struktur tahan gempa dapat dibagi menjadi dua,yaitu metode konvensional yang mengutamakan bentuk-bentuk struktur yang kaku dan daktalita yang tinggi metode teknologi dengan menambahkan alat-alat peredam gempa ke struktur.Damper karet bekerja dengan mendissipasi energi melalui pelelehan bahan damper yaitu adalah LRB,yaitu jenis damper yang dilapisi karet dan baja serta memiliki timah di intinya.Pada Tugas Akhir ini akan digunakan metode Nonlinier Time History dengan bantuan perhitungan program SAP 2000 versi 11.Pada analisa ini akan diperoleh displacement,momen,gaya lintang,dan gaya normal. Struktur yang digunakan adalah struktur baja profil IWF.Struktur yang dianalisa adalah
struktur
konvensional,dengan
menggunakan
bracing
dan
damper
karet.Dimana,struktur dengan menggunakan damper karet ini dapat dapat memperkecil percepatan gempa pada struktur bangunan dibandingkan struktur lainnya.Sehingga simpangan antar struktur akan menjadi lebih kecil dan struktur akan lebih aman.Perbandingan percepatan gempa,gaya-gaya yang bekerja (momen,gaya lintang,gaya normal dan simpangan pada struktur dengan menggunakan damper karet yang didapatkan dari hasil analisa akan memperoleh momen sekitar 45.5%,gaya lintag sekitar 45,7%,gaya normal sekitar 16.1% lebih kecil dibandingkan dengan struktur konvensional dan struktur dengan menggunakan bracing .
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ABSTRAK DAFTAR ISI DAFTAR NOTASI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR LAMPIRAN
BAB I.PENDAHULUAN.........................................................................................................1 1.1 Latar Belakang.........................................................................................................1 1.2 Permasalahan............................................................................................................4 1.3 Tujuan Permasalahan...............................................................................................7 1.4 Pembatasan Masalah................................................................................................7 1.5 Metode Pembahasan................................................................................................8 BAB II TEORI DASAR...........................................................................................................9 1.1 Umum......................................................................................................................9 1.2 Konsep Perencanaan Struktur Tahan Gempa.........................................................13 1.3 Model Matematik dan Persamaan diferensial........................................................15 1.3.1
Struktur Tanpa Redaman...........................................................................16
1.3.2
Struktur dengan Menggunakan Redaman.................................................17
1.4 Derajat Kebebasan(Degree Of Freedom,DOF)....................................................20 1.5 Karakteristik Struktur Bangunan..........................................................................21 1.5.1
Massa..........................................................................................................21
Universitas Sumatera Utara
1.5.2
Kekakuan...................................................................................................23
1.5.3
Redaman..................................................................................................24
1.6 Persamaan Diferensial Struktur Pada SDOF.......................................................27 1.7 Persamaan Diferensial Struktur SDOF Akibat Base Motion..............................29 1.8 Persamaan Diferensial Pada Tiap-Tiap Tipe Getaran ........................................31 1.9 Periode Getar (T),Frekuensi Sudut (ω),dan Frekuensi Alami (f).......................32 1.10
Persamaan Diferensial Pada Struktur MDOF................................................34
1.11
Jenis-Jenis Perhitungan Beban Gempa..........................................................40
BAB III PEMODELAN DAMPER KARET......................................................................49 1.1 Umum..................................................................................................................49 1.2 Lead Rubber Damper..........................................................................................53 1.3 Pemodelan Struktur dengan Menggunakan Damper Karet.................................65 1.4 Konsep Struktural Fuse.......................................................................................73 1.5 Penelitian dan Aplikasi Lead Rubber Damper pada Bangunan..........................78 BAB IV APLIKASI DAN ANALISIS...............................................................................83 4.1 Pendahuluan........................................................................................................83 4.2 Pengerjaan Model Struktur..................................................................................84 4.3 Prosedur Perencanaan Bangunan Tahan Gempa dengan Damper Karet.............88 4.4 Analisis Time History...........................................................................................89 4.5 Pemodelan Struktur.............................................................................................94 4.6 Prosedur Analisa Sap 2000 versi 11.....................................................................95 4.7 Hasil Perhitungan Tanpa Menggunakan Damper dan dengan Menggunakan Damper ....................................................................................................................112 4.8
Output
Momen,Gaya
Lintang,Gaya
Normal
Tanpa
Menggunakan
Damper....................................................................................................................126
Universitas Sumatera Utara
4.9 Output Momen,Gaya Lintang,Gaya Normal Dengan Menggunakan Damper....................................................................................................................131 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...........................................................................137 5.1Umum................................................................................................................137 5.2 Kesimpulan.......................................................................................................137 5.3 Saran.................................................................................................................138 DAFTAR PUSTAKA........................................................................................................139
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
q
beban pada struktur
m
massa struktur
p
gaya horizontal
k
kekuan
w
berat bangunan
g
gaya gravitasi
E
modulus elastisitas
I
inersia
h
tinggi
FI
gaya inersia
FD
gaya redam
FS
gaya pegas
ӳ
percepatan
ý
kecepatan
y
simpangan
c
koefisien redaman
A
amplitudo
kd
kekauan damper
αv
koreksi modulus elastisitas longitudinal
Gr
modulus geser karet
β= ξ
factor damping
Kr
kekauan lateral damper
Ap
luas penampang timah
Universitas Sumatera Utara
Ar
luas penampang karet
𝛼𝛼
modulus geser timah
Kf
kekauan kolom struktur
Kb
kekakuan bracing
Kd
kekakuan damper karet
Ka
total kekuan bracing dan damper
kT
kekuan total ka dan kf
fu
tegangan putus baja
fy
tegangan leleh baja
DL
dead load (beban mati)
LL
live load(beban hidup)
SR
stiffness ratio
Te
tebal total lapisan karet
Ke
kekauan hoizontal damper
R
daktalitas struktur
U
simpangan
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Bangunan Bertingkat..............................................................................................1 Gambar 1.2 Posisi Lempeng Dunia............................................................................................2 Gambar 1.3 Pembagian Daerah Gempa (SNI 03 1726 – 2003 )................................................3 Gambar 1.4 Komponen Penyusun Lead Rubber Bearing..........................................................6 Gambar 2.1.Lapisan penyusun bumi........................................................................................10 Gambar 2.2.Teori konveksi......................................................................................................11 Gambar 2.3.Pemodelan struktur...............................................................................................16 Gambar2.4 Model Matematik Struktur yang mempunyai redaman.........................................19 Gambar 2.5 Pemodelan Struktur SDOF...................................................................................27 Gambar 2.6 Struktur SDOF akibat base motion......................................................................30 Gambar 2.7 Struktur 3 DOF dengan redaman..........................................................................35 Gambar 2.8 Keseimbangan Gaya Dinamik dengan f s ,f d dan f I (chopra,1995).........................38 Gambar 2.9 Respons Spektrum Gempa Rencana.....................................................................42 Gambar 2.10 percepatan gempa..............................................................................................48 Gambar 3.1 Komponen Lead Rubber Bearing.........................................................................55 Gambar 3.2 model hysteresis loop LRB..................................................................................57 Gambar 3.3 penampang damper karet......................................................................................64 Gambar 3.4 Penampang LRB ketika diberi beban...................................................................65 Gambar 3.5 struktur SDOF dengan damper karet....................................................................65 Gambar 3.6 model matematik dengan kf,kd,dan kb................................................................66 Gambar 3.7 model matematik dengan kf dan ka.....................................................................67 Gambar 3.8 model matematik dengan K T ...............................................................................67 Gambar 3.9 Free Body Diagram..............................................................................................68
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.10 Strktur 3-DOF dengan damper karet.................................................................69 Gambar 3.11 Model matematik 3-DOF dengan kf,kd,dan kb..................................................69 Gambar 3.12 model matematik 3-DOF dengan kf dan ka.......................................................70 Gambar 3.13 model matematik 3-DOF dengan KT.................................................................71 Gambar 3.14 Free body diagram 3-DOF..................................................................................72 Gambar 3.15 Kurva push over.................................................................................................75 Gambar 3.16 lead rubber damper............................................................................................80 Gambar 3.17 aplikasi bangunan...............................................................................................82 Gambar 4.1 Struktur tanpa menggunakan damper karet..........................................................84 Gambar 4.2 Struktur Menggunakan damper karet...................................................................85 Gambar 4.3 Percepatan Gempa El-Cento1940.........................................................................87 Gambar 4.4 struktur dengan menggunakan damper karet dan tanpa damper karet.................94 Gambar 4.5 pemodelan struktur...........................................................................................106 Gambar 4.6 Pemodelan bracing...........................................................................................109
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Percepatan puncak batuan dasar dan percepatan puncak muka tanah untuk masingmasing wilayah gempa Indonesia............................................................................................45 Tabel 2.2 faktor keutamaan I untuk berbagai kategori gedung...............................................45 Tabel 2.3 percepatan tanah asli................................................................................................47 Tabel 4.1 Displacement struktur tanpa menggunakan damper karet....................................113 Tabel 4.2 :Drift Antar Tingkat maksimum arah x (∆S 1 ) tanpa damper karet........................114 Tabel 4.3 drift Antar Tingkat maksimum arah z (∆S 3 ) tanpa damper karet.........................115 Tabel 4.4 Kinerja Batas Ultimit maksimum arah sumbu x (∆m1) tanpa damper karet.......................................................................................................................................117 Tabel 4.5 Kinerja Batas Ultimit Maksimum arah z (∆m3) tanpa damper karet....................118 Tabel 4.6 Displacement struktur tanpa menggunakan damper karet....................................119 Tabel 4.7 :Drift Antar Tingkat maksimum arah x (∆S 1 ) dengan damper karet...................121 Tabel 4.8 drift Antar Tingkat maksimum arah z (∆S 3 ) dengan damper karet.....................122 Tabel 4.9 Kinerja Batas Ultimit maksimum arah sumbu x (∆m1) dengan damper karet......................................................................................................................................124 Tabel 4.10 Kinerja Batas Ultimit Maksimum arah z (∆m3) dengan damper karet............. 125
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.11 Momen Kolom pada struktur tanpa damper karet............................................126 Tabel 4.12 Momen Balok pada struktur tanpa damper karet...........................................127 Tabel 4.13 Gaya lintang Kolom pada struktur tanpa damper karet................................128 Tabel 4.14 Gaya lintang Balok pada struktur tanpa damper karet..................................129 Tabel 4.15 Gaya Normal Kolom pada struktur tanpa damper karet................................130 Tabel 4.16 Momen Kolom pada struktur dengan damper karet.....................................131 Tabel 4.17 Momen balok pada struktur dengan damper karet.....................................132 Tabel 4.18 Gaya lintang kolom pada struktur dengan damper karet..............................133 Tabel 4.19 Gaya lintang kolom pada struktur dengan damper karet.............................134 Tabel 4.20 Momen balok pada struktur dengan damper karet.....................................135 Tabel 4.21 perbandingan Momen,gaya lintang,gaya normal maksimum tanpa damper dan dengan menggunakan damper.......................................................................................136
Universitas Sumatera Utara
