BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2011

STUDI PERBANDINGAN RESPON BANGUNAN DENGAN SISTEM RANGKA PEMIKUL MOMEN DAN DENGAN BANGUNAN YANG MENGGUNAKAN SISTEM RANGKA BERPENGAKU KONSENTRIK SERTA DENGAN BANGUNAN YANG MENGGUNAKAN METALIC YIELDING DAMPER AKIBAT BEBAN GEMPA

TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Penyelesaian Pendidikan Sarjana Teknik Sipil

Disusun oleh :

DANIEL TRT SITOHANG 070404093

BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2011

Universitas Sumatera Utara

Kata Pengantar Puji dan syukur kepada tuhan yang maha esa, tuhan yesus kristus dan roh kudus yang telah memberikan rahmat dan berkat-nya hingga selesainya tugas akhir ini dengan judul “studi perbandingan respon bangunan dengan sistem rangka pemikul momen dengan bangunan yang menggunakan sistem rangka berpengaku konsentrik dan dengan bangunan yang menggunakan metalic yielding damper akibat beban gempa” Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam ujian sarjana teknik sipil bidang studi struktur pada departemen teknik sipil fakultas teknik universitas sumatera utara (usu). Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini yang masih banyak kekurangan. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. Dengan tangan terbuka dan hati yang tulus 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 dan tidak terhingga kepada kedua orang tua yang selalu penulis muliakan yang telah memberikan segalanya hingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan ini. 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. Daniel Rumbi Teruna, Mt selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam memberikan bimbingan yang tiada hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 4. Kedua orang tua penulis tersayang yang selalu berdoa dan memberikan semangat serta dukungan kepada penulis sehingga tugas ini dapat selesai dengan baik. 5. Bapak/ibu dosen staf pengajar jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. 6. Adik – adik penulis yang terkasih yang selalu mendukung penulis yaitu vani, vian, elon, wildo, theo, dan echa, teguh, surya, Irma, sarah. Terutama vani yang sudah banyak membantu penulis disaat genting. 7. Ria S Lubis yang selalu mendukung dalam suka maupun duka dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 7. Rekan – rekan mahasiswa jurusan teknik sipil, terutama teman – teman angkatan 2007,. Adik- adik angkatan 2010, dan abang / kakak stambuk 2004, 2005, 2006, terima kasih atas masukan nya selama ini.

Medan,

Juli 2011

(Daniel TRT Sitohang) 070404 093


ABSTRAK Dengan kondisi daerah indonesia yang terletak di daerah rawan gempa, maka perlu direncanakan struktur bangunan tahan gempa. Metode perencanaan struktur tahan gempa dibagi menjadi dua, yaitu perencanaan konvensional yang berdasarkan konsep bagaimana meningkatkan kapasitas tahanan struktur terhadap gaya gempa yang bekerja padanya. Konsekwensinya adalah pada bangunan dimana kekakuan lateralnya cukup besar akan mengalami percepatan lantai yang besar, sedangkan pada bangunan fleksibel akan mengalami perpindahan lateral yang cukup besar. Kemudian metode yang kedua yaitu dengan pendekatan teknologi dengan menambahkan alat-alat seismic devices ke struktur. Pada tugas akhir ini dibahas alat seismic devices, yaitu metallic yielding damper. Tujuannya adalah membandingkan struktur yang menggunakan metallic yielding damper dan dengan struktur rangka pemikul momen serta dengan struktur rangka berpengaku konsentrik. Di dalam tugas akhir ini, struktur bangunan yang dimodelkan adalah gedung perkantoran 5 lantai yang terletak di indonesia khususnya nias. Struktur bangunan tersebut dimodelkan dengan bantuan program Sap v14. Kemudian beban gempa direncanakan dengan analisa non-linier, yaitu gempa el-centro n-s yang direkam pada tanggal 15 mei 1940 di california yang diskalakan sesuai dengan percepatan permukaan tanah di daerah Nias sesuai dengan peta hazard gempa Indonesia 2010. Berdasarkan hasil analisis dan hitungan disimpulkan bahwa struktur yang menggunakan metallic yielding damper mampu mereduksi displacement, momen, gaya lintang, dan gaya normal. Bangunan dengan metallic yielding damper dapat mereduksi percepatan gempa sebesar 60,9 % terhadap sistem rangka pemikul momen dan sebesar 68% terhadap sistem rangka berpengaku konsentrik.


Daftar Isi Kata pengantar

i

Abstrak

iii

Daftar isi

iv

Daftar Tabel

viii

Daftar Gambar

xi 1

Bab I. Pendahuluan I.1. Latar Belakang

1

I.2. Permasalahan

5

I.3. Tujuan Penulisan

6

I.4. Pembatasan masalah

7

I.5. Metode Pembahasan

8

Bab II. Teori Dasar

9

2.1. Umum

9

2.2. Prinsip Umum Desain Mengatasi Gaya Lateral

11

2.3 Karakteristik Struktur Bangunan ........................................................... 12 2.3.1 Massa

13

2.3.1.1 Model Lumped Mass

13

2.3.1.2 Model Consistent Mass Matrix

14

2.3.2 Redaman

15

2.3.2.1 Damping Klasik

15

2.3.2.2 Damping Nonklasik

16

2.3.3 Kekakuan

17

2.3.3.1 Kekakuan kolom

17

2.3.3.2 Kekakuan elemen bracing

20


2.4. Model Struktur Sebagai Sistem Derajat Tunggal

21

2.4.1 Sistem Derajat Kebebasan-Tunggal(SDOF) Tak Teredam

21

2.4.2 Sistem Derajat Kebebasan-Tunggal (SDOF Teredam

24

2.4.2.1 Redaman Liat (Viscous Damping)

25

2.4.2.2 Persamaan Gerak

25

2.4.2.3 Sistem Redaman Kritis

26

2.4.2.4 Sistem Redaman Super Kritis

28

2.4.2.5 Sistem Redaman Subkritis

29

2.5. Model Struktur Sebagai Sistem Derajat-Kebebasan Banyak 2.5.1 Persamaan Difrensial Struktur MDOF

31 31

2.5.1.1 Matriks Massa, Matriks Kekakuan Dan Matriks Redaman

31 35

2.5.2 Getaran Bebas Pada Struktur MDOF 2.5.2.1 Frekuensi Sudut (w) Dan Normal Modes

37

2.6 Daktailitas

38

2.7 Simpangan Antar Lantai

40

2.7.1 Simpangan Inelastis Maksimum

40

2.7.2 Batasan Simpangan Antar Lantai

41

2.8 Desain Gempa

41

2.8.1 Analisa Time History

42

2.8.2 Penentuan Percepatan Puncak Di Permukaan Tanah

43

Bab III. Pemodelan 3.1 Struktur Portal Baja Tahan Gempa

46 46

3.1.1 Sistem Rangka Pemikul Momen (SRPM)

48

3.1.2 Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik

48

3.2 Damping Pada Bangunan

50


3.2.1 Metode Dissipasi Energi Damper

52

3.3 Adas (Added Damping And Stiffness)

53

3.3.1 Kekakuan Dan Daktailitas Pelat Damper

55

3.3.1.1 Daktilitas Bahan Pelat

56

3.3.2 Pengaruh Bentuk Pelat Terhadap Daktilitas Dan Kekakuan

57

3.3.2.1 Pelat Damper Bentuk X

57

3.3.2.2 Pelat Damper Bentuk Segiempat

60

3.3.3 Model Analisa Damper Terhadap Struktur

63

3.3.3.1 Efek B/D Ratio Dan Stiffness Ratio (SR) 3.4 Perencanaan Elemen Struktur

64 65

3.4.1 Balok

66

3.4.2 Kolom

69

3.4.3 Bracing

73

Bab IV. Pembahasan/Aplikasi 79 4.1 Pendahuluan

79

4.2 Pengerjaan Model Struktur

80

4.2.1 Pemodelan Struktur

80

4.2.2 Pembebanan Pada Struktur

81

4.2.2.1. Beban Gravitasi

82

4.2.2.2. Beban Gempa

83

4.3. Perencanaan Elemen Struktur Berdasarkan Beban Gravitasi (Dl + LL)

87

4.3.1 Perencanaan Elemen Balok Pada Struktur

88

4.3.2 Perencanaan Elemen Kolom Pada Struktur

92

4.4 Perencanaan Metallic Yielding Damper

97


4.4.1 Metallic Damper Bentuk X Dengan Stiffness Ratio (Sr) = 2,18

97

4.4.2 Metallic Damper Bentuk Segiempat Dengan Stiffness Ratio (Sr) = 2,23

104

4.4.3 Metallic Yieding Damper Dengan Stiffness Ratio (Sr) = 1,15

106

4.5 Kesimpulan Perencanaan

108

4.6 Prosedur Analisa Struktur Dengan Menggunakan Sap2000 V14.

109

4.6.1 Input Data Untuk Yielding Damper

117

4.7 Analisa Hasil Perhitungan Struktur Bangunan.

121

4.7.1 Analisa Hasil Perhitungan Sistem Rangka Pemikul Momen

121

4.7.2 Analisa Hasil Perhitungan Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik

127

4.7.3 Analisa Hasil Perhitungan Bangunan Dengan 134

Yielding Damper Bentuk X

4.7.4 Analisa Hasil Perhitungan Bangunan Dengan Yielding Damper Bentuk Segiempat.

141

4.7.5 Analisa Hasil Perhitungan Bangunan Dengan Yielding Damper Bentuk X Dengan Stiffness Ratio = 1,15. 4.8. Grafik respon bangunan terhadap gempa.

147 154

4.8.1 Sistem Rangka Pemikul Momen

154

4.8.2 Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik

156

4.8.3 Bangunan Dengan Damper Bentuk X

158

4.8.4 Bangunan Dengan Damper Bentuk Segiempat

160

4.8.5 Bangunan Dengan Damper Bentuk X Dengan Stiffness Ratio (SR)= 1,15162 4.8.6 Perbandingan Respon Bangunan 4.9 Kesimpulan Pembahasan

164 170

BAB V. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan

172

5.2 Saran.

172

Daftar pustaka

173


DAFTAR TABEL Tabel 2.1: Rasio Redaman berdasarkan Jenis dan Kondisi Struktur

16

Tabel 2.2. Faktor Keutamaan Gedung

43

Tabel 2.3. Klasifikasi site didasarkan atas korelasi penyelidikan tanah lapangan dan laboratorium (SNI-2002, UBC-97, IBC-2009, ASCE 7-10,)

43

Tabel 2.4: Percepatan puncak batuan dasar dan percepatan puncak muka tanah berdasarkan Peta Gempa Indonesia 2010

44

Tabel 3.1 klasifikasi sistem struktur, sistem pemikul beban gempa, faktor modifikasi respons, R, dan faktor kuat cadang struktur, Ω0

52

Tabel 4.1 Kinerja Batas Layan (∆s) SRPMK

123

Tabel 4.2 Kinerja Batas Ultimate (∆M) SRPMK

124

Tabel 4.3 Gaya – gaya maksimum pada balok pada Struktur SRPMK.

125

Tabel 4.4 Gaya – gaya maksimum pada kolom pada Struktur SRPMK.

126

Tabel 4.5. Kinerja Batas Layan Struktur SRBKK

129

Tabel 4.6. Kinerja Batas Ultimate Struktur SRBKK

129

Tabel 4.7. Gaya – gaya maksimum pada balok struktur SRBKK

130

Tabel 4.8. Gaya – gaya maksimum pada kolom struktur SRBKK

131

Tabel 4.9. Gaya – gaya maksimum pada bresing struktur SRBKK

132

Tabel 4.10. Kinerja Batas Layan Struktur dengan Yielding Damper X

135

Tabel 4.11. Kinerja Batas Ultimate Struktur dengan Yielding Damper X

136


Tabel 4.12.Gaya – gaya maksimum pada balok struktur dengan Yielding Damper X (136) Tabel 4.13. Gaya – gaya maksimum pada kolom struktur dengan Yielding Damper X (137) Tabel 4.14. Gaya–gaya maksimum pada bracing struktur dengan Yielding Damper

138

Tabel 4.15. Gaya–gaya maksimum pada Yielding Damper X

138

Tabel 4.16. Deformasi (∆) pada Yielding Damper X

139

Tabel 4.17 Kinerja Batas Layan Struktur dengan Yielding Damper Segiempat

142

Tabel 4.18 Kinerja Batas Ultimate Struktur dengan Yielding Damper Segiempat

143

Tabel 4.19 Gaya – gaya maksimum pada balok pada struktur menggunakan damper segiempat

143

Tabel 4.20 Gaya – gaya maksimum pada kolom pada struktur menggunakan damper segiempat

144

Tabel 4.20 Gaya – gaya maksimum pada kolom pada struktur menggunakan damper segiempat

144

Tabel 4.22 Gaya – gaya maksimum pada damper bentuk segiempat

145

Tabel 4.23 Deformasi (∆) pada damper bentuk segiempat

145

Tabel 4.24 Kinerja Batas Layan pada Struktur Menggunakan Damper dengan (SR) =1,15

148

Tabel 4.25 Kinerja Batas Ultimate pada Struktur Menggunakan Damper dengan (SR) =1,15

149

Tabel 4.26 Gaya – gaya maksimum pada balok pada Struktur dengan Damper dengan

(SR) =1,15

150


Tabel 4.27.Gaya -gaya maksimum pada kolom pada Struktur dengan Damper dengan

(SR) =1,15

150

Tabel 4.28.Gaya-gaya maksimum Bresing pada Struktur dengan Damper dengan (SR) =1,15

151

Tabel 4.29.Gaya-gaya maksimum pada yielding Damper dengan (SR) =1,15

151

Tabel 4.30.Deformasi maksimum pada yielding damper dengan SR = 1,15

152


DAFTAR GAMBAR Gambar. 1.1.Sistem Rangka Pemikul Momen

8

Gambar. 1.2 Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik

8

Gambar. 1.3 Bangunan menggunakan Yielding Damper

8

Gambar 2.1 Struktur dengan bresing

20

Gambar 2.2 Model matematis untuk sistem berderajat – kebebasan – satu.

22

Gambar 2.3 Beberapa bentuk alternative dari model matematis sistem berderajatkebebasan-satu

22

Gambar 2.4 Hubungan gaya dan perpindahan (a) pegas kuat, (b) pegas linier, (c) pegas lemah

23

Gambar 2.5 Model struktur sistem derajat kebebasan tunggal teredam

24

Gambar 2.6 Respon getar bebas dengan redaman kritis

28

Gambar 2.7 Grafik simpangan terhadap waktu dari getaran kritis,super kritis,dan sub kritis

31

Gambar 2.8 Struktur 3-DOF, Model Matematik dan Free Body Diagram

32

Gambar 2.9 . Peta percepatan puncak (PGA) di batuan dasar (SB) untuk probabilitas 10% dalam 50 tahun

46

Gambar 2.10. Peta percepatan puncak (PGA) di batuan dasar(SB) untuk probabilitas 10% dalam 100 tahun.

47

Gambar 2.11. Peta percepatan puncak (PGA) di batuan dasar (SB) untuk probabilitas 2% dalam 50 tahun

48


Gambar 3.1. Struktur Rangka Pemikul Momen

5

Gambar 3.2 Model Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik

52

Gambar 3.3 Getaran bebas tanpa damping dan dengan damping

54

Gambar 3.4 Faktor Dinamis Getaran

55

Gambar 3.5 ADAS pada Struktur

56

Gambar 3.6 Bentuk Hysterestic loop pada metallic yielding damper

67

Gambar 3.7 Deformasi plastis pada struktur bertingkat satu

59

Gambar 3.8 Hubungan tegangan – regangan baja

60

Gambar 3.9 Pelat Damper Bentuk X

60

Gambar 3.10 Pelat damper bentuk segi-empat

63

Gambar 3.11. Tegangan dan regangan pada damper segiempat

64

Gambar 3.12 Faktor panjang tekuk untuk beberapa kondisi perletakan

75

Gambar 4.1 Pemodelan Struktur

81

Gambar 4.2. Rekaman percepatan permukaan tanah gempa El-centro.

86

Gambar 4.3 Fungsi Time History pada Sap2000 v14.(sumber:SAP2000 v14 Function)

112

Gambar 4.4 Load Case Data untuk fungsi analisa riwayat waktu

113

Gambar 4.5 Load Case Data untuk fungsi modal pada struktur

114

Gambar 4.6 Fungsi Gravitasi untuk analisa riwayat waktu.

115

Gambar 4.7. Kombinasi pembebanan pada Sap2000.(sumber :Sap2000)

116


Gambar 4.8. Menjalankan Program Sap2000(sumber :Sap2000v14)

117

Gambar 4.9 Menu Link/support property data. (sumber : Sap2000v14)

119

Gambar 4.10. Data property untuk Yielding Damper bentuk X(s:Sap2000v14) 120 Gambar 4.11. Data property untuk Yielding Damper bentuk segi4(s:Sap2000v14) 120 Gambar 4.12.Data property untuk Yielding Damper bentuk X tanpa memperhatikan Stiffness Ratio(s:Sap2000v14)

121

Gambar 4.13. Sistem Rangka Pemikul Momen

122

Gambar 4.14. Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik

128

Gambar 4.15. Struktur yang menggunankan Sistem Yielding Damper bentuk X................................................135 Gambar 4.16. Struktur yang menggunakan Sistem Yielding Damper bentuk Segiempat

141

Gambar 4.17. Struktur yang menggunakan Sistem Yielding Damper bentuk X dengan SR = 1,15

148

Gambar 4.18. Grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai 5) pada SRPM 154 Gambar 4.19. Grafik percepatan pada joitn 24 (lantai5) terhadap waktu pada struktur SRPM

154

Gambar 4.20. Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada SRPM

155

Gambar 4.21. Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur SRPM

155


Gambar 4.22. Grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai 5) pada struktur SRBK

156

Gambar 4.23. Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada struktur SRBK

156

Gambar 4.24. Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada struktur SRBK

157

Gambar 4.25. Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur SRBK

157

Gambar 4.26. . Grafik perpindahan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada struktur dengan Damper X

158

Gambar 4.27. . Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada Struktur dengan Damper X

158

Gambar 4.28. Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada Struktur dengan Damper X

159

Gambar 4.29. Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur dengan Damper X 159 Gambar 4.30. . Grafik perpindahan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) Damper segiempat

160

Gambar 4.31. . Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) Damper segiempat

160

Gambar 4.32. Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada bangunan dengan Damper segiempat

161

Gambar 4.33. Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur dengan Damper Segiempat

161


Gambar 4.34. . Grafik perpindahan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada bangunan dengan Damper X dengan SR = 1,15

162

Gambar 4. 35. Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada bangunan dengan Damper X dengan SR = 1,15

162

Gambar 4.36. Grafik Base Shear arah X terhadap waktu. pada bangunan dengan 163

Damper X dengan SR = 1,15 Gambar 4.37 Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur dengan Damper X dengan SR = 1,15.

163

Gambar 4.38. Perbandingan perpindahan maksimum tiap lantai pada masingmasing struktur

164

Gambar 4.39. Perbandingan grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing struktur

164

Gambar 4.40. Perbandingan grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing bangunan dengan damper yang berbeda.

165

Gambar 4.41. Perbandingan grafik pecepatan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing bangunan dengan damper yang berbeda

165

Gambar 4.42. Perbandingan grafik pecepatan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing bangunan.

166

Gambar 4.43. Perbandingan grafik base shear

166

Gambar 4.44. Perbandingan grafik momen tumpuan pada balok (KNm).

167

Gambar 4.45. Perbandingan grafik momen lapangan pada balok (KNm).

167

Gambar 4.46. Perbandingan grafik gaya normal pada kolom (KN).

168


Gambar 4.47. Perbandingan grafik momen pada kolom (KNm).

168

Gambar 4.48. Perbandingan grafik gaya normal pada bresing (KN).

169

Gambar 4.49. Perbandingan grafik gaya geser pada Yielding Damper (KN).

169


BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2011

Recommend Documents