DETEKSI DINI POLA KERUNTUHAN STRUKTUR PORTAL GEDUNG H UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA AKIBAT GEMPA Tugas Akhir
untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana Teknik S-1 Teknik Sipil
disusun oleh : MERKURIYARSO LISTYADI NIM : D 100 910 036 NIRM : 91.6.106.03010.5.0036
kepada
PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2011
LEMBAR PENGESAHAN
DETEKSI DINI POLA KERUNTUHAN STRUKTUR PORTAL GEDUNG H UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA AKIBAT GEMPA Tugas Akhir
diajukan dan dipertahankan pada Ujian Pendadaran Tugas Akhir di hadapan Dewan Penguji Pada tanggal 3 November 2011 diajukan oleh : MERKURIYARSO LISTYADI NIM : D100910036 NIRM : 91.6.106.03010.5.0036 Susunan Dewan Penguji
Pembimbing Utama
Pembimbing Pendamping
Ir. Ali asroni, M.T NIK : 484
Ir. Abdul Rochman, M.T NIK: 610
Anggota,
Ir. Suhendro Trinugroho, M.T NIK 732 Tugas Akhir ini diterima sebagai salah satu persyaratan Untuk mencapai derajat Sarjana S-1 Teknik Sipil Surakarta, 3 November 2011
Dekan Fakultas Teknik
Ir. Agus Riyanto SR, M.T NIK 483
Ketua Program Studi Teknik Sipil
Ir. Suhendro Trinugroho, M.T NIK 732
KATA PENGANTAR
Assalamu alaikum Wr. Wb. Dengan mengucap puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat, hidayah dan inayah-NYA, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini disusun guna memenuhi syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta. Pada penyusunan Tugas Akhir ini, penulis mengambil judul “Deteksi Dini Pola Keruntuhan Struktur Portal Gedung H Universitas Muhammadiyah Surakarta Akibat Gempa”. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis mendapat saran, bantuan, dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu pada kesempatan yang baik ini penulis ingin mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya, kepada yang terhormat : 1. Bapak Ir. Agus Riyanto SR, MT., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Ir. Suhendro Trinugroho, MT., selaku Ketua Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta dan Dosen Penguji pada pendadaran Tugas Akhir. 3. Bapak Ir. Ali Asroni, MT., selaku Dosen Pembimbing Utama yang dengan ikhlas meluangkan banyak waktu guna memberikan saran serta arahan dalam penyelesaian Tugas Akhir ini dengan sangat baik, teliti, sabar serta ramah. 4. Bapak Ir. Abdul Rochman, MT., selaku Dosen Pembimbing Pendamping, dengan segala kesabarannya telah bersedia memberikan ilmu, pengalaman dan bimbingan yang sangat berguna.
5. Teman-teman Gank Kapak Merah, dan semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang membantu penulis dalam memberikan semangat untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Semoga Allah SWT membalas jasa kebaikan dan ketulusan anda semua dengan balasan yang lebih baik. Dalam Tugas Akhir ini penulis menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan dan kelemahannya dalam penulisan,
yang disebabkan oleh
terbatasnya waktu, literatur dan pengetahuan. Dan akhirnya penyusun hanya dapat berharap, semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi penyusun pribadi khususnya dan para pembaca pada umumnya.
Surakarta, 28 Oktober 2011
Penulis
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL .....................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN .........................................................................
ii
KATA PENGANTAR ......................................................................................
iii
DAFTAR ISI ....................................................................................................
v
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................
ix
DAFTAR TABEL ............................................................................................
x
DAFTAR NOTASI...........................................................................................
xi
INTISARI ........................................................................................................
xiii
BAB
I
PENDAHULUAN ..........................................................................
1
A. Latar Belakang Masalah ....................................................................
1
B. Rumusan dan Pembatasan Masalah ....................................................
3
1. Rumusan masalah ..........................................................................
3
2. Pembatasan masalah ......................................................................
3
C. Tujuan dan Manfaat Penelitian ...........................................................
4
1. Tujuan penelitian ...........................................................................
4
2. Manfaat penelitian .........................................................................
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................
5
A. Tinjauan Umum Jalur Gempa ............................................................
5
B. Kejadian Gempa ................................................................................
5
C. Tingkat Resiko dan Peta Wilayah Gempa di Indonesia ......................
7
D. Faktor Penentu Beban Gempa Rencana ..............................................
8
E. Kerusakan Struktur Akibat Gempa.....................................................
11
BAB III LANDASAN TEORI .......................................................................
13
A. Beban Gempa ....................................................................................
13
1. Beban horisontal akibat gempa (V) ................................................
13
2. Distribusi gaya horisontal akibat gempa pada tiap lantai (F i) ..........
13
B. Analisis Kekuatan Balok ....................................................................
13
1. Momen perlu balok .......................................................................
14
2. Momen kapasitas balok ................................................................
14
3. Sendi plastis pada balok ...............................................................
15
C. Analisis Kekuatan Kolom ..................................................................
16
1. Momen perlu kolom ......................................................................
16
2. Momen kapasitas kolom................................................................
16
3. Sendi plastis pada kolom ..............................................................
20
D. Konsep Gedung Tahan Gempa ..........................................................
20
1. Kolom lebih kuat daripada balok .................................................
20
2. Balok lebih kuat daripada kolom..................................................
21
E. Tahap Terbentuknya Sendi Plastis .....................................................
22
1. Terbentuknya sendi plastis tahap pertama.....................................
22
2. Terbentuknya sendi plastis tahap kedua ........................................
23
3. Terbentuknya sendi plastis berikutnya sampai runtuh ...................
24
BAB IV METODE PENELITIAN ................................................................
25
A. Bahan Penelitiam ...............................................................................
25
1. Data bangunan .............................................................................
25
2. Mutu bahan..................................................................................
27
3. Denah dan bentuk portal ..............................................................
27
B. Alat Penelitian ..................................................................................
28
1. BALOK.EXE .............................................................................
28
2. KOLOM. EXE............................................................................
28
3. SAP90. EXE ...............................................................................
29
C. Jalannya Penelitian ..........................................................................
29
BAB V PELAKSANAAN PENELITIAN......................................................
32
A. Analisis Pembebanan .....................................................................
32
1. Panjang batang kuda-kuda .......................................................
32
2. Perhitungan beban rangka ........................................................
33
3. Perhitungan beban mati atap ....................................................
36
B. Beban Gempa pada Struktur Portal ................................................
36
1. Gaya geser dasar horisontal (V) total akibat beban gempa ........
36
1). Berat lantai atap (Watap) ......................................................
36
2). Berat lantai IV (W4) ............................................................
37
3). Berat lantai III (W3) ............................................................
39
4). Berat lantai II (W2) .............................................................
40
2. Distribusi gaya horisontal pada tiap lantai ................................
41
C. Beban Mati pada Struktur Portal ....................................................
43
1. Beban mati atap.........................................................................
43
2. Beban mati lantai IV .................................................................
45
3. Beban mati lantai II,III ..............................................................
46
D. Beban Hidup pada Struktur Portal .................................................
47
1. Beban hidup atap.......................................................................
47
2. Beban hidup pada lantai II,III,IV ...............................................
48
E. Analisis Mekanika ........................................................................
50
F. Momen Kapasitas Balok ...............................................................
54
1. Momen kapasitas negatif............................................................
54
2. Momen kapasitas positif ............................................................
55
G. Momen Kapasitas Kolom ..............................................................
58
1. Gaya aksial kolom .....................................................................
58
2. Diagram interaksi kolom ............................................................
59
3. Hitungan momen kapasitas kolom..............................................
65
H. Keruntuhan Portal..........................................................................
67
1. Terbentuknya sendi plastis pada Tahap I ...................................
69
2. Terbentuknya sendi plastis pada Tahap II...................................
70
3. Terbentuknya sendi plastis pada Tahap III dan seterusnya ..........
70
4. Terbentuknya sendi plastis pada Tahap terakhir .........................
71
BAB VI. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .................................
79
A. Hasil Penelitian .............................................................................
79
B. Pembahasan ...................................................................................
79
1. Keruntuhan portal.....................................................................
82
2. Faktor daktilitas ( ) ..................................................................
82
3. Faktor jenis struktur (K) ...........................................................
83
BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN-SARAN...........................................
85
A. Kesimpulan ...................................................................................
85
B. Saran-saran ...................................................................................
86
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................
87
LAMPIRAN .....................................................................................................
88
DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1. Peta Lempeng Tektonik ..........................................................
5
Gambar II.2. Elastic Rebound Theory ...........................................................
6
Gambar II.3. Peta Wilayah Gempa di Indonesia ............................................
8
Gambar II.4. Grafik koefisien gempa dasar (C) ............................................
9
Gambar II.5. Denah dan portal gedung .........................................................
11
Gambar III.1. Diagram Tegangan Regangan Penampang Kolom ....................
17
Gambar III.2. Diagram Interaksi Kolom .........................................................
19
Gambar III.3. Kolom lebih kuat dari balok .....................................................
21
Gambar III.4. Balok lebih kuat dari kolom .....................................................
22
Gambar IV.1 Denah Bangunan Gedung H UMS ...........................................
27
Gambar IV.2. Bentuk Portal As- D .................................................................
28
Gambar IV.3. Diagram alir langkah-langkah mekanisme keruntuhan portal..
30
Gambar V.1. ½ K1 ........................................................................................
32
Gambar V.2. Denah Atap ..............................................................................
35
Gambar V.3. Gaya geser dasar horisontal akibat beban gempa pada tiap lantai 43 Gambar V.4. Pembagian beban mati dan beban hidup pada portal lintang As-D 43 Gambar V.5. Pembebanan Portal Lintang Akibat Beban Mati .......................
47
Gambar V.6. Pembebanan Portal Lintang Akibat Beban Hidup .....................
49
Gambar V.7. Pemberian nomor batang dan nomor buhul ..............................
51
Gambar
V.8. Diagram Interaksi Kolom M-N................................................
65
Gambar
V.9. Momen kapasitas balok dan kolom portal .................................
67
Gambar
V.10. Tahap terbentuknya sendi plastis ..............................................
72
Gambar
V.I.1. Grafik hubungan defleksi lateral dan gaya geser dasar horisontal .................................................................................
83
Gambar V.I.2. Grafik hubungan step sendi plastis dan faktor jenis struktur ....................................................................................
84
Gambar V.I.3. Grafik hubungan step sendi plastis dan lendutan horisontal ....
84
DAFTAR TABEL
Tabel II.1. Faktor keutamaan ( I ) ..................................................................
10
Tabel V.1. Ditribusi gaya horisontal akibat beban gempa ...............................
42
Tabel V.2. Momen kolom akibat beban kombinasi ..........................................
52
Tabel V.3. Momen balok akibat beban kombinasi ...........................................
53
Tabel V.4. Momen kapasitas balok..................................................................
57
Tabel. V.5. Gaya aksial kolom akibat beban kombinasi ....................................
58
Tabel V.6. Momen kapasitas kolom ................................................................
66
Tabel VI.1. Hasil gaya geser dasar horisontal akibat gempa (V) pada tiap-tiap pertambahan sendi plastis ..............................................................
81
DAFTAR NOTASI Ast = Luas total baja tulangan, mm2 A g = Luas bruto penampang kolom, mm2 A s = Luas tulangan tarik, mm2 A’ s = Luas tulangan tekan, mm2 B
= Lebar gedung yang ditinjau, m
b
= Lebar balok/kolom, mm
C
= Koefesien gempa dasar
c b = Jarak serat beton terluar ke garis netral dalam keadaan seimbang, mm d s = Jarak serat tarik terluar ke pusat tulangan tarik, mm d’ s = Jarak serat tekan terluar ke pusat tulangan tekan, mm E c = Modulus elastisitas beton, MPa E s = Modulus elastisitas baja, MPa F i = Gaya horizontal akibat gempa pada lantai ke-i, kN f’c = Tegangan tekan beton yang disyaratkan, MPa fy = Tegangan leleh baja tulangan, MPa H = Tinggi struktur, m h = Tinggi penampang balok/kolom, mm I
= Faktor keutamaan struktur
K = Faktor jenis struktur nilai > 1 M D = Momen pada kolom/balok akibat beban mati, kNm M L = Momen pada kolom/balok akibat beban hidup, kNm M E = Momen pada kolom/balok akibat beban gempa, kNm M U,K = Momen perlu kolom, kNm Mkap = Momen kapasitas balok dengan memperhatikan momen positif dan momen negatif.yang dihitung berdasarkan tegangan leleh baja 1,25.fy, kNm N U,K = Beban rencana aksial kolom, kN qD
= Beban merata akibat beban mati kg/m, kN/m
qL
= Beban merata akibat beban hidup kg/m, kN/m
SP-n = Tahap terbentuknya sendi platis ke-n T
= Waktu getar alami gedung, dt
V
= Gaya geser dasar horisontal total akibat gempa, kg atau kN
W t = Berat total bangunan kg atau kN εs = Regangan baja tulangan εc = Regangan beton φO = Over strength Factor 1,25 untuk fy ,400 MPa, 1,40 untuk fy = Defleksi/ lendutan lateral elemen struktur, m
400 MPa
INTISARI
DETEKSI DINI POLA KERUNTUHAN STRUKTUR PORTAL GEDUNG H UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA AKIBAT GEMPA Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui seberapa besar beban gempa horisontal yang dapat meruntuhkan Portal As-D Gedung H Universitas Muhammadiyah Surakarta, dan juga untuk mengetahui tempat – tempat yang mengalami kerusakan struktur terlebih dahulu sebelum portal gedung tersebut runtuh. Penelitian dilaksanakan dengan menghitung momen kapasitas dari kolom dan balok, serta menghitung beban mati, beban hidup dan beban gempa. Dengan bantuan program komputer SAP90.EXE ini dihitung momen-momen dari balok dan kolom akibat beban mati, beban hidup dan beban gempa. Dari ketiga beban tersebut kemudian dihitung momen perlu akibat kombinasi beban untuk dibandingkan dengan momen kapasitasnya, dan dicari momen perlu pada “tempat tertentu” (pada balok ataupun kolom) yang paling mendekati nilai momen kapasitasnya. Tempat inilah yang akan terjadi sendi plastis yang pertama. Tempat tersebut dapat terjadi pada ujung kolom, ujung balok maupun lapangan balok. Untuk mencari sendi plastis yang kedua, dengan bantuan program SAP90.EXE pada pembebanan cukup dengan beban gempa saja, tanpa beban mati dan beban hidup dengan kondisi portal sudah terjadi sendi plastis pertama. Setelah mendapatkan data gempa, selanjutnya menghitung dan menggambar bidang momen sendi plastis pada balok dan kolom, maka akan diperoleh letak sendi plastis yang kedua. Untuk mencari letak sendi plastis yang ketiga, keempat dan seterusnya sampai portal runtuh, langkahnya sama seperti pada waktu mencari letak sendi plastis yang kedua. Hasil yang diperoleh dari penelitian menunjukan bahwa sendi plastis pertama terjadi pada nilai K = 1,5739413 atau beban gempa V sebesar = 461,60 kN, dan akan runtuh pada sendi plastis yang ke-14 dengan nilai K = 2,5717715 atau beban gempa V sebesar = 754,24 kN. Dari hasil penelitian ini dapat diketahui bahwa penulangan lentur balok dan kolom tidak memenuhi persyaratan desain kapasitas karena keruntuhan kolom terjadi lebih dahulu sebelum keruntuhan balok (strong beam weak column) sedangkan pada perencanaan portal gedung dengan prinsip daktail penuh kolom lebih kuat dari balok (strong column weak beam). Kata Kunci : Portal runtuh, sendi plastis, momen kapasitas, momen perlu
