Perencanaan, Perilaku dan Keunggulan Portal Momen Rangka Batang Khusus (PMRBK) terhadap Portal Momen Khusus (PMK) pada Bangunan Baja Bertingkat Sedang

Perencanaan, Perilaku dan Keunggulan Portal Momen Rangka Batang Khusus (PMRBK) terhadap Portal Momen Khusus (PMK) pada Bangunan Baja Bertingkat Sedang Wiryanto Dewobroto (Universitas Pelita Harapan, Tangerang), Rendy Wijaya (Alumni S2 - Universitas Tarumanagara, Jakarta)

ABSTRAK Perilaku keruntuhan baja adalah daktail, sifat penting untuk pembuatan konstruksi tahan gempa. Meskipun demikian, tidak berarti setiap konstruksi baja pasti akan secara otomatis bersifat tahan gempa. Gempa Northridge (1994) menunjukkan adanya kerusakan non-daktail atau getas pada kontruksi baja dengan sistem las, yang memenuhi kriteria perencanaan saat itu. Penelitian pasca gempa menyimpulkan, bahwa untuk menghasilkan konstruksi baja tahan gempa yang daktail dan handal, perlu merubah kebiasaan praktis yang ada. Mulai dari tahapan desain, pemilihan bahan material, fabrikasi, erection dan pengawasan mutu pekerjaan konstruksi baja yang dibuat. Akibatnya, perlu dibuat peraturan perencanaan struktur baja tahan gempa yang khusus (AISC 1999). Tidak sembarang sistem struktur dapat dipilih, tiap sistem mempunyai prosedur perencanaan berbeda. Maklum, perilaku keruntuhannya tidak sama, sehingga perlu penanganan yang sesuai. Oleh sebab itu kemampuan mengenali karakter masing-masing sistem struktur yang tersedia, sangat perlu, agar konstruksinya menjadi optimal. Untuk itu akan dibahas Portal Momen Rangka Batang Khusus (PMRBK) pada bangunan bertingkat sedang, ditinjau beberapa konfigurasi untuk direncanakan sesuai ketentuan. Karena prosedur perencanaan masih didasarkan pada analisis elastis-linier, sehingga tidak diketahui perilaku keruntuhannya, maka dilakukan analisis non-linier statik pushover. Itu diperlukan untuk mengetahui, apakah prosedur perencanaan yang dipakai mampu menghasilkan perilaku struktur daktail pada berbagai konfigurasi. Untuk mempelajari karakter khas sistem PMRBK, dipilih konfigurasi geometri tertentu dan diubah menjadi sistem struktur Portal Momen Khusus (PMK). Antara keduanya lalu dievaluasi, ternyata untuk konfigurasi bentang bangunan bertingkat tertentu, sistem PMRBK dapat memberikan kapasitas dukung lantai yang lebih besar dibanding sistem PMK. Ini tentu informasi yang menarik bagi para insinyur untuk menentukan sistem konstruksi baja tahan gempa yang paling ekonomis. Kata kunci: struktur baja tahan gempa, Portal Momen Rangka Batang Khusus (PMRBK), Portal Momen Khusus (PMK), keruntuhan daktail

Seminar dan Pameran HAKI 2015 - “Challenges in the Future”.

Perencanaan, Perilaku dan Keunggulan Portal Momen Rangka Batang Khusus (PMRBK) terhadap Portal Momen Khusus (PMK) pada Bangunan Baja Bertingkat Sedang Wiryanto Dewobroto (Universitas Pelita Harapan, Tangerang), Rendy Wijaya (Alumni S2 - Universitas Tarumanagara, Jakarta)

1. Pendahuluan Perilaku keruntuhan material baja adalah daktail, suatu perilaku material yang penting bagi konstruksi tahan gempa. Meskipun demikian, itu tidak berarti konstruksi baja yang sepenuhnya dari jenis material tadi, akan secara otomatis bersifat tahan gempa. Gempa Northridge, USA (1994) telah menunjukkan bahwa kerusakan non-daktail atau getas bisa saja terjadi pada kontruksi baja, yang telah memenuhi kriteria perencanaan saat itu, khususnya dengan sistem sambungan las. Bentuk kerusakan yang banyak ditemui pada bangunan baja akibat gempa Northridge sesuai laporan FEMA 350 (Hamburger 2000) adalah sebagai berikut Gambar 1.

Gambar 1. Sambungan tipikal bangunan baja dan kerusakan akibat gempa Northridge (FEMA 2000)

Pada beberapa kasus, kerusakan fraktur juga berkembang menjadi retakan pada sayap kolom di daerah belakang bagian yang dilas. Pada kasus tersebut, bagian sayap kolom terlihat masih menyatu dengan sayap balok, tetapi tertarik lepas dari bagian kolom utama. Pola ini dikenal sebagai kerusakan “divot” atau “nugget” (Hamburger et. al 2000).

(a). Kerusakan pada transisi pengelasan

(b). Kerusakan "divot" pada sayap kolom

Gambar 2. Kerusakan fraktur sambungan balok-kolom akibat gempa Northridge (Hamburger et. al 2000).


Faktanya, tidak semua bangunan yang rusak seperti itu, langsung runtuh. Bahkan ada, bangunan yang dari segi arsitekturnya tidak terlihat rusak parah, ternyata setelah evaluasi terdapat kerusakan struktur non-daktail tersebut. Ini tentu menyebabkan bangunannya mengalami penurunan kualitas, baik dari segi kekuatan dan kekakuan struktur, sehingga jika kemudian terjadi gempa berikutnya lagi, pasti berbahaya bagi keselamatan penghuni. Sisi lainnya, proses evaluasi kerusakan dan perbaikan yang perlu dilakukan, kadangkala bisa lebih mahal jika dibanding bangunan yang rusak, dirobohkan saja secara menyeluruh dan dibangun kembali dengan yang baru (Hamburger et. al 2000). Itu semua menimbulkan ketidak-pastian terhadap prosedur perencanaan bangunan yang ada, sehingga memicu AISC (American Institute of Steel Construction) membuat satuan gugus tugas mendata masalah dan penelitian (AISC 1994a,b). Akhir 1994 dibentuk SAC Joint Venture, yaitu kerja sama beberapa asosiasi profesi AISC, AISI (American Iron and Steel Institute) dan NIST (National Institute of Standards and Technology), menyelenggarakan workshop internasional (SAC 1994). Setelah itu FEMA (Federal Emergency Management Agency) dari unsur pemerintah juga ikut bergabung. Hal seperti inilah yang menjadi cikal bakal terbentuknya code perencanaan yang baru. Saat itu sampailah pada kesimpulan bahwa untuk pembuatan konstruksi baja tahan gempa yang daktail dan handal, diperlukan perubahan atas kebiasaan praktis yang ada, mulai tahap desain, pemilihan bahan, fabrikasi, erection, dan pengawasan mutu pekerjaan (Hamburger et.al 2000). Sejak itu, bertubi-tubi penelitian struktur baja terkait gempa dilakukan. Puncaknya adalah terbitnya peraturan perencanaan tahan gempa khusus struktur baja (AISC 1997).

2. Persyaratan Konstruksi Bangunan Baja Tahan Gempa AISC & SNI Gempa Northridge (1994), menyebabkan peraturan konstruksi baja tahan gempa AISC (1997) berubah secara signifikan, sehingga seperti ditulis ulang lagi secara menyeluruh. Bahkan di tahun 1999 dan 2000 ada tambahan materi perbaikan yang besar lagi. Itu menyebabkan selanjutnya peraturan konstruksi baja tahan gempa AISC (2002) atau ANSI/AISC 341-02 menjadi dasar semua peraturan perencanaan konstruksi baja khusus bangunan gedung di USA (Malley–Shaw 2008). Sejak itu ada beberapa pembaharuan, yaitu AISC (2005), dan yang terkini adalah AISC (2010b). Baru-baru ini setelah 13 tahun berjalan, SNI perencanaan struktur baja akhirnya diperbarui, dari SNI 1729:2002 menjadi SNI 1729:2015. SNI baru tersebut adalah adopsi identik AISC (2010a) dengan cara penerjemahan. Oleh sebab itu, peraturan tahan gempa AISC (2010b) tentu akan diadopsi juga untuk melengkapi SNI gempa yang umum (SNI 2012). AISC gempa (2010b) hanya digunakan untuk perencanaan bangunan gedung atau yang semacamnya, khususnya di daerah dengan risiko gempa yang tinggi. Lebih spesifik lagi adalah menentukan spesifikasi struktur Sistem Pemikul Beban Gempa, struktur khusus pada bangunan gedung yang diandalkan untuk menerima beban gempa dan mendisipasikan enerjinya sehingga perilaku gedung secara keseluruhan menjadi daktail dan bertahan terhadap gempa yang terjadi. Pada kondisi beban gempa rencana, keselamatan penghuni dapat diandalkan, kalaupun terjadi kerusakan struktur tentu masih pada tahap diterima dan dapat dilakukan perbaikan yang relatif cukup ekonomis. Struktur bangunan gedung dapat dikategorikan menjadi dua, [1] Sistem Pemikul Beban Gravitasi, dan [2] Sistem Pemikul Beban Gempa. Pada bangunan sederhana, keduanya dapat dipenuhi oleh struktur yang sama, tetapi untuk bangunan besar dan kompleks maka sistem yang terpisah akan lebih efektif dan ekonomis. Pada perencanaannya sistem struktur penghubung yang menjamin kesatuan kedua sistem perlu dipertimbangkan secara matang. Oleh sebab itu sistem lantai beton komposit, yang dapat menjamin kesatuan lantai dengan baloknya, menjadi hal penting yang harus dipertimbangkan. Selanjutnya pada makalah ini hanya akan membahas Sistem Pemikul Beban Gempa.


Spesifikasi gempa AISC (2010) tidak membatasi jenis material yang dipakai, hanya saja untuk tebal pelat baja ≥ 2” atau profil gilas ≥ 1.5” perlu uji Charpy V-notch, untuk menjamin daktilitasnya. Terkait bahan material, bagian penting dari spesifikasi adalah menentukan besarnya Fy dan Fu yang digunakan, khususnya di elemen Sistem Pemikul Beban Gempa, yang diharapkan akan berperilaku inelastis. Ini berbeda dibanding persyaratan ASTM, yang hanya persyaratan kuat minimum material. Pada bangunan tahan gempa, maka kepastian atau lebih tepatnya estimasi paling dekat nilai Fy dan Fu sangat penting untuk jaminan bahwa kondisi inelastis hanya terjadi di elemen khusus yang sengaja dipilih, dan direncanakan pendetailannya, bukan di tempat yang lain. Pada Sistem Pemikul Beban Gempa ada persyaratan umum bahwa sistem sambungan harus memperhitungkan kondisi batas daktilitasnya. Syarat perencanaannya lebih ketat dari struktur baja biasa (Sistem Rangka Pemikul Gravitasi), yaitu mengantisipasi jika pada sambungan mengalami gaya sampai level dimana material penampangnya leleh. Itu pula alasannya, mengapa persyaratan rasio lebar tebal (b/t) profil lebih ketat dari yang disyaratkan pada AISC (2010a) agar tidak terjadi tekuk lokal sebelum tegangan lelehnya tercapai terlebih dahulu. Kecuali itu, maka cara pengelasan juga mendapatkan perhatian khusus. Ada istilah baru Zona Terproteksi, dan menghindari adanya elemen diskontinyu, agar tidak terjadi kegagalan dini, atau rusak fraktur yang bersifat non-daktail. Sebagian besar lainnya dari spesifikasi gempa adalah berfokus pada perencanaan kolom, yaitu untuk memastikan kegagalannya minimum. Belajar dari kerusakan gempa Northridge yang non-daktail, akibat fraktur profil baja yang dilas, yang dipengaruhi oleh faktor geometri penampang / struktur, proses pengerjaan, dan tidak sekedar jenis materialnya, maka pada spesifikasi gempa diberikan bentukbentuk sistem struktur dan sambungannya untuk konstruksi baja tahan gempa. Pada spesifikasi gempa AISC (2010b) ada dua sistem struktur portal daktail, yaitu Portal Momen Khusus (Special Moment Frames) & Portal Momen Rangka Batang Khusus (Special Truss Moment Frames). Catatan: istilah terjemahan mengacu draft SNI 1729.2 yang adalah adopsi penuh AISC (2010b). Terjemahan sesuai SNI (2012) adalah Rangka Batang Baja Pemikul Momen Khusus. Jadi penulis cenderung mengacu SNI 1729.2. Portal Momen Khusus (PMK) sudah banyak dikenal, maklum mirip dengan yang tersedia di konstruksi beton bertulang. Adapun Portal Momen Rangka Batang Khusus (PMRBK) relatif masih asing, padahal SNI baja lama (2002) sudah memuat dengan nama Sistem Rangka Batang Pemikul Momen Khusus (SRBPMK). Jadi, meskipun sistem struktur tersebut sudah lama ada di kasanah literatur rekayasa Indonesia, tetapi belum populer. Bahkan banyak yang tidak tahu, kapan sistem PMRBK itu sebaiknya dipakai sebagai ganti PMK. Oleh sebab itu akan diulas lebih jauh tentang PMRBK, strategi perencanaan, dan pengujian perilaku inelastisnya dengan analisis nonlinier statik pushover sehingga tingkat daktilitasnya dapat dievaluasi. Selanjutnya akan dievaluasi satu konfigurasi portal momen yang sesuai untuk mengetahui keunggulan PMRBK terhadap sistem PMK.

3. Sistem PMRBK dan Tata Cara Perencanaannya Portal Momen Rangka Batang Khusus (PMRBK) adalah pengembangan sistem rangka batang (truss) pengganti balok pada bangunan bertingkat. Ini diperlukan karena bangunan jenis seperti itu banyak yang runtuh saat gempa, khususnya gempa Meksiko 1985 (Reis dan Bonowitz 2000). Keruntuhan bangunan dengan sistem dengan rangka batang umumnya menghasilkan perilaku kolom lemah - balok kuat, suatu kondisi yang harus dihindari untuk konstruksi tahan gempa (Basha - Goel 1996). Memang, sistem rangka batang sendiri populer dibandingkan balok profil I khususnya jika jarak antar kolom relatif panjang. Selain itu, terdapatnya ruang kosong pada sistem rangka batang menguntungkan sekali untuk penempatan peralatan M&E dan yang semacamnya.


Aplikasi struktur sistem PRMBK pada konstruksi bangunan terlihat di Gambar 3 berikut.

(a) Tampak luar

(b) Kemudahan Penempatan Ducting M&E

Gambar 3. Sistem PMRBK pada Bangunan Gedung (Chao - Goel 2006).

Sistem PMRBK ditujukan untuk Sistem Pemikul Beban Gempa, adalah hasil penelitian Prof Subhash C. Goel, sejak 1988 di Universitas Michigan (Basha - Goel 1996). Inovasinya adalah memperbaiki perilaku portal-rangka-batang, dari kolom lemah – balok kuat menjadi berperilaku kolom kuat – balok lemah, dengan menempatkan segmen khusus. Perilaku inelastis saat gempa dan tipe segmen khusus yang tersedia, lihat Gambar 4.

(a) Segmen khusus X-diagonal

(b) Segmen khusus Vierendeel

Gambar 4. Perilaku inelastis sistem PMRBK (Chao - Goel 2006).

Portal Momen Rangka Batang Khusus (PMRBK), menurut draft SNI 1729.2, atau Special Truss Moment Frame (STMF), menurut AISC (2010b), adalah sistem struktur yang saat gempa besar dapat mengalami deformasi inelastis hanya pada segmen khusus yang telah disiapkan. Adapun bagian struktur yang lain, harus tetap berperilaku elastis. Adanya elemen struktur khusus yang berperilaku inelastis dan elemen lain tetap elastis menyebabkan prosedur perencanaan struktur menjadi tidak biasa. Apalagi diketahui bahwa keruntuhan struktur baja, tidak hanya terjadinya leleh (yield), juga fraktur (retak) yang bersifat non-daktail. Oleh sebab itu AISC (2010b) memberikan persyaratan ketat. Panjang bentang rangka dibatasi ≤ 20 m, tinggi rangka batang ≤ 1.8 m. Pembatasan ini diberikan karena PMRBK masih tergolong baru, hanya ukuran yang sesuai dengan hasil percobaan yang boleh digunakan. Kolom-kolom dan segmen lain selain segmen khusus harus direncanakan agar tetap dalam keadaan elastis ketika segmen khusus mengalami pelelehan penuh hingga tahap strain-hardening. Segmen khusus (special segment), dipasang di tengah-tengah bentang rangka batang, panjangnya 0.1 ∼ 0.5 kali panjang bentang. Perbandingan panjang (L) terhadap tinggi segmen khusus (d), adalah 0.67 ≤ L/d ≤ 1.5. Adapun konfigurasi panel segmen khusus


bisa berupa tipe X (Gambar 4a) dan Vierendeel (Gambar 4b). Kombinasi dari keduanya, maupun bentuk konfigurasi lain, tidak diijinkan. Tipe Vierendeel menguntungkan dari sisi ruang bebas, dan relatif sederhana. Jadi tipe ini yang jadi pembahasan lebih lanjut. Batang atas / bawah rangka batang tidak boleh disambung di bagian segmen khusus, dalam jarak sejauh 0.5 tinggi rangka dari ujungnya. Ada bagian "zona terproteksi", yaitu ujung-ujung segmen khusus, ditambah 2 kali tinggi rangka batang. Bagian tersebut tidak boleh mengalami diskontinuitas, baik dari fabrikasinya maupun untuk alasan erection. Meskipun AISC (2010b) telah memberikan langkah-langkah dan ketentuan perencanaan yang harus diikuti, tetapi dianggap kurang optimal (Krawinkler-Miranda 2004), sehingga strategi Chao-Goel (2006) akan digunakan. Proses perencanaan mulai dengan mencari “gaya geser perlu” bagian segmen khusus, terhadap dua kondisi pembebanan, yaitu [a] 1.2 D + 1.6 L (elastis); dan [b] 1.2D + 0.5L + 1.5E (mechanism). Ini contoh beban yang diusulkan Basha - Goel (1996). Saat ini tentu perlu disesuaikan dengan ketentuan ASCE 7 (2010), termasuk gaya geser dasar gempa dan distribusinya. Pada kombinasi beban pertama (elastis), yaitu beban gravitasi, semua elemen strukturnya, elemen rangka batang (truss) dan kolom harus dalam kondisi elastis. Batang tepi segmen khusus belum boleh mencapai kondisi inelastis. Pada kombinasi beban kedua, yaitu kombinasi beban gravitasi dan gempa, batang tepi segmen khusus bisa mengalami kondisi inelastis. Gaya geser dari kombinasi beban kedua boleh mencapai kuat geser rencana bagian segmen khusus tersebut. Elemen segmen khusus selanjutnya direncanakan terhadap gaya geser berdasarkan dua kombinasi beban tersebut. Pada pembebanan ke-2, perlu check terhadap risiko soft-story kolom bawah jepit (perlu balok pengaku di level pondasi), dengan cara menghitung momen maksimumnya, Mpc, berdasarkan penelitian Leelataviwat et.al (1999) dapat dihitung sebagai berikut. M pc = 1.1V ′h1 / 4 ................................................................................................................ (1)

dengan h1 tinggi kolom bawah; V' gaya geser dasar ekivalen satu bentang saja, yaitu dari membagi gaya geser dasar dengan jumlah bentang desain yang menahan gempa; Mpc momen plastis perlu kolom bawah. Faktor 1.1 adalah faktor kuat lebih untuk memperhitungkan adanya strain-hardening dan ketidak-pastian pada kekuatan material.

Gambar 5. Satu bentang portal dengan mekanisme soft-story (Leelataviwat et al., 1999)

Kuat perlu untuk batang tepi pada segmen khusus pada tingkat ke-i adalah ⎛

n

⎞ ⎛

L L ⎠ ⎝ s

βi M pbr = βi ⎜ ∑ Fi hi − 2M pc ⎟ ⎜ 4 ⎝ i =1

n

⎞

i =1

⎠

∑ βi ⎟ ............................................................................. (2)

Desain untuk batang tepi pada segmen khusus dilakukan dengan memakai βi M pbr ≤ φ Mnci , dimana φ Mnci = φ Z i F y ............................................................................... (3)

dengan βi adalah rasio gaya geser tingkat i dengan gaya geser tingkat paling atas. Seminar dan Pameran HAKI 2015 - “Challenges in the Future”.

Elemen selain segmen khusus, termasuk rangka batang dan kolom, didesain berdasarkan desain kapasitas, yaitu kombinasi antara beban gravitasi dan gaya geser maksimum yang dapat terjadi pada batang tepi pada segmen khusus. Gaya geser maksimum yang diharapkan terjadi pada segmen khusus, Vne, yang akan dipakai mendesain elemen di luar segmen khusus dicari dari persamaan E4-5 (AISC 2010b) dengan menghilangkan suku ketiganya yang khusus hanya untuk segmen khusus tipe X, sebagai berikut. Vne =

3.60 Ry M nc Ls

+ 0.036 EI

L .............................................................................................. (4) Ls 3

Setelah gaya geser maksimum profil dicari, struktur dipisah menjadi diagram free body bentang eksterior (Gambar 6a dan 6b) dan interior (Gambar 6c).

(a) gaya lateral ke kanan, (b) gaya lateral ke kiri (c) kedua arah sama Gambar 6. Diagram free body bentang eksterior dan interior (Chao-Goel 2006)

Gambar 6a, gaya geser maksimum, Vne, pada tengah segmen khusus dianggap tercapai di saat kolom lantai 1 mencapai kapasitas maksimum, Mpc. Tahap ini, gaya lateral pengimbang pada struktur free body dianggap tetap didistribusikan sama seperti sebelumnya, besarnya dihitung dari keseimbangan gaya yang terjadi. Untuk bentang eksterior kondisi beban lateral ke arah kanan, maka jumlah total gaya tersebut adalah:

( FR )ext

⎛L n L2 = ⎜ ∑ (Vne )i − 8 ⎝ 2 i =1

n

∑w i =1

iu

⎞ ⎛ n ⎞ + M pc ⎟ ⎜ ∑ α i hi ⎟ .................................................................... (5) ⎠ ⎠ ⎝ i =1

Pada kondisi beban lateral ke arah kiri, jumlah total gaya tersebut adalah:

( FL )ext

⎛L n L2 = ⎜ ∑ (Vne )i + 8 ⎝ 2 i =1

n

∑w i =1

iu

⎞ ⎛ n ⎞ + M pc ⎟ ⎜ ∑ α i hi ⎟ ................................................................... (6) ⎠ ⎠ ⎝ i =1

Untuk bentang interior, gaya lateral ke arah kanan dan kiri memberikan hasil yang sama:

( FR )int

⎛ n ⎞ ⎛ n ⎞ = ⎜ L ∑ (Vne )i + 2 M pc ⎟ ⎜ ∑ α i hi ⎟ ................................................................................ (7) ⎝ i =1 ⎠ ⎝ i =1 ⎠

Setelah semua gaya perlu untuk mencapai keseimbangan telah diberikan pada struktur free body, elemen-elemen pada struktur free body (selain segmen khusus) dapat mulai didesain dengan analisis elastis yang biasa.


Pada bagian yang berperilaku elastis (bukan segmen khusus), pilihan penampang relatif cukup banyak. Tetapi untuk segmen khusus, perlu perhatian, yaitu untuk memastikan apakah keruntuhannya adalah daktail sebagaimana diharapkan. Maklum perilaku keruntuhan struktur baja bisa getas (lihat Gambar 1 dan 2). Itu sebabnya profil yang dipilihpun, yang sudah dilakukan uji empiris, seperti siku-ganda dan pelat (Itani-Goel 1991, BashaGoel 1994), profil-Tee (Leelataviwat et.al 1998), kanal-ganda (Parra et.al 2006).

4. Simulasi Perencanaan dan Evaluasi Daktilitas PMRBK Benchmark Dari tahapan perencanaan, pada kondisi beban tetap sistem PMRBK berperilaku elastis. Ini tak berbeda dari sistem gravitasi yang biasa. Keistimewaan baru muncul saat dikombinasikan dengan beban gempa, sampai terbentuknya kondisi inelastis. Untuk mengevaluasinya perlu analisis non-linier pushover. Dalam studi ini dipakai program SAP2000. Problem terbesar dalam analisis non-linier adalah mengevaluasi hasil. Untuk mengatasinya, sebelum simulasi dengan cara parametrik, prosedur analisisnya dikalibrasi terhadap struktur benchmark untuk dilakukan perbandingan. Jika hasilnya sama, tentu analisisnya dapat dianggap telah memenuhi kriteria yang diharapkan. Struktur benchmark-nya adalah bangunan bertingkat tujuh dimana sistem struktur PMRBK ditempatkan pada rangka perimeternya saja (Chao-Goel 2006), lihat Gambar 7 di bawah.

a)

Denah

b)

Sistem rangka perimeter (STMF)

Gambar 7. Struktur benchmark untuk analisis pushover (Chao-Goel 2006, p109)

Struktur benchmark ini adalah salah satu konfigurasi PMRBK pada penelitian Chao-Goel (2006). Tumpuan kolom bawah berupa jepit, dengan cara memberikan balok pengikat. Semua rangka batang memakai profil kanal-ganda back-to-back, selain bagian segmen khusus ditambahkan juga cover-plate. Itu untuk menjamin kondisi inelastis hanya terjadi pada bagian yang dianggap lemah, yaitu segmen khusus. Kolomnya memakai profil-I, dan pada bagian bawah dichek untuk menghindari terjadinya mekanisme soft-story.


Kriteria beban dan desainnya mengacu code California (CBC 2001) dengan modifikasi. Informasi lengkap, termasuk detail tipikal satu bentang rangka batang PMRBK benchmark, dapat dilihat pada Gambar 8 sebagai berikut.

a) Elevasi Satu Bentang

b). Profil rangka-batang per-lantai

Gambar 8. Detail Tipikal PMRBK benchmark (Chao-Goel 2006, p109)

Selain tersedianya data konfigurasi geometri PMRBK benchmark yang lengkap, juga terdapat perilaku struktur sampai kondisi inelastis, yaitu terbentuknya sendi-plastis yang diharapkan. Itu semuanya diperlukan sebagai benchmark untuk : •

Kalibrasi terhadap prosedur perencanaan sebagaimana diuraikan di depan. Ini diperlukan untuk merencanakan berbagai konfigurasi struktur PMRBK yang nantinya akan dievaluasi secara parametrik perilaku keruntuhannya masing-masing (Wijaya 2015).

•

Kalibrasi terhadap prosedur analisis non-linier pushover, dengan cara membandingkan kurva beban-lendutan dan pola keruntuhan (Gambar 9), sekaligus mengevaluasi ulang tingkat daktilitas struktur, apakah sesuai dengan rencana (code yang berlaku).

a) kurva gaya dasar - roof drift (%)

b) pola keruntuhan

Gambar 9. Analisis nonlinier pushover struktur PMRBK benchmark (Wijaya 2015)

Untuk evaluasi daktilitas, dihitung nilai R atau "faktor reduksi gempa" (SNI 1729-2002) atau "koefisien modifikasi respons" (SNI 1726-2012, ASCE 7-10), yang mewakili ratio gaya akibat gempa jika struktur berperilaku elastis, terhadap gaya rencana pada kondisi kuat batasnya (mengalami pelelehan). Nilai R > 1 berarti struktur berperilaku daktail, semakin besar nilai R-nya maka tingkat daktilitas struktur adalah semakin besar. Menurut ATC-19 nilai R ditentukan tiga faktor, dan dinyatakan dalam persamaan R = Rs.Rμ .Rr .


Rs adalah faktor kuat, yaitu rasio gaya geser maksimum Vy=2531.65 kips terhadap gaya geser rencana Vn=1727 kips, sehingga Rs=Vy/Vn=1.466. Adapun Rμ adalah faktor daktilitas, dihitung dari rasio daktilitas, μ yang umumnya rasio perpindahan daktilitas. Jika simpangan maksimum menjelang runtuh δm = 2.027% dan saat leleh awal δy = 0.4482% maka μ = δm/ δy= 4.52. Mengacu Newmark-Hall (hal 25 ATC-19) dengan menganggap perioda T ≈ 1 detik, maka Rμ= μ = 4.52. Adapun Rr adalah faktor redundant. Untuk setiap bentang PMRBK ketika mengalami kondisi inelastis minimal perlu terbentuk empat sendi plastis sehingga redundantnya dianggap mencukupi untuk Rr = 1.0 (Chao-Goel 2006). Dari ketentuan tadi maka koefisien modifikasi respons struktur PMRBK benchmark dapat dicari, R =Rs.Rμ.Rr = 1.466*4.52*1 = 6.63, yang berarti lebih besar dari Rm = 6.5 menurut SNI 1726-2002, tetapi masih lebih kecil dibanding SNI 1726-2012, yaitu R = 7. Dari pola keruntuhan (Gambar 9b) tidak terlihat mekanisme soft-story pada kolom. Sendi plastis hanya di kolom bawah dan segmen khusus. Tingkat daktilitas struktur dievaluasi dari nilai R, dimana nilainya sama atau lebih besar dari ketentuan SNI 1726-2002, tetapi masih lebih kecil dari SNI 1726-2002. Tahap ini hasilnya dianggap cukup.

5. Studi Parametrik Struktur PMRBK Dengan prosedur perencanaan PMRBK dan analisis non-linier pushover yg terkalibrasi, selanjutnya dibuat studi parametrik untuk meneliti berbagai konfigurasi struktur ini yang sama, kecuali "jarak bentang" antara kolomnya yang bervariasi, lihat Gambar 10.

a) 0.5H

b) 1.0H

c) 1.5H

e) 2.5H

d) 2.0H

f) 3.0H

Gambar 10. Skema Parametrik Sistem PMRBK dengan Variasi Bentang (Wijaya 2015)

Studi parametrik memakai bentuk dasar sama seperti struktur benchmark, kecuali jarak antar kolom yang bervariasi. Tentu saja ukuran profil disesuaikan sampai diperoleh rasio


kuat perlu terhadap kuat tersedia sekitar 0.9. Notasi model struktur yang akan dievaluasi adalah : STMF 1 (0.5H), STMF 2 (1.0H), STMF 3 (1.5H), STMF 4 (2.0H), STMF 5 (2.5H), dan STMF 6 (3.0H) dengan H adalah tinggi lantai paling bawah, yaitu 18 ft (± 5.48 m). Tujuan studi parametrik adalah [a] Mempelajari efek perubahan jarak antar kolom terhadap efektifitas perilaku inelastis sistem struktur PMRBK; [b] Membandingkan tingkat daktilitas, berdasarkan nilai R yang dihasilkan, apakah masih sesuai dengan code rencana. Perilaku inelastis sistem PMRBK dengan parameter bentang antar kolom yang bervariasi, ditunjukkan dengan pola terbentuknya sendi plastis berdasarkan hasil analisis nonlinier pushover. Keseluruhannya disajikan dalam Gambar 11.

a) STMF 1

b) STMF 2

c) STMF 3

d) STMF 4

d) STMF 5

e) STMF 6

Gambar 11. Mekanisme sendi plastis struktur PMRBK (Wijaya 2015)

Karena "segmen khusus" telah direncanakan menjadi bagian terlemah, maka dari hasil analisis pushover bagian tadi mengalami sendi plastis. Adapun PMRBK dengan bentang terpendek, yaitu STMF 1 (0.5H), terjadi mekanisme soft-story pada kolom lantai 2, tanpa terlebih terjadi terlebih dahulu sendi plastis pada ujung kolom bawah. Skenario keruntuhan seperti ini tentu saja harus dihindari. Tabel 1. Evaluasi koefisien modifikasi respons Tipe STMF 1 STMF 2 STMF 3 STMF 4 STMF 5 STMF 6

Vy 572.6 1303.2 2087.6 3082.9 3902.2

Vn 307.9 692.7 1231.5 1924.2 2770.8

δm 2.04 2.19 2.17 2.43 2.76

δy 0.53 0.58 0.52 0.55 0.55

Rμs 1.86 1.88 1.70 1.60 1.41

Rμ 3.85 3.78 4.18 4.42 5.02

R 7.17 7.12 7.08 7.09 7.07

Catatan : Rr = μ dengan asumsi T ≈ 1.0 Gambar 12. Kurva pushover (gaya-deformasi) dan tingkat daktilitasnya (Wijaya 2015)

Kecuali tipe STMF 1 (bentang pendek), semua hasil analisis pushover struktur PMRBK menghasilkan R ≥ 7, sesuai ketentuan code yang berlaku (ASCE 2010, SNI 2012). Itu berarti, tingkat daktilitas dari struktur tahan gempa rencana, sudah sesuai harapan. Seminar dan Pameran HAKI 2015 - “Challenges in the Future”.

6. Studi Banding PMRBK vs PMK Telah diuraikan prosedur perencanaan dan perilaku inelastis sistem struktur PMRBK, sebagai salah satu alternatif perencanaan struktur tahan gempa. Sistem struktur ini relatif masih jarang, atau bahkan belum pernah diterapkan di Indonesia. Oleh sebab itu jika dapat dibandingkan dengan sistem yang biasa dijumpai, tentu akan sangat membantu. Untuk itu, berdasarkan sistem struktur PMRBK parametrik yang diuji, akan direncanakan sistem struktur PMK (Portal Momen Khusus) dengan kondisi beban dan bentang sama. Selanjutnya akan dihitung berat total struktur PMRBK dan dibandingkan dengan sistem PMK. Berat sendiri struktur dapat dilihat pada Tabel 2. Grafik perbandingan dari kedua sistem tersebut dapat dilihat pada Gambar 13a untuk berat sendiri balok, Gambar 13b untuk berat sendiri kolom, dan Gambar 13c untuk berat total struktur. Tabel 2. Berat sendiri struktur PMRBK dan PMK (Wijaya 2015) Tipe STMF 1 STMF 2 STMF 3 STMF 4 STMF 5 STMF 6 Note :

Berat Struktur PMRBK (kips) Balok Kolom Total 18.16 63.94 82.10 70.19 59.66 129.86 130.60 109.02 239.63 225.12 150.42 375.54 371.47 217.37 588.84 502.55 246.81 749.36

Tipe MRF 1 MRF 2 MRF 3 MRF 4 MRF 5 MRF 6

Berat Struktur PMK (kips) Balok Kolom Total 8.36 48.67 57.03 36.62 110.02 146.64 67.88 142.94 210.82 123.69 250.55 374.24 162.05 384.81 546.87 367.24 682.01 1049.25

STMF (Special Truss Momen Frame) ≅ PMRBK (Portal Momen Rangka Batang Khusus). MRF (Momen Resisting Frame) ≅ PMK (Portal Momen Khusus)

a). Berat Balok

b). Berat Kolom

c). Berat Struktur

Gambar 13. Perbandingan berat PMRBK vs PMK (Wijaya 2015)

Dari kurva perbandingan di Gambar 13a, diketahui bahwa pada keseluruhan parameter bentang portal momen yang ditinjau, elemen horizontal sistem PMRBK relatif lebih berat dibanding sistem PMK. Itu terjadi khususnya untuk bentang pendek (≤ 2.5H), tetapi untuk kondisi lebih dari itu, dari kurva juga diketahui adanya peningkatan tajam berat balok pada sistem PMK, sehingga bisa saja menjadi tidak ekonomis lagi. Dari kurva di Gambar 13b, untuk bentang yang semakin besar, berat kolom PMK meningkat tajam. Ini tentunya akibat adanya persyaratan strong-column-weak-beam, untuk menghindari terjadinya mekanisme soft-story yang mungkin terjadi dengan adanya peningkatan kekakuan balok pada bentang yang semakin besar. Jika volume baja dapat dianggap paralel dengan biaya yang diperlukan, dari Gambar 13c dapat diketahui bahwa sistem PMRBK hanya unggul digunakan pada portal bentang besar, jika balok lebih besar 2.5 kali dari tinggi kolom, dan tentu saja harus ≤ 20 m sesuai ketentuan AISC (2010b).

7. Kesimpulan Telah dibahas prosedur perencanaan struktur PMRBK, dan aplikasinya pada berbagai bentang. Selanjutnya dengan analisis non-linier pushover telah dievaluasi perilaku keruntuhan inelastis dan tingkat daktilitasnya. Sebagian memenuhi ketentuan yang berlaku, kecuali konfigurasi dengan bentang sangat pendek (0.5H) yang mengalami kegagalan dengan mekanisme soft-story pada


salah satu kolomnya. Oleh sebab itu, sistem portal momen tahan gempa dengan bentang pendek tidak bisa memanfaatkan sistem PMRBK, harus menggunakan sistem PMK yang biasa dijumpai. Untuk bentang 1.0H ≤ L ≤ 2.5H antara PMRBK dan PMK maka berat strukturnya hampir sama, tidak terdapat perbedaan yang menyolok, antara keduanya. Kelebihan PMRBK adalah adanya ruang bebas, dibanding balok pada sistem PMK yang solid. Perlu dipikirkan juga, adanya detail rangka batang yang lebih rumit, yang tentunya akan mempengaruhi biaya dan waktu pengerjaan. Pada bentang portal momen dengan 2.5H ≤ L ≤ 20 m, dimana elemen horizontalnya semakin dominan untuk memikul beban gravitasi, maka sistem PMRBK yang ditinjau dapat menunjukkan keunggulannya dibanding sistem PMK, sebagai sistem struktur baja tahan gempa yang daktail. Demikian telah dibahas sistem rangka pemikul momen khusus pada SNI 1726-2012, dan untungrugi aplikasinya untuk berbagai bentang bangunan bertingkat sedang. Semoga dapat menjadi bahan pertimbangan awal untuk menentukan sistem struktur baja tahan gempa yang optimal.

8. Daftar Pustaka AISC.(1994a).“Proceedings of the AISC Special Task Committee on the Northridge Earthquake Meeting”, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois. AISC.(1994b). “Northridge Steel Update 1”, AISC, Chicago, Illinois. AISC. (1997). “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings", AISC, Chicago, IL. AISC.(2002). “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings - ANSI/AISC 341-02”, AISC, Chicago, IL. AISC. (2005). “Specification for Structural Steel Buildings - ANSI/AISC 360-05”, AISC, Chicago, IL. AISC. (2010a). “Specification for Structural Steel Buildings - ANSI/AISC 360-10”, AISC, Chicago, IL. AISC.(2010b). “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings - ANSI/AISC 341-10”, AISC, Chicago, IL. AISC.(2010c). “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications - ANSI/AISC 358-10”, AISC, Chicago, IL. ASCE.(2010). “Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures - ASCE/SEI 7-10”, American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia ATC-19.(1995). “Structural Response Modification Factors”, Applied Technology Council, California Basha, H.S. dan Goel, S.C. (1996). “Seismic Resistant Truss Momens Frames with Ductile Vierendeel Segment”, Eleventh World Conference on Earthquake Engineering. CBC.(2001). “California Building Code”, California Building Standards Commission, Sacramento, California. Chao, S.H., and Goel, S.C.(2006). “Performance-Based Plastic Design of Seismic Resistant Special Truss Moment Frames”, Research Report UMCEE 06-03, CE Dept., University of Michigan Hamburger, R.O. et. al. (2000). “Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings (FEMA 350)”, Federal Emergency Management Agency. th Malley, J.O., dan R.E. Shaw.(2008). “AISC Seismic Provision for Structural Steel Building”, the 14 World Conference on Earthquake Engineering, Beijing,China Reis, E. dan David Bonowitz (2000). “Past Performance of Steel Moment-Frame Buildings in Earthquakes (FEMA 355E)”, Federal Emergency Management Agency. SAC (1994), “Proceedings of the Invitational Workshop on Steel Seismic Issues”, Los Angeles, September 1994, prepared by the SAC Joint Venture for the FEMA, Washington, DC. SNI.(2002). “Tata Cara Perencanaan Struktur Baja Untuk Bangunan Gedung (SNI 03-1729-2002)”,Dept PU SNI.(2012). “Tata cara perencanaan ketahanan gempa untuk struktur bangunan gedung dan non gedung (SNI 1726:2012)", Badan Standardisasi Nasional (www.bsn.go.id) SNI.(2015). “Spesifikasi untuk bangunan gedung baja struktural (SNI 1729:2015)", BSN (www.bsn.go.id) Wijaya, R.(2015). “Studi Parametrik Bangunan Tahan Gempa – Studi Kasus Special Truss Momen Frame”, Tesis – Program Pascasarjana Magister Teknik Sipil, Universitas Tarumanagara (tidak dipublikasi)

Tentang penulis Dr. Ir. Wiryanto Dewobroto, MT., dosen di Jurusan Teknik Sipil, Universitas Pelita Harapan, Tangerang. Bidang keahlian rekayasa struktur. Pendidikan S1-UGM (1989), S2-UI (1998), S3-UNPAR (2009) promotor Prof. Moh. Sahari Besari. Aktif menulis dan mengelola blog di http://wiryanto.wordpress.com. Tiga buku karyanya terbaru, adalah "Bridge Engineering in Indonesia", in : Chapter 21 of the Handbook of International Bridge Engineering, by Wai-Fah Chen , Lian Duan, CRC Press (October, 2013); "Komputer Rekayasa Struktur dengan SAP2000", LUMINA Press, Jakarta (April 2013), dan "STRUKTUR BAJA Perilaku, Analisis dan Desain - AISC 2010", LUMINA Press, Jakarta (April 2015).


Perencanaan, Perilaku dan Keunggulan Portal Momen Rangka Batang Khusus (PMRBK) terhadap Portal Momen Khusus (PMK) pada Bangunan Baja Bertingkat Sedang

Recommend Documents