STUDI PERBANDINGAN BEBERAPA BENTUK PENAMPANG BRESING ANTI TEKUK PADA STRUKTUR BANGUNAN BAJA AKIBAT BEBAN GEMPA DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE MIDAS FEA Irsyad Septian Badrauddin, dan Budi Suswanto, Hidayat Soegihardjo Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil & Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak— Buckling Restrained Brace (BRB) adalah pengaku anti tekuk yang berfungsi sebagai penahan gaya lateral dari struktur portal bangunan sehingga dapat meminimalisir defleksi yang terjadi. Salah satu kelebihan dari BRB dibandingkan dengan pengaku lainnya adalah kuat menahan gaya tekan maupun tarik. Kegagalan BRB adalah leleh pada tekan maupun tarik artinya tidak terjadi tekuk pada BRB. Dalam Tugas Akhir ini membahas tentang perbandingan 3 penampang BRB yaitu penampang berbentuk persegi, lingkaran dan multibox dengan baja inti berpenampang silang (cross section). Dari gedung baja 10 lantai diambil portal paling bawah yang mendapat gaya dalam paling besar yang didapat dari analisa dengan SAP 2000 v. 14. Kemudian dianalisa lebih detail dengan Midas FEA untuk menganalisa penampang BRB. Kinerja yang dijadikan perbandingan dalam hal ini menyangkut simpangan (deformasi), tegangan dan regangan. Berdasarkan analisa yang telah dilakukan, diperoleh bahwa kelelehan terjadi pertama kali pada inti baja BRB yang merupakan bagian terlemah. Dan penampang multibox merupakan penampang yang memiliki kekakuan yang paling tinggi karena nilai tegangan, regangan, dan deformasi yang rendah, sedangkan penampang persegi menyerap energi lebih dari penampang-penampang lainnya karena memiliki nilai tegangan yang tinggi.
horizontal dan simpangan yang terjadi. Salah satu kelebihan dari BRB dibandingkan dengan pengaku lainnya adalah kuat menahan gaya tekan maupun tarik. Tugas akhir ini merupakan studi untuk membahas Bracing Anti Tekuk (Buckling Restrained Braced, BRB). Analisa yang dilakukan akan dikembangkan dengan membandingkan BRB dari berbagai macam bentuk penampang. Untuk menganalisa hal tersebut akan direncanakan sebuah portal 2 tingkat (two story) yang akan dipasang konfigurasi BRB two story X-braced dengan berbagai bentuk penampang. Pengambilan sebuah portal 2 tingkat pada lantai dasar dimaksudkan karena portal tersebut sebagai pemikul beban terbesar yang akan di analisa dengan midas FEA, namun untuk analisa gaya dalam dan pembebanan tetap dengan gedung 10 lantai. Portal tersebut akan diberi beban berupa beban mati, beban hidup dan beban beban gempa zona 4 berdasarkan SNI 03-1726-2002 dari arah kiri dan kanan yang besarnya telah diambil dari hasil analisa struktur dengan menggunakan program bantu SAP 2000 v.14. Dalam hal ini bentuk penampang yang akan digunakan ada 3 jenis yaitu penampang persegi, penampang lingkaran, dan penampang multibox yang kesemuanya mempunyai baja inti berpenampang silang (cross section).
Kata kunci : Buckling Restrained Brace, deformasi, tegangan, regangan.
B. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang, ada beberapa permasalahan yang akan dibahas dalam tugas akhir ini, antara lain: 1. Bagaimana pengaruh pemasangan dari BRB dengan berbagai bentuk penampang terhadap simpangan struktur portal akibat mendapat beban mati, hidup maupun beban gempa dari arah kiri dan kanan? 2. Bagaimana dengan perilaku penampang BRB itu sendiri (deformasi, kontur tegangan, dan regangan) dengan berbagai bentuk penampang terhadap gayagaya yang bekerja?
I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang anyak inovasi telah dilakukan dalam bangunan struktur Bbaja. Hal ini dilakukan karena banyaknya gedung-gedung tinggi yang mengalami kegagalan struktur akibat beban lateral seperti gaya gempa. Beberapa inovasi dan penelitian untuk bangunan struktur baja telah dilakukan, salah satunya penelitian tentang bracing atau pengaku pada portal baja. Namun masih minimnya pengaku pada struktur gedung baja yang memiliki kemampuan untuk menahan gaya tekan maupun gaya tarik sekaligus. Banyak program bantu dalam bidang teknik sipil yang telah berkembang pesat sampai saat ini. Beberapa diantaranya terdapat program bantu untuk menggambar konstruksi, analisa struktur, dan sebagainya. Midas merupakan suatu program bantu untuk menganalisa struktur suatu bangunan. Midas FEA dikhususkan untuk menganalisa struktur elemen non linier dan fatigue pada suatu bangunan. Salah satu penelitian tetang pengaku yang telah berkembang sampai sekarang adalah Bracing Anti Tekuk (Buckling Restrained Braces, BRB). Struktur BRB berfungsi sebagai penahan gaya lateral yang bekerja pada suatu portal sehingga dapat meminimalisir deformasi
C. Batasan Masalah Lingkup pembahasan yang akan dianalisa mencakup 1. Portal hanya 2 tingkat (two story) yang diambil dari gedung baja 10 lantai dengan BRB. 2. Konfigurasi BRB yang dipakai pada portal adalah berupa kofigurasi two story X braced dengan 3 penampang berbeda (persegi, lingkaran, dan multibox). 3. Program yang digunakan adalah MIDAS FEA dan SAP 2000 v.14. 4. Tidak membahas masalah manajemen konstruksi serta metode pelaksanaan. 5. Tidak membahas perencanaan pondasi. 6. Tidak terlalu mendetail dalam perencanaan sambungan.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6 II. TINJAUAN PUSTAKA A. Umum Dalam tinjauan pustaka ini akan dijelaskan beberapa pustaka yang berhubungan dengan Tugas Akhir ini. Tinjauan pustaka ini menjelaskan pengertian serta beberapa penjelasan mengenai Buckling Restrained Braced atau pengaku anti tekuk (BRB) pada bangunan gedung baja tahan gempa. Lalu penjelasan mengenai beberapa contoh bentukbentuk penampang BRB yang akan digunakan dalam perencanaan yaitu 3 penampang berbeda dengan inti baja yang sama. Serta penjelasan beberapa konfigurasi yang ada untuk pemasangan BRB pada portal gedung baja untuk menahan gaya-gaya lateral. Dan yang terakhir akan dijelaskan beberapa jurnal-jurnal internasional yang berhubungan dengan BRB dan terkait dengan Tugas Akhir yang akan dikerjakan. B. Buckling Restrained Braces Dalam struktur bangunan baja sering digunakan pengaku (bracing) untuk mengatasi gaya lateral yang terjadi. Kelemahan dari pengaku – pengaku baja pada umumnya adalah kuat menahan gaya tarik namun tidak kuat dalam menahan gaya tekan. Buckling Restrained Brace (BRB) adalah salah satu pengaku (bracing) yang memiliki beberapa kelebihan dibanding pengaaku – pengaku lainnya. Kelebihan yang paling utama adalah BRB mempunyai kemampuan menahan tekan maupun tarik yang sama. Kegagalan BRB adalah leleh pada tekan maupun tarik artinya tidak terjadi tekuk (buckling) pada BRB. BRB merupakan sistem kombinasi dari kekakuan yang tinggi / high stiffness dan daktilitas yang tinggi / high ductility sehingga mengakibatkan kemampuan BRB untuk menahan tekan dan tarik hampir sama. C. Bentuk – bentuk Penampang BRB Dalam Tugas Akhir ini dipakai 3 jenis bentuk penampang BRB yang berbeda. Dari ketiga jenis penampang tersebut akan dibandingkan dan akan diketahui jenis penampang yang paling efektif. Ketiga bentuk penampang BRB tersebut antara lain : 1. Penampang berbentuk persegi dengan baja inti berbentuk silang (cross section). Steel Tube
2 2.
Penampang berbentuk lingkaran dengan baja inti berbentuk silang (cross section). Steel Tube Concrete Core Steel
3.
Gambar 2.2 Penampang lingkaran dengan baja inti berbentuk silang (cross section) (Qiang Xie, 2004) Penampang berbentuk multibox section schemes. Steel Tube
Core Steel
Gambar 2.3 Penampang multibox section schemes (Qiang Xie, 2004) D. Konfigurasi BRB Ada berbagai macam konfigurasi pemasangan BRB. Diantaranya adalah Single Diagonal Braced, Two Story X Bracing, V - Bracing, dan Inverted V – Bracing (engelheardt, 2007).
Single Diagonal
Two Story X - Bracing
Concrete
Core Steel
Gambar 2.1 Penampang persegi dengan baja inti berbentuk silang (cross section) (Qiang Xie, 2004)
V - Bracing
Inverted V - Bracing
Gambar 2.4 Konfigurasi Bracing (Engelheardt, 2007) III. METODOLOGI A. Umum Langkah – langkah pengerjaan proyek akhir ini akan dilakukan seperti diagram alir berikut.
3
4 m
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
4 m
BRB
6m
Gambar 3.3 Pemodelan portal yang akan dianalisa Tidak OK
IV. ANALISA DAN HASIL
OK
Gambar 3.1 Flowchart metode studi B. Desain Pemodelan Perencanaan portal dalam tugas akhir ini meliputi : 1. Perencanaan dimensi portal Dalam perencanaan dimensi portal meliputi: - Jumlah tingkat = 10 tingkat - Lebar portal =6m - Tinggi portal = 4 m (per lantai) 2. Perencanaan profil balok awal (Preliminary Design) Balok utama melintang direncanakan dengan profil WF. 3. Perencanaan profil kolom awal (Preliminary Design) Kolom direncanakan dengan menggunakan profil King Cross. 6m
6m
6m
6m
Balok Induk WF
Balok Anak WF
6m
6m
6m
6m
6m
6m
Kolom King Cross
Gambar 3.2 Denah bangunan 10 lantai
A. Preliminary Design 1. Dimensi Bressing : BRB penampang persegi : Lebar BRB (B) Panjang Baja inti (b) Tebal Steel Tube (tp) Tebal Baja inti (tb) BRB penampang lingkaran : Diameter (D) Panjang Baja Inti (b) Tebal Steel Tube (tp) Tebal Baja Inti (tb) BRB penampang multibox : Lebar BRB (B) Panjang Baja Inti (b) Panjang steel tube (lt 1 ) (lt 2 ) Tebal steel tube (tp 1 ) (tp 2 ) Tebal Baja Inti (tb) 2. Dimensi Balok Induk : Balok Induk lantai 1-3 Balok Induk lantai 4-6 Balok Induk lantai 7-10 3. Dimensi Kolom : Kolom lantai 1-3 Kolom lantai 4-6 Kolom lantai 7-10 B. Data Pembebanan Pembebanan Plat Atap a. Beban Mati Beban pelat bondex Beban beton Beban Mati Total b. Beban Hidup Beban hidup Pembebanan Plat Lantai a. Beban Mati Beban pelat bondex Beban beton Beban finishing Beban Mati Total b. Beban Hidup Beban hidup c. Beban Dinding Beban dinding
= 350 mm = 300 mm = 5 mm = 10 mm = 350 mm = 300 mm = 5 mm = 10 mm = 345 mm = 300 mm = 162,5 mm = 25 mm = 5 mm = 5 mm = 10 mm : WF 450.300.10.15 : WF 450.200.9.14 : WF 450.200.8.12 : K 700.300.13.24 : K 588.300.12.20 : K 500.200.10.16
= 10,1 kg/m2 = 240 kg/m2 + = 250,1 kg/m2 = 100 kg/m2
= 10,1 = 240 = 88 = 338,1
kg/m2 kg/m2 kg/m2 + kg/m2
= 250 kg/m2 = 250 kg/m2
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6 Beban Gempa Beban Gempa dihitung menggunakan Statik Ekuivalen dengan program SAP 2000 v.14. dengan datadata sebagai berikut : a. Wilayah gempa : Zone 6 b. Jenis tanah : Tanah lunak c. Percepatan gravitasi : 9,81 m/dt2 d. Faktor kepentingan (I) : 1 (Perkantoran) e. Faktor reduksi gempa (R) : 7,5 (SRBKK-SRPMK) Beban Angin Beban Angin direncanakan bangunan dekat dengan pantai = 40 kg/m2 Kombinasi Pembebanan Kombinasi pembebanan yang dipakai berdasarkan SNI 03-1729-2002 yaitu : COMB. 1 : 1,4 D COMB. 2 : 1,2 D + 1,6 L COMB. 3 : 1,2 D + 1,0 L + 1,3 W COMB. 4 : 1,2 D + 1,0 L ± 1,0 E COMB. 5 : 0,9 D ± 1,0 E Keterangan : D = Beban Mati L = Beban Hidup W = Beban Angin E = Beban Gempa C. Perhitungan Kapasitas Penampang BRB
300
10
300
Gambar 4.1 Penampang baja inti BRB Data penampang baja inti : Luas (A) = 5900 mm2 = 59 cm2 Momen Inersia : 1
1
i=�
𝐼𝐼
22524166 ,67 5900
1
Beban maksimum yang diijinkan (Nu) Nu = Ø . Nn = 0,85 . 147500 = 125375 kg Kapasitas Maksimum Beban Tarik Kuat Nominal Tarik (Rn) • Kuat nominal leleh : Rn = Ag . fy = 59 . 2500 = 147500 kg Beban maksimum yang diijinkan (Ru) Ru = Ø . Rn = 0,90 . 147500 = 132750 kg • Kuat nominal putus : Karena pada tengah batang tidak ada sambungan maka Ae = Ag, sehingga : Rn = Ae . fu = 59 . 4100 = 241900 kg Beban maksimum yang diijinkan (Ru) Ru = Ø . Rn = 0,75 . 241900 kg = 181425 kg Karena Ru akibat leleh < Ru akibat putus, maka diambil yang paling kritis yaitu Ru akibat leleh. Perhitungan ω dan β 𝑇𝑇 • ω = 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , dimana : 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 . 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴
ω
= Faktor penyesuaian pengerasan regangan T max = Gaya tarik maksimum dari penampang pengaku Fy sc = Tegangan leleh baja inti Asc = Luasan baja inti ω
• β=
= 675000000 – (4 . (163118958,3)) = 22524166,67 mm4 𝐴𝐴
Untuk BRB (Buckling Restrained Braces) : ω=1 2500 Nn = 59 . = 147500 kg
=
132750
2500 . 59
= 0,9
I x = I y = . 300 . (300)3 – 4 . � . 145 . (145)3 + 12 12 145 . 145.(1452+ 5)2 i=�
4
= 61,79 mm = 6,179 cm
Kapasitas Maksimum Beban Tekan Kuat Nominal Tekan (Nn) 𝑓𝑓𝑓𝑓 Nn = Ag . fcr = Ag . 𝜔𝜔 Dimana : Nn = Daya dukung nominal (kg) Ag = Luas Penampang utuh (cm2) fcr = Tegangan kritis penampang (kg/cm2) fy = Tegangan leleh penampang (kg/cm2)
𝐶𝐶𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑇𝑇𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
, dimana :
β = Faktor penyesuaian kekuatan tekan T max = Gaya tarik maksimum dari penampang pengaku C max = Gaya tekan maksimum dari penampang pengaku 125375 ω = 132750
= 0,944
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
5
D. Analisa Perilaku BRB •
Berikut contoh kontur tegangan struktur portal.
Analisa Pushover Portal (2 story)
Gambar 4.6 Hasil deformed shape pada step 6 Dari gambar dapat terlihat bahwa penampang bressing mengalami kelelehan terlebih dahulu dibanding penampang lainnya. Dan berikut kurva hasil analisa pushover portal arah X.
Gambar 4.7 Kurva pushover portal 2 lantai Analisa dengan Midas FEA Dalam analisa BRB, akan ditinjau 8 titik (1 titik pada balok, 1 titik pada kolom, 3 titik pada bressing tekan dan 3 titik pada bressing tarik). Peninjauan tersebut berdasarkan perilakunya dari segi tegangan, regangan, dan deformasi.
Gambar 4.8 Kontur tegangan rangka BRB persegi step 3 Berikut contoh hasil analisa midas FEA BRB penampang terhadap tegangan, regangan, dan deformasi dari portal tersebut. Untuk Jurnal ini kami tinjau titik 1 dan 3. - BRB penampang persegi a. Titik 1
b.
•
1 2 7
Tegangan 2 (N/mm )
Regangan
Displacement (mm)
1
41.159
0.000535
6.09
2
81.807
0.00106
14.957
3
117.174
0.00156
42.2854
4
81.026
39.115
-
5 Titik 3
81.526
44.5
-
Tegangan
Regangan
Displacement
Step
6
8
Step
Gambar 4.8 Titik acuan pada analisa BRB
a.
b.
(N/mm )
(mm)
1
42.115
0.000547
2.768
2
84.613
0.00109
6.979
3
121.511
0.00377
21.03
4
129.538
61.7184
-
5
40.6103
61.6535
-
5 34
2
BRB penampang lingkaran Titik 1 Tegangan Regangan Step 2 (N/mm ) 1 2 3 4 5 Titik 3 Step
Displacement (mm)
34.616 63.579 95.336 87.047 60.239
0.00045 0.000826 0.00128 6.6325 21.246
6.168 14.873 41.425 -
Tegangan
Regangan
Displacement
2
(N/mm )
(mm)
1
39.838
0.000517
2.716
2
82.948
0.00108
6.732
3
123.835
0.0041
19.795
4
45.35
10.9034
-
5
90.483
30.978
-
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6 a.
b.
-
BRB penampang multibox Titik 1 Tegangan Regangan Step 2 (N/mm ) 1 50.2095 0.000653 2 102.605 0.00133 3 95.3122 0.261 4 71.008 14.6352 5 88.427 16.1366 Titik 3 Tegangan Regangan Step 2 (N/mm )
Displacement (mm) 7.293 17.181 -
6
4.
5.
1.
Displacement (mm)
1
44.82
0.00058
3.84
2
93.426
0.0012
9.211
3
86.542
8.562
-
4
32.75
8.832
-
5
120.22
10.153
-
Grafik Tegangan dengan Regangan
2.
3.
4.
5.
Sedangkan penampang multibox memiliki tegangan dan regangan yang rendah, dilihat dari grafik 1, 2, 3, 4, 5, 6, dan 7. Bagian terlemah pada penampang persegi, lingkaran, dan penampang multibox seluruhnya terjadi pada inti baja. Antara inti baja dengan beton ataupun casing terdapat material unbonding, sehingga yang menerima gaya aksial hanyalah inti baja sedangkan casing dan beton hanya berfungsi mencegah tekuk pada inti baja. Hasil analisa pushover portal (two story) menunjukkan bahwa penampang bressing juga mengalami kelelehan terlebih dahulu dibanding dengan penampang yang lainnya. Saran yang dapat diberikan sesuai dengan Tugas Akhir ini adalah : Studi lebih lanjut mengenai perbandingan penampang BRB yang berbeda bentuk namun memiliki luasan yang sama, contohnya dengan penampang baja inti WF, atau dengan penampang baja inti persegi panjang. Studi lebih lanjut mengenai perbandingan penampang BRB lainnya yang dimodelkan dengan konfigurasi yang berbeda, contohnya dengan konfigurasi diagonal dibandingkan dengan konfigurasi V atau inverted V. Studi lebih lanjut dalam menentukan penampang BRB yang paling optimum dengan mempertimbangkan faktor pelaksanaan dan juga harga. Rekomendasi untuk studi selanjutnya bisa dilakukan tes secara langsung dengan material maupun konfigurasi yang sama untuk lebih bisa mendapatkan hasil yang lebih sesuai dengan keadaan yang sebenarnya. Untuk analisa Midas FEA bisa dicoba untuk melakukan pemodelan dan pembebanan hanya pada bressing-nya saja untuk lebih mendapat hasil yang akurat.
Tegangan
Grafik Tegangan - Regangan Titik 1 DAFTAR PUSTAKA
140 120 100 80 60 40 20 0
AISC. 2010. Seismic Provisions for Structural Steel Buildings. Chicago, Illinois : American Institute of Steel Construction. BRB PERSEGI BRB LINGKARAN
0 10 20 30 40 50
Departemen Pekerjaan Umum. 1983. Peraturan Pembebanan Indonesia untuk Gedung. Bandung : Ditjen Cipta Karya Direktorat Penyelidikan Masalah Bangunan.
BRB MULTIBOX Deulkar, dkk. 2010. “Buckling Restrained Braces for Vibration Control of Building Structure”. IJRRAS 4, 363-372.
Regangan
Engelheardt dan Michael D. 2007. Design of Seismic Resistant Steel Building Structures. University of Texas.
Tegangan
Grafik Tegangan - Regangan Titik 3 140 120 100 80 60 40 20 0
BRB PERSEGI BRB LINGKARAN BRB MULTIBOX
0 10 20 30 40 50 60 70 Regangan
Gary dan Paul. 2012. “Seismic Performance of Buckling-Restrained Braced Frames with Eccentric Configurations”. Journal of Structural Engineering, ASCE, 345-353. Larry, dkk. 2007. “Seismic Response and Performance of BucklingRestrained Braced Frames”. Journal of Structural Engineering, ASCE, 1195-1204. Marwan dan Isdarmanu. 2006. Struktur Baja 1. Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Qiang Xie. 2004. “State of the Art of Buckling-Restrained Braces in Asia”. Journal of Constructional Steel Research 61, 727-748. Rahai, dkk. 2008. “Cyclic Performance of Buckling Restrained Composite Braces Composed of Selected Materials”. International Journal of Civil Engineering, Vol. 7, No. 1, 1-8.
V. KESIMPULAN/RINGKASAN Berikut ini adalah hasil yang dapat disimpulkan berdasarkan pemodelan penampang baja BRB dengan midas FEA dan juga analisa manual dalam menentukan penampang BRB yang paling efektif. 1. Jenis BRB yang dianalisa adalah baja inti silang dengan berbagai casing yang berbeda, diantaranya yaitu penampang kotak dengan beton, penampang bulat dengan beton, serta penampang baja multibox. Ketiganya dimodelkan dengan program bantu Midas FEA. 2. Jenis pembebanan yang diberikan adalah beban pressure yang dibebankan pada ujung pertemuan balok dengan kolom sebesar 50N/mm2 dengan beban rencana dengan load factor 2x, 3x, 4x, hingga 5x. Dan didapatkan bahwa pada step ke-4 BRB telah collapse. 3. Penampang BRB dengan tegangan yang paling besar adalah penampang persegi, dilihat dari grafik pada titik 1, 2, 3, 4, dan 7.
Sahoo dan Chao. 2010. “Performance-based plastic design method for buckling-restrained braced frames”. Engineering Structures 32, 2950-2958. Standar Nasional Indonesia. 2002. Tata Cara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung. Badan Standardisasi Nasional. Talebi dan Zahmatkesh. 2010. “Performance of BRBF System and Comparing it with the OCBF”. World Academy of Science, Engineering and Technology 44, 863-870.
