STUDI RESPON KAPASITAS PILAR BETON BERTULANG JEMBATAN TERHADAP BEBAN GEMPA HORISONTAL TESIS

STUDI RESPON KAPASITAS PILAR BETON BERTULANG JEMBATAN TERHADAP BEBAN GEMPA HORISONTAL

TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung

Oleh

ASEP HILMANSYAH NIM : 25002096 Program Studi Rekayasa Struktur

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2005

STUDI RESPON KAPASITAS PILAR BETON BERTULANG JEMBATAN TERHADAP BEBAN GEMPA HORISONTAL

Oleh

Asep Hilmansyah NIM : 25002096 Program Studi Rekayasa Struktur

Menyetujui,

Februari 2005

Pembimbing

( Dr.Ir.Bambang Budiono, ME.)

ABSTRAK STUDI RESPON KAPASITAS PILAR BETON BERTULANG JEMBATAN TERHADAP BEBAN GEMPA HORISONTAL Oleh Asep Hilmansyah Departemen Teknik Sipil Institut Teknologi Bandung Untuk mendapatkan struktur kolom yang stabil, pilar jembatan dengan kolom tunggal umumnya mempunyai dimensi yang besar melebihi kapasitas kuat penampang yang diperlukan. Dalam tulisan ini dilakukan studi tentang dampak dari dimensi kolom yang besar terhadap perilaku struktur pilar jembatan saat beban gempa bekerja. Metoda yang digunakan adalah analisis statik nonlinear dimana pengaruh gempa rencana terhadap struktur dianggap sebagai beban-beban statik yang bekerja pada pusat massa dari masing-masing lump mass. Besarnya beban statik ditingkatkan secara berangsur-angsur sampai melampaui pembebanan yang menyebabkan terjadinya pelelehan (sendi plastis) pertama di dalam struktur, kemudian dengan peningkatan beban lebih lanjut mengalami perubahan bentuk elastoplastis yang besar sampai mencapai kondisi diambang keruntuhan. Hasilnya berupa spektrum kapasitas (capacity spectrum) dari struktur pilar jembatan. Spektrum kapasitas ini dibandingkan dengan spektrum kebutuhan (demand spectrum) gempa yang diperoleh dari respon spektra gempa elastik pada lokasi dimana struktur tersebut berada. Hasil perbandingan antara spektrum kapasitas dengan spektrum kebutuhan adalah titik kinerja/titik potong struktur yang menunjukkan respon struktur terhadap gempa yang ditinjau. Untuk mendapatkan distribusi tegangan dan regangan pada elemen struktur kolom pilar jembatan, struktur dimodelkan sebagai elemen tiga dimensi. Dalam hal ini beton dimodelkan sebagai solid element dan baja tulangan sebagai elemen batang tiga dimensi yang dipasang sepanjang permukaan kolom sebagai elemen diskrit. Analisis dilakukan terhadap perubahan tinggi pilar pada beberapa sistem penulangan. Sistem penulangan menentukan variasi dari kuantitas dan mutu baja tulangan yang digunakan. Dari hasil analisis spektrum kapasitas didapat bahwa untuk kolom tunggal beton bertulang pilar jembatan pada saat terjadi gempa kuat masih berada pada kapasitas elastiknya (linear) sehingga tidak terjadi kerusakan pada struktur kolom pilar jembatan. Dengan demikian kinerja dari struktur kolom pilar jembatan hanya diukur dari besarnya deformasi lateral maksimum. Untuk analisis distribusi tegangan didapat bahwa kapasitas tegangan tekan beton pada dasar kolom lebih kecil dibandingkan kapasitas tegangan tekan blok stress ekivalen whitney.

i

ABSTRACT CAPACITY RESPONS STUDY OF REINFORCED CONCRETE PIER OF BRIDGE DUE TO HORIZONTAL EARTHQUAKE LOADS. By. Asep Hilmansyah Department of Civil Engineering Bandung Institute of Technology. To get stability of column structure, a single column of pier bridge generally have a big dimension exceeded strength capacity of section which is needed. In this thesis is studied about impact of a big column dimension to behavior of structure of bridge pier moment earthquake loads work. The method used is nonlinear static analysis where influence of design load of earthquake to a structure considered to be static loads which work at center of mass from each lump mass. Static load value is improved gradually until exceeded loading which induced the first yield happen in structure, then with the load increasing due to evolution of a big elastoplastic shape to reach the condition of crushing. The result in the form of capacity spectrum of bridge pier structure. This capacity spectrum was compared to demand spectrum of earthquake which to get of elastic response spectral displacement at location where the structure exist. The result of comparison between capacity spectrum with demand spectrum is performance point of structure which show structure respons to earthquake used. To get stress-strain distribution at element of pier column structure of bridge , structure was modeled as the three dimension element. In this case, concrete was modeled as element solid and reinforcement as the three dimension bar element. The arrangement of bar element applied as the discrite element at a long in surface of column. Analysis was done to the height change of pier at some reinforcement systems. Reinforcement systems determine variation of reinforcement quality and quantity which used. The result of spectrum capacity analysis got that for single column of reiforcement concrete pier of bridge at the time is happened of strong earthquake, the structure still in elastic condition so that not happened damage at pier column structure of bridge. Thereby, performance of pier column structure of bridge only measured level of maximum lateral deformation level. For the analysis of stress distribution at column base got that strength capacity concrete at column base smaller than stress block ekuivalen whitney capacity.

i

PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. Perpustakaan yang meminjam tesis ini untuk keperluan anggotanya harus mengisi nama dan tanda tangan pemimjam dan tanggal pinjam.

i

KATA PENGANTAR Alhamdulillah akhirnya penulis dapat menyelesaikan tesis yang menjadi syarat bagi kelulusan Program Pasca Sarjana (S2) pada Jurusan Teknik Sipil Bidang khusus Rekayasa Struktur Institut Teknologi Bandung. Adapun tema yang penulis ambil adalah mengenai kapasitas pilar jembatan terhadap beban gempa. Penulis sangat berterima kasih pada Dr.Ir. Bambang Budiono, ME sebagai pembimbing atas segala saran,bimbingan dan nasihatnya selama penelitian berlangsung dan selama penulisan tesis ini. Penulis juga berterima kasih pada Dr.Ir. Saptahari Sugiri dan Dr.Ir. Herlien D.Setio selaku dosen penguji yang telah meberikan saran, kritik dan nasihat serta bersedia meluangkan waktunya dalam penyelesaian tesis ini. Penulis menyadari bahwa apa yang dilakukan selama penyusunan tesis ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak yang terkait. Untuk itu penulis juga di sini mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Direktur Jenderal Prasarana Wilayah dan Ibu Sekretaris Direktur Jenderal Prasarana Wilayah yang telah memberikan kesempatan pendidikan untuk meningkatkan sumber daya manuasia di lingkungan Depatemen Permukiman dan Prasarana Wilayah dengan memberikan bantuan beasiswa. 2. Ir. Lanneke Tristanto, yang memberikan masukan dan bersedia meluangkan waktunya untuk penulis dalam berkonsultasi tentang hal yang terkait dengan penulisan ini 3. Seluruh dosen pengajar FTSP-ITB yang telah memberikan tambahan ilmu pengetahuan yang sangat berarti bagi penulis selama mmengikuti pendidikan 4. Seluruh staf dan karyawan pada jurusan FTSP-ITB yang telah banyak membantu dalam masalah administrasi dan kelengkapan.

i

5. Rekan-rekan S2

Bidang Rekayasa Struktur khususnya angkatan 2002 atas

kebersamaannya selama masa pendidikan 6. Seluruh pihak yang telah membantu penulis yang tak dapat penulis sebutkan satu per satu disini. Kepada Ir. Iwan Zarkasyi, MEng.Sc dan Ir. Herry Vaza, Meng.Sc yang sangat mendukung dan senantiasa memberikan semangat dan bantuan selama mengikuti pendidikan penulis menyampaikan banyak terima kasih. Semoga segala kebaikan dan bantuan yang diberikan mendapat balasan berupa kebajikan, kemudahan dan pahala Allah SWT. Penulis menyadari bahwa dalam tesis ini masih terdapat kekurangan-kekurangan di luar jangkauan, sehingga penulis berharap dapat masukan baik berupa kritik atau saran yang membangun. Akhir kata semoga tesis ini dapat memberikan manfaat bagi yang membacanya.

Bandung,

Februari 2005 -Penulis-

i

DAFTAR ISI BAB

I.

II

III

IV

V

ABSTRAK ABSTRACT PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR LAMBANG

i ii iii iv vi viii ix xi xii

PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang 1.2. Maksud dan Tujuan 1.3. Sistematika dan Lingkup Bahasan

I-1 I-2 I-2

TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Umum 2.2. Struktur Kolom Beton Bertulang 2.3. Daktilitas Struktur dan Faktor Reduksi Gaya 2.4. Beban Gempa Pada Pilar Jembatan 2.5. Spektrum Kapasitas 2.6. Perilaku Material Struktur 2.7. Distribusi tegangan pada dasar kolom

II-1 II-2 II-6 II-8 II-10 II-13 II-16

TINJAUAN TEORITIS 3.1. Struktur dengan derajat kebebasan tunggal 3.2. Struktur dengan derajat kebebasan banyak 3.3. Respon Spektra 3.4. Struktur dengan derajat kebebasan banyak dibawah beban gempa 3.5. Transformasi Struktur Metoda Spektrum Kapasitas

III-1 III-3 III-6 III-10 III-13

STUDI KASUS 4.1. Rancangan awal Pilar 4.2. Analisis Pushover

IV-4 IV-12

HASIL ANALISIS 5.1. Analisis daktilitas struktur dan faktor reduksi 5.2. Analisis Spektrum kapasitas 5.3. Analisis distribusi tegangan pada dasar kolom

V-1 V-11 V-18

i

VI

KESIMPULAN DAN SARAN 6.1. Kesimpulan 6.2. Saran

VI-1 VI-1

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

i

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN

Halaman

A

PERENCANAAN PILAR JEMBATAN TINGGI 24 METER

A-1

B


B-1

C


C-1

D

CONTOH INPUT PROGRAM PADA ANSYS 5.4 UNTUK PILAR DENGAN TINGGI 48 METER

i

D-1

DAFTAR GAMBAR

GAMBAR

Halaman

I.1 Pengaruh pembesaran momen pada diagram interaksi

II-3

I.2 Paktor panjang tekuk, k

II-4

I.3 Diagram Beban-Simpangan Struktur

II-7

II.4 Kurva Pushover

II-11

II.5 Kurva Kapasitas

II-11

II.6 Kurva spektra kebutuhan

II-12

II.7 Performance Point

II-12

II.8 Idealisasi kurva regangan-tegangan beton

II-14

II.9 Idealisasi kurva regangan-tegangan baja tulangan

II-15

II.10 Blok tegangan ekivalen whitney

II-16

II.11 Tegangan regangan ekivalen withney

II-17

II.12 Distribusi tegangan regangan blok ekivalen whitney

II-18

III.1 komponen yang bekerja dalam sistem

III-1

III.2 Gaya-gaya yang bekerja

III-2

III.3 Gaya-gaya yang bekerja dalam sistem

III-3

III.4 Peralihan struktur untuk sistem tiga derajat kebebasan

III-5

III.5 Respon spektrum peralihan maksimum Sd

III-6

III.6 Respon spektrum percepatan maksimum V

III-7

III.7 Respon spektrum percepatan maksimum A

III-7

III.8 Respon sepktra percepatan elastik (rasio redaman 5%)

III-8

III.9 Respon spektra percepatan elastin (rasio redaman >5%)

III-9

III.10 Transformasi struktur

III-13

IV.1 Potongan memanjang jembatan

IV-2

IV.2 Potongan melintang jembatan

IV-3

IV.3 Model elemen struktur

IV-14

i

IV.4 Model perilaku material beton dengan kuat tekan 25 Mpa

IV-15

IV.5 Model perilaku material baja dengan kuat leleh 400 Mpa

IV-16

IV.6 Distribusi gaya geser

IV-17

IV.7 Kurva Kapasitas kolom pilar jembatan

IV-19

V.1 Diagram beban-simpangan pilar 24 meter dengan tulangan 1%

V-1

V.2 Diagram beban-simpangan pilar 24 meter dengan tulangan 0.3%

V-2


V-3


V-4


V-5


V-5


V-7


V-7


V-8

V.10 Spektrum kapasitas dengan tulangan 1%, fy’ = 400 Mpa

V-11

V.11 Spektrum kapasitas dengan tulangan berdasarkan momen retak, fy’ = 400 Mpa

V-12

V.12 Spektrum kapasitas dengan tulangan Berdasarkan momen retak, fy’ = 240 Mpa

V-13

V.13 Spektrum kapasitas pilar 24 meter dengan beberapa sistem penulangan

V-15


V-16


V-16

V.16 Distribusi tegangan dan regangan pada dasar kolom saat runtuh

V-18

V.17 Distribusi tegangan pada dasar kolom saat runtuh

V-19

V.18 Distribusi regangan pada dasar kolom saat runtuh

V-19

V.19 Distribusi tegangan maksimum terhadap ketinggian saat runtuh

V-20

V.20 Distribusi regangan maksimum terhadap ketinggian saat runtuh

V-21

V.21 Stress-strain beton saat runtuh

V-22

i

DAFTAR TABEL

TABEL

Halaman

IV.1 Kombinasi pembebanan

IV-10

IV.2 Pembesaran momen

IV-11

IV.3 Sistem penulangan

IV-11

IV.4 Distribusi gaya geser pada masing-masing lump mass

IV-18

V.1 Daktilitas dan Faktor Reduksi Pilar 24 meter

V-4


V-6


V-8

V.4 Perhitungan Intensitas tegangan rata-rata

V-22

i

DAFTAR LAMBANG P

: gaya aksial

∆

: defleksi akibat tekuk

e

: eksentrisitas

lu

: panjang kolom yang tidak dikekang

k

: faktor panjang efektif kolom

Ec

: Modulus elastisitas beton

βd

: faktor rangkak

δs

: pembesar momen dengan goyangan

Pc

: beban krtik tekuk euler

Cm

: faktor koreksi pada pembesaran momen

Ig

: momen inersia kolom kotor beton

r

: jari-jari putaran

µ

: daktilitas

δm

: perpindahan yang dicapai saat runtuh

δy

: perpindahan yang dicapi saat leleh pertama

Vn

: gaya geser disain

Vy

: gaya geser pada saat tejadi leleh pertama

Vm

: gaya geser maksimum saat runtuh

Ve

: gaya geser kondisi elestik

f1

: faktor kuat lebih bahan dan beban

f2

: faktor kuat lebih struktur

f

: faktor kuat lebih total

R

: faktor reduksi gaya

Vb

: gaya geser dasar dari gempa rencana

C

: koefisien geser dasar sesuai daerah gempa

S

: faktor tipe bangunan

I

: faktor kepentingan bangunan

f c'

: tegangan tekan maksimum beton

i

εc

: regangan beton

fy

: tegangan leleh baja

εs

: regangan baja

c

: redaman

m

: massa

X(t)

: fungsi peralihan

P(t)

: gaya luar

fD(t)

: gaya redaman

Fs(t)

: gaya pegas elastik

fI(t)

: gaya inersia

x&(t)

: fungsi kecepatan

& x&(t)

: fungsi percepatan

MPF(i)

: modal participation factor pada mode ke-i

t

: waktu

ω

: frekuensi natural

T

: perioda getar

π

: konstata

ξ

: rasio redaman

y (i )

: amplitudo pada mode ke i

φ (i )

: vector eigen atau ragam getar pada mode ke i

& x&g

: percepatan tanah

Sa

: percepatan maksimum respon spektra

Sv

: kecepatan maksimum respon spektra

Sd

: peralihan maksimum respon spektra

M*

: modal massa efektif

BS(i)

: base shear pada mode ke i

∆roof

: peralihan atap

Cv

: koefisien kecepatan maksimum pada media dasar tanah

Ca

: koefisien percepatan maksimum pada media dasar tanah

i

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan 1. Pada perencanaan pilar jembatan kolom tunggal beton bertulang yang lebih dominan menentukan nilai faktor reduksi gaya R adalah faktor kuat lebih bahan dan beban f1 dibandingkan dengan daktilitas µ 2. Dimensi kolom tunggal beton bertulang pada pilar jembatan lebih ditentukan oleh persyaratan kekakuan dibandingkan kekuatan elemen struktur 3. Kolom tunggal beton bertulang pilar jembatan pada saat terjadi gempa kuat masih berprilaku elatik hal ini disebabkan oleh kekakuan yang besar sehingga faktor kuat lebih bahan dan beban menjadi dominan dibandingkan daktilitas struktur 4. Penurunan mutu baja tulangan utama pada kolom beton bertulang dapat meningkatkan daktilitas struktur 5. Terjadi penurunan kapasitas gaya horisontal terhadap bertambahnya ketinggian dari pilar jembatan 6. Untuk mendapatkan sendi plastis di kolom dapat dilakukan dengan cara dimensi di ujung kolom dikecilkan dan mutu baja tulangan diturunkan sehingga kuantitas baja pada penampang beton besar dan menjadi lebih daktail 7. Blok stress ekivalen whitney tidak berlaku pada perhitungan kapasitas kuat tekan beton didasar kolom, karena didasar kolom saat runtuh kuat tekan beton melebihi kuat tekan beton ultimit fc’ tetapi regangan yang terjadi jauh dibawah 0.003 sehingga kapasitas kuat tekannya dibawah kapasitas kuat tekan whitney.

6.2 Saran 1. Perlu dilakukan penelitian mengenai kapasitas pondasi terhadap beban gempa horisontal, mengingat saat terjadi gempa kuat kolom beton bertulang pilar jembatan masih berperilaku elastik. 2. Perlu dilakukan pengkajian lebih lanjut menganai kuat tekan ultimit beton pada dasar kolom pilar jembatan dengan beberapa metoda penelitian sehingga didapat besaran blok stress ekivalen yang berlaku umum.

VI-1

DAFTAR PUSTAKA 1. Bridge Management System (1992) : “ Detailed Earthquake Design “, Departemen Pekerjaan Umum, Direktorat Jenderal Bina Marga, Direktorat Bina Program Jalan, 1992. 2. Applied Technology Council (1981),” Seismic Design Guidelines for Highway Bridges”, Federal Highway Administration Departement of Transportation, California 1981. 3. Park, R ; Paulay, T. (1975): “Reinforced Concrete Structure “, John Wiley & Sons, 1975. 4. Applied Technology Council (1979) :” Earthquake Rsistance of Highway Bridges”, The National Science Foundation, California 1979 5. Applied Technology Council 40, “ Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings “, California Seismic Safety Commission, 1996. 6. Bridge Management System (1992) : “ Bridge Loads “, Departemen Pekerjaan Umum, Direktorat Jenderal Bina Marga, Direktorat Bina Program Jalan, 1992. 7. Chopra, Anil K., Dynamics of Structure : Theory and Applictions to Earthquake Engineering, Prentice Hall, New Jersey, 1995. 8. Departemen Pekerjaan Umum (2001): “Standar Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur Gedung “, SNI – 1726 – 2001, Yayasan Badan Penerbit PU, 2001 9. Departemen Pekerjaan Umum (1992) :” Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Jembatan Jalan Raya”, Yayasan Badan Penerbit PU, 1992. 10. Dipohusosdo, Istimawan (1994) “ Struktur Beton Bertulang”, Depatemen Pekerjaan Umum RI ,1994.

STUDI RESPON KAPASITAS PILAR BETON BERTULANG JEMBATAN TERHADAP BEBAN GEMPA HORISONTAL TESIS

Recommend Documents