STUDI ANALISIS KINERJA BANGUNAN 2 DAN 4 LANTAI KAYU GLULAM KELAS II (KAMPER) TERHADAP BEBAN SEISMIK DENGAN PUSHOVER ANALYSIS DAN ANALISIS PERKUATAN KAYU GLULAM KELAS II (KAMPER) DENGAN KAYU KELAS I DAN PELAT BAJA. Oleh Mohammad Febriant NIM : 15009120 (Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Program Studi Teknik Sipil) Indonesia dikaruniai berbagai macam jenis kayu yang patut dibudidayakan dan dimanfaatkan sebagai bahan konstruksi bangunan. Kayu kamper adalah salah satu contoh kayu yang telah dikenal luas di masyarakat dan cocok untuk dijadikan bahan konstruksi. Di pasaran dimensi kayu terbatas, oleh karena itu pendesainan bangunan kayu yang memiliki span yang besar menemui hambatan. Salah satu kekurangan dari material kayu adalah kayu memiliki keruntuhan yang getas, namun ini tidak berarti daktilitas kayu tidak bisa bertambah karena kayu masih bisa mengalami plastifikasi di daerah tekan. 1. Pendahuluan Pada umumnya kayu yang dihasilkan mempunyai diameter kecil, sehingga kayu sebagai bahan alamiah berupa balok atau log belum efisien sebagai komponen struktural. Adanya ketersediaan balok dengan diameter kecil, sedangkan kebutuhan sebagian komponen struktural memerlukan dimensi cukup besar, maka perlu suatu metoda yang dapat memenuhi kebutuhan tersebut. 2. Dasar Teori 2.1
Kayu Glulam (Glue Laminated Timber)
Glulam dapat didefinisikan sebagai, produk yang dihasilkan dari balok kayu berdasarkan kapasitas tegangannya dibuat dari lapisan-lapisan kayu terpilih yang direkatkan dengan perekat tertentu dengan arah serat tiap lapisan kayu sejajar pada arah longitudinalnya. Konversi kuat acuan kayu solid ke glulam Kuat Lentur (MPa) Kuat Tarik Sejajar Serat (MPa) Kuat Tarik Tegak Lurus Serat (MPa) Kuat Tekan Sejajar Serat (MPa) Kuat Tekan Tegak Lurus Serat (MPa) Kuat Geser (MPa) Modulus Elastisitas Rata - Rata (MPa) Modulus Elastisitas 5% (MPa)
1
Modulus Elastisitas Tegak Lurus (MPa) Modulus Geser (MPa) Berat Jenis (kg/m3) CATATAN : Untuk glulam kombinasi faktor konversi diaplikasikan pada setiap lapisan kayu glulam yang berbeda. Diasumsikan bahwa setiap lapisan glulam yang berbeda memiliki minimal 1/6 dari total tinggi balok kayu atau dua lapisan laminasi, yang mana yang lebih besar menentukan.
Acuan penentuan nilai pada tabel di atas berdasarkan EN 338 atau mengacu pada prinsip-prinsip yang diberikan pada EN 1194. 2.2
Perencanaan Pembebanan
Dalam menghitung gaya dalam yang terjadi pada struktur harus diperhatikan gaya luar yang bekerja pada struktur. Beban nominal yang harus ditinjau adalah sebagai berikut: a) Beban mati (D) b) Beban hidup (L) c) Behan hidup atap (La) d) Beban hujan (H), tidak termasuk yang diakibatkan genangan air. e) Beban angin (W), 2.3
Kuat Terkoreksi R`
Kuat terkoreksi dihitung berdasarkan persamaan berikut : 2.4
Faktor Koreksi
Dalam penentuan kuat terkoreksi, R', perlu diperhatikan faktor-faktor koreksi berikut ini 1. faktor koreksi untuk masa layan 2. faktor koreksi untuk konfigurasi komponen struktur 3. faktor koreksi tambahan untuk kayu struktural dan kayu lapis yang dilem 4. faktor koreksi tambahan untuk panel struktural 5. faktor koreksi tam bahan untuk tiang dan pancang kayu 6. faktor koreksi tambahan untuk sambungan struktural 2.4.1 Faktor koreksi kelembaban Balok kayu 0.85 * Balok kayu besar (125 mm x 125 mm 1.00 atau lebih besar) Lantai papan kayu 0.85* Glulam (kayu laminasi structural) 0.80 * Untuk ** Untuk
1.00 1.00
0.97 1.00
0.67 0.67
0.8** 0.91
0.90 1.00
0.80
0.87
0.67 0.53
0.73
0.90 0.83
2.4.2 Faktor koreksi temperature Kondisi Acuan
Kadar air pada masa layan* Basah atau Kering 1.0 Kering 1.0 Basah 1.0
0.9 0.8 0.7
0.9 0.7 0.5
2.4.3 Faktor koreksi stabilitas balok adalah faktor koreksi stabilitas balok, untuk memperhitungkan pengaruh pengekangan lateral parsial. Faktor koreksi stabilias balok, , dihitung sebagai berikut : √(
)
Dengan :
adalah momen tekuk lateral elastis; adalah tahanan lentur untuk lentur terhadap sumbu kuat;
adalah faktor tahanan stabilitas; 2.4.4 Faktor koreksi ukuran
adalah faktor koreksi ukuran, untuk memperhitungkan pengaruh dimensi komponen struktur sesuai dengan tata cara yang berlaku. Untuk kayu yang mutunya ditetapkan secara marsinal Klasifikasi Faktor ukuran kayu ukuran Ukuran kayu Lantai Gunakan dari NDS-S table 4A, 4B, 4E dan 4F Balok
( )
, dimana d adalah ketebalan aktual kayu , ( inchi )
2.4.5 Faktor Koreksi Volume Faktor Koreksi pengaruh Volume kayu untuk kayu glulam yang dibebani tegak lurus sisi lebar lapisan ditetapkan menggunakan persamaan ( ) Keterangan : adalah koefisien pembebanan = 130 mm
(
)
( )
adalah lebar komponen struktur lentur (mm)
= 305 mm adalah tinggi komponen struktur (mm) = 6400 mm
= panjang komponen struktur lentur di antara titik – titik dengan momen nol (mm)
2.4.6 Faktor Koreksi Penggunaan Datar Faktor Koreksi Penggunaan Datar digunakan untuk menghitung peningkatan kapasitas lentur dari komponen struktur kayu yang digunakan secara mendatar. Faktor Koreksi Penggunaan Datar Kayu Glulam Dimensi sejajar muka lebar lapisan 270 mm atau 265 mm 1,01 220 mm atau 215 mm 1,04 170 mm 1,07 130 mm atau 125 mm 1,10 80 mm atau 75 mm 1,16 65 mm 1,19 2.4.7 Faktor Koreksi Kelengkungan Faktor Koreksi Kelengkungan digunakan untuk memperhitungkan pengaruh kelengkungan terhadap kapasitas lentur. ( Keterangan : adalah tebal lapisan adalah jari- jari kelengkungan pada sisi dalam balok melengkung
)
2.4.8 Faktor Koreksi Takikan Pada penampang di sepanjang takikan dari sebuah balok persegi dengan tinggi d, tahanan geser terkoreksi dikalikan dengan faktor koreksi takikan yang dihitung sebagai berikut : (
)
adalah tinggi balok tanpa takikan adalah tinggi balok di dalam daerah takikan Jika pada ujung takikan terdapat irisan miring dengan sudut θ terhadap serat kayu untuk mengurangi konsentrasi tegangan maka faktor koreksi takikan dihitung sebagai berikut : ( ) ( )
2.4.9 Faktor Koreksi Area Tumpu = faktor area tumpu = 1.0 untuk konservatif pada semua kondisi
= panjang tumpuan ( panjang tumpuan antara 75 mm sampai 150 mm ) 2.5 Analisis Pushover Analisa statik nonlinier merupakan prosedur analisa untuk mengetahui perilaku keruntuhan suatu bangunan terhadap gempa, dikenal pula sebagai analisa pushover atau analisa beban dorong statik. 2.5.1 Sendi Plastis (Plastic Hinge) Dalam analisis static pushover menggunakan software SAP2000 diperlukan pendefinisian sendi plastis atau hinge terlebih dahulu.
Gambar 2.1 Kurva Load-Deformation Hinge
Panjang sendi plastis digunakan untuk memperoleh nilai rotasi ultimit dari kurfatur ultimit. Untuk dapat menentukan panjang sendi plastis dapat menggunakan persamaan yang telah disederhanakan sebagai berikut.
Dimana : Lp= Panjang sendi plastis H = Tinggi penampang L=Panjang kritis dari penampang kritis sendi plastis ke titik kontraflekstur fy = kuat leleh dbl = diameter perkuatan longitudinal
2.6
Perkuatan Balok kayu
Keruntuhan Tarik pada kayu Mode keruntuhan ini yang paling umum terjadi pada kayu. Keruntuhan ini bersifat Brittle (getas) karena kayu tidak memiliki sifat plastis ketika dikenai tegangan tarik. Penetapan batas tegangan tarik kayu dianggap tercapai ketika tegangan maksimum tekan sama dengan tegangan tariknya. Ada 2 mode keruntuhan yang bisa dikenali pada zona tarik berdasarkan tingkat plastifikasi di bagian tekan. a) Keruntuhan tarik kayu ketika penampang masih dalam kondisi linearelastic
b) Keruntuhan kayu ketika penampang dalam kondisi diantara elastis dan platis.
2.6.1.1 Keruntuhan Tekan pada kayu Keruntuhan mode ini jarang terjadi di balok tanpa perkuatan. Tetapi ketika balok diperkuat di bagian tarik, keruntuhan mode ini bisa terjadi. a) Keruntuhan tekan terjadi sebelum terjadi runtuh tarik
3. Metodologi Metode analisis yang dilakukan perencanaan elemen struktur, analisis pushover, dan analisis perkuatan. Perencanaan elemen struktur tersusun dari asumsi dimensi struktur awal dan pembebanan hingga menghasilkan dimensi yang optimal ditinjau dari kapasitas dan kekakuan struktur. Analisis pushover dilakukan untuk melihat perilaku struktur bangunan kayu dan mekanisme keruntuhannya. Analisis perkuatan dilakukan untuk melihat pengaruh perkuatan baja dan kayu kelas I di daerah tarik kayu glulam kamper. 3.1 Perencanaan Elemen Struktur Profil penampang kolom, balok, rafter, dan bresing digunakan sebagai dasar pemodelan awal bangunan pada SAP2000. Pada proses design sistem struktur bangunan kayu dipengaruhi oleh beban gempa, beban gravitasi, beban angin, beban hujan, dan kapasitas penampang yang digunakan . 3.1.1 Perencanaan Elemen Balok Pada pendesainan balok dibedakan menjadi 3 jenis balok yaitu balok induk arahX, balok induk arah-Y dan balok anak. Bangunan 2 lantai
Dimensi H (mm) B (mm)
Balok Anak
Balok Induk X 240 200
Balok Induk Y
Balok Induk X 300 200
Balok Induk Y 500 200
80 60
420 200
Bangunan 4 lantai Dimensi H (mm) B (mm)
Balok Anak 80 60
3.1.2 Perencanaan Elemen Kolom Pada perencanaan desain, kolom diasumsikan ukuran profil kolom tersebut yang dianggap dapat menanggung beban yang terjadi. Ukuran balok di setiap lantainya berbeda dikarenakan beban yang ditanggung tiap kolom pada setiap lantai berbeda besarnya. Bangunan 2 lantai Dimensi H (mm) B (mm)
Kolom 1A
Kolom 1B
Kolom 2
500 200
260 200
500 200
Bangunan 4 lantai Dimensi
H (mm) B (mm)
Kolom 1A
420 200
Kolom 1B
340 200
Kolom 2A
420 200
Kolom 2B
320 200
Kolom 3A
420 200
Kolom 3B
Kolom 4
300 200
3.1.3 Pengecekan Kapasitas Penampang Dimensi elemen struktur diatas harus dilakukan pengecekan kapasitas penampang untuk mengetahui apakah penampang yang telah didesain mampu memikul beban-beban yang telah ditentukan. Perhitungan Kapasitas Penampang kayu menggunakan metode LRFD seperti yang telah dijelaskan pada bab dasar teori. Beberapa pengecekan yang harus dilakukan untuk elemen struktur kolom antara lain : a. Pengecekan momen b. Pengecekan geser c. Kombinasi tekan dan momen 4. Analisis Kinerja Struktur (Pushover Analysis) 4.1 Dimensi struktur Berikut ini akan dipaparkan dimensi struktur yang digunakan pada proses analisis pushover untuk mendapatkan mekanisme keruntuhan yang sesuai. Dimensidimensi struktur tersebut disajikan pada tabel-tabel berikut ini. Bangunan 2 Lantai Balok dan Rafter Dimensi Balok induk Balok induk X2 Balok induk Y Rafter
420 200
X1 (lantai 1) b(mm) 200 h(mm) 500 Kolom Dimensi Kolom 1A b(mm) 200 h(mm) 600 Bangunan 4 Lantai Balok dan Rafter Dimensi
b(mm) h(mm)
Balok induk X1 (lantai 1) 200 800
Balok induk X2 (lantai 2) 200 500
(lantai 2) 200 300
200 500
200 380
Kolom 1B 200 260
Kolom 2 200 400
Bracing Diameter =12mm
Balok induk X3 (lantai 3) 200 340
Balok induk X4 (lantai 4) 200 300
Balok induk Y
Rafter
200 500
200 380
Kolom Dimensi h(mm) b(mm)
Kolom 1A Kolom 1B Kolom 2A Kolom 2B Kolom 3A Kolom 3B Kolom 4 600 540 540 520 520 500 500 200 200 200 200 200 200 200
Bracing Dimensi Diameter (mm)
Bracing1 (lantai 1) 16
Bracing 2 (lantai 2) 16
Bracing 3 (lantai 3) 12
Bracing 4 (lantai 4) 12
4.2 Analisis Kinerja Struktur Pembebanan yang berpengaruh pada saat proses analisis pushover adalah beban mati dan beban hidup yang direduksi sebesar 30 %. Hasil analisis pushover menunjukkan bahwa kerusakan terberat memang berada pada perimeter atau rangka pemikul beban gempa. 4.2.1 Analisis Pushover Bangunan 2 Lantai Sebagai perbandingan, analisis pushover dilakukan pada struktur menggunakan bracing jenis tension-only dari tulangan baja dan struktur bangunan tanpa bracing.
Pushover Bangunan 2 Lantai
8.000 7.000
Displacement (mm)
6.000 5.000
Tanpa Bracing Arah Y 4.000
Dengan Bracing Arah Y Tanpa Bracing Arah X
3.000
Dengan Bracing Arah X 2.000
1.000 0 0
100
200
300 Base Shear (kN)
400
500
Perbandingan antara base shear dengan displacement pushover arah-y lebih besar dibanding pushover arah-x. Hal ini bisa disebabkan karena kekakuan pada arah-y lebih besar dibanding kekakuan bangunan arah X. Gradien pada kurva berubah ketika terbentuk sendi plastis pada elemen struktur. Berikut ini hasil perhitungan analisis pushover menggunakan metode FEMA440 equivalent linearization. Berdasarkan hasil perhitungan metode FEMA440 equivalent linearization didapat titik kinerja sebagai berikut : Jenis Struktur Pushover Gaya geser (kN) Daktilitas Perpindahan (m) arah-X 257,69 1 0,025 Tanpa Bracing arah-Y 4,811 1 0,00215 arah-X 265,876 1,261 0,027 Dengan Bracing arah-Y 4,774 1 0,00284
4.2.2 Analisis Pushover Bangunan 4 Lantai Sebagai perbandingan, analisis pushover dilakukan pada struktur menggunakan bracing jenis tension-only dari tulangan baja dan struktur bangunan tanpa bracing. Bangunan 4 Lantai 3500 3000 2500 2000 Tanpa Bracing Arah X Dengan Bracing Arah X Tanpa Bracing Arah Y Dengan Bracing Arah Y
1500
1000 500 0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
Base Shear (kN)
Seperti pada struktur dua lantai sebelumnya perbandingan antara base shear dengan displacement pushover arah-y lebih besar dibanding pushover arah-x. Hal ini bisa disebabkan karena kekakuan pada arah-y lebih besar dibanding kekakuan bangunan arah X. Pada saat sebelum sendi plastis pertama terbentuk perilaku sturktur tanpa bracing dan dengan bracing relatif sama. Ketika sendi plastis pertama terbentuk, kurva antara struktur tanpa bracing dan dengan bracing mulai menunjukkan perbedaan. Berikut ini hasil perhitungan analisis pushover menggunakan metode FEMA440 equivalent linearization didapat titik kinerja sebagai berikut : Jenis Struktur Pushover Gaya geser (kN) Daktilitas Perpindahan (m) arah-X 715,516 1 0,098 Tanpa Bracing arah-Y 1018,428 1 0,063 arah-X 1756,051 6,803 0,192 Dengan Bracing arah-Y 2065,783 5,521 0,131
5. PERKUATAN KAYU GLULAM Perkuatan digunakan pada elemen struktur kayu seperti balok untuk meningkatkan kapasitas penampang pada elemen tersebut atau mengurangi dimensi penampang jika dianggap terlalu besar. Bahan perkuatan bisa berbagai macam seperti baja, carbon fibre, ataupun kayu dengan kuat acuan yang lebih tinggi. 5.1 Efek penambahan perkuatan Glulam tanpa perkuatan biasanya mengalami kegagalan di daerah tarik. Sehingga perkuatan diberikan pada daerah tarik untuk memperkuat bagian tersebut. Pada dasarnya ini menambah kapasitas tarik yang dapat mengakibatkan moda kegagalan berpindah ke daerah tekan. Hubungan tegangan-regangan berikut ini memperlihatkan distribusi tegangan pada balok yang diberi perkuatan. Terlihat bahwa kegagalan masih berada pada daerah tarik, dengan daerah tekan yang mengalami plastifikasi.
Untuk mengetahui sampai persentase batas perkuatan yang dapat diberikan pada balok akan diperlihatkan pada gambar di bawah ini. Gambar di bawah ini memperlihatkan balok kayu kamper glulam yang diperkuat dengan kayu bangkirai dan yang diperkuat dengan plat baja dengan terus menambahkan persentase tebal laminasi perkuatan hingga kayu pada bagian tekan mengalami kegagalan.
Kayu glulam kamper baru mulai mencapai plastis pada saat pemberian perkuatan sebanyak 6% dari total tinggi penampangdan saat diberikan perkuatan sebanyak 26% kayu glulam mengalami keruntuhan pada bagian tekan.
Kayu mulai mengalami plastifikasi pada saat diberi perkuatan baja setebal 7mm. Keruntuhan kayu pada bagian tarik terus berlanjut hingga kayu diberi perkuatan baja setebal 35 mm lalu kayu mengalami keruntuhan di bagian tekan. 6. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari Tugas akhir ini dapat diuraikan sebagai berikut : Pada saat pendesainan struktur bangunan kayu menggunakan kayu glulam, konversi kuat acuan kayu solid ke kayu glulam harus dilakukan. Bracing tulangan baja berpengaruh besar pada daktilitas struktur kayu, terutama pada struktur 4 lantai saat permodelan. Struktur kayu tanpa perkuatan hanya mencapai nilai daktilitas 1 dan struktur kayu dengan bracing tulangan baja dapat meningkatkan daktilitasnya hingga 6. Selain menggunakan bracing tulangan baja, salah satu cara yang dapat meningkatkan daktilitas struktur adalah dengan pemberian perkuatan di daerah tariknya. Kapasitas penampang kayu yang diperkuat daerah tarik dapat terus naik hinggga batas tertentu. Dalam hal ini kayu glulam kamper yang diperkuat oleh kayu bangkirai kapasitasnya terus naik hingga tebal perkuatan mencapai 30 % dari tinggi total penampang setelah itu nilai kapasitas mengalami penurunan. Sedangkan letika dipetkuat oleh baja, kapasitas penampang terus naik hingga tebal baja mencapai 15% dari total tinggi penampang dan setelah itu kapasitas kayu tidak mengalami kenaikan. Balok kayu dengan perkuatan baja mempunyai batas maksimum kapasitas penampang yang lebih besar dibanding dengan perkuatan kayu bangkirai. Balok kayu dengan perkuatan baja memiliki harga perkuatan per-m yang lebih murah dibandingkan dengan perkuatan kayu bangkirai dengan kapasitas yang sama.
7. DAFTAR PUSTAKA Jobin, Jacob dan Barragán , Olga Lucia Garzon (2007) : Flexural Strengthening of Glued Laminated Timber Beams with Steel and Carbon Fiber Reinforced Polymers, Master’s Thesis in the International Master’s Programme Structural Engineering, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY. A, Vanessa., A, Manfred.,B, Kolbein., H, Anders Søvsø., K, Petr., L, Antonín., M, Kjell Arne., M, Andrzej., M, Alois., P, Miroslav,. dan T, Matjaz. (2008) : Handbook 1 – Timber Structures, Leonardo da Vinci Pilot Projects. A, Manfred.,B, Kolbein., K, Petr., L, Antonín., M dan P, Miroslav,. dan T, Matjaz. (2008) : Handbook 2 – Design Of Timber Structures According to Ec 5 , Leonardo da Vinci Pilot Projects. SNI 03-xxxx-2000. Tata Cara Perencanaan Struktur Kayu Untuk Bangunan Gedung (Beta Version). SNI 1726-2012. Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur Bangunan Gedung dan Non Gedung. Sugiri, Saptahari.(2012) Struktur dan Bahan Kayu. Penerbit ITB.
