PERBANDINGAN PERILAKU DAN KINERJA STRUKTUR RANGKA BAJA DENGAN SISTEM BREISING KONSENTRIK TIPE-X DAN SISTEM BREISING EKSENTRIK V-TERBALIK COVER
TUGAS AKHIR
Oleh :
I Dewa Gede Amertha Semadi 1204105003
JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2016
HALAMAN PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya : Nama
: I Dewa Gede Amertha Semadi
NIM
: 1204105003
Judul TA
: Perbandingan Perilaku dan Kinerja Struktur Rangka Baja dengan Sistem Breising Konsentrik Tipe-X dan Sistem Breising Eksentrik V-Terbalik. Dengan ini saya nyatakan bahwa dalam Laporan Tugas Akhir/Skripsi saya
ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya, juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan daalam daftar pustaka.
Denpasar, 07 April 2016
i
HALAMAN PENGESAHAN LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
Tugas akhir ini telah diujikan dan dinyatakan lulus, sudah direvisi serta telah mendapat persetujuan pembimbing sebagai salah satu persyaratan untuk menyelesaikan Program S-1 pada Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Universitas Udayana. Judul Tugas Akhir
:
Nama NIM Jurusan Diuji Tanggal
: : : :
Perbandingan Perilaku dan Kinerja Struktur Rangka Baja dengan Sistem Breising Konsentrik Tipe-X dan Sistem Breising Eksentrik V-Terbalik. I Dewa Gede Amertha Semadi 1204105003 Teknik Sipil 15 April 2016 Bukit Jimbaran, 26 April 2016
Menyetujui:
ii
ABSTRAK Pada penelitian ini dilakukan perbandingan perilaku struktur baja yang terdiri atas simpangan, kekuatan, kekakuan, dan daktilitas, serta kinerja struktur baja dengan breising konsentrik tipe-X dan breising eksentrik V-terbalik. Struktur yang dianalisis diasumsikan sebagai gedung perkantoran 7 lantai yang terletak di tanah lunak (SE). Model struktur yang dianalisis terdiri atas struktur baja dengan sistem rangka pemikul momen (SRPM) sebagai model acuan dan pembanding serta struktur baja dengan sistem rangka breising konsentrik tipe-X (SRBK), dan sistem rangka breising eksentrik V-terbalik (SRBE). Analisis dilakukan dengan menggunakan bantuan software ETABS 2015. Analisis tahap awal dilakukan terhadap model SRPM untuk memperoleh dimensi elemen struktur yang memenuhi kriteria kekuatan elemen struktur dengan nilai stress ratio kurang dari 0,95. Dimensi yang sama digunakan pada model SRBK dan SRBE sehingga dapat diketahui perilaku dan kinerja masing-masing model struktur berdasarkan hasil analisis linear dan analisis statik nonlinear pushover. Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa dengan dimensi elemen struktur yang sama, model SRBK memiliki simpangan yang lebih besar hingga 32% dibandingkan dengan model SRBE. Kekuatan model SRBK lebih besar 23% dibandingkan model SRBE. Model SRBK memiliki kekakuan 10% lebih besar dibandingkan dengan model SRBE. Model SRBK memiliki nilai daktilitas 26% lebih kecil dibandingkan dengan model SRBE. Hasil analisis menunjukkan bahwa model SRBK dan SRBE berada pada level kinerja yang sama yaitu Life Safety (LS). Kata kunci : Struktur rangka baja, Breising konsentrik, Breising eksentrik, Pushover, Perilaku, Kinerja.
iii
UCAPAN TERIMAKASIH Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan judul “Perbandingan Perilaku dan Kinerja Struktur Rangka Baja dengan Sistem Breising Konsentrik Tipe-X dan Sistem Breising Eksentrik V-terbalik” tepat pada waktunya. Pada tahap penyusunan tugas akhir ini, penulis mendapat bimbingan, arahan, dukungan serta berbagai informasi yang berkaitan dengan tugas akhir ini dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak I Gede Adi Susila, ST., MSc., Ph.D. dan Ibu Ir. Ida Ayu Made Budiwati, MSc., Ph.D. selaku pembimbing tugas akhir yang telah memberikan pengetahuan, bimbingan, dan dorongan kepada penulis. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada keluarga yang senantiasa memberikan nasihat dan motivasi. Tidak lupa penulis juga mengucapkan terima kasih kepada teman-teman di Jurusan Teknik Sipil, Universitas Udayana, khususnya teman-teman Imagineer yang telah memberikan banyak bantuan selama masa perkuliahan berlangsung. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih memiliki banyak kekurangan, maka dari itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari para pembaca sebagai bahan penyempurnaan dalam penyusunan tugas akhir ini. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat memberikan informasi dan inspirasi bagi para pembaca sehingga dapat bermanfaat bagi para pembaca pada bidang Teknik Sipil.
Bukit Jimbaran, 10 April 2016
Penulis
iv
DAFTAR ISI HALAMAN PERNYATAAN............................................................................... i HALAMAN PENGESAHAN .............................................................................. ii ABSTRAK .......................................................................................................... ii UCAPAN TERIMAKASIH ................................................................................ iv DAFTAR ISI ....................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... vii DAFTAR TABEL ............................................................................................... x DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN ........................................................... xii BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang....................................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah.................................................................................. 3 1.3 Tujuan ................................................................................................... 3 1.4 Manfaat Penelitian ................................................................................. 3 1.5 Batasan Penelitian.................................................................................. 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................... 5 2.1 Umum ................................................................................................... 5 2.2 Sistem Rangka Breising Konsentrik (SRBK) ......................................... 5 2.3 Sistem Rangka Breising Eksentrik (SRBE) ............................................ 6 2.3.1 Elemen Link.................................................................................... 8 2.3.2 Kekuatan Geser dan Batasan Panjang Link...................................... 9 2.3.3 Sudut Rotasi Link.......................................................................... 11 2.4 Sistem Sambungan............................................................................... 12 2.5 Pelat Komposit .................................................................................... 14 2.6 Analisis Modal..................................................................................... 14 2.7 Pembebanan......................................................................................... 15 2.7.1 Beban Mati ................................................................................... 15 2.7.2 Beban Hidup ................................................................................. 15 2.7.3 Beban Gempa ............................................................................... 16 2.8 Kombinasi Pembebanan ....................................................................... 19 2.9 Batasan Simpangan Antar Lantai Tingkat ............................................ 20 2.10 Perilaku Struktur Terhadap Beban Gempa ........................................ 21 2.10.1 Daktilitas Struktur......................................................................... 22 2.11 Kinerja Struktur................................................................................ 23 2.12 Analisis Statik Nonlinear Pushover .................................................. 26 2.12.1 Mekanisme Sendi Plastis .............................................................. 28 2.12.2 Idealisasi Kurva Pushover ............................................................. 29 2.13 Target Perpindahan .......................................................................... 30 2.13.1 Prosedur Statik Nonlinear (ASCE 41-13 NSP) .............................. 30 2.13.2 Metode Spektrum Kapasitas (FEMA 440 EL) ............................... 32 2.14 Penelitian Terkait Dengan Penggunaan Breising Pada Struktur Baja 35 2.14.1 Kotabagi et al. (2015) ................................................................... 35 2.14.2 Kalibhat et al. (2014) .................................................................... 36 2.14.3 Tafheem and Khusru (2013) ......................................................... 38 2.14.4 Sudarsana, dkk. (2015) ................................................................. 40 2.14.5 Pradhana (2014)............................................................................ 41 2.14.6 Tama (2013) ................................................................................. 43 v
BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................... 45 3.1 Kerangka Penelitian ............................................................................. 45 3.2 Data Struktur ....................................................................................... 47 3.2.1 Geometri Struktur ......................................................................... 47 3.2.2 Data Material ................................................................................ 50 3.3 Pembebanan Struktur ........................................................................... 51 3.3.1 Beban Vertikal .............................................................................. 51 3.3.2 Beban Lateral (Gempa) ................................................................. 52 3.3.3 Kombinasi Beban ......................................................................... 58 3.4 Pemodelan Struktur.............................................................................. 58 3.5 Analisis Statik Pushover ...................................................................... 60 3.6 Perilaku dan Kinerja Struktur ............................................................... 63 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................ 65 4.1 Dimensi Penampang dan Stress Ratio .................................................. 65 4.2 Kontrol Terhadap Link ........................................................................ 69 4.2.1 Kontrol Terhadap Panjang Link .................................................... 69 4.2.2 Tipe Keruntuhan Link ................................................................... 70 4.3 Analisis Modal..................................................................................... 71 4.4 Simpangan Antar Lantai Tingkat ......................................................... 73 4.5 Analisis Statik Nonlinear Pushover ...................................................... 76 4.5.1 Kurva kapasitas Struktur ............................................................... 76 4.5.2 Perbandingan Kurva kapasitas Struktur ......................................... 80 4.6 Kekuatan Struktur ................................................................................ 82 4.7 Kekakuan Struktur ............................................................................... 84 4.8 Daktilitas Struktur................................................................................ 85 4.9 Target Perpindahan .............................................................................. 87 4.9.1 Target Perpindahan Berdasarkan FEMA 440 EL ........................... 87 4.9.2 Target Perpindahan Berdasarkan ASCE 41-13 NSP ...................... 90 4.10 Kinerja Struktur................................................................................ 93 4.10.1 Pola Keruntuhan Struktur.............................................................. 93 4.10.2 Level Kinerja Struktur .................................................................. 98 BAB V PENUTUP .......................................................................................... 100 5.1 Simpulan ........................................................................................... 100 5.2 Saran ................................................................................................. 101 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 102 LAMPIRAN A KETENTUAN PEMBEBANAN VERTIKAL......................... 105 LAMPIRAN B KETENTUAN PEMBEBANAN GEMPA BERDASARKAN SNI 1726:2012 ........................................................................................................ 108 LAMPIRAN C PROPERTI SENDI PLASTIS ASCE 41-13 ............................ 110 LAMPIRAN D HASIL ANALISIS .................................................................. 111
vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Tipe sistem rangka breising konsentrik (SRBK)
6
Gambar 2.2 Tipe sistem rangka breising eksentrik (SRBE)
7
Gambar 2.3 Pengaruh variasi e/L terhadap kekakuan elastik EBF
9
Gambar 2.4 Rotasi link pada struktur rangka breising eksentrik V-terbalik
11
Gambar 2.5 Sambungan sederhana
12
Gambar 2.6 Sambungan momen
13
Gambar 2.7 (a) Tebal pelat ekivalen (Dp)
14
Gambar 2.7 (b) Diagram tegangan pelat komposit
14
Gambar 2.8 Persyaratan pelat komposit
14
Gambar 2.9 Spektrum respon desain
19
Gambar 2.10 Mekanisme leleh pada struktur gedung
22
Gambar 2.11 Roof drift ratio pada struktur
25
Gambar 2.12 Kurva pushover
27
Gambar 2.13 Grafik hubungan gaya vs perpindahan
28
Gambar 2.14 Kurva pushover (positive post-yield slope)
29
Gambar 2.15 Kurva pushover (negative post-yield slope)
29
Gambar 2.16 Kurva ADRS
33
Gambar 2.17 Penentuan titik kinerja dengan prosedur A
33
Gambar 2.18 Penentuan titik kinerja dengan prosedur B
34
Gambar 2.19 Penentuan titik kinerja dengan prosedur C
34
Gambar 2.20 Model struktur rangka breising konsentrik
35
Gambar 2.21 Simpangan struktur arah X dan Y akibat beban gempa
35
Gambar 2.22 Simpangan struktur arah X dan Y akibat beban angin
36
Gambar 2.23 Model struktur 3 lantai dan 5 lantai
37
Gambar 2.24 Grafik perbandingan simpangan vs gaya geser dasar
37
Gambar 2.25 Portal arah X model struktur breising tipe-X dan tipe-V
39
Gambar 2.26 Grafik simpangan struktur arah Y dan arah X
39
Gambar 2.27 Portal struktur SRPMK dan SRBE
40
Gambar 2.28 Grafik pushover masing-masing model struktur
40
Gambar 2.29 Grafik perbandingan berat masing-masing model struktur
41
Gambar 2.30 Model struktur SRPM dan SRBE dengan L/H bervariasi
42
Gambar 2.31 Grafik pushover struktur SRPM dan SRBE dengan L/H bervariasi 42
vii
Gambar 2.32 Model struktur SRPM, SRBE, dan SRBK
43
Gambar 2.33 Grafik pushover struktur SRPM dan SRBE dengan e bervariasi
44
Gambar 3.1 Kerangka penelitian
45
Gambar 3.2 Denah struktur SRPM (model acuan dan pembanding)
47
Gambar 3.3 Denah struktur SRB (model SRBK dan SRBE)
48
Gambar 3.4 Portal 1-arah X (SRPM)
48
Gambar 3.5 Portal 1-arah X (SRBK)
49
Gambar 3.6 Portal 1-arah X (SRBE)
49
Gambar 3.7 Lysaght Smartdek
50
Gambar 3.8 Grafik respon spektrum desain
55
Gambar 3.9 Definisi fungsi respon spektrum pada ETABS 2015
56
Gambar 3.10 Input parameter respon spektrum pada ETABS 2015
56
Gambar 3.11 Definisi beban gempa arah x dengan metode respon spektrum
57
Gambar 3.12 Definisi berat seismik efektif pada software ETABS 2015
58
Gambar 3.13 Model SRPM pada ETABS 2015
59
Gambar 3.14 Model SRBK pada ETABS 2015
59
Gambar 3.15 Model SRBE pada ETABS 2015
60
Gambar 3.16 Kurva kapasitas pada analisis statik nonlinear pushover
60
Gambar 3.17 Properti sendi plastis pada kolom
61
Gambar 3.18 Properti sendi plastis pada balok
62
Gambar 3.19 Properti sendi plastis pada breising
62
Gambar 3.20 Properti sendi plastis pada link
63
Gambar 4.1 Stress ratio portal SRPM arah X
64
Gambar 4.2 Stress ratio portal SRPM arah Y
67
Gambar 4.3 Stress ratio portal SRBKarah X
67
Gambar 4.4 Stress ratio portal SRBK arah Y
68
Gambar 4.5 Stress ratio portal SRBEarah X
68
Gambar 4.6 Stress ratio portal SRBE arah Y
69
Gambar 4.7 Bentuk mode struktur model SRPM
71
Gambar 4.8 Bentuk mode struktur model SRBK
71
Gambar 4.9 Bentuk mode struktur model SRBE
72
Gambar 4.10 Grafik simpangan struktur arah X akibat beban gempa
73
Gambar 4.11 Grafik simpangan struktur arah Y akibat beban gempa
74
Gambar 4.12 grafik simpangan antar lantai tingkat arah X
75 viii
Gambar 4.13 grafik simpangan antar lantai tingkat arah Y
75
Gambar 4.14 Kurva kapasitas model SRPM arah X
77
Gambar 4.15 Kurva kapasitas model SRPM arah Y
77
Gambar 4.16 Kurva kapasitas model SRBK arah X
78
Gambar 4.17 Kurva kapasitas model SRBK arah Y
79
Gambar 4.18 Kurva kapasitas model SRBE arah X
79
Gambar 4.19 Kurva kapasitas model SRBE arah Y
80
Gambar 4.20 Kurva kapasitas model struktur arah X
81
Gambar 4.21 Kurva kapasitas model struktur arah Y
81
Gambar 4.22 Grafik perbandingan kekuatan struktur
83
Gambar 4.23 Grafik perbandingan kekakuan struktur
84
Gambar 4.24 Grafik perbandingan daktilitas struktur
86
Gambar 4.25 Kurva ADRS model SRPM arah X
87
Gambar 4.26 Kurva ADRS model SRPM arah Y
88
Gambar 4.27 Kurva ADRS model SRBK arah X
88
Gambar 4.28 Kurva ADRS model SRBK arah Y
88
Gambar 4.29 Kurva ADRS model SRBE arah X
89
Gambar 4.30 Kurva ADRS model SRBE arah Y
89
Gambar 4.31 Kurva bilinear dan kapasitas model SRPM arah X
90
Gambar 4.32 Kurva bilinear dan kapasitas model SRPM arah Y
91
Gambar 4.33 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBK arah X
91
Gambar 4.34 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBK arah Y
91
Gambar 4.35 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBE arah X
92
Gambar 4.36 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBE arah Y
93
Gambar 4.37 Pola keruntuhan model SRPM arah X
94
Gambar 4.38 Pola keruntuhan model SRPM arah Y
94
Gambar 4.39 Pola keruntuhan model SRBK arah X
95
Gambar 4.40 Pola keruntuhan model SRBK arah Y
96
Gambar 4.41 Pola keruntuhan model SRBE arah X
97
Gambar 4.42 Pola keruntuhan model SRBE arah Y
98
ix
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Koefisien situs, Fa
16
Tabel 2.2 Koefisien situs, Fv
17
Tabel 2.3 Kategori desain seismic berdasarkan nilai S DS
17
Tabel 2.4 Kategori desain seismic berdasarkan nilai S D1
17
Tabel 2.5 Simpangan antar lantai tingkat ijin
21
Tabel 2.6 Daktilitas struktur
23
Tabel 2.7 Level kinerja bangunan
24
Tabel 2.8 Level kinerja struktur
25
Tabel 2.9 Gaya geser dasar masing-masing model struktur
38
Tabel 2.10 Simpangan atap (RD) masing-masing model struktur
38
Tabel 3.1 Tabulasi nilai Sa untuk masing-masing nilai T
55
Tabel 4.1 Dimensi dan stress ratio elemen struktur
65
Tabel 4.2 Kontrol terhadap panjang link beam
70
Tabel 4.3 Penentuan tipe keruntuhan link beam
70
Tabel 4.4 Periode dan frekuensi alami struktur
72
Tabel 4.5 Kekuatan struktur arah X
82
Tabel 4.6 Kekuatan struktur arah Y
82
Tabel 4.7 Kekakuan struktur arah X
84
Tabel 4.8 Kekakuan struktur arah Y
84
Tabel 4.9 Daktilitas struktur arah X
85
Tabel 4.10 Daktilitas struktur arah Y
86
Tabel 4.11 Parameter pada titik kinerja struktur
90
Tabel 4.12 Target perpindahan dan gaya geser dasar model struktur
92
Tabel 4.13 Level kinerja struktur berdasarkan target perpindahan FEMA 440 EL
99
Tabel 4.14 Level kinerja struktur berdasarkan target perpindahan ASCE 41-13 NSP 99 Tabel A.1 Beban hidup untuk hunian
107
Tabel B.1 Kategori resiko bangunan
108
Tabel B.2 Faktor keutamaan gempa
109
Tabel B.3 Faktor R, Cd, dan Ω0 untuk sistem penahan gaya gempa
109
Tabel C.1 Properti sendi plastis pada balok, kolom, dan link beam
110
Tabel C.2 Properti sendi plastis pada breising
110
Tabel D.1 Hasil analisis modal struktur SRPM
111
x
Tabel D.2 Hasil analisis modal struktur SRBK
111
Tabel D.3 Hasil analisis modal struktur SRBE
112
Tabel D.4 Hasil analisis pushover model SRPM arah X
112
Tabel D.5 Hasil analisis pushover model SRPM arah Y
113
Tabel D.6 Hasil analisis pushover model SRBKarah X
113
Tabel D.7 Hasil analisis pushover model SRBK arah Y
114
Tabel D.8 Hasil analisis pushover model SRBE arah X
114
Tabel D.9 Hasil analisis pushover model SRBE arah Y
115
xi
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN Ag
: Luas penampang
Cm
: Faktor massa efektif
C0
: Faktor modifikasi nilai spektral perpindahan ekivalen
C1
: Faktor modifikasi perpindahan inelastik
C2
: Koefisien untuk memperhitungkan efek “pinching”
D
: Beban mati
d
: Tinggi penampang baja
e
: Panjang elemen link beam
E
: Beban gempa
E
: Modulus elastisitas baja
Ec
: Modulus elastisitas beton
Eh
: Pengaruh gempa horisontal
Ev
: Pengaruh gempa vertikal
Fa
: Koefisien situs berdasarkan nilai SS
Fu
: Tegangan ultimate baja
Fv
: Koefisien situs berdasarkan nilai S1
Fy
: Tegangan leleh baja
f’c
: Mutu beton
g
: Percepatan gravitasi
h
: Tinggi tingkat
hsx
: Tinggi tingkat dibawah tingkat x
Ie
: Faktor keutamaan gempa
K
: Faktor panjang efektif
KR
: Kategori risiko
L
: Beban hidup
L
: Panjang tanpa breising dari komponen struktur
Lr
: Beban hidup atap
Mp
: Momen plastis penampang
Pc
: Kekuatan leleh aksial nominal
Pr
: Kekuatan aksial perlu kombinasi LRFD
QE
: Pengaruh gaya gempa horizontal dari V atau Fp xii
r
: Radius girasi
R
: Beban hujan
R
: Faktor reduksi beban gempa
S
: Beban salju
Sa
: Spektral percepatan
Sd
: Spektral perpindahan
SdS
: Parameter percepatan spektral desain untuk periode pendek
Sd1
: Parameter percepatan spektral desain untuk periode 1 detik
SMS
: Parameter spektrum respon percepatan pada periode pendek
SM1
: Parameter spektrum respon percepatan pada periode 1 detik
Ss
: Spektral percepatan pada periode pendek ( T=0,2 detik)
S1
: Spektral percepatan pada periode 1 detik
T
: Periode alami struktur
td
: Tebal dek baja
Te
: Waktu getar alami efektif yang memperhitungkan kondisi elastik.
tf
: Tebal sayap penampang baja
Ts
: Waktu getar karakteristik
tw
: Tebal badan penampang baja
V
: Gaya geser dasar
Vc
: Kekuatan leleh geser nominal
Vp
: Kekuatan geser
Vr
: Kekuatan geser perlu kombinasi LRFD
Vy
: Gaya geser dasar pada saat leleh
W
: Beban angin
W
: Berat seismik efektif struktur
Z
: Modulus plastis penampang
α
: Faktor kelas situs
∆
: Simpangan antar lantai tingkat desain
∆a
: Simpangan antar lantai tingkat ijin
∆p
: Plastic story drift
γp
: Sudut rotasi link
δ
: Perpindahan pada titik kontrol
xiii
δm
: Perpindahan struktur pada kondisi di ambang keruntuhan
δy
: Perpindahan struktur pada kondisi leleh
μ
: Daktilitas struktur
μstrength
: Rasio elastik antara kekuatan perlu dengan kekuatan leleh.
ω
: Frekuensi alami struktur
ρ
: Faktor redudansi, diambil 1,3
ρ'
: Perbandingan nilai Pr/Pc dengan nilai Vr/Vc
θp
: Besar sudut story drift
xiv
