ANALISIS PENGARUH VARIASI HUBUNGAN TEGANGAN REGANGAN BETON DAN BENTANG BANGUNAN TERHADAP KINERJA STRUKTUR RANGKA TIGA DIMENSI DENGAN METODE NONLINEAR STATIK PUSHOVER Puput Risdanareni1, Tavio2, Aman Subekti3 1
Mahasiswa pasca sarjana jurusan teknik sipil- struktur FTSP ITS tel: 03160712194;email :
[email protected] 2
Dosen jurusan teknik sipil FTSP ITS email :
[email protected]
3
Dosen jurusan teknik sipil FTSP ITS
ABSTRAK Dalam penelitian ini di buat sebuah model struktur 3D dengan variasi bentang b/ 1; 1,5 ; 2 dimana b ialah bentang bangunan arah X dan ialah bentang bangunan arah Y dengan ketinggian bangunan 56 m ( 14 lantai ). Analisa yang dipakai dalam meninjau perilaku struktur akibat gempa adalah analisa statis nonlinear pushover. Metode yang digunakan untuk analisa tingkat kinerja ialah metode capacity method dan metode target displacement. Digunakan data diagram stress strain beton terkekang milik Cussons Paultre. Dari hasil analisa diperoleh bahwa semakin tinggi rasio b/ bangunan makin kecil nilai daktilitas strukturnya. Bangunan yang memasukkan diagram stress strain Cussons Paultre memiliki daktilitas 2-3 kali lipat lebih tinggi daripada bangunan yang dirancang sesuai FEMA 356. Analisa dengan metode capacity method (Performance Point) ATC 40 lebih akurat untuk menjelaskan perbedaan tingkat kinerja struktur dengan memasukkan efek nonlinearitas dibanding dengan metode target displacement FEMA 356
Kata kunci:
Diagram Stress Strain Cussons Paultre, Tingkat Kinerja, Daktilitas, Analisa Statis Non Linear Pushover, metode koefisien perpindahan, metode performance point
PENDAHULUAN Struktur bangunan yang dirancang oleh arsitek mempunyai beragam gaya, model dan bentuk menjadi fenomena tersendiri bagi seorang teknik sipil dalam menganalisis strukturnya ketika menerima beban gempa. Dalam penelitian ini di buat sebuah model struktur 3D dengan variasi bentang b/ 1; 1,5 ; 2 dimana b ialah bentang bangunan arah X dan ialah bentang bangunan arah Y dengan ketinggian bangunan kurang lebih 56 m (14 lantai). Perkembangan disain struktur tahan gempa akhirakhir ini menawarkan suatu pendekatan baru dengan menggunakan konsep Performance Based Seismic Design. Konsep Performance Based Seismic Design adalah konsep yang menetapkan tingkat kinerja (performance level) yang diharapkan dapat dicapai saat struktur dilanda gempa dengan intensitas tertentu. Metoda evaluasi tingkat kinerja struktur yang dipakai pada penelitian ini bedasarkan FEMA 356 dan ATC 40, yaitu metoda koefisien perpindahan (Displacement Coefficient) dan metoda Performance Point. Sedangkan analisa yang dipakai dalam meninjau perilaku struktur akibat gempa adalah analisa statis nonlinear pushover.
Untuk mendapatkan hasil yang mendekati kenyataan di lapangan, dimasukkan efek nonlinearitas material dan geometri. Non linearitas material dilakukan dengan memasukkan model tegangan regangan beton terkekang Cussons Paultre. Nonlinearitas geometri diwakili dengan memperhitungkan efek P delta. METODE Struktur dirancang dengan memasukkan data stress strain standard (default ETABS) dan akan dibandingkan dengan struktur yang dirancang dengan memasukkan data stress strain Cussons Paultre. Dibuat 3 model struktur yang memiliki perbedaan denah dengan perbandingan b/ 1; 1,5 ; 2.Tinggi bangunan 56 m (14 lantai). Analisa pembebanan pada struktur diberikan pada tabel 1.
A-61 ISBN 978-979-18342-1-6
lunak. Perhitungan gaya gempa diuraikan sebagai berikut : C I Wt ................................(1) V= R Dimana V- Beban geser nominal bangunan; Cfaktor respons gempa ; R- faktor reduksi gempa; Ifaktor keutamaan gedung ; Wt- berat total gedung.
Gambar 1 : denah struktur model 1
Selanjutnya gaya tersebut di distribusikan ke tiap lantai bangunan. Gaya ini nantinya yang akan digunakan untuk analisa pushover. Rumus yang digunakan untuk menghitung gaya untuk tiap lantai ialah : Fi =
Wi .hi
xV ……………….(2)
Wi .hi
Dimana Fi- gaya static equivalent bangunan; Wi – berat bangunan; hi- tinggi bangunan; V- gaya geser total. Sebagai contoh perhitungan berikut diberikan beban static equivalent yang bekerja pada struktur model 1.
Lt 14 1-13
BEBAN DL LL (kg/m2) (kg/m2) 341 100 351 250
B. segitiga Ly = 5 ;½ Lx = 2,5 DL LL (kg/m) (kg/m) 852,5 250 877,5 625
Gambar 2 : Potongan struktur model 1 Tabel 1 : pembebanan tributary area balok pinggir
Tabel 2 : Pembebanan tributary area balok tengah
Lt 14 1-13
BEBAN DL LL (kg/m2) (kg/m2) 341 100 351 250
B. segitiga Ly = 5 ;½ Lx = 2,5 DL LL (kg/m) (kg/m) 1704 500 1755 1250
Beban gempa yang diaplikasikan pada struktur disederhanakan dari respons spectrum menjadi static equivalent, respons spectrum yang digunakan ialah respons spectrum SNI 1726 wilayah 6 tanah
A-62
Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Prasarana Wilayah 2009
Tabel 3 gaya static equivalent struktur model 1 Tabel 4 Rekapitulasi desain struktur Lt
Wi (kg)
14
775.836,0
3
825.336,0
12
825.336,0
11
825.336,0
10
825.336,0
9
926.136,0
8
926.136,0
7
926.136,0
6
926.136,0
5
926.136,0
4
1.037.016,0
3
1.037.016,0
2
1.037.016,0
1
1.037.016,0
Wi.hi (kg.m) 43.446. 816,0 42.917. 472,0 39.616. 128,0 36.314. 784,0 33.013. 440,0 33.340. 896,0 29.636. 352,0 25.931. 808,0 22.227. 264,0 18.522. 720,0 16.592. 256,0 12.444. 192,0 8.296.1 28,0 4.148.0 64,0 366.448 .320,0
Fix (kg) 100%
Tulangan melintang
jarak tulangan melintang (mm)
8D25 (atas) 4D25(bawah)
2D10
150
4D25 (atas) 2D25(bawah)
2D10
150
7D25 (atas) 3D25(bawah)
2D10
150
3D25 (atas) 2D25(bawah)
2D10
150
5D25 (atas) 3D25(bawah)
2D10
150
3D25 (atas) 2D25(bawah)
2D10
150
24D25
4D13
100
16D25
4D12
100
30%
11.527,7
3.458,3
11.387,3
3.416,2
10.511,3
3.153,4
9.635,4
2.890,6
8.759,5
2.627,8
8.846,3
2.653,9
7.863,4
2.359,0
6.880,5
2.064,1
5.897,6
1.769,3
4.914,6
1.474,4
4.402,4
1.320,7
3.301,8
990,5
2.201,2
660,4
1.100,6
330,2
Selanjutnya struktur di analisa menggunakan program ETABS , mtu beton fc’ ialah 30 MPa, dan mutu baja tulangan ialah 400 MPa. Data stress strain yang digunakan ialah milik Cussons Paultre (1995). Struktur di desain sesuai SNI 2847 2002. Adapun hasil desain yang diperoleh disajikan pada tabel 4.
No
Lantai
1
1 s/d 4
2
1 s/d 4
3
5 s/d 9
4
5 s/d 9
5
10 s/d 14
6
10 s/d 14
7
1 s/d 4
8
5 s/d 14
Elemen Struktur Balok interior 400x800 mm Balok eksterior 400x800 mm Balok interior 400x700 mm Balok eksterior 400x700 mm Balok interior 300x600 mm Balok eksterior 300x600 mm kolom 800x800 mm kolom 700x700 mm
Tulangan memanjang
Data stress strain beton terkekang yang digunakan ialah milik Cussons Paultre(1995) disajikan pada gambar 3. Selanjutnya stress strain tersebut di ubah menjadi diagram momen kurvatur balok dan kolom. Diagram momen kurvatur kolom disajikan pada gambar 4.
Gambar 4 : Momen kurvatur kolom 800x800mm Selanjutnya diagram momen kurvatur yang ada harus di idealisasikan agar dapat di input ke dalam program ETABS.
Gambar 3 : Hubungan tegangan regangan kolom 800x800 mm Cussons Paultre A-63 ISBN 978-979-18342-1-6
Dimana Te -periode fundamental effectif ; Co- faktor modifikasi yang menghubungkan nilai spectral displacement dan roof displacement ; C1Faktor modifikasi untuk korelasi target simpangan inelastic maximum terhadap simpangan hasil respon. Selanjutnya nilai target dispalcement bangunan dibagi tinggi bangunan. Dari rasio ini diperoleh jenis performance level bangunan.Dimana kriteria penerimaan yang digunakan ialah ATC 40. Untuk metode performance point hal yang harus dilakukan pertama ialah mengubah kurva demand respons spektrum dan kurva kapasitas model menjadi bentuk ADRS. Untuk mengubah kurva demand digunakan rumus
Gambar 5: 800x800mm
A-64
idealisasi momen kurvatur kolom
Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Prasarana Wilayah 2009
Selanjutnya momen kurvatur yang telah di idealisasikan perlu diubah menjadi momen rotasi untuk dapat di input ke dalam ETABS. Adapun cara mengubah momen kurvatur menjadi momen rotasi menurut Priestley ialah : θp = Lp( φu- φy )..................................(3) Dimana θp - besarnya rotasi; Lp - panjang plastis (1 sampai dengan 2 kali h) ; φu- kurvatur ultimate ; φy- kurvatur leleh.
Pada gambar 6 disajikan hasil analisa pushover seluruh model dengan data hinge property default ETABS berupa kurva kapasitas. Nilai daktilitas seluruh model default ETABS disajikan pada tabel 5.
sendi
Nilai momen rotasi inilah yang kemudian di input sebagai nilai momen rotasi yang baru pada hinge property ETABS. Nilai inisial pada ETABS (default) adalah tetap akan tetapi factor skala nya harus diubah sesuai dengan nilai momen rotasi yang baru. Analisa pushover dilakukan 2 kali yaitu dengan nilai hinge property default ETABS dan nilai hinge property modifikasi Cussons Paultre. Untuk mengetahui tingkat kinerja struktur dilakukan analisa tingkat kinerja dengan 2 metode yaitu target displacement sesuai FEMA 356 dan performance point sesuai ATC 40. Untuk mencari nilai target displacement pada metode target displacement FEMA 356 di gunakan rumus sebagai berikut : 2
t
T
C 0 C1 C 2 C 3 S a
Sd
2
Te 4
2
g .................(4)
…………………………(5)
Sa Sd
(
T 2
2
) S a ………………………(6)
Dimana T-periode; Sd-Spektral displacement ; SaSpektral akseleration. Selanjutnya dilakukan analisa tingkat kinerja dengan cara mencari performance point, dimana performance point ialah titik pertemuan antara kurva demand dan kurva kapasitas. Rumus yang digunakan untuk melakukan analisa ini ialah : Sd = X roof / MPFφroof …………(7) Xroof = Sd * MPF * φroof …………..(8)
Gambar 6 : Kurva kapasitas seluruh model default ETABS Tabel 5 Nilai daktilitas seluruh model default ETABS δm
δy
1
0,5767
0,0448
12,8728
2
0,5193
0,0448
11,5915
3
0,5097
0,0448
11,3772
model
Dimana Sd-Spektral displacement; MPF- faktor partisipasi ragam; φroof -perpindahan pada lantai i ragam ke-1. Berikutnya dilakukan pemeriksaan tingkat kinerja sesuai ATC 40 yaitu dengan mencari rasio kinerja untuk kemudian dicocokkan dengan tingkat kinerja yang dimiliki bangunan Rasio kinerja = Xroof / Hbangunan.............(9) HASIL DAN PEMBAHASAN
μ
Model 1 memiliki daktilititas paling besar serta deformasi paling panjang. Dari tabel 5 dan gambar 6 dapat ditarik kesimpulan semakin besar rasio b/ denah bangunan semakin rendah nilai daktilitasnya dan semakin pendek deformasinya.
A-65 ISBN 978-979-18342-1-6
diperoleh hasil model 1 Cussons Paultre memiliki tingkat kinerja damage control. Pada tabel 8 disajikan rekapitulasi hasil analisa tingkat kinerja dengan metode performance point seluruh model.
Gambar 7 : Kurva kapasitas seluruh model Cussons Paultre
Tabel 6 Nilai daktilitas seluruh model Cussons Paultre δm
model
δy
μ
1
1,771
0,0448
39,5313
2
1,0634
0,0448
23,7366
3
1,0627
0,0448
23,721
Dari gambar 7 dan tabel 6 dapat dilihat bahwa nilai daktilitas seluruh model modifikasi Cussons Paultre memiliki daktilitas 2-3 kali lipat lebih tinggi dari pada model default ETABS. Deformasi yang dihasilkan oleh model dengan modifikasi Cussons Paultre lebih panjang 3-4 kali lipat daripada model default ETABS. Gambar 8 kurva kapasitas dan demand model 1 Pada tabel 7 disajikan hasil analisa tingkat kinerja seluruh model dengan metode target displacement.
Tabel 8 Rekapitulasi hasil analisa tingkat kinerja dengan metode performance point
Tabel 7 Analisa tingkat kinerja dengan metode target displacement Tidak terdapat perbedaan nilai target displacement antara model default ETABS dan modifikasi Cussons Paultre. Seluruh model berada pada level IO (Immediate Occupancy). Diberikan contoh analisa tingkat kinerja dengan metode performance point model 1. Pada gambar 8 disajikan kurva demand , kurva kapasitas model 1 default ETABS, dan kurva kapasitas model 1 Cussons Paultre. Dari gambar 8 dapat di ambil dilihat bahwa kurva kapasitas default ETABS tidak memenuhi kurva demand sehingga tidak dapat di analisa dengan metode performance point. Dengan analisa performance point A-66
Struktur
Ti (dtk)
Te (dtk)
δt (m)
δm/H
level ATC 40
1
1,46
1,4475088
0,47427861
0,00846926
IO
2
1,433
1,4104578
0,45030973
0,00804125
IO
3
1,434
1,4119792
0,45128167
0,0080586
IO
Modifikasi Cussons Paultre model Sd
Xroof
Xroof/ H
tingkat kinerja
1
0,46
0,734
0,013
Damage control
2
0,47
0,748
0,013
Damage control
3
0,45
0,718
0,013
Damage control
Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Prasarana Wilayah 2009
Dari tabel 8 dapat dilihat bahwa seluruh model Cussons Paultre memiliki tingkat kinerja Damage Control. Sedangkan seluruh model default ETABS tidak dapat dianalisa dengan metode ini karena kurva kapasitas model tersebut tidak memenuhi kurva demand respons spectrum. KESIMPULAN Adapun kesimpulan yang diperoleh dari penelitian ini antara lain : 1. Nonlinearitas material sangat berpengaruh terhadap tingkat kinerja bangunan. Bangunan yang memasukkan data stress strain Cussons Paultre memiliki deformasi yang lebih panjang daripada bangunan yang dirancang tanpa memperhitungkan efek nonlinearitas material. 2. Data hinge property etabs yang diambil dari FEMA 356 terlalu konservatif dibandingkan dengan data hinge property Cussons Paultre, hal ini terlihat ketika dilakukan analisa tingkat kinerja bangunan. Bangunan yang dirancang dengan data Cussons Paultre memenuhi target respons spectrum SNI gempa wilayah 6 tanah lunak, sedangkan yang dirancang dengan default etabs tidak memenuhi target demand tersebut. 3. Bentang bangunan dalam hal ini perbandingan antara b/dari denah struktur 3D berpengaruh terhadap daktilitas bangunan. Bangunan yang memiliki rasio b/ terbesar dalam hal ini model 3 memiliki nilai daktilas lebih rendah daripada model lain. 4. Tingkat kinerja seluruh struktur jika di periksa dengan metoda capacity spektrum sesuai ATC 40 ialah damage control, sedangkan jika di periksa dengan metoda target displacement FEMA 356 ialah IO. 5. Analisa dengan metode capacity method ATC 40 lebih akurat untuk menjelaskan perbedaan tingkat kinerja struktur dengan memasukkan efek nonlinearitas bangunan dibanding dengan metode target displacement FEMA 356. 6. Desain tulangan rangkap SNI 2847 2002 tidak memenuhi target kurva demand respons spectrum SNI gempa wilayah 6 tanah lunak untuk analisa tingkat kinerja sesuai ATC 40 dan FEMA 356.
Journal of Civil Engineering (Building and Housing) Vol. 8, No. 3, India, 2007 [5] Almeida,Ricardo.,Barros,Rui, Pushover Analyshis of Three Dimensional Building Frame,Journal of Civil Engineering and Management,2005 [6] Prof. Purwono, Rachmat , Perancangan Struktur Beton Bertulang Tahan Gempa Sesuai SNI – 1726 dan SNI – 2847, itspress ,Surabaya, 2005 [7] Dewobroto,Wiryanto, Aplikasi Rekayasa Konstruksi dengan ETABS 9, Elekmedia Komputindo, Jakarta, 2004 [8] Badan Standardisasi Nasional, Tata Cara Perancangan Ketahanan Gempa untuk Gedung, SNI 03-1726-2002 [9] Husin, Ahmad, Diktat Struktur Beton Dasar, ITS, Surabaya, 2002 [10] Standar Nasional Indonesia (SNI), Tata Cara Perancangan Struktur Beton untuk Bangunan Gedung, SNI 03 – 2847 – 2002 [11] Priestly M.J.N , Performance Based Seismic Design, 12 WCEE, University of California San Diego,2000 [12] Federal Emergency Management Agency , NEHRP Commentary on the Guidline for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA-356, Wasington, DC,1997 [13] ATC, Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Building, Applied Technology Council,Report ATC 40, 1996 [14] Karabinis,A.I.,Kiousis, Plasticity Model for Concrete Elements Subjected to Overloads, Journal of structural Engineering, 1996 [15] Krawinkler,Helmut, Pushover Analysis: Why,How,When and When Not to Use it, Proceeding of 65th Annual Convention of The Structural Engineering Association of California, Hawaii, 1996 [16]Yayasan Lembaga Penyelidikan Masalah Bangunan, Depertemen Pekerjaan Umum , Peraturan Pembebanan Indonesia Untuk Gedung, 1983
DAFTAR PUSTAKA [1] Prof. Budiono, Bambang, Performance Based Design, International Conference on Earthquake engineering and disaster mitigation, Jakarta, 2008 [2] Fattah, Ahmed, Eccentricity Based Analysis of Confinement Reinforced Concrete Circular Column, Kansas State University, Manhattan, 2008 [3] Lee, Sam, Nonlinier Dynamic Earthquake analysis of Skyscraper, CTBUH 8th World Congress, Dubai,2008 [4] Giri, Momen Curvature of reinforced Concrete Beams Using Various Confinement Models and Eksperimental Validation, Asian A-67 ISBN 978-979-18342-1-6
