SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011
RESPONS SIKLIK PANEL KAYU STRUKTURAL Ali Awaludin1 1
Program Studi Teknik Sipil dan Lingkungan, Universitas Gadjah Mada Yogyakarta, Jl. Grafika 2 Yogyakarta Email:
[email protected]
ABSTRAK Perilaku statik dan siklik panel sepenuhnya dipengaruhi oleh perilaku sambungan mekanis (sambungan antara bahan penutup panel dan batang kayu vertikal) di sekeliling panel. Oleh karena itu respons siklik panel dapat dimodelkan bila data pengujian sambungan mekanis tersebut diketahui. Dalam penelitian ini, respon siklik panel dianalisis dengan program CASHEW sedangkan perilaku siklik sambungan plywood-kayu dengan alat sambung paku CN50 diperoleh melalui pengujian laboratorium. Kayu yang digunakan adalah Melia azedarach (berat jenis, 0,52), Swietenia mahagoni (berat jenis, 0,51) dan Pterospermum javanicum (berat jenis, 0,61), sedangkan dua jenis plywood yang digunakan adalah Abies sachalinensis (berat jenis 0,38) dan Shorea negrosensei (berat jenis 0,65). Pengujian siklik sambungan dilakukan hingga slip sebesar 7,5 mm dan 12 mm lalu dilanjutkan dengan pengujian monotonik hingga tercapai kegagalan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kegagalan sambungan dengan plywood Abies sachalinensis disebabkan oleh masuknya kepala paku kedalam plywood (punching failure). Model kegagalan ini menyebabkan kekuatan sambungan hasil pengujian tidak menunjukkan perbedaan yang berarti untuk nilai kepadatan kayu yang berbeda. Sedangkan pada sambungan dengan plywood Shorea negrosensei, kegagalan sambungan terjadi karena tercabutnya paku dari kayu (withdrawal failure). Pada sambungan dengan jenis kegagalan cabut, kekuatan sambungan tertinggi diberikan oleh kayu yang memiliki nilai kepadatan tertinggi, yaitu kayu Pterospermum javanicum. Sambungan dengan plywood Shorea negrosensei memberikan kekuatan sambungan yang lebih tinggi dari pada sambungan dengan plywood Abies sachalinensis. Kata kunci: panel kayu, respons siklik, sambungan paku
1.
PENDAHULUAN
Indonesia terletak pada daerah pertemuan tiga lempeng tektonik: Pacific, Eurasia dan Indo-Australia yang sering menimbulkan gempa bumi. Dari beberapa laporan penyelidikan kerusakan bangunan akibat gempa bumi akhir-akhir ini di tanah air (EERI, 2005; Ohno dkk, 2007; EERI, 2009) dapat diketahui bahawa konstruksi kayu berperilaku memuaskan saat terjadi gempa bumi. Mekanisme ini muncul didasarkan pada kenyataan bahwa konstruksi kayu memiliki ratio kekuatan-terhadap-berat (strength-to-weight ratio) yang lebih tinggi dari pada material beton atau baja sehingga sangat sesuai untuk bahan konstruksi di daerah yang sering terjadi gempa bumi. Dengan berat bangunan yang lebih ringan, maka gaya inertia yang ditimbulkan oleh gempa bumi menjadi lebih kecil sebagaimana dinyatakan oleh hukum kedua Newton. Selain itu, kayu juga merupakan bahan yang fleksibel sehingga bangunan kayu dapat mengikuti gerakan gempa bumi dengan tingkat kerusakan yang kecil apabila dirancang secara baik. Pada konstruksi rumah kayu tahan gempa terdapat dua jenis sistem pengaku lateral yang sering dijumpai yaitu batang diagonal (bracing) dan dinding penahan geser (structural walls or panels). Contoh rumah kayu yang menggunakan batang kayu diagonal sebagai sistem perkuatan gempanya adalah rumah-rumah tradisional di Kepulauan Nias: Omo Hada atau Omo Sebua. Rumah tradisional tersebut telah berusia sekitar tiga ratus tahun dan telah beberapa kali mengalami gempa berkekuatan tinggi namun masih tetap berdiri. Untuk konstruksi rumah kayu yang ringan, maka sistem penahan geser panel struktural merupakan bagian dari konstruksi yang paling efektif dalam menahan gaya gempa. Masyarakat di negara Jepang, Selandia Baru dan Amerika Utara yang sering dilanda gempa bumi sudah terbiasa dengan pengunaan panel dinding pada konstruksi rumahnya. Panel dinding tersebut umumnya terbuat dari bahan plywood atau OSB (oriented strand board) yang disambungkan ke batang kayu vertikal menggunakan alat sambung paku. Kesuksesan konstruksi panel sebagai perkuatan ketahanan gempa rumah kayu telah dibuktikan pada banyak gempa bumi, salah satu satunya pada saat gempa bumi tahun 1994 di California (Northridge Earthquake) yang berkekuatan 6,6 skala Richter (Prion dan Filiatrault, 1996). Sangat sedikit rumah kayu yang mengalami kerusakan akibat gempa bumi tersebut. Penggunaan panel dinding structural pada rumah-rumah kayu di Indonesia masih sangat jarang dilakukan. Hal ini mungkin disebabkan oleh tingginya harga bahan bangunan kayu saat ini atau karena menurunnya pengetahuan
masyarakat tentang konstruksi kayu tahan gempa. Respons statik dan siklik panel kayu struktural sepenuhnya dipengaruhi oleh perilaku sambungan mekanis, umumnya menggunakan alat sambung paku, yang terdapat di sekeliling bahan penutup panel. Tulisan ini menyajikan perilaku siklik panel kayu struktural yang dimodelkan dan dianalisis dengan program CASHEW (Folz dkk, 2000) berdasarkan data sambungan plywood-kayu hasil pengujian.
2.
SAMBUNGAN PLYWOOD-KAYU
Model pengujian sambungan plywood-kayu dengan alat sambung paku dapat dilihat pada Gambar 1. Ketebalan plywood dan kayu berturut-turut adalah 12 mm dan 60 mm. Jenis paku yang digunakan adalah CN50 yang memiliki panjang 50 mm dan diameter 2,87 mm. Penelitian ini menggunakan tiga jenis kayu: Mindi (Melia azedarach); Mahoni (Swietenia mahagoni); dan Wadang (Pterospermum javancium), serta dua jenis plywood. Nilai berat jenis kering oven dan kadar air untuk bahan kayu dan plywood tersebut disajikan pada Tabel 1. Pengujian dilakukan dengan kecepatan pembebanan konstan sebesar 1,8 mm/menit dan pengujian dihentikan bila sambungan telah menunjukkan kegagalan atau telah terjadi penurunan beban sambungan sebesar 20% dari beban maksimum. Slip sambungan diperoleh dengan cara mengambil nila rerata dari dua LVDT (lihat Gambar 1). Tabel 1. Data berat jenis kering oven dan kadar air sambungan plywood-kayu Jenis kayu Melia azedarach Swietenia mahagoni Pterospermum javanicum Jenis plywood Abies sachalinensis Shorea negrosensei
Berat jenis kering oven 0,52 0,51 0,61
Kadar air (%) 15 13 16
0,38 0,65
9,3 9,5
Plywood (250x50x12mm3)
50
55 20
CN50
Kayu (300x40x60mm3)
LVDT Serat kayu
40
Gambar 1. Model pengujian sambungan plywood-kayu dengan alat sambung paku
Response Statik Perilaku statik sambungan plywood-kayu pada Gambar 1 sudah dilaporkan sebagian oleh Awaludin dkk, 2010. Kurva gaya lateral – slip hasil pengujian untuk dua jenis plywood dan tiga jenis kayu dapat dilihat pada Gambar 2. Kekuatan sambungan rerata yang diperoleh dari enam benda uji selengkapnya disajikan pada Tabel 2 dimana Pmax adalah kekuatan sambungan maksimum, dan Pult adalah kekuatan sambungan setelah terjadi penurunan sebesar 20% dari beban maksimum. Tabel 2. Kekuatan sambungan plywood-kayu Sambungan plywood- kayu Plywood Abies sachalinensis Melia azedarach Swietenia mahagoni Pterospermum javanicum Plywood Shorea negrosensei Melia azedarach Swietenia mahagoni Pterospermum javanicum
(Pmax (KN); Slip (mm)) (1,27; 15,97) (1,12; 16,06) (1,13; 17,26) (1,67; 17,31) (1,59; 19,02) (1,95; 18,16)
(Pult (KN); Slip (mm)) (1,02; 20,31) (0,89; 19,90) (0,90; 20,15) (1,34; 29,03) (1,27; 28,89) (1,56; 29,70)
3.0
Lateral load (kN)
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0
10
20 Slip (mm)
30
(a) Plywood Abies sachalinensis 3.0
Lateral load (kN)
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0
10
20 Slip (mm)
30
40
(b) Plywood Shorea negrosensei
Gambar 2. Kurva gaya lateral – slip hasil pengujian untuk dua jenis plywood (Garis merah – kayu Mindi; garis hitam – kayu Mahoni; dan garis biru – kayu Wadang)
Gambar 2 menunjukkan secara jelas adanya kekuatan awal sambungan pada nilai slip sangat kecil. Kekuatan awal ini muncul sebagai akibat adanya gesekan (friction) antara paku dengan kayu atau plywood di sekeliling permukaan paku. Sambungan dengan plywood Shorea negrosensei memberikan slip ultimit dan stiffness awal yang lebih tinggi dari pada sambungan dengan plywood Abies sachalinensis. Sambungan plywood-kayu dengan plywood Shorea negrosensei memberikan kekuatan sambungan yang lebih besar dibandingkan dengan sambungan plywood-kayu dari plywood Abies sachalinensis untuk ketiga jenis kayu yang diteliti. Perbedaan kekuatan ini disebabkan oleh perbedaan bentuk kegagalan sambungan dan ini sangat terkait dengan perbedaan berat jenis plywood. Sambungan plywood-kayu menggunakan plywood Abies sachalinensis yang memiliki berat jenis kering oven 0,38 mengalami kegagalan berupa masuknya kepala paku ke plywood hingga akhirnya plywood terlepas dari sambungan. Jenis kegagalan ini dikenal dengan nama punching atau nail-head-pull-through failure. Untuk jenis kegagalan punching, perbedaan berat jenis kayu yang disambung tidak banyak berpengaruh pada kekuatan sambungan seperti dapat dilihat pada Gambar 2 (a). Sedangkan untuk sambungan dengan plywood Shorea negrosensei, bentuk kegagalan sambungan yang terjadi adalah tercabutnya paku dari kayu hingga akhirnya paku dan plywood terlepas dari kayu. Jenis kegagalan ini disebut dengan withdrawal atau nail-heal-pull-out failure. Untuk tipe kegagalan withdrawal, sambungan dengan kayu Pterospermum javanicum memberikan kekuatan sambungan yang lebih tinggi seperti dapat dilihat pada Gambar 2(b) karena kayu Pterospermum javanicum memiliki berat jenis yang paling tinggi dibandingkan dua jenis kayu lainnya.
Sendi plastis
(a)
(b)
Gambar 3. Foto bentuk kegagalan alat sambung paku pada sambungan dengan plywood Abies sachalinensis dan plywood Shorea negrosensei: (a) kayu Swetenia mahagoni; (b) kayu Pterospermum javanicum
Gambar 3 menujukkan foto bentuk kegagalan alat sambung paku setelah pengujian sambungan dilakukan. Satu sendi plastis terlihat pada alat sambung paku (di bagian batang kayu) yang dipergunakan pada sambungan plywoodkayu dengan Abies sachalinensis plywood. Sedangkan pada sambungan plywood-kayu dengan plywood Shorea negrosensei, alat sambung paku mengalami dua sendi plastis.
Response Siklik Pengujian siklik diperlukan untuk lebih jauh mengetahui perilaku sambungan plywood-kayu dengan alat sambung paku saat mendukung beban gempa. Pada level slip yang tetap, pembebanan berulang menyebabkan terjadinya penurunan kekuatan dan kekakuan sambungan (connection strength and stiffness degradation). Sehingga kurva siklik sambungan selalu dicirikan dengan istilah pinching. Kehadiran pinching diikuti dengan bertambahnya gap (celah) antara paku dengan kayu atau plywood yang mendukungnya. Pada penelitian ini, pengujian siklik dilakukan menggunakan ramped loading protocol atau pembebanan siklik dengan target slip meningkat. Untuk masing-masing target slip pembebanan siklik dilakukan sebanyak tiga kali sebelum bergerak menuju ke target slip berikutnya. Pengulangan sebanyak tiga kali pada satu target slip dilakukan untuk memperoleh kurva siklik yang stabil. Tipikal kurva siklik hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 4 untuk sambungan plywood-kayu dengan kayu Pterospermum javanicum.
4.0
Gaya Lateral (kN)
3.0
-10
2.0 1.0 0.0 -5 0 -1.0
5
10
15
20
25
30
-2.0 Slip (mm) (a) Siklik 2,5 mm; 5 mm; 7,5 mm - monotonik
3.0
Gaya Lateral (kN)
2.0
-20
1.0
-15
-10
0.0 -5 0 -1.0
5
10
15
20
-2.0 -3.0 Slip (mm) (b) Siklik 4 mm; 8 mm; 12 mm - monotonik
Gambar 4. Kurva siklik hasil pengujian sambungan plywood-kayu dengan kayu Pterospermum javanicum (Garis biru – plywood Abies sachalinensis; garis merah – plywood Shorea negrosensei)
Gambar 4(a) diperoleh dengan pembebanan siklik pada slip 2,5 mm; 5 mm; dan 7,5 mm lalu kemudian dilanjutkan dengan pembebanan monotonik. Sedangkan Gambar 4(b) diperoleh dengan pembebanan siklik pada slip 4 mm; 8 mm; dan 12 mm lalu kemudian dilanjutkan dengan pembebanan monotonik. Pada Gambar 4(b) terlihat bahwa sambungan plywood-kayu mengalami kegagalan sebelum prosedur pembebanan secara lengkap dilakukan. Kegagalan sambungan diakibatkan oleh putusnya alat sambung paku seperti dapat dilihat pada Gambar 5. Alat sambung paku putus tepat di daerah terbentuknya sendi plastis. Dalam pengujian siklik ini, masing-masing variasi diwakili oleh satu benda uji. Tabel 3 menunjukkan bahwa untuk pembebanan siklik 7,5 mm – monotonik, hanya satu benda uji yang mengalami kegagalan sebelum prosedur pembebanan secara lengkap berakhir. Sedangkan pada pembebanan siklik 12 mm – monotonik, terdapat dua benda uji yang dapat menyelesaikan prosedur pembebanan secara lengkap.
Gambar 5. Kegagalan pada pengujian siklik sambungan kayu Pterospermum javanicum dan plywood Shorea negrosensei
Tabel 3. Data pengujian siklik sambungan plywood-kayu Sambungan plywood- kayu plywood Abies sachalinensis
plywood Shorea negrosensei
Melia azedarach Swietenia mahagoni Pterospermum javanicum Melia azedarach Swietenia mahagoni Pterospermum javanicum
Siklik 2,5; 5; 7,5 mm – monotonik* ×
Siklik 4; 8; 12 mm – monotonik* × × × ×
* benda uji sukses meyelesaikan pembebanan secara lengkap; ×bend uji gagal menyelesaikan pembebanan secara lengkap
3.
MODEL PANEL KAYU STRUKTURAL
Pada tulisan ini, dua model panel kayu seperti pada Gambar 6 dianalisis respons sikliknya. Bagian bawah panel duhubungkan ke fondasi melalui sambungan mekanis seperti anchorage bolt, sedangkan gaya lateral (R) bekerja pada salah satu sudut sisi atas seperti dapat dilihat pada Gambar 6. Garis yang tergambar putus-putus menunjukkan rangka kayu. Pada panel model A (lihat Gambar 6(a)), penutup panel (plywood) dihubungkan ke rangka kayu dengan dua baris paku horisontal dan tiga baris paku vertikal. Sedangkan pada panel model B (lihat Gambar 6(b)), plywood dihubungkan ke rangka kayu dengan dua baris paku horisontal dan lima baris paku vertikal. Pada masingmasing baris paku horisontal terdapat 8 spasi paku. Sedangkan pada baris paku vertikal, masing-masing terdapat 16 spasi paku. Analisis respons siklik panel kayu dilakukan dengan program CASHEW. Data geometrik panel yang perlu disediakan adalah: tinggi (H) dan lebar (B) panel, serta jumlah baris paku pada sisi horisontal (n) dan sisi vertikal (mp dan mf) panel. Pada masing-masing sisi panel, jarak spasi paku diasumsikan seragam (regular). Program CASHEW memerlukan dua data input utama selain data geometrik panel. Kedua data input tersebut adalah: model kurva siklik sambungan plywood-kayu dengan satu alat sambung paku, dan model pembeban siklik panel yang dipergunakan. Model kurva siklik yang dipakai dalam program CASHEW dapat dilihat pada Gambar 7. Parameter yang ada pada Gambar 7 ditentukan sedemikian sehingga, model kurva siklik tersebut menyerupai kurva siklik hasil pengujian pada Gambar 4(a). Untuk sambungan kayu Swietenia mahagoni dan plywood Abies sachalinensis, nilainilai parameter yang disajikan pada Gambar 7 diperoleh sebagai konstanta terbaik hasil perbandingan antara model dengan hasil pengujian. Model pembebanan siklik panel yang digunakan adalah CUREe-Caltech seperti dapat dilihat pada Gambar 8. adalah slip panel yang dihitung oleh program CASHEW pada saat kekuatan ultimit (setelah terjadi penurunan sebesar 20% dari gaya lateral maksimum) dengan model pembebanan monotonik. Pada program CASHEW nilai juga bisa diinputkan sesuai dengan target slip yang diinginkan oleh User.
n=8
R
R
mf = 16 H = 2000 mm
H = 2000 mm
mp = 16
B = 1000 mm
B = 1000 mm
(a)
(b)
Gambar 6. Model panel kayu struktural: (a) model panel A; dan (b) model panel B .
F0 = 0,54 KN; FI = 0,21 KN; DU = 9,12 mm S0 = 0,8 KN/mm; R1 = 0,078; R2 = -0,09 R3 = 1,59; R4 = 0,018; ALPHA = 0,91
Gaya Lateral (KN)
Nilai-nilai parameter
BETHA = 1,28
Slip (mm)
Gambar 7. Model kurva siklik sambungan plywood-kayu pada program CASHEW
Normalisasi target slip () Gambar 8. Model pembebanan siklik CUREe-Caltech
Respons siklik hasil analisis untuk kedua model panel pada Gambar 6 disajikan pada Gambar 9. Penambahan rangka kayu vertikal (stud) seperti pada panel B menyebabkan peningkatan gaya lateral panel (R) dan juga luas kurva siklik (hysteretic loop). Dari hasil analisis, dapat diketahui bahwa kekuatan lateral maksimum panel A dan panel B berturu-turut adalah 7,98 KN dan 11,00 KN. Panel B memiliki kekuatan lateral 37,8% lebih tinggi dari pada panel A. Data pada Tabel 2 menginformasikan bahwa kekuatan satu sambungan paku untuk kayu Swietenai mahagoni dan plywood Abies sachalinensis adalah 1,12 KN. Dengan demikian, maka kekuatan lateral panel A dan panel B adalah ekivalen dengan 7,13 dan 9,82 kali kekuatan sambungan satu paku.
Gaya Lateral, R, (KN)
15 Panel B
10 Panel A
5
Slip (mm)
0 -40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-5 -10 -15 Gambar 9. Respon siklik panel model A dan model B dengan pembebanan siklik CUREe-Caltech (Plywood Abies sachalinensis; kayu Swietenia mahagoni; paku CN50)
4.
KESIMPULAN
Tulisan ini menguraikan pemodelan respons siklik panel kayu dengan program CASHEW menggunakan data pengujian sambungan plywood-kayu dengan alat sambung paku. Dari dua model panel yang dianalisis, dapat disimpulkan bahwa kekuatan lateral dan luas kurva siklik panel lebih besar untuk panel yang memiliki stud, batang kayu vertikal yang disambungkan ke plywood dengan paku, lebih banyak.
DAFTAR PUSTAKA (DAN PENULISAN PUSTAKA) Awaludin, A., Sutapa, JPG., Hirai, T., Sasaki, Y., Wanyama, OG., Hayashikawa, T. (2010). “Load-slip characteristic of plywood to Indonesian timber joints with one CN50 nail”. Proceeding of the International Symposium of Indonesian Wood Research Society, Bali, November 12-13, Paper No. C18. (CD-ROM) EERI Special Report. (2005). The Northern Sumatra earthquake of March 28, 2005. Earthquake Engineering Research Institute, EERI, August Edition. EERI Special Report. (2009). The M7.3 September 2, 2009, West Java quake. Earthquake Engineering Research Institute, EERI, October Edition. Folz, B., Filiatrault, A. (2000). CASHEW – Version 1.0, A Computer Program for Cyclic Analysis of Wood Shear Walls, Division of Structural Engineering, University of Callifornia, San Diego, California. Ohno, R., Syam, RM. (2007). “An analysis of residents’ response to the 2006 Central Java earthquake”. Proceeding of the Pacific Conference on Earthquake Engineering, Singapore, December 5-7, Paper No. 192. Prion, HGL., Filiatrault, A. (1996). “Performance of timber structures during the hyogo-ken Nanbu earthquake”. The Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 23, 652-664.
