THE BEHAVIOR OF STEEL I BEAM-CONCRETE FILLED STEEL TUBES COLUMN CONNECTIONS USING CIRCULAR DIAPHRAGM PLATES DUE TO THE CYCLIC LOAD
Thesis Summary To meet some requirements to obtain Graduate degree (S-2) Graduate Study Program of Civil Engineering Department of Civil and Environmental Engineering
Submitted by: MUHAMMAD HAYKAL 13/355440/PTK/09089
To GRADUATE PROGRAM OF FACULTY OF ENGINEERING GADJAH MADA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2015
ii
LIST OF CONTENTS
APPROVAL ..................................................................................................
ii
LIST OF CONTENTS ...................................................................................
iii
CHAPTER I INTRODUCTION 1.1 Background ...........................................................................................
1
1.2 Formulation of The Problem .................................................................
1
1.3 Research Purposes .................................................................................
2
1.4 Research Benefits ..................................................................................
2
1.5 Research Limitations .............................................................................
2
CHAPTER II LITERATURE REVIEW 2.1 Concrete Filled Steel Tube Connections ...............................................
3
CHAPTER III RESEARCH METHOD 3.1 Research Material .................................................................................
3
3.2 The Research Flowchart .......................................................................
4
3.3 Test Object Preparation ........................................................................
4
3.4 Testing of Beam-Column Connections .................................................
5
CHAPTER IV RESULTS AND DISCUSSIONS 4.1 General Requirements of Earthquake Resistant Steel Structures ..........
6
4.2 Load and Displacement Relationships .................................................
6
4.3 Acceptance Criteria ..............................................................................
7
4.4 Criteria of Reliability of Structure Systems ..........................................
9
CHAPTER V CONCLUSIONS AND SUGGESTIONS 5.1 Conclusions ...........................................................................................
9
5.2 Suggestions ............................................................................................ 10 REFERENCES ............................................................................................... 10
iii
CHAPTER I INTRODUCTION 1.1 Background The use of Concrete Filled Steel Tube (CFST) has many advantages than normal concrete column and reinforced concrete column. Some of the advantages are: steel tube also serves as formwork for concrete core filled in steel tube, the compressive strength of steel tube or pipe on the axial force will increase. Moreover, steel tube or pipe also serves to prevent cracks on concrete, and composite column further increases signifncat stiffness and strength. However, the use of concrete filled steel tube column is still limited due to lack of experience in the application and the complexity of the form of the joint in this composite column. Moreover, the joint in the CFST system must have strength which is deep enough to withstand earthquakes and meet acceptance criteria. Based on the description above, an experimental research was conducted to study the behavior of the circular diaphragm plate joint on steel beam and steel tube column. This study was considered necessary because it could be used as a reference and is a development from previous analytical and experimental researches.
1.2 Formulation of The Problem Composite steel column which consists of steel tube filled with concrete is more efficient than normal steel column or reinforced concrete, but problem in the joint hamper the usage of this type of structural element. Therefore, the selection of strong, stiff, and easy to implement joint type is important. This study was expected to produce efficient joint form, so that the usage of beam structure and composite steel pipe column will be used more widely.
1
1.3 Research Purposes To verify the joint type suitable for earthquake in accordance with Indonesian standard and to get efficient and easy to use joint in steel beam and steel tube columns with and without concrete filling.
1.4 Research Benefits The expected benefits of this study are : 1. Discovering hysteresis behavior, strength and stiffness of diaphragm plate joint on steel beam and steel tube columns with and without concrete filling in accordance with Indonesian standard. 2. Discovering suitable joint for seismic condition in accordance with Indonesian standard. 3. Providing an alternative of usage of efficient and easy to use steel beam and composite steel tube column.
1.5 Research Limitations The problem limitations are as follows : 1. The concrete filler of steel tube column used was normal concrete with force fc’ 20 MPa. Meanwhile, the quality of steel profile and steel bolt type used was the same as materials in the market. 2. This study referred to ACI Standard (ACI T.1-01) and acceptance criteria of joint testing based on ACI Standard (ACI T.1-01). 3. The load applied for this experiment was cyclic load positioned at the end of the beam. 4. Moment and rotation behaviors of columns due to cyclic loading on beams were ignored. 5. This study was focused on the joint of exterior steel beam and steel tube column using circular diaphragm plate.
2
CHAPTER II LITERATURE REVIEW 2.1 Concrete Filled Steel Tube Connections Studies on the behaviors of the joint of steel beam and concrete-filled steel tube column have been conducted by previous researchers. Schneider & Alostaz (1998) make several forms of large scale joints tested using ATC-24 guide for cyclic testing. The research result shows that welded joint piece directly to the surfaces of steel tubes causes large deformation on the tube walls. The size of the deformation on the tube walls made of flans girder, welded flans, make the tube walls very prone to failure. Inelastic cyclic behavior improves when external diaphragm is used to distribute the strength of flans around the tube and the joint can develop the flexural strength of the main beam. Extending girder joint pieces through all concrete filled steel tube columns is quite good to improve the flexible elastic strength of connected girders, and shows beneficial inelastic cyclic performance. Meanwhile, minimum sized diaphragm isn’t efficient in reducing large shear force in concrete tube column wall. Joints with additional minimum sized diaphragm based on that study can be used in regions with low seismic risk. CHAPTER III RESEARCH METHOD 3.1 Research Material The materials used in this study were : 1. Steel profile of IWF 200.100.5,5.8 serves as a beam. 2. Profile of steel pipes, with a diameter of 213.9 mm and 5.3 mm thick, serves as a column. 3. 5,8 mm thick steel plate as circular diaphragm plate. 4. The bolt type used was UNS 4.6 with 19 mm diameter. 5. Concrete filling of steel tube column used was normal concrete with conventionally-made force (K250).
3
3.2 The Research Flowchart The study started from literature study, material planning, and test object modeling to drawing conclusion, as seen in Figure 3.1.
Figure 3.1 Research Flowchart
3.3 Test Object Preparation Test objects were made based on the capacity of the equipments of Mechanics of Material Laboratory of Engineering Science Study Center of Gadjah Mada University, as well as the expansion of previous studies. In this study, 2 test objects were made, i.e. 1 steel beam-column joint test object without concrete filling (BKD-T) as a comparison, and 1 steel beam-column joint test object with concrete filling (BKD-K). Detail of test object is shown in Figure 3.2, and Figure 3.3.
4
213.9 mm
Steel Pipe Diameter 213,9 mm, Thickness = 5,3 mm
1850 mm
1800 mm
IWF Beam 200.100. 5,5. 8
Welded
3 mm Bolt Ø 19 mm Diaphragm Plate Thickness = 5.8 mm
Welded
IWF 200
3 mm Welded Joint Thickness = 3 mm
Figure 3.2 Side View of Test Object
100 mm
Welded Diaphragm Plate Thickness = 5.8 mm
100 mm
3 mm
Bolt Ø 19 mm 65mm
Empty (BKD-T) Concrete (BKD-K)
Welded
5,8 mm
Figure 3.3 Top View of Test Object
3.4 Testing of Beam-Column Connections Test object testing was conducted in the Mechanics of Material Laboratory of Engineering Science Study Center of Gadjah Mada University. The test was conducted after concrete filing in the steel tube column was 28 days old. Both ends of the column were given joint-roll support. The upper side of the block was left free for cyclic loading. Cyclic loading was performed with controlled displacement as required in ACI TI. 1-01.
5
Plate 70x70 cm, Thickness 20 mm
900 1850 mm Strain gage LVDT
LVDT IWF. 200.100.5,5.8
900 mm LVDT
Load Cell
Steel pipe Hydraulic Actuator Giving cyclic load To the end of the block Hydraulic Jack giving axial Force to the column
Figure 3.4 Testing Setup (Top View)
CHAPTER IV RESULTS AND DISCUSSIONS 4.1 General Requirements of Earthquake Resistant Steel Structure BKD-T and BKD-K test objects didn’t meet the requirements of beamcolumn joint which can be used in earthquake resistant steel and composite concrete structure system which supports certain moments because based on the testing result, BKD-T and BKD-K test objects didn’t have enough ductility. 4.2 Load and Displacement Relationships The relation between load and displacement of testing result can be seen in the hysteretic loops curves in Figure 4.1, and Figure 4.2.
6
Figure 4.1 Hysteretic Loop of BKD-T Joint
Figure 4.2 Hysteretic Loop of BKD-K Joint
Comparison of the amount of lateral load and lateral displacement for crack, yield, ultimate and failure conditions is presented in Table 4.1. Table 4.1 Load and Deflection of Crack, Yield, Peak and Failure No
Test Object
1 2
BKD-T BKD-K
Crack Yield Peak Failure P ∆ P ∆ P ∆ P ∆ (kN) (mm) (kN) (mm) (kN) (mm) (kN) (mm) 10,98 12,26 26,08 28,84 27,45 65,96 21,96 102,41 11,84 10,98 24,48 22,73 29,61 46,51 23,68 72,43
Ductility (µ) 3,55 3,19
4.3 Acceptance Criteria From the curves in Figure 4.1 and Figure 4.2, and based on criteria of acceptance established by ACI T1.1-01, the result was : a. BKD-T and BKD-K test objects must meet minimum lateral resistance En = 31,84 kN before drift ratio 2%. Lateral load for test object before 2% for BKD-T test object was 22,72 kN, BKD-K test object was 28,87 kN.
7
b. Maximum lateral resistance Emax recorded in testing can’t exceed the value of λEn (1,25 x 31,84 = 39,8 kN) for BKD-T and BKD-K test objects. For BKD-T test object, it was 28,61 kN, and BKD-K test object Emax was 31,98 kN. BKD-T and BKD-K test objects had smaller lateral force than planned lateral force. ( λ is overstrength factor of the column used in test module, λ = 1,25). c. Maximum drift which must be reached as a reference for the acceptance of test result, where the value shouldn’t be below 0,035, the third full cyclic characters at the drift level should fulfill the following: a) Peak force at load direction shouldn’t be below 0,75 Emax at the same load direction. Test result can be seen in Table 4.2. Table 4.2 0,75 Emax
BKD-T BKD-K
Third Cycle (+) 23,77 20,56
Third Cycle (-) -27,87 -24,82
0,75 Emax (+) 20,11 20,59
0,75 Emax (-) -21,42 -24,33
b) Relative energy dissipation shouldn’t be less than 1/8. Relative dissipation (β) is ratio of third cycle hysteretic loops (Ah) area (drift ratio no less than 0,75 Emax) with an area of (E1+E2)(θ1’+θ2’) shown with dotted lines in Figure 4.1, and Figure 4.2. Relative energy dissipation in each test object can be seen in Table 4.3. Table 4.3 Relative Energy Dissipation
No
Test Object
1 2
BKD-T BKD-K
Drift (%) 5,46 3,50
Ah (kN.mm) 2509,76 2506,14
E1 E2 θ1' θ2' Β (kN) (kN) (mm) (mm) 20,56 23,82 121,93 121,58 0,23 20,56 24,83 76,20 77,22 0,36
c) Secant stiffness of the line connecting ratio drift point -0,0035 to ratio drift point 0,0035 must not be less than 0,05 times initial stiffness. The stiffness of each test object can be seen in Table 4.4.
8
Table 4.4 Comparison of Stiffness Values No 1 2
Test Object BKD-T BKD-K
Stiffness (-0,35%-0,35%) (kN/mm) 0,895 1,042
0,05 Initial Stiffness (kN/mm) 0,050 0,052
Based on the analysis of the result of criteria of acceptance above, BKD-T and BKD-K test objects didn’t meet one of the requirements above, i.e. the requirement of criterion of acceptance a. However, they met requirements b and c in drift ratio being above 3,5%. So, BKD-T and BKD-K test objects can be used on normal moment resisting steel and composite concrete frame structure systems with B and C seismic design categories with maximum R values (response modification factor) which can be taken being 3 and 3,5. 4.4 Criteria of Reliability of Structure Systems Criteria of reliability of structure system can be seen in Table 4.5 below. Table 4.5 Criteria of Reliability of Structure System
Elastic Stiffness Hysteretic Energy Potential energy EVDR Pattern of Collapse
BKD-T 0,92 2345,80 kN.mm 2492,43 kN.mm 3,16%-31,58% fatigue failure
BKD-K 1,077 1483,83 kN.mm 1599,02 kN.mm 1,63%-22,54% fatigue failure
CHAPTER V CONCLUSIONS AND SUGGESTIONS 5.1 Conclusions From the results of test, discussion, and analysis, the following conclusions were drawn : 1. Based on the relation between load and displacement, average lateral load capacity for BKD-T test object was 27,32 kN on 65,98 mm displacement (drift ratio 3,57%) and BKD-K test object was 29,66 kN reached at 40,97 mm displacement (drift ratio 2,2%). The values above show that the lateral
9
load capacity of BKD-K test object was bigger than the lateral load capacity of BKD-T test object. 2. The pattern of collapse of BKD-T and BKD-K test object was fatigue collapse type where cracks grow longer at every loading cycle, reducing the capacity of joint element to support load. 3. Based on ACI T1.1-01 criteria of acceptance, BKD-T test object could be used in normal moment resisting steel frame structure system with B and C seismic design categories with maximum R values (response modification factor) which can be taken being 3,5. Meanwhile, BKD-K test object could be used on normal moment resisting steel and composite concrete frame structure systems with B seismic design category with maximum R value (response modification factor) which can be taken being 3. 5.2 Suggestions The suggestions in this study are as follows: 1. The capacity and amount of LVDT should be noted, especially for tests with long span, so there’s no need to change the position of LVDT. It’s related to the precision in testing. 2. There should be numeric analysis modeling on the form of the joint of steel beam and concrete filled steel tube column. REFERENCES ACI T1.1-01 Innovation Task Group 1 and Collaborators, 2001, Commentary on Acceptance Criteria for Moment Frames based on Struktural Testing, American Concrete Institute. Alostaz, Y. M. and Schneider, S. P., 1998, Experimental Behavior of Connections to Concrete-Filled Steel Tubes. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 45, No. 3, pp. 321–352. ASTM, 2003. Annual Books of ASTM Standards. In E 2126-02a, Standard Test Methods for Cyclic (Reversed) Load Test for Shear Resistance of Walls for Building Designation, USA. SNI 03-1726-2002, 2012, Earthquake resistance Planning Procedures for Buildings, Badan Standarisasi nasional, Jakarta.
10
PERILAKU SAMBUNGAN BALOK BAJA DAN KOLOM TABUNG BAJA DENGAN ISIAN BETON MENGGUNAKAN PELAT DIAFRAGMA MELINGKAR AKIBAT BEBAN SIKLIK
Ringkasan Tesis Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Strata Dua (S-2) Program Studi S2 Teknik Sipil Jurusan Teknik Sipil dan Lingkungan
Diajukan oleh: MUHAMMAD HAYKAL 13/355440/PTK/09089
Kepada PROGRAM PASCASARJANA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2015
ii
DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN .......................................................................
ii
DAFTAR ISI ...................................................................................................
iii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ...............................................................................
1
1.2 Rumusan Masalah .........................................................................
1
1.3 Tujuan Penelitian ..........................................................................
2
1.4 Manfaat Penelitian ........................................................................
2
1.5 Batasan Penelitian .........................................................................
2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sambungan Balok-Kolom Tabung Baja .......................................
3
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Bahan Penelitian ............................................................................
3
3.2 Bagan Alir Penelitian ....................................................................
4
3.3 Pembuatan Benda Uji ....................................................................
4
3.4 Pengujian Sambungan Balok-Kolom ............................................
5
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Persyaratan Umum Struktur Baja Tahan Gempa ...........................
6
4.2 Hubungan Beban dan Displacement .............................................
6
4.3 Kriteria Penerimaan ......................................................................
7
4.4 Kriteria Kehandalan Sistem Struktur ............................................
9
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ....................................................................................
9
5.2 Saran ............................................................................................... 10 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 10
iii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penggunaan kolom tabung baja diisi beton (CFST - Concrete Filled Steel Tube) memberikan banyak keuntungan dibandingkan dengan kolom baja dan kolom beton bertulang biasa. Beberapa keuntungan antara lain : tabung baja berfungsi juga sebagai bekisting untuk inti beton, dengan adanya material pengisi beton pada tabung baja, kuat tekan tabung baja atau pipa terhadap gaya aksial juga akan meningkat. Selain itu tabung baja atau pipa juga berfungsi untuk mencegah keretakan pada beton, dan kolom komposit jauh meningkatkan kekakuan dan kekuatan yang signifikan. Namun, penggunaan kolom tabung baja diisi beton masih terbatas karena kurangnya pengalaman pelaksanaan dan kerumitan bentuk sambungan pada kolom komposit ini. Selain itu sambungan pada sistem CFST harus memiliki kekuatan yang cukup dalam menahan beban gempa, serta memenuhi kriteria penerimaan. Dari uraian diatas, akan dilakukan penelitian secara eksperimental untuk mempelajari perilaku sambungan pelat diafragma melingkar pada balok baja dan kolom tabung baja. Penelitian ini dianggap perlu, karena bisa digunakan sebagai referensi dan merupakan pengembangan dari penelitian analisis dan eksperimental sebelumnya.
1.2 Perumusan Masalah Kolom baja komposit yang terdiri atas tabung baja yang diisi beton sangat efisien dibandingkan kolom baja atau beton bertulang biasa, tetapi problem pada sambungan menjadikan penggunaan elemen struktur jenis ini terkendala. Oleh karena itu pemilihan tipe sambungan yang kuat, kaku dan mudah dilaksanakan menjadi hal yang penting. Dari penelitian ini diharapkan bentuk sambungan yang efisien tersebut dapat dihasilkan, sehingga
1
penggunaan struktur balok dan kolom pipa baja komposit akan lebih luas digunakan. 1.3 Tujuan Penelitian Untuk memverifikasi bentuk sambungan yang cocok untuk kondisi gempa sesuai standar Indonesia, serta mendapatkan bentuk sambungan pada balok baja dan kolom tabung baja tanpa isian beton maupun dengan isian beton yang efisien dan mudah dilaksanakan di lapangan.
1.4 Manfaat Penelitian Manfaat yang dapat diharapkan dari penelitian ini adalah : 1. Mengetahui perilaku histerisis, kekuatan dan kekakuan dari sambungan pelat diafragma pada balok baja dan kolom tabung baja tanpa isian beton maupun dengan isian beton sesuai standard Indonesia. 2. Mengetahui sambungan yang cocok untuk kondisi seismik sesuai standard Indonesia. 3. Dapat memberikan salah satu alternatif penggunaan sambungan balok baja dan kolom tabung baja komposit yang efisien dan mudah dilaksanakan di lapangan.
1.5 Batasan Penelitian Batasan-batasan masalah sebagai berikut : 1. Beton pengisi kolom tabung baja yang digunakan adalah beton normal dengan kekuatan rencana fc’ 20 MPa. Adapun profil baja dan tipe baut baja yang digunakan dengan mutu sesuai bahan yang diperoleh di pasaran. 2. Penelitian ini mengacu pada ACI Standard (ACI T.1-01), serta kriteria penerimaan pengujian sambungan berdasarkan ACI Standard (ACI T.101). 3. Beban yang diaplikasikan untuk eksperimen ini adalah beban siklik, dengan posisi pembebanan terletak di ujung balok. 4. Perilaku momen dan rotasi yang terjadi pada kolom akibat pembebanan siklik pada balok diabaikan.
2
5. Penelitian ini hanya terfokus pada sambungan balok baja dan kolom tabung baja eksterior menggunakan pelat diafragma melingkar. BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sambungan Balok-Kolom Tabung Baja Penelitian mengenai perilaku sambungan balok baja dan kolom tabung baja dengan isian beton telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Schneider & Alostaz (1998) membuat beberapa bentuk sambungan skala besar yang diuji dengan menggunakan pedoman ATC-24 untuk pengujian siklik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pengelasan potongan sambungan langsung ke permukaan tabung baja mengakibatkan terjadinya deformasi yang besar pada dinding tabung. Besarnya deformasi pada dinding tabung yang terbuat dari flens girder, las flens, dinding tabung tersebut sangat rentan terhadap kegagalan. Perilaku siklik inelastis membaik ketika diafragma eksternal digunakan untuk mendistribusikan kekuatan flens di sekitar tabung, dan sambungan mampu mengembangkan kekuatan lentur dari balok utama. Memperpanjang potongan sambungan girder melalui seluruh kolom tabung baja diisi beton cukup baik untuk meningkatkan kekuatan plastis lentur dari girder yang terhubung, dan menunjukkan kinerja siklik inelastis yang menguntungkan. Adapun diafragma berukuran minimum tidak efisien dalam mengurangi gaya geser yang besar pada dinding kolom tabung baja. Sambungan dengan tambahan diafragma berukuran minimum berdasarkan penelitian tersebut dapat digunakan di daerah resiko gempa rendah. BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Bahan Penelitian Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini sebagai berikut : 1. Profil baja IWF 200.100.5,5.8 mm yang berfungsi sebagai balok.
3
2. Profil baja pipa diameter 213,9 mm dengan tebal 5,3 mm yang berfungsi sebagai kolom. 3. Pelat baja tebal 5,8 mm yang berfungsi sebagai pelat diafragma melingkar. 4. Tipe baut yang digunakan yaitu UNS 4.6 dengan diameter 19 mm. 5. Beton pengisi kolom tabung baja yang digunakan adalah beton normal dengan kekuatan rencana yang di buat secara konvensional (K250). 3.2 Bagan Alir Penelitian Pelaksanaan penelitian dimulai dari studi literatur, perencanaan material dan pemodelan benda uji hingga penarikan kesimpulan yang dapat dilihat pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Bagan Alir Penelitian
3.3 Pembuatan Benda Uji Pembuatan benda uji dibuat berdasarkan kapasitas peralatan Laboratorium Mechanics of Material Pusat Studi Ilmu Teknik Universitas Gadjah Mada serta pengembangan dari hasil penelitian-penelitian sebelumnya. Pada penelitian ini dibuat 2 buah benda uji, yaitu 1 buah benda uji sambungan balok-kolom tabung baja tanpa isian beton (BKD-T) sebagai pembanding, dan 1 buah benda uji
4
sambungan balok-kolom tabung baja dengan isian beton (BKD-K). Detail benda uji dapat dilihat pada Gambar 3.2, dan Gambar 3.3. 213.9 mm
Pipa Baja diameter 213,9 mm, Tebal = 5,3 mm
1800 mm
1850 mm Balok IWF 200.100. 5,5. 8
Las
3 mm Baut Ø 19 mm
Las
IWF 200
Pelat Diafragma Tebal = 5.8 mm
3 mm Tebal Sambungan Las = 3 mm
Gambar 3.2 Tampak Samping Benda Uji 100 mm
Las Pelat Diafragma Tebal = 5.8 mm
100 mm
3 mm
Baut Ø 19 mm 65mm
Kosong (BKD-T) Concrete (BKD-K)
Las 5,8 mm
Gambar 3.3 Tampak Atas Benda Uji 3.4 Pengujian Sambungan Balok-Kolom Pengujian benda uji dilakukan di Laboratorium Mechanics of Material Pusat Studi Ilmu Teknik Universitas Gadjah Mada. Pengujian dilakukan setelah beton pengisi pada kolom tabung baja mencapai umur 28 hari. Pada kedua ujung kolomnya diberi tumpuan sendi-rol. Sedangkan pada balok bagian atas dibiarkan bebas untuk dilakukan pembebanan bolak-balik atau siklik. Pembebanan bolakbalik dilakukan dengan displacement controlled seperti yang disyaratkan dalam ACI TI. 1-01. 5
Pelat 70x70 cm, Tebal 20 mm
900 1850 mm Strain gage LVDT
LVDT IWF. 200.100.5,5.8
900 mm LVDT
Load Cell
Pipa baja Hydraulic Actuator memberikan beban siklik pada ujung balok Hydraulic Jack memberikan gaya aksial pada kolom
Gambar 3.4 Sett Up Pengujian (Tampak Atas)
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Persyaratan Umum Struktur Baja Tahan Gempa Benda uji BKD-T dan BKD-K tidak memenuhi kaidah sambungan kolom-balok yang dapat dipakai di sistem struktur baja dan beton komposit tahan gempa pemikul momen khusus. Karena berdasarkan hasil pengujian, benda uji BKD-T dan BKD-K belum memenuhi sambungan yang mempunyai kemampuan daktilitas yang cukup. 4.2 Hubungan Beban dan Displacement Hubungan antara beban dan displacement dari hasil pengujian dapat dilihat pada kuva histeretic loops Gambar 4.1, dan Gambar 4.2.
6
Gambar 4.1 Hysteretic Loop Join BKD-T
Gambar 4.2 Hysteretic Loop Join BKD-K
Perbandingan besarnya beban lateral dan displacement lateral untuk kondisi crack, yield, ultimite dan failure disajikan dalam Tabel 4.1. Tabel 4.1 Beban dan Defleksi Crack, Yield, Peak dan Failure No
Benda Uji
1 2
BKD-T BKD-K
Crack Yield Peak Failure Daktilitas P ∆ P ∆ P ∆ P ∆ (µ) (kN) (mm) (kN) (mm) (kN) (mm) (kN) (mm) 10,98 12,26 26,08 28,84 27,45 65,96 21,96 102,41 3,55 11,84 10,98 24,48 22,73 29,61 46,51 23,68 72,43 3,19
4.3 Kriteria Penerimaan Dari kurva pada Gambar 4.1, dan Gambar 4.2 yang diperoleh, dan berdasarkan kriteria penerimaan seperti yang telah ditetapkan oleh ACI T1.101 didapatkan hasil sebagai berikut : a. Benda uji BKD-T dan benda uji BKD-K harus mencapai tahanan lateral minimum En = 31,84 kN sebelum drift ratio 2%. Beban lateral untuk benda uji sebelum 2%, untuk benda uji BKD-T sebesar 22,72 kN, benda uji BKD-K sebesar 28,87 kN.
7
b. Tahanan lateral maksimum Emax yang tercatat pada pengujian tidak boleh melebihi nilai λEn (1,25 x 31,84 = 39,8 kN) untuk benda uji BKD-T dan BKD-K. Untuk benda uji BKD-T sebesar 28,61 kN, dan benda uji BKD-K rata-rata diperoleh Emax sebesar 31,98 kN. Benda uji BKD-T dan BKD-K memiliki nilai gaya lateral yang lebih kecil dari gaya lateral yang direncanakan. ( λ adalah faktor kuat lebih kolom yang digunakan pada modul uji, λ = 1,25). c. Drift maksimum yang harus dicapai sebagai acuan untuk hasil penerimaan hasil tes, dimana nilainya tidak boleh kurang dari 0,035, karakteristik siklus penuh ketiga pada level drift tersebut harus memenuhi hal-hal sebagai berikut : a) Gaya puncak pada arah beban yang diberikan tidak boleh kurang daripada 0,75 Emax pada arah beban yang sama. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 4.2. Tabel 4.2 0,75 Emax
BKD-T BKD-K
Siklus ke tiga (+) 23,77 20,56
Siklus ke tiga (-) -27,87 -24,82
0,75 Emax (+) 20,11 20,59
0,75 Emax (-) -21,42 -24,33
b) Disipasi energi relatif tidak boleh kurang daripada 1/8. Disipasi relatif (β) merupakan ratio perbandingan antara luasan hysteretic loops (Ah) putaran ketiga (drift ratio tidak kurang dari 0,75 Emax) dengan luasan (E1+E2)(θ1’+θ2’) yang ditandai dengan garis putus-putus pada Gambar 4.1, dan Gambar 4.2. Disipasi energi relatif pada masing-masing benda uji dapat dilihat pada Tabel 4.3. Tabel 4.3 Disipasi Energi Relatif
No
Benda Uji
1 2
BKD-T BKD-K
Drift (%) 5,46 3,50
Ah (kN.mm) 2509,76 2506,14
E1 E2 θ1' θ2' Β (kN) (kN) (mm) (mm) 20,56 23,82 121,93 121,58 0,23 20,56 24,83 76,20 77,22 0,36
8
c) Kekakuan sekan garis yang menghubungkan titik ratio drift -0,0035 ke ratio drift 0,0035 harus tidak kurang dari 0,05 kali kekakuan awal. Kekakuan masing-masing benda uji dapat dilihat pada Tabel 4.4. Tabel 4.4 Perbandingan Nilai Kekakuan No 1 2
Benda Uji BKD-T BKD-K
Kekakuan (-0,35%-0,35%) (kN/mm) 0,895 1,042
0,05 Kekakuan Awal (kN/mm) 0,050 0,052
Berdasarkan analisis hasil kriteria penerimaan di atas, benda uji BKDT dan BKD-K tidak memenuhi salah satu persyaratan di atas, yaitu persyaratan pada kriteria penerimaan a di atas. Tetapi memenuhi persyaratan b dan c pada drift ratio di atas 3,5%. Sehingga benda uji BKD-T dan BKD-K dapat digunakan pada sistem struktur rangka baja dan beton komposit pemikul momen biasa dengan kategori disain seismik B dan C yang nilai R (faktor modifikasi respon) maksimum dapat diambil 3, dan 3,5. 4.4 Kriteria Kehandalan Sistem Struktur Kriteria kehandalan sistem struktur dapat dilihat pada Tabel 4.5 berikut. Tabel 4.5 Kriteria Kehandalan Sistem Struktur
Kekakuan elastik Hysteretic Energy Potential energy EVDR Pola Keruntuhan
BKD-T 0,92 2345,80 kN.mm 2492,43 kN.mm 3,16%-31,58% fatigue failure
BKD-K 1,077 1483,83 kN.mm 1599,02 kN.mm 1,63%-22,54% fatigue failure
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari hasil pengujian, pembahasan dan analisis yang telah dilakukan, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Dari hubungan beban dan displacement, kapasitas beban lateral rata-rata untuk benda uji BKD-T sebesar 27,32 kN pada displacement 65,98 mm
9
(drift ratio 3,57%), dan benda uji BKD-K sebesar 29,66 kN yang dicapai pada displacement 40,97 mm (drift ratio 2,2%). Dari nilai di atas terlihat bahwa kapasitas beban lateral benda uji BKD-K lebih besar dari kapasitas beban lateral benda uji BKD-T. 2. Pola keruntuhan yang terjadi pada benda uji BKD-T dan BKD-K adalah tipe keruntuhan lelah (fatigue failure), dimana retakan akan semakin bertambah panjang untuk tiap siklus pembebanan sehingga mengurangi kapasitas elemen sambungan untuk memikul beban. 3. Berdasarkan kriteria penerimaan ACI T1.1-01, benda uji BKD-T dapat digunakan pada sistem struktur rangka baja pemikul momen biasa dengan kategori disain seismik B dan C yang nilai R (faktor modifikasi respon) maksimum diambil 3,5. Sedangkan benda uji BKD-K dapat digunakan pada sistem struktur rangka baja dan beton komposit pemikul momen biasa dengan kategori disain seismik B yang nilai R (faktor modifikasi respon) maksimum diambil 3. 5.2 Saran Adapun saran dalam penelitian ini sebagai berikut : 1.
Kapasitas dan jumlah LVDT perlu diperhatikan, terutama untuk pengujian dengan bentang yang panjang, sehingga tidak perlu mengubah posisi LVDT. Hal ini terkait dengan ketelitian dalam pengujian.
2.
Perlu dilakukan pemodelan analisis numerik terhadap bentuk sambungan pada balok baja dan kolom tabung baja dengan isian beton.
DAFTAR PUSTAKA ACI T1.1-01 Innovation Task Group 1 and Collaborators, 2001, Commentary on Acceptance Criteria for Moment Frames based on Struktural Testing, American Concrete Institute. Alostaz, Y. M. and Schneider, S. P., 1998, Experimental Behavior of Connections to Concrete-Filled Steel Tubes. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 45, No. 3, pp. 321–352. ASTM, 2003. Annual Books of ASTM Standards. In E 2126-02a, Standard Test Methods for Cyclic (Reversed) Load Test for Shear Resistance of Walls for Building Designation, USA. SNI 03-1726-2002, 2012, Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Bangunan Gedung, Badan Standarisasi Nasional, Jakarta.
10
