Analisis Efektifitas Penempatan Tuned Mass Damper (TMD) Pada Bangunan Bertingkat Dalam Mereduksi Respon Struktur Akibat Beban Gempa

(1)

ANALISIS EFEKTIFITAS PENEMPATAN TMD

(TUNED MASS DAMPER) PADA BANGUNAN BERTINGKAT DALAM

MEREDUKSI REPON STRUKTUR AKIBAT BEBAN GEMPA

Tugas Akhir

Diajukan untuk melengkapi tugas-tugas dan memenuhi Syarat untuk menempuh ujian sarjana Teknik Sipil

Disusun oleh:

AGUS BUDIMAN SIKUMBANG

09 0404 153

Dosen Pembimbing:

IR. DANIEL RUMBI TERUNA, MT

19590707 198710 1 001

BIDANG STUDI STRUKTUR

DEPARTEMEN TEKNIK SPIL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, Subhanallah, waulahuakbar, puji syukur kepada ALLAH SWT, yang

telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya hingga selesainya Tugas Akhir ini dengan judul

“Analisis Efektifitas Penempatan Tuned Mass Damper (TMD) Pada Bangunan

Bertingkat Dalam Mereduksi Respon Struktur Akibat Beban Gempa”

Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi

dalam Ujian Sarjana Teknik Sipil Bidang Struktur pada Departemen Teknik Sipil Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara (USU). Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih

jauh dari kesempurnaan. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan, pemahaman dan

financial dari penulis. Dengan tangan terbuka, senyum yang indah, dan hati yang tulus

penulis menerima saran dan kritik bapak dan ibu dosen serta rekan mahasiswa demi

penyempurnaan Tugas Akhir ini.

Penulis juga menyadari bahwa selesainya Tugas Akhir ini tidak lepas dari bimbingan,

dukungan, batuan doa dari semua pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis

menyampaikan rasa terima kasih yang tulus dan tidak terhingga kepada Nabi Muhammad

SAW, yang membawa kehidupan ini dari masa jahiliyah ke masa islamiah, kemudian kedua

orang tua yang doanya selalu penulis gunakan sebagai penyemangat dalam menyelesaikan

tugas akhir ini. Terimakasih buat Bapak Zulham, SH, S.Sos dan Ibu Evi Ernita Sikumbang.

Dan terima kasih penulis ucapkan kepada diri sendiri, karena tanpa adanya niat dan

kesempatan Tugas Akhir ini tidak akan mungkin selesai dengan sebagaimana mestinya.

Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada:

1. Bapak Prof. DR Ing. Johannes Tarigan, selaku Ketua Departemen Teknik Sipil

(3)

2. Bapak Ir. Syahrizal, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Universitas

Sumatera Utara.

3. Bapak Ir. Besman Surbakti, MT beserta keluarga selaku dosen pembimbing yang

telah membantu penulis mengerjakan Tugas Akhir ini dengan sebagaimana mestinya.

4. Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT selaku pembimbing yang telah banyak

meluangkang waktu, tenaga dan pikiran dalam memberikan bimbingan yang tiada

hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

5. Bapak/Ibu Dosen Staf Pengajar Jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.

6. Abang/Kakak Staf Tata Usaha Jurusan Teknik Sipil.

7. Terimakasih Buat Kepala Laboratorium Komputasi Nursyamsi, ST, MT. Yang

memberikan hak untuk memakai seluruh alat dan perlengkapan Laboratorium

Komputasi dengan sebagai mana mestinya.

8. Terimakasih buat nenek, kakek, mbah, om rudi,bulek, paklek dan seluruh keluarga di

medan.

9. Terimaskih buat Adek ku, Alm. Putri Novitasari sikumbang, Ade Irma Wahyuni

(tanpa sikumbang) dan M. Aidil Fadli (tanpa sikumbang juga).

10.Terima kasih sebanyak-banyaknya kepada teman-teman sejawat sepenanggungan:

Buat M. Multazam yang financialnya penulis gunakan untuk menolong masalah

financial selama perkuliahan, Kevin yang unyunisasinya penulis gunakan sebagai

peneduh hati, Khairun Nazli yang kesederhanaannya mengajari penulis hidup untuk

bersikap lebih waras, M. Rizki Ridho yang kedewasaannya penulis gunakan sebagai

pembelajaran hidup, Aulia Rahman Hutasuhut yang gayanya banyak penulis gunakan

untuk menikmati hidup, Fathoni Tamara Gusty yang sifat elegannya memandu

penulis belajar menjadi lebih baik, Deko Sanjaya yang kealimannya menuntun penulis

(4)

penulis untuk hidup lebih santai, Dewi Tambunan yang mengajarkan penulis arti dari

ketulusan dalam berkawan, Mia Karlina Mierza yang senyumnya penulis gunakan

sebagai penyemangat hidup setiap hari, Nurwahidah Nasution yang mnjadi partner

dalam nyanyian chaya-chaya, Evi Roza Indah Safitri yang inner beautinya terpancar

membuat penulis silau, Arliya Fachreny Harahap yang kalau jalan-jalan gak

ngajak-ngajak penulis, Putri Mutia Hafni Nasution yang roti gandanya memberi rasa lezat

pada penulis, Firdha Aulia Ariyani Panjaitan yang bisa memberi tips cepat tamat dan

tepat pada penulis dalam majalah, Ersawaty Limbong yang Hasrul Limbong nya

membuat penulis (sensor) dan menjadi lebih baik, Benny Peradana yang mengajarkan

kedisiplinan dalam waktu, Muhammad Fatahurrahman yang rivalitasnya membuat

penulis menjadi rival sejati, Irwan Sakti Lubis yang Colds nya membuat coalna pada

penulis, M. Ryan Syahputra yang mobilnya BK 1244 KQ, M. Rizki Oktero yang

ketawanya membuat kepala penulis pusing, Perkasa Damanik dan M. Fandhu Al-adiat

yang membantu menyelesaikan masalah lele dulu, dan seluruh teman-teman stambuk

2009 yang gak bisa di sebutkan satu-satu, takutnya nanti lebih tebal ucapan terima

kasihnya dari pada Tugas Akhir nya, Abang-abang Stambuk 2006,2007,2008 dan

adek-adek Stambuk 2012,2011, dan 2010, Terima kasih juga buat pak Albert

Simbolon dalam memberi pengarahan dan bahan-bahan Tugas Akhir, Terima kasih

buat Posma Nikolas Hutabarat yang pernah ngajari waktu bimbingan dulu, Daniel

Simatupang yang Cherin Monalisa Sirait nya pernah jadi close friend penulis secara

singkat, Seluruh teman-teman Bimbingan Medica Plus 2009 dulu. dan terimakasih

buat adek-adek pasukan bab 4 (titi, jura, fathur, tio, aji, brian, fanny, frans, victor,

prayogo dan adek-adek pasukan bab 4 yang gak bisa disebut satu-satu), Terimakasih

buat semua yang mambantu yang namanya mungkin gak bisa disebut satu-satu, dan

(5)

depannya penulis gunakan untuk belajar sebagai suami dan ayah yang baik bagi

anak-anaknya.

11.Terima kasih buat Program Microsoft Word, Microsoft Power Point, Microsoft

Excell, SAP 2000, dan Program Matlab beserta pencipta dan pengembangnya.

12.Terimakasih buat CB 150R, yang senantiasa menemani penulis kemana aja baik panas

(6)

ABSTRAK

Perencanaan struktur bangunan gedung tahan gempa sangat penting di

Indonesia, mengingat sebagian besar wilayahnya terletak dalam wilayah gempa

dengan intensitas moderat hingga tinggi. Maka sebaiknya untuk rekonstruksi

dibutuhkan pembangunan rumah dan gedung perkantoran yang kuat terhadap beban

gempa shingga mengurangi korban dan kerugian materi. Berbagai metode telah

dilakukan untuk meningkatkan kinerja bangunan dalam menerima beban gempa, salah

satu metode yang dikembangkan adalah dengan menggunakan peredam atau damper

untuk mengontrol respon struktur yang menerima pembebanan gempa, dengan jalan

mendisipasikan energi gempa melalui peredam yang dipasang pada struktur utama.

Salah satu alat kontrol yang menggunakan damper pada struktur yang berdasarkan

penggunaan massa tambahan sebagai sistem penyerap energi adalah Tuned Mass

Damper (TMD). Alat ini dapat dipasang pada bermacam-macam struktur: gedung

bertingkat tinggi, menara, bentangan yang panjang, dan jembatan. Tujuan utama

pemasangan TMD pada gedung tinggi untuk mengurangi goyangan gedung akibat

gaya angin dan akibat gaya gempa. Pemasangan TMD ini dapat dipasang di berbagai

lantai pada gedung. Namun pemasangan dilantai yang berbeda memiliki nilai fungsi

TMD yang berbeda juga. Sehingga dibutuhkan penempatan TMD yang efektif pada

lantai tertentu untuk mendapat nilai fungsi TMD yang maksimum dan nilai

perpindahan gedung yang minimum. Dan dengan menggunakan perhitungan analisis

modal dan respon spectra design diperoleh hasil bahwa Tuned Mass Damper (TMD)

yang dipasang pada lantai paling atas dari sebuah bangunan bertingkat memiliki

efektifitas maksimum dalam mereduksi gaya gempa dibandingkan pemasangan Tuned

Mass Damper (TMD) pada lantai tengah dan lantai terbawah bangunan.

(7)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR...i

ABSTRAK...ii

DAFTAR ISI...iii

DAFTAR NOTASI...iv

DAFTAR TABEL...vii

DAFTAR GAMBAR...x

BAB 1. PENDAHULUIAN...1

1.1 Latar Belakang Masalah...1

1.2 Tujuan Penelitian...4

1.3 Masalah dan Pembatasan Masalah ...5

1.3.1 Masalah...5

1.3.2 Pembatasan Masalah...5

1.4 Metodologi Penelitian...5

1.5 Sistematika Penulisan...6

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA...9

2.1 Umum...9

2.1.1 Massa Struktur ...11

2.1.2 Kekakuan Struktur...12

2.1.3 Redaman Struktur...13

2.2 Definisi dan Pengertian Bangunan Bertingkat...13

2.2.1 Aksi Beban Pada Bangunan Bertingkat Tinggi...14

2.3 Tuned Mass Damper (TMD)...21

(8)

BAB 3. _{METODE PENELITIAN...27}

3.1. Umum...27

3.1.1 Prinsip Operasi Sistem TMD...30

3.1.2 Sistem TMD Pasif...31

3.1.3 Sistem TMD Translational...31

3.1.4 Sistem PTMD...32

3.1.5 Sistem ATMD...33

3.1.6 Beberapa Sistem TMD (Multiple Tuned Mass Damper)...35

3.1.7 Sistem TMD dan Sumber Dinamis Pemuatan...36

3.2 Parameter yang Digunakan...37

3.3 Tuned Mass Damper Teori Sistem SDOF...40

3.3.1 Struktur tidak teredam: TMD tidak teredam... 3.3.2 Struktur tidak teredam: TMD yang teredam... 3.3.3 Struktur teredam: TMD yang teredam... 3.4 Tuned Mass Damper Teori Untuk Sistem MDOF...42

3.5 Teori Perhitungan...43

BAB 4. ANALISIS DAN PEMBAHASAN...48

4.1 Data Perencanaan...48

4.1.1 Perhitungan Pembebanan Perlantai...53

4.1.2 Perhitungan Kekakuan Kolom...54

4.1.3 Perhitungan Gaya Gempa Tanpa TMD (Tuned Mass Damper)...55

4.1.4 Perhitungan Gaya Gempa Dengan TMD (Tuned Mass Damper) Pada Lantai 1...68

(9)

4.1.6 Perhitungan Gaya Gempa Dengan TMD (Tuned Mass Damper) Pada

Lantai3...101

4.2 Perencanaan Struktur 10 Lantai Dengan Program SAP 2000...118

4.2.1 Perhitungan Pembebanan Perlantai...119

4.2.2. Menghitung Kekakuan Kolom...123

4.2.3 Perhitungan Beban Gempa Dengan Metode Statik Ekivalen...123

4.2.4. Perhitungan Tanpa TMD Dengan Program SAP 2000...130

4.2.5. Perhitungan TMD Pada Lantai 1 Dengan Program SAP 2000...136

BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN...177

5.1 Kesimpulan ...177

(10)

DAFTAR NOTASI

c redaman struktur

C nilai faktor respon gempa

Ct koefisien pengali waktu getar alami fundamental berdasarkan jenis struktur

bangunan

Cu koefisien pengali waktu getar alami yang diperkirakan berdasarkan saat respon

spectra saat periode bernilai 1 sekon

E modulud elastisitas

f frekuensi getaran struktur

fy tegangan leleh baja

g percepatan grafitasi

h Tebal Pelat

H tinggi struktur bangunan

I faktor keutamaan gedung

I inersia

k kekakuan kolom

[K] matriks kekakuan

(11)

m massa dari struktur SDOF

md massa dari damper

m sebagai rasio masa damper dengan massa struktur

[M] matriks massa

n M

^

modal massa struktur saat mode ke-n

P gaya

Pn gaya yang terjadi pada gedung di lantai n

ropt rasio frekuensi natural damper dengan frekuensi natural struktur

R faktor reduksi gempa

t tebal pelat lantai atau pelat atap

T waktu getar alami yang diperkirakan

Ta waktu getar alami fundamental

Tcomputed niali periode yang diperoleh dari eigen value

u perpindahan

u kecepatan

ü percepatan

Vstatik gaya dasar nominal statik ekivalen

WD Beban Mati

Wl Beban Hidup

(12)

Wtotal berat total struktur

Wu Beban Terfaktor

Det determinan matriks

ω frekuensi natural struktur

ωd frekuensi natural damper

ξ redaman struktur

ξd redaman damper

µ rasio masa TMD dengan massa struktur

µm faktor daktilitas maksimum

µm harga rata-rata dari perbandingan kekakuan lentur balok terhadap kekakuan

lentur pelat pada ke empat sisinya.

Γ ragam partisipasi getaran

φn ragam getaran mode ke-n

Δ simpangan antar lantai (drift)

Δmax simpangan maksimum antar lantai (drift)

ρ berat jenis beton

β perbandingan antara bentang bersih terpanjang dan bentang bersih terpendek

δ lendutan

δmax lendutan maksimum

(13)

DAFTAR TABEL

BAB 1 BAB 2

Tabel.2.1 Faktor Pengali Dalam Perhitungan Waktu Getar Alami Fundamental

Berdasarkan Jenis Struktur...18

Tabel 2.2 Koefisien Pengali Faktor Periode Berdasarkan Nilai Respon Spectrum Saat

Periode Bernilai 1 Sekon...19

Tabel 2.3 Faktor Keutamaan I Untuk Berbagai Kategori Gedung Atau Bangunan...19

Tabel.2.4 Faktor Daktilitas Maksimum, Faktor Reduksi Gempa Maksimum Dan

Faktor Tahanan Lebih Total Beberapa Jenis Sistem Dan Subsistem Struktur

Bangunan Gedung...20

BAB 3

Tabel 3.1 Faktor Reduksi Gempa Maksimum...46

Tabel 3.2 Kaktor Keutamaan I Untuk Berbagai Kategori Gedung atau Bangunan...47

BAB 4

Tabel 4.2 Faktor Keutamaan I Untuk Berbagai Kategori Gedung atau Bangunan...61

Tabel 4.4 Faktor Keutamaan I Untuk Berbagai Kategori Gedung atau Bangunan

Tabel 4.6 Faktor Keutamaan I Untuk Berbagai Kategori Gedung atau Bangunan...93

(14)

Tabel 4.9 Hasil Perhitungan Periode, Gaya Gempa, Displacement dan Drift Pada

Bangunan Tanpa Tuned Mass Damper (TMD)...117

Tabel 4.10 Hasil Perhitungan Periode, Gaya Gempa, Displacement dan Drift Pada Bangunan denganTuned Mass Damper (TMD) Pada Lantai 1...117

Tabel 4.11 Hasil Perhitungan Periode, Gaya Gempa, Displacement dan Drift Pada Bangunan dengan Tuned Mass Damper (TMD) Pada Lantai 1...117

Tabel 4.12 Hasil Perhitungan Periode, Gaya Gempa, Displacement dan Drift Pada Bangunan denganTuned Mass Damper(TMD) Pada Lantai 1...117

Tabel 4.13 Penentuan Periode Fundamental...123

Tabel 4.14 Faktor Penyesuaian Perkiraan Periode...124

Tabel 4.16 Faktor Keutamaan I Untuk Berbagai Kategori Gedung atau Bangunan..128

Tabel 4.17 Hasil Perhitungan Gaya Gempa Perlantai...129

Tabel 4.17 Simpangan Tanpa TMD Dari Hasil Analisis Dengan Program SAP 2000...134

Tabel 4.18 Nilai Drift dari Hasil Displacements Terbesar...135

Tabel 4.19 Penentuan Periode Fundamental...137

Tabel 4.20 Faktor Penyesuaian Perkiraan Periode...137

Tabel 4.24 Simpangan dengan TMD Pada Lantai 1 Hasil Analisis Dengan Program SAP 2000...148

Tabel 4.25 Nilai Drift dari Hasil Displacement Terbesar...149

(15)

Tabel 4.28 Simpangan dengan TMD Pada Lantai 5 Hasil Analisis Dengan Program

SAP 2000...161

Tabel 4.33 Simpangan dengan TMD Pada Lantai Hasil Analisis Dengan Program

SAP 2000...174

Tabel 4.35 Hasil Besar Simpangan (Tanpa TMD, TMD Lantai 1, TMD Lantai 5 dan

TMD Lantai 10) Pada Bangunan 10 Lantai dengan Program SAP

(16)

DAFTAR GAMBAR

BAB 1

Gambar 1.1 Diagram Alur (Cash Flow) Metodologi Penelitian...8

BAB 2 Gambar 2.1 : SDOF-TMD sistem...10

Gambar 2.2 Model Struktur SDOF...11

Gambar 2.3 Gambar Wilayah Gempa Indonesia dengan percepatan puncak batuan dasar dengan peroide ulang 500 tahun...16

Gambar 2.4 Respon Spectrum Gempa Rencana...17

Gambar 2.5 Tinggi Struktur Bangunanan...18

Gambar 2.6 Tuned Mass Damper (TMD) dan Elemen-elemennya...22

Gambar 2.7 Citicrop Centre , New York...23

Gambar 2.8 John Hancock Tower , Boston...23

Gambar 2.9 CN Tower, Toronto...24

Gambar 2.10 Chiba Port Tower , Jepang...25

Gambar 2.11 Taipei 101 , Taiwan...26

Gambar 2.12 Burj Al-Arab...26

BAB 3 Gambar 3.1: (a) Taipei 101 (b) Taipe 101 PTMD...28

Gambar 3.2 : Skema Dari Sistem TMD Translattional Satu Searah...32

Gambar 3.3 : Skema Dari Pendulum Tuned Mass Damper (PTMD)...33

Gambar 3.4: Skematik Dari ATMD...34

Gambar 3.5: Skematik Dari ATMD Hibrida...35

Gambar 3.6: Skema Multiple Tuned Mass Damper...36

(17)

Gambar 3.8 : Diagram Freebody Keseimbangan Dinamis MDOF Akibat Gaya

Gempa...39

Gambar 3.9: Sdof Sistem Struktur Tidak Teredam Dengan TMD...41

Gambar 3.10: Sistem Sdof Tidak Teredam Digabungkan Dengan Sistem TMD Teredam...41

Gambar 3.11: SDOF sistem yang teredam dengan sistem TMD yang teredam...42

Gambar 3.12: Sistem MDOF yang Teredam dengan Sistem TMD yang Teredam..43

BAB 4 Gambar 4.1 Struktur Bangunan 3 Lantai (2dimensi)...48

Gambar 4.2 Wilayah gempa Indonesia Dengan Percepatan Puncak Batuan Dasar Dengan Periode Ulang 500 Tahun...53

Gambar 4.3 Struktur Bangunan 3 Lantai Tanpa TMD (2dimensi)...55

Gambar 4.4 Respon Spectrum Wilayah Gempa 3...61

Gambar 4.5 Struktur Bangunan 3 Lantai Dengan TMD Pada Lantai 1 (2 dimensi)..68

Gambar 4.7 Struktur Bangunan 3 Lantai Dengan TMD Pada Lantai 2 (2 dimensi)..84

Gambar 4.9 Struktur Bangunan 3 Lantai Dengan TMD Pada Lantai 2 (2 dimensi).101 Gambar 4.10 Respon Spectrum Wilayah Gempa 3...110

Gambar 4.10 Struktur Bangunan 10 Lantai (2 dimensi)...118

Gambar 4.12 Pendimensian Struktur Pada Program SAP 2000...130

Gambar 4.13 Perletakan Struktur Pada Program SAP 2000...130

Gambar 4.14 Penentuan Material Struktur Pada Program SAP 2000...131

(18)

Gambar 4.16 Pemasukkan Beban Hidup Dan Beban Mati Pada Program SAP

2000...132

Gambar 4.17 Pemasukkan Beban Gempa Pada Program SAP 2000...132

Gambar 4.18 Pemasukkan Respon Spectrum Pada Program SAP 2000...133

Gambar 4.22 Pendimensian Balok dan Kolom Pada Program SAP 2000...145

Gambar 4.23 Pemasukkan Beban Hidup Dan Beban Mati Pada Program SAP 2000...145

Gambar 4.31 Pemasukkan Beban Hidup Dan Beban Mati Pada Program SAP 2000...158

(19)

Gambar 4.39 Pemasukkan Beban Hidup Dan Beban Mati Pada Program SAP

2000...172