KAJIAN PERILAKU STRUKTUR RANGKA BERPENGAKU
EKSENTRIK TIPE-D DENGAN INOVASI PENGAKU
BADAN PADA ELEMEN LINK
TESIS
OLEH
P A R M A N
057 016 015/TSFAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013
KAJIAN PERILAKU STRUKTUR RANGKA BERPENGAKU
EKSENTRIK TIPE-D DENGAN INOVASI PENGAKU
BADAN PADA ELEMEN LINK
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik dalam Program Studi Magister Teknik Sipil pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH
P A R M A N
0570016015/TS
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Judul Tesis :
KAJIAN PERILAKU STRUKTUR RANGKA
BERPENGAKUEKSENTRIKTIPE-D DENGAN
INOVASI PENGAKU BADAN PADA ELEMEN
LINK
Nama Mahasiswa : P a r m a n Nomor Pokok : 057 016 015/TS Program Studi : Teknik Sipil
Menyetujui : Komisi Pembimbing
( Dr. Ir. Yurisman, MT ) ( Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT
Ketua Anggota
)
Ketua Program Studi Dekan
( Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE ) ( Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME )
Tanggal Lulus : 31 Januari 2013
Telah Diuji Pada
Tanggal : 31 Januari 2013
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Dr. Ing. Hotma Panggabean Anggota : 1. Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan
2. Prof. Dr. Ir. Bachrian Lubis, M.Sc. 3. Ir. Rudi Iskandar, MT
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Kajian Perilaku Struktur Rangka Berpengaku Eksentrik Tipe-D Dengan Inovasi Pengaku Badan Pada Elemen Link” ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi. Sepanjang pengetahuan saya juga, tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali yang secara tertulis diakui dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Medan, Januari 2013
P a r m a n 057016015/TS
ABSTRAK
Tesis ini menyajikan hasil studi numerik pada struktur rangka baja berpengaku eksentrik dengan menggunakan link geser standar AISC (LSTD AISC), link geser dengan pengaku badan diagonal (LD) dan link geser dengan pengaku badan vertical diagonal (LVD). Penelitian ini bertujuan untuk meneliti perilaku struktur rangka baja berpengaku eksentrik dengan menggunakan ketiga model link geser tersebut di bawah pembebanan statik monotonik dan siklik dengan control perpindahan, riwayat pembebanan yang diberikan dalam pengujian ini sesuai dengan standar pembebanan AISC 2005. Analisis dilakukan dengan pendekatan elemen hingga non-linier dengan menggunakan perangkat lunak computer MSC/NASTRAN. Struktur dimodelkan sebagai elemen shell yang ditumpu pada kedua ujung bawah kolom. Kemudian pembebanan diberikan pada salah satu pertemuan balok dan kolom. Dengan adanya pembebanan, maka pada struktur terjadi translasi dalam satu arah (arah pada sumbu–x). Perilaku struktur rangka baja berpengaku eksentrik menggunakan link geser dengan pengaku badan diagonal dibandingkan dengan perilaku struktur rangka baja berpengaku eksentrik menggunakan link geser standar sesuai dengan ketentuan AISC 2005. Hasil analisis menunjukkan bahwa struktur rangka baja berpengaku eksentrik menggunakan link geser dengan pengaku badan diagonal dapat meningkatkan kinerja dalam hal: kekuatan, kekakuan dan disipasi energy dalam menahan beban lateral. Tetapi dalam hal nilai daktilitas antara struktur rangka baja berpengaku eksentrik menggunakan link geser dengan pengaku badan diagonal dan struktur rangka baja berpengaku eksentrik menggunakan link geser standar sesuai dengan ketentuan AISC 2005 perbedaannya tidak begitu signifikan.
ABSTRACT
This thesis studies the performance of eccentrically braced frame (EBF) of steel structure by using the AISC standard shear link (LSTD AISC), the diagonal web stiffener shear link (LD) and the vertical diagonal web stiffener shear link (LVD). To investigate the behavior of eccentrically braced frame (EBF) of steel structure is by modeling the shear links above under the static monotonic and the cyclic loading displacement control. The loading history is applied to the model structure accordance with standard of AISC 2005. The Non-Linier Finite Element Method is also applied using the computer software of MSC/NASTRAN. The Structure is modeled as a shell element which is fixed at the end of each column bottom. Then a load is applied at one of the joint of a beam and a column. As a result of this load, there exists a horizontal displacement (in the x-direction) on the structure. The behavior of the eccentrically braced frame (EBF) of steel structure by using the diagonal web stiffeners is compared to the behavior of the eccentrically braced frame (EBF) of steel structure by using the shear link designed in accordance with the AISC 2005. The result of analysis shows that the eccentrically braced frame (EBF) of steel structure by using the diagonal web stiffener increases the performance in terms of strength, stiffness, energy dissipation to resist lateral load. However, in terms of ductility value between of the eccentrically braced frame (EBF) of steel structure by using the diagonal web stiffeners with the eccentrically braced frame (EBF) of steel structure by using the shear link designed in accordance with the AISC 2005 is not significant of the difference.
Keywords: Shear link, strength, stiffness, energy dissipation, ductility, static monotonic load, cyclic load.
KATA PENGANTAR
Bismilahirrahmanirrahim. Puji dan syukur panulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena berkat karunia dan ridho-Nya penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul “Kajian Perilaku Struktur Rangka Berpengaku Eksentrik Tipe-D Dengan Inovasi Pengaku Badan Pada Elemen Link” dengan baik dan lancar sebagai suatu syarat untuk menyelesaikan pendidikan di Program Magister Teknik Sipil, Konsentrasi.
Tesis ini membahas tentang kajian perilaku rangka baja berpengaku eksentrik tipe-D dengan inovasi pengaku badan pada elemen link. Kajian dilakukan secara numerik dengan bantuan perangkat lunak program komputer MSC NASTRAN.
Dalam proses penelitian serta penyusunan tesis ini, penulis banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak baik secara moril maupun materil. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada:
Bapak Dr. Ir. Yurisman, M.T. sebagai dosen pembimbing I dan Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T. sebagai dosen pembimbing II, yang telah banyak memberikan bimbingan serta masukan dalam menyelesaikan tesis ini.
Bapak Dr. Ing. Hotma Panggabean, Bapak Prof. Dr. Ing. Ir. Johannes Tarigan, Bapak Prof. Dr. Ir. Bachrian Lubis, M.Sc, Bapak Ir. Sanci Barus M.T. dan Bapak Ir. Rudi Iskandar, M.T., selaku dosen pembanding dan penguji yang telah memberikan masukan dan saran demi perbaikan tesis ini, serta seluruh dosen-dosen di Magister Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Orangtuaku, kakak dan adikku tercinta terima kasih atas dukungan serta do’anya. Khusus isteriku tercinta terima kasih atas kesabarannya dan anak-anakku tercinta terima kasih atas do’anya.
telah membantu kelancaran administrasi selama penulis menempuh pendidikan hingga selesai.
Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu penulis dalam penyelesaian tesis ini.
Penulis menyadari adanya keterbatasan dalam menyelesaikan tesis ini sehingga masih banyak kekurangan yang dirasakan. Dengan demikian kritikan dan saran yang bersifat membangun diharapkan untuk perbaikan penulisan tesis ini. Akhir kata penulis berharap tesis ini dapat bermanfaat bagi semua pembacanya.
Medan, Januari 2013
P a r m a n 057016015/TS
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
A. DATA PRIBADI
Nama : P a r m a n
Tempat/Tanggal Lahir : Sumedang / 03 Agustus 1961
Alamat : Jl. Setia Budi Pasar I, Gg. Pribadi I No. 1A Tanjung Sari Medan
Jenis Kelamin : Laki - laki
Status : Sudah Kawin
Agama : Islam
B. RIWAYAT PENDIDIKAN
1968 – 1974 : SD Negeri Jambu Sumedang 1974 – 1977 : ST Negari II Sumedang 1977 – 1981 : STM Negeri Sumedang
1984 – 1987 : Politeknik Negeri Bandung Konsentrasi Bangunan Gedung
1996 – 1999 : Institut Teknologi Bandung
2005 – 2013 : Universitas Sumatera Utara, Fakultas Teknik Program Studi Magister Teknik Sipil
Konsentrasi Struktur Bangunan
C. RIWAYAT PEKERJAAN
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ... i
ABSTRACT...ii
KATA PENGANTAR ...iii
PERNYATAAN ... v
RIWAYAT HIDUP...vi
DAFTAR ISI ...vii
DAFTAR GAMBAR ...xi
DAFTAR TABEL ...xiv
DAFTAR NOTASI ...xv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 3
1.3 Ruang Lingkup Permasalahan ... 3
1.4 Metodologi Penelitian………..……….. 4
1.5 Sistematika Penulisan……… 5
BAB II STUDI PUSTAKA ... 6
2.1 Baja ... 6
2.2 Sistem Rangka Baja Penahan Gempa ... 8
2.3 Sistem Rangka Berpengaku Eksentrik ... ..10
2.4 Elemen Link ... .13
2.4.1 Beberapa Penelitian Tentang Link ... 14
2.4.2 Perencanaan Link ... 16
2.4.3 Pengaku Link (Link Stiffner)... 19
2.4.4 Pengaruh Panjang Link...22
2.4.5 Elemen Struktur di Luar Link ... 23
2.4.5.1 Pengaku (bresing) ... 23
2.4.5.2 Balok (beam)... 23
2.4.5.3 Kolom (column) ... 24
2.5 Daktilitas Struktur……..…………..……….…………....24
2.6 Energi Hysteresis………...………....26
2.7 Metode Elemen Hingga………...………...27
2.7.1 Penyelesaian Masalah Nonlinier……….………...28
2.7.2 Metode Iterasi……… 29
2.7.3 Metode Full Newton Rhapson………...30
2.7.4 Metode Modified Newton Rhapson………...32
2.8 Kriteria Kelelehan………..………...33
2.9 Tegangan-tegangan Utama………..…………..35
2.10 Regangan………...38
2.11 Hubungan Tegangan - Regangan………...……...39
2.11.1 Elastic - Perfectly Plastic Model……...………....…..41
2.11.2 Elastic Linearly Hardening Model………...…….. 41
2.11.3 Elastic Exponential Hardening Model…...………….. …..41
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 43
3.1 Dasar Pemodelan Struktur ... 43
3.2 Pemodelan Material ... 47
3.3 Pemodelan Elemen Penampang IWF………....48
3.4 Pemodelan Struktur………...………....49
3.5 Pemodelan Pembebanan………... 52
3.6 Variasi Pemodelan Struktur……….. 55
3.7 Kajian Secara Numerik………. 56
3.8 Hasil Analisis Kajian Numerik………. 57
3.9 Metode Analisis dan Pengolahan Data………. 58
3.9.1 Analisis Terhadap Parameter Kekuatan (Strength)…………..58
3.9.2 Analisis Terhadap Parameter Kekakuan (stiffness)... 59
3.9.3 Analisis Terhadap Parameter Daktilitas (Ductility)...59
3.9.4 Analisis Terhadap Parameter Dissipasi Emergi (Energy Disspation) ... 59
BAB IV ANALISIS DATA...60
4.1 Umum...60
4.2 Perilaku Struktur Terhadap Beban Monotonik...61
4.3 Kontur Tegangan pada Struktur...63
4.4 Analisis Dengan Beban Siklik...67
4.5 Perbandingan Analaisis Siklik Sistem Struktur Dengan Variasi Model Link Geser... 71
4.5.1 Kekuatan (Strength)... 71
4.5.2 Kekakuan (Stiffness)...73
4.5.3 Energi Dissipasi (Energy Dissipation)... 74
4.5.4 Daktilitas (Ductility)... 81
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...84
5.1 Kesimpulan ... 84
5.2 Saran... 85 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN A KURVA TEGANGAN REGANGAN MATERIAL
LAMPIRAN B KONTUR TEGANGAN VON MISES PADA STRUKTUR AKIBAT BEBAN MONOTONIK
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Hala
man 2.1 Kurva Hubungan Tegangan-Regangan Baja (Bruneau, dkk. 1998) 7 2.2 Tiga Tipe Rangka Baja Penahan Gempa (Yurisman, 2010) 8 2.3 Diagram Beban-Perpindahan Sistem Rangka Baja
(Meostopo, M dkk. 2006) 10
2.4 2.5
Konfigurasi Bracing Pada Sistem EBF (AISC 2005) Sudut Rotasi Link (AISC 2005)
11 12 2.6 Gaya-gaya pada Elemen Link (Yurisman, dkk. 2010) 14 2.7 Hubungan Panjang Link Dengan Sudut Rotasi 17 2.8 Contoh Detail Pengaku Link (Link Stiffener) (AISC 2005) 20 2.9 Penentuan Perpindahan pada Saat Leleh Pertama Terjadi (Δy) 26 2.10 Energi Histeresis : a) Siklik Sebagian dan b) Siklik Penuh 27
2.11 Metode Full Newton-Raphson 31
2.12 Metode Modified Newton-Raphsonn 33
2.13 Tn Berimpit σn (Teori Elastisitas, Amrinsyah Nasution) 35 2.14 Kenaikan Tegangan dan Regangan (Structural Plasticity, Chen,
W. F dkk) 39
3.1 Pemodelan Struktur Bangunan SRBE 3 Lantai 44 3.2 Konfigurasi Struktur Dalam Program MSC NASTRAN 46 3.3 Kurva Tegangan-Regangan Hasil Uji Tarik Baja 47 3.4 Pemodelan Elemen Penampang IWF Dalam Program MSC
NASTRAN 48
3.5 Penampang IWF Sebagai Elemen Shell 49
3.6 Pola Meshing Portal Struktur EBF Dalam Program MSC
NASTRAN 50
3.7 Model Sambungan: a) Kolom dan Bracing dan b) Balok dan
Bracing 51 3.8 Model Sambungan: a) Kolom dan Balok dan b) Kolom dan
Link 51
Pemodelan Pembebanan Dalam Program MSC NASTRAN Model Riwayat Pembebanan Siklik (AISC 2005)
Struktur EBF Mengalami Beban Perpindahan Dalam Program MSC NASTRAN
Perbandingan Kinerja Link Geser dengan Pengaku Badan Diagonal dan Link Geser Standar AISC, untuk Kondisi Tarik Perbandingan Kinerja Link Geser dengan Pengaku Badan Diagonal dan Link Geser Standar AISC, untuk Kondisi Tekan
Kontur Tegangan Von Mises Link Geser Standar AISC, pada Saat
Pembebanan Maksimum dan Saat Terjadi Keruntuhan pada Bagian
Badan Link
Kontur Tegangan Von Mises Link Geser dengan Pengaku Diagonal
Badan, Tebal Plat Pengaku 6 mm, pada Saat Pembebanan
Maksimum dan Saat Terjadi Keruntuhan pada Bagian Badan Link
Kontur Tegangan Von Mises Link Geser dengan Pengaku Vertikal
Diagonal Badan, Tebal Plat Pengaku 6 mm, pada Saat Pembebanan
Maksimum dan Saat Terjadi Keruntuhan pada Bagian Badan Link
Kurve Hysteretic Gabungan, Struktur Menggunakan LSTD AISC, LVD dan LD, Tebal Plat Pengaku Badan 6 mm
Kurve Hysteretic Struktur Menggunakan Link Standar AISC, Tebal Pengaku Badan 6 mm
Kurve Hysteretic Struktur Menggunakan Link Geser dengan Pengaku Badan Vertikal Diagonal, Tebal Pengaku Badan 6 mm Kurve Hysteretic Struktur Menggunakan Link Geser dengan Pengaku Badan Diagonal, Tebal Pengaku Badan 6 mm
Perbandingan Nilai Kekuatan Geser Tiga Model Benda Uji
4.7
Link Geser pada Kondisi Tarik (a) dan Kondisi Tekan (b) Perbandingan Nilai Kekakuan Sekan Tiga Model Benda Uji Link Geser pada Kondisi Tarik (a) dan Kondisi Tekan (b) Kurva energy hysteretic: a) Load step satus, b) Load step dua, c) Load step tiga, d) Load step empat, e) Load step lima, struktur menggunakan link geser standar AISC, untuk setiap tahap pembebanan.
Kurva energy hysteretic: a) Load step satu, b) Load step dua, c) Load step Tiga, d) Load step empat, struktur menggunakan link geser dengan pengaku badan diagonal, untuk setiap tahap
pembebanan.
Kurva energy hysteretic: a) Load step satu, b) Load step dua, c) Load step tiga, d) Load step empat, e) Load step lima, struktur menggunakan link geser dengan pengaku badan vertical diagonal, untuk setiap tahap pembebanan.
Perbandingan Kemampuan Energi Dissipasi Tiga Model Benda Uji Link Geser
Kurva Tegangan versus Regangan
Kontur Tegangan Von Mises Struktur Menggunakan Link Geser Standar AISC, pada Kondisi Beban Maksimum
Kontur Tegangan Von Mises Struktur Menggunakan Link Geser dengan Pengaku Badan Diagonal, pada Kondisi Beban Maksimum.
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1 Kategori Link Berdasarkan Strengh Ratio 17 2.2 Klasifikasi Jarak Pengaku Badan Antara/Intemediate
Sttifener
21
3.1 Dimensi Penampang Elemen Struktur 45
4.1 Perbandingan Nilai Beban Maksimum dan Perpindahan Maksimum Link Geser dengan Pengaku Badan Diagonal
dan Link Geser Standar AISC 64
4.2 Model Link Geser untuk Analisis Beban Siklik 68 4.3 Perbandingan Nilai Kekuatan Geser Tiga Model Benda Uji 72 4.4 Perbandingan Nilai Kekakuan Geser Tiga Model Benda
Uji
74
4.5 Perbandingan Nilai Energi Dissipasi Tiga Model Benda
Uji Link Geser 81
4.6
A.1
Perbandingan Nilai Daktilitas Tiga Model Benda Uji Link Geser
Data Kurva Tegangan versus Regangan
DAFTAR NOTASI
Aw
a = Jarak Antara Pengaku (Stiffner) = Luas Penampang Badan (Web)
Ag = Luas Penampang db
dσ = Kenaikan Tegangan Yang Bersesuaian = Kedalaman Profil Balok (Beam)
e = Panjang Link (Link Length)
= Tegangan Tarik Putus Bahan Dasar
y
F
= Tegangan Leleh u
h = Tinggi lantai (story height) = Tegangan Ultimit
Ke
= Momen Plastis Yang Berkerja Yang Menyebabkan Plastifikasi
Py = Gaya Aksial Nominal
Ru = Beban Terfaktor Persatuan Panjang
Rnw = Tahanan Nominal Las Persatuan Panjang
tf = Ketebalan Sayap (flange)
tw b
= Ketebalan Badan (web) f
h
= Lebar Sayap t
r
= Tinggi Total Profil x
r
= Radius Girasi Arah Sumbu x y
Z
= Radius Girasi Arah Sumbu y x
Z
= Modulus Penampang Arah Sumbu x y
I
= Modulus Penampang Arah Sumbu y x
I
