STUDI PERILAKU DINDING GESER PELAT BAJA (STEEL PLATE SHEAR WALL) PADA BANGUNAN STRUKTUR BAJA AKIBAT BEBAN GEMPA

(1)

Dosen Pembimbing: Budi Suswanto, ST.,MT.,Ph.D Data Iranata, ST.,MT.,PhD Disusun Oleh: Nur Husain NRP 3104 100 052

SEMINAR TUGAS AKHIR

JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011

STUDI PERILAKU DINDING GESER PELAT BAJA (STEEL PLATE SHEAR WALL) PADA BANGUNAN STRUKTUR BAJA

(2)

PENDAHULUAN



Latar Belakang



Rumusan Masalah



Tujuan Penelitian



Batasan Masalah



Manfaat Penelitian

(3)

LATAR BELAKANG MASALAH

• Lahan pertanian mulai berkurang, sehingga banyak didirikan gedung

tinggi sebagai alternatif pemanfaatan lahan secara efektif

• Struktur gedung tinggi dan ramping mulai digemari para arsitek

sehingga material baja digunakan sebagai bahan struktur utama

• Makin tinggi suatu bangunan makin tinggi pula resiko yang diterima.

Bangunan tingkat tinggi harus mampu menerima beban gempa yang

kuat (zona 5 dan 6)

• Struktur harus kuat dan daktail

• Untuk menahan beban lateral (gempa dan angin) digunakan dinding

geser pelat baja

(steel plate shear wall)

(4)



Dinding geser pelat baja (

Steel Plate Shear Wall atau SPSW

) adalah

sebuah sistem penahan beban lateral yang terdiri dari pelat baja

vertikal padat, menghubungkan balok dan kolom di sekitarnya, dan

terpasang dalam satu atau lebih plat sepanjang ketinggian struktur

membentuk sebuah dinding penopang (

Proceedings of the 8th U.S.

National Conference on Earthquake Engineering April 18-22, 2006,

San Francisco, California, USA Paper no.1089)



Secara umum, dalam penelitian ini akan direncanakan sebuah

bangunan gedung

typical

dengan dimensi bangunan 30x18 m (jarak

bentang 6 m) dan 8 lantai dengan tinggi bangunan 32 m (tinggi antar

lantai 4 m). Gedung yang didesain terletak di daerah rawan gempa

dengan mengambil Zona Gempa 6 berdasarkan SNI-03-1726-2002.

Secara keseluruhan, perencanan struktur gedung ini akan dibuat dari

struktur baja. Untuk analisa struktur secara umum akan

menggunakan program bantu SAP 2000 versi 14, untuk analisa

penampang elemen struktur menggunakan software ABAQUS versi

6.7

(5)

PERUMUSAN MASALAH



Bagaimana perilaku atau respon inelastik (drift, gaya geser dasar,

simpangan atap) antara suatu bangunan dengan menggunakan

steel

plate shear wall

dibandingkan struktur baja biasa tanpa

shear wall

(moment resisting frame)

?



Bagaimana dampak pemakaian SPSW terhadap dimensi profil

(6)

TUJUAN PENELITIAN

• Menghitung respon inelastik (drift, gaya geser dasar, simpangan atap)

suatu bangunan dengan menggunakan steel plate shear wall dengan

struktur rangka pemikul momen biasa (moment resisting frame)

• Mengetahui dampak dari pemakaian SPSW terhapada dimensi

struktur utama

(7)

BATASAN MASALAH



Jumlah lantai adalah 10 lantai. Dimana hanya

membandingkan struktur menggunakan SPSW (4 bagian)

dan struktur open frames biasa (momen resisting frame)



Program yang digunakan adalah SAP2000 v.14 dan

Abaqus 6.7



Tidak menghitung Pondasi

(8)

MANFAAT PENELITIAN



Sebagai bahan masukan bagi dunia perkonstruksian

khususnya pada bangunan baja dalam pengerjaan

pengaku pada konstruksi.



Sebagai bahan pertimbangan jenis pengaku yang akan

digunakan dalam mendesain konstruksi bangunan baja.

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Flowchart Metode Studi

METODOLOGI

(16)

Gambar 2.5 Denah Bangunan 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0m Balok induk Balok anak m m m m m m m 18.0m 30.0m

PREMILINARY DESAIN

(17)

Gambar 2.6 Denah Bangunan Dengan SPSW 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 SPSW Balok induk Balok anak m m m m m m m m SPSW 18.0 30.0m

(18)

Gambar 2.7 permodelan struktur tanpa Pengaku Tampak Depan

4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 m m m m m m m m m m m m m m m ± 0.00 + 4.00 + 8.00 + 12.00 + 16.00 + 20.00 + 24.00 + 28.00 +32.00 + 36.00 + 40.00 30.0 40.0 m m

Gambar 2.8 permodelan

struktur tanpa Pengaku

Tampak samping

4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 6.0 6.0 6.0 4.0 4.0 4.0m 4.0 4.0 m m m m m m m m m m m m ± 0.00 + 4.00 + 8.00 + 12.00 + 16.00 + 20.00 + 24.00 + 28.00 +32.00 + 36.00 + 40.00 40.0m 18.0m

(19)

Gambar 2.9 permodelan

struktur SPSW Tampak

Depan

Gambar 2.10 permodelan

struktur SPSWTampak

Samping

4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 m m m m m m m m m m m m m m m ± 0.00 + 4.00 + 8.00 + 12.00 + 16.00 + 20.00 + 24.00 + 28.00 +32.00 + 36.00 + 40.00 30.0 40.0 m m 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 6.0 6.0 6.0 4.0 4.0 4.0m 4.0 4.0 m m m m m m m m m m m m ± 0.00 + 4.00 + 8.00 + 12.00 + 16.00 + 20.00 + 24.00 + 28.00 +32.00 + 36.00 + 40.00 40.0m 18.0m

(20)

Gambar 2.10 permodelan

struktur open frame biasa

tanpa pengaku 3D

Gambar 2.11 permodelan

struktur SPSW 3D

(21)

3.1 Beban-beban pada struktur

3.1.1 Beban Mati (PPIUG 1983 Bab 2 )

3.1.2 Beban Hidup (PPIUG 1983 Bab 3)

3.1.3 Beban Angin (PPIUG 1983 - Bab 4)

3.1.4 Beban Gempa ( SNI 03-1726-2002 )

Beban gempa yang digunakan adalah statik eqivalen

yang sudah

disesuaikan dengan SNI 2002.

(22)

3.2 Peraturan

Peraturan yang digunakan dalam perencanaan adalah :



SNI 03 – 1729 – 2002 tentang Tata Cara Perencanaan

Struktur Baja Untuk Bangunan Gedung



Peraturan Pembebanan Indonesia Untuk Gedung

(PPIUG) 1983.



SNI 03 – 1726 – 2002 tentang Tata Cara Perencanaan

Ketahanan Gempa Untuk Bangunan Gedung.



Untuk check / kontrol dimensi digunakan SNI

3.3 Data Umum Bangunan

-

Lokasi

: Wilayah gempa 6 (SNI 2002).

-

Lebar bangunan

: 18 m

-

Panjang bangunan

: 30 m.

-

Tinggi bangunan

: 40 m (10 lantai).

-

Sistem struktur

: Struktur bangunan Baja dengan

menggunakan

x-braced CBF

dan

Buckling Inhibited Braces (BIB).

(23)

3.4 Data Bahan

Mutu Baja yang akan digunakan sebagai berikut :

Kolom (King Cross Mutu BJ 41): Fy = 250 Mpa

Fu = 410 Mpa

Balok (WF Mutu BJ 41):

Fy = 250 Mpa

Fu = 410 Mpa

(24)

PERENCANAAN STRUKTUR SEKUNDER

Gambar 4.1 Penulangan Bondek Atap



Pelat atap dan lantai menggunakan tulangan negatif Ø

= 10 mm – 200



Balok anak menggunakan dimensi WF 300.200.8.12

(25)

Hasil kontrol yang diperoleh



Kontrol Kuat Geser

:

ΦVn ≥ Vu

31752 kg ≥ 6796,12 kg……Ok



Kontrol Kuat Momen Nominal

:

Mu < Φ Mn

(26)

BAB V

PERENCANAAN GEMPA DAN STRUKTUR UTAMA

Tabel 5.1 Berat Struktur Per Lantai

Berat total bangunan(open frame biasa) = 2988504 kg

Lantai Tinggi (m) Berat Lantai (kg)

10 40 184743.6 9 36 30 50 43.6 8 32 30 50 43.6 7 28 30 7962 6 24 30 7962 5 20 30 7962 4 16 317446.8 3 12 317446.8 2 8 317446.8 1 4 317446.8 ∑ 298850 4

(27)

Tabel 5.2 Daftar Profil Baja Terpakai

Tabel 5.3 Daftar Beban Hidup

Deskripsi

Beban hidup

1.Lantai Perkantoran

250 kg/m2

2.Atap

100 kg/m2

h B tw tf Berat (mm) (mm) (mm) (mm) (kg/m) Balok WF300 300 200 8 12 56.8 WF500 500 200 10 16 89.6 Kolom K346 346 174 6 9 82.8 K400 400 200 8 13 113.2 K600 600 200 11 17 212 Notasi

(28)

Tabel 5.4 Gaya gempa tiap lantai menggunakan T = 1.723

Tabel 5.5 Kontrol kinerja batas layan dan kinerja batas

ultimate arah sumbu x (moment resisting frame)

(29)

Tabel 5.5 Kontrol kinerja batas layan dan kinerja batas

ultimate arah sumbu x (SPSW)

(30)

gambar displacement open frame

(31)



WF 500x200x10x16



XH 600x200x11x17

f

Vn ≥ Vu

67500 kg ≥ 17823.49

0 , 1 . . 9 8 _         Mny b Muy Mnx b Mux Pn Pu f f f

0,758 ≤ 1

Balok kuat memikul gaya geser

Kolom kuat memikul kuat

tekan dan lentur

(32)

PERENCANAAN DINDING GESER

Direncanakan dimensi shear wall 300 x 200 dengan tebal 6 mm

(Bj 41)

Tan

4

_{α =}















L

I

h

A

H

t

A

L

t

c b w c w

360

1

2

1

3

30º <α = 36.8º < 45º

OK

Panel aspek ratio 0.8 < L/h < 2,5 Rasio = L/h = 300/200 = 1.5 OK h/tw<lp = 1,10

Fyw

E

Kv

.

/

h/t

w

<λ

p

= 1,10

Kontrol penampang

(33)

Gaya geser Nominal (Vn):

Vn = 0.42 Fy. tw. Lc. Sin (2α)

Vn = 0.42 x 2500x 40000 x 0.959

Vn = 40278000 kg

Gaya geser yang dapat terjadi :

Vyc = Cpr.Ry.Vn

Cpr = (fy+fu)(2fy) = 1 + fy/2fu

Cpr = (2500+4100)/(2x2500)

= 1,32

Vyc = Cpr. Ry. Vn

Vyc = 1,32x1,1x40278000

= 58483656 kg

(34)

2 2 2

)

)(

1 (

12 .

.

tw

h

v

Kv

E





Tegangan leleh yang mungkin terjadi: fyc = Ry. Fy

fyc = 1.1x2500

= 2750 kg/cm²> fy = 2500 kg/cm²

Tegangan Geser Kritis pada dinding geser :

Tegangan tekuk kritis tidak boleh lebih kecil dari tegangan leleh pada element plat. Dengan kata lain, tekuk dapat dicegah sebelum tegangan rata-rata sebesar fy tercapai.

fcr = 2847,524 kg/cm²> fy=2500kg/cm²..OK

fcr =

(35)

2

.

6

1 M

_b

11 _t

2

6 ,

0 .

200

6

1

5 ,

94 Kontrol tegangan dinding geser:

Output dari SAP 2000 combo 7 W53:

M11 = 5,94kgcm

S11 = 279,23 kgcm

Dimensi dinding geser:

b= 200cm

t= 0,6cm

σy = 2500 kg/cm

²

= 269,23 +

= 269, 28 < σy (OK)

σ= S11 +

(36)

ANALISA SPSW DENGAN

ABAQUS 6.7

PRE PROCESSING

Pemodelan geometrik struktur dengan bentuk yang diinginkan, beserta input data-data seperti jenis material yang digunakan, pola beban, rekatan antar elemen, jenis perletakan, dan messing element. Adapun step-step dari abaqus dalam pemodelan yaitu:

Parts

Step ini merupakan penggambaran bentuk awal dari geometrik struktur dengan menggunakan titik-titik koordinat dalam penggambaran untuk masing-masing element struktur

(37)

(38)

Materials

•Step ini merupakan penentuan jenis material yang digunakan untuk masing-masing

element. Dengan mengisi mass density, elastisitas material, dan plastisitas material. Density menu :

•Mass density untuk baja= 6850 kg/cm³ = 7.7008E-005 N/mm³

•Elastis menu : Modulus young baja 200000 Mpa dengan poison ratio 0.3

•Plastis menu :

•Yield stress (250,251,410);

(39)

Assembly

Merupakan penggabungan dari element-element yang telah dibuat menjadi satu kesatuan. Dalam langkah ini dibagi beberapa langkah diantaranya instances (memanggil part-part untuk dibentuk dalam satu kesatuan), steps (pendefinisian element), constrain (input lekatan antar element), loads (input beban yang ada), dab BCs (input perletakan)

(40)

PROCESSING

Dalam hal ini abaqus mampu menganalisa linear analisis dan non-linear analisis pada finite element dengan ratusan parameter dalam banyak iterasi. Pemecahan analisa non linear dalam abaqus terdapat beberapa tahap yaitu:

 Kombinasi dan berulang prosedur tambahan;

Menggunakan metode newton untuk memecahkan persamaan non linear

 Menentukan konvergensi;

 Menentukan beban sebagai fungsi waktu, dan

 Bertahap memilih waktu yang tepat secara otomatis.

(41)

Tujuan analisis adalah untuk menentukan respon ini. Dalam non linear analisis solusi tidak dapat dihitung dengan menyelesaikan system persamaan linear tunggal, seperti yang akan dilakukan dalam masalah linear. Sebaliknya, solusi ditemukan dengan menetapkan loading sebagai fungsi dari waktu sehingga respon non linear dapat dipeoleh ketika melakukan iterasi.

Langkah kenaikan dan iterasi

Pada dasarnya simulasi terdiri dari 1 atau banyak langkah. Pendefenisian proses kerja umumnya terdiri dari prosedur analisis, pembebanan dan permintaan output. Beban yang berbeda, kondisi batas, analisis prosedur, dan permintaan output yang dapat digunakan dalam setiap langkah.

Konvergensi

Dalam hal ini abaqus mempertimbangkan gaya eksternal (P) dan gaya Internal (I) pada tubuh element. Beban internal bekerja pada sebuah nodal disebabkan oleh tegangan dalam element-element yang melekat pada nodal itu)

(42)

(43)

(44)

(45)

PENUTUP

Kesimpulan

•Dimensi Profil ;

Dari hasil perhitungan dan analisis yang telah dilakukan pada struktur gedung, didapatkan hasil sebagai berikut :

•SPSW :

Plat baja BJ 41 dengan tebal 6 mm •Balok anak

WF 300x200x8x12

•Balok Induk Eksterior :

Untuk lantai 1 s/d 10 WF 500x200x10x16 •Balok Induk Interior :

Untuk lantai 1 s/d 10 WF 500x200x9x14 •Kolom : _{Lantai 1 s/d 4 :} K 700x300x13x24 _{Lantai 5 s/d 7 :} K 600x200x11x17 _{Lantai 8 s/d 10 :} K 400x200x8x13

(46)

Balok lantai 1-4

Momen resisting frame

Mu max

= 4,796,210.00 Kgcm

Vu (-) = 19,421.32Kg

SPSW

Mu max

= 2,824,594.00 Kgcm

Vu (-)

= 13,652.30 Kg

Balok lantai 5-10

Momen resisting frame

Mu max

= 4,200,607.00 Kgcm

Vu (-) = 17,374.89Kg

SPSW

Mu max

= 2,543,794.00 Kgcm

Vu (-)

= 12,673.20 Kg

(47)

Gaya dalam yang terjadi pada struktur saat Open Frame tanpa pengaku, dan setelah menggunakan

SPSW

Open Frame SPSW

Balok seg. bawah

Mu max( kgcm ) 4,796,210 2,824,594

Vu max (kg) 19,421.32 13,652

Balok seg. Atas

Mu max( kgcm ) 4,200,607 2,543,794

Vu max (kg) 17,374.89 12,673

Dari data Mu max dan Vu yang ada di atas, saat Struktur menggunakan SPSW berkurang ±1,7 kali terhadap terhadap struktur saat Open frame. Hal ini memberikan gambaran bahwa

suatu struktur yang deberi SPSW, lebih bermaanfaat pada struktur berlantai 10. Sehingga dari momen yang mengalami pengurangan tersebut,dimensi Balok dapat dikurangi lagi hingga kondisi se optimum mungkin.

(48)

Pengaruh gaya gempa yang terjadi terhadap struktur Open Frame,dan SPSW dapat dilihat pada grafik dibawah ini:

Dari grafik terlihat Drift yang sangat besar terjadi saat Open Frame (∆s= 383.78 mm),setelah SPSW menjadi ∆s= 81.038 mm. Pengecilan drift ±4.7 kali ini menunjukkan momen yang diterima oleh kolom dan balok akan mengecil pula.

(49)

Simpangan atap max SPSW = 81.04 mm

Simpangan atap max Momen resisting frame = 383,78 mm Base Shear max SPSW = 214892,3 kg

Base Shear max Momen resisting frame = 834168,5 kg

Hal ini menunjukkan bahwa base shear struktur baja dengan menggunakan SPSW lebih kecil dibandingkan dengan struktur momen resisting frame Hal ini

mengakibatkan profil struktur yang digunakan SPSW lebih kecil dibandingkan profil yang digunakan momen resisting frame

Dari semua hasil perbandingan diatas dapat disimpulkan bahwa struktur dengan menggunakan SPSW lebih efisien dan ekonomis dibandingkan dengan struktur dengan momen resisting frame

(50)

Saran

•Perlu dilakukan analisa struktur gedung penuh dan penggunaan beban cyclic menggunakan software abaqus untuk menganalisa perilaku SPSW dengan sempurna

•Perlu pembelajaran program ABAQUS secara advance untuk melakukan percobaan bahan dengan teknologi komputer

(51)