STUDI PERBANDINGAN RESPON BANGUNAN DENGAN SISTEM RANGKA PEMIKUL MOMEN DAN DENGAN BANGUNAN YANG MENGGUNAKAN SISTEM RANGKA BERPENGAKU KONSENTRIK
SERTA DENGAN BANGUNAN YANG MENGGUNAKAN METALIC YIELDING DAMPER AKIBAT BEBAN GEMPA
TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Penyelesaian Pendidikan Sarjana Teknik Sipil
Disusun oleh :
DANIEL TRT SITOHANG
070404093
BIDANG STUDI STRUKTUR
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2011
Kata Pengantar
Puji dan syukur kepada tuhan yang maha esa, tuhan yesus kristus dan roh kudus yang telah memberikan rahmat dan berkat-nya hingga selesainya tugas akhir ini dengan judul “studi perbandingan respon bangunan dengan sistem rangka pemikul momen dengan bangunan yang menggunakan sistem rangka berpengaku konsentrik dan dengan bangunan yang menggunakan metalic yielding damper akibat beban gempa” Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam ujian sarjana teknik sipil bidang studi struktur pada departemen teknik sipil fakultas teknik universitas sumatera utara (usu). Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini yang masih banyak kekurangan. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. Dengan tangan terbuka 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 dan bantuan semua pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang tulus dan tidak terhingga kepada kedua orang tua yang selalu penulis muliakan yang telah memberikan segalanya hingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan ini. Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada :
1. Bapak prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, selaku ketua departemen teknik sipil universitas sumatera utara.
2. Bapak Ir.Syahrizal, MT., selaku sekretaris departemen teknik sipil universitas sumatera utara.
3. Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, Mt selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam memberikan bimbingan yang tiada hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
4. Kedua orang tua penulis tersayang yang selalu berdoa dan memberikan semangat serta dukungan kepada penulis sehingga tugas ini dapat selesai dengan baik.
5. Bapak/ibu dosen staf pengajar jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. 6. Adik – adik penulis yang terkasih yang selalu mendukung penulis yaitu vani, vian, elon, wildo, theo, dan echa, teguh, surya, Irma, sarah. Terutama vani yang sudah banyak membantu penulis disaat genting.
7. Ria S Lubis yang selalu mendukung dalam suka maupun duka dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
7. Rekan – rekan mahasiswa jurusan teknik sipil, terutama teman – teman angkatan 2007,. Adik- adik angkatan 2010, dan abang / kakak stambuk 2004, 2005, 2006, terima kasih atas masukan nya selama ini.
Medan, Juli 2011
(Daniel TRT Sitohang) 0 7 0 4 0 4 0 9 3
ABSTRAK
Dengan kondisi daerah indonesia yang terletak di daerah rawan gempa, maka perlu direncanakan struktur bangunan tahan gempa. Metode perencanaan struktur tahan gempa dibagi menjadi dua, yaitu perencanaan konvensional yang berdasarkan konsep bagaimana meningkatkan kapasitas tahanan struktur terhadap gaya gempa yang bekerja padanya. Konsekwensinya adalah pada bangunan dimana kekakuan lateralnya cukup besar akan mengalami percepatan lantai yang besar, sedangkan pada bangunan fleksibel akan mengalami perpindahan lateral yang cukup besar. Kemudian metode yang kedua yaitu dengan pendekatan teknologi dengan menambahkan alat-alat seismic devices ke struktur.
Pada tugas akhir ini dibahas alat seismic devices, yaitu metallic yielding
damper. Tujuannya adalah membandingkan struktur yang menggunakan metallic yielding damper dan dengan struktur rangka pemikul momen serta dengan struktur
rangka berpengaku konsentrik.
Di dalam tugas akhir ini, struktur bangunan yang dimodelkan adalah gedung perkantoran 5 lantai yang terletak di indonesia khususnya nias. Struktur bangunan tersebut dimodelkan dengan bantuan program Sap v14. Kemudian beban gempa direncanakan dengan analisa non-linier, yaitu gempa el-centro n-s yang direkam pada tanggal 15 mei 1940 di california yang diskalakan sesuai dengan percepatan permukaan tanah di daerah Nias sesuai dengan peta hazard gempa Indonesia 2010. Berdasarkan hasil analisis dan hitungan disimpulkan bahwa struktur yang menggunakan metallic yielding damper mampu mereduksi displacement, momen, gaya lintang, dan gaya normal. Bangunan dengan metallic yielding damper dapat mereduksi percepatan gempa sebesar 60,9 % terhadap sistem rangka pemikul momen dan sebesar 68% terhadap sistem rangka berpengaku konsentrik.
Daftar Isi
Kata pengantar i
Abstrak iii
Daftar isi iv
Daftar Tabel viii
Daftar Gambar xi
Bab I. Pendahuluan 1
I.1. Latar Belakang 1
I.2. Permasalahan 5
I.3. Tujuan Penulisan 6 I.4. Pembatasan masalah 7 I.5. Metode Pembahasan 8
Bab II. Teori Dasar 9
2.1. Umum 9
2.2. Prinsip Umum Desain Mengatasi Gaya Lateral 11 2.3 Karakteristik Struktur Bangunan ... 12
2.3.1 Massa 13
2.3.1.1 Model Lumped Mass 13 2.3.1.2 Model Consistent Mass Matrix 14
2.3.2 Redaman 15
2.3.2.1 Damping Klasik 15 2.3.2.2 Damping Nonklasik 16
2.3.3 Kekakuan 17
2.3.3.1 Kekakuan kolom 17 2.3.3.2 Kekakuan elemen bracing 20
2.4. Model Struktur Sebagai Sistem Derajat Tunggal 21 2.4.1 Sistem Derajat Kebebasan-Tunggal(SDOF) Tak Teredam 21 2.4.2 Sistem Derajat Kebebasan-Tunggal (SDOF Teredam 24
2.4.2.1 Redaman Liat (Viscous Damping) 25 2.4.2.2 Persamaan Gerak 25 2.4.2.3 Sistem Redaman Kritis 26 2.4.2.4 Sistem Redaman Super Kritis 28 2.4.2.5 Sistem Redaman Subkritis 29 2.5. Model Struktur Sebagai Sistem Derajat-Kebebasan Banyak 31 2.5.1 Persamaan Difrensial Struktur MDOF 31 2.5.1.1 Matriks Massa, Matriks Kekakuan Dan Matriks Redaman 31 2.5.2 Getaran Bebas Pada Struktur MDOF 35 2.5.2.1 Frekuensi Sudut (w) Dan Normal Modes 37
2.6 Daktailitas 38
2.7 Simpangan Antar Lantai 40 2.7.1 Simpangan Inelastis Maksimum 40 2.7.2 Batasan Simpangan Antar Lantai 41
2.8 Desain Gempa 41
2.8.1 Analisa Time History 42 2.8.2 Penentuan Percepatan Puncak Di Permukaan Tanah 43
Bab III. Pemodelan 46
3.1 Struktur Portal Baja Tahan Gempa 46 3.1.1 Sistem Rangka Pemikul Momen (SRPM) 48 3.1.2 Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik 48 3.2 Damping Pada Bangunan 50
3.2.1 Metode Dissipasi Energi Damper 52 3.3 Adas (Added Damping And Stiffness) 53 3.3.1 Kekakuan Dan Daktailitas Pelat Damper 55 3.3.1.1 Daktilitas Bahan Pelat 56 3.3.2 Pengaruh Bentuk Pelat Terhadap Daktilitas Dan Kekakuan 57 3.3.2.1 Pelat Damper Bentuk X 57 3.3.2.2 Pelat Damper Bentuk Segiempat 60 3.3.3 Model Analisa Damper Terhadap Struktur 63 3.3.3.1 Efek B/D Ratio Dan Stiffness Ratio (SR) 64 3.4 Perencanaan Elemen Struktur 65
3.4.1 Balok 66
3.4.2 Kolom 69
3.4.3 Bracing 73
Bab IV. Pembahasan/Aplikasi
79
4.1 Pendahuluan 79
4.2 Pengerjaan Model Struktur 80 4.2.1 Pemodelan Struktur 80 4.2.2 Pembebanan Pada Struktur 81 4.2.2.1. Beban Gravitasi 82 4.2.2.2. Beban Gempa 83 4.3. Perencanaan Elemen Struktur Berdasarkan Beban Gravitasi (Dl + LL) 87 4.3.1 Perencanaan Elemen Balok Pada Struktur 88 4.3.2 Perencanaan Elemen Kolom Pada Struktur 92 4.4 Perencanaan Metallic Yielding Damper 97
4.4.1 Metallic Damper Bentuk X Dengan Stiffness Ratio (Sr) = 2,18 97
4.4.2 Metallic Damper Bentuk Segiempat Dengan Stiffness Ratio (Sr) = 2,23 104
4.4.3 Metallic Yieding Damper Dengan Stiffness Ratio (Sr) = 1,15 106
4.5 Kesimpulan Perencanaan 108
4.6 Prosedur Analisa Struktur Dengan Menggunakan Sap2000 V14. 109
4.6.1 Input Data Untuk Yielding Damper 117
4.7 Analisa Hasil Perhitungan Struktur Bangunan. 121
4.7.1 Analisa Hasil Perhitungan Sistem Rangka Pemikul Momen 121 4.7.2 Analisa Hasil Perhitungan Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik 127 4.7.3 Analisa Hasil Perhitungan Bangunan Dengan Yielding Damper Bentuk X 134
4.7.4 Analisa Hasil Perhitungan Bangunan Dengan Yielding Damper Bentuk Segiempat. 141
4.7.5 Analisa Hasil Perhitungan Bangunan Dengan Yielding Damper Bentuk X Dengan Stiffness Ratio = 1,15. 147
4.8. Grafik respon bangunan terhadap gempa. 154
4.8.1 Sistem Rangka Pemikul Momen 154
4.8.2 Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik 156
4.8.3 Bangunan Dengan Damper Bentuk X 158
4.8.4 Bangunan Dengan Damper Bentuk Segiempat 160
4.8.5 Bangunan Dengan Damper Bentuk X Dengan Stiffness Ratio (SR)= 1,15162 4.8.6 Perbandingan Respon Bangunan 164
4.9 Kesimpulan Pembahasan 170
BAB V. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan 172
5.2 Saran. 172
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1: Rasio Redaman berdasarkan Jenis dan Kondisi Struktur 16
Tabel 2.2. Faktor Keutamaan Gedung 43
Tabel 2.3. Klasifikasi site didasarkan atas korelasi penyelidikan tanah lapangan dan laboratorium (SNI-2002, UBC-97, IBC-2009, ASCE 7-10,) 43 Tabel 2.4: Percepatan puncak batuan dasar dan percepatan puncak muka tanah berdasarkan Peta Gempa Indonesia 2010 44 Tabel 3.1 klasifikasi sistem struktur, sistem pemikul beban gempa, faktor modifikasi respons, R, dan faktor kuat cadang struktur, Ω0 52
Tabel 4.1 Kinerja Batas Layan (∆s) SRPMK 123
Tabel 4.2 Kinerja Batas Ultimate (∆M) SRPMK 124
Tabel 4.3 Gaya – gaya maksimum pada balok pada Struktur SRPMK. 125
Tabel 4.4 Gaya – gaya maksimum pada kolom pada Struktur SRPMK. 126
Tabel 4.5. Kinerja Batas Layan Struktur SRBKK 129
Tabel 4.6. Kinerja Batas Ultimate Struktur SRBKK 129 Tabel 4.7. Gaya – gaya maksimum pada balok struktur SRBKK 130 Tabel 4.8. Gaya – gaya maksimum pada kolom struktur SRBKK 131 Tabel 4.9. Gaya – gaya maksimum pada bresing struktur SRBKK 132 Tabel 4.10. Kinerja Batas Layan Struktur dengan Yielding Damper X 135 Tabel 4.11. Kinerja Batas Ultimate Struktur dengan Yielding Damper X 136
Tabel 4.12.Gaya – gaya maksimum pada balok struktur dengan Yielding Damper X (136) Tabel 4.13. Gaya – gaya maksimum pada kolom struktur dengan Yielding Damper X (137) Tabel 4.14. Gaya–gaya maksimum pada bracing struktur dengan Yielding Damper 138 Tabel 4.15. Gaya–gaya maksimum pada Yielding Damper X 138 Tabel 4.16. Deformasi (∆) pada Yielding Damper X 139 Tabel 4.17 Kinerja Batas Layan Struktur dengan Yielding Damper Segiempat 142 Tabel 4.18 Kinerja Batas Ultimate Struktur dengan Yielding Damper Segiempat 143 Tabel 4.19 Gaya – gaya maksimum pada balok pada struktur menggunakan damper
segiempat 143
Tabel 4.20 Gaya – gaya maksimum pada kolom pada struktur menggunakan damper
segiempat 144
Tabel 4.20 Gaya – gaya maksimum pada kolom pada struktur menggunakan damper
segiempat 144
Tabel 4.22 Gaya – gaya maksimum pada damper bentuk segiempat 145 Tabel 4.23 Deformasi (∆) pada damper bentuk segiempat 145 Tabel 4.24 Kinerja Batas Layan pada Struktur Menggunakan Damper dengan
(SR) =1,15 148
Tabel 4.25 Kinerja Batas Ultimate pada Struktur Menggunakan Damper dengan
(SR) =1,15 149
Tabel 4.26 Gaya – gaya maksimum pada balok pada Struktur dengan Damper dengan (SR) =1,15 150
Tabel 4.27.Gaya -gaya maksimum pada kolom pada Struktur dengan Damper dengan (SR) =1,15 150
Tabel 4.28.Gaya-gaya maksimum Bresing pada Struktur dengan Damper dengan
(SR) =1,15 151
Tabel 4.29.Gaya-gaya maksimum pada yielding Damper dengan (SR) =1,15 151 Tabel 4.30.Deformasi maksimum pada yielding damper dengan SR = 1,15 152
DAFTAR GAMBAR
Gambar. 1.1.Sistem Rangka Pemikul Momen 8
Gambar. 1.2 Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik 8
Gambar. 1.3 Bangunan menggunakan Yielding Damper 8
Gambar 2.1 Struktur dengan bresing 20
Gambar 2.2 Model matematis untuk sistem berderajat – kebebasan – satu. 22 Gambar 2.3 Beberapa bentuk alternative dari model matematis sistem
berderajat-kebebasan-satu 22
Gambar 2.4 Hubungan gaya dan perpindahan (a) pegas kuat, (b) pegas linier, (c)
pegas lemah 23
Gambar 2.5 Model struktur sistem derajat kebebasan tunggal teredam 24 Gambar 2.6 Respon getar bebas dengan redaman kritis 28 Gambar 2.7 Grafik simpangan terhadap waktu dari getaran kritis,super kritis,dan
sub kritis 31
Gambar 2.8 Struktur 3-DOF, Model Matematik dan Free Body Diagram 32 Gambar 2.9 . Peta percepatan puncak (PGA) di batuan dasar (SB) untuk probabilitas
10% dalam 50 tahun 46
Gambar 2.10. Peta percepatan puncak (PGA) di batuan dasar(SB) untuk probabilitas
10% dalam 100 tahun. 47
Gambar 2.11. Peta percepatan puncak (PGA) di batuan dasar (SB) untuk probabilitas
Gambar 3.1. Struktur Rangka Pemikul Momen 5 Gambar 3.2 Model Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik 52 Gambar 3.3 Getaran bebas tanpa damping dan dengan damping 54
Gambar 3.4 Faktor Dinamis Getaran 55
Gambar 3.5 ADAS pada Struktur 56
Gambar 3.6 Bentuk Hysterestic loop pada metallic yielding damper 67 Gambar 3.7 Deformasi plastis pada struktur bertingkat satu 59
Gambar 3.8 Hubungan tegangan – regangan baja 60
Gambar 3.9 Pelat Damper Bentuk X 60
Gambar 3.10 Pelat damper bentuk segi-empat 63
Gambar 3.11. Tegangan dan regangan pada damper segiempat 64 Gambar 3.12 Faktor panjang tekuk untuk beberapa kondisi perletakan 75
Gambar 4.1 Pemodelan Struktur 81
Gambar 4.2. Rekaman percepatan permukaan tanah gempa El-centro. 86 Gambar 4.3 Fungsi Time History pada Sap2000 v14.(sumber:SAP2000 v14
Function) 112
Gambar 4.4 Load Case Data untuk fungsi analisa riwayat waktu 113 Gambar 4.5 Load Case Data untuk fungsi modal pada struktur 114 Gambar 4.6 Fungsi Gravitasi untuk analisa riwayat waktu. 115 Gambar 4.7. Kombinasi pembebanan pada Sap2000.(sumber :Sap2000) 116
Gambar 4.8. Menjalankan Program Sap2000(sumber :Sap2000v14) 117 Gambar 4.9 Menu Link/support property data. (sumber : Sap2000v14) 119 Gambar 4.10. Data property untuk Yielding Damper bentuk X(s:Sap2000v14) 120
Gambar 4.11. Data property untuk Yielding Damper bentuk segi4(s:Sap2000v14) 120
Gambar 4.12.Data property untuk Yielding Damper bentuk X tanpa memperhatikan Stiffness Ratio(s:Sap2000v14) 121
Gambar 4.13. Sistem Rangka Pemikul Momen 122
Gambar 4.14. Sistem Rangka Berpengaku Konsentrik 128 Gambar 4.15. Struktur yang menggunankan
Sistem Yielding Damper bentuk X...135 Gambar 4.16. Struktur yang menggunakan Sistem Yielding Damper bentuk
Segiempat 141
Gambar 4.17. Struktur yang menggunakan Sistem Yielding Damper bentuk X
dengan SR = 1,15 148
Gambar 4.18. Grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai 5) pada SRPM 154 Gambar 4.19. Grafik percepatan pada joitn 24 (lantai5) terhadap waktu pada
struktur SRPM 154
Gambar 4.20. Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada SRPM 155 Gambar 4.21. Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur SRPM 155
Gambar 4.22. Grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai 5) pada
struktur SRBK 156
Gambar 4.23. Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada
struktur SRBK 156
Gambar 4.24. Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada struktur SRBK 157 Gambar 4.25. Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur SRBK 157 Gambar 4.26. . Grafik perpindahan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada
struktur dengan Damper X 158
Gambar 4.27. . Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada
Struktur dengan Damper X 158
Gambar 4.28. Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada Struktur dengan
Damper X 159
Gambar 4.29. Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur dengan Damper X 159 Gambar 4.30. . Grafik perpindahan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) Damper
segiempat 160
Gambar 4.31. . Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) Damper
segiempat 160
Gambar 4.32. Grafik Base Shear arah X terhadap waktu pada bangunan dengan
Damper segiempat 161
Gambar 4.33. Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur dengan Damper
Gambar 4.34. . Grafik perpindahan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada bangunan dengan Damper X dengan SR = 1,15 162 Gambar 4. 35. Grafik percepatan pada joint 24 terhadap waktu (lantai 5) pada bangunan dengan Damper X dengan SR = 1,15 162 Gambar 4.36. Grafik Base Shear arah X terhadap waktu. pada bangunan dengan Damper X dengan SR = 1,15 163 Gambar 4.37 Perpindahan maksimum tiap tingkat struktur dengan Damper X
dengan SR = 1,15. 163
Gambar 4.38. Perbandingan perpindahan maksimum tiap lantai pada
masing-masing struktur 164
Gambar 4.39. Perbandingan grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing struktur 164 Gambar 4.40. Perbandingan grafik perpindahan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing bangunan dengan damper yang berbeda. 165 Gambar 4.41. Perbandingan grafik pecepatan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing bangunan dengan damper yang berbeda 165 Gambar 4.42. Perbandingan grafik pecepatan terhadap waktu pada joint 24 (lantai5) pada masing-masing bangunan. 166
Gambar 4.43. Perbandingan grafik base shear 166
Gambar 4.44. Perbandingan grafik momen tumpuan pada balok (KNm). 167 Gambar 4.45. Perbandingan grafik momen lapangan pada balok (KNm). 167 Gambar 4.46. Perbandingan grafik gaya normal pada kolom (KN). 168
Gambar 4.47. Perbandingan grafik momen pada kolom (KNm). 168 Gambar 4.48. Perbandingan grafik gaya normal pada bresing (KN). 169 Gambar 4.49. Perbandingan grafik gaya geser pada Yielding Damper (KN). 169
