Analisis Kekakuan Struktur Portal Terbuka Dibandingkan Dengan Pemanfaatan Dinding Bata Sebagai Bracing Terhadap Gaya Gempa Secara Modal Analysis 2d Dan Program Etabs 3D

(1)

ANALISIS KEKAKUAN STRUKTUR PORTAL TERBUKA

DIBANDINGKAN DENGAN PEMANFAATAN DINDING

BATA SEBAGAI BRACING TERHADAP GAYA GEMPA

SECARA MODAL ANALYSIS 2D DAN PROGRAM ETABS 3D

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi persyaratan dalam

menyelesaikan studi S1 di Departemen Teknik Sipil

Universitas Sumatera Utara

Disusun oleh :

120404061

CLAUDYA B. BENEDICTA

Dosen Pembimbing :

Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan

NIP. 19561224 198103 1002

BIDANG STUDI STRUKTUR

DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK

(2)

ABSTRAK

Salah satu sistem struktur yang paling banyak digunakan di Indonesia

adalah struktur portal beton bertulang dengan dinding bata. Umumnya, dinding

bata pada struktur hanya difungsikan sebagai partisi dan dalam perencanaan

diperhitungkan sebagai beban mati tambahan struktur. Namun, ternyata beberapa

penelitian menunjukkan bahwa dengan perencanaan yang baik, dinding bata dapat

menambah kekakuan dan kekuatan struktur.

Tugas akhir ini akan membandingkan antara portal terbuka (open frame)

di mana dinding dianggap sebagai partisi dan portal dengan dinding sebagai

elemen struktur (infilled frame). Dinding bata dimodelkan sebagai bracing

dengan metode equivalent diagonal strut oleh FEMA. Perbandingan akan ditinjau

dari gaya geser dasar, perioda getar, deformasi, dan gaya dalam struktur. Analisis

dilakukan dalam dua tahap, yaitu membandingkan hasil analisis manual 2D

dengan hasil analisis program ETABS 2D, lalu dilanjutkan dengan analisis

respons spektrum 3D oleh program ETABS. Dari penelitian diperoleh bahwa hasil

modal analysis tidak jauh berbeda dengan program ETABS. Gaya geser dasar,

perioda getar, dan gaya normal pada infilled frame lebih tinggi dibandingkan

portal terbuka. Sedangkan deformasi struktur, momen, dan gaya lintang dari

infilled frame lebih kecil dari portal terbuka.

(3)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas

setiap berkat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan penulisan

tugas akhir ini sebagai syarat yang harus dipenuhi untuk memperoleh gelar sarjana

tekik program studi teknik sipil dari Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Adapun judul dari tugas akhir ini adalah “Analisis Kekakuan Struktur Portal

Terbuka Dibandingkan dengan Pemanfaatan Dinding Bata Sebagai Bracing

Terhadap Gaya Gempa Secara Modal Analysis 2D dan Program ETABS 3D”. Penulis menyadari bahwa penyelesaian tugas akhir ini tidak terlepas dari

bimbingan, dukungan, dan bantuan dari semua pihak baik secara moral maupun

material. Untuk itu, pada bagian ini penulis ingin memberikan apresiasi serta

ucapan terima kasih yang tulus kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku dosen pembimbing yang

telah mengarahkan, membuka wawasan penulis, membantu, dan

memotivasi penulis selama melakukan penelitian serta penulisan hingga

akhirnya tugas akhir ini selesai. Terima kasih untuk banyaknya waktu

yang telah disediakan bagi penulis dan banyaknya pengertian terhadap

ketidakmampuan penulis;

2. Bapak Ir. Sanci Barus, M.T. dan Bapak Ir. Besman Surbakti, M.T. selaku

dosen penguji yang telah memberikan banyak masukan dan arahan dalam

penyempurnaan tugas akhir ini;

(4)

4. Ir. Andy Putra Rambe, MBA selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara;

5. Bapak dan Ibu Dosen Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera

Utara yang telah memberikan ilmunya selama penulis menempuh masa

studi S1;

6. Bapak dan Ibu Staf Pegawai Departemen Teknik Sipil Universitas

Sumatera Utara;

7. Yang teristimewa, kedua orang tua penulis, Simon Dertha Tarigan dan

Ida Rohriani Damanik, yang telah memberi dukungan, pengertian, dan

kepercayaan serta telah menjadi salah satu sumber inspirasi bagi penulis.

Terima kasih juga kepada kedua adik penulis, Natasha Ilauina dan

Amanda Christie, yang telah mendukung penulis dalam doa dan

menyemangati penulis;

8. Yang teristimewa, partner seperjuangan penulis dalam pengerjaan tugas

akhir ini, Joshua Manggala Reksoraharjo, yang selalu ada untuk

memberikan bantuan, dukungan, waktu, dan tenaganya;

9. Seluruh Angkatan 2012 Departemen Teknik Sipil USU, di antaranya

kepada Aditya Manalu, Nurlely, Astrya, Ecy, Agita, Anastasya, George

Tobing, Michael Candra, Brian Halomoan, Frans Nainggolan, Ahmed,

dan teman-teman lain yang tidak dapat disebutkan satu per satu;

10. Anak-anak sekolah minggu GBKP Pasar IV Medan yang telah memberi

inspirasi dan semangat di tengah-tengah perjuangan menyelesaikan tugas

(5)

Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna

karena keterbatasan pengetahuan dan kemampuan penulis. Oleh sebab itu, penulis

memohon maaf untuk setiap kekurangan dalam tugas akhir ini dan sangat

mengharapkan kritik dan saran sebagai perbaikan di masa mendatang.

Akhir kata, penulis berharap kiranya tugas akhir ini dapat memberikan

sumbangsih sebagai kemajuan ilmu teknik sipil khususnya di bidang struktur.

Medan, Mei 2017

Hormat saya,

Penulis

(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... x

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR NOTASI ... xvii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 3

1.3 Tujuan Penelitian ... 3

1.4 Batasan Masalah ... 4

1.5 Metode Penulisan ... 5

1.6 Sistematika Penulisan ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Konsep Dasar Mekanisme Gempa ... 7

2.2 Analisis Beban Gempa ... 9

2.3 Pengaruh Gempa Terhadap Struktur ... 12

(7)

2.4.1 Sifat-sifat Batu Bata ... 14

2.4.2 Pengaruh Dinding Bata Terhadap Struktur Beton Bertulang ... 20

2.4.3 Pemodelan Dinding Bata dengan Equivalent Diagonal Strut ... 25

2.5 Derajat Kebebasan (Degree of Freedom, DOF) ... 28

2.6 Prinsip Bangunan Geser (Shear Building) ... 29

2.7 Sistem Single Degree of Freedom ... 32

2.8 Dinamik Karakteristik Struktur Bangunan ... 33

2.8.1 Massa ... 33

2.8.2 Kekakuan ... 35

2.8.3 Redaman ... 37

2.9 Sistem Multi Degree of Freedom ... 39

2.10 Modal Analysis pada Undamped Free Vibration Sistem SDOF ... 41

2.10.1 Frekuensi Natural, Perioda Getar, dan Mode Shape . 41 2.10.2 Gaya Gempa ... 45

2.11 Ketentuan Umum Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur Bangunan Gedung Sesuai SNI Gempa 2012 ... 46

2.11.1 Faktor Keutamaan ... 46

2.11.2 Kombinasi Beban untuk Metoda Ultimit ... 48

2.11.3 Parameter Percepatan Terpetakan ... 51

(8)

2.11.5 Koefisien Situs dan Parameter Respons Spektral

Percepatan Gempa Maksimum yang

Dipertimbangkan Risiko-Tertarget (MCER

2.11.6 Parameter Percepatan Spektral Desain ... 54

) ... 53

2.11.7 Penentuan Kategori Desain Seismik ... 54

2.11.8 Pemilihan Sistem Struktur ... 55

2.11.9 Analisis Statis Ekivalen ... 57

2.11.9.1Gaya Geser Dasar Statis ... 57

2.11.9.2Penentuan Perioda Fundamental Sruktur .... 58

2.11.9.3Distribusi Vertikal Beban Gempa ... 59

2.11.9.4Distribusi Horizontal ... 60

2.11.10 Analisis Respons Spektrum ... 60

2.11.10.1 Spektrum Respons ... 60

2.11.10.2 Jumlah Ragam ... 62

2.11.10.3 Parameter Respons Ragam ... 62

2.11.10.4 Parameter Respons Terkombinasi ... 63

2.11.10.5 Gaya Geser Dinamis ... 63

2.11.10.6 Perpindahan dan Simpangan Antar Lantai 63 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 66

3.2 Studi Literatur ... 68

3.3 Pemodelan Struktur ... 68

3.3.1 Konfigurasi Struktur ... 68

(9)

3.3.3 Dimensi Elemen Struktur ... 71

3.5 Kategori Desain Seismik (KDS) Struktur ... 77

3.6 Analisis 2D pada Salah Satu Bentang Portal Secara Manual dan dengan Program ETABS ... 78

3.7 Kombinasi Pembebanan ... 78

3.8 Analisis 3D dengan Program ETABS ... 79

3.8.1 Perioda Fundamental Struktur ... 79

3.8.2 Gaya Geser Dasar ... 80

3.8.3 Perpindahan dan Simpangan Antar Lantai ... 81

3.8.4 Gaya-gaya Dalam Kolom ... 82

3.9 Perbandingan Hasil ... 82

3.10 Kesimpulan ... 82

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Pembebanan Struktur ... 83

4.1.1 Beban Mati (Dead Load) ... 83

4.1.2 Beban Hidup (Live Load) ... 86

4.2 Perhitungan Dimensi Diagonal Strut ... 87

(10)

4.3.2 Analisis 2D Struktur Infilled Frame ... 98

4.3.3 Perbandingan Hasil Modal Analysis dan ETABS .. 105

4.4 Analisis 3D Struktur Portal Terbuka ... 106

4.4.1 Analisis Statis Ekivalen pada Portal Terbuka ... 106

4.4.2 Analisis Respons Spektrum pada Portal Terbuka .... 108

4.4.3 Kontrol Desain Struktur ... 110

4.5 Analisis 3D Struktur Portal Terbuka ... 112

4.5.1 Analisis Statis Ekivalen pada Portal Terbuka ... 112

4.5.2 Analisis Respons Spektrum pada Portal Terbuka .... 113

4.6 Diskusi ... 116

4.6.1 Perbandingan Perioda Fundamental Struktur ... 116

4.6.2 Perbandingan Gaya Geser Dasar Struktur ... 118

4.6.3 Perbandingan Perpindahan dan Simpangan Antar Lantai ... 122

4.6.4 Perbandingan Gaya-gaya Dalam pada Kolom ... 126

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 128

5.2 Saran ... 129

(11)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Prosedur Analisis yang Boleh Digunakan (SNI 03-1760-2012) .. 11

Tabel 2.2 Faktor Koreksi Kuat Tekan Batu Bata (ASTM C 1314-03) ... 18

Tabel 2.3 Kategori Risiko Gedung (SNI 03-1726-2012) ... 46

Tabel 2.4 Faktor Keutamaan Gempa (SNI 03-1726-2012) ... 48

Tabel 2.5 Klasifikasi Situs (SNI 03-1726-2012) ... 52

Tabel 2.6 Koefisien Kelas Situs �_� (SNI 03-1726-2012) ... 54

Tabel 2.7 Koefisien Kelas Situs �_� (SNI 03-1726-2012) ... 54

Tabel 2.8 KDS Berdasarkan Parameter Respons Percepatan Perioda Pendek (SNI 03-1726-2012) ... 57

Tabel 2.9 KDS Berdasarkan Parameter Respons Percepatan Perioda 1 Detik (SNI 03-1726-2012) ... 57

Tabel 2.10 Koefisien �_� (SNI 03-1726-2012) ... 59

Tabel 2.11 Koefisien �_� (SNI 03-1726-2012) ... 59

Tabel 2.12 Simpangan Antar Lantai Ijin, ∆_� (SNI 03-1726-2012) ... 65

Tabel 3.1 Konfigurasi Struktur ... 69

Tabel 3.2 Dimensi Elemen Struktur ... 71

Tabel 3.3 Karakteristik Bata, Mortar, dan Dinding Bata ... 72

Tabel 3.4 Beban Mati Struktur ... 74

Tabel 4.1 Massa Portal Terbuka 2D Hasil Analisis ETABS ... 90

(12)

Tabel 4.3 Perbandingan Nilai Perioda Fundamental Portal Terbuka Hasil

Modal Analysis dan ETABS ... 93

Tabel 4.4 Perbandingan Nilai Gaya Geser Dasar Portal Terbuka Hasil Modal Analysis dan ETABS ... 100

Tabel 4.5 Nilai Perioda Fundamental Infilled Frame 2D Hasil Analisis ETABS ... 101

Tabel 4.6 Perbandingan Nilai Perioda Fundamental Infilled Frame Hasil Modal Analysis dan ETABS ... 101

Tabel 4.7 Perbandingan Nilai Gaya Geser Dasar Infilled Frame Hasil Modal Analysis dan ETABS ... 105

Tabel 4.8 Perbandingan Nilai Perioda Fundamental dengan Modal Analysis dan ETABS ... 105

Tabel 4.9 Perbandingan Nilai Gaya Geser Dasar dengan Modal Analysis dan ETABS ... 105

Tabel 4.10 Perioda Fundamental Portal Terbuka Hasil Analisis ETABS, � . 106 Tabel 4.11 Berat Struktur Portal Terbuka ... 107

Tabel 4.12 Selisih Nilai Perioda Fundamental Portal Terbuka ... 108

Tabel 4.13 Partisipasi Massa Ragam Portal Terbuka ... 109

Tabel 4.14 Perbandingan �_� dan 85% �_� Portal Terbuka ... 109

Tabel 4.15 Perpindahan Elastis Portal Terbuka ... 111

Tabel 4.16 Simpangan Antar Lantai Desain Portal Terbuka ... 111

Tabel 4.17 Perioda Fundamental Infilled Frame Hasil Analisis ETABS, � ... 112

Tabel 4.18 Selisih Nilai Perioda Fundamental Infilled Frame ... 114

(13)

Tabel 4.20 Perbandingan V_d dan 85% V_s Infilled Frame ... 115

Tabel 4.21 Perpindahan Elastis Infilled Frame ... 115

Tabel 4.22 Simpangan Antar Lantai Desain Infilled Frame ... 115

Tabel 4.23 Perbandingan Perioda Fundamental Setiap Struktur ... 116

Tabel 4.24 Perpindahan Portal Terbuka Per Mode ... 118

Tabel 4.25 Perpindahan Portal Terbuka Per Mode ... 118

Tabel 4.26 Perbandingan Gaya Geser Dasar ... 118

Tabel 4.27 Perbandingan Perpindahan Arah X (�_�) ... 121

Tabel 4.28 Perbandingan Perpindahan Arah Y (�_�) ... 121

Tabel 4.29 Perbandingan Simpangan Antar Lantai Arah X (∆_�) ... 123

Tabel 4.30 Perbandingan Simpangan Antar Lantai Arah Y (∆_�) ... 123

Tabel 4.31 Perbandingan Momen pada Kolom Akibat Beban Gempa ... 127

Tabel 4.32 Perbandingan Gaya Lintang pada Kolom Akibat Beban Gempa .. 127

(14)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Prosedur Analisis yang Boleh Digunakan (SNI 03-1760-2012) ... 1

Gambar 1.2 Struktur 6 Lantai yang Ditinjau (Paudel dan Adhikari, 2015).. 2 Gambar 2.1 Lempeng Tektonik Utama (FEMA P-749,2010) ... 7 Gambar 2.2 Mekanisme Gaya Gempa (www.achmadsya.wordpress.com) 9 Gambar 2.3 Ketidakstabilan Struktur Kolom dan Balok terhadap Beban

Horisontal (Schodek, 1999) ... 13

Gambar 2.4 Metode untuk Menjamin Kestabilan Struktur (Schodek, 1999) ... 14

Gambar 2.5 Detail Penulangan Struktur Portal Benda Uji (Tanjung dan Maidiawati, 2016) ... 21

Gambar 2.6 Hasil Uji Ketahanan dan Perpindahan Lateral Benda Uji (Tanjung dan Maidiawati, 2016) ... 22

Gambar 2.7 Portal Terbuka dan Infilled Frame yang Diuji (Paudel dan Adhikari, 2015) ... 23

Gambar 2.8 Perilaku Bracing Ekivalen dari Dinding (Paulay dan Pristley, 1992) ... 26

Gambar 2.9 Ilustrasi Pemodelan Bracing Ekivalen ... 27 Gambar 2.10 Detail Angkur Antara Dinding Pengisi dan Struktur Rangka

Ketika Dinding Bata Diintegrasikan dengan Struktur Rangka

(Murty et al, 2006) ... 28

(15)

Gambar 2.12 Pola Goyangan Struktur Bertingkat Banyak (Pranoto, 2008) .. 30

Gambar 2.13 Pemodelan Struktur SDOF (Clough dan Penzien, 2003) ... 32

Gambar 2.14 Matriks Massa untuk Model dengan 1 DOF ... 34

Gambar 2.15 Lumped-Mass pada Struktur Tiga Tingkat ... 35

Gambar 2.16 Struktur 3 DOF, Model Matematik, dan Diagram Free-body (Pranoto, 2012) ... 40

Gambar 2.17 Gaya Gempa pada Struktur MDOF ... 46

Gambar 2.18 Spektrum Respons Desain (SNI 03-1726-2012) ... 62

Gambar 2.19 Simpangan Antar Lantai (SNI 03-1726-2012) ... 64

Gambar 3.11 Kurva Respons Spektrum Kota Medan dengan Kondisi Tanah Sedang ... 77

Gambar 4.1 Beban Mati Pelat Lantai ... 84

(16)

Gambar 4.4 Beban Mati pada Balok Arah Y ... 85

Gambar 4.11 Pemodelan Kekakuan Struktur Infilled Frame ... 99

Gambar 4.12 Distribusi Gaya Geser Tiap Tingkat Infilled Frame 2D ... 104

Gambar 4.13 Capacity Ratio pada Kolom ... 110

Gambar 4.14 Capacity Ratio pada Balok ... 110

Gambar 4.15 Mode Shape pada Struktur Portal Terbuka ... 117

Gambar 4.16 Mode Shape pada Struktur Infilled Frame ... 117

Gambar 4.17 Grafik Perbandingan Gaya Geser Dasar Arah X ... 119

Gambar 4.18 Grafik Perbandingan Gaya Geser Dasar Arah Y ... 119

Gambar 4.19 Perpindahan Elastis Arah X ... 120

Gambar 4.20 Perpindahan Elastis Arah Y ... 121

Gambar 4.21 Grafik Perbandingan Δx Setiap Struktur ... 122

Gambar 4.22 Grafik Perbandingan Δy Setiap Struktur ... 122

Gambar 4.23 Bidang Momen Kolom pada Portal Terbuka Akibat Beban Gempa ... 124

Gambar 4.24 Bidang Momen Kolom pada Infilled Frame Akibat Beban Gempa ... 124

(17)

(18)

DAFTAR NOTASI

�� = modulus elastisitas material portal (beton)

�ℎ = pengaruh beban gempa horisontal

�� = modulus elastisitas material dinding pengisi

�� = pengaruh beban gempa vertikal

ℎ� = ketinggian struktur dalam meter di atas dasar sampai tingkat tertinggi

struktur

(19)

�� = inersia penampang kolom

�� = faktor keutamaan gempa

� = kekakuan elemen struktur

� = eksponen yang terkait perioda struktur

� = Panjang bentang kolom

��(�) = variasi waktu perpindahan dengan gerakan harmonis sederhana

� = faktor modifikasi respons

�� = panjang diagonal dinding pengisi

�� = respons spektral percepatan

�� = parameter percepatan spektral desain untuk perioda pendek

��1 = parameter percepatan spektral desain untuk perioda 1 detik

��1 = parameter respons spektral percepatan gempa MCER

�� = parameter respons spektral percepatan gempa MCE

(20)

�̇ = kecepatan

�̈ = percepatan

� = gaya lateral total atau geser di dasar struktur

� = berat seismik efektif

∆ = simpangan antar lantai desain

∆� = simpangan antar lantai ijin

�� = perpindahan elastis yang diperoleh dari analisis elastis pada program

�� = perpindahan yang diperbesar

� = sudut antara tinggi dan panjang dinding pengisi

�1 = koefisien yang digunakan untuk menentukan lebar efektif strut

� = faktor redundansi

� = frekuensi natural