ABSTRAK. Kata Kunci : Direct Displacement Based Design, dimensi balok dan kolom, Struktur Rangka Pemikul Momen. xi Universitas Kristen Petra

(1)

xi

Universitas Kristen Petra

ABSTRAK Eunike Yenatan, Alvina Surya Wijaya :

Skripsi

Studi Penentuan Dimensi Elemen Struktur pada Sistem Rangka Pemikul Momen Beraturan yang Didesain dengan Metode Direct Displacement Based Design

Pemilihan dimensi elemen struktur dalam metode Direct Displacement Based Design (DDBD) berperan penting pada efektifitas proses desain dan kinerja bangunan. Studi ini mencoba mengestimasi dimensi balok dan kolom pada sistem rangka pemikul momen beraturan berdasarkan beban gravitasi dan bentang balok, serta rasio tegangan kolom terhadap kokoh tekan beton yang dipergunakan.

Dimensi balok dan kolom diambil seragam untuk seluruh struktur. Bangunan yang diteliti terdiri dari 8 varian, bentang 6- dan 8- meter, 6- dan 10-lantai, terletak di wilayah gempa-2 dan -6 Peta Gempa Indonesia, dan direncanakan untuk kondisi damage control. Kinerja bangunan yang didesain menggunakan estimasi yang diusulkan dilakukan menggunakan dynamic nonlinear time history analysis (NLTHA). Hasil penelitian menunjukkan bahwa dimensi balok tidak dapat disetimasi berdasarkan beban gravitasi karena semua varian menunjukkan lebih didominasi oleh beban gempa. Penelitian ini merekomendasikan tinggi dan lebar balok diambil sebesar 1/11–1/10 kali bentang balok dan sebesar 2/3 kali tinggi balok. Dimensi kolom dapat diperkirakan berdasarkan tegangan penampang sebesar 0.13-0.17 kali kuat tekan beton yang digunakan. Struktur memiliki kinerja yang cukup baik ditinjau dari parameter storey displacement, storey drift, rata-rata momen dan geser kolom, serta damage indices. Seluruh parameter yang dihasilkan dari analisis NLTHA sudah mendekati target perencanaan yang ditentukan. Prosedur desain kapasitas menghasilkan kondisi strong column weak beam. Walaupun demikian seluruh ujung atas kolom lantai dasar mengalami pelelehan awal (first yield) yang dapat mengarah pada kondisi soft storey yang tidak diharapkan. Oleh sebab itu penelitian ini menyarankan untuk dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai estimasi dimensi balok dan kolom berdasarkan parameter lainnya agar dihasilkan struktur yang memiliki kinerja yang lebih baik.

Kata Kunci : Direct Displacement Based Design, dimensi balok dan kolom, Struktur Rangka Pemikul Momen

(2)

xii

ABSTRACT Eunike Yenatan, Alvina Surya Wijaya :

Thesis

Study on Determining Dimension of Structural Element on Moment Frame Structure Designed by Direct Displacement-Based Design Method The estimation of structural dimension in direct displacement based design (DDBD) method plays significant role in the effectiveness of design process and structural performance. This study tries to estimate the dimension of beam and columns of regular moment resisting frames based on gravity load and beam span, as well as the ratio of column stress to concrete strength. The dimension of beams and columns are taken uniform for all structures. The observed structures including 8 structure varians, 6- and 8-meter span, 6- and 10- storeys, in zone-2 and -6 in Indonesian seismic map, and to be designed for damage control condition as the design target. Structural performances are evaluated using non linear time history analaysis (NLTHA). Results show that beam dimension could not be estimated based on gravity load because all structure varians are dominated by earthquake load. The study recommends beam height and width to be estimated as much as 1/11-1/10 of beam span and 2/3 of beam height. While column dimension could be estimated based on 0.13-0.17 of concrete strength. Structures show comparable performance in terms of parameter: storey displacement, storey drift, average of moment and shear columns, and damage indices. All resulting parameters close to the value targeted by the design. The capacity design has resulting ‘strong column weak beam’

condition. However, all top columns in the first storey experience first yielding, leading to unexpected soft storey mechanism. Therefore the study recommends further exploration in determining the beam-column dimension based on the other parameters.

.

Keyword : Direct Displacement Based Design, dimension of beam and column, Moment Resisting Frame Structure.

(3)

xiii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

LEMBAR PENGESAHAN ... ii

DATA SKRIPSI / TUGAS AKHIR ... iii

FORMULIR PERSYARATAN SKRIPSI / TUGAS AKHIR ... iv

LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ... v

BERITA ACARA PEMBIMBINGAN SKRIPSI / TUGAS AKHIR ... vii

KATA PENGANTAR ... ix

ABSTRAK ... xi

DAFTAR ISI ... xiii

DAFTAR TABEL ... xvii

DAFTAR GAMBAR ... xix

1. PENDAHULUAN ... 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 3

1.3 Tujuan Penelitian ... 3

1.4 Ruang Lingkup ... 3

2. LANDASAN TEORI ... 2.1 Umum ... 6

2.2 Metode Desain DDBD ... 6

2.2.1 Prosedur Desain DDBD ... 6

2.2.2 Desain Kapasitas Balok DDBD ... 9

2.2.2.1 Story Shear Force dan Overturning Moments .... 9

2.2.2.2 Column Base Moments ... 10

2.2.2.3 Gaya Geser Gempa pada Akhir Bentang Balok . 10 2.2.2.4 Gaya Geser Gempa untuk Balok ... 11

2.2.2.5 Momen Gempa untuk Balok... 11

2.2.2.6 Gaya Geser Desain untuk Balok ... 11

2.2.3 Desain Kapasitas Kolom DDBD ... 12

2.2.3.1 Momen Gempa Kolom ... 12

2.2.3.2 Momen Desain Kolom... 13

2.2.3.3 Gaya Geser Desain untuk Kolom ... 14

2.2.4 Perencanaan Penulangan Balok DDBD ... 15

2.2.4.1 Perencanaan Tulangan Lentur Balok DDBD ... 15

(4)

xiv

2.2.4.2 Perencanaan Tulangan Geser Balok DDBD ... 15

2.2.5 Perencanaan Penulangan Kolom DDBD ... 16

2.2.5.1 Perencanaan Tulangan Lentur Kolom DDBD .... 16

2.2.5.2 Perencanaan Tulangan Geser Kolom DDBD ... 16

2.3 Performance Based Design ... 17

2.4 Analisis Dinamis Time History Nonlinear ... 18

3. PROSEDUR PERENCANAAN ... 3.1 Umum ... 19

3.2 Informasi Perencanaan ... 19

3.2.1 Penentuan Dimensi Awal Elemen Struktur... 20

3.2.1.1 Penentuan Dimensi Awal Balok ... 22

3.2.1.2 Penentuan Dimensi Awal Kolom ... 23

3.3 Pembebanan dan Analisis Struktur ... 25

3.3.1 Beban Mati ... 25

3.3.2 Beban Hidup ... 25

3.3.3 Beban Gempa Rencana ... 25

3.3.4 Analisis Struktur... 25

3.4 Perencanaan DDBD ... 25

3.4.1 Perhitungan Dasar DDBD ... 26

3.4.1.1 Design Displacement Target ... 26

3.4.1.2 Equivalent Design Displacement... 27

3.4.1.3 Substitusi Tinggi Efektif Struktur... 27

3.4.1.4 Yield Displacement ... 27

3.4.1.5 Menghitung Design Base Shear ... 28

3.4.2 Desain Kapasitas Balok DDBD ... 31

3.4.2.1 Distribusi Shear Force pada Tiap Tingkatan ... 32

3.4.2.2 Story Shear Force dan Overturning Moments .... 32

3.4.2.3 Column Base Moments ... 33

3.4.2.4 Gaya Geser Gempa pada 1Bentang Balok ... 33

3.4.2.5 Gaya Geser Gempa untuk Balok ... 33

3.4.2.6 Momen Gempa untuk Balok... 33

3.4.2.7 Gaya Geser Desain untuk Balok ... 34

3.4.3 Desain Kapasitas Kolom DDBD ... 34

3.4.3.1 Momen Gempa Kolom ... 35

3.4.3.2 Momen Desain Kolom... 35

3.4.3.3 Gaya Geser Desain untuk Kolom ... 36

3.4.4 Contoh Perhitungan Penulangan Balok DDBD ... 36

3.4.5 Contoh Perhitungan Penulangan Kolom DDBD ... 38

3.5 Analisis Moment-Curvature dengan Program CUMBIA ... 41

3.6 Analisis Dinamis Time History Nonlinear dengan Program SeismoStruct V.6... 46

3.6.1 Permodelan Struktur... 46

3.6.2 Input Program ... 47

3.6.3 Aplikasi Analisis Dinamis Time History pada Program SeismoStruct V.6... 52

3.6.4 Beban Gempa yang Dipakai... 55

(5)

xv

4. HASIL DAN ANALISIS ...

4.1 Hasil Desain ... 57

4.1.1. Parameter DDBD ... 57

4.1.2. Distribusi Shear Force ... 58

4.2 Hasil Analisis Time History dan Verifikasi Metode DDBD ... 59

4.2.1 Displacement dan Drift Ratio ... 59

4.2.2 Moment dan Shear Force Kolom ... 65

4.2.3 Damage Index ... 73

4.2.4 Hal Menarik yang Ditemukan ... 76

4.2.4.1 Penambahan Dimensi Balok ... 76

4.2.4.2 Bangunan 6 Lantai pada Wilayah 6 ... 77

5. KESIMPULAN DAN SARAN ... 5.1 Kesimpulan ... 81

5.2 Saran ... 81

DAFTAR REFERENSI ... 82

LAMPIRAN ... 84

(6)

xvi

DAFTAR TABEL

1.1 Varian Struktur yang akan Diteliti ... 4

3.1 Data-data Umum Mutu Beton dan Tulangan Terpakai ... 21

3.2 Data Estimasi Awal Dimensi Elemen Struktur DDBD untuk Semua Jenis Varian ... 21

3.3 Besar Beban yang Bekerja pada Bangunan ... 22

3.4 Contoh Perhitungan Beban Berdasarkan Tipe Balok... 23

3.5 Perhitungan Design Displacement Target dan Tinggi Efektif ... 26

3.6 Konversi Response Spectrum Menjadi Displacement Spectrum ... 29

3.7 Perhitungan Desain Kapasitas Balok (DDBD) ... 31

3.8 Perhitungan Desain Kapasitas Kolom (DDBD) ... 34

3.9 Kombinasi Momen Tumpuan Balok B1 (DDBD) ... 37

3.10 Kombinasi Pu,k untuk Kolom C1 (DDBD) ... 39

4.1 Dimensi Balok dan Kolom ... 57

4.2 Parameter DDBD Untuk Semua Varian ... 57

4.3 Distribusi Shear Force (Fi) pada Wilayah 2 DDBD (kN) ... 58

4.4 Distribusi Shear Force (F_i) pada Wilayah 6 DDBD (kN) ... 58

4.5 Range Tulangan Balok dan Kolom (Dimensi Awal) ... 59

4.6 Tulangan dan Dimensi Balok ... 61

4.7 Kriteria Damage Index ... 73

4.8 Damage Index Maksimum ... 74

(7)

xvii

DAFTAR GAMBAR

1.1 Denah Struktur ... 3

1.2 Elevasi Struktur ... 4

1.3 Response Spectrum Gempa Rencana Wilayah-2 dan -6 (SNI 03-1726-2002) ... 5

2.1 Pemodelan SDOF dari Struktur Bangunan Bertingkat ... 6

2.2 Design Displacement Spectrum (Sullivan & Calvi (2009)) ... 8

2.3 Pembagian Gaya Gempa (Sutanto & Rantetana, 2013) ... 9

2.4 Column Base Moments ... 10

2.5 Joint Centroid pada Lantai bukan Roof Top (Wijaya & Wijaya, 2013) ... 12

2.6 Joint Centroid pada Lantai Roof Top (Wijaya & Wijaya, 2013) ... 13

2.7 Biaxial Bending Effect Kolom ... 13

2.8 Gambar Faktor ωf ... 14

2.9 Matriks Kinerja Struktur untuk Berbagai Tingkat Intensitas Gempa (ACMC, 2001) ... 18

3.1 Denah Struktur ... 20

3.2 Elevasi Struktur ... 20

3.3 Pembagian Tipe Kolom Berdasarkan Beban yang Diterima ... 24

3.4 Grafik Displacement Spectrum (∆-T) Wilayah Gempa 2 ... 30

3.5 Penamaan Balok dan Kolom ... 31

3.6 Interaksi Pn-Mn Kolom C1 (DDBD) ... 39

3.7 Input Data Momen Positif dan Negatif untuk Program CUMBIA Balok B1 (DDBD) ... 42

(8)

xviii

3.8 Input Material Properties untuk Program CUMBIA

Balok B1 (DDBD)... 42

3.9 Grafik Moment-Curvature untuk Momen Positif dan Momen Negatif Balok B1 (DDBD) ... 43

3.10 Output CUMBIA untuk Momen Positif dan Momen Negatif Balok B1 (DDBD) ... 44

3.11 Grafik Moment-Curvature dari Program CUMBIA untuk Momen Positif dan Negatif Balok B1 (DDBD)... 45

3.12 Grafik Bilinear Moment-Curvature Balok B1 (DDBD) ... 45

3.13 Model Struktur Bangunan pada SeismoStruct V.6 ... 46

3.14 Input Parameter untuk Link Properties pada SeismoStruct V.6 ... 47

3.15 Posisi Sumbu Lokal Elemen pada SeismoStruct V.6 (SeismoStruct V.6 User Manual) ... 47

3.16 Grafik Bilinear Moment-Rotation Balok B1 (DDBD) ... 49

3.17 Grafik Bilinear-Symmetry Moment-Rotation untuk Input Link M₂ pada SeismoStruct V.6... 50

3.18 Grafik Bilinear Moment-Rotation Kolom C1 (DDBD) ... 52

3.19 Input Time History Function pada Program SeismoStruct V.6 ... 53

3.20 Load Curves Menu untuk Time History Function (Modifikasi Gempa El Centro 18 Mei 1940 Sesuai Response Spectrum Wilayah 2 Peta Gempa Indonesia) ... 53

3.21 Time-History Stages Menu pada Program SeismoStruct V.6 ... 54

3.22 Applied Load Menu pada Program SeismoStruct V.6 ... 54

3.23 Assign Applied Load untuk Seluruh Node Base ... 56

(9)

xix

3.24 Input Data Accelerogram (El Centro) dan Response Spectrum Target

(Wilayah 2 Tanah Lunak) ... 57

3.25 Perbandingan Response Spectrum El Centro Original dan Matched dengan Response Spectrum Target (Wilayah 2 Tanah Lunak) ... 57

3.26 Rekaman Gempa El Centro 18 Mei 1940 North-South ... 57

3.27 Rekaman Modifikasi Gempa El Centro 18 Mei 1940 North-South Sesuai Wilayah 2 Peta Gempa Indonesia ... 57

4.1 Drift Ratio dan Drift Design pada Bangunan 6-lantai Wilayah 2 ... 60

4.2 Drift Ratio dan Drift Design pada Bangunan 10-lantai Wilayah 2 ... 60

4.3 Average Displacement dan Displacement Target pada Bangunan 6-lantai (Wilayah-2 dan -6) ... 62

4.4 Average Displacement dan Displacement Target pada Bangunan 10-lantai (Wilayah-2 dan -6) ... 62

4.5 Drift Ratio dan Drift Design pada Bangunan 6-lantai (Wilayah-2 dan -6) ... 63

4.6 Drift Ratio dan Drift Design pada Bangunan 10-lantai (Wilayah-2 dan -6) ... 63

4.7 Momen Kolom (Varian 2-6-6) ... 65

4.8 Gaya Geser Kolom (Varian 2-6-6) ... 66

(10)

xx

4.20 Gaya Geser (Varian 6-6-8) ... 72

4.22 Gaya Geser (Varian 6-10-8) ... 73

4.23 Mekanisme Keruntuhan ... 75

4.24 Lokasi Kolom dengan DI Maksimum ... 75

4.25 Grafik Moment-Curvature ... 76

4.26 Drift Pada Bangunan 6 lantai (bentang 6 meter) dengan menggunakan dimensi awal (L/10) ... 77

4.27 Drift Pada Bangunan 6 lantai (bentang 8 meter) dengan menggunakan dimensi awal (L/10) ... 77

4.28 Drift Pada Bangunan 6 lantai (bentang 6 meter) dengan menggunakan dimensi (L/9) ... 78

4.29 Drift Pada Bangunan 6 lantai (bentang 6 meter) dengan menggunakan dimensi (L/9) dan Penambahan Tulangan Kolom ... 79

4.30 Drift Pada Bangunan 6 lantai (bentang 6 meter) dengan menggunakan dimensi (L/9) dan Penambahan Tulangan Kolom dan Balok ... 80