APLIKASI SAP2000 UNTUK PEMBEBANAN GEMPA STATIS
DAN DINAMIS DALAM PERENCANAAN STRUKTUR
GEDUNG BAJA
TUGAS AKHIR
Oleh :
Made Hendra Prayoga (1104105132)
JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA
ABSTRAK
Aplikasi SAP2000 untuk pembebanan gempa statis (metode statik ekuivalen dan auto load) dan dinamis (metode response spectrum dan time
history) telah dilakukan untuk menganalisis struktur gedung baja perkantoran 5
lantai dengan perletakan sendi dan jepit. Bentang balok 8 m ke arah sumbu Y serta 6 m dan 8 m ke arah sumbu X dengan tinggi tingkat 3,5 m.
Kedua model 3D struktur dirancang dengan SRPMK (Sistem Rangka Pemikul Momen Khusus) untuk menahan beban gempa dengan kategori desain seismik D dan kondisi tanah keras. Untuk struktur SRPMK, perbandingan momen kolom terhadap momen balok pada sambungan balok kolom harus lebih besar dari 1. Masing-masing model struktur dengan perletakan sendi dan jepit, dibebani dengan 4 metode beban gempa yang berbeda. Pembebanan gempa mengacu pada SNI 1726-2012. Untuk beban gempa response spectrum, menggunakan data spektrum respons desain dari Puskim (Pusat Penelitian dan Pengembangan Permukiman) Kementerian Pekerjaan Umum. Sedangkan beban gempa time
history menggunakan akselerogram gempa El-Centro. Setelah kedua model
struktur memenuhi ketentuan kekuatan dan kekakuan menurut SNI 03-1729-2002, kemudian perilakunya dibandingkan, meliputi rasio tegangan, simpangan, gaya geser dasar serta gaya-gaya dalam pada elemen struktur.
Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa, untuk perletakan jepit beban gempa statis menghasilkan rasio tegangan, simpangan, gaya geser dasar dan gaya-gaya dalam yang lebih besar daripada nilai-nilai akibat beban gempa dinamis. Simpangan maksimum arah X dan arah Y akibat beban gempa statis masing-masing 36,80% dan 38,05% lebih besar daripada simpangan akibat beban gempa dinamis. Sedangkan untuk perletakan sendi, beban gempa statis menghasilkan rasio tegangan, gaya geser dasar, gaya normal dan gaya geser maksimum kolom yang lebih besar daripada nilai-nilai akibat beban gempa dinamis. Simpangan arah X pada lantai 1, 2 dan 3 akibat beban gempa statis lebih kecil daripada nilai akibat beban gempa dinamis, dimana simpangan akibat beban gempa dinamis 42,96% lebih besar daripada simpangan akibat beban gempa statis. Untuk gaya-gaya dalam yaitu momen maksimum balok dan kolom serta gaya geser maksimum balok akibat beban gempa statis lebih kecil daripada nilai-nilai akibat beban gempa dinamis. Perletakan jepit menghasilkan rasio tegangan, simpangan, dan gaya-gaya dalam kecuali gaya normal maksimum kolom yang lebih kecil daripada nilai-nilai untuk perletakan sendi. Sedangkan gaya geser dasar dan gaya normal maksimum kolom untuk perletakan jepit lebih besar daripada nilai-nilai untuk perletakan sendi.
Kata kunci: statik ekuivalen, auto load, response spectrum, time history, SAP2000
iii UCAPAN TERIMA KASIH
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat dan rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul
“Aplikasi SAP2000 Untuk Pembebanan Gempa Statis dan Dinamis Dalam Perencanaan Struktur Gedung Baja”.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis mendapat bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir. Made Sukrawa, MSCE, Ph.D. dan Bapak Ir. Dharma Putra, MCE selaku pembimbing serta kepada semua pihak yang telah membantu penyelesaian Tugas Akhir ini.
Jimbaran, Agustus 2015
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL
ABSTRAK ... ii
UCAPAN TERIMA KASIH ... iii
DAFTAR ISI ...iv
DAFTAR TABEL ...vi
DAFTAR GAMBAR... vii
DAFTAR NOTASI...x BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ...1 1.2 Rumusan Masalah ...2 1.3 Tujuan Penulisan...2 1.4 Manfaat Penulisan...3 1.5 Batasan Masalah ...3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 SAP 2000 ...4
2.1.1 Sejarah dan Perkembangannya ...4
2.1.2 Model Struktur ...5
2.1.3 Sistem Koordinat ...5
2.2 Metode Statik Ekuivalen...6
2.3 Metode Auto Load...8
2.4 Metode Response Spectrum ...9
2.5 Metode Time History ...11
2.6 Ketentuan Pembebanan Gempa SNI-1726-2012 ...13
2.6.1 Struktur Bangunan Gedung Tidak Beraturan...13
2.6.2 Faktor Keutamaan (Ie) dan Kategori Risiko Struktur Bangunan ...13
2.6.3 Wilayah Gempa dan Spektrum Respons...13
2.6.4 Kategori Desain Seismik...14
2.6.5 Faktor R, CddanΩo...15
2.6.6 Penentuan Perioda...15
2.6.7 Batasan Simpangan Antar Lantai Tingkat ...16
2.7 Struktur Baja ...17
2.7.1 Metode LRFD (Load and Resistance Factor Design) ...17
2.7.2 Komponen Struktur Lentur ...19
2.7.3 Balok Kolom ...23
2.7.4 Perbandingan Momen Kolom Terhadap Momen Balok ...26
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Umum…...30
3.2 Data-data Struktur ...30
v
3.4 Metode Statik Ekuivalen...38
3.5 Metode Auto Load...46
3.6 Metode Response Spectrum ...57
3.7 Metode Time History ...70
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum…...82
4.2 Perhitungan Beban Gempa...84
4.2.1 Beban Gempa Statik Ekuivalen ...86
4.2.2 Beban Gempa Auto Load ...89
4.2.3 Beban Gempa Response Spectrum...89
4.2.4 Beban Gempa Time History...90
4.3 Perbandingan Hasil ...98
4.3.1 Dimensi Struktur dan Rasio Tegangan ...98
4.3.2 Simpangan...107
4.3.2.1 Simpangan Arah X ...107
4.3.2.2 Simpangan Arah Y ...110
4.3.3 Perioda dan Gaya Geser Dasar...112
4.3.3.1 Perioda dan Gaya Geser Dasar Arah X ...112
4.3.3.2 Perioda dan Gaya Geser Dasar Arah Y ...113
4.3.4 Gaya-gaya Dalam...114
4.3.4.1 Momen Balok ...115
4.3.4.2 Gaya Geser Balok...117
4.3.4.3 Momen Kolom...119
4.3.4.4 Gaya Normal Kolom ...121
4.3.4.5 Gaya Geser Kolom ...123
BAB V SIMPULAN DAN SARAN 5.1 Simpulan ...126
5.2 Saran ...127
DAFTAR PUSTAKA...128
LAMPIRAN Lampiran A: Acuan Gempa Rencana ...130
Lampiran B: Perioda dan Percepatan Spektrum Respons Desain ...144
Lampiran C: Data Percepatan Gempa El-Centro ...146
Lampiran D: Perhitungan Perbandingan Momen Kolom Terhadap Momen Balok………149
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Berat dan Tinggi Tiap Lantai ...87
Tabel 4.2 Rasio Tegangan Rata-rata Balok Rangka 5...100
Tabel 4.3 Rasio Tegangan Rata-rata Balok Rangka C ...102
Tabel 4.4 Rasio Tegangan Rata-rata Kolom Rangka 5 ...104
Tabel 4.5 Rasio Tegangan Rata-rata Kolom Rangka C ...107
Tabel 4.6 Kontrol Simpangan Antar Tingkat Arah X ...109
Tabel 4.7 Kontrol Simpangan Antar Tingkat Arah Y ...111
Tabel 4.8 Momen Maksimum Balok Untuk Perletakan Sendi...117
Tabel 4.9 Momen Maksimum Balok Untuk Perletakan Jepit ...117
Tabel 4.10 Gaya Geser Maksimum Balok Untuk Perletakan Sendi ...119
Tabel 4.11 Gaya Geser Maksimum Balok Untuk Perletakan Jepit ...119
Tabel 4.12 Momen Maksimum Kolom Untuk Perletakan Sendi ...121
Tabel 4.13 Momen Maksimum Kolom Untuk Perletakan Jepit...121
Tabel 4.14 Gaya Normal Maksimum Kolom Untuk Perletakan Sendi ...123
Tabel 4.15 Gaya Normal Maksimum Kolom Untuk Perletakan Jepit...123
Tabel 4.16 Gaya Geser Maksimum Kolom Untuk Perletakan Sendi ...125
vii DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Spektrum Respons Desain...10
Gambar 2.2 Contoh Rekaman Ground Motion ...12
Gambar 2.3 Balok Kolom ...24
Gambar 2.4 Asumsi Letak Sendi Plastis ...28
Gambar 3.1 Denah Struktur Lantai Tipikal...31
Gambar 3.2 Rangka 1-6 ...31
Gambar 3.3 Rangka A-C ...32
Gambar 3.4 Kotak Dialog Frame Section...33
Gambar 3.5 Kotak Dialog Auto Select List ...33
Gambar 3.6 Pemilihan Profil Auto Select...34
Gambar 3.7 Diagram Alir Penelitian...37
Gambar 3.8 Diagram Alir Metode Statik Ekuivalen...40
Gambar 3.9 Kotak Dialog Joint Forces ...46
Gambar 3.10 Kotak Dialog Define Load Patterns...48
Gambar 3.11 Load Patterns Gempa Auto Load Arah X ...49
Gambar 3.12 Load Patterns Gempa Auto Load Arah Y ...49
Gambar 3.13 Define Mass Source...50
Gambar 3.14 Define Mass Source Untuk Contoh Model...51
Gambar 3.15 Assign Joint Constraint ...52
Gambar 3.16 Diaphragm Constraint ...53
Gambar 3.17 Define Load Combinations...54
Gambar 3.18 Input Kombinasi Pembebanan...55
Gambar 3.19 Persiapan Analisis Struktur Beban Gempa Statis...55
Gambar 3.20 Diagram Alir Metode Auto Load...57
Gambar 3.21 Diagram Alir Metode Response Spectrum ...58
Gambar 3.22 Spektrum Respons Desain...59
Gambar 3.23 Contoh Input Response Spectrum di MS Excel ...60
Gambar 3.24 Copy dan Paste Data ke Editor Teks...61
Gambar 3.25 Kotak Dialog Define Response Spectrum Function ...61
Gambar 3.26 Input Data Response Spectrum dari Sumber Luar...62
Gambar 3.27 Modifikasi Input Data Response Spectrum ...63
Gambar 3.28 Modifikasi Input RS ke Format User Defined ...64
Gambar 3.29 Kotak Dialog Analysis Case Response Spectrum...65
Gambar 3.30 Analyis Case Gempa Response Spectrum Arah-X ...66
Gambar 3.31 Analyis Case Gempa Response Spectrum Arah-Y ...67
Gambar 3.32 Kotak Dialog Analysis Case Modal ...68
Gambar 3.33 Analysis Case Untuk Modal ...69
Gambar 3.34 Persiapan Analisis Struktur Beban Gempa Dinamis...70
Gambar 3.35 Kotak Dialog Define Time History Function ...71
Gambar 3.36 Input Data Time History Dari Sumber Luar ...72
Gambar 3.37 Folder SAP2000...72
Gambar 3.38 Input Data Akselerogram Time History ...73
Gambar 3.39 Modifikasi Input Data Time History ...74
Gambar 3.41 Modifikasi Input Time History ke Format User Defined ...76
Gambar 3.42 Kotak Dialog Analysis Case Time History...77
Gambar 3.43 Analyis Case Gempa Time History Arah-X ...79
Gambar 3.44 Analyis Case Gempa Time History Arah-Y ...79
Gambar 3.45 Diagram Alir Metode Time History ...81
Gambar 4.1 Model 3D Struktur Pada SAP2000 ...82
Gambar 4.2 Denah Struktur Lantai Tipikal...83
Gambar 4.3 Rangka 1–6...83
Gambar 4.4 Rangka A–D ...84
Gambar 4.5 Beban Gempa Statik Ekuivalen Rangka X...91
Gambar 4.6 Beban Gempa Statik Ekuivalen Rangka Y...92
Gambar 4.7 Input Beban Gempa Statik Ekuivalen Arah X ...93
Gambar 4.8 Input Beban Gempa Statik Ekuivalen Arah Y ...93
Gambar 4.9 Input Beban Gempa Auto Load Arah X ...94
Gambar 4.10 Input Beban Gempa Auto Load Arah Y ...94
Gambar 4.11 Spektrum Respons Desain Lokasi Bangunan...95
Gambar 4.12 Input Beban Gempa Response Spectrum Arah X...95
Gambar 4.13 Input Beban Gempa Response Spectrum Arah Y...96
Gambar 4.14 Akselerogram Gempa El Centro ...96
Gambar 4.15 Input Beban Gempa Time History Arah X...97
Gambar 4.16 Input Beban Gempa Time History Arah Y...97
Gambar 4.17 Profil dan Rasio Tegangan Balok Rangka 5 Sendi ...99
Gambar 4.18 Profil dan Rasio Tegangan Balok Rangka 5 Jepit ...100
Gambar 4.19 Profil dan Rasio Tegangan Balok Rangka C Sendi...101
Gambar 4.20 Profil dan Rasio Tegangan Balok Rangka C Jepit ...101
Gambar 4.21 Profil dan Rasio Tegangan Kolom Rangka 5 Sendi...103
Gambar 4.22 Profil dan Rasio Tegangan Kolom Rangka 5 Jepit ...103
Gambar 4.23 Error pada Output Frame Details SAP2000...104
Gambar 4.24 Profil dan Rasio Tegangan Kolom dan Balok Rangka 5 Sendi ...105
Gambar 4.25 Profil dan Rasio Tegangan Kolom Rangka C Sendi ...106
Gambar 4.26 Profil dan Rasio Tegangan Kolom Rangka C Jepit...106
Gambar 4.27 Simpangan Arah X Untuk Perletakan Sendi dan Jepit...108
Gambar 4.28 Simpangan Antar Tingkat Arah X Untuk Perletakan Sendi dan Jepit...109
Gambar 4.29 Simpangan Arah Y Untuk Perletakan Sendi dan Jepit...110
Gambar 4.30 Simpangan Antar Tingkat Arah Y Untuk Perletakan Sendi dan Jepit...111
Gambar 4.31 Gaya Geser Dasar Arah X Untuk Perletakan Sendi dan Jepit...113
Gambar 4.32 Gaya Geser Dasar Arah Y Untuk Perletakan Sendi dan Jepit...114
Gambar 4.33 Momen Balok Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka 5...116
Gambar 4.34 Momen Balok Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka C ...116
Gambar 4.35 Gaya Geser Balok Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka 5 ...118
Gambar 4.36 Gaya Geser Balok Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit Rangka C...118 Gambar 4.37 Momen Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit
ix
Rangka 5...120 Gambar 4.38 Momen Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan Jepit
Rangka C ...120 Gambar 4.39 Gaya Normal Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan
Jepit Rangka 5 ...122 Gambar 4.40 Gaya Normal Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan
JepitRangka C...122 Gambar 4.41 Gaya Geser Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan
Jepit Rangka 5 ...124 Gambar 4.42 Gaya Geser Kolom Tiap Lantai Perletakan Sendi dan
DAFTAR NOTASI
A = Luas penampang
a = Jarak antara dua pengaku vertical AB = Luas dasar struktur
Af = Luas efektif pelat saya
Ai = Luas badan dinding geser "i"
Aw = Luas pelat badan
bf = Lebar pelat sayap
CB = Koefisien pengali momen tekuk torsi lateral
Cd = Faktor amplifikasi defleksi Cm = Koefesien lentur
Cpr = Suatu faktor untuk meperhitungkan kekuatan sambungan CQC = Metoda Kombinasi Kuadrat Lengkap
CS = Koefisien respons gempa
Ct = Koefesien periode fundamental pendekatan CV = Rasio kuat geser
CVX = Faktor distribusi vertical
Cw = Koefesien periode fundamental pendekatan untuk struktur dinding geser
d = Tinggi penampang
df = Jarak antara titik berat pelat sayap
Di = Panjang dinding geser “ i ”
E = Modulus elastisitas baja EAL = Beban gempa auto load
ERS = Beban gempa response spectrum
ESE = Beban gempa statik ekivalen
ETH = Beban gempa time history
Fa = Koefisien situs untuk perioda pendek Fv = Koefisien situs untuk perioda panjang
Fi, Fx = Bagian dari gaya geser dasar V pada tingkat i atau x fL = Tegangan leleh dikurangi tegangan sisa
fu = Tegangan putus minimum penampang
fy = Tegangan leleh
G = Modulus geser baja
hi, hx = Tinggi dari dasar sampai tingkat i atau x hn = Ketinggian struktur
Ie = Faktor keutamaan
Iw = Konstanta puntir lengkung
Iy = Momen inersia terhadap sumbu lemah
J = Konstanta puntir torsi
L = Panjang bentang antara dua pengekang lateral yang berdekatan Lp = Panjang bentang maksimum untuk balok yang mampu menerima
momen
Lr = Panjang bentang minimum untuk balok yang kekuatannya mulai
ditentukan oleh momen kritis tekuk torsi lateral
xi
MA = Momen pada titik ¼ L
MB = Momen pada titik ½ L
Mc = Momen pada titik ¾ L
Mcr = Momen kritis terhadap tekuk torsi lateral
Mf = Kuat lentur nominal dihitung hanya dengan pelat sayap saja
Mltu = Momen lentur terfaktor orde pertama yang diakibatkan oleh
beban-beban yang dapat menimbulkan goyangan Mmax = Momen maksimum sepanjang bentang Mn = Momen lentur nominal
Mntu = Momen lentur terfaktor orde pertama yang diakibatkan oleh
beban-beban yang tidak menimbulkan goyangan Mp = Momen plastis penampang
Mpr = Momen pada lokasi sendi plastis Mr = Momen batas tekuk
Mu = Momen lentur terfaktor
My = Momen tambahan akibat amplifikasi gaya geser pada sendi plastis
N = Jumlah tingkat
Ncr = Beban kritis elastis
Ncrb = Beban kritis elastis untuk komponen struktur tak bergoyang
Ncrs = Beban kritis elastis untuk komponen struktur dengan goyangan
Nn = Kuat aksial nominal komponen struktur Nu = Beban aksial terfaktor
P = Beban terpusat pada balok R = Koefisien modifikasi respons Ry = Faktor modifikasi tegangan leleh ry = Jari-jari girasi terhadap sumbu lemah
S1 = Parameter percepatan respons spektral pada perioda 1 detik
SA = Batuan keras
SB = Batuan
SC = Tanah keras, sangat padat dan batuan lunak
SD = Tanah sedang
SD1 = Parameter percepatan respons spektral pada perioda 1 detik
SDS = Parameter percepatan respons spektral pada perioda pendek
SE = Tanah lunak
SF = Tanah khusus
Sh = Jarak sendi plastis ke as kolom
SM1 = Percepatan percepatan respons spektral MCE pada perioda 1 detik
SMS = Parameter percepatan respons spektral MCE pada perioda pendek
SRSS = Metoda Akar Kuadrat Jumlah Kuadrat
SS = Parameter percepatan respons spektral pada perioda pendek
Ta = Periode fundamental pendekatan tf = Tebal pelat sayap
tw = Tebal pelat badan
V = Geser desain total di dasar struktur dalam arah yang ditinjau Vn = Kuat geser nominal balok
Vp = Gaya geser pada lokasi sendi plastis Vu = Gaya geser perlu
W = Berat seismik efektif bangunan
Wi, Wx = Berat seismik efektif bangunan pada tingkat i atau x X1 = Koefisien untuk perhitungan momen tekuk torsi lateral
X2 = Koefisien untuk perhitungan momen tekuk torsi lateral
Z = Modulus plastis penampang
Βm = Perbandingan momen terkecil dan terbesar yang bekerja pada ujung-ujung komponen struktur
∆ = Simpangan antar lantai tingkat desain
∆a = Simpangan antar lantai tingkat ijin
Δoh = Simpangan antar lantai pada tingkat yang sedang ditinjau
ΣΗ = Jumlah gaya horizontal yang menghasilkanΔoh pada tingkat yang
ditinjau
ΣMpb = Jumlah momen-momen balok-balok pada pertemuan as balok dan as kolom
ΣMpc = Jumlah momen-momen kolom di bawah dan di atas sambungan pada pertemuan antar as kolom dan as balok
ΣΝu = Jumlah gaya aksial tekan terfaktor akibat beban gravitasi untuk
seluruh kolom pada satu tingkat
δ = Faktor amplifikasi momen
δb = Faktor amplifikasi momen untuk komponen struktur yang tidak dapat bergoyang
δs = Faktor amplifikasi momen untuk komponen struktur yang dapat bergoyang
φ = Faktor reduksi
λ = Kelangsingan
λp = Batas maksimum untuk penampang kompak
