ANALISA TIGA DIMENSI REKAYASA PENEMPATAN POSISI DAMPER PADA STRUKTUR MULTISTORY FRAME DENGAN TIPE PENGAKU BRACING TUGAS AKHIR - Analisa Tiga Dimensi Rekayasa Penempatan Posisi Damper pada Struktur Multistory Frame dengan Tipe Pengaku Bracing

(1)

ANALISA TIGA DIMENSI REKAYASA PENEMPATAN

POSISI DAMPER PADA STRUKTUR MULTISTORY FRAME

DENGAN TIPE PENGAKU BRACING

TUGAS AKHIR

Disusun oleh :

ADRIAN

100404048

Dosen Pembimbing :

Ir.Daniel Rumbi Teruna, M.T.

NIP 19480206 198003 1003

SUB JURUSAN STRUKTUR

DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

LEMBAR PENGESAHAN

ANALISA TIGA DIMENSI REKAYASA PENEMPATAN POSISI DAMPER PADA STRUKTUR MULTISTORY FRAME DENGAN TIPE PENGAKU BRACING

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk melengkapi tugas – tugas dan memenuhi syarat dalam

Menempuh Colloqium Doctum / Ujian Sarjana Teknik Sipil

Disusun Oleh :

ADRIAN 10 0404 048

Dosen Pembimbing

Ir. Daniel Rumbi Teruna , MT. NIP. 19480206 198003 1003

Dosen Penguji I Dosen Penguji II

Prof Dr. Ing Johannes Tarigan Ir. Torang Sitorus, M.T. NIP. 19561224 198103 1 002 NIP. 19571002 198601 1 001

Disetujui Oleh :

Ketua Departemen Teknik Sipil

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan NIP. 19561224 198103 1 002

BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(3)

ABSTRAK

Pada studi analisa struktur dalam bidang teknik sipil terdapat beberapa hal yang penting dalam mendesain dan merencanakan tipe – tipe bangunan yang tahan terhadap gempa, yakni bentuk geometri bangunan itu sendiri maupun elemen pelengkap lainnya seperti peredam energi ( damper ) , basic isolator maupun adanya pemasangan bracing. Penelitian yang dilakukan oleh para ahli dalam bidang gempa untuk membuat bangunan tahan gempa telah dilaksanakan sejak terjadinya peristiwa gempa yang pernah terjadi di berbagai belahan bumi. Kerusakan akibat gempa dicatat dan dipelajari penyebabnya sehingga peraturan tentang building code terus diperbaharui demi kestabilan struktur maupun kekokohan elemen bangunan.

Damper sebagai seismic devices telah banyak diteliti sebagai salah satu alat untuk meredam energi yang timbul akibat gempa. Sebagai alat peredam energi damper memiliki beberapa jenis yaitu viscous damper, metallic damper, tuned mass damper dan lain – lain. Metallic damper dipasang pada struktur bracing pada pertemuan antara balok dan kolom sebagai sambungannya. Damper jenis ini mempunyai suatu ukuran kekakuan yaitu stiffness

ratio ( SR ) antara kekakuan bracing dengan damper yang kisaran angkanya lebih dari 2.

Kajian mengenai damper dapat dilihat pada posisi dan pemasangannya dalam mendukung bangunan secara struktural dalam respons primer terhadap percepatan gempa.

Analisa gempa dalam ilmu teknik sipil dapat dikategorikan dalam beberapa bagian yaitu analisa modal, respons spektra, time history dan analisa statik ekivalen. Semuanya memiliki cakupan perhitungan yang luas dan detail. Data gempa yang dipakai adalah data yang dicatat dalam accelerogram dalam bentuk satuan gravitasi ( g ). Data percepatan tersebut harus disesuaikan terlebih dahulu dengan menggunakan program Seismosoft yaitu Seismomatch. Setelah itu, untuk analisa pemodelan biasa dapat digunakan data gempa artifisial yang dibuat melalui program Seismoartif. Kajian mengenai analisa dalam tugas akhir ini menggunakan metode non linear time history untuk mendapatkan output perpindahan ( displacement ) dan gaya dasar ( base shear ) dalam membandingkan pengaruh damper dan bracing terhadap perilaku respons bangunan. Dari data gempa tersebut dapat dibuat kurva input energi yang memperlihatkan pengaruh penambahan seismic devices dalam struktur bangunan tahan gempa.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan berkat-Nya hingga selesainya tugas akhir ini dengan judul “Analisa Tiga Dimensi Rekayasa Penempatan Posisi Damper Pada Struktur Multistory Frame Dengan Tipe Pengaku

Bracing ”. 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 masih memiliki banyak kekurangan. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. Dengan tangan terbuka dan hati yang tulus penulis menerima saran 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 ingin mengucapkan ucapan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T., selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam memberikan bimbingan yang tiada hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, selaku ketua departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara dan sebagai pembanding yang telah memberikan masukan demi perbaikan Tugas Akhir .

3. Bapak Ir. Torang Sitorus , M.T , selaku pembanding yang telah memberikan masukan demi perbaikan Tugas Akhir.

(5)

5. Teristimewa kepada kedua Orang Tua Saya dan saudara penulis, yang telah mendukung Saya dengan memberikan semangat dan doa agar Saya dapat dengan cepat menyelesaikan tugas akhir.

6. Hendrik Wijaya , selaku teman penulis yang senantiasa memberikan masukan dan ide dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

7. Hendra Susilo , selaku teman penulis yang memberikan dukungan dan bantuan sehingga Tugas Akhir ini dapat selesai dengan tepat waktu.

8. Akbar Soesilo , selaku teman penulis yang memberikan dukungan moral kepada penulis sehingga Tugas Akhir ini dapat selesai dengan tepat waktu.

9. Rekan-rekan mahasiswa jurusan Teknik Sipil, terutama teman-teman seangkatan 2010, adik-adik 2011, 2012, 2013 dan abang/ kakak stambuk 2009, 2008 dan 2007, terima kasih atas dukungannya selama ini.

Medan, 5 Oktober 2015 Penulis

(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI... iv

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR TABEL ... xv

DAFTAR NOTASI... xviii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Studi Literatur ... 6

1.3 Perumusan Masalah ... 13

1.4 Maksud dan Tujuan ... 14

1.5 Pembatasan Masalah ... 14

1.6 Metodologi Penulisan ... 15

1.7 Sistematika Penulisan ... 16

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 17

2.1 Kajian Damper Sebagai Seismic Devices ... 17

2.2 Karakteristik Damper ... 22

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 35

3.1 Perumusan Desain Pemodelan ... 35

3.2 Desain dimensi frame ... 45

3.3 Analisa kerjasama kekakuan bracing dan sistem frame 3 dimensi ... 49

3.3.1 Space Frame ... 69

3.3.2. Space Truss ... 86

(7)

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 104

4.1 Umum ... 104

4.2 Hasil Analisa ... 121

4.2.1 Analisa modal dan fundamental period ( T ) ... 121

4.2.2 Analisa Perpindahan ... 127

4.2.2.1 Perpindahan Sumbu X ... 127

4.2.2.2 Perpindahan Sumbu Z ... 133

4.2.3 Interstory Drift ... 139

4.2.4 Perbandingan Antara Ketiga Model... 140

4.2.4.1 Analisa Perpindahan ... 140

4.2.4.2 Perbandingan besar gaya geser pada reaksi dasar ( base reaction ) ... 144

4.2.4.3 Total Input energi dari respons struktur ... 147

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 149

5.1 Kesimpulan ... 149

5.2 Saran ... 150

DAFTAR PUSTAKA ... 152

(8)

DAFTAR GAMBAR

BAB I - Gambar 1 : Kerusakan bangunan akibat gempa ... 2

Gambar 2 : Struktur dengan pengaku bracing ... 4

Gambar 3 : Perbedaan frame dengan device dan tanpa device ... 4

Gambar 4 : Perkuatan bangunan dengan pemasangan steel damper ... 5

Gambar 5 : Tipe hysteretic steel damper ... 6

Gambar 6 : Struktur bracing dengan penambahan damper ... 9

Gambar 7 : Kinerja dari steel damper dalam konfigurasi Chevron ... 10

Gambar 8 : Empat spesimen dalam percobaan uji damper ... 11

Gambar 9 : Kurva histeretik empat spesimen dalam percobaan uji damper .. 12

Gambar 10 : Kurva skeleton dan Bauschinger ... 13

Gambar 11 : (a). Gambar struktur dengan pengaku bracing tanpa damper . 14 (b) . Gambar struktur dengan pengaku bracing ditambah damper... 14

Gambar 12 : Skema alur penulisan Tugas Akhir ... 15

BAB II - Gambar 13 : Bangunan Wallace F. Bennett Federal ... 18

Gambar 14 : Foto pemasangan damper pada bracing ... 18

Gambar 15 : MenaraTorre Mayor ... 19

Gambar 16 : Fluid damper ... 19

Gambar 17 : Tampak Depan Bangunan Parque Araucano ... 20

Gambar 18 : Kontainer berisi partikel damper pada saat pelaksanaan konstruksi ... 20

Gambar 19 : Ukuran bola metal dengan partikel damper ... 20

(9)

Gambar 21 : Tampak samping foto pengambilan partikel damper ... 21

Gambar 22 : Struktur metallic damper dengan kombinasi bracing ... 23

Gambar 23 : ( a ) . Contoh pemodelan sistem struktur bermassa satu dengan 3 kekakuan ekivalen ... 24

( b ) . Pemodelan struktur bermassa satu dengan 1 kekakuan ekivalen. ... 24

Gambar 24 : Sistem penempatan damper untuk single story frame ... 24

Gambar 25 : Model bilinear dari damper devices ... 26

Gambar 26 : Model antara kekakuan sistem dan bracing dari damper devices... 28

Gambar 27 : Dekomposisi dari kurva histeretik ... 28

Gambar 28 : ( a ) . Tampak samping alat loading test untuk percobaan ... 29

( b ) . Tampak depan alat loading test untuk percobaan ... 29

Gambar 29 : Tampak depan dari alat eksperimental ... 30

Gambar 30 : Tampak samping dari alat eksperimental ... 30

Gambar 31 : Gambar perpindahan untuk loading test ... 31

Gambar 32 : Gambar plot nominal stress dengan normal strain ... 32

Gambar 33 : Diagram perpindahan , tegangan – regangan , dan hubungan kekakuan efektif dengan gaya – perpindahan ... 32

Gambar 34 : Perbandingan dari kurva skeleton dan aproksimasi trilinear untuk keempat spesimen ... 33

Gambar 35 : Tabel perbandingan antara jenis – jenis damper ... 34

BAB III - Gambar 36 : Tampak depan model 3D untuk struktur bertingkat dengan bracingtanpa damper ( Centroid Bracing Frame atauCBF ) ... 36

(10)

Gambar 38 : Tampak bidang YZ untuk struktur bertingkatdengan

bracing tanpa damper ( CBF ) ... 38

Gambar 39 : Tampak depan model 3D untuk struktur bertingkat dengan _{bracing dan tambahan damper} _{(Damper Resisting Frame} atauDRF ) ... 39

Gambar 40 : Tampak bidang XY untuk struktur bertingkat dengan bracing dan tambahan damper ( DRF ) ... 40

Gambar 41 : Tampak bidang YZ untuk struktur bertingkat dengan bracing dan tambahan damper ( DRF ) ... 41

Gambar 42 : Tampak depan model 3D untuk struktur bertingkat _{tanpa bracing maupun damper} _{(Bare Frame atau}_{BF ) ... 42}

Gambar 43 : Tampak bidang XY untuk struktur bertingkat tanpa bracing dan damper ( BF )... 43

Gambar 44 : Tampak bidang YZ untuk struktur bertingkat tanpa bracing dan damper ( BF )... 44

Gambar 45 : Ukuran frame tiap lantai ... 45

Gambar 46 : Section Properties dari profil I ... 46

Gambar 47 : Klasifikasi kolom pada frame ... 46

Gambar 48 : Section Properties dari profil II ... 47

Gambar 49 : Bentuk penampang bracing pada frame ... 48

Gambar 50 : Penampakan 3 dimensi ( x,y,z ) per lantai / single story ... 49

Gambar 51 : Bidang XY untuk Z = 0 , Z = 5 , Z = 10 , Z = 15 , Z = 20 , Z = 25 ... 49

Gambar 52 : Bidang YZ untuk X = 0 , X = 5 , X = 10 , X = 15 , X = 20 , X = 25 ... 50

Gambar 53 : Penampakan bidang XY untuk Z = 0 ( huruf tebal = nodal ) ... 50

(11)

Gambar 55 : DOF elemen n,m,e,t ... 51

Gambar 56 : DOF elemen j,i,h,v ... 51

Gambar 57 : DOF elemen c,d,s ... 51

Gambar 58 : DOF elemen f,g,u ... 52

Gambar 59 : DOF elemen damper 1,2 ... 52

Gambar 60 : DOF elemen p,o ... 52

Gambar 61 : DOF elemen l,k ... 52

Gambar 62 : Penampakan bidang XY untuk Z = 10 ( huruf tebal = nodal ) ... 53

Gambar 63 : DOF elemen aii , qii ,bii , rii ... 53

Gambar 64 : DOF elemen nii ,mii,eii,tii ... 53

Gambar 65 : DOF elemen jii, iii, hii, vii ... 54

Gambar 66 : DOF elemen cii, dii, sii ... 54

Gambar 67 : DOF elemen fii ,gii,uii ... 54

Gambar 69 : DOF elemen pii,oii ... 55

Gambar 70 : DOF elemen lii,kii ... 55

Gambar 71 : Penampakan bidang XY untuk Z = 25 ( huruf tebal = nodal ) ... 55

Gambar 72 : DOF elemen av , qv,bv,rv ... 56

Gambar 73 : DOF elemen nv, mv,ev,tv ... 56

Gambar 74 : DOF elemen jv, iv, hv,vv ... 56

Gambar 75 : DOF elemen cv,dv,sv ... 57

Gambar 76 : DOF elemen f v,gv,uv ... 57

Gambar 78 : DOF elemen pv,ov ... 57

(12)

Gambar 80 : Penampakan bidang YZ untuk X = 0

( huruf tebal = nodal ) ... 58

Gambar 81 : DOF elemen bvi,rvi ... 58

Gambar 82 : DOF elemen cvi,dvi,svi ... 59

Gambar 83 : DOF elemen evi, tvi ... 59

Gambar 84 : DOF elemen fvi,gvi,uvi ... 59

Gambar 85 : DOF elemen hvi, vvi ... 60

Gambar 87 : DOF elemen pvi,ovi ... 60

Gambar 88 : DOF elemen ivi,jvi ... 60

Gambar 89 : Penampakan bidang YZ untuk X = 10 ( huruf tebal = nodal ) ... 61

Gambar 90 : DOF elemen bviii,rviii ... 61

Gambar 91 : DOF elemen cviii,dviii,sviii ... 61

Gambar 92 : DOF elemen eviii, tviii ... 62

Gambar 93 : DOF elemen fviii,gviii,uviii ... 62

Gambar 94 : DOF elemen hviii, vviii ... 62

Gambar 96 : DOF elemen pviii,oviii ... 63

Gambar 97 : DOF elemen iviii,jviii ... 63

Gambar 98 : Penampakan bidang YZ untuk X = 25 ( huruf tebal = nodal ) ... 63

Gambar 99 : DOF elemen bxi ,rxi ... 64

Gambar 100 : DOF elemen cxi,dxi,sxi ... 64

Gambar 101 : DOF elemen exi, txi ... 65

Gambar 102 : DOF elemen fxi,gxi,uxi ... 65

(13)

Gambar 105 : DOF elemen pxi,oxi ... 66

Gambar 106 : DOF elemen ixi,jxi ... 66

Gambar 107 : Bidang salib sumbu x,y dan z ... 69

Gambar 108 : Bidang sejajar gaya gempa ... 92

Gambar 109 : Bidang tegak lurus gempa ... 98

Gambar 110 : Alur / Flowchart Penelitian ... 103

BAB IV - Gambar 111 : Spectrum desain ... 104

Gambar 112 : Chi chi original ... 105

Gambar 113 : Imperial Valley original ... 106

Gambar 114 : Loma Prieta original ... 107

Gambar 115 : Kobe original ... 108

Gambar 116 : Northridge original... 109

Gambar 117 : Data unmatched gempa ... 110

Gambar 118 : Data Matched gempa ... 111

Gambar 119 : Matched Chi chi ... 112

Gambar 120 : Matched Imperial Valley ... 113

Gambar 121 : Matched Kobe ... 114

Gambar 122 : Matched Loma Prieta ... 115

Gambar 123 : Matched Northridge ... 116

Gambar 124 : Mean Spectrum ... 117

Gambar 125 : Gempa Artifisial 1... 118

Gambar 128 : Mode 1 T = 1,122 s ; ω= 5,6 rad /s ... 121

(14)

Gambar 133 : Mode 6 T = 0,701 s ; ω=8,963 rad /s ... 122

(15)

Gambar 157 : Mode 10 T = 0,305 s ; ω=20,601 rad /s ... 126 Gambar 158 : Hasil perbandingan perpindahan lantai 4

untuk sumbu x ( gempa artifisial 1 ) ... 127 Gambar 159 : Hasil perbandingan perpindahan lantai 4

untuk sumbu z ( gempa artifisial 1 ) ... 133 Gambar 165 : Hasil perbandingan perpindahan lantai 4

(16)

Gambar 172 : Interstory drift akibat gempa artifisial 3 ... 139 Gambar 173 : Diagram perbandingan perpindahan untuk

ketiga model pada sumbu x... 143 Gambar 174 : Diagram perbandingan perpindahan untuk

ketiga model akibat sumbu z... 143 Gambar 175 : Besar reaksi gaya geser dasar total adalah

penjumlahan dari reaksi masing – masing gaya

pada perletakan secara superposisi. ... 144 Gambar 176 : Diagram perbandingan base shear untuk ketiga model

akibat gempa artifisial 1 ... 146 Gambar 177 : Diagram perbandingan base shear untuk ketiga model

akibat gempa artifisial 2 ... 146 Gambar 178 : Diagram perbandingan base shear untuk ketiga model

akibat gempa artifisial 3 ... 147 Gambar 179 : Diagram perbandingan input energi untuk ketiga model

(17)

DAFTAR TABEL

BAB II - Tabel 1 : Efek Penambahan Metallic Yielding Device dalam struktur ... 22

Tabel 2 : Efek Penambahan Viscous Fluid Device dalam struktur ... 23

BAB III - Tabel 3 : Section Properties dari profil I ... 46

Tabel 4 : Section Properties dari profil II ... 47

Tabel 5 : Data inersia, elastisitas dan jarak antar lantai ... 47

Tabel 6 : Bidang XY koordinat Z = 0 ... 67

Tabel 12 : Bidang YZ koordinat X = 0 ... 68

Tabel 18 : Anggota elemen sejajar sumbu y ... 70

Tabel 19 : Anggota elemen sejajar sumbu x ... 70

Tabel 20 : Anggota elemen sejajar sumbu z ... 70

Tabel 21 : Data matriks rotasi elemen ... 74

Tabel 22 : Elemen sumbu y ... 75

(18)

Tabel 24 : Elemen sumbu z ... 77

Tabel 25 : Data elemen kekakuan kolom ... 78

Tabel 26 : Data DOF elemen kolom ... 79

Tabel 27 : Data elemen kekakuan sumbu x ... 80

Tabel 28 : Data DOF elemen sumbu x ( 1 ) ... 81

Tabel 29 : Data DOF elemen sumbu x ( 2 ) ... 82

Tabel 30 : Data elemen kekakuan sumbu z ... 83

Tabel 31 : Data DOF elemen sumbu z ( 1 ) ... 84

Tabel 32 : Data DOF elemen sumbu z ( 2 ) ... 85

Tabel 33 : Data anggota elemen bracing ... 86

Tabel 34 : Data sudut elemen bracing ... 87

Tabel 35 : Data DOF elemen bracing ( 1 ) ... 88

Tabel 43 : Data DOF elemen damper ( 1 ) ... 91

Tabel 44 : Data DOF elemen damper ( 2 ) ... 92

Tabel 45 : Data Kekakuan Struktur ... 97

Tabel 46 : Data Stiffness Ratio ( SR ) ... 98

(19)

Tabel 48 : Hasil deformasi maksimum untuk sumbu X ... 140

Tabel 49 : Hasil deformasi maksimum untuk sumbu Z ... 141

Tabel 50 : Hasil rasio perpindahan dari ketiga model ... 141

Tabel 51 : Faktor reduksi perpindahan untuk rasio ketiga model ... 142

Tabel 52 : Perbandingan gaya geser dasar ... 145

(20)

DAFTAR NOTASI

g = Percepatan gravitasi ( 9,8 m/s2 ) = Kekakuan elastis

= Panjang bentang antara damper dan bracing = Sudut kemiringan damper

= Sudut kemiringan bracing = Tegangan leleh baja = Modulus elastis = Momen Inersia = Momen lentur = Gaya geser

= beban terbagi merata = Luas penampang = Modulus geser = tinggi balok = Energi

= Perioda getar ( fundamental period ) = waktu ( sekon )