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
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.
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 βAnalisis Kekakuan Struktur Portal
Terbuka Dibandingkan dengan Pemanfaatan Dinding Bata Sebagai Bracing Terhadap Gaya Gempa Secara Modal Analysis 2D dan Program ETABS 3Dβ. 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. 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 akhir.
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 Claudya B. Benedicta
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
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
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
3.3.3 Dimensi Elemen Struktur ... 71 3.3.4 Bracing ekivalen ... 72 3.4 Pembebanan ... 73 3.4.1 Beban Mati ... 73 3.4.2 Beban Hidup ... 74 3.4.3 Beban Gempa ... 74
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
4.3.2 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
4.4.4 Perpindahan dan Simpangan Antar Lantai ... 111
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
4.5.3 Perpindahan dan Simpangan Antar Lantai ... 115
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
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 πΉπΉππ (SNI 03-1726-2012) ... 54
Tabel 2.7 Koefisien Kelas Situs πΉπΉπ£π£ (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 πΆπΆπ’π’ (SNI 03-1726-2012) ... 59
Tabel 2.11 Koefisien πΆπΆπ‘π‘ (SNI 03-1726-2012) ... 59
Tabel 2.12 Simpangan Antar Lantai Ijin, βππ (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
Tabel 4.2 Nilai Perioda Fundamental Portal Terbuka 2D Hasil Analisis ETABS ... 92
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, ππ . 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 ππππ dan 85% πππ π 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, ππ ... 112
Tabel 4.18 Selisih Nilai Perioda Fundamental Infilled Frame ... 114
Tabel 4.20 Perbandingan Vd dan 85% Vs 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 (πΏπΏπ₯π₯) ... 121
Tabel 4.28 Perbandingan Perpindahan Arah Y (πΏπΏπ¦π¦) ... 121
Tabel 4.29 Perbandingan Simpangan Antar Lantai Arah X (βπ₯π₯) ... 123
Tabel 4.30 Perbandingan Simpangan Antar Lantai Arah Y (βπ¦π¦) ... 123
Tabel 4.31 Perbandingan Momen pada Kolom Akibat Beban Gempa ... 127
Tabel 4.32 Perbandingan Gaya Lintang pada Kolom Akibat Beban Gempa .. 127
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
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 3.1 1 Diagram Alir Analisis 2D ... 66
Gambar 3.2 Diagram Alir Analisis 3D ... 67
Gambar 3.3 Denah Struktur ... 69
Gambar 3.4 Pemodelan 3D Portal Terbuka ... 70
Gambar 3.5 Portal Terbuka Arah X ... 70
Gambar 3.6 Portal Terbuka Arah Y ... 71
Gambar 3.7 Infilled Frame Arah X ... 72
Gambar 3.8 Infilled Frame Arah Y ... 73
Gambar 3.9 Peta Gempa Perioda Pendek, ππππ ... 75
Gambar 3.10 Peta Gempa Perioda Pendek, ππππ ... 75
Gambar 3.11 Kurva Respons Spektrum Kota Medan dengan Kondisi Tanah Sedang ... 77
Gambar 4.1 Beban Mati Pelat Lantai ... 84
Gambar 4.4 Beban Mati pada Balok Arah Y ... 85
Gambar 4.5 Beban Hidup pada Pelat Lantai ... 86
Gambar 4.6 Beban Hidup pada Pelat Atap ... 86
Gambar 4.7 Pemodelan 2D Portal Terbuka ... 89
Gambar 4.8 Pemodelan Kekakuan Portal Terbuka ... 90
Gambar 4.9 Distribusi Gaya Geser Tiap Tingkat Portal Terbuka 2D ... 98
Gambar 4.10 Pemodelan 2D Infilled Frame ... 98
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 Ξx Setiap Struktur ... 122
Gambar 4.22 Grafik Perbandingan Ξy 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
Gambar 4.26 Bidang Lintang pada Infilled Frame Akibat Beban Gempa ... 125
Gambar 4.27 Bidang Normal pada Portal Terbuka Akibat Beban Gempa .... 126
DAFTAR NOTASI
ππ = lebar bracing ekivalen
ππ = koefisien redaman
πΆπΆππ = faktor amplifikasi defleksi
πΆπΆππ = koefisien respons seismik
πΈπΈ = Modulus elastisitas material
πΈπΈππππ = modulus elastisitas material portal (beton)
πΈπΈβ = pengaruh beban gempa horisontal
πΈπΈππππ = modulus elastisitas material dinding pengisi
πΈπΈπ£π£ = pengaruh beban gempa vertikal
πΉπΉππ = koefisien situs pada perioda pendek
πΉπΉπ·π· = gaya redaman
πΉπΉπΌπΌ = gaya inersia
πΉπΉππ = gaya pegas
πΉπΉπ£π£ = koefisien situs pada perioda 1 detik
πΉπΉπ₯π₯ = gaya gempa lateral yang timbul di semua tingkat
ππ = percepatan gravitasi
βππ = tinggi kolom di antara as-balok
π»π»πΈπΈ,ππ = gaya gempa setiap mode
βππππππ = tinggi dinding pengisi
βππ = ketinggian struktur dalam meter di atas dasar sampai tingkat tertinggi
struktur
πΌπΌππ = inersia penampang kolom
πΌπΌππ = faktor keutamaan gempa
ππ = kekakuan elemen struktur
ππ = eksponen yang terkait perioda struktur
πΏπΏ = Panjang bentang kolom
πΏπΏππππππ = panjang dinding pengisi
ππ = massa struktur
ππππ,ππ = massa pendekatan dari n massa ke satu massa
ππ(π‘π‘) = beban dinamis
πππΈπΈ = pengaruh gaya gempa horisontal dari ππ atau πΉπΉππ
ππππ(π‘π‘) = variasi waktu perpindahan dengan gerakan harmonis sederhana
π π = faktor modifikasi respons
ππππππππ = panjang diagonal dinding pengisi
ππππ = respons spektral percepatan
πππ·π·ππ = parameter percepatan spektral desain untuk perioda pendek
πππ·π·1 = parameter percepatan spektral desain untuk perioda 1 detik
ππππ1 = parameter respons spektral percepatan gempa MCER
ππππππ = parameter respons spektral percepatan gempa MCE
untuk perioda 1,0 detik
R
ππ = perioda fundamental struktur
untuk perioda pendek
π’π’Μ = kecepatan
π’π’Μ = percepatan
ππ = gaya lateral total atau geser di dasar struktur
ππ = berat seismik efektif
β = simpangan antar lantai desain
βππ = simpangan antar lantai ijin
πΏπΏπ₯π₯ππ = perpindahan elastis yang diperoleh dari analisis elastis pada program
πΏπΏπ₯π₯ = perpindahan yang diperbesar
ππ = sudut antara tinggi dan panjang dinding pengisi
ππ1 = koefisien yang digunakan untuk menentukan lebar efektif strut
ππ = faktor redundansi
ππ = frekuensi natural