PERENCANAAN STRUKTUR RANGKA BAJA DENGAN BRESING
TAHAN TEKUK
Rhonita Dea Andarini1), Muslinang Moestopo2)
1. Pendahuluan
Masalah tekuk menjadi perhatian dalam desain bangunan baja. Tekuk menyebabkan hilangnya kekuatan tekan sehingga pengecekan kapasitas tekan dari suatu elemen struktur menjadi satu hal yang paling diperhatikan. Masalah tekuk pada bresing dapat diselesaikan apabila bresing memiliki ketahanan terhadap gaya tekan yang diterima, khususnya pada struktur yang memikul beban gempa bolak-balik. Hal ini diakomodasi dengan kehadiran bresing tahan tekuk.
Makalah ini membahas Struktur Rangka Bresing Tahan Tekuk - SRBTT ( Buckling-Restrained Braced Frames-BRBF) yang merupakan pengembangan dari Sistem Rangka Bresing Konsentrik (Concentrically Braced Frame), yaitu bresing didesain memiliki kapasitas tekan yang sama dengan kapasitas tariknya. Sistem rangka ini telah banyak diaplikasikan di Amerika Serikat dan Jepang.
Dua buah perencanaan struktur rangka bresing tahan tekuk (SRBTT) dilakukan terhadap bangunan gedung 10 lantai berdasarkan Seismic Provisions for Structural Steel Buildings1) yang diterbitkan American Institute of Steel Construction. Struktur yang pertama (SRBTT-1) menggunakan faktor overstrength hanya pada elemen struktur pada portal bresing, sedangkan pada struktur kedua (SRBTT-2) faktor overstrength digunakan untuk seluruh elemen struktur.
2. Sistem Bresing Tahan Tekuk
Dalam upaya menyelesaikan masalah tekuk pada sistem rangka bresing konsentrik, nilai kelangsingan yang dimiliki bresing direncanakan sekecil mungkin, agar nilai kekuatan bresing mendekati kekuatan lelehnya. Untuk mencapai kelangsingan yang kecil, luas penampang bresing diperbesar. Perbesaran luas penampang ini dilakukan dengan menambah selongsong di batang baja (yang diisi mortar atau beton). Batang baja dibiarkan memanjang dan memendek tanpa tekuk yang berarti. Pelelehan bresing merupakan proses disipasi energi yang diharapkan dalam Sistem Rangka Bresing Tahan Tekuk.
Hasil uji yang dilakukan di Universitas California7) terhadap bresing tahan tekuk menunjukkan kinerja yang baik setelah diberi pembebanan siklik. Bresing jenis ini menghasilkan perilaku histeretik yang daktail, stabil, dan berulang-ulang. Kapasitas deformasi plastis yang dihasilkan memenuhi persyaratan, baik dalam hal deformasi ultimit maupun regangan plastis kumulatif, hal mana merupakan nilai tambah bagi sistem rangka bresing tahan tekuk.
1)
Mahasiswa Program Magister Teknik Sipil, Institut Teknologi Bandung. 2)
Gambar 1 Elemen Bresing Tahan Tekuk (Moestopo, 2005)
Gambar 2 Kurva Histeretik Hasil Pengujian Bresing Tahan Tekuk (Lopez, 2004)
3. Batang Bresing
3.1 Batang Baja
Batang baja yang dipakai dalam bresing didesain untuk menahan gaya aksial dari bresing secara keseluruhan. Kuat aksial rencana, (LRFD), baik tarik maupun tekan, ditentukan berdasarkan batas leleh sebagai berikut:
dimana :
Fysc = tegangan leleh minimum dari batang baja inti, atau tegangan leleh yang
aktual dari batang baja inti yang ditentukan dari hasil uji, (MPa) Asc = luas dari batang baja inti (mm2)
= 0.90
3.2 Sistem Penahan Tekuk
Sistem penahan tekuk terdiri dari selubung batang baja. Dalam perhitungan stabilitas, balok, kolom dan pelat buhul yang tehubung dengan inti batang baja termasuk dalam sistem ini. Sistem penahan tekuk akan membatasi kejadian tekuk dari batang baja inti
Tak Terkekang (tidak leleh)
A A
BAGIAN TERKEKANG (LELEH) Potongan A-A
Casing + pengisi Pencegah Tekuk
Profil Inti
hingga mampu berdeformasi mencapai 2.0 x simpangan antar lantai yang diperhitungkan.
3.3
Adjusted Brace Strength
Sambungan bresing dan batang yang saling berkaitan didesain untuk menahan gaya berdasarkan adjusted brace strength. Kuat tarik dari bresing ditentukan sebesar
., sedangkan kuat tekan bresing adalah .
dimana:
Pmaks = gaya tekan maksimum (N)
Tmaks = gaya tarik maksimum dengan deformasi sesuai dengan 200% dari
simpangan antar lantai
Fysc = kekuatan leleh dari batang baja inti (MPa)
Dalam hal ini, β adalah rasio antara gaya tekan maksimum terhadap gaya tarik maksimum dari hasil pengujian, sedangkan ω adalah rasio antara gaya tarik maksimum terhadap kuat leleh batang baja inti.
Gambar 3 Diagram Gaya-Perpindahan Batang (AISC, 2005)
Faktor Ry tidak digunakan apabila nilai merupakan nilai tegangan leleh yang
diperoleh dari pengujian.
4. Sambungan Bresing
Untuk pelat buhul, desain sambungan memperhatikan tekuk lokal dan tekuk komponen bresing. Konsistensi penggunaan bresing yang akan digunakan diperlukan untuk pengujian, dimana hasilnya dijadikan dasar untuk perencanaan.
5. Balok Dan Kolom
Ukuran penampang balok dan kolom harus memenuhi kriteria seismically compact. Hal ini dimaksudkan untuk mengakomodasi kemungkinan terjadinya tekuk inelastik pada saat penampang memikul gaya bolak-balik akibat gempa kuat.
Kekuatan yang dibutuhkan oleh balok dan kolom ditentukan dari kombinasi pembebanan yang berlaku pada peraturan perencanaan gedung. Untuk kombinasi beban yang mengikutsertakan efek gempa, E, kekuatan harus ditentukan berdasarkan adjusted brace strength untuk tarik dan tekan. Kekuatan balok dan kolom harus direncanakan melebihi gaya dalam yang dapat terjadi akibat bekerjanya gaya maksimum dalam sistem portal bresing.
6. Studi Kasus
Perencanaan struktur dilakukan terhadap gedung perkantoran sepuluh lantai dengan denah simetris berukuran 30x30 meter dengan jarak antar kolom 6 meter dalam arah kedua sumbu bangunan. Tinggi lantai dasar adalah 4 meter dan lantai 1 hingga lantai 10 setinggi 3,6 meter. Balok anak dipasang dalam arah sumbu Y dengan jarak 2 meter. Struktur direncanakan berada pada wilayah gempa kuat atau zona 4 dengan kondisi tanah lunak menurut SNI 03-1726-2002. Pemodelan struktur dilakukan dengan menggunakan software ETABS 9.7.0. seperti tampak dalam Gambar 4 dan 5.
a. Denah b. Tampak
Gambar 5 Denah dan Tampak SRBTT
6.1 Bresing Tahan Tekuk
Bresing yang digunakan merupakan bresing yang diproduksi secara khusus dan didesain sedemikian rupa sehingga kapasitas tekan yang dimiliki sama dengan kapasitas tariknya. Parameter yang direncanakan adalah luas steel core bresing yang berpengaruh pada nilai kapasitas bresing yang akan ditentukan.
Penentuan kapasitas tarik dan tekan maksimum dilakukan berdasarkan hasil uji terhadap sampel bresing tahan tekuk. Dalam perencanaan ini, digunakan hasil uji bresing tahan tekuk yang dilakukan di Universitas California9), yang selanjutnya diolah untuk memperoleh backbone curve yang dipakai dalam perencanaan.
Gambar 6 Backbone Curve
6.1.1 Perhitungan Kekuatan Bresing5)
Perhitungan dimulai dengan memperkirakan ukuran luas steel core yang akan dipakai dalam desain, dengan memperhatikan besarnya gaya aksial yang akan terjadi pada bresing akibat kombinasi pembebanan yang telah direncanakan. Sebagai evaluasi kekuatan bresing, ditentukan kapasitas bresing yang akan dipasang, Sehingga didapat Demand Capacity Ratio (DCR),
dengan Pu adalah gaya aksial ultimit dengan 0,9.
Apabila nilai DCR kurang dari satu (DCR<1), maka pemilihan luasan steel core bresing dapat diterima. Apabila nilai DCR > 1, diambil langkah dengan memperbesar luas penampang bresing.
6.1.2 Perhitungan Adjusted Brace Strength
Untuk menentukan nilai adjusted brace strength, diperlukan nilai ω dan β. Nilai-nilai
tersebut didapat setelah dilakukan perhitungan nilai 2.0 ∆bm dan regangan bresing (brace strain) sebagai berikut:
1) Menentukan nilai ∆bx
Nilai ∆bx adalah nilai deformasi bresing tahan tekuk berdasarkan simpangan antar lantai elastik. Nilai ini ditentukan dengan menggunakan persamaan
Dimana Lysc = panjang inti batang baja bresing leleh
Asc = luas penampang inti batang baja
Pbx = gaya aksial maksimum bresing akibat kombinasi pembebanan
2) Menentukan nilai ∆bm
Nilai ∆bm adalah nilai deformasi bresing tahan tekuk berdasarkan simpangan antar lantai desain dalam kondisi inelastik yang direncanakan. Nilai ini ditentukan dengan menggunakan persamaan
Dengan Cd adalah faktor perbesaran defleksi yang tergantung pada sistem rangka
yang sedang direncanakan. Untuk SRBTT ini, nilai Cd adalah 5 (Tabel R3-1
Appendix R, ANSI/AISC 341-05).
3) Menghitung regangan bresing rata-rata (εBRC)
Dengan asumsi bresing berdeformasi hingga mencapai 2 kali deformasi inelastik yang direncanakan, nilai regangan bresing rata-rata (dalam %) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
4) Menentukan adjustment factorsω dan β
Dengan menggunakan backbone curve yang menggambarkan hubungan antara gaya aksial bresing normalisasi terhadap regangan bresing rata-rata dari bresing yang akan digunakan, nilai εBRC diplotkan untuk menentukan adjustment factors ω
dan β yang digunakan dalam perencanaan seperti terlihat pada Gambar 6.
Dengan demikian akandapat diketahui berapa luas penampang bresing yang dibutuhkan dan kapasitas maksimum dari bresing tersebut.
6.2 Balok dan Kolom
Balok dan kolom merupakan elemen yang diharapkan tidak leleh pada saat bresing mengalami kelelehan. Untuk pengecekan kapasitas desain balok dan kolom akibat beban gempa, dilakukan perbesaran nilai gaya dalam akibat gempa dengan mengalikan suatu faktor overstrength sebesar:
dimana:
Pmax adalah kapasitas tekan maksimum bresing
Paktual adalah gaya aksial yang terjadi akibat kombinasi pembebanan.
Besarnya gaya dalam yang digunakan dalam pengecekan kapasitas elemen akibat gempa dihitung sebagai berikut:
.
Berdasarkan nilai gaya dalam (momen lentur, gaya aksial, gaya geser) pada saat bresing mencapai kekuatan ultimitnya, balok dan kolom yang direncanakan menggunakan profil baja tertentu dengan melakukan pengecekan terhadap kekompakan penampang, kapasitas tekan, kapasitas lentur, kapasitas geser, interaksi momen lentur, dan nilai DCR.
Dalam studi ini dilakukan dua buah perencanaan struktur dengan perbedaan pada penggunaan faktor overstrength. Pada struktur pertama, SBRTT-1, faktor overstrength hanya digunakan dalam mendesain balok dan kolom yang terletak dalam portal bresing, sedangkan pada struktur kedua, SRBTT-2, seluruh balok dan kolom dalam portal bresing dan portal lainnya direncanakan dengan memperhitungkan faktor overstrength.
6.2.1 Pengecekan Kapasitas Desain Balok 5)
Dalam pengecekan kapasitas desain balok akibat deformasi bresing, dilakukan perhitungan gaya aksial yang terjadi pada balok dengan memperhitungkan nilai adjusted brace strength yang telah ditentukan. Dalam pengecekan ini, diambil beberapa asumsi yang memberikan hasil yang konservatif, yaitu:
: Gaya geser pada kolom diasumsikan bernilai nol, sehingga seluruh gaya geser lantai dianggap dipikul oleh bresing.
Fi adalah gaya gempa total yang bekerja pada lantai tersebut, dan didistribusikan ke portal-portal yang memiliki bresing pada lantai tersebut.
Selanjutnya dihitung gaya aksial balok sebagai berikut:
Dimana TMAX adalah gaya tarik maksimum hasil perhitungan adjusted brace strength
Pu balok adalah gaya dalam aksial balok hasil kombinasi pembebanan.
6.2.2 Pengecekan Kapasitas Desain Kolom5)
Gambar 8 Free Body Kolom5)
Dalam pengecekan kapasitas desain kolom akibat deformasi bresing, dilakukan perhitungan gaya aksial yang terjadi pada kolom dengan memperhitungkan nilai adjusted brace strength yang telah ditentukan sebelumnya.
Nilai gaya aksial, Pu untuk kolom dihitung untuk setiap lantai dengan memperhitungkan
Nilai Pu untuk kolom paling bawah merupakan penjumlahani dari nilai PD, PL, dan PE dari
lantai-lantai di atasnya. Selain itu, perhitungan ini melibatkan nilai Mp dan Pu dari balok.
7. Hasil Dan Pembahasan
7.1 Hasil Desain
Ulasan hasil desain difokuskan kepada dimensi balok dan kolom di dalam portal bresing tahan tekuk dan di portal lain. Dari hasil perhitungan diperoleh nilai faktor overstrength sebesar 2,2. Tabel 1 menunjukkan dimensi balok dan kolom di dalam portal bresing yang umumnya lebih besar daripada ukuran balok dan kolom di portal lainnya seperti ditunjukkan dalam Tabel 2.
Tabel 1 Balok dan Kolom di Dalam Portal Bresing SRBTT-1
Lantai Balok Kolom
Tabel 2 Dimensi Balok di Dalam Portal Bresing SRBTT-1
Balok Properti (mm)
H B tw tf
W 14x53 353.06 204.72 9.40 16.76
W 14x48 353.06 203.72 8.64 15.11
W 12x35 317.50 166.62 7.62 13.21
Tabel 3 Dimensi Kolom di Dalam Portal Bresing SRBTT-1
Kolom Properti (mm)
Selanjutnya pemeriksaan dilakukan terhadap hasil desain untuk kedua struktur.
Tabel 4 Balok Dalam dan Balok Luar di Portal Lainnya
Lantai Balok Dalam Balok Luar
SRBTT-1 SRBTT-2 SRBTT-1 SRBTT-2
1 WF.300.150 WF.400.200 WF.300.150 WF.400.200
2 WF.300.150 WF.400.200 WF.300.150 WF.400.200
3 WF.300.150 WF.400.200 WF.300.150 WF.350.175
4 WF.300.150 WF.400.200 WF.300.150 WF.350.175
5 WF.300.150 WF.400.200 WF.300.150 WF.350.175
6 WF.300.150 WF.400.200 WF.300.150 WF.400.200
7 WF.300.150 WF.400.200 WF.294.200 WF.400.200
8 WF.304.123 WF.400.200 WF.294.200 WF.400.200
9 WF. 311.125 WF.311.123 WF.294.200 WF.400.200
10 WF.300.150 WF.311.123 WF.294.200 WF.300.150
Tabel 5 Kolom Sudut dan Kolom Luar di Portal Lainnya
Lantai Kolom Sudut Kolom Luar
SRBTT-1 SRBTT-2 SRBTT-1 SRBTT-2
1 WF.400.200 WF.588.300 WF.588.300 W 12X190
7 WF.194.150 WF.400.200 WF.400.200 WF.588.300
8 WF.194.150 WF.400.200 WF.350.175 WF.588.300
9 WF.194.150 WF.350.175 WF.350.175 WF.500.200
10 WF.194.150 WF.350.175 WF.350.175 WF.350.175
Pada desain SRBTT-1, balok dan kolom di portal lainnya didesain berdasarkan gaya dalam akibat beban gempa rencana; sedangkan pada SRBTT-2, pemilihan dimensi balok dan kolom di seluruh portal didasarkan kepada nilai gaya dalam pada saat bresing mencapai kekuatan maksimumnya, yaitu nilai gaya dalam yang telah diperbesar menggunakan faktor overstrength. Tabel 4 dan Tabel 5 menunjukkan dimensi balok dan kolom yang lebih besar pada SRBTT-2 akibat penggunaan faktor overstrength.
7.2 Analisis Push Over
Gambar 9 Perbandingan Kurva Push Over SRBTT
Gambar 9 Perbandingan Kurva Push Over SRBTT
Pergerakan kurva yang meningkat secara monoton mengindikasikan tidak terjadinya tekuk pada seluruh komponen struktur di kedua struktur, dan bresing mengalami kelelehan seperti yang diharapkan. Perbedaan terlihat dari segi kekakuan, kekuatan, dan daktilitas kedua struktur. SRBTT-1 memiliki kekakuan elastik yang sedikit lebih rendah dan kekuatan yang jauh lebih rendah daripada SRBTT-2. Walaupun kurva menunjukkan simpangan yang cukup besar, namun daktilitas SRBTT-1 dinilai lebih rendah daripada SRBTT-2 seperti yang dijelaskan pada bahasan selanjutnya.
7.3 Sebaran Sendi Plastis
Sebaran dan urutan terjadinya sendi plastis pada analisis push over (Gambar 10 dan 11) menunjukkan perbedaan perilaku kedua struktur yang direncanakan.
7.3.1 SRBTT-1
a. Bresing leleh untuk pertama kali (dibandingkan elemen lain) pada saat V = 2809 kN b. Pada V = 4642 kN, perilaku inelastik pada balok dimulai dengan lelehnya bresing
terakhir dan balok pertama pada saat yang besamaan.
c. Selanjutnya terjadi leleh pada kolom di luar sistem portal bresing, pada saat V = 5377 kN, sementara itu belum seluruh balok mengalami leleh.
d. Sejalan dengan lelehnya sejumlah kolom di portal lain di luar sistem portal bresing, struktur tidak mampu lagi memikul pertambahan beban yang cukup signifikan.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 10 Sendi Plastis Pada SRBTT-1:
Saat Bresing Mulai Leleh : (a) Portal Bresing, (b) Portal Lain Akhir Pembebanan : (c) Portal Bresing, (d) Portal Lain.
7.3.2 SRBTT-2
a. Kelelehan pertama bresing diperkirakan terjadi pada V = 3900 kN.
b. Pada V= 6999 kN, balok mulai leleh bersamaan dengan lelehnya bresing terakhir. c. Kelelehan terus terjadi pada balok-balok lainnya sampai akhir pembebanan.
d. Kolom di dalam portal bresing dan portal-portal lainnya tidak mengalami kelelehan sampai keruntuhan terjadi.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 11 Sendi Plastis Pada SRBTT-2:
Saat Bresing Mulai Leleh : (a) Portal Bresing, (b) Portal Lain Akhir Pembebanan : (c) Portal Bresing, (d) Portal Lain.
7.3.3 Kinerja Struktur
Berdasarkan kurva hasil analisis push-over, dilakukan pendekatan bi-linier (Gambar 12) untuk menentukan nilai defleksi maupun beban leleh pada struktur, dan selanjutnya dihitung nilai daktilitas struktur ( ) dan faktor modifikasi respon struktur (R), seperti ditunjukkan dalam Tabel 6.
(a) (b)
Gambar 12 Kurva Push Over Pendekatan Bilinear (a) SRBTT-1 (b) SRBTT-2
y = 29.91x
Tabel 6 Nilai Parameter Kinerja Struktur
Analisis push-over menunjukkan bahwa sesuai dengan rencana, kedua struktur memiliki kuat leleh (Vleleh) lebihbesar daripada kuat rencana (Vdesain). Nilai Xmaks pada SRBTT-1
sebesar 733 mm diambil pada saat mulai terdeteksi terjadinya soft story akibat leleh mulai terjadi di kolom atas, yang selanjutnya menyebabkan perpindahan yang berlebihan. Pada SRBTT-2, nilai Xmaks diambil pada titik terakhir pada kurva push-over
dimana mulai terjadi kelelehan pada kolom atas.
Nilai parameter daktilitas struktur ( ) dan faktor modifikasi respon struktur (R) pada Tabel 3 menunjukkan kinerja kedua struktur, dan SRBTT-2 menunjukkan kinerja yang lebih baik. Penggunaan faktor overstrength pada perencanaan balok dan kolom di seluruh portal, secara konsisten mencegah terjadinya kelelehan pada kolom di seluruh portal. Hal ini telah meningkatkan kinerja struktur SRBTT-2 secara keseluruhan, yang dalam perhitungan menggunakan pendekatan kurva bi-linier ini memberikan nilai R yang lebih tinggi dari yang direncanakan (R=7), hal mana perlu dikaji lebih lanjut dalam upaya memperoleh desain yang lebih ekonomis.
8. Penutup
Perencanaan yang telah dilakukan terhadap struktur rangka baja dengan bresing tahan tekuk berdasarkan desain kapasitas menghasilkan struktur dengan kinerja tahan gempa seperti yang diharapkan, yaitu dengan mengembangkan daktilitas sekaligus kuat lebih struktur melalui pembentukan sendi plastis pada seluruh bresing yang direncanakan leleh akibat gempa besar.
Penggunaan faktor overstrength bresing pada perencanaan balok dan kolom merupakan langkah penting dalam menjamin kinerja struktur SRBTT yang baik.
Daftar Pustaka
1. American Institute of Steel Construction. Seismic Provisions for Structural Steel Buildings ANSI/AISC 341-05. 2005.
3. Andarini, Rhonita Dea. 2010. Perencanaan Struktur Baja Tahan Gempa Dengan Bresing Tahan Tekuk Konfigurasi Single Diagonal Berdasarkan AISC/ANSI 341-05 & AISC/ANSI 360-05.
4. Bruneau, Michael., et al. (1985). Design Ductile of Steel Structure. Mc-Graw-Hill. New York.
5. Lopez, Walterio A., and Rafael Sabelli. (2004). Steel Tips: Seismic Design of Buckling Restrained Braced Frames.
6. Moestopo (2005) Perkembangan Terkini Desain Struktur Baja Tahan Gempa, Seminar HAKI 2005, Jakarta.
7. Newell, James., et al. (2006) Subassemblage Testing of Corebrace Buckling-Restrained Braces (G Series). Universitas California.
