ANALISIS PENGARUH PENEMPATAN ALAT PEREDAM VISKOS
TERHADAP RESPONS STRUKTUR GEDUNG TINGGI DENGAN
MENGGUNAKAN METODE ANALISIS RIWAYAT WAKTU
TUGAS AKHIR
Disusun Oleh : VINCE
11 0404 041
Disetujui :
Dosen Pembimbing
Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT, Ph.D, IP-U
NIP 19590707198710 1 001
BIDANG STUDI STRUKTUR
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
ABSTRAK
Seiring dengan perkembangan teknologi dalam perencanaan bangunan tahan gempa, aplikasi dari beberapa tipe alat peredam gempa (seismic devices) telah dikembangkan termasuk alat peredam viscos (fluid viscous damper). Tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui keefektifan aplikasi dari alat peredam viscos dari segi penempatan pada bangunan bertingkat tinggi. Respon bangunan beton dengan jumlah lantai 20 tingkat akan dievaluasi berdasarkan tiga jenis pola penempatan, alat peredam viskos dengan jumlah yang sama akan dianalisis. Metode analisa riwayat waktu linear dinamik berdasarkan kepada FEMA356 diimplementasikan untuk meninjau respon model bangunan. Data percepatan tanah yang digunakan adalah data percepatan tanah gempa El Centro yang diskalakan dengan respons spektrum disain untuk daerah Aceh yang ditentukan sesuai dengan SNI. Besar respons maksimum pada struktur pada keempat model yang dianalisis akan dibandingkan untuk mendapatkan pola penempatan alat damper yang lebih efisien.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan berkat-Nya hingga selesainya tugas akhir ini dengan judul “Analisis Pengaruh Penempatan Alat Peredam Viskos Terhadap Respons Struktur Gedung Tinggi dengan menggunakan Metode Analisis Riwayat
Waktu”. 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., Ph.D, IP-U, 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 Medis Sejahtera Surbakti, S.T, M.T., selaku ketua departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. Andy Putra Rambe MBA, selaku sekretaris departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
5. Teristimewa kepada kedua Orang Tua penulis, yang telah mendukung, menyemangati serta mendoakan penulis di setiap kegiatan akademis penulis.
6. Erwin Kwok, S.T, M.Sc.Eng selaku abang senior stambuk 2004 dan Hendrik Wijaya, S.T, selaku teman seangkatan 2011 yang telah memberikan kontribusi besar kepada penulis dalam hal memberikan semangat dan arahan hingga selesainya tugas akhir ini.
7. Teman-teman jurusan Teknik Sipil, terutama teman-teman seangkatan 2011 yang senantiasa membantu dikala penulis menemui kendala, abang/ kakak stambuk 2008,2009 dan 2010 serta adik-adik angkatan 2012 sampai 2016 terima kasih atas dukungan dan informasi mengenai kegiatan sipil selama ini.
8. Para pegawai Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik USU atas ketersediannya untuk mengurus administrasi Tugas akhir ini.
9. Berbagai pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu. Terima kasih untuk semuanya.
Medan, Juli 2017 Penulis
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR GAMBAR ... vi
BAB II ... vi
BAB III ... vii
BAB IV ... vii
DAFTAR TABEL ... ix
DAFTAR NOTASI ... xi
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Umum ... 1
1.3. Perumusan Masalah ... 5
1.4. Pembatasan Masalah ... 6
1.5. Maksud dan Tujuan Penelitian ... 7
1.6. Metodologi Penulisan ... 7
1.7. Sistematika Penulisan ... 8
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 9
2.1. Filisofi Desain Bangunan Tahan Gempa ... 9
2.2. Peraturan Pembebanan Gempa Berdasarkan SNI 03-1726-2012 ... 11
2.2.1.Gempa Rencana dan Faktor Keutamaan ... 11
2.2.2.Klasifikasi Situs dan Parameter ... 14
2.2.3.Parameter Percepatan Gempa ... 17
2.2.4.Parameter Percepatan Spektral Desain ... 18
2.2.6.Kinerja Struktur Gedung ... 22
2.3. Peraturan Pembebanan Berdasarkan SNI 03-1727-2012 ... 24
2.3.1.Beban Mati ... 25
2.3.2.Beban Hidup ... 27
2.4. Karakteristik Dinamik Struktur Bangunan... 32
2.4.1.Massa ... 33
2.4.2.Kekakuan ... 35
2.4.3.Redaman ... 36
2.5. Derajat Kebebasan (Degree of Freedom) ... 37
2.5.1.Persamaan Differensial pada Struktur SDOF ... 38
2.5.2.Persamaan Differensial pada Struktur SDOF akibat Pergerakan Dasar ... 40
2.5.3.Persamaan Differensial pada Struktur MDOF ... 43
2.6. Pengenalan Jenis-Jenis Alat-Alat Seismik (Seismic Devices) ... 46
2.6.1.Alat peredam friksi (Friction Damper) ... 49
2.6.2.Alat Peredam Leleh Metal (Metallic Yielding Damper) ... 50
2.6.3.Alat Peredam Visko-Elastis Solid (Solid Viscoelastic Device) ... 55
2.6.4.Alat Peredam Viskos Cair (Fluid Viscous Damper) ... 56
BAB III Desain Bangunan Tahan Gempa yang Menggunakan Alat Peredam Viskos .. 64
3.1. Pendahuluan ... 64
3.2. Properti Mekanik dari Alat Peredam Viskos ... 67
3.3. Rasio Redaman Efektif untuk Struktur yang Menggunakan Alat Peredam Viskos Linier ... 70
3.4. Prosedur Desain Bangunan yang Menggunakan Alat Peredam Viskos ... 75
BAB IV PEMBAHASAN ... 78
4.2 Data Material ... 81
4.3 Pembebanan Struktur ... 81
4.4 Dimensi Komponen Struktur... 83
4.5 Kombinasi Pembebanan ... 86
4.6 Analisis Modal untuk Menentukan Perioda Fundamental Bangunan ... 86
4.6.1 Kekakuan Lateral dari Struktur Bangunan ... 87
4.6.2 Massa Bangunan yang dapat Beraksi terhadap Pergerakan Tanah Akibat Gempa ... 88
4.6.3 Hasil Analisis Modal ... 91
4.7 Desain Bangunan dengan Menggunakan Alat Peredam ... 91
4.8 Analisa Riwayat Waktu terhadap Bangunan dengan Alat Peredam Viskos ... 100
4.8.1 Hasil Analisa Riwayat Waktu terhadap Bangunan dengan Alat Peredam Viskos ... 101
4.8.2 Rasio Redaman Bangunan dengan Alat Peredam... 104
4.8.3 Perpindahan Antar Tingkat pada Bangunan dengan Alat Peredam ... 107
4.8.4 Rasio Kekuatan Kolom pada Bangunan dengan Alat Peredam ... 113
4.8.5 Gaya Geser Dasar Bangunan ... 118
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 120
5.1 Kesimpulan... 120
5.2 Saran ... 121
DAFTAR GAMBAR
BAB I
Gambar 1.1 Pemakaian alat peredam viskos pada struktur bangunan ... 3
Gambar 1.2 Bangunan kampus di Yogyakarta, Indonesia setelah terjadi gempa ... 4
BAB II Gambar 2.1 Spektrum respons desain ... 21
Gambar 2.2 Pemodelan struktur SDOF... 38
Gambar 2.3 Pemodelan struktur SDOF akibat pergerakan dasar ... 41
Gambar 2.4 Keseimbangan gaya dinamik dengan Fs, FD, dan FI (Chopra, 1995) ... 46
Gambar 2.5 Desain konvensional struktur bangunan tahan gempa ... 47
Gambar 2.6 Alat-alat seismik (a) base isolation, (b) alat peredam energy, (c) peredam getaran dinamis ... 47
Gambar 2.6 Sumitomo friction damper (sumber: Aiken et al., 1992.Passive Energy Dissipation Device for Seismic Applications. Hal : 14) ... 49
Gambar 2.8 Perilaku ideal histeretik dari friction damper (a) friction device pada kekakuan bresing, (b) friction device dilengkapi dengan flexible support ... 50
Gambar 2.9 Kurva histeretik yang dihasilkan oleh model Bouc-Wen dalam pembebanan sinusoidal untk nilai frekuensi dan amplitudo deformasi yang berbeda (a) bresing kaku (ߛ = 0.9, ߚ = 0.1, ݊ = 25, ܪ = 1), (b) bresing fleksibel (ߛ = 0.9, ߚ = 0.1, ݊ = 25, ܪ = 1) ... 51 Gambar 2.10 Kemungkinan kombinasi dari parameter desain friction damper pada
device, (b) TADAS device ... 53
Gambar 2.12 (a) bentuk pemasangan metallic yielding damper pada komponen struktur, (b) parameter kelelehan elemen bresing dan alat peredam, (c) sifat kekakuan pada preangkat bresing ... 54
Gambar 2.13 Solid viscoelastic device untuk struktur penahan gempa ... 55
Gambar 2.14 Fluid viscous damper ... 57
Gambar 2.15 Fluid viscous damper untuk struktur penahan gempa ... 57
Gambar 2.16 Bagian-bagian fluid viscous damper ... 58
Gambar 2.17 Cara kerja fluid viscous damper ... 60
Gambar 2.18 Aplikasi penggunakan fluid viscous damper pada bangunan gedung ... 60
Gambar 2.19 Jenis konfigurasi pemasangan fluid viscous damper, (a) chevron brace, (b) diagonal bracing, (c) toggle brace-damper system ... 61
Gambar 2.20 Model pergeseran struktur dengan fluid viscous damper ... 62
BAB III Gambar 3.1 Kurva respons struktur dengan damping yang berbeda ... 66
Gambar 3.2 Penampang longitudinal dari fluid viscous damper ... 67
Gambar 3.3 Hubungan antara gaya peredam dengan kecepatan dari viscous damper ... 69
Gambar 3.4 Loop histeretik dari peredam dengan perilaku viskos murni dan visko-elastis .. 69
Gambar 3.5 Definisi dari WD dan WS pada sistem SDOF dengan alat peredam viskos ... 72
Gambar 3.6 Model MDOF dari struktur yang menggunakan alat peredam viskos ... 72
BAB IV Gambar 4.1 Pemodelan gedung 3-D ... 79
respons spektrum dedain untuk daerah Aceh ... 81
Gambar 4.4 Pola goyangan bangunan pada moda kedua ... 92
Gambar 4.5 Bangunan dengan alat peredam Tipe-A ... 93
Gambar 4.6 Bangunan dengan alat peredam Tipe-B ... 94
Gambar 4.7 Bangunan dengan alat peredam Tipe-C ... 95
Gambar 4.8 Riwayat perpindahan atap untuk model MRF ... 101
Gambar 4.9 Riwayat perpindahan atap untuk model DAMP-A ... 102
Gambar 4.10 Riwayat perpindahan atap untuk model DAMP-B ... 102
Gambar 4.11 Riwayat perpindahan atap untuk model DAMP-C ... 102
Gambar 4.12 Ilustrasi osilasi getaran bebas dengan redaman ... 106
DAFTAR TABEL
BAB IITabel 2.1 Faktor keutaman untuk berbagai kategori gedung dan bangunan (SNI
03-1727-2013) ... 12
Tabel 2.2 Faktor keutaman gempa (SNI 03-1726-2012) ... 13
Tabel 2.3 Klasifikasi situs ... 14
Tabel 2.4 Koefisien situs, Fa ... 18
Tabel 2.5 Koefisien situs, Fv ... 18
Tabel 2.6 Koefisien Ct dan x ... 22
Tabel 2.7 Simpangan antar lantai izin (Δa) ... 23
Tabel 2.8 Berat sendiri bahan bangunan dan komponen gedung (SNI 03-1727-2013) ... 25
Tabel 2.9 Beban hidup pada lantai gedung (SNI 03-1727-2013) ... 27
BAB III Tidak ada tabel pada bab ini. BAB IV Tabel 4.1 Informasi model bangunan yang akan dianalisis ... 78
Tabel 4.2 Parameter respons spektral percepatan gempauntuk daerah Aceh ... 80
Tabel 4.3 Dimensi komponen-komponen struktur bangunan yang digunakan dalam analisis ... 85
Tabel 4.4 Massa tiap lantai dan pola goyangan pada moda kedua ... 90
Tabel 4.5 Konfigurasi tata letak alat peredam yang didesain ... 96
Tabel 4.6 Perhitungan konstanta alat peredam (tata letak alat peredam tipe A) ... 97
Tabel 4.7 Perhitungan konstanta alat peredam (tata letak alat peredam tipe B) ... 98
Tabel 4.9 Bangunan yang dianalisis secara riwayat waktu ... 100
Tabel 4.10 Respons perpindahan atap maksimum ... 103
Tabel 4.11 Rasio redaman bangunan yang dihitung dengan persamaan (4-2) ... 107
Tabel 4.12 Perpindahan tiap lantai pada saat perpindahan atap maksimum terjadi ... 108
Tabel 4.13 Perpindahan antar lantai pada saat perpindahan atap maksimum terjadi ... 109
Tabel 4.14 Rasio kekuatan maksimum pada kolom interior dan eksterior ... 114
Tabel 4.15 Perbandingan rasio kekuatan antara model A, B, dan DAMP-C ... 115
Tabel 4.16 Respons perpindahan atap maksimum model DAMP-A dan DAMP-B dengan nilai konstanta redaman yang sama besar ... 117
Tabel 4.17 Perbandingan rasio kekuatan antara model DAMP-A dengan DAMP-B yang menggunakan konstanta redaman yang sama ... 117
DAFTAR NOTASI
C = Konstanta Redaman dari alat peredamDAMP = Damper
DL = Beban mati
DL+ = Beban mati tambahan
d = Jarak dari serat tekan terluar ke titik berat tulangan tarik (mm) E = Modulus Elastisitas
EI = Energi Input Gempa
Ek = Energi Kinetik
EQ = Beban gempa
Fa = Koefisien situs untuk perioda pendek (pada perioda 0,2 detik)
FD = Gaya Redaman
R = Faktor reduksi gempa
Ss = Parameter percepatan respons spectral MCE dari peta gempa pada perioda pendek, redaman 5 persen
S1 = Parameter percepatan respons spectral MCE dari peta gempa pada perioda 1 detik, redaman 5 persen
SDS = Parameter percepatan respons spectral pada perioda pendek, redaman 5 persen SD1 = Parameter percepatan respons spectral pada perioda 1 detik, redaman 5 persen SMS = Parameter percepatan respons spectral MCE pada perioda pendek yang sudah
disesuaikan terhadap pengaruh kelas situs
SM1 = Parameter percepatan respons spectral MCE pada perioda 1 detik yang sudah disesuaikan terhadap pengaruh kelas situs
t = Tebal pelat (mm)
T = Perioda fundamental bangunan
Vn = Perpindahan Atap Maksimum pada Siklus ke-n W = Berat Struktur (kN)
ξ = Rasio Redaman
φrj = Perpindahan Horizontal Relatif ∆roof = Peralihan atap
ADRS = Acceleration-Displacement Response Spectra IO = Immediate Occupancy
DC = Damage Control
FEMA = Federal Emergency Management Agency SDOF = Single Degree Of Freedom
