PERBANDINGAN PERILAKU DAN KINERJA
STRUKTUR RANGKA BAJA DENGAN
SISTEM BREISING KONSENTRIK TIPE-X DAN
SISTEM BREISING EKSENTRIK V-TERBALIK
COVER
TUGAS AKHIR
Oleh :
I Dewa Gede Amertha Semadi
1204105003
JURUSAN TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS UDAYANA
2016
i
HALAMAN PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya :
Nama : I Dewa Gede Amertha Semadi
NIM : 1204105003
Judul TA : Perbandingan Perilaku dan Kinerja Struktur Rangka Baja dengan
Sistem Breising Konsentrik Tipe-X dan Sistem Breising Eksentrik
V-Terbalik.
Dengan ini saya nyatakan bahwa dalam Laporan Tugas Akhir/Skripsi saya
ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan
di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya, juga tidak terdapat
karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali
secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan daalam daftar pustaka.
Denpasar, 07 April 2016
ii
HALAMAN PENGESAHAN
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
Tugas akhir ini telah diujikan dan dinyatakan lulus, sudah direvisi serta telah
mendapat persetujuan pembimbing sebagai salah satu persyaratan untuk
menyelesaikan Program S-1 pada Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik
Universitas Udayana.
Judul Tugas Akhir : Perbandingan Perilaku dan Kinerja Struktur
Rangka Baja dengan Sistem Breising Konsentrik
Tipe-X dan Sistem Breising Eksentrik
V-Terbalik.
Nama : I Dewa Gede Amertha Semadi
NIM : 1204105003
Jurusan : Teknik Sipil
Diuji Tanggal : 15 April 2016
Bukit Jimbaran, 26 April 2016
Menyetujui:
iii
ABSTRAK
Pada penelitian ini dilakukan perbandingan perilaku struktur baja yang
terdiri atas simpangan, kekuatan, kekakuan, dan daktilitas, serta kinerja struktur
baja dengan breising konsentrik tipe-X dan breising eksentrik V-terbalik. Struktur
yang dianalisis diasumsikan sebagai gedung perkantoran 7 lantai yang terletak di
tanah lunak (SE). Model struktur yang dianalisis terdiri atas struktur baja dengan
sistem rangka pemikul momen (SRPM) sebagai model acuan dan pembanding serta
struktur baja dengan sistem rangka breising konsentrik tipe-X (SRBK), dan sistem
rangka breising eksentrik V-terbalik (SRBE).
Analisis dilakukan dengan menggunakan bantuan software ETABS 2015.
Analisis tahap awal dilakukan terhadap model SRPM untuk memperoleh dimensi
elemen struktur yang memenuhi kriteria kekuatan elemen struktur dengan nilai
stress ratio kurang dari 0,95. Dimensi yang sama digunakan pada model SRBK dan
SRBE sehingga dapat diketahui perilaku dan kinerja masing-masing model struktur
berdasarkan hasil analisis linear dan analisis statik nonlinear pushover.
Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa dengan dimensi elemen
struktur yang sama, model SRBK memiliki simpangan yang lebih besar hingga
32% dibandingkan dengan model SRBE. Kekuatan model SRBK lebih besar 23%
dibandingkan model SRBE. Model SRBK memiliki kekakuan 10% lebih besar
dibandingkan dengan model SRBE. Model SRBK memiliki nilai daktilitas 26%
lebih kecil dibandingkan dengan model SRBE. Hasil analisis menunjukkan bahwa
model SRBK dan SRBE berada pada level kinerja yang sama yaitu Life Safety (LS).
Kata kunci : Struktur rangka baja, Breising konsentrik, Breising eksentrik,
Pushover, Perilaku, Kinerja.
iv
UCAPAN TERIMAKASIH
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena
berkat rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan
judul “Perbandingan Perilaku dan Kinerja Struktur Rangka Baja dengan Sistem
Breising Konsentrik Tipe-X dan Sistem Breising Eksentrik V-terbalik” tepat pada
waktunya.
Pada tahap penyusunan tugas akhir ini, penulis mendapat bimbingan,
arahan, dukungan serta berbagai informasi yang berkaitan dengan tugas akhir ini
dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada
Bapak I Gede Adi Susila, ST., MSc., Ph.D. dan Ibu Ir. Ida Ayu Made Budiwati,
MSc., Ph.D. selaku pembimbing tugas akhir yang telah memberikan pengetahuan,
bimbingan, dan dorongan kepada penulis. Terima kasih juga penulis ucapkan
kepada keluarga yang senantiasa memberikan nasihat dan motivasi. Tidak lupa
penulis juga mengucapkan terima kasih kepada teman-teman di Jurusan Teknik
Sipil, Universitas Udayana, khususnya teman-teman Imagineer yang telah
memberikan banyak bantuan selama masa perkuliahan berlangsung.
Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih memiliki banyak
kekurangan, maka dari itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari para
pembaca sebagai bahan penyempurnaan dalam penyusunan tugas akhir ini. Akhir
kata, semoga tugas akhir ini dapat memberikan informasi dan inspirasi bagi para
pembaca sehingga dapat bermanfaat bagi para pembaca pada bidang Teknik Sipil.
Bukit Jimbaran, 10 April 2016
Penulis
v
DAFTAR ISI
HALAMAN PERNYATAAN............................................................................... i
HALAMAN PENGESAHAN .............................................................................. ii ABSTRAK .......................................................................................................... ii
UCAPAN TERIMAKASIH ................................................................................ iv DAFTAR ISI ....................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... vii DAFTAR TABEL ............................................................................................... x
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN ........................................................... xii BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang....................................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah .................................................................................. 3
1.3 Tujuan ................................................................................................... 3 1.4 Manfaat Penelitian ................................................................................. 3
1.5 Batasan Penelitian .................................................................................. 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................... 5
2.1 Umum ................................................................................................... 5 2.2 Sistem Rangka Breising Konsentrik (SRBK) ......................................... 5
2.3 Sistem Rangka Breising Eksentrik (SRBE) ............................................ 6 2.3.1 Elemen Link.................................................................................... 8
2.3.2 Kekuatan Geser dan Batasan Panjang Link ...................................... 9 2.3.3 Sudut Rotasi Link.......................................................................... 11
2.4 Sistem Sambungan............................................................................... 12 2.5 Pelat Komposit .................................................................................... 14
2.6 Analisis Modal..................................................................................... 14 2.7 Pembebanan......................................................................................... 15
2.7.1 Beban Mati ................................................................................... 15
2.7.2 Beban Hidup ................................................................................. 15 2.7.3 Beban Gempa ............................................................................... 16
2.8 Kombinasi Pembebanan ....................................................................... 19 2.9 Batasan Simpangan Antar Lantai Tingkat ............................................ 20
2.10 Perilaku Struktur Terhadap Beban Gempa ........................................ 21 2.10.1 Daktilitas Struktur......................................................................... 22
2.11 Kinerja Struktur................................................................................ 23 2.12 Analisis Statik Nonlinear Pushover .................................................. 26
2.12.1 Mekanisme Sendi Plastis .............................................................. 28 2.12.2 Idealisasi Kurva Pushover ............................................................. 29
2.13 Target Perpindahan .......................................................................... 30 2.13.1 Prosedur Statik Nonlinear (ASCE 41-13 NSP) .............................. 30
2.13.2 Metode Spektrum Kapasitas (FEMA 440 EL) ............................... 32 2.14 Penelitian Terkait Dengan Penggunaan Breising Pada Struktur Baja 35
2.14.1 Kotabagi et al. (2015) ................................................................... 35 2.14.2 Kalibhat et al. (2014) .................................................................... 36
2.14.3 Tafheem and Khusru (2013) ......................................................... 38 2.14.4 Sudarsana, dkk. (2015) ................................................................. 40
2.14.5 Pradhana (2014)............................................................................ 41 2.14.6 Tama (2013) ................................................................................. 43
vi
BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................... 45
3.1 Kerangka Penelitian ............................................................................. 45 3.2 Data Struktur ....................................................................................... 47
3.2.1 Geometri Struktur ......................................................................... 47 3.2.2 Data Material ................................................................................ 50
3.3 Pembebanan Struktur ........................................................................... 51 3.3.1 Beban Vertikal .............................................................................. 51
3.3.2 Beban Lateral (Gempa) ................................................................. 52 3.3.3 Kombinasi Beban ......................................................................... 58
3.4 Pemodelan Struktur.............................................................................. 58 3.5 Analisis Statik Pushover ...................................................................... 60
3.6 Perilaku dan Kinerja Struktur ............................................................... 63 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................ 65
4.1 Dimensi Penampang dan Stress Ratio .................................................. 65 4.2 Kontrol Terhadap Link ........................................................................ 69
4.2.1 Kontrol Terhadap Panjang Link .................................................... 69 4.2.2 Tipe Keruntuhan Link ................................................................... 70
4.3 Analisis Modal..................................................................................... 71 4.4 Simpangan Antar Lantai Tingkat ......................................................... 73
4.5 Analisis Statik Nonlinear Pushover ...................................................... 76 4.5.1 Kurva kapasitas Struktur ............................................................... 76
4.5.2 Perbandingan Kurva kapasitas Struktur ......................................... 80 4.6 Kekuatan Struktur ................................................................................ 82
4.7 Kekakuan Struktur ............................................................................... 84 4.8 Daktilitas Struktur ................................................................................ 85
4.9 Target Perpindahan .............................................................................. 87 4.9.1 Target Perpindahan Berdasarkan FEMA 440 EL ........................... 87
4.9.2 Target Perpindahan Berdasarkan ASCE 41-13 NSP ...................... 90 4.10 Kinerja Struktur................................................................................ 93
4.10.1 Pola Keruntuhan Struktur.............................................................. 93 4.10.2 Level Kinerja Struktur .................................................................. 98
BAB V PENUTUP .......................................................................................... 100 5.1 Simpulan ........................................................................................... 100
5.2 Saran ................................................................................................. 101 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 102
LAMPIRAN A KETENTUAN PEMBEBANAN VERTIKAL......................... 105 LAMPIRAN B KETENTUAN PEMBEBANAN GEMPA BERDASARKAN SNI
1726:2012 ........................................................................................................ 108 LAMPIRAN C PROPERTI SENDI PLASTIS ASCE 41-13 ............................ 110
LAMPIRAN D HASIL ANALISIS .................................................................. 111
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Tipe sistem rangka breising konsentrik (SRBK) 6
Gambar 2.2 Tipe sistem rangka breising eksentrik (SRBE) 7
Gambar 2.3 Pengaruh variasi e/L terhadap kekakuan elastik EBF 9
Gambar 2.4 Rotasi link pada struktur rangka breising eksentrik V-terbalik 11
Gambar 2.5 Sambungan sederhana 12
Gambar 2.6 Sambungan momen 13
Gambar 2.7 (a) Tebal pelat ekivalen (Dp) 14
Gambar 2.7 (b) Diagram tegangan pelat komposit 14
Gambar 2.8 Persyaratan pelat komposit 14
Gambar 2.9 Spektrum respon desain 19
Gambar 2.10 Mekanisme leleh pada struktur gedung 22
Gambar 2.11 Roof drift ratio pada struktur 25
Gambar 2.12 Kurva pushover 27
Gambar 2.13 Grafik hubungan gaya vs perpindahan 28
Gambar 2.14 Kurva pushover (positive post-yield slope) 29
Gambar 2.15 Kurva pushover (negative post-yield slope) 29
Gambar 2.16 Kurva ADRS 33
Gambar 2.17 Penentuan titik kinerja dengan prosedur A 33
Gambar 2.18 Penentuan titik kinerja dengan prosedur B 34
Gambar 2.19 Penentuan titik kinerja dengan prosedur C 34
Gambar 2.20 Model struktur rangka breising konsentrik 35
Gambar 2.21 Simpangan struktur arah X dan Y akibat beban gempa 35
Gambar 2.22 Simpangan struktur arah X dan Y akibat beban angin 36
Gambar 2.23 Model struktur 3 lantai dan 5 lantai 37
Gambar 2.24 Grafik perbandingan simpangan vs gaya geser dasar 37
Gambar 2.25 Portal arah X model struktur breising tipe-X dan tipe-V 39
Gambar 2.26 Grafik simpangan struktur arah Y dan arah X 39
Gambar 2.27 Portal struktur SRPMK dan SRBE 40
Gambar 2.28 Grafik pushover masing-masing model struktur 40
Gambar 2.29 Grafik perbandingan berat masing-masing model struktur 41
Gambar 2.30 Model struktur SRPM dan SRBE dengan L/H bervariasi 42
Gambar 2.31 Grafik pushover struktur SRPM dan SRBE dengan L/H bervariasi 42
viii
Gambar 2.32 Model struktur SRPM, SRBE, dan SRBK 43
Gambar 2.33 Grafik pushover struktur SRPM dan SRBE dengan e bervariasi 44
Gambar 3.1 Kerangka penelitian 45
Gambar 3.2 Denah struktur SRPM (model acuan dan pembanding) 47
Gambar 3.3 Denah struktur SRB (model SRBK dan SRBE) 48
Gambar 3.4 Portal 1-arah X (SRPM) 48
Gambar 3.5 Portal 1-arah X (SRBK) 49
Gambar 3.6 Portal 1-arah X (SRBE) 49
Gambar 3.7 Lysaght Smartdek 50
Gambar 3.8 Grafik respon spektrum desain 55
Gambar 3.9 Definisi fungsi respon spektrum pada ETABS 2015 56
Gambar 3.10 Input parameter respon spektrum pada ETABS 2015 56
Gambar 3.11 Definisi beban gempa arah x dengan metode respon spektrum 57
Gambar 3.12 Definisi berat seismik efektif pada software ETABS 2015 58
Gambar 3.13 Model SRPM pada ETABS 2015 59
Gambar 3.14 Model SRBK pada ETABS 2015 59
Gambar 3.15 Model SRBE pada ETABS 2015 60
Gambar 3.16 Kurva kapasitas pada analisis statik nonlinear pushover 60
Gambar 3.17 Properti sendi plastis pada kolom 61
Gambar 3.18 Properti sendi plastis pada balok 62
Gambar 3.19 Properti sendi plastis pada breising 62
Gambar 3.20 Properti sendi plastis pada link 63
Gambar 4.1 Stress ratio portal SRPM arah X 64
Gambar 4.2 Stress ratio portal SRPM arah Y 67
Gambar 4.3 Stress ratio portal SRBKarah X 67
Gambar 4.4 Stress ratio portal SRBK arah Y 68
Gambar 4.5 Stress ratio portal SRBEarah X 68
Gambar 4.6 Stress ratio portal SRBE arah Y 69
Gambar 4.7 Bentuk mode struktur model SRPM 71
Gambar 4.8 Bentuk mode struktur model SRBK 71
Gambar 4.9 Bentuk mode struktur model SRBE 72
Gambar 4.10 Grafik simpangan struktur arah X akibat beban gempa 73
Gambar 4.11 Grafik simpangan struktur arah Y akibat beban gempa 74
Gambar 4.12 grafik simpangan antar lantai tingkat arah X 75
ix
Gambar 4.13 grafik simpangan antar lantai tingkat arah Y 75
Gambar 4.14 Kurva kapasitas model SRPM arah X 77
Gambar 4.15 Kurva kapasitas model SRPM arah Y 77
Gambar 4.16 Kurva kapasitas model SRBK arah X 78
Gambar 4.17 Kurva kapasitas model SRBK arah Y 79
Gambar 4.18 Kurva kapasitas model SRBE arah X 79
Gambar 4.19 Kurva kapasitas model SRBE arah Y 80
Gambar 4.20 Kurva kapasitas model struktur arah X 81
Gambar 4.21 Kurva kapasitas model struktur arah Y 81
Gambar 4.22 Grafik perbandingan kekuatan struktur 83
Gambar 4.23 Grafik perbandingan kekakuan struktur 84
Gambar 4.24 Grafik perbandingan daktilitas struktur 86
Gambar 4.25 Kurva ADRS model SRPM arah X 87
Gambar 4.26 Kurva ADRS model SRPM arah Y 88
Gambar 4.27 Kurva ADRS model SRBK arah X 88
Gambar 4.28 Kurva ADRS model SRBK arah Y 88
Gambar 4.29 Kurva ADRS model SRBE arah X 89
Gambar 4.30 Kurva ADRS model SRBE arah Y 89
Gambar 4.31 Kurva bilinear dan kapasitas model SRPM arah X 90
Gambar 4.32 Kurva bilinear dan kapasitas model SRPM arah Y 91
Gambar 4.33 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBK arah X 91
Gambar 4.34 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBK arah Y 91
Gambar 4.35 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBE arah X 92
Gambar 4.36 Kurva bilinear dan kapasitas model SRBE arah Y 93
Gambar 4.37 Pola keruntuhan model SRPM arah X 94
Gambar 4.38 Pola keruntuhan model SRPM arah Y 94
Gambar 4.39 Pola keruntuhan model SRBK arah X 95
Gambar 4.40 Pola keruntuhan model SRBK arah Y 96
Gambar 4.41 Pola keruntuhan model SRBE arah X 97
Gambar 4.42 Pola keruntuhan model SRBE arah Y 98
x
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Koefisien situs, Fa 16
Tabel 2.2 Koefisien situs, Fv 17
Tabel 2.3 Kategori desain seismic berdasarkan nilai SDS 17
Tabel 2.4 Kategori desain seismic berdasarkan nilai SD1 17
Tabel 2.5 Simpangan antar lantai tingkat ijin 21
Tabel 2.6 Daktilitas struktur 23
Tabel 2.7 Level kinerja bangunan 24
Tabel 2.8 Level kinerja struktur 25
Tabel 2.9 Gaya geser dasar masing-masing model struktur 38
Tabel 2.10 Simpangan atap (RD) masing-masing model struktur 38
Tabel 3.1 Tabulasi nilai Sa untuk masing-masing nilai T 55
Tabel 4.1 Dimensi dan stress ratio elemen struktur 65
Tabel 4.2 Kontrol terhadap panjang link beam 70
Tabel 4.3 Penentuan tipe keruntuhan link beam 70
Tabel 4.4 Periode dan frekuensi alami struktur 72
Tabel 4.5 Kekuatan struktur arah X 82
Tabel 4.6 Kekuatan struktur arah Y 82
Tabel 4.7 Kekakuan struktur arah X 84
Tabel 4.8 Kekakuan struktur arah Y 84
Tabel 4.9 Daktilitas struktur arah X 85
Tabel 4.10 Daktilitas struktur arah Y 86
Tabel 4.11 Parameter pada titik kinerja struktur 90
Tabel 4.12 Target perpindahan dan gaya geser dasar model struktur 92
Tabel 4.13 Level kinerja struktur berdasarkan target perpindahan FEMA 440 EL 99
Tabel 4.14 Level kinerja struktur berdasarkan target perpindahan ASCE 41-13 NSP 99
Tabel A.1 Beban hidup untuk hunian 107
Tabel B.1 Kategori resiko bangunan 108
Tabel B.2 Faktor keutamaan gempa 109
Tabel B.3 Faktor R, Cd, dan Ω0 untuk sistem penahan gaya gempa 109
Tabel C.1 Properti sendi plastis pada balok, kolom, dan link beam 110
Tabel C.2 Properti sendi plastis pada breising 110
Tabel D.1 Hasil analisis modal struktur SRPM 111
xi
Tabel D.2 Hasil analisis modal struktur SRBK 111
Tabel D.3 Hasil analisis modal struktur SRBE 112
Tabel D.4 Hasil analisis pushover model SRPM arah X 112
Tabel D.5 Hasil analisis pushover model SRPM arah Y 113
Tabel D.6 Hasil analisis pushover model SRBKarah X 113
Tabel D.7 Hasil analisis pushover model SRBK arah Y 114
Tabel D.8 Hasil analisis pushover model SRBE arah X 114
Tabel D.9 Hasil analisis pushover model SRBE arah Y 115
xii
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN
Ag : Luas penampang
Cm : Faktor massa efektif
C0 : Faktor modifikasi nilai spektral perpindahan ekivalen
C1 : Faktor modifikasi perpindahan inelastik
C2 : Koefisien untuk memperhitungkan efek “pinching”
D : Beban mati
d : Tinggi penampang baja
e : Panjang elemen link beam
E : Beban gempa
E : Modulus elastisitas baja
Ec : Modulus elastisitas beton
Eh : Pengaruh gempa horisontal
Ev : Pengaruh gempa vertikal
Fa : Koefisien situs berdasarkan nilai SS
Fu : Tegangan ultimate baja
Fv : Koefisien situs berdasarkan nilai S1
Fy : Tegangan leleh baja
f’c : Mutu beton
g : Percepatan gravitasi
h : Tinggi tingkat
hsx : Tinggi tingkat dibawah tingkat x
Ie : Faktor keutamaan gempa
K : Faktor panjang efektif
KR : Kategori risiko
L : Beban hidup
L : Panjang tanpa breising dari komponen struktur
Lr : Beban hidup atap
Mp : Momen plastis penampang
Pc : Kekuatan leleh aksial nominal
Pr : Kekuatan aksial perlu kombinasi LRFD
QE : Pengaruh gaya gempa horizontal dari V atau Fp
xiii
r : Radius girasi
R : Beban hujan
R : Faktor reduksi beban gempa
S : Beban salju
Sa : Spektral percepatan
Sd : Spektral perpindahan
SdS : Parameter percepatan spektral desain untuk periode pendek
Sd1 : Parameter percepatan spektral desain untuk periode 1 detik
SMS : Parameter spektrum respon percepatan pada periode pendek
SM1 : Parameter spektrum respon percepatan pada periode 1 detik
Ss : Spektral percepatan pada periode pendek ( T=0,2 detik)
S1 : Spektral percepatan pada periode 1 detik
T : Periode alami struktur
td : Tebal dek baja
Te : Waktu getar alami efektif yang memperhitungkan kondisi elastik.
tf : Tebal sayap penampang baja
Ts : Waktu getar karakteristik
tw : Tebal badan penampang baja
V : Gaya geser dasar
Vc : Kekuatan leleh geser nominal
Vp : Kekuatan geser
Vr : Kekuatan geser perlu kombinasi LRFD
Vy : Gaya geser dasar pada saat leleh
W : Beban angin
W : Berat seismik efektif struktur
Z : Modulus plastis penampang
α : Faktor kelas situs
∆ : Simpangan antar lantai tingkat desain
∆a : Simpangan antar lantai tingkat ijin
∆p : Plastic story drift
γp : Sudut rotasi link
δ : Perpindahan pada titik kontrol
xiv
δm : Perpindahan struktur pada kondisi di ambang keruntuhan
δy : Perpindahan struktur pada kondisi leleh
μ : Daktilitas struktur
μstrength : Rasio elastik antara kekuatan perlu dengan kekuatan leleh.
ω : Frekuensi alami struktur
ρ : Faktor redudansi, diambil 1,3
ρ' : Perbandingan nilai Pr/Pc dengan nilai Vr/Vc
θp : Besar sudut story drift