evaluasi kinerja sistem rangka pemikul …konteks.id/p/04-100.pdf · evaluasi kinerja sistem rangka...

Konferensi Nasional Teknik Sipil 4 (KoNTekS 4)

Sanur-Bali, 2-3 Juni 2010

Universitas Udayana – Universitas Pelita Harapan Jakarta – Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 37

EVALUASI KINERJA SISTEM RANGKA PEMIKUL MOMEN BIASA (SRPMB) BAJA

YANG DIDESAIN BERDASARKAN SNI 03-1729-2002

UNTUK DAERAH BERESIKO GEMPA TINGGI DI INDONESIA

Ima Muljati

1

1Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Universitas Kristen Petra,

Jl.Siwalankerto 121-131 Surabaya

Email: [email protected]

ABSTRAK

Sistem Rangka Baja Pemikul Momen Biasa (SRPMB) adalah sistem struktur yang direncanakan

memiliki deformasi inelastis dan tingkat daktilitas yang relatif kecil dibandingkan sistem struktur

baja lainnya. Penelitian terakhir menunjukkan bahwa kinerja SRPMB baja yang didesain

berdasarkan SNI 03-1729-2002 untuk wilayah yang beresiko gempa rendah di Indonesia, berada

pada level structural stability. Meskipun struktur masih memenuhi persyaratan drift maksimum

yang ditentukan, namun beberapa komponen struktural telah mengalami kerusakan yang signifikan.

Studi ini bertujuan meneliti kinerja SRPMB baja untuk daerah di Indonesia yang beresiko gempa

tinggi. Ada tiga bangunan perkantoran dengan denah simetris yang diperiksa, yaitu bangunan 4-, 8-,

dan 12-lantai. Semua bangunan didesain sesuai SNI 03-1729-2002 dengan memperhatikan

persyaratan-persyaratan bangunan tahan gempa menurut SNI 03-1726-2002. Dengan mengacu pada

performance based design, kinerja struktur diperiksa menggunakan analisis statis pushover nonlinier

dan analisis dinamis time history nonlinier. Hasil penelitian menunjukkan bahwa SRPMB baja yang

didesain berdasarkan SNI 03-1729-2002 dalam penelitian ini, memiliki kinerja yang kurang baik

bila ditinjau dari parameter drift. Walaupun demikian, nilai damage index bangunan masih

memenuhi persyaratan. Bangunan juga memiliki daktilitas sesuai yang direncanakan.

Kata kunci: Sistem Rangka Pemikul Momen Biasa (SRPMB), analisis statis pushover nonlinier,

analisis dinamis time history nonlinier, performance based design

1. PENDAHULUAN

Sistem struktural pada bangunan gedung pada umumnya dibuat untuk memikul beban-beban gravitasi. Selain itu

bangunan juga harus mampu menahan gaya lateral yang ditimbulkan oleh angin atau gempa. Semakin tinggi

bangunan, semakin besar pula pengaruh beban lateral tersebut. Untuk bangunan yang terbuat dari struktur baja

dengan ketinggian sedang (medium rise building), ada tiga jenis sistem penahan beban lateral yang lazim

dipergunakan, yaitu: sistem rangka bresing, sistem rangka penahan momen (frame structure), dan sistem ganda

(kombinasi sistem rangka ruang dan dinding geser).

Di antara ketiga sistem penahan beban lateral tersebut, Sistem Rangka Penahan Momen (SRPM) adalah yang paling

sederhana dan paling banyak digunakan di Indonesia. Pada sistem ini, beban gravitasi dan beban lateral dipikul oleh

sistem rangka ruang (yang terbentuk dari balok dan kolom) melalui mekanisme lentur. Menurut SNI 03-1729-2002,

ada empat macam SRPM, yaitu: Sistem Rangka Penahan Momen Khusus (SRPMK), Sistem Rangka Penahan

Momen Terbatas (SRPMT), Sistem Rangka Penahan Momen Biasa (SRPMB), dan Sistem Rangka Batang Pemikul

Momen Khusus (SRBPMK). Klasifikasi tersebut berdasarkan tingkat daktilitas yang diperlukan oleh masing-masing

sistem dalam memikul beban lateral. SRPMB adalah sistem yang direncanakan untuk memiliki daktilitas yang

paling rendah (sekitar 2.7) di antara SRPM yang lain. Ketika terjadi gempa rencana, SRPMB diharapkan mengalami

deformasi inelastis secara terbatas pada komponen struktur dan sambungan-sambungannya.

Menurut penelitian Muljati dan Santoso (2008), SRPMB di zona 2 wilayah kegempaan Indonesia (SNI 03-1726-

2002) memiliki kinerja pada level structural stability limit state (SEAOC, 2001). Komponen struktural telah

mengalami kerusakan yang signifikan, tetapi masih memenuhi persyaratan simpangan antar lantai. Melanjutkan

penelitian tersebut, penelitian ini bertujuan mengetahui kinerja SRPMB di wilayah 6 peta gempa Indonesia yang

direncanakan sesuai SNI 03-1729-2002.

2. STRUKTUR YANG DITINJAU

Sebagai studi kasus, dipilihlah tiga bangunan perkantoran berdenah simetris dengan jarak portal 6 meter, masing-

masing 4-, 8- dan 12-lantai untuk mewakili medium rise building (Gambar 1). Tinggi lantai pertama diambil 4.00

Ima Muljati


meter sedangkan tinggi lantai-lantai di atasnya diambil 3.50 meter (Gambar 2). Orientasi penampang kolom

diletakkan seragam dengan sumbu kuat penampang sejajar dengan sumbu-y agar dapat dievaluasi secara spesifik

terhadap sumbu-x saja. Kekakuan struktur dalam arah-y diasumsikan lebih besar dibanding arah-x dengan cara

memberikan bresing pada portal A dan F, di antara as-3 dan -4, dari lantai pertama hingga atap. Dengan demikian

respon ragam yang pertama berupa translasi dalam arah-x. Struktur diasumsikan berdiri di atas tanah lunak di

wilayah 6 peta gempa Indonesia.

Gambar 1. Denah bangunan yang ditinjau

Gambar 2. Potongan struktur bangunan 4-, 8- dan 12-lantai

3. DESAIN

Portal 1 sampai dengan 6 direncanakan sebagai Struktur Rangka Penahan Momen Biasa (SRPMB) sesuai SNI 03-

1729-2002. Untuk efisiensi dimensi balok dan kolom maka persyaratan pembatasan waktu getar alami fundamental

yang ditentukan dalam pasal 5.6 SNI 03-1726-2002 tidak diperhatikan. Beban mati diambil berat sendiri struktur

sedangkan beban hidup diambil untuk gedung perkantoran sesuai Peraturan Pembebanan Indonesia untuk Gedung

(1983). Beban gempa diambil sesuai respon spektrum untuk wilayah 6 peta gempa Indonesia menurut SNI 03-1726-

2002 yang diekivalenkan menjadi beban statis ekivalen.

Struktur dimodelkan secara 3D menggunakan program ETABS v9.0.7 (Wilson, 1995). Kombinasi pembebanan

yang dipergunakan adalah sebagai berikut:

5 @ 6.00

A B C D E F

1

2

3

4

5

6

5 @

6.0

0

x

y

5 @ 6.00

A B C D E FA B C D E F

1

2

3

4

5

6

5 @

6.0

0

x

y

± 0.00

+ 4.00

+ 7.50

+ 11.00

+ 14.50

+ 18.00

+ 21.50

+ 25.00

+ 28.50

+ 32.00

+ 35.50

+ 39.00

+ 42.50

± 0.00

+ 4.00

+ 7.50

+ 11.00

+ 14.50

+ 18.00

+ 21.50

+ 25.00

+ 28.50

+ 32.00

+ 35.50

+ 39.00

+ 42.50

Evaluasi Kinerja Sistem Rangka Pemikul Momen Biasa (SRPMB) Baja Yang Didesain Berdasarkan SNI 03-1729-2002

Untuk Daerah Beresiko Gempa Tinggi Di Indonesia


1

2

3

4

1.4

1.2 1.6

1.2 0.5

0.9

U D

U D L

U D L E

U D E

=

= +

= + ±

= ±

(1)

dimana D adalah beban mati, L adalah beban hidup, dan E adalah beban gempa. Komponen-komponen struktur

direncanakan sesuai desain kapasitas (load and resistance factor design) dimana pengaruh aksi terfaktor (Ru) tidak

boleh melebihi kapasitas penampang yang diperoleh dengan mengalikan kuat nominal komponen (Rn) dengan faktor

reduksi (φ) sesuai persamaan:

u nR Rφ≤ (2)

Kecukupan kapasitas komponen balok diperiksa terhadap persamaan interaksi lentur dan geser sesuai pasal 8.9.3

SNI 03-1729-2002:

0.625 1.375u u

n n

M V

M Vφ φ+ ≤ (3)

dimana Mu dan Vu adalah momen dan gaya lintang ultimit, Mn dan Vn adalah momen dan gaya lintang nominal

penampang dan φ adalah faktor reduksi. Selanjutnya, komponen kolom diperiksa terhadap persamaan interaksi

lentur dan gaya aksial sesuai pasal 7.4.3.3 SNI 03-1729-2002:

Untuk Nu/(φNn) < 0.2: 1.002

uyu ux

n b nx b ny

MN M

N M Mφ φ φ+ + ≤ (4a)

Untuk Nu/(φNn) ≥ 0.2: 8

1.009

uyu ux

n b nx b ny

MN M

N M Mφ φ φ

+ + ≤

(4b)

dimana Nu dan Nn adalah gaya aksial terfaktor dan kuat nominal penampang terhadap gaya aksial, Mux dan Muy

adalah momen lentur terfaktor terhadap sumbu-x dan -y, Mnx dan Mny adalah kuat nominal lentur penampang

terhadap sumbu-x dan -y, sedangkan φb adalah faktor reduksi kuat lentur diambil 0.90.

Hasil desain komponen balok dan kolom beserta nilai interaksinya dapat dilihat pada Tabel 1.

4. ANALISIS

Kinerja struktur pada level gempa tertentu ditentukan melalui analisis statis pushover nonlinier menggunakan

program ETABS v9.0.7 dan analisis dinamis time history nonlinier menggunakan program RUAUMOKO 3D (Carr,

2001) dengan beban gempa berperiode ulang 100-, 500- dan 1000-tahun untuk merepresentasikan gempa kecil,

sedang dan besar. Parameter yang dipergunakan adalah simpangan antar lantai (displacement), rasio simpangan

antar lantai (drift), lokasi sendi plastis (untuk menentukan mekanisme keruntuhan) dan indeks kerusakan (damage

index). Hubungan momen-kurvatur pada lokasi-lokasi yang direncanakan mengalami sendi plastis dibuat dengan

bantuan program XTRACT v3.0.5 (Chadwell, 2002).

Hasil analisis pushover nonlinier merupakan respon maksimum struktur, sedangkan hasil analisis time history

nonlinier merupakan respon maksimum struktur selama response history yang ditinjau. Displacement dan drift

untuk ketiga bangunan ditunjukkan secara grafis pada Gambar 3. Notasi PO dan TH yang diikuti angka 100, 500,

dan 1000 menunjukkan analisis pushover dan time history untuk gempa 100-, 500-, dan 1000-tahun.

Jika ditinjau dari parameter displacement dan drift, dapat dilihat bahwa untuk gempa 100-tahun kedua analisis

memberikan hasil yang relatif sama. Sedangkan untuk gempa 500- dan 1000-tahun, kedua analisis memberikan

kecenderungan yang berbeda. Pushover cenderung memberikan hasil displacement yang lebih besar dibandingkan

time history. Akan tetapi jika ditinjau dari parameter drift, pushover cenderung memberikan hasil yang lebih kecil

dibandingkan time history terutama pada lantai-lantai atas. Besarnya nilai drift pada lantai-lantai atas disebabkan

oleh pemilihan dimensi kolom yang relatif kecil dibandingkan kolom di bawahnya.

Ima Muljati


0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

La

nta

i

Displacement (m)

8-Lantai

PO-100

TH-100

PO-500

TH-500

PO-1000

TH-1000 0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00%

La

nta

i

Drift (%)

8-Lantai

PO-100

TH-100

PO-500

TH-500

PO-1000

TH-1000

0123456789

101112

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

La

nta

i

Displacement (m)

12-Lantai

PO-100

TH-100

PO-500

TH-500

PO-1000

TH-1000 0123456789

101112

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00%

La

nta

i

Drift (%)

12-Lantai

PO-100

TH-100

PO-500

TH-500

PO-1000

TH-1000

0

1

2

3

4

0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50%

La

nta

i

Drift (%)

4-Lantai

PO-100

TH-100

PO-500

TH-500

PO-1000

TH-1000

0

1

2

3

4

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

La

nta

i

Displacement (m)

4-Lantai

PO-100

TH-100

PO-500

TH-500

PO-1000

TH-1000

Tabel 1. Dimensi balok dan kolom beserta nilai interaksi maksimum

Eksterior Interior Eksterior Interior Sudut

1 0.96 400.400.15.15 0.94

2 0.941 300.300.12.12 0.94

3 400.200.8.13 500.200.11.19 0.856 350.350.13.13 350.350.10.16 250.250.11.11 0.90

4 350.175.6.9 1.185 200.200.12.12 0.75

1 0.958 0.93

2 1.064 400.400.18.18 0.84

3 1.091 400.400.14.22 0.90

4 1.029 400.400.16.16 0.78

5 1.107 350.350.16.16 0.80

6 0.994 300.300.9.14 0.85

7 1.137 300.300.12.12 0.87

8 350.175.6.9 350.175.7.11 400.200.7.11 0.982 200.200.8.12 0.84

1 0.858 400.400.18.28 0.95

2 0.997 0.96

3 1.082 0.84

4 1.088 0.93

5 1.14 0.89

6 1.121 400.400.15.15 0.93

7 500.200.11.19 1.097 350.350.12.19 0.98

8 500.200.10.16 1.071 350.350.10.16 0.91

9 1.038 350.350.13.13 0.84

10 0.91 300.300.11.17 0.71

11 1.056 250.250.9.14 0.84

12 350.175.6.9 0.955 200.200.12.12 0.70250.250.11.11

Kolom Interaksi

Maksimum

400.400.13.21

400.400.18.18

350.350.19.19

350.350.12.19

300.300.10.15

400.400.30.50

400.400.20.35

400.400.21.21

400.400.18.28

400.400.16.24

400.400.21.21

400.400.18.18

350.350.16.16

350.350.15.15

250.250.11.11

400.400.21.21

350.350.19.19

300.300.9.14

400.400.20.35

400.400.18.28

350.175.7.11 400.200.7.11

300.150.5,5.812-lantai

600.200.11.17 600.200.12.20

600.200.11.17 600.200.11.17

500.200.10.16 600.200.10.15

450.200.9.14

450.200.8.12 500.200.9.14

Interaksi

Maksimum

8-lantai300.150.5,5.8

350.175.7.11

500.300.11.15

500.200.11.19

500.200.9.14

400.200.7.11

300.150.5,5.8450.200.8.13 500.300.11.15

4-lantai

BangunanLantai

ke-Balok Anak

Balok Induk

Gambar 3. Displacement dan drift




Selain displacement dan drift, analisis pushover dan time history juga dapat memberikan informasi mengenai

damage index (DI) di setiap lokasi yang direncanakan mengalami sendi plastis. Parameter damage index ini

didefinisikan sebagai rasio daktilitas maksimum yang terjadi, µm dengan daktilitas ultimit, µu yang dapat dinyatakan

dalam persamaan:

1

1

m

u

DIµ

µ

−=

− (5)

Analisis pushover tidak dapat memberikan nilai DI secara eksak seperti halnya time history, melainkan berupa

kisaran nilai. Menurut FEMA 350 (2000), leleh pertama terjadi jika nilai DI kurang dari 0.1. Sedangkan untuk

kondisi batas immediate occupancy, life safety, dan structural stability berturut-turut memiliki nilai DI maksimum

sebesar 0.33, 0.50, dan 1.00. Lokasi sendi plastis yang dihasilkan oleh pushover dan time history untuk bangunan 4-,

8-, dan 12-lantai berturut-turut dapat dilihat pada Gambar 4 – 6.

PO-100

PO-500

PO-1000

TH-100

TH-500

TH-1000

Gambar 4. Lokasi sendi plastis pada bangunan 4-lantai

PO-100

PO-500

PO-1000

TH-100

TH-500

TH-1000


Ima Muljati


PO-100

PO-500

PO-1000

TH-100

TH-500

TH-1000


Dari kedua analisis terlihat bahwa time history berhasil mendeteksi sendi plastis yang lebih banyak dibandingkan

pushover. Hal ini realistis mengingat time history dihasilkan dari beban dinamis yang memungkinkan bangunan

mengalami pelelehan berulang pada satu lokasi tertentu. Pelelehan yang berulang menyebabkan bangunan

mengalami disipasi energi yang semakin besar pula. Sendi plastis juga terjadi pada kolom-kolom lantai atas. Hal ini

sesuai dengan displacement dan drift yang telah ditunjukkan pada Gambar 3 di atas.

5. EVALUASI KINERJA BANGUNAN

Kinerja bangunan dinilai memenuhi persyaratan apabila parameter drift dan damage index memenuhi batasan yang

ditentukan dalam perencanaan berbasis kinerja (performance based design). Dalam penelitian ini batasan drift

ditentukan sesuai VISION 2000 (SEAOC, 1995), sedangkan batasan damage index ditentukan sesuai rekomendasi

FEMA 350 (2000). Matrik kinerja struktur berdasarkan drift dan damage index ditunjukkan pada Tabel 2 dan 3.

Berdasarkan parameter drift, semua bangunan cenderung mengalami drift yang lebih besar daripada yang

diharapkan (area abu-abu pada Tabel 2 dan 3), baik untuk gempa kecil, sedang, maupun besar. Bahkan untuk level

gempa rencana (periode ulang 500-tahun), analisis time history mendeteksi adanya drift yang sangat besar melebihi

2.50% pada bangunan 8- dan 12-lantai. Walaupun demikian, damage index semua bangunan masih relatif kecil

(Tabel 4), yaitu pada level immediate occupancy limit state.

Analisis pushover menunjukkan bahwa daktilitas struktur yang terjadi masih lebih kecil daripada yang

direncanakan, yaitu sebesar 2.7. Ini menunjukkan bahwa bangunan masih dapat mempertahankan kekuatan dan

stabilitasnya dengan cukup baik.




Tabel 2. Matrik kinerja struktur berdasarkan parameter drift (%)

Immediate

Occupancy Life Safety Structural Stability Unacceptable

Periode

Ulang

Gempa

Bangunan

PO TH PO TH PO TH PO TH

4-lantai 0.95 1.03

8-lantai 0.91 1.32 100-

tahun 12-lantai 0.90 1.31

4-lantai 1.60 1.98

8-lantai 1.73 2.93 500-


4-lantai 2.10 2.25

8-lantai 2.29 3.40 1000-


Drift maksimum (%) < 0.50 0.50 – 1.50 1.50 – 2.50 > 2.50

Tabel 3. Matrik kinerja struktur berdasarkan parameter damage index

Immediate

Occupancy Life Safety Structural Stability Unacceptable

Periode

Ulang

Gempa

Bangunan

PO TH PO TH PO TH PO TH

4-lantai * 0.01

8-lantai * 0.02 100-

tahun 12-lantai * 0.02

4-lantai * 0.03

8-lantai * 0.05 500-


4-lantai * 0.04

8-lantai * 0.07 1000-


Damage index

maksimum 0.10 – 0.33 0.33 – 0.50 0.50 – 1.00 > 1.00

6. KESIMPULAN

Hasil penelitian menunjukkan bahwa SRPMB baja yang didesain berdasarkan SNI 03-1729-2002 dalam penelitian

ini memiliki kinerja yang kurang baik bila ditinjau dari parameter drift. Walaupun demikian, nilai damage index

bangunan masih memenuhi persyaratan dan bangunan memiliki daktilitas yang cukup sesuai dengan yang

direncanakan.

7. UCAPAN TERIMA KASIH

Penelitian ini dapat terlaksana dengan baik berkat kerjasama beberapa pihak. Untuk itu penulis berterima kasih

kepada Saudara Dedy Pramono, Saudara Stephen, dan Bapak Hasan Santoso.

DAFTAR PUSTAKA

Badan Standarisasi Nasional. (2002). Tata Cara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung, SNI 03-1729-

2002, Departemen Pekerjaan Umum. Bandung.

Muljati, I dan Santoso, H. (2008). Performance of Ordinary Moment-Resisting Frames in Low Seismic Area

Designed Based on Indonesian Steel Building Code SNI 03-1729-2002. International Conference on

Earthquake Engineering and Disaster Mitigation 2008, Jakarta, Indonesia.

Badan Standarisasi Nasional. (2002). Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Bangunan Gedung, SNI 03-

1726-2002, Departemen Pekerjaan Umum. Bandung.

Structural Engineers Association of California. (1995). Vision 2000 Progress Report. California.

Departemen Pekerjaan Umum. (1983). Peraturan Pembebanan Indonesia untuk Gedung 1983. Departemen

Pekerjaan Umum Bandung. .

Ima Muljati


Wilson, E.L. (1995). Three Dimensional Dynamic Analysis of Structures with Emphasis on Earthquake

Engineering. Computer and Structures, Inc. Berkeley. California.

Chadwell, C. dan Imbsen and Associates. (2002). Program XTRACT v3.0.5.

Carr, Athol J. (2001). RUAUMOKO, Inelastic dynamic analysis, 3-dimensional version. New Zealand: University

of Canterbury.

SAC Joint Venture (2000). FEMA-350, Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame

buildings. California: Federal Emergency Management Agency.

evaluasi kinerja sistem rangka pemikul …konteks.id/p/04-100.pdf · evaluasi kinerja sistem rangka...

Documents