perilaku struktur baja tipe mrf dengan...

Volume 13, No. 1, Oktober 2014, 18 – 24

18

PERILAKU STRUKTUR BAJA TIPE MRF DENGAN BEBANLATERAL BERDASARKAN SNI 1726-2012 DAN METODE

PERFORMANCE BASED PLASTIC DESIGN (PBPD)

Nidiasari, Jati Sunaryati, Eem IkhsanStaff Pengajar Fakultas Teknik Jurusan Teknik Sipil

Universitas Andalas Kampus Limau Manisemail: [email protected], [email protected]

Abstact: Moment Resisting Frames (MRF) is a popular seismic resistant steel structures. It hashigh ductility, so it can withstand large inelastic deformations. The use of elastic design methodsin the evaluation of non-linear static (Pushover analysis) and non-linear analysis (Time HistoryAnalysis) is still allowed even though the actual behavior of the structure in inelastic conditionscannot be described well. Performance-Based Plastic Design (PBPD)method evolved to study thebehavior of the actual structure by setting the target drift and yield mechanisms of the structure sothat the base shear used was equal to the effort to push the structure up to the target drift. Studiesconducted on the 5 story steel structure design by SNI 1726: 2012 and PBPD methods. Theanalysis shows that the structure is given by the PBPD method reached the target drift and itperformance is better than seismic design based on SNI 1726: 2012.

Keywords: Moment Resisting Frame, Performance-Based Plastic Design

Abstrak: Struktur rangka baja pemikul momen merupakan jenis struktur baja tahan gempa yangpopuler digunakan. Daktilitas struktur yang tinggi merupakan salah satu keunggulan struktur ini,sehingga mampu menahan deformasi inelastik yang besar. Dalam desain, penggunaan metodedesain elastis berupa evaluasi non-linear static (Pushover analysis) maupun evaluasi non-linearanalisis (Time History Analysis) masih digunakan sebagai dasar perencanaan meskipun perilakustruktur sebenarnya saat kondisi inelastik tidak dapat digambarkan dengan baik. MetodePerformance-Based Plastic Design (PBPD) berkembang untuk melihat perilaku struktursebenarnya dengan cara menetapkan terlebih dahulu simpangan dan mekanisme leleh struktursehingga gaya geser dasar yang digunakan adalah sama dengan usaha yang dibutuhkan untukmendorong struktur hingga tercapai simpangan yang telah direncanakan. Studi dilakukan terhadapstruktur baja 5 lantai yang diberi beban gempa berdasarkan SNI 1726, 2012 dan berdasarkanmetode PBPD. Hasil analisa menunjukkan bahwa struktur yang diberi gaya gempa berdasarkanmetode PBPD mencapai simpangan maksimum sesuai simpangan rencana dan kinerja strukturyang dihasilkan lebih baik .

Kata kunci: Struktur rangka baja pemikul momen, Performance-Based Plastic Design

PENDAHULUAN

Struktur rangka baja tahan gempa didesainharus mampu menahan deformasi inelastikyang besar ketika diberi beban gempa.Peraturan yang berlaku masih mengizinkanpenggunaan metode desain elastis berupaevaluasi non-linear static (Pushover analysis)maupun evaluasi non-linear analisis (TimeHistory Analysis) sebagai dasar perencanaan.Metode elastis yang digunakan dalam desainmenyebabkan perilaku pada struktur sebenarnyatidak dapat diprediksi dengan baik.Leelataviwat (1998) mengembangkan metodeplastis berdasarkan konsep keseimbangan

energi, Goel dkk. (2001) mengembangkanmetode ini menjadi Peformance-based PlasticDesign (PBPD) yang dapat lebih akuratmemprediksi drift (simpangan) struktursehingga kerusakan bisa dikontrol untukmendapatkan performa struktur yang lebih baik.

MAKSUD DAN TUJUAN PENELITIAN

Penelitian ini merupakan studi untukmengetahui kinerja struktur baja pemikulmomen jika diberi gaya lateral yang didisainberdasarkan Performance-based PlasticDesign.

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Nidiasari, J. Sunaryati, E. Ikhsan / Perilaku Struktur Baja Tipe MRF / JTS, VoL. 13, No. 1, Oktober 2014, hlm 18-24

19

STUDI LITERATUR

Moment Resisting Frame (MRF)

Moment resisting frame (MRF) merupakansistem struktur rangka baja yang paling banyakdigunakan pada konstruksi baja tahan gempa.Sistem struktur ini merupakan sistem strukturportal yang paling sederhana terdiri darielemen balok dan kolom yang terhubung kaku.Tahanan gaya lateral diperoleh dari momenlentur dan gaya geser yang bekerja pada sistemportal dan sambungan. Keunggulan sistemMRF dibandingkan sistem struktur rangkadengan pengaku yaitu memiliki daktilitas yangtinggi sehingga memiliki kemampuanpenyerapan energi gempa yang baik. Daktilitasyang tinggi menyebabkan deformasi yangterjadi juga besar sehingga kekakuan strukturkecil. Oleh karena itu ukuran elemen stukturpada sistem MRF lebih besar dibandingkansistem struktur rangka baja dengan pengaku.Untuk mendapatkan desain yang baik dengandimensi struktur yang tepat maka deformasi dandaktilitas struktur perlu dibatasi.

Balok dan kolom merupakan komponen utamapada sistem MRF. Struktur akan leleh padalokasi yang menerima deformasi inelastik yangbesar. Leleh yang terjadi pada kolom harusdihindari karena dapat menyebabkan kegagalanpada struktur. Oleh karena itu struktur MRFdidesain dengan konsep kolom kuat-baloklemah untuk memaksa sendi plastis terjadi dibalok. Namun jika struktur direncanakandengan metode desain elastis maka konsepdesain kolom kuat-balok lemah ini tidakmenjamin sendi plastis tidak terjadi di kolom

jika terjadi gempa kuat. Kolom lelehdisebabkan metode desain elastis tidak akuratmenggambarkan distribusi gaya lateral padakondisi inelastik.

Performance-based Plastic Design

Metode Performance-based plastic design(PBPD) merupakan konsep desain yangmemperhitungkan perilaku inelastik strukturdengan sedikit atau tanpa iterasi pada saatdesain awal dilakukan. Metode desain inimerupakan aplikasi dari konsep keseimbanganenergi dengan menetapkan terlebih dahulumekanisme leleh rencana sehingga diperolehperforma struktur sesuai yang direncanakanketika menerima gempa kuat.

Distribusi dan tingkat kerusakan strukturtergantung pada desain gaya geser dasar (baseshear) agar simpangan dan mekanisme lelehyang direncanakan tercapai (Gambar 1).

Desain gaya geser dasar pada metodekonvensional (metode elastis) dihitung denganmereduksi kekuatan elastik terhadap kekuataninelastik dengan suatu faktor modifikasi respon.V = C W = S W (1)

dimana Cs = koefisien respon gempa, SDS =percepatan spektrum desain, I = faktorkeutamaan gempa, R = faktor modifikasi respondan W = berat seismik efektif. Setelah dimensistruktur diperoleh, simpangan yang diperolehdikalikan dengan nilai faktor amplifikasidefleksi (Cd)

Gambar 1. Mekanisme leleh (Liao,2010).


20

Gaya geser dasar metode PBPD diperolehdengan dasar konsep keseimbangan energi yaituberdasarkan asumsi energi yang dibutuhkanuntuk mendorong struktur secara monotonikhingga tercapai deformasi maksimum yangdirencanakan sama dengan besarnya energigempa elastik-plastik pada sistem SDOFdengan asumsi hubungan ini tepat diterapkanpada sistim MDOF. Leelataviwat (1998) danLee dan Goel (2001) mengembangkan konsepkeseimbangan energi sebagai dasar dalamdesain struktur yang diberi beban monotonikhingga tercapai simpangan maksimum danmekanisme leleh yang direncanakan. Besarnyakerja luar yang dibutuhkan diasumsikan sebesar kali energi input elastik, E. Nilai faktormodifikasi tergantung perioda struktur yangdipengaruhi oleh besarnya energi gempa.= (2)= + (3)

M adalah massa total struktur, Sv adalahpseudo-velocity, adalah faktor modifikasi

tergantung faktor daktilitas struktur (s) danfaktor reduksi daktilitas (R).Berdasarkan gambar 2 (hubungan CW dan )maka persamaan 2 dapat dituliskan sebagai :∆ = ∆ − ∆ (4)∆∆ = ∆ ∆∆ (5)

Jika :∆ = ∆ (6)∆ = ∆ (7)

Maka diperoleh persamaan faktor modifikasienergi := (8)

Nilai R merupakan faktor reduksi daktilitasyang diperoleh berdasarkan nilai s. Gambar 3merupakan grafik yang digunakan untuk men-dapatkan nilai R dan yang diambil dari pene-litian Chao dan Goel (2005).

Gambar 2. Idealisasi respon struktur dan metode keseimbangan energi (Chao dan Goel, 2005).

(a) (b)Gambar 3. (a). Faktor reduksi daktilitas oleh Newmark dan Hall (1982), (b). Faktor modifikasi energi.(Chao dan Goel, 2005).

CW


21

Persamaan gaya geser dasar (V) dihitung den-gan persamaan:= (9) adalah parameter non-dimensi yang nilainyatergantung kekakuan struktur, modal propertisdan simpangan= (∑ ( − ) ). ∑ . . . (10)

ketika i = n, n+1 = 0; wi dan wj merupakan be-rat struktur pada lantai ke-i dan j; hi dan hj ada-lah tinggi lantai ke-i dan j; wn = berat strukturpaling atas dan hn = adalah tinggi total strukturdihitung dari permukaan tanah, T = periodastruktur.

Distribusi gaya lateral yang direkomendasikanpada metode PBPD berdasarkan distribusi gayageser maksimum terhadap respon dinamik se-hingga diperoleh nilai gaya geser lantai yanglebih realistik dan seragam terhadap tinggistruktur. Agar diperoleh gaya lateral yang men-dekati respon inelastik maka digunakan persa-maan := ( − ). ∑ . . . (11)

Analisa Pushover

Analisa pushover menerapkan prinsip analisaplastis dimana struktur diberi beban lateral yangterus bertambahan hingga perpindahan yangditargetkan tercapai. Seperti namanya, strukturbenar benar didorong (push) untuk menda-patkan tahanan beban lateral yang diikuti olehleleh secara bertahap hingga terjadi deformasiplastis .

Analisis statik nonlinear Pushover merupakananalisis yang dilakukan untuk menggambarkanperilaku keruntuhan dan kapasitas dari suatustruktur secara keseluruhan, mulai dari kondisielastis, plastis, hingga elemen-elemen strukturmengalami keruntuhan akibat gempa. Dengankata lain, analisis pushover digunakan sebagaisarana untuk memperlihatkan kondisi/ responinelastis (nonlinier) suatu bangunan saat men-galami gempa.

Analisis ini dilakukan dengan cara memberikanpola beban lateral statik pada struktur yang ni-

lainya terus ditingkatkan secara bertahap hinggamencapai target perpindahan (displacement)dari suatu titik acuan. Pada analisis ini yangmenjadi acuan adalah titik pada lantai atap danbesarnya deformasi maksimum yang boleh ter-jadi pada struktur ditetapkan terlebih dahuluoleh perencana.

Dalam analisis pushover, struktur dikenai bebanlateral statik hingga mengalami leleh di satuatau lebih lokasi pada elemen struktur. Urutanterjadinya leleh ini merupakan urutan terjadinyasendi plastis pada struktur.

Dari urutan terjadinya sendi plastis ini dapatdiketahui lokasi pada elemen struktur yangmengalami keruntuhan terlebih dahulu. Sendiplastis terus berlangsung dan bermunculanhingga batas deformasi pada struktur tercapai.

Desain struktur berdasarkan SNI 1726:2012dan PBPD

Analisa struktur dilakukan terhadap strukturbaja 5 lantai tipe MRF. Struktur dimodelkansebagai sistem rangka pemikul momen khusus.Data material dan dimensi model struktur yangdigunakan dalam analisa dapat dilihat pada Ta-bel 1. Penentuan dimensi struktur untuk keduametode dilakukan dengan bantuan softwareberbasis elemen hingga.

Dimensi penampang model struktur identik un-tuk setiap model struktur. Beban mati dan be-ban hidup diasumsikan sama untuk kedua mod-el, sedangkan beban gempa dihitung berdasar-kan SNI 1726-2012 dan PBPD.

PERENCANAAN GAYA LATERAL

Analisa gempa elastis SNI-1726:2012

Beban gempa yang digunakan merupakan be-ban gempa dinamik berdasarkan respon spektrawilayah gempa kota Padang dengan kondisitanah lunak. Gaya geser dasar (V) didapat den-gan menggunakan Persamaan 1 yaitu200,885.103 kg. Distribusi gaya lateral tiap lan-tai dihitung dengan menggunakan persamaan:= . .∑ . (12)


22

(a) (b)Gambar 4. (a) Model arah x dan arah y, (b) model arah z.

(a) (b)

Gambar 5. (a) Dimensi penampang baja arah x dan (b) arah y.

Tabel 1. Data material dan dimensi struktur

Material Baja BJ-50 : fy = 290 MPa.fu = 500 MPaE = 200.000 MPa

Dimensi modelstruktur

1. Jumlah lantai2. Lebar bangunan3. Panjang bangunan4. Tinggi total5. Tinggi antar lantai

- Lantai 1- Lantai 2-4- Lantai atap

: 5 lantai: 10,5 meter: 18 meter: 18 meter

: 4 meter: 3,5 meter: 3,5 meter

Fungsi bangunan Kantor


23

Tabel 2. Parameter desain SNI -1726:2012

Daerah PadangKelas situs ESs 2S1 0,6SMS 1,8SM1 1,44Fa 0,9Fv 2,4SDS 1,2SD1 0,96I 1R 8Cs=SDS. (I/R) 0,15V= Cs.W 200,885.103 kgTa=Ct.ℎ 0,731

Tabel 3. Distribusi gaya lateral tiap lantai

Lantai F (kg)Lantai 1 18,228Lantai 2 34,114Lantai 3 49,882Lantai 4 65,554Lantai atap 33,107

Analisa gempa PBPD

Beban gempa rencana diperoleh dengan mem-perhitungkan terlebih dahulu target simpanganstruktur pada saat inelastik (p).

Besarnya nilai p tergantung simpangan lelehstruktur (y, Tabel 4) dan simpangan maksi-mum struktur (u). Simpangan maksimum di-ambil 2 % berdasarkan 10% kemungkinan resi-ko struktur mengalami keruntuhan akibat gem-pa dalam 50 tahun.

Berdasarkan perbandingan nilai u dan y dapatdihitung faktor reduksi daktilitas, R dan faktormodifikasi energi gempa .

Desain gaya lateral diperoleh dengan menggu-nakan faktor rasio i yang merupakan fungsi

eksponensial perbandingan gaya geser akibatgempa pada lantai-i dengan lantai-n terhadapdistribusi gaya geser maksimum struktur terha-dap beberapa model gempa (Tabel 5).

Tabel 4. Asumsi rasio simpangan leleh (Liao,2010)

SistemRangkaBangu-nan

BetonBertu-lang

Baja

SMF MF

EBF

STMF

CBF

Rasiosimpan-gan le-leh, y(%)

0,5 1 0,5 0,75 0,3

Tabel 5. Nilai βi

Lantai βiLantai atap 1lantai 5 2,391lantai 4 3,316lantai 3 3,911lantai 2 4,219

Tabel 6. Parameter desain PBPD

Daerah PadangKelas situs Eu 2%y 1%p 1%s 2 0,75T 0,713 1,927V/W 0.454

Tabel 7. Distribusi gaya lateral tiap lantai

Lantai F (kg)F lantai atap 144.103

F lantai 5 200,4.103

F lantai 4 133,1.103

F lantai 3 85,7.103

F lantai 2 130,1.103


24

ANALISA DAN KESIMPULAN

(a) (b)Gambar 6. Kurva pushover gempa (a) arah x dan (b) arah y.

Berdasarkan analisis pushover diperoleh nilaidaktilitas aktual struktur arah x dan y denganbeban gempa berdasarkan SNI 1726:2012 mas-ing- masing sebesar 2,13 dan 2,12 dan berda-sarkan PBPD masing–masing sebesar 2,02 dan2,12 yang diperoleh dari perbandingan simpan-gan struktur saat leleh pertama dengan saatstruktur mengalami keruntuhan. Berdasarkannilai daktilitas struktur, struktur yang didesaindengan SNI 1726: 2012 memiliki daktilitas ak-tual yang lebih besar. Namun jika ditinjau ber-dasarkan kinerja struktur, metode PBPD me-nunjukkan kinerja yang lebih baik yang dilihatdari batas kinerja IO (Immidiate Occupancy),LS (Life Safety) dan CP (Collapse Prevention)(Gambar 6a dan Gambar 6b).

UCAPAN TERIMA KASIH

Penelitian ini dapat terlaksana melalui pem-biayaan penelitian dosen Jurusan Teknik SipilFakultas Teknik Universitas Andalas kontrakNo. 031/PL/SPK/PNP/FT-Unand/2014.

DAFTAR PUSTAKA

Ulfah, Tiffany. 2014. Studi Analisis PerilakuStruktur Baja Beraturan yang DidisainBerdasarkan SNI 03-1726-2002 dan SNI1726-2012. Universitas Andalas.

Badan Standarisasi Nasional. 2012. StandarPerencanaan Ketahanan Gempa UntukStruktur Bangunan Gedung dan NonGedung SNI 1726-2012. Jakarta.

Sejal, P.Dalal, dkk. 2012. Comparison of SteelMoment Resisting Frame Designed byElastic Design and Performance BasedPlastic Design Method Based on The Ine-lastic Response Analysis. Vol. 2, No. 4.2012: 1081-1082.

Liao., WC. 2010. Performance-Based PlasticDesign of Earthquake Resistant ReinforcedConcrete Moment Frames. A Partial Ful-fillment Dissertation. University of Michi-gan.

Chao, SH Goel SC. 2005. Performance-BasedSeismic Design Of EBF Using TargetDrift And Yield Mechanism As Perform-ance Criteria. Universitas Michigan.

Lee.SS, Goel.SC, Chao.SH.2004. Performance-based Seismic Design of Steel MomentFrames Using Target Drift and YieldMechanism. 13th World Conference onEarthquake Engineering. Aug 1-6, 2004.Paper No.266. Canada.

Leelataviwat.S, Goel.SC, Stojadinovic.B.2002.Energy-based Seismic Design of Structuresusing Yield Mechanism and Target Drift.Journal of Structural Engineering/ August2002 : 1046-1054.

Departemen Permukiman dan PrasaranaWilayah. 2001. Tata Cara PerencanaanStruktur Baja Bangunan Gedung SNI 03-1729-2002.Jakarta.

perilaku struktur baja tipe mrf dengan...

Documents