Pengaruh Stiffness Ratio Pada Penggunaan Metallic Steel Damper Terhadap Bangunan Bertingkat

PENGARUH VARIASI STIFFNESS RATIO PADA PENGGUNAAN METALLIC STEEL DAMPER TERHADAP
BANGUNAN BERTINGKAT
TUGAS AKHIR
Disusun oleh : HENDRIK WIJAYA
11 0404 049 Dosen Pembimbing : Ir.Daniel Rumbi Teruna, M.T. NIP. 19590707 198710 001 Rahmi Karolina, ST., MT. NIP. 19820318 200812 2 001
SUB JURUSAN STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKIK UNIVERSITAS SUMATRA UTARA
MEDAN 2015
Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK Terjadinya gempa mengakibatkan gaya lateral terhadap struktur dan tingkat energi gempa yang masuk kedalam struktur akhirnya menimbulkan kerusakan bahkan kegagalan struktur.Perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan telah memberikan suatu solusi untuk mengurangi dan meredam energi yang masuk dalam kedalam struktur yang diakibatkan gaya gempa yang dikenal dengan Seismic Devices yang dapat berupa sistem kontrol aktif dan sistem kontrol pasif. Sistem kontrol pasif sendiri dapat dibagi menjadi beberapa jenis yaitu friction damper, viscoelastic damper, viscous damper, dan yielding damper.Yielding damper biasa juga disebut metallic steel damper karena menggunakan material logam baja sebagai bahannya dan menyerap energi gempa melalui deformasi lentur inelastis yang terjadi akibat pelelehan damper saat terjadi gempa. Sistem damper ini dikoneksikan melalui bracing terhadap struktur sehingga perlu dilakukan analisis yang tepat dalam mendapatkan nilai perbandingan antara bracing,damper dan sistem struktur pemikul momen yang efektif dalam meredam energi gempa.Analisa ini menggunakan pendekatan analisa statik linear yang diberikan oleh FEMA 256 dalam mencari damping efektif yang bekerja dengan meninjau perpindahan yang terjadi. Kata kunci : metallic yielding damper , stiffness ratio
i
Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas semua berkat dan rahmat yang diberikan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Pengaruh Stiffness Ratio Pada Penggunaan Metallic Steel Damper Terhadap Bangunan Bertingkat”.Tugas akhir ini disusun dengan tujuan diajukannya sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam ujian sarjana Teknik Sipil bidang studi struktur pada Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatra Utara(USU).Dalam proses pengerjaan tugas akhir ini,penulis menyadari masih banyak memiliki kekurangan dalam tugas akhir ini.Dengan tangan dan hati yang terbuka penulis menerima berbagai saran dan kritik dari bapak dan ibu dosen serta rekan-rekan mahasiswa dalam penyempurnaan dan penyelesaian tugas akhir ini.Penulis juga menyadari bahwa selesainya tugas akhir ini tidak terlepas dari bimbingan, dukungan dan bantuan-bantuan dari semua pihak.Oleh karena itu , Pada kesempatan ini penulis sangat menghargai dan ingin mengucapkan rasa terima kasih kepada :
1. Bapak Ir.Daniel Rumbi Teruna , M.T. selaku dosen pembimbing I yang telah banyak memberikan waktu , saran dan masukan-masukan dalam penyelesaian tugas akhir ini.
2. Ibu Rahmi Karolina , S.T., M.T. selaku dosen pembimbing II yang juga memberikan waktu beliau dalam penyusunan dan masukan dalam penyelesaian tugas akhir ini.
3. Bapak Prof.Dr.Ing Johannes Tarigan selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatra Utara.
4. Bapak Ir.Syahrizal , M.T. Selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatra Utara.
5. Terutama kepada orang tua saya yang telah memberikan semangat, doa dan dukungan penuh dalam penyelesaian tugas akhir ini.

6. Bapak dan ibu staf pengajar jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatra Utara.
ii
Universitas Sumatera Utara

7. Deni Hermawan, Selaku abang kelas stambuk 2010 penulis yang banyak membantu dan memberikan dukungan dan ide-ide dalam penyelesaian tugas akhir ini.
8. Erwin Kwok, Selaku abang kelas stambuk 2004 penulis yang banyak memberikan pelajaran-pelajaran juga arahan kepada penulis.
9. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Sipil, Termasuk rekan-rekan angkatan 2011 juga abang/kakak Stambuk 2010,2009,dan 2008 , terima kasih atas dukungannya.
Medan,25 Agustus 2015 Penulis
HENDRIK WIJAYA
11 04 04 049
iii
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI
ABSTRAK.................................................................................................................................i KATA PENGANTAR..............................................................................................................ii DAFTAR ISI............................................................................................................................iv DAFTAR GAMBAR.............................................................................................................viii DAFTAR TABEL....................................................................................................................xi DAFTAR NOTASI................................................................................................................xii BAB I. PENDAHULUAN........................................................................................................1
1.1 Latar Belakang.........................................................................................................1 1.2 Studi Literatur..........................................................................................................3 1.3 Perumusan masalah..................................................................................................6 1.4 Maksud dan Tujuan..................................................................................................6 1.5 Pembatasan Masalah................................................................................................7 1.6 Metode Penelitian.....................................................................................................7 1.7 Sistematika Penulisan...............................................................................................8 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA.............................................................................................9 2.1 Pengenalan Sistem Dissipasi Energi........................................................................9
2.1.1 Viscoelastic Device......................................................................................12 2.1.2 Hysteretic Device.........................................................................................12 2.2 Fluid Viscoelastic Device.......................................................................................13 2.3 Solid Viscoelastic Device.......................................................................................17 2.4 Friction Device.......................................................................................................18 2.5 Metallic Yielding Device.......................................................................................23
iv
Universitas Sumatera Utara

2.5.1 Model Analitis Metallic Yielding Damper...................................................24 2.5.2 Sifat-Sifat Metallic Yielding Damper..........................................................27 2.5.3 Sifat-Sifat Hysteretik Umum........................................................................29 2.5.4 Respon Sistem dengan Damper....................................................................31 2.6 Penelitian Terdahulu Dampak Damper Pasif Terhadap Mitigasi Bencana
Gempa.................................................................................................................33 2.7 Aplikasi Damper Pada Struktur...........................................................................36 2.8 Sifat dan Perilaku Baja Terhadap Pembebanan Berulang....................................41
2.8.1 Kekakuan......................................................................................................41 2.8.2 Daktalitas......................................................................................................42 2.8.3 Deformasi.....................................................................................................44 BAB III. METODE PENELITIAN......................................................................................46 3.1 Desain Kekakuan....................................................................................................46 3.1.1 Kekakuan Frame...........................................................................................46 3.1.2 Kekakuan Sistem Dengan Bracing...............................................................47 3.1.3 Kekakuan Sistem Dengan Bracing dan Damper..........................................51 3.2 Desain Respon Spektra...........................................................................................55 3.2.1 Menentukan Parameter Percepatan Tanah...................................................55 3.2.2 Menentukan Klasifikasi Situs.......................................................................56 3.2.3 Menentukan Faktor Koefisien Situs.............................................................57 3.2.4 Menghitung Parameter Spektra Desain........................................................58 3.3 Waktu Getar Struktur.............................................................................................60 3.4 Gaya Lateral Sistem Struktur.................................................................................62
v
Universitas Sumatera Utara

3.5 Prosedur Analisa Linear Struktur dengan Damper............................................64 BAB IV. CONTOH PERHITUNGAN.................................................................................67
4.1 Model Bangunan....................................................................................................67 4.2 Perhitungan Massa Struktur...................................................................................67 4.3 Perhitungan Kekakuan Frame................................................................................67 4.4 Permodelan Sistem Dengan Bracing dan Damper.................................................68 4.5 Menghitung Waktu Getar Alami Struktur..............................................................69 4.6 Menghitung Gaya Gempa Dengan Respon Spektra...............................................71 4.7 Menghitung Damping Efektif................................................................................73 4.8 Perbandingan Dengan Sistem Bracing Tanpa Damper.....................................74 BAB V. HASIL DAN KESIMPULAN..................................................................................78 5.1 Umum.....................................................................................................................78 5.2 Hasil Perhitungan...................................................................................................79 5.3 Mode Shape Bangunan...........................................................................................83
5.3.1 Mode Shape Bangunan 5 Lantai..................................................................83 5.3.2 Mode Shape Bangunan 7 Lantai..................................................................84 5.3.3 Mode Shape Bangunan 9 Lantai..................................................................86 5.4 Grafik Hasil Perhitungan........................................................................................87 5.4.1 Grafik Perbandingan Gaya Gempa...............................................................87 5.4.2 Grafik Perbandingan Perpindahan................................................................89 5.4.3 Grafik Hasil Akhir Penelitian.......................................................................90 BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN...............................................................................93 6.1 Kesimpulan.............................................................................................................93
vi
Universitas Sumatera Utara

6.2 Saran.......................................................................................................................94 DAFTAR PUSTAKA.............................................................................................................95
vii
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 : Perbandingan struktur konvensional dengan struktur dengan seismic
devices................................................................................................................5 Gambar 1.2 : Contoh pemasangan metallic yielding damper di lapangan..............................5 Gambar 1.3 : Model bangunan yang ditinjau (a)bangunan 3 lantai , (b) bangunan 6 lantai ,(c)
bangunan 9 lantai...............................................................................................6 Gambar 2.1 : Sistem kontrol pasif (a) base isolation (b) Alat peredam energi (c) Peredam
getaran dinamis.................................................................................................11 Gambar 2.2 : fluid viscoelastic devices aplikasi sistem struktur penahan gempa..................13 Gambar 2.3 : Model linier fluid viscoelastic damper (a) model maxwell ,(b) frekuensi

terhadap kekakuan dan parameter damping ,(c) tipikal respon antara gaya dan perpindahan terhadap perbedaan frekuensi ( 1Hz,5Hz,10Hz ).........................14 Gambar 2.4 : Tipe konfigurasi antara damper dan bracing (a) chevron brace,(b) bracing diagonal,(c) toogle-brace damper system.......................................................15 Gambar 2.5 : Model pergeseran struktur dengan damper viscoelastik.................................16 Gambar 2.6 : Tipe solid viscoelastic device untuk struktur penahan gempa.........................17 Gambar 2.7 : Tipe friction device untuk struktur penahan gempa (a) Sumitomo friction damper, (b) Pall friction device........................................................................19 Gambar 2.8 : Perilaku histeretik ideal dari friction damper (a) friction damper dengan bracing kaku,(b) Friction device dipasang di flexible support........................20 Gambar 2.9 : Kurva histeretik yang dihasilkan model Bouc-Wen dalam pembebanan sinussoidal untuk nilai frekuensi dan amplitudo deformasi yang berbeda (a) bracing kaku(γ=0.9, β=0.1, η=25, H=1),(b)bracing fleksible(γ=0.9, β=0.1, η=25, H=1).....................................................................................................21
viii
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.10 : Kombinasi dari parameter untuk desain daripada friction damper pada tingkatan yang berbeda (a) Gaya slip dan Rasio kekakuan yang sama ,(b) Gaya slip yang bervariasi dengan rasio kekakuan yang konstan,(c)Gaya slip dan rasio kekakuan yang bervariasi...............................................................22
Gambar 2.11 : Tipe metallic yielding damper untuk struktur penahan gempa (a) ADAS (b) TADAS..........................................................................................................23
Gambar 2.12 : Bentuk pemasangan metallic yielding damper pada komponen struktur......26 Gambar 2.13 : Parameter kelelehan elemen bracing dan damper.........................................26 Gambar 2.14 : Model Bilinier hubungan kekakuan damper dan sistem................................27 Gambar 2.15 : Perilaku hysteretik dari metallic yielding damper.........................................27 Gambar 2.16 : Grafik fungsi nilai rasio damping terhadap nilai f dan g................................30 Gambar 2.17 : Grafik fungsi nilai rasio damping terhadap nilai g dengan perbandingan
kekuatan damper dan struktur........................................................................30 Gambar 2.18 : Bangunan izagaza #38-40,Kota Meksiko.......................................................36 Gambar 2.19 : Gabungan bracing dan damper pada bangunan Izagaza #38-40....................37 Gambar 2.20 : Rumah sakit kardiologi dengan dinding penopang luar dan damper ADAS.38 Gambar 2.21 : Bangunan IMSS Reforma,Kota Meksiko......................................................39 Gambar 2.22 : Tampak luar dari pemasangan bracing dan damper pada bangunan IMSS
Reforma di kota Meksiko..............................................................................40 Gambar 2.23 : Aplikasi damper pada bangunan di Beijing...................................................40 Gambar 2.24 : Hubungan deformasi dan gaya pada komponen struktur baja.......................42 Gambar 2.25 : Grafik hubungan tegangan-regangan baja......................................................43 Gambar 2.26 : Grafik hubungan tegangan-regangan baja yang diperbesar...........................43
ix
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.27 : Perbandingan deformasi struktur konvesional dengan struktur yang menggunakan sistem dissipasi energi............................................................45
Gambar 3.1 : Model bangunan.........................................................................................................46 Gambar 3.2 : Model Sistem Dengan bracing....................................................................................47 Gambar 3.3 : DOF Elemen Plane Frame a.........................................................................................48 Gambar 3.4 : Permodelan dan Penomoran DOF Sistem Dengan Bracing............................49 Gambar 3.5 : Sudut Elemen Truss Terhadap Sumbu Global.................................................50 Gambar 3.6 : Permodelan Sistem Dengan Bracing dan Damper...........................................51 Gambar 3.7 : Ss untuk gempa maksimum yang dipertimbangkan resiko tertarget(MCER),kelas situs
SB ( sumber : SNI 1726-2012 ).....................................................................................55 Gambar 3.8 : S1 untuk untuk gempa maksimum yang dipertimbangkan resiko tertarget (MCER) ,
kelas situs SB ( sumber : SNI 1726-2012 )...................................................................56 Gambar 3.9 : Desain Respon Spektra ( Sumber : SNI 1726-2012 )...................................................59 Gambar 3.10 : Respon spektra dengan damping 5%........................................................................60 Gambar 3.11 : Shear Building 2 lantai..............................................................................................61 Gambar 3.12 : (a) bentuk sistem struktur (b) bentuk perpindahan pada mode 1 dengan Tn1 (c)
bentuk perpindahan pada mode 2 dengan Tn2...........................................................62 Gambar 4.1 : Model bangunan dengan damper.....................................................................67 Gambar 4.2 : Permodelan Sistem Dengan Bracing dan Damper...........................................68 Gambar 4.3 : Permodelan Dengan Metode Lump Mass.......................................................69 Gambar 4.4 : Grafik Respon Spektra Dengan Damping 5%.................................................71
x
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 : Rangkuman dari tipe damper pasif dari keuntungan dan kekurangan.................34 Tabel 3.1 : Dimensi kekakuan bangunan lantai 5....................................................................52 Tabel 3.2 : Dimensi kekakuan bangunan lantai 7....................................................................52 Tabel 3.3 : Dimensi kekakuan bangunan lantai 9....................................................................53 Tabel 3.4 : Klasifikasi situs ( Sumber : SNI 1726-2012 ).......................................................54 Tabel 3.5 : Koefisien situs Fa ( Sumber : SNI 1726-2012 )....................................................56 Tabel 3.6 : Koefisien situs Fv ( Sumber : SNI 1726-2012 )....................................................56 Tabel 3.7 : Koefisien damping................................................................................................58 Tabel 5.1 : Perbandingan waktu getar fundamental................................................................83 Tabel 5.2 : Perbandingan gaya gempa bangunan 5 lantai.......................................................83 Tabel 5.3 : Perbandingan gaya gempa bangunan 7 lantai.......................................................83 Tabel 5.4 : Perbandingan gaya gempa bangunan 9 lantai.......................................................84 Tabel 5.5 : Perbandingan perpindahan bangunan lantai 5.......................................................84 Tabel 5.6 : Perbandingan perpindahan bangunan lantai 7.......................................................84 Tabel 5.7 : Perbandingan perpindahan bangunan lantai 9.......................................................85 Tabel 5.8 : Perbandingan strain energy pada bangunan lantai 5.............................................85 Tabel 5.9 : Perbandingan strain energy pada bangunan lantai 7.............................................85 Tabel 5.10 : Perbandingan strain energy pada bangunan lantai 9...........................................86 Tabel 5.11 : Perbandingan dissipated energy pada bangunan lantai 5....................................86 Tabel 5.12 : Perbandingan dissipated energy pada bangunan lantai 7....................................86 Tabel 5.13 : Perbandingan dissipated energy pada bangunan lantai 9....................................87 Tabel 5.14 : Perbandingan damping efektif.............................................................................87
xi
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR NOTASI Fy = Tegangan leleh material Vy = Gaya leleh Material Kf = Kekakuan frame Kd = Kekakuan damper Kb = Kekakuan damper Δ = Perpindahan Ks = Kekakuan sistem struktur V = Gaya geser lateral Δy = Perpindahan saat mulai terjadi kelelehan Θb = Sudut kemiringan bracing E = Modulus elastisitas bahan I = Inersia Bahan Bs = Faktor koefisien damping untuk periode pendek B1 = Faktor koefisien damping untuk periode 1 detik SDs = Parameter percepatan respon spektra desain untuk periode pendek SD1 = Parameter percepatan respon spektra untuk periode 1 detik Ts = SD1/SDs Ss = Parameter respon spektra percepatan gempa untuk periode pendek S1 = Parameter respon spektra percepatan gempa untuk periode 1 detik Keff = Kekakuan efektif damper βeff = Damping efektif m = Massa struktur
xii
Universitas Sumatera Utara

ωn = Frekuensi getar alami struktur Tn = 2π/ ωn = Waktu getar alami struktur Sa = Parameter percepatan respon spektra dengan waktu getar T W = Berat keseluruhan struktur Vbase = Gaya geser dasar struktur
xiii
Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK Terjadinya gempa mengakibatkan gaya lateral terhadap struktur dan tingkat energi gempa yang masuk kedalam struktur akhirnya menimbulkan kerusakan bahkan kegagalan struktur.Perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan telah memberikan suatu solusi untuk mengurangi dan meredam energi yang masuk dalam kedalam struktur yang diakibatkan gaya gempa yang dikenal dengan Seismic Devices yang dapat berupa sistem kontrol aktif dan sistem kontrol pasif. Sistem kontrol pasif sendiri dapat dibagi menjadi beberapa jenis yaitu friction damper, viscoelastic damper, viscous damper, dan yielding damper.Yielding damper biasa juga disebut metallic steel damper karena menggunakan material logam baja sebagai bahannya dan menyerap energi gempa melalui deformasi lentur inelastis yang terjadi akibat pelelehan damper saat terjadi gempa. Sistem damper ini dikoneksikan melalui bracing terhadap struktur sehingga perlu dilakukan analisis yang tepat dalam mendapatkan nilai perbandingan antara bracing,damper dan sistem struktur pemikul momen yang efektif dalam meredam energi gempa.Analisa ini menggunakan pendekatan analisa statik linear yang diberikan oleh FEMA 256 dalam mencari damping efektif yang bekerja dengan meninjau perpindahan yang terjadi. Kata kunci : metallic yielding damper , stiffness ratio
i
Universitas Sumatera Utara

BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Pada masa kini , seiring dengan perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan ,
perkembangan pada bidang konstruksi menjadi sangat pesat yang dimana disebabkan oleh peningkatan kebutuhan manusia dan tingkat pertumbuhan manusia yang semakin tinggi.Oleh karena itu, untuk mengimbangi hal tersebut harus diikuti perkembangan pada bidang konstruksi yang sejalan agar mampu memenuhi kebutuhan manusia kedepannya.Kenaikan jumlah penduduk yang terus menerus tidak sebanding dengan luas lahan yang tersedia yang dimana bersifat konstan sehingga berakibat terhadap lahan yang semakin sempit.Berdasarkan hal tersebut, maka diperlukan cara untuk mengatasi keterbatasan lahan tersebut untuk menghindari konflik yang lebih besar kedepannya.
Dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi sekarang ini , pembangunan gedung-gedung bertingkat tinggi seperti apartemen banyak dilakukan di indonesia untuk menanggulangi permasalahan keterbatasan lahan.Pembangunan gedunggedung bertingkat tinggi tersebut sangat efisien dimana konsepnya adalah pemanfaatan lahan secara maksimal dan mampu dihuni oleh banyak manusia yang dimana memiliki elevasi bangunan yang cukup tinggi dan berat struktur yang besar sehingga dalam proses desain harus memperhitungkan kemampuan tanah dalam menahan struktur tersebut dan juga ketahanan struktur tersebut apabila terjadi gempa.

Pada masa sekarang ini, gempa merupakan salah satu faktor terpenting dalam mendesain bangunan terutama bangunan bertingkat yang memiliki elevasi bangunan yang tinggi karena semakin tinggi bangunan maka efek yang disebabkan oleh gaya gempa akan semakin besar terhadap bangunan tersebut karena pada bangunan tinggi,sistem penahan gaya lateral jauh lebih lemah dibanding sistem penahan gaya vertikal sedangkan gempa menyebabkan terjadinya gaya lateral tambahan yang terjadi pada struktur secara dinamis sehingga mempengaruhi kestabilan struktur.Oleh karena itu,konsep bangunan bertingkat tinggi untuk mengatasi masalah keterbatasan lahan harus benar-benar diperhatikan dan didesain memiliki kemampuan ketahanan terhadap gempa yang baik.Cara yang bisa digunakan untuk mengatasi hal ini adalah dengan memperkaku struktur tersebut agar mampu bertahan terhadap gaya lateral yang disebabkan oleh gempa
1
Universitas Sumatera Utara

namun cara ini kurang efektif karena dapat memperbesar gaya gempa yang terjadi pada bangunan saat gempa terjadi.
Beberapa tahun terakhir,Para ilmuwan telah mengembangkan cara yang lebih efektif untuk mengatasi masalah gaya gempa yang terjadi pada struktur yaitu dengan menambahkan suatu alat peredam pada sistem struktur sehingga energi gempa yang masuk kedalam struktur dapat terdissipasi dan mampu mengurangi akibat gempa terhadap struktur.Alat peredam gempa yang ditambahkan pada struktur ini dinamakan Seismic Devices.Alat ini meredam gaya gempa yang masuk kedalam struktur dengan cara menyalurkan energi gempa terhadap lokasi dimana energi gempa tersebut akan direduksi sehingga deformasi yang terjadi pada daerah sendi plastis tidak akan mengalami kerusakan dan kerusakan cenderung terjadi pada daerah yang mudah untuk diperbaiki saat terjadi gempa besar.
Seismic devices dipasang pada suatu struktur bertujuan untuk mendissipasi energi gempa yang masuk kedalam struktur dengan menambah massa struktur dan mengubah kekakuannya sehingga bangunan dapat dikontrol dan direncanakan dalam kondisi elastis saat terjadi gempa. Seismic devices dapat digolongkan menjadi 3 yaitu :
1. Base Isolator System 2. Active Control System 3. Passive Control System Base Isolator system terbuat dari bantalan karet berkekuatan tinggi yang dipasanag diantara kolom dan pondasi dan merupakan sistem untuk meminimalisir ataupun mencegah kerusakan pada struktur dengan cara mengisolasi struktur terhadap tanah sehingga saat terjadi gempa,gerakan tanah yang terjadi tidak langsung berdampak terhadap struktur melainkan melalui isolator terlebih dahulu sehingga pergerakan atau deformasi pada struktur menjadi lebih kecil.Base isolator bekerja hampir sama seperti suspensi pada mobil dimana mengizinkan mobil melalui medan yang kasar tanpa menyebabkan pengemudi terlempar dari kendaraan.Penggunaan Base Isolator hanya pada tanah keras dan bukan tanah lunak. Active Control system merupakan sistem yang bekerja untuk melawan gaya gempa yang diinduksi pada struktur bangunan.Sistem ini bekerja saat terjadi gempa,gaya gempa yang terjadi akan disensor oleh komputer lalu komputer akan menentukan besar gaya yang perlu diberikan untuk melawan gaya gempa yang terjadi berdasarkan respon struktur.Sistem ini memiliki kelebihan dimana dapat menghasilkan respon struktur yang
2
Universitas Sumatera Utara

sesuai dengan gaya gempa yang terjadi namun dikarenakan menggunakan teknologi tinggi menyebabkan biaya maintenance dan pemasangannya sangatlah mahal.
Passive Control System merupakan sistem yang bekerja saat gaya gempa sudah masuk ke struktur sehingga tidak memerlukan sumber energi untuk melawan gempa seperti halnya sistem kontrol aktif.Sistem ini bekerja dengan menyerap sebagian energi gempa yang masuk melalui media yang bernama damper dimana saat terjadi gempa,maka damper akan mengalami deformasi inelastis terlebih dahulu saat menerima gaya gempa baru kemudian masuk ke struktur dengan gaya gempa yang sudah direduksi oleh damper tergantung terhadap jenis dampernya seperti Metallic Yielding Damper.
Metallic yielding Damper merupakan material baja yang digunakan sebagai media untuk mendissipasi energi gempa yang masuk kedalam struktur yaitu dengan mengalami deformasi inelastis dimana dipasang pada struktur dengan menyambungkan elemen truss pada struktur.Jenis damper ini lebih murah dibandingkan yang lain disebabkan oleh cara pemasangan yang relatif mudah dan harga alat ini sendiri lebih murah.Damper ini memiliki nilai kekakuan sendiri begitu juga dengan frame tempat pemasangan damper.Dalam mendesain struktur bangunan yang menggunakan damper,ada ditinjau stiffness ratio yang merupakan perbandingan kekakuan antara frame dengan damper dimana umumnya nilainya berkisar diantara 2-4.Agar dapat mereduksi gaya gempa,damper harus mengalami leleh terlebih dahulu dibandingkan frame,oleh karena itu muncul suatu ide untuk meneliti lebih lanjut pengaruh nilai stiffness ratio tersebut terhadap keefektifan desain bangunan bertingkat yang menggunakan damper dengan maksud tujuan untuk mendapatkan penggunaan damper yang efektif terhadap perencanaan bangunan bertingkat.
1.2. STUDI LITERATUR Beberapa penelitian tentang damper telah dilakukan oleh peneliti-peneliti di
seluruh dunia dan berdasarkan hasil penelitian tersebut,membantu untuk memahami perilaku dan kekuatan metallic steel damper dalam menyerap dan meredam energi gempa.Berikut hasil penelitiannya :
Menurut Xia dan Hanson (2010) pada penelitian tentang pengaruh parameter elemen damping dan kekakuan pada bangunan tahan gempa secara signifikan mampu meningkatkan kapasitas dissipasi energi dalam struktur bangunan sehingga meningkatkan keamanan struktur tersebut.Untuk bangunan dengan waktu getar sistem rendah sampai sedang maka nilai SR yang efektif adalah berkisar antara 2-4.
3
Universitas Sumatera Utara

Saman Bagheri (2011) dalam penelitiannya tentang Distribusi ketinggian dari Stiffness Ratio dalam Mendesain Rangka Baja dengan Metallic Yielding Damper yang Optimum dengan meninjau 2 model bangunan yakni 5 tingkat dan 10 tingkat menghasilkan kesimpulan bahwa nilai SR lebih dari 2 diperlukan untuk lantai yang lebih tinggi sedangkan nilai SR yang lebih rendah dari 2 diperlukan untuk lantai yang lebih rendah dalam mendissipasi energi gempa secara optimum.
Penelitian oleh Daniel R.Teruna (2013) tentang Peningkatan Kemampuan Bangunan dengan Hysteretik Steel Damper pada Beberapa eksitasi dengan melakukan analisa non-linier time history analisis terhadap bangunan 7 tingkat dengan variasi Stiffness Ratio dari 2 sampai 5 dan juga nilai SR yang berbeda-beda pada setiap tingkatan memberikan hasil simpangan pada puncak bangunan lebih rendah dengan nilai SR = 3 dan juga indeks kerusakan yang terjadi pada struktur lebih efektif.
Pada penelitian tentang Studi dan Permodelan Perilaku Dinamis dari Struktur dengan Sistem Dissipasi Energi dengan Tipe ADAS meneliti tentang pengaruh kekakuan damper pada bangunan dengan waktu getar pendek dan menhasilkan kesimpulan bahwa penggunaan elemen ADAS akan lebih efektif dengan kekakuan yang lebih tinggi ketika struktur menghadapi gempa tinggi atau menengah.(S.Rais , 2013)
Penelitian tentang penggunaan steel damper lain juga dilakukan oleh Daniel R.Teruna (2014) dalam penelitian tentang Penggunaan Steel Damper dalam Meningkatkan Performa Seismik pada Bangunan Beton dengan Soft Story pada Lantai Pertama.Hasilnya adalah nilai SR yang efektif untuk tipe bangunan ini adalah 12 dengan kekakuan 360kN/mm dimana damper ini ternyata mampu menyerap energi sampai lebih dari 40% dari total energi yang masuk ke dalam struktur.Hal ini menghasilkan struktur yang kuat dalam menahan gaya gempa dan mencegah keruntuhan prematur pada struktur.
4
Universitas Sumatera Utara

Gambar 1.1. Perbandingan struktur konvensional dengan struktur dengan seismic devices Pada implementasi metallic steel damper terhadap struktur,damper biasanya
dipasang pada bagian tengah balok diantara 2 buah kolom yang dihubungkan dengan bracing seperti yang terlihat pada gambar 1.2.
Metallic yielding damper Bracing Frame
Gambar 1.2. Contoh pemasangan metallic yielding damper di lapangan
5
Universitas Sumatera Utara

1.3. PERUMUSAN MASALAH Pemasangan dan instalasi damper pada struktur perlu perencanaan yang matang
dan akurat untuk mendapatkan jenis dan ukuran damper yang efektif dalam meredam energi gempa yang masuk kedalam struktur.Menurut Tsai,et al (1993) nilai SR yang direkomendasikan adalah berkisar 2-4 untuk periode getar pendek,medium sampai dengan panjang.Untuk itu perlu dilakukan penelitian tentang bagaimana nilai SR yang efektif terhadap variasi bangunan bertingkat dalam meredam energi gempa.Dengan permodelan variasi tingkatan bangunan seperti gambar ,perumusan masalah pada tugas akhir ini adalah mencari tahu pengaruh nilai stiffness ratio terhadap struktur dan analisis dibantu dengan program SAP 2000.
Gambar 1.3.Model bangunan yang ditinjau (a)bangunan 3 lantai , (b) bangunan 6 lantai ,(c) bangunan 9 lantai
1.4. MAKSUD DAN TUJUAN Maksud dan tujuan daripada penulisan tugas akhir ini adalah melakukan analisis
untuk mendapatkan nilai pengaruh daripada stiffness ratio pada pengaplikasian damper terhadap struktur dengan tingkatan yang berbeda dalam hal ini ditinjau dari segi deformasi yang terjadi pada bangunan tersebut.
6

Universitas Sumatera Utara

1.5. PEMBATASAN MASALAH Pembatasan masalah yang diambil dari pengerjaan tugas akhir ini adalah sebagai
berikut: 1. Bangunan yang ditinjau hanya 3 model yakni lantai 5,7,dan 9. 2. Hasil pembahasan yang ditinjau yaitu deformasi bangunan. 3. Perencanaan gaya gempa dengan SNI gempa 2012 4. Nilai stiffnes ratio yang di analisis digunakan 3 nilai yaitu 2,3, dan 4 5. Menggunakan program Microsoft Excell 2010 dalam analisis. 6. Jenis damper yang digunakan yaitu metallic steel damper. 7. Menggunakan analisa statik linier.
1.6 METODE PENELITIAN Metode penelitian yang digunakan pada tugas akhir ini adalah metode literatur
dimana data-data yang diperlukan diasumsikan berdasarkan kondisi dilapangan dan hasilhasil penelitian terdahulu juga masukan informasi dari dosen pembimbing.
Hasil dari analisa dalam setiap model dibandingkan lalu diolah untuk mendapatkan nilai dari SR yang efektif terhadap masing-masing model struktur.
7
Universitas Sumatera Utara

1.7 SISTEMATIKA PENULISAN Gambaran garis besar penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I : PENDAHULUAN Terdiri dari latar belakang,studi literatur,perumusan masalah,maksud dan tujuan, pembatasan masalah, metodologi penelitian dan sistematika penulisan.
BAB 2 : TINJAUAN PUSTAKA Berisi tentang penjelasan umum,teori-teori yang berkaitan dan mendukung penelitian tentang tugas akhir dan juga aplikasi lapangan.
BAB 3 : METODE PENELITIAN Berisi tata cara perhitungan dan analisa yang dilakukan di penelitian ini.
BAB 4 : HASIL DAN PEMBAHASAN Berisi tentang hasil analisa dan perhitungan lalu perbandingan hasil penelitian tugas akhir.
BAB 5 : KESIMPULAN DAN SARAN Berisi kesimpulan dan saran dalam tugas akhir ini.
8
Universitas Sumatera Utara

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 PENGENALAN SISTEM DISSIPASI ENERGI Saat gempa terjadi terhadap suatu sistem struktur,maka struktur akan menerima
gaya dinamis yang sangat besar selama frekuensi getaran yang berlangsungdan berdampak pada kerusakan – kerusakan yang terjadi pada sistem struktur.Oleh karena itu,para ahli menggunakan suatu cara alternatif untuk mereduksi energi yang masuk ke sistem struktur dengan mengizinkan terjadinya kerusakan-kerusakan dalam batasan kondisi struktur masih plastis(struktur tidak runtuh) untuk mereduksi dan menyerap energi dengan terjadinya deformasi siklik pada tempat tertentu.Hasilnya adalah saat terjadi gempa,maka struktur akan memasuki kondisi daktail dimana terjadi kerusakankerusakan namun struktur masih dapat bertahan.
Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi pada 20 tahun terakhir,para ahli telah mengembangkan sistem perlindungan baru yang diaplikasikan pada sistem struktur untuk meningkatkan tingkat keamanan dan mengurangi indeks kerusakan pada struktur saat terjadi gempa dimana pada cara konvensional kerusakan yang terjadi pada struktur setelah terjadi gempa tidak dapat diperbaiki.Sistem ini bertujuan untuk mengontrol respon seismik pada struktur dan dissipasi energi yang dapat dipikul oleh sistem struktur dengan memodifikasi properti dinamis pada sistem struktur.
Sistem yang dikembangkan ini disebut juga sebagai seismic devices.saat ini telah dikembangkan beberapa jenis seismic devices yang diimplementasikan pada sistem struktur untuk menghadapi gaya gempa yaitu :
1. Active Control System
2. Passive Control System
3. Base Isolator System
Sistem dissipasi energi gempa yang paling praktis untuk digunakan pada belakangan ini adalah sistem kontrol pasif dan base isolator dikarenakan sistem kontrol aktif menggunakan biaya yang sangat besar dikarenakan sistem ini mengontrol respon
9
Universitas Sumatera Utara

dinamis sistem struktur dengan teknologi canggih yang disesuaikan dengan gaya gempa yang terjadi sehingga struktur tetap aman sedangkan pada base isolator didesain dengan menggunakan high rubber bearing yang biasanya ditempatkan pada sambungan antara pondasi dan kolom yang bekerja seperti sistem suspensi mobil saat gempa terjadi sehingga struktur bagian atas terpisah dengan struktur bagian bawah namun ada kekurangan yaitupada bangunan tingkat tinggi base isolator tidak dapat mengontrol inter-storey drift yang cukup besar.Hal ini dapat diatasi oleh sistem kontrol pasif.Oleh karena itu,bisa dikatakan bahwa sistem kontrol pasif merupakan metode yang paling praktis untuk mengatasi gaya gempa.
Sistem kontrol pasif bekerja dengan menyerap energi getaran yang masuk kedalam sistem struktur sehingga energi akhir yang diterima oleh struktur hanya menyebabkan sedikit atau tidak ada kerusakan pada bagian-bagian struktur yang dapat diperbaiki dengan mengurangi deformasi yang terjadi pada struktur akibat gempa.Sistem kontrol pasif berdasarkan cara pemasangannya terdiri dari viscous damper,friction damper,viscoelastic damper dan yielding damper.Setiap damper ini memiliki keterbatasan dan sifatnya masing-masing.
Sistem struktur biasanya didesain terhadap gempa berdasarkan zona gempa struktur tersebut dan berdasarkan peraturan –peraturan gempa,struktur didesain mengalami deformasi inelastis saat gempa terjadi.Untuk mencegah hal tersebut,maka damper didesain sesuai dengan kebutuhan sehingga saat terjadi gempa maka elemen struktur utama yaitu balok dan kolom tetap dalam kondisi elastis.Oleh sebab itu,desain dari damper itu sendiri sangat bergantung pada karakteristik gaya dan deformasi damper itu sendiri lalu struktur yang akan dipasang damper.
10
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1 Sistem kontrol pasif (a) base isolation (b) Alat peredam energi (c) Peredam getaran dinamis ( Moreschi , 2000 )
(sumber : Moreschi, Luis M. 2000. Seismic Design of Energy Dissipation Systems for Optimal Structural Performance. Disertasi. Hal : 13)
11

Universitas Sumatera Utara

2.1.1 VISCOELASTIC DEVICE
Viscoelastic device dapat dibagi atas 2 jenis yaitu : a. Fluid Viscoelastic Device Merupakan damper liat yang menggunakan cairan liat sebagai sistem peredaman energi getaran.Energi yang datang diredam melalui pemanasan liat dan pergesekan antar partikel cairan dan komponen alat.Alat ini memiliki kelebihan yakni tidak sensitif terhadap perubahan suhu dan dapat didesain dengan model linier ataupun model bilinier.Alat ini umum dipakai pada pesawat dan militer. b. Solid Viscoelastic Device Tipikal dari solid viscoelastic device terdiri dari lapisan material polimetrik yang direkatkan diantara pelat baja.Alat ini bekerja meredam energi yang datang dalam bentuk energi panas saat menghadapi deformasi geser siklik.Viscoelastic damper telah digunakan untuk memperkuat bangunan dalam menghadapi gaya gempa dan pembangunan dari fasilitas baru dan juga telah sukses dalam mereduksi respon dari struktur terhadap angin pada bangunan tingkat tinggi.
2.1.2 HYSTERETIC DEVICE
Hysteretic device terbagi 2 jenis yaitu : a. Metallic Yielding Damper
Terjadinya deformasi inelastis pada bagian-bagian sistem struktur dapat mendissipasi energi gempa yang masuk kedalam struktur.Prosedur desain struktur terhadap gempa sekarang memanfaatkan fakta tersebut dengan menentukan kondisi struktur yang mengalami deformasi inelastis saat gempa terjadi.Oleh karena itu,dengan memanfaatkan hal tersebut pada awal abad ke-17 dikembangkan yielding metallic element dengan tujuan mengalami deformasi inelastis sebelum struktur saat terjadi gempa sehingga energi gempa yang masuk kedalam struktur dapat terdissipasi. b. Friction Device Merupakan alat dissipasi energi yang memanfaatkan gesekan pada komponen alat yaitu antara 2 benda padat yang akan mengalami slip saat energi masuk pada beban yang telah ditentukan sebelumnya dan menggeser bentuk dasar struktur jauh dari frekuensi resonansi gempa.Friction damper ini efektif digunakan sebagai alat peredam energi selama berabad-abad namun
12
Universitas Sumatera Utara

implementasi terhadap sistem struktur untuk respon seismik baru dikembangkan pada tahun 1970.Alat ini tidak sensitif terhadap suhu dan memiliki perilaku histeretik yang stabil. 2.2 FLUID VISCOELASTIC DEVICE Fluid viscoelastic device merupakan damper yang digunakan secara luas sebagai sistem isolasi terhadap guncangan dan getaran pada pesawat luar angkasa dan aplikasi kemiliteran yang bekerja dengan prinsip umum ketahanan pada cairan liat untuk mengalir ke lubang yang terbatas.Alat ini telah diaplikasikan untuk mendissipasi energi gempa yang cukup besar pada struktur yang memikul gaya gempa dengan melalui pemanasan liat.Selain itu,tingkat ketergantungan alat ini terhadap viscous forces berbeda dengan displacement dependent forces dan tidak secara langsung meningkatkan gaya maksimum yang terjadi pada sistem struktur utama. Fluid viscoelastic damper bisa didesain untuk menunjukkan perilaku linier pada rentang frekuensi yang luas dan juga bisa didesain untuk hampir tidak terpengaruh oleh perubahan temperatur yang terjadi pada sistem struktur saat gempa terjadi.Oleh karena itu,jika dengan pemasangan damper didesain agar struktur tetap dalam kondisi elastis saat terjadi gempa,maka perilaku struktur dapat disimpulkan berperilaku elastis linier pada saat mendesain struktur.
Gambar 2.2 fluid viscoelastic devices aplikasi sistem struktur penahan gempa ( Moreschi , 2000 )
13
Universitas Sumatera Utara

Pada aplikasi penggunakan fluid viscoelastic damper untuk sistem struktur penahan gempa,digunakan metode trial and error .Penempatan dari pemasangan damper divariasikan dengan jumlah damper yang dipasang divariasikan sampai mencapai damping ratio yang diinginkan.Cara lain untuk mendesain damper ini juga bisa dilakukan dengan menentukan besaran reduksi terhadap respon struktur yang dikehendaki lalu melakukan analisa terhadap jumlah dan penempatan damper dengan menggunakan prosedur desain optimalisasi.
Gambar 2.3 model linier fluid viscoelastic damper (a) model maxwell ,(b) frekuensi terhadap kekakuan dan parameter damping ,(c) tipikal respon antara gaya dan perpindahan terhadap perbedaan frekuensi ( 1Hz,5Hz,10Hz ) ( Moreschi , 2000 )
14
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.4 Tipe konfigurasi antara damper dan bracing (a) chevron brace,(b) bracing diagonal,(c) toogle-brace damper system ( Moreschi , 2000 )
15
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.5 Model pergeseran struktur dengan damper viscoelastik ( Moreschi , 2000 )
16
Universitas Sumatera Utara

2.3 SOLID VISCOELASTIC DEVICE Solid viscoelastic device bergantung pada mekanisme deformasi akibat gaya
geser dari material polimetrik untuk mendissipasi energi gempa yang masuk kedalam struktur saat gempa besar terjadi.Pemasangan alat ini juga menambah kekakuan struktur secara keseluruhan disamping menambah kemampuan redaman atau damping ratio struktur.Gambar 2.6 menunjukkan tipe solid viscoelastic device yang digunakan untuk merehabilitasi struktur akibat gempa.
Solid viscoelastic device dan fluid viscoelastic device berbeda pada dasarnya dari segi material yang digunakan untuk mendissipasi energi namun dalam hal karakteristik respon siklik terhadap beban yang bekerja,kedua alat ini menunjukkan kesamaan.Respon daripada gaya-perpindahan sangat bergantung kepada kecepatan relatif diantara ujung-ujung dari alat tersebut,frekuensi dan amplitudo dari pergerakan,dan kondisi temperatur yang bekerja mencakup meningkatnya temperatur pada material viscoelastik yang disebabkan oleh beban siklik.Namun,dalam mendesain solid viscoelastic device sangatlah umum diasumsikan bahwa perubahan temperatur pada material sangatlah kecil dan alat ini memikul tingkat gaya regangan menengah sehingga karakteristik daripada gaya dan perpindahan pada alat ini bisa ditunjukkan dengan model persamaan linier.
Asumsi yang digunakan pada desain solid viscoelastic damper adalah model linier sehingga struktur yang didesain tetap dalam kondisi elastis dengan penambahan pemasangan solid viscoelastic device.
Gambar 2.6 tipe solid viscoelastic device untuk struktur penahan gempa ( Moreschi , 2000 )
17
Universitas Sumatera Utara

2.4 FRICTION DEVICES Alat friction device ini memiliki perilaku histeretik yang sama dengan metallic
yielding device.Saat terjadi gempa besar,maka alat ini akan memasuki kondisi daktail dan mendissipasi energi gempa yang masuk melalui gesekan antara 2 buah benda padat.Alat ini juga tidak sensitif terhadap suhu,memilik sifat histeretik yang stabil dan performa yang bagus dalam penggunaannya.Gambar 2.7 menunjukkan skema bentuk friction device dalam aplikasi struktur terhadap gaya gempa.
Walaupun memiliki karakteristik yang sama antara friction device dan metallic yielding device namun secara prinsip dalam mendissipasi energi kedua alat ini memiliki perbedaan.Gaya maksimum yang terjadi pada friction device dikontrol melalui slip load sedangkan gaya maksimum yang terjadi pada metallic yielding device dikontrol melalui yield load atau gaya leleh dan ditambah dengan strain hardening.Secara virtual,batas beban kombinasi yang diinginkan dan perpindahan maksimumnya dapat ditentukan dengan mudah.Namun,dengan mempertimbangkan besarnya batasan beban energi yang terdissipasi (area dibawah kurva gaya-perpindahan) akan menjadi lebih kecil karena tidak adanya serbuan pada alat tersebut saat memasuki rentang inelastis.Pada kasus ini,struktur akan berperilaku sebagai braced-frame.
Pada pembahasan diatas maka dapat terlihat bahwa dalam mendesain friction device yang optimal menunjukkan persamaan masalah yang dihadapi dalam mendesain metallic yielding damper.Saat properti mekanis dari friction device teridentifikasi maka kemudian digunakan model Bouc-Wen kontinu untuk mengestimasi respon siklik dari elemen geser.Peningkatan performa seismik struktur didapat dengan menggabungkan friction device pada struktur dan diukur dengan menggunakan indeks performa yang bervariasi.

18
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.7 tipe friction device untuk struktur penahan gempa (a) Sumitomo friction damper, (b) Pall friction device ( Moreschi , 2000 )
Pada pengaplikasian friction device untuk struktur sebagai peredam energi seismik akibat gempa,Alat ini disambungkan terhadap komponen struktur utama dengan menggunakan bracing.Adapun bentuk perilaku histeretik pada friction device dengan bracing bisa dilihat pada gambar 2.8.
19
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.8 Perilaku histeretik ideal dari friction damper (a) friction damper dengan bracing kaku,(b) Friction device dipasang di flexible support ( Moreschi , 2000 )
20
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.9 Kurva histeretik yang dihasilkan model Bouc-Wen dalam pembebanan sinussoidal untuk nilai frekuensi dan amplitudo deformasi yang berbeda (a) bracing kaku(γ=0.9, β=0.1, η=25, H=1),(b)bracing fleksible(γ=0.9, β=0.1, η=25, H=1) ( Moreschi , 2000 )
21
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.10 Kombinasi dari parameter untuk desain daripada friction damper pada tingkatan yang berbeda (a) Gaya slip dan Rasio kekakuan yang sama ,(b) Gaya slip yang bervariasi dengan rasio kekakuan yang konstan,(c)Gaya slip dan rasio kekakuan yang bervariasi. ( Moreschi , 2000 )
22
Universitas Sumatera Utara

2.5 METALLIC YIELDING DEVICE Metallic yielding device merupakan alat berupa baja yang bekerja dengan
prinsip bahwa saat suatu elemen struktur mengalami kelelehan maka energi yang masuk kedalam struktur terdissipasi dimana alat ini didesain untuk mengalami deformasi inelastis atau kelelehan dan struktur tetap dalam kondisi elastis sehingga struktur secara keseluruhan tetap aman.
Beberapa tipe metallic yielding damper telah dik