KAJIAN PERILAKU STRUKTUR RANGKA BERPENGAKU EKSENTRIK TIPE-D DENGAN INOVASI PENGAKU BADAN PADA ELEMEN LINK TESIS
KAJIAN PERILAKU STRUKTUR RANGKA BERPENGAKU EKSENTRIK TIPE-D DENGAN INOVASI PENGAKU BADAN PADA ELEMEN LINK TESIS OLEH P A R M A N 057 016 015/TS FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
KAJIAN PERILAKU STRUKTUR RANGKA BERPENGAKU EKSENTRIK TIPE-D DENGAN INOVASI PENGAKU BADAN PADA ELEMEN LINK TESIS Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik dalam Program Studi Magister Teknik Sipil pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara OLEH P A R M A N 0570016015/TS FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
Judul Tesis : KAJIAN PERILAKU STRUKTUR RANGKA BERPENGAKUEKSENTRIKTIPE-D DENGAN
INOVASI PENGAKU BADAN PADA ELEMEN LINK Nama Mahasiswa : P a r m a n Nomor Pokok : 057 016 015/TS Program Studi : Teknik Sipil
Menyetujui :
Komisi Pembimbing
( Dr. Ir. Yurisman, MT ) ( Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT ) Ketua Anggota Ketua Program Studi Dekan( Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE ) ( Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME )
Tanggal Lulus : 31 Januari 2013Telah Diuji Pada Tanggal : 31 Januari 2013 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Dr. Ing. Hotma Panggabean 2. Prof. Dr. Ir. Bachrian Lubis, M.Sc.
3. Ir. Rudi Iskandar, MT
4. Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT
5. Ir. Sanci Barus, MT
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Kajian Perilaku Struktur Rangka Berpengaku Eksentrik Tipe-D Dengan Inovasi Pengaku Badan Pada Elemen Link” ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi. Sepanjang pengetahuan saya juga, tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali yang secara tertulis diakui dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Medan, Januari 2013 P a r m a n
057016015/TS
ABSTRAK
Tesis ini menyajikan hasil studi numerik pada struktur rangka baja berpengaku eksentrik dengan menggunakan link geser standar AISC (LSTD AISC), link geser dengan pengaku badan diagonal (LD) dan link geser dengan pengaku badan vertical diagonal (LVD). Penelitian ini bertujuan untuk meneliti perilaku struktur rangka baja berpengaku eksentrik dengan menggunakan ketiga model link geser tersebut di bawah pembebanan statik monotonik dan siklik dengan control perpindahan, riwayat pembebanan yang diberikan dalam pengujian ini sesuai dengan standar pembebanan AISC 2005. Analisis dilakukan dengan pendekatan elemen hingga non-linier dengan menggunakan perangkat lunak computer MSC/NASTRAN. Struktur dimodelkan sebagai elemen shell yang ditumpu pada kedua ujung bawah kolom. Kemudian pembebanan diberikan pada salah satu pertemuan balok dan kolom. Dengan adanya pembebanan, maka pada struktur terjadi translasi dalam satu arah (arah pada sumbu–x). Perilaku struktur rangka baja berpengaku eksentrik menggunakan link geser dengan pengaku badan diagonal dibandingkan dengan perilaku struktur rangka baja berpengaku eksentrik menggunakan link geser standar sesuai dengan ketentuan AISC 2005. Hasil analisis menunjukkan bahwa struktur rangka baja berpengaku eksentrik menggunakan link geser dengan pengaku badan diagonal dapat meningkatkan kinerja dalam hal: kekuatan, kekakuan dan disipasi energy dalam menahan beban lateral. Tetapi dalam hal nilai daktilitas antara struktur rangka baja berpengaku eksentrik menggunakan link geser dengan pengaku badan diagonal dan struktur rangka baja berpengaku eksentrik menggunakan link geser standar sesuai dengan ketentuan AISC 2005 perbedaannya tidak begitu signifikan.
Kata-kata kunci: Link geser, kekuatan, kekakuan, disipasi energi, daktilitas, beban static monotonik, beban siklik.
ABSTRACT
This thesis studies the performance of eccentrically braced frame (EBF) of steel
structure by using the AISC standard shear link (LSTD AISC), the diagonal web
stiffener shear link (LD) and the vertical diagonal web stiffener shear link (LVD).
To investigate the behavior of eccentrically braced frame (EBF) of steel structure is
by modeling the shear links above under the static monotonic and the cyclic loading
displacement control. The loading history is applied to the model structure
accordance with standard of AISC 2005. The Non-Linier Finite Element Method is
also applied using the computer software of MSC/NASTRAN. The Structure is
modeled as a shell element which is fixed at the end of each column bottom. Then a
load is applied at one of the joint of a beam and a column. As a result of this load,
there exists a horizontal displacement (in the x-direction) on the structure. The
behavior of the eccentrically braced frame (EBF) of steel structure by using the
diagonal web stiffeners is compared to the behavior of the eccentrically braced frame
(EBF) of steel structure by using the shear link designed in accordance with the AISC
2005. The result of analysis shows that the eccentrically braced frame (EBF) of steel
structure by using the diagonal web stiffener increases the performance in terms of
strength, stiffness, energy dissipation to resist lateral load. However, in terms of
ductility value between of the eccentrically braced frame (EBF) of steel structure by
using the diagonal web stiffeners with the eccentrically braced frame (EBF) of steel
structure by using the shear link designed in accordance with the AISC 2005 is not
significant of the difference.
Keywords: Shear link, strength, stiffness, energy dissipation, ductility, static
monotonic load, cyclic load.
KATA PENGANTAR
Bismilahirrahmanirrahim. Puji dan syukur panulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena berkat karunia dan ridho-Nya penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul “Kajian Perilaku Struktur Rangka Berpengaku Eksentrik Tipe-D Dengan Inovasi Pengaku Badan Pada Elemen Link” dengan baik dan lancar sebagai suatu syarat untuk menyelesaikan pendidikan di Program Magister Teknik Sipil, Konsentrasi.
Tesis ini membahas tentang kajian perilaku rangka baja berpengaku eksentrik tipe-D dengan inovasi pengaku badan pada elemen link. Kajian dilakukan secara numerik dengan bantuan perangkat lunak program komputer MSC NASTRAN.
Dalam proses penelitian serta penyusunan tesis ini, penulis banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak baik secara moril maupun materil. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada:
Bapak Dr. Ir. Yurisman, M.T. sebagai dosen pembimbing I dan Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T. sebagai dosen pembimbing II, yang telah banyak memberikan bimbingan serta masukan dalam menyelesaikan tesis ini.
Bapak Dr. Ing. Hotma Panggabean, Bapak Prof. Dr. Ing. Ir. Johannes Tarigan, Bapak Prof. Dr. Ir. Bachrian Lubis, M.Sc, Bapak Ir. Sanci Barus M.T. dan Bapak Ir. Rudi Iskandar, M.T., selaku dosen pembanding dan penguji yang telah memberikan masukan dan saran demi perbaikan tesis ini, serta seluruh dosen-dosen di Magister Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Orangtuaku, kakak dan adikku tercinta terima kasih atas dukungan serta do’anya. Khusus isteriku tercinta terima kasih atas kesabarannya dan anak-anakku tercinta terima kasih atas do’anya.
Teman-teman seperjuangan di Magister Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara serta staf administrasi di Magister Teknik Sipil yang telah membantu kelancaran administrasi selama penulis menempuh pendidikan hingga selesai.
Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu penulis dalam penyelesaian tesis ini. Penulis menyadari adanya keterbatasan dalam menyelesaikan tesis ini sehingga masih banyak kekurangan yang dirasakan. Dengan demikian kritikan dan saran yang bersifat membangun diharapkan untuk perbaikan penulisan tesis ini. Akhir kata penulis berharap tesis ini dapat bermanfaat bagi semua pembacanya.
Medan, Januari 2013 P a r m a n
057016015/TS
A. DATA PRIBADI
Nama : P a r m a n Tempat/Tanggal Lahir : Sumedang / 03 Agustus 1961 Alamat : Jl. Setia Budi Pasar I, Gg. Pribadi I No. 1A
Tanjung Sari Medan Email Jenis Kelamin : Laki - laki Status : Sudah Kawin Agama : Islam
B. RIWAYAT PENDIDIKAN
1968 – 1974 : SD Negeri Jambu Sumedang 1974 – 1977 : ST Negari II Sumedang 1977 – 1981 : STM Negeri Sumedang 1984 – 1987 : Politeknik Negeri Bandung Konsentrasi
Bangunan Gedung 1996 – 1999 : Institut Teknologi Bandung 2005 – 2013 : Universitas Sumatera Utara, Fakultas Teknik
Program Studi Magister Teknik Sipil Konsentrasi Struktur Bangunan 1983 – sekarang : Staf Pengajar di Politeknik Negeri Medan
(POLMED)
DAFTAR ISI Halaman
ABSTRAK ................................................................................................................... i ABSTRACT..................................................................................................................ii KATA PENGANTAR .................................................................................................iii PERNYATAAN ..................................................................................................... v RIWAYAT HIDUP.....................................................................................................vi DAFTAR ISI ..............................................................................................................vii DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................xi DAFTAR TABEL .....................................................................................................xiv DAFTAR NOTASI ....................................................................................................xv
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ................................................................................ 1
1.2 Tujuan Penelitian ............................................................................ 3
1.3 Ruang Lingkup Permasalahan ......................................................... 3
1.4 Metodologi Penelitian……………………..……………………….. 4
1.5 Sistematika Penulisan……………………………………………… 5
BAB II STUDI PUSTAKA ................................................................................... 6
2.1 Baja ................................................................................................ 6
2.2 Sistem Rangka Baja Penahan Gempa .............................................. 8
2.4 Elemen Link ................................................................................. .13
2.4.1 Beberapa Penelitian Tentang Link ....................................... 14
2.4.2 Perencanaan Link ................................................................ 16
2.4.3 Pengaku Link (Link Stiffner)................................................ 19
2.4.4 Pengaruh Panjang Link..........................................................22
2.4.5 Elemen Struktur di Luar Link .............................................. 23
2.4.5.1 Pengaku (bresing) ............................................... 23
2.4.5.2 Balok (beam)....................................................... 23
2.4.5.3 Kolom (column) .................................................. 24
2.5 Daktilitas Struktur……..…………..………………….…………....24
2.6 Energi Hysteresis………………………...………………………....26
2.7 Metode Elemen Hingga……………………...……………………...27
2.7.1 Penyelesaian Masalah Nonlinier……………….………......28
2.7.2 Metode Iterasi……………………………………………… 29
2.7.3 Metode Full Newton Rhapson……………………………...30
2.7.4 Metode Modified Newton Rhapson………………………...32
2.8 Kriteria Kelelehan………………………..…………………...........33
2.9 Tegangan-tegangan Utama……………………………..…………..35
2.10 Regangan……………………………………………………….......38
2.11 Hubungan Tegangan - Regangan…………………………...……...39
2.11.1 Elastic - Perfectly Plastic Model……...……………....…..41
2.11.2 Elastic Linearly Hardening Model………………...…….. 41
2.11.3 Elastic Exponential Hardening Model…...………….. …..41
2.11.4 Ramberg - Osgood Model………………………………...42
BAB III METODOLOGI PENELITIAN................................................................ 43
3.1 Dasar Pemodelan Struktur .............................................................. 43
3.2 Pemodelan Material ....................................................................... 47
3.3 Pemodelan Elemen Penampang IWF……………………………....48
3.4 Pemodelan Struktur…………………...…………………………....49
3.5 Pemodelan Pembebanan…………………………………………... 52
3.6 Variasi Pemodelan Struktur……………………………………….. 55
3.7 Kajian Secara Numerik……………………………………………. 56
3.8 Hasil Analisis Kajian Numerik……………………………………. 57
3.9 Metode Analisis dan Pengolahan Data……………………………. 58
3.9.1 Analisis Terhadap Parameter Kekuatan (Strength)…………..58
3.9.2 Analisis Terhadap Parameter Kekakuan (stiffness)............... 59
3.9.3 Analisis Terhadap Parameter Daktilitas (Ductility)..............59
3.9.4 Analisis Terhadap Parameter Dissipasi Emergi (Energy
Disspation) ......................................................................... 59
BAB IV ANALISIS DATA......................................................................................60
4.1 Umum................................................................................................60
4.2 Perilaku Struktur Terhadap Beban Monotonik.................................61
4.3 Kontur Tegangan pada Struktur........................................................63
4.4 Analisis Dengan Beban Siklik..........................................................67
4.5 Perbandingan Analaisis Siklik Sistem Struktur Dengan Variasi Model Link Geser............................................................................. 71
4.5.1 Kekuatan (Strength)............................................................... 71
4.5.2 Kekakuan (Stiffness)...............................................................73
4.5.3 Energi Dissipasi (Energy Dissipation)................................... 74
4.5.4 Daktilitas (Ductility).............................................................. 81
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...................................................................84
5.1 Kesimpulan ....................................................................................... 84
5.2 Saran.................................................................................................. 85 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A KURVA TEGANGAN REGANGAN MATERIAL LAMPIRAN B KONTUR TEGANGAN VON MISES PADA STRUKTUR AKIBAT BEBAN MONOTONIK LAMPIRAN C CONTOH PERHITUNGAN DISAIN LINK, BEAM OUTSIDE
LINK, BRACING DAN COLUMN
DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Hala man
Tegangan-Regangan (Bruneau dkk 1998) 2.1 Kurva Hubungan Baja , .
7
2.2 Tiga Tipe Rangka Baja Penahan Gempa (Yurisman, 2010)
8
2.3 Diagram Beban-Perpindahan Sistem Rangka Baja (Meostopo, M dkk. 2006)
10
2.4 Konfigurasi Bracing Pada Sistem EBF (AISC 2005)
11
2.5 Sudut Rotasi Link (AISC 2005)
12
2.6 Gaya-gaya pada Elemen Link (Yurisman, dkk. 2010)
14
2.7 Hubungan Panjang Link Dengan Sudut Rotasi
17
2.8 Contoh Detail Pengaku Link (Link Stiffener) (AISC 2005)
20
2.9 Penentuan Perpindahan pada Saat Leleh Pertama Terjadi y )
26
(Δ
2.10 Energi Histeresis : a) Siklik Sebagian dan b) Siklik Penuh
27
2.11 Metode Full Newton-Raphson
31
2.12 Metode Modified Newton-Raphsonn
33
2.13 T n n (Teori Elastisitas, Amrinsyah Nasution)
35 Berimpit σ
2.14 Kenaikan Tegangan dan Regangan (Structural Plasticity, Chen, W. F dkk)
39
3.1 Pemodelan Struktur Bangunan SRBE 3 Lantai
44
3.2 Konfigurasi Struktur Dalam Program MSC NASTRAN
46
3.3 Kurva Tegangan-Regangan Hasil Uji Tarik Baja
47
3.4 Pemodelan Elemen Penampang IWF Dalam Program MSC NASTRAN
48
3.5 Penampang IWF Sebagai Elemen Shell
49
3.6 Pola Meshing Portal Struktur EBF Dalam Program MSC NASTRAN
50
3.7 Model Sambungan: a) Kolom dan Bracing dan b) Balok dan
Bracing
51
3.8 Model Sambungan: a) Kolom dan Balok dan b) Kolom dan Link
51
3.9 Pemodelan Pembebanan Dalam Program MSC NASTRAN
52
3.10 Model Riwayat Pembebanan Siklik (AISC 2005)
55
3.11 Struktur EBF Mengalami Beban Perpindahan Dalam Program MSC NASTRAN
57
4.1 Perbandingan Kinerja Link Geser dengan Pengaku Badan Diagonal dan Link Geser Standar AISC, untuk Kondisi Tarik
62
4.2 Perbandingan Kinerja Link Geser dengan Pengaku Badan Diagonal dan Link Geser Standar AISC, untuk Kondisi Tekan
62
4.3.a Kontur Tegangan Von Mises Link Geser Standar AISC, pada Saat Pembebanan Maksimum dan Saat Terjadi Keruntuhan pada Bagian Badan Link
65 4.3.b Kontur Tegangan Von Mises Link Geser dengan Pengaku Diagonal Badan, Tebal Plat Pengaku 6 mm, pada Saat Pembebanan Maksimum dan Saat Terjadi Keruntuhan pada Bagian Badan Link
66 4.3.c Kontur Tegangan Von Mises Link Geser dengan Pengaku Vertikal Diagonal Badan, Tebal Plat Pengaku 6 mm, pada Saat Pembebanan Maksimum dan Saat Terjadi Keruntuhan pada Bagian Badan Link
67
4.4 Kurve Hysteretic Gabungan, Struktur Menggunakan LSTD AISC, LVD dan LD, Tebal Plat Pengaku Badan 6 mm
69 4.5a Kurve Hysteretic Struktur Menggunakan Link Standar AISC,
Tebal Pengaku Badan 6 mm
70 4.5b Kurve Hysteretic Struktur Menggunakan Link Geser dengan
Pengaku Badan Vertikal Diagonal, Tebal Pengaku Badan 6 mm
70 4.5c Kurve Hysteretic Struktur Menggunakan Link Geser dengan
Pengaku Badan Diagonal, Tebal Pengaku Badan 6 mm
71
4.6 Perbandingan Nilai Kekuatan Geser Tiga Model Benda Uji
73 Link Geser pada Kondisi Tarik (a) dan Kondisi Tekan (b)
4.7 Perbandingan Nilai Kekakuan Sekan Tiga Model Benda Uji
75 Link Geser pada Kondisi Tarik (a) dan Kondisi Tekan (b)
4.8 Kurva energy hysteretic: a) Load step satus, b) Load step dua,
c) Load step tiga, d) Load step empat, e) Load step lima, struktur menggunakan link geser standar AISC, untuk setiap 76 tahap pembebanan.
4.9 Kurva energy hysteretic: a) Load step satu, b) Load step dua,
c) Load step Tiga, d) Load step empat, struktur menggunakan link geser dengan pengaku badan diagonal, untuk setiap tahap pembebanan.
79
4.10 Kurva energy hysteretic: a) Load step satu, b) Load step dua, c) Load step tiga, d) Load step empat, e) Load step lima, struktur menggunakan link geser dengan pengaku badan vertical diagonal, untuk setiap tahap pembebanan.
79
4.11 Perbandingan Kemampuan Energi Dissipasi Tiga Model Benda Uji Link Geser
82 A.1 Kurva Tegangan versus Regangan
B.1 Kontur Tegangan Von Mises Struktur Menggunakan Link Geser Standar AISC, pada Kondisi Beban Maksimum
B.2 Kontur Tegangan Von Mises Struktur Menggunakan Link Geser dengan Pengaku Badan Diagonal, pada Kondisi Beban Maksimum.
B.3 Geser dengan Pengaku Badan Vertikal Diagonal, pada Kondisi Beban Maksimum
DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman
2.1 Kategori Link Berdasarkan Strengh Ratio
17
2.2 Klasifikasi Jarak Pengaku Badan Antara/Intemediate
21 Sttifener
3.1 Dimensi Penampang Elemen Struktur
45
4.1 Perbandingan Nilai Beban Maksimum dan Perpindahan Maksimum Link Geser dengan Pengaku Badan Diagonal dan Link Geser Standar AISC
64
4.2 Model Link Geser untuk Analisis Beban Siklik
68
4.3 Perbandingan Nilai Kekuatan Geser Tiga Model Benda Uji
72
4.4 Perbandingan Nilai Kekakuan Geser Tiga Model Benda
74 Uji
4.5 Perbandingan Nilai Energi Dissipasi Tiga Model Benda Uji Link Geser
81
4.6 Perbandingan Nilai Daktilitas Tiga Model Benda Uji Link
84 Geser A.1 Data Kurva Tegangan versus Regangan DAFTAR NOTASI A
w
F
nw
= Beban Terfaktor Persatuan Panjang R
u
= Momen Plastis Yang Berkerja Yang Menyebabkan Plastifikasi Py = Gaya Aksial Nominal R
M p Pu = Gaya Aksial Yang Dijinkan
L = Lebar Bentang (bay width) = Kekakuan Plastis
P
K =Kekakuan Elastis
e
K
h = Tinggi lantai (story height) = Tegangan Ultimit
u
F = Tegangan Leleh
= Tegangan Tarik Putus Bahan Dasar y
f u
a = Jarak Antara Pengaku (Stiffner) = Luas Penampang Badan (Web)
= Energi Pada Saat Leleh Pertama
= Energi Pada Saat Ultimit E y
u
= Regangan Pada Saat Leleh Pertama E
= Regangan Pada Saat Ultimit ε y
u
ε
p = Modulus Plastis.
= Modulus Tangensial E
t
E = Modulus Young E
e = Panjang Link (Link Length)
= Kenaikan Tegangan Yang Bersesuaian = Kedalaman Profil Balok (Beam)
Ag = Luas Penampang d b dσ
= Tahanan Nominal Las Persatuan Panjang t f = Ketebalan Sayap (flange) t w b = Ketebalan Badan (web)
f
h = Lebar Sayap
t
r = Tinggi Total Profil
x
r = Radius Girasi Arah Sumbu x
y
Z = Radius Girasi Arah Sumbu y
x
Z = Modulus Penampang Arah Sumbu x
y
I = Modulus Penampang Arah Sumbu y
x
I = Momen Inersia Arah Sumbu x
y
= Momen Inersia Arah Sumbu y