Kajian Indeks Kerusakan Pada Struktur Bangunan Baja Berdasarkan Pendekatan Energi Akibat Gempa Kuat
KAJIAN INDEKS
SK
KERUSAKAN PADA STRUKTUR BANGUNAN
BA
BAJA BERDAS
ASARKAN PENDEKATAN ENERGI AKIBAT
AK
GEMPA KUAT
TESIS
Oleh
ASR
SROI BENNY NOOR HARAHAP
117016011/TS
FAKULTAS TEKNIK
UNIV
NIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
KAJIAN INDEKS KERUSAKAN PADA STRUKTUR BANGUNAN
BAJA BERDASARKAN PENDEKATAN ENERGI AKIBAT
GEMPA KUAT
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik
Dalam Program Studi Teknik Sipil
Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh
ASROI BENNY NOOR HARAHAP
117016011/TS
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
Judul Tesis
: KAJIAN
INDEKS
KERUSAKAN
STRUKTUR
BANGUNAN
BERDASARKAN
PENDEKATAN
PADA
BAJA
ENERGI
AKIBAT GEMPA KUAT
Nama Mahasiswa
: Asroi Benny Noor Harahap
Nomor Pokok
: 117016011
Program
: Teknik Sipil
Menyetujui:
Komisi Pembimbing
(Dr. Ing. Hotma Panggabean)
Ketua
Ketua Program Studi
(Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE)
(Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT)
Anggota
Dekan
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)
Tanggal Lulus: 3 Juli 2014
Universitas Sumatera Utara
Telah diuji pada
Tanggal 3 Juli 2014
PANITIA PENGUJI TESIS
KETUA
: Dr. Ing. Hotma Panggabean
ANGGOTA
: Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT
Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan
Ir. Sanci Barus, MT
Ir. Rudi Iskandar, MT
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Kajian Indeks Kerusakan Pada
Struktur Bangunan Baja Berdasarkan Pendekatan Energi Akibat Gempa Kuat”
adalah karya saya dan belum pernah diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan
tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutif dari karya yang
diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam tesis ini dan dicantumkan dalam
daftar pustaka.
Medan, 3 Juli 2014
Asroi Benny Noor Harahap
117016011/TS
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Setiap struktur yang terbuat dari material apapun memiliki batas kekuatan
mekanik. Hal ini dijelaskan oleh berbagai teori, dimana digambarkan dalam grafik
stress-deformation bahwa material akan runtuh akibat pemberian beban yang
melebihi kekuatan batasnya. Diketahui selama umur layan bangunan, struktur
mengalami kerusakan, seperti yang diakibatkan oleh beban gempa. Kerusakankerusakan ini mengakibatkan perubahan dalam sifat-sifat dari sistem struktur.
penggunaan indeks kerusakan memungkinkan kuantifikasi kerusakan. Drift atau
Inter-story drift secara umum digunakan sebagai kriteria untuk melihat perilaku
struktur akibat gempa. Namun, beberapa penelitian menyatakan bahwa kumulatif
deformasi plastis lebih kuat pengaruhnya dibandingkan dengan drift dan inter-story
drift dalam tingkat kerusakan struktur. Kumulatif deformasi plastis dapat
dipertimbangkan melalui konsep energi, khususnya melalui plastis dissipasi histeresis
energi demand.
Dalam tesis ini akan dibahas indeks kerusakan berdasarkan energi, dimana
ada dua persamaan yang digunakan yaitu persamaan Boz rquez dan Cosenza. Model
bangunan yang digunakan ada 3 jenis yaitu SMRF 4, SMRF 7, dan SMRF 10. Ketiga
bangunan ini akan di analisa terhadap 4 gempa, dimana gempa-gempa tersebut
diskalakan terhadap gempa rencana yang sesuai dengan peta gempa Indonesia 2010.
Dari penelitian yang dilakukan, dapat dilihat bahwa indeks kerusakan
berhubungan langsung dengan enegi masuk terhadap struktur. Nilai indeks kerusakan
terbesar untuk persamaan Boz rquez pada SMRF 4 sebesar 0.147 (rusak ringan),
SMRF 7 sebesar 0.079 (rusak ringan), dan SMRF 10 sebesar 0.154 (rusak ringan),
ketiga bangunan tersebut dipengaruhi oleh gempa Kobe. Untuk persamaan Cosenza,
pada SMRF 4 sebesar 0.170 (rusak ringan), SMRF 7 sebesar 0.176 (rusak ringan),
dan SMRF 10 sebesar 0.260 (rusak sedang), ketiganya diakibatkan oleh gempa Kobe.
Kata kunci : indeks kerusakan, konsep energi, gempa
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Every structure which is made from any materials has mechanic strength
limitation. This is explained by many theories as it is described in the graph of stressdeformation that material will fall down because its load has exceeded its strength
limitation. It is known that during a structure serving age, the structure undergoes
damage such as it is caused by earthquake. These damages bring about the change in
the nature of the structural system, and the use of damage index enables the quantity
of damage. Drift or inter-story drift is generally used as the criteria for finding out
the structure behavior which has caused by earthquake. However, some researches
have found that the cumulative plastic deformation has more significant influence
than drift or inter-story drift in the level of structural damage. The cumulative plastic
deformation can be considered through the concept of energy, especially through
plastic dissipation hysteresis energy demand.
This thesis analyzed damage index, based on energy in which there were two
equations were used: Bozórquez equation and Cosenza equation. There were three
types of structure model: SMRF 4, SMRF 7, and SMRF 10. These three structures
would be analyzed in four earthquakes in which the earthquakes were scaled against
planned earthquakes, according to earthquake mapping in Indonesia in 2010.
The result of the research showed that damage index was directly correlated
with incoming energy on structure. The biggest value of damage index for Bozórquez
equation in SMRF 4 was 0.147 (lightly damaged), in SMRF 7 was 0.079 (lightly
damaged), and in SMRF 10 was 0.154 (lightly damaged). The three structures were
affected by Kobe earthquake. For Cosenza equation, in SMRF 4 was 0.170 (lightly
damaged), in SMRF 7 was 0.176 (lightly damaged), and in SMRF10 was 0.260
(moderately damaged). The three structures were affected by Kobe earthquake.
Keywords: Damage Index, Energy Concept, Earthquake
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Bismillahirrohmanirrohim, dengan mengucapkan Alhamdulillahi robbil alamin
dan Puji Syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan bimbingan-Nya
sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan baik yang merupakan salah
satu syarat untuk menyelesaikan program Magister pada bidang Rekayasa Struktur,
Program Studi Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara.
Tesis ini yang berjudul “Kajian Indeks Kerusakan Pada Struktur Bangunan
Baja Berdasarkan Pendekatan Energi Akibat Gempa Kuat” disusun penulis
dengan harapan bukan hanya sebagai syarat untuk menyelesaikan program S2 tetapi
dapat juga bermanfaat untuk meningkatkan pengetahuan para pembaca khususnya
dalam dunia teknik sipil.
Penulis menyadari bahwa tesis ini bukanlah semata-mata karena kehebatan
penulis. Banyak pihak yang telah banyak menyumbangkan tenaga dan pikiran dalam
menyelesaikan tesisi ini, terutama kepada kedua orangtua saya.
Selain itu, saya juga mengucapkan terimakasih kepada Bapak Prof. Dr. dr.
Syahril Pasaribu. DTM & H. M.Sc (CTM), Sp.A(k) selaku Rektor Universitas
Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas
Teknik, dan Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE selaku Ketua program Studi
Magister Teknik Sipil.
Penulis juga mengucapkan terimakasih banyak kepada Bapak Dr. Ing. Hotma
Panggabean dan Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT sebagai pembimbing yang telah
memberikan masukan yang sangat berharga dalam penulisan ini, Bapak Prof. Dr. Ing.
Johannes Tarigan dan Bapak Ir. Sanci Barus, MT sebagai dosen penguji, Bapak Ir.
Rudi Iskandar, MT sebagai Sekretaris Program Studi Magister Teknik Sipil dan
seluruh Staff Pengajar program studi Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara yang
telah memberikan dukungan, masukan, waktu, tenaga dan pikiran dalam
menyelesaikan tesis ini. Serta Bapak Yun Ardi yang telah memberikan banyak
iii
Universitas Sumatera Utara
bantuan demi kelancaran administrasi selama menjalani pendidikan di Magister
Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
Untuk kedua orangtua saya Ayahanda Khoiruddin Hrp dan Ibunda tercinta
Nurmala Srg serta kedua mertua saya Imron Srg dan Rosmala Hrp yang telah
memberikan doa serta dukungannya. Kepada istri tercinta Rinawaty Siregar, SKM
terimakasih atas doa dan dukungannya. Untuk kedua kakak saya Nita Irmayani Hrp,
SPd dan Neny Asnizar Hrp, SPd dan seluruh rekan-rekan seangkatan 2011. Kepada
mereka semua, teman, rekan, kenalan dan saudara-saudara yang lain, yang tidak
sempat disebutkan satu persatu, tidak ada yang dapat kami berikan sebagai balasan
yang setimpal, kecuali hanya doa, semoga Allah SWT memberi berkat dan
perlindungan-Nya, diberi-Nya umur panjang, kesejahteraan lahir dan batin, dan
dipenuhi oleh rasa syukur di hatinya selama kehidupan di dunia.
Penulis menyadari bahwa tesis ini masih jauh dari sempurna, yang disebabkan
keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. untuk itu, penulis
sangat
mengharapkan
kritik
dan
saran
yang
sifatnya
membangun
demi
kesempurnaannya. Akhir kata saya mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya
dan semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi para pembaca.
Medan, 3 Juli 2014
Penulis
Asroi Benny Noor Harahap
117016011/TS
iv
Universitas Sumatera Utara
RIWAYAT HIDUP
A. DATA PRIBADI
Nama
: ASROI BENNY NOOR HARAHAP
Tempat/Tgl Lahir : Gunungtua Tonga, 22 Desember 1986
Alamat
: Jl.Nagasati No.72 Gunungtua, Kec. Padang Bolak,
Kab. Padang Lawas Utara
Email
: asroyhrp@gmail.com
Agama
: Islam
Jenis Kelamin
: Laki-laki
B. RIWAYAT PENDIDIKAN
1996 – 1999
: SDN 2 Padang Bolak
1999 – 2002
: SMPN 1 Padang Bolak
2002 – 2005
: SMAN 1 Padang Bolak
2005 – 2010
: Fakultas Teknik Jurusan Teknik Sipil USU
2011 – 2014
: Magister Teknik Sipil Program Pasca Sarjana USU
C. RIWAYAT PEKERJAAN
2010 – 2011
: PT.Diagram Consultant
: PT. Rekayasa Damper Pratama Consultant
: Lembaga Pendidikan Keterampilan Paulin
2011 – 2012
: PT. Barata Indonesia
2012 – 2013
: PT. Bumi Torant Kencana
2013 – 2014
: KSO PT. Citrakaton Dwitama dan PT. Putra Gunung Mandiri
v
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN...................................................................................
PERNYATAAN.....................................................................................................
ABSTRAK ............................................................................................................
i
ABSTRACT ..........................................................................................................
ii
KATA PENGANTAR ........................................................................................... iii
RIWAYAT HIDUP................................................................................................ v
DAFTAR ISI .........................................................................................................
vi
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. x
DAFTAR TABEL .................................................................................................
xii
DAFTAR NOTASI ................................................................................................ xiv
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................
1
1.1 Latar belakang ..................................................................................
1
1.2 Permasalahan ....................................................................................
2
1.3 Tujuan Penelitian ..............................................................................
3
1.4 Pembatasan Masalah ........................................................................
4
1.5 Sistematika Penulisan .......................................................................
5
BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................. 7
2.1 Konsep Dasar Metode Energi ...........................................................
7
2.1.1 Persamaan Energi ...................................................................
8
vi
Universitas Sumatera Utara
2.1.2 Prosedur Menghitung Energi Masuk ......................................
12
2.1.3 Pengaruh Karakter Gerakan Tanah Pada Spektra Energi .......
14
2.1.4 Pengaruh Properties Struktur Pada Spektra Energi ................
15
2.2 Kerusakan Pada Struktur ..................................................................
15
2.3 Indeks Kerusakan ..............................................................................
17
2.3.1 Indeks Kerusakan Roufaiel dan Meyer ................................... 18
2.3.2 Indeks Kerusakan Park - Ang .................................................
18
2.3.3 Indeks Kerusakan Zahrah dan Hall ......................................... 20
2.3.4 Indeks Kerusakan Hwang dan Scribner ..................................
21
2.3.5 Indeks Kerusakan Cosenza .....................................................
23
2.3.6 Indeks Kerusakan Boz rquez .................................................
24
2.4 Energi dan Distribusi Kerusakan pada Struktur Baja .......................
29
2.5 Energi Histeresis ...............................................................................
31
2.5.1 Energi Histeresis Demand ......................................................
32
2.6 Karakteristik Gempa .........................................................................
33
2.6.1 Percepatan Puncak Tanah .......................................................
33
2.6.2 Durasi Gempa .........................................................................
34
2.7 Getaran Gempa .................................................................................
35
2.8 Penskalaan Gempa ............................................................................
37
2.8.1 Skala PGA (Peak Ground Acceleration).................................
37
2.8.2 Skala Ordinat ..........................................................................
38
2.8.3 Least Square ............................................................................ 38
2.8.4 Partial Area .............................................................................
39
vii
Universitas Sumatera Utara
2.8.5 PSa ..........................................................................................
39
2.8.6 ASCE-7 ...................................................................................
39
2.8.7 Spectrum Matching .................................................................
40
2.9 Accelerogram ....................................................................................
40
BAB III PROSEDUR ANALISIS......................................................................
42
3.1 Modelisasi Struktur ...........................................................................
42
3.2 Input Data .........................................................................................
46
3.2.1 Dimensi Struktur .....................................................................
46
3.2.2 Beban Struktur ........................................................................
47
3.2.3 Properti Material .....................................................................
47
3.3 Prosedur Analisa ...............................................................................
47
3.4 Persyaratan Perencanaan Struktur Baja ............................................
48
3.4.1 Waktu Getar Alami .................................................................
49
3.4.2 Kinerja Batas Layan ................................................................ 50
3.4.3 Kinerja Batas Ultimit ..............................................................
50
3.5 Analisa Struktur dan Modeling .........................................................
51
BAB IV ANALISA DAN PEMODELAN STRUKTUR ..................................
52
4.1 Perencanaan Struktur ........................................................................
52
4.2 Penskalaan Gempa dengan SeismoMatch ........................................
56
4.2.1 Loading dan spectral matching dari akselerogram .................
57
4.2.2 Memuat Akselerogram Time History .....................................
58
viii
Universitas Sumatera Utara
4.2.3 Mendefinisikan Target Spektrum ...........................................
59
4.2.4 Spectral Matching ..................................................................
61
4.3 Modelisasi Struktur dengan Abaqus .................................................
62
4.3.1 Preprocessing (Abaqus CAE)..................................................
63
4.3.2 Simulasi...................................................................................
67
4.3.3 Post Processing .......................................................................
68
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................
69
5.1 Perencanaan Struktur ........................................................................
69
5.2 Accelerogram dan Respon Spektrum Design ...................................
70
5.3 Inter-story Drift .................................................................................
71
5.4 Energi Masuk dan Energi Histeresis Demand ..................................
74
5.5 Karakteristik Struktur .......................................................................
79
5.6 Indeks Kerusakan Boz rquez ...........................................................
80
5.7 Indeks Kerusakan Cosenza ...............................................................
85
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN.............................................................
86
6.1 Kesimpulan .......................................................................................
86
6.2 Saran .................................................................................................
87
DAFTAR PUSTAKA
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
No
Judul
Halaman
2.1
Idealisasi model matematis SDOF (a) absolut dan (b) relatif...................
10
2.2
Idealisasi model matematis MDOF (a) absolut dan (b) relatif ..................
11
2.3
Pengertian parameter model Park-Ang, (a) histeresis lentur
dan (b) hysteresis torsi ...............................................................................
2.4
20
Pengertian parameter model Hwang dan Scribner (a) histeresis lentur
dan (b) histeresis torsi ................................................................................
23
2.5
Pengertian Vy dan uy dari kurva kapasitas ................................................
24
2.6
Pengertian rotasi plastis komulatif .............................................................
26
2.7
Evaluasi Cy dan Dy .................................................................................... 28
2.8
Rotasi plastis komulatif struktur baja (Akbas 1997) .................................. 29
3.1
Steel Moment Resisting Frame (SMRF 10) ............................................... 44
3.2
Steel Moment Resisting Frame (SMRF 7) ................................................. 45
3.3
Steel Moment Resisting Frame (SMRF 4) ................................................. 46
3.4
Diagram alir proses analisa ........................................................................
48
4.1
Input file SeimoMatch ..............................................................................
59
4.2
Diagram alir proses running Abaqus .........................................................
63
4.3
Viewport awal Abaqus CAE 6.10-1 ........................................................... 64
4.4
Viewport part Abaqus CAE 6.10-1 ............................................................
4.5
Viewport mesh Abaqus CAE 6.10-1 .......................................................... 67
64
x
Universitas Sumatera Utara
4.6
Hubungan kerja Preprocessor, Solver dan Postprocessor .........................
68
5.1
Deskripsi Bangunan ..................................................................................
69
5.2
Hasil Skala Respon Spektrum ...................................................................
71
5.3
Grafik Interstory drift – Lantai pada SMRF 4............................................
73
5.4
Grafik Interstory drift – Lantai pada SMRF 7............................................
73
5.5
Grafik Interstory drift – Lantai pada SMRF 10..........................................
74
5.6
Time history Ei dan Eh total pada SMRF 4................................................
75
5.7
Time history Ei dan Eh total pada SMRF 7................................................
75
5.8
Time history Ei dan Eh total pada SMRF 10..............................................
76
5.9
Distribusi energi histeresis tiap lantai SMRF 4 .........................................
78
5.10
Distribusi energi histeresis tiap lantai SMRF 7 .......................................... 78
5.11
Distribusi energi histeresis tiap lantai SMRF 10 ........................................ 79
5.12
Kurva kapasitas struktur ............................................................................. 80
xi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
No
Judul
Halaman
2.1
Ground Motion .............................................................................................
3.1
Koefisien yang membatasi waktu getar alami fundamental
41
struktur gedung .............................................................................................
50
4.1
Perioda alami bangunan ................................................................................
53
4.2
Kinerja batas layan SMRF 4 ..........................................................................
54
4.3
Kinerja batas layan SMRF 7 ..........................................................................
54
4.4
Kinerja batas layan SMRF 10 ........................................................................
54
4.5
Kinerja batas ultimit SMRF 4 ........................................................................
55
4.6
Kinerja batas ultimit SMRF 7 ........................................................................
55
4.7
Kinerja batas ultimit SMRF 10 ......................................................................
55
5.1
Dimensi balok dan kolom SMRF 4 ...............................................................
69
5.2
Dimensi balok dan kolom SMRF 7 ...............................................................
70
5.3
Dimensi balok dan kolom SMRF 10 .............................................................
70
5.4
Parameter struktur .........................................................................................
80
5.5
Indeks kerusakan lokal gempa Kobe .............................................................
81
5.6
Indeks kerusakan lokal gempa Lomaprieta .................................................... 81
5.7
Indeks kerusakan lokal gempa Imperial Valley .............................................
81
5.8
Indeks kerusakan lokal gempa Northridge ....................................................
81
5.9
Indeks kerusakan lokal gempa Kobe .............................................................
82
5.10
Indeks kerusakan lokal gempa Lomaprieta .................................................... 82
5.11
Indeks kerusakan lokal gempa Imperial Valley ............................................. 82
xii
Universitas Sumatera Utara
5.12
Indeks kerusakan lokal gempa Northridge ..................................................... 82
5.13
Indeks kerusakan lokal gempa Kobe .............................................................. 83
5.14
Indeks kerusakan lokal gempa Lomaprieta ...................................................
83
5.15
Indeks kerusakan lokal gempa Imperial Valley .............................................
83
5.16
Indeks kerusakan lokal gempa Northridge ..................................................... 84
5.17
Indeks kerusakan global ................................................................................. 84
5.18
Indeks kerusakan Cosenza .............................................................................. 85
5.19
Perbandinga Indeks kerusakan dan interstory drift ........................................ 85
xiii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
c
=
Damping ratio
Cy
=
Koefisien gempa
DHS
=
Indeks kerusakan oleh Hwang dan Scribner
DPA
=
Indeks kerusakan Park Ang
DRM
=
Indeks kerusakan Roufaiel dan Meyer
Dy
=
Perpindahan pada leleh pertama (mm)
Ed
=
Energi damping (Nm)
Eh
=
Energi histeresis (Nm)
EHC
=
Kapasitas energi histeresis plastis (Nm)
EHD
=
Energi histeresis demand (Nm)
Ehm
=
Energi histeresis demand maksimum (Nm)
Ei
=
Energi masuk (Nm)
Ek
=
Energi kenetik (Nm)
Es
=
Energi regangan elastis (Nm)
FEHi
=
Suatu faktor partisipasi energi yang menyumbang kontribusi yang
berbeda dari masing-masing lantai dengan kapasitas disipasi energi
sebuah frame
fm
=
Lenturan secant akibat pembebanan (mm)
fo
=
Lenturan sebelum leleh (mm)
fs
=
Gaya inersia (mm4)
fu
=
Lenturan akibat beban ultimit (mm)
Fy
=
Tegangan leleh baja (Mpa)
xiv
Universitas Sumatera Utara
i
=
Jumlah siklus
k
=
Kekakuan struktur
Kmi
=
Kekakuan secant sesuai dengan umi
Ko
=
Kekakuan sebelum leleh
M
=
Jumlah total siklus leleh
m
=
Massa
NB
=
Jumlah blok di gedung
Neq
=
Jumlah leleh ekivalen
NS
=
Jumlah lantai
PSV
=
Kecepatan spektra
Qy
=
Kekuatan leleh struktur
T
=
Period of earthquake motion (sec)
To
=
Predominant period of alluvial deposit above base rock
uu
=
Perpindahan ultimit akibat beban statis
um
=
Perpindahan maksimum untuk beberapa siklus (mm)
umi
=
Perpindahan maksimum dalam siklus ke-i (mm)
uy
=
Perpindahan leleh (mm)
VE
=
Kecepatan ekivalen
W
=
Berat total struktur (kg)
Zf
=
Modulus section (mm4)
=
Perpindahan daktilitas untuk beberapa siklus
=
Perpindahan daktilitas ultimit
=
Percepatan
=
Kecepatan
u
xv
Universitas Sumatera Utara
x
=
Perpindahan
=
Konstanta pengaruh dari beban siklus dan properties struktur
Ehi
=
Disipasi energi histeretik dalam siklus ke-i
pa
=
Kapasitas rotasi plastis komulatif
xvi
Universitas Sumatera Utara
SK
KERUSAKAN PADA STRUKTUR BANGUNAN
BA
BAJA BERDAS
ASARKAN PENDEKATAN ENERGI AKIBAT
AK
GEMPA KUAT
TESIS
Oleh
ASR
SROI BENNY NOOR HARAHAP
117016011/TS
FAKULTAS TEKNIK
UNIV
NIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
KAJIAN INDEKS KERUSAKAN PADA STRUKTUR BANGUNAN
BAJA BERDASARKAN PENDEKATAN ENERGI AKIBAT
GEMPA KUAT
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik
Dalam Program Studi Teknik Sipil
Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh
ASROI BENNY NOOR HARAHAP
117016011/TS
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
Judul Tesis
: KAJIAN
INDEKS
KERUSAKAN
STRUKTUR
BANGUNAN
BERDASARKAN
PENDEKATAN
PADA
BAJA
ENERGI
AKIBAT GEMPA KUAT
Nama Mahasiswa
: Asroi Benny Noor Harahap
Nomor Pokok
: 117016011
Program
: Teknik Sipil
Menyetujui:
Komisi Pembimbing
(Dr. Ing. Hotma Panggabean)
Ketua
Ketua Program Studi
(Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE)
(Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT)
Anggota
Dekan
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)
Tanggal Lulus: 3 Juli 2014
Universitas Sumatera Utara
Telah diuji pada
Tanggal 3 Juli 2014
PANITIA PENGUJI TESIS
KETUA
: Dr. Ing. Hotma Panggabean
ANGGOTA
: Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT
Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan
Ir. Sanci Barus, MT
Ir. Rudi Iskandar, MT
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Kajian Indeks Kerusakan Pada
Struktur Bangunan Baja Berdasarkan Pendekatan Energi Akibat Gempa Kuat”
adalah karya saya dan belum pernah diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan
tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutif dari karya yang
diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam tesis ini dan dicantumkan dalam
daftar pustaka.
Medan, 3 Juli 2014
Asroi Benny Noor Harahap
117016011/TS
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Setiap struktur yang terbuat dari material apapun memiliki batas kekuatan
mekanik. Hal ini dijelaskan oleh berbagai teori, dimana digambarkan dalam grafik
stress-deformation bahwa material akan runtuh akibat pemberian beban yang
melebihi kekuatan batasnya. Diketahui selama umur layan bangunan, struktur
mengalami kerusakan, seperti yang diakibatkan oleh beban gempa. Kerusakankerusakan ini mengakibatkan perubahan dalam sifat-sifat dari sistem struktur.
penggunaan indeks kerusakan memungkinkan kuantifikasi kerusakan. Drift atau
Inter-story drift secara umum digunakan sebagai kriteria untuk melihat perilaku
struktur akibat gempa. Namun, beberapa penelitian menyatakan bahwa kumulatif
deformasi plastis lebih kuat pengaruhnya dibandingkan dengan drift dan inter-story
drift dalam tingkat kerusakan struktur. Kumulatif deformasi plastis dapat
dipertimbangkan melalui konsep energi, khususnya melalui plastis dissipasi histeresis
energi demand.
Dalam tesis ini akan dibahas indeks kerusakan berdasarkan energi, dimana
ada dua persamaan yang digunakan yaitu persamaan Boz rquez dan Cosenza. Model
bangunan yang digunakan ada 3 jenis yaitu SMRF 4, SMRF 7, dan SMRF 10. Ketiga
bangunan ini akan di analisa terhadap 4 gempa, dimana gempa-gempa tersebut
diskalakan terhadap gempa rencana yang sesuai dengan peta gempa Indonesia 2010.
Dari penelitian yang dilakukan, dapat dilihat bahwa indeks kerusakan
berhubungan langsung dengan enegi masuk terhadap struktur. Nilai indeks kerusakan
terbesar untuk persamaan Boz rquez pada SMRF 4 sebesar 0.147 (rusak ringan),
SMRF 7 sebesar 0.079 (rusak ringan), dan SMRF 10 sebesar 0.154 (rusak ringan),
ketiga bangunan tersebut dipengaruhi oleh gempa Kobe. Untuk persamaan Cosenza,
pada SMRF 4 sebesar 0.170 (rusak ringan), SMRF 7 sebesar 0.176 (rusak ringan),
dan SMRF 10 sebesar 0.260 (rusak sedang), ketiganya diakibatkan oleh gempa Kobe.
Kata kunci : indeks kerusakan, konsep energi, gempa
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Every structure which is made from any materials has mechanic strength
limitation. This is explained by many theories as it is described in the graph of stressdeformation that material will fall down because its load has exceeded its strength
limitation. It is known that during a structure serving age, the structure undergoes
damage such as it is caused by earthquake. These damages bring about the change in
the nature of the structural system, and the use of damage index enables the quantity
of damage. Drift or inter-story drift is generally used as the criteria for finding out
the structure behavior which has caused by earthquake. However, some researches
have found that the cumulative plastic deformation has more significant influence
than drift or inter-story drift in the level of structural damage. The cumulative plastic
deformation can be considered through the concept of energy, especially through
plastic dissipation hysteresis energy demand.
This thesis analyzed damage index, based on energy in which there were two
equations were used: Bozórquez equation and Cosenza equation. There were three
types of structure model: SMRF 4, SMRF 7, and SMRF 10. These three structures
would be analyzed in four earthquakes in which the earthquakes were scaled against
planned earthquakes, according to earthquake mapping in Indonesia in 2010.
The result of the research showed that damage index was directly correlated
with incoming energy on structure. The biggest value of damage index for Bozórquez
equation in SMRF 4 was 0.147 (lightly damaged), in SMRF 7 was 0.079 (lightly
damaged), and in SMRF 10 was 0.154 (lightly damaged). The three structures were
affected by Kobe earthquake. For Cosenza equation, in SMRF 4 was 0.170 (lightly
damaged), in SMRF 7 was 0.176 (lightly damaged), and in SMRF10 was 0.260
(moderately damaged). The three structures were affected by Kobe earthquake.
Keywords: Damage Index, Energy Concept, Earthquake
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Bismillahirrohmanirrohim, dengan mengucapkan Alhamdulillahi robbil alamin
dan Puji Syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan bimbingan-Nya
sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan baik yang merupakan salah
satu syarat untuk menyelesaikan program Magister pada bidang Rekayasa Struktur,
Program Studi Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara.
Tesis ini yang berjudul “Kajian Indeks Kerusakan Pada Struktur Bangunan
Baja Berdasarkan Pendekatan Energi Akibat Gempa Kuat” disusun penulis
dengan harapan bukan hanya sebagai syarat untuk menyelesaikan program S2 tetapi
dapat juga bermanfaat untuk meningkatkan pengetahuan para pembaca khususnya
dalam dunia teknik sipil.
Penulis menyadari bahwa tesis ini bukanlah semata-mata karena kehebatan
penulis. Banyak pihak yang telah banyak menyumbangkan tenaga dan pikiran dalam
menyelesaikan tesisi ini, terutama kepada kedua orangtua saya.
Selain itu, saya juga mengucapkan terimakasih kepada Bapak Prof. Dr. dr.
Syahril Pasaribu. DTM & H. M.Sc (CTM), Sp.A(k) selaku Rektor Universitas
Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas
Teknik, dan Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE selaku Ketua program Studi
Magister Teknik Sipil.
Penulis juga mengucapkan terimakasih banyak kepada Bapak Dr. Ing. Hotma
Panggabean dan Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT sebagai pembimbing yang telah
memberikan masukan yang sangat berharga dalam penulisan ini, Bapak Prof. Dr. Ing.
Johannes Tarigan dan Bapak Ir. Sanci Barus, MT sebagai dosen penguji, Bapak Ir.
Rudi Iskandar, MT sebagai Sekretaris Program Studi Magister Teknik Sipil dan
seluruh Staff Pengajar program studi Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara yang
telah memberikan dukungan, masukan, waktu, tenaga dan pikiran dalam
menyelesaikan tesis ini. Serta Bapak Yun Ardi yang telah memberikan banyak
iii
Universitas Sumatera Utara
bantuan demi kelancaran administrasi selama menjalani pendidikan di Magister
Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
Untuk kedua orangtua saya Ayahanda Khoiruddin Hrp dan Ibunda tercinta
Nurmala Srg serta kedua mertua saya Imron Srg dan Rosmala Hrp yang telah
memberikan doa serta dukungannya. Kepada istri tercinta Rinawaty Siregar, SKM
terimakasih atas doa dan dukungannya. Untuk kedua kakak saya Nita Irmayani Hrp,
SPd dan Neny Asnizar Hrp, SPd dan seluruh rekan-rekan seangkatan 2011. Kepada
mereka semua, teman, rekan, kenalan dan saudara-saudara yang lain, yang tidak
sempat disebutkan satu persatu, tidak ada yang dapat kami berikan sebagai balasan
yang setimpal, kecuali hanya doa, semoga Allah SWT memberi berkat dan
perlindungan-Nya, diberi-Nya umur panjang, kesejahteraan lahir dan batin, dan
dipenuhi oleh rasa syukur di hatinya selama kehidupan di dunia.
Penulis menyadari bahwa tesis ini masih jauh dari sempurna, yang disebabkan
keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. untuk itu, penulis
sangat
mengharapkan
kritik
dan
saran
yang
sifatnya
membangun
demi
kesempurnaannya. Akhir kata saya mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya
dan semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi para pembaca.
Medan, 3 Juli 2014
Penulis
Asroi Benny Noor Harahap
117016011/TS
iv
Universitas Sumatera Utara
RIWAYAT HIDUP
A. DATA PRIBADI
Nama
: ASROI BENNY NOOR HARAHAP
Tempat/Tgl Lahir : Gunungtua Tonga, 22 Desember 1986
Alamat
: Jl.Nagasati No.72 Gunungtua, Kec. Padang Bolak,
Kab. Padang Lawas Utara
: asroyhrp@gmail.com
Agama
: Islam
Jenis Kelamin
: Laki-laki
B. RIWAYAT PENDIDIKAN
1996 – 1999
: SDN 2 Padang Bolak
1999 – 2002
: SMPN 1 Padang Bolak
2002 – 2005
: SMAN 1 Padang Bolak
2005 – 2010
: Fakultas Teknik Jurusan Teknik Sipil USU
2011 – 2014
: Magister Teknik Sipil Program Pasca Sarjana USU
C. RIWAYAT PEKERJAAN
2010 – 2011
: PT.Diagram Consultant
: PT. Rekayasa Damper Pratama Consultant
: Lembaga Pendidikan Keterampilan Paulin
2011 – 2012
: PT. Barata Indonesia
2012 – 2013
: PT. Bumi Torant Kencana
2013 – 2014
: KSO PT. Citrakaton Dwitama dan PT. Putra Gunung Mandiri
v
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN...................................................................................
PERNYATAAN.....................................................................................................
ABSTRAK ............................................................................................................
i
ABSTRACT ..........................................................................................................
ii
KATA PENGANTAR ........................................................................................... iii
RIWAYAT HIDUP................................................................................................ v
DAFTAR ISI .........................................................................................................
vi
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. x
DAFTAR TABEL .................................................................................................
xii
DAFTAR NOTASI ................................................................................................ xiv
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................
1
1.1 Latar belakang ..................................................................................
1
1.2 Permasalahan ....................................................................................
2
1.3 Tujuan Penelitian ..............................................................................
3
1.4 Pembatasan Masalah ........................................................................
4
1.5 Sistematika Penulisan .......................................................................
5
BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................. 7
2.1 Konsep Dasar Metode Energi ...........................................................
7
2.1.1 Persamaan Energi ...................................................................
8
vi
Universitas Sumatera Utara
2.1.2 Prosedur Menghitung Energi Masuk ......................................
12
2.1.3 Pengaruh Karakter Gerakan Tanah Pada Spektra Energi .......
14
2.1.4 Pengaruh Properties Struktur Pada Spektra Energi ................
15
2.2 Kerusakan Pada Struktur ..................................................................
15
2.3 Indeks Kerusakan ..............................................................................
17
2.3.1 Indeks Kerusakan Roufaiel dan Meyer ................................... 18
2.3.2 Indeks Kerusakan Park - Ang .................................................
18
2.3.3 Indeks Kerusakan Zahrah dan Hall ......................................... 20
2.3.4 Indeks Kerusakan Hwang dan Scribner ..................................
21
2.3.5 Indeks Kerusakan Cosenza .....................................................
23
2.3.6 Indeks Kerusakan Boz rquez .................................................
24
2.4 Energi dan Distribusi Kerusakan pada Struktur Baja .......................
29
2.5 Energi Histeresis ...............................................................................
31
2.5.1 Energi Histeresis Demand ......................................................
32
2.6 Karakteristik Gempa .........................................................................
33
2.6.1 Percepatan Puncak Tanah .......................................................
33
2.6.2 Durasi Gempa .........................................................................
34
2.7 Getaran Gempa .................................................................................
35
2.8 Penskalaan Gempa ............................................................................
37
2.8.1 Skala PGA (Peak Ground Acceleration).................................
37
2.8.2 Skala Ordinat ..........................................................................
38
2.8.3 Least Square ............................................................................ 38
2.8.4 Partial Area .............................................................................
39
vii
Universitas Sumatera Utara
2.8.5 PSa ..........................................................................................
39
2.8.6 ASCE-7 ...................................................................................
39
2.8.7 Spectrum Matching .................................................................
40
2.9 Accelerogram ....................................................................................
40
BAB III PROSEDUR ANALISIS......................................................................
42
3.1 Modelisasi Struktur ...........................................................................
42
3.2 Input Data .........................................................................................
46
3.2.1 Dimensi Struktur .....................................................................
46
3.2.2 Beban Struktur ........................................................................
47
3.2.3 Properti Material .....................................................................
47
3.3 Prosedur Analisa ...............................................................................
47
3.4 Persyaratan Perencanaan Struktur Baja ............................................
48
3.4.1 Waktu Getar Alami .................................................................
49
3.4.2 Kinerja Batas Layan ................................................................ 50
3.4.3 Kinerja Batas Ultimit ..............................................................
50
3.5 Analisa Struktur dan Modeling .........................................................
51
BAB IV ANALISA DAN PEMODELAN STRUKTUR ..................................
52
4.1 Perencanaan Struktur ........................................................................
52
4.2 Penskalaan Gempa dengan SeismoMatch ........................................
56
4.2.1 Loading dan spectral matching dari akselerogram .................
57
4.2.2 Memuat Akselerogram Time History .....................................
58
viii
Universitas Sumatera Utara
4.2.3 Mendefinisikan Target Spektrum ...........................................
59
4.2.4 Spectral Matching ..................................................................
61
4.3 Modelisasi Struktur dengan Abaqus .................................................
62
4.3.1 Preprocessing (Abaqus CAE)..................................................
63
4.3.2 Simulasi...................................................................................
67
4.3.3 Post Processing .......................................................................
68
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................
69
5.1 Perencanaan Struktur ........................................................................
69
5.2 Accelerogram dan Respon Spektrum Design ...................................
70
5.3 Inter-story Drift .................................................................................
71
5.4 Energi Masuk dan Energi Histeresis Demand ..................................
74
5.5 Karakteristik Struktur .......................................................................
79
5.6 Indeks Kerusakan Boz rquez ...........................................................
80
5.7 Indeks Kerusakan Cosenza ...............................................................
85
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN.............................................................
86
6.1 Kesimpulan .......................................................................................
86
6.2 Saran .................................................................................................
87
DAFTAR PUSTAKA
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
No
Judul
Halaman
2.1
Idealisasi model matematis SDOF (a) absolut dan (b) relatif...................
10
2.2
Idealisasi model matematis MDOF (a) absolut dan (b) relatif ..................
11
2.3
Pengertian parameter model Park-Ang, (a) histeresis lentur
dan (b) hysteresis torsi ...............................................................................
2.4
20
Pengertian parameter model Hwang dan Scribner (a) histeresis lentur
dan (b) histeresis torsi ................................................................................
23
2.5
Pengertian Vy dan uy dari kurva kapasitas ................................................
24
2.6
Pengertian rotasi plastis komulatif .............................................................
26
2.7
Evaluasi Cy dan Dy .................................................................................... 28
2.8
Rotasi plastis komulatif struktur baja (Akbas 1997) .................................. 29
3.1
Steel Moment Resisting Frame (SMRF 10) ............................................... 44
3.2
Steel Moment Resisting Frame (SMRF 7) ................................................. 45
3.3
Steel Moment Resisting Frame (SMRF 4) ................................................. 46
3.4
Diagram alir proses analisa ........................................................................
48
4.1
Input file SeimoMatch ..............................................................................
59
4.2
Diagram alir proses running Abaqus .........................................................
63
4.3
Viewport awal Abaqus CAE 6.10-1 ........................................................... 64
4.4
Viewport part Abaqus CAE 6.10-1 ............................................................
4.5
Viewport mesh Abaqus CAE 6.10-1 .......................................................... 67
64
x
Universitas Sumatera Utara
4.6
Hubungan kerja Preprocessor, Solver dan Postprocessor .........................
68
5.1
Deskripsi Bangunan ..................................................................................
69
5.2
Hasil Skala Respon Spektrum ...................................................................
71
5.3
Grafik Interstory drift – Lantai pada SMRF 4............................................
73
5.4
Grafik Interstory drift – Lantai pada SMRF 7............................................
73
5.5
Grafik Interstory drift – Lantai pada SMRF 10..........................................
74
5.6
Time history Ei dan Eh total pada SMRF 4................................................
75
5.7
Time history Ei dan Eh total pada SMRF 7................................................
75
5.8
Time history Ei dan Eh total pada SMRF 10..............................................
76
5.9
Distribusi energi histeresis tiap lantai SMRF 4 .........................................
78
5.10
Distribusi energi histeresis tiap lantai SMRF 7 .......................................... 78
5.11
Distribusi energi histeresis tiap lantai SMRF 10 ........................................ 79
5.12
Kurva kapasitas struktur ............................................................................. 80
xi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
No
Judul
Halaman
2.1
Ground Motion .............................................................................................
3.1
Koefisien yang membatasi waktu getar alami fundamental
41
struktur gedung .............................................................................................
50
4.1
Perioda alami bangunan ................................................................................
53
4.2
Kinerja batas layan SMRF 4 ..........................................................................
54
4.3
Kinerja batas layan SMRF 7 ..........................................................................
54
4.4
Kinerja batas layan SMRF 10 ........................................................................
54
4.5
Kinerja batas ultimit SMRF 4 ........................................................................
55
4.6
Kinerja batas ultimit SMRF 7 ........................................................................
55
4.7
Kinerja batas ultimit SMRF 10 ......................................................................
55
5.1
Dimensi balok dan kolom SMRF 4 ...............................................................
69
5.2
Dimensi balok dan kolom SMRF 7 ...............................................................
70
5.3
Dimensi balok dan kolom SMRF 10 .............................................................
70
5.4
Parameter struktur .........................................................................................
80
5.5
Indeks kerusakan lokal gempa Kobe .............................................................
81
5.6
Indeks kerusakan lokal gempa Lomaprieta .................................................... 81
5.7
Indeks kerusakan lokal gempa Imperial Valley .............................................
81
5.8
Indeks kerusakan lokal gempa Northridge ....................................................
81
5.9
Indeks kerusakan lokal gempa Kobe .............................................................
82
5.10
Indeks kerusakan lokal gempa Lomaprieta .................................................... 82
5.11
Indeks kerusakan lokal gempa Imperial Valley ............................................. 82
xii
Universitas Sumatera Utara
5.12
Indeks kerusakan lokal gempa Northridge ..................................................... 82
5.13
Indeks kerusakan lokal gempa Kobe .............................................................. 83
5.14
Indeks kerusakan lokal gempa Lomaprieta ...................................................
83
5.15
Indeks kerusakan lokal gempa Imperial Valley .............................................
83
5.16
Indeks kerusakan lokal gempa Northridge ..................................................... 84
5.17
Indeks kerusakan global ................................................................................. 84
5.18
Indeks kerusakan Cosenza .............................................................................. 85
5.19
Perbandinga Indeks kerusakan dan interstory drift ........................................ 85
xiii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
c
=
Damping ratio
Cy
=
Koefisien gempa
DHS
=
Indeks kerusakan oleh Hwang dan Scribner
DPA
=
Indeks kerusakan Park Ang
DRM
=
Indeks kerusakan Roufaiel dan Meyer
Dy
=
Perpindahan pada leleh pertama (mm)
Ed
=
Energi damping (Nm)
Eh
=
Energi histeresis (Nm)
EHC
=
Kapasitas energi histeresis plastis (Nm)
EHD
=
Energi histeresis demand (Nm)
Ehm
=
Energi histeresis demand maksimum (Nm)
Ei
=
Energi masuk (Nm)
Ek
=
Energi kenetik (Nm)
Es
=
Energi regangan elastis (Nm)
FEHi
=
Suatu faktor partisipasi energi yang menyumbang kontribusi yang
berbeda dari masing-masing lantai dengan kapasitas disipasi energi
sebuah frame
fm
=
Lenturan secant akibat pembebanan (mm)
fo
=
Lenturan sebelum leleh (mm)
fs
=
Gaya inersia (mm4)
fu
=
Lenturan akibat beban ultimit (mm)
Fy
=
Tegangan leleh baja (Mpa)
xiv
Universitas Sumatera Utara
i
=
Jumlah siklus
k
=
Kekakuan struktur
Kmi
=
Kekakuan secant sesuai dengan umi
Ko
=
Kekakuan sebelum leleh
M
=
Jumlah total siklus leleh
m
=
Massa
NB
=
Jumlah blok di gedung
Neq
=
Jumlah leleh ekivalen
NS
=
Jumlah lantai
PSV
=
Kecepatan spektra
Qy
=
Kekuatan leleh struktur
T
=
Period of earthquake motion (sec)
To
=
Predominant period of alluvial deposit above base rock
uu
=
Perpindahan ultimit akibat beban statis
um
=
Perpindahan maksimum untuk beberapa siklus (mm)
umi
=
Perpindahan maksimum dalam siklus ke-i (mm)
uy
=
Perpindahan leleh (mm)
VE
=
Kecepatan ekivalen
W
=
Berat total struktur (kg)
Zf
=
Modulus section (mm4)
=
Perpindahan daktilitas untuk beberapa siklus
=
Perpindahan daktilitas ultimit
=
Percepatan
=
Kecepatan
u
xv
Universitas Sumatera Utara
x
=
Perpindahan
=
Konstanta pengaruh dari beban siklus dan properties struktur
Ehi
=
Disipasi energi histeretik dalam siklus ke-i
pa
=
Kapasitas rotasi plastis komulatif
xvi
Universitas Sumatera Utara