PENDEKATAN MODEL HYSTERISTIC STEEL DAMPER BERDASARKAN HASIL EKSPERIMENTAL

PENDEKATAN MODEL HYSTERISTIC STEEL DAMPER BERDASARKAN HASIL EKSPERIMENTAL TUGAS AKHIR

  Diajukan untuk melengkapi syarat penyelesaian Pendidikan Sarjana Teknik Sipil

  Disusun oleh:

JATHENDRA AMBARITA 08 0404 055 BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

  ABSTRAK

  Salah satu anti gempa sistem kontrol pasif yang paling sederhana dan murah adalah peredam leleh baja (steel yielding damper). Sistem ini akan mengabsorbsi energi gempa dengan mendissipasi energi melalui pembentukan sendi plastis atau pelelehan melalui mekanisme pelelehan materialnya.

  Steel damper yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah damper pelat bentuk X yang dimodifikasi. Uji experimental peredam leleh baja (yielding steel

  damper ) sebanyak empat sampel (HSD 1, HSD 2, HSD 3, HSD 4) di lakukan di laboratorium PAU-ITB Bandung. Semua sampel mempunyai ukuran yang sama hanya berbeda dalambentuk geometri bagian sisinya, yaitu bagian sisi lurus, cekung dan sisi cembung. Pengujian dilakukan dengan beban cyclic dan ditingkatkan secara bertahap sampai sampel mengalami kegagalan.

  Steel damper di uji di laboratorium dan menghasilkan data berupa kurva hysteresis. Hasil eksperimental berupa kurva hysteresis tersebut menunjukkan besar energi disipasi damper tersebut. Selanjutnya kurva hysteresis tersebut dianalisa dengan menggunakan pendekatan model tri-linier untuk mendapatkan karakteristik mekanik peredam seperti kekakuan elastis, kekakuan leleh dan kekakuan pasca leleh. Dari hasil analisa tersebut kita akan mendapatkan bentuk geometri ideal peredam (damper) dengan kemampuan menyerap energi gempa terbesar.

  Secara umum semua spesimen menunjukkan kurva hysteresis yang gemuk dan stabil. Namun, dari keempat specimen tersebut dicatat bahwa spesimen yang berbentuk cembung pada sisinya (HSD 4) menunjukkan kurva hysteresis yang

paling luas (Wu = 239.719 kNmm), kekakuan elastis yang paling besar

(Ke = 51.94), serta rasio damping terbesar Hasil ini menunjukkan (ζ = 52.5%).

  bahwa steel damper HSD 4 dapat diusulkan untuk di aplikasikan sebagai anti gempa jenis control pasif pada perencanaan bangunan tahan gempa .

  Kata Kunci: Anti gempa, Peredam/damper, kurva hysteresis, Energi dissipasi.

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa, Tuhan Yesus Kristus dan Roh Kudus yangtelah memberikan rahmat dan berkat-Nya hingga selesainya tugas akhir ini dengan judul “Pendekatan Model Hysteristic Steel Damper Berdasarkan Hasil Eksperimental”. Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam ujian sarjana teknik sipil bidang studi struktur pada Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU). Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini yang masih banyak kekurangan. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. Dengan tangan terbuka dan hati yang tulus penulis menerima saran dan kritik bapak dan ibu dosen serta rekan mahasiswa demi penyempurnaan tugas akhir ini. Penulis juga menyadari bahwa selesainya tugas akhir ini tidak lepas dari bimbingan, dukungan dan bantuan semua pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang tulus dan tidak terhingga kepada kedua orang tua yang selalu penulis muliakan yang telah memberikan segalanya hingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan ini. Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada :

  1. Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam memberikan bimbingan yang tiada hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

  2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, selaku ketua departemen teknik sipil universitas sumatera utara.

  3. Bapak Ir.Syahrizal, MT., selaku sekretaris departemen teknik sipil universitas sumatera utara.

  4. Teristimewa di hati buat keluarga saya, terutama kedua orang tua saya, Ibunda Asti br. Silalahi tercinta yang selalu berdoa dan memberikan semangat serta dukungan dan Ayahanda Karmen Ambarita (†) tersayang yang menjadi motivasi. Saudara-saudara tercinta abang, kakak, dan adik-adik saya. Terimakasih atas segala pengorbanan, cinta, kasih saying dan do’a yang tiada batas untuk saya sehingga tugas ini dapat selesai dengan baik.

  5. Bapak/ibu dosen staf pengajar jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.

  6. Yulistriana Simbolon yang selalu mendukung dalam suka maupun duka dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

  7. Rekan - rekan mahasiswa jurusan teknik sipil, terutama teman - teman angkatan 2008. Adik - adik angkatan 2011, dan abang / kakak stambuk 2005, 2006, 2007, terima kasih atas masukannya selama ini.

  Medan, 18 Oktober 2013 Penulis

  (JATHENDRA AMBARITA) 08 4040 055

  

DAFTAR ISI

ABSTRAK ..................................................................................................... i KATA PENGANTAR .................................................................................. ii DAFTAR ISI ................................................................................................ iv DAFTAR GAMBAR ................................................................................. vii DAFTAR TABEL ........................................................................................ x DAFTAR NOTASI ...................................................................................... xi

  2.1 Umum ......................................................................................... 10

  2.2.3 Redaman ............................................................................ 14

  2.2.2 Kekakuan ............................................................................ 13

  2.2.1.2 Model Consistent Mass Matrix ...................................... 12

  2.2.1.1Model Lump Mass .......................................................... 11

  2.2.1 Massa ................................................................................. 11

  2.2 Karakteristik Struktur Banguanan ............................................... 11

  BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ................................................................ 10

  BAB I. PENDAHULUAN .............................................................................. 1

  1.6 Sistematika Penulisan ................................................................... 9

  1.5 Metodologi .................................................................................... 8

  1.4 Pembatasan Masalah ..................................................................... 8

  1.3 Tujuan Penulisan ........................................................................... 7

  1.2 Studi Literatur ............................................................................. 5

  1.1 Latar Belakang ............................................................................ 1

  2.2.4 Simpangan (Drif) Akibat Gaya Gempa ............................. 14

  2.2.5 Derajat Kebebasan DOF (degree of freedom) ................... 15

  2.3 Prinsip Damping Pada Struktur .................................................. 16

  2.4 Sistem Kontrol Struktur .............................................................. 19

  2.4.1 Actived Seismic Devices ................................................... 19

  2.4.2 Passive Seismic Devices .................................................... 20

  2.4.2.1 Seismic Isolator .................................................... 20

  2.4.2.2 Damper ................................................................. 21

  2.5 Hysteretic Loop ........................................................................... 21

  2.6 Eqivalent Viscous Damping ...................................................... 23

  2.7 Metode Dissipasi Energi Damper .............................................. 25

  2.7.1 Friction Damper ................................................................ 25

  2.7.2 Viscous Damper ............................................................... 27

  2.7.3 Visco-Elastic Damper ....................................................... 29

  2.7.4 Metallic Yielding damper .................................................. 31

  2.7.4.1 ADAS (Added Damping And Stiffnees) ................ 34

  2.8 Aplikasi Yielding Damper Pada Bangunan ................................. 39

  BAB III. PENDEKATAN MODEL HYSTERETIC DAMPER .............. 43

  3.1 Pendahuluan ............................................................................... 43

  3.2 Kerangka Penulisan ................................................................... 44

  3.3 Outline Studi Eksperimental ...................................................... 45

  3.3.1 Spesimen ........................................................................... 47

  3.3.2 Uji Tarik Pelat Baja .......................................................... 50

  3.3.3 Detail Pengujian Spesimen ............................................... 51

  3.3.4 Hasil Eksperimental .......................................................... 53

  3.4 Analisa Pemisahan Kurva Hysteresis ........................................ 56

  3.5 Disipasi Energi Damping ........................................................... 59

  3.6 Kekakuan Ekuivalen Dan Rasio Damping ................................ 61

  3.7 Metode Perhitungan Luas Daerah .............................................. 62

  BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................... 64

  4.1 Umum ........................................................................................ 64

  4.2 Pemisahan Kurva ....................................................................... 65

  4.2.1 Hollow Steel Damper 1 (HSD 1) ...................................... 65

  4.2.2 Hollow Steel Damper 2 (HSD 2) ....................................... 66

  4.2.3 Hollow Steel Damper 3 (HSD 3) ...................................... 68

  4.2.4 Hollow Steel Damper 4 (HSD 4) ...................................... 69

  4.3 Pendekatan Model Trilinier ....................................................... 71

  4.4 Kekakuan Efektif ....................................................................... 74

  4.5 Rasio Damping ............................................................................ 77

  BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................... 82

  5.1 Kesimpulan ................................................................................. 82

  5.2 Saran ........................................................................................... 83

  DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 84

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Damper Pelat Lentur ................................................................... 3Gambar 1.2 Pemasangan damper pada struktur ............................................... 3Gambar 2.1 Pengaruh damping terhadap getaran .......................................... 17Gambar 2.2 Magnification factor getaran ...................................................... 18Gambar 2.3 Hysteretic loop kekakuan bilinier .............................................. 23Gambar 2.4 Friction Damper ......................................................................... 26Gambar 2.5 Hysteretic loop friction damper ................................................. 37Gambar 2.6 Viscous Damper ......................................................................... 28Gambar 2.7 Hysteretic loop linier viscous damper ........................................ 29Gambar 2.8 Viscous Elastic Damper ............................................................. 30Gambar 2.9 Viscous Elastic Damper pada struktur ....................................... 30Gambar 2.10 Hysteretic loop viscous elastic damper .................................... 31Gambar 2.11 Tipe dari metallic damper ........................................................ 32Gambar 2.12 Hysteretic loop yield damper ................................................... 36Gambar 2.13 Metallic Damper ....................................................................... 36Gambar 2.14 Metallic Damper Pada Struktur ................................................ 36Gambar 2.15 Sambungan ADAS pada balok dan bracing ............................. 37Gambar 2.16 Perilaku ADAS saat terjadi gempa .......................................... 37Gambar 2.17 Tempat Perbelanjaan Jung-He City ......................................... 40Gambar 2.18 Apartemen Taichung City ........................................................ 41Gambar 2.19 Retrofit Buildings in Taipei, Taiwan ........................................ 42Gambar 3.1 Kerangka penulisan .................................................................... 44Gambar 3.9 Bentuk geometri peredam leleh baja .......................................... 46Gambar 3.7 Kurva hysteresis loop peredam leleh baja .................................. 47Gambar 3.8 Hollow steel damper .................................................................. 48Gambar 3.8 Spesimen untuk uji eksperimental ............................................. 48Gambar 3.6 Bentuk geometri perdam leleh baja ............................................ 49Gambar 3.10 Tipikal spesimen untuk uji tarik ............................................... 50Gambar 3.11 Kurva hubungan tegangan-regangan........................................ 50Gambar 3.12 (a) Tampak samping set-up detail ............................................ 51Gambar 3.12 (b) Tampak depan set-up detail ................................................ 52Gambar 3.13 Contoh pemasangan spesimen pada alat uji ............................. 52Gambar 3.14 Kurva Hysteresis HSD 1 .......................................................... 53Gambar 3.15 Kurva Hysteresis HSD 2 .......................................................... 54Gambar 3.16 Kurva Hysteresis HSD 3 .......................................................... 54Gambar 3.17 Kurva Hysteresis HSD 4 .......................................................... 55Gambar 3.18 Pemisahan Kurva Hysteresis ................................................... 57Gambar 3.19 Trilinier model ......................................................................... 58Gambar 3.20 Kekakuan efektif dan disipasi energy ...................................... 61Gambar 4.1 Kurva Hysteresis HSD 1 ............................................................ 65Gambar 4.2 Skeleton part HSD 1 .................................................................. 65Gambar 4.3 Bauschinger part HSD 1 ............................................................ 66Gambar 4.4 Kurva Hysteresis HSD 2 ............................................................ 66Gambar 4.5 Skeleton part HSD 2 .................................................................. 67Gambar 4.6 Bauschinger part HSD 2 ............................................................ 67Gambar 4.7 Kurva Hysteresis HSD 3 ............................................................ 68Gambar 4.8 Skeleton part HSD 3 .................................................................. 68Gambar 4.9 Bauschinger part HSD 3 ............................................................ 69Gambar 4.10 Kurva Hysteresis HSD 4 .......................................................... 69Gambar 4.11 Skeleton part HSD 4................................................................. 70Gambar 4.12 Bauschinger part HSD 4 .......................................................... 70Gambar 4.13 Pendekatan model trilinier HSD 1 ........................................... 72Gambar 4.14 Pendekatan model trilinier HSD 2 ........................................... 72Gambar 4.15 Pendekatan model trilinier HSD 3 ........................................... 73Gambar 4.16 Pendekatan model trilinier HSD 4 ........................................... 73Gambar 4.17 Kekakuan efektif HSD 1 .......................................................... 75Gambar 4.18 Kekakuan efektif HSD 2 .......................................................... 75Gambar 4.19 Kekakuan efektif HSD 3 .......................................................... 76Gambar 4.20 Kekakuan efektif HSD 4 .......................................................... 76Gambar 4.21 Hubungan rasio damping terhadan perpindahan ...................... 79

  DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Hasil perhitungan luas skeleton part dan bauschinger part ............ 71Tabel 4.2 Hasil perhitungan luas skeleton part dan bauschinger part ............ 74Tabel 4.3 Kekakuan Efektif ........................................................................... 77Tabel 4.4. Rasio Damping dan Perpindahan .................................................. 78Tabel 4.5. Ekivalen kumulatif rasio deformasi plastis. (satuan: kN, mm) ..... 81Tabel 4.6. Rangkuman hasil eksperimental. (satuan: kN, mm) ..................... 81

DAFTAR NOTASI

  m = massa bangunan c = konstanta damping struktur cd = konstanta damping dari fluid viscous damper k = kekakuan struktur kd = kekakuan damper

  ü = percepatan massa ú = kecepatan massa u = simpangan massa üg = percepatan gerakan tanah dasar.

  F = total gaya dalam struktur Fk = gaya dari kekakuan pegas Fd = gaya dari damping Ff = Gaya gesekan N = Gaya normal μ fr

  = Koefisien gesekan E qin = Energi gempa yang masuk ke struktur.

  E

  k = Energi kinetic dalam struktur.

  E s = Energi regangan dalam struktur. E d = Energi yang didissipasi oleh damping dari struktur. E

  hys

  = Energi yang di dissipasi oleh hysterestic loop dari sifatinelastis bahan damper.

  ζ = Jumlah damping ratio

  B

  = kekakuan leleh K P2 = kekakuan pasca leleh Q

  = luas skeleton part domain negatif

  S −

  S

  = perpindahan skeleton part domain negatif

  S −

  y = perpindahan leleh S

  = perpindahan δ

  = besar gaya saat leleh δ

  y

  P1

  = Equivalent Damping Ratio dari dissipasi energi dari hyterestic loop.

  K e = kekakuan elastis K

  u = tegangan ultimate

  = tegangan leleh σ

  y

  |Fd| = gaya gesekan damper ( gaya tersebut mempunyai nilai absolute karena tetap berlawanan arah dengan arah getaran) k(u) = kekakuan sebagai fungsi dari displacement σ

  fr = koefisien friksi antar pelat

  = Gaya damping dari damper N = gaya tekan antar pelat μ

  d

  ü g = percepatan gerakan tanah dasar. F

  = inherent damping atau viscous damping dari struktur = gaya damping.

• = perpindahan skeleton part domain positif
• = luas skeleton part domain positif
• = luas bauschinger part domain positif

B −

  = luas bauschinger part domain negatif ,

• = normalisasi energi skeleton part domain positif

  S

  S −

  = normalisasi energi skeleton part domain negatif

• = normalisasi energi bauschinger part domain positif

  B

  B −

  = normalisasi energi bauschinger part domain negatif

• = total energy domain positif

  −

  = total energi domain negatif = Rasio redaman ekuivalen = disipasi energi persiklus = energi yang tersimpan dalam pegas elastis

  = kekakuan efektif