PENGARUH VARIASI 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 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

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.

  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

  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

  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

  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

  6.2 Saran.......................................................................................................................94 DAFTAR PUSTAKA.............................................................................................................95

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 : Perbandingan struktur konvensional dengan struktur dengan seismic devices................................................................................................................5Gambar 1.2 : Contoh pemasangan metallic yielding damper di lapangan..............................5Gambar 1.3 : Model bangunan yang ditinjau (a)bangunan 3 lantai , (b) bangunan 6 lantai ,(c) bangunan 9 lantai...............................................................................................6Gambar 2.1 : Sistem kontrol pasif (a) base isolation (b) Alat peredam energi (c) Peredam getaran dinamis.................................................................................................11Gambar 2.2 : fluid viscoelastic devices aplikasi sistem struktur penahan gempa..................13Gambar 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.......................................................15Gambar 2.5 : Model pergeseran struktur dengan damper viscoelastik.................................16Gambar 2.6 : Tipe solid viscoelastic device untuk struktur penahan gempa.........................17Gambar 2.7 : Tipe friction device untuk struktur penahan gempa (a) Sumitomo friction damper, (b) Pall friction device........................................................................19Gambar 2.8 : Perilaku histeretik ideal dari friction damper (a) friction damper dengan bracing kaku,(b) Friction device dipasang di flexible support........................20Gambar 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

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......26Gambar 2.13 : Parameter kelelehan elemen bracing dan damper.........................................26Gambar 2.14 : Model Bilinier hubungan kekakuan damper dan sistem................................27Gambar 2.15 : Perilaku hysteretik dari metallic yielding damper.........................................27Gambar 2.16 : Grafik fungsi nilai rasio damping terhadap nilai f dan g................................30Gambar 2.17 : Grafik fungsi nilai rasio damping terhadap nilai g dengan perbandingan kekuatan damper dan struktur........................................................................30Gambar 2.18 : Bangunan izagaza #38-40,Kota Meksiko.......................................................36Gambar 2.19 : Gabungan bracing dan damper pada bangunan Izagaza #38-40....................37Gambar 2.20 : Rumah sakit kardiologi dengan dinding penopang luar dan damper ADAS.38Gambar 2.21 : Bangunan IMSS Reforma,Kota Meksiko......................................................39Gambar 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...................................................40Gambar 2.24 : Hubungan deformasi dan gaya pada komponen struktur baja.......................42Gambar 2.25 : Grafik hubungan tegangan-regangan baja......................................................43Gambar 2.26 : Grafik hubungan tegangan-regangan baja yang diperbesar...........................43Gambar 2.27 : Perbandingan deformasi struktur konvesional dengan struktur yang menggunakan sistem dissipasi energi............................................................45

  Model bangunan.........................................................................................................46

Gambar 3.1 :

  Model Sistem Dengan bracing....................................................................................47

Gambar 3.2 :

  DOF Elemen Plane Frame a.........................................................................................48

Gambar 3.3 :Gambar 3.4 : Permodelan dan Penomoran DOF Sistem Dengan Bracing............................49Gambar 3.5 : Sudut Elemen Truss Terhadap Sumbu Global.................................................50Gambar 3.6 : Permodelan Sistem Dengan Bracing dan Damper...........................................51

  Ss untuk gempa maksimum yang dipertimbangkan resiko tertarget(MCER),kelas situs

Gambar 3.7 :

  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 Desain Respon Spektra ( Sumber : SNI 1726-2012 )...................................................59

Gambar 3.9 :

  Respon spektra dengan damping 5%........................................................................60

Gambar 3.10 :

  Shear Building 2 lantai..............................................................................................61

Gambar 3.11 :

  (a) bentuk sistem struktur (b) bentuk perpindahan pada mode 1 dengan Tn ^{1 (c)}

Gambar 3.12 :

  bentuk perpindahan pada mode 2 dengan Tn ^{2 ...........................................................62}

Gambar 4.1 : Model bangunan dengan damper.....................................................................67Gambar 4.2 : Permodelan Sistem Dengan Bracing dan Damper...........................................68Gambar 4.3 : Permodelan Dengan Metode Lump Mass.......................................................69Gambar 4.4 : Grafik Respon Spektra Dengan Damping 5%.................................................71

  DAFTAR TABEL

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

DAFTAR NOTASI

  F = Tegangan leleh material

  y

  V = Gaya leleh Material

  y

  K = Kekakuan frame

  f

  K = Kekakuan damper

  d

  K = Kekakuan damper

  b

  Δ = Perpindahan K = Kekakuan sistem struktur

  s

  V = Gaya geser lateral Δ y = Perpindahan saat mulai terjadi kelelehan Θ = Sudut kemiringan bracing

  b

  E = Modulus elastisitas bahan I = Inersia Bahan B s = Faktor koefisien damping untuk periode pendek B = Faktor koefisien damping untuk periode 1 detik

1 SDs = Parameter percepatan respon spektra desain untuk periode pendek

  SD

  1 = Parameter percepatan respon spektra untuk periode 1 detik

  T = SD /SDs

  s

  1 S = Parameter respon spektra percepatan gempa untuk periode pendek s

  S

  1 = Parameter respon spektra percepatan gempa untuk periode 1 detik

  K = Kekakuan efektif damper

  eff

  β = Damping efektif

  eff

  m = Massa struktur

  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 V = Gaya geser dasar struktur

  base