Peningkatan Kinerja Link Menengah Melalui Pemasangan Pengaku Diagonal Pada Bagian Ujung
PENINGKATAN KINERJA LINK MENENGAH MELALUI PEMASANGAN PENGAKU DIAGONAL PADA BAGIAN UJUNG T E S I S Oleh M. HUSNI MALIK HASIBUAN 097016010/TS
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
Judul Tesis : PENINGKATAN KINERJA LIK MENENGAH MELALUI PEMASANGAN PENGAKU DIAGONAL PADA BAGIAN UJUNG Nama Mahasiswa : Muhammad Husni Malik Hasibuan Nomor Pokok : 097 016 010 Program Studi : Teknik Sipil Menyetujui :
Komisi Pembimbing
( Dr. Ir Yurisman, MT ) ( Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T ) Ketua Anggota Ketua Program Studi Dekan
(Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE ) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME )
Tanggal Lulus : 22 Januari 2013Telah diuji pada Tanggal 22 Januari 2013 PANITIA PENGUJI TESIS KETUA : Dr. Ir. Yurisman, M.T. Anggota : Prof. Dr. Ir. Bachrian Lubis, M.Sc. Dr-Ing. Hotma Panggabean Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T. Ir. Sanci Barus, M.T. Ir. Rudi Iskandar, M.T
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Peningkatan Kinerja Link Menengah
Melalui Pemasangan Pengaku Diagonal Pada Bagian Ujung” adalah karya saya
dan belum pernah diajukan dalam bentuk apapun kepada peguruan tinggi manapun.Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam tesis ini dan dicantumkan dalam daftar pustaka.
Medan, Januari 2013 M. Husni Malik Hasibuan NIM. 097016010 ABSTRAK Struktur rangka baja terbagi menjadi tiga tipe: rangka penahan momen, rangka berpengaku konsentrik dan rangka berpengaku eksentrik. Berdasarkan penelitian terdahulu, disimpulkan bahwa rangka berpengaku eksentrik lebih unggul dari rangka penahan momen dan rangka berpengaku konsentrik.
Rangka berpengaku eksentrik memiliki elemen yang disebut link. Link berfungsi seperti sekring, ketika gempa besar terjadi, link menyerap energi dengan proses plastifikasi sehingga struktur secara umum tidak rusak. Secara umum link dapat dibagi menjadi tiga jenis: link pendek (link geser), link menengah (link kombinasi dan link panjang (link lentur). Penelitian ini dibagi menjadi dua bagian, kajian numerik dan kajian eksperimen.Kajian numerik bertujuan untuk mendapatkan parameter-parameter penting pada link dan kajian eksperimen untuk membuktikan kajian numerik. Pada kegiatan eksperimental, dua model akan diuji. Model pertama adalah model standar AISC dan model kedua adalah model yang dimodifikasi dengan pemasangan pengaku diagonal.Kriteria kemampuan link diukur dari kekuatan, kekakuan, daktilitas dan disipasi energi.
Dari hasil penelitian ditunjukkan bahwa perilaku link menengah telah berubah, sebagaimana ditunjukkan distribusi tegangan pada baja yang menyerupai link geser dengan tegangan terpusat pada bagian badan.Berdasarkan kriteria kemampuan link, dari kedua model yang telah diuji, disipasi energi link menengah meningkat 188%, untuk kekuatan dan kekakuan sedikit di atas standar AISC dan daktilitas dari link menengah meningkat 1.42 kali.
Kata kunci: baja, link, pengaku diagonal, disipasi energi
ABSTRACT Steel framestructureis dividedintothreetypes: moment resisting frame, concentric braced frame and eccentric braced frame. Based on the researchstudy, it was foundthat the eccentric braced framewassuperior thanmoment resisting frame and concentric braced frame.
Eccentric braced frame hasan element which is calledlink. It workslike afuse,
when agreatearthquake occurs, the link absorbs energy by plastification process
sothat structure is generally not broken. Generally the link element is divided into threetypes oflinks: short links(shear link), intermediate link(combination link) and thelonglink(flexural link).This studyis dividedinto twosections, numericalstudiesandexperimentalstudies. Numericalstudyaimstoobtain the importantlinkparametersandexperimentalstudiestoverify thenumericalstudy. In theexperimentalactivities,two models were tested. The firstmodelis AISC standard and the second model is the modificated model usingdiagonalstiffener. Linkcapabilitycriteriawere measuredfromstrength,stiffness,ductilityandenergydissipation.The results of the studyshowed that the behavior of the intermediatelinkschanged, asshownbythestressdistributionon thesteelthatresemblespropylshearlinkwithstressed centeredon thebody. Basedon thecriteriaofabilitytolink, ofthetwomodelsthathavebeentested, energydissipationintermediatelinksincreases188%
forstrengthandstiffnessslightlyabovetheAISCstandards link andthe ductility of the
intermediate linkincreased1.42times .Keywords: steel, link, diagonalstiffener, energydissipation
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan KaruniaNYA yang telah memberi petunjuk, kesehatan, kesempatan, dan kekuatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan penulisan tesis ini dengan baik.
Adapun tesis ini merupakan syarat akhir untuk menyelesaikan pendidikan pada Program Magister Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Tesis ini berjudul “Peningkatan Kinerja Link Menengah Melalui
Pemasangan Pengaku Diagonal Pada Bagian Ujung” ini dimaksudkan untuk
melengkapi syarat menyelesaikan studi magister pada Program Magister Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati saya mengucapkan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada Bapak Dr. Ir. Yurisman, M.T dan Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T sebagai dosen pembimbing. Selain itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada: Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE, Selaku ketua Program Studi Magister Teknik Sipil FT. USU yang telah memberi motivasi untuk menyelesaikan tesis ini. Bapak Ir. Rudi Iskandar, MT selaku sekretaris Program Studi Magister Teknik Sipil FT. USU yang juga telah memberi motivasi kepada saya untuk tesis ini. Bapak Dr. Ing. Hotma Panggabean, Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, Bapak Prof. Dr. Ir. Bachrian Lubis, M.Sc, Bapak Ir. Sanci Barus, MT yang telah memberi masukan sehingga menyempurnakan tesis ini. Seluruh Dosen yang mengajar pada Program Studi Magister Teknik Sipil FT. USU dan staf administrasi Pak Yun. Kedua Orang tuaku Ir.
H. Abdul Malik Hasibuan dan Hj. Zuraidah Adlina, S.Pd, M.Si, dan adik-adikku Khairuna Malik Hasibuan SH, M.Kn, M. Saleh Afif Hasibuan dan M. Ariz Doli Hasibuan, dan yang paling teristimewa istriku Dita Putri Adhani, ST yang telah membantu dalam penulisan tesis ini. Kepada teman-teman seangkatan, angkatan tahun 2009 dan rekan-rekan mahasiswa pada Program Studi Magister Teknik Sipil USU. Saya juga mengucapkan terima kasih kepada teknisi Lab PAU ITB Bapak Burhan dan Bapak Rahmat sehingga kegiatan eksperimen ini dapat terselenggara.
Penulis menyadari tulisan ini masih jauh dari kesempurnaan, namun penulis berharap semoga tulisan ini dapat bermanfaat untuk penulis dan pembaca yang mendalami ilmu bidang Teknik Sipil.Kritik dan saran penulis terima dengan iklas dan tangan terbuka.Akhir kata semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi dunia Teknik Sipil.
Medan, Januari 2013
Muhammad Husni Malik Hasibuan 097016010
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
A. DATA PRIBADI
Nama : Muhammad Husni Malik Hasibuan Tempat/Tanggal Lahir : Medan / 29 November 1987 Alamat : Jl. Sempurna No. 34 Medan, Sumatera Utara Email : husni.malik.hasibuan@gmail.com Jenis Kelamin : Laki - laki Status : Sudah Kawin Agama : Islam
B. RIWAYAT PENDIDIKAN
1992 – 1998 : SD Negeri 060820 Medan 1998 – 2002 : SLTP Harapan 1 Medan 2002 – 2005 : SMU Harapan 1 Medan 2005 – 2009 : Universitas Islam Sumatera Utara, Fakultas
Teknik, Jurusan Teknik Sipil 2009 – 2012 : Universitas Sumatera Utara, Fakultas Teknik Program Studi Magister Teknik Sipil Konsentrasi Struktur Bangunan
C. RIWAYAT PEKERJAAN
2010 – sekarang : CV. Barokat Maqobul
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................................ i PERNYATAAN ..................................................................................................... iii ABSTRAK ............................................................................................................... iv ABSCTRACT ........................................................................................................... v KATA PENGANTAR .............................................................................................. vi DAFTAR RIWAYAT HIDUP ................................................................................viii DAFTAR ISI ............................................................................................................ ix DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ xi DAFTAR TABEL ................................................................................................... xv DAFTAR NOTASI ................................................................................................. xvi
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ................................................................................... 1
1.2 Tujuan Penelitian ................................................................................ 4
1.3 Pembatasan Masalah ........................................................................... 5
1.4 Sistematika Penulisan ......................................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Baja .................................................................................................... 7
2.2 Sistem Rangka Baja ............................................................................ 9
2.3 Sisterm Rangka Berpengaku Eksenttik.............................................. 10
2.4 Elemen Link ..................................................................................... 13
2.4.1 Beberapa Penelitian Tentang Link ......................................... 14
2.4.2 Perencanaan Link .................................................................. 15
2.5 Pengaku Link (Link Stiffner) ............................................................. 19
2.6 Las ................................................................................................... 22
2.6.1 Ukuran Las ........................................................................... 23
2.6.2 Kuat Las Sudut...................................................................... 23
2.7 Metode Elemen Hingga .................................................................... 24
2.7.1 Analisis Nonlinear................................................................. 24
2.8 Tegangan-tegangan Utama ............................................................... 26
2.9 Regangan .......................................................................................... 29
2.10 Hubungan Tegangan-Regangan ........................................................ 31
2.10.1 Elastic – Perfectly Plastic Model ........................................... 32
2.10.2 Elastic – Linearly Hardening Model ...................................... 33
2.10.3 Elastic – Exponential Hardening Model ................................ 33
2.10.4 Ramberg - Osgood Model ..................................................... 33
2.11 Daktilitas .......................................................................................... 34
2.12 Energi Histeresis ............................................................................... 38
2.13 Redaman (Damping ) ........................................................................ 39
2.14 Hardening Rule................................................................................. 40
BAB III Metodologi Penelitian
3.1 Umum .............................................................................................. 43
3.2 Kajian Secara Numerik ..................................................................... 43
3.3 Hasil Analisis Kajian Secara Numerik .............................................. 45
3.4 Kajian Secara Eksperimental ............................................................ 46
3.5 Standar Pembebanan Dalam Pengujian Eksperimental ...................... 48
3.6 Peralatan yang Digunakan ................................................................ 50
3.7 Set up Pengujian ............................................................................... 51
3.8 Pelaksanaan Pengujian ...................................................................... 56
3.9 Metode Analisis dan Pengolahan Data .............................................. 57
3.9.1 Analisis Terhadap Parameter Kekuatan (Strenght) ................. 58
3.9.2 Analisis Terhadap Parameter Kekakuan (Stiffness) ................ 58
3.9.3 Analisis Terhadap Parameter Dissipasi Energi....................... 58
3.10 Evaluasi terhadap Link Menengah .................................................... 58
BAB IV ANALISIS DATA
4.1 Umum .............................................................................................. 59
4.2 Geometri Elemen Link...................................................................... 60
4.3 Properti Material ............................................................................... 61
4.4 Model Elemen Link .......................................................................... 61
4.5 Link Standar AISC ........................................................................... 63
4.6 Studi Perilaku Pertelakan Pengaku Badan ......................................... 63
4.7 Perilaku Link Terhadap Beban Statik Monotonik .............................. 65
4.8 Perilaku Link Terhadap Beban Siklik................................................ 69
4.9 Kekuatan (Strenght) .......................................................................... 72
4.10 Kekakuan (Stiffeness) ....................................................................... 72
4.11 Energi Dissipasi ................................................................................ 74
4.12 Kajian Eksperimental........................................................................ 75
4.13 Benda Uji ........................................................................................ 77
4.13.1 Benda Uji1 ............................................................................. 77
4.13.2 Benda Uji 2 ............................................................................ 79
4.14 Respon Inelastik Benda Uji Terhadap Beban Siklik .......................... 81
4.14.1 Mekanisme Inelastik Benda Uji 1 ........................................... 81
4.14.2 Meknisme Inelastik Benda Uji 1 ........................................... 87
4.15 Mode Keruntuhan Benda Uji ............................................................ 94
4.16 Analisa Energi Dissipasi ................................................................... 99
4.17 Analisa Kekuatan............................................................................ 100
4.18 Analisa Kekakuan ........................................................................... 103
4.19 Analisa Daktilitas ........................................................................... 104
4.20 Analisa Damping Equivalent .......................................................... 105
4.20.1 Analisa Damping Equivalen Benda Uji 1 ............................. 105
4.20.2 Analisa Damping Equivalen Benda Uji 2 ............................. 109
4.21 Analisa Kurva Backbone ................................................................ 114
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan .................................................................................... 117
5.2 Saran .............................................................................................. 117
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR No Judul Gambar Hal
3.8 Benda uji Link dengan pengaku badan vertikal
44
3.2 Link dengan pengaku badan vertikal
45
3.3 Link dengan pengaku diagonal
45
3.4 Tahap pengkajian numerik dalam analisis terhadap link
46
3.5 Tahap pengkajian eksperimen dalam analisis terhadap link
47
3.6 Pola pembebanan siklik yang digunakan
49
3.7 Specimen uji tarik dan mesin uji tarik
51
52
42
3.9 Letak strain gauge pada link
53
3.10 Pemasangan strain gauge dan pengecekan strain gauge
54
3.11 LVDT
55
3.12 Data logger terpasang ke perangkat komputer
56
3.13 Setup peralatan eksperimental dan benda uji
57
4.1 Geometri elemen link
60
4.2 Model elemen link
3.1 Link tanpa pengaku badan
2.17 Pola hystereris loop combined hardening model
2.1 Kurva hubungan tegangan-regangan baja
2.8 Contoh detail pengaku link
7
2.2 Tiga tipe rangka baja penahan gempa
9
2.3 Diagram beban-perpindahan sistem rangka baja
10
2.4 Konfigurasi bracing pada sistem EBF
11
2.5 Sudut rotasi link
12
2.6 Hubungan panjang link dengan sudut rotasi
16
2.7 Gaya-gaya pada elemen link
17
20
41
2.9 Las sudut
22
2.10 T n berimpit σ 26 nn
2.11 Deformasi elemen dengan regangan
30
2.12 Kenaikan tegangan dan regangan
31
2.13 Energi histeretik
38
2.14 Kurva energi histeretik pada kondisi pembebanan harmonis
39
2.15 Pola hystereris loop isotropic hardening model
40
2.16 Pola hystereris loop kinematic hardening model
60
4.3 Kurva tegangan regangan hasil uji tarik baja
81
78
4.19 Proses pemasangan rol dan rol yang Sudah Terpasang
78
4.20 Perletakan strain gauge
79
4.21 Benda uji 2
79
4.22 Benda uji 2 pada setup
80
4.23 Posisi strain gauge pada benda uji 2
80
4.24 Kurva beban-regangan SGR 5,6,7
4.25 Kurva beban-regangan SGR8,9,10
77
82
4.26 Kurva beban-regangan SGR 11,12,13
83
4.27 Kurva beban-regangan SGS 1
83
4.28 Kurva beban-regangan SGS 2
84
4.29 Kurva beban-regangan SGS 3
85
4.30 Kurva beban-regangan SGS 4
85
4.31 Kurva beban-regangan SGR 9,10,11 Benda Uji 2
4.18 Benda uji 1 pada tumpuan
4.17 Benda uji 1
61 4.4a Link dengan pengaku badan standar AISC pada kedua sisi pada kondisi leleh pertama
4.9 Kurva histeresis link model DSX-6
64 4.4b Link dengan pengaku badan standar AISC pada satu sisi pada kondisi leleh pertama
64 4.4c Link dengan pengaku badan standar AISC pada satu sisi pada kondisi tegangan maksimum
65 4.4d Link dengan pengaku badan standar AISC pada kedua sisi pada kondisi tegangan maksimum
65
4.5 Kurva load vs displacement untuk pembebanan statik monotonik
67
4.6 Posisi tegangan leleh untuk tiap model
68
4.7 Kurva histeresis link model AISC
69
4.8 Kurva histeresis link model DSX-4
70
70
76
4.10 Kurva histeresis link model DSX-8
71
4.11 Perbandingan kurva histeretik tiap benda uji
71
4.12 Kurva perbandingan kekakuan untuk arah tekan
73
4.13 Kurva perbandingan kekakuan untuk arah tarik
73
4.14 Kurva perbandingan energi histeresis
75
4.15 Pola pembebanan
75
4.16 Posisi perletakan LVDT
87
4.32 Kurva beban-regangan SGS-1 Benda Uji 2
88
4.33 Kurva beban-regangan SGS-2 Benda Uji 2
88
4.34 Kurva beban-regangan SGS-3 Benda Uji 2
89
4.35 Kurva beban-regangan SGS-4 Benda Uji 2
90
4.36 Kurva beban-regangan SGS-5 Benda Uji 2
90
4.37 Kurva beban-regangan SGS-6 Benda Uji 2
91
4.38 Kurva beban-regangan SGS-7 Benda Uji 2
91
4.39 Kurva beban-regangan SGS-8 Benda Uji 2
92
4.40 Kurva histeretik loop benda uji
94
4.41 Benda uji 1 pada load step 1
95
4.42 Benda uji 2 pada load step 1
95
4.43 Benda uji 1 pada load step 3
96
4.44 Grafik load step 3, benda uji sudah mengalami deformasi kearah kiri, bagian badan sudah mengalami retak rambut
96
4.45 Benda uji 1 pada load step 4
97
4.46 Benda uji 2 pada load step 3
97
4.47 Benda uji 1 kondisi runtuh (failure)
98
4.48 Benda uji 2 kondisi runtuh (failure)
99
4.49 Perbandingan energi dissipasi benda uji 1 dan benda uji 2 100
4.50 Perbandingan kekuatan benda uji link (arah tarik) 101
4.51 Perbandingan kekuatan benda uji link (arah tekan) 103
4.52 Perbandingan kekakuan untuk 2 benda uji (arah tekan) 103
4.53 Perbandingan kekakuan untuk 2 benda uji (arah tarik) 104
4.54 Kurva histeretik pada load Step 1 = ± 2.5 mm 105
4.55 Kurva histeretik pada load Step 2 = ± 3 mm 106
4.56 Kurva histeretik pada load Step 3 = ± 4.5 mm 106
4.57 Kurva histeretik pada load Step 4 = ± 6 mm 107
4.58 Kurva histeretik pada load Step 5 = ± 9 mm 107
4.59 Kurva histeretik pada load Step 6 = ± 12 mm 108
4.60 Kurva histeretik pada load Step 7 = ± 20 mm 108
4.61 Kurva histeretik benda uji 2 pada load step 1 = ± 2,5 mm 109
4.62 Kurva histeretik benda uji 2 pada load step 2 = ± 3 mm 109
4.63 Kurva histeretik benda uji 2 pada load step 3 = ± 4.5 mm 110
4.64 Kurva histeretik benda uji 2 pada load step 4 = ± 6 mm 110
4.65 Kurva histeretik benda uji 2 pada load step 5 = ± 9 mm 111
4.66 Kurva histeretik benda uji 2 pada load step 6 = ± 12 mm 111
4.67 Kurva histeretik benda uji 2 pada load step 7 = ± 18mm 112
4.68 Kurva histeretik benda uji 2 pada load step 8 = ± 24 mm 112
4.69 Kurva histeretik benda uji 2 pada load step 9 = ± 30 mm 113
4.70 Hubungan antara energi dissipasi dengan damping equivalent 113
4.71 Kurva back bone benda uji 1dan benda uji 2 114
4.72 Kurva normalisasi backbone benda uji 1 115
4.73 Kurva normalisasi backbone benda uji 2 115
DAFTAR TABEL No Judul Tabel Hal
72
4.8 Perbandingan gaya lateral maksimum pada tiap tahap pembebanan terhadap dua benda uji (arah tekan) 102
4.7 Perbandingan gaya lateral maksimum pada tiap tahap pembebanan terhadap dua benda uji (arah tarik) 101
99
4.6 Energi dissipasi tiap benda uji
93
4.5 Rekapitulasi mekanisme inelastis benda uji 2
86
4.4 Mekanisme inelastis benda uji 1
74
4.3 Perbandingan energi dissipasi tiap tahap pembebanan
4.2 Perbandingan kekakuan tiap model untuk tiap tahap pembebanan
2.1 Kategori link berdasarkan strengh ratio
66
4.1 Model link dengan variasi pengaku
50
3.1 Data propertis strain gauge
37
2.4 Tipe daktilitas
23
2.3 Tebal minimum las sudut
21
2.2 Klasifikasi jarak pengaku badan antara
17
4.9 Perbandingan daktilitas untuk kedua benda uji 105
DAFTAR NOTASI
v
w
Vn = Kuat Geser Nominal = Ketebalan Badan (web)
V
p
Vu = Kuat Geser Ultimit = Gaya Geser Yang Berkerja Yang Menyebabkan Plastifikasi
Z x = Pergeseran Plastis Lantai (plastic story drift).
= Modulus Penampang Plastis ø
γ
= Beban Terfaktor Persatuan Panjang = Tahanan Nominal Las Persatuan Panjang t f t
= Faktor Reduksi (LRFD) p
µ = Daktilitas Material = Sudut Rotasi Inelastic
µ c
Ф
= Kurvatur Pada Saat Ultimit = Daktilitas Kurvatur
Ф
= Kurvatur Pada Saat Leleh Pertama
= Ketebalan Sayap (flange)
A w a = Jarak Antara Pengaku (Stiffner) = Luas Penampang Badan (Web)
Ag = Luas Penampang d b dσ
f uw f = Tegangan Tarik Putus Logam Las u
= Kenaikan Tegangan Yang Bersesuaian = Kedalaman Profil Balok (Beam)
e = Panjang Link (Link Length)
E = Modulus Young E
t
= Modulus Tangensial E
p = Modulus Plastis.
= Regangan Pada Saat Ultimit = Regangan Pada Saat Leleh Pertama = Energi Pada Saat Ultimit = Energi Pada Saat Leleh Pertama
f
M p Pu = Gaya Aksial Yang Dijinkan
= Tegangan Tarik Putus Bahan Dasar y
f = Tegangan Leleh
u
h = Tinggi lantai (story height) = Tegangan Ultimit
K e K
=Kekakuan Elastis
P
L = Lebar Bentang (bay width) = Kekakuan Plastis
= Momen Plastis Yang Berkerja Yang Menyebabkan Plastifikasi Py = Gaya Aksial Nominal
µ = Daktilitas Rotasi
r
= Rotasi Pada Saat Ultimit = Rotasi Pada Saat Leleh Pertama
µ s = Daktilitas Struktur = Simpangan Pada Saat Ultimit = Simpangan Pada Saat Leleh Pertama
µ e = Daktilitas Energi = Poisson Ratio
μ = Damping Ekivalen
ζeq