1

PERILAKU STRUKTUR BAJA MOMENT RESISTING FRAME DAN DIAGONAL ECCENTRICALLY BRACED FRAME

MENGGUNAKAN SOLIDWORKS 2012

Steel Structure Behaviour of Moment Resisting Frame and Diagonal Eccentrically Braced Frame Using SolidWorks 2012

Eka Yunita Sri P., Nanang Gunawan Wariyatno dan Yanuar Haryanto

Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Sains dan Teknik

Universitas Jenderal Soedirman Jalan Mayjend Sungkono KM 05 Blater Purbalingga

Alamat korespondensi: ekayunitasripriandita@yahoo.co.id

ABSTRAK

Indonesia terletak di daerah dengan tingkat aktivitas gempa bumi tinggi, sehingga diperlukan struktur yang dibangun dengan memperhitungkan parameter kegempaan. Konstruksi baja merupakan salah satu alternatif yang dapat digunakan sebagai struktur tahan gempa. Secara garis besar ada tiga tipe sistem struktur baja, yaitu: (1) Moment Resisting Frame (MRF), (2) Concentrically Braced Frame (CBF), dan (3) Eccentrically Braced Frame (EBF). Analisis struktur baja tahan gempa memerlukan pemodelan struktur, dan SolidWorks merupakan salah satu perangkat lunak berbasis metode elemen hingga yang dapat digunakan untuk pemodelan struktur. Pada tugas akhir ini dilakukan perbandingan dua sistem struktur baja, yaitu Moment Resisting Frame (MRF) dan Diagonal Eccentrically Braced Frame (D-EBF) menggunakan SolidWorks 2012. Dari hasil analisis, didapatkan bahwa D-EBF memiliki beban ultimit sebesar 1506,135 kN dan MRF memiliki beban ultimit sebesar 782,102 kN. Distribusi tegangan maksimum D-EBF terjadi pada link, sedangkan distribusi tegangan maksimum MRF terjadi pada kolom bawah dan sambungan balok kolom. D-EBF memiliki kekakuan sebesar 26,483 kN/mm dan MRF memiliki kekakuan sebesar 3,528 kN/mm. D-EBF memiliki daktilitas sebesar 2,822, dan MRF memiliki daktilitas sebesar 6,004. Kata Kunci: Kekakuan, Daktilitas, SolidWorks, MRF, D-EBF

ABSTRACT Indonesia is located in the area with a high level of earthquake activity, so

it’s necessary to built the structures by considering seismic parameters. Steel construction is one alternative that can be used as earthquake resistant structures.

2

Generally there are are three types of steel structural systems, ie: (1) Moment Resisting Frame (MRF), (2) Concentrically Braced Frame (CBF), and (3) Eccentrically Braced Frame (EBF). Analysis of earthquake-resistant steel structure requires modeling of structure, and SolidWorks is one of a software based on finite element method that can be used for modeling the structure. Comparison of the two systems of steel structure, which is Moment Resisting Frame (MRF) and Diagonal Eccentrically Braced Frame (D-EBF) using SolidWorks is performed in this final project. From the analysis, it was found that the D-EBF has ultimit loads of 1506.135 kN and MRF has ultimit load of 782.102 kN. Maximum stress distribution of D-EBF occurs in link, while the distribution of the maximum stress occurs in the column under the MRF and beam-column connections. D-EBF has a stiffness of 26.483 kN/mm and MRF has a stiffness of 3.528 kN/mm. But D-EBF has a ductility of 2.822, and MRF has ductility of 6.004.

Keyword: Stiffness, Ductility, SolidWorks, MRF, D-EBF

PENDAHULUAN

Indonesia terletak di antara tiga lempeng tektonik yang aktif di dunia,

sehingga Indonesia memiliki tingkat aktivitas gempa bumi tinggi (BMKG, 2010).

Oleh karena itu, diperlukan struktur yang dibangun dengan memperhitungkan

parameter kegempaan. Bangunan tahan gempa yaitu bahwa akibat gempa yang

kuat, struktur dapat mengalami kerusakan struktural yang berat, tetapi bangunan

dirancang untuk tidak runtuh (SNI 03-1726-2003, 2003). Konstruksi baja

merupakan salah satu alternatif yang dapat digunakan sebagai struktur tahan

gempa, karena memiliki banyak keunggulan yang dapat dimanfaatkan pada

konstruksi bangunan (Wancik, 2009). Wariyatno (2006) menyatakan, secara garis

besar ada tiga tipe sistem struktur baja, yaitu: (1) Moment Resisting Frame

(MRF), (2) Concentrically Braced Frame (CBF), dan (3) Eccentrycally Braced

Frame (EBF). Analisis struktur baja tahan gempa memerlukan pemodelan

struktur. Pemodelan struktur biasanya dilakukan dengan pertimbangan ekonomi

yaitu untuk menghemat waktu dan biaya, serta menghindari resiko kerusakan

sistem nyata (Manatoma dan Soetopo, 2008). SolidWorks merupakan salah satu

perangkat lunak berbasis metode elemen hingga yang dapat digunakan untuk

3

pemodelan struktur. Metode elemen hingga banyak digunakan untuk memecahkan

masalah-masalah analisis engineering yang komplek (Chairiah, 2011).

Atas dasar hal tersebut, penelitian ini bertujuan untuk mengetahui

distribusi tegangan, kekakuan dan daktilitas sistem struktur MRF dan D-EBF

terhadap beban lateral menggunakan SolidWorks 2012. Diharapkan penelitian ini

dapat menjadi bahan pertimbangan perencana struktur baja dalam pemilihan tipe

sistem struktur baja, serta dapat digunakan berkelanjutan sebagai bahan penelitian

terkait struktur rangka.

METODOLOGI PENELITIAN

Penelitian ini dilakukan dengan tahapan-tahapan sebagai berikut:

1. Studi Pustaka

Studi kepustakaan dilakukan untuk menghimpun informasi yang relevan

dengan topik atau masalah yang sedang diteliti dalam penelitian ini.

2. Pemodelan Struktur

Model yang dibuat terdiri dari dua jenis, yaitu sistem struktur Moment

Resisting Frame (MRF) dan Diagonal Eccentrically Braced Frame (D-EBF).

Struktur portal dibuat dengan panjang bentang 6 m dan tinggi 5 m yang dihitung

dari as ke as. Pemodelan mengggunakan profil WF yang didapatkan dari

penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Nanang Gunawan Wariyatno (2006).

Kolom menggunakan profil WF 400.300.10.16, balok menggunakan profil WF

300.300.10.15, dan bresing menggunakan profil WF 300.300.10.15.

Struktur D-EBF di desain untuk mengalami mekanisme keruntuhan geser.

Jenis keruntuhan pada suatu struktur D-EBF sangat dipengaruhi oleh panjang link,

momen plastis penampang dan geser plastis penampang. Panjang link yang

digunakan dalam desain struktur D-EBF adalah 740 mm. Model Struktur MRF

dan D-EBF dalam tampilan SolidWorks 2012 dapat dilihat pada Gambar 1 dan

Gambar 2.

4

Gambar 1. Pemodelan Sistem

Struktur MRF Gambar 2. Pemodelan Sistem

Struktur D-EBF

3. Analisis Model

Tahapan-tahapan yang dilakukan dalam melakukan analisis ini adalah

sebagai berikut.

a. Menetapkan analisis yang akan digunakan. Analisis yang digunakan adalah

analisis dinamik nonlinier.

b. Membagi elemen ke dalam elemen-elemen yang lebih kecil (Meshing)

c. Memberikan kondisi batas (boundary condition). Pada ujung kolom bawah

diberi perletakan jepit (Gambar 3).

Gambar 3. Boundary Condition

d. Menetapkan material struktur (Wariyatno 2006).

1) Modulus elastisitas, E = 200000 MPa

2) Poisson ratio, υ = 0.3

3) Tegangan leleh, fy = 375 MPa

4) Tegangan ultimit, fu = 508 MPa

5

e. Input data tegangan regangan material baja ke dalam SolidWorks (Tabel 1)

Tabel 1. Data Tegangan-Regangan Material Baja (Wariyatno, 2006)

Regangan (i) Tegangan (Mpa)

0 00,001875 3750,01254 3750,0297 4340,0561 4840,0895 5080,1092 5080,1348 5010,148 4900,162 469

f. Menetapkan beban yang bekerja (Gambar 4).

Gambar 4. Penetapan Beban

g. Menganalisis model sistem struktur

h. Tampilan hasil analisis yang dipakai berupa nilai stress dan displacement.

Bagan alir dari penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 5 di bawah ini.

6

Mulai

Studi Pustaka

Pemodelan Struktur

MRF D-EBF

Analisis Model

Pembahasan

Kesimpulan

Selesai

Gambar 5. Bagan Alir Penelitian

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisis dilakukan terhadap nodal-nodal yang dianggap dapat mewakili

struktur secara keseluruhan. Nodal yang dianggap dapat mewakili struktur adalah

area-area dengan distribusi tegangan terbesar yang berada pada bagian atas

struktur, yaitu di bagian link (nodal a), kolom atas sebelah kiri (nodal b), dan

kolom atas sebelah kanan (nodal c). Nodal-nodal yang dipilih untuk mewakili

struktur dapat dilihat pada Gambar 6. Untuk menentukkan nilai kekakuan dan

daktilitas struktur, digunakan metode significant yield dengan titik acuan 75%Pu.

(a) Struktur MRF (b) Struktur D-EBF

Gambar 6. Nodal-Nodal yang Dipilih untuk Mewakili Struktur

7

1. Perbandingan Struktur Momen Resisting Frame (MRF) dan Diagonal

Eccentrically Braced Frame (D-EBF)

Pembahasan hasil analisis dilakukan terhadap distribusi tegangan (stress),

kekakuan (stiffness) dan daktilitas (ductility).

a. Distribusi Tegangan (Stress)

Distribusi tegangan pada struktur MRF terjadi pada bagian kolom bawah

dekat perletakkan dan pada bagian sambungan balok kolom. Pada kondisi

leleh, bagian yang mengalami leleh adalah bagian kolom pada daerah

sambungan balok dan kolom. Pada kondisi ultimit, distribusi tegangan pada

daerah sambungan balok dan kolom sudah menyebar pada bagian balok,

kolom, pengaku siku dan juga pengaku kolom. Distribusi tegangan struktur

MRF dapat dilihat pada Gambar 7.

(a) (c) (a) (c)

(b) (d) (b) (d)

Saat Leleh Saat Ultimit Gambar 7. Distribusi Tegangan Struktur MRF

Distribusi tegangan pada struktur D-EBF terjadi pada bagian link. Pada

kondisi leleh, bagian yang mengalami leleh adalah bagian link. Bagian tengah

pelat badan pada link telah mengalami kelelehan, sedangkan pada pelat sayap

masih dalam kondisi elastis. Pada kondisi ultimit, selain terjadi konsentrasi

8

distribusi tegangan di tengah pelat badan pada link, tegangan juga sudah

menyebar pada bagian pelat sayap link. Distribusi tegangan struktur D-EBF

dapat dilihat pada Gambar 8.

(a) (c) (a) (c)

(b) (d) (b) (d)

Saat Leleh Saat Ultimit Gambar 8. Distribusi Tegangan Struktur D-EBF

b. Kekakuan (Stiffness)

Kekakuan struktur harus diambil dari area bagian atas struktur, karena

kekakuan nodal-nodal di bagian bawah struktur akan terpengaruh oleh adanya

perletakan. Sehingga kekakuan struktur ditinjau berdasarkan tiga titik nodal

pada area yang terletak di bagian atas struktur yaitu nodal a, b, dan c.

Kekakuan struktur MRF dan struktur D-EBF dapat dilihat pada Tabel 2.

Untuk mewakili nilai kekakuan struktur MRF dan D-EBF, diambil nodal b

yang terletak pada kolom atas bagian kiri karena memiliki nilai displacement

yang lebih besar dibandingkan dengan nodal a dan c. Dari hasil analisis

didapatkan bahwa struktur D-EBF memiliki nilai kekakuan yang lebih besar

dibandingkan dengan struktur MRF.

9

Tabel 2. Kekakuan Struktur MRF dan Struktur D-EBF

Py Pu Nama No. hy hu

606,9896 a 16026 171,067 1022,716 3,548

606,9811 b 1896 172,053 1033,015 3,528

606,9686 c 7653 171,16 1026,1 3,546

1243,182 a 9460 44,403 132,875 27,998

1252,020 b 608 47,276 133,433 26,483

1245,375 c 13569 44,368 130,423 28,069

1506,135D-EBF

782,102MRF

Kekakuan (Py/δy)

(kN/mm)

NodalStruktur

Beban (KN)Displacement

(mm)

c. Daktilitas (Ductility)

Nilai daktilitas masing-masing struktur dapat dilihat pada Tabel 3. Seperti

nilai kekakuan struktur, besarnya nilai daktilitas struktur harus diambil dari

area bagian atas struktur, karena daktilitas nodal-nodal di bagian bawah

struktur akan terpengaruh oleh adanya perletakan. Sehingga daktilitas struktur

ditinjau berdasarkan tiga titik nodal pada area yang terletak di bagian atas

struktur yaitu nodal a, b, dan c.

Untuk mewakili nilai daktilitas struktur MRF dan D-EBF, diambil nodal b

yang terletak pada kolom atas bagian kiri karena memiliki nilai displacement

yang lebih besar dibandingkan dengan nodal a dan c. Dari hasil analisis

didapatkan bahwa struktur MRF memiliki nilai daktilitas yang lebih besar

dibandingkan dengan struktur D-EBF.

Tabel 3. Kekakuan Struktur MRF dan Struktur D-EBF

Py Pu Nama No. hy hu

606,990 a 16026 171,067 1022,72 5,978

606,981 b 1896 172,053 1033,02 6,004606,969 c 7653 171,160 1026,1 5,9951243,182 a 9460 44,403 132,875 2,9931252,020 b 608 47,276 133,433 2,8221245,375 c 13569 44,368 130,423 2,940

1506,135

782,102

D-EBF

MRF

Daktilitas (μ=δu/δy)

NodalStruktur

Beban (KN)Displacement

(mm)

10

2. Tambahan Pengaku

Berdasarkan hasil analisis terhadap struktur D-EBF, dapat dilihat bahwa

penambahan pengaku dapat berpengaruh terhadap perilaku struktur. Oleh karena

itu diperlukan analisis dengan tambahan pengaku, untuk mengetahui pengaruh

penambahan pengaku pada struktur D-EBF.

Analisis pada struktur D-EBF dengan tambahan pengaku berdasarkan

variasi letak pengaku, dilakukan pada tiga jenis struktur, yaitu model struktur

dengan tambahan pengaku yang diletakkan di bagian kolom bawah (D-EBF 2),

model struktur dengan tambahan pengaku yang diletakkan di bagian bawah kolom

dan di bagian link (D-EBF 3) dan model struktur dengan tambahan pengaku yang

diletakkan di bagian link (D-EBF 4). Struktur D-EBF tanpa pengaku dan ketiga

jenis struktur D-EBF dengan tambahan pengaku berdasarkan variasi letak

pengaku dapat dilihat pada Gambar 9.

(a) D-EBF Tanpa Pengaku Kolom Bawah

dan Pengaku Link (D-EBF 1) (b) D-EBF dengan Pengaku Kolom Bawah

(D-EBF 2)

(c) D-EBF dengan Pengaku Kolom Bawah

dan Pengaku Link (D-EBF 3) (d) D-EBF dengan Pengaku Link (D-EBF 4)

Gambar 9. Struktur D-EBF dengan Tambahan Pengaku BerdasarkanVariasi

Letak Pengaku

Pembahasan hasil analisis dilakukan terhadap tiga hal, yaitu distribusi

tegangan (stress), kekakuan (stiffness) dan daktilitas (ductility).

11

a. Distribusi Tegangan (Stress)

Berdasarkan hasil analisis, tegangan yang terjadi pada ketiga model

struktur D-EBF dengan tambahan pengaku, tidak memiliki perbedaan yang

signifikan dengan struktur D-EBF tanpa pengaku. Distribusi tegangan pada

ketiga struktur terjadi di bagian link. Akan tetapi, dengan adanya pengaku

pada link maka tegangan yang terjadi pada link tidak terlalu besar jika

dibandingkan dengan tanpa pengaku link. Sedangkan distribusi tegangan di

bagian kolom bawah, pengaku berpengaruh hanya dalam hal membagi luasan

tegangan leleh tanpa mengurangi tegangan yang terjadi.

b. Kekakuan (Stiffness)

Hasil analisis kekakuan untuk struktur D-EBF tanpa pengaku dan ketiga

jenis struktur D-EBF dengan tambahan pengaku berdasarkan variasi letak

pengaku disajikan pada Tabel 4. Berdasarkan pembahasan pada perbandingan

struktur MRF dan D-EBF yang telah diuraikan di atas, nodal yang mewakili

struktur D-EBF adalah nodal b yang terletak pada bagian kolom atas sebelah

kiri. Sehingga untuk membandingkan ketiga model struktur D-EBF dengan

tambahan pengaku berdasarkan variasi letak pengakunya, akan mengacu pada

nodal b.

Tabel 4. Kekakuan Struktur D-EBF dengan Tambahan Pengaku

Py Pu x y z

(kN) (kN) No. (mm) (mm) (mm) (mm)

D-EBF 1 1252,020 1506,135 608 0 5000 5 47,276 26,483

D-EBF 2 1257,999 1512,249 703 0 5000 5 46,847 26,854

D-EBF 3 1375,154 1655,485 703 0 5000 5 46,489 29,580

D-EBF 4 1349,950 1624,453 979 0 5000 5 46,204 29,217

Tipe Struktur

Kekakuan (kN/mm)

KoordinatBebanhyNodal

Pada Tabel 4 terlihat nilai kekakuan terbesar adalah pada struktur D-EBF 3

dengan tambahan pengaku pada dua tempat, yaitu pada bagian kolom bawah

dan bagian link dengan nilai kekakuan sebesar 29,580. Akan tetapi nilai

kekakuan ketiga struktur D-EBF dengan tambahan pengaku tidak memiliki

kenaikan nilai kekakuan yang signifikan, sehingga tujuan meningkatkan

12

kekakuan struktur, penambahan pengaku pada struktur D-EBF tidak terlalu

berpengaruh.

c. Daktilitas (Ductility)

Hasil analisis daktilitas untuk struktur D-EBF tanpa pengaku dan ketiga

jenis struktur D-EBF dengan tambahan pengaku berdasarkan variasi letak

pengaku disajikan pada Tabel 5. Seperti pada pembahasan pada bagian

kekakuan di atas, untuk membandingkan ketiga model struktur D-EBF

dengan tambahan pengaku akan mengacu pada nodal b.

Tabel 5. Kekakuan Struktur D-EBF dengan Tambahan Pengaku

Py Pu x y z hy hu

(N) (N) No. (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)D-EBF 1 1252,020 1506,135 608 0 5000 5 47,276 133,433 2,822D-EBF 2 1257,999 1512,249 703 0 5000 5 46,847 126,703 2,705D-EBF 3 1375,154 1655,485 703 0 5000 5 46,489 136,105 2,928D-EBF 4 1349,950 1624,453 979 0 5000 5 46,204 130,964 2,834

Daktilitas (hu/hy)

Koordinat DisplacementTipe

Struktur

BebanNodal

Pada Tabel 5 dapat dilihat bahwa nilai daktilitas pada ketiga struktur

D-EBF dengan tambahan pengaku berdasarkan variasi letak pengaku, tidak

terlalu jauh berbeda dengan nilai daktilitas struktur D-EBF tanpa pengaku,

sehingga dapat dikatakan bahwa penambahan pengaku tidak terlalu

berpengaruh dalam menaikkan nilai daktilitas suatu struktur.

KESIMPULAN DAN SARAN

1. Kesimpulan

Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan

sebagai berikut.

a. Struktur D-EBF memiliki beban ultimit yang lebih besar dibandingkan

dengan struktur MRF dengan profil yang sama. Struktur MRF dapat

menerima beban ultimit sebesar 782102 N dan struktur D-EBF dapat

menerima beban ultimit sebesar 1506135 N.

b. Distribusi tegangan maksimum pada struktur MRF terjadi pada daerah kolom

bawah dekat dengan tumpuan dan pada daerah sambungan balok kolom,

13

sedangkan distribusi tegangan maksimum pada struktur D-EBF terjadi pada

elemen link dan kolom bagian bawah.

c. Displacement struktur MRF lebih besar daripada struktur D-EBF untuk nodal

acuan yang sama pada struktur.

d. Struktur D-EBF memiliki nilai kekakuan lebih besar dibandingkan dengan

struktur MRF, yaitu sebesar 58.209 kN/mm untuk struktur D-EBF, dan

sebesar 7,750 kN/mm untuk struktur MRF. Tetapi struktur D-EBF memiliki

nilai daktilitas yang lebih kecil dibandingkan dengan struktur MRF, yaitu

sebesar 9,644 untuk struktur D-EBF, dan sebesar 20,286 untuk struktur MRF.

e. Penambahan pengaku link pada struktur D-EBF lebih efektif dalam

mengurangi konsentrasi tegangan maksimum pada elemen link.

f. Struktur D-EBF dengan tambahan kombinasi pengaku link dan pengaku

kolom bawah (D-EBF 3), lebih efektif memberikan peningkatan beban

ultimit, nilai kekakuan dan nilai daktilitas struktur serta distribusi

tegangannya. Akan tetapi, beban ultimit, nilai kekakuan, dan nilai daktilitas

yang terjadi tidak meningkat dengan signifikan, jika dibandingkan dengan

struktur D-EBF tanpa pengaku (D-EBF 1).

g. Penambahan pengaku berdasarkan variasi letak pengaku, tidak terlalu

berpengaruh dalam meningkatkan beban ultimit, nilai kekakuan dan nilai

daktilitas pada struktur D-EBF.

2. Saran

Saran yang dapat diberikan berdasarkan penelitian ini adalah sebagai

berikut.

a. Penelitian menggunakan piranti lunak sebaiknya menggunakan komputer atau

laptop dengan spesifikasi yang sesuai atau bahkan lebih tinggi. Hal ini untuk

mengurangi tingkat kesalahan yang terjadi dalam hasil analisis.

b. Penggunaan metode elemen hingga untuk menyelesaikan permasalahan pada

bidang rekayasa teknik lebih efektif dan cepat sehingga perlu adanya

penelitian yang berkelanjutan tentang penggunaan program komputer

berbasis metode elemen hingga.

14

c. Pada penelitian ini beban yang diberikan terhadap struktur berupa beban

lateral yang bekerja secara monotonik. Untuk menentukan tingkat dissipasi

energi masing-masing struktur maka diperlukan penelitian selanjutnya

tentang pemberian beban secara siklik.

d. Struktur EBF memiliki berbagai variasi tipe struktur selain D-EBF, sehingga

untuk mengetahui perilaku struktur EBF dengan tipe yang lain, diperlukan

penelitian yang berkelanjutan.

DAFTAR PUSTAKA

American Institute of Steel Construction. 2010. Seismic Provisions for Structural

Steel Buildings. AISC : Inc.

Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG). 2009. Gempa Bumi.

(Online), http://bmkg.go.id/ BMKG_Pusat/Geofisika/Gempabumi.bmkg,

diakses pada 15 Mei 2012.

Chairiah. 2011. Perilaku Sambungan Balok Kolom pada Struktur Baja

Menggunakan Metode Elemen Hingga. Skripsi. Purwokerto: Universitas

Jenderal Soedirman.

Departemen Pekerjaan Umum. 2003. SNI 03-1726-2002: Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Bangunan Gedung. Bandung: Yayasan LPMB,

Mananoma, Tiny, dan Soetopo, Widandi. 2008. Pemodelan sebagai Sarana dalam

Mencapai Solusi Optimal. Jurnal Teknik Sipil Volume 8 No. 3, Juni

2008:184-192.

Wancik, Ahmad. 2009. Kelebihan dan Kekurangan Material (Bahan Bangunan). (Online), http://wancik.wordpress.com/2009/03/28/kelebihan-dan-kekurang an-material-bahan-bangunan/, diakses pada 17 Mei 2012.

Wariyatno, N. G. 2006. Perilaku Struktur Baja Beban Siklik dengan Link Pelat

Baja Pendisipasi Energi. Thesis. Bandung: Institut Teknologi Bandung.