1. Pendahuluan
Penelitian yang pernah dilakukan (Gobarah & Ramadan, 1991; Kurdi, 2002 juga Popov,1983) menunjukkan bahwa sistem Eccentrically Braced Frames (EBF) memiliki respons yang lebih baik dari sistem Concen-trically Braced Frame (CBF) maupun sistem Moment Resisting Frame (MRF) ketika menerima beban gempa (siklik) pada saat struktur sudah leleh inelastik. Konfigurasi ketiga struktur portal MRF, CBF dan EBF ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Konfigurasi portal MRF, CBF dan EBF
Respon yang baik dari struktur portal EBF disebabkan kemampuan menyerap energi yang sangat besar dan konsisten tanpa terjadi pengurangan kekakuan sampai sejumlah putaran (cycle) yang cukup tinggi (Hjelmstad dan Popov, 1983).
Sistem EBF penyerapan energi melalui mekanisme pembentukan sendi plastis pada elemen active link. Kelelehan yang terjadi pada active link ini dapat berupa kelelehan geser atau lentur dan diijinkan deformasi yang cukup besar. Prilaku elemen link dipengaruhi panjang-pendeknya dimana link berprilaku sebagai link momen (moment link) atau geser (shear link).
Berdasarkan studi yang telah dilakukan prilaku link sebagai link geser (shear link) dengan jarak dan tebal pengaku badan didesain sesuai ketentuan Seismic Provisions for Structural Steel Buildings terbukti memberikan tingkat dissipasi energi yang tinggi serta kapasitas inelastik yang lebih tinggi pula. Selanjutnya, dengan kombinasi parameter panjang elemen link dan konfigurasi pengaku badan baik vertikal maupun diagonal diharapkan diperoleh suatu sistem struktur portal EBF-D yang handal dari segi kekuatan, kekakuan, daktilitas maupun energi dissipasi saat menerima beban gempa.
2. Sistem Struktur Berpenopang Eksentrik (EBF)
Berdasarkan Seismic Provisions for Structural Steel Buildingsterdapat beberapa bentuk sistem portal EBF yang umum digunakan seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. Konfigurasi struktur portal EBF
Penyerapan energi gempa pada sistem EBF-D dilakukan melalui mekanisme pembentukan sendi plastis pada elemen link. Distribusi gaya struktur portal EBF-D dapat dilihat pada Gambar 3. Gaya geser pada link konstan sepanjang elemen link sedangkan momen dan gaya aksial cukup kecil. Dari gambar menunjukkan indikasi bahwa daerah ujung link yang merupakan pertemuan link dan kolom harus menjadi perhatian khusus demikian juga daerah sepanjang badan link (Okazaki et.al, 2005).
Gambar 3. Distribusi gaya geser, momen dan aksial pada EBF (Okazaki, et.al, 2005)
Gambar 4. Distribusi gaya geser, momen pada link EBF
2.1 Elemen link
Elemen link merupakan bagian dari balok yang direncanakan untuk mendissipasi energi saat terjadinya gempa kuat. Kelelehan yang terjadi pada elemen link berupa kelelehan geser atau kelelehan lentur. Tipe kelelehan ini sangat tergantung pada panjang link tersebut (Engelhardt dan Popov, 1989 serta Hashemi, 2011). Gambar 4 menunjukkan distribusi gaya pada elemen link. Dari gambar, MB dan MC adalah momen pada ujung balok dan kolom link. Dan V adalah gaya geser link. Gaya aksial karena sangat kecil dapat diabaikan. Di dalam kasus ini, dimana persamaan momen ujung sama besarnya sehingga MB=MC=M. Persamaan statik dari link menjadi Ve = 2M. Untuk link dengan elastis-plastis sempurna dengan tidak ada interaksi antara momen dan geser, e = 2 Mp/Vp dapat membagi panjang link antara link geser dengan link momen. Dimana Mp and Vp adalah momen dan kekuatan geser plastis sesuai dengan persamaan berikut :
\[Vp = 0.60 \text{ fy } (d - 2tf_) t_w\] (1)
\[Mp = fy Zp (2)\]
Dari persamaan, fy adalah tegangan leleh baja, d adalah tinggi penampang link, tw adalah tebal badan, tf adalah tebal sayap dan Zp adalah modulus plastis penampang (Okazaki et.al, 2005).
2.2 Pengaku badan (web stiffner)
Struktur dikatakan mempunyai prilaku yang baik pada kondisi inelastik jika struktur mampu menyerap/ memancarkan energi dalam jumlah yang besar secara terus menerus tanpa mengalami kehilangan kekuatan dan kekakuan sampai siklus pembebanan yang tinggi. Tekuk badan yang terjadi pada link geser (shear link) menimbulkan sejumlah kehilangan kemampuan mendisipasi energi dan kapasitas daya dukung beban. Gejala ini dapat dikontrol dan diperlambat dengan penambahan pengaku badan.
a. Pengaku badan vertikal
Menurut Seismic Provisions for Structural Steel Buildings perencanaan pengaku badan vertikal link meliputi :
1. Pengaku pelat badan pada kedua ujung link.
Dititik pertemuan dengan batang bresing, pada link harus dipasang pengaku setinggi badan link dan berada dikedua sisi pelat badan link. Pengaku tersebut harus mempunyai lebar total tidak kurang dari (bf – 2tw) dan ketebalan yang tidak kurang dari nilai terbesar dari 0,75tw atau 10 mm, dengan bf dan tw adalah lebar pelat sayap dan tebal pelat badan link.
1. Pengaku badan antara link
Selain pada kedua ujung link, disepanjang link juga dibutuhkan pengaku badan antara (link
intermediate web stiffeners) dengan besar spasi tergantung pada sudut rotasi yang terjadi pada link. Untuk panjang link (e) 1,6 Mp/Vp jarak pengaku badan 30tw – d/5 dengan rotasi sebesar 0,08 rad dan jarak pengaku 52tw-d/5 dengan rotasi 0,02 rad.
Berdasarkan hasil penelitian (Gobarah dan Ramadan, 1991) terhadap link pendek terbukti bahwa link dengan pengaku badan menghasilkan kemampuan geser yang lebih besar dengan loop hysteretic yang lebih gemuk dan stabil. Beberapa peneliti lain (Kasai dan Popov, 1986) telah menetapkan beberapa ketentuan sederhana tentang hubungan antara jarak pengaku badan (web stiffner spacing) dengan sudut rotasi inelastik maksimum (γp) hingga awal terjadinya tekuk badan. Peneliti lain (Richards dan Uang, 2002, 2005) juga telah meneliti pengaruh rotasi link dan juga ketebalan dari sayap link dari struktur EBF.
Peneliti lain (Bulić et.al., 2011) melakukan pengujian secara eksperimental dengan penambahan pengaku vertikal pada link geser yang menghasilkan peningkatan gaya geser antara 15% s.d 40% pada daerah inelastik. Penelitian secara eksperimental (Hjelmstad dan Popov, 1983 serta Malley and Popov, 1983) dengan variasi panjang link akibat beban gempa menunjukkan bahwa pengaku link menjadi elemen penting untuk mengontrol dan membatasi tekuk awal pada sayap saat badan sudah dalam keadaan inelastis.
b. Pengaku badan diagonal
Penelitian elemen link dengan pengaku badan diagonal (Yurisman dkk, 2010) baik secara numerik maupun secara eksperimental mulai diteliti. Hasil penelitian dihasilkan bahwa penambahan pengaku diagonal secara siknifikan berpengaruh kepada kinerja link baik kekakuan, kekuatan maupun energi dissipasi. Disamping itu ketebalan pengaku dan bentuk geometri juga berpengaruh pada kinerja link. Dimana pengujian dilakukan hanya untuk model elemen link dan belum menggunakan struktur EBF disamping itu usulan jarak pengaku diagonal juga belum diusulkan dalam penelitian tersebut. Hal ini yang mendorong peneliti untuk melakukan penelitian kinerja struktur EBF-D dengan link geser berpengaku badan diagonal.
3. Kajian Numerik
Penelitian ini dilakukan secara numerik dengan metode elemen hingga non linear. Struktur dimodelkan sebagai elemen shell CQUAD dengan menggunakan perangkat lunak komputer MSC/ NASTRAN dan dijepit pada kedua ujungnya dalam 6 derajat kebebasan : 3 rotasi (Rx, Ry, Rz) dan 3 translasi (Tx, Ty, Tz). Pada salah satu ujung balok diberi beban perpindahan secara bertahap (incremental). Asumsi yang digunakan dalam model menggunakan struktur portal EBF-D dengan link geser. Kriteria leleh
menggunakan Von Misses dengan hardening rule merupakan kombinasi antara isotropic dan kinematic. Deformasi besar pada sambungan antara balok dan kolom dipertimbangkan dalam model.
Untuk mengontrol akurasi dari model yang dibuat dan asumsi yang digunakan dalam penelitian ini, dilakukan perbandingan hasil uji eksperimen dari peneliti Bulić et.al, 2011. Model struktur EBF-D dimodelkan dengan panjang dan tinggi masing-masing 2 meter serta panjang link 300 mm. Profil yang digunakan profil HEA ukuran 100.100.5.8 mm dengan tebal pengaku badan vertikal antara 10 mm dan pengaku pada ujung link setebal 15 mm serta jarak pengaku 75 mm. Pemodelan struktur dapat dilihat pada Gambar 5.
Kurva tegangan dan regangan model diambil dari kurva pengujian yang dilakukan oleh peneliti Yurisman dkk, 2010 sebagaimana Gambar 6. Pembebanan dilakukan secara monotonik dan siklik dengan pola pembebanan sesuai AISC 2005 sebagaimana Gambar 7.
Selanjutnya dilakukan usulan pemodelan struktur menggunakan model link yang diuji secara eksperimental oleh peneliti Yurisman dkk., 2010. Struktur di modelkan seperti Gambar 8 mengunakan profil WF 200.100. 5,5.8 mm dengan panjang link 400 mm dan tebal pengaku vertikal 8 mm dan pengaku badan diagonal 5,5 mm. Modulus elastis (E) yang digunakan sebesar 133.082 Mpa dengan poison ratio () sebesar 0,3. Parameter konfigurasi model pengaku diagonal diteliti pertama dalam penelitian ini. Selanjutnya diusulkan jarak optimal pemasangan pengaku bandan diagonal.
Gambar 5. Pemodelan struktur dan elemen link
Gambar 6. Kurva tegangan dan regangan untuk model numerik
Gambar 7. Pola pembeban siklik sesuai AISC 2005
Gambar 8. Usulan pemodelan struktur dan elemen link EBF-Type D
Gambar 9. Perbandingan kurva beban (P) dengan perpindahan () antara numerik dengan eksperimental
3.1 Pengaruh konfigurasi model pengaku elemen link
Elemen link yang digunakan pada model struktur Gambar 5 dimodelkan dengan berbagai variasi model menggunakan pengaku badan vertikal dan diagonal. Gambar konfigurasi elemen link dengan pengaku badan vertikal dan diagonal dapat dilihat pada Gambar 10. Kinerja masing-masing struktur EBF-D ditunjukkan pada Gambar 11. Seluruh model yang menggunakan pengaku badan diagonal didesain dengan jarak pengaku tidak memenuhi jarak yang disyaratkan oleh AISC 2005 atau lebih besar dari 30tw-5/d. Dari gambar secara umum penambahan pengaku diagonal badan pada daerah pengaku vertikal meningkatkan kinerja struktur. Dari delapan model elemen link terlihat kinerja terbaik dari segi kekuatan, kekakuan serta kestabilan elemen link di tunjukkan oleh elemen link dengan pengaku diagonal model D200 yang ditempatkan sejauh 1,6 (30tw-d/5) antara jarak pengaku vertikal. Selanjutnya
model ini digunakan untuk membandingkan kinerja struktur portal dengan link berpengaku vertikal yang didesain sesuai dengan syarat AISC 2005.
3.2 Perbandingan kinerja antara struktur portal EBF-D berpengaku badan vertikal dengan diagonal
Kinerja struktur EBF-D dengan link geser berpengaku badan diagonal yang didesain tidak memenuhi syarat ketentuan AISC 2005 yang selanjutnya disebut model D200 dibandingkan dengan struktur EBF-D dengan link geser berpengaku badan vertikal yang selanjutnya disebut model V100 dapat dilihat pada Gambar 12 untuk hubungan antara gaya dengan perpindahan. Dari gambar terlihat bahwa model D200 dengan penambahan pengaku diagonal pada daerah pengaku vertikal menyebabkan peningkatan gaya pada daerah elastis maupun plastis setelah badan elemen link leleh yang diikuti dengan leleh pengaku badan diagonal. Penambahan pengaku badan diagonal juga meningkatkan kekakuan struktur pada daerah elastis maupun plastis sebagaimana Gambar 13.
Gambar 10. Konfigurasi model elemen link geser berpengaku badan vertikal dan diagonal
Gambar 11. Kurva pengaruh konfigurasi model pengaku badan elemen link
Gambar 12. Kurva beban dan perpindahan untuk struktur model D200 dan V100
Gambar 13. Kurva perbandingan kekakuan struktur portal model D200 dengan V100
Kestabilan model D200 juga sangat baik dimana rotasi link yang disyaratkan sebesar 0,08 rad pada saat perpindahan 36 mm dapat dicapai tanpa terjadi tekuk pada link dan pengurangan beban yang ditahan struktur sebagaimana dapat
dilihat pada Gambar 14 distribusi tegangan Von Misses pada saat struktur berotasi sebesar 0,08 rad.
Nilai daktilitas () yang diperoleh juga sangat baik sebagaimana ditujukkan pada Tabel 1. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa struktur portal model D200 lebih baik dibandingkan dengan struktur portal V100 baik dari segi kekuatan, kekakuan dan daktilitas.
Struktur portal model D200 mempunyai kemampuan dissipasi energi gempa cukup baik hal ini dapat dilihat dari kurva hysteretic yang dihasilkan cukup gemuk, stabil tanpa ada pincing dan terlihat efek dari baushinger sebagaimana terlihat pada Gambar 15 untuk kurva hubungan antara gaya dengan perpindahan. Pada pembebanan siklik rotasi link sebesar 0,08 rad sebagaimana yang disyaratkan dapat dicapai sehingga struktur dapat dikatakan cukup baik untuk menyerap energi gempa. Besarnya energi dissipasi dapat dilihat pada Gambar 16. Pengaruh panjang link (e), tebal pengaku vertikal (tsv), tebal pengaku diagonal (tsd), tebal badan dan tebal sayap diteliti dari model D200 ini.
3.3 Pengaruh panjang elemen link
Panjang elemen link divariasikan antara 300 sampai dengan 400 mm dimana panjang ini masih dalam batasan sebagai panjang elemen link geser. Elemen link dimodelkan dengan penambahan pengaku badan diagonal pada daerah antara pengaku badan vertikal yang diletakkan pada posisi setengah dari panjang link. Jarak pengaku vertikal pada link yang menggunakan pengaku badan diagonal didesain tidak memenuhi jarak yang disyaratkan AISC 2005 untuk melihat kinerja struktur dengan penambahan pengaku diagonal. Jarak yang digunakan antara lain 150, 175 dan 200 mm. Hasil perbandingan panjang link dengan pengaku badan diagonal dapat dilihat pada Gambar 17 dimana kinerja terbaik dihasilkan pada elemen link dengan jarak 200 mm (model D200) dengan panjang link mendekati nilai 1,6 Mp/ Vp dan kinerja terendah ditunjukkan untuk jarak 175 mm (model D175) yang merupakan jarak antara link terpendek dengan link terpanjang.
Gambar 14. Pola keruntuhan dan distribusi tegangan vonmisses model D200 dan V100 saat rotasi struktur 0,08 rad
Tabel 1. Tegangan leleh, ultimit dan daktilitas
| Model | Monotonik | Siklik | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Py | y | Pu | u | | Gaya | Py | y | Pu | u | | |
| V100 | 30.8 | 1.3 | 434.2 | 90.4 | 70.6 | Tarik | 30.8 | 1.3 | 478.1 | 76.0 | 84.4 |
| Tekan | 25.4 | 0.9 | 487.1 | 76.0 | 58.5 | ||||||
| D200 | 32.5 | 1.3 | 506.3 | 82.4 | 64.6 | Tarik | 32.6 | 1.3 | 558.0 | 52.0 | 40.6 |
| Tekan | 26.8 | 0.9 | 559.3 | 52.0 | 57.8 | ||||||
Gambar 15. Kurva hysteretic struktur model D200 denganV100
Gambar 16. Perbandingan penyerapan energi struktur portal model D200 dengan V100
3.4 Pengaruh ketebalan pengaku link
Variasi ketebalan pengaku badan baik vertikal yang divariasikan dari 5,5 sampai dengan 12 mm dan diagonal yang divariasikan dari 4 sampai dengan 10 mm di tunjukkan pada Gambar 18. Terlihat bahwa perubahan ketebalan pengaku baik vertikal maupun diagonal tidak mempengaruhi penambahan beban yang dapat ditahan oleh struktur secara signifikan karena fungsi dari pengaku untuk mencegah terjadinya tekuk awal pada sayap sehinga elemen link mampu berotasi dengan deformasi yang cukup besar tanpa kehilangan gaya. Namun demikian ketebalan link tetap harus dibatasi untuk mencegah tekuk awal dimana kinerja terbaik dihasilkan dengan ketebalan pengaku badan diagonal 5,5 mm atau sama dengan ketebalan badan link dan ketebalan pengaku badan vertikal sebesar 8 mm.
Gambar 17. Kurva variasi panjang link antara 300 sampai dengan 400
Gambar 18. Kurva variasi tebal pengaku badan vertikal (tsv) dan diagonal (tsd)
3.5 Pengaruh ketebalan badan link
Variasi badan link diteliti dari 4 sampai dengan 10 mm sebagaimana ditunjukkan Gambar 19. Ketebalan link berpengaruh terhadap peningkatan gaya struktur hal ini disebabkan link pendek pola keruntuhan atau kelelehan terjadi pada badan link. Semakin tebal elemen badan link semakin memperlambat laju kelelehan badan yang selanjutnya meningkatkan gaya yang dapat ditahan oleh struktur.
3.6 Pengaruh ketebalan sayap link
Variasi ketebalan sayap diteliti dari 8 sampai dengan 12 mm sebagaimana ditunjukkan Gambar 20. Pengaruh ketebalan sayap juga sangat kecil terhadap kinerja struktur karena kelelehan elemen link terjadi pada badan link dan pengaku badan baik vertikal maupun diagonal menjaga link agar tidak terjadi tekuk pada sayap link.
4. Kesimpulan
- 1. Kinerja struktur EBF-D dengan pengaku badan diagonal lebih baik dibandingkan dengan pengaku vertikal dari segi kekuatan, kekakuan, daktilitas maupun energi dissipasi.
- 2. Penggunaan pengaku badan diagonal pada struktur EBF -D yang ditempatkan di daerah untuk jarak pengaku vertikal antara 30tw-d/5 sampai dengan panjang link (e), menghasilkan kinerja struktur yang optimal jika ditempatkan pada 1,6 (30tw-d/5) dimana ketebalan pengaku badan diagonal sama dengan badan link atau 5,5 mm dan pengaku badan vertikal minimum 8 mm.
- 3. Parameter tebal sayap (tf), tebal pengaku baik vertikal (tsv) atau diagonal (tsd) tidak berpengaruh signifikan terhadap kinerja struktur.
- 4. Parameter konfigurasi pengaku diagonal, panjang link (e), dan tebal badan (tw) serta tebal sayap di luar link berpengaruh signifikan terhadap kinerja struktur.