Sistem Penahan Gaya Lateral

URL 02:
Sistem Struktur Bangunan Tinggi
Pada dasarnya setiap sistem struktur pada suatu bangunan merupakan
penggabungan berbagai elemen struktur secara tiga dimensi yang cukup rumit.
Fungsi utama dari sistem struktur terutama untuk memikul secara aman dan
efektif beban yang bekerja pada bangunan, serta menyalurkannya ke tanah
melalui fondasi. Beban yang bekerja pada bangunan terdiri dari beban vertikal,
horizontal, perbedaan temperatur, getaran, dan sebagainya.
Sistem struktur dalam proses perancangannya selalu dihadapi oleh beberapa
kendala, diantaranya: persyaratan arsitektural, sistem mekanikal dan elektrikal,
metode konstruksi dan aspek ekonomi.
Dalam berbagai sistem struktur baik menggunakan bahan beton bertulang, baja
maupun komposit, selalu ada komponen (sub sistem) yang dapat dikelompokkan
dalam sistem yang digunakan untuk menahan gaya gravitasi dan sistem untuk
menahan gaya lateral.
Portal Penahan Momen
+
Dinding Geser Kantilever
Dinding Geser Kopel
Sistem Struktur Penahan
Gaya Gravitasi
Rangka Pengaku Konsentris
Rangka Pengaku Eksentris
Sistem Struktur Penahan
Gaya Lateral
Sistem Penahan Gaya Gravitasi
Beban gravitasi merupakan beban yang berasal dari beban mati struktur dan
beban hidup yang besarnya disesuaikan dengan fungsi bangunan.
Struktur lantai yang merupakan bagian terbesar dari struktur bangunan,
sehingga pemilihannya perlu dipertimbangkan secara seksama, diantaranya:
a. Pertimbangan terhadap berat sendiri lantai, makin ringan beban lantai
makin berkurang dimensi kolom dan fondasi serta makin dimungkinkan
menggunakan bentang yang lebih besar.
b. Kapasitas lantai untuk memikul beban pada saat pekerjaan konstruksi.
c. Dapat menyediakan tempat/ruang bagi saluran utilitas yang diperlukan.
d. Memenuhi persyaratan bagi ketahanan terhadap api.
e. Memungkinkan bagi kesinambungan pekerjaan konstruksi, jika
pelaksanaan pembangunannya membutuhkan waktu yang panjang.
f. Dapat mengurangi penggunaan alat bantu pekerjaan dalam pembuatan
pelat lantai (perancah – ‘steiger’).
Sistem struktur lantai biasanya merupakan kombinasi dari pelat dengan balok
induk (‘girders’) atau anak balok (‘beams’) atau rusuk (‘ribs’ atau ‘joists’), yang
ketebalannya tergantung pada bentang, beban dan kondisi tumpuannya
Pelat Satu Arah
('One Way Slab')
Pelat Rusuk Satu Arah
('One Way Rib Slab')
Pelat Dua Arah
('Two Way Slab on Beam')
Pelat Tanpa Balok Tanpa Kepala Kolom
('Flat Plate')
Pelat Tanpa Balok Dengan Kepala Kolom
('Flat Slab')
Pelat Rusuk Dua Arah
('Waffle Slab')
Pelat satu arah (‘one way slab’) ditumpu oleh balok anak yang ditempatkan
sejajar satu dengan lainnya, dan perhitungan pelat dapat dianggap sebagai
balok tipis yang ditumpu oleh banyak tumpuan.
Pelat rusuk satu arah (‘one way rib/joist slab’) ditumpu oleh rusuk, anak balok
yang jarak satu dengan lainnya sangat berdekatan, sehingga secara visual
hampir sama dengan pelat satu arah.
Pelat yang keempat sisinya ditumpu oleh balok dengan perbandingan
lx
ly
2,
disebut pelat dua arah, sehingga perhitungan pelat perlu dilakukan dengan
menggunakan pendekatan dua arah; biasanya dengan menggunakan tabel
tertentu.
Dua jenis berikutnya adalah pelat dua arah yang tidak ditumpu oleh balok, tetapi
langsung oleh kolom. Jenis pertama, pelat lantai ditumpu langsung oleh kolom
tanpa penebalan di sekeliling kolom (‘drop panel’) dan/atau kepala kolom
(‘column capital’), sehingga beban vertikal langsung dipikul oleh kolom dari
segala arah (‘flat plate’). Sedang jenis kedua, pada puncak kolom terdapat
penebalan pelat lantai dan/atau kepala kolom (‘flat slab’), sehingga dapat
memikul gaya geser atau momen lentur yang lebih besar.
Pelat wafel (‘waffle slab’) adalah pelat dua arah yang ditumpu oleh rusuk dua
arah. Pelat ini memberikan kekakuan yang cukup besar, sehingga dapat
memikul beban vertikal atau dapat digunakan untuk bentang lantai yang besar.
Sistem Penahan Gaya Lateral
Hal yang penting pada struktur bangunan tinggi adalah stabilitas dan
kemampuannya untuk menahan gaya lateral, baik yang disebabkan oleh angin
atau gempa bumi. Beban angin lebih terkait pada dimensi ketinggian bangunan,
sedang beban gempa lebih terkait pada massa bangunan.
Kolom pada bangunan tinggi perlu diperkokoh dengan sistem pangaku untuk
dapat menahan gaya lateral, agar deformasi yang terjadi akibat gaya horizontal
tidak melampaui ketentuan yang disyaratkan (‘P- Effect’).
Pengaku gaya lateral yang lazim digunakan adalah portal penahan momen,
dinding geser atau rangka pengaku.
Portal penahan momen terdiri dari komponen (sub-sistem) horizontal berupa
balok dan komponen (sub-sistem) vertikal berupa kolom yang dihubungkan
secara kaku (‘rigid joints’). Kekauan portal tergantung pada dimensi balok dan
kolom, serta proporsional terhadap jarak lantai ke lantai dan jarak kolom ke
kolom.
Dinding geser (‘shear wall’) didefinisikan sebagai komponen struktur vertikal
yang relatif sangat kaku. Dinding geser pada umumnya hanya boleh mempunyai
bukaan sedikit (sekitar 5%) agar tidak mengurangi kekakuannya. Fungsi dinding
geser berubah menjadi dinding penahan beban (‘bearing wall’), jika dinding
geser menerima beban tegak lurus dinding geser.
Rangka pengaku (‘braced frame’) terdiri dari balok dan kolom yang ditambahkan
pengaku diagonal. Adanya pengaku diagonal ini akan berpengaruh pada
fleksibilitas perpanjangan/perpendekan lantai di mana pengaku tersebut
ditempatkan. Rangka pengaku banyak digunakan pada bangunan tinggi yang
menggunakan struktur baja. Jenis rangka pengaku yang sering digunakan,
diantaranya adalah pengaku diagonal tunggal/ganda, pengaku ‘K’
(horizontal/vertikal), atau rangka pengaku eksentris.
Pada bangunan tinggi sering digunakan gabungan antara portal penahan
momen dengan dinding geser, terutama pada bangunan tinggi yang dibangun di
daerah yang terkena pengaruh gempa bumi. Penggabungan antara portal dan
dinding geser, terutama bagi bangunan tinggi dengan struktur beton. Hal ini
dapat memberikan hasil yang baik untuk memperoleh kekenyalan/daktilitas
(‘ductility’) dan kekakuan sistem struktur.
Ditahan
Oleh
Portal
Ditahan
Oleh
Dinding
Geser
Gaya
Lateral
Portal Penahan
Momen
(Individual)
Dinding Geser
(Individual)
Gabungan Portal dan
Dinding Geser
Vdinding geser
Vtotal
Penempatan dinding geser dapat dilakukan pada sisi luar bangunan atau pada
pusat bangunan. Dinding geser yang ditempatkan pada bagian dalam bangunan
biasa disebut dengan inti struktural (‘structural cored’).
Pembebanan pada Bangunan
Beban Mati (BM)
Beban mati adalah berat dari semua bagian dari suatu bangunan yang bersifat
tetap, termasuk segala unsur tambahan, mesin-mesin serta peralatan tetap
(‘fixed equipment’) yang merupakan bagian yang tak terpisahkan dari bangunan
itu (perlengkapan/peralatan bangunan).
Menurut Peraturan Pembebanan Indonesia untuk Gedung 1983, berat sendiri
bahan bangunan dan komponen gedung dapat dilihat pada Tabel berikut ini:
Berat Sendiri Bahan Bangunan & Komponen Gedung
-------------------------------------------------------------------------------------BAHAN BANGUNAN
Baja
7850 kg/m3
Batu Alam
2600 kg/m3
Batu Belah/Bulat/Gunung
1500 kg/m3
Batu Karang
700 kg/m3
Batu Pecah (Split)
1450 kg/m3
Besi Tuang
7250 kg/m3
Beton (untuk struktur)
2200 kg/m3
Beton Bertulang
2400 kg/m3
Kayu (Kelas I)
1000 kg/m3
Kerikil, Koral (kering udara sampai lembab)
1650 kg/m3
Pasangan Batu Merah
1750 kg/m3
Pasangan Batu Belah/Bulat/Gunung
2200 kg/m3
Pasangan Batu Cetak
2200 kg/m3
Pasangan Batu Karang
1450 kg/m3
Pasir (kering udara sampai lembab)
1600 kg/m3
Pasir (jenuh air)
1800 kg/m3
Pasir Kerikil, Koral (kering udara – lembab)
1850 kg/m3
Tanah, Lempung & Lanau (kering – lembab) 1700 kg/m3
Tanah, Lempung & Lanau (basah)
2000 kg/m3
Tanah Hitam (Timbel)
11400 kg/m3
KOMPONEN GEDUNG
Adukan, per cm tebal:
- dari Semen
21 kg/m2
- dari Kapur, Semen Merah atau Tras
17 kg/m2
Aspal, per cm tebal
14 kg/m2
Dinding Pasangan Bata Merah:
- Satu Batu
450 kg/m2
- Setengah Batu
250 kg/m2
Dinding Batako Berlubang:
- Tebal Dinding 20 cm
200 kg/m2
- Tebal Dinding 10 cm
120 kg/m2
Dinding Batako Tanpa Lubang:
- Tebal Dinding 15 cm
300 kg/m2
- Tebal Dinding 10 cm
200 kg/m2
Langit-Langit:
- Serat Semen, tebal maksimum 4 mm
11 kg/m2
- Kaca, dengan tebal 3 – 4 mm
10 kg/m2
Lantai Kayu dengan Balok (rumah tinggal)
40 kg/m2
Penggantung Plafon (bentang maks. 5 m)
7 kg/m2
Penutup Atap:
- Genteng/Kaso/Reng per m2 luas atap
50 kg/m2
2
- Sirap/Kaso/Reng per m luas atap
24 kg/m2
- Serat Semen Gelombang (tebal maks. 5 mm) 11 kg/m2
- Alumnium Gelombang
5 kg/m2
Penutup Lantai (Terasso, Keramik & Beton)
24 kg/m2
--------------------------------------------------------------------------------------Pendekatan lain dalam menghitung Beban Mati dapat dilakukan dengan
memperhatikan struktur bangunan yang digunakan, sebagaimana tertera dalam
Tabel di bawah ini:
Beban Mati menurut Jenis Struktur Bangunan
-----------------------------------------------------------------------------------Jenis Struktur
Beban Mati (kg/m2)
-----------------------------------------------------------------------------------Beton Bertulang:
- Portal
0,30 x 2400 = 720
- Portal & Inti/Dinding Geser
0,35 x 2400 = 840
- Tabung dalam Tabung
0,40 x 2400 = 960
- Kotak/Panil
0,20 x 2400 = 480
Baja:
- Ketinggian < 30 lantai
100
- Ketinggian > 30 lantai
150
- Balok anak
20
- Balok induk
35
- ‘Deck plate’
15
- Kolom
30
Komposit
- Ketinggian < 30 lantai
100 + 480 = 580
- Ketinggian > 30 lantai
150 + 480 = 630
Partisi
100
Elemen Arsitektural (‘finishing’)
100
-----------------------------------------------------------------------------------Selanjutnya, perkiraan berat tulangan baja pada konstruksi beton bertulang dan
volume beton untuk fondasi dapat dilihat pada :
Perkiraan Volume Tulangan Baja dan Beton
-----------------------------------------------------------------------------------------Uraian
Perkiraan Volume
------------------------------------------------------------------------------------------Pelat Lantai
1% luas penampang beton = 200 kg/m3 beton
Balok
3% luas penampang beton = 300 kg/m3 beton
Kolom
4% luas penampang beton = 400 kg/m3 beton
Fondasi:
Basemen
0,5 m3 beton per m2 lantai basemen
Rakit
1,2 m3 beton per m2 lantai fondasi
------------------------------------------------------------------------------------------Beban Hidup (BH)
Beban hidup adalah semua beban yang terjadi akibat penghunian atau
penggunaan suatu bangunan, dan di dalamnya termasuk beban-beban pada
lantai yang berasal dari barang-barang yang dapat berpindah (‘moveable
equipment’), mesin-mesin serta peralatan yang tidak merupakan bagian yang tak
terpisahkan dari bangunan dan dapat diganti selama masa hidup dari bangunan
itu, sehingga mengakibatkan perubahan dalam pembebanan lantai dan atap
bangunan tersebut. Khusus pada atap ke dalam beban hidup dapat termasuk
beban yang berasal dari air hujan, baik akibat genangan maupun akibat tekanan
jatuh (energi kinetik) butiran air. Beban hidup tidak termasuk Beban Angin dan
Beban Gempa.
Menurut Peraturan Pembebanan Indonesia untuk Gedung 1983, beban hidup
pada lantai bangunan dapat dilihat pada Tabel berikut:
Beban Hidup pada Lantai Gedung
------------------------------------------------------------------------------------------------------Lantai dan tangga rumah tinggal
200 kg/m2
Lantai dan rumah tinggal sederhana
125 kg/m2
Lantai sekolah, kantor, toko, restoran, hotel, asrama & rumah sakit 250 kg/m2
Lantai ruang olah raga
400 kg/m2
Lantai ruang dansa
500 kg/m2
Lantai dan balkon ruang pertemuan, bioskop, ibadah
400 kg/m2
Panggung penonton dengan penonton berdiri
500 kg/m2
Tangga, bordes tangga dan gang bangunan umum
300 kg/m2
Tangga, bordes tangga dan gang gedung pertemuan
500 kg/m2
Lantai ruang perelengkapan gedung pertemuan
250 kg/m2
Lantai pabrik, bengkel, gudang, perpustakaan, ruang mesin
400 kg/m2
Lantai gedung parkir bertingkat:
- untuk lantai bawah
800 kg/m2
- untuk lantai tingkat lainnya
400 kg/m2
Balkon yang menjorok bebas ke luar
300 kg/m2
------------------------------------------------------------------------------------------------------Beban Angin (BA)
Beban angin adalah semua beban yang bekerja pada bangunan atau bagian
bangunan yang disebabkan oleh selisih dalam tekanan udara.
Tekanan tiup harus diambil minimum 25 kg/m 2, dan di tepi laut sampai sejauh 5
km dari pantai harus diambil minimum 40 kg/m2.
Jika ada kemungkinan kecepatan angin mengakibatkan tekanan tiup yang lebih
besar, maka tekanan tiup harus dihitung menurut rumus:
v2
(kg/m2)
p
16
di mana
: v adalah kecepatan angin dalam m/det.
Beban Gempa
Beban gempa adalah semua beban statik ekivalen yang bekerja pada bangunan
atau bagian bangunan yang menirukan pengaruh dari gerakan tanah akibat
gempa itu. Dalam hal pengaruh gempa pada struktur bangunan ditentukan
berdasarkan suatu analisa dinamik, maka yang diartikan dengan beban gempa
di sini adalah gaya-gaya di dalam struktur tersebut yang terjadi oleh gerakan
tanah akibat gempa itu.
Setiap struktur bangunan, menurut Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa
untuk Bangunan Gedung (SNI 03 – 1726 – 2002), harus direncanakan dan
dilaksanakan untuk menahan suatu beban geser dasar akibat gempa (V) dalam
arah-arah yang ditentukan menurut rumus:
V
di mana
C.I .Wt
R
:C
I
R
Wt
adalah faktor dari respon spektra (Gambar 3.4.)
adalah Faktor Keutamaan fungsi bangunan
adalah Faktor Reduksi Gempa
adalah kombinasi dari beban mati dan beban hidup
Wt  1,05BM  0,3BH 
a. Koefisien Gempa Dasar
Koefisien dasar gempa harus ditentukan dari Gambar Respon Spektra dan
Gambar wilayah gempa. Dengan memakai waktu getar alami (T) struktur seperti
ditentukan:
T  0,085 H
T  0,06 H
0,09 H
T
B
3
3
4
4
untuk Portal Baja
untuk Portal Beton
untuk struktur lainnya
di mana
: H adalah tinggi bangunan
B adalah panjang bangunan pada arah yang ditinjau
Gambar Wilayah Gempa di Indonesia
Gambar Respons Spektra
b. Faktor Keutamaan
Waktu ulang dari kerusakan struktur gedung akibat gempa akan diperpanjang
dengan pemakaian suatu Faktor Keutamaan yang nilainya lebih besar dari 1,0.
Suatu faktor yang lebih besar harus dipakai pada bangunan pusat pelayanan
utama yang penting bagi usaha penyelamatan setelah gempa terjadi (rumah
sakit), gedung-gedung monumental dan bangunan-bangunan yang dapat
mendatangkan bahaya luar biasa kepada khalayak umum (reaktor nuklir).
Faktor Keutamaan untuk berbagai jenis bangunan dapat dilihat pada Tabel ini:
Faktor Keutamaan – I
------------------------------------------------------------------------------------------Jenis Gedung
I1
I2
I
------------------------------------------------------------------------------------------Gedung Umum (hunian, niaga dan kantor)
1,0
1,0
1,0
Monumen dan bangunan monumental
Gedung Penting (Rumah Sakit, Instalsi Air
Bersih, Pembangkit Tenaga Listrik, Pusat
Penyelamatan Keadaan Darurat, Fasilitas
Radio dan Televisi)
Gedung tempat penyimpanan bahan
Berbahaya (gas, bahan bakar minyak, asam,
dan bahan beracun)
1,0
1,6
1,6
1,4
1,0
1,4
1,6
1,0
1,6
Cerobong, Tangki, dan Menara
1,5 1,0
1,5
-----------------------------------------------------------------------------------------Catatan:
I1 adalah Faktor Keutamaan untuk menyesuaikan periode ulang gempa
berkaitan dengan penyesuaian probabilitas terjadinya gempa itu selama
umur gedung.
I2 adalah Faktor Keutamaan untuk menyesuaikan periode ulang gempa
dengan penyesuaian umur gedung tersebut.
I adalah nilai yang dapat dikalikan 80% untuk bangunan gedung yang ijin
penggunaannya diterbitkan sebelum berlakunya standar ini.
c. Faktor Duktilitas Struktur – R
Faktor daktilitas maksimum (m), faktor reduksi gempa maksimum (Rm), dan
faktor tahanan lebih struktur (f) dan tahanan lebih total beberapa jenis sistem dan
subsistem struktur gedung dapat dilihat pada berikut:
Faktor Daktilitas, Reduksi Gempa dan Tahanan Lebih Struktur
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Sistem dan subsistem
Uraian Sistem Pemikul
m
Rm
f
Struktur Gedung
Beban Gempa
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
Dinding Penumpu
Rangka
Rangka Pemikul Momen
Dinding geser beton bertulang
2,7
4,5
2,8
Dinding dengan rangka baja
ringan dan ‘bracing’ tarik
1,8
2,8
2,2
‘Bracing’ memikul beban gravitasi
- baja
- beton bertulang (tidak untuk
wilayah gempa 5 dan 6)
2,8
4,4
2,2
1,8
2,8
2,2
Rangka ‘bracing’ eksentris baja (RBE)
4,3
7,0
2,8
Dinding geser beton bertulang
3,3
5,5
2,8
Rangka ‘bracing’ biasa:
- baja
- beton bertulang (tidak untuk
wilayah gempa 5 dan 6)
3,6
5,6
2,2
3,6
5,6
2,2
Rangka ‘bracing’ konsentris khusus
- baja
4,1
6,4
2,2
Dinding geser beton bertulang:
- berangkai daktail
- kantilever daktail penuh
- kantilever daktail parsial
4,0
3,6
3,3
6,5
6,0
5,5
2,8
2,8
2,8
Rangka pemikul momen khusus (SRPMK)
- baja
5,2
- beton bertulang
5,2
8,5
8,5
2,8
2,8
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Uraian Sistem Pemikul
m
Rm
f
Sistem dan subsistem
Struktur Gedung
Beban Gempa
------------------------------------------------------------------------------------------------------Rangka pemikul momen menengah
beton (SRPMM)
Sistem Ganda
3,3
5,5
2,8
Rangka pemikul momen biasa (SRPMB)
- baja
2,7
- beton bertulang
2,1
4,5
3,5
2,8
2,8
Rangka batang baja pemikul momen
khusus (SRBPMK)
4,0
6,5
2,8
5,2
8,5
2,8
2,6
4,2
2,8
4,0
6,5
2,8
5,2
8,5
2,8
Dinding geser
- Beton bertulang dengan SRPMK
beton bertulang
- beton bertulang dengan SRPMB
baja
- beton bertulang dengan SRPMM
beton bertulang
RBE baja
- dengan SRPMK baja
- dengan SRPMB baja
2,6
4,2
2,8
4,0
2,6
6,5
4,2
2,8
2,8
4,0
6,5
2,8
2,6
4,2
2,8
Rangka ‘bracing’ konsentris khusus
- baja dengan SRPMK baja
- baja dengan SRPMB baja
4,6
2,6
7,5
4,2
2,8
2,8
Struktur Kolom Kantilever
Sistem struktur kolom kantilever
1,4
2,2
2,0
Interaksi Dinding Geser
dengan Rangka
Beton bertulang biasa (tidak untuk
(wilayah gempa 3, 4, 5, dan 6)
3,4
5,5
2,8
Subsistem Tunggal
Rangka terbuka baja
5,2
8,5
2,8
Rangka terbuka beton bertulang
5,2
8,5
2,8
Rangka beton bertulang dengan
balok pratekan (disesuaikan
dengan indeks baja total)
3,3
5,5
2,8
Dinding geser beton bertulang
berangkai daktail penuh
4,0
6,5
2,8
Dinding geser beton bertulang
kantilever daktail parsial
3,3
5,5
2,8
Rangka ‘bracing’ biasa
- baja dengan SRPMK baja
- baja dengan SRPMB baja
- beton bertulang dengan SRPMK
beton bertulang (tidak untuk
wilayah gempa 5 dan 6)
- beton bertulang dengan SRPMM
beton bertulang (tidak untuk
wilayah gempa 5 dan 6)
------------------------------------------------------------------------------------------------------Beban geser dasar akibat gempa (V), selanjutnya harus dibagikan sepanjang
tinggi bangunan menjadi beban-beban horizontal terpusat (gaya gempa tingkat,
Fi), yang mempunyai titk tangkap pada masing-masing taraf lantai tingkat,
menurus rumus:
Fi 
Wi .hi
.V
Wi .hi
di mana
: hi
adalah ketinggian lantai sampai taraf i diukur dari dasar
bangunan.
W i adalah massa lantai pada taraf i
Dan Momen Guling tingkat, Mi adalah:
Mi 
H  hi
.M E
H
di mana
: H adalah tinggi bangunan
ME adalah momen guling bangunan