Pendahuluan Pembangunan gedung bertingkat sudah dilaksanakan sejak zaman dahulu kala, tetapi yang dikategorikan sebagai “moderen tall building” dimulai sejak 1880s. The “first modern tall building” mungkin adalah gedung Home Insurance Building yang berupa konstruksi baja di Chicago pada tahu 1883 yang kemudian diikuti oleh gedung-gedung pencakar langit lainnya. Gedung-gedung tinggi pada awalnya didominasi oleh struktur baja karena perkembangan industri baja yang cukup pesat, sedangkan perkembangan struktur beton relatif lambat dan baru berkembang pesat pada 1950s. Evolusi dari gedung-gedung pencakar langit secara umum dapat dilihat pada gambar berikut : PERENCANAAN STRUKTUR BANGUNAN TINGGI
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Pendahuluan Pembangunan gedung bertingkat sudah dilaksanakan sejak zaman dahulu kala, tetapi yang dikategorikan sebagai “moderen tall building” dimulai sejak 1880s. The “first modern tall building” mungkin adalah gedung Home Insurance Building yang berupa konstruksi baja di Chicago pada tahu 1883 yang kemudian diikuti oleh gedung-gedung pencakar langit lainnya. Gedung-gedung tinggi pada awalnya didominasi oleh struktur baja karena perkembangan industri baja yang cukup pesat, sedangkan perkembangan struktur beton relatif lambat dan baru berkembang pesat pada 1950s. Evolusi dari gedung-gedung pencakar langit secara umum dapat dilihat pada gambar berikut :
PERENCANAAN STRUKTUR BANGUNAN TINGGI
Gambar Evolusi dari gedung-gedung pencakar langit pada periode sebelum 1950.
Perencanaan struktur suatu gedung bertingkat secara rinci membutuhkan suatu rangkaian proses analisis dan perhitungan yang panjang serta rumit, yang didasarkan pada asumsi dan pertimbangan teknis tertentu.Dengan kecanggihan perangkat lunak yang ada pada saat ini memungkinkan para teknisi untuk merencanakan segala sesuatunya dari berbagai sudut pandang dengan sangat rinci dengan tingkat ketelitian yang tinggi.
Perlu disadari bahwa reliabilitas hasil suatu perhitungan sangat tergantung pada mutu masukannya (“Garbage In, Garbage Out”). Seringkali para perencana mengikuti secara penuh seluruh hasil keluaran suatu komputer tanpa mengkaji ulang apakah hasil keluaran tersebut mengandung berbagai kejanggalan. Kadangkala kejanggalan tersebut tidak mudah ditemukan karena para perencana belum atau kurang memiliki kepekaan terhadap perilaku struktur yang direncanakan.
Proses perencanaan diawali dengan diskusi dan kolaborasi antar
disiplin, kemudian perencana struktur akan membuat kriteria
perencanaan (design criteria) struktur yang dianggap paling ekonomis
serta dapat memenuhi semua persyaratan disiplin lain. Kriteria
perencanaan tersebut antara lain meliputi design philosophy, jenis dan
besaran pembebanan, kekuatan dan stabilitas, kekakuan dan
pembatasan deformasi, layak pakai, rangkak, susut, pengaruh
temperatur dan ketahanan terhadap api serta pembatasan penurunan
dan perbedaan penurunan termasuk soil-structure interaction.
a. Syarat layak pakai dalam keadaan layan (serviceability)1.Lendutan pelat dan balok2.Simpangan bangunan (lateral drift)3.Simpangan antar tingkat (Interstory drift)4.Percepatan (acceleration), khususnya perencangan struktur terhadap pengaruh angin.5.Retakan (cracking)6.Vibrasi/getaran (vibration)
Syarat – syarat Umum Perancangan Struktur Gedung meliputi:
5. Syarat Durabilitas (durability)a.Kuat tekan minimum beton b.Tebal selimut beton c.Jenis dan kandungan semen d.Tinjauan korosi e.Mutu baja
6. Syarat ketahanan terhadap kebakaran a.Dimensi minimum dari elemen/komponen strukur b.Tebal selimut beton c.Tebal lapisan pelindung terhadap ketahanan kebakaran d.Jangka waktu ketahanan terhadap api/kebakaran (struktur atas dan basemen)
7. Syarat intergritas a.Pencegahan terhadap keruntuhan progresif (biasanya diberi penambahan tulangan pemegang antar komponen beton precast).
8. Syarat yang berhubungan dengan pelaksanaan konstruksi a.Penyesuaian dengan metoda konstruksi yang umum dilakukan pada daerah setempat.b.Bahan bangunan serta mutu bahan yang tersediac.Kondisi cuaca selama pelaksanaand.Kesediaan berbagai sumber daya setempat.
9. Peraturan dan standar yang berlaku.
2. STANDAR PERENCANAAN
Secara umum, standar yang dipakai adalah konsep LRFD (Load Resistance Factor Design) , yaitu konsep ketahanan struktur terhadap beban terfaktor dengan tinjauan adanya faktor reduksi kekuatan masing-masing komponen struktur yang diproposikan.
Pengertian umumnya adalah, suatu struktur dinyatakan kuat bila dalam setiap perencanaan kekuatan dipenuhi :
URn
nR
UnR
Dimana : = faktor reduksi kekuatan
= kuat nominal
= kuat perlu= kuat rancang yang tersedia
Beban Pada Struktur 1. Beban Grafitasi
a. Beban mati, semua bagian dari struktur yang bersifat tetap.
b. Beban hidup, semua beban yang terjadi akibat
penghunian atau pengguna suatu gedung.
2. Beban Lateral
a. Beban angin, semua beban pada struktur yang
disebabkan oleh selisih tekanan udara.
b. Beban gempa , semua beban yang terjadi akibat
pergerakan tanah akibat adanya gempa.
3. Beban khusus
Beban khusus ialah semua beban yang bekerja pada gedung atau bagian
gedung yang terjadi akibat tekanan air, selisih suhu, pengangkatan dan
pemasangan, penurunan fondasi, susut, gaya-gaya tambahan yang berasal
dari beban hidup seperti gaya rem yang berasal dari keran, gaya
sentrifugaldan gaya dinamik yang berasal dari mesin-mesin, serta pengaruh-
pengaruh khusus lainnya. Aksi akibat beban khusus harus diperhitungkan
dan ditambahkan pada perhitungan perencanaan sebelumnya yang
merupakan suatu rangkaian kombinasi pembebanan
Perencanaan Struktur-Umum
Sistem Struktur.
Sistem struktur dari suatu bangunan, merupakan kumpulan dan kombinasi
berbagai elemen struktur yang dihubungkan dan disusun secara teratur, baik
secara discrete maupun menerus yang membentuk suatu totalitas kesatuan
struktur.
Tujuan Perncanaan Struktur
Sistem struktur pada bangunan tinggi dirancang dan dipersiapkan agar mampu:
1.Memikul beban vertical baik statik maupun dinamik
2.Memikul beban horizontal, baik akibat angin maupun gempa
3.Menahan berbagai tegangan yang diakibatkan oleh pengaruh temperature
dan shinkage.
4.Menahan external dan internal blast dan beban kejut (impact loads).
5.Mengantisipasi pengaruh vibrations dan fatigue
Pemilihan Sistem Struktur
Pemilihan sistem struktur bergantung pada beberapa parameter berikut:
1.Economical consideration, yang meliputi construction cost, nilai kapitalisasi,
rentable space variation dan cost of time variation.
2.Construction speed yang dipengaruhi oleh profil bangunan, experience,
methods dan expertise, material struktur, tpi konstruksi (cast-in-situ, precast atau
kombinasi) serta local contruction industry.
3.Overall geometry, meliputi panjang, lebar dan tinggi bangunan.
4.Vertical profile-building shape.
5. Pembatasan ketinggian (height restriction)
6. Kelangsingan (slenderness), yaitu ratio antara tinggi terhadap lebar
bangunan.
7. Plan configuration, yaitu depth-widht ratio dan degree of regularity(dapat
dilihat pada peraturan seperti UBC atau NEHRP).
8. Kekuatan, kekakuan dan daktilitas.
Kekuatan berhubungan erat dengan material properties, kekaakuan
meliputi kekakuan lentur, kekakuan geser, kekakuan torsi dan daltilitas
meliputi strain ductility, curvature ductility dan displacement ductility.
10 Jenis/tipe pembebanan, yang ,eliputi beban gravitasi, beban lateral berupa
beban angin dan seismic serta beban-beban khusus lainnya.
11. Kondisi tanah pendukung bangunan
Sistem Struktur Atas
Bentuk Bangunan dan sistem struktur rangka bangunan sangat berkaitan erat
satu sama lainnya baik dalm arah horizontal maupun vertical.
Suatu sisem struktur disebut baik bila dicapai hal-hal berikut:
•Bentuk dan denah struktur yang simetris
•Skala struktur yang proporsional
•Tidak adanya perubahan mendadak dari tahanan lateral
•Tidak adanya perubahan mendadak dari kekakuan lateral
•Pembagian struktur yang seragam dan teratur
•Titik berat massa hampir sama dengan titik berat kekakuan
•Tidak sulit dibangun, dan dalam batasan biaya yang memadai
Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menentukan sistem strktur
terhadap beban lateral antara lain adalah :
1. Kekakuan diaphragma dan kekakuan struktur
2. Distribusi gaya dan konsentrasi tahanan
3. Tahanan pada keliling luar (perimeter) struktur bangunan
4. Loncatan bidang vertikal (vertikal set back)
5. Diskontinuitas kekuatan dan kekakuan struktur karena adanya balok
transfer (transfer girder), lantai transfer (transfer floor) atau dinding
struktur yang tidak menerus ke bawah, dan dinding struktur yang
letaknya berselang-seling baik dalam arah vertikal maupun horizontal.
6. ”Soft story effect”
7. Ketidakteraturan struktur
8. Adanya torsi yang besar tanpa adanya tahanan yang cukup untuk
menampung torsi
9. Benturan antar bangunan
10. Pemisahan bangunan
11. Efek kolom pendek (Short column effect)
12. Kemudahan pelaksanaan, terutama pada detail sambungan dan
kerapatan tulangan.
Sistem rangka struktur
Berbagai sistem rangka dapat berupa :
1. Rigid-Frame
2. Truss/Braced-Frame
3. Infilled-Frame
4. Shear Wall Structures
5. Coupled Shear Wall Structures
6. Wall-Frame
7. Core Structures
8. Outrigger + Shear Wall + Braced Structures
9. Tubular Structures
Sistem struktur yang sederhana, beraturan dan tidak terlalu tinggi,
analisis beban lateralnya masih dapat dilakukan dengan cara ”quasi
statik” tetapi untuk bentuk yang tidak beraturan sudah harus dilakukan
dengan 3 dimensi yang disertai dengan analisis dinamik, baik linear
maupun nonlinear
Berikut ini diberikan gambaran umum sebagai ”rough rule of thumb”
yang menggambarkan secara global hubungan antara sistem rangka
struktur dan jumlah tingkat bangunan dan gambar berikutnya khusus
untuk struktur beton bertulang pada gedung kantor (office building).
Sistem Struktur Atas
1. Bentuk dan deh struktur yang simetris.2. Skala struktur yang proporsional.3. Tidak ada perubahan mendadak dari tahana lateral.4. Tidak adanya perubahan mendadak dari kekakuan lateral.5. Pembagian struktur yang seragam dan teratur.6. Titik berat masa hampir sama dengan titik berat kekakuan.7. Tidak sulit dibangun dan dalam batasan biaya yang
memadahi.
a. Sistem struktur disebut baik bila dicapai :
b. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menentukan sistem struktur terhadap beban lateral, antara lain :
1. Kekakuan diagfragma dan kekuan struktur.2. Distribusi gaya dan konsentrasi tahanan.3. Tahanan pada keliling luar (perimeter) struktur
bangunan.4. Loncatan bidang vertikal.5. Diskontinuitas kekuatan dan kekakuan struktur, akibat
adanya balok transfer, lantai trasfer, dinding struktur yang tidak menerus, dinding struktur yang letaknya berselang seling.
6. Soft story effect
7. Ketidak teraturan struktur.
8. Adanya torsi yang besar tanpa adanya tahan torsi.
9. Benturan antar bangunan.
10. Pemisahan bangunan.
11. Effek kolom pendek.
12. Kemudahan pelaksanaan, terutama pada detail bangunan
Struktur yang memiliki denah yang asymmetric pada umumnya akan mengalami
puntir bila mengalami pembebanan lateral. Kondisi yang demikian menjadikan
struktur yang rumit, sehingga sullit untuk mendapatkan hasil yang benar tanpa
bantuan komputer.
Walaupun demikian, pemanfaatan komputer belum tentu memberikan hasil
yang benar.
Kebenaran dan akurasi hanya dapat dicapai bila perencana dapat memilih
asumsi dan model struktur yang tepat.
Analisa Coupled Shear Wall Structures
Coupled shear wall atau kadangkala disebut juga dengan istilah dinding berangkai
(seperti ditunjukan pada gambar berikut) bila dihubungkan oleh pendel (pin-ended
link) hanya dapat menyalurkan beban aksial antara dinding-dinding struktur saja
dan mome-momen yang ditimbulkan hanya akan dipikul oleh masing-masing
individu dinding struktur yang besarnya sebanding dengan kekauan lenturnya.
Selanjutnya bila dinding-dinding tersebut dihubungkan oleh suatu connecting beam
yang kaku dimana ujung-ujung batang mempunyai kemampuan menahan momen,
maka momen-momen yang akan dipikul oleh dinding-dinding akan berkurang dan
besarnya tergantung pada kekakuan dari connecting beam yang terpasang.
Dengan demikian jelas kiranya bagaimana peranan connecting beam pada
coupled shear wall structures.
Gambar. Coupled shear wall
Sebagaimana diungkapkan didepan bahwa untuk mendapatkan hasil yang
akurat, maka perlu dimanfaatkan penggunaan perangkat lunak struktur yang
memadai. Walaupun demikian metoda atau analisis yang dikemukakan disini
dapat memberikan dan menanamkan pengertian baik secara kualitatif maupun
kuantitatif perihal perilaku dari coupled shear wall structures. Salah satu
metoda yang dianggap baik untuk dipahami adalah “continuous medium
method” atau disebut juga “shear connection method”.
Continuous Medium Method – Basic Equation
Untuk menjelaskan metoda ini, sebaiknya diperhatikan gambar berikut :
Penggunaan metoda ini didasarkan pada beberapa asumsi berikut :
1. Properties dari walls dan connecting beams tidak berubah untuk keseluruhan tinggi
bangunan serta memiliki tingkat tingkat yang konstan.
2. Hukum “Plane section before bending remain plane after bending” berlaku pada
semua elemen struktur.
3. Balok atap mempunyai kekakuan separuh dari balok tipikal.
4. Balok dianggap sangat kaku dalam arah axialnya (axially rigid)
5. Titik balik balok (point of contraflexure) dianggap berada pada tengah bentang.
Jika kita potong pada tengah laminase pada keseluruhan tinggi bangunan, maka
yang akibat beban lateral hanya akan dijumpai shear flow dengan intensitas q(z)
persatu-satuan tinggi pada laminase serta gaya axial dengan identitas n(z) persatu-
satuan tinggi bangunan pada laminase.
Gaya axial N yang bekerja pada wall tentunya merupakan integrasi dari shear flow pada laminase setinggi bangunan, sehingga dengan demikian dapat ditulis:
Akibat beban lateral akan menimbulkan berbagai deformasi sebagai berikut:
1. Displacement akibat rotasi dari wall menimbulkan displacement δ1, dimana :
2. Diceplacement akibat bending deformation pada connecting beam menimbulkan displacement δ2, dimana:
3. Diceplacement akibat shearing deformation pada connecting beam menimbulkan displacement δ3, dimana:
Displacement akibat bending dan shearing selanjutnya dapat juga didapat dengan
cara mengganti kekakuan lentur connecting beam EIb dengan kekakuan lentur
equivalen EIc, dimana:
Koreksi ini biasa dilakukan bila ratio panjang terhadap tinggi balok kurang
dari 5 yaitu dimana pengaruh geser mulai significant.
Untuk balok persegi, dengan demikian δ2 + δ3 dapat juga dinyatakan sebagai
berikut:
4. Displacement δ4 yang merupakan relative displacement akibat pengaruh
axial deformation yang berbeda dari wall.
Relative displacement δ4 pada level z dapat ditulis sebagai :
A1 dan A2 adalah luas penampang dinding 1 dan dinding 2
5. Setiap deformation yang diakibatkan oleh fondasi baik berupa vertical atau
rational displacement akan mengakibatkan pergerakan seluruh ketinggian
dinding sebagai pergerakan suatu rigrid body.
Dengan asumsi bahwa relative vertical displacement δy dan rotation δ0 terjadi
bersamaan maka relative vertical displacement δ5 dapat ditulis sebagai brkt:
δ5 = -δy + lδθ = δb
Dalam keadaan sebenarnya pada original dedeflected structure garis titik balik (line
of contraflexure) dari cencting beam tidak terjadi relative vertical displacement,
dengan demikian berdasarkan kondisi dari vertical compatibility pada posisi
tersebut maka harus dipenuhi:
δ1 + δ2 + δ3 + δ4 + δ5 = 0
Untuk rigrid base δb = 0
Selanjutnya tinjau momen-curvature dari coupled wall tersebut termasuk
pengaruh momen lawan akibat geser gaya axial pada connecting beam tersebut,
maka diperoleh:
1. Gaya axial pada dinding
Hubungan antara Force factor F1 dengan parameter z/H dan kαH dapat dilihat
pada diagram berikut :
2. Gaya geser pada laminae
Gaya-gaya geser pada laminae q adalah sebagai berikut:
Hubungan antara Shear flow factor F2 dengan parameter z/H dan kαH
dapat dilihat pada diagram berikut:
3. Karena momen-momen adalah proportional terhadap kekakuannya, maka momen lentur pada setiap level pada wall -1 dan wall -2 adalah:
4. Deflection
Pada puncak bangunan dimana z/H, maximum deflection yang timbul adalah:
Hubungan antara Deflection factor F3, k dan kαH adalah sebagai berikut:
Bila diperhatikan, uraian di atas baru memperlihatkan sebagian besar pada struktur
laminae (equivalent continous system) dan belum menunjukan gaya-gaya batang
yang sesungguhnya. Dengan demikian untuk mendapatkan gaya-gaya yang
sesungguhnya masih perlu ditransformasikan lebih lanjut.
1. Gaya geser Q1 pada setiap connecting beam I pada level zI , adalah:
momen lentur balok pada tepi dinding adalah Q1
b/2
2. Gaya geser dinding
Tinjau keseimbangan dari elemen pada continuum model, dan untuk itu perhatikan gambar di bawah ini:
M = Momen luar total
Setelah disubtitusikan dengan persamaan-persamaan sebelumnya maka diperoleh:
S2=
S1=
Jika wall-1 dan wall-2 sama maka diperoleh:
S1 = S2=
,
S1(H) = S2(H) = -
Q = -
dan
3. Stress distribution pada shear wall
Perhatiakan suatu pasangan dari suatu coupled shear wall seperti gambar berikut ini.
Stress distribution pada penampang terhadap momen lentur dinding M1 dan
M2 serta gaya axial N adalah ditunjukkan pada gambar (b) sebagai berikut:
Dengan menyatakan tanda positif untuk tegangan tarik, maka tegangan
maksimum pada serat tepi luar wall-1 adalah:
σA =
=
=
σB =
=
=
Untuk wall-2 dapat dilakukan dengan cara yang sama.
Untuk wall-2 dapat dilakukan dengan cara yang sama.
Jika K1 dinyatakan sebagai percentage dari moment total akibat beban
horizontal merata w untuk kondisi independent cantilever action, dan K2 adalah
percentage yang ditahan oleh composite cantilever action.
1. Composite cantilever action – gambar (c)
Momen lentur total pada setiap penampag dinding yang dipikul oleh composite
action adalah:
Mc =
Titik berat dari dinding “komposit” tersebut terletak sejarak
dari tepi sisi A, dimana C1 adalah jarak dari sisi A ketitik berat wall-1.
Second moment of area Ig dari kedua elemen dinding tersebut terhadap sumbu
garis beratnya adalah:
Ig =
Dengan demikian maka tegangan pada serat extreme dari wall-1 adalah:
σA =
1002
22
22 KcA
A
IzHw
gB
Cara yang sama dapat dilakukan untuk
wall-2.
2. Individual cantilever action – gambar (d).
Dengan asumsi bahwa kedua elemen didinding tersebut mengalami
deflection yang sama, maka momen yang dipikul oleh masing-masing elemen
dinding akan proportional terhadap second moment of area-nya. Momen total
yang dipikul oleh wall pada Individual cantilever action adalah :
2
1 21100 zHwKM Ind
Dengan demikian, momen lentur untuk masing-masing elemen wall-1 dan
wall-2 adalah sebagai berikut :
2
111 21100/ zHwKM
2
212 21100/ zHwKM
Tegangan-tegangan extreme pada serat tepi wall-1 adalah :
1002
1 112
1
11 KccM zHwA
1002
1 122
1
21 KccM zHwB
Cara yang sama dapat dilakukan untuk wall-2.
Dari persamaan tersebut diatas juga terlihat hubungan :
KK 21100
Selanjutnya parameter kαH ditentukkan sebagai berikut :
21
22
21
3
2
112
H
AI
hHk
IAAbIC
Concentrated load P pada puncak bangunan.
1. Gaya axial pada dinding.
)(sinh
cosh
11
2zHk
HkHkH
z
Ik
PHN
2. Gaya geser pada laminae.
22
1FIk
Pq
3. Momen dinding.
Momen dinding total adalah :
M = P ( H-z)
21 100 KK
Diagram untuk Shear flow factor
2F ( z/H, kαH ) dan Wall moment factor
1K 2K dan dapat dilihat pada diagram dibawah ini.
4. Deflection
Maximum lateral deflection Hy pada puncak bangunan adalah :
3
3
3F
E
PHYH
Diagram untuk top deflection factor 3F ( k, kαH ) dapat dilihat pada gambar dibawah ini
Triangularly distributed loading.
1. Gaya axial pada dinding.
)/()(
1)/1(6/1)/1(2
1
)(cosh1
)(sinhcosh
/12/sinh
232
2
2
2
2
HzHk
HzHz
zHkHk
zHkHkHk
HkHkHk
Ik
PHN
2. Gaya geser pada laminae
22FIk
HpQ
3. Momen dinding. Momen dinding total adalah :
M = 1/6 p ( H-z )² ( 2-z/H )
21 100 KK
2F 1K 2KDiagram untuk Shear flow factor ( z/H, kαH ) dan Wall moment factor dan
dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
4. Deflection.Maximum lateral
deflection Hy pada puncak bangunan adalah :
3
4
120
11F
E
PHYH
Diagram untuk top deflection
factor 3F ( kαH ) dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
1. Diagram alternative.Masih berdasarkan teori atau metoda yang sama, yaitu berdasarkan continuum
model dapat juga dipakai diagram alternative dalam bentuk yang agak berbeda yang akan ditunjukkan dibawah ini, tetapi dengan notasi atau parameter yang sedikit berbeda