1
STUDI ANALISIS KINERJA BANGUNAN 2 DAN 4 LANTAI
KAYU GLULAM KELAS II (KAMPER) TERHADAP BEBAN
SEISMIK DENGAN PUSHOVER ANALYSIS DAN ANALISIS
PERKUATAN KAYU GLULAM KELAS II (KAMPER)
DENGAN KAYU KELAS I DAN PELAT BAJA.
Oleh
Mohammad Febriant
NIM : 15009120
(Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Program Studi Teknik Sipil)
Indonesia dikaruniai berbagai macam jenis kayu yang patut dibudidayakan dan
dimanfaatkan sebagai bahan konstruksi bangunan. Kayu kamper adalah salah satu
contoh kayu yang telah dikenal luas di masyarakat dan cocok untuk dijadikan
bahan konstruksi. Di pasaran dimensi kayu terbatas, oleh karena itu pendesainan
bangunan kayu yang memiliki span yang besar menemui hambatan. Salah satu
kekurangan dari material kayu adalah kayu memiliki keruntuhan yang getas,
namun ini tidak berarti daktilitas kayu tidak bisa bertambah karena kayu masih
bisa mengalami plastifikasi di daerah tekan.
1. Pendahuluan
Pada umumnya kayu yang dihasilkan mempunyai diameter kecil, sehingga kayu
sebagai bahan alamiah berupa balok atau log belum efisien sebagai komponen
struktural. Adanya ketersediaan balok dengan diameter kecil, sedangkan
kebutuhan sebagian komponen struktural memerlukan dimensi cukup besar, maka
perlu suatu metoda yang dapat memenuhi kebutuhan tersebut.
2. Dasar Teori
2.1 Kayu Glulam (Glue Laminated Timber)
Glulam dapat didefinisikan sebagai, produk yang dihasilkan dari balok kayu
berdasarkan kapasitas tegangannya dibuat dari lapisan-lapisan kayu terpilih yang
direkatkan dengan perekat tertentu dengan arah serat tiap lapisan kayu sejajar
pada arah longitudinalnya.
Konversi kuat acuan kayu solid ke glulam
Kuat Lentur (MPa)
Kuat Tarik Sejajar Serat (MPa)
Kuat Tarik Tegak Lurus Serat (MPa)
Kuat Tekan Sejajar Serat (MPa)
Kuat Tekan Tegak Lurus Serat (MPa)
Kuat Geser (MPa)
Modulus Elastisitas Rata - Rata (MPa)
Modulus Elastisitas 5% (MPa)
Modulus Elastisitas Tegak Lurus (MPa)
Modulus Geser (MPa)
Berat Jenis (kg/m3) CATATAN : Untuk glulam kombinasi faktor konversi diaplikasikan pada setiap lapisan
kayu glulam yang berbeda. Diasumsikan bahwa setiap lapisan glulam yang berbeda
memiliki minimal 1/6 dari total tinggi balok kayu atau dua lapisan laminasi, yang mana
yang lebih besar menentukan.
Acuan penentuan nilai pada tabel di atas berdasarkan EN 338 atau mengacu pada
prinsip-prinsip yang diberikan pada EN 1194.
2.2 Perencanaan Pembebanan
Dalam menghitung gaya dalam yang terjadi pada struktur harus diperhatikan gaya
luar yang bekerja pada struktur. Beban nominal yang harus ditinjau adalah sebagai
berikut:
a) Beban mati (D)
b) Beban hidup (L)
c) Behan hidup atap (La)
d) Beban hujan (H), tidak termasuk yang diakibatkan genangan air.
e) Beban angin (W),
2.3 Kuat Terkoreksi R`
Kuat terkoreksi dihitung berdasarkan persamaan berikut :
2.4 Faktor Koreksi
Dalam penentuan kuat terkoreksi, R', perlu diperhatikan faktor-faktor koreksi
berikut ini
1. faktor koreksi untuk masa layan
2. faktor koreksi untuk konfigurasi komponen struktur
3. faktor koreksi tambahan untuk kayu struktural dan kayu lapis yang dilem
4. faktor koreksi tambahan untuk panel struktural
5. faktor koreksi tam bahan untuk tiang dan pancang kayu
6. faktor koreksi tambahan untuk sambungan struktural
2.4.1 Faktor koreksi kelembaban
Balok kayu 0.85 * 1.00 0.97 0.67 0.8** 0.90
Balok kayu besar (125 mm x 125 mm
atau lebih besar)
1.00 1.00 1.00 0.67 0.91 1.00
Lantai papan kayu 0.85* - - 0.67 - 0.90
Glulam (kayu laminasi structural) 0.80 0.80 0.87 0.53 0.73 0.83
* Untuk
** Untuk
2.4.2 Faktor koreksi temperature
Kondisi
Acuan
Kadar air pada masa
layan*
Basah atau Kering 1.0 0.9 0.9
Kering 1.0 0.8 0.7
Basah 1.0 0.7 0.5
2.4.3 Faktor koreksi stabilitas balok
adalah faktor koreksi stabilitas balok, untuk memperhitungkan pengaruh
pengekangan lateral parsial. Faktor koreksi stabilias balok, , dihitung sebagai
berikut :
√(
)
Dengan :
adalah faktor tahanan
stabilitas;
adalah momen tekuk lateral
elastis;
adalah tahanan lentur untuk
lentur terhadap sumbu kuat;
2.4.4 Faktor koreksi ukuran
adalah faktor koreksi ukuran, untuk memperhitungkan pengaruh dimensi
komponen struktur sesuai dengan tata cara yang berlaku. Untuk kayu yang
mutunya ditetapkan secara marsinal
Klasifikasi
ukuran Faktor ukuran kayu
Ukuran kayu
Lantai Gunakan dari NDS-S table 4A, 4B, 4E dan 4F
Balok (
)
, dimana d adalah ketebalan aktual kayu , ( inchi )
2.4.5 Faktor Koreksi Volume
Faktor Koreksi pengaruh Volume kayu untuk kayu glulam yang dibebani tegak
lurus sisi lebar lapisan ditetapkan menggunakan persamaan
(
)
(
)
(
)
Keterangan :
adalah koefisien pembebanan
= 130 mm
adalah lebar komponen struktur
lentur (mm)
= 305 mm
adalah tinggi komponen struktur
(mm)
= 6400 mm
= panjang komponen struktur
lentur di antara titik – titik dengan
momen nol (mm)
2.4.6 Faktor Koreksi Penggunaan Datar
Faktor Koreksi Penggunaan Datar digunakan untuk menghitung peningkatan
kapasitas lentur dari komponen struktur kayu yang digunakan secara mendatar.
Faktor Koreksi Penggunaan Datar Kayu Glulam
Dimensi sejajar muka lebar lapisan
270 mm atau 265 mm
220 mm atau 215 mm
170 mm
130 mm atau 125 mm
80 mm atau 75 mm
65 mm
1,01
1,04
1,07
1,10
1,16
1,19
2.4.7 Faktor Koreksi Kelengkungan
Faktor Koreksi Kelengkungan digunakan untuk memperhitungkan pengaruh
kelengkungan terhadap kapasitas lentur.
(
)
Keterangan :
adalah tebal lapisan
adalah jari- jari kelengkungan
pada sisi dalam balok melengkung
2.4.8 Faktor Koreksi Takikan
Pada penampang di sepanjang takikan dari sebuah balok persegi dengan tinggi d,
tahanan geser terkoreksi dikalikan dengan faktor koreksi takikan yang dihitung
sebagai berikut :
(
)
adalah tinggi balok tanpa takikan
adalah tinggi balok di dalam daerah takikan
Jika pada ujung takikan terdapat irisan miring dengan sudut θ terhadap serat kayu
untuk mengurangi konsentrasi tegangan maka faktor koreksi takikan dihitung
sebagai berikut :
(
( )
)
2.4.9 Faktor Koreksi Area Tumpu
= faktor area tumpu
= 1.0 untuk konservatif pada semua kondisi
= panjang tumpuan ( panjang tumpuan antara 75 mm sampai 150 mm )
2.5 Analisis Pushover
Analisa statik nonlinier merupakan prosedur analisa untuk mengetahui perilaku
keruntuhan suatu bangunan terhadap gempa, dikenal pula sebagai analisa
pushover atau analisa beban dorong statik.
2.5.1 Sendi Plastis (Plastic Hinge) Dalam analisis static pushover menggunakan software SAP2000 diperlukan
pendefinisian sendi plastis atau hinge terlebih dahulu.
Gambar 2.1 Kurva Load-Deformation Hinge
Panjang sendi plastis digunakan untuk memperoleh nilai rotasi ultimit dari
kurfatur ultimit. Untuk dapat menentukan panjang sendi plastis dapat
menggunakan persamaan yang telah disederhanakan sebagai berikut.
Dimana :
Lp= Panjang sendi plastis
H = Tinggi penampang
L=Panjang kritis dari penampang kritis sendi plastis ke titik kontraflekstur
fy = kuat leleh
dbl = diameter perkuatan longitudinal
2.6 Perkuatan Balok kayu
Keruntuhan Tarik pada kayu
Mode keruntuhan ini yang paling umum terjadi pada kayu. Keruntuhan ini bersifat
Brittle (getas) karena kayu tidak memiliki sifat plastis ketika dikenai tegangan
tarik. Penetapan batas tegangan tarik kayu dianggap tercapai ketika tegangan
maksimum tekan sama dengan tegangan tariknya. Ada 2 mode keruntuhan yang
bisa dikenali pada zona tarik berdasarkan tingkat plastifikasi di bagian tekan.
a) Keruntuhan tarik kayu ketika penampang masih dalam kondisi linear-
elastic
b) Keruntuhan kayu ketika penampang dalam kondisi diantara elastis dan
platis.
2.6.1.1 Keruntuhan Tekan pada kayu
Keruntuhan mode ini jarang terjadi di balok tanpa perkuatan. Tetapi ketika balok
diperkuat di bagian tarik, keruntuhan mode ini bisa terjadi.
a) Keruntuhan tekan terjadi sebelum terjadi runtuh tarik
3. Metodologi
Metode analisis yang dilakukan perencanaan elemen struktur, analisis pushover,
dan analisis perkuatan. Perencanaan elemen struktur tersusun dari asumsi dimensi
struktur awal dan pembebanan hingga menghasilkan dimensi yang optimal
ditinjau dari kapasitas dan kekakuan struktur. Analisis pushover dilakukan untuk
melihat perilaku struktur bangunan kayu dan mekanisme keruntuhannya. Analisis
perkuatan dilakukan untuk melihat pengaruh perkuatan baja dan kayu kelas I di
daerah tarik kayu glulam kamper.
3.1 Perencanaan Elemen Struktur
Profil penampang kolom, balok, rafter, dan bresing digunakan sebagai dasar
pemodelan awal bangunan pada SAP2000. Pada proses design sistem struktur
bangunan kayu dipengaruhi oleh beban gempa, beban gravitasi, beban angin,
beban hujan, dan kapasitas penampang yang digunakan .
3.1.1 Perencanaan Elemen Balok Pada pendesainan balok dibedakan menjadi 3 jenis balok yaitu balok induk arah-
X, balok induk arah-Y dan balok anak.
Bangunan 2 lantai
Bangunan 4 lantai
Dimensi Balok Anak Balok Induk X Balok Induk Y
H (mm) 80 300 500
B (mm) 60 200 200
3.1.2 Perencanaan Elemen Kolom Pada perencanaan desain, kolom diasumsikan ukuran profil kolom tersebut yang
dianggap dapat menanggung beban yang terjadi. Ukuran balok di setiap lantainya
berbeda dikarenakan beban yang ditanggung tiap kolom pada setiap lantai berbeda
besarnya.
Bangunan 2 lantai
Dimensi Kolom 1A Kolom 1B Kolom 2
H (mm) 500 260 500
B (mm) 200 200 200
Bangunan 4 lantai
Dimensi Kolom 1A Kolom 1B Kolom 2A Kolom 2B Kolom 3A Kolom 3B Kolom 4
H (mm) 420 340 420 320 420 300 420
B (mm) 200 200 200 200 200 200 200
3.1.3 Pengecekan Kapasitas Penampang Dimensi elemen struktur diatas harus dilakukan pengecekan kapasitas penampang
untuk mengetahui apakah penampang yang telah didesain mampu memikul
beban-beban yang telah ditentukan. Perhitungan Kapasitas Penampang kayu
menggunakan metode LRFD seperti yang telah dijelaskan pada bab dasar teori.
Beberapa pengecekan yang harus dilakukan untuk elemen struktur kolom antara
lain :
a. Pengecekan momen
b. Pengecekan geser
c. Kombinasi tekan dan momen
4. Analisis Kinerja Struktur (Pushover Analysis)
4.1 Dimensi struktur
Berikut ini akan dipaparkan dimensi struktur yang digunakan pada proses analisis
pushover untuk mendapatkan mekanisme keruntuhan yang sesuai. Dimensi-
dimensi struktur tersebut disajikan pada tabel-tabel berikut ini.
Bangunan 2 Lantai
Balok dan Rafter
Dimensi Balok induk Balok induk X2 Balok induk Y Rafter
Dimensi Balok Anak Balok Induk X Balok Induk Y
H (mm) 80 240 420
B (mm) 60 200 200
X1 (lantai 1) (lantai 2)
b(mm) 200 200 200 200
h(mm) 500 300 500 380
Kolom
Dimensi Kolom 1A Kolom 1B Kolom 2 Bracing
b(mm) 200 200 200 Diameter
h(mm) 600 260 400 =12mm
Bangunan 4 Lantai
Balok dan Rafter Dimensi Balok induk
X1 (lantai
1)
Balok
induk X2
(lantai 2)
Balok
induk X3
(lantai 3)
Balok
induk X4
(lantai 4)
Balok
induk Y
Rafter
b(mm) 200 200 200 200 200 200
h(mm) 800 500 340 300 500 380
Kolom
Dimensi Kolom 1A Kolom 1B Kolom 2A Kolom 2B Kolom 3A Kolom 3B Kolom 4
h(mm) 600 540 540 520 520 500 500
b(mm) 200 200 200 200 200 200 200
Bracing
Dimensi Bracing1
(lantai 1)
Bracing 2
(lantai 2)
Bracing 3
(lantai 3)
Bracing 4
(lantai 4)
Diameter (mm) 16 16 12 12
4.2 Analisis Kinerja Struktur
Pembebanan yang berpengaruh pada saat proses analisis pushover adalah beban
mati dan beban hidup yang direduksi sebesar 30 %. Hasil analisis pushover
menunjukkan bahwa kerusakan terberat memang berada pada perimeter atau
rangka pemikul beban gempa.
4.2.1 Analisis Pushover Bangunan 2 Lantai Sebagai perbandingan, analisis pushover dilakukan pada struktur menggunakan
bracing jenis tension-only dari tulangan baja dan struktur bangunan tanpa bracing.
Perbandingan antara base shear dengan displacement pushover arah-y lebih besar
dibanding pushover arah-x. Hal ini bisa disebabkan karena kekakuan pada arah-y
lebih besar dibanding kekakuan bangunan arah X. Gradien pada kurva berubah
ketika terbentuk sendi plastis pada elemen struktur. Berikut ini hasil perhitungan
analisis pushover menggunakan metode FEMA440 equivalent linearization.
Berdasarkan hasil perhitungan metode FEMA440 equivalent linearization didapat
titik kinerja sebagai berikut :
Jenis Struktur Pushover Gaya geser (kN) Daktilitas Perpindahan (m)
Tanpa Bracing arah-X 257,69 1 0,025
arah-Y 4,811 1 0,00215
Dengan Bracing arah-X 265,876 1,261 0,027
arah-Y 4,774 1 0,00284
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
0 100 200 300 400 500
Dis
pla
cem
ent
(mm
)
Base Shear (kN)
Pushover Bangunan 2 Lantai
Tanpa Bracing Arah Y
Dengan Bracing Arah Y
Tanpa Bracing Arah X
Dengan Bracing Arah X
4.2.2 Analisis Pushover Bangunan 4 Lantai Sebagai perbandingan, analisis pushover dilakukan pada struktur menggunakan
bracing jenis tension-only dari tulangan baja dan struktur bangunan tanpa bracing.
Seperti pada struktur dua lantai sebelumnya perbandingan antara base shear
dengan displacement pushover arah-y lebih besar dibanding pushover arah-x. Hal
ini bisa disebabkan karena kekakuan pada arah-y lebih besar dibanding kekakuan
bangunan arah X. Pada saat sebelum sendi plastis pertama terbentuk perilaku
sturktur tanpa bracing dan dengan bracing relatif sama. Ketika sendi plastis
pertama terbentuk, kurva antara struktur tanpa bracing dan dengan bracing mulai
menunjukkan perbedaan. Berikut ini hasil perhitungan analisis pushover
menggunakan metode FEMA440 equivalent linearization didapat titik kinerja
sebagai berikut :
Jenis Struktur Pushover Gaya geser (kN) Daktilitas Perpindahan (m)
Tanpa Bracing arah-X 715,516 1 0,098
arah-Y 1018,428 1 0,063
Dengan
Bracing
arah-X 1756,051 6,803 0,192
arah-Y 2065,783 5,521 0,131
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Base Shear (kN)
Bangunan 4 Lantai
Tanpa Bracing Arah XDengan Bracing Arah XTanpa Bracing Arah YDengan Bracing Arah Y
5. PERKUATAN KAYU GLULAM
Perkuatan digunakan pada elemen struktur kayu seperti balok untuk meningkatkan
kapasitas penampang pada elemen tersebut atau mengurangi dimensi penampang
jika dianggap terlalu besar. Bahan perkuatan bisa berbagai macam seperti baja,
carbon fibre, ataupun kayu dengan kuat acuan yang lebih tinggi.
5.1 Efek penambahan perkuatan
Glulam tanpa perkuatan biasanya mengalami kegagalan di daerah tarik. Sehingga
perkuatan diberikan pada daerah tarik untuk memperkuat bagian tersebut. Pada
dasarnya ini menambah kapasitas tarik yang dapat mengakibatkan moda
kegagalan berpindah ke daerah tekan.
Hubungan tegangan-regangan berikut ini memperlihatkan distribusi tegangan
pada balok yang diberi perkuatan. Terlihat bahwa kegagalan masih berada pada
daerah tarik, dengan daerah tekan yang mengalami plastifikasi.
Untuk mengetahui sampai persentase batas perkuatan yang dapat diberikan pada
balok akan diperlihatkan pada gambar di bawah ini. Gambar di bawah ini
memperlihatkan balok kayu kamper glulam yang diperkuat dengan kayu bangkirai
dan yang diperkuat dengan plat baja dengan terus menambahkan persentase tebal
laminasi perkuatan hingga kayu pada bagian tekan mengalami kegagalan.
Kayu glulam kamper baru mulai mencapai plastis pada saat pemberian perkuatan
sebanyak 6% dari total tinggi penampangdan saat diberikan perkuatan sebanyak
26% kayu glulam mengalami keruntuhan pada bagian tekan.
Kayu mulai mengalami plastifikasi pada saat diberi perkuatan baja setebal 7mm.
Keruntuhan kayu pada bagian tarik terus berlanjut hingga kayu diberi perkuatan
baja setebal 35 mm lalu kayu mengalami keruntuhan di bagian tekan.
6. Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari Tugas akhir ini dapat diuraikan sebagai
berikut :
Pada saat pendesainan struktur bangunan kayu menggunakan kayu glulam,
konversi kuat acuan kayu solid ke kayu glulam harus dilakukan.
Bracing tulangan baja berpengaruh besar pada daktilitas struktur kayu,
terutama pada struktur 4 lantai saat permodelan. Struktur kayu tanpa
perkuatan hanya mencapai nilai daktilitas 1 dan struktur kayu dengan
bracing tulangan baja dapat meningkatkan daktilitasnya hingga 6.
Selain menggunakan bracing tulangan baja, salah satu cara yang dapat
meningkatkan daktilitas struktur adalah dengan pemberian perkuatan di
daerah tariknya.
Kapasitas penampang kayu yang diperkuat daerah tarik dapat terus naik
hinggga batas tertentu. Dalam hal ini kayu glulam kamper yang diperkuat
oleh kayu bangkirai kapasitasnya terus naik hingga tebal perkuatan
mencapai 30 % dari tinggi total penampang setelah itu nilai kapasitas
mengalami penurunan. Sedangkan letika dipetkuat oleh baja, kapasitas
penampang terus naik hingga tebal baja mencapai 15% dari total tinggi
penampang dan setelah itu kapasitas kayu tidak mengalami kenaikan.
Balok kayu dengan perkuatan baja mempunyai batas maksimum kapasitas
penampang yang lebih besar dibanding dengan perkuatan kayu bangkirai.
Balok kayu dengan perkuatan baja memiliki harga perkuatan per-m yang
lebih murah dibandingkan dengan perkuatan kayu bangkirai dengan
kapasitas yang sama.
7. DAFTAR PUSTAKA
Jobin, Jacob dan Barragán , Olga Lucia Garzon (2007) : Flexural Strengthening
of Glued Laminated Timber Beams with Steel and Carbon Fiber
Reinforced Polymers, Master’s Thesis in the International Master’s
Programme Structural Engineering, CHALMERS UNIVERSITY OF
TECHNOLOGY.
A, Vanessa., A, Manfred.,B, Kolbein., H, Anders Søvsø., K, Petr., L, Antonín.,
M, Kjell Arne., M, Andrzej., M, Alois., P, Miroslav,. dan T, Matjaz.
(2008) : Handbook 1 – Timber Structures, Leonardo da Vinci Pilot
Projects.
A, Manfred.,B, Kolbein., K, Petr., L, Antonín., M dan P, Miroslav,. dan T,
Matjaz. (2008) : Handbook 2 – Design Of Timber Structures
According to Ec 5 , Leonardo da Vinci Pilot Projects.
SNI 03-xxxx-2000. Tata Cara Perencanaan Struktur Kayu Untuk Bangunan
Gedung (Beta Version).
SNI 1726-2012. Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur
Bangunan Gedung dan Non Gedung. Sugiri, Saptahari.(2012) Struktur dan Bahan Kayu. Penerbit ITB.