PREDIKSI KEKUATAN LATERAL PANEL KAYU

PREDIKSI KEKUATAN LATERAL PANEL KAYU Ali Awaludin, Ph.D Laboratorium Teknik Struktur Jurusan Teknik Sipil dan Lingkungan, Universitas Gadjah Mada [email protected]

I. PENDAHULUAN Sebagai salah satu bahan konstruksi yang ramah lingkungan (green materials), kayu atau konstruksi kayu juga telah lama dikenal memiliki perilaku yang baik saat terjadi gempa bumi. Hal ini disebabkan oleh bentuk konstruksi yang regular dan tingginya nilai rasio kekuatan-terhadap-berat (strength-to-weight ratio) bila dibandingkan dengan bahan konstruksi lain seperti baja atau beton (Soltis, 1984). Berdasarkan data pada Tabel 1, kayu struktur dapat memiliki nilai rasio kekuatan-terhadap-berat 20% lebih tinggi dari pada baja struktur, dan dapat memiliki nilai rasio kekuatan-terhadap-berat empat sampai lima kali kekuatan beton normal. Dengan informasi ini maka gaya inertial atau lateral yang terjadi saat gempa menjadi lebih kecil. Tabel 1. Nilai rasio kekuatan-terhadap-berat beberapa bahan konstruksi 3

Kerapatan (KN/m ) (a) Kayu Keruing (E14) 7,4 Beton normal 24 Baja Struktur 78,5

Kuat Tekan (MPa) Kuat Tarik (MPa) (b) (c) 30 28 24 ----240

Rasio (b)/(a) 4,1 1 ---

(c)/(a) 3,8 --3,1

Berbeda dengan kayu, pasangan batu-bata atau beton bersifat kaku sehingga harus dirancang dan didetilkan (detailing) dengan hati-hati untuk menjamin perilaku yang baik saat gempa. Ketika terjadi gempa, konstruksi kayu dapat menyerap energi gempa lebih baik karena kemampuan deformasinya (flexing ability). Pada konstruksi kayu, energi gempa diserap melalui beberapa macam mekanisme: friksi (internal) antar serat kayu; friksi antar elemen struktur dan non-struktur; serta deformasi inelastik pada elemen struktur dan sambungan. Namun demikian, penyerapan terbesar terjadi sebagai akibat deformasi inelastik sambungan mekaniknya (sambungan menggunakan alat pengencang metal). Nilai damping rasio konstruksi kayu pada kondisi elastik dapat mencapai 5% dikarenakan friksi antar elemen (Toratti, 2001). Nilai damping rasio ini meningkat apabila konstruksi mengalami deformasi inelastik. Kekuatan Lateral Panel Kayu Struktural

1

Pada konstruksi rumah kayu tahan gempa terdapat dua jenis sistem pengaku lateral yang sering dijumpai yaitu batang diagonal (bracing) dan dinding penahan geser (structural walls or panels). Contoh rumah kayu yang menggunakan batang kayu diagonal sebagai sistem perkuatan gempanya adalah rumah tradisional di Kepulauan Nias. Kekakuan lateral rumah tradisional tersebut bertambah dengan adanya aksi diafragma sistim lantainya, yang menghubungkan elemen kolom secara 3D (Awaludin dkk., 2010). Untuk konstruksi rumah kayu yang ringan (light frame timber construction), maka sistem penahan geser panel kayu struktural merupakan bagian dari konstruksi yang sangat efektif menahan gaya lateral seperti gempa. Penutup panel tersebut umumnya terbuat dari bahan plywood atau OSB (oriented strand board) yang disambungkan ke batang kayu menggunakan alat sambung mekanik seperti paku atau sekrup.

II. ANALISIS PANEL KAYU STRUKTURAL Gambar 1 menunjukkan contoh sebuah panel kayu yang terdiri dari bahan penutup panel (misalnya plywood) dihubungkan ke rangka kayu dengan alat sambung mekanik (paku atau sekrup). Panel kayu tersebut menerima gaya lateral R sehingga terdeformasi sebesar . Metode analisis kekuatan panel secara lengkap disampaikan oleh Tuomi dkk (1978) dan McCutcheon (1985).

R R

d

n y

 H

x

R B (a) Model panel

(b) Deformasi panel akibat gaya lateral

Gambar 1. Model panel beserta deformasinya akibat gaya lateral Kekuatan Lateral Panel Kayu Struktural

2

Deformasi lateral panel merupakan penjumlahan dari deformasi penutup panel (s) dan deformasi rangka kayu (n) akibat slip yang terjadi pada alat sambung paku ∆ ∆ ∆                                                                                                                                      1 Deformasi lateral penutup panel dapat diperoleh dengan persamaan berikut: RH                                                                                                                                           2 GtB dimana t dan G berturut-turut adalah tebal panel dan modulus geser bahan penutup panel. ∆

Apabila slip paku di bagian pojok adalah d, maka slip paku lainnya disekiling panel dapat ditulis sebagai berikut: paku sisi horisontal (atas atau bawah)  sinα                                                                                                                             3. a 2

i n

1

 cosα                                                                                                         3. b

paku sisi vertikal (kiri atau kanan) j 1  sinα                                                                                                         3. c m  cosα                                                                                                                             3. d 2

dimana x dan y adalah slip paku pada arah sumbu x dan sumbu y, n adalah jumlah spasi paku pada sisi atas atau bawah, m adalah jumlah spasi paku pada samping kiri atau kanan,  dapat diperoleh dari persamaan (4). tanα B⁄H                                                                                                                                    4 dan total slip masing-masing alat sambung paku adalah / δ δ δ                                                                                                                        5 Deformasi lateral panel akibat slip alat sambung paku (n) dapat diperoleh dengan persamaan berikut ∆

2d                                                                                                                                         6 sinα

Persamaan 3-6 menghasilkan Persamaan 7 yang menjelaskan bahwa slip masing-masing alat sambung sebagai fungsi dari deformasi lateral n dan geometrik panel. paku sisi horizontal (atas atau bawah) 1 ∆ sinα sin α 2

2

1

cos α                                                                         7. a

Kekuatan Lateral Panel Kayu Struktural

3

paku sisi vertikal (kiri atau kanan) 1 ∆ sinα 2

2

1

sin α

cos α                                                                       7. b

Karena hubungan antara gaya R dan deformasi lateral panel n adalah non-linear, maka energi luar (E) didefiniskan sebagai berikut: ∆

d                                                                                                                                   8 Hubungan antara p dan  dari hasil pengujian plywood - stud dengan alat sambung paku atau sekrup juga non-linear sehingga energi dalam (I) dinyatakan sebagai berikut: δ

d                                                                                                                                       9 Gaya lateral R dapat dihitung dengan anggapan bahwa energi luar (E) sama dengan energi dalam (I) sebagaimana dirumuskan pada persamaan berikut: δ

d d∆

d d∆

d                                                                                                       10

Pada persamaan (10) simbol penjumlahan,  diperlukan untuk menjumlahkan energi dalam yang disumbangkan oleh masing-masing alat sambung mekanik yang ada pada panel. Apabila p pada Persamaan 10 yang merupakan fungsi  dinyatakan dalam fungsi yang dapat diintegralkan, maka gaya lateral R dapat diketahui.

III. MODEL KURVA BEBAN-SLIP SAMBUNGAN PAKU Hubungan beban dan slip dinyatakan sebagai berikut: kx Maka, energi dalam adalah δ

δ

d

k d

1 k 2

atau 1 k∆ sin α 4

sin α

2

1

cos α

2

1

sin α

cos α

Dengan demikian, gaya lateral panel adalah

Kekuatan Lateral Panel Kayu Struktural

4

1 k∆ sin α nsin α 2

2

1

cos α

mcos α

2

1

sin α

karena 2

2 3

1

1

maka 1 ∆ sin α 2

2 3

1

1

sin α

cos α

dan deformasi lateral panel adalah R k dengan 1 sin α 2

∆

2 3

1

1

sin α

cos α

Sehingga total deformasi lateral panel adalah ∆

∆

∆

k

IV. CONTOH Lebar panel, B = 1000 mm; tinggi panel, H = 2000 mm; jumlah spasi paku horizontal (n) dan vertical (m) berturut-turtu adalah 8 dan 16; tebal penutup panel, t = 10 mm; modulus geser bahan penutup panel, G = 689 MPa dan k = 50 N/mm. 1000 0,447 sin 1000 √2000 2000 cos 0,89 1000 √2000 1 2 16 1 8 1 50 0,447 8 16 0,447 0,89 88,5N/mm 2 3 16 8 Tabel hasil perhitungan R (N)

0

100

200

300

400

500

600

n (mm)

0

1.13

2.26

3.39

4.52

5.65

6.78

s (mm)

0

0.03

0.06

0.09

0.12

0.15

0.17

t (mm)

0

1.16

2.32

3.48

4.64

5.79

6.95

Kekuatan Lateral Panel Kayu Struktural

5

Kurva gaya lateral (R) vs lateral deformasi (t) 1200 1000

R(N)

800 600 400 200 0 0

2

4

6

8

10

12

14

t=n+s (mm)

DAFTAR PUSTAKA Awaludin A, Hayashikawa T, Hirai T, (2010) A review on Indonesian traditional timber houses sustainability, Proceeding of International Conference on Sustainable Built Environment, Yogyakarta, A-04-29. McCutcheon WJ., (1985) Racking deformation in wood shear walls, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 111, No. 2, 257-269. Soltis LA., (1984) Low-rise timber buildings subjected to seismic, wind and snow loads, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 110, No. 4, pp. 744-753. Toratti T, (2001) Seismic design of timber structures, A Research Report, Seismic design of timber structures – prestudy, Espoo. Tuomi, R. L., McCutcheon, W. J., 1978, Racking strength of light-frame walls, Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 104, No. ST7, July.

Kekuatan Lateral Panel Kayu Struktural

6