Sturktur Model Rangka vs Struktur Model Distribusi Beban
Bekerja di sektor konstruksi dan terlibat mulai dari proses perencanaan desain arsitektur dan perhitungan struktur, memiliki tingkat variasi yang tinggi baik dalam kompleksitas dan juga dalam aspek efisiensi. Berangkat dari pengalaman bekerja tersebut, saya ingin membagikan salah satu kombinasi pengalaman sebagai seorang insinyur praktisi dan juga kemampuan teoritis yang saya miliki perihal review model struktur berbentuk rangka (frame structure) dan juga struktur berbentuk distribusi beban (Load bearing structure).
Struktur berbentuk rangka
Bangunan yang menggunakan sistem struktur rangka termasuk bangunan yang paling sering dan lazim dibangun di era abad ke-21. Struktur ini adalah tipe struktur yang beratnya dipikul oleh kerangka atau rangka dan bukan ditopang oleh dinding. Faktor penting dalam bangunan yang menggunakan sistem struktur rangka adalah perhitungan kekuatan dari rangkanya.
Sebagai bahan rujukan sejarah, struktur berbentuk rangka dapat ditelusuri asal muasalnya dari rumah yang dibangun menggunakan sistem bingkai kayu atau setengah kayu. Bangunan jenis ini, lazim digunakan di Eropa abad pertengahan. Pada bangunan tipe ini, bagian kosong biasanya ditutupi dengan batubata, batu pipih, atau bisa juga dengan lembaran kayu. Kemudian, konstruksi rumah kayu ini terus berkembang hingga masuk ke daratan Amerika Serikat. Terutama setelah selesainya perang dunia II.
Kemudian, selama abad ke-19 material berbentuk dinding bata atau batubata menjadi material utama yang digunakan unuk menahan beban, walaupun juga sering ditambahkan dengan besi tuang sebagai pelengkap strukturnya yang disertakan pada dinding dan struktur bangunan. Seiring berkembangnya teknologi dan juga industrialisasi, material baja dan beton bertulang adalah material selanjutnya yang paling umum dalam struktur bangunan berskala besar. Arsitek Prancis Auguste Perret adalah orang pertama yang membuktikan konsep struktur rangka pada desain konstruksi yang dibuat (1903); Beliau berusaha mengeluarkan sebanyak mungkin kerangka beton bertulang dari bangunannya dan menghilangkan sebagian besar elemen non-struktural. Langkah yang dilakukan arsitek prancis ini juga menjadi tonggak sejarah berkembangnya Arsitektur kontemporer yang berfokus pada menghilangkan sebagian besar dinding tradisional (load bearing) dengan menggunakan material logam dan kaca, serta dinding tirai sebagai pelapis eksterior.
Berbagai jenis struktur berbentuk rangka telah digunakan dalam konstruksi bangunan. Model struktur rangka ini kemudian diklasifikasikan menjadi dua jenis utama yaitu struktur rangka kaku dan struktur rangka penguat. Struktur ini kemudian dibagi/dipecah kembali menjadi beberapa kategori seperti: struktur rangka kaku ujung tetap dan struktur rangka kaku dengan penumpu jepit. Disusul dengan model struktur kerangka sistem runcing dan kerangka sistem portal.
Setiap model struktur rangka dapat dibangun dari berbagai bahan seperti beton bertulang, baja, dan kayu. Struktur rangka adalah struktur yang memiliki kombinasi balok, kolom dan pelat untuk menahan beban lateral dan gravitasi. Struktur ini biasanya digunakan untuk mengatasi momen besar yang terjadi akibat beban yang diberikan.
- Struktur kaku (Rangka kaku)
Sistem struktur rangka kaku, juga sering disebut sebagai rangka momen, terdiri dari elemen linier seperti balok dan kolom. Kata kaku berarti kemampuan untuk menahan deformasi. Model struktur ini biasanya menggunakan material baja dan beton bertulang sebagai bahan utamanya. Rangka kaku memiliki karakteristik sedikitnya sambungan yang disematkan di dalam rangka, dan biasanya bersifat statis tak tentu.
Sistem struktur rangka kaku memiliki kemampuan yang baik dalam menahan beban vertikal dan lateral, yang berkonsekuensi pada pembengkokan balok dan kolom. Kekakuan rangka dengan model struktur kaku seperti ini banyak disebabkan oleh faktor kekakuan dari sambungan elemen balok dan kolom yang didesain. Sambungan harus dirancang sedemikian rupa sehingga memiliki kekuatan dan kekakuan yang memadai dan deformasi yang dapat memenuhi batas keamanan (safety factor).
Metode analisis struktur seperti metode portal (perkiraan), metode kerja virtual, teorema Castigliano, metode gaya, metode kemiringan-perpindahan, metode kekakuan, dan analisis matriks, dapat digunakan untuk menyelesaikan gaya dan momen yang terjadi pada struktur bangunan dan mendesain beban reaksi yang bekerja.
Struktur kaku di klasifikasikan menjadi dua jenis utama, yaitu:
a. Fix Ended Rigid Frame Structure, penopang dari rigid frame diakhiri secara fix seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah ini
b. Struktur rangka kaku berujung jepit, tumpuan jenis rangka kaku ini berujung jepit, dan tidak dianggap sebagai rangka kaku jika kondisi tumpuannya dilepas.
2. Struktur rangka dengan sistem perkuatan bracing
Rangka bracing terdiri dari balok dan kolom yang “dijepit (pin)” dihubungkan dengan bracing untuk menahan beban lateral. Jenis rangka ini mudah dianalisis dan mudah dibuat. Ketahanan terhadap gaya lateral diperoleh melalui bracing yang berbentuk horizontal dan vertikal.
Banyak jenis bracing yang dapat digunakan misalnya, bresing sendi, bresing diagonal, bresing X, bresing K atau chevron, dan ada juga kategori dinding geser (shearwall) yang menahan gaya lateral pada bidang dinding. Sistem rangka ini memberikan ketahanan yang lebih efisien terhadap gaya gempa dan angin. Model struktur ini jauh lebih efektif daripada sistem rangka kaku.
a. Gabled frames (bingkai runcing), adalah model struktur yang memiliki tipikal berupa penggunaan gambut di atasnya. Sistem kerangka ini digunakan di mana ada kemungkinan hujan lebat dan juga salju.
b. Rangka berbentuk portal, rangkaian kerangka portal terlihat seperti gambar dibawah. Bentuk struktur ini biasanya lazim digunakan untuk konstruksi bangunan sektor industri dan pergudangan logistik.
Struktur berbentuk distribusi beban
Pada struktur berbentuk distribusi (load bearing), dinding bata pada struktur bangunan juga dialihfungsikan sebagai pondasi, serta menjadi komponen utama dalam kerangka bangunan berikut sebagai penahan beban-beban yang bekerja pada bangunan tersebut. Pada struktur berbentuk distribusi, beban dibawa melalui dinding dan dipindahkan ke tanah oleh lantai. Fondasinya juga terbuat dari batu bata. Jenis struktur penahan beban ini dipindahkan ke tanah melalui dinding tanpa kolom, dan juga rangka balok. Penggunaan struktur penahan beban adalah metode konstruksi bangunan paling tua dalam sejarah, dan termasuk model konstruksi paling umum. Pada jenis struktur ini, beban-beban eksternal seperti gempa bumi, angin, dll. didistribusikan melalui dinding.
Dalam menahan beban, seluruh struktur ditopang oleh komponen seperti dinding pasangan bata atau batu. Akan tetapi, salah satu kekurangn dari model struktur seperti ini disinyalir kurang tahan terhadap gempa bumi. Dilain sisi, model bangunan ini dapat bekerja dengan baik apabila konstruksi bangunannya relatif rendah.
Model struktur distribusi beban seperti ini memiliki keterbatasan dalam pengaplikasiannya pada bangunan bertingkat. Model struktur seperti ini juga membutuhkan material yang intens. Hal ini dikarenakan beban mati lebih tinggi pada model struktur ini. Struktur penahan beban menggunakan lebih sedikit semen dan baja daripada struktur rangka. Biaya perbaikan pada bangunan dengan struktur seperti ini juga relatif lebih murah dibandingkan dengan bangunan struktur rangka.
Salah satu kekurangan jenis struktur ini adalah struktur penahan beban memiliki umur yang lebih pendek daripada struktur rangka. Sehingga untuk bangunan/konstruksi bertipe multi-storey (high rise building) sangat jarang menggunakan model struktur seperti ini dalam proses konstruksinya.
Struktur distribusi beban memiliki area lantai yang lebih sedikit karena dimensi dari dinding yang lebih tebal (diutamakan). Kaerna, dalam struktur penahan beban, beban bangunan jatuh di dinding. Oleh karena itu, efisiensi yang dapat dimaksimalkan pada bangunan yang menggunakan model struktru seperti ini adalah pada area lantai. Struktur dengan model seperti ini memiliki kendala yang cukup tinggi dalam pengubahan tata letak tembok. Hasilnya tidak mudah untuk dirancang. Dimensi ruangan tidak dapat diubah karena dinding dipasang pada struktur penahan beban. Elemen struktural seperti kantilever, dapat dibuat atau dibangun akan tetapi dengan jarak atau bentang pendek. Sehingga, struktur distribusi beban juga memiliki kelemahan dalam pemodelan struktur bentang kantilever yang pendek.
Struktur dengan model distribusi beban, dapat dikatakan memiliki tingkat fleksibilitas yang rendah. Hal ini dikarenakan, model struktur ini ketika proses pemasangan dinding berarti sudah termasuk dalam pemasangan struktur secara langsung. Jikalau dikemudian hari ada proses renovasi ataupun modifikasi, maka sudah dapat dipastikan terjadi perubahan pada seluruh elemen geometri bangunan.
Berkolaborasi dengan Engineering Space, kami mencoba mensimulasikan opsi terbaik dalam menganalisis model struktur berbentu load bearing structure ini. Crew Engineering Space menyarankan untuk membuat model bangunan dengan luasan 4 x 12 m, dengan ketinggian bangunan total adalah 7 m (termasuk atap).
Bangunan sederhana tersebut dapat sukses di modelkan dan masuk tahap analisis struktur, seperti yang terlihat pada kumpulan gambar diatas.
Dan sebagai perbandingan juga, Engineering Space juga memberikan pemodelan pada struktur berbentuk rangka. Awalnya, tim Engineering Space memutuskan untuk membentuk kerangka bangunan dengan luasan yang sama sesuai dengan model struktur distribusi beban (berukuran 4 x 12 m). Akan tetapi, setelah mempertimbangkan aspek estetika dan uji kemampuan teknis, diputuskan dimensi bangunan yang digunakan pada model struktur rangka berukuran 5 x 12 m.
Berikutnya, saya akan mencoba memberikan tabel perbedaan antara kedua struktur yang kita bahas dalam tabel berikut:
Akhir kata, model-model struktur memang memiliki banyak jenis dan ragamnya. Dan yang terpenting dari semua itu adalah bagaimana kita dapat memenuhi tujuan dan peruntukan dari bangunan atau infrastruktur yang hendak dibangun. Serta terus berdasar pada variabel-variabel utama yang menjadi konsiderasi dalam pelaksanaan pembangunan infrastruktur (pernah penulis bahas dalam link berikut ini).
Link terkait:
- Youtube of Engineering Space: https://www.youtube.com/@engineeringspace3170
- Simple frame structure modeling using Steel Material: https://www.youtube.com/watch?v=68wKtC_xHxM
- Beam RCC modeling: https://www.youtube.com/watch?v=zS09Z1MYzkI
