Ini Dia Steel Braced Frame, Struktur Pereduksi Dampak Gempa Bumi

Bahan konstruksi yang mulai diminati pada masa ini adalah baja. Baja merupakan salah satu bahan konstruksi yang sangat baik. Baja memiliki sifat keliatan dan kekuatan yang tinggi.

Keliatan atau ductility adalah kemampuan bahan untuk berdeformasi secara nyata dalam menerima gaya tekan maupun gaya tarik sebelum terjadi kegagalan (Bowles,1985). material baja lebih lentur dan relatif lebih ringan dari pada beton.

Konstruksi baja juga relatif lebih cepat dalam proses perangkaiannya dibanding struktur beton. Dalam konstruksi modern, struktur baja digunakan untuk hampir setiap jenis struktur termasuk bangunan industri berat, bangunan bertingkat tinggi, sistem pendukung peralatan, infrastruktur, jembatan, menara, terminal bandara, pabrik industri berat.

Kelebihan lain dari konstruksi baja dibanding beton adalah kekuatan tariknya yang lebih maksimal sehingga lebih tahan terhadap goncangan gempa bumi. Bahan utama dari baja struktural adalah besi dan karbon. Mangan, logam campuran, dan beberapa zat kimia tertentu juga ditambahkan pada besi dan karbon untuk menambah kekuatan dan ketahanan.

Gedung dengan Perkuatan Steel Braced Frame

Baja merupakan salah satu bahan bangunan yang unsur utamanya terdiri dari besi. Baja ditemukan ketika dilakukan penempaan dan pemanasan yang menyebabkan tercampurnya besi dengan bahan karbon pada proses pembakaran, sehingga membentuk baja yang mempunyai kekuatan yang lebih besar dari pada besi tergantung pada spesifikasi yang berlaku pada setiap proyek.

Seiring dengan tingginya kebutuhan untuk tempat tinggal maupun lahan perkantoran dan terbatasnya lahan yang tersedia secara tidak langsung mengarahkan kita untuk membangun gedung tinggi untuk memaksimalkan lahan yang tersisa.

Namun permasalahan dari semakin tingginya bangunan gedung yang berdiri akan semakin besar juga dampaknya apabila terjadi gempa bumi terutama di Indonesia yang secara geografis rawan gempa. Sehingga dibutuhkan solusi untuk gedung tinggi yang memperhitungkan factor kenyamanan dan keamanan bagi penggunanya.

Aplikasi Struktur Baja Pada Daerah Rawan Gempa

Dalam perencanaan struktur rangka baja yang tahan terhadap beban gempa, elemen struktur seperti kolom, dinding, penguat atau braces, dan sambungan didesain untuk bisa menjalani deformasi jauh melampaui batas elastis bahan tanpa kehilangan kapasitas kekuatan yang cukup signifikan.

Penyediaan kapasitas deformasi ini dikenal sebagai daktilitas, yang merupakan prinsip dasar dalam desain bangunan yang tahan terhadap beban gempa.

Perencanaan struktur tahan gempa disyaratkan dengan ketat bahwa sambungan harus direncanakan lebih kuat daripada komponen yang disambung, untuk menjamin bahwa selama gempa terjadi, pelelehan tidak terjadi pada bagian sambungan, tetapi dibagian yag memang telah direncanakan leleh pada struktur yang bersangkutan.

Terlepas dari ancaman gempa bumi, diperlukan usaha untuk memenuhi kebutuhan berupa bangunan bertingkat tinggi yang tahan terhadap pengaruh gempa. Salah satu cara agar bangunan Gedung bertingkat tinggi aman terhadap gempa bumi adalah dengan menambahkan baja pengaku/bracing tipe konsentrik pada struktur bangunan.

Bracing dapat meminimalisir besarnya simpangan horizontal (displacement) dan meningkatkan kapasitas gaya geser lantai dasar (base shear) pada struktur sehingga kemungkinan terjadi retak (crack) pada sambungan antara balok dan kolom yang menyebabkan kegagalan struktur dapat dihindari

Kegagalan Struktur akibat Gempa Bumi

Gempa Northridge pada tahun 1994 dan Kobe pada tahun 1995 menunjukkan bahwa material baja tidak serta merta membuat struktur menjadi daktail.

Untuk menjamin struktur bersifat daktail, maka selain daktilitas material (baja) maka hal lain yang tidak dapat diabaikan adalah menjamin sambungan agar tidak gagal pada saat terjadi beban gempa. 

Perencanaan struktur yang tahan terhadap beban gempa didesain untuk menyediakan daktilitas pada elemen yang disambung, sehingga perlunya pemilihan sambungan yang tepat untuk menjamin terjadinya sendi plastis pada daerah balok.

Struktur Pelindung dari Gempa ( Steel-BracedFrame)

Sebagian besar bangunan saat ini telah didesain sedemekian rupa sehingga saat terjadi gempa bumi dengan intensitas besar, maka bangunan tersebut dikorbankan untuk menyelamatkan penghuninya. 

Walaupun dalam bencana gempa bangunan tersebut tidak roboh, tetapi mengalami kerusakan berat, sehingga strukturnya mengalami deformasi dan tidak layak dari segi struktur. Sehingga mau tidak mau bangunan tersebut harus dirobohkan.

Steel Brached Frame adalah suatu inovasi baru yang telah diteliti oleh para peneliti dari Stanford University of Lullinos. Dimana Steel Brached Frame merupakan struktur rangka baja yang mendukung bangunan utama, letaknya berada di luar bangunan (eksterior).

Rangka baja ini didesain dapat bergoyang ke atas dan ke bawah (akibat elastisitas urat (tendon) baja) saat terjadi goncangan gempa sampai dengan 7 Skala Righter (SR).

Dalam aplikasinya, sistem ini dapat dipasang sebagai bagian awal dari desain awal bangunan, atau bisa juga dipasang pada bangunan yang sudah berdiri. Sistem ini diharapkan dapat meminimalisir kerusakan dan tentunya memberikan keselamatan bagi penghuninya. Jadi sistem ini diyakini lebih ekonomis dan lebih aman. 

Komponen Steel Brached Frame

Bagian -bagian Steel Brached Frame adalah : 

1. Struktur bangunan berwarna putih pada gambar di atas adalah gedung 3 lantai yang akan dilindungi Steel Brached Frame dari bahaya gempa. 
2. Warna merah adalah rangka baja utama dari Steel Branched Frame. 
3. Warna hijau adalah pondasi baja untuk mendukung rangka baja Steel Branched Frame 
4. Warna Kuning adalah fuses (sekering) yang berfungsi untuk melenturkan, membuang induksi energi dari gempa, dan memperkecil kerusakan, serta membatasi kerusakan serta membatasi kerusakan bangunan hanya pada area tertentu 
5. Kabel berwarna putih yang berada di  di depan dan di belakang fuses (sekering) adalah tendon (urat baja) yang terdiri dari kawat-kawat baja pilihan. Tendon ini di desain elastis ketika gedung sedang digoncang gempa, namun ketika goncangan berakhir, tendon yang terbuat dari material baja berkekuatan tinggi akan menyesuaikan pada panjang semula dan menarik gedung pada posisi semula

Komponen Steel Braced Frame

Bangunan pada sistem baru ini bersandar pada sebuah rangka baja (steel braced-frames) yang dibuat pada bagian eksterior bangunan. Rangka baja ini dirancang untuk bisa bergoyang ke atas dan ke bawah saat serangan gempa terjadi

Sistem struktur tahan gempa Steel Braced-Frame ini, terdiri dari beberapa bagian dan komponen: pondasi baja pada bagian bawah struktur, ‘sekering’ baja, dan tendon (urat baja) yang terdiri dari kawat-kawat baja pilihan.

Urat baja ini, terletak di bagian tengah bingkai baja, dan didesain untuk bisa berlaku elastic ketika gedung sedang bergyang akibat gempa. Namun, ketika guncangan gempa berakhir, urat baja yang terbuat dari material baja berkekuatan tinggi ini akan menyesuaikan kepada panjangnya semula, dan menarik gedung untuk kembali pada posisi awal.

Di bagian bawah struktur Steel Braced-Frame, terdapat sekering (fuses) baja yang akan menjaga gedung dari kerusakan akibat guncangan gempa. Sekering ini berfungsi untuk melenturkan, membuang induksi energy sari gempa, dan memperkecil kerusakan, serta membatasi kerusakan bangunan hanya pada area tertentu.

Sekring ini, dari segi fungsi seperti sekering listrik dan bisa diganti dengan mudah jika terjadi kerusakan. Ide dari struktur ini adalah untuk mengkonsentrasikan kerusakan pada sekering yang dapat diganti.

Konstruksi Struktur Steel Braced Frame

Sebelumnya, sudah banyak dirancang dan dibangun konstruksi bangunan tahan gempa. Sayangnya, gedung-gedung tersebut biasanya mengalami kerusakan berat saat terjadi gempa, sehingga kalaupun bisa diperbaiki pasti memerlukan biaya yang cukup mahal.

“Sebagian besar bangunan saat ini telah didesain untuk menghadapi gempa bumi dan dirancang sedemikian rupa, sehingga ketika ada gempa bumi dengan intensitas yang besar, maka bangunan tersebut dikorbankan untuk menyelamatkan para penghuninya,” ujar Greg sebagai Pemimpin Tim Peneliti.

Dengan sistem struktur gempa terbaru ini, tandas Greg Deierlein, diharapkan kerusakan yang terjadi pada bangunan dapat diminimalisir dan tentunya dapat memberikan keselamatan bagi penghuninya. Jadi, sistem struktur ini diyakini lebih ekonomis dan tentunya lebih aman.

“Dalam aplikasinya, sistem ini dapat diinstal atau dipasang sebagai bagian dari desain awal bangunan atau bisa juga dipasang pada bangunan yang sudah berdiri. Secara ekonomis juga layak, karena dapat dibuat dari bahan-bahan yang biasa digunakan dalam konstruksi,” demikian kata penelitinya, sembari mengatakan bahwa dari segi desain mungkin masih perlu pengembangan untuk menjadikan teknologi ini lebih bagus dan sempurna lagi ke depannya, serta dapat diimplementasikan dengan biaya cukup murah.

Uji Coba Rangka Steel Brached Frame

Untuk mendapatkan hasil kinerja dari sistem struktur tahan gempa tersebut, telah dilakukan beberapa pengujian goncangan sistem struktur Steel Brached Frame di Hygo Earthquake Engineering, Miki City, Jepang.

Mereka menggunakan model gempa di Kobe, Jepang, yang berkekuatan 6,9 SR (tahun 1995) dan gempa Northbridge yang berkekuatan 6,7 SR (tahun 1994). Hasil pengujian, ternyata struktur Steel Brached Frame tersebut mampu menahan daya rusak gempa.

Kerusakan yang terjadi pada bangunan gedung, hanya di sekitar fuses (sekering) saja sehingga dapat dengan mudah diganti. Padahal, di akhir pengujian para peneliti meningkatkan kekuatan gempa buatan 1,75 kali lebih besar dari gempa Northbridge.

Sistem struktur bangunan tahan gempa ini bersandar pada sebuah rangka baja (steel braced-frames) yang dipasang pada bagian eksterior bangunan. Rangka baja ini dirancang untuk bisa bergoyang ke atas dang ke bawah pada saat terjadi guncanga gempa. 

Di tengah rangka baja, terdapat tendon (urat) baja yang bergerak  elastis untuk mengendalikan goyangan. Dengan struktur ini, bangunan mampu bertahan dari gempa lebih dari 7 Skala Richter (SR)

Gedung dengan Perkuatan Steel Braced Frame

Sebuah metode konstruksi terbaru, diperkenalkan oleh para penelit di bidang teteknik sipil yang bisa diaplikasikan pada sebuah bangunan agar mampu bertahan pada saat terjadi gempa bumi yang cukup kuat.

System struktur bangunan tahan gempa ini diharapkan dapat memberikan keamanan bagi penghuni gedung dan memberikan keuntungan ekonomis bagi pemilik atau pegelola gedung.  

Sistem struktur tahan gempa yang didesain oleh para peneliti dari Stanford University dan University of Illionis ini, telah sukses diuji coba di Jepang dan terbukti mampu bertahan pada gempa yang ekstrem sekalipun.

Selama pengujian, system struktur ini terbukti mampubertahan dalam sebuah simulasi yang lebih besar daripada 7 Skala Richter. Pada saat uji coba, model gedung ditempatkan di atas sebuah meja raksasa, kemudian diberikan gyangan sebagai simulasi sebuah gempa besar berkekuatan lebih dari 7 Skala Richter. 

Hasilnya, ternyata gedung dengan system struktur baru ini mampu menahan gempa yang cukup ekstrem dan tidak roboh, serta mengalami kerusakan berat.

Menurut Greg Deierlein, Profesor Teknik Sipil dan Teknik Lingkungan dari Stanford University, sistem struktur yang disebut dengan ‘Steel Braced-Frame’ ini, berpeluang membuat sebuah gedung menajdi jauh lebih taha terhadap gempa dan lebih mudah untuk memperbaikinya, sehingga pemulihan gedung tersebut bisa lebih cepat.

Walaumengalami kerusakan, bangunan gedung tidak sampai roboh, sehingga mampu memberikan keamanan bagi oenghuni dan secara ekonomis dapat memberikan keuntungan bagi pemilik gedung karena tidak terjadi keruakan yang berat dan fatal secara struktur.

 “Sistem struktur Steel Braced-Frame mampu mendisipasi atau menyalurkan energy melalui jalur-jalur bingkai baja yang menempel pada kerangka atau dinding eksterior bangunan.

Kolom-kolom bajanya sendiri, bisa menjadi bagian yang inheren dari desain bangunan, atau bisa juga dikombinasikan dnegan desain bangunan yang sudah ada,” jelas Greg Deierlein, sembari menambahkan, bahwa yang unik dari system struktur ini adalah tidak seperti struktur gedung konvensional.

Yakni, sistem struktur ini cenderung menghilangkan goyangan selama terjadi gempa besar. rangka baja ini benar-benar bergoyang terpisah dari pondasi saat terjadi gempa besar.

Gempa Northbridge tercatat sebagai gempa yang menimbulkan kerugian paling besar, yakni mencapai USD 40 miliar (sekitar (Rp 400 triliun). Sementara itu, gempa Kobe merupakan gempa yang menelan lebih dari 6000 korban jiwa dan kerugian ekonomi mencapai tiga kali gempa Northbridge.

Konstruksi KNOWLEDGE MANAGEMENT Penerapan Teknologi Konstruksi