2.3 Sistem Struktur Rangka Batang (Trussed ( Trussed Frame) Frame) 2.3.1
Pengertian Truss frame, frame, atau rangka batang, adalah struktur yang dibentuk dari susunan batang linier yang digabung dan membentuk pola-pola segitiga. Sistem struktur rangka batang banyak digunakan pada rangka jembatan, ataupun rangka kuda-kuda bangunan. Rangka batang menjadi populer karena susunannya yang mudah dikerjakan karena terdiri dari batang-batang linier, dengan efisiennya yang tinggi, cukup kokoh, dan stabil. Kunci dari struktur rangka batang adalah bentuknya yang segitiga (triangulasi), dimana bentuk ini kuat untuk menahan gaya lateral dalam bangunan bertingkat tinggi.
Gambar 3.1 Perbandingan sistem struktur rangka batang dengan dinding geser Sumber: Chen & Liu, 2005
Meskipun sistem struktur ini terdiri dari elemen-elemen truss yang truss yang lurus, kestabilannya tetap terjaga dan kuat karena geometri segitiganya. Beban yang terjadi ditumpu oleh sambungan sendi tiap rangka. Jadi, kunci utama pada struktur truss truss adalah sambungan sendinya.
Gambar 3.2 Contoh sambungan sendi pada sistem struktur rangka trusss Sumber: Indraprastha, 2011
Bentuk segitiga pada sistem struktur rangka truss sangat stabil, dimana bentuk segitiga mempunyai ketahanan terhadap deformasi dibandingkan dengan bentuk kotak atau lingkaran. Selain itu, rangka batang segitiga juga dapat diaplikasikan pada hampir ke semua bentuk atau profil.
!
$
#
%
Gambar 3.3 Analisa kestabilan bentuk segitiga pada sistem struktur rangka batang Sumber: Indraprasha, 2011
Pada gambar 3.3.A, terlihat bagaimana bentuk kotak kurang kuat untuk menahan beban lateral yang terjadi akibat gempa dan angin. Defleksi yang terjadi cukup kuat karena truss yang memanjang dapat dengan mudah terikuti dengan gaya lateral. Pada gambar 3.3.B, bentuk truss segitiga mengalami gaya dari sisi kiri. Namun karena bentuknya yang segitiga, gaya lateral berkurang. Gambar 3.3.C menunjukkan peningkatan kekakuan dari bentuk segitiga pada gambar 3.3.B, dimana diberikan truss vertikal ditengah sebagai pengkaku. Kekakuan truss kemudian dimaksimalkan pada gambar 3.3.D.
Gambar 3.4 Contoh aplikasi rangka batang pada profil tertentu Sumber: Indraprasha, 2011
Gambar 3.5 Contoh aplikasi rangka batang pada profil tertentu Sumber: Indraprasha, 2011
Sistem struktur ini merupakan perpaduan dari struktur rangka kaku dengan rangka geser vertikal. Perpaduan ini akan meningkatkan kekuatan dan kakuan struktur bangunan tinggi tersebut. Kekakuan tersebut diperbesar dengan menggunakan bracing diagonal membentuk segitiga pada struktur rangka maupun struktur tabung bangunan tinggi. Gaya lateral kemudian dipikul oleh elemen diagonal eksterior yang merupakan rangka batang, elemen vertikal eksterior yang merupakan rangka, dan kolom sebagai pemikul gaya vertikal. Bentuknya yang diagonal membentuk segitiga membuat beban yang bekerja pada struktur menjadi beban terpusat. Perpindahan gaya berupa translasi, sedangkan gaya rotasi tidak terjadi karena gaya pada sistem struktur ini akan diterima sebagai gaya aksial. Berbeda dengan yang terjadi pada struktur portal ( frame) yang perpindahan gayanya dapat berupa translasi dan rotasi. Prinsip dasar dari sistem struktur ini sama dengan sistem struktur dinding geser ( shear wall ), dimana jika di sistem struktur dinding geser penahan gaya lateral merupakan dinding masif sehingga sulit diberikan bukaan pada dinding, sistem struktur trussed frame menggunakan kelemahan itu dengan membuat rangka batang sebagai pengganti dinding tersebut, yang membuat bangunan memiliki bukaan.
2.3.2
Material Pada awalnya, sistem struktur rangka batang dibuat dari bahan kayu oleh bangsa Romawi pada tahun 500 sebelum masehi. Dengan perkembangan material dan pemikiran, terjadi perkembangan sistem struktur tersebut, terutama setelah adanya revolusi industri yang mengembangkan material kuat dalam waktu yang cepat dengan penggunaan mesin pabrik. Sistem rangka batang kemudian dianalisa untuk aplikasi-aplikasi masal yang didukung dengan perkembangan industri material baja.
Gambar 3.6 Rangka batang dari kayu pada kuda-kuda atap Sumber: Rowan, 2013
Gambar 3.7 Rangka batang dari baja pada John Hancock Center Sumber: Ditta, 2010
Baja kemudian menjadi material yang umum dipakai sejak akhir abad ke19. Material ini dianggap sebagai material untuk sistem struktur rangka truss yang paling efisien karena karakternya yang memiliki kekuatan tinggi pada gaya tarik atau tekannya. Ini menjadikan baja material yang memiliki batasan sempurna untuk menahan beban jenis tarik aksial, tekan aksial, dan lentur. Berat jenisnya yang tinggi serta keringanannya menyebabkan material ini jadi populer untuk mendirikan bangunan tinggi dengan sistem struktur rangka truss.
2.3.3
Keuntungan dan Kerugian Ada beberapa keuntungan dari penggunaan sistem struktur rangka truss, yaitu: 1. Pemakaian material baja membuat bangunan menjadi ringan dibanding bangunan yang menggunakan struktur dari material beton 2. Dikarenakan penggunaan material yang dapat diproduksi secara masal oleh mesin, pengerjaan bangunan menjadi relatif cepat 3. Memungkinkan adanya bukaan-bukaan sesuai modul segitiga dengan struktur yang kuat
Namun, sistem struktur ini juga memiliki kelemahan, yaitu: 1. Sambungan antar truss yang sulit dikerjakan 2. Material baja yang merupakan konduktor api yang sangat baik sehingga jika terjadi kebakaran, struktur menjadi sangat panas
2.3.4
Studi Kasus dan Perilaku Struktur Terhadap Pembebanan John Hancock Tower, yang dirancang oleh arsitek bernama Bruce J. Graham dari Skidmore, Owings & Merrill, menggunakan sistem struktur trussed tube, yang merupakan gabungan dari struktur trussed frame dan tube. Insinyur struktur dari bangunan ini adalah Fazlur R. Khan, yang juga dari Skidmore, Owings & Merrill. Bangunan tinggi ini berdiri pada tahun 1969 setinggi 1.127 kaki.
Gambar 3.8 John Hancock Tower Sumber: Thomas, 2012
Material yang digunakan pada bangunan ini adalah baja, yang menjadi material utama. Baja digunakan sebagai struktur konstruksi juga diekspos sebagai fasad bangunan. Beton juga digunakan pada plat lantai (setengah ke atas) karena sifatnya yang kuat terhadap gaya tekan. Material terakhir yang digunakan adalah kaca sebagai bukaan. Bangunan ini merupakan bangunan tinggi mix-used pertama, dimana bangunan ini mengakomodasi berbagai program. Beberapa diantaranya adalah retail, kantor, residensial, dan lapangan parkir. Ini menjadikan struktur sebagai yang utama karena struktur yang dipakai harus bisa mengakomodasi ruang-ruang yang pas untuk semua program tersebut. Ruang yang besar dibutuhkan untuk lapangan parkir dan perkantoran, sedangkan ruang yang kecil dibutuhkan untuk residensial. Selain itu, struktur yang dipakai juga harus bisa menahan gaya lateral yang besar dari angin. Struktur tube sangat efektif untuk mengatasi permasalahan ruang, sedangkan struktur trussed frame sangat efektif untuk mengatasi permasalahan gaya lateral sehingga bangunan ini kemudian menggabungkan kedua struktur tersebut. Struktur gabungan antara trussed frame dan tube secara efektif menahan beban pada eksterior bangunan. Rangka batang dari baja yang digunakan mendistribusikan beban secara merata ke kolom-kolom yang disusun rapat. Jika tidak ada rangka batang, maka kolom akan menopang beban sendiri dan menyebabkan distribusi beban yang kurang efektif.
!
#
Gambar 3.9 Denah bangunan John Hancock Tower Sumber: Data pribadi, 2015
Gambar 3.9.A adalah tabung luar dengan besaran yang lebih besar dibandingkan tabung dalam, serta jaraknya yang lebih jauh. Gambar 3.9.B menunjukkan tabung dalam dengan besaran yang lebih kecil dari tabung luar, yang jaraknya lebih rapat untuk tetap menjaga kekokohan struktur meskipun kolomnya kecil.
Gambar 3.10 Analisa gaya defleksi Sumber: Data pribadi, 2015
Pola kantilever terbalik yang terjadi pada bangunan tinggi diatasi pada bangunan John Hancock Tower dengan penambahan struktur trussed frame. Pada gambar 3.10.A, vertikal truss tidak terdapat sehingga penahan gaya kantilever terbalik (defleksi) menjadi lemah dan mengakibatkan tarikan dan defleksi yang hebat. Sedangkan pada gambar 3.10.B, vertikal truss yang ramping menyebabkan gaya yang besar pada batang sehingga masih menimbulkan tarikan dan defleksi yang cukup besar. Yang terjadi pada gambar 3.10.C adalah yang digunakan pada bangunan John Hancock Tower, dimana truss pada bangunan diletakkan di seluruh sisi bangunan sehingga gaya pada truss mengecil dan tarikan dan defleksinya berkurang juga.
&'()*' +','()
Gambar 3.11 Analisa arah gaya Sumber: Data pribadi, 2015
Gambar 3.12 Analisa berat beban, deformasi, dan bidang momen yang terjadi pada bangunan John Hancock Tower Sumber: Data pribadi, 2015
Selain itu, ada juga bangunan bernama One Maritime Plaza, atau Alcoa Building, yang menggunakan sistem struktur rangka batang pada fasad bangunannya untuk memperkuat struktur. Bangunan ini berada di San Francisco, dan selesai pada tahun 1967. Bangunan ini memiliki fungsi sebagai kantor, yang dirancang oleh Skidmore, Owings & Merrill. Bangunan ini memiliki 25 lantai (121.3 m) dengan 12 lift sebagai penghubung setiap lantainya.
Gambar 3.13 One Maritime Plaza Sumber: Johnson, 2012
Sebelum dijadikan bangunan perkantoran, bangunan tersebut dipakai sebagai tempat parkir, yang menjadi tantangan bagi sang arsitek untuk menemukan sistem struktur yang tepat. Pemilihan struktur ini menjadi tepat karena strukturnya yang kuat dengan rangka batang berbentuk X untuk menghubungkan semua plat lantai. Material yang digunakan, yaitu baja, juga membuat bangunan menjadi ringan dan memungkinkan untuk membuat ruang bebas kolom. Ruang yang bebas kolom ini menjadi keuntungan tersendiri, mengingat fungsi bangunan ini
sebagai
sebuah
perkantoran.
Fungsinya
sebagai
perkantoran
mengharuskan adanya kefleksibilitas pada denah, dan jika tidak ada kolom
maka denah lantai menjadi mudah dibuat (lihat gambar 3.14). Peletakaan lift dan ruang service juga fleksibel. Selain itu karena bangunan ini tidak memakai dinding masif, terdapat banyak bukaan sehingga pegawai menjadi produksi pada saat bekerja.
Gambar 3.14 Denah One Maritime Plaza Sumber: Hasthings, 2014
!-'. )'/'
#0-', +0+'(
1230(
Gambar 3.15 Analisa bangunan One Maritime Plaza Sumber: Data pribadi, 2015
%0450*67
