Informasi Dasar Tentang Beban Angin Pada Bangunan (Part 2)

Respon Bangunan Terhadap Aerodynamic Wind Force

Tulisan ini merupakan series kedua dari tulisan sebelumnya yaitu:
Informasi Dasar Tentang Beban Angin Pada Bangunan (Part 1)

Dynamic lift force (across-wind / deformasi dan gaya tegak lurus arah datangnya angin)
Pada saat ilmu mengenai wind engineering pada bangunan tinggi sedang berkembang sangat pesat terutama saat pembangunan ultra-tall di Amerika (Sears Tower, John Hancock Center, dan Alm. World Trade Center), wind tunnel untuk melakukan simulasi beban angin khusus untuk bangunan pertama diciptakan pada masa – masa ini.

Saat wind tunnel sudah dibuat dan simulasi dilakukan, hasil yang didapatkan dari simulasi wind tunnel pertama ini justru sangat mengejutkan banyak ilmuan. Entah mengapa ternyata saat simulasi dilakukan, model struktur bangunan justru bergetar dan berdeformasi ke arah tegak lurus arah angin yang diberikan, seperti yang terlihat pada video berikut:

Wind Tunnel simulation of crosswind vibration of tall buildings (Source: Prof. Tamura lecture)

Fenomena inilah yang dinamakan dengan Dynamic lift force / Across-wind response / Vortex shedding pada bangunan.

Across-wind terjadi akibat aliran fluida angin yang terpisah akibat adanya bangunan kaku yang bentuknya tidak aerodinamis (bluff body). Terpisahnya aliran angin ini mengalir ke samping dan menciptakan vortex (angin puting beliung kecil) di sisi samping bangunan. Baik akibat aliran air ke samping dan angin vortex, menciptakan gaya tidak seimbang yang arahnya tegak lurus arah angin (across-wind).

Plan View Ilustrasi Vortex Shedding Pada Rectangular Bluf Body

CFD Analysis Vortex Shedding

Gaya tidak seimbang across-wind akibat vortex shedding ini umumnya memiliki frekuensi dominan (Fs), yang mana jika frekuensi dominan gaya tersebut berimpit dengan frekuensi struktur bangunan pada arah yang sama, maka amplifikasi dinamik akan terjadi (Resonansi). Resonansi inilah yang menjadikan pergerakan deformasi bangunan justru dominan tegak lurus arah angin dibandingkan searah gaya angin seperti yang ditunjukkan pada video pertama wind tunnel di artikel ini.

Untuk mengetahui apakah struktur yang kita desain berpotensial memiliki frekuensi yang sama dengan gaya across wind, kita dapat melihatnya dengan rumus Strouhal. Vincenc Strouhal memperkenalkan rumus sederhana yang dapat menghitung critical wind speed, yaitu nilai kecepatan angin (wind speed) tertentu yang menghasilkan frekuensi gaya across-wind pada bluff body. Nilai critical wind speed ini didapat dengan persamaan :

Nilai frekuensi gaya across-wind (fs) bisa kita ambil sebagai nilai frekuensi bangunan kita (kondisi Resonansi), sehingga dari persamaan diatas kita bisa dapat nilai critical wind speed (U). Jika nilai critical wind speed ini diatas nilai wind speed yang mungkin terjadi pada lokasi bangunan yang ditinjau, maka resonansi dapat terjadi.

Contoh Kasus
Let say ada bangunan di Jakarta yang ingin di desain strukturnya dan di cek apakah bangunan ini potensial terjadi resonansi across-wind. Bangunan tersebut memiliki ketinggian 200 m dari ground dan memiliki floor plan square (kotak) dengan lebar 38 m x 38 m (slenderness ratio = 200/38 = 5.2). Dengan persamaan pendekatan sederhana periode getar bangunan kondisi ultimate adalah H/32, maka periode bangunan ini di-estimasi sekitar 200/32 = 6.25 detik atau frekuensi 0.16 hertz.

Dari persamaan Strouhal didapat critical wind speed pada ketinggian 2/3 tinggi bangunan (133 m) adalah :
U = 0.16 hertz x 38 meter / 0.12 = 50.6 m/s

Critical wind speed diatas untuk lokasi 133 m dari ground, untuk mengetahui basic wind speed (V) pada lokasi 10 m dari ground digunakan persamaan ASCE dimana Kd = 0.85, Kz = 1.52, Kzt = 1.00, sehingga basic wind speed (V) adalah:
V = 50.6 m/s / (0.85 x 1.52 x 1.00) = 39.2 m/s

Dari Meteorology Climate Analysis untuk periode ulang angin 700 tahunan (ultimate case), basic wind speed ada di angka 40 m/s di kota Jakarta yang artinya lebih besar dari angka 39.2 m/s, sehingga kemungkinan bangunan ini bisa mengalami resonansi gaya across-wind pada kondisi ultimate (design).

Fenomena Lock-in
Mari kita lihat kasus bangunan lain yang sama persis dengan bangunan sebelumnya, bedanya hanya di dimensi floor plan yang lebih besar yaitu 43×43 meter. Nilai basic wind speed yang dapat menyebabkan resonansi gaya across-wind sekarang menjadi 44.37 m/s. Karena nilai ini lebih besar dibandingkan dengan maksimum basic wind speed yang mungkin terjadi di Jakarta yaitu 40 m/s apakah artinya bangunan ini aman terhadap resonansi ?, jawaban-nya adalah sayangnya tidak.

Pada beban angin, ada yang namanya fenomena lock-in, yaitu fenomena resonansi terjadi pada range wind speed yang cukup lebar :

Base Overturning Moment Vs Wind Speed (Sumber: Roy Denoon – Performance-Based Wind Design)

Diatas adalah contoh hasil dari wind tunnel untuk bangunan dengan range of wind speed, pada grafik di atas terlihat jelas bahwa amplifikasi dinamik akibat resonansi gaya across-wind terjadi pada bangunan untuk range wind speed yang cukup lebar (20 m/s sampai 30 m/s). Oleh karenanya, minimal +- 15% resonance wind speed perlu dipertimbangkan saat melihat potensi resonansi across-wind pada bangunan. Jika kita tinjau lagi contoh kasus sebelumnya, 44.37 m/s basic wind speed masih ada dibawah 40 m/s + 15% = 46 m/s, sehingga potensi amplifikasi beban across-wind akibat vortex shedding masih mungkin terjadi.

Wind Load untuk Across-wind di Code
Sayangnya code kita ASCE 7-16 tidak dapat menghitung gaya across-wind yang terjadi. Jika dibutuhkan, insinyur dapat me-referensi dari Autralian code, AIJ (Japan), China code, atau HK Code. Hati – hati untuk rumus pada code – code tersebut, yang mana kuat berdasarkan metode empiris, bukan analitis.

Treatments Across-Wind Load
Ada beberapa treatments yang bisa dilakukan untuk mengurangi beban across-wind, namun pada artikel ini penulis hanya akan menjelaskan 2 saja yaitu:

1. Additional Damping
Karena fenomena across-wind ini adalah fenomena resonansi dinamik, maka added damping akan berpengaruh signifikan kepada amplitude getaran, yang pada akhirnya menurunkan gaya yang terjadi.

Efek Damping Terhadap Amplitude saat Resonansi (Sumber: jpe-innovations.com)

Gambar diatas menunjukkan bahwa pada saat resonansi, peak dynamic amplitude menurun signifikan terhadap tambahan damping. Hal ini tidak se-efektif jika yang dominan adalah beban along-wind, dimana pengaruh damping hanya mengurangi respon resonance along-wind saja.

2. Aerodynamic Shape
Cara kedua adalah dengan mempertimbangkan aerodynamic pada bentuk bangunan agar mengurangi vortex di samping bangunan. Hal ini dapat dilakukan dengan salah satu cara berikut:

Beberapa Contoh Aerodynamic Treatments Pada Bangunan

Next, penulis akan menjelaskan mengenai Torsional Moment akibat beban angin….

———————Bersambung———————