Catatan : Ini baru intro dari tulisan yang sedang aku susun. Ada seorang teman yang mengasuh seminar-seminar teknik berbayar, yang memintaku membawakan topik berjudul “Metode Konstruksi Struktur Baja Space Frame“. Katanya saya punya kompetensi untuk membawakanya, tidak sekedar secara akademis, tetapi juga ada pasar yang mau membelinya. Lho koq bisa, menurut temanku alasannya adalah [1] adanya buku yang kutulis, ini ada reviewnya juga a, b, [2] pengalamanku sebagai anggota K2K PUPR yang mengevaluasi banyak metode konstruksi dari para kontraktor infrastruktur di negeri ini, dan [3] karena kegiatanku tempo hari terkait dua proyek dome dengan konstruksi baja, yaitu di Jateng (desain) dan Papua (konstruksi). Hebat juga temanku tersebut, maklum banyak acara-acara seminar yang diselenggarakannya pada sukses, padahal biayanya saja mahal. Jauh dibanding acara seminar akademis yang host-nya perguruan tinggi. Saya juga senang, karena kalau mengisi acaranya, waktunya tidak dibatasi hanya 15 menit saja. Tahu khan, bisa berbagi apa kalau hanya 15 menit. Itu sih sekedar presentasi untuk dapat KUM saja, tidak untuk berbagi ilmu. Padahal jujur saja tulisan dengan judul tersebut sangat menantang. Maklum jenis struktur yang dibahas relatif jarang ada. Oleh sebab itu untuk menuliskannya saya perlu membaca banyak literatur asing dari jurnal-jurnal ilmiah dibanding berdasarkan pengalaman di lapangan. Selain itu juga berarti harus mulai mengasah kembali kemampuan berimajinasi sebagai penulis. Ini intro yang telah aku buat, selamat membaca.

Untuk pembangunan infrastruktur yang optimal, pengetahuan bahan dan aplikasinya sangat penting bagi insinyur. Untuk bangunan struktur atas, bahan material yang populer adalah beton dan baja, yaitu dalam bentuk struktur beton bertulang / prategang, struktur baja, dan komposit. Dari keduanya maka material baja paling penting, kuat terhadap tarik dan tekan sekaligus, sedangkan material beton hanya kuat terhadap tekan saja. Selain itu, rasio kuat terhadap beratnya adalah paling tinggi, sehingga untuk konstruksi atap bentang besar, yang bebannya didominasi oleh berat sendiri maka penggunaan struktur baja adalah yang terbaik.

Gambar 1 yaitu bangunan stadium baru Singapura yang berkapasitas 55 ribu tempat duduk. Bentuk atap dome dengan bentang bersih 310 m, di bagian atasnya bisa dibuka-tutup. Saat diresmikan April 2014, bangunan tersebut memecahkan rekor struktur atap dome dari baja dengan tumpuan mandiri (self-supported) yang terbesar di dunia. Bisa dibandingkan dengan Millenium Dome London, yang diameternya lebih besar (365 m) tetapi berupa atap tenda yang digantung pada kabel dengan 12 menara penopang yang mencuat ke luar dari atap.

Singapura daerah bebas gempa, tidak pernah ada angin taufan atau hujan salju, sehingga beban untuk perencanaan strukturnya ditentukan oleh berat sendiri yang dominan. Meskipun hanya berat sendiri, ternyata struktur atap dan sambungan untuk stadium baru tersebut perlu bahan material baja sebanyak ± 7400 ton. Bayangkan jika ada beban lain yang menentukan, tentu akan bertambah berat. Dari studi analisis konsultan struktur (Arup), sistem struktur dome baja adalah yang paling optimal dibandingkan sistem struktur yang lain. Struktur dome baja atap podium lebih detail dapat dilihat dari bagian dalamnya, sebagai berikut.

Dari bagian dalam stadion, sistem struktur dome terlihat jelas. Konfigurasi geometrinya unik, modul dasar berupa struktur rangka batang (truss), yang dikenali dari pola geometrinya. Ada modul yang ditempatkan memanjang, melintang, dan diagonal. Secara keseluruhan modul tersebut membentuk konfigurasi struktur dome baru, dan belum pernah ada sebelumnya. Apalagi ada bagian puncak atap yang bisa dibuka-tutup. Bagaimana pembagian kerja modul memanjang, melintang, dan diagonal saat dibebani, tentunya diketahui dari analisis struktur yang dilakukan secara menyeluruh, sebagai satu kesatuan atap utuh. Analisisnya tidak bisa sepotong-potong, yang biasanya dapat diterapkan pada sistem struktur bangunan regular. Oleh sebab itu struktur dome, mulai dari struktur modul dasar sampai membentuk struktur dome secara keseluruhan termasuk kategori struktur rangka ruang (space frame). Jenis ini strukturnya yang memerlukan evaluasi secara menyeluruh, 3D atau ruang.

Dalam mengkategorikan sistem struktur dome stadion di atas, penulis lebih memilih space frame daripada space truss, yang umumnya sering digunakan orang untuk mengidentifikasi struktur rangka dengan pola segitiga. Itu dikarenakan space frame memberi cakupan lebih luas. Jika mengacu Gambar 2 maka tidak ada data detail tentang gaya-gaya internal pada sistem struktur tersebut. Padahal bagi awam istilah space frame dan space truss kadangkala merujuk sistem struktur yang sama, yaitu bila ada pola segitiga dan berorietasi ruang atau 3D. Bagi structural engineer maka itu adalah dua sistem struktur yang berbeda, khususnya pada mekanisme pengalihan gaya internal elemen batangnya. Elemen batang rangka ruang yang hanya menerima gaya aksial (tekan dan tarik) disebut space truss. Jika selain ada gaya aksial, tetapi ada juga momen dan torsi, lebih tepat untuk disebut space frame. Maklum, kata frame dan truss jika diterjemahkan bisa merujuk pada kata yang sama, yaitu rangka batang. Sebagai catatan, kata entri “frame”, “truss” dan “rangka batang” tidak dikenal dalam KBBI (https://kbbi.kemdikbud.go.id). Jadi penjelasan di atas diberikan dalam konteks teknik ini.

Struktur rangka ruang yang disebut space truss biasanya dapat dilihat dari sambungannya, yaitu berupa pin atau sendi. Agar stabil, konfigurasi geometri harus berbentuk pola segitiga. Selain itu penempatan bebannya harus diberikan pada titik nodal agar tidak terjadi momen pada elemen batangnya. Oleh karena elemen batang space truss didesain untuk memikul gaya aksial, maka tentu dipilih sedemikian agar momen lentur akibat berat sendirinya relatif kecil. Pilihan elemen batang space truss yang paling ideal adalah penampang pipa baja.

Dari definisi space truss di atas, banyak ciri-cirinya bisa ditemukan (lihat Gambar 2), tetapi karena sistem sambungannya terlihat menerus (sambungan las kaku), maka dianggap bisa menerima momen. Oleh sebab itu dikategorikan sebagai struktur space frame, merujuk sistem struktur rangka yang berorientasi secara ruang (3D). Sistem ini sambungannya tidak harus pin sehingga gaya-gaya internalnya, tidak sekedar gaya aksial, tetapi juga momen dan torsi. Keunggulannya, konfigurasi struktur lebih bebas, tidak harus membentuk pola segitiga, dan bebannya tidak harus di titik nodal. Untuk struktur space frame, yang geometrinya juga membentuk pola segitiga, maka perilakunya akan mirip struktur space truss, dimana gaya internal elemen akan didominasi oleh gaya aksial. Struktur dengan mekanisme gaya aksial, akan lebih kaku dan relatif lebih efisien (ekonomis).

Sistem struktur atap dome stadion di Singapore, relatif unik. Bagian atas atapnya juga dapat dibuka-tutup sehingga menjadi sistem atap yang istimewa. Saat peresmiannya, atap dome tersebut dianggap yang terbesar di dunia. Karena tidak ada saingannya, maka itu menjadi sesuatu yang baru. Untuk hal seperti ini tentunya tidak bisa sekedar mengandalkan pada pengalaman karena memang belum pernah ada sebelumnya. Sebab itu mestinya ada kajian lain berbasis sain, rekayasa atau teknologi yang relevan, untuk dijadikan acuan, baik untuk tahapan desain maupun saat penyusunan metode konstruksi di lapangan agar strukturnya aman dan berfungsi sesuai rencana. Makalah ini selanjutnya (yang akan ditulis) mencoba mengupas kajian yang dimaksud, secara teoritis dan juga didasarkan pengalaman sistem serupa yang pernah sukses dibuat.

Catatan : intro selesai ! Jadi tulisan selanjutnya adalah mengkaji hal-hal yang perlu diperhatikan atau dipikirkan untuk desain dan konstruksi space frame bentang besar. Kira-kira berikutnya topik apa tulisannya ?