Sistem Struktur Bangunan Bertingkat Tinggi

Sistem-sistem struktur pada bangunan merupakan inti kekokohannya bangunan diatas permukaan tanah. Sistem struktur ini berfungsi menahan dan menyalurkan beban gaya horizontal dan vertikal secara merata pada sistem-sistem struktur inti dan struktur pendukung, sehingga bangunan dapat memikul beban horizontal dan vertikal maupun gaya lateral.

Berikut adalah jenis struktur yang biasa digunakan pada bangunan tinggi:

1. Sistem Struktur Rangka Bertulang dengan Bracing

(Braced Frame Structural System)

Braces frame adalah rangka vertikal yang menahan gaya lateral membentuk diagonal yang bersama-sama dengan girder, membentuk "web" dari rangka vertikal, dengan kolom bertindak sebagai "chords". Struktur bracing menghilangkan lentur di balok dan kolom. Biasanya struktur ini digunakan dalam konstruksi baja. Sistem ini cocok untuk bangunan bertingkat dalam kisaran ketinggian rendah hingga pertengahan. Struktur ini cukup efisien dan ekonomis untuk meningkatkan kekakuan dan ketahanan lateral sistem rangka kaku. Sistem ini memungkinkan penggunaan struktur ramping pada gedung. 

Keuntungan luar biasa dari bingkai atau bracing yang diperkuat ini adalah, struktur dapat berulang-ulang sampai ketinggian bangunan tertentu supaya bernilai ekonomi yang jelas dalam desain dan fabrikasi. Perlu pertimbangan karena mungkin struktur tipe ini menghalangi perencanaan internal dan lokasi pintu dan jendela. Itulah mengapa itu harus dimasukkan secara internal bersama dengan garis dinding dan partisi.

(untuk penjelasan lebih lanjut tentang Braced Frame Structures, dapat dilihat di sini)

2. Sistem Struktur Dinding Pendukung Sejajar / Sistem Rangka Dinding Ganda

(Parallel Bearing Walls/ Wall Frame Dual System)

Sistem ini terdiri dari unsur bidang vetikal yang di perkuat dengan berat dinding itu sendiri, sehingga mampu menahan gaya aksial lateral secara efisien. Sistem struktur dinding sejajar ini digunakan pada bangunan-bangunan apartemen yang tidak membutuhkan ruang bebas yang luas dan sistem-sistem mekanisnya tidak memerlukan struktur inti.

Dinding biasanya padat (tidak berlubang oleh bukaan) dan dapat ditemukan di sekitar tangga, lubang lift, dan / atau di perimeter bangunan. Dinding memiliki efek positif pada kinerja frame seperti mencegah keruntuhan lantai yang lemah.

Sistem rangka tembok cocok untuk bangunan dengan jumlah lantai berkisar dari 40-60 lantai yang lebih besar daripada frame geser atau kaku secara terpisah. Rangka penguat dan rangka baja kaku memberikan keuntungan serupa dari interaksi horizontal.

3. Sistem Dinding Geser 

(Shear Wall System)

Ini adalah dinding vertikal kontinu yang dibangun dari beton bertulang atau dinding pasangan bata. Dinding geser menahan beban gravitasi dan lateral, dan berfungsi sebagai balok kantilever dalam yang sempit. Umumnya, dibangun sebagai inti bangunan

Sistem ini sangat cocok untuk menguatkan bangunan tinggi baik beton bertulang atau struktur baja  karena dinding geser memiliki kekakuan dan kekuatan bidang yang besar.

Sistem dinding geser cocok untuk bangunan hotel dan perumahan di mana perencanaan lantai demi lantai memungkinkan dinding menjadi kontinu secara vertikal. Sistem ini dapat berfungsi sebagai isolator akustik dan api yang sangat baik antara kamar dan apartemen. Sistem struktur dinding geser dapat ekonomis hingga struktur bangunan 35 lantai. Dinding geser tidak perlu simetris dalam rencana, tetapi simetri lebih disukai untuk menghindari efek puntir.

4. Sistem Dinding Berpasangan

(Coupled Wall System)

Sistem ini terdiri dari dua atau lebih dinding geser yang saling berhubungan. Dinding geser terhubung pada lantai dengan balok atau lembaran kaku. Kekakuan keseluruhan sistem jauh lebih besar daripada komponennya. Efek dari struktur sambungan yang tahan geser adalah menyebabkan set dinding berperilaku sebagai cantilever komposit namun hanya sebagian, membengkok di sekitar sumbu centroidal umum dari dinding. Sistem ini cocok untuk bangunan dengan ketinggian hingga 40 lantai. Karena dinding geser planer mendukung beban di planer saja, dinding dalam dua arah ortogonal harus menahan beban lateral dalam dua arah.

5. Sistem Struktur Inti dan Dinding Pendukung 

(Core and Bearing Walls System)

Sistem ini berupa bidang vertikal yang membentuk dinding luar dan mengelilingi sebuah struktur inti. Hal ini memungkinkan ruang interior terbuka yang bergantung pada kemampuan bentangan dari struktur lantai. Sistem ini memuat sistem-sistem transportasi mekanis vertikal serta menambah kekakuan bangunan.

6. Sistem Struktur Gedung Bertingkat Core and Outrigger

(Core and Outrigger Structural System)

Outrigger adalah struktur horizontal kaku yang dirancang untuk meningkatkan kekakuan dan kekuatan dengan cara menghubungkan inti atau tulang belakang dengan kolom luar yang berjarak dekat. Inti pusat mengandung dinding geser atau bingkai yang diperkuat. Sistem outrigger berfungsi mengikat bersamaan dua sistem struktural (sistem inti dan sistem perimeter), dan membuat bangunan berperilaku hampir seperti kantilever komposit.

Outriggers berupa dinding dalam bangunan beton bertulang dan rangka baja. Sistem outrigger multilevel dapat menyediakan hingga lima kali resistansi/ketahanan saat dari satu sistem outrigger. Secara praktis, sistem Outrigger digunakan untuk bangunan hingga 70 lantai bahkan dapat digunakan untuk bangunan yang lebih tinggi. Tidak hanya sistem outrigger yang menurunkan deformasi bangunan yang dihasilkan dari momen-momen menjungkirbalikkan tetapi juga efisiensi yang lebih besar dicapai dalam melawan gaya.

(penjelasan sistem outrigger dapat dilihat disini)

7. Sistem Struktur Box Berdiri Sendiri

(Self Supporting Boxes)

Sistem ini merupakan unit tiga dimensi prefabrikasi yang menyerupai bangunan dinding pendukung yang diletakan di suatu tempat dan di gabung dengan unit lainnya. Sebagai contoh boks-boks ini di tumpuk seperti bata dengan pola "English Bond" sehingga tersusun seperti balok dinding berselang-seling.

8. Sistem Struktur Rangka yang Telah Diisi

(Infilled Frame Structural System)

Sistem struktur rangka yang diisi terdiri dari kerangka balok dan kolom yang sebagian dari ‘teluknya’ diisi dengan pasangan bata, beton bertulang atau dinding blok. Dinding pengisi dapat menjadi bagian-tinggi atau sepenuhnya mengisi bingkai. Dinding mungkin atau mungkin tidak terhubung ke bekisting.

Sistem ini bagus dalam kekakuan dan kekuatan dinding untuk mencegah pembengkokan balok dan kolom di bawah beban horizontal. Akibatnya, kinerja struktural frame akan meningkat.

Selama gempa bumi, struts kompresi diagonal terbentuk di infill sehingga struktur berperilaku lebih seperti Braced Frame daripada Frame Moment. Sistem ini dapat digunakan untuk membangun hingga gedung tinggi 30 lantai.

9. Sistem Struktur Plat Kantilever 

(Cantilever Slab)

Pemikulan plat lantai dari sebuah inti pusat akan memungkinkan ruang bebas kolom yang batas kekuatan platnya adalah batas besar ukuran bangunan. Sistem ini memerlukan banyak besi, terutama apabila proyeksi pelat sangat besar. Kekakuan plat dapat di tingkatkan dengan menggunakan teknik-teknik pratekan.

10. Sistem Struktur Plat Datar

(Flat Slab Structural System)

Slab datar adalah sistem struktur dua arah yang diperkuat yang mencakup panel jatuh atau kolom utama di kolom untuk menahan beban yang lebih berat dan dengan demikian memungkinkan rentang yang lebih panjang.

Sistem ini terdiri dari bidang horizontal yang umumnya adalah plat lantai beton tebal dan rata yang bertumpu pada kolom. Apabila tidak terdapat penebalan plat pada bagian atas kolom, maka sistem ini dikatakan sistem plat rata. Pada kedua sistem ini tidak terdapat balok yang dalam (deep beam) sehingga tinggi lantai bisa minimum.

Resistensi lateral tergantung pada kekakuan lentur komponen dan koneksinya dengan pelat yang terkait dengan gelagar kerangka kaku. Sistem ini cocok untuk membangun hingga 25 lantai.

11. Sistem Struktur Interspasial

(Interspatial Structural System)

Sistem struktur rangka tinggi selantai yang terkantilever diterapkan pada setiap lantai antara untuk memungkinkan ruang fleksibel di dalam dan di atas rangka. Ruangan yang berada di dalam lantai rangka di atasnya dapat di gunakan sebagai wadah untuk kegiatan aktivitas lainya.

12. Sistem Struktur Gantung 

(Suspended System)

Sistem ini dapat memungkinkan penggunaan beban secara efisien dengan menggunakan penggantungan sebagai pengganti kolom untuk memikul beban lantai. Kekuatan unsur tekan pada sistem ini harus dikurangi sebab adanya bahaya tekuk, berbeda dengan unsur tarik yang dapat mendaya gunakan kemampuan secara maksimal. Kabel-kabel ini dapat meneruskan beban gravitasi ke rangka di bagian atas yang terkantilever dari inti pusat.

13. Sistem Struktur Rangka Selang - Seling 

(Staggered Truss System)

Rangka tinggi yang disusun sedemikian lantai rupa sehinga pada setiap lantai bangunan dapat menumpangkan beban di bagian atas suatu rangka begitupun di bagian bawah rangka di atasnya. Selain memikul beban vertikal, susunan rangka ini akan mengurangi tuntutan kebutuhan ikatan angin dengan cara mengarahkan beban angin ke dasar bangunan melalui struktur balok-balok dan plat lantai.

14. Sistem Struktur Rangka Kaku 

(Rigid Frame Structural System)

Sistem struktur ini terdiri dari kolom dan balok yang bekerja saling mengikat satu dengan yang lainnya  untuk menahan momen yang dikenakan karena beban. Kolom sebagai unsur vertikal yang bertugas menerima beban dan gaya, sedangkan balok sebagai unsur horizontal media pembagi beban dan gaya. Kekakuan lateral dari kerangka kaku tergantung pada kekakuan lentur dari kolom, girder dan koneksi di dalam perencanaannya.

Sistem ini biasanya berbentuk pola grid persegi, organisasi grid serupa juga di gunakan untuk bidang horizontal yang terdiri atas balok dan gelagar. Sangat cocok untuk bangunan beton bertulang. Sistem ini dapat digunakan dalam konstruksi baja juga, tetapi koneksinya/sambungannya akan mahal.

Salah satu keuntungan dari bingkai kaku adalah kemungkinan perencanaan dan pemasangan jendela karena pengaturan persegi panjang terbuka. Dengan keterpaduan rangka spasial yang bergantung pada kekuatan kolom dan balok, maka tinggi lantai ke lantai dan jarak antara kolom penentu menjadi pertimbangan rancangan.  Ketinggian lantai 20 hingga 25 bangunan bertingkat dapat dibangun menggunakan sistem rangka kaku.

Keuntungan dari kerangka kaku termasuk kemudahan konstruksi, pekerja dapat mempelajari keterampilan konstruksi dengan mudah, membangun dengan cepat dan dapat dirancang secara ekonomis. Bentang balok maksimum biasanya adalah 12.2m dan balok bentang yang lebih besar akan mengalami defleksi lateral. Kerugian sistem ini adalah bahwa self-weight/berat sendiri ditentang oleh aksi dari frame yang kaku.

15. Sistem Struktur Rangka Kaku dan Inti 

(Rigid Frame and Core System)

Rangka kaku akan bereaksi terhadap beban lateral. Terutama melalui lentur balok dan kolom. Perilaku demikian berakibat ayunan (drift) lateral yang besar sehingga pada bangunan dengan ketinggian tertentu. Akan tetapi apabila di lengkapi dengan struktur inti, maka ketahanan lateral bangunan akan sangat meningkat karena interaksi inti dan rangka. Sistem inti ini memuat sistem - sistem mekanis dan transportasi vertikal.

16. Sistem Struktur Rangka Belt-Trussed dan Inti 

(Belt-Trussed Frame and Core System)

Sistem struktur belt-trussed bekerja mengikat kolom fasade ke inti bangunan sehingga meniadakan aksi terpisah rangka dan inti pengakuan ini dinamai "cap trussing" apabila berada pada bagian atas bangunan, dan dinamai "belt-trussed" apabila berada di bagian bawahnya.

17. Sistem Struktural Tabung

(Tube Structural System)

Sistem ini terdiri dari kolom eksterior dan balok yang menciptakan bingkai kaku dan bagian interior sistem yang merupakan bingkai sederhana yang dirancang untuk mendukung beban gravitasi. Bangunan ini berfungsi seperti tabung hampa yang setara.

Secara substansial ekonomi, hanya membutuhkan setengah dari material yang diperlukan dibandingkan pembangunan bangunan rangka biasa. Beban lateral ditentang oleh berbagai koneksi, kaku atau semi kaku, disuplementasi bila diperlukan oleh elemen bracing dan truss. Sistem ini digunakan untuk pembangunan gedung hingga 60 lantai.

Jenis sistem struktur tabung termasuk: 

a. Sistem Rangka Tabung (Framed Tube Structure System)

b. Sistem Tabung Trussed (Trussed Tube System)

Sistem tabung trussed terbentuk ketika bracing eksternal ditambahkan untuk membuat struktur lebih kaku. Tipe struktur ini cocok untuk membangun hingga 100 lantai.

c. Sistem Tabung Terbungkus (Bundled Tube Structure System)

Sistem tabung terbungkus terdiri dari tabung terhubung yang dapat menahan beban besar.

d. Sistem Tabung dalam Tabung (Tube in a Tube System)

Sebuah sistem tabung dalam tabung (hull core) diperoleh, jika inti ditempatkan di dalam struktur rangka tabung.

18. Sistem Struktur Tabung dalam Tabung 

(Tube in Tube Structural System)

Dalam struktur ini, kolom dan balok eksterior di tempatkan sedemikian rapat sehingga fasade menyerupai dinding yang diberi pelubangan (untuk jendela). Seluruh bangunan berlaku sebagai tabung kosong yang terkantilever dari tanah. Inti interior (tabung) dapat meningkatkan kekakuan bangunan dengan cara ikut memikul beban bersama kolom-kolom fasade tersebut.

19. Sistem Struktural Hybrid 

(Hybrid Structural System)

Ini adalah kombinasi dari dua atau lebih bentuk struktural dasar baik dengan kombinasi langsung atau dengan mengadopsi bentuk yang berbeda di berbagai bagian struktur. Kurangnya kekakuan torsional mengharuskan tindakan tambahan diambil, yang menghasilkan one bay bracing eksterior vertikal dan sejumlah tingkat perimeter vierendeel "perban". Ini dapat digunakan untuk bangunan setinggi 300 m. Menurut kode chines (JGJ3-2002), sistem hybrid dapat digunakan untuk konstruksi bangunan dengan ketinggian maksimum 150m di daerah seismik.