Struktur Rangka Bracing (Braced Frame Structure)

(lanjutan dari Sistem Struktur Bangunan Bertingkat Tinggi)

Rangka bracing adalah sistem struktur yang mencegah goyangan samping yang berlebihan akibat pengaruh beban lateral dengan memberikan elemen struktur baja diagonal (untuk struktur baja) atau dinding/inti geser (untuk struktur beton bertulang). Oleh karena itu, rangka bresing adalah solusi struktural yang efektif untuk menahan beban lateral akibat angin atau gempa pada bangunan dan struktur teknik sipil. Akibatnya, didapatkan stabilitas lateral yang dibutuhkan dalam struktur.

Komponen struktur penstabil dalam rangka bresing biasanya terbuat dari baja struktural, yang dapat sangat efektif dalam menahan gaya tarik dan tekan. Sebagian besar rangka bresing bertingkat dirancang sebagai 'konstruksi sederhana', dengan sambungan pin nominal antara balok dan kolom. Ketahanan gaya horizontal bangunan dalam konstruksi sederhana disediakan oleh sistem bresing atau inti dalam analisis global.

Akibatnya, balok dirancang untuk ditumpu secara sederhana, dan kolom hanya dirancang untuk menahan momen yang disebabkan oleh eksentrisitas minimal pada sambungan balok ke kolom (dalam hubungannya dengan gaya aksial). Akibatnya, tidak perlu mempertimbangkan pembebanan pola saat menghitung gaya desain pada kolom.

Sistem Bracing Pada Struktur

Balok dan kolom di gedung bertingkat biasanya ditempatkan dalam pola ortogonal baik di elevasi maupun denah. Dua sistem bresing ortogonal memberikan ketahanan gaya horizontal pada bangunan rangka bresing antara lain bracing vertikal dan bracing horisontal.

A. Bracing Vertikal

Bracing vertikal (antara garis kolom) menyediakan jalur beban yang membawa gaya horizontal ke permukaan tanah sekaligus memberikan ketahanan yang kaku terhadap goyangan keseluruhan. Bidang bracing vertikal pada bangunan bertingkat dengan rangka breising biasanya disediakan oleh bracing diagonal antara dua baris kolom.

Diagonal tunggal harus dirancang untuk tarik atau tekan, namun diagonal silang dapat digunakan dengan komponen bracing sempit yang tidak menahan tegangan tekan (maka hanya diagonal tarik yang memberikan tahanan). Balok lantai ikut serta sebagai bagian dari sistem bracing saat menggunakan diagonal silang, dan dianggap bahwa hanya diagonal tarik yang menghasilkan tahanan (sehingga dibuat rangka Pratt vertikal, dengan diagonal dalam tarik dan tiang dalam tekan).

Pratt Truss

Bracing vertikal harus dirancang untuk menahan gaya berikut:

a. Kekuatan angin

b. Gaya horizontal ekuivalen, yang menggambarkan efek ketidaksempurnaan awal

c. Efek orde kedua yang diinduksi goyang / sway-induced second order effect (jika frame bersifat fleksibel)

Untuk kombinasi aksi yang tepat, gaya pada batang tertentu dari sistem bracing harus ditentukan. Gaya desain di ULS diantisipasi menjadi yang paling berat untuk member bracing karena kombinasi di mana beban angin adalah aksi yang mendominasi. Anggota bracing yang miring sekitar 45 derajat lebih direkomendasikan bila memungkinkan.

Hal ini menghasilkan sistem yang efisien dengan gaya batang yang rendah dibandingkan dengan konfigurasi lainnya, serta detail sambungan yang ringkas di mana bresing memenuhi sambungan balok/kolom. Sensitivitas goyangan struktur akan ditingkatkan dengan sistem bresing sempit dengan elemen interior yang cenderung curam. Struktur dengan bresing ekstensif akan lebih stabil.

Dalam sebuah bangunan, setidaknya dua bidang bracing vertikal di setiap arah ortogonal harus disediakan untuk menghindari keruntuhan yang tidak proporsional. Seharusnya tidak ada komponen yang cukup besar dari struktur yang dibracing oleh hanya satu bidang bracing dalam arah yang dipelajari. Karena tidak akan ada sistem pengekangan lain dalam arah itu jika kegagalan lokal terjadi pada salah satu bagiannya.

Untuk melihat efek bracing, perhatikan rangka tanpa bracing yang dibebani seperti gambar dibawah

Ketiika beban diterapkan, defleksi pada struktur ditunjukkan seperti berikut:

Berikut jenis dari Vertikal Bracing dan Efeknya

a. Penahan Diagonal Tunggal

Bracing diagonal tunggal dianggap efektif dalam menahan beban lateral. Bracing dibentuk dengan memasukkan batang diagonal tunggal ke bingkai (trussing). Ketika beban lateral diterapkan pada rangka bracing, bracing diagonal mengalami tekan sedangkan badan horizontal bertindak sebagai elemen tarik aksial untuk menjaga struktur rangka dalam keseimbangan.

Pengenalan bracing diagonal tunggal mengurangi perpindahan lateral rangka sebesar 99,34%. Dalam hal ini, kolom di sisi kiri dan diagonal dari rangka bracing berada dalam gaya tarik, sedangkan kolom horizontal balok dan kolom di sebelah kanan berada dalam gaya tekan aksial.

b. Cross Bracing (Rangka X-Braced)

Dalam rangka bracing silang, dua batang diagonal saling bersilangan untuk membentuk bentuk-X. Cara ini hanya perlu tahan tegangan, dengan satu penjepit yang berfungsi pada satu waktu untuk menahan pembebanan lateral, tergantung pada arah pembebanan. Oleh karena itu, kabel baja dapat digunakan untuk penyangga silang. Kinerja bracing tarik dalam desain bracing diagonal tunggal dan bracing X bergantung pada kekakuan, ketahanan dan daktilitas.

Ketika bracing silang diterapkan pada rangka, defleksi ditunjukkan pada dibawah:

Hasil penelitian menunjukkan bahwa rangka bracing x lebih efisien daripada bracing silang diagonal tunggal dalam mengurangi perpindahan lateral struktur. Namun, hal ini biasanya datang dengan mengorbankan biaya tambahan, dan peningkatan pembengkokan balok horizontal. Dari perilaku struktur terlihat bahwa salah satu bracing mengalami tarik, sedangkan bracing lainnya mengalami tekan (tergantung arah beban).

c. V-Bracing (Chevron Bracing)

Bracing chevron dibentuk dengan memasukkan penyangga berbentuk v ke dalam bingkai. Chevron bracing dikenal karena kekakuan dan kekuatan elastisnya yang tinggi. Tidak seperti cross-bracing, chevron bracing juga efektif dalam meningkatkan fungsionalitas arsitektural. Ini diperlukan untuk mengatur jendela dan pintu masuk di brace bay.

Namun, di bawah pengaruh beban lateral, gaya yang tidak merata terbentuk pada breis. Hal ini karena bracing kompresi akan berubah bentuk sedangkan bracing tarik akan tetap pada tempatnya untuk mempertahankan gaya tarik selama pembebanan lateral.

Akiba beban gempa, brace tarik dan tekan memiliki pengaruh besar pada gaya terdistribusi yang tidak seimbang, yang dapat menyebabkan defleksi elastis dari rangka bracing. Sebagai akibat dari deformasi brace, seluruh kerangka brace berkinerja buruk. Ini berarti bahwa pada setiap tingkat rongga bracing, satu bracing menahan tegangan sementara bracing lainnya menahan kompresi. Sebelum titik tekuk, keduanya mendistribusikan tegangan lateral secara merata dalam rentang elastis.

Di sisi lain, bracing tarik mempertahankan tegangannya setelah tekuk, tetapi bracing kompresi kehilangan semua kapasitas beban aksialnya. Hal ini berkontribusi pada beban lateral terdistribusi yang tidak seimbang dan menghasilkan momen lentur yang signifikan pada persimpangan balok-brace. Akibatnya, balok bentang tengah mengembangkan engsel plastis dan runtuh karena ketidakmampuannya menahan tekanan ke bawah.

Defleksi rangka di bawah beban lateral ditunjukkan pada gambar dibawah ini:

Kesimpulan Vertikal Bracing

Frame Type	Lateral Displacement (mm)
Unbraced frame	1111.635 mm
Single diagonal bracing	7.313 mm
Cross Bracing (X-bracing)	4.648 mm
C-bracing (Chevron Bracing)	4.732 mm

B. Bracing Horizontal

Pada setiap tingkat lantai, bracing horizontal (biasanya dipengaruhi oleh aksi pelat lantai) memberikan rute beban untuk gaya horizontal (kebanyakan dari kolom perimeter karena tekanan angin pada cladding) untuk ditransfer ke bidang bracing vertikal.

Pada setiap tingkat lantai, sistem bracing horizontal diperlukan untuk mentransfer gaya horizontal (kebanyakan yang ditransfer dari ujung kolom perimeter) ke bidang bracing vertikal yang memberikan ketahanan terhadap gaya horizontal. Dalam rangka bracing bertingkat, ada dua jenis sistem bracing horizontal:

a. Diafragma

b. Penyangga triangulasi diskrit

Dalam kebanyakan kasus, sistem lantai akan beroperasi sebagai diafragma tanpa memerlukan penyangga baja tambahan. Jika tidak ada pelat pada tingkat atap, bracing, juga dikenal sebagai gelagar angin, mungkin diperlukan untuk memikul gaya horizontal di bagian atas kolom.

Jika sistem bracing horizontal pada setiap tingkat lantai relatif kaku (seperti ketika lantai bertindak sebagai diafragma), gaya yang dibawa oleh masing-masing bidang bracing vertikal ditentukan oleh kekakuan dan penempatan relatifnya, serta lokasi pusat tekanan gaya horizontal.

Berikut jenis dari Horizontal Bracing

a. Diagframa Horizontal

Bekisting permanen, seperti decking logam yang dihubungkan ke balok dengan pengelasan stud through-deck, dan pengisi beton in-situ, memberikan diafragma kaku yang efektif untuk mentransfer gaya horizontal ke sistem bracing. Jika papan beton pracetak beroperasi sebagai diafragma, pertimbangan harus diberikan untuk memastikan transfer gaya yang efektif.

Papan baja dapat memiliki koefisien gesekan serendah 0,1, dan bahkan lebih rendah jika baja dicat. Ini akan memungkinkan pelat untuk meluncur di atas baja dan bergerak relatif satu sama lain. Grouting di antara pelat hanya akan menyelesaikan sebagian masalah; untuk geser yang signifikan, sistem pengikatan yang lebih positif antara pelat dan dari pelat ke pekerjaan baja akan diperlukan.

Penguatan di topping dapat digunakan untuk menghubungkan papan. Hal ini bisa berupa jaring (mesh) atau ikatan (ties) yang membentang di kedua ujung deretan papan untuk memastikan seluruh panel berfungsi sebagai satu kesatuan. Dalam kebanyakan kasus, batang 10 mm pada setengah kedalaman topping sudah cukup.

Salah satu dari dua pendekatan dapat digunakan untuk menyambung ke baja:

• Memberikan ikatan antara topping dan topping in-situ ke baja (dikenal sebagai 'strip tepi / edge strip').
• Menutup pelat dengan rangka baja (pada sudut rak, atau batasan yang diberikan secara khusus) dan isi celah dengan beton. Sambungan geser harus dipasang pada balok baja untuk mentransfer gaya antara strip tepi in-situ dan baja.

Kapasitas sambungan harus diverifikasi jika gaya diafragma rencana ditransfer ke baja dengan bantalan langsung (biasanya pelat dipikul di muka kolom). Kapasitas papan sering dibatasi oleh penghancuran lokal. Dalam setiap skenario, beton in-situ harus digunakan untuk mengisi celah antara papan dan baja.

Tanpa perlindungan tambahan, lantai kayu dan lantai yang terbuat dari balok tee terbalik beton pracetak dan blok pengisi (sering disebut sebagai lantai "balok dan pot") tidak dianggap sebagai diafragma yang sesuai.

b. Penyangga Triangulasi Diskrit

Sistem horizontal bracing baja triangulasi diindikasikan ketika aksi diafragma tidak dapat diandalkan. Di setiap arah ortogonal, sistem bracing horizontal mungkin diperlukan. Sistem bracing horizontal sering terbentang di antara 'penopang', yang merupakan posisi bracing vertikal. Konfigurasi ini sering menghasilkan truss yang membentang di seluruh lebar struktur dan memiliki kedalaman yang sama dengan pusat teluk. Warren Truss, Pratt Truss, dan batang crosssing adalah penguat lantai yang umum.