PENGGUNAAN STRUKTUR ATAP MEMBRAN PADA BANGUNAN BENTANG LEBAR Eric Willyanto Jurusan Arsitektur, Fakultas Teknik, Universitas Tarumanagara, Jakarta Jl. Letjen S. Parman no. 1, Jakarta Barat 11440. Email: eric_dew@yahoo.com ABSTRAK Membran adalah suatu struktur permukaan fleksibel tipis yang memikul beban terutama melalui proses tegangan tarik. Struktur membran cenderung dapat menyesuaikan diri dengan cara struktur tersebut dibebani. Struktur membran merupakan salah satu alternatif yang banyak digunakan dalam bangunan bentang lebar, terutama berfungsi sebagai penutup atap. Struktur membran sangat peka terhadap efek aerodinamika dari angin. Efek angin menyebabkan terjadinya getaran. Dengan demikian, membran yang digunakan pada gedung harus distabilkan dengan cara tertentu, hingga bentuknya dapat tetap dipertahankan pada saat memikul berbagai kondisi pembebanan. Akibat dari karakteristiknya yang tidak kaku dan kepekaannya terhadap angin, maka struktur membran biasanya tidak dapat berdiri sendiri. Pada praktiknya dalam bangunan bentang lebar, membran banyak digunakan berdampingan dengan struktur kabel dan space frame sehingga menjadi lebih kuat terhadap guncangan. Struktur membran memiliki berbagai jenis dilihat dari tipe kelengkungan permukaan dan sistem pengakunya. Jenis-jenis tersebut berpengaruh terhadap bangunan yang akan dibentuk sehingga perlu diperhatikan bentuk dan sistem pengaku apa yang seharusnya dipilih dalam pengaplikasiannya pada bangunan bentang lebar. Material membran yang digunakan untuk membentuk struktur membran pun bermacam-macam, semua memiliki ciri khasnya masing-masing yang harus disesuaikan dengan fungsi. Perkembangan teknologi pun mengakibatkan material membran menjadi kian beragam dan semakin kuat digunakan sebagai struktur bangunan. Kata kunci: struktur, membran, material, bentang lebar, atap 1. Pendahuluan Bangunan bentang lebar adalah bangunan yang memungkinkan pemakaian ruang bebas kolom yang selebar dan sepanjang mungkin. Menurut tingkat kerumitan strukturnya, terdapat dua macam bangunan bentang lebar yaitu bangunan sederhana dan bangunan kompleks. Bangunan bentang lebar sederhana dibuat berdasarkan teori dasar tanpa pengembangan apapun. Sementara itu, pendirian bangunan bentang lebar kompleks dilakukan melalui modifikasi dari teori awal dan penggabungan beberapa sistem struktur bentang lebar. Fungsi utama dari pendirian struktur bangunan bentang lebar ialah menciptakan ruangan bebas kolom yang cukup luas. Dengan tidak adanya tiang-tiang kolom, suatu ruangan akan terasa lebih lapang dan bebas. Biasanya aplikasi struktur bangunan ini banyak diterapkan di gedung stadion, gedung teater, gedung auditorium, gedung exhibition, dan gedung pameran.
Struktur membran merupakan salah satu bentuk struktur yang sering dipakai dalam bangunan bentang lebar. Membran dapat kita jumpai pada bangunan stadion, gedung konser, dan lain-lain. Struktur ini memiliki kelebihan dari segi estetika, sehingga struktur membran seringkali diekspos bisa terlihat dari sisi eksterior, sehingga struktur tersebut menjadi suatu daya tarik dan aksen dari suatu bangunan bentang lebar. Karena itulah tenda lebih banyak digunakan sebagai struktur sementara, bukan sebagai struktur permanen. Menstabilkan membran dengan menggunakan tekanan internal dapat dilakukan apabila membran mempunyai volume tertutup. Kelompok membran demikian biasa disebut strutur pneumatis, sebutan yang sesuai dengan cara struktur mendapat kestabilan. 2. Struktur Membran Membran adalah suatu struktur permukaan fleksibel tipis yang memikul beban terutama melalui poses tegangan tarik. Struktur membran cenderung dapat menyesuaikan diri dengan cara struktur tersebut dibebani. Struktur membran sangat peka terhadap efek aerodinamika dari angin. Efek angin menyebabkan terjadinya fluttering (getaran). Dengan demikian, membran yang digunakan pada gedung harus distabilkan dengan cara tertentu, hingga bentuknya dapat tetap dipertahankan pada saat memikul berbagai kondisi pembebanan (Schodek, 1980). Ada beberapa cara dasar untuk menstabilkan membran. Rangka penumpu dalam kaku misalnya dapat digunakan. Penstabilan dapat dilakukan dengan menggunakan prategang pada permukaan membran. Hal tersebut dapat dilakukan baik dengan memberikan gaya eksternal yang menarik membran maupun dengan menggunakan tekanan internal apabila membrannya berbentuk volume tertutup (pneumatic). Contoh pemberian prategang yang menggunakan gaya eksternal adalah struktur tenda. Akan tetapi ada pula tenda yang tidak mempunyai permukaan yang benar-benar ditarik oleh kabel sehingga dapat bergerak apabila dibebani. Sekalipun dapat memikul beban angin normal, misalnya banyak permukaaan tenda yang dapat bergetar sebagai akibat dari efek aerodinamika dari angin kencang. 2.1 Tipe Kelengkungan Permukaan Struktur Membran Berdasarkan bentuk kelengkungannya, struktur membran dibagi menjadi 2 jenis, yaitu bentuk anticlastic dan synclastic. a. Anticlastic / negative surface curvature. Bentuk ini memiliki kelengkungan 2 arah yang berlawanan, sehingga bentuk tenda yang dihasilkan menjadi cekung. Bentuk yang umum digunakan adalah bentuk hyperbolic paraboloid, kerucut, dan bentuk lengkung. Gambar 1: Bentuk membran anticlastic, hyperbolic paraboloid dan kerucut. b. Synclastic / positive surface curvature. Bentuk yang memiliki 2 arah kelengkungan yang searah, sehingga bentuk yang dihasilkan menjadi cembung. Gambar 2: Bentuk membran synclastic.
2.2 Tipe Sistem Pengaku Struktur Membran Berdasarkan sistem pengakunya, struktur membran terbagi menjadi 2, mechanically prestressed dan pneumatically prestressed. a. Mechanically prestressed. Dalam tipe ini terdapat tiga konsep bentuk dasar dari struktur membran, yaitu: Saddle Shapes, Ridge - Valley Shapes dan Point-supported Shapes. Saddle Shapes. Saddle Shapes terbentuk ketika tepian membran terhubung ke poin pendukung yang tinggi dan rendah secara bergantian. Pada bentuk ini tepian membran berupa kabel (cable edges). Saddle shapes juga dapat terbentuk ketika salah satu tepian membran didukung oleh elemen melengkung yang kaku. Point supported shapes. Bentuk ini adalah bentuk tenda pada umumnya, memiliki 1 titik puncak, atau dapat juga berbentuk tenda terbalik (memiliki 1 titik rendah). Strategi untuk mendukung titik puncak dan rendah bervariasi. Titik rendah dapat dihubungkan langsung ke pondasi. Titik puncak dapat digantung dari tiang-tiang penyangga yang ditempatkan di tengah, melalui cincin yang ditarik sehingga akan lebih mengakukan membran. Gambar 5: Struktur membran berbentuk kerucut, tergolong dalam jenis point supported shapes yang memiliki 1 titik puncak. Gambar 3: Bentuk dasar saddle shapes. Ridge and Valley Shapes. Bentuk ini didukung oleh kabel yang disusun secara pararel atau radial pada puncak dan lembahnya. Kabel puncak ditarik ke bawah oleh membran. Kabel pada lembah berfungsi sebagai penahan gaya angin. Kabel ini juga dapat diganti dengan elemen kaku tanpa merubah bentuk geometri dari membran. Gambar 4: Macam-macam bentuk ridge and valley shapes. b. Pneumatically prestressed. Pada jenis struktur pnemumatik, membran memperoleh tegangan permukaan melalui tekanan udara, sehingga dapat termasuk ke dalam struktur membran yang dapat berdiri sendiri. Tetapi pada jenis struktur ini, memungkinkan diberi penguatan dengan penulangan. Pada Pneumatic, gaya tarik terjadi karena adanya perbedaan tekanan udara di dalam struktur pneumatic dengan tekanan udara diluar struktur. Pneumatic Structure dibagi dalam dua kelompok besar yaitu Air Supported Structure dan Air-Inflated Structure. Struktur yang ditumpu udara (Air Supported Structure) terdiri atas satu membran (menutup ruang yang berguna secara fungsional) yang ditumpu oleh perbedaan tekanan internal kecil. Dengan demikian, volume internal udara dalam gedung ini mempunyai tekanan lebih besar dari pada tekanan udara biasa.
Gambar 6: Air Supported Structure. (Schodek: 1980). Struktur yang digelembungkan udara (Air-Inflated Structure) ditumpu oleh kandungan udara bertekanan yang menggelembungkan elemenelemen gedung. Volume internal udara gedung tetap sebesar tekanan udara. Gambar 7: Air-Inflated Structure. (Schodek: 1980). Namun secara praktik di lapangan, struktur membran dengan pendekatan pneumatik jarang digunakan karena mudah terjadi kebocoran. Ketika terjadi kebocoran membran, maka tekanan udara akan menurun, yang menyebabkan struktur atap tidak berfungsi sebagaimana mestinya. Kelemahan lain yakni rentannya struktur terhadap terjadinya kebakaran. Bahan pelapis yang dipakai merupakan bahan yang memiliki titik lebur rendah sehingga mudah terbakar. 3. Material Ada beberpa faktor yang harus diperhitungkan dalam memilih material struktur membran yang akan digunakan, faktor tersebut antara lain: anggaran, jangka waktu, fungsi bangunan, faktor kebakaran, persyaratan pencahayaan dan estetika. Terdapat 4 jenis material yang sering digunakan dalam penerapan struktur membran pada bangunan bentang lebar modern, yaitu: a. PVC Coated Polyester. Material ini mudah ditangani dan dilas dengan menggunakan las frekuensi tinggi. Para insinyur proyek biasanya menentukan jenis membran setelah melakukan analisis bentuk. Ada beberapa jenis PVC diklasifikasikan menurut lapisan permukaan, yaitu: Acrylic - Biasanya digunakan jika kain yang diinginkan berwarna. Jenis kain ini tidak memiliki kemampuan untuk membersihkan diri dan usia pemakaian yang lebih pendek dibandingkan dengan PVDF atau PTFE. Akrilik yang dilapis dapat dilas secara konvensional tanpa perawatan permukaan. PVDF (Polyvinyl DeneFlouride) - Lapisan ini memiliki sifat yang sangat baik dan memiliki kemampuan untuk pemakaian jangka panjang. Bahan ini juga memiliki kemampuan untuk membersihkan diri dan melindungi PVC dan poliester. Tipe kain ini memiliki kemampuan antiwick. Wicking adalah masalah internal di mana air mengalir sepanjang garis benang kain menyebabkan perubahan warna dari kain dan memungkinkan terjadinya delaminasi. Gambar 8: Membran tipe PVC. b. PTFE Coated Fiberglass. PTFE (Polytetrafluoroethylene) menawarkan sifat membersihkan diri yang tinggi, ketahanan api dan masa pemakaian melebihi dua puluh lima tahun. PTFE yang dilapisi fiberglass sangat mahal tetapi kompetitif dengan kaca. Masalah utama dengan PTFE adalah bahwa ia memerlukan penanganan yang sangat hati-hati selama fase konstruksi.
Instalasi PTFE yang dilapisi fiberglass membutuhkan perawatan lebih banyak dan detail yang lebih kompleks daripada PVC dilapisi kain poliester. Kain ini tidak dapat dilas dengan peralatan frekuensi tinggi konvensional tetapi menggunakan besi khusus. Sifat khusus dari PTFE memungkinkan untuk dilas dan unwelded menggunakan mesin yang sama. Hal ini memungkinkan panel yang rusak untuk diperbaiki di tempat. tetra-fluoro-ethylena. Karena kehalusan nya, membran ETFE jauh lebih transparan (tranparancy tingkat 90%) dibandingkan dengan jenis membran lainnya sehingga dalam batas tertentu dapat menggantikan kaca sebagai bahan atap transparan. Tipe membran ini biasanya tidak digunakan untuk struktur membran pratarik tetapi lebih digunakan sebagai penutup atap (nonstruktural) atau struktur pneumatic. Gambar 9: Membran Tipe PTFE. c. ETFE (ethylene-tetra-fluoro-ethylene). ETFE membran jenis terdiri dari lapisan tipis etilena - d. eptfe. eptfe merupakan pengembangan material membran PTFE. eptfe ini lebih fleksibel dan memiliki perilaku yang lebih baik dari bahan membran lainnya dan lebih transparan daripada membran PTFE biasa (tingkat tranparancy 40%). Selain itu, material ini mungkin untuk didaur ulang sehingga dapat dilirik sebagai bahan dengan tingkat keberlanjutan yang tinggi. 4. Studi Kasus: Laboratories for M&G Ricerche, Venafro, Italia. Gambar 10 & 11: Tampilan eksterior M&G Ricerche. Lokasi : Venafro, Italia. Tahun : 1992 Arsitek : Samyn et Associes. Fasilitas riset kimia untuk M&G Ricerche, yang dirancang oleh arsitek Belgia, Philippe Samyn, selesai dibangun di Venafro, Italia pada tahun 1992. Bangunan ini menggunakan selubung membran satu lapis untuk menggabungkan program kantor, laboratorium, dan ruang penelitian, dimana riset untuk grup Sinco berlangsung.
Beton konvensional dan konstruksi blockwork digunakan untu membentuk sekat-sekat pemisah di dalam selubung membran. Di dalam struktur ini, terdapat fasilitas yang terbagi-bagi yang membutuhkan tingkat pengawasan yang berbeda. Keputusan untuk menutupi semua fasilitas dengan struktur membran dapat mengurangi periode pembangunan sampai 10 bulan, dan menghasilkan lingkungan interior yang baik dengan biaya rendah. Struktur Atap. Supaya volume bangunan dapat digunakan dengan maksimal, PVC coated polyester putih ditopang oleh enam rangka lengkung baja. Baja tabung tiga dimensi ini dijajarkan secara melintang oleh kabel baja pre-stressed, yang terhubung ke piramida baja terbalik di bagian bawah rangka baja. Rangka-rangka lengkung ini memiliki ketinggian yang bervariasi, dengan ketinggian 16 meter pada bagian tengahnya. Struktur baja yang sangat ringan ini disusun dari 1764 balok baja yang dipotong menjadi 441 konfigurasi berbeda, direalisasikan dengan bantuan metode konstruksi yang canggih pada saat itu. Dengan menjaga konstruksi interior terpisah dengan selubung membran luar, masalah untuk mengkoneksikan bentuk lengkung dengan konstruksi yang tegak lurus menjadi terhindari. Namun, untuk menghadirkan sinar matahari dan view ke luar bangunan, panel-panel kaca pun dipakai pada bagian samping bangunan setara dengan level tanah. Kaca ini terhubung ke tepi membran utama dengan penutup PVC transparan. Rangka lengkung baja masing-masing diselubungi oleh membran PVC transparan. Penggunaan membran transparan ini ditujukan untuk menghadirkan sinar matahari ke bagian tengah bangunan dan untuk mengekspos rangka baja sebagai struktur penopang utama. Gambar 12: Suasana ruang dalam yang dihasilkan pada siang hari. Aspek lingkungan. Proyek ini menunjukkan bagaimana selubung membran dapat digunakan untuk menciptakan lingkungan dengan suhu yang ideal, dimana di dalamnya dapat mengakomodasi berbagai macam aktivitas. Dengan meletakkan bangunan di tengah-tengah danau, perancang mengharapkan adanya pengurangan energi, sehingga pada musim panas danau tersebut dapat membantu mengurangi suhu udara pada bangunan. Gambar 13: Skema 3D rangka lengkung baja dan lapisan membran pembentuk atap.
Untuk lebih mendinginkan ruang dalam, udara ditarik ke dalam gedung melalui shaft bawah tanah dan melalui ventilasi udara yang rata dengan permukaan kolam, menyebabkan udara yang memasuki gedung menjadi dingin tanpa perlu bantuan AC. Lebih lanjut, dengan meletakan bangunan di tengah danau, sang arsitek menghindari masalah keamanan yang diakibatkan oleh struktur membran; kemungkinan struktur membran untuk rusak karena lalu lintas orang yang lewat menjadi terminimalisasi. 5. Kesimpulan Penggunaan membran sebagai struktur pada bangunan bentang lebar merupakan salah satu alternatif yang dapat digunakan. Penggunaannya dapat dikondisikan dengan fungsi yang dinaunginya, sesuai dengan kebutuhan, terutama untuk menciptakan bangunan bentang lebar tanpa kolom penyangga di tengah-tengah bangunan. Bentuk-bentuk pengaplikasian struktur membran terbagi menjadi 2, yakni anticlastic dan syncalstic, namun penggunaan bentuk anticlastic lebih banyak dijumpai pada bangunan-bangunan jaman sekarang yang menggunakan struktur membran. Sistem pengaku pada struktur membran pun terbagi menjadi 2, yakni dengan di-prestressed secara mekanik maupun secara pneumatik. Namun, sistem pengaku secara pneumatik jarang digunakan karena rentan terhadap bahaya kebocoran dan kebakaran. Material yang digunakan sebagai struktur pun bermacam-macam, mulai dari PVC, PTFE, ETFE, dan eptfe. Penggunaan PTFE lebih banyak digunakan karena dapat bertahan lama, sedangkan material seperti ETFE lebih banyak digunakan sebagai penutup bangunan yang bersifat non-struktural karena sifatnya yang kurang kuat dalam menahan beban. Penggunaan membran pun bisa dilakukan dalam upaya penghematan energi seperti yang diaplikasikan pada bangunan M&G Ricerche di Venafre, Italia. Dengan penanganan yang baik, membran bisa digunakan untuk menciptakan suhu ruang yang baik dan mencegah pengguna di dalamnya untuk menggunakan pendingin ruangan. Daftar Pustaka Bechthold, Martin. 2008. Innovatieve Surface Structure: Technology and Applications. New York: Taylor & Francis. Scheuermann, Rudi. 1996. Tensile Architecture in the Urban Context. Oxford: Butterworth Architecture. Schodek, Daniel L. 1999. Struktur, edisi kedua, terj. Ir. Bambang Suryoatmono, M.Sc., Ph.D. Jakarta : Erlangga. http://www.fe.unpad.ac.id/upload/file/panduan_pe nulisan_paper_seminar_unnes.pdf http://eprints.undip.ac.id/32373/1/4.struktur_memb mem-sukawi.pdf http://journal.unpar.ac.id/index.php/rekayasa/articl e/download/261/246 http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/40 518/4/Chapter%20II.pdf http://exploresukasuka.blogspot.co.id/2011/09/bent ang-lebar.html http://www.architen.com/articles/the-materials-oftensile-architecture/ http://travelwithfrankgehry.blogspot.co.id/2010/06/ m-ricerche-by-samyn-and-partners.html