ANALISIS TERMAL PADA BANGUNAN KONSTRUKSI KAYU RUMAH PRE PABRIKASI TAHAN GEMPA FAHUTAN IPB
B. Bangunan pre-Pabrikasi Tahan Gempa
Pada dasarnya yang dimaksud dengan bangunan tahan gempa bukan berarti bangunan tersebut itu tidak akan mengalami kerusakan bila terjadi gempa. Bangunan tahan gempa memiliki kaidah sebagai berikut (Puslitbangkim, 2004) dalam ( Lina Karlina dan Naresworo, 2006):
1. Bila terjadi gempa ringan bangunan tidak akan mengalami kerusakan baik pada elemen struktur (kolom, balok, atap, dinding, dan pondasi) maupun pada elemen non-struktur (genteng dan kaca).
2. Bila terjadi gempa berkekuatan sedang, bangunan bisa mengalami kerusakan hanya pada elemen non-struktur. Sedangkan elemen strukturnya tidak boleh rusak.
3. Bila terjadi gempa berkekuatan besar, bangunan bisa mengalami kerusakan, baik pada elemen struktur maupun elemen non-strukturnya.
7 Namun kedua elemen tersebut tidak boleh membahayakan penghuni yang ada di dalam bangunan. Penghuni harus bisa mempunyai waktu untuk menyelamatkan diri sebelum bangunan runtuh.
4. Departemen Pemukiman dan Prasaran Wilayah dalam Lina Karlina (2006) menyatakan bahwa untuk memenuhi kinerja bangunan yang diharapkan, maka harus dipenuhi persyaratan bangunan tahan gempa sebagai berikut:
a. Bangunan harus terletak di atas tanah yang stabil.
b. Denah bangunan rumah sebaiknya sederhana dan simetris. c. Kualitas material dan campuran beton serta spesi/mortar harus
memadai.
d. Sloof diangkur ke pondasi.
e. Adanya balok ring yang diikat kaku dengan kolom. f. Setiap luasan dinding 10 m2 harus dipasang kolom praktis.
g. Dinding pasangan bata/batako dipasang angkur setiap jarak vertical 30 cm yang dijangkarkan ke kolom.
h. Seluruh kerangka bangunan harus terikat secara kokoh dan kaku. i. Rangka kuda-kuda, pada titik sambungan kayu diberi baut dan plat
pengikat.
j. Usahakan atap terbuat dari material yang ringan k. Pelaksanaan konstruksi harus baik
Lina Karlina dan Naresworo (2006) menyatakan bahwa stuktur bangunan berkayu memiliki stabilitas dan integritas struktur yang sangat tinggi. Kayu memiliki kekuatan dibanding berat yang jauh lebih tinggi dai pada baja dan beton sehingga bangunan kayu umumnya lebih ringan. Sambungan-sambungan komponen bangunan kayu bersifat kompak dan tidak mudah lepas. Kerusakan pada salah satu komponen bangunan kayu dapat diatasi karena kayu dapat mengambil posisi keseimbangan baru. Sifat-sifat demikian menyebabkan bangunan kayu lebih tahan terhadap gempa.
8 Ada beberapa sifat yang umum terdapat pada semua jenis kayu yaitu : 1. Kayu tersusun dari sel-sel yang memiliki tipe bermacam-macam dan
susunan dinding selnya terdiri dari senyawa kimia berupa selulosa dan hemi selulosa (karbohidrat) serta lignin (non karbohidrat).
2. Semua kayu bersifat anisotropik, yaitu memperlihatkan sifat-sifat yang berlainan jika diuji menurut tiga arah utamanya (longitudinal, radial dan tangensial).
3. Kayu merupakan bahan yang bersifat higroskopis, yaitu dapat menyerap atau melepaskan kadar air (kelembaban) sebagai akibat perubahan kelembaban dan suhu udara disekelilingnya.
Elemen bangunan terdiri atas elemen vertikal dan horizontal. Agar bangunan dapat bekerja dengan baik, elemen yang paling penting adalah sambungan. Secara umum bangunan rangka kayu tahan gempa harus memenuhi persyaratan berikut:
1. Rangka dinding harus dilengkapi batang-batang diagonal. 2. Balok pondasi diikat ke pondasi dengan baut jangkar. 3. Hubungan dan sambungan antar elemen harus kuat.
4. Terdapat pengaku untuk meningkatkan kekakuan bangunan karena bangunan kayu cenderung lebih fleksibel dibanding bangunan beton. 5. Atap diusahakan seringan mungkin.
6. Hubungan papan dengan rangka harus kuat.
7. Gunakan sambungan bibir miring berkait pada balok nok dan gording.
8. Sambungan dilakukan sejarak 1/6 bentang dari tumpuan. C. Kenyamanan Termal
Professor Fanger (1970); Morris G. Davis (2004) dari Technical University of Denmark beranggapan bahwa thermal comfort didefinisikan sebagai istilah keadaan fisik tubuh yang lebih baik daripada keadaan fisik lingkungan, apa yang benar-benar kita rasakan adalah suhu kulit dan bukan suhu udara. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers ) mensyaratkan tingkat kenyamanan dipengaruhi oleh: suhu udara ruangan, kelembaban ruangan, dan kecepatan udara dalam ruangan
9 dengan batasan kenyamanan berada pada suhu efektif (effective themperature) 23oC – 27oC, kecepatan angin 0,1 - 1,5 m/s , kelembaban relatif (RH) antara 50-60%. Untuk kenyamanan termal dibutuhkan:
1. Thermal balance, yaitu nilai heat loss = nilai heat gain. Keseimbangan Termal pada setiap individu berbeda-beda, misalnya saat berkeringat, seseorang mungkin nyaman saat terjadi keringat dan dalam tubuhnya terjadi keseimbangan termal, namun tak sedikit pun orang yang merasa tidak nyaman saat tubuhnya berkeringat.
2. Mean skin themperature, harus berada pada level yang tepat untuk kenyamanan (suhu kulit untuk kenyamanan berkurang dengan bertambahnya aktivitas).
3. Sweating, kenyamanan adalah fungsi dari nilai sweating yang disukai, yang mana juga merupakan fungsi aktivitas dan laju metabolisme. Terdapat beberapa standar yang menentukan kenyamanan thermal. Dalam Standar ISO 7730 tahun 2000 disebutkan bahwa standar kenyamanan termal adalah sebagai berikut:
1. Kenyamanan termal didefinisikan sebagai keadaaan pikiran yang mengekspresikan kepuasan termal terhadap lingkungan termal.
2. Standar menunjukan cara untuk memperkirakan sensasi termal pada tubuh manusia terhadap derajat ketidakpuasan termal (thermal dissatisfaction) manusia.
3. Kondisi lingkungan yang bisa diterima untuk kenyamanan.
4. Modifikasi lingkungan indoor dengan tujuan untuk mencapai kenyamanan termal, atau lingkungan indoor agar idak terjadi terjadi penyimpangan kenyamanan.
Menurut Tri Harso (2001) dalam ilmu arsitektur dikenal paling sedikit empat macam kenyamanan: kenyamanan ruang, kenyamanan penglihatan, kenyamanan pendengaran, dan kenyamanan termal. Dalam kenyamanan termal, manusia merasakan sensasi panas atau dingin sebagai wujud respon dari sensor perasa pada kulit terhadap stimuli suhu di sekitarnya. Sensor perasa berperan menyampaikan rangsangan rasa kepada otak, dimana otak akan memberikan perintah kepada bagian-bagian tubuh tertentu agar melakukan
10 antisipasi guna mempertahankan suhu tubuh agar tetap berada pada sekitar 37oC sehingga organ tubuh dapat menjalankan fungsinya dengan baik.
Anggraeni (1998) menyatakan bahwa batas kenyamanan pada daerah khatulistiwa berkisar antara suhu 22,5ºC sampai 29,5ºC dengan kelembaban udara relatif berkisar antara 30-80%.
Penelitian Farida Idealistina (1991); Anggraeni (1998) menyatakan bahwa suhu nyaman diperlukan manusia untuk mengoptimalkan produktifitas kerja. Dalam menyatakan suatu kondisi termal tertentu, ISO 7730-94, menggunakan indeks yang diperkenalkan oleh Fanger yakni PMV (Predicted Mean Vote, prediksi sensasi termal rata-rata) dan PPD (Predicted Percentage Dissatisfied, prediksi prosentase ketidaknyamanan). Nilai atau besaran PMV dinyatakan dengan angka antara -3 (cold, dingin sekali) hingga +3 (hot, panas sekali). Skala sensasi termal yang digunakan merujuk pada skala yang direkomendasikan oleh ISO 7730-94. Suhu nyaman atau netral dicapai apabila nilai PMV = 0, dimana pada kondisi ini nilai PPD mencapai 5% atau persentase responden yang nyaman mencapai 95%. Pada kondisi termal apapun prosentase responden yang tidak nyaman (PPD) tidak akan mungkin mencapai 0%, atau prosentase responden yang nyaman tidak mungkin mencapai 100%. Sementara itu rentang suhu nyaman dicapai apabila nilai PMV berada antara – 0,5 hingga +0,5, dimana pada kondisi ini nilai PPD mencapai 10%, atau prosentase responden yang nyaman mencapai 90%.
C.1 Suhu dalam bangunan (o C)
Suhu merupakan salah satu faktor lingkungan yang berpengaruh terhadap proses fisik dan kimiawi yang selanjutnya akan mengendalikan proses metabolisme tubuh manusia. Suhu berpengaruh terhadap kecepatan proses respirasi dan proses metabolik (Tiwari, 1998).
Kategori suhu udara ada dua macam: suhu udara biasa (air suhu) dan suhu radiasi rata-rata (mean radiant themperature = MRT). MRT merupakan radiasi rata-rata dari permukaan-permukaan bidang yang mengelilingi seseorang. MRT sangat penting karena menimbulkan rasa panas bagi seseorang hingga 66%. Kenyamanan termal sulit tercapai bila suhu udara dan MRT berbeda hingga 5o C atau lebih (Heinz Frick et.all, 2007).
11 Pada konstruksi bangunan, radiasi matahari gelombang pendek dapat masuk kedalam bangunan melalui penutup transparan dan diubah menjadi radiasi panas gelombang panjang. Radiasi panas ini tidak dapat keluar dari bangunan dan terperangkap didalamnya sehingga timbul efek rumah kaca yang menyebabkan suhu udara di dalamnya meningkat. Faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya suhu dalam bangunan adalah tingkat intensitas radiasi matahari, besar kecilnya panas yang hilang melalui atap dan dinding. C.2 Kelembaban udara pada bangunan (RH)
Relatif humidity (RH), kelembaban relatif merupakan persentase kandungan air di udara pada suhu tertentu. Persentase yang menunjukan besaran kelembaban udara didapat dari perbandingan antara keadaan kenyataan uap air dan jumlah maksimum uap air yang dikandung oleh udara pada kondisi ruang dan suhu yang sama (Tiwari, 1998).
Kelembaban udara menjadi penting saat suhu udara mendekati atau melampaui ambang batas daerah kenyamanan termal dan kelembaban udara mencapai lebih dari 80% atau kurang dari 30% (Heinz Frick et.al, 2007).
Beberapa faktor yang mempengaruhi kelembaban udara yaitu besar kecilnya suhu, kondisi iklim, efek angin, dan intensitas cahaya matahari. Apabila kondisi cuaca mendung maka suhu menjadi rendah, intensitas cahaya berkurang sehingga kelembaban menjadi tinggi (Tiwari, 1998).
C.3 Kecepatan udara pada bangunan
Pergerakan udara adalah aspek yang penting untuk kenyamanan termal, terlebih didaerah panas, seperti hanya didaerah tropis. Pergerakan angin terjadi karena adanya perbedaan tekanan udara di dalam dan di luar bangunan, angin menyebabkan adanya zona tekanan tinggi dan rendah disekeliling bangunan sehingga menyebabkan terjadinya aliran udara (Tiwari, 1998).
Pergerakan udara atau angin yang menyapu permukaan kulit sehingga mempercepat pelepaan panas secara konveksi. Bila permukaan kulit basah, maka penguapan yang terjadi mengakibatkan terjadinya pelepasan panas yang lebih besar. Pada suhu udara 25oC, kecepatan 0,5 m/detik membuat tubuh
12 terasa 2oC lebih dingin. Kecepatan angin 1 m/detik membuat tubuh terasa 3oC lebih dingin (Heinz Frick et.al, 2007).
C.4 Intensitas cahaya matahari
Menurut Tiwari (1998) intensitas matahari yang cukup akan berpengaruh tehadap distribusi suhu dalam bangunan, yang kemudian akan mempengaruhi metabolisme dan aktivitas manusia dalam bangunan tersebut. Cahaya dengan masa penyinaran dari pagi hingga sore dikalikan dengan intensitas yang tinggi merupakan jumlah energi yang dapat diterima oleh suatu bangunan. Pada pagi hari, belum banyak cahaya yang diterima, begitu pula pada sore hari karena matahari meredup sehingga intensitas cahaya berkurang. Kondisi cuaca yang mendung selama beberapa hari akan mengurangi intensitas cahaya matahari.
Intensitas cahaya matahari erat kaitannya dengan besarnya radiasi matahari, menurut Tiwari (1998) dalam kondisi sebenarnya terdapat beberapa jenis nilai radiasi matahari, yaitu:
1. Extraterrestrial radiation (Ion)
Extraterrestrial radiation (Ion) merupakan radiasi yang terjadi di luar
daerah atmosfer. Perubahan jarak bumi ke matahari akan mempengaruhi besarnya radiasi ekstraterensial. Menurut Tiwari (1998) pada bulan Juni bearnya radiasi berkisar 1322 W/m2. Radiasi tesebut dapat dihitung dengan menggunakan rumu sebagai berikut:
……….………1 Keterangan :
Isc =Rata-rata energi radiasi matahari (1353 W/m2)
(Energi dan Listrik Pertanian,105) n = Hari ke-n dalam satu tahun 2. Terrestrial radiation (In)
Terrestrial radiation (In) merupakan radiasi yang masuk ke dalam
atmosfer (daerah terestrial). Radiasi yang terjadi pada daerah terestrial adalah radiasi langsung, radiasi tidak langsung, dan radiasi total. Radiasi ini dipengaruhi oleh turbidity factor dari atmofer dan ketinggian lokasi.
13 Tiwari (1998) menyatakan bahwa turbidity factor merupakan ketetapan yang mempengaruhi besarnya radiasi yang jatuh pada suatu wilayah yang dikategorikan sebagai wilayah pegunungan, dataran rendah dan perkotaan, dimana besarnya angka ini setiap bulannya mengalami perubahan (Tabel 4). Perhitungan nilai Terrestrial radiation (In) menggunakan rumus sebagai
berikut :
………2 Keterangan :
TR = Turbidity faktor = Ketinggian permukaan
Tabel 1. Nilai Turbidity faktor dalam berbagai wilayah untuk setiap bulannya dalam satu tahun
Bulan ke- Jenis daerah
Perkotaan Dataran Pegunungan
1 3,10 2,20 1,80 2 3,20 2,20 1,90 3 3,50 2,50 2,10 4 3,90 2,90 2,20 5 4,10 3,20 2,40 6 4,20 3,40 2,70 7 4,30 3,50 2,70 8 4,20 3,30 2,70 9 3,90 2,90 2,50 10 3,60 2,00 2,10 11 3,30 2,30 1,90 12 3,10 2,20 1,80 Tm 3,70 2,76 2,15
Sumber : Bansal et.all, 1990 dalam Tiwari, 1998 3. Direct radiation (Ibi)
Direct radiation (Ibi) merupakan radiasi yang langsung jatuh ke
permukaan bumi pada daerah terestrial. Radiasi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
………....………...3 ………...4 …………...………...5 ………...6
14 ………...…………...………7 ………8 ………...9 Keterangan :
i = Sudut dating matahari ( o )
s = Sudut altitude matahari ( o )
= Sudut inklinasi ( = 30o)
w = Sudut tegak/vertical ( o ) s = sudut azimuth Matahari ( o )
= Besar latitud
= Sudut jam matahari ( o ) = Sudut deklinasi ( o ) 4. Diffuse radiation (Idh)
Diffuse radiation (Idh) merupakan radiasi yang tidak langsung jatuh ke
permukaan bumi pada daerah terestrial sehingga terjadi pembauran. Radiasi tidak langung terjadi pada permukaan mendatar dan pemukaan miring. Radiasi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
…………..………...………..10
…………...……...11 Keterangan :
Idh = Radiasi tidak langsung yang terjadi pada pemukaan mendatar
(W/m2)
Idi = Radiasi tidak langsung yang terjadi pada permukaan miring (W/m2)
5. Reflektivitas radiation (Ir)
Reflektivitas radiation (Ir) adalah radiasi yang jatuh ke permukaan bumi
dan dipantukan kembali ke atmosfer. Radasi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berukut :
15 ………...…...12 ………..……..13
………..………....14 Keterangan :
Ibh = Radiasi pantulan pada tipe permukaan (W/m2) g = Konstanta refleksi (Tabel 5)
Ith = Radiasi pantulan pada permukaan mendatar (W/m2)
Ir = Total radiasi pantuan (W/m2)
= Sudut inlinasi
Tabel 2. Nilai konstansta refleksi dengan berbagai jenis permukaan
Jenis permukaan Konstanta refleksi
Permukaan nomal bumi 0,21 – 0,45
Permukaan air 0,16
Permukaan es dan salju 0,16 – 0,78 Sumber : Bansal et.all, 1990 dalam Tiwari, 1998)
6. Total Radiation (Iti)
Total Radiation (Iti) adalah radiasi total yang diterima oleh permukaan
bumi. Radiasi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
………...………..15 D. Proses Pindah Panas pada Bangunan
Panas yang masuk kedalam bangunan berasal dari lingkungan dan akan dikeluarkan kembali ke lingkungan. Perpindahan panas yang terjadi dalam bangunan ini terjadi karena adanya perbedaan tekanan didalam dan di luar bangunan. Hal yang dengan demikian akan membuat terjadi pergerakan fluida antara didalam dan diluar bangunan untuk menyeimbangkan energi.
Soegijanto (1999) menyatakan bahwa bangunan akan mendapatkan perolehan panas dan mengeluarkan atau kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya, perolehan dan pengeluaran panas dapat terjadi melalui peristiwa perpindahan panas. Proses pindah panas yang terjadi pada bangunan tersebut terjadi melalui beberapa jenis pidah panas, yaitu pindah panas radiasi, pindah panas konduksi dan pindah panas konveksi.
16 D.1 Pindah panas radiasi
Radiasi adalah proses transfer energi melaluii gelombang elektromagnet. Radiasi tidak merambat pada suatu material dan terjadi pada ruang hampa. Radiasi merupakan bagian dari energi yang dapat dinilai berdasarkan besarnya suhu. Saat energi radiasi mengelilingi setiap bagian atau seluruh partikel maka akan terjadi perpindahan panas. Besarnya energi radiasi bergantung pada suhu permukaan dari partikel tersebut.
Tiwari (1998) menyatakan bahwa persamaan besarnya perpindahan panas karena radiasi digambarkan oleh persamaan berikut :
……….16 Keterangan:
= Emisivitas permukaan
= Konstanta Boltsman-Stefan,5.67x10-8 W/m2K4 T = Suhu permukaan luar,°K
Q = Pindah panas Konduksi ( Joule ) D.2 Pindah panas konveksi
Konveksi adalah transfer panas dari satu bagian fluida ke beberapa bagian lain dengan suhu rendah dari pencampuran partikel fluida. Pergerakan fluida dapat terjadi karena adanya paksaan ataupun secara alami. Apabila pergerakan fluida disebabkan karena adanya perbedaan tekanan maka kondisi tersebut dapat disebut konveksi paksa (Tiwari, 1998).
Davies, Moris (2004) pada proses percepatan sentrifugal gravitasi perlu digantikan posisinya sesuai dengan posisi fluida, gaya pergerakan akibat viskositas ini dapat diabaikan. Pada dua plat dengan perbedaan perubahan suhu yang kecil dimana salah satu plat diberikan pendinginan maka akan menyebabkan terhambatnya pergerakan dari viskositas fluida udara pada posisi tersebut, sehingga kondisi ini disebut Rayleigh number.
……..……….……17 Keterangan :
Q = Pindah panas Konduksi ( Joule ) h = Koefisien pindah panas
A = Luas permukaan, m2 4 T Q=hεAσ T Q= ∆ 4 T Q=ε σ
17 T = Perbedaan suhu permukaan, °K
Untuk konduktivitas panas konveksi (h) pada permukaan vertikal (v) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan dibawah.
.…..………...…………18
.………..………...……19 ………..………....20 Nilai konduktivitas panas konveksi pada permukaan vertikal (i) dengan membentuk sudut dapat diketahui dengan menggunakan persamaan dibawah.
……..……….………..………21
….………..……...…………...…………22 ...……….………..…..…23 .……...……….………...….24 Nilai konduktivitas panas konveksi pada permukaan horizontal (h) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan dibawah.
…..………...………..………25 ……..………….……….………..26 ...………..….………...….………...……27 D.3 Pindah panas konduksi
Konduksi adalah perpindahan panas yang merambat dari material satu ke material yang lain atau merambat dari satu partikel ke partikel yang lain. Pindah panas kondukksi biasanya terjadi pada daerah lantai dan lapisan
18 dinding. Persamaan besarnya perpindahan panas karena konduksi digambarkan oleh persamaan berikut :
.………...……….28 Keterangan :
Q = Pindah panas Konduksi ( Jaule ) T = Suhu (°C atau °K)
X = Jarak antar material,m
K = Thermal conductivity (W/m°C) S = Ketebalan material, m
T1 = Suhu Udara (°C atau °K)
T2 = Suhu material (°C atau °K)