Dalam konstruksi, kayu sering dipuji sebagai alternatif yang berkelanjutan untuk beton. Namun, ada celah dalam analisis struktural bangunan bingkai kayu: dinding dengan bukaan jendela tidak diperhitungkan untuk bracing horizontal karena kurangnya data pada perilaku penahan beban mereka. Sebuah proyek oleh EMPA, Universitas Ilmu Terapan Bern, dan ETH Zurich, bekerja sama dengan Kantor Federal Swiss untuk Lingkungan (Foen) dan industri, bertujuan untuk mengubah ini – menggunakan model matematika dan eksperimen skala besar.
Kayu berderit dan mengerang saat angka di layar terus meningkat. Pada lebih dari 100 kilonewtons beban horizontal, ada ledakan keras: salah satu balok di dinding rumah dua lantai telah terbelah di bawah tekanan besar. Peneliti EMPA Nadja Manser puas: percobaan ini sukses. Selama beberapa hari ke depan, dinding kayu di ruang konstruksi EMPA akan dibongkar dan diganti dengan dinding baru, yang pada gilirannya akan dimuat untuk kegagalan, dipantau oleh banyak kamera dan sensor.
Eksperimen spektakuler ini menandai fase akhir dari proyek penelitian empat tahun yang dilakukan oleh EMPA, Universitas Bern Ilmu Terapan dan ETH Zurich, didukung oleh Kantor Federal Swiss untuk Lingkungan (Foen) sebagai bagian dari «Aktionsplan Holz», dan oleh beberapa mitra dan asosiasi industri. Tujuannya: Efisiensi yang lebih besar dalam konstruksi bingkai kayu berkat peningkatan perhitungan struktural. “Kami sedang menyelidiki menguatkan bangunan horizontal dengan dinding bingkai kayu yang berisi bukaan jendela,” jelas Manser.
Bangunan tidak hanya harus menahan beban vertikal seperti salju dan beratnya sendiri, tetapi juga beban lateral seperti angin yang mendorong fasad atau gempa bumi. Selama proses perencanaan, insinyur sipil harus menghitung beban horizontal ini untuk merancang struktur yang cukup kaku dan memuat beban. Namun, ada kesenjangan pengetahuan yang signifikan dalam konstruksi bingkai kayu: “Baik di Swiss maupun di negara -negara Eropa lainnya saat ini tidak ada peraturan yang mengatur berapa banyak beban horizontal yang dapat ditanggung oleh dinding rangka kayu jika berisi pembukaan jendela,” kata Nadja Manser. “Segera setelah jendela direncanakan di fasad, seluruh segmen dinding harus dirawat oleh insinyur perencanaan seolah -olah itu udara. Itu sama sekali tidak efisien.”
Pada tahun 2021, Manser, timnya, dan mitra proyek mereka telah berangkat untuk menutup kesenjangan pengetahuan dan memungkinkan dinding dengan bukaan jendela dipertimbangkan dalam membangun pengaku. Eksperimen dimulai dalam skala kecil di Bern University of Applied Sciences di Biel, pertama dengan masing-masing panel papan seperti yang digunakan dalam konstruksi bingkai kayu, kemudian dengan elemen dinding kecil, dan akhirnya dengan dinding berlantai tunggal dengan bukaan jendela dari berbagai ukuran.
Menghemat waktu dan bahan
Para peneliti melakukan tes skala besar terakhir di «Bauhalle» EMPA: pertama, dengan dinding kayu berlantai dua, diikuti oleh dinding berlantai satu panjang dengan dua bukaan jendela di sebelah satu sama lain. Temuan dari percobaan ini sedang dimasukkan ke dalam model komputer baru yang dapat digunakan untuk menghitung bracing dinding horizontal dengan bukaan jendela. Pekerjaan pada model belum lengkap, tetapi hasil awal menjanjikan: kontribusi dinding dengan bukaan jendela untuk membangun kaku cukup signifikan sehingga jangkar baja yang lebih sedikit mahal dan padat karya akan diperlukan di masa depan. “Di gedung -gedung tertentu, bahkan dimungkinkan untuk membuang inti konkret, yang saat ini diperlukan di banyak bangunan kayu untuk mencapai nilai kekakuan yang diinginkan,” kata Nadja Manser. Ini akan menghemat waktu dan bahan dan memungkinkan bangunan kayu yang lebih ekonomis dan berkelanjutan.
Sebelum model komputasi baru dapat digunakan dalam industri, itu akan dirampingkan lebih lanjut. “Saat ini, kami memiliki model penelitian yang kompleks dengan banyak parameter. Tujuannya adalah untuk mendapatkan model praktis yang disederhanakan yang kurang intensif secara komputasi tetapi masih memberikan nilai yang cukup akurat,” jelas Manser. Untuk tujuan ini, para peneliti bekerja sama dengan mitra industri mereka – seperti yang telah mereka lakukan di seluruh proyek. “Tidak selalu mudah untuk merekonsiliasi berbagai tuntutan industri dan penelitian. Tetapi dengan melakukannya, ini sekarang berarti bahwa hasil kami dapat digunakan secara praktis dengan sangat cepat,” kata peneliti dan insinyur sipil.
- Universitas Ilmu Terapan Bern – Sekolah Arsitektur, Kayu dan Teknik Sipil
- EMPA, Lab Penelitian Teknik Struktural
- ETH Zurich, Institut Teknik Struktural (IBK)
- Kantor Federal untuk Lingkungan (Foen) – Rencana Aksi Kayu
- Insinyur kayu Swiss
- Konstruksi kayu Swiss
- Ancotech AG
