Dinding dan atap bergelombang bangunan dapat mengurangi tekanan angin badai hingga 60%

Bangunan dengan dinding dan atap bergelombang menunjukkan performa jauh lebih unggul dalam menahan angin kencang badai dibandingkan struktur konvensional, dengan tekanan angin puncak dapat diturunkan hingga 40% sampai 60%. Temuan ini memberikan bagi arsitek dan insinyur sebuah metode pasif berbasis geometri yang mampu meningkatkan ketahanan struktur tanpa harus menambah material atau memperkuat bangunan.

Bagaimana angin merusak bangunan ketika angin menerpa struktur datar, angin melintas di permukaan dan terpisah di tepi tajam, membentuk pusaran angin yang terkonsentrasi di sudut dan tepi atap menghasilkan daya hisap kuat. Area tekanan rendah terkonsentrasi ini menimbulkan gaya ke atas yang kuat, menarik panel atap ke atas. Selama badai, beban daya hisap tertinggi pada bangunan rendah khas tepat terjadi di sudut dan tepi tersebut. Strategi mitigasi saat ini meliputi sudut membulat, dinding condong, desain mundur, serta sekadar membangun dinding lebih tebal dan kuat. Semua metode ini menambah biaya dan sering tidak cocok untuk modifikasi struktur yang sudah ada.

Metode Penelitian Geometri Bergelombang

Metode geometri bergelombang dikembangkan oleh tim peneliti yang dipimpin Pedro Fernandez-Caban, profesor sipil di FAMU-FSU College of Engineering, yang membuat model terowongan angin cetak 3D bangunan rendah dengan atap dan dinding bergelombang untuk menggantikan desain datar konvensional. Mereka menguji desain dengan amplitudo gelombang berkisar 5% hingga 10% dari tinggi bangunan, dan membandingkannya dengan desain datar standar. Peneliti mengukur data tekanan angin pada permukaan model saat angin bertiup dari berbagai arah. Model dengan kedalaman gelombang terbesar menunjukkan performa terbaik.

Pada amplitudo gelombang mencapai 10% dari tinggi bangunan, terlepas dari arah angin, tekanan angin puncak di dekat sudut atap dan dinding turun 40% hingga 60%.

Mekanisme perbaikan ini bersifat aerodinamika. Alih-alih meluncur halus di permukaan datar dan terpisah di tepi menjadi satu pusaran besar koheren, udara yang mengalir di permukaan bergelombang menemui serangkaian bukit dan lembah. Aliran udara melintasi kontur bergelombang, terpecah menjadi beberapa zona pemisahan lebih kecil, bukan membentuk satu pusaran dominan. Zona-zona terpisah yang lebih kecil dan tersebar ini menghasilkan daya hisap terkonsentrasi yang jauh lebih rendah di titik manapun dibandingkan desain konvensional. Fernandez-Caban menggambarkan efek ini: "Bentuk bangunan tidak konvensional ini mengurangi kerusakan pada kondisi cuaca paling ekstrem.

Ini adalah alat lain bagi insinyur dan desainer untuk mencegah kerusakan angin."

Dampak Luas Geometri Bergelombang

Tim peneliti menyoroti dampak yang lebih luas, bahwa prinsip aerodinamika di balik geometri bergelombang tidak terbatas pada teknik angin. Bagaimana dinamika fluida memengaruhi interaksi udara dengan permukaan bergelombang berbagi prinsip fisika fundamental yang sama dengan bidang lain seperti aeronotika, ilmu lingkungan, dan oseanografi fisik. Fernandez-Caban menyatakan: "Kami menangani udara, insinyur dan ilmuwan lain mungkin menangani gelombang dan air, tapi pemahaman dinamika fluida dapat memandu desain dan teknik di berbagai bidang."

Tim peneliti saat ini melakukan eksperimen terowongan angin tambahan untuk lebih baik mengkarakterisasi perilaku aliran udara di sekitar sistem selubung bergelombang, bukan hanya mengukur tekanan permukaan. Mereka juga berencana memanfaatkan pemodelan dinamika fluida komputasional untuk mengoptimalkan lebih lanjut geometri bergelombang, dan menguji kontur permukaan yang tidak tercakup dalam penelitian awal. Penelitian ini ditulis bersama oleh profesor madya Qian Zhang, mahasiswa doktor Arezoo Bakhshizadeh, dan alumni Peter Tsouroukdissian, serta didukung oleh Florida State University dan FAMU-FSU College of Engineering.

Seiring semakin kuatnya badai akibat kenaikan suhu lautan, mengandalkan solusi aerodinamika pasif bukan menambah massa struktur, mewakili langkah menuju desain bangunan yang lebih tangguh. Penelitian ini diterbitkan di jurnal Engineering Structures.

Pentingnya Desain Bergelombang bagi Keamanan Bangunan

Seiring perubahan iklim menyebabkan peningkatan intensitas badai, desain bangunan konvensional menghadapi tantangan lebih besar. Desain dinding dan atap bergelombang tidak hanya mampu mengurangi tekanan angin secara efektif, tetapi juga meningkatkan ketahanan struktur tanpa menambah biaya material. Pendekatan inovatif berbasis aerodinamika ini memberikan wawasan baru bagi arsitek dan insinyur, terutama untuk modifikasi struktur yang sudah ada. Di masa depan, teknologi ini berpotensi memainkan peran penting di bidang teknik lain, mendorong inovasi desain yang lebih luas.