HANDOUT Fisika Bangunan PDF

Preview

Summary

HANDOUT FISIKA BANGUNAN (TKF 3310) oleh : Dr.Eng.Mohammad Kholid Ridwan, ST, M.Sc. PROGRAM STUDI FISIKA TEKNIK JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA 2010 I. PENDAHULUAN I.1. Fakta tentang bangunan dan konsep pembangunan berkelanjutan Bangunan adalah barang yang melekat erat d...

Description

HANDOUT

FISIKA BANGUNAN (TKF 3310)

oleh :

Dr.Eng.Mohammad Kholid Ridwan, ST, M.Sc.

PROGRAM STUDI FISIKA TEKNIK JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA 2010

I. PENDAHULUAN I.1. Fakta tentang bangunan dan konsep pembangunan berkelanjutan Bangunan adalah barang yang melekat erat dalam kehidupan manusia, dari sejak permulaan manusia ada. Tercatat bahwa keberadaan bangunan ada sejak keberadaan manusia itu sendiri. Beberapa hal yang menyangkut bangunan adalah sebagai berikut : •

Membutuhkan investasi yang sangat besar, meliputi investasi uang, waktu pengerjaan, dan juga sumber daya alam

•

Bangunan yang ada di dunia saat ini telah mengkonsumsi 40% dari energi dunia dan melepaskan 1/3 CO2 dunia.

•

Di Amerika bangunan menkonsumsi 1/6 air bersih yang disediakan.

•

Separo dari flourocarbon yang ada dilepaskan dari bangunan yang berdampak pada rusaknya ozone.

•

Sampah yang ada di isi 40 %-nya oleh sampah dari konstruksi bangunan

Khusus data yang ada tentang bangunan di Amerika adalah sebagai berikut : •

Menggunakan listrik sebesar 65.2%

•

Menggunakan energi 50% dari total energi yang terpasang.

•

Melepaskan 30% dari greenhouse gas

•

136 juta ton dari CDW

•

Mengkonsumsi 12% dari air bersih

•

Menggunakan 40% dari bahan-bahan material mentah.

Dari fakta di atas maka terlihat bahwa bangunan bertanggung jawab atas kerusakan lingkungan dan pembangunan yang tidak berkelanjutan (unsustainable). Beberapa indikator dari pembangunan yang tidak berkelanjutan •

Hilangnya lapisan tanah bagian atas.

•

Species hewan ataupun tumbuhan yang semakin langka

•

Terjadinya perubahan cuaca

•

Kenaikan permukaan air laut

•

Munculnya racun-racun baru

Untuk memahami tentang bangunan yang berprinsip pada sustainability, maka perlu dipahami beberapa hal yang penting 1. Definisi dari sustainability “meeting the needs of the current generation without compromising the ability of future generations to meet their needs” Definisi tambahan yang lain: “A process which enables all people to realize their potential and improve their quality of life in ways which protect and enhance the Earth’s life support systems.” (Sara Parkin, Forum for the Future) Gambaran ideal dari bangunan yang berkelanjutan di idealkan seperti halnya keberadaan pohon (gambar 1.1). Pohon yang berdiri akan memberikan pengaruh terhadap lingkungannya sebagai berikut : 1. Meyegarkan air dan udara melalui mekanisme penyerapan air dan fotosintesa. 2. Mampu menahan air hujan. 3. Mampu menghasilkan sendiri makanannya (dari daun yang gugur) 4. Mampu menjadikan tanah subur. 5. Menggunakan dan menyimpan tenaga matahari 6. Menggunakan kembali sampah-sampah yang dihasilkannya 7. Dapat menghidupi dirinya sendiri 8. Mampu menyediakan dan mnyuburkan habitat bagi hewan dan tumbuhan lainnya 9. Mampu memberikan kenyamanan dari cuaca yang ekstreem. 10. Memberikan keheningan dan keindahan.

(Gambar 1.1) Idealisasi bangunan yang sustainable I.2. Isu – isu penting tentang bangunan dan lingkungannya 1. "Sustainable Sites," Isu ini berkaitan dengan situs dimana bangunan itu akan didirikan beberapa hal yang perlu dijawab berkaitan dengan hal ini adalah : •

Apakah keberadaan bangunan tersebut meningkatkan atau merusak kualitas lingkungan yang ada di sekitarnya.

•

Apakah keberadaan bangunan itu memungkinkan pemakai bisa berjalan kaki, bersepeda dan juga angkutan umum sehingga memungkinkan untuk menghemat bbm dan mengurangi polusi

•

Sejauh mana site diganggu oleh konstruksi baru

•

Sejauh mana air tanah bisa dikelola apakah bisa dipertahankan dengan keberadaan bangunan

2. "Water Efficiency", Pertanyaan yan berkaitan dengan efisiensi dalam hal penggunaan air oleh keberadaan bangunan meliputi : •

Penggunaan air hujan atau air abu2 (air buangan limbah manusia yang tidak mengandung sampah berbahaya) untuk irigasi;

•

Pengelolaan air buangan yang inovatif

•

Penggunanan use of peralatan yang mampu mengurangi pemakaian air.

3. Energy & Atmosphere •

Efisiensi dari sistem pemanasan dan pendinginan dari bangunan

•

Penggunaan energi terbarukan di situs bersangkutan

•

Potensi dari bangunan dalam kontribusinya terhadap penipisan ozone.

4. Materials & Resources •

Konsep recycling dari material bangunan dan limbah bahan bangunan

•

Waste management di tempat konstruksi

•

Prosentasi bahan hasil recycle dari bahan bangunan yang digunakan

•

Penggunaan bahan lokal sehingga lebih murah dalam konsumsi energi untuk transportasinya.

•

Cepatnya bahan-bahan bangunan tersedia kembali (terbarukan kembali)

•

Penggunaan kayu dari hutan yang tersertifikasi

5. Indoor Environmental Quality •

Kualitas udara dalam rumah indoor air quality

•

Penghilangan asap rokok dalam rumah

•

Efektifitas ventilasi

•

Kualitas udara ketika masa kontruksi

•

Penggunaan material yg tidak berpotensi mengeluarkan racun

•

Pengontrolan bahan-bahan kimia dalam rumah misalnya cat

•

Kenyamanan termal “thermal comfort”

•

Penggunaan day lighting

I.3. Definisi Fisika Bangunan Definisi tentang fisika bangunan akan memberikan kita batasan tentang cakupan ilmu yang akan dipelajari, berikut salah satu definisi yang bisa kita ambil : •

Building Physics is an applied science that studies the hygrothermal, acoustical and light related properties of building components (roofs, facades, windows, partition walls, etc.), room, building and building assemblies)*

*) Hugo Hens : Building Physics - Heat, Air and Moisture: Fundamentals and Engineering Methods with Examples and Exercises, Wiley.

Dari definisi tersebut dapat kita ambil beberapa hal yang penting diantaranya : •

Kata “applied” artinya fisika bangunan di tujukan untuk memecahkan masalah,

•

Teori digunakan sebagai alat dan bukan tujuan.

•

Teori yang sudah ada : termodinamika, perpindahan panas, akustika.

Tiga komponen dalam Fisika Bangunan adalah a. Higrothermal, terdiri dari panas, udara dan kelembaban. Berkenaan dengan transfer panas, udara dan kelembaban di dalam bahan bangunan, antara bahan bangunan dan bangunan serta antara bangunan dan lingkungan sekitar, contoh, isolasi termal bangunan, kenyamanan termal, kecepatan angin dst. b. Akustika bangunan, memperlajari gangguan (noise) di dalam bangunan dan antara bangunan dan lingkungannya, tema-tema utamanya adalah udara dan transmisi suara,noise lewat dinding lantai, atap dan sebagainya. Aplikasi untuk ruang yang kedap suara dsb c. Pencahayaan, tema-temanya tentang pencahayaan alami dan buatan dalam hubungannya dengan konsumsi energi

I.4. Catatan tambahan tentang Fisika Bangunan •

Fisika bangunan berhubungan dengan pemenuhan kebutuhan dalam hal kenyamanan dan kesehatan penghuni, di sisi yang lain mempertimbangkan keterbatasan material, arsitektur, ekologi lingkungan, dan ekonomi.

•

Kenyamanan adalah kondisi kesehatan mental dan fisik. Untuk mencapai hal tersebut tergantung faktor manusia dan lingkungannya. Bisa dilihat bahwa pemenuhan terhadap kenyamanan thermal, acoustic dan visual membutuhkan rekayasa.

•

Sehat tidak selalu berarti ketiadaan penyakit, tetapi juga bersih dari bakteri dan terhindar dari stres psikologis. Untuk itu kondisi bangunan harus bersih dari VCO, radon, bakteri, debu, tengu, jamur dsb.

II. KONSEP KENYAMANAN PADA MANUSIA II.1. Pengantar mengenai kenyamanan pada manusia •

Tubuh manusia sesungguhnya mampu untuk beradaptasi pada lingkungan yang bervariasi dalam cakupan batas cuaca yang cukup luas. Di luar kutub setiap jengkal tanah telah dihuni oleh manusia. Dalam semua wilayah tadi terdapat wilayah yang tipis bagi manusia yang dapat mendorong produktifitasnya, yang disebut ‘comfort zone.’

•

Tempat perlindungan, merupakan alat utama dan pertama dalam mendapatkan kenyamanan atau human comfort.

•

Tempat perlindungan tersebut mampu memodifikasi dan menciptakan kondisi yang memungkinkan manusia untuk hidup.

II.2. Faktor yang mempengaruhi kenyamanan pada manusia Faktor utama yang berperan dalam kenyamanan dan juga yang memberikan kekuatan bertahan pada manusia adalah •

Suhu

•

Radiasi Matahari

•

Kecepatan Angin

•

Kelembaban

•

Curah Hujan

Temperatur memegang peranan terbesar, faktor yang lain berada dibelakangnya.

Gambar II.1. Dua kondisi yang ekstrem yaitu sangat panas dan sangat dingin dan bagaimana tubuh manusia meresponnya Tubuh manusia bereaksi terhadap suhu yang panas atau dingin dengan cara mempertahankan temperatur tubuh secara konstan. Reaksi alamiah kita akan mampu mengakomodasi suhu dengan range tertentu dengan tetap merasa nyaman.

Gambar II.2. Pengaruh fisik lingkungan terhadap tubuh manusia

II.3. Bagaimana tubuh manusia bekerja? Dengan melihat gambar 2. kita bisa mencoba mempelajari bagaimana respon tubuh manusia terhadap lingkungan sekitarnya. 1) Aktivitas akan meningkatkan metabolisme yang memacu temperatur tubuh naik 2) Pakaian berfungsi sebagai isolator, yang memungkinkan tubuh kita menahan panas ke lingkungan. 3) Angin meningkatkan kemampuan evaporasi pada kulit/menghilangkan panas. 4) Suhu udara adalah suhu yang bersentuhan langsung dengan kulit kita, kalau suhunya diatas suhu kulit kita, kita merasa hangat dan sebaliknya. 5) Temperature di permukaan (dinding, lantai dsb) memancarkan panas radiasi ke tubuh kita dan udara sekelilingnya 6) Relative humidity (RH) adalah kandungan air yang ada dalam udara yang memengaruhi apakah keringat yang keluar dari tubuh kita bisa menyebabkan evaporative cooling, ingat : uadara yang sangat kering membuat tubuh manjadi tidak nyaman. 7) Sinar langsung dari matahari memanaskan tubuh secara radiasi meskipun suhu lingkungan tidak berubah

II.4. Kenyamanan Termal Nyaman secara termal akan dirasakan ketika panas tubuh berada dalam kondisi equilibrium dengan lingkungan fisiknya. Tujuh faktor yang disebutkan diatas semuanya berinteraksi mempengaruhi kenyamanan termal dalam berbagai situasi manusia. Definisi kenyamanan termal menurut ASHRAE adalah "Condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment” (ASHRAE 55-74)

Gambar II.3. Grafik zona kenyamanan manusia fungsi dari angin, suhu, RH dan radiasi Grafik ‘COMFORT ZONE’ di atas memberikan gambaran secara kasar tentang zona nyaman manusiadalam kondisi menggunakan pakaian biasa, istirahat dan tidak dalam paparan sinar matahari secara langsung II.5. Fungsi utama bangunan Dalam kaitannya dengan kenyamanan manusia maka fungsi utama bangunan adalah memodifikasi cuaca “modifying climate” sehingga sesuai dengan standar kenyamanan manusia. Bangunan melaksanakan tugasnya dengan dua cara yaitu secara aktif dan pasif. Aktif artinya menggunakan alat-alat dengan masukan energi, dan pasif adalah dengan menyandarkan kepada fenomena fisis yang melingkupinya.

II.6. Klimatologi Salah satu ilmu yang terkait erat dengan fungsi bangunan sebagai pemodifikasi cuaca adalah klimatologi •

Klimatologi adalah ilmu yang berhubungan dengan cuaca. Sangat penting mengerti kondisi cuaca untuk bisa mendisain bangunan yang sesuai yang diinginkan bagi penghuni dan mengetahu pengaruh cuaca terhadap bangunan.

Penggolongan iklim bumi. Secara garis besar, iklim di bumi bisa dibagi menjadi 4 golongan. Penggolongan iklim ini akan mempengaruhi desain dasar manusia dalam membangun rumah yang nyaman secara termal.

Gambar II.4. Peta penggolongan iklim di bumi.

II.7. Karakteristik iklim dan desain dasar bangunan A. IKLIM PANAS LEMBAB •

Sepanjang pesisir Amerika Serikat, Afrika tengah, Eropa selatan, and Asia tenggara

•

Matahari sangat tinggi ketika musim panas

•

Musim dingin sangat panjang dan hangat

•

Musim panas panjang

•

Kelembaban sangat tinggi

Gambar II.5. Disain dasar bangunan untuk iklim panas lembab

Strategi bangunan untuk daerah iklim panas lembab •

Pondok terbuka dan menjulang

•

Atap lebar untuk menghindari paparan sinar matahari dan hujan

•

Dinding terbuka dan lantai yang tinggi untuk mendukung evaporasi oleh angin

•

Desain membentang untuk memaksimalkan aliran udara

•

Jendela tinggi dengan desain rumah tipis untuk menciptakan “cross ventilation”

Contoh untuk Indonesia Salah satu bangunan yang mendukung iklim tersebut untuk Indonesia adalah joglo

Gambar II.6. Disain joglo yang merupakan khas Indonesia

B. PANAS-KERING •

Meliputi barat daya Amerika Serikat and pedalaman Amerika tengah, Afrika utara, Timur tengah, and Australia tengah

•

Matahari sangat tinggi di waktu musim panas

•

Pada waktu musim dingin matahari muncul sebentar

•

Tidak memunculkan keringat

•

Perbedaan temperatur harian sangat besar

•

Kelembaban sangat rendah

Gambar II.7. Disain dasar bangunan untuk iklim panas kering

Strategi bangunan untuk daerah iklim panas kering •

Biasanya menggunakan model diesert pueblos

•

Desain ventilasi kecil karena udara cukup kering (tidak lembab)

•

Dinding massive untuk menyerap panas ketika siang dan dikembalikan lagi ke lingkungan ketika sore

•

Seminimal mungkin permukaan yang tereskpos matahari (berdampingan erat)

•

Sesedikit mungkin permukaan dalam arah timur dan barat ketika musim panas dan mendapatkan sebanyak mungkin matahari ketika musim dingin dari selatan

•

Bisa digunakan kolam untuk evaporative cooling

Gambar II.8. Model Pueblos khas Meksiko

C. IKLIM SEDANG •

Meliputi daerah pertengahan garis lintang Amerika Serikat, sebagian besar Eropa, Rusia selatan, and China bagian utara

•

Mengalami empat musim: cold winter, hot/humid summer, intermediate spring dan fall

•

Panjang siang yang cukup

•

Ketinggian matahari lebih bervariasi daripada di iklim yang panas

•

Biasanya muncul salju di musim dingin

Strategi bangunan untuk daerah iklim sedang 



Sebagai contoh bangunan asli Amerika adalah wigwams



Terbuka terhadap matahari dari selatan di waktu musim dingin.



Desain dasarnya biasanya untuk melindungi angin dingin (winter) dari utara



Tertutup dengan shading di sebelah timur dan barat di waktu musim panas. Membuka terhadap matahari di musim dingin dan terbuka untuk udara di waktu musim panas.

Gambar II.9. Disain dasar bangunan untuk iklim sedang

Gambar II.10. Bangunan model wigwam

D. IKLIM DINGIN •

Daerah di atas 45 °LU, bagian utara USA dan Kanada, Utara Eropa dan Rusia, wilayah dekat kutub

•

Musim panas yang dingin

•

Siang hari di musim dingin yan sangat pendek, matahari juga sangat pendek

•

Muncul salju yang sangat tebal

Strategi bangunan untuk daerah iklim dingin 



Contoh yang umum adalah bangunan igloos dan timber huts



dingin dari arah selatan



Seminimal mungkin permukaan untuk memproteksi terhadap dingin

Proteksi terhadap angin dari utara dan memaksimalkan sinar matahari musim



Memproteksi terhadap salju tebal



Bersambungan untuk meminimalisir permukaan dan menahan panas Mempunyai luas dan jumlah bukaan seminimal mungkin

Gambar II.11. Disain dasar bangunan di iklim dingin

Gambar II.12. Timber hut dan igloo sebagai bangunan khas daerah iklim dingin

III. KESETIMBANGAN PANAS MANUSIA DAN LINGKUNGAN III.1 Persamaan Kesetimbangan Panas Pada Tubuh Manusia Tubuh manusia dijaga sedemikian rupa dalam rentang suhu sekitar 37°C. Oleh karena itu ada kesetimbangan panas antara tubuh manusia dan lingkungannya. Secara singkat, panas yang masuk ke dalam tubuh ditambah dengan panas yang dibangkitkan oleh tubuh harus sama dengan panas yang keluar dari tubuh manusia. Jika panas yang dibangkitkan dan yang masuk lebih besar daripada panas yang dikeluarkan maka panas tubuh akan naik, demikian juga sebaliknya jika panas yang dikeluarkan lebih besar maka suhu tubuh akan turun. Persamaan kesetimbangan panas pada manusia dapat direpresentasikan dalam berbagai macam model. Secara umum kesetimbangan panas pada manusia meliputi tiga hal pokok yaitu : Panas yang dibangkitkan oleh tubuh, transfer panas keluar dan masuk dan panas yang disimpan dalam tubuh. Energi yang dibangkitkan dalam tubuh manusia menghasilkan tenaga dan panas yang dipancarkan ke sekeliling dengan cara radiasi, konveksi dan evaporasi air. Sejumlah kecil energi tetap tersimpan dalam tubuh yang akan menjaga tubuh tetap hangat, atau dalam temperature normal. Persamaan kesetimbangan panas pada manusia dirumuskan dalam persamaan berikut ini :

P met = P r + P c + P e + P + P

(3.1)

Dimana : P met = metabolisme tubuh, tergantung pada keadaan sekitar, aktivitas, umur jenis kelamin dan kondisi kesehatan. Pr

= panas yang keluar dari kulit secara radiasi

Pc

= panas yang keluar dari kulit secara konveksi

Pe

= panas yang keluar dari kulit secara penguapan air

P

= kerja yang dilakukan

P Dimana

= pemanasan tubuh (body heating)

P = m cp  /

m = massa tubuh (kg) cp = panas spesifik dari tubuh yang mempunyai rata-rata 3300 W/kg

(3.2)

 = kenaikan suhu dalam t Ad = luas permukaan tubuh manusia P met dapat dihitung dengan menggunakan ukuran pemakaian O2 dalam liter per detik. P met = 5,8 VO2 (W)

(3.3)

Jumlah P r , P c dan P e tergantung pada temperatur lingkungan. Panas yang dibangkitkan tubuh tergantung pada aktivitas yang dilakukan.

Gambar III.1. P r , P c dan P e dalam hubunganya dengan suhu lingkungan dan aktivitas Untuk keadaan orang yang sedang duduk dengan suhu sekitar 18°C dengan asumsi tidak ada panas yang lepas melalui konduksi maka proporsi masing-masing sekitar : 45% radiasi 30% konveksi 25% evaporasi Dengan naiknya aktivitas fisik maka metabolisme akan naik dengan sangat cepat. Kenaikan metabolisme bisa sampai 4-10 kali dari kerja yang dilakukan. Oleh karena itu efisiensi sekitar 10-25%. Jika suhu tubuh konstan, panas karena kenaikan metabolisme tubuh tentu harus dikeluarkan oleh tubuh. Hal ini dilakukan dengan cara menaikan sirkulasi peredaran darah di sekitar kulit. Suhu kulit akan naik dan tentunya panas yang dikeluarkan melaui radi...