studi perbandingan analisa desain fourangle … · analisa yang dilakukan hanya pada rangka -...
TRANSCRIPT
STUDI PERBANDINGAN ANALISA DESAIN FOURANGLE TOWER CRANE DENGAN
ANALISA DESAIN TRIANGLE TOWER CRANE MENGGUNAKAN PROGRAM ANSYS 12.0
DOSEN PEMBIMBING:
Prof. Ir. I NYOMAN SUTANTRA, MSc. PhD.
OLEH:
KOMANG MULIANA PRANATHA
2106.100.043
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
2012
LATAR BELAKANG
Merupakan salah satu pesawat pengangkat dan
pemindah barang / material
Biasa digunakan untuk mengangkat &
memindahkan barang / material pada ketinggian
minimal 100 ft
( ≈ 30 meter )
Selama ini digunakan Tower crane jenis Fourangle
Tower crane dimana towernya menggunakan
empat batang penopang (berbentuk segi empat)
TOWER CRANE
BAGIAN – BAGIAN TOWER CRANE
Jib atau Boom, merupakan lengan tower crane yang terdiri dari
elemen-elemen besi yang tersusun menjadi satu bagian rangka
batang. Pemasangan jib harus sesuai dengan keperluan dan
persyaratannya, baik dengan panjang yang standard maupun
yang mencapai maksimum
counter jib yang berfungsi sebagai jib penyeimbang terhadap
boom yang terpasang. Counter jib dilengkapi counter weight,
yang berfungsi sebagai bebannya
hoist adalah bagian tower crane yang berfungsi sebagai alat
angkut arah vertikal. Sedangkan trolley, adalah bagian tower
crane yang berfungsi sebagai alat angkut tower crane arah
horisontal
Pondasi digunakan untuk menopang Tower crane agar
dapat berdiri tegak di atas tanah
Mast Section (rangka / tower) merupakan tiang vertikal
atau rangka yang berdiri di atas base atau dasar. Rangka
ini berfungsi sebagai penyangga agar jib dapat berdiri
tegak sehingga dapat memindahkan dan mengangkat
barang dengan baik
Slewing mechanism adalah suatu alat penghubung antara
rangka dan jib agar dapat berputar sesuai dengan arah
yang dinginkan. Mekanisme slewing ini dapat berputar
360o sehingga dapat menjangkau seluruh area gedung
ataupun bangunan lainnya
Bagian paling atas dari tower crane ini berfungsi untuk
penyangga dan penyeimbang antara jib dan counter jib
BATASAN MASALAH
Analisa yang dilakukan hanya pada rangka - rangka penopang Tower crane
Material elemen adalah uniform
Gaya yang diperhitungkan adalah berat rangka Tower crane, berat counter weight, berat beban yang diangkat dan mekanisme yang akan terjadi dalam penggunaannya
Pengaruh pengelasan diabaikan karena dianggap baik dan kuat
Pengaruh temperatur diabaikan
Selama beban diangkat, beban dianggap stabil, tidak goyang dan berayun
Cara membangun dan menegakkan Tower Crane tidak diperhitungkan
TUJUAN
Mengetahui respon struktur berupa tegangan pada Triangle
Tower Crane, sehingga dapat diketahui tegangan maksimal
dan daerah kritis yang terdapat pada struktur kerangka
Mengetahui defleksi maksimum yang mungkin terjadi pada
struktur kerangka pada Triangle Tower Crane
Membandingkan analisa defleksi, tegangan, dan b erat
struktur rangka yang terdapat pada Triangle Tower Crane dan
Fourangle Tower Crane
KAJIAN PUSTAKA
Rinto Eko Bintoro (2101100053) berjudul:
“ Analisa Tegangan Pada Struktur Tower Crane Dengan
Menggunakan Ansys 8.0”
Dengan menggunakan material AISI 1018 (ST 3) dengan
tensile yield strength sebesar 370 Mpa
pembebanan maksimum 2500 kg.
dengan panjang jib 30 meter dengan pembebanan sebesar
1000 kg
defleksi maksimal sebesar 9,34 milimeter
tegangan kritis maksimal sebesar 0,194177
Observasi ke lapangan
Mencari informasi lebih detail
tentang Tower crane
METODOLOGI
Bagaimana mengetahui tegangan
maksimal dan daerah kritis yang
terdapat pada struktur kerangka Triangle
Tower Crane
Mengetahui defleksi maksimum yang
mungkin terjadi pada setiap bagian –
bagian dari sturktur kerangka pada
Triangle Tower Crane
Membandingkan analisa pada Triangle
Tower Crane dan Fourangle Tower Crane
Dalam konstruksi fourangle tower crane
konstruksi yang dibentuk penampang kaki
empat berbentuk segiempat sama sisi
dengan jarak 0,8 meter. Untuk itu akan
diubah menjadi segitiga sama sisi. Dengan
analisa menggunakan program bantu
didapatkan jarak antar batang penampang
tower mendekati 1 m
DATA – DATA FOURANGLE CRANE
Dari data referensi didapatkan data – data teknis pada Fourangle Tower Crane
jenis Liebherr 30 LC, yaitu:
Merk, model, &tahun pembuatan : Liebherr 30 LC tahun 1996/1997
Negara asal : Jerman
Panjang Jib : 30 m
Ketinggian Tower : 30 m
Tipe pengangkat : electromotor trolley
Kecepatan putar Jib : 0 – 0,8 rpm
Kecepatan Trolley sepanjang Jib : 0,3166 – 0,55 m/s
Kecepatan angkat (hoisting) : 0,6667 m/s
Tower head section with slewing ring support mass : 2950 kg
Cabin + seat : 440 kg
Massa counterweight : 3900kg
Berat counter jib serta peralatan di atasnya : 5390 kg
Berat Jib : 3865 kg
Berat beban angkat : 1000 kg
Berat beban angkat max : 2500 kg
GAYA ANGIN
dimana:
F = Gaya pada permukaan elemen sesuai arah
angin
q = Tekanan permukaan elemen pada
ketinggian
A = Luasan
Cd = Koefisien drag total
h = Ketinggian (dihitung tiap-tiap kenaikan
10 meter)
ho = ketinggian referensi (10 meter)
V = Kecepatan angin
ρ = Massa jenis udara
= 1,3 kg/m3
p = Power Law Exponent
: 1/7 untuk daerah terbuka atau pantai,
1/3 untuk daerah hutan dan perkotaan
luasan batang – batang yang mendapat
gaya angin pada arah depan pada jarak 0 -
10 meter, 10 meter - 20 meter adalah :
2 x 14 batang vertikal
A = 2 x 14 ( 78mm x 0,7m )
= 2 x 14 ( 0,078 m x 0,7m )
= 1,53 m2
2 x 14 batang diagonal
A = 2 x 14 ( 38mm x 0,99m)
= 2 x 14 ( 0,038 m x 0,99m )
= 1,05 m2
1 x 14 barang horizontal
A = 1 x 14 ( 31mm x 0,86,m)
= 1 x 14 ( 0,031 m x 0,86m )
= 3,73 m2
Jadi, total luasannya adalah :
Atot = 1,53 m2 + 1,05 m2 + 3,73 m2
= 6,31 m2
Sedangkan luasan batang – batang mendapat
gaya angin pada jarak 20 - 30 meter adalah
2 x 14 batang vertikal
A = 2 x 14 ( 78mm x 0,7m )
= 2 x 14 ( 0,078 m x 0,7m )
= 1,53 m2
2 x 14 batang diagonal
A = 2 x 14 ( 38mm x 0,99m)
= 2 x 14 ( 0,038 m x 0,99m )
= 1,05 m2
1 x 14 barang horizontal
A = 1 x 14 ( 31mm x 0,86 m)
= 1 x 14 ( 0,031 m x 0,86 m )
= 3,73 m2
Counter weight
A = 3m x 1,5 m
= 4,5 m2
Jadi, total luasannya adalah :
Atot (depan) = 1,53 m2 + 1,05 m2 + 3,73, m2
+4,5m2 = 10,81 m2
Luasan batang – batang mendapat gaya angin
pada jarak 30 – 40 m
1 x 1 batang horizontal bawah (jib)
A = 1 x 1 ( 62mm x 30m )
= 1 x 1 ( 0,062 m x 30m )
= 1,86 m2
1 x 1 batang horizontal atas (jib)
A = 1 x 1 ( 62mm x 27m)
= 1 x 1 ( 0,062 m x 27m )
= 1,7 m2
2 x 20 batang diagonal jib
A = 2 x 20 (32mm x 1m)
= 2 x 20 (0,032 m x 1m)
= 1,28 m2
1 x 1 batang horizontal counter jib
A = 1 x 1 (305mm x 9m)
= 1 x 1 (0,305 m x 9m )
= 2,705 m2
2 x 1 batang tower top
A = 2 x 1 (84mm x 6.5m)
= 2 x 1 (0,084 m x 6.5m)
= 1,118m2
Counter weight
A = 3m x 1,5 m
= 4,5 m2
Jadi, total luasannya adalah :
Atot = 1,86 m2+ 1,7 m2+ 1,28 m2 + 2,705 m2 + 1,118 m2 + 4,5 m2
= 11,883 m2
Kemudian dihitung Gaya angin yang terjadi pada
Triangle Tower Crane pada jarak- jarak tertentu (untuk arah
samping):
• Gaya angin pada ketinggian 0 – 10 meter
F = q. A. Cd
Dimana: q = 406,25 N/m2 A = luasan
Cd = 2,03 (tabel)
F = 406,25 N/m2. 6,31 m2 . 2,03
= 3381,2 N
• Gaya angin pada ketinggian 10 – 20 meter
F = q. A. Cd
Dimana: q = 644.8817 N/m2 N/m2 A = luasan
Cd = 2,03 (tabel)
F = 644, 88 N/m2. 6,31 m2 . 2,03
= 5367, 3 N
• Gaya angin pada ketinggian 20 – 30 meter
F = q. A. Cd
Dimana: q = 845.0341 N/m2 A = luasan
Cd = 2 (tabel)
F = 845,03 N/m2.10,81 m2. 2,03
= 13860,5 N
• Gaya angin pada ketinggian 30 – 40 meter
F = q. Acj. Cd
Dimana: q = 1023.686 N/m2 Acj = luasan beban
Cd = 2 (tabel)
F = 1023.69 N/m2. 11,883 m2 . 2,03
= 13195,88 N
luasan batang – batang yang mendapat
gaya angin pada jarak 0 - 10 meter, 10meter - 20
meter arah samping adalah
3 x 14 batang vertikal
A = 3 x 14 ( 78mm x 0,7m )
= 3 x 14 ( 0,078 m x 0,7m )
= 2,3 m2
•1 x 14 batang diagonal belakang
A = 1 x 14 ( 38mm x 1,2m)
= 1 x 14 ( 0,038 m x 1,2m )
= 0,64 m2 2 x 14 batang diagonal samping
A = 2 x 14 ( 38mm x 0,86m)
= 2 x 14 ( 0,038 m x 0,86m)
= 0,91 m2
1 x 14 barang horizontal
A = 1 x 14 ( 31mm x 1m)
= 1 x 14 ( 0,031 m x 1m )
= 0,434 m2
Jadi, total luasannya adalah :
Atot = 2,3 m2 + 0,64 m2 + 0,91 m2 + 0,434 m2 = 4,284 m2
Sedangkan luasan batang – batang mendapat gaya angin pada jarak 20 - 30 meter adalah •2 x 12 batang vertikal A = 2 x 12 ( 78mm x 0,7m ) = 2 x 12 ( 0,078 m x 0,7m ) = 1,53 m2
•2 x 12 batang diagonal depan A = 2 x 12 ( 38mm x 8,6m) = 2 x 12 ( 0,038 m x 8,6m ) = 0,915 m2
•1 x 12 barang horizontal A = 2 x 12 ( 31mm x 0,8m) = 2 x 12 ( 0,031 m x 0,8m ) = 0,6 m2
•Counter weight A = 3m x 1,5 m = 4,5 m2 Jadi, total luasannya adalah : Atot (depan)= 1,53 m2 + 0,915 m2 + 0,6 m2 + 4,5m2 = 7,545 m2
luasan batang – batang yang mendapat gaya angin pada jarak 30 - 40 meter arah samping adalah 2 x 1 batang tower top A = 2 x 1 (84mm x 6,52m) = 2 x 1 (0,084 m x 6,52m) = 1,1 m2 Counter weight A = 3m x 1,5 m = 4,5 m2 Jadi, total luasannya adalah : Atot = 1,1 m2 + 4,5 m2 =5,6 m2
Jarak Luas batang
(arah samping)
Luas batang
(arah depan)
Gaya Angin
(arah samping)
Gaya Angin
(arah depan)
0 – 10 meter 4,284 m2 6,31 m2 3381,2 N 2812,18 N
10 – 20 meter 4,284 m2 6,31 m2 5367, 3 N 4110,6 N
20 – 30 meter 7,545 m2 10,81 m2 13860,5 N 13568,9 N
30 – 40 meter 5,6m2 11,883 m2 13195,88 N 29914,12 N
GRAFIK GAYA ANGIN TERHADAP KETINGGIAN
Dari grafik dapat dilihat
bahwa untuk gaya angin (arah depan)
semakin tinggi terjadi peningkatan
gaya angin, sedangkan untuk arah
samping terjadi penurunan untuk
ketinggian > 30 meter. Hal ini
tergantung pada luasan batang yang
mendapat tekanan permukaan.
GAYA TROLLEY / GAYA BERJALAN
Pada Tower crane, beban dapat dipindahkan dengan menggunakan tali
dari ujung tower crane menuju titik pusat atau sesuai jarak yang ditentukan. Pada
kasus ini gaya gerakan trolley dapat diabaikan dengan syarat beban yang diangkat
sesuai dengan beban yang diijinkan pada desain awal dari jib tower crane jenis
Liebherr 30 LC yang ditujukan pada tabel 2.1. Dari tabel dapat dilihat bahwa beban
maksimal yang dapat diangkat oleh Tower crane adalah sebesar 2500 kg. pada
jarak 14,0 m; 20,4 meter ; 24,7 meter ; dan 30 meter akan dijadikan variasi beban
dalam perhitungan program ansys
GAYA AYUN
Gerakan yang terjadi saat jib berputar dan rangka dalam keadaan diam,
akan terjadi sudut yang besarnya tertentu terhadap sumbu vertikal. Tetapi untuk
putaran sudut yang kecil ( < 1 rpm ) tepatnya 0,8 rpm, maka gaya ayun dapat
diabaikan.
GAYA HOISTING / GAYA ANGKAT
Jadi, analisa yang didapatkan adalah ketika Tower
crane akan mengangkat beban sebesar 1000 kg
(10.000 N) pada jarak 30 meter dari jib maka gaya
angkatnya yang diperlukan oleh Tower crane
tersebut menjadi 11.100 N.
MOMEN DENGAN BEBAN
Dengan mengasumsikan arah positif dalah CW dengan momen pada pusat rangka (Fp):
Mfp = - Fcw (10,5m) - Fcj (4,5m) + Fj (15m) + T (30m)
= - 39.000 N (10,5m) – 8.700 N (4,5) + 22.650 N (15m) + 11.100 N (30m)
= 224.100 Nm
Mencari gaya tekan yang bekerja pada sumbu pusat Tower crane:
Σfy = 0
- Fcw - Fcj - Fj + Fp1 - T = 0
Fp1 = Fcw + Fcj + Fj + Wm
Fp1 = 39.000 N + 8700 N + 22.650 N + 11.100 N
Fp1 = 81.450 N
MOMEN TANPA BEBAN
Σfy = 0
- Fcw - Fcj - Fj + Fp1 = 0
Fp1 = Fcw + Fcj + Fj
Fp1 = 39.000 N + 8700 N + 22.650 N
Fp1 = 70.350 N
Dengan mengasumsikan arah positif dalah CW dengan momen pada pusat
rangka (Fp):
ΣMFp1 = 0
MFp1 = - Fcw (10,5 m) - Fcj (4,5 m) + Fj (15 m)
MFp1 = - 39.000 N (10,5 m) - 8.700 N (4,5 m) + 22.650 N (15 m)
MFp1 = -108.900 Nm
ANALISA SOFTWARE ANSYS
Set Preference
Main menu > Preference
Pilih analisa structural dan h-method pada
kotak dialog Preference for GUI Filtering
Mendefinisikan Tipe Elemen
Main Menu > Preprocessor > Element Type > Edit > Add
Pilih structure / tipe element yang digunakan dalam analisa tersebut. Dalam
program ini dipakai tipe element Beam 189
Spesifikasi Material Properties
Main Menu > Preprocessor > Material Properties > Material Properties
Double klik Structural > Linear > Elastic >isotropic
Masukkan nilai Poisson Ratio dan Modulus Young, serta nilai Density
Dari matweb.com diketahui:
Meshing Geometry
Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool
Apply Load
Main Menu > Preprocessor > Loads > Define loads > Apply > Structural >
Force/Moment > On Keypoint
Masukkan nilai pembebanan pada kolom VALUE
Solve
Main Menu > Solution > Solve > Current LS
Perintah ini digunakan untuk running program. Hasil dari running
program ini akan digunakan untuk menganalisa pemodelan ini
selanjutnya.
VON MISES STRESS
Stress Distribution
Main Menu > General Postproc > Plot Results > Countour Plot > Nodal
Solution > Stress > Stress Intensity
DEFLEKSI
Defleksi
Main Menu > General Postproc > Plot result > Countour Plot > Nodal Solution > DOF
Solution >Displacement Vector Sum
Perintah ini untuk mendapatkan defleksi arah X,Y,Z dari hasil yang didapatkan
1
MN
MX
X
Y
Z
0
.004166.008332
.012498.016665
.020831.024997
.029163.033329
.037495
NODAL SOLUTION
STEP=1
SUB =1
TIME=1
USUM (AVG)
RSYS=0
DMX =.037495
SMX =.037495
1
MN
MX
X
Y
Z
0
.003787.007575
.011362.01515
.018937.022725
.026512.030299
.034087
NODAL SOLUTION
STEP=1
SUB =1
TIME=1
USUM (AVG)
RSYS=0
DMX =.034087
SMX =.034087
1
MN
MX
X
Y
Z
0
.003409.006817
.010226.013635
.017043.020452
.023861.027269
.030678
NODAL SOLUTION
STEP=1
SUB =1
TIME=1
USUM (AVG)
RSYS=0
DMX =.030678
SMX =.030678
1
MN
MX
X
Y
Z
0
.00303.00606
.00909.01212
.01515.01818
.02121.024239
.027269
NODAL SOLUTION
STEP=1
SUB =1
TIME=1
USUM (AVG)
RSYS=0
DMX =.027269
SMX =.027269
Contoh hasil: beban variasi
Dalam perhitungan tegangan dengan menggunakan ANSYS 11.0 ini,
digunakan variasi panjang jib dan besar pembebanan untuk mencari
Tegangan Kritis dan Defleksi Maksimum
Panjang Jib (m) Massa (kg)
30 1000
24,7 1250
20,4 1570
14 2420
Tegangan Von Mises
Dengan gaya angin
Arah Depan (Mpa)
Tegangan Von Mises
Dengan gaya angin
Arah Samping (Mpa)
172 105
172 105
172 105
174 114
Defleksi maximum
Dengan gaya angin
arah depan (mm)
Defleksi maximum Dengan gaya angin arah
Samping (mm)
23,861 3,049
30,678 10,226
34,087 17,043
37,495 27,269
GRAFIK TEGANGAN VON MISES
Dari grafik dapat dilihat bahwa makin besar massa yang diangkat maka besar
tegangan kritis yang didapatkan akan makin besar. Nilai tegangan von mises terbesar
terdapat saat massa yang diangkat sebesar 2420 kg pada jarak 14 meter yaitu 174 MPa
arah depan dan 114 Mpa untuk arah samping
•BIRU : GAYA ANGIN ARAH DEPAN
•MERAH : GAYA ANGIN ARAH SAMPING
GRAFIK DEFLEKSI MAKSIMUM
• BIRU : GAYA ANGIN ARAH DEPAN
• MERAH : GAYA ANGIN ARAH SAMPING
Dari grafik dapat dilihat bahwa makin besar massa yang diangkat maka
besar defleksi maksimal yang mungkin terjadi akan makin besar. Nilai defleksi
maksimal terbesar terdapat saat massa yang diangkat sebesar 2420 kg pada
panjang jib sebesar 14 meter yaitu sebesar 27,637 mm pada arah angin dari bagian
samping dan 37,495 mm untuk arah angin dari depan.
BERAT STRUKTUR TOWER CRANE
Dari hasil running program Ansys
disebutkan berat tower yang terjadi sebesar
2674,5 kg (2,675 ton). Hasil ini dibandingkan
dengan berat sebenarnya:
• Tower head section with slewing ring support
mass : 2950 kg
Setelah dibandingkan ternyata
massa total tower dari Triangle tower crane
lebih rendah daripada massa dari Fourangle
Tower Crane. Dengan hasil ini, dapat
diasumsikan bahwa material yang diperlukan
untuk membangun sebuah Triangle tower
crane lebih sedikit daripada material yang
dibutuhkan untuk membangun Fourangle
Tower Crane.
KESIMPULAN Dari hasil analisa pada struktur Triangle Tower Crane, maka dapat diperoleh
kesimpulan sebagai berikut:
Pada struktur Fourangle Tower Crane, defleksi maksimum yang terjadi sebesar
10,966 mm sedangkan pada struktur Triangle Tower Crane didapatkan defleksi
maksimum sebesar 37,4 mm
Defleksi ijin maksimum yang didapatkan harus ≤ 37,5 mm
Sehingga besar defleksi yang terjadi masi dalam keadaan aman.
Pada struktur Fourangle Tower Crane, Tegangan maksimum (kritis) yang terjadi
sebesar 0.190 Mpa sedangkan pada struktur Triangle Tower Crane didapatkan
Tegangan maksimum sebesar 174 Mpa
Tegangan maksimum yang didapatkan harus ≤ 185 Mpa
Sehingga besar Tegangan maksimum yang terjadi masi dalam keadaan aman
Berat struktur rangka tower dari Triangle Tower Crane sebesar 2674,5 kg sedangkan
berat struktur rangka dari Fourangle Tower Crane sebesar 2950 kg.