1
Analisis Struktur Overhead Crane Kapasitas 35 Ton Dengan Modifikasi Tambahan Beban 6 Ton Penulis Eko Warsito, Dosen Pembimbing Ir. Amiadji, M.M., M.Sc, dan Irfan Syarif Arief, ST. MT Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected] Abstrak—Didalam dunia industri pada era sekarang semakin maju dan berkembang, maka untuk menunjang dalam kegiantanya dibutuhkan peralatan yang memadai agar lebih effisien dalam pengerjaan. Overhead crane merupakan peralatan yang sangat penting dalam proses pengerjaan didalam perusahaan bersekla besar yang berfungsi untuk mengangkat benda-benda berukuran besar. Dari segi fungsi pada overhead crane untuk mengangkat alat berat, maka diperlukan kontruksi yang kuat agar tidak terjadi defleksi pada kontruksi saat menerima beban. Kaki-kaki pada overhead crane merupakan kontruksi yang harus diperhatikan dari segi kekuatan karena semua beban akan didistribusi ke kaki-kaki. Maka diperlukan analisa untuk mengetahui kekuatan kontruksi tersebut pada analisa ini, dipilih overhead crane dengan SWL 35 ton dan tambahan berat modifikasi motor 6 ton yang menggunakan metode Finite element (metode elemen hingga) pada softwear Solidworks dengan pembuat pemodelan terlebih dahulu. Dari hasil analisa diperoleh hasil FOS dari salah satu kontruksi yaitu sebesar 0.8 yang berarti kontruksi belum safety untuk mengangkat beban sebesar 41 ton harus ada pengurangan beban sebesar 8.2 ton untuk mencapai nilai minimal FOS 1.
atau SWL ( Safety Work Load). Pada kontruksi crane yang sudah berumur, akan terdapat korosi dan pengelasan yang sudah rusak pada kontruksinya maka dilakukan analisa untuk mengetahui dinamika yang diterima apakah kontruksi yang sudah terpasang mampu bekerja pada beban maksimal. Pada analisa kontruksi lebih ditujukan pada kaki-kaki karena sebagian besar beban terpusat pada struktur kaki-kaki. Untuk penambahan beban pada struktur crane seperti penambahan motor, akan berpengaruh terhadap kaki-kaki karena beban yang diterima akan bertambah dengan berat motor yang ditambahkan dan apakah crane dapat mengangkat beban maksimal SWL dengan adanya penambahan beban motor atau harus ada pengurangan pada beban yang diangkat. Maka dari itu, analisa strukture pada crane dilakukan untuk mengetahui kekuatan struktur kaki-kaki dan beban maksimal yang diangkat dari SWL karena adanya penambahan beban.
Kata kunci— Defleksi, Finite element , Overhead crane, solidworks.
2.1 Overhead Crane Overhead crane merupakan alat pemindah yang mempunyai struktur kerangka menyerupai jembatan melintang diatas kepala yang ditumpu pada kedua ujungnya dengan roda-roda untuk berjalan sepanjang lintasan rel diatas lantai. Crane dapat dioperasikan secara manual dan juga dapat dioperasikan dengan listrik. Kebanyakan crane pada saat ini digerakkan dengan motor listrik, sehingga crane ini dikenal dengan overhead electric traveling crane.
D
I. PENDAHULUAN
idalam dunia industri, untuk menunjang aktifitas baik dalam proses pembangunan maupun produksi membutuhkan peralatan yang memadai agar dalam proses pengerjaanya lebih efisien. Pada industri berskala besar peralatan dan material yang digunakan relatif berat dan berukuran besar, maka diperlukan pesawat angkat seperti Crane untuk mempermudah proses pengerjaan seperti mengangkat suatu material maupun memindahkan mesin dan benda berat lainya, ada banyak macam jenis crane sesuai dengan kebutuhan suatu industri seperti tower crane, overhead crane, mobile crane dan gantry crane. Overhead crane adalah salah satu alat yang banyak digunakan diarea pertambangan minyak yang berfungsi untuk mengangkat atau memindahkan pompa-pompa pada saat riper. Cara kerja crane pada saat mengangkat secara vertical dan memindahkan secara horizontal menimbulkan beban massa pendulum sehingga masalah banyak terjadi pada dinamika dari struktur crane khususnya pada struktur kaki-kaki jenis overhead crane. kakikaki crane haruslah kuat untuk menopang beban maksimal
II. URAIAN MATERI
Gambar 1. Overhead crane dobel girder
2 Konstruksi overhead crane yang sering digunakan di dalam perusahaan ada dua jenis yaitu : - Overhead travelling crane berpalang tunggal (girder tunggal). - Overhead travelling crane berpalang ganda (girder ganda). Untuk jenis overhead crane yang berpalang ganda, ini memiliki dua jenis rancangan yang berbeda, yaitu : - Overhead travelling crane dengan troli berpalang diatas. - Overhead travelling crane dengan troli berpalang dibawah. 2.2 Sifat Mekanik Material Yield strength didefinisikan sebagai kekuatan material dimana material masih mampu manerima beban dan karena pengaruh beban ini maka material mengalami deformasi. Yield streng adalah titik yang membatasi daerah elastik dan daerahplastik dari material. Pada daerah elastik material yang terdeformasi dapat kembali ke bentuk semula dan pada daerah ini berlaku hukum hooke. Pada daerah ini besarnya tegangan akan sebanding dengan besarnya regangan. Sedangkan pada daerah plastik hukum hooke tidak berlaku dan pada daerah ini material yang telah terdeformasi tidak dapat kembali ke kondisi semula yaitu sebelum diberikan tegangan (stress).
Gambar 2. Kurva tegangan-regangan
Kekuatan tarik (tensile strength, ultimate tensile strength) adalah tegangan maksimum yang bisa ditahan oleh sebuah bahan ketika diregangkan atau ditarik, sebelum bahan tersebut patah. Kekuatan tarik adalah kebalikan dari kekuatan tekan, dan nilainya bisa berbeda. Beberapa bahan dapat patah begitu saja tanpa mengalami deformasi, yang berarti benda tersebut bersifat rapuh atau getas (brittle). Bahan lainnya akan meregang dan mengalami deformasi sebelum patah, yang disebut dengan benda elastis (ductile). Kekuatan tarik umumnya dapat dicari dengan melakukan uji tarik dan mencatat perubahan regangan dan tegangan. Titik tertinggi dari kurva tegangan-regangan disebut dengan kekuatan tarik penghabisan (ultimate tensile strength). Nilainya tidak bergantung pada ukuran bahan, melainkan karena faktor jenis bahan. Faktor lainnya yang dapat mempengaruhi seperti keberadaan zat pengotor dalam bahan, temperatur dan kelembaban lingkungan pengujian, dan penyiapan spesimen. Dimensi dari kekuatan tarik adalah gaya per satuan luas. Dalam satuan SI, digunakan pascal (Pa) dan kelipatannya
(seperti MPa, megapascal). Pascal ekuivalen dengan Newton per meter persegi (N/m²). Satuan imperial diantaranya poundgaya per inci persegi (lbf/in² atau psi), atau kilo-pound per inci persegi (ksi, kpsi). 2.3 Finite Element Method
Finitie Element adalah salah satu dari metode numerik yang memanfaatkan operasi matrix untuk menyelesaikan masalah-masalah fisik. Semakin rumit perilaku fisiknya (karena kerumitan bentuk geometri, banyaknya interaksi beban, constrain, dan sifat material) maka semakin sulit untuk di bangun suatu model matematik yang bisa mewakili permasalahan tersebut. Alternatif metodenya adalah dengan cara membagi kasus tadi menjadi bagian-bagian kecil yang sederhana yang mana pada bagian kecil tersebut bisa membangun model matematik dengan lebih sederhana. Kemudian interaksi antar bagian kecil tersebut ditentukan berdasarkan fenomena fisik yang akan diselesaikan. Metode ini dikenal sebagi metode elemen hingga, karena membagi permasalahan menjadi sejumlah elemen tertentu (finite) untuk mewakili permasalah yang sebenarnya jumlah elemennya adalah tidak berhingga (kontinum) 2.4 Software Solidworks SolidWorks adalah software CAD 3D yang dikembangkan oleh SolidWorks Coorporation. SolidWorks merupakan salah satu 3D CAD yang sangat populer saat ini. di Indonesia sudah banyak sekali perusahhan manufacturing yang mengimplementasikan software SolidWorks. SolidWorks dalam penggambaran / pembuatan model 3D menyediakan feature-based, parametric solid modeling. Feature- based dan parametric ini yang akan sangat mempermudah bagi usernya dalam membuat model 3D [10]. Karena hal ini akan membuat kita sebagai pengguna bisa membuat model sesuai dengan keinginan kita. SolidWorks merupakan salah satu software CFD (Computanional Fluid dynamics). CFD sebenarnya mengganti persamaan – persamaan diferensial parsial dengan persamaan – persamaan aljabar. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga). III. ANALISA DAN PEMBAHASAN 3.1 Struktur Crane Struktur crane yang akan dianalisa merupakan crane jenis overhead travelling crane tipe dobel girder milik perusahaan Pertamina Badak LNG dimana crane tersebut digunakan untuk mengangkat pompa berukuran besar pada saat repair dan berlokasi pada bibir pantai. Analisa tegangan dilakukan untuk mengetahui kekuatan truss pada saat crane mengangkat beban maksimal karena titik berat segala beban ditumpu oleh truss. Maka untuk mengghitung tegangan yang terjadi dengan pemodelan pada softwear Solid Work, dibutuhkan arragement struktur crane tersebut. Dibawah ini merupakan spesifikasi crane yang dipakai oleh perusahaan Pertamina Badak LNG dan gambar arrangementnya.
3 Tipe crane Model crane No. seri No item SWL Tahun pembuatan Tahun pemakaian Penggunaan Standar acuan Pabrik pembuatan
: Overhead Travelling Crane : Double Girder : HFY 36216 : 35T-04 : 35 ton : 2004 : 2005 : Lifting equipment : ASME/ANSI B 30.2 : Kronco Inc. USA
3.2 Pembuatan Model Pembuatan model structure dengan cara mensket terlebih dahulu sesuai ukuran yang telah ditentukan sebelumnya. Setelah mensket ukuran model, berikutnya adalah memasang profil dengan perintah structure member.
Gambar 5. Analisa displacement pada posisi train A-B beban tengah
Gambar 6. Analisa strain pada posisi train A-B beban tengah
Gambar 3. Assembly strukture kaki-kaki dengan overhead crane
3.3 Proses Analisa Beban Statis Untuk simulasi pemodelan ini beban berupa force pada crane dengan berat SWL 35 ton dan tambahan modifikasi motor beserta perlengkapannya dengan berat 6 ton. Maka berat keseluruhan yang akan ditopang overhead crane dan diteruskan ke kaki-kaki seberar 41 ton atau 402000 Newton. Dibawah ini merupakan hasil analisa tegangan, regangan, displacemen dan factor safety pada train A-B, F-G, I-J. Gambar 7. Analisa factor safety pada posisi train A-B beban tengah Table 1. Hasil simulasi train A-B, F-G, I-J HASIL ANALISA PADA KAKI-KAKI OVERHEAD CRANE HASIL ANALISA DENGAN BEBAN 41 TON LETAK OVERHEAD CRANE
LETAK PEMBEBANAN
Axial Stress (N/mm²) +
TRAIN A-B
TRAIN F-G
TRAIN I-J
Gambar 4. Analisa stress pada posisi train A-B beban tengah
-
Displacement (mm)
Strain
FOS
Beban Tengah
5.7
10.8
79.16
0.000733
1.6
Beban Samping
9.9
14.2
30.98
0.000829
1.5
Beban Tengah
5.3
10.5
79.53
0.000733
1.6
Beban Samping
9.3
13.9
31.39
0.000479
3.6
Beban Tengah
9.6
18.3
83.04
0.000735
1.3
Beban Samping
16.7
31.7
35.3
0.001228
0.79
4
Dari hasil simulasi tersebut pada simulasi train I-J beban samping mengalami tegangan paling besar dan FOS paling kecil. Dari hasil analisa yang ada, kontruksi setiap train akan sangat berpengaruh pada hasil dari pada nilai simulasi. Pada train I-J memiliki nilai simulasi buruk karena dari segi kontruksi train I-J relative rendah yaitu pada tengah-tengah ril girder hanya ditumpu satu profil T secara vertical dengan jarak antara train I dengan train J relative jauh yaitu 8.75 m yang akan mengakibatkan defleksi pada ril saat dibebani 41 ton atau 402000 newton, sedangkan jarak antar train A dengan B dan F dengan G yaitu 5,5m dan 5,8m dengan tumpuan dua pipa membentuk segitiga jauh lebih kuat dibandingkan kontruksi pada train I-J. Untuk nilai FOS minimal yang di ijinkan pada suatu kontruksi yaitu sebesar 1, nilai 1 pada FOS menunjukan berat maksimal yang dapat diterima oleh suatu kontruksi, bila nilai FOS dibawah 1 berarti kontruksi menerima beban melebihi dari maksimal, maka kontruksi akan mengalami kerusakan karena tidak lagi mampu menopang beban sebesar 41 ton. Untuk itu harus ada pengurangan beban untuk mencapai nilai FOS minimal 1 maka: Untuk nilai Pmax = FOS hasil simulasi x P = 0.8 x 402000 N = 321600 N = 32.8 ton Dimana:
P = 402000 N FOS = 0.8 Maka beban yang harus dikurangi sebesar: = 402000 – 321600 = 80400 N = 8.2 ton
3.4 Proses Analisa Beban Dinamis Pada simulasi yang dilakukan yaitu pada simulasi A-B, FG, I-J merupakan simulasi static. Pada kenyataannya crane pada saat mengangkat beban beban yang terdapat merupakan beban dinamis dimana beban dinamis terjadi pada saat crane mengangkat benda dan dengan dipindahkan menggunakan motor dengan cara girder pada crane bergerak melewati ril yang tertopang pada kaki-kaki. Pada softwear solidworks tidak terdapat tipe simulasi pembebanan dinamis, maka untuk pembebanan dinamis dilakukan simulasi pendekatan yaitu beban yang sudah ada ditambah dengan beban sebesar 30% dari desain beban sebesar 41 ton maka penambahan beban sebesar 30% yaitu 12.3 ton dengan total beban dinamis sebesar 53.3 ton = 523000 N. Simulasi dilakukan pada train A-B, F-G dan I-J. Dari simulasi-simulasi yang sudah dilakukan pada train I-J memiliki nilai Fos rata-rata dibah 1. Maka untuk itu pada train I-J dilakukan bembenaran kontruksi pada train I-J dimana train I-J terdapat profil T yang akan diganti seperti kontruksi pada train I. gambar bisa dilihat dibawah.
Profil T yang sudah diganti
Gambar 8. Profil T sudah diganti
Setelah penggantian profil T menjadi kontruksi seperti diatas maka dilakukan analisa untuk mengetahui hasil nilai mekanika. Analisa dilakukan dengan dua pembebanan yang berbeda yaitu beban ditengan dan beban disamping dengan beban sebesar 53.3 ton hasil analisa sebagai berikut: Table 2. Hasil simulasi train A-B, F-G, I-J beban dinamis HASIL ANALISA BEBAN DINAMIS PADA KAKI-KAKI OVERHEAD CRANE
LETAK OVERHEAD CRANE
TRAIN A-B
TRAIN F-G
TRAIN I-J
HASIL ANALISA DENGAN BEBAN 53.3 TON LETAK PEMBEBANAN
Axial Stress (N/mm²) + -
Displacement (mm)
Strain
FOS
Beban Tengah
5.6
13.1
107.30
0.0009698
1.3
Beban Samping
10.1
33.8
33.80
0.0007097
0.93
Beban Tengah
6.8
13.6
10.72
0.0009685
1.3
Beban Samping
12.0
18.1
33.75
0.0006449
2.1
Beban Tengah
13.2
24.0
108.3
0.001002
0.97
Beban Samping
23.5
43.2
37.12
0.001730
0.56
Table 3. Hasil simulasi train I-J dengan profil T menjadi struktur train I HASIL ANALISA PADA TRAIN I-J LETAK OVERHEAD CRANE
TRAIN I-J
HASIL ANALISA DENGAN BEBAN 53.3 TON LETAK PEMBEBANAN
Axial Stress (N/mm²) + -
Displacement (mm)
Strain
FOS
Beban Tengah
3.4
10.4
81.92
0.000744
1.7
Beban Samping
5.9
13.1
25.38
0.000494
3.1
IV. KESIMPULAN DAN SARANAN 4.1 Hasil analisa beban statis sebesar 41 ton 1. Analisa train A-B beban pada posisi tengah Tegangan sebesar + 5,7 N/mm² dan – 10.8 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 79.16 mm Strain pada girder sebesar 0.000733 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 1.6 2. Analisa train A-B beban pada posisi samping Tegangan sebesar + 9,9 N/mm² dan – 14.2 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 30.98 mm Strain pada girder sebesar 0.000829 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 1.5
5
Analisa train F-G beban pada posisi tengah Tegangan sebesar + 5,3 N/mm² dan – 10.5 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 79.53 mm Strain pada girder sebesar 0.000733 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 1.6 4. Analisa train F-G beban pada posisi samping Tegangan sebesar + 9.3 N/mm² dan – 13.9 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 31.39 mm Strain pada girder sebesar 0.000479 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 3.6 5. Analisa train I-J beban pada posisi tengah Tegangan sebesar + 3.4 N/mm² dan – 10.4 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 81.92 mm Strain pada girder sebesar 0.000744 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 1.7 6. Analisa train I-J beban pada posisi samping Tegangan sebesar + 5.9 N/mm² dan – 13.1 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 25.38 mm Strain pada girder sebesar 0.000494 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 3.1
3.
4.2 Hasil analisa beban dinamis sebesar 53.3 ton 1. Analisa train A-B beban pada posisi tengah Tegangan sebesar + 5,6 N/mm² dan – 13.1 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 107.3 mm Strain pada girder sebesar 0.000969 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 1.3 2. Analisa train A-B beban pada posisi samping Tegangan sebesar + 10.1 N/mm² dan – 33.8 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 33.8 mm Strain pada girder sebesar 0.000709 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 0.93 3. Analisa train F-G beban pada posisi tengah Tegangan sebesar + 6.8 N/mm² dan – 13.6 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 10.72 mm Strain pada girder sebesar 0.000968 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 1.3 4. Analisa train F-G beban pada posisi samping Tegangan sebesar + 12.0 N/mm² dan – 18.1 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 33.75 mm Strain pada girder sebesar 0.000644 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 2.1 5. Analisa train I-J beban pada posisi tengah Tegangan sebesar + 13.2 N/mm² dan – 24.0 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 108.3 mm Strain pada girder sebesar 0.001002 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 0.97
6.
Analisa train I-J beban pada posisi samping Tegangan sebesar + 23.5 N/mm² dan – 43.2 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 37.12 mm Strain pada girder sebesar 0.001730 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 0.56
4.3 Hasil analisa beban dinamis sebesar 53.3 ton pada train I-J dengan profil T sudah diganti seperti kontruksi train I 1. Analisa train I-J beban pada posisi tengah Tegangan sebesar + 3.4 N/mm² dan – 10.4 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 81.92 mm Strain pada girder sebesar 0.000744 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 1.7 2. Analisa train I-J beban pada posisi samping Tegangan sebesar + 5.9 N/mm² dan – 13.1 N/mm² dengan σ yiald strength material sebesar 455 N/mm² Displacement pada girder sebesar 25.38 mm Strain pada girder sebesar 0.000494 Factor safety pada struktur kaki-kaki sebesar 3.1 DAFTAR PUSTAKA Setyo Perdhana, R. 2010, Perancangan Overhead Crane Tipe Ekwe 5 ton x 40 m. ITS, Surabaya [2] Augustinus, E. 2010. Perancangan Overhead Travelling Crane Berpalang Tunggal Kapasitas 10 ton. Universitas Sumatera Utara. [3] Andi, S. 2008. Sifat Material.ITS, Surabaya [4] Bethara putra AP, FT UI 2008, Simulasi impact spherical. [5] Bahtiar. 2010. Estimating young’s Modulus and Modulus of Rupture of Coconut Logs using Reconstruction Method. Civil Engineering Dimension. Surabaya. [6] Popov,E P,1996,Mekanika teknik, edisi kedua, erlangga, Jakarta [7] Louhenapessy, Jandri. 2010. Analisa Kelelahan Material Condylar Prosthesis dari Groningen Temporomandibular Joint Prosthesis Menggunakan Metode Elemen Hingga. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh November. [8] Daryl L.Logan 1992,a first course in the finite element method,PWS publishing company,boston,USA. [9] Alam, M.S., 2005, Finite element Modeling of Fatigue Crack Growth in Curved-Welded Joints Using Interface Elements. Illinois: University of Illinois. [10] Ridwan, S. 2010 Technical support solidworks. PT. Arisma Data Setia. [1]
