Comparative Study of Fourangle Tower Crane Design Analysis with Triangle Tower Crane Design Analysis Using Ansys 12.0 Nyoman Sutantra, Komang Muliana Pranatha Abstract - Crane is an equipment that used to lift and move an object heavy object on a work. The benefit of using crane is the ability to moving and lifting a heavier object than the crane its self. The application of using crane is on the construction building, heavy weight equipment moving, and loading and unloading process of cargo on the harbour. One of several types of crane is Tower crane. This kind of crane is fourangle tower crane types that use four legs as support. For this purpose, we will analyze to design a new type of tower crane that use three support legs called Triangle Tower Crane. In analysis, a Fourangle Liebher crane used as a comparation. Until 2010 there were not any companies that produce and use this kind of crane. The first step of designing Triangle Tower Crane is changing the tower structure, after that the design is drew in autocad form. From the design, then it is analyzed by using ANSYS 12.0 to getting the deflection, critical load, and the weight of the crane structure. The result got from the analysis then to be compared with the Fourangle Tower Crane. From the Ansys 12.0 computation and programming, got the maximum deflection of Triangle Tower Crane structure is 37,44mm, maximum load (Von Misses Load) 174 MPa, and the weight of the crane structure is 16113,5 kg. From the analysis, we get conclusion that the design of Triangle Tower Crane is safe.
Key Words: tower crane, fourangle, triangle, ansys
PENDAHULUAN Di dalam dunia perindustrian banyak kita jumpai alat bantu untuk menunjang kinerja dari sebuah pabrik. Salah satu yang biasa kita jumpai adalah pesawat pengangkat dan pemindah yang biasa kita sebut dengan crane Terdapat bermacam – macam jenis crane yang biasa digunakan dalam proyek pembangunan seperti Derrick crane, Tower crane, Mobile crane, Whirler crane, Hydraulic crane, dan sebagainya. Dalam penelitian ini, akan difokuskan penelitian
mengenai analisa gaya – gaya serta mekanisme mekanisme yang bekerja pada Tower crane. Tower crane merupakan alat yang digunakan untuk mengangkat material secara vertical dan horizontal kesuatu tempat yang tinggi pada ruang gerak yang terbatas. Tower crane biasanya digunakan untuk mendirikan bangunan tinggi, pabrik serta industri berat yang ketinggiannya mencapai lebih dari 100ft (1ft = 30,5cm). Tower crane bisa juga digunakan untuk mengangkut bagian-bagian dari peralatan konstruksi dalam suatu proyek pembangunan. Tower crane dapat berdiri terpisah dan dapat pula berhubungan langsung (terpasang) dengan bangunannya. Pengoperasian crane ini menggunakan tenaga listrik dari motor. Cara kerja Tower crane untuk mengangkat atau memindahkan suatu benda atau komponen adalah dengan mengaitkan benda atau komponen tersebut ke kabel baja, kemudian diatur jarak dan ketinggiannya, setelah itu diangkat dan dipindahkan ke tempat yang telah ditentukan. Untuk mengurangi angka kecelakaan kerja dan sebagai faktor keamanan Tower crane biasanya dioperasikan oleh seorang operator yang telah memiliki lisensi yang dikeluarkan oleh badan pelatihan yang telah ditunjuk pemerintah sebagai bentuk safety dan pengamalan tehadap K3 (Kesehatan dan Keselamatan Kerja) sesuai dengan Peraturan Menteri Tenaga Kerja dan Transmigrasi Nomor PER.09/MEN/VII/2010 Tentang Operatordan Petugas Pesawat Angkat dan Angkut Dalam penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, didapatkan analisa tegangan – tegangan atau gaya – gaya yang terjadi pada kerangka Tower crane pada saat pengoperasian. Tower crane yang digunakan adalah jenis Fourangle Tower Crane (Tower crane dengan empat batang penopang). Dari hasil data – data yang didapatkan dalam penelitian tersebut akan dibandingkan dengan jenis crane yang baru yang disebut Triangle Tower Crane. Triangle Tower Crane merupakan Tower crane yang hanya memiliki 3 (tiga) batang penopang. Triangle Tower Crane yang akan dianalisa akan memiliki rangka struktur, beban angkat, material, dan karakteristik lainnya yang menyerupai jenis Fourangle Tower Crane. Dengan demikian, akan didapatkan suatu Tower Crane baru yang memiliki kemampuan yang mendekati jenis
Tower crane sebelumnya (Fourangle Tower Crane). METODE PENELITIAN Dalam penyusunan tugas akhir diperlukan adanya pedalaman untuk mempelajari materi – materi yang terkait dengan judul tugas akhir. Hal tersebut diperoleh dengan mempelajari buku – buku terkait, referensi tugas akhir sebelumnya, peraturan dan regulasi yang berlaku dan informasi dari internet. Permasalahan yang diangkat adalah bagaimana agar didapatkan jenis tower crane baru yang belum pernah diproduksi sebelumnya. Titik berat dari permasalahan ini adalah tingkat keamanan, berat rangka, serta jumlah joint yang digunakan untuk perancangan dan analisa gaya – gaya serta mekanisme pada Tower crane
Gambar perubahan struktur rangka tower crane
Sebagai permulaan diketahui kondisi dan cara kerja dari tower crane dan mencatat datadata yang diperlukan untuk menganalisa tower crane ini. Setelah mendapatkan data – data yang diperlukan maka dilakukan perhitungan gaya – gaya yang bekerja pada Tower Crane tersebut seperti gaya angkat, gaya ayun, gaya sentrifugal, dan lain – lain. Selanjutnya dari data – data yang yang ada akan dilakukan pemodelan menggunakan program bantu Autocad untuk menggambarkan ke dalam bentuk visual (komputerisasi). Setelah dapat dikomputerisasi maka dalam bentuk gambar visual akan dihitung dan dianalisa distribusi tegangan dan kriteria keamanan pada triangle Tower Crane. Setelah didapatkan semua analisa yang diinginkan maka dilakukan perbandingan antara kedua jenis tower crane ini dan ditarik kesimpulan dari hasil perbandingan ini. HASIL DAN DISKUSI Untuk mengetahui gaya – gaya yang bekerja pada struktur Tower crane maka dilakukan perhitungan secara matematis. Nilai tekanan dihitung dengan diskrit ketinggian 10 meter, jadi tekanan merata dihitung tiap 10 meter. Dengan asumsi daerah operasi di
pusat kota, dengan faktor power law (p) sebesar 1/3: • Untuk ketinggian 0 – 10 meter 1 [ ࣋ = ݍV2 ] [ ℎൗℎ]ଶ୮ 2 ଶ/ଷ 1 kg m 10 = ݍ1,3 25 ൗ ቂ ቃൣ 10൧ 2 m3 2 s q = 406,25 N/m • Untuk ketinggian 10 – 20 meter 1 [ ࣋ = ݍV2 ] [ ℎൗℎ]ଶ୮ 2 1 kg m = ݍ1,3 ቂ 25 ቃ [ 20ൗ10]ଶ/ଷ 2 m3 s q = 644,88 N/m2 • Untuk ketinggian 20 – 30 meter 1 [ ࣋ = ݍV2 ] [ ℎൗℎ]ଶ୮ 2 1 kg m = ݍ1,3 ቂ 25 ቃ [ 30ൗ10]ଶ/ଷ 2 m3 s q = 845,03 N/m2 • Untuk ketinggian 30 - 40 meter 1 [ ࣋ = ݍV2 ] [ ℎൗℎ]ଶ୮ 2 m 1 kg = ݍ1,3 ቂ 25 ቃ [ 40ൗ10]ଶ/ଷ s 2 m3 q = 1023,69 N/m2 Melalui tekanan yang didapatkan dapat dihitung gaya angin yang terjadi pada konstruksi tower crane dengan cara menghitung luasan – luasan bidang yang terkena gaya angin, yaitu: Diasumsikan luasan batang – batang yang menjadi penghalang ketika mendapat gaya angin pada jarak 0 - 10 meter, 10meter - 20 meter arah samping adalah a. 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 b. 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 c. 2 x 14 batang diagonal samping A = 2 x 14 (38mm x 0,8m) = 2 x 14 (0,038 m x 0,8m) = 0, 85 m2 d. 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, 85 m2 + 0,434 m2 = 4,224 m2 Sedangkan luasan batang – batang yang menjadi penghalang ketika mendapat gaya angin pada jarak 20 -30 meter arah samping:
a. 3 x 12 batang vertical A = 3 x 12 (78mm x 0,7m) = 3x12 (0,078 m x 0,7m) = 2 m2 b. 1 x 12 batang diagonal belakang A = 1 x 12 (38mm x 1,2m) = 1x12 (0,038 m x 1,2m) = 0, 55 m2 c. 2 x 12 batang diagonal samping A = 2 x 12 (38mm x 0,8m) = 2x12 (0,038 m x 0,8m) = 0, 73 m2 d. 1 x 12 barang horizontal A = 1 x 12 (31mm x 1m) = 1 x 12 (0,031 m x 1m) = 0,372 m2 e. Counter weight A = 3m x 1, 5 m = 4, 5 m2 Jadi, total luasannya adalah: Atot = 2 m2+0,55 m2+0,73 m2+0,372 m2 + 4,5m2 = 8, 15 m2 Sedangkan luasan batang – batang yang menjadi penghalang ketika mendapat gaya angin pada jarak 30 - 40 meter arah samping adalah a. 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 b. 1 x 1 batang horizontal atas (jib) = 1 x 1 (62mm x 27m) A = 1 x 1 (0,062 m x 27m) = 1, 7 m2 a. 2 x 20 batang diagonal jib A = 2 x 20 (32mm x 1m) = 2 x 20 (0,032 m x 1m) = 1, 28 m2 b. 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 c. 4 x 1 batang tower top A = 4 x 1 (84mm x 7m) = 4 x 1 (0,084 m x 7m) = 2, 35 m2 d. Counter weight A = 3m x 1, 5 m = 4, 5 m2 Jadi, total luasannya adalah: Ato = 1,86 m2+1,7 m2+1,28 m2+ 2,705 m2+2,35 m2+4,5 m2 = 14,395 m2
Selanjutnya, akan dihitung luasan batang – batang yang menjadi penghalang ketika mendapat gaya angin pada arah depan pada jarak 0 - 10 meter, 10 meter - 20 meter adalah : a. 2 x 14 batang vertikal A = 2 x 14 (78mm x 0,7m) = 2x14 (0,078 m x 0,7m) = 1, 53 m2 b. 2 x 14 batang diagonal A = 2 x 14 (38mm x 8,6m) = 2x14 (0,038 m x 8,6m) = 0,915 m2 c. 1 x 14 barang horizontal A = 1 x 14 (31mm x 0,7m) = 1 x 14 (0,031mx 0,7m) = 0, 6 m2 Jadi, total luasannya adalah: Atot = 1, 53 m2 + 0.915 m2 + 0, 6 m2 = 3,045 m2 Sedangkan luasan batang – batang yang menjadi penghalang ketika mendapat gaya angin pada jarak 20 - 30 meter adalah: a. 2 x 14 batang vertikal A = 2 x 14 (78mm x 0,7m) = 2x14 (0,078 m x 0,7m) = 1, 53 m2 b. 2 x 14 batang diagonal depan A = 2 x 14 (38mm x 8,6m) = 2x14 (0,038 m x 8,6m) = 0,915 m2 c. 1 x 14 barang horizontal A = 2 x 14 (31mm x 0,8m) = 2x14 (0,031 m x 0,8m) = 0, 6 m2 d. Counter weight = 3m x 1, 5 m A = 4, 5 m2 Jadi, total luasannya adalah: Atot = 1,53m2+0,915m2+0,6 m2+4,5m2 = 7,545 m2 Sedangkan luasan batang – batang yang menjadi penghalang ketika mendapat gaya angin pada jarak 30 - 40 meter adalah: a. 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 b. 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 c. x 20 batang diagonal jib A = 2 x 20 (32mm x 1m) = 2 x 20 (0,032 m x 1m) = 1, 28 m2
Kemudian dihitung beban angin yang terjadi pada Triangle Tower Crane pada jarakjarak tertentu (untuk arah samping): •
•
•
•
Beban 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. 4,224 m2 . 2,03 = 3381,2 N Beban angin pada ketinggian 10 – 20 meter F = q. A. Cd q = 644.8817 N/m2 Dimana: 2 N/m A = luasan Cd = 2,03 (tabel) F = 644, 88 N/m2. 4,224 m2 . 2,03 = 5367, 3 N Beban 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/m2.8,15 m2. 2,03 = 13860,5 N Beban 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. 5.6 m2 . 2,03 = 13195,88 N
40 Jarak (Meter)
d. 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 e. 4 x 1 batang tower top A = 4 x 1 (84mm x 7m) = 4 x 1 (0,084 m x 7m) = 2,35 m2 f. 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 + 2,35 m2 + 4,5 m2 = 14,395 m2
Grafik Ketinggian Tower Crane (meter) Terhadap Gaya Angin (newton)
30 20 10 0 0
5000 10000 15000 20000 25000 30000 Gaya Angin (Newton)
Gambar 4.8 Grafik Jarak Terhadap Gaya Angin (arah depan) Grafik Ketinggian Tower Crane (meter) Terhadap Gaya Angin (newton)
40 30 20 10 0 0
5000
10000 15000 20000 25000 30000
Gambar 4.9 Grafik Jarak Terhadap Gaya Angin (arah samping) Dari grafik dapat dilihat bahwa terjadi perbedaan nilai pada ketinggian antara 20 – 30 meter dan 30 – 40 meter dikarenakan pada gambar arah depan beban angin hanya terpengaruh pada counterweight dan tower top sedangkan beban angin arah samping terpengaruh oleh counterweight, tower top, jib, dan counter jib. Untuk mencari percepatan pada saat pengangkatan dan penurunan benda: V2 = Vo2 + 2as (0, 67 m/s) 2 = 2 a 3m a = 0,11 m/s2 Kemudian dapat dihitung tegangan pada tali pada saat jarak 30 meter: ΣF = 0 T – Wb – Fi = 0 T = Wb + Fi T = mg + m a T = 1000kg. 10 m/s2 + 1000kg. 0.11 m/s2 T = 11.100 N
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. Untuk mencari momen bending pada bagian horizontsal (bagian jib, counter jib, counter weight) tower crane, dapat dianalisa dengan menggunakan:
Dengan mengasumsikan arah positif adalah 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 Perhitungangan center of gravity dengan adanya beban:
Cg = 2, 66 m Mencari center of gravity (Cg) tanpa adanya 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
Maka Cg tanpa beban:
Cg1 =
ିଵ଼.ଽ ୫ .ଷହ
Cg1 = - 1,55 m
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 sehingga biaya yang dibutuhkan pun lebih murah. Dari hasil analisa pada struktur Triangle Tower Crane, maka dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Pada struktur Fourangle Tower Crane, defleksi maksimum yang terjadi tanpa memperhitungkan gaya angin sebesar 10,966 mm sedangkan pada struktur Triangle Tower Crane didapatkan defleksi maksimum sebesar 10,966 mm 2. Pada struktur Triangle Tower Crane, dengan memperhitungkan gaya angin didapatkan defleksi maksimum sebesar 37,4 mm 3. Defleksi ijin maksimum yang didapatkan harus ≤ 37,5 mm Sehingga besar defleksi yang terjadi masi dalam keadaan aman. 4. Pada struktur Fourangle Tower Crane, Tegangan maksimum (kritis) yang terjadi tanpa memperhitungka gaya angin sebesar 0.1947 Mpa sedangkan pada struktur Triangle Tower Crane didapatkan Tegangan maksimum sebesar 0,19 Mpa 5. Pada struktur Triangle Tower Crane dengan memperhitungkan gaya angin didapatkan Tegangan maksimum sebesar 174 Mpa 6. Tegangan maksimum yang didapatkan harus ≤ 185 Mpa
Sehingga besar Tegangan maksimum yang terjadi masi dalam keadaan aman 7. Berat struktur rangka tower dari Triangle Tower Crane sebesar 2674,5 kg sedangkan berat struktur rangka dari Fourangle Tower Crane sebesar 2950 kg. DAFTAR PUSTAKA 1. Deutschman, Aaron D. 1975. Machine Design Theory and Practice. Macmilian Publishing CO, New York,USA : Coolier Macmilian Publisher 2. Juvinall, Robert C. 1976. Engineering Consideration of Stress,Strain, and Strength. McGraw-Hill Book Company. 3. Rudenko, N. A. Troitsky. Nicholas Weinstein. 1996. Mesin Pengangkat. Erlangga. Jakarta. 4. N, Annex – CPA Tower Crane Interest Group.2007.Safe Use of Top SlewTower CranesBest Practice GuideWorking Group.London, UK:CPA Copyright.
