ANALISA KEKUATAN KONSTRUKSI KEPALA PULI DENGAN METODE ELEMEN HINGGA Disusun untuk memenuhi syarat kelulusan untuk menjadi Sarjana Teknik (S.T) Pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana
Oleh : NANANG SUPRIONO ( 0130212 - 033 )
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2008
i
TUGAS AKHIR ANALISA KEKUATAN KONSTRUKSI KEPALA PULI DENGAN METODE ELEMEN HINGGA
NAMA NIM
Disusun Oleh : : NANANG SUPRIONO : 0130212 - 033
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCUBUANA 2008
ii
LEMBAR PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah ini,
Nama
: Nanang Supriono
N.I.M
: 0130212 - 033
Jurusan
: Teknik Mesin
Fakultas
: Fakultas Teknik Industri
Judul Tugas Akhir
: Analisa Kekuatan Kepala Puli Dengan Metode Elemen Hingga
Dengan ini menyatakan bahwa hasil penulisan Tugas Akhir yang telah saya buat ini merupakan hasil karya sendiri dan benar keasliannya. Apabila ternyata di kemudian hari penulisan Tugas Akhir ini merupakan hasil plagiat atau penjiplakan terhadap karya orang lain, maka saya bersedia mempertanggungjawabkan sekaligus bersedia menerima sanksi berdasarkan aturan tata tertib di Universitas Mercu Buana.
Demikian, pernyataan ini saya buat dalam keadaan sadar dan tidak dipaksakan.
Penulis,
( Nanang Supriono )
iii
LEMBAR PENGESAHAN
Telah diperiksa oleh:
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA MENGETAHUI:
Dosen Pembimbing
Koordinator Tugas Akhir
( Dr.H. Abdul Hamid .M.Eng )
( Nanang Ruhyat, ST. MT )
iv
ABSTRAK Dalam perancangan suatu struktur mesin, kekuatan struktur dalam menahan beban adalah suatu yang perlu diperhatikan. Kekuatan struktur tergantung kepada jenis material dan bentuk (shape). Menurut Michael F. Asbhy terdapat material index yang merupakan nilai kekuatan material yang tergantung pada jenis material, bentuk struktur dan beban yang dialami struktur. Berdasarkan teori tersebut penulis melakukan optimasi bentuk untuk meningkatkan kekuatan struktur tanpa mengubah jenis material. Dengan cara menambah suport sebanyak 5 buah pada sisi kepala puli. Setiap bentuk struktur mekanis mempunyai sifat yang berbeda terhadap beban yang diterimanya. Dalam penelitian ini dilakukan perbaikan desain struktur kepala puli yang dibantu dengan software finite elemen.
Adanya peningkatan dari konstruksi bentuk referensi kebentuk optimasi antara lain: 1. Faktor Keamanan produk pada kasus I meningkat dari 0.6 menjadi 2 atau meningkat hingga 230 % sedangkan Faktor Keamanan produk pada puli kasus II cenderung sama yaitu dari 2.024 menjadi 2.045,
2. Pada kepala puli kasus I Bentuk Referensi ketika di simulasikan terdapat
konsentrasi
tegangan
pada
sudut
tajam
sehingga
mempengaruhi pada umur konstruksi dan ketika kepala puli kasus dan untuk kasus II cenderung sama.
3. Arah deformasi pada Bentuk Referensi cenderung saling berhimpitan pada kedua pelatnya dan pada Bentuk optimasi cenderung kearah bawah karena adanya suport di beberapa sisi kepala puli.
Kata kunci: Kekuatan Struktur Mekanis, Metode Elemen Hingga, Perbaikan Desain, Simulasi Numerik Berbasis Komputer, Konsentrasi Tegangan, Mohr.
v
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT, atas karunia dan rahmat-Nya laporan tugas akhir ini dapat selesai kami susun Adapun maksud dari penyusunan tugas akhir ini adalah berdasarkan hasil simulasi dengan Metode Elemen Hingga, Tugas akhir ini dimaksudkan sebagai salah satu syarat untuk memenuhi persyaratan dalam menempuh jenjang Strata Satu (S-1) pada Fakultas Teknik Mesin Universitas Mercubuana. Dalam laporan Tugas Akhir ini penyusun menyadari sepenuhnya bahwa banyak terdapat kekurangan baik dari segi penerapan maupun kalimatnya. Hal ini disebabkan keterbatasan literature dan pengetahuan yang dimiliki penyusun. Untuk itu segala kritik dan saran yang sifatnya membangun akan penyusun perhatikan demi perbaikan dan penyempurnaan di masa yang akan datang. Dalam penyusunan laporan tugas akhir ini penyusun telah mendapat bantuan, bimbingan, pengarahan dan saran-saran dari berbagai pihak. Oleh karena itu pada laporan tugas akhir ini penyusun menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada :
1. Kedua Orang Tua yang memberikan doa dan semangat hidup untuk masa depan saya. 2. Bapak Ir. Yuriadi Kusuma, Msc Selaku Dekan Fakultas Teknik Mesin Universitas Mercubuana 3. Bapak Ir. Ruli Nutranta, M.Eng Selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Mercubuana. 4. Bapak. Ir.R.Ariosuko Selaku Dosen Penguji Program Studi Teknik Mesin Universitas Mercubuana. 5. Bapak. Ir.Erry Rimawan, M.BA Selaku Dosen Penguji Program Studi Teknik Mesin Universitas Mercubuana. 6. Bapak Nanang Ruhyat, ST. MT Selaku Koordinator Tugas Akhir Program Studi Teknik Mesin Universitas Mercubuana. 7. Bapak Dr.H Abdul Hamid, M.Eng selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir Program Studi Teknik Mesin Universitas Mercubuana
vi
8. Bapak Erwin ST.M.Eng selaku Atasan di CV. Angga Design dan ikut membimbing. 9. Bapak Paryanto selaku Dirut di PT.MIM Geoservice Tekhnologi yang telah memberikan kesempatan kepada saya dalam melakukan tugas akhir ini. 10. Bapak Endy Anitiyarsa SE, Selaku Direktur Keuangan di PT.MIM Geoservice Tekhnologi yang telah memberikan kesempatan kepada saya dalam melakukan tugas akhir ini 11. Mang Asek Selaku Kepala Bengkel di
PT.MIM Geoservice
Tekhnologi yang telah membimbing saya dalam melakukan tugas akhir ini 12. Bapak Yudi Kokoh Pribadi Selaku Dirut CV. Angga Design ( tempat saya bekerja ) yang telah memberikan kompensasi waktu untuk kuliah saya. 13. Rekan - Rekan Mahasiswa dan semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan Tugas Akhir ini. 14. Rekan-rekan Casablanca Community di jakarta yang telah mensuport kuliah saya dan dalam menyusun Tugas Akhir ini. 15. Segenap Staff dan karyawan yang ada di PT. MIM Geoservice Teknologi yang telah membantu dalam penyusunan Tugas Akhir ini. 16. Segenap Staff dan Karyawan Yang ada di CV. Angga Design yang telah mensuport dalam kuliah dan tugas akhir saya.
Akhirnya penyusun berharap laporan tugas akhir ini bisa berguna dan bermanfaat bagi kita semua. Amien.
Jakarta, Januari 2008 Penulis
(Nanang Supriono)
vii
DAFTAR ISI Halaman Halaman judul ..................................................................................................
i
Halaman Laporan Tugas Akhir ........................................................................
ii
Halaman Pernyataan Orisinal ..........................................................................
iii
Halaman Pengesahan .......................................................................................
iv
Abstrak .............................................................................................................
v
Kata Pengantar .................................................................................................
vi
Daftar Isi ..........................................................................................................
viii
Daftar Tabel .....................................................................................................
xi
Daftar Gambar .................................................................................................
xii
Daftar Notasi ....................................................................................................
xvi
BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ..................................................................
1
1.2 Tujuan Penelitian ..............................................................................
2
1.3 Manfaat Penelitian ............................................................................
2
1.4 Pembatasan Masalah .........................................................................
2
1.5 Sistematika Penulisan .......................................................................
2
BAB II. LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Umum Mesin Jackro ......................................................
4
2.1.1 Definisi Mesin Jackro 200 ....................................................
6
2.1.2 Fungsi Mesin Jackro 200 ......................................................
6
2.1.3 Tenaga Penggerak .................................................................
7
2.1.4 Konstruksi Mesin Jakro 200 .................................................
11
2.1.5 Mekanisme Kerja ..................................................................
13
2.1.6 Pendukung Yang Ada Pada Alat Pengangkat .......................
14
2.1.7 Masa Yang Diangkat Oleh Kepala Puli ................................
16
2.2 Metode Pengeboran Untuk Pengujian Dan Eksploitasi ...................
16
2.3 Jenis Tali Baja ...................................................................................
18
viii
2.4 Analisa Tegangan Metoda Eksperimental ........................................
20
2.5 Sistem Puli ........................................................................................
24
2.5.1 Jenis system Puli ...................................................................
24
2.5.2 Jumlah Tekukan Pada Sistem Puli ........................................
25
2.5.3 Hambatan Puli .......................................................................
27
2.5.4 Diameter Puli ........................................................................
27
2.6 Konstruksi Kepala Puli .....................................................................
28
BAB III. PERHITUNGAN GAYA YANG BEKERJA PADA KEPALA PULI
3.1 Tahapan Analisa................................................................................
30
3.2 Perhitungan Berat..............................................................................
31
3.3 Faktor Keamanan ..............................................................................
31
3.4 Jenis – Jenis Pembebanan .................................................................
33
3.4.1 Pembebanan Pada Poros .......................................................
33
3.5 Analisa Tegangan Dan Lingkaran Mohr...........................................
38
3.6 Matriks Kekakuan .............................................................................
39
3.7 Konsentrasi Tegangan .......................................................................
40
3.8 Jenis Konsentrasi Tegangan ..............................................................
41
3.9 Contoh Analisa Konstruksi Pelat Menggunakan MEH ....................
46
3.10 Beban Yanag Diangkat ..................................................................
49
3.11 Struktur Puli ....................................................................................
51
3.12 Diagram Benda Bebasnya Pada Gaya Statis ...................................
51
3.13 Material Struktur .............................................................................
53
3.14 Mesh ...............................................................................................
55
3.15 Hasil Simulasi .................................................................................
57
3.15.a. Simulasi Puli Atas ( kasus I ) ............................................
57
3.15.b. Simulasi Puli Bawah ( kasus II ) ........................................
59
BAB IV ANALISA MEH 4.1 Analisa MEH Pada Kasus I...............................................................
61
4.2 Analisa MEH Pada Kasus II .............................................................
62
ix
BAB V OPTIMASI DESIGN 5.1 Perbandingan Nilai Faktor Kamanan Pada Kasus I ..........................
65
5.2 Perbandingan Nilai Faktor Keamanan Pada Kasus II .......................
66
5.3 Perbandingan Konsentrasi Tegangan Pada Kasus I ..........................
68
5.4 Perbandingan Konsentrasi Tegangan Pada Kasus II.........................
69
5.5 Arah Deformasi Pada Bentuk Optimasi ............................................
71
5.6 Analisa Hasil Angka ........................................................................
71
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan .......................................................................................
72
6.2 Saran ...............................................................................................
74
DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................
75
x
DAFTAR TABEL Halaman Table 2.1 Hubungan NB Dengan Dmin/d ..........................................................
26
Tabel 2.2 Nilai Faktor Kemanan dan Faktor e2 ...............................................
27
Table 2.3 Faktor Konstruksi Tali Baja e2.........................................................
28
Tabel 3.1 Faktor Keamanan Berdasarkan Kekuatan .......................................
32
xi
DAFTAR GAMBAR
Halaman BAB II LANDASAN TEORI Gambar 2.1 Mesin Jackro Build Up .......................................................
4
Gambar 2.2 Power Rig ............................................................................
5
Gambar 2.3 Mesin Jackro Konvensional / Jackro 150 ...........................
5
Gambar 2.4 Mesin Jackro 200 ................................................................
6
Gambar 2.5 Pompa Baling-Baling (vane pump).....................................
7
Gambar 2.6 Pengatur Aliran (Directional Control) ................................
8
Gambar 2.7 Klep Pengaman (Safety Valve) ...........................................
8
Gambar 2.8 Motor Hidrolik ....................................................................
9
Gambar 2.9 Boom ...................................................................................
9
Gambar 2.10 Tangki Oli .........................................................................
10
Gambar 2.11 Pendingin Oli ....................................................................
10
Gambar 2.12 Gear box ............................................................................
10
Gambar 2.13 Saringan Oli ......................................................................
11
Gambar 2.14 Konstruksi Mesin Jackro ...................................................
11
Gambar 2.15 Saat Mesin Jackro Mengangkat Core Barrel .....................
12
Gambar 2.16 Saat Mesin Jackro Mengangkat Rod .................................
13
Gambar 2.17 Wireline .............................................................................
14
Gambar 2.18 Eyebolt .............................................................................
15
Gambar 2.19 Overshots ..........................................................................
15
Gambar 2.20 Hoisting Plug.....................................................................
15
Gambar 2.21 Core Barrel ........................................................................
16
Gambar 2.22 Rod ....................................................................................
16
Gambar 2.23 Jenis Tali Baja ...................................................................
19
Gambar 2.24 Tiga Jenis Tali Baja...........................................................
20
Gambar 2.25 Jenis Strain Gage ...............................................................
21
Gambar 2.26 Cara Pemasangan Strain Gage ...................................................
21
Gambar 2.27 Jembatan Wheatstone...................................................................
22
Gambar 2.28 Rangkaian Peralatan Metode Eksperimental ...............................
23
xii
Gambar 2.29 Sistem Puli Dengan Keuntungan Kecepatan ...............................
24
Gambar 2.30 Sistem Puli Dengan Keuntungan Gaya ........................................
25
Gambar 2.31 Sistem Puli Majemuk ...................................................................
25
Gambar 2.32 Jumlah Lengkungan .....................................................................
26
Gambar 2.33 Puli ( Pandangan Isometrik )........................................................
28
Gambar 2.34 Puli ( Pandangan Atas ) ...............................................................
28
Gambar 2.35 Puli ( Pandangan Samping ) .........................................................
29
Gambar 2.36 Puli ( Pandangan Depan ) ............................................................
29
BAB III PERHITUNGAN GAYA YANG BEKERJA PADA KEPALA PULI Gambar 3.1 Tahapan Analisa ............................................................................
30
Gambar 3.2 Poros Bulat Yang Menerima Pembebanan Gabungan ...................
33
Gambar 3.3 Deformasi Pada Poros Bulat Akibat Puntiran ................................
35
Gambar 3.4 Diagram Benda Bebas ...................................................................
36
Gambar 3.5 Keadaan Tegangan Pada Elemen Kecil Poros Berbeban ...............
38
Gambar 3.6 Lingkaran Mohr .............................................................................
39
Gambar 3.7 Distribusi Tegangan Dan Konsentrasi Tegangan...........................
40
Gambar 3.8 Konsentrasi Tegangan Pada Pelat ..................................................
42
Gambar 3.9 Konsentrasi Tegangan ....................................................................
43
Gambar 3.10 Grafik Faktor Konsentrasi Tegangan ...........................................
43
Gambar 3.11 Tegangan Yang Terjadi pada Lubang Pelat ................................
44
Gambar 3.12 Tegangan Yang Terjadi pada Bidang Miring ..............................
45
Gambar 3.13 Tegangan Pada Batang Yang Ujungnya Fixed ............................
46
Gamabr 3.14 Problem Pelat L Dengan 5 Titik Singularitas ....................
47
Gambar 3.15 Diskritisasi Seragam dan Adaptif Problem Pelat L ..........
48
Gambar 3.16 Satu Kuadran Pelat Heksagon Dengan Pembebanan Merata
49
Gambar 3.17 Analisa Adaptif Pelat Heksagon .......................................
49
Gambar 3.18 Struktur Puli .................................................................................
51
Gambar 3.19 Diagram Benda Bebas Disaat Mengangkat Rod ..........................
51
Gambar 3.20 Gaya Resultan Pada Kasus I ........................................................
52
Gambar 3.21 Diagram Benda Bebas Disaat Mengangkat Core Barrel ..............
52
Gambar 3.22 Gaya Resultan Pada Kasus II .......................................................
53
Gambar 3.23 Material ........................................................................................
54
Gambar 3.24 Kontrol Mesh ...............................................................................
55
Gambar 3.25 Mesh.............................................................................................
55
Gambar 3.26 Contact / Gaps ..............................................................................
56
xiii
Gambar 3.27 Kasus I .........................................................................................
57
Gambar 3.28 Hasil Tegangan Pada Kasus I ......................................................
57
Gambar 3.29 Hasil Deformasi Pada Kasus I .....................................................
58
Gambar 3.30 Distribusi Faktor Keamanan Pada Kasus I ..................................
58
Gambar 3.31 Kasus II ........................................................................................
59
Gambar 3.32 Hasil Tegangan Pada Kasus II .....................................................
59
Gambar 3.33 Hasil Deformasi Pada Kasus II ....................................................
60
Gambar 3.34 Distribusi Factor Keamanan Pada Kasus II .................................
60
BAB IV ANALISA MEH Gambar 4.1 Analisa Kasus I ..................................................................
61
Gambar 4.2 Analisa Kasus II ..................................................................
62
Gambar 4.3 Kepala Puli Pada Referensi .................................................
62
Gambar 4.4 Design Kepala Puli Optimasi (Isometric) ...........................
63
Gambar 4.5 Desaign Kepala Puli Optimasi ( Depan ) ............................
63
Gambar 4.6 Desaign Kepala Puli Optimasi ( Samping ) ........................
63
BAB V OPTIMASI DESIGN Gambar 5.1 Faktor Keamanan Pada Kasus I ( Bentuk Referensi ) .........
64
Gambar 5.2 Faktor Keamanan Pada Kasus I ( Bentuk Optimasi ) ......... 64 Gambar 5.3 Faktor Keamanan Pada Kasus II ( Bentuk Referensi ) .......
65
Gambar 5.4 Faktor Keamanan Pada Kasus II ( Bentuk Optimasi ) ........ 66 Gambar 5.5 Faktor Tegangan Pada Kasus I ( Bentuk Referensi ) ..........
67
Gambar 5.6 Faktor Tegangan Pada Kasus I ( Bentuk Optimasi ) ........... 67 Gambar 5.7 Faktor Tegangan Pada Kasus II ( Bentuk Referensi ) .........
68
Gambar 5.8 Faktor Tegangan Pada Kasus II (Bentuk Optimasi) ........... 69 Gambar 5.9 Deformasi Pada Kasus I ( Bentuk Optimasi ) .....................
70
Gambar 5.10 Deformasi Pada Kasus II ( Bentuk Optimasi ) ..................
70
xiv
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN Gambar 6.1 Kepala Puli Bentuk Referensi ............................................. 72 Gambar 6.2 Kepala Puli Bentuk Optimasi .............................................. 73
xv
NOTASI
SYMBOL
KETERANGAN
SATUAN
a
Kedalaman Lekuk
Mm
A
Luas Penampang
Mm2
b
Lebar penampang
Mm
C
Titik pusat lingkaran mohr
d
Diameter Tali Baja
Mm
D
Diameter Puli
Mm
E
Modulus elastisitas
N/mm2
G
Modulus elastisitas geser
N/mm2
I
Momen inersia
mm4
J
Momen inersia polar
mm4
M
Momen lentur
mm4
Mr
Momen tahanan
mm4
n
Jumlah Puli
N
Banyaknya putaran
Rad/min
Nr
Jumlah rod
Unit
p
Gaya tarik
Newton
P
Daya
Watt
Q
Momen terhadap sumbu netral
mm4
r
Jari-jari poros
Mm
R
Jari-jari lingkaran mohr
Mm
sf
Faktor keamanan
t
Tebal Pelat
Mm
T
Torsi
Nmm
Tr
Torsi tahanan
Nmm
V
Gaya geser
N/mm2
Wh
Berat Hoisting plug
Kg
Wo
Berat overshots
Kg
Wr
Berat Rod
Kg
ε
Regangan
xvi
ξ
Hambatan
γ
Regangan geser
ω
Kecepatan sudut
Rad/sec
σ
Tegangan
N/mm2
σm
Tegangan rata-rata
N/mm2
σr
Tegangan hambatan
N/mm2
σο
Tegangan pada lubang pelat
N/mm2
σχ
Tegangan penampang lintang
N/mm2
τ
Tegangan geser
N/mm2
ρ
Berat Jenis
ρt
Jari-jari permukaan netral
Mm
δs
Deformasi geser total
N/mm2
ΔR
Perubahan resistansi
xvii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG MASALAH Seiring pesatnya perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, manusia terdorong untuk terus menerus berkreasi dan berinovasi untuk menemukan sesuatu yang bermanfaat dan bernilai tinggi dalam memenuhi kebutuhan hidupnya. Keterbatasan sumber daya baik sumber daya manusia maupun lingkungan sekitarnya merupakan hambatan yang menyebabkan manusia tidak bisa hanya mengandalkan tenaganya ataupun tenaga hewan. Berdasarkan hal itu, manusia berusaha untuk mengatasinya dengan menemukan dan mengembangkan peralatan yang mendukung pemenuhan kebutuhannya, misalnya kebutuhan peralatan untuk proses pekerjaan pengeboran untuk eksplorasi. Pada daerah tersebut, dibutuhkan alat yang memiliki ukuran yang cukup kecil untuk kemudahan berpindah tempat (mobile) dan kemampuan yang cukup sehingga mampu melakukan pekerjaan dengan baik dan dapat bekerja pada medan berat yang tidak dapat dikerjakan manusia. Peralatan seperti ini dikenal sebagai exploration mobile equipment (peralatan mobile untuk ekspolrasi) . Jackro 200 merupakan salah satu jenis alat yang digunakan untuk melakukan pengeboran hingga kedalaman 300 m. Pada alat tersebut, terpasang alat pengangkat pada bagian atas rangka Jackro 200 yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan drill unit. Disamping faktor kekuatan, bentuk dan mekanisme gerak alat pengangkat ini sangat membantu dalam kegiatan penambahan dan pencabutan drill shaft. Oleh karena itu, rancangan alat harus memiliki bentuk dimana bisa menahan beban drill unit. Rancangan alat pengangkat yang telah ada menunjukkan struktur yang tidak masif, yang dapat menimbukan kegagalan struktur dalam menahan beban kerja. Hal ini menyebabkan kegiatan dan jadwal pengeboran terhambat . Untuk itu, telah dikembangkan beberapa rancangan alat pengangkat untuk kebutuhan ini.. Oleh karena itu, penulis mencoba melakukan pengujian rancangan alat pengangkat dengan menggunakan MEH (Metode Elemen Hingga).
1
1.2 TUJUAN PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di PT.Geoservice Technology yakni salah satu perusahaan yang bergerak di bidang kontraktor pengeboran di Indonesia. Di perusahaan ini, komponen pendukung utama (attachment) dibuat berdasarkan perhitungan kasar berdasarkan pengalaman dilapangan saja. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk menguji alat pengangkat yang telah ada untuk memeriksa, menganalisa, dan melakukan perbaikan rancangan untuk meningkatkan faktor keselamatan dan kekuatan dalam rangka memenuhi kebutuhan beban yang ada. Tujuan ini dapat diuraikan secara detil sebagai berikut: o Mendapatkan analisa MEH atas struktur kepala puli terhadap beban yg dialaminya. o Membuat rancangan optimasi berdasarkan hasil analisa MEH.
1.3 MANFAAT PENELITIAN Manfaat penelitian mengenai perancangan dan pengembangan rotary log grapple ini sebagai berikut : q
Mengetahui gaya-gaya yang terjadi pada alat pengangkat.
q
Dapat menghitung besar gaya tersebut.
q
Dapat dijadikan sebagai bahan kajian dalam perancangan dan pengembangan alat pengangkat lainnya.
1.4 PEMBATASAN MASALAH Mengingat luasnya cakupan permasalahan, maka pembahasan Analisa kekuatan struktur alat pengangkat pada skripsi ini dibatasi sebagai berikut : q
Analisa dilakukan pada struktur alat pengangkat Jacro 200.
q
Fenite Element Analisis
akan dilakukan dengan bantuan Software
MEH. q
Optimasi Struktur dilakukan berdasarkan pada hasil analisa MEH.
2
1.5 SISTEMATIKA PENULISAN Skripsi ini dikemukakan dan diajukan dalam bentuk berupa karya tulis dengan menggunakan sistematika penulisan sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN Pada bab ini, diuraikan mengenai latar belakang masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, pembatasan masalah serta sistematika penulisannya.
BAB II LANDASAN TEORI Pada bab ini, diuraikan semua teori dari berbagai referensi yang mendukung penyusunan skripsi ini, baik yang digunakan dalam mengolah data maupun dalam menganalisa hasil pengolahan data tersebut.
BAB III PERSIAPAN SIMULASI Bab ini menjelaskan tentang metodologi penelitian yang didasarkan pada langkah2x pengujian struktur. 1. Penggambaran Struktur yang ada 2. Penentuan Load dan Restrain 3. Software Control dan Mesh 4. Penampilan hasil simulasi
BAB IV ANALISA MEH Bab ini menjelaskan tentang metode analisa hasil simulasi dan pembuatan kesimpulan untuk perancangan struktur yang baru..
BAB V OPTIMASI DESAIN Pada bab ini dilakukan perancangan ulang struktur alat pengangkat dan dilakukan pengujian MEH lagi, dan dilakukan perbandingan hasil yang didapat
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini merupakan bab terakhir yang berisikan kesimpulan yang didapat setelah melakukan penelitian..
3
BAB II LANDASAN TEORI 2.1. PENGERTIAN UMUM MESIN JACKRO Mesin jackro adalah mesin bor yang digunakan dalam pertambangan untuk mengambil sample kandungan tanah yang mengandung bahan tambang sampai kedalaman tertentu, tergantung dari kebutuhan pengeboran, mesin jackro juga dapat digunakan untuk pengeboran sumber air (sumur).
Dibawah Ini Adalah Beberapa Jenis Mesin Jackro yang kami ketahui Di PT.Geo Service Teknologi:
Gambar 2.1 Mesin Jackro Build Up (Kedalaman Pengeboran hingga 1600 meter Mampu melewati tanah batuan)
4
Gambar 2.2 Power Rig Hasil Modifikasi PT. Geoservice Teknologi ( Kedalaman Pengeboran Hingga 60 meter Tidak mampu melewati tanah batuan)
Gambar 2.3 Mesin Jackro Konvensional / Jackro 150 Hasil Modifikasi PT. Geoservice Teknologi ( Kedalaman pengeboran Hingga 60 meter mampu melewati tanah batuan)
5
Gambar 2.4 Mesin Jackro 200 Hasil Modifikasi PT. MIM Geoservice Teknologi (Kedalaman Pengeboran Hingga 300 meter Mampu melewati tanah batuan dan dilengkapi dengan sistem wireline )
2.1.1 DEFINISI Definisi dari mesin jackro 200 ini adalah : ·
Mesin yang digunakan untuk explorasi pengeboran guna pengambilan sample tanah sampai kedalaman 300 M.
·
Mesin explorasi pengeboran yang telah dilengkapi dengan system wireline.
·
Mudah dirakit dan mobile
·
System kerja menggunakan system hidrolik
2.1.2 FUNGSI Fungsi dari mesin jackro 200 adalah sebagai alat pengambilan sample tanah dengan metode explorasi pengeboran sampai kedalaman tertentu.
6
2.1.3 TENAGA PENGGERAK Tenaga penggerak dari mesin jackro 200 menggunakan system hidrolik, adapun bagian-bagian yang mendukung system kerja pada mesin jackro adalah:
A. Motor Diesel Motor diesel berfungsi sebagai penggerak pompa hidrolik yang dapat menghasilkan tekanan pada system hidroliknya
B. Pompa Hidrolik. Fungsi pompa hydrolik untuk memompakan minyak hydrolik dari tanki hydrolik ke sistem melalui katup pengantar kemudian dikembalikan lagi ke tanki hydrolik. Pompa hydrolik yang digunakan oleh mesin jackro ini adalah bermacam macam yang intinya mempunyai keuntungan :
o Flow yang dihasilkan konstan. o Mudah dalam perawatan. o Ukuran pompa yang relatif kecil. o Kerusakan yang terjadi relatif kecil dan lifetime lama.
Gambar 2.5 Pompa Baling-Baling (vane pump)
C. Pengatur Aliran Katup pengontrol ini berfungsi untuk mengontrol arah dari gerakan boom lift,wireline ataupun system pengeboran dengan merubah arah aliran minyak hydrolik. Cara kerja dari directional control valve direncanakan dengan sistem
7
manual untuk menggerakkan spool dan merupakan katup seri. Diagram komponen untuk mengatur aliran fluida
Gambar 2.6 Pengatur Aliran (Directional Control)
D. Klep Pengaman katup jenis dapat pula dikatakan Katup Penghisap (suction Valve), karena katup ini berfungsi sebagai pengaman pada actuator melebihi dari kebutuhan atau setting preassure.
Gambar 2.7 Klep Pengaman (Safety Valve)
E. Motor Hidrolik Pada mesin jackro membutuhkan dua buah motor hidrolik yaitu: yang pertama untuk menggerakkkan wireline yang berfungsi sebagai penarik rod atau pipa bor , dan yang lain untuk menggerakkan putaran bor melalui gearbox.
8
Gambar 2.8 Motor Hidrolik
F. Boom Berfungsi sebagai pengangkat pipa bor dan mempunyai ruang kerja vertical, panjang 1,8 meter, boom lift ini biasa dipakai untuk excavator
Gambar 2.9 Boom (Boom lift)
G. Tangki Oli Tangki hydrolik berfungsi sebagai tempat penampungan minyak hydrolik atau reservoir dan tempat pendinginan minyak hydrolik yang kembali dari system pada tangki hydrolik. Sifat tangki hydrolik pada mesin jackro tidak berhubungan dengan udara luar atau pressured, volume tangki hidrolik ± 40 liter.
9
Gambar 2.10 Tangki Oli
H. Pendingin Oli Berfungsi Sebagai pendingin minyak hidrolik, melalui sirkulasi air
Gambar 2.11 Pendingin Oli
I. Gear Box Gearbox berfungsi mengkonversikan daya motor hidrolik ke rod, ratio jumlah giginya adalah 13:23
Gambar 2.12 Gearbox
10
J. Saringan Oli Berfungsi sebagai penyaring kotoran pada minyak hidrolik agar minyak hidrolik selalu bersih dari kotoran atau debu yang akan mengakibatkan temperature pada oli cepat naik dan mengganggu sirkulasi pada system hidrolik.
Gambar 2.13 Saringan Oli (filter oli)
2.1.4 KONSTRUKSI JACKRO 200
Gambar 2.14 Kontruksi Mesin Jackro 200
11
Gambar 2.15 Saat Mesin Jackro Mengangkat Core Barrel
12
Gambar 2.16 Saat Mesin Jackro Mengangkat Rod
2.1.5. MEKANISME KERJA Sistem kerja dari mesin jackro menggunakan sistem hidrolik karena system hidrolik mempunyai nilai efisiensi yang tinggi,adapun siklus alirnya adalah : Motor penggerak (motor diesel) memutar pompa hidrolik sehingga minyak hidrolik yang ada pada recervoir menghasilkan tekanan menuju pada directional control atau katup pengontrol aliran lalu daialirkan ke motor hidrolik dan kembali ke recervoir
13
Berdasarkan fungsinya motor hidrolik pada mesin jackro ada 3 macam yaitu: a. Motor hidrolik untuk menggerakkan putaran bor yang berada pada gear box. b. Motor hidrolik untuk menggerakkan wireline c. Boom cylinder berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan pipa dalam tahapan-tahapannya.
2.1.6 PENDUKUNG YANG ADA PADA ALAT PENGANGKAT
Pendukung yang ada pada alat pengangkat antara lain: ·
Wireline Berfungsi untuk mengangkat core barrel dan rod pada mesin jackro200 digerakkan dengan motor hidrolik
Gambar 2.17 Wireline ·
Eye Bolt Berfungsi sebagai pengikat antara wireline dengan Over shoot atau Hoisting plug
14
Gambar 2.18 Eye bolt ·
Overshots (Pengait pada core barrel )
Spear kepala point
Lifting dog
Gambar 2.19 Overshots ·
Hoisting Plug( Berfungsi Untuk menarik rod )
Hoisting plug
Gambar 2.20 Hoisting plug
15
2..1.7 MASA YANG DIANGKAT OLEH KEPALA PULI ·
Core Barrel (inti pengambil sample)
Gambar 2.21 Core Barrel ·
Rod
Gambar 2.22 Rod
2.2 METODA PENGEBORAN UNTUK PENGUJIAN DAN EKSPLOITASI Jenis metoda pemboran dibedakan berdasarkan :
16
§
Mekanisme Pemboran
§
Sirkulasi Fluida Bor
§
Jenis Fluida bor yang digunakan
2.2.a Berdasarkan mekanisme pemboran, metode pemboran dapat dibagi lagi, yaitu : §
Pemboran Tumbuk (Percussive Drilling)
§
Pemboran (Rotary DrillingRotary Drilling)
§
Bor Putar Hidraulik (Hidraulic Rotary)
Pemboran Tumbuk(Percussive Drilling) Dioperasikan dengan cara mengangkat dan menjatuhkan alat bor berat secara berulang-ulang kedalam lubang bor sehingga lubang bor terbentuk akibat mekanisme tumbukan dan beban rangkaian bor.
Pemboran Putar(Rotary Drilling) Lubang bor dibentuk dari pemboran dengan mekanisme putar dan disertai pembebanan.
Bor Putar Hidraulik (Hidraulic Rotary ) Dimana lubang bor dibentuk dari kombinasi antara mekanisme putar, tekanan hidraulik, dan beban setang bor.
Kelebihan mesin bor tumbuk dibandingkan mesin bor putar antara lain : §
Ekonomis (murah, biaya operasi rendah, biaya transportasi murah, persiapan rig cepat).
§
Menghasilkan contoh pemboran yang lebih lebih
§
Lebih mempermudah pengenalan lokasi
§
Tanpa sistem sirkulasi
§
Kemungkinan kontaminasi karena pemboran relatif kecil
17
Kekurangan Mesin Bor Tumbuk Dibandingkan Mesin Bor Putar Antara Lain : §
Kecepatan laju pemboran rendah
§
Sering terjadi putusnya sling
2.2.b Berdasarkan Sirkulasi Fluida, Metode Pemboran Dapat Dibagi Lagi, Yaitu : §
Sirkulasi Langsung (Direct Circulation) Fluida bor dipompakan dari mudpit ke mata bor melalui bagian dalam stang bor kemudian kembali lagi ke permukaan akibat tekanan pompa melalui rongga anulus.
§
Sirkulasi Terbalik (Reverse Circulation) Fluida bor dari mudpit bergerak melalui rongga anulus,bergerak melalui rongga anulus, kemudian kembali lagi ke permukaan akibat gaya hisap pompa melalui bagian dalam stang bor.
2.2.c Berdasarkan jenis fluida yang digunakan, metode pemboran dapat dibagi lagi, yaitu : §
Pemboran menggunakan cairan / lumpur(Mud Flush).
§
Pemboran menggunakan udara Jika menggunakan udara sebagai fluida bor(Air Flush)
2.3 JENIS TALI BAJA berdasarkan pembuatannya tali baja dibuat dengan 2 cara: Ø kawat (wire) dililitkan menjadi untaian (strand) Ø untaian dianyam dengan untaian yang lainnya pada suatu inti menjadi tali baja (wire rope) Kedua proses diatas berlangsung secara bersamaan pada suatu inti yang terbuat dari rami, asbes atau kawat baja. Tali dengan inti kawat, akan mengurangi
18
kefleksibelan tali. Tali ini biasanya digunakan apabila mengalami gaya yang tinggi seperti pada tali yang digulung pada drum dengan beberapa lapisan. Berdasarkan konstruksi tali baja dibedakan menjadi: Ø Tali biasa (ordinary wire rope) yaitu tali baja yang ukuran diameter seratnya seragam. Dan tali biasanya ini dibedakan lagi menjadi: o Tali yang arah pilinan serat/kawat didalam untaian berlawanan dengan arah pilinan/any didalam tali (cross lay). Gambar 2.23a o Tali yang arah anyaman kawat didalam untaian searah dengan arah anyaman untaian didalam tali (cross lay). Gambar 2.23b o Tali komposit yaitu kedua untaian yang berdekatan dianyam dengan arah berlawanan BI Gambar 2.23c. dan tali ini dibedakan menjadi: o Tali kompon warrington yaitu tali kompon yang mempunyai diameter kawat yang berbeda pada lapisan anyaman yang sama didalam untaian.Gambar 2.23a dan 2.23b. o Tali kompon scale yaitu tali kompon yang mempunyai diameter kawat yang sama pada lapisan anyaman yang sama didalam untaian Gambar 2.23c
Gambar 2.23 Jenis tali baja
19
Gambar 2.24 Tiga jenis tali biasa
2.4 ANALISA TEGANGAN METODA EKSPERIMENTAL Analisa tegangan biasanya dilakukan melalui dua metoda yaitu metoda teoretis (analitis dan numerik) dan metoda eksperimental. Pada metoda analitis, penentuan distribusi tegangan diselesaikan secara matematis berdasarkan prinsipprinsip yang digunakan pada mekanika bahan. Dengan metoda ini, dihasilkan distribusi tegangan eksak yaitu berupa rumus-rumus analitis. Sayangnya, metoda ini hanya efektif untuk bentuk-bentuk geometris komponen yang sederhana dan simetris. Untuk bentuk yang tak sederhana, digunakan metoda pendekatan yaitu metoda numerik. Yang termasuk metoda ini misalnya adalah metoda elemen hingga (MEH) dan lain-lain. Pada metoda eksperimental, distribusi tegangan ditentukan dengan cara mengukur perubahan sifat fisik dari bahan komponen akibat pembebanan. Teknik pengukuran regangan dengan strain gage merupakan metoda eksperimental yang paling banyak digunakan dewasa ini. Prinsip kerja metoda strain gage ini berdasarkan kesebandingan antara perubahan resistansi strain gage (yang berfungsi sebagai penghantar listrik) dan regangannya dinyatakan dengan faktor k (atau sering disebut juga k-factor) dalam persamaan sebagai berikut : DR = ke R
dimana , DR adalah perubahan resistensi dan e adalah regangan
20
Besarnya faktor k telah ditentukan melalui kalibrasi oleh pabrik pembuat strain gage dan biasanya dicantumkan pada kemasan strain gage yang bersangkutan. Harga faktor k biasanya sekitar 2.0. Dewasa ini, strain gage yang paling banyak dipakai adalah jenis kawat dan foil seperti terlihat pada gambar 2.24. Pada gambar 2.25 diperlihatkan cara pemasangan strain gage yang lazim pada objek ukur.
Gambar.2.28 Jenis Strain Gage
Gambar.2.25 Jenis Strain Gage
Gambar.2.29 Cara Pemasangan Strain Gage Gambar.2.29 Cara Pemasangan Strain Gage
Gambar.2.26 Cara Pemasangan Strain Gage
Perubahan resistensi/tahanan akibat perubahan panjang kawat sangat kecil jika diukur langsung karena itu dibutuhkan suatu rangkaian listrik untuk
21
mengukur perubahan resistensi tersebut. Untuk itu biasanya digunakan rangkaian yang disebut Jembatan Wheatstone seperti terlihat pada gambar 2.26
Gambar 2.27 Jembatan wheatstone; skema(a) identik dengan (b)
Dari gambar di atas, jika keempat lengannya yaitu R1, R2, R3 dan R4 berfungsi sebagai sensor regangan, maka diperoleh persamaan umum sebagai berikut :
UA 1 = k (e 1 - e 2 + e 3 - e 4 ) UB 4 Dalam praktek, dikenal empat macam jembatan yaitu : 1. Jembatan seperempat (one-fourth bridge) 2. Jembatan setengah (one-half bridge) 3. Jembatan dua perempat (diagonal/two-fourth bridge) 4. Jembatan penuh (full bridge)
22
Analisa tegangan metoda eksperimental ini membutuhkan serangkaian peralatan dan secara umum peralatan–peralatan dapat diklasifikasikan berupa sensor unit, amplifier dan display/ recording unit seperti pada gambar 2.27 di bawah ini.
Display/ Recording Unit
Gambar 2.28 2.31 Rangkaian Peralatan Metoda Eksperimental
23
2.5 SISTEM PULI Suatu system puli adalah gabungan beberapa puli bebas dan puli tetap atau puli rantai. Puli tetap adalah puli yang hanya bergerak rotasi,sedangkan puli bebas adalah puli yang selain melakukan gerakkan rotasi juga ikut bergerak translasi seiring dengan gerakkan benda yang diangkat. Setiap puli memounyai hambatan. Semakin banyak puli yang dilalui oleh tali, maka hambatan semakin besar. Jumlah lengkungan tergantung pada jumlah puli dan jenis system puli tersebut .semakin besar jumlah lengkungan, maka akan semakin cepat tercapainya kelelahan tali. Besarnya daya penggerak tergantung pada beban yang diangkat,kecepatan angkat, jumlah suspensi, dan system pulinya.
2.5.1 Jenis system puli System puli dapat dibedakan menjadi 3 sistem, yaitu system puli dengan keuntungan gaya, system puli dengan keuntungan kecepatan dan system puli majemuk.
a) Dengan keuntungan kecepatan: System puli ini kecepatan muatan lebih cepat dari pada kecepatan penggerak. System ini banyak dijumpai pada lift hidrolik atau pneumatic seperti pada Gambar 2.28
Gambar 2.29 Sistem puli dengan keuntungan kecepatan
b) Puli dengan keuntungan gaya System puli ini kebalikan dari system puli keuntungan kecepatan. Artinya dengan gaya yang lebih kecil system ini mampu mengangkat beban yang sama
24
besarnya dengan system sebelumnya, tetapi kecepatan muatan lebih lambat. Seperti pada Gambar 2.29
Gambar 2.30 Sistem puli dengan keuntungan gaya
c) Puli majemuk System puli ini merupakan system puli dimana ada dua bagian pada system puli tersebut yang secara bersamaan mengangkat muatan. Seperti pada Gambar 2.30
Gambar 2.31 Sistem puli majemuk
2.5.2 Jumlah tekukan pada system puli Jumlah lengkungan yang dialamai oleh tali pada system
puli dapat
dihitung dengan cara menghitung berapa kali tali tersebut memasuki dan meninggalkan puli untuk satu kali pengangkatan. Dalam menghitung jumlah
25
lengkungan ini, perlu diperhatikan bahwa ada dua jenis lengkungan yaitu lengkungan tunggal dan ganda. Tali yang melewati tekukan puli dikatakan mengalami tekukan tunggal apabila arah putaran puli yang ditinggalkannya searah dengan putaran puli yang dimasukinya. Tali yang melewati puli dikatakan mengalami tekukan ganda apabila arah putaran puli yang ditinggalkanya berlawanan arah dengan arah putaran puli yang dimasukinya.
Pada Gambar 2.31, apabila muatan diturunkan, maka puli A akan berputar berlawanan arah jarum jam. Sedangkan puli B jumlah tekukan dihitung dua kali (tekukan ganda) sedangkan pada saat memasuki puli C jumlah tekukan dihitung tunggal karena putaran puli B searah dengan puli C
Gambar 2.32 Jumlah lengkungan
Untuk mengetahui hubungan antara jumlah lengkungan dengan diameter puli (lihat table 2.1) NB
Dmin/d
NB
Dmin/d
NB
Dmin/d
NB
Dmin/d
1
16
5
26.5
9
32
13
36
2
20
6
28
10
33
14
37
3
23
7
30
11
34
15
37.5
4
25
8
31
12
35
16
38
Table 2.1 Hubungan NB dengan Dmin/d
26
2.5.3 Hambatan puli Hambatan yang terjadi pada puli disebabkan oleh sifat kelenturan tali dan gesekan antara puli dengan as atau gesekan pada bantalan. Dan besarnya hambatan total ini ditentukan dengan rumus: ξ sistem = ξn Dimana : ξ = hambatan n = jumlah puli
2.5.4 Diameter puli Diameter puli dapat ditentukan apabila sudah dipilih tali baja yang dipakai. Dimana diameter puli minimum didapat dari rumnus: Dmin = e1 x e2 x d Dimana : D
= Diameter puli (mm)
d
= Diameter tali baja (mm)
e1
= Lihat table 2.2
e2
= Lihat table 2.3
Tipe alat pengangkat
Digerakkan oleh
Kondisi operasional
k
e1
1.
Tangan
Ringan
4
16
truk
Daya
Ringan
5
16
yang mempunyai crane
Daya
Medium
5.5
18
pilar,
Daya
Berat
6
20
2. semua tipe lain dari
Tangan
Ringan
4.5
18
crain
Daya
Ringan
5
20
Daya
Medium
5.5
25
Daya
Berat
6
30
-
-
4
12
-
-
5.5
20
lokomotif,caterpillar
mounted
traktor,
dan
pengangkat
mekanis
3.
Derek
dioperasikan
yang dengan
tangan kapasitas 1 ton 4. troli
pengangkat
dengan
27
5. penjepit mekanis 6.
Idem
untuk
pengangkat no.1
-
-
5
20
-
-
5
30
Table 2.2 Nilai factor keamanan dan nila e2
Kontruksi tali baja
Faktor e2
Ordinary 6x19+fc Cross lay
1.00
Lang lay
0.90
Warington 6x19+fc Cross lay
0.90
Lang lay
0.85
Seale 6x19+fc Cross lay
0.95
Lang lay
0.85
Ordinary 6x37—fc Cross lay
1.00
Lang lay
0.9
Table 2.3 Faktor kontruksi tali baja e2
2.6 KONTRUKSI KEPALA PULI
Gambar 2.33 Puli ( Pandangan isometrik )
28
Gambar 2.34 Puli ( Pandangan atas )
Gambar 2.35 Puli ( Pandangan samping )
Gambar 2.36 Puli ( Pandangan depan )
29
BAB III PERHITUNGAN GAYA YANG BEKERJA PADA KEPALA PULI Analisa dan pengembangan dari kepala puli menitikberatkan pada penerapan mekanisme yang telah ada untuk mengetahui durability dari kepala puli tersebut, diperlukan perhitungan gaya-gaya statis yang bekerja terutama pada kekuatan struktur kepala puli.
3.1. TAHAPAN ANALISA Analisa teknik mesin, berarti perencanaan dari sistem dan segala yang berkaitan dengan sifat mesin, produk, struktur, alat-alat dan instrumen. Pada umumnya, perencanaan teknik mesin mempergunakan matematika, ilmu bahan, dan ilmu mekanika teknik. Pengenalan Kebutuhan
Perumusan Masalah Sintesa Analisa dan Optimasi
Evaluasi Penyajian Gambar. 3.1 Tahapan Analisa
Kebutuhan yang diperlukan dalam merancang Kepala puli adalah ·
Hasil desain yang kokoh.
·
Menjamin daya tahan struktur kepala puli terhadap gaya yang dibebankan.
30
·
Mampu membawa beban core barrel dan rod. Spesifikasi yang harus dipenuhi untuk dapat mendukung kebutuhan
antara lain:
3.2 PERHITUNGAN BEBAN a. Beban rod Mesin jackro 200 mampu melakukan pengeboran sampai kedalaman 300 meter,rod yang biasa dipakai jenis PQ yang mempunya spesifikasi sebagai berikut: o Panjang 3 meter o Berat rod/unit
= 17,4 kg
o Berat Hoisting plug
= 16 kg
Jadi total beban disaat mengangkat rod pada kedalaman 300 meter Total
100 x 17,4 +16 = 1756 kg
b. Beban Core Barrel Core barrel adalah alat yang berfungsi untuk mengambil inti sample tanah. Jadi total beban disaat mengangkat core barrel o Berat core barrel
= 57 kg
o Berat Overshots
= 21 kg
Total
= 78 kg
3.3 FAKTOR KEAMANAN Faktor keamanan, digunakan untuk menyediakan suatu batasan disain diatas kapasitas disain yang teoritis untuk mengakomodasi ketidak-pastian didalam proses perancangan. Ketidak pastian ini meliputi komponen-komponen dari proses perancangan yang mencakup perhitungan, kekuatan material, kemampuan, kualitas pembuatan. Nilai dari faktor keamanan dihubungkan dengan ketidak pastian pada proses perancangan. Penafsiran yang paling sederhana dari factor keselamatn adalah FoS = Komponen kekuatan material / Komponen Beban
31
Jika suatu komponen menahan beban sebesar 100 Newton dan faktor keamanan yang dipilh adalah 4 maka komponen tersebut dirancang dengan kekuatan pendukung sebesar 400 newton
Pemilihan dari faktor keamanan yang sesuai untuk digunakan pada komponen perancangan adalah sangat perlu antara hubungan biaya tambahan beban dan manfaat dari ditingkatkan keselamatan atau keandalan. Secara umum suatu faktor keamanan yang ditingkatkan diakibatkan oleh suatu komponen yang lebih berat atau suatu komponen yang dibuat dari suatu material lebih eksotis atau meningkatkan komponen perancangan.
Tabel 3.1 Faktor keamanan yang terdaftar di bawah ini didasarkan dengan kekuatan luluh..
Faktor keamanan
Aplikasi
1.25 – 1.5
Sifat material diketahui secara detil. Kondisi-Kondisi operasi yang dikenal secara detil, resultan stresses
dan
tegangan diketahui dengan tingkat kepastian tinggi. Adanya sertifikat pengujian.
1.5 – 2
Material diketahui dengan sertifikasi dibawah kondisikondisi yang tetap layak , yang diperlakukan kepada beban dan
stress
perancangan
yang
dapat
ditentukan
sesuai
prosedur
yang berkwalitas. Bukti test,
aturan
pemeriksan dan persyaratan perawatan. 2 -2.5
Material didapatkan dari suplier yang reputable untuk hubungan standar operasi pada hubungan yang normal dan didasarkan pada beban dan stress yang dapat ditentukan dengan pengecekan perhitungan
2.5 – 3
Bahan material yang kurang dalam pengujian atau material yang rapuh dibawah kondisi rata-rata yang berhubungan dengan beban dan tekanan
32
3–4
Untuk material yang tanpa pengujian dibawah rata-rata yang berhubungan dengan beban dan tekanan material
3–4
Sebaiknya dipakai pada material yang tidak diketahui beban dan stressnya
3.4 JENIS –JENIS PEMBEBANAN Poros adalah salah satu elemen yang sangat penting dalam konstruksi mesin. Poros ada yang berpenampang square dan ada yang berpenampang bulat, akan tetapi kebanyakan poros adalah berpenampang bulat karena fungsinya yang berguna untuk mentransmisikan daya bersama-sama dengan putarannya.
Poros square biasanya hanya digunakan untuk menumpu beban saja, sedangkan poros bulat merupakan elemen mesin yang berputar, dimana terpasang elemen-elemen mesin pemindah-daya yang lain seperti roda gigi dan puli. Poros bisa menerima beban yang berupa lenturan, tarikan, tekanan, atau puntiran yang bekerja sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan lainnya seperti pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Poros bulat yang menerima pembebanan gabungan.
3.4.1
PEMBEBANAN PADA POROS
Struktur yang dirancang selalu memenuhi persamaan keseimbangan yang dikenal dengan hukum Newton. Untuk keseimbangan bidang, hukum Newton ditulis dalam bentuk persamaan di bawah ini.
åF
x
=0
(3-1)
33
åF åM
=0
y
z
(3-2)
=0
(3-3)
Secara umum suatu poros menerima empat macam gaya pembebanan berdasarkan arahnya yaitu gaya aksial, gaya geser, momen lentur (bending), dan momen puntir (torsi). Sebuah poros dapat menerima keempat macam gaya tersebut secara bersama-sama seperti pada Gambar 3.2 atau salah satunya saja.
Akibat pembebanan dapat menimbulkan tegangan dan regangan. Dalam hukum Hooke dinyatakan bahwa hubungan antara tegangan dan regangan adalah sebanding, dan dapat ditulis dalam bentuk:
s = Ee
(3-4)
dimana: σ = tegangan (N/mm2) ε = regangan E = modulus elastisitas (N/mm2) Sedangkan dalam bentuk pergeseran hubungannya menjadi
t = Gg
(3-5)
dimana: τ = tegangan geser (N/mm2) γ = regangan geser G = modulus elastisitas geser (N/mm2)
a) Momen Puntir (Torsi) Setiap gaya yang berhimpit dengan suatu sumbu suatu bagian mesin disebut torsi, karena momen ini menyebabkan bagian mesin tersebut memuntir terhadap sumbunya. Besarnya torsi yang bekerja pada suatu poros yang berputar mentransmisikan daya adalah: T=
P
(3-6)
w
dimana: T = torsi (Nmm)
34
P = daya yang ditransmisikan oleh poros (watt)
w = kecepatan sudut (rad/s) Besarnya kecepatan sudut adalah:
w=
2p n 60
(3-7) dimana:
n = banyak putaran poros dalam setiap menitnya (rad/min) Akibat adanya momen torsi yang diterapkan pada poros, maka menimbulkan tegangan geser pada poros tersebut.
Gambar 3.3 Deformasi pada poros bulat akibat puntiran
Gambar 3.3 memperlihatkan sebuah poros bulat pejal yang menerima momen puntir atau torsi. Apabila torsi T bekerja pada ujung poros, serat permukaan luar AB yang semula lurus akan memuntir menjadi heliks AC karena poros dipuntir sebesar sudut q . Sudut q akan bertambah besar sesuai dengan penambahan beban terpasang.
Kemudian tinjau setiap serat dalam kedudukan pada jarak radial r dari sumbu poros. Dengan menganggap proyeksi garis radial lurus terhadap penampang melintang di dalam penampang tetap lurus, jari-jari serat seperti itu juga berotasi terhadap sudut q , sehingga deformasi geser total d s sama dengan DE. Panjang deformasi ini adalah busur lingkaran dengan jari-jari r dan
35
berhadap dengan sudut q radian, panjang dan tegangan gesernya diberikan oleh
d s = DE = r q g =
ds L
=
(a)
rq L
(b)
æ Gq ö ÷r è L ø
(c)
t = Gg = ç
Jika poros pada Gambar 3.3 dibagi menjadi dua segmen dengan bidang potong M-N, maka Gambar 3.4 memperlihatkan diagram benda bebas dari bagian kiri.
Gambar 3.4 Diagram Benda - Bebas dari Gambar 3.3
Luas penampang differensial M-N pada jarak radial rdari sumbu poros menghasilkan beban tahanan differensial dP = t dA. Dengan menganggap luas sangat kecil kita bisa menganggap tegangan merata diseluruh luas. Oleh karena fungsi beban tahanan ini menghasilkan tahanan terhadap torsi terpasang T, beban harus tegak lurus ke jari-jari r agar menghasilkan pengaruh maksimum. Dengan menganggap dan menetapkan arah dP tegak lurus dengan r, maka dihasilkan tahanan torsi maksimum. Untuk memenuhi kondisi kesetimbangan statis, kita menggunakan SM = 0, atau fakta bahwa torsi terpasang T sama dengan torsi tahanan Tr. Torsi tahanan adalah jumlah torsi-tahanan yang terjadi akibat semua beban differensial dP. T = Tr = ò dP = ò r( t dA)
(3-8)
Dengan mengganti t dengan harga dari persamaan (c) memberikan
36
æ Gq ö 2 T =ç ÷ ò r dA è L ø
(3-9)
Atau, karena harga ò r 2 dA = J adalah momen inersia polar penampang, æ Gq ö T =ç ÷J è L ø
atau q =
TL JG
(3-10)
Dengan mengganti harga Gq / L dalam persamaan (c) dengan harga ekuivalennya T/J dari persamaan (3-10), diperoleh besarnya tegangan geser adalah T .r J
t=
(3-11)
dimana: t = tegangan geser akibat torsi (MPa) T = torsi (Nmm) r = jari-jari poros (mm) Tegangan geser di titik pusat adalah nol dan maksimum dipermukaan poros, ini dapat dilihat pada Gambar 3.3. persamaan (3-11) menjadi
t max =
T .r J
(3-12)
J adalah momen inersia polar dan r adalah jari-jari poros. Untuk batang berpenampang bulat padat momen inersia polar sebesar J =
p .r 4
(3-13)
2
Sedangkan untuk batang berpenampang segi empat padat momen inersia polarnya sebesar J =
1 b h ( b2 + h2 ) 12
(3-14)
37
3.5 ANALISA TEGANGAN DAN LINGKARAN MOHR Analisa tegangan dapat dilakukan dengan mengamati sebuah elemen kecil dari sebuah poros yang menerima pembebanan. Gambar 3.5 menggambarkan sebuah elemen tegangan berdimensi tiga dan juga menggambarkan tegangan berdimensi duanya.
Gambar 3.5 Keadaan Tegangan pada Elemen Kecil Poros Berbeban.
Gambar 3.5 menggambarkan suatu keadaan dari tegangan pada koordinat kartesian. Pada keadaan ini hanya tegangan normal yang di perlakukan positif atau negatif sedangkan untuk tegangan geser diperlakukan searah putaran jarum jam (cw) atau berlawanan dengan putaran jarum jam (ccw). Tegangan nomal yang arahnya keluar adalah tegangan tarik yang bernilai positif.
Lingkaran Mohr adalah suatu cara mudah untuk memprediksikan apakah suatu elemen gagal akibat tegangan normalnya atau karena tegangan gesernya. Caranya dengan mengeplot keadaan tegangan dari elemen bertegangan 2D, sesuai dengan besar dan arahnya pada lingkaran Mohr. Sumbu x positif pada koordinat kartesian adalah sumbu tegangan normal tarik pada lingkaran Mohr, sumbu x negatif pada koordinat kartesian adalah sumbu tegangan normal tekan pada lingkaran Mohr, sumbu y positif pada koordinat kartesian adalah sumbu tegangan geser searah putaran jarum jam pada lingkaran Mohr, sumbu y negatif pada koordinat kartesian adalah sumbu tegangan geser melawan putaran jarum jam
38
pada lingkaran Mohr. Untuk lebih jelasnya Gambar 3.6 menggambarkan cara mengeplotkan elemen kecil bertegangan ke dalam lingkaran Mohr.
Gambar 3.6 Lingkaran Mohr
Titik pusat dari lingkaran Mohr tersebut adalah C yang besarnya C=
sx + s y
(3-15)
2
Dan Jari-jari lingkaran Mohr adalah R yang besarnya
æs x -s y R = çç 2 è
2
ö ÷÷ + t 2 xy ø
(3-16)
Referensi: 1. Ferdinand P. Beer and E. Russell Johnson, Jr, "Mechanics of Materials", Second Edition, McGraw-Hill, Inc, 1992. 2. James M. Gere and Stephen P. Timoshenko, "Mechanics of Materials", Third Edition, PWS-KENT Publishing Company, Boston, 1990.
3.6 MATRIKS KEKAKUAN Analisa struktur dengan metode matriks kekakuan merupakan versi awal metode elemen hingga yang menjadi andalan untuk digunakan bersama dengan komputer. Dasar teori penyelesaian statik yang digunakan metodeMatriks
39
kekakuan adalah persamaan keseimbangan struktur yang dapat ditulis dalam bentuk matriks sebagai berikut [K]{δ }= {F}. Formulasi persamaan keseimbangan memperlihatkan bahwa besarnya deformasi {δ} berbanding lurus dengan gaya{F}yang diberikan, di mana matriks [K] adalah sesuatu yang menghubungkan perpindahan (deformasi) dan beban. Lebih tepatnya lagi, matriks [K] adalah besarnya gaya yang diperlukan untuk menghasilkan perpindahan (deformasi) satu satuan. Referensi: http://sipil-uph.tripod.com/wir_kegagalan_bangunan.pdf
3.7 KONSENTRASI TEGANGAN Faktor konsentrasi tegangan (SCF) diperlukan untuk melakukan analisis perkiraan umur lelah (fatigue life) suatu struktur secara akurat dan aman. Keruntuhan fatigue ditemukan pada struktur yang mengalami beban yang berubah-ubah secara terus. Analisa dilakukan untuk mengetahui faktor konsentrasi tegangan pada sudut potong pelat kepala puli. SCF didapat dari perbandingan tegangan puncak yang terjadi pada daerah konsentrasi tegangan pada sambungan terhadap tegangan nominalnya.
Gambar 3.7 Distribusi Tegangan dan Konsentrasi Tegangan
Solusi analisa untuk faktor konsentrasi tegangan, Kt adalah:
40
Kt = 1 + 2
a
rt
;
if a >> r t , K t » 2
(3-17) a
rt
Referensi: Peterson’s , Stress Concentration Factors Walter D. Pilkey 2nd ed, john wiley & son, 1997.
Dimana: Kt = Faktor konsentrasi tegangan a = kedalaman lekuk ρt = jari –jari permukaan netral Analisis struktur secara global tidak memberikan informasi yang tepat mengenai daerah konsentrasi tegangan dan besarnya tegangan yang terjadi pada sambungan. Hal ini membuat perlunya untuk melakukan analisis struktur sambungan secara lokal. Tegangan puncak pada daerah konsentrasi tegangan didapat dari model struktur sudut potong pelat secara lokal. Dengan menyelesaikan persamaan faktor konsentrasi tegangan berdasarkan tegangan nominal dan tegangan puncak, maka harga faktor konsentrasi tegangan pada sambungan dapat diketahui.
3.8 JENIS KONSENTRASI TEGANGAN Sebuah contoh dari konsentrasi tegangan terjadi dalam pelat dengan lubang lingkaran pada gambar 3.8 dibawah ini:
41
Gambar 3.8 Konsentrasi Tegangan Pada Pelat
Penelitiah menunjukkan bahwa terjadi konsentrasi tegangan tinggi dititik m dan n, dimana distribusi tegangan tampak pada gambar yang diarsir. Bila ukuran lubang cukup kecil sebanding dengan lebar pelat ,maka besarnya normal stress disebarang titik dipenampang lintangnya pada jarak r dari pusat lubang adalah:
æ a2 3a 4 s = s 0ç ç1 + 2 r 2 + 2 r 4 è
ö ÷ ÷ ø
(3-18)
Disini σo = Uniform stress diujung pelat dititik m dan n dimana r = ad, σmax = 3 σo dan bila r = d, σ = 1.7/32.σo. Untuk lubang berbentuk elip gambar 3.8 (b) maksimum stressnya adalah: s max = s 0æ ç1 + 2 è
aö ÷ cø
(3-19)
Seperti pada gambar 3.8 (c) juga menimbulkan konsentrasi tegangan tinggi ,experimen memperlihatkan tegangan dititik m dan n sebesar 3 kali rata – rata tegangan dipinggir pelat
42
Gambar 3.9 Konsentrasi Tegangan
Gambar 3.10 Grafik Faktor Konsentrasi Tegangan
Uji coba bahan seperti pada gambar 3.9 (b) experimen memperlihatkan maximum stress dititk m dan n sebesar 1 ¾ kali rata-rata stress pada cross section m dan n atau dapat dirumuskan sebagai berikut:
s max = ak .sm Dapat dibaca dari gambar 3.10 disebut stress concentration factor Dimana :
43
(3-20)
σm = Tegangan rata-rata dibidang yang terkecil atau bila tebal pelat t diketahui ,dapat ditulis:
sm =
P (b - 2a ).t
(3-21)
Gambar 3.11 Tegangan Yang Terjadi Pada Lubang Pelat Demikian pula lubang lingkaran terhadap gambar 3.8 (a) dapat dilihat pada gambar 3.11 (b)
so =
sr =
P bt
so æ
a 2 ö so æ 4a 2 3a 2 ö çç1 - 2 ÷÷ + çç1 - 2 + 4 ÷÷ cos 2f 2 è r ø 2 è r r ø
Untuk f =
3 2
sr = so
p 2
a2 r2
(3-22)
,yaitu untuk permukaan sumbu x
æ a2 ö çç1 - 2 ÷÷ r ø è
(3-23)
44
a) STRESS PADA BIDANG MIRING Seperti yang diuraikan pada bab konsentrasi tegangan, tegangan pada penampang normal m dan n adalah uniform dan besarnya : P A
s=
(3-24)
Gambar 3.12 Tegangan Pada Bidang Miring Bila so =
P ,dan karena area seksi miring pq A
Adalah A1 = A/cos θ, sedangkan: N = P cos θ , dan θ = P sin θ
sn =
N P cos o P = = cos 2 o = so cos 2 o 1 A A A cos o
(3-25)
b) TEGANGAN PADA BATANG YANG UJUNG SATUNYA FIXED sebuah batang seperti pada gambar 3.11, dimana ujung atas terpaku tetap dan ujung beban lainnya dikerjakan gaya P, maka:
1. Untuk penampang lintang yang sama :
sc =
P + rc A
(3-26)
2. Untuk penampang lintang yang tidak sama
45
sc = Ac = A0e
r
c
P + r ò Acdc Ac 0
(3-27)
ac
log10 Ac = log10 Ao + 0.4343 r
ac
log e = 2,3 log10
Gambar 3.13 Tegangan Pada Batang Yang Ujung Satunya Fixed Dimana: ρ
= Berat jenis
P
= Gaya
A,Aχ = Penampang lintang Referensi: 1. Callister, William D. Materials Science and Engineering: An Introduction - 3rd Edition. John Wiley & Sons, Inc.: New York, 1994.
3.9 CONTOH ANALISA KONTRUKSI PELAT MENGGUNAKAN MEH a. PELAT L Pelat L ini merupakan status contoh struktur dengan garis tepi luar dan dalam membentuk sudut 90º. Sudut ini menyebabkan terjadinya singularitas. Pelat ini dibuat terejepit pada dua sisi ujungnya sehingga menimbulkan titik-titik
46
singularitas juga. Untuk memperbesar efek singularitas sudut , maka pada sudut dalam pelat diberi tambahan suatu beban terpusat bisa dilihat pada gambar 3.15.
Gambar 3.14 Problem Pelat L Dengan 5 Titik Singularitas E=1000, Υ=0.3 Dan H=0.05 Penghalusan seragam dan penghalusan adaptif mencoba menyelesaikan masalah ini sehingga tercapainya error relatif norma energi dibawah 5%. Karena jumlah titik-titik singularitas melebihi satu, maka peneyelesaian melalui diskritisasi adaptif lebih memadai.diskritisasi struktur dengan cara penghalusan seragam maupun adaptif dapat dilihat pada gambar 3.15 Pencapaian Error Relatif Sebatas 5% memlalui penghapusan seragam terluhat sangay tidak efektif pada kasusu ini. Hal ini terbukti hanay tercapainya error relatif sebesar 8.25%, sedang jumlah elemen sudah mencapai 972. penjelasan sederhana mengenai hal ini adalah pada daerah sekitar titik beban, error yang ditimbulkan oleh energi reganganberperan cukup besar, sehingga akan berpengaruh secara global.
47
Gambar 3.15 Diskritisasi Seragam dan Adaptif Problem Pelat L
Dengan melakukan penghalusan secara adaptif maka error energi yang ditimbulkan oleh energi regangan khusunya pada daerah sekitar titik beban akan berkurang secara drastis. Walaupun error enrgi regangan yang terjadi pada daerah sekitar titik beban masih cukup kuat, tetapi dengan luas pengaruh yang telah mengecil menyebabkan kontribusanya secara global tidak akan berperan penting lagi.
b. PELAT HEKSAGON BERLUBANG Gambar 3.17 memperlihatkan contoh lanjut aplikasi estimator error problem pelat lentur dengan elemen DKMQ. Untuk problem ini kondisi batas tepi pelat dibuat lebih kompleks dibandingkan dengan problem sebelumnya. Karena sifat simetris pelat , maka hanya satu kuadran pelat yang akan dianlisis. Tebal pelat diambil 0.1 yang menghasilkan L/h=500 (pelat tipis). Modulus elastisitas sebesar 1000 dan poison rasio 0.3 dipilih untuk problem ini .pembebanan merata sebesar 1.0 unit per area bekerja tegak lurus permukaan pelat.
48
Gambar 3.16 Satu Kuadran Pelat Heksagon Dengan Pembebanan Merata
Gambar 3.17 Analisa Adaptif Problem Pelat Heksagon Untuk Mencapai Akurasi Error Sebesar 5% 3.10 BEBAN TOTAL YANG DIANGKAT
(Safety
factor
x
Total
beban) v ROD Faktor-faktor yang diabaikan pada saat pengangkatan rod karena tidak adanya data akurat tentang: o Gaya gesekan yang terjadi pada rod terhadap dinding lubang pengeboran o Data tentang kondisi lapisan tanah. o Beban tali baja dalam kg/meter Berdasarkan dari faktor keamanan diatas maka faktor keamanan yang diambil adalah 3
Total Rod
= (Nr).(Fos).(Wr) + (Wh)
49
= 100 x 3 x 17,4kg + 16kg = 5268 kg
Dimana
= 51661.43 N = 51.6 kN
Nr
= Jumlah Rod
Fos
= Factor of safety (Faktor keamanan)
Wr
= Berat Rod…( Kg )
Wh
= Berat Hoisting plug .. ( Kg )
v CORE BARREL Faktor-faktor yang diabaikan pada saat pengangkatan rod karena tidak adanya data akurat tentang:
o Gaya gesek yang terjadi pada dinding Beban tali baja o Beban tali baja dalam kg/meter
Berdasarkan dari faktor keamanan diatas maka faktor keamanan yang diambil adalah 3 Total Core barrel = (Fos) x (Wr) + (Wo) = 3 x 57kg + 21kg = 234 kg
= 2294.75 N = 2.29 kN
Dimana : Wo
= Berat Overshots
Fos
= Faktor keamanan
Wr
= Berat Rod
50
3.11 STRUKTUR PULI
Gambar 3.18 Struktur Puli
3.12 DIAGRAM BENDA BEBAS PADA GAYA STATIS Kasus I
Gambar 3.19 Diagram Benda Bebas disaat mengangkat rod
51
Gambar 3.20 Gaya Resultan Poros Pada Kasus I
R = (51.6kN ) 2 + (51.6kN ) 2
= √5,325.12 kN = 72.97 kN
Kasus II
Gambar 3.21 Diagram benda bebas saat mengangkat core barrel
52
Gambar 3.22 Gaya Resultan Poros Pada Kasus II
R = (2.29kN ) 2 + (2.29kN ) 2
= √10.48 kN = 3.23 kN
3.13 MATERIAL STRUKTUR Penggunaan material yang tidak tepat dapat menimbulkan kegagalan dini dari suatu peralatan/1nstalasi berikut akibatnya terhadap aspek keselamatan dan pembiayaan. Pemilihan material yang tepat, bila dikaitkan dengan konsep diatas adalah memilih logam/paduan sedemikian sehingga pertukaran ion dengan lingkungannya tidak berlangsung dengan cepat atau dengan perkataan lain memilih logam/paduan yang perbedaan potensialnya dengan lingkungannya tidak terlalu besar. Dalam praktek, jika lingkungannya relative agresif (severe) perancang lazim memilih logam atau paduan yang memiliki ketahanan korosi yang lebih baik dari baja. Karakteristik pemilihannya didasarkan pada aspek apakah logam tsb imun pada lingkungan tsb atau apakah logam tsb dapat membentuk suatu lapisan tipis yang memiliki sifat protektif dan memiliki Recoverabili yang memadai apabila lapisan tersebut terkelupas.
53
Namun perlu diketahui bahwa dalam praktek, suatu system peralatan (technical system) jarang sekali tersusun oleh satu jenis logam sehingga karakteristik pengendalian/pertukaran ion menjadi tidak sederhana. Dalam hal seperti ini; jika perlu ada yang "dikorbankan" maka desainer biasanya memilih komponen yang bentuknya tidak rumit atau yang accessibilitasnya pada saat penggantian komponen, tidak sulit.
Sebagai pegangan di dalam merancang; saat ini sangat banyak literature atau Handbook yang berisi tabel-tabel yang menunjukkan karakteristik suatu logam atau paduan dalam suatu lingkungan tertentu. Untuk bahan pembuatan kontruksi kepala puli dipilih bahan plat baja ST 37 dengan tebal 5 mm, baja ST 37 merupakan baja karbon rendah yang sering dipakai untuk pembuatan kontruksi mesin,ST merupakan suatu kepanjangan dari "Tensile strength" ST 37 artinya bernilai 370 N/mm2.
Gambar 3.23 Material
54
3.14.a MESH Kontrol mesh dilakukan pada posisi ukuran elemen 7.3898704 , ratio 1.25, dengan 3 layer.
Gambar 3.24 Kontrol mesh.
Gambar 3.25 Mesh
55
3.14.b Seting Contact gaps Contact gaps mendefinisikan hubungan antar 2 permukaan yg bertemu dan besinggungan untuk diterjemahkan kedalam mesh. Ada 3 jenis contact : 1. bonded :mesh antara permukaan bagian yang berbeda seakan-akan di las atau di lem(menyatu.) 2. free 3.
: mesh antar permukaan yang dilakukan sendiri-sendiri(bebas).
node to node: mesh antar permukaaan yang dibuat simpul dari satu permukaan bertemu dengan simpul permukaan bagian yang lain.
Pada simulasi ini contact gaps di setting pada node to node,seting ini akan memberikan hasil yang baik untuk simulasi pertemuan antara dua permukaan yang salah satu permukaan mengalami pembebanan.
Gambar 3.26 Contact/Gaps
56
3.15 HASIL SIMULASI 3.15.A. Simulasi Puli Atas ( Kasus I )
Gambar 3.27 Kasus I Ø HASIL TEGANGAN ( kasus I )
Gambar 3.28 Hasil Tegangan pada Kasus I
57
Ø HASIL DEFORMASI ( Kasus I )
Gambar 3.29 Hasil Deformasi pada Kasus I Ø DISTRIBUSI FAKTOR KEAMANAN ( Kasus I )
Gambar 3.30 Distribusi Faktor Keamanan pada Kasus I
58
3.15.B. Simulasi Puli Bawah ( Kasus II )
Gambar 3.31 Kasus II
Ø HASIL TEGANGAN ( Kasus II )
Gambar 3.32 Hasil Tegangan pada Kasus II
59
Ø HASIL DEFORMASI ( Kasus II )
Gambar 3.33 Hasil Deformasi pada Kasus II Ø DISTRIBUSI FAKTOR KEAMANAN ( Kasus II )
Gambar 3.34 Distribusi Faktor Keamanan pada Kasus II
60
BAB IV ANALISA MEH( Metode elemen hingga)
Gambar 4.1 Analisa Kasus I 4.1 Analisa MEH Pada Kasus I
Pada gambar diatas menunjukkan 7
bahwa adanya konsentrasi tegangan
2
maksimal sebesar 9.337x 10 N/m pada daerah potongan sudut yang tajam pada plat yang terhubung pada poros puli atas (area yang berwarna merah) sehingga tidak ada pemerataan tegangan dan tidak adanya support pada sisi atas Kepala Puli.
61
4.2 Analisa MEH pada kasus II
Gambar 4.2 Analisa Kasus II Pada gambar diatas menunjukkan terjadinya konsentrasi tegangan maksimal sebesar 3.066x 108 N/m2 pada
area bawah dekat puli sebesar bawah dan
menyebabkan saling berhimpitan
Gambar 4.3 Kepala Puli pada Referensi
Berdasarkan analisa diatas maka dilakukan perbaikan struktur pada pelat penahan puli, penambahan support pada kedua plat sebanyak lima buah
62
Gambar 4.4 Desain Kepala Puli yang ditawarkan (isometric)
Gambar 4.5 Desain Kepala Puli yang ditawarkan (Depan)
Gambar 4.6 Desain Kepala Puli yang ditawarkan (Samping)
63
BAB V OPTIMASI DESAIN Pada bab ini dilakukan pengujian MEH (Metode Elemen Hingga) pada struktur kepala puli
referensi dan mengadakan
perbandingan dengan
perancangan ulang struktur Kepala puli berdasarkan hasil pengujian MEH
Gambar 5.1 Faktor Keamanan pada Kasus I ( Bentuk Referensi )
Gambar 5.2 Faktor Keamanan pada Kasus I ( Bentuk optimasi )
64
5.1 PERBANDINGAN NILAI FAKTOR KEAMANAN KASUS I Pada gambar 5.1 menunjukkan faktor keamanan yang didapat sebesar 6.645e-1 (0.6) dan pada desain optimasi yang sudah kita ubah gambar 5.2 menunjukkan faktor keamanan yang didapat sebesar 2.014e+0 (2.0) sehingga terjadi peningkatan nilai faktor keamanan sekitar 230 %.
Gambar 5.3 Faktor Keamanan Pada Kasus II ( Bentuk Referensi )
65
Gambar 5.4 Faktor Keamanan pada Kasus II ( Bentuk optimasi )
5.2 PERBANDINGAN NILAI FAKTOR KEAMANAN KASUS II Pada gambar 5.3 menunjukkan faktor keamanan yang didapat sebesar 2.024 (2.0) dan pada desain optimasi yang sudah kita ubah gambar 5.4 menunjukkan faktor keamanan yang didapat sebesar 2.045 (2.0) Fos untuk kasus II cenderung sama.
66
Gambar 5.5 Faktor Tegangan pada Kasus I ( Bentuk Referensi )
Gambar 5.6 Faktor Tegangan pada Kasus I ( Bentuk optimasi )
67
5.3 PERBANDINGAN KONSENTRASI TEGANGAN PADA KASUS I Pada struktur kepala puli gambar 5.5 diatas Terjadi konsentrasi tegangan dan pada struktur kepala puli gambar 5.6 terjadi perbaikan, konsentrasi tegangan yg terjadi pada sudut tajam pada desain yg ditawarkan sudah terjadi pemerataan tegangan.
Gambar 5.7 Faktor Tegangan pada Kasus II ( Bentuk Referensi )
68
Gambar 5.8 Faktor Tegangan pada Kasus II ( Bentuk optimasi )
5.4 PERBANDINGAN KONSENTRASI TEGANGAN PADA KASUS II Kita bisa lihat perbandingan tegangan antara kontruksi kepala puli pada gambar 5.7 yang menunjukkan tegangan max 3.066e+8 (30.660 N/m2 )dan kontruksi kepala puli pada gambar 5.8, menunjukkan tegangan max 3.087e+8 (30.870 N/m2 ) Konsentrasi tegangan cendrung tetap untuk ke dua sistem hanya naik 2.1 Newton saja.
69
Gambar 5.9 Deformasi pada Kasus I ( Bentuk optimasi )
Gambar 5.10 Deformasi pada Kasus II ( Bentuk optimasi )
70
5.5 ARAH DEFORMASI PADA BENTUK OPTIMASI Pada gambar 5.9 Support atau pelat menahan arah deformasi ke dalam pada bagian atasnya, dan untuk gambar 5.10 Tidak terdapat lagi deformasi plat ke arah dalam atau berhimpitan , deformasi cenderung terjadi kearah bawah karena adanya suport di kedua sisi bawa kepala puli.
5.6 ANALISA HASIL ANGKA Data input:
Hasil Simulasi: Ø Kasus I Referensi: · Hasil Tegangan Maksimal Pada Skla 1:137 · Nilai Faktor Keamanan Pada skala 1:0
= 9.337x107 N/m = 0.664
Ø Kasus II Referensi: · Hasil Tegangan Maksimal Pada Skala 1: 447 = 3.066x108 N/m2 · Nilai Faktor Keamanan Pada Skala 1:0 = 2.024 Ø Kasus I Optimasi: · Hasil Tegangan Maksimal Pada Skla 1: 640 · Nilai Faktor Keamanan Pada Skala 1:0
= 3.080x108 N/m2 = 2.014
Ø Kasus II Optimasi: · Hasil Tegangan Maksimal Pada Skla 1:484 · Nilai Faktor Keamanan Pada Skala 1: 0
= 3.035x108 N/m2 = 2.045
71
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 KESIMPULAN 6.1.A Kepala Puli (Bentuk Referensi)
Gambar 6.1 Kepala Puli Bentuk Referensi
Pada kontruksi kepala puli bentuk referensi terdapat bentuk sudut tajam pada plat yang menyebabkan konsentrasi tegangan mendekati tegangan izin.
6.1.B Kepala Puli (Bentuk Optimasi)
Gambar 6.2 Kepala Puli Bentuk Optimasi
72
Pada kontruksi kepala puli bentuk optimasi terdapat pengurangan nilai konsentrasi tegangan yang mendekati tegangan izin.
Berdasarkan bentuk kontruksi tersebut diatas kekuatan struktur terhadap beban statis sudah tercapai, namun dengan meningkatkan kekuatan strukturnya lagi dengan mengubah shape, akan meningkatkan daya tahan produk (durability) yg berarti better produk
6.1.C Adanya Peningkatan Dari Kontruksi Bentuk Referensi Kebentuk Optimasi Antara Lain: 1. Faktor Keamanan produk pada kasus I meningkat dari 0.6 menjadi 2 atau meningkat
hingga 230 % sedangkan Faktor Keamanan
produk pada puli kasus II cenderung sama yaitu dari 2.024 menjadi 2.045,
2. Pada kepala puli kasus I bentuk referensi ketika di simulasikan terdapat konsentrasi tegangan pada sudut tajam sehingga mempengaruhi pada umur kontruksi dan ketika kepala puli kasus dan untuk kasus II cenderung sama.
3. Arah
deformasi
pada
Bentuk
referensi
cenderung
saling
berhimpitan pada kedua pelatnya dan pada Bentuk optimasi cenderung kearah bawah karena adanya suport di beberapa sisi kepala puli.
6.1.D Dengan optimasi struktur yang memperhatikan beban yang terjadi (load behave) dapat meningkatkan kekuatan struktur tanpa mengganti jenis material, dan tanpa penambahan biaya (cost) yang tinggi.
73
6.2 SARAN Dalam bab ini, penulis ingin menyampaikan beberapa saran setelah mengamati tugas akhir ini antara lain : v Lakukan pengujian dinamis v Dalam pembuatan struktur hindari sudut tajam karena akan mengakibatkan konsentrasi tegangan yang mendekati tegangan yang dizinkan. v Menyesuaikan ukuran diameter tali baja dengan diameter puli, diameter puli dapat ditentukan apabila sudah dipilih tali baja yang dipakai.
74
DAFTAR PUSTAKA 1. Adhisasono, Analisa kekuatan dan Tegangan Sendi Lutut Buatan dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga, Universitas Indonesia,1999.
2. Cook, Robert. D, Finite Element Modeling for Stress Analysis, John Wiley & Sons. Inc, Canada,1995.
3. Shigley E. Joseph, Mitchell D. Larry, Harahap Gandhi, Perancanan Teknik Mesin Edisi Keempat, Jakarta, PT. Gelora Aksara Pratama,1991.
4. Megson, T. H. G, Structural and Stress Analysis, Butterworth-Heinemann, . 1996.
5. OC. Zienkiewiez, CBE, FRS, FREng, The Finite Element Method, fifth Edition, Volume 2 Solid Mechanic, Butterworth-Heineman, 2000. 6. Peterson’s , Stress Concentration Factors Walter D. Pilkey 2nd ed, john wiley & son, 1997
7. Irwan Katili, Aplikasi Metode Elemen Hingga Untuk Pelat Lentur, UIP,2003.
8. Ferdinand P. Beer and E. Russell Johnson, Jr, "Mechanics of Materials", Second Edition, McGraw-Hill, Inc, 1992.
9. James M. Gere and Stephen P. Timoshenko, "Mechanics of Materials", Third Edition, PWS-KENT Publishing Company, Boston, 1990.
75
