www.designfreebies.org
PERANCANGAN TEKNIS BAUT BATUAN BERDIAMETER 39 mm DENGAN KEKUATAN PENOPANGAN 130-150 kN
LOGO
Latar Belakang Kestabilan batuan
Perencanaan Baut Batuan
Baut batuan yang ada sangat mahal
• Tolok ukur keselamatan kerja di pertambangan bawah tanah
• Mampu menopang batuan sehingga longsor bisa dihindari • Menggunakan material standard pasar lokal dengan kekuatan bersaing secara internasional
LOGO
Penelitian Terdahulu Scott (1972) Mendesain grouted bolt, memberi nama “split set” untuk baut batuan berdiameter 33 mm, 39 mm dan 46 mm. Bahan yang dipergunakan adalah ASTM F 432-95 galvanized
Mattews et al (1981), Mah (1997), Martin L. (2002) Melakukan modifikasi jenis kurva stabilitas guna mendapatkan harga kekuatan penopangan yang optimal melalui pengaturan jarak antar baut batuan Tomory (1998), Johnson dkk (2004), Dolsak (2005 dan 2008) Menentukan umur baut batuan menggunakan Miniature Data Acquisition Sistem (MIDAS). Menentukan mekanisme pelubangan batuan yang tepat menggunakan Self Drilling Anchor. Menganalisa faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan baut batuan.
LOGO
Perumusan Masalah
LOGO
Permasalahan yang diangkat dalam perencanaan baut batuan berdiameter 39 mm dengan kekuatan penopangan 130-150 kN ini adalah bagaimana merancang baut batuan yang akan digunakan pada pertambangan bawah tanah, meliputi dimensi baut batuan dan pemilihan material yang tepat
Batasan Masalah
LOGO
1
• Material baut batuan disumsikan homogen
2
• Penelitian difokuskan pada baut batuan, tanpa melibatkan bearing plate
3
• Baut batuan dirancang untuk skala pertambangan
4
• Model baut batuan disesuaikan dengan kebutuhan
5
• Perencanaan mesin bending roll dilakukan hanya pada perhitungan daya motor listrik.
6
• Mekanisme pelubangan batuan sebagai tempat masuknya baut batuan tidak dijelaskan secara rinci pada penelitian ini.
Manfaat Penelitian
LOGO
Mengetahui dan memahami proses pembuatan baut batuan
Baut batuan yang telah dibuat dengan menggunakan material standard yang ada di pasar dapat memenuhi kebutuhan pertambangan dan mampu bersaing dengan produk sejenis yang sudah ada.
Tujuan Perancangan
LOGO
Merancang baut batuan dengan mengoptimalkan biaya produksi
Memilih bahan yang sesuai dengan tingkat kekuatan yang dibutuhkan. Mensimulasikan kekuatan material baut batuan dalam menopang batuan, menggunakan software ANSYS 11.
Gambar Produk
LOGO
Keterangan untuk dimensi baut batuan adalah sebagai berikut : panjang = 1067 mm Diameter luar = 39 mm Tebal = 2,5 mm Panjang Gap = 2,5 mm
Keterangan untuk dimensi bearing plate adalah sebagai berikut : A = 15 mm B = 4,5 mm C = 40 mm
Aplikasi Baut Batuan
LOGO
Dinding area pertambangan
Pertambangan bawah tanah
terowongan
Fungsi Baut Batuan Fungsi penahan Baut batuan harus mampu menahan massa batuan dengan mengandalkan tegangan geser material terhadap batuan
Fungsi penekan Baut batuan memberikan tekanan ke dinding lubang bor berupa gaya spring back material.
Fungsi penguat Baut batuan menguatkan lapisan batuan dengan mencegah terjadinya pergeseran antar lapisan batuan
LOGO
Spesifikasi Mesin Bending Roll Mesin bending roll menggunakan 2 hidrolik, masing-masing 2 ton dengan menggunakan 3 roller.
Daya (hp)
= 9 hp
Putaran (n)
= 1425 rpm
LOGO
Flowchart Perancangan START
Perumusan Masalah
Studi Literatur
Pengumpulan data
A
LOGO
LOGO A
Perhitungan kekuatan baut batuan
Simulasi pemodelan baut batuan dengan ANSYS 11
Tidak
Apakah tegangan kritis yang dialami baut batuan < tegangan yield material? Ya
Model baut batuan sesuai dengan desain dan siap untuk difabrikasi
END
Spesifikasi Baut Batuan
LOGO
Dimensi baut batuan
LOGO
Perencanaan Baut Batuan Perencanaan Mesin Bending Roll
Pemodelan Baut Batuan Menggunakan Software ANSYS 11
Perencanaan Material Baut Batuan
Identifikasi Pembebanan Pada Baut Batuan
LOGO
Perencanaan Mesin Bending Roll Setelah Torsi diketahui, daya motor dapat dihitung Mencari gaya tangensial untuk menghitung Torsi
Pertama kali, Menentukan kekuatan hidrolik, putaran motor, rasio gear box
LOGO
Perencanaan Material Baut Batuan
Menentukan kebutuhan material
Memilih material sesuai dengan kebutuhan
• • • • •
Memiliki tensile strength tinggi Memiliki modulus elastisitas rendah Memiliki harga kekerasan tinggi Material tahan korosi Material mudah didapatkan serta harganya terjangkau
• SS-304 • Tensile Strength = 520 MPa • Yield strength = 205 Mpa • Compression strength= 210 Mpa
LOGO
Perencanaan Material Baut Batuan (continued) Menentukan dimensi baut batuan dengan mengacu pada standard Internasional Mengidentifikasi kasus pembebanan yang terjadi
Menghitung keamanan baut batuan
• Diameter luar (Do) • Diameter dalam • Tebal
• • • •
= 39 mm = 34 mm = 2,5 mm
Non rotating cylinder, External pressure only Tegangan ke arah tangensial Tegangan ke arah radial
• Maximum Normal Stress Theory (MNST) • Maximum Shear Stress Theory (MSST) • Distortion Energy Theory (DET)
LOGO
Identifikasi Pembebanan Pada Baut Batuan (continued)
Tegangan yang diberikan batuan terhadap baut batuan berupa tekanan rata-rata (Po).
Tegangan spring back dari material
LOGO
Tegangan Normal Akibat Pull Claw
Hasil Pemodelan Baut Batuan Menggunakan Software ANSYS 11 model baut batuan
LOGO
Hasil Pemodelan Baut Batuan Menggunakan Software ANSYS 11(continued) meshing baut batuan menggunakan software ANSYS 11
LOGO
Hasil Pemodelan Baut Batuan Menggunakan Software ANSYS 11(continued)
LOGO
Baut Batuan Dikenai Tekanan Rata-rata dan Tegangan Spring Back
nilai tegangan kritis sebesar 4,037 N/mm2 dan berada di daerah kepala baut batuan, di bagian sambungan ring. Tegangan kritis masih dalam batas aman mengingat yield strength dari material adalah sebesar 205 N/mm2. Tegangan kritis terjadi di sekitar gap/celah baut batuan. Hal ini disebabkan karena deformasi terjadi pada celah tersebut.
Hasil Pemodelan Baut Batuan Menggunakan Software ANSYS 11(continued) Baut Batuan Dikenai Pull Claw 130 kN
Tegangan kritis yang terjadi bernilai 131,775 N/mm2 dan masih berada di bawah yield strength material SS304 yaitu 205 N/mm2. Tegangan kritis ini terjadi di bagian ring yang dikenai pull claw.
LOGO
Hasil Pemodelan Baut Batuan Menggunakan Software ANSYS 11(continued) Baut Batuan Dikenai Pull Claw 150 kN
Tegangan kritis yang terjadi bernilai 152,07 N/mm2 dan masih berada di bawah yield strength material SS304 yaitu 205 N/mm2.
LOGO
Mekanisme Pembebanan Akibat Tekanan Rata-rata dan Tegangan Spring Back
LOGO
Mekanisme Pembebanan Akibat Pull Claw Minimum
LOGO
Mekanisme Pembebanan Akibat Pull Claw Maksimum
LOGO
Kesimpulan Baut batuan berdiameter 39 mm dengan kekuatan penopangan 130-150 kN ini menggunakan material Stainless Steel 304. Dengan spesifikasi material ini, dan konfigurasi yang sudah dianalisa, maka batas beban baut batuan hingga break adalah 267,26 kN. Baut batuan ini memiliki panjang yang lebih daripada produk yang sudah ada karena didesain untuk mendapatkan harga kekuatan penopangan yang lebih tinggi dengan material pasar lokal.
Tegangan kritis yang terjadi pada saat pembebanan tarik terdapat di daerah sekitar ring baut batuan Tegangan spring back merupakan perilaku alami dari baut batuan karena adanya tekanan rata-rata yang mengenai permukaan luar baut batuan dan berhubungan erat dengan sifat elastisitas logam.
LOGO
Saran
LOGO
Perlu adanya kajian eksperimental untuk memvalidasi hasil Tugas Akhir ini.
Perlu dikaji lebih lanjut tegangan yang mempengaruhi baut batuan pada saat proses memasukkannya ke dalam batuan.
Mohon Kritik dan Saran demi Kesempurnaan Penelitian
LOGO
Spesifikasi Baut Batuan
LOGO
Proses Bending Roll
LOGO
Identifikasi Pembebanan Pada Baut Batuan
F shear
LOGO
Perencanaan Mesin Bending Roll
LOGO
Data yang ditetapkan dari mesin bending roll yang akan dirancang adalah sebagai berikut : Hidrolik enerpack = 2 ton di kiri roller dan 2 ton di kanan roller Putaran motor listrik = 1425 rpm 1 buah gear box dengan rasio transmisi 1:15 Selanjutnya daya motor listrik dapat dihitung berdasarkan gaya tangensial (Ft) yang diterima roller akibat roller berputar.
Fnormal roller Ft 16464N
= 4000 kg x 9,8 m/s2 = μ x Fnormal roller = 16464 N = 2.T
d 642,096 Torsi
= 2T = 321,048 Nm
= 39200 Newton = 0,42 x 39200 N = fs 2.T = 0.039m
Perencanaan Mesin Bending Roll
LOGO
Karena mesin bending roll yang dirancang ini menggunakan dua buah hidrolik, maka kebutuhan torsi untuk motor listrik adalah : 2T = 2 x 321,048 Nm = 642,096 Nm x 0.225lb x 1in 1N 0.0254m = 5687,858 lb.in
T1 n2 T 2 n1 T1= ? n1= 1425 rpm
T1 T(lb.in)
T1 1 5687.858 15
T2= 5687,858 lb.in rasio transmisi 1:15
= 379,19 lb.in = 63000, hp n
hp
= 379.19lbin.1425rpm 63000
= 8,577 hp
≈9 hp
Spesifikasi Material SS-304 = 520 Mpa 0.225lb (0.0254m) 2 = 520000000 N/m2 x x 1in 2 1N = 75483,72 psi = 75,4837 ksi Yield strength (Sy) = 205 Mpa 0.225lb (0.0254m) 2 2 = 205000000N / m x 1N x 1in 2 = 29758,005 psi = 29,7580 ksi Compression strength = 210 Mpa (0.0254m) 2 0 . 225 lb = 210000000 N / m2 x 1N x 1in 2 = 30483,81 psi = 30,4838 ksi Tensile Strength
Dimensi baut batuan : Diameter luar (Do) Diameter dalam Tebal
= 39 mm = 34 mm = 2,5 mm
LOGO
Identifikasi Jenis Pembebanan Non rotating cylinder, External pressure only Tegangan ke arah tangensial Po.ro 2 Po.ro 2 .ri 2 Po.ro 2 .ri 2 ( 2 . ) σt = 2 = (1 2 ) ro 2 ri 2 ro ri 2 r 2 ro ri 2 r Ketika r=ro 0.0195 2 0.017 2 ro 2 ri 2 ) ) σt (r=ro) = Po( 2 = Po( 2 2 2 0.0195 0.017
ro ri
σt (r=ro) Ketika r=ri σt (r=ri)
=
3.8025.10 4 2.89.10 4 Po( ) 0.9125.10 4
=
Po.ro 2 Po.ro 2 .ri 2 ( 2 . ) ro 2 ri 2 ro ri 2 ri 2
Po.(0.0195) 2 ) = 2.( 0.0195 2 0.017 2
σt (r=ri) Tegangan ke arah radial σr (r=ro) = Po
=
Po(7.3342)
Po.ro 2 = 2.( 2 ) ro ri 2
=
8.3361.Po
Nilai σt maksimum didapatkan ketika r=ri sedangkan nilai σr maksimum ketika r=ro :
σ1 σ2
= σt (r=ri) = σr (r=ro)
= 8.3361.Po = Po
LOGO
Teori Kegagalan
LOGO
Maximum Shear Stress Theory (MSST) Yielding akan terjadi ketika tegangan geser terbesar pada silinder mencapai harga tegangan tarik standar di awal yielding, yaitu , sehingga :
Sy max 2N
max
1 2 2
Sy 2N
29.76 8.3361.Po ( Po) 2.3
2
4.96 3.6670.Po Po 2.170ksi
Tegangan yang diberikan batuan terhadap baut batuan berupa tekanan rata-rata (Po). Dari perhitungan Teori kegagalan MSST, ddapatkan nilai Tekanan Ratarata
Po 2.170ksi
1in lb 1N Po 2170. 2 . . in 0.225lb (0.0254m) 2 2
Po 14948918,79.
N m2
Selanjutnya dihitung besarnya gaya normal . Sebelum menghitung gaya normal, perlu dihitung luas permukaan baut batuan (kulit) yang kontak dengan batuan (A). Keliling lingkaran Keliling baut batuan
= π x Diameter lingkaran = π x 0,039 m = 0,1225 m = keliling lingkaran – 2,5 mm = 120,022 mm ≈ 120 mm
LOGO
LOGO
Tekanan Rata-rata Luas kulit baut batuan = panjang x lebar = 1067 mm x 120 mm Jadi besarnya gaya normal adalah :
FN Po. A
FN 14948918,79.
N .0.12804m 2 2 m
= 0.12804 m2 FN 1914059,562 N
Gaya gesek yang terjadi antara batuan dengan luasan kulit baut batuan adalah sesuai dengan persamaan : Fshear 267,97kN Fshear = 1914059,562 N .0,14 Fshear 267968,338 N Selanjutnya Fshear ini dikonversikan ke dalam bentuk tekanan rata-rata, sebab tegangan ini mengenai seluruh permukaan dinding baut batuan, jadi : Pbatuan
Fshear Abautbatuan
Pbatuan 0,209MPa
267968,338 N 0,12804m 2 N Pbatuan 2,0928 mm 2 Pbatuan
Pbatuan 209296,61Pa
Tegangan Spring Back Dari Material
LOGO
Defleksi yang terjadi sebesar 1 mm. Baut batuan yang dipaksa menyesuaikan kontur lubang bor akan memberikan gaya reaksi yang biasa disebut spring back. Formula yang diberikan adalah sebagai berikut : Fspringback k.x Dari paper Cunat, didapatkan harga koefisien kekakuan austenitic stainless steel (300 series) adalaha 200 kN. Selanjutnya ini dikonversikan ke dalam bentuk tekanan spring back. Pspringback Pspringback Pspringback
Fspringback Alubangbatuan Fspringback keliling . panjang _ baut _ batuan _ yang _ menyentuh _ batuan 200000 N ( .0.038)m.(1067 50).10 3 m
Pspringback 1647310,905Pa
Tegangan Normal Akibat Pull Claw Kriteria tegangan normal minimum Fpullclaw_ min normal_ min A
A
= Luas lingkaran besar – luas lingkaran kecil = (π x r22) – (π x r12) = [π x (0,044) 2] - [π x (0,039) 2 ] m2 = 1,3037 . 10-3 m2 = 1303,7 mm2 130000 N
normal_ min 99,7162
normal_ min
Kriteria tegangan normal maksimum Fpullclaw_ max normal_ max A normal_ max
1303,7mm 2
150000 N 1303,7mm 2
normal _ max 115,0571
N mm2
N mm 2
LOGO
