PERENCANAAN PONDASI MESIN GENERATOR SET PADA PABRIK NPK SUPER PT. PUPUK KALTIM BONTANG DENGAN PERHATIAN KHUSUS PADA PENGARUH KARET PEREDAM GETARAN Nama mahasiswa NRP Jurusan Dosen pembimbing
: Afdian Eko Wibowo : 3104 100 021 : Teknik Sipil, FTSP ITS : Ir. Ananta Sigit Sidharta, M.Sc, Ph.D
ABSTRAK
Pondasi mesin secara umum berfungsi sebagai penerus dan penyalur beban yang ditopang di atasnya ke tanah dasar dibawahnya tanpa mengalami kerusakan. Mesin generator set diklasifikasikan sebagai rotating machine yang memiliki frekuensi konstan. Pada generator set, baik mesin maupun altenator harus terisolasi terhadap struktur pondasi mesin dengan baik karena baik mesin maupun altenator menghasilkan suara dan getaran yang keras sehingga dapat merusak generator set maupun peralatan lain di sekitarnya. Getaran juga dapat tersalur ke struktur pondasi mesin dan juga dapat menyebabkan kerusakan. Pada generator set terdapat karet vibration isolator atau peredam getaran yang biasa terpasang diantara mesin atau altenator dengan besi penyangga (skid). Besi penyangga biasa tehubung langsung dengan pondasi, lantai, atau lapisan dibawahnya dengan menggunakan baut. Dalam tugas akhir ini dibahas mengenai perencanaan pondasi untuk mesin generator set pada pabrik NPK Super PT. Pupuk Kaltim Bontang dan pengaruh karet peredam getaran (vibration isolator) berdasarkan beban statis dan beban dinamis. Didalam analisa beban statis diperhitungan daya dukung pondasi. Kemudian untuk analisa beban dinamis menentukan besarnya amplitudo yang terjadi dan menentukan supaya getaran yang terjadi tidak menggangu manusia dan lingkungan disekitarnya dengan menggunakan metode lumped parameter system, serta merencanakan penulangan dari pondasi mesin generator set tersebut. Dari hasil perencanaan didapatkan desain pondasi mesin dengan ketebalan 0,6 meter dengan panjang dan lebar 2,6 m x 2,1 m. Digunakan tulangan D19 – 200 mm untuk tulangan atas dan tulangan bawah. Sedangkan karet vibration isolator menggunakan karet berbahan neoprene dengan nilai konstanta (k) sebesar 98 kg/mm. Mesin generator set ini memiliki frekuensi 1500 rpm dan besarnya amplitudo vertikal yang terjadi sebesar 0,0003805 inch sehingga termasuk dalam kategori lingkungan ”Easily Noticeable to Persons”. Kata kunci : Pondasi Mesin, Karet Vibration Isolator, Metode Lumped Parameter System.
1
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pada 2010, kebutuhan pupuk NPK di Indonesia diproyeksikan sebesar 2,5 juta ton. Kebutuhan pupuk jenis ini diperkirakan mencapai 4 juta ton dalam 2-3 tahun ke depan. Oleh karena itu, PT.Pupuk Kalimantan Timur berencana mendirikan lima unit pabrik NPK berkapasitas total 1 juta ton per tahun dengan nilai mencapai US$350 juta. Pada tahun 2010, PT. Pupuk Kalimantan Timur merealisasikan investasi US$14,2 juta untuk pembangunan dua unit pabrik pupuk majemuk atau nitrogen phosphate kalium (NPK) berkapasitas 200.000 ton per tahun di Bontang, Kalimantan Timur. Dalam upaya mengantisipasi adanya gangguan pasokan daya listrik dari pembangkit utama pada pabrik pupuk NPK Super tersebut maka di datangkanlah sebuah mesin generator set. Seperti umumnya mesin-mesin lain, mesin generator set ini menimbulkan beban statis dan dinamis yang harus dapat dipikul oleh tanah dan struktur pondasi mesin di bawahnya. Pondasi mesin merupakan bagian dari struktur bawah yang berfungsi untuk memikul beban statis maupun dinamis yang ditimbulkan oleh mesin dan generator untuk kemudian diteruskan ke lapisan tanah.
Pada dasar mesin generator set umumnya terdapat karet vibration isolator yang berfungsi untuk membantu meredam getaran yang timbul saat mesin beroperasi agar tidak merusak struktur pondasi mesin. Adapun ukuran dan konfigurasi karet vibration isolator tersebut berbeda pada setiap mesin generator set tergantung dari besar dimensi dan beban yang ditimbukan oleh mesin. Tujuan akhir dari pengerjaan Tugas Akhir ini adalah memilih tipe karet vibration isolator yang sesuai meredam getaran yang dihasilkan pada saat mesin beroperasi, serta desain pondasi mesin yang memenuhi persyaratan keamanan dan kestabilan struktur.
1.2. Perumusan Masalah Dalam tugas akhir ini,permasalahan yang akan dibahas adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana cara merencanakan desain dan elemen struktur pondasi yang sesuai dengan persyaratan keamanan serta SNI 03-2847-2002. 2. Bagaimana spesifikasi karet vibration isolator yang sesuai untuk meredam getaran saat mesin beroperasi serta berapa besar beban statis dan dinamis yang diteruskan ke struktur pondasi. 3. Bagaimana menuangkan hasil perencanaan struktur pondasi mesin ke dalam gambar teknik dengan bantuan program AUTO CAD. 1.3. Tujuan Tugas Akhir Adapun tujuan dari pengerjaan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Mendapatkan desain dan elemen struktur pondasi yang sesuai dengan persyaratan keamanan dan SNI 03-2847-2002. 2. Mendapatkan spesifikasi karet vibration isolator yang sesuai untuk meredam getaran saat mesin beroperasi serta besar beban statis dinamis yang disalurkan ke struktur pondasi. 3. Dapat menuangkan hasil perencanaan elemen struktur pondasi mesin ke dalam gambar teknik dengan bantuan program AUTO CAD. 1.4. Batasan Masalah Tugas Akhir
Yang menjadi batasan masalah tugas akhir ini adalah: 1. Pembahasan hanya dilakukan pada kasus pembangunan pondasi mesin generator set pada pabrik pupuk NPK di komplek PT. Pupuk Kaltim Bontang. 2. Data mesin menggunakan data asli spesifikasi mesin generator set. 3. Data karet vibration isolator menggunakan data asli karet vibration isolator yang sesuai untuk mesin generator set. 4. Tanah dianggap homogen dengan menggunakan satu macam data tanah dan tidak membahas permasalahan dari tanah. 5. Pemilihan dimensi pondasi dilakukan dengan metode trial and error menggunakan bantuan program excel sampai diperoleh dimensi yang memenuhi persyaratan keamanan untuk pondasi mesin. 6. Perhitungan nilai amplitudo dan frekuensi pada pondasi mesin menggunakan metode Lumped
2
Parameter System dan tidak membahas dengan metode lain. 7. Tidak meninjau aspek pelaksanaan dan nilai ekonomis di lapangan.
1.5. Manfaat Tugas Akhir Dengan penulisan tugas akhir ini, diharapkan akan didapat tipe karet vibration isolator yang sesuai dengan kebutuhan, mengetauhi pengaruh karet vibration isolator dalam meredam getaran dan besar beban yang diteruskan ke struktur pondasi mesin, serta mendapat desain dan elemen pondasi mesin yang sesuai dengan persyaratan keamanan dan SNI 03-28472002.
Gambar 2.1 Pondasi Mesin Tipe Mat Slab b. Pondasi mesin tipe Portal Pondasi mesin yang berupa struktur beton bertulang dengan ketinggian tertentu yang terdiri dari balok dan kolom yang ditumpu oleh pondasi slab. Bagian atas dari kolom dihubungkan dengan top slab sehingga membentuk lantai untuk meletakkan mesin. Pondasi tipe ini biasanya didukung oleh beberapa pile.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pondasi Mesin Pada dasarnya fungsi pondasi adalah untuk menyalurkan beban-beban yang bekerja pada struktur diatasnya ke struktur yang ada dibawahnya dalam hal ini adalah tanah dimana struktur itu berada, tanpa kerusakan yang dianggap membahayakan struktur bangunan itu sendiri ataupun lingkungan sekitarnya. Untuk pondasi yang menahan beban dinamis ini cara perhitungannya jelas berbeda dengan pondasi yang hanya menahan beban statis, dimana harus memperhatikan adanya beban dinamis akibat kerja mesin selain beban statis yang ada.
Gambar 2.2 Pondasi Mesin Tipe Portal c. Pondasi Mesin Tipe Blok Pondasi mesin yang berupa blok beton rigid yang relatif tebal sehingga deformasi struktur akibat beban-beban yang bekerja bisa diabaikan.
2.1.1 Pondasi Dangkal a. Pondasi mesin tipe Mat Slab Fleksibel slab beton yang diletakkan pada tanah dan digunakan untuk mendukung mesin.
Gambar 2.3 Pondasi Mesin Tipe Blok 2.1.2 Pondasi Dalam Pondasi dalam biasanya menggunakan tiang pancang atau menggunakan bore pile, pondasi tiang bisa tertanam seluruh atau tertanam sebagian. Pondasi tiang dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu: • Pondasi tiang yang digunakan untuk memikul beban struktur pondasi di atasnya. Hal ini dilakukan jika daya dukung tanah tidak dapat memikul seluruh beban yang
3
•
ada, sehingga diperlukan bantuan tiang pancang . Pondasi tiang yang digunakan untuk menambah kekakuan sehingga menaikkan frekuensi natural dan memperkecil amplitudo.
2.1.3 Derajad Kebebasan Pondasi Akibat gaya-gaya dan moment yang bekerja secara dinamis, maka pondasi blok dapat bergetar dalam enam mode yaitu: 1. Translasi searah sumbu z (vertikal) 2. Translasi searah sumbu x (lateral) 3. Translasi searah sumbu y (longitudinal) 4. Rotasi terhadap sumbu x (pitching) 5. Rotasi terhadap sumbu y (rocking) 6. Rotasi terhadap sumbu z (yawing/torsi) Setiap gerakan dari pondasi blok dapat dipecah kedalam enam displacement secara terpisah. Oleh karena itu pondasi blok mempunyai enam derajat kebebasan dengan enam natural frekuensi.
Gambar 2.4 Derajat kebebasan pondasi mesin tipe blok Dari keenam mode getaran, translasi arah sumbu z dan rotasi terhadap sumbu z dapat terjadi secara independent terpisah dari mode lainnya. Sedangkan translasi arah sumbu x dengan rotasi terhadap sumbu y atau translasi arah sumbu y dengan rotasi terhadap sumbu x selalu terjadi secara simultan dan saling mempengaruhi sehingga disebut coupled mode. Jadi pada kenyataannya pondasi blok memiliki empat mode getaran yaitu dua mode tunggal (vertikal dan yawing) dan dua mode kopel
(rocking + lateral dan pitching + longitudinal). 2.1.4 Metode Analisa Akibat Beban Dinamis Ada 3 metode yang dapat digunakan dalam perhitungan amplitudo dan frekuensi pada pondasi mesin (Novak, 1977) yaitu:
1. Metode Linear Elastic Weightless Spring Method. 2. Metode Elastic Half – Space. 3. Metode Lumped Parameter System. Pada metode Linear Elastic Weightless Spring Method, tanah dianggap pegas. Redaman dimasukkan sebagai nilai yang belum dicari (diabaikan), walaupun redaman tidak begitu mempengaruhi terhadap frekuensi resonansi dari sistem tetapi redaman memberi pengaruh yang cukup signifikan pada amlitudo saat terjadi resonansi. Selama zona resonansi dapat dihindarkan dalam perencanaan pondasi, pengaruh redaman pada amplitudo saat frekuensi kerja juga kecil bila dibanding dengan amplitudo yang ada saat resonansi. Metode Elastic Half-Space menggunakan pendekatan teori elastisitas, terlihat lebih rasional tetapi lebih rumit. Dalam pemakaiannya untuk efek penanaman, kerusakan tanah yang terjadi akibat penggalian dan penimbunan, banyak massa tanah yang turut menyebabkan getaran dan ketidaklinearan dari tanah akan membuat perhitungan makin rumit.Pada teori ini pondasi dianggap homogen isotropik. Teori ini hanya untuk amplitudo yang kecil. Metode Lumped Parameter System merupakan hasil penelitian dan pengembangan dari metode Elastic Half-Space, dimana untuk mendapatkan harga suatu parameter dengan mengunakan cara atau rumus dari teori Elastic Half-Space. Teori Lumped Parameter System adalah sistem yang digunakan untuk memperkaku blok pondasi dengan menggunakan massa, pegas, dan dashpot. Sistem ini menerapkan semua komponen massa, pegas, dan redaman. Metode ini dikembangkan oleh Lysmer dan Richart (1966) yang bersumber dari ” Dynamic Boussinesq Problems”. Metode ini dikembangkan untuk pondasi lingkaran dengan radius r 0 .dimana pondasi berada diatas tanah (tidak tertanam). Dalam teori Lumped Parameter System, respon dinamis tanah terhadap pondasi dan beban dinamis dapat dimodelkan sebagai: Pegas / spring dengan harga kekakuan ”k”, Dashpot / damping / redaman dengan harga
4
koefisien damping ”c”. Model pegas dan damping tersebut bisa untuk memodelkan baik respons vertikal, horisontal, torsi, maupun rocking. Berikut adalah pemodelan sistem pondasi mesin dan tanah pada metode Lumped Parameter System:
mengalami getaran harmonik, kemudian gaya external tersebut dihilangkan maka sistem akan bergetar secara harmonik terus menerus dengan amplitudo dan frekuensi getaran yang sama. Getaran tersebut akan berkurang sedikit demi sedikit yang pada akhirnya akan berhenti jika pada sistem tersebut terdapat peredam yang berfungsi sebagai pereduksi getaran. A. Getaran Bebas (Transient) Getaran bebas atau transient vibration adalah getaran tanpa gaya eksternal. Jika terdapat unsur peredam pada getaran ini, maka getaran akan hilang perlahan-lahan seiring dengan berjalannya waktu. Pernyataan tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2.5 Model Lumped Parameter System (Sumber: Wood 1997) 2.2 Teori Getaran Berbicara mengenai pondasi mesin yang merupakan bagian dari pondasi beban dinamis maka tidak lepas dari teori mengenai getaran harmonik. Getaran harmonik didefinisikan sebagai perpindahan bolak balik suatu titik didalam suatu garis sedemikian rupa sehingga percepatan dari titik tersebut proporsional terhadap jarak dari suatu posisi setimbang dan selalu mengarah menuju posisi setimbang tersebut (Bowles, 1977). Hal ini digambarkan pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.6 Kurva getaran harmonik (Sumber:Bowles,1977) Jika suatu sistem massa-pegas digetarkan oleh suatu gaya external sehingga
Gambar 2.7 Pemodelan sistem massa, pegas, redaman (Sumber: Arya,1979) Pada pemodelan diatas W adalah berat total dari system yang bergetar, k adalah koefisien pegas sedangkan c adalah koefisien peredaman atau damping. Akibat berat W pegas mengalami peregangan sebesar δ st = W/k. Pada awalnya system berada pada posisi statis dengan berat W diimbangi dengan gaya pegas k δ st , kemudian system digetarkan dan bergetar bebas dengan amplitudo ± y. Pada getaran ini maka akan timbul gaya-gaya yang bekerja pada sistem yaitu reaksi pegas k ( y + δ st ) , reaksi peredam cy dan gaya inersia my . Dengan menjumlahkan gaya-gaya ini maka didapat persamaan my + cy + k ( y + δ st ) = W (2-1) karena k δ st = W maka persamaan menjadi my + cy + ky = 0 (2-2)
5
jika dimisalkan y = e st dimana s adalah konstan dan t adalah variabel waktu sehingga y = se st dan y = s 2 e st maka persamaan menjadi c k st 2 s + s + e = 0 m m (2-3) st karena e selalu lebih besar dari 0, maka c k s 2 + ( )s + ( ) = 0 m m (2-4) yang merupakan persamaan kuadrat dalam s dengan akar-akarnya c c k − ( ) ± ( ) 2 − 4( ) m m m s1, 2 = 2 (2-4) 1 2 = − c ± c − 4(km ) 2 m Critical damping (c c ) terjadi bila : c 2 − 4(km ) = 0 atau c = 2 km . misal : c didefinisikan sebagai damping ratio D= cc c sehingga D = dan c = 2 D km 2 km maka
(
(
)
)
s1, 2 = ω n (− D ± D − 1) (2-5) dimana ω n = frekuensi natural tanpa 2
redaman = teredam
tertentu. Kondisi ini terjadi bila c2 < 4km. 3. Kondisi overdamped (D>1) yaitu kondisi dimana tidak terjadi getaran. Kondisi ini terjadi bila c2 > 4km. Ilustrasi dari ketiga kondisi tersebut digambarkan sebagai berikut:
k sedangkan frekuensi natural m dirumuskan dengan
ω nd = ω n 1 − D 2 . Dari persamaan (2-1) terlihat bahwa getaran sangat dipengaruhi oleh kondisi redamannya. Hal ini menyebabkan setiap getaran memiliki satu dari tiga kondisi sebagai berikut: 1. Kondisi kritis (D=1) yaitu kondisi dimana getaran cepat berhenti. Kondisi ini terjadi bila c2 = 4km. 2. Kondisi underdamped (D<1) yaitu kondisi dimana masih ada getaran untuk selang waktu
Gambar 2.8 Getaran bebas dengan viscous damping (Sumber: Richart and Wood,1970) Kondisi yang ideal untuk pondasi mesin adalah D=1 tetapi dalam kenyataannya semua pondasi mesin memiliki D<1. B. Getaran Dengan Gaya Penggerak (Forced Vibration) Forced vibration adalah getaran dengan gaya eksternal yang bekerja pada sistem. Getaran pada pondasi mesin merupakan forced vibration. Karena terdapat gaya eksternal yang bekerja maka persamaan (2-2) menjadi my + cy + ky = F0 sin ωt (2-6) dimana ω adalah frekuensi kerja dari gaya. Jika dimisalkan: y = y o sin (ωt − ϕ ) = y o sin 0 o + ωt − ϕ maka,
(
)
(
y = y o ω cos(ωt − ϕ ) = y o ω sin 90 0 + ωt − ϕ
)
(
y = − y o ω 2 sin (ωt − ϕ ) = + y o ω 2 sin 180 0 + ωt − ϕ
Persamaan diatas jika digambarkan dalam bentuk vector maka akan seperti di bawah ini:
6
)
c ω 2 yo
ωn =
R
k = m
km 1 = km sehingga 2 m m
km =
mω n
2mω n Dω cω = = 2Dr. sehingga 2 k mω n pembesaran dinamis 1 M= 2 (2 Dr )2 + 1 − r 2 (2-10) Persamaan 2-10 versus r digambarkan dalam grafik berikut
maka
m ω 2 yo
kyo
(
Fo Gambar 2.9 Diagram vektor dari gaya, massa, pegas dan redaman
)
Dari gambar diatas terlihat bahwa FO =
(cy oω )2 + (ky o − my oω 2 ) (2-7) 2
2 mω 2 cω F0 = ky 0 + 1 − k k sehingga amplitudo dinamis (y o ) dirumuskan dengan F0 y0 = (cω )2 + k − mω 2 2 (2-8) jika amplitudo dinamis dibagi dengan ampliudo statis maka didapat pembesaran dinamis M ∆dinamis M = = ∆statis yo 1 = 2 Fo / k 2 mω 2 cω + 1 − k k (2-9) Misalkan r = ratio frequensi, dimana r
(
=
)
ω maka ωn
ω2 mω 2 ω2 = = r = k k/m ωn 2 c ccω cω = = ⋅ c c mω n 2 k 2
2 km Dω mω n
2
sedangkan
c c Dω mω n
2
=
Gambar 2.10 Plot pembesaran dinamis N=x o k/F o vs. frequensi ratio r untuk getaran vertikal konstan (Sumber: Thomson, 1981) Kondisi puncak pada grafik diatas adalah kondisi resonansi yaitu apabila ω = ω n . Dalam suatu persamaan dengan sumbu koordinat x dan dy y, harga y max akan diperoleh jika =0 dx x d o Fo / k = 0 diperoleh harga r agar x o Fo / k dr maksimum yaitu :
1−
(
)
ω2 ω − 2 D 2 = 0 atau = 1 − 2D 2 = r 2 ωn ωn
7
ω res = ω n 1 − 2 D 2 (2-11) Jika gaya getar pada persamaan (2-6) berupa moment yang berasal dari massa eksentris yang berputar dengan frekuensi ω (rotating unbalanced) sehingga F 0 = meω2, maka persamaan 2-6 menjadi my + cy + ky = meω 2 sin ωt (2-12) Sedangkan amplitudo dinamisnya menjadi meω 2 / k yo = 2 (2 Dr )2 + 1 − r 2 (2-13) sehingga pembesaran dinamisnya yo 1 = 2 2 meω / k (2 Dr )2 + 1 − r 2
(
)
(
r2
(2-15) atau cω FT = ky o 1 + k sebelumnya untuk F 0 konstan, 2
2
Fo = ky o
2 mω 2 cω 1 − + k k
F maka T r = T = Fo
(2 Dr )2 + (1 − r 2 )2
(2-14) dimana M adalah massa total dari sistem. Persamaan 2-14 versus r digambarkan pada grafik berikut:
(ky o )2 + (cωy o )2
dirumuskan dengan: FT =
)
atau My o = me
gaya yang melalui pegas dan gaya yang melalui redaman. Gaya melalui pegas = k .y 0 Gaya melalui redaman = c . ω .y 0 karena fektor dari gaya yang melalui pegas dan redaman saling tegak lurus, maka F T
ky o
cω 1+ k
2 cω + k
cω mω 2 = 2Dr dan = k k
r2 maka diperoleh Tr =
(
1 + (2 Dr )
2
)
(2-16)
1 − r + (2 Dr ) Untuk rotating unbalanced dirumuskan dengan
Tr =
2
2
r 2 1 + (2 Dr )
tranmissibility
2
(1 − r ) + (2Dr ) 2
2
= r2 T r
(2-17)
Dengan menganggap D=0 maka nilai r untuk T r =1 bisa diperoleh 1+ 0 1 Tr = 1 = = ± 1− r2 0 + 1− r2 Ada dua kemungkinan 1 , didapat bila dipilih tanda + maka 1 = 1− r2 r=0 1 , didapat bila dipilih tanda - maka 1 = − 1− r2
(
Gambar 2.11 Plot Mx o /me vs. frequensi ratio r untuk rotating unbalance (Sumber: Thomson, 1981) C. Transmissibility Factor Transmissibility factor (T r ) adalah rasio antara besarnya gaya dinamis dari mesin yang disalurkan ke bangunan bawah dengan gaya dinamis dari mesin. Besarnya gaya yang disalurkan ke bangunan bawah (F T ) merupakan penjumlahan dari besarnya
2
mω 2 ky o 1 − k
Dengan mensubtitusikan
2
)
(
)
(
)
(
)
r= 2 untuk nilai r= 2 pada rotating unbalanced didapat T r =2 Plot transmissibility factor dalam bentuk grafik seperti berikut:
8
Gambar 2.12 Transmissibility factor vs frequency ratio untuk beberapa damping factor untuk constant force (Sumber: Arya,1979)
Gambar 2.13 Transmissibility factor vs frequency ratio untuk beberapa damping factor untuk Rotating Unbalanced (Sumber: Arya,1979) Dari grafik tersebut terlihat bahwa semua kurva melalui r= 2 . Pada constant force ketika r lebih besar dari 2 semua kurva mendekati sumbu x secara asimtot. Semakin besar frekuensi rasio maka semakin baik dalam mengisolasi gaya getar. 2.3 Persyaratan Pondasi Mesin Agar mesin yang ditopang bisa berfungsi sebagai mana mestinya dan getarannya tidak membahayakan maka setiap pondasi mesin harus memenuhi beberapa kriteria sebagai berikut (Prakash,1981) Untuk beban statis : 1. Mampu menahan atau memikul beban statis yang ditimbulkan oleh mesin tanpa menyebabkan keruntuhan geser atau keruntuhan total.
9
2. Penurunan pondasi akibat beban harus berada dalam batas-batas yang diijinkan. Untuk beban dinamis : 1. Tidak boleh terjadi resonansi, yaitu frekuensi natural sistem tanah-pondasi-mesin tidak boleh sama dengan frekuensi operasi mesin. 2. Amplitudo pada frekuensi operasi tidak boleh melebihi amplitudo batas yang umumnya ditentukan oleh pembuat mesin tersebut. 3. Bagian-bagian mesin yang bergerak atau bergetar harus sedapat mungkin setimbang untuk mengurangi ketidakseimbangan dari gayagaya dan momen. 4. Getaran yang terjadi tidak boleh mengganggu orang-orang yang bekerja atau merusak mesinmesin lainnya. Kegagalan pondasi mesin terjadi ketika getaran telah melampaui batas yang telah ditentukan. Batasan pondasi mesin biasanya merujuk pada amplitudo dan kecepatan dari getaran pada operasi kerja mesin. Berikut adalah grafik yang berisi batasan-batasan amplitudo pada pondasi mesin.
Gambar 2.14 Batasan amplitudo vertikal (Sumber:Richart, 1962) Batasan amplitudo vertikal: maksimal masuk zona “Troublesome to Persons”
10
Gambar 2.15 Batasan percepatan amplitudo (Sumber: Blake, 1964) Batasan percepatan amplitudo: maksimal masuk zona B
Kecepatan amplitudo dirumuskan dengan v=2 π f(cps)xA. Sedangkan percepatan amplitudo a=4 π 2 f2xA.
Gambar 2.16 Respon spektrum untuk limit getaran (Sumber: Richart, 1962) Karena tingkat kepentingan dari setiap mesin berbeda-beda maka diperlukan angka keamanan untuk menjaga keberlangsungan dari mesin dan pondasinya. Istilah angka keamanan dalam pondasi mesin lebih dikenal dengan sebutan service faktor. Penggunaan angka keamanan ini dengan cara mengalikannya dengan amplitudo dan hasilnya digunakan untuk pembacaan pada grafik sebagai amplitudo. Tabel 2.1 Kriteria kecepatan amplitudo
(Sumber: After Baxter and Bernhard,1967)
11
Tabel 2.2 Service Factor
(Sumber: After Blake,1964) Pondasi mesin yang telah direncanakan harus sesuai dengan kriteriakriteria atau batasan-batasan sehingga pondasi tersebut dianggap layak dan efisien, yaitu sebagai berikut : Tabel 2.3 Kriteria Cek Keamanan Pondasi Mesin Item Kriteria 50% σ ijin Daya dukung statis 75% σ ijin Daya dukung statis + dinamis Amplitudo vertikal < Troublesome (gambar 2.14) Amplitudo horizontal Masuk A atau B (gambar 2.15) < 1.5 Pembesaran dinamis vertikal Resonansi Frekuensi operasi ± 20% Dari frek. resonansi Kecepatan Amplitudo < Good (tabel 2.1) (Sumber: Sidharta, Ananta S., 2009) 2.4 Peredam Getaran (Vibration Isolator) Pada generator set, bagian mesin dan altenator harus terisolasi dari struktur pendukung dibawahnya. Hal ini di sebabkan karena mesin dan altenator menghasilkan getaran yang dapat merusak struktur pendukung dibawahnya. Oleh karena itu, dibutuhkan komponen peredam getaran yang memiliki redaman cukup untuk meredam getaran dan membatasi gaya yang ditransmisikan pada struktur pondasi. Dalam hal ini, peredam getaran berbahan karet jenis neoprene merupakan material yang memenuhi hal tersebut dan sering digunakan untuk mengisolasi getaran pada generator set.
2.4.1 Karet Peredam Getaran Peredam getaran berbahan karet jenis neoprene umum digunakan pada generator set, komponen peredam getaran ini terdiri dari lapisan yang fleksibel yang dirancang untuk meredam getaran yang ditimbulkan genarator set. Berikut akan disajikan bentuk karet peredam getaran dan perbadingan peredam getaran berbahan karet neoprene dengan bahan karet lainnya dapat dilihat pada lampiran tabel 1.
Gambar 2.17 Karet Peredam Getaran 2.5
Perhitungan Struktur Beton Bertulang Perhitungan elemen-elemen struktur yang berupa struktur beton bertulang dilakukan berdasarkan SNI 03-2847-2002 Metode Alternatif (Pasal 25) di mana perhitungan direncanakan berdasarkan beban kerja (tanpa faktor beban), atau dengan kata lain, bahwa faktor beban dan faktor reduksi kekuatan harus diambil = 1,0. Khusus untuk komponen struktur lentur, harus memenuhi ketentuan untuk kontrol retak akibat lendutan yang terdapat dalam Pasal 11.5 dan 12.4 – 12.7 dari SNI 03-2847-2002 tersebut. Ada dua tipe penulangan yang utama yaitu penulangan lentur dan penulangan geser sebagai berikut : 2.5.1
Penulangan Lentur Kebutuhan tulangan tarik untuk menahan lentur, As, pada dasarnya dihitung sebagai berikut : As = ρperlu × b × d Di mana : ρperlu = rasio luas tulangan tarik yang dibutuhkan b d
= lebar dari elemen struktur = tinggi efektif dari elemen struktur = D (tinggi total) – decking – φ tul. sengkang – ½ φ tul. lentur
12
Adapun penentuan rasio luas tulangan tarik yang dibutuhkan (ρperlu) adalah sebagai berikut : n
=
m
=
ρ balance =
Es Ec
(2-18)
fs 0,85 × fc
(2-19)
fs 600 × fc 600 + fs
ρ
max
= 0,75 x ρ balance
ρ
min
=
Rn
ρ perlu
1,4 fs
=
2.5.2 (2-20) (2-21) (2-22)
M = b×d2
1 2 × m × Rn 1 − 1 − m fs
fs = 170 Mpa. (SNI 03-28472002 Ps. 25.3.2) M = Momen lentur akibat beban kerja Sedangkan kebutuhan luas tulangan tekan(As’) untuk komponen lentur dapat diambil sama dengan luas tulangan tarik atau setidaknya 50 % dari luas tulangan tarik (As’ = 50% As).
(2-23)
Penulangan Geser Untuk struktur balok, pelat satu arah, maupun pondasi telapak, di mana geser hanya dipikul oleh beton saja, maka tegangan geser rencana (v) harus dihitung dengan : v=
V (SNI 03-2847-2002 Ps. 25) Bw × D
Di mana : V
Bw
(2-24)
ρ min ≤ ρ ≤ ρ max Khusus untuk struktur yang luas dan masif, dapat dicoba : ρ alt = 1,3×ρ perlu (SNI-032847 Ps. 12.5.3). Di mana : Es = modulus elastisitas tulangan baja non prategang = 200.000 Mpa (SNI 032827-2002 Ps.10.5.2) Ec = modulus elastisitas beton normal = 4.700 f ' c Mpa (SNI 032847-2002 Ps.10.5.1) fc’ = mutu beton berdasarkan benda uji silinder (Mpa)
D
= gaya geser akibat beban kerja yang terjadi pada struktur. = lebar badan dari elemen struktur. = tinggi total elemen struktur.
Apabila v > 0.5 Vc, maka perlu dipasang tulangan geser minimum dengan luas, A v dihitung dengan : Av =
75 f ' c bw × S × 1200 fy
(SNI 03-2847-2002
Ps. 25.7.5.4c.). S
=
Av × 1200 × fy 75 f ' c ×b w
tetapi A v tidak boleh kurang dari fc = tegangan ijin dari beton dalam kondisi lentur = 0,45 f’c (SNI 03-28472002 Ps. 25.3.1) fy = kuat leleh dari baja tulangan (Mpa) fs = tegangan tarik yang diperbolehkan tergantung mutu baja, untuk tulangan mutu 300 atau mutu 350 fs = 140 Mpa; untuk tulangan mutu 400 atau lebih dan wire mesh
1 fc' . 11
Adapun tegangan geser ijin, Vc =
1 Bw × S , × 3 fy
dengan B w dan S (jarak antar tulangan geser) dalam millimeter. Apabila v > Vc, maka jarak antar tulangan geser yang tegak lurus sumbu komponen struktur diambil sebesar : S≤
A v ×fs (v − Vc) × B
(SNI 03-2847-2002 Ps. 25.7.5.6b). ”.
13
membantu penyelesaian perhitungan. Adapun data yang digunakan penyelesaian perhitungan pondasi mesin ini adalah sebagai berikut:
BAB III METODOLOGI Start
1.
Studi Literatur Metode Lumped Parameter System Desain dan Persyaratan Pondasi Mesin
Pengumpulan Data Data Tanah Data Mesin Data Karet Vibration isolator
Perencanaan Pondasi Mesin
Cek Syarat keamanan
NOT OK
OK Perhitungan dan Analisa pengaruh karet vibration isolator
Analisa Hasil Perencanaan
Kesimpulan dan Saran
BAB IV PERENCANAAN PONDASI MESIN
Data Mesin Generator Set Data mesin generator set untuk pedoman perencanaan yang diperoleh dari spesifikasi produk yang dikeluarkan oleh pabrik asal mesin. Adapun data-datanya adalah sebagai berikut: Data Mesin Generator Set Model mesin : Mitshubishi S6K Bahan bakar : Solar (diesel) Type : 4 cycle, water cooled Jumlah silinder : 6 silinder Dimensi (mm) : 2041 x 824 x 1247 Berat kosong mesin : 1.100 kg Engine speed : 1500 rpm Engine output : 84,5 HP Data Altenator Model generator : UCI 224 F Berat total altenator : 467,69 kg Speed Operation : 1500 rpm Frequency : 50/60 Hz Daya max : 88.8 KVA / 71.0 KW
2. Data Rencana Konstruksi Pondasi Mesin Pondasi Mesin direncanakan menggunakan konstruksi beton bertulang. Adapun rencana kekuatan konstruksi beton yang digunakan adalah sebagai berikut: a) Kekuatan beton karakteristik (fc’) =30 Mpa b) Kekuatan leleh baja (fy) = 400 Mpa c) γbeton = 2400 kg/m³ = 2,4 ton/m³ 4.2 Perencanaan Pondasi Mesin Tipe Blok Berikut ini adalah rencana awal bentuk pondasi mesin tipe blok yang akan digunakan untuk menopang mesin generator set:
4.1 Data Perencanaan Perencanaan perhitungan pondasi mesin yang baik memerlukan data-data penunjang yang digunakan untuk mengetauhi sifat-siat pembebanan pada pondasi mesin. Data-data penunjang tersebut antara lain adalah data mesin, data tanah, serta data-data lain yang menunjang untuk
14
Titik berat total:
x = 100 cm = 1,0 m
y = 125 cm = 1,25 m z = 31,8344 cm = 0,318344 m Berat Pondasi Berat mesin Berat total Massa total Luas dasar pondasi Gambar 4.1 Rencana Bentuk Pondasi Mesin Tipe Blok (Tampak Samping)
Gambar 4.2 Rencana Bentuk Pondasi Mesin Tipe Blok (Tampak Depan) 4.2.1 Analisa Rencana Dimensi Pondasi Mesin Tipe Blok Pada perhitungan ini akan dicari tebal pondasi mesin, kedalaman tanam pondasi mesin, besar amplitudo maksimum yang terjadi pada pondasi mesin, serta cek keamanan. Perhitungan dilakukan dengan sistem trial and error dengan dimensi awal pondasi ditetapkan panjang pondasi 2,5 meter dan lebar pondasi 2 meter, adapun contoh perhitungan secara manual disajikan seperti berikut:
Gambar 4.3 Sketsa Pondasi Mesin a) Berat dan Massa Dicoba tebal pondasi (h) = 0,2 m
= 2,4 ton = 1,56769 ton = 3,96769 ton = 0,404739 ton = 5 m²
b) Parameter Tanah Parameter tanah dimana pondasi berada adalah sebagai berikut: • Berat jenis tanah, γt = 1,9 t/m³ • Modulus geser tanah, G = 5000 t/m² • Poisson ratio, v = 0,33 c) Gaya Dinamis Rotor pada mesin berputar terhadap sumbu y sehingga menghasilkan gaya dinamis arah sumbu x dan z sebesar F 0 = meω2 dimana m adalah massa rotor. m = 337 kg = 0,337 t e = eksentrisitas dari rotor, didapat dari perumusan oleh American Petroleum Institute Standard for Centrifugal Compressors (API Standard) e (mil) = α
12000 / rpm < 1.0 mil
e = 1.0 12000 / 1500 = 2,828 mil > 1 (diambil 1 mil)
= 1 x 0,001 x 0,0254 = 2,54x10-5 m ω = 1500 rpm = 157,08 rad/sec Fo = 0,337 x 2,54x10-5 x 157,082 = 0,211 t Gaya horizontal F o bekerja tidak pada titik berat total melainkan diatasnya yaitu pada titik berat mesin setinggi e z = h rotasi = 45,3 cm = 0,453 m. sehingga timbul momen yang bekerja terhadap sumbu y sebesar: M y = F o .(tebal pondasi + e z – z) = 0,211 x (0,2+0,453-0,318344) = 0,0706 tm. d) Perhitungan Besar Amplitudo Akibat Getaran Vertikal
15
