JURNAL TEKNIK POMITS (2014)
1
STUDI PENGARUH DIAMETER DAN PANJANG TIANG PANCANG TERHADAP AMPLITUDO GETARAN PADA PERENCANAAN PONDASI ALTERNATIF TURBIN GAS Hasby Siddiq Muhammad A.md., Ir. Suwarno M.Eng., Ir. Ananta Sigit S., M.sc. Ph.D Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil Dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected],
[email protected]
Abstrak—Kondisi dinamis, dalam hal ini yaitu gerak amplitudo getaran yang dihasilkan dari sebuah sistem pondasi mesin dapat dipengaruhi oleh bentuk struktur pendukungnya, sehingga perlu dilakukan peninjauan lebih lanjut terkait kondisi dinamis yang dihasilkan oleh beberapa kondisi struktur yang ada. Diharapkan hal ini dapat menjadi gambaran dasar dalam penentuan perencanaan pondasi mesin yang baru. Untuk itu dilakukan studi pada perubahan diameter dan panjang tiang pancang yang digunakan terhadap amplitudo getaran yang terjadi pada sistem pondasi mesin turbin gas. Tinjauan kondisi dinamis yang dilakukan berupa amplitudo getaran akibat beban vertikal, horizontal, rocking, dan kopel sebagai gabungannya. Dari hasil penelitian terlihat bahwa panjang dan jarak tiang pancang mempengaruhi gerak amplitudo. Semakin panjang tiang yang digunakan, yakni dalam tugas akhir ini dengan panjang tiang 6,55 m, 7,55 m, 8,55 m, dan 9,55 m, maka amplitudo yang dihasilkan akan menurun. Namun, pada penggunaan diameter tiang 40 cm, 50 cm, dan 60 cm, diperoleh hasil bahwa diameter yang lebih besar justru akan meningkatkan nilai amplitudo yang dihasilkan. Dimana semakin besar diameter dan panjang tiang pancang yang digunakan, maka jumlah tiang semakin sedikit dengan jarak antar tiang yang semakin besar.
gambaran dasar perencanaan pondasi mesin turbin gas. Oleh karena itu studi ini layak dan penting untuk dilakukan. Pembangkit listrik merupakan sumber utama listrik, sehingga diharapkan struktur pendukung atau pondasi yang menopangnya tidak mengalami keruntuhan, baik pada tahap pelaksanaan maupun masa layan dari mesin yang dapat mengakibatkan mesin tidak bekerja maksimal atau terjadi kerusakan. Di samping itu, kesesuaian struktur pendukung atau pondasi juga menjadi hal yang harus dipertimbangkan. II. URAIAN PENELITIAN Dalam melakukan peninjaun terhadap amplitudo yang diakibatkan oleh perbedaan diameter dan panjang tiang pancang, maka dilakukan tahap penyelesaian untuk melihat sejauh mana pengaruh keduanya sebagai berikut : Mulai
Studi Literatur
Kata Kunci— Diameter dan panjang, kondisi dinamis, amplitudo getaran.
Pengumpulan Data Data Primer : Gambar layout studi pondasi
I. PENDAHULUAN Turbin Gas memiliki karakteristik beban gerak statis dan dinamis berupa beban vertikal, beban horizontal, dan rocking yang membentuk rotasi sebagai gaya tambahan pada pondasi. Dasar tujuan dari perencanaan sebuah pondasi mesin adalah untuk membatasi gerak ampiltudo yang tidak membahayakan saat pengoperasian mesin, dan tidak membahayakan orangorang yang bekerja disekitarnya (ACI 351.3R-04 “Foundation for Dynamic Equipment”, Reported by ACI Committee 351)[1]. Terdapat banyak hal yang dapat mempengaruhi besar kecilnya gerak amplitudo atau getaran yang terjadi pada pondasi mesin seperti ukuran pondasi, kedalaman struktur pendukung, letak beban yang ada, kondisi tanah lokasi penempatan, parameter dinamis tanah atau sifat-sifat tanah, dan gaya dinamis, baik secara internal yang dihasilkan maupun eksternal yang diterapkan dan lain-lain (Bathia, 2008)[2]. Terkait adanya pengaruh bentuk struktur pondasi, maka dalam tugas akhir ini akan dilakukan peninjauan mengenai pengaruh perbedaan diameter dan panjang tiang pancang yang terdapat pada perencanaan pondasi turbin gas terhadap batas kondisi dinamis yang terjadi. Sehingga akan didapat grafik hubungan antara parameter yang ditinjau dengan batasan kondisi dinamis yaitu amplitudo getaran yang dihasilkan. Grafik ini diharapkan dapat digunakan sebagai
Data Sekunder : A. Gambar dan spesifikasi alat B. Lokasi pusat gravitasi mesin C. Berat statis mesin dan aksesorisnya D. Ukuran dan bentuk perkiraan blok pondasi E. Data dan kondisi tanah F. Syarat kriteria desain
Penentuan Kondisi Perencanaan : A. Beban yang bekerja pada pondasi B. Material bahan yang digunakan
Perencanaan Pondasi Tiang Pancang
Tiang Pancang D40 cm : A. Kedalaman 8m B. Kedalaman 9m C, Kedalaman 10m D. Kedalaman 11m
Tiang Pancang D50 cm : A. Kedalaman 8m B. Kedalaman 9m C, Kedalaman 10m D. Kedalaman 11m
Daya Dukung Statis 50% Daya Dukung Ijin
A
Tiang Pancang D60 cm : A. Kedalaman 8m B. Kedalaman 9m C, Kedalaman 10m D. Kedalaman 11m
JURNAL TEKNIK POMITS (2014)
2 pondasi dan amplitudo getaran yang dihasilkan akibat pengoperasian mesin.
A
III. DATA DAN ANALISA Penentuan Jumlah Tiang
Data-data terkait mesin dan struktur blok pondasi yang digunakan sebagai berikut : Kecepatan mesin, Generator elektrik, : 3000 rpm Turbin gas : 3000 rpm
Daya dukung tiang Kelompok
Tidak Oke
Material struktur : Beton Bertulang
Efisiensi Beban
Dimensi pondasi gas turbin Lebar (Max) : 10,4 m Panjang : 30,59182 m Tebal : 2,3 m ; 1,95 m
Oke
Analisa Dinamis Dengan Tiang Pancang
Gerak Vertikal
Gerak Horizontal
Pembebanan, Beban mati blok pondasi Beban mesin dan peralatan Beban pendukung Beban total
Gerak Rocking
Cek Daya Dukung Statis + Dinamis 75% Daya Dukung Ijin
Tidak Oke
: 1093,86 ton : 495 ton : 72,1 ton : 1660,96 ton
Oke Kopel
Frekuensi Resonansi
Analisa Pengaruh Daya Dukung Tiang Pancang Terhadap Amplitudo Getaran
Terkait rencana pondasi tiang pancang yang ditinjau sebagai berikut : Diameter tiang pancang : 40 cm, 50 cm, dan 60 cm Kedalaman tiang pancang : 8 m, 9 m, 10 m, dan 11 m Berdasarkan data tanah yang ada, maka direncanakan pondasi tiang yang akan ditinjau. Perencanaan yang dilakukan sesuai dengan metode lumped parameter system dan hasilnya dapat dilihat seperti di bawah ini.
Kesimpulan
4100
4100
1500
800 1150
760
1160
GL +500
2540
2140
1920 1380
350
7700
Horizontal force
Rotor Center 3300
5800
8000
6000
7209,82
7482
800
Dalam melakukan analisa diperlukan data-data untuk menunjang kajian tersebut. Data-data tersebut dikumpulkan berdasarkan permasalahan yang akan dikaji, dianalisis dan menjadi suatu dasar dalam melakukan kajian. Data primer berupa gambar layout rencana studi yang dilakukan, sedangkan data sekunder yakni berupa data yang terkait dengan mesin. Data tanah yang digunakan merupakan hasil dari tes sondir atau CPT dan laboratorium yang dilakukan dilokasi yang telah ditentukan. Setelah data primer maupun data sekunder diperoleh, maka langkah selanjutnya adalah menganalisis data tersebut sebagai pedoman dasar untuk melakukan peninjauan terhadap pengaruh yang dihasilkan oleh diameter dan panajng tiang pancang. Analisa yang dilakukan berupa analisa statis dan dinamis. Analisa statis yang dilakukan berupa daya dukung pondasi terhadap daya dukung ijin tanah yang mengacu pada pengecekan yang dilakukan oleh (Suresh C. Arya, Micheal W. O’Neil, and George Pincus, 1979)[3]. Sedangkan analisa dinamis yang dilakukan berupa gaya vertikal, horizontal, dan rocking serta kopel yang terjadi pada sistem pondasi mesin tersebut. Beban ini akan dijadikan beban pegas dengan menggunakan persamaan yang telah disesuaikan dengan kondisi yang ada. Dengan metode lumped parameter system maka akan didapat besarnya gaya yang akan diterima oleh
10400
Gambar 1. Metodologi Pelaksanaan
Detail Blok Pondasi dan Penanaman Skala 1 : 200
Gambar 2. Bentuk Struktur Blok Pondasi Catatan :
Panjang tiang bersih yang ditinjau berdasarkan kedalaman tiang pancang dikurangi kedalaman penanaman blok pondasi. A. Daya dukung tiang tunggal Qult =
C×A SF1
+
JHP×∅ SF2
JURNAL TEKNIK POMITS (2014)
3
Dari hasil perencanaan di atas, maka dilakukan analisa dinamis untuk mendapatkan nilai amplitudo yang dihasilkan akibat pengoperasian mesin sebagai berikut : 1
fn =
2π
√
√(1−r2 )2 +(2 D r)2 fmesin ωn f n
A=M
B. Junlah tiang yang digunakan n>
V
Ft = Tr x Qo
√1+(2 D r)2
Tr = r=
k
m
Qo
M=
k
Qo = m e ω2
= 2π × f 1
√(1−r2 )2 +(2 D r)2
E. Analisa dinamis vertikal k z1 =
Ek×Qd
Ep .A ro
Ep .A
cz 1 =
× f18,1
vs
× f18,2
Gambar 3. Kekakuan dan Faktor Redaman untuk Tiang Vertikal, Tiang Beton Fixed Tip C. Daya dukung tiang kelompok
k z f = Gs. h. S̅1 kzg =
1 ∑N 1 kz
Gs .γs
cz f = h. ro √ Dz 𝑔 =
∑N 1 αA
g
× S̅2
1 ∑N 1 cz 1 N 2√∑N 1 kz .mc √∑1 αA
D. Efisiensi beban Ek = √
Pub 2 Pub 2 + (n .Put )2
Gambar 4. αA Sebagai Fungsi dari Panjang Tiang dan Jarak F. Analisa dinamis horizontal k x1 =
Ep .I ro 3
× f11,1
k x f = Gs. h. S̅u1 kxg =
1 ∑N 1 kx
∑N 1 αL
cx 1 =
Ep .I
× f11,2
ro 2 .υs
Gs .γs
cx f = h. ro √ Dx g =
g
× S̅u2
1 ∑N 1 cx 1 N 2√∑N 1 kx .mc √∑1 αL
JURNAL TEKNIK POMITS (2014)
4 Z Mz Mx
X
Y
c
My
a
b
Gambar 7. Arah Gaya Pada Blok Pondasi Mmox = m (
b2 +c2 12
) + Y2 + Z2 =
W b2 +c2
(
g
12
) + Y2 + Z2
H. Analisa kopel lateral Selanjutnya dari nilai amplitudo vertikal, horizontal, dan rocking tersebut dilakukan peninjauan untuk kinerja bersama. ωn1,2 = Gambar 5. Solusi Grafik untuk αL
Ep .I
k x1 ψ =
cψ 1 =
× f7,1
ro Ep .I ro 2
× f9,1
cx 1 ψ = δ2
Ep .I
2
mc×Mm
×f
Gs .γs
cψ f = δr0 4 √
g
√[(−Mm×ωmesin 2 +kψ +kx ×L2 ) +4ωmesin (Dψ √kx ×Mmo+L2 Dx √kx ×mc ) ]
2
ro zc 2
ro
δ z {S̅ψ2 + [( ) + ( ) − δ ( c )] S̅u2 } 3
ro
2
2
9,2 ro .υs 2 zc
z k ψ f = Gs ro h2 S̅ψ1 + Gs ro 2 h [( ) + ( ) − δ ( c )] S̅u1 3
2
∆(ω2 ) = mc × Mm × (ωn1 2 − ωmesin 2 ) × (ωn2 2 − ωmesin 2 ) Fx Ax1 = ×
× f7,2
υs Ep .I
{ωnψ 2 + ωnx 2 ±
√(ωnψ 2 + ωnx 2 ) − 4γ(ωnx × ωnψ ) }
G. Analisa dinamis rocking k ψ1 =
1 2γ
ro
Ax2 = Aψ1 =
2 2 k ψ g = ∑N 1 [k ψ1 + k z1 Xr + k x1 Zc − 2 Zc k x1 ψ ] + k ψf 𝑐 𝜓 𝑔 = ∑𝑁 1 [𝑐𝜓1 + 𝑐𝑧 1 𝑥𝑟 2 + 𝑐𝑥 1 𝑧𝑐 2 − 2𝑧𝑐 𝐶𝑥 1 𝜓 ] + 𝑐𝜓𝑓
My×L
×
∆(ω2 ) √[(ωnx 2 )2 +(2×Dx ×ωmesin ×ωnx )2 ]
∆(ω2 ) Fx × L ωnx × √[ωnx 2 + (4 × Dx × Mm ∆(ω2 ) My Mm
Aψ2 =
× ωmesin 2 )2 ]
×
Mm √(ωnx 2 −ωmesin 2 )2 +(2×Dx ×ωnx ×ωmesin )2 ∆(ω2 )
Ax = Ax1 + Ax2
A
ρ = Ax
ψ
Aψ = Aψ1 + Aψ2
Gambar 6. Definisi xr dan zc Dψ g =
cψ g 2√(kψ g )×Mm
Mm = Mmox − (mtotal × L2 ) = Mmox − ( Zc 2 )
Wtotal g
× Gambar 8. Ilustrasi Gerak Amplitudo Getaran AH = Ax + (h x Aψ )
AV = Aψ x a/2 + Az
JURNAL TEKNIK POMITS (2014)
5
I. Keterangan tambahan Tabel 1. Frekuensi Konstanta Bebas untuk Penanaman Blok pondasi dengan Side Resistance
Tabel 2. Nilai untuk ƒ11,1, ƒ11,2, ƒ7,1, ƒ7,2, ƒ9,1, ƒ9,2
IV. HASIL ANALISA Berdasarkan nilai amplitudo yang telah dihitung pada analisa kopel, maka dibuat grafik untuk melihat pengaruhnya terhadap panjang tiang pancang sebagai berikut :
Grafik 3. Pengaruh Panjang Tiang Pancang Terhadap Amplitudo Getaran Vertikal Generator
Grafik 4. Pengaruh Panjang Tiang Pancang Terhadap Amplitudo Getaran Vertikal Turbin Grafik 1. Pengaruh Panjang Tiang Pancang Terhadap Amplitudo Getaran Horizontal Generator
Grafik 5. Pengaruh Diameter Tiang Pancang Terhadap Amplitudo Getaran Horizontal Generator Grafik 2. Pengaruh Panjang Tiang Pancang Terhadap Amplitudo Getaran Horizontal Turbin
JURNAL TEKNIK POMITS (2014)
Grafik 6. Pengaruh Diameter Tiang Pancang Terhadap Amplitudo Getaran Horizontal Turbin
6 yang lebih besar justru akan meningkatkan nilai amplitudo yang dihasilkan (semakin besar diameter dan panjang tiang pancang yang digunakan, maka jumlah tiang semakin sedikit dengan jarak antar tiang yang semakin besar). 2. Pengaruh terbesar terhadap amplitudo yang dihasilkan berasal dari panjang dan jarak antar tiang pancang yang digunakan. 3. Berdasarkan analisa didapat persentase penurunan besaran amplitudo horizontal berkisar antara 10,93% sampai 73,53%, dan ampitudo vertikal berkisar antara 0,09% sampai 2,27% pada peninjauan panjang tiang pancang. 4. Sedangkan, didapat persentase kenaikan besaran amplitudo horizontal berkisar antara 12,10% sampai 62,65%, dan ampitudo vertikal berkisar antara 0,64% sampai 2,55% pada peninjauan diameter tiang pancang. DAFTAR PUSTAKA ACI 351.3R-04 “Foundation for Dynamic Equipment”, Reported by ACI Committee 351. [2] Bhatia K.G. (2008). “Foundations for Industrial Machines and Earthquake Effects”, ISET Journal of Earthquake Technology, Paper No. 495, Vol. 45, No. 12, March-June 2008, pp. 13–29. [3] Arya S., O. Neil and Pincus, G. (1979) “Design of Structures and Foundation for Vibrating Machines”, Gulf Publishing Company, Houston, Texas, ch 1,2,3,4,5, and 6. [1]
Grafik 7. Pengaruh Diameter Tiang Pancang Terhadap Amplitudo Getaran Vertikal Generator
Grafik 8. Pengaruh Diameter Tiang Pancang Terhadap Amplitudo Getaran Vertikal Turbin Grafik di atas diharapkan dapat digunakan sebagai acuan dasar perencanaan pondasi turbin yang baru, dengan mesin dan kondisi tanah yang sama seperti peninjauan. V. KESIMPULAN/RINGKASAN 1. Semakin panjang tiang yang digunakan, yakni dalam tugas akhir ini dengan panjang tiang 6,55 m, 7,55 m, 8,55 m, dan 9,55 m, maka amplitudo yang dihasilkan akan menurun. Namun, pada penggunaan diameter tiang 40 cm, 50 cm, dan 60 cm, diperoleh hasil bahwa diameter
