STUDI PERBANDINGAN ANALISA DESAIN FOURANGLE TOWER CRANE DENGAN ANALISA DESAIN TRIANGLE TOWER CRANE MENGGUNAKAN PROGRAM ANSYS 12.0 DOSEN PEMBIMBING: Prof. Ir. I NYOMAN SUTANTRA, MSc. PhD. OLEH: KOMANG MULIANA PRANATHA 2106.100.043
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012
LATAR BELAKANG TOWER CRANE
Merupakan salah satu pesawat pengangkat dan pemindah barang / material
Biasa digunakan untuk mengangkat & memindahkan barang / material pada ketinggian minimal 100 ft ( ≈ 30 meter )
Selama ini digunakan Tower crane jenis Fourangle Tower crane dimana towernya menggunakan empat batang penopang (berbentuk segi empat)
BAGIAN – BAGIAN TOWER CRANE
PERUMUSAN MASALAH
TRIANGLE TOWER CRANE ?
BATASAN MASALAH
Analisa yang dilakukan hanya pada rangka - rangka penopang Tower crane Material elemen adalah uniform Gaya yang diperhitungkan adalah berat rangka Tower crane, berat counter weight, berat beban yang diangkat dan mekanisme yang akan terjadi dalam penggunaannya Pengaruh pengelasan diabaikan karena dianggap baik dan kuat Pengaruh temperatur diabaikan Selama beban diangkat, beban dianggap stabil, tidak goyang dan berayun Cara membangun dan menegakkan Tower Crane tidak diperhitungkan
TUJUAN
Mengetahui respon struktur berupa tegangan pada Triangle Tower Crane, sehingga dapat diketahui tegangan maksimal dan daerah kritis yang terdapat pada struktur kerangka Mengetahui defleksi maksimum yang mungkin terjadi pada struktur kerangka pada Triangle Tower Crane Membandingkan analisa defleksi, tegangan, dan b erat struktur rangka yang terdapat pada Triangle Tower Crane dan Fourangle Tower Crane
KAJIAN PUSTAKA
Rinto Eko Bintoro (2101100053) berjudul: “ Analisa Tegangan Pada Struktur Tower Crane Dengan Menggunakan Ansys 8.0” Dengan menggunakan material AISI 1018 (ST 3) dengan tensile yield strength sebesar 370 Mpa pembebanan maksimum 2500 kg. dengan panjang jib 30 meter dengan pembebanan sebesar 1000 kg defleksi maksimal sebesar 9,34 milimeter tegangan kritis maksimal sebesar 0,194177
METODOLOGI Observasi ke lapangan Mencari informasi detail Bagaimana mengetahuilebih tegangan tentang dan Tower crane maksimal daerah kritis yang terdapat pada struktur kerangka Triangle Tower Crane Mengetahui defleksi maksimum yang mungkin terjadi pada setiap bagian – bagian dari sturktur kerangka pada Triangle Tower Crane Membandingkan analisa pada Triangle Tower Crane dan Fourangle Tower Crane
DATA – DATA FOURANGLE CRANE Dari data referensi didapatkan data – data teknis pada Fourangle Tower Crane jenis Liebherr 30 LC, yaitu: Merk, model, &tahun pembuatan : Liebherr 30 LC tahun 1996/1997 Negara asal : Jerman Panjang Jib : 30 m Ketinggian Tower : 30 m Tipe pengangkat : electromotor trolley Kecepatan putar Jib : 0 – 0,8 rpm Kecepatan Trolley sepanjang Jib : 0,3166 – 0,55 m/s Kecepatan angkat (hoisting) : 0,6667 m/s Tower head section with slewing ring support mass : 2950 kg Cabin + seat : 440 kg Massa counterweight : 3900kg Berat counter jib serta peralatan di atasnya : 5390 kg : 3865 kg Berat Jib Berat beban angkat : 1000 kg Berat beban angkat max : 2500 kg
GAYA ANGIN dimana: F = Gaya pada permukaan elemen sesuai arah angin q = Tekanan permukaan elemen pada ketinggian A = Luasan Cd = Koefisien drag total h = Ketinggian (dihitung tiap-tiap kenaikan 10 meter) ho = ketinggian referensi (10 meter) V = Kecepatan angin ρ = Massa jenis udara = 1,3 kg/m3 p = Power Law Exponent : 1/7 untuk daerah terbuka atau pantai, 1/3 untuk daerah hutan dan perkotaan
ANALISA TEKANAN KARENA PENGARUH ANGIN
A
A
A
Atot
luasan batang – batang yang mendapat gaya angin pada arah depan pada jarak 0 10 meter, 10 meter - 20 meter adalah : 2 x 14 batang vertikal = 2 x 14 ( 78mm x 0,7m ) = 2 x 14 ( 0,078 m x 0,7m ) = 1,53 m2 2 x 14 batang diagonal = 2 x 14 ( 38mm x 0,99m) = 2 x 14 ( 0,038 m x 0,99m ) = 1,05 m2 1 x 14 barang horizontal = 1 x 14 ( 31mm x 0,86,m) = 1 x 14 ( 0,031 m x 0,86m ) = 3,73 m2 Jadi, total luasannya adalah : = 1,53 m2 + 1,05 m2 + 3,73 m2 = 6,31 m2
Sedangkan luasan batang – batang mendapat gaya angin pada jarak 20 - 30 meter adalah 2 x 14 batang vertikal A = 2 x 14 ( 78mm x 0,7m ) = 2 x 14 ( 0,078 m x 0,7m ) = 1,53 m2
2 x 14 batang diagonal A = 2 x 14 ( 38mm x 0,99m) = 2 x 14 ( 0,038 m x 0,99m ) = 1,05 m2 1 x 14 barang horizontal A = 1 x 14 ( 31mm x 0,86 m) = 1 x 14 ( 0,031 m x 0,86 m ) = 3,73 m2 Counter weight A = 3m x 1,5 m = 4,5 m2 Jadi, total luasannya adalah : Atot (depan) = 1,53 m2 + 1,05 m2 + 3,73, m2 +4,5m2 = 10,81 m2
Luasan batang – batang mendapat gaya angin pada jarak 30 – 40 m
Atot
1 x 1 batang horizontal bawah (jib) A = 1 x 1 ( 62mm x 30m ) = 1 x 1 ( 0,062 m x 30m ) = 1,86 m2 1 x 1 batang horizontal atas (jib) A = 1 x 1 ( 62mm x 27m) = 1 x 1 ( 0,062 m x 27m ) = 1,7 m2 2 x 20 batang diagonal jib A = 2 x 20 (32mm x 1m) = 2 x 20 (0,032 m x 1m) = 1,28 m2 1 x 1 batang horizontal counter jib A = 1 x 1 (305mm x 9m) = 1 x 1 (0,305 m x 9m ) = 2,705 m2 2 x 1 batang tower top A = 2 x 1 (84mm x 6.5m) = 2 x 1 (0,084 m x 6.5m) = 1,118m2 Counter weight A = 3m x 1,5 m = 4,5 m2 Jadi, total luasannya adalah : = 1,86 m2+ 1,7 m2+ 1,28 m2 + 2,705 m2 + 1,118 m2 + 4,5 m2 = 11,883 m2
Kemudian dihitung Gaya angin yang terjadi pada Triangle Tower Crane pada jarak- jarak tertentu (untuk arah samping): • Gaya angin pada ketinggian 0 – 10 meter F = q. A. Cd Dimana: q = 406,25 N/m2 A = luasan Cd = 2,03 (tabel) F = 406,25 N/m2. 6,31 m2 . 2,03 = 3381,2 N • Gaya angin pada ketinggian 10 – 20 meter F = q. A. Cd Dimana: q = 644.8817 N/m2 N/m2 A = luasan Cd = 2,03 (tabel) F = 644, 88 N/m2. 6,31 m2 . 2,03 = 5367, 3 N • Gaya angin pada ketinggian 20 – 30 meter F = q. A. Cd Dimana: q = 845.0341 N/m2 A = luasan Cd = 2 (tabel) F = 845,03 N/m2.10,81 m2. 2,03 = 13860,5 N • Gaya angin pada ketinggian 30 – 40 meter F = q. Acj. Cd Dimana: q = 1023.686 N/m2 Acj = luasan beban Cd = 2 (tabel) F = 1023.69 N/m2. 11,883 m2 . 2,03 = 13195,88 N
luasan batang – batang yang mendapat gaya angin pada jarak 0 - 10 meter, 10meter - 20 meter arah samping adalah 3 x 14 batang vertikal A = 3 x 14 ( 78mm x 0,7m ) = 3 x 14 ( 0,078 m x 0,7m ) = 2,3 m2 •1 x 14 batang diagonal belakang A = 1 x 14 ( 38mm x 1,2m) = 1 x 14 ( 0,038 m x 1,2m ) = 0,64 m2 2 x 14 batang diagonal samping A = 2 x 14 ( 38mm x 0,86m) = 2 x 14 ( 0,038 m x 0,86m) = 0,91 m2 1 x 14 barang horizontal A = 1 x 14 ( 31mm x 1m) = 1 x 14 ( 0,031 m x 1m ) = 0,434 m2 Jadi, total luasannya adalah : Atot = 2,3 m2 + 0,64 m2 + 0,91 m2 + 0,434 m2 = 4,284 m2
Sedangkan luasan batang – batang mendapat gaya angin pada jarak 20 - 30 meter adalah
luasan batang – batang yang mendapat gaya angin pada jarak 30 - 40 meter arah samping adalah
•2 x 12 batang vertikal A = 2 x 12 ( 78mm x 0,7m ) = 2 x 12 ( 0,078 m x 0,7m ) = 1,53 m2
2 x 1 batang tower top A = 2 x 1 (84mm x 6,52m) = 2 x 1 (0,084 m x 6,52m) = 1,1 m2
•2 x 12 batang diagonal depan A = 2 x 12 ( 38mm x 8,6m) = 2 x 12 ( 0,038 m x 8,6m ) = 0,915 m2
Counter weight A = 3m x 1,5 m = 4,5 m2
•1 x 12 barang horizontal A = 2 x 12 ( 31mm x 0,8m) = 2 x 12 ( 0,031 m x 0,8m ) = 0,6 m2 •Counter weight A = 3m x 1,5 m = 4,5 m2 Jadi, total luasannya adalah : Atot (depan)= 1,53 m2 + 0,915 m2 + 0,6 m2 + 4,5m2 = 7,545 m2
Jadi, total luasannya adalah : Atot = 1,1 m2 + 4,5 m2 =5,6 m2
Luas batang
Luas batang
Gaya Angin
Gaya Angin
(arah samping)
(arah depan)
(arah samping)
(arah depan)
0 – 10 meter
4,284 m2
6,31 m2
3381,2 N
2812,18 N
10 – 20 meter
4,284 m2
6,31 m2
5367, 3 N
4110,6 N
20 – 30 meter
7,545 m2
10,81 m2
13860,5 N
13568,9 N
30 – 40 meter
5,6m2
11,883 m2
13195,88 N
29914,12 N
Jarak
GRAFIK GAYA ANGIN TERHADAP KETINGGIAN
Dari grafik dapat dilihat bahwa untuk gaya angin (arah depan) semakin tinggi terjadi peningkatan gaya angin, sedangkan untuk arah samping terjadi penurunan untuk ketinggian > 30 meter. Hal ini tergantung pada luasan batang yang mendapat tekanan permukaan.
GAYA TROLLEY / GAYA BERJALAN Pada Tower crane, beban dapat dipindahkan dengan menggunakan tali dari ujung tower crane menuju titik pusat atau sesuai jarak yang ditentukan. Pada kasus ini gaya gerakan trolley dapat diabaikan dengan syarat beban yang diangkat sesuai dengan beban yang diijinkan pada desain awal dari jib tower crane jenis Liebherr 30 LC yang ditujukan pada tabel 2.1. Dari tabel dapat dilihat bahwa beban maksimal yang dapat diangkat oleh Tower crane adalah sebesar 2500 kg. pada jarak 14,0 m; 20,4 meter ; 24,7 meter ; dan 30 meter akan dijadikan variasi beban dalam perhitungan program ansys
GAYA AYUN Gerakan yang terjadi saat jib berputar dan rangka dalam keadaan diam, akan terjadi sudut yang besarnya tertentu terhadap sumbu vertikal. Tetapi untuk putaran sudut yang kecil ( < 1 rpm ) tepatnya 0,8 rpm, maka gaya ayun dapat diabaikan.
GAYA HOISTING / GAYA ANGKAT
Jadi, analisa yang didapatkan adalah ketika Tower crane akan mengangkat beban sebesar 1000 kg (10.000 N) pada jarak 30 meter dari jib maka gaya angkatnya yang diperlukan oleh Tower crane tersebut menjadi 11.100 N.
MOMEN DENGAN BEBAN
Dengan mengasumsikan arah positif dalah CW dengan momen pada pusat rangka (Fp): Mfp = - Fcw (10,5m) - Fcj (4,5m) + Fj (15m) + T (30m) = - 39.000 N (10,5m) – 8.700 N (4,5) + 22.650 N (15m) + 11.100 N (30m) = 224.100 Nm Mencari gaya tekan yang bekerja pada sumbu pusat Tower crane: Σfy = 0 - Fcw - Fcj - Fj + Fp1 - T = 0 Fp1 = Fcw + Fcj + Fj + Wm Fp1 = 39.000 N + 8700 N + 22.650 N + 11.100 N Fp1 = 81.450 N
MOMEN TANPA BEBAN
Σfy = 0 - Fcw - Fcj - Fj + Fp1 = 0 Fp1 = Fcw + Fcj + Fj Fp1 = 39.000 N + 8700 N + 22.650 N Fp1 = 70.350 N Dengan mengasumsikan arah positif dalah CW dengan momen pada pusat rangka (Fp): ΣMFp1 = 0 MFp1 = - Fcw (10,5 m) - Fcj (4,5 m) + Fj (15 m) MFp1 = - 39.000 N (10,5 m) - 8.700 N (4,5 m) + 22.650 N (15 m) MFp1 = -108.900 Nm
ANALISA SOFTWARE ANSYS
VON MISES STRESS Stress Distribution Main Menu > General Postproc > Plot Results > Countour Plot > Nodal Solution > Stress > Stress Intensity
Contoh hasil: beban 1000kg + gaya angin arah depan
DEFLEKSI Defleksi Main Menu > General Postproc > Plot result > Countour Plot > Nodal Solution > DOF Solution >Displacement Vector Sum Perintah ini untuk mendapatkan defleksi arah X,Y,Z dari hasil yang didapatkan
1
1
NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 USUM (AVG) RSYS=0 DMX =.037495 SMX =.037495
NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 USUM (AVG) RSYS=0 DMX =.034087 SMX =.034087
MX
MX
Y
Y
Z MN X
Z MN X 0
0
1
.004166
.008332
.012498
.016665
.020831
.024997
.029163
.033329
.003787
1
NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =1 TIME=1 USUM (AVG) RSYS=0 DMX =.030678 SMX =.030678
STEP=1 SUB =1 TIME=1 USUM (AVG) RSYS=0 DMX =.027269 SMX =.027269
MX
.003409
.006817
.010226
.013635
.017043
.011362
.01515
.018937
.022725
Y
Z MN X
Z MN X
Contoh hasil: beban variasi
.023861
.027269
.030299
.034087
MX
Y
.020452
.026512
.037495
NODAL SOLUTION
0
.007575
0 .030678
.00303
.00606
.00909
.01212
.01515
.01818
.02121
.024239
.027269
Dalam perhitungan tegangan dengan menggunakan ANSYS 11.0 ini, digunakan variasi panjang jib dan besar pembebanan untuk mencari Tegangan Kritis dan Defleksi Maksimum
Tegangan Von Mises
Tegangan Von Mises
Defleksi maximum
Dengan gaya angin
Dengan gaya angin
Dengan gaya angin
Arah Depan (Mpa)
Arah Samping (Mpa)
arah depan (mm)
Defleksi maximum Dengan gaya angin arah Samping (mm)
Panjang Jib (m)
Massa (kg)
30
1000
172
105
23,861
3,049
24,7
1250
172
105
30,678
10,226
20,4
1570
172
105
34,087
17,043
14
2420
174
114
37,495
27,269
GRAFIK TEGANGAN VON MISES
Dari grafik dapat dilihat bahwa makin besar massa yang diangkat maka besar tegangan kritis yang didapatkan akan makin besar. Nilai tegangan von mises terbesar terdapat saat massa yang diangkat sebesar 2420 kg pada jarak 14 meter yaitu 174 MPa arah depan dan 114 Mpa untuk arah samping •BIRU : GAYA ANGIN ARAH DEPAN •MERAH : GAYA ANGIN ARAH SAMPING
GRAFIK DEFLEKSI MAKSIMUM
Dari grafik dapat dilihat bahwa makin besar massa yang diangkat maka besar defleksi maksimal yang mungkin terjadi akan makin besar. Nilai defleksi maksimal terbesar terdapat saat massa yang diangkat sebesar 2420 kg pada panjang jib sebesar 14 meter yaitu sebesar 27,637 mm pada arah angin dari bagian samping dan 37,495 mm untuk arah angin dari depan. • •
BIRU MERAH
: GAYA ANGIN ARAH DEPAN : GAYA ANGIN ARAH SAMPING
BERAT STRUKTUR TOWER CRANE Dari hasil running program Ansys disebutkan berat tower yang terjadi sebesar 2674,5 kg (2,675 ton). Hasil ini dibandingkan dengan berat sebenarnya: • Tower head section with slewing ring support mass : 2950 kg Setelah dibandingkan ternyata massa total tower dari Triangle tower crane lebih rendah daripada massa dari Fourangle Tower Crane. Dengan hasil ini, dapat diasumsikan bahwa material yang diperlukan untuk membangun sebuah Triangle tower crane lebih sedikit daripada material yang dibutuhkan untuk membangun Fourangle Tower Crane.
PERBANDINGAN TOWER CRANE
KESIMPULAN Dari hasil analisa pada struktur Triangle Tower Crane, maka dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
Pada struktur Fourangle Tower Crane, defleksi maksimum yang terjadi sebesar 10,966 mm sedangkan pada struktur Triangle Tower Crane didapatkan defleksi maksimum sebesar 37,4 mm
Defleksi ijin maksimum yang didapatkan harus ≤ 37,5 mm Sehingga besar defleksi yang terjadi masi dalam keadaan aman.
Pada struktur Fourangle Tower Crane, Tegangan maksimum (kritis) yang terjadi sebesar 0.190 Mpa sedangkan pada struktur Triangle Tower Crane didapatkan Tegangan maksimum sebesar 174 Mpa
Tegangan maksimum yang didapatkan harus ≤ 185 Mpa Sehingga besar Tegangan maksimum yang terjadi masi dalam keadaan aman
Berat struktur rangka tower dari Triangle Tower Crane sebesar 2674,5 kg sedangkan berat struktur rangka dari Fourangle Tower Crane sebesar 2950 kg.
TERIMA KASIH
