7

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tower crane

Tower crane lebih banyak dipakai dalam praktik konstruksi untuk

mengangkat material, suku cadang, dan struktur bangunan secara keseluruhan

yang akan dipasang pada gedung yang sedang dikerjakan. Tower crane juga

dipakai untuk operasi bongkar muat. Tower crane dilengkapi dengan mekanisme

pengangkat (hoisting), pemutar (slewing), pendongak (luffing), kadang penjalan

(travelling), dan mekanisme lengan lintang (jib mechanism).

(Sumber : Mesin Pemindah Bahan (Material Handling Equipment) Ach. Muhib

Zainuri, ST. MT. (hal. 11))

Freestanding hammerhead tower crane jangkauan tingginya hingga sekitar

300 ft (91 m), untuk luffing tower crane (Crane menara dengan penjungkat)

sedikit terbatas. Meskipun kebanyakan crane menara berdiri bebas dan pada

ketinggian tetap, berbagai persiapan izin mendirikan crane menara untuk

dipasangkan pada sebuah gedung dalam pembangunan dan naik bersama

bangunan tersebut. Dengan tambahan sarana pendukung tersebut, crane menara

bisa naik ke setiap tinggi bangunan. Baris kecepatan angin yang sangat tinggi

hingga 1.000 ft/min (5 m/s), terdapat beberapa model yang menghasilkan tingkat

produktivitas yang baik bahkan di ketinggian yang ekstrim. Beberapa mesin dapat

beroperasi pada kecepatan angin hingga 45 mil/jam (70 km/jam), yang jauh di atas

batas kecepatan angin crane mobil.

8

Kemampuan angkat tower crane diukur oleh nilai momen yang dinyatakan

dengan ton-meter. Nilai ton meter diperoleh dengan mengalikan nilai kapasitas

dalam metrik ton dengan radius kerja dalam meter. Kapasitas terkecil yang

digunakan untuk konstruksi memiliki nilai sekitar 20 ton meter dan kapasitas yang

besar >100 ton meter, umumnya digunakan untuk konstruksi berat berkisar 150 -

650 ton meter.

Sebuah tower crane disebut top slewing (Pemutar atas), slewing menjadi

istilah istimewa tower crane untuk gerakan berputar jika pemutar dipasang di

dekat bagian atas menara seperti dalam Gambar 2.1 dan 2.2, dan itu disebut

sebagai bottom slewing (Pemutar bawah), jika pemutar berada dibagian dasar

seperti pada Gambar 2.3 dan 2.4. Mesin yang menggunakan bottom slewing

mungkin telah menjadi sebagian besar konsep mesin kuno yang belum dihidupkan

kembali oleh pengembang terakhir dengan mesin yang berdiri sendiri.

Gambar 2.1 Sebuah tower crane

di kota kecil Amerika serikat. Gambar 2.2 Pecco SN160 luffing

boom tower crane dengan top

slewing (Pemutar atas)

9

(Sumber : Crane and derricks 4th edition, Chapter 2 Crane and derricks

configuration)

2.2 Tipe Pembebanan Pada Tower Crane

Pembebanan yang terjadi pada tower crane terdiri atas pembebanan yang

terjadi ketika crane beroperasi, misalnya pengangkatan dan pemindahan beban,

dan ketika crane tidak beroperasi. Struktur tower crane, komponen-komponennya

dan pondasi harus aman untuk mengangkut beban-beban ini. Struktur crane sudah

harus didesain untuk bisa mengangkut beban-beban ini termasuk di dalamnya

pengaruh beban dan pergerakan crane dan angin.

2.2.1 Beban Struktural

Beban struktural berasal dari beban sendiri tower crane, komponen-

komponennya, dan beban yang yang diangkut serta posisinya sehubungan dengan

Gambar 2.3 Luffing jib tower

crane dengan bottom slewing

(Pemutar bawah).

Gambar 2.4 Self-erecting tower crane

with a telescoping mast and

articulating jib.

10

tower crane. Beban yang diangkut pada ujung lengan menghasilkan momen

guling yang lebih besar daripada beban yang dekat dengan sumbu menara.

2.2.2 Beban Angin

Angin terdiri atas komponen turbulensi yang dapat terjadi pada suatu

kecepatan angin rerata sehingga menghasilkan suatu kecepatan angin yang sangat

tinggi (gust wind speed). Kecepatan angin juga bertambah seiring dengan

pertambahan ketinggian sehingga apa yang terasa seperti hembusan kecil pada

level tanah akan terasa semakin kuat pada kabin tower crane. Sebagai contoh pada

lokasi di tengah kota kecepatan angin kencang (gust wind) pada ketinggian 100 m

akan menjadi sekitar dua kali lebih kuat daripada kecepatan angin kencang pada

level tanah dengan mengabaikan pengaruh gedung disekitarnya.

Setiap struktur yang terkena aliran angin akan mengalami pembebana

Besarnya beban tergantung pada sifat ketakteraturan aliran, yang bervariasi

berdasarkan bentuk element struktur. Gaya angin pada struktur atau elemen

didapatkan dengan mengalikan tekanan angin dinamis dengan koefisien tekanan

atau gaya dan luas penampang dimana beban angin bekerja.

Penentuan beban angin sederhana secara konseptual, namun cukup

kompleks jika dilakukan. Perhitungan dilakukan oleh produsen crane berdasarkan

standar yang berlaku. Urutan perhitungan yang sama dugunakan walaupun standar

perhitungan yang berbeda akan memberikan kecepatan angin dan koefisien gaya

yang berbeda. Sebagai cotoh, berdasarkan standar FEM (1.001, 1998) perhitungan

kecepatan angin dilakukan dengan mengasumsikan angin horizontal dari segala

arah dan reaksi statik dari struktur tower crane. Kecepatan angin pada saat

beroperasi (in service) dan tidak beroperasi (out of service) ditentukan dari :

11

a. Kecepatan angin maksimum dimana crane didesain untuk dapat

beroperasi yang bervariasi antara 14 dan 28 m/s.

b. Kecepatan angin maksimum dimana crane didesain untuk tetap stabil

dalam kondisi tidak beroperasi yang bervariasi antara 36 dan 48 m/s

tergantung pada ketinggian dari permukaan tanah.

A. Tekanan Kecepatan Angin

Udara tenang di permukaan laut menginduksi tekanan ambient

sekitar 14,7 lb/in² (101,4 kN/m²) mutlak. Ketika udara bergerak, tekanan

normal berubah dengan persentase kecil ketika bergerak di sekitar obyek. Ini

variasi lokal tingkat rendah yang memberikan tekanan pada permukaan

objek. Tekanan bisa di atas angin atau bawah angin, yang terakhir menjadi

bentuk isapan. Untuk menempatkan fenomena tersebut dalam skala,

perubahan hanya 1% pada tekanan normal setara dengan 21 lb/ft2 (1014

N/m²). Tekanan statis setara yang disebabkan oleh angin adalah fungsi dari

densitas udara, yang bervariasi dengan suhu, ketinggian, dan tekanan udara.

Variasi ini kecil, namun biasanya diabaikan dalam membuat perhitungan

angin praktis. Hubungan tekanan statis yaitu

𝑞 =1

2𝜌𝑣2……………………..………..2.1

di mana ρ adalah densitas udara. Untuk satuan Amerika Serikat, kecepatan

v diberikan dalam mil/jam, tekanan yang dihasilkan q adalah dalam

pound/feet² dan Persamaan (2.1a) mengambil bentuk

𝑞 =𝑣2

391 =

𝑣2

400………….………………2.1 a

12

Untuk kecepatan dalam meter/detik dan tekanan dalam Newton/meter²,

diekspresikan

𝑞 = 0,613𝑣2 =5𝑣2

8….………..…………….2.1 b

Permukaan bumi dan karakteristiknya memiliki efek penghambat di

atas kecepatan angin dan cenderung meningkat. Dengan peningkatan

ketinggian di atas permukaan tanah, efek hambatan menjadi kurang nyata,

sampai ketinggian tercapai dimana angin bebas dari hambatan. Ketinggian

bebas hambatan lebih tinggi dari ketinggian yang akan berhubungan

dengan sebagian besar pemasangan crane (700-1500 ft, atau 213-460 m);

sebaliknya, secara keseluruhan tetapi contoh paling ekstrim crane yang

telah dipasang pada daerah efek hambatan.

Petunjuk desain tentang catatan untuk efek hambatan telah ada

selama lebih dari setengah abad. Pada tahun 1954 Amerika Serikat

Publikasi Navy memberikan ekspresi hukum daya menggunakan pangkat

1/7, tampaknya dengan melihat ke arah pemasangan. Sumber lain yang

terdahulu, membedakan antara area pedalaman dan pesisir. Peneliti Kanada

A.G. Davenport mengusulkan pangkat hukum daya, 1/7 untuk area terbuka

dan wilayah pesisir; 1/4.5 untuk daerah berhutan, pinggiran kota, dan

wilayah pesisir kasar; dan 1/3 untuk pusat kota besar.

Angin yang disesuaikan dengan standar ANSI. Variasi kecepatan

dengan ketinggian h diberikan oleh

𝑣 = 𝑣0 (ℎ

ℎ𝑂)

𝑝…………..………….2.2

13

Dimana 𝑣ℎ= Kecepatan pada ketinggian h diatas tanah terdekat.

𝑣0= Rekomendasi kecepatan pada tinggi ℎ0 standar, 30ft/10 m.

p = Pangkat hukum daya.

B. Gaya angin pada Objek

Pengaruh angin yang ada pada sebuah benda memiliki banyak efek

yang harus dipecahkan terhadap benda itu sendiri. Bentuk, orientasi angin

dan menempatkan beberapa benda yang semuanya ikut dalam perhitungan.

Persamaan (2.1 a dan b) memberikan tekanan statis dasar yang disebabkan

oleh angin pada objek tanpa pertimbangan faktor - faktor ini. Jelas benda

bermata pisau akan menyebabkan sedikit gangguan atau perubahan aliran

tekanan angin sementara sedangkan pada permukaan datar besar akan

memiliki efek sebaliknya. Melalui penelitian dan tes, data yang telah

dikumpulkan berkaitan bentuk benda untuk tahanan induksinya. Tabel 2.2

memberikan nilai koefisien gaya untuk sejumlah bentuk umum dari desain

crane.

14

Tabel 2.1 Koefisien tekanan angin 𝐶𝑓

15

Tabel 2.2 Koefisien tekanan angin 𝐶𝑓 (lanjutan).

Ketika salah satu objek di depan objek identik lain seperti pada

boom atau menara berkisi, efek "bayangan" dapat dipertimbangkan. Bentuk

profil keduanya dan jarak antara objek yang memiliki bantalan. Gambar 2.5

memberikan nilai untuk η koefisien pelindung, yang menunjukkan bagian itu

dari angin pada mulanya dari dua rangka yang bekerja pada rangka kedua.

16

koefisien kemudian dapat diterapkan secara berturut-turut untuk tambahan

tubuh. Namun, pertimbangan ini efek pelindung hanya berlaku untuk

pencocokan objek atau latticeworks, tidak insidental pelindung seperti dari

bangunan di dekatnya.

Efek tekanan angin berkurang jika angin tidak terus menekan ke

permukaan dibawah pertimbangan. Tekanan efektif pada arah angin menjadi

nilai tekanan dikalikan dengan kuadrat dari sinus dari sudut antara angin dan

permukaan. Gaya yang diberikan angin pada objek sekarang dapat

dinyatakan sebagai

𝐹 = 𝑞ℎ𝐴𝐶………….……………………2.3

Dimana, F = Gaya di permukaan yang bergerak sesuai arah angin.

𝑞ℎ= Tekanan statis pada ketinggian h dari objek .

A = Area permukaan dari objek yang terkena angin.

C = Koefisien bentuk.

= 𝐶𝑓 Angin bergerak normal pada objek

= 𝐶𝑓 ηm untuk objek berjarak sama identik berturut-turut

= 𝐶𝑓 sin² θ untuk angin pada sudut ke objek

𝐶𝑓 = Koefisien gaya seperti yang diberikan pada Tabel 2.2

ηm = Efek kumulatif o pembatas pada m identik benda berjarak sama

= 1+ η + η2 + η3 + … + ηm-1 ≤ (1- η) -1

η = Koefisien pembatas seperti yang diberikan dalam Gambar 2.2

θ = Sudut lancip diantara permukaan dan angin.

Ketika sebuah permukaan berada pada sudut ke arah angin dan efek

normal permukaan diperlukan, gaya dapat diselesaikan dengan cara biasa.

Untuk angin bertiup pada sudut – sudut ke sebuah menara berbentuk

17

persegi, namun, nilai C dapat diambil sebesar 1.0 + 0.75φ kali nilai tekanan

untuk permukaan menara tunggal dengan penghalang dari permukaan

kedua diperhitungkan. φ adalah perbandingan daerah padat ke daerah kotor

dari permukaan. Gaya akan bergerak pada diagonal. Nilai yang bekerja

untuk qh dapat ditemukan dengan menggunakan persamaan. (2.1 a atau b)

dengan penyesuaian untuk tinggi menggunakan persamaan (2.2) atau

metode yang setara, tapi persamaan ini dapat dikombinasikan untuk

membentuk

𝑞ℎ =𝑣2

391(

ℎ

ℎ0)

2𝑝

Satuan Amerika serikat……….………………...2.4 a

𝑞ℎ = 0,613𝑣2 (ℎ

ℎ𝑜)

2𝑝

Satuan Standar internasional………...…….2.4 b

Seperti dijelaskan di bagian sebelumnya, referensi kecepatan v

adalah variabel yang harus dipastikan atas dasar iklim angin lokal.

(Sumber; Crane and derricks 4th edition, Chapter 3 Load and Forces)

2.2.3 Beban pada Saat Beroperasi

Beban pada saat beroperasi terdiri atas :

a. Beban mati, yaitu berat komponen tower crane,

b. Beban yang diberikan, yaitu beban yang diangkat, dan

c. Beban hidup, yaitu beban angin.

Pengaruh dinamika dapat menyebabkan beban tambahan yang disebabkan

oleh pergerakan seperti :

a. Hoisting (pengaitan),

18

b. Slewing (putaran),

c. Trolleying (katrol),

d. Luffing (perubahan lengan), dan

e. Travelling (perpindahan).

2.2.4 Beban pada Saat Tidak Beroperasi

Pembebanan ini terdiri dari :

a. Beban mati, yaitu berat komponen tower crane, dan

b. Beban hidup, yaitu beban angin.

2.3 Defleksi elastis dari crane menara

Defleksi elastis menara yang disebabkan oleh beban eksentris dan oleh angin

dan diperkuat dengan pengaruh kolom gelagar, juga disebut efek P-∆. Jika Mc

adalah momen pada garis tengah crane (Gambar 2.5) dalam ketiadaan angin,

perpindahan menara atas dari garis tengah δc diberikan oleh

δc = 𝑀𝑐

𝑄 1−cos 𝑘ℎ

cos 𝑘ℎ………………………………2.5

Dimana Q adalah berat dari slewing (diatas menara) pada crane ditambah

beban yang diangkat dan 1/3 dari berat menara.

k = (𝑄

𝐸𝐼)

1/2

………………………………….2.6

E adalah modulus elastisitas bahan dari menara dan I adalah momen inersia

dari penampang menara. Trigonometri diuraikan dalam radian, dan persamaan

pada dasarnya termasuk efek kolom gelagar.

19

Dengan adanya angin, di ambil 𝑤𝑤 sebagai gaya angin yang berpusat pada

area di atas lingkaran slewing dan w sebagai gaya angin pada setiap bagian dari

panjang menara, didapat

δw = 1

𝑄𝑘[𝑤𝑤(tan 𝑘ℎ − 𝑘ℎ) + 𝑤ℎ (tan 𝑘ℎ −

𝑘ℎ

2) −

𝑤

𝑘 1−cos 𝑘ℎ

cos 𝑘ℎ]

Mengambil momen dasar tentang crane diberikan

𝑀′𝐶 = 𝑀𝑐 + 𝑄𝛿𝑐 =

𝑀𝑐

cos 𝑘ℎ

Gambar 2.5 Pemodelan tower crane untuk menghitung defleksi elastis.

Dan untuk momen angin 𝑀𝑤 (𝑀𝑤 = 𝑊𝑤ℎ + 𝑤ℎ2/2)

𝑀′𝑤 = 𝑀𝑤 + 𝑄𝛿𝑤 = (𝑊𝑤 + 𝑤ℎ2)

tan 𝑘ℎ

𝑘−

𝑤

𝑘2

1 − cos 𝑘ℎ

cos 𝑘ℎ

Total defleksi, δc dan δw bisa ditambahkan sebagai vektor. Momen yang

sama dapat ditambahkan.