perancangan teknis baut batuan...

LOGO

PERANCANGAN TEKNIS

BAUT BATUAN BERDIAMETER 39 mm

DENGAN KEKUATAN PENOPANGAN 130-150 kN

www.designfreebies.org

LOGOLatar Belakang

Kestabilanbatuan

• Tolok ukur keselamatan kerja dipertambangan bawah tanah

PerencanaanBaut Batuan

• Mampu menopang batuan sehinggalongsor bisa dihindari

Baut batuanyang ada sangat

mahal

• Menggunakan material standard pasarlokal dengan kekuatan bersaing secarainternasional

LOGOPenelitian TerdahuluScott (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 gunamendapatkan 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.

LOGOPerumusan Masalah

Permasalahan yang diangkat dalamperencanaan baut batuan berdiameter 39 mm dengan kekuatan penopangan 130-150 kN ini

adalah bagaimana merancang baut batuanyang akan digunakan pada pertambanganbawah tanah, meliputi dimensi baut batuan

dan pemilihan material yang tepat

LOGOBatasan Masalah

• Material baut batuan disumsikanhomogen1

• Penelitian difokuskan pada baut batuan, tanpa melibatkan bearing plate2

• Baut batuan dirancang untuk skalapertambangan3

456

• Model baut batuan disesuaikan dengankebutuhan

• Perencanaan mesin bending roll dilakukanhanya pada perhitungan daya motor listrik.

• Mekanisme pelubangan batuan sebagaitempat masuknya baut batuan tidak dijelaskansecara rinci pada penelitian ini.

LOGOManfaat Penelitian

Mengetahui dan memahamiproses pembuatan baut batuan

Baut batuan yang telah dibuatdengan menggunakan material standard yang ada di pasardapat memenuhi kebutuhanpertambangan dan mampubersaing dengan produksejenis yang sudah ada.

LOGOTujuan Perancangan

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.

LOGOGambar Produk

Keterangan untuk dimensibearing plate adalahsebagai berikut :A = 15 mmB = 4,5 mmC = 40 mm

Keterangan untuk dimensibaut batuan adalah sebagaiberikut :panjang = 1067 mmDiameter luar = 39 mmTebal = 2,5 mmPanjang Gap = 2,5 mm

LOGOAplikasi Baut Batuan

Pertambangan bawah tanah

Dinding area pertambangan

terowongan

LOGOFungsi Baut BatuanFungsi penahan

Baut batuan harus mampu menahanmassa batuan dengan mengandalkan

tegangan geser material terhadap batuan

Fungsi penekan

Baut batuan memberikan tekanan kedinding lubang bor berupa gaya spring

back material.

Fungsi penguat

Baut batuan menguatkan lapisan batuandengan mencegah terjadinya pergeseran

antar lapisan batuan

LOGOSpesifikasi Mesin Bending Roll

Mesin bending roll menggunakan 2 hidrolik, masing-masing 2 ton denganmenggunakan 3 roller.

Daya (hp) = 9 hp

Putaran (n) = 1425 rpm

LOGOFlowchart Perancangan

START

Perumusan Masalah

Studi Literatur

Pengumpulan data

A

LOGO

Perhitungan kekuatanbaut batuan

Simulasi pemodelan bautbatuan dengan ANSYS 11

Apakah tegangankritis yang dialami

baut batuan < tegangan yield

material?

Ya

Tidak

Model baut batuan sesuai dengan

desain dan siap untuk difabrikasi

END

A

LOGOSpesifikasi Baut Batuan

LOGODimensi baut batuan

LOGOPerencanaan Baut Batuan

Perencanaan

Mesin Bending Roll

Perencanaan Material Baut Batuan

IdentifikasiPembebanan Pada

Baut Batuan

Pemodelan

Baut BatuanMenggunakan

Software ANSYS 11

LOGOPerencanaan Mesin Bending Roll

Pertama kali,Menentukan

kekuatan hidrolik, putaran motor, rasio

gear box

Mencari gaya tangensial

untuk menghitung

Torsi

Setelah Torsi

diketahui, daya motor

dapat dihitung

LOGOPerencanaan Material Baut Batuan

• Memiliki tensile strength tinggi• Memiliki modulus elastisitas rendah• Memiliki harga kekerasan tinggi• Material tahan korosi• Material mudah didapatkan serta

harganya terjangkau

Menentukan kebutuhan

material

• SS-304

• Tensile Strength = 520 MPa• Yield strength = 205 Mpa• Compression strength= 210 Mpa

Memilih material

sesuai dengan kebutuhan

LOGOPerencanaan Material Baut Batuan (continued)

• Diameter luar (Do) = 39 mm• Diameter dalam = 34 mm• Tebal = 2,5 mm

Menentukan dimensi baut batuan dengan

mengacu pada standard Internasional

• Non rotating cylinder,

• External pressure only

• Tegangan ke arah tangensial• Tegangan ke arah radial

Mengidentifikasi kasus pembebanan yang

terjadi

• Maximum Normal Stress Theory (MNST)

• Maximum Shear Stress Theory (MSST)

• Distortion Energy Theory (DET)

Menghitung keamanan baut

batuan

LOGOIdentifikasi Pembebanan Pada Baut Batuan (continued)

Tegangan yang diberikan

batuanterhadap

baut batuanberupa tekananrata-rata (Po).

Teganganspring back dari material

TeganganNormal Akibat

Pull Claw

LOGOHasil Pemodelan Baut Batuan Menggunakan

Software ANSYS 11

model baut batuan


Software ANSYS 11(continued)

meshing baut batuan menggunakan software ANSYS 11



Baut Batuan Dikenai Tekanan Rata-rata dan Tegangan Spring Back

nilai tegangan kritis sebesar 4,037 N/mm2 dan berada di daerah kepalabaut batuan, di bagian sambungan ring. Tegangan kritis masih dalam batas aman mengingat yield strength darimaterial adalah sebesar 205 N/mm2. Tegangan kritis terjadi di sekitar gap/celah baut batuan. Hal inidisebabkan karena deformasi terjadi pada celah tersebut.



Baut Batuan Dikenai Pull Claw 130 kN

Tegangan kritis yang terjadi bernilai 131,775 N/mm2 dan masihberada di bawah yield strength material SS304 yaitu 205 N/mm2. Tegangan kritis ini terjadi di bagian ring yang dikenai pull claw.



Baut Batuan Dikenai Pull Claw 150 kN

Tegangan kritis yang terjadi bernilai 152,07 N/mm2 dan masihberada di bawah yield strength material SS304 yaitu 205 N/mm2.

LOGOMekanisme Pembebanan Akibat Tekanan Rata-rata dan Tegangan Spring Back

LOGOMekanisme Pembebanan Akibat Pull Claw Minimum

LOGOMekanisme Pembebanan Akibat Pull Claw Maksimum

LOGOKesimpulan

Baut batuan berdiameter 39 mm dengan kekuatan penopangan130-150 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 didaerah sekitar ring baut batuan

Tegangan spring back merupakan perilaku alami dari baut batuankarena adanya tekanan rata-rata yang mengenai permukaan luarbaut batuan dan berhubungan erat dengan sifat elastisitas logam.

LOGOSaran

Perlu adanya kajian eksperimental untuk memvalidasi hasil Tugas Akhir ini.

Perlu dikaji lebih lanjut tegangan yang mempengaruhi baut batuan pada saatproses memasukkannya ke dalam batuan.

LOGO

Mohon Kritik dan Sarandemi Kesempurnaan Penelitian

LOGOSpesifikasi Baut Batuan

LOGOProses Bending Roll

LOGOIdentifikasi Pembebanan Pada Baut Batuan

F shear

LOGOPerencanaan Mesin Bending Roll 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 = 4000 kg x 9,8 m/s2 = 39200 Newton Ft = μ x Fnormal roller = 0,42 x 39200 N = 16464 N = fs 16464N = =

642,096 = 2T Torsi = 321,048 Nm

d

T.2m

T

039.0

.2

LOGOPerencanaan Mesin Bending Roll 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 x = 5687,858 lb.in

T1= ? T2= 5687,858 lb.in n1= 1425 rpm rasio transmisi 1:15

T1 = 379,19 lb.in T(lb.in) =

hp = = 8,577 hp ≈9 hp

N

lb

1

225.0

m

in

0254.0

1

1

2

2

1

n

n

T

T

15

1

858.5687

1

T

n

hp,63000

63000

1425.19.379 rpmlbin

LOGOSpesifikasi Material SS-304 Tensile Strength = 520 Mpa

= 520000000 N/m2 x x = 75483,72 psi = 75,4837 ksi

Yield strength (Sy) = 205 Mpa= x x = 29758,005 psi = 29,7580 ksi

Compression strength = 210 Mpa= x x = 30483,81 psi = 30,4838 ksi

Dimensi baut batuan : Diameter luar (Do) = 39 mm Diameter dalam = 34 mm Tebal = 2,5 mm

N

lb

1

225.0

2

2

1

)0254.0(

in

m

2/205000000 mNN

lb

1

225.0

2

2

1

)0254.0(

in

m

2/210000000 mNN

lb

1

225.0

2

2

1

)0254.0(

in

m

LOGOIdentifikasi Jenis Pembebanan

Non rotating cylinder, External pressure only

Tegangan ke arah tangensial σt = = Ketika r=ro σt (r=ro) = =

σt (r=ro) = = Ketika r=ri σt (r=ri) = =

σt (r=ri) = = Tegangan ke arah radial σr (r=ro) = Nilai σt maksimum didapatkan ketika r=ri sedangkan nilai σr maksimum ketika r=ro : σ1 = σt (r=ri) = σ2 = σr (r=ro) =

).

1(.

2

2

22

2

r

ri

riro

roPo

)

..

.(

.2

2

22

2

22

2

r

ri

riro

roPo

riro

roPo

)(22

22

riro

riroPo

)

017.00195.0

017.00195.0(

22

22

Po

)10.9125.0

10.89.210.8025.3(

4

44

Po

)3342.7(Po

).

..

(.

2

2

22

2

22

2

ri

ri

riro

roPo

riro

roPo

)

..(2

22

2

riro

roPo

)017.00195.0

)0195.0.(.(2

22

2

PoPo.3361.8

Po

Po.3361.8

Po

LOGOTeori Kegagalan Maximum Shear Stress Theory (MSST)

Yielding akan terjadi ketika tegangan geser terbesar pada silinder mencapaiharga tegangan tarik standar di awal yielding, yaitu , sehingga :

max2

N

Sy

N

Sy

22

21max

2

)(.3361.8

3.2

76.29 PoPo

Po.6670.396.4

ksiPo 170.2

LOGOTegangan yang diberikan batuan terhadap

baut batuan berupa tekanan rata-rata (Po).

Dari perhitungan Teori kegagalan MSST, ddapatkan nilai Tekanan Rata-rata

Selanjutnya dihitung besarnya gaya normal . Sebelum menghitung gaya normal,

perlu dihitung luas permukaan baut batuan(kulit) yang kontak dengan batuan (A).

Keliling lingkaran = π x Diameter lingkaran= π x 0,039 m = 0,1225 m

Keliling baut batuan = keliling lingkaran – 2,5 mm= 120,022 mm ≈ 120 mm

ksiPo 170.2

2

2

2 )0254.0(

1.

225.0

1..2170

m

in

lb

N

in

lbPo

2.79,14948918m

NPo

LOGOTekanan Rata-rata Luas kulit baut batuan = panjang x lebar

= 1067 mm x 120 mm = 0.12804 m2

Jadi besarnya gaya normal adalah :

Gaya gesek yang terjadi antara batuan dengan luasan kulit baut batuan adalahsesuai dengan persamaan :

=

Selanjutnya ini dikonversikan ke dalam bentuk tekanan rata-rata, sebabtegangan ini mengenai seluruh permukaan dinding baut batuan, jadi :

APoFN .2

212804.0..79,14948918 m

m

NFN NFN 562,1914059

shearF 0,14.562,1914059 N N 267968,338 shearF kNFshear 97,267

shearF

bautbatuan

shear

batuanA

FP 212804,0

338,267968

m

NPbatuan PaPbatuan 61,209296

MPaPbatuan 209,0 20928,2

mm

NPbatuan

LOGOTegangan Spring Back Dari Material

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 :

Dari paper Cunat, didapatkan harga koefisien kekakuan austenitic stainless

steel (300 series) adalaha 200 kN. Selanjutnya ini dikonversikan ke dalambentuk tekanan spring back.

xkFspringback .

angbatuan

springback

springbackA

FP

lub

batuanmenyentuhyangbatuanbautpanjangkeliling

FP

springback

springback_____.

mm

NPspringback 310).501067.()038.0.(

200000

PaPspringback 905,1647310

LOGOTegangan Normal Akibat Pull Claw

Kriteria tegangan normal minimum

A = Luas lingkaran besar – luas lingkaran kecil= (π x r2

2) – (π x r12) = [π x (0,044) 2] - [π x (0,039) 2 ] m2

= 1,3037 . 10-3 m2 = 1303,7 mm2

Kriteria tegangan normal maksimum

A

Fpullclaw

normal

min_

min_

2min_7,1303

300001

mm

Nnormal 2min_ 7162,99

mm

Nnormal

A

Fpullclaw

normal

max_

max_

2max_7,1303

150000

mm

Nnormal

2max_ 0571,115mm

Nnormal

perancangan teknis baut batuan...

Documents