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

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)

TOWER CRANE

BAGIAN – BAGIAN TOWER CRANE

Jib atau Boom, merupakan lengan tower crane yang terdiri dari

elemen-elemen besi yang tersusun menjadi satu bagian rangka

batang. Pemasangan jib harus sesuai dengan keperluan dan

persyaratannya, baik dengan panjang yang standard maupun

yang mencapai maksimum

counter jib yang berfungsi sebagai jib penyeimbang terhadap

boom yang terpasang. Counter jib dilengkapi counter weight,

yang berfungsi sebagai bebannya

hoist adalah bagian tower crane yang berfungsi sebagai alat

angkut arah vertikal. Sedangkan trolley, adalah bagian tower

crane yang berfungsi sebagai alat angkut tower crane arah

horisontal

Pondasi digunakan untuk menopang Tower crane agar

dapat berdiri tegak di atas tanah

Mast Section (rangka / tower) merupakan tiang vertikal

atau rangka yang berdiri di atas base atau dasar. Rangka

ini berfungsi sebagai penyangga agar jib dapat berdiri

tegak sehingga dapat memindahkan dan mengangkat

barang dengan baik

Slewing mechanism adalah suatu alat penghubung antara

rangka dan jib agar dapat berputar sesuai dengan arah

yang dinginkan. Mekanisme slewing ini dapat berputar

360o sehingga dapat menjangkau seluruh area gedung

ataupun bangunan lainnya

Bagian paling atas dari tower crane ini berfungsi untuk

penyangga dan penyeimbang antara jib dan counter jib

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

Observasi ke lapangan

Mencari informasi lebih detail

tentang Tower crane

METODOLOGI

Bagaimana mengetahui tegangan

maksimal dan 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

Dalam konstruksi fourangle tower crane

konstruksi yang dibentuk penampang kaki

empat berbentuk segiempat sama sisi

dengan jarak 0,8 meter. Untuk itu akan

diubah menjadi segitiga sama sisi. Dengan

analisa menggunakan program bantu

didapatkan jarak antar batang penampang

tower mendekati 1 m

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

Berat Jib : 3865 kg

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

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

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 0,86m )

= 3,73 m2

Jadi, total luasannya adalah :

Atot = 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

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 :

Atot = 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 •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 12 batang diagonal depan A = 2 x 12 ( 38mm x 8,6m) = 2 x 12 ( 0,038 m x 8,6m ) = 0,915 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

luasan batang – batang yang mendapat gaya angin pada jarak 30 - 40 meter arah samping adalah 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 Counter weight A = 3m x 1,5 m = 4,5 m2 Jadi, total luasannya adalah : Atot = 1,1 m2 + 4,5 m2 =5,6 m2

Jarak Luas batang

(arah samping)

Luas batang

(arah depan)

Gaya Angin

(arah samping)

Gaya Angin

(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

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

Set Preference

Main menu > Preference

Pilih analisa structural dan h-method pada

kotak dialog Preference for GUI Filtering

Mendefinisikan Tipe Elemen

Main Menu > Preprocessor > Element Type > Edit > Add

Pilih structure / tipe element yang digunakan dalam analisa tersebut. Dalam

program ini dipakai tipe element Beam 189

Spesifikasi Material Properties

Main Menu > Preprocessor > Material Properties > Material Properties

Double klik Structural > Linear > Elastic >isotropic

Masukkan nilai Poisson Ratio dan Modulus Young, serta nilai Density

Dari matweb.com diketahui:

Meshing Geometry

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool

Apply Load

Main Menu > Preprocessor > Loads > Define loads > Apply > Structural >

Force/Moment > On Keypoint

Masukkan nilai pembebanan pada kolom VALUE

Solve

Main Menu > Solution > Solve > Current LS

Perintah ini digunakan untuk running program. Hasil dari running

program ini akan digunakan untuk menganalisa pemodelan ini

selanjutnya.

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

MN

MX

X

Y

Z

0

.004166.008332

.012498.016665

.020831.024997

.029163.033329

.037495

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

USUM (AVG)

RSYS=0

DMX =.037495

SMX =.037495

1

MN

MX

X

Y

Z

0

.003787.007575

.011362.01515

.018937.022725

.026512.030299

.034087

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

USUM (AVG)

RSYS=0

DMX =.034087

SMX =.034087

1

MN

MX

X

Y

Z

0

.003409.006817

.010226.013635

.017043.020452

.023861.027269

.030678

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

USUM (AVG)

RSYS=0

DMX =.030678

SMX =.030678

1

MN

MX

X

Y

Z

0

.00303.00606

.00909.01212

.01515.01818

.02121.024239

.027269

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

USUM (AVG)

RSYS=0

DMX =.027269

SMX =.027269

Contoh hasil: beban variasi

Dalam perhitungan tegangan dengan menggunakan ANSYS 11.0 ini,

digunakan variasi panjang jib dan besar pembebanan untuk mencari

Tegangan Kritis dan Defleksi Maksimum

Panjang Jib (m) Massa (kg)

30 1000

24,7 1250

20,4 1570

14 2420

Tegangan Von Mises

Dengan gaya angin

Arah Depan (Mpa)

Tegangan Von Mises

Dengan gaya angin

Arah Samping (Mpa)

172 105

172 105

172 105

174 114

Defleksi maximum

Dengan gaya angin

arah depan (mm)

Defleksi maximum Dengan gaya angin arah

Samping (mm)

23,861 3,049

30,678 10,226

34,087 17,043

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

• BIRU : GAYA ANGIN ARAH DEPAN

• MERAH : GAYA ANGIN ARAH SAMPING

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.

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