ANALISIS TEGANGAN STATIK DAN DINAMIK PAD

(1)

10 Apr il 2013

ANALISIS TEGANGAN STATIK DAN DINAMIK PADA PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN STRUKTUR BODI MONORAIL PRODUKSI PT. MBW MENGGUNAKAN

FINITE ELEMENT ANALYSIS (ANSYS)

Muhammad Awwaluddin1*, Jos Istiyanto2, Tresna Priyana Soemardi3.

E-mail : muhammad.awwaluddin@ui.ac.id1, josist@eng.ui.ac.id2, tsoemardi@eng.ui.ac.id3

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424 Sawangan Depok, No. Telpon (021) 7270032

ABSTRAK

Struktur bodi monorail merupakan bagian utama pada sistem transportasi yang disebut monorail. Struktur ini mempunyai fungsi utama sebagai penyangga seluruh beban yang berasal dari penumpang beserta peralatan lainnya. sehingga kekuataan rangka harus diperhatikan dalam proses pembuatan maupun pemilihan materialnya. Dalam analisis ini ditetapkan lima kondisi operasional yaitu saat struktur menerima beban penumpang dan interior, kemudian saat struktur menerima beban penumpang serta interior dan beban sentrifugal akibat kereta belok, kemudian saat struktur menerima beban penumpang serta interior dan beban sentrifugal akibat kereta belok dan beban akibat gaya angin, kemudian saat struktur menerima beban penumpang dan interior serta beban saat mau berjalan, serta saat struktur menerima beban penumpang dan interior serta beban saat mau berjalan dan melakukan pengereman. Proses analisis dilakukan pada kondisi tersebut dengan memberikan beban statik yang disimulasikan dalam software ANSYS. Tujuan analisis ini adalah untuk mengetahui deformasi atau vektor peralihan yang terjadi serta daerah kritis dari struktur yang sudah dibuat. Setelah proses analisis dilakukan maka didapatkan tegangan Von Misses maksimum yang masih dibawah yield strength, juga didapatkan vektor peralihan/ total deformasinya. Hasil analisis ini diharapkan dapat dijadikan masukkan yang baik terhadap struktur yang sudah dibuat maupun yang akan dikembangkan baik dalam proses keselamatan maupun pemilihan material.

Kat a kunci : Analisis st at ik, M onorail, Ansys, Tegangan Von misses, Deformasi.

ABSTRACT

The body structureis the main parton themonorailtransportsystemcalled themonorail. Thisstructure has aprimary functionas a bufferaround theburdenthat comesfrompassengers andotherequipment.

so that the strength of the frame must be considered in the manufacturing process and material selection. Inthis analysisdefined fiveoperational conditions, namely whenthe passengerloadreceiving structureandinterior, aswell asthe structurereceives interiorand passenger loadsdue tocentrifugal loadcarriageturn, thenwhenthe structureand theinteriorreceived aloadof passengersandtrainsdue tocentrifugalloadsandloadsdue toturnwind force, thenwhenthe structureand theinteriorreceived a load of passengers and load when going walking, as well as the structure and the interior receives passenger loadsandloadswhen goingrunningandbraking. The analisis processwas carried outon the sectionby giving astatic loadandsimulated inANSYSsoftware. The purposeof this analysiswasto determine thedeformationorvectortransitionthat occursas well as critical areasofthe structurethat has beencreated. Oncetheanalysisis donethen obtainedVonMissesstressisstillbelow themaximum yield strength, alsofoundthe transitionvector/totaldeformation. Analisis result is expected to be good suggestion to the structure that has been made or will be developed both in the safety and selection of thematerial

(2)

1. PENDAHULUAN

Dari data BPS, menunjukkan bahwa jumlah penduduk bekerja di DKI Jakarta mencapai 920.000 mobil. Sehingga kemacetan parah di Jakarta diperkirakan mulai tahun 2014 karena jumlah kendaraan melebihi kapasitas jalan yang ada di Jakarta. Sehingga jika tidak ada pembenahan sistem transportasi maka lalulintas di Jakarta akan stuck [1]. Berbagai solusi sudah ditawarkan baik monorail maupun mrt, namun dikarenakan biaya pembangunan monorail yang lebih murah yaitu Rp. 150 miliyar per kilometer[2] dibandingkan MRT sebesar Rp. 1 triliyun per kilometer[3], maka monorail layak diperhitungkan. Monorail sudah dikembangkan di Indonesia, salah satunya adalah di PT. Melu Bangun Wiwekal (PT. MBW). Namun untuk meningkatkan aspek keamanan saat operasionalnya serta efisiensi pemakaian material, perlu dilakukan analisis terhadap konstruksi rangka monorail tersebut. Dalam penelitian ini akan dianalisis bagian struktur bodi monorail karena berat maksimum saat operasional berada disitu. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui tegangan statik maksimal yang mampu diterima oleh struktur bodi monorail serta deformasi total/vektor peralihannya. Hasil analisis ini diharapkan dapat menjadi masukan terhadap desain yang sudah dibuat.

1.1. DASAR TEORI 1.1.1. Monorail

Monorail adalah transportasi yang berbasis sistem rel yang didasarkan pada rel tunggal sebagai penyangga dan penuntun jalannya monorail [4]. Lintasan rel yang tinggi serta ramping memungkinkan penempatannya diantara gedung yang ada di Jakarta [5]. Kapasitas penumpang monorail juga relative banyak, bisa mencapai 125 orang per gerbong dengan asumsi perorang 60 kg. Hal itulah yang menjadi daya tarik utama sebagai

angkutan massal di Jakarta. Di Indonesia

ada satu perusahaan yang

mengembangkan monorail yaitu PT. MBW. PT. MBW adalah perusahaan yang terletak di kalimalang dan bergerak dibidang pengembangan transportasi darat dalam hal ini monorail. Salah satu produk prototipnya bisa dilihat pada gambar dibawah ini:

Gambar 1. Monorail PT. MBW[6]

1.1.2. Teori Kekuatan Material

Dalam merancang suatu struktur perlu ditetapkan prosedur pemilihan material yang sesuai dengan kondisi aplikasinya. Kekuatan atau kekakuan material memang bukan kriteria satu– satunya yang harus dipertimbangkan dalam perancangan struktur. Namun kekuatan material sama pentingnya dengan sifat material lainnya seperti kekerasan, ketangguhan, yang merupakan kriteria penetapan pemilihan bahan [7]. Kekuatan material dapat dihitung dan disimulasikan dengan percobaan uji tarik pada spesimen tersebut dari tegangan akibat gaya tarik yang dikenakan menggunakan bantuan software analisys (ANSYS) menggunkan metode elemen hingga dengan pendekatan numerik. Hasilnya kemudian dibandingkan dengan

tensile yield strength material untuk

mendapatkan safety faktornya. 1.1.3. Properties SS400

SS400 adalah salah satu baja yang sering digunakan secara umum dalam dunia konstruksi karena harganya yang murah dan unggul dalam pengelasannya

serta kemudahan dalam proses

(3)

10 Apr il 2013

7860, Young’s Modulus (Gpa) adalah 190-210, Tensile Strength (MPa) adalah 400-510, Yeild Strength (MPa) 205-245 dan Poisson’s ratio 0.26. SS400 Hardness adalah Brinell Hardness (HB) 160. Material yang setara dengan SS400 adalah 17100 St 44-2 untuk standart DIN yang setara dengan JIS SS400, kemudian ASTM A36, ASTM A283 Grade D untuk standart ASTM yang setara dengan JIS SS400, serta EN S275/BS 43A untuk standart EN yang setara dengan JIS SS400. Komposisi kimanya adalah carbon (C), Silcon (Si) serta manganese (Mn), kandungan kompisisi tersebut tidak di control. Tetapi untuk Phosphorus (P) maksimum adalah 0.05% dan Sulphur (S) maksimum adalah 0.05%. titik didih material SS400 adalah 1430 derajat celcius [8].

1.1.4. Finite Element Analisis Menggunakan ANSYS

Konsep dasar finite element analisis adalah mendiskretisasi atau membagi suatu struktur menjadi bagian-bagian yang lebih kecil yang jumlahnya berhingga, kemudian melakukan analisis gabungan terhadap elemen – elemen kecil tersebut. Tujuan dari finite element analisis adalah untuk memperoleh nilai pendekatan numerik sehingga dapat diselesaikan dengan bantuan komputer, maka Finite Element Analisis (FEA) dikatakan bersifat computer oriented [9].

Saat ini pengunaan Finite Element

Analisis untuk menghitung dan

mensimulasikan model dengan bantuan komputer mengalami perkembangan yang sangat pesat. Hal ini dikarenakan perkembangan hardware komputer yang sangat pesat pula sehingga mendukung proses perhitungan dengan metode numerik. Program FEA yang berkembang pesat serta banyak digunakan untuk melakukan analisis struktur adalah software ANSYS. ANSYS WORKBENCH dapat melakukan beberapa macam tipe simulasi yang berbeda seperti: struktural, thermal, mekanika fluida, analisa elektromagnetik, dll atau bahkan gabungan analisis seperti thermal dengan struktur atau lainnya sehingga lebih sering dikenal dengan Finite Element Multyphisic [10]. Program ANSYS memiliki dua tingkatan dasar yang ditunjukkan saat awal memulai ansys: tingkat awal dan tingkat prosesor. Dari tingkatan ini, kita dapat memasukkan

salah satu prosesor ANSYS, seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah. Prosesor merupakan kumpulan dari fungsi dan rutin untuk melayani tujuan-tujuan tertentu. Tugas file dapat dihapus dari database atau diubah dari tingkat awal.[9]. Terdapat tiga prosesor yang paling sering digunakan:

Preprocessor, yang berisi perintah – perintah yang di butuhkan untuk membangun model yakni :Mendefinisikan tipe dan pilihan elemen, Mendefinisikan konstanta real elemen, Mendefinisikan sifat material, Membuat model geometri, Mendefinisikan meshing kontrol, Mesh Model yang dibuat

Prosesor (SOLUSI), memiliki perintah yang memungkinkan untuk menerapkan kondisi batas dan pembebanan. Misalnya pada masalah struktural, dapat ditentukan kondisi batas perpindahan dan kekuatan, atau untuk masalah perpindahan panas, dapat ditentukan batas suhu permukaan atau konvektif. Setelah semua informasi yang dibuat tersedia untuk prosesor solusi , pemecahan solusi dapat di lakukan. Dalam solusi terkait dengan analisis yang dilakukan sekarang, maka yang ditampilkan adalah solusi untuk deformasi, Equivalent von-misses stress, dan safety faktor.

Postprocessor, berisi perintah-perintah yang memungkinkan untuk mengurut dan menampilkan hasil analisis yaitu: membaca data hasil dari prosesor, membaca hasil elemen data, plot hasil, menampilkan daftar hasil

2. METODOLOGI PENELITIAN

(4)

DATA HASIL FEA Ident if ikasi / Pengukur an rangka

PERSIAPAN / STUDI

Analisis dengan FEA

EVALUASI & VALIDASI

HASIL

analisa hasil dan pem bahasan

SELESAI

analisa st at is st rukt ur Pemodelan Struktur rangka

Input dat a mat erial dan dist ribusi beban

VALID

INVALID

Gambar 2. Flow Chart metodologi penelitian

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Kondisi pertama saat struktur menerima beban penumpang dan interior.

Total Load 24000 kg / 240000 N ( Live Load + Interior Load)

Gambar 3. Support dan Pembebanan dengan live Load dan Interior load

Dari pembebanan diatas didapatkan hasil Equivalent von-misses stress sebesar 2,3331e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:

Aman dikarenakan masih di bawah Yeild Strength

material 2,45 e8 M Pa

Gambar 4 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses Stress untuk pembebanan live load dan interior load.

dan diperoleh deformasi sebesar 7,0929 mm, yang dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 5 . Hasil Solusi Total Deformation untuk pembebanan live load dan interior load.

Kondisi kedua saat struktur menerima beban penumpang, interior dan beban sentrifugal akibat kereta belok. Pembebanan dapat dilihat dibawah ini:

Total Live Load + Interior Load (24000 kg / 240000 N ) + (Centrifugal Load 20000 N)

2

(5)

10 Apr il 2013

Aman dikarenakan masih di bawah Yeild

Strength material 2,45 e8 MPa

Gambar 7 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses Stress untuk pembebanan live load dan interior load dan centrifugal load.

Gambar 8 . Hasil Solusi Total Deformation untuk pembebanan live load dan interior load dan centrifugal load.

Kondisi ketiga saat struktur menerima beban penumpang, beban interior, beban sentrifugal dan beban angin. Pembebanan dapat dilihat dibawah ini:

Total Live Load + Interior Load (24000 kg / 240000 N ) + (Centrifugal Load 20000 N) +

Wind Load ( 16000 N)

3

Gambar 9. Support dan Pembebanan dengan live Load dan Interior load, centrifugal load, serta wind load.

Aman dikarenakan masih di bawah Yeild Strength material 2,45 e8 M Pa

Gambar 10 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses Stress untuk pembebanan live load dan interior load centrifugal load, serta wind load.

Gambar 11 . Hasil Solusi Total Deformation untuk pembebanan live load dan interior load, centrifugal load, dan wind load.

Kondisi keempat saat struktur menerima beban penumpang, beban interior, dan beban start awal.

Total Live Load + Interior Load (24000 kg / 240000 N ) + (Starting Load 60000 N)

4

@ Dudukan Bogie menerima 30000 N

(6)

Gambar 13 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses Stress untuk pembebanan live load, interior load, serta starting load.

Gambar 14 . Hasil Solusi Total Deformation untuk pembebanan live load, interior load, serta starting load.

Kondisi kelima saat struktur menerima beban penumpang, beban interior, beban start awal serta beban saat pengereman. Pembebanan dapat dilihat dibawah ini:

Total Live Load + Interior Load (24000 kg / 240000 N ) + ( Load Saat Jalan 60000 N)

+ Breaking Load -30000 N

5

@ Dudukan Bogie menerima Starting load 30000 N dan

Breaking Load -15000 N

Gambar 15. Support dan Pembebanan dengan live Load, Interior load, starting load, serta breaking load.

Gambar 16 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses Stress untuk pembebanan live load, interior load, starting load, serta breaking load.

Gambar 17 . Hasil Solusi Total Deformation untuk pembebanan live load, interior load, starting load, serta breaking load.

3.1. Rangkuman hasil simulasi. Hasil simulasi pada software ansys dapat dilihat pada tabel 1. Dibawah ini:

Tabel 1. Rangkuman hasil simulasi

No Kondisi

pembebanan

Deformasi Equivalent von-misses stress

1 saat struktur menerima beban penumpang dan interior

7,0929 mm 2,3331 e8 N/m2

2 saat struktur menerima beban penumpang, interior dan beban sentrifuga

7,093 mm 2,3322 e8 N/m2

3 saat struktur menerima beban penumpang, beban interior, beban sentrifugal dan beban angin

(7)

10 Apr il 2013

4. KESIMPULAN

Dari hasil analisis yang telah dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Desain struktur bodi monorail yang dikembangkan memenuhi kriteria aman pada berbagai simulasi pembebanan statis yang diberikan. Hal ini dapat ditunjukan dengan hasil Equivalent von-misses stress yang dihasilkan masih dibawah tensile yield strength materialnya.

2. Desain struktur rangka bodi monorail yang dikembangkan mampu menahan beban sebesar 24 ton.

3. Untuk meningkatkan keamanan dapat dilakukan dengan penggantian material yang mempunyai tensile yield strength yang lebih tinggi dari ss400..

5. PUSTAKA

[1] http://jakarta.kompasiana.com/transportasi/2013/01/15/jokowi-dan-benang-kusu transportasi-massal-di-jakarta-524614. html.

[2] http://www.bisnis.com/m/proyek- monorel-wiweka-berani-pasang-tarif-rp7000-rp12000

[3] http://www.beritasatu.com/megapolitan

/80433-pt-mrt-tekan-biaya-pembangunan-lebih-murah.html

[4] “Etymology Online entry for monorail". Etymonline.com. Retrieved 2010-09-11.

[5] “Monorail Society, What is a monorail?". Monorails.org. Retrieved 2010-09-11.

[6] Desain Monorail PT. MBW, 2012.

[7] Popov, E.P., Mechanics of Materials, Berkeley, California, 1984.

[8] Oberg, Erik., Jones, Franklin., Horton, Holbrook., Ryffel, Henry., McCauley,

Christopher., Machinery's Handbook 29th Edition, 2012

[9] Moaveni, Saeed.(2008) Finite Element

Analisis: Theory And Application With

ANSYS. Pearson Prentice Hall : United

States of America

[10] Istianto, Jos. Dr. “ Modul Perkuliahan Finite Element Multiphysic”, 2012. 4 saat struktur

menerima beban penumpang, beban interior, dan beban start awal.

7,0937 mm 2,3363e8N/m2

5 saat struktur menerima beban penumpang, beban interior, beban start awal serta beban saat pengereman