7 2.1 Metode Perancangan Sistematis
Metode perancangan sistematis adalah metode pemecahan masalah teknik yang menggunakan analisis dan sintesis. Analisis adalah penguraian sistem yang kompleks menjadi elemen-elemen serta mempelajari karakteristik masing-masing elemen tersebut beserta korelasinya. Sintesis adalah penggabungan elemen yang telah diketahui karakteristiknya untuk menciptakan suatu sistem baru.
Pada perancangan sistematis, suatu tahap merupakan kelanjutan dari tahap sebelumnya dan menjadi acuan untuk tahap selanjutnya. Dengan tahapan-tahapan tersebut informasi yang bersifat kuantitatif diproses menjadi data yang bersifat kualitatif dimana hasil dari tahapan yang baru akan selalu lebih nyata dari tahapan sebelumnya.
Tetapi dalam kenyataannya kondisi seperti ini tidak selalu dapat dicapai dan membutuhkan pengulangan kerja dimana prosedur pemecahan masalah secara umum dapat dilihat pada gambar 2.1 berikut :
Gambar 2.1 Prosedur pemecahan masalah secara umum
Perancangan dalam bidang teknik merupakan suatu usaha yang ditempuh untuk mendapatkan penyelesaian masalah keteknikan dengan menggunakan metode dan analisa teknik, sehingga hasil rancangan mempunyai daya guna dari segi fungsi, penampilan, keamanan, kehandalan, ekonomis, maupun dari segi lainnya sesuai dengan tuntutan perancangan.
Dalam proses perancangan banyak sekali disiplin ilmu yang terlibat didalamnya seperti matematika, mekanika, termodinamika, teknik produksi, material,
ekonomi dan ilmu-ilmu lain yang sesuai dengan permasalahan yang dihadapi dalam perancangan tersebut.
Dalam perancangan juga dipelajari adanya keterkaitan antara aspek-aspek yang ada pada sistem rancangan yang berupa :
a. Kaitan fungsi, merupakan suatu keterkaitan antara masukan dan keluaran dari suatu sistem untuk melakukan kerja tertentu yang berhubungan dengan lingkungan sekitarnya.
b. Kaitan fisik, yaitu hubungan dimana kerja yang dilakukan merupakan bagian dari proses fisika yang menimbulkan efek fisik. Efek ini dapat digambarkan secara kuantitatif yang artinya hukum fisika menentukan banyaknya efek fisik yang terlibat. Fenomena kimia dan biologi juga termasuk didalamnya.
c. Kaitan bentuk, yaitu suatu perwujudan nyata dari bentuk dasar dan bahan menjadi suatu struktur yang lengkap dengan susunan dan pemilihan gerak kinematikanya.
d. Kaitan sistem, merupakan bentuk teknik hasil rancangan yang berinteraksi dengan sistem secara menyeluruh, yaitu dengan lingkungan dimana sistem itu berada.
Langkah-langkah dalam metode perancangan sistematis dapat dikelompokkan menjadi empat tahapan utama yaitu: penjabaran tugas, perancangan konsep, perancangan wujud dan perancangan terperinci.
Tahap tahap utama di atas dapat digambarkan dalam bentuk diagram sebagai berikut :
2.1.1 Penjabaran Tugas (Clarification of task)
Tahap ini meliputi pengumpulan informasi tentang syarat-syarat yang diharapkan dapat dipenuhi oleh solusi akhir. Informasi ini akan menjadi acuan dalam penyusunan spesifikasi rancangan.
Spesifikasi adalah daftar yang berisi persyaratan yang diharapkan dapat dipenuhi oleh konsep yang dibuat. Pada saat membuat daftar persyaratan yang penting adalah membedakan sebuah persyaratan apakah merupakan suatu tuntutan (demand) atau suatu keinginan (wishes).
Demand adalah persyaratan yang harus dipenuhi pada setiap kondisi dengan kata lain apabila syarat ini tidak terpenuhi maka rancangan dapat dianggap tidak benar.
Wishes adalah persyaratan yang diinginkan apabila kondisinya memungkinkan. Misalnya suatu persyaratan yang membutuhkan biaya besar tanpa memberi pengaruh teknik yang signifikan, maka persyaratan ini dapat diabaikan.
Untuk mempermudah penyusunan spesifikasi dapat dilakukan dengan meninjau aspek-aspek tertentu seperti aspek geometris, kinematika, gaya, energi, dan sebagainya. Selanjutnya dari aspek-aspek tersebut dapat diuraikan syarat-syarat yang bersangkutan. Daftar aspek-aspek tersebut beserta penguraiannya dapat dilihat pada tabel 2.1.
Apabila memungkinkan, sebaiknya daftar spesifikasi ditulis dalam bentuk kuantitatif. Untuk produk yang membutuhkan perawatan maka daftar spesifikasi ini perlu didokumentasikan karena hal ini sangat berguna dalam melakukan perbaikan apabila ditemukan atau terjadi kerusakan di kemudian hari. Format dan daftar spesifikasi ditunjukkan dalam tabel 2.1 dibawah ini.
Tabel 2.1 Daftar pengecekan untuk pedoman spesifikasi
Judul Utama Contoh – contoh
Geometri Lebar, tinggi, panjang, diameter, jarak.
Kinematik Tipe gerakan, arah gerakan, kecepatan, percepatan.
Gaya Arah gaya, besar gaya, frekuensi, berat, deformasi, kekuatan, elastisitas, gaya inersia.
Energi Output, efisiensi, kerugian energi, gesekan, tekanan, temperatur, pemanasan, pendinginan, kapasitas.
Material
Aliran dan transportasi material, pengaruh fisika dan kimia dari material pada awal dan akhir produk, material
tambahan.
Sinyal Input, output, bentuk, display, peralatan kontrol.
Keselamatan Sistem proteksi langsung, keselamatan operasional dan lingkungan.
Ergonomi Hubungan operator mesin, tipe pengoperasian, penerangan dan keserasian bentuk.
Produksi Batasan pabrik, kemungkinan dimensi maksimum, produksi yang dipilih.
Kontrol
kualitas Kemungkinan dilakukan kalibrasi dan standarisasi. Perakitan Aturan khusus, instalansi, fondasi.
Perawatan Jangka waktu servis, penggantian dan reparasi, pengecatan dan pembersihan.
Biaya Biaya maksimum produksi. Jadwal Tanggal penyerahan.
2.1.2 Perancangan Konsep
Perancangan konsep mencakup tahap-tahap yang ditunjukkan pada gambar 2.3 dan akan dibahas pada sub bab berikut ini.
Gambar 2.3 Tahap-tahap perancangan dengan konsep
2.1.2.1 Abstraksi
Tujuan abstraksi adalah untuk megetahui masalah utama yang dihadapi dalam perancangan. Prinsipnya adalah mengabaikan hal-hal yang bersifat umum dan memberikan penekanan pada hal-hal yang bersifat khusus dan perlu. Dengan demikian daftar spesifikasi yang
sudah dibuat, dianalisa dan dihubungkan dengan fungsi yang diinginkan serta kendala-kendala yang ada.
Abstraksi dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut :
1. Mengesampingkan persyaratan- persyaratan yang tidak mempunyai pengaruh besar terhadap produk.
2. Mengubah data kuantitatif menjadi data kualitatif.
3. Generalisasi (pengambilan keputusan umum) atas langkah sebelumnya.
4. Merumuskan masalah utama.
2.1.2.2 Pembuatan Strukur Fungsi
A. Struktur Fungsi Keseluruhan (overall function)
Apabila masalah utama sudah diketahui, kemudian dibuat struktur fungsi secara keseluruhan. Struktur fungsi ini digambarkan dengan blok diagram yang menunjukkan hubungan antara input dan output, dimana input dan output tersebut berupa aliran energi, material ataupun sinyal.
Apabila fungsi keseluruhan cukup rumit, maka cara mengatasinya adalah dengan membagi menjadi beberapa sub fungsi seperti gambar 2.4 di bawah ini.
Gambar 2.4 Pembuatan Sub Fungsi
Pembagian ini akan memberikan keuntungan, yaitu :
1. Memberikan kemungkinan untuk melakukan pencarian solusi lebih lanjut.
2. Memberikan beberapa kemungkinan solusi dengan melihat kombinasi solusi sub fungsi.
Pada saat pembuatan struktur fungsi, harus dibedakan antara perancangan murni (original design) dengan perancangan ulang (adaptive design).
Pada perancangan murni yang menjadi dasar struktur fungsi adalah spesifikasi dan masalah utama, sedangkan dalam perancangan ulang dimulai dari struktur fungsi yang kemudian dianalisa.
Analisa ini akan menghasilkan kemungkinan bagi pengembangan variasi solusi sehingga diperoleh solusi baru.
Pada langkah ini dilakukan penentuan fungsi-fungsi dimulai dengan fungsi keseluruhan, kemudian dijabarkan menjadi fungsi bagian (sub function) bila diperlukan. Hasil kerja yang diperoleh adalah satu atau beberapa bagian fungsi yang biasanya berupa gambar-gambar atau diagram-diagram sederhana.
C. Pencarian dan Kombinasi Prinsip Solusi
Dasar-dasar pemecahan masalah diperoleh dengan cara mencari prinsip solusi pada masing-masing sub fungsi. Dalam tahap ini dicari variasi solusi sebanyak mungkin.
Ada beberapa metode yang dipakai antara lain :
Pecarian dalam literatur, text book, jurnal teknik dan brosur-brosur yang dikeluarkan oleh perusahaan, menganalisa gejala alam atau perilaku makhluk hidup dengan membuat analogi atau model, dimana model ini diharapkan dapat mewakili karakteristik dari produk.
2. Metode Intuitif
Pencarian solusi untuk masalah yang rumit, bisa juga diperoleh dari intuisi atau suara hati. Solusi ini datang setelah periode pencarian dan pemikiran yang panjang. Solusi ini masih ada kemungkinan untuk dikembangkan dan diperbaiki. Ada beberapa cara yang dapat dilakukan untuk mengembangkan kemampuan intuisi ini, antara lain dengan cara berkomunikasi dengan orang lain.
3. Metode Kombinasi
Metode ini mengkombinasikan kemungkinan solusi yang ada. Metode yang dapat digunakan adalah metode bentuk matrik, dimana sub fungsi dan prinsip solusi dimasukkan dalam kolom dan baris.
Bila kombinasi yang ada terlalu banyak, maka waktu untuk memilih kombinasi terbaik menjadi lebih lama. Untuk mempersingkatnya maka jumlah kombinasi harus dikurangi namun hanya bila memungkinkan untuk dilakukan.
Prosedur yang dapat dilakukan adalah dengan mengeliminasi dan memilih yang terbaik. Beberapa kriteria yang diperlukan adalah :
1. Kesesuaian dengan fungsi keseluruhan.
2. Terpenuhinya demand yang tercantum dalam daftar spesifikasi.
3. Dapat dibuat dan diwujudkan.
4. Informasi atau pengetahuan tentang konsep yang bersangkutan memadai.
5. Kebaikan dalam hal kinerja dan kemudahan produksi.
6. Faktor biaya.
Apabila kombinasi yang ada masih cukup banyak, maka usaha selanjutnya adalah pemilihan kombinasi terbaik dengan memperhatikan :
1. Segi keamanan dan kenyamanan.
2. Kemungkinan pengembangan lebih lanjut.
Sebuah konsep apabila memungkinkan harus memenuhi beberapa persyaratan seperti keamanan, kenyamanan, kemudahan produksi, kemudahan perakitan, kemudahan perawatan, dan lain sebagainya.
Informasi lebih lanjut sangat diperlukan untuk pembuatan varian konsep yang akan dilakukan.
Informasi ini dapat diperoleh dari :
1. Gambar atau sketsa untuk melihat kemungkinan keserasian.
2. Perhitungan kasar berdasarkan asumsi yang dipakai.
3. Pengujian awal berupa pengujian model untuk menentukan sifat utama atau pendekatan kuantitatif untuk pernyataan kualitatif mengenai kinerja dari suatu produk jadi.
4. Konstruksi model untuk variasi dan analisa.
5. Analogi model dan simulasi yang sering dilakukan dengan bantuan komputer.
6. Penelitian lebih lanjut dari literatur.
F. Evaluasi
Evaluasi berarti menentukan nilai, kegunaan atau kekuatan yang dibandingkan dengan sesuatu yang dianggap ideal. Dalam
keteknikan, salah satu metode yang biasa digunakan adalah metode VDI 2221.
Secara garis besar langkah yang ditempuh adalah sebagai berikut :
1. Menentukan kriteria (identification of evaluation criteria) yang didasarkan pada spesifikasi yang dibuat.
2. Pemberian bobot kriteria evaluasi (weighting of evaluation criteria). Langkah ini merupakan kriteria pilihan yang mempunyai tingkat pengaruh pada varian konsep. Sebaiknya evaluasi dititikberatkan pada sifat utama yang diinginkan pada solusi akhir.
3. Menentukan parameter kriteria evaluasi (compiling parameter). Agar perbandingan setiap varian konsep dapat dilihat dengan jelas, maka dipilih suatu parameter atau besaran yang dipakai oleh varian konsep.
4. Memasukkan nilai parameter (Assesing Value). Sebaiknya harga yang dimasukkan adalah harga nominal, tetapi apabila hal ini tidak memungkinkan maka VDI 2221 memberikan harga korelasi dan harga kualitatif tersebut.
5. Memperlihatkan ketidakpastian evaluasi (Evaluation Uncertanities), yaitu dengan kesalahan evaluasi yang bisa disebabkan oleh beberapa hal, diantaranya :
a. Kesalahan subyektif, seperti kurangnya informasi.
b. Kesalahan perhitungan parameter.
Dalam hal ini kerja keras yang dilakukan oleh suatu tim akan memberikan kemungkinan kesalahan yang lebih kecil dibandingkan dengan perorangan.
2.1.3 Perancangan Wujud
Tahap perancangan ini meliputi beberapa langkah perancangan, yaitu :
1. Langkah-langkah penguraian ke modul- modul (modul structure).
2. Pembentukan lay-out awal (preliminary lay-out).
3. Pembentukan lay-out jadi (definity lay-out).
Perancangan wujud dimulai dari konsep produk teknik. Kemudian dengan menggunakan kriteria teknik dan ekonomi, perancangan dikembangkan dengan menguraikan struktur fungsi ke dalam struktur modul untuk memperoleh elemen-elemen pembangun struktur fungsi yang memungkinkan dapat dimulainya perancangan yang lebih terperinci.
Hasil tahap ini berupa lay-out, yaitu penggambaran dengan jelas rangkaian dengan bentuk elemen suatu produk dan bahannya, pembuatan prosedur produksi, serta membuat solusi untuk fungsi tambahan.
Hasil ini kemudian dianalisa untuk mendapatkan informasi lebih lanjut tentang kekuatan, getaran, kinematika, dinamika, pemilihan material, proses, dan sebagainya. Langkah ini dapat menjadi umpan balik pada langkah sintesis untuk pencarian alternatif solusi yang lebih baik. Analisa diikuti evaluasi dimana dapat timbul kemungkinan perlu dibuat model atau prototype untuk dapat mengukur kinerja, kualitas dari kemungkinan tersebut dan beberapa kriteria lain dari hasil perancangan.
2.1.4 Perancangan Terperinci
Tahap ini merupakan akhir dari metode perancangan sistematis yang berupa presentasi hasil perancangan dalam bentuk gambar lengkap (gambar susunan dan gambar detail) daftar komponen, spesifikasi material, toleransi, perlakuan panas dan sebagainya, yang secara keseluruhan merupakan dokumen lengkap untuk pembuatan mesin atau sistem mesin lainnya.
Pada akhir tahap ini dilakukan evaluasi kembali untuk melihat apakah produk mesin atau sistem teknik tersebut benar-benar sudah memenuhi spesifikasi dan semua gambar dokumen produk lainnya telah selesai dan lengkap.
2.2 Perhitungan Pada Pad Eye 2.2.1 Perancangan Pad Eye
Pad eye adalah perangkat yang digunakan untuk mengangkat peralatan /kontainer dalam industri penambangan minyak dan gas, posisinya berada pada bagian atas kontainer dan dilas ke primary structure kontainer tersebut. Bentuk dan syarat-syarat perancangan dan penempatan pad eye ini diatur dalam standar DNV 27-1 pasal 4.4.1.
Berdasarkan persyaratan dasar yang ada pada DNV 27-1 pasal 4.4.1 maka perancangan offshore container harus memperhatikan hal-hal berikut : 1. Posisi Pad Eye
Pad eye harus berada pada posisi terjauh untuk menghindari resiko terbelitnya sling terhadap kontainer ataupun kargo dalam kondisi pemakaian normal.
Pad eye juga harus dirancang dengan menjaga kebebasan dari pergerakan shackle dan sling tanpa harus terbelit ke pad eye itu sendiri. Pad eye ditempatkan secara vertikal dan sejajar menuju titik pusat kontainer agar dapat mengakomodasi variasi sudut sling, seperti lifting set dengan sudut kemiringan 45° diganti dengan sudut yang lebih besar ataupun lebih kecil tanpa menimbulkan akibat yang buruk terhadap pad eye maupun kontainer itu sendiri.
Kontainer yang dirancang untuk memiliki pusat gravitasi yang di-offset dari pusat geometris dapat dilengkapi dengan lifting set dengan panjang asimetris, sehingga kontainer tetap menggantung horizontal ketika terangkat. Jika lifting set asimetris maka pad eye harus disejajarkan ke pusat angkat.
2. Desain
Pad eye yang sebagian permukaannya ditanam (slotted) ke dalam primary structure secara umum dianggap lebih baik, tapi tidak menutup kemungkinan bagi desain dengan cara yang lain untuk dapat disetujui. Ukuran dan bentuk dari shackle yang akan digunakan harus diperhatikan saat merancang pad eye karena nantinya hanya ada satu jenis shackle yang akan cocok dengan pad eye tersebut.
Karena shackle diproduksi dengan ukuran yang sudah standar, maka perancang sudah harus terlebih dahulu menentukan shackle mana yang akan digunakan sebelum merancang pad eye dan juga memperhatikan ketebalan pin shackle, tebal dan panjang bagian dalam shackle serta ruang kebebasan yang dibutuhkan untuk memasang shackle tersebut.
Shackle dee atau busur (omega) adalah jenis shackle yang sering digunakan pada standar internasional (EN13889, US Federal Specification RR-C-271 atau ISO 2415) namun banyak juga perusahaan
pembuat shackle menggunakan standar dan bentuk shackle menurut desain mereka masing-masing.
Berikut ukuran shackle untuk standar EN 13889 : Tabel 2.2. Standar shackle EN13889
Nominal WLL (Ton) Diameter pin (mm) Lebar dalam pin (mm) Diameter dalam Shackle Dee (mm) Diameter dalam Shackle Bow (mm) 3.25 19 27 47 57 4.75 22 31 52 65 6.5 25 36 65 76 8.5 28 43 74 88 12 35 51.5 87 101 13.5 38 57 104 126 17 42 60 115 139 25 50 74 139 168
3. Kekuatan pada Pad Eye
Berdasarkan DNV 27-1 pasal 4.4.1 maksimum tegangan yang terkonsentrasi pada lubang baut harus berada dua kali di bawah yield stress minimum yang sudah ditentukan (berdasarkan material yang digunakan).
Metode paling mudah yang dapat digunakan untuk menentukan ukuran minimum dari pad eye agar sesuai dengan permintaan di atas
adalah dengan memastikan jarak ke sisi pad eye tidak melebihi dua kali Re pada design load.
Metode yang lebih rinci tetap diperlukan untuk optimalisasi rancangan. Dalam beberapa kondisi, perhitungan rancangan harus disertakan sebagai dokumen pengesahan. Dokumen tersebut berupa perhitungan kekuatan pad eye dan perhitungan kekuatan pengelasan pad eye.
2.2.2 Perhitungan Kekuatan Pad Eye 2.2.2.1 Tujuan
Untuk menentukan kekuatan minimal dari lifting set dan pad eye.
2.2.2.2 Referensi dan Data Teknis
a. DNV Standard for Certification No 2.7-1 Offshore Containers, April 2006.
b. EN 12079-1:2006.
2.2.2.3 Dasar Perancangan
a. Skid MPFM dengan empat Lifting points. b. Rating atau maximum gross mass.
d. Sling dengan Quad Assembly (Master link & Intermediate). e. Material = ASTM A 131 atau yang setara, yield strength minimum 235 Mpa = 235 N/mm2.
2.2.2.4 Resultan Gaya dari Sling
( 1).cosα . . 3 − = n g R RSL Dimana :
RSL = Resultan gaya dari sling pada pad eye (N).
R = Rating atau Maximum gross mass dari offshore container (Kg). g = Gaya gravitasi (~ 9.81 m/s2 ).
n = Jumlah kaki sling.
α = Sudut kemiringan kaki sling ke arah vertikal.
2.2.2.5 Kekuatan dari Pad Eye
Untuk perhitungan kekuatan dari pad eye ada dua kriteria yang harus dipenuhi yaitu :
A. Tear Out-Stress t DH t H RSL . . . 2 . 3 Re − ≥ B. Contact Stress t DH RSL . 7 . 23 Re≥ Dimana :
Re = Spesifikasi minimum yield strength material pad eye (N/mm2). RSL = Resultan gaya dari sling pada pad eye (N).
H = Jarak terpendek dari tengah lubang baut ke sisi luar pad eye (mm). DH = Diameter lubang baut (mm).
t = Ketebalan pad eye (mm).
Hasil perhitungan dari rancangan formula di atas tidak boleh melebihi yield strength (Re) dari material pad eye.
Gambar 2. 6 Spesifikasi Pad Eye
2.2.3 Perhitungan Kekuatan Pengelasan Pad Eye 2.2.3.1 Tujuan
Untuk memastikan kekuatan pengelasan dari pad eye apakah sudah memenuhi kemampuannya untuk menahan beban dari skid MPFM.
2.2.3.2 Referensi & Data Teknis a. AWS D1.1/D1.1M:2004.
b. Rating atau maximum gross mass approx. (R). c. Banyaknya pad eye terpasang.
d. Filler weld = AWS ER 70S-6. e. Panjang kampuh las.
f. Material = ASTM A 131 Grade D atau yang setara, yield strength 235 Mpa = 235 N/mm2.
Gambar 2.7 Spesifikasi dan gaya-gaya pada pad eye
2.2.3.3 Mencari Gaya pada 4 Pad Eye pada Sudut-sudut Frame
α cos ). 1 ( . . 3 − = n g R RSL Dimana :
RSL = Resultan gaya sling pada pad eye (N).
g = Gaya gravitasi (~ 9.81 m/s2 ). n = Jumlah kaki sling.
α = Besarnya sudut dari kaki sling dari arah vertikal (derajat). L = Jarak lubang pad eye ke frame.
l = Panjang kampuh las.
h = Besar kampuh las.
Gaya-gaya yang terjadi pad eye adalah: g RSL F = ο 30 cos . F Fy = ο 60 cos . F Fx=
1. Shear stress in weld
(2.4.. ) . 3 h l F sw= τ
2. Bending stress in weld
) . . 2 ( . . 3 2 h l L Fx bw= τ
3. Tensile Strength of filler weld AWS ER 70S-6 τer =70ksi = 70000 psi = 49.3 kg/mm2 τall = τer x safety factor
