Format Penulisan Makalah Seminar Nasional

Penentuan Desain Optimum Rangka Giant Water Dispenser dengan Menggunakan ANSYS Software dan Stewart Pughs Concept SelectionStudi Kasus: Penentuan Desain Optimum Rangka Giant Water Dispenser dengan kapasitas beban 1,5 TonWillyanto Anggono1), Fandi Dwiputra Suprianto2)Product Innovation and Development Centre Petra Christian University1,2)Mechanical Engineering Petra Christian University1,2)Jalan Siwalankerto 121-131, Surabaya 60236

Email : willy@petra.ac.id1)ABSTRAKSalah satu permasalahan yang sering dihadapi pada waktu pasca bencana alam adalah tidak tersedianya air minum bagi para korban oleh karena rusaknya sumur dan fasilitas air bersih.Untuk mengantisipasi hal ini, maka diperlukan sebuah bak penampung air minum yang dapat segera dimanfaatkan oleh para korban tanpa harus menunggu proses pembuatan selama berhari-hari. Giant water dispenser adalah sebuah solusi untuk penyediaan air minum pada kondisi darurat Salah satu bagian dari konstruksi giant water dispenser ini adalah rangka.

Proses desain memegang peranan yang sangat penting dalam penentuan dan pembuatan suatu konstruksi mekanik. Selain konstruksi yang kokoh, beberapa persyaratan lain yang pada umumnya harus dipenuhi oleh sebuah konstruksi mekanik adalah seperti misalnya massa dari produk yang cukup ringan, harga yang kompetitif, dan lain sebagainya. Sebuah konstruksi rangka yang baik adalah yang mampu menahan beban tertentu dengan defleksi yang minimum. Semakin besar defleksi yang terjadi, maka dapat dikatakan bahwa konstruksi rangka tersebut semakin buruk. Penghitungan model rangka Giant Water Dispenser dilakukan dengan menggunakan program ANSYS yang berbasis metoda elemen hingga (Finite Element Method). Metode ini dipakai karena analisis secara manual sangat sulit untuk dilakukan karena desain yang dipakai cukup rumit dan membutuhkan waktu yang lama untuk melakukan perhitungan. Metoda Stewart Pughs Concept Selection digunakan untuk memilih desain yang paling optimum dari tiga alternatif profil baja dengan memperhitungkan persyaratan-persyaratan teknis dan non teknis yang diinginkan seperti defleksi, tegangan maksimum, berat dan harga.

Dari hasil analisa metoda elemen hingga dengan menggunakan program ANSYS dan seleksi desain dengan menggunakan metoda Stewart Pughs Concept Selection diperoleh bahwa desain yang paling optimum dalam membuat rangka Giant Water Dispenser adalah dengan menggunakan standart steel pipe (ASTM A-888) berdiameter dalam 1 inch dan tebal 2 mm.

Kata kunci: Giant Water Dispenser, Metoda Elemen Hingga, Stewart Pughs Concept Selection.

1. PENDAHULUAN

Krisis air bersih dan air minum merupakan salah satu realita yang seringkali dihadapi oleh korban bencana alam di daerah yang baru saja tertimpa bencana. Sebut saja contohnya bencana gempa bumi, dimana pada umumnya permukaan tanah akan mengalami penurunan permukaan hingga menyebabkan air sumur menjadi payau dan berlumpur. Dalam kondisi demikian maka seringkali masyarakat dengan terpaksa mengkonsumsi air payau bercampur lumpur yang tentunya sangat tidak baik bagi kesehatan mereka. Selain bencana gempa bumi, Indonesia telah beberapa kali mengalami pukulan bencana alam yang beraneka ragam, sebut saja banjir, angin topan, banjir lumpur, dan lain sebagainya yang pada dasarnya mengakibatkan kerugian yang sama yaitu hilangnya harta benda, rusaknya fasilitas, dan bahkan hilangnya nyawa. Salah satu fasilitas yang seringkali rusak adalah fasilitas air bersih dan air minum, sehingga hal ini seringkali menjadi bencana setelah bencana. Kebutuhan air minum adalah kebutuhan yang sangat vital bagi manusia, sehingga apabila kebutuhan air minum di daerah pasca bencana alam tidak tersedia, risiko terjangkitnya berbagai macam penyakit dan bahkan kematian akan mengancam para korban.

Salah satu cara untuk mangantisipasi terjadinya kekurangan air minum di daerah bencana adalah dengan menyediakan bak penampung air darurat atau bak air minum, namun cara ini tidak dapat dilakukan dalam waktu yang singkat sebab pembuatan dan perakitannya membutuhkan waktu yang cukup lama, padahal bencana datang secara tiba-tiba pada waktu dan tempat yang tidak dapat diketahui. Lamanya waktu pembuatan bak penampung air sejak terjadinya bencana hingga bak penampung tersebut siap digunakan, dapat diantisipasi dengan menyiapkan suatu bak penampung air minum yang mudah dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lainnya, sehingga pada kondisi darurat, bak penampung tersebut telah siap dipindahkan ke lokasi dan segera dapat dimanfaatkan oleh korban.

Gambar 1. Tangki Profil 1350 Liter

Konsep dari pembuatan bak penampung air darurat ini adalah serupa dengan prinsip kerja dispenser air, hanya saja kapasitasnya jauh lebih besar oleh karena sifatnya adalah untuk kebutuhan massal. Berdasarkan alasan ini, maka konsep tersebut selanjutnya disebut dengan Giant Water Dispenser. Bak penampung air yang digunakan dalam penelitian ini adalah berupa tangki profil berukuran 1350 liter. Adapun fungsi dari tangki profil ini adalah sama seperti halnya sebuah gallon air pada dispenser normal yang biasa digunakan sehari-hari. Untuk menopang tangki profil yang berisi air tersebut, maka diperlukan suatu konstruksi rangka yang kuat, yaitu tidak mudah mengalami defleksi, tidak memiliki konsentrasi tegangan yang terlalu tinggi, ringan sehingga mudah dipindahkan, dan harga yang dapat diterima.2. KAJIAN PUSTAKA Metode elemen hingga digunakan sebagai metode pendekatan matematika aktual untuk pemecahan masalah yang dapat ditentukan dengan persamaan differensial.

Gambar 2. Triangular Elements Dengan Pendekatan Metode Elemen Hingga Ide utama dari metode elemen hingga adalah untuk memecahkan elemen yang sangat komplek dengan batasan yang tidak ditentukan menjadi suatu elemen dengan batasan yang kecil. Masing-masing elemen diperhitungkan sebagai bagian dalam permasalahan utama, dengan demikian terdapat hubungan antar elemen yang saling berkaitan melalui informasi global tentang deformasi, yang biasanya berhubungan dengan karakteristik elemen. Pendekatan Newton-Raphson merupakan metode paling banyak digunakan untuk menyelesaikan masalah geometri. Karena hasil yang didapatkan dalam metode ini terbukti telah memecahkan beberapa kasus yang ada.

Gambar 3. Pemecahan masalah nonlinear geometry dengan menggunakan metode Newton-Rapshon

Pada permasalahan perubahan dari geometri dan sifat material selama pembebanan berlangsung harus ditentukan, hal tersebut dapat dipecahkan lebih dari satu langkah iterative dengan menggunakan hasil terakhir sebagai harga awal untuk langkah selanjutnya hingga hasil yang konvergen diketahui. Dalam melakukan perhitungan tegangan dan regangan, komputer (software ANSYS) menggunakan metode elemen hingga. Metode elemen hingga adalah suatu metode numerik yang tentunya cocok digunakan dengan komputer digital. Dengan metode ini suatu struktur elastik kontinu dibagi-bagi (discretized) menjadi beberapa substruktur (disebut elemen). Kemudian dengan menggunakan matriks, defleksi dari tiap titik (node) akan dihubungkan dengan pembebanan, properti material, properti geometrik dan lain-lain. Metode elemen hingga telah digunakan secara luas untuk menyelesaikan berbagai persoalan mekanika dengan geometri yang kompleks. Beberapa hal yang membuat metode ini favorit adalah karena secara komputasi sangat efisien, memberikan solusi yang cukup akurat terhadap permasalahan yang kompleks, dan untuk beberapa permasalahan metode ini mungkin adalah satu-satunya cara. Dalam ANSYS Software langkah analisa dibagi menjadi tiga bagian utama yaitu Preprocessor, Solution, dan General Postprocessor. Pada Preprocessor dilakukan pemodelan benda atau alat yang akan dianalisa, penentuan jenis material (properti material), pemilihan tipe elemen, meshing, dan juga aplikasi beban. Pada bagian Solution permasalahan yang telah didefinisikan akan dihitung. Pada General Postprocessor hasil perhitungan ditampilkan secara visual dalam bentuk kontur tegangan dan regangan. Kriteria kegagalan material berdasarkan von mises (Von Mises Criterion) atau Maximum Distortion Energy Criterion didasarkan pada perhitungan distorsi energi suatu material. Distorsi energi adalah energi yang dibutuhkan dalam perubahan bentuk suatu material. Teori ini dikembangkan oleh Richard von Mises, seorang matematikawan Jerman-Amerika. Menurut teori ini, suatu material akan aman selama harga maksimum energi distorsi per unit volume tidak melebihi harga energi distorsi per unit volume yang dibutuhkan untuk membuat material tersebut yielding. Teori von Mises lebih akurat daripada teori-teori lainnya dalam memprediksi ductile yielding yang disebabkan oleh pembebanan kombinasi. 3. METODE PENELITIAN

Metodologi yang digunakan dalam penelitian desain rangka Giant Water Dispenser ini adalah sebagai berikut:

Gambar 4. Metodologi Penelitian

Beberapa batasan permasalahan yang diambil dalam melakukan penelitian ini adalah sebagai berikut: Komponen-komponen penyusun yang digunakan adalah yang bersifat umum dan dapat diperoleh di pasaran Material baja struktur yang diteliti terdiri dari 3 macam profil yaitu: baja profil lingkaran (round bars) dengan diameter 10 mm, baja siku samakaki (equal angles) 40 x 40 mm dengan tebal 2 mm, dan pipa baja dengan ukuran diameter dalam 1 inch dan tebal dinding 2 mm. Sambungan las diasumsikan baik dan homogen

Defleksi maksimum yang diijinkan untuk desain rangka ini adalah 1 mm.

Penghitungan defleksi dan simulasi distribusi tegangan pada rangka giant water dispenser dilakukan dengan menggunakan program ANSYS yang merupakan software yang berbasis metode elemen hingga.4. HASIL DAN ANALISAMaterial baja struktur yang digunakan dalam simulasi memiliki sifat-sifat sebagai berikut:

Youngs Modulus: 2.1011 Pa

Poissons ratio: 0,3

Density: 7850 kg/m3 Tensile yield strength: 2,5. 108 Pa

Compressive yield strength: 2,5. 108 Pa

Tensile ultimate strength: 4,6. 108 Pa

Pemodelan dilakukan dengan memasukkan gaya-gaya dalam analisa static structural pada ANSYS Multiphysics. Beban diaplikasikan pada 3 macam rangka yang sama-sama berdimensi panjang 1184 mm, lebar 1168 mm dan tinggi 1500 mm namun dengan profil baja yang berbeda. Beban yang diaplikasikan tersebut merupakan gaya berat dari air dalam sebuah profil tank yang memiliki bobot maksimum sebesar 1,5 ton. Penerapan boundary conditions dan gaya yang bekerja dapat dilihat pada gambar 5, gambar 6, dan gambar 7. Gambar 5. Pemodelan Rangka baja Gambar 6. Pemodelan Rangka baja

profil lingkaran dengan diameter 10 mm siku samakaki 40 x 40 mm dan tebal 2 mm

Gambar 7. Pemodelan Rangka pipa baja dengandiameter dalam 1 inch dan tebal dinding 2 mmSetelah melakukan pemodelan, memasukkan gaya yang bekerja dan menentukan boundary conditions, maka langkah selanjutnya adalah untuk menciptakan mesh pada domain yang akan dianalisa. Jenis dan konfigurasi Mesh yang sesuai untuk analisa mekanika dapat diciptakan secara otomatis dalam ANSYS workbench. Untuk mempermudah dan mempercepat proses perhitungan, maka bentuk geometri dari gambar 2,3 dan 4 dapat disederhanakan berdasarkan bentuknya yang simetris terhadap bidang XZ dan bidang YZ. Hasil potongan simetris dapat dilihat pada gambar 8,9, dan 10. Gambar 8. Potongan simetris rangka baja Gambar 9. Potongan simetris rangka baja

profil lingkaran dengan diameter 10mm

siku samakaki 40 x 40 mm dan tebal 2 mm

Gambar 10. Potongan simetris rangka pipa baja dengan diameter dalam 1 inch & tebal dinding 2 mmTahapan terakhir dari proses simulasi ini adalah dengan memberikan perintah solve pada post-processor ANSYS agar perhitungan dengan metoda elemen hingga diaplikasikan pada domain. Hasil simulasi dari desain rangka giant water dispenser adalah dapat dilihat sebagai berikut. Gambar 11. Equivalent Stress pada rangka baja Gambar 12. Total deformation pada rangka baja

profil lingkaran dengan diameter 10mm

profil lingkaran dengan diameter 10mm

Dari hasil simulasi untuk kasus rangka baja profil lingkaran dengan diameter 10 mm diperoleh bahwa equivalent stress (von mises) maksimum yang terjadi pada struktur adalah sebesar 61,905 MPa (gambar 11). Pada kondisi yang sama, defleksi maksimum yang ditunjukkan oleh hasil simulasi pada gambar 12 adalah sebesar 0,00039241meter atau 0,39241 mm sehingga model ini dapat digunakan sebab masih memenuhi persyaratan yang diijinkan. Dari hasil simulasi juga dapat diketahui bahwa rangka dengan material dan dimensi seperti ini akan memiliki massa sebesar 74,718 kg. Gambar 13. Equivalent stress pada rangka baja Gambar 14. Total deformation pada rangka baja

siku samakaki 40 x 40 mm dan tebal 2 mm siku samakaki 40 x 40 mm dan tebal 2 mm

Dari hasil simulasi untuk kasus rangka baja siku samakaki 40 x 40 mm dan tebal 2 mm diperoleh bahwa equivalent stress (von mises) maksimum yang terjadi pada struktur adalah sebesar 30,063 MPa (gambar 13). Pada kondisi yang sama, defleksi maksimum yang ditunjukkan oleh hasil simulasi pada gambar 14 adalah sebesar 0,00018505meter atau 0,18505 mm, dan nilai ini juga masih memenuhi persyaratan defleksi maksimum yang diijinkan. Dari hasil simulasi juga dapat diketahui bahwa rangka dengan material dan dimensi seperti ini akan memiliki massa sebesar 100,6 kg.

Gambar 15. Equivalent stress pada rangka pipa baja Gambar 16. Total deformation pada rangka pipa baja

dengan diameter dalam 1 inch & tebal dinding 2 mm dengan diameter dalam 1 inch & tebal dinding 2 mmDari hasil simulasi untuk kasus rangka pipa baja dengan diameter dalam 1 inch & tebal dinding 2 mm diperoleh bahwa equivalent stress (von mises) maksimum yang terjadi pada struktur adalah sebesar 25,458 MPa (gambar 15). Pada kondisi yang sama, defleksi maksimum yang ditunjukkan oleh hasil simulasi pada gambar 16 adalah sebesar 0,00017239 meter atau 0,17239 mm, sehingga model ini juga dapat digunakan sebab nilainya lebih kecil dibandingkan dengan batas maksimum yang diijinkan. Dari hasil simulasi juga dapat diketahui bahwa rangka dengan material dan dimensi seperti ini akan memiliki massa sebesar 99,062 kg.Tabel 1. Hasil Pemodelan Rangka Giant Water Dispenser dengan beberapa macam profil baja yang berbedaNo.Profil Baja StrukturMassa

(kg)Max. Equivalent Stress (Von Mises)(Pa)Max Deformation(mm)

1Profil lingkaran dengan diameter 10 mm74,71861,9050,39241

2Baja siku samakaki 40 x 40 mm, tebal 2 mm100,630,0630,18505

3Pipa baja ID= 1 inch, tebal dinding 2 mm.99,06225,4580,17239

Selain faktor berat rangka, maximum equivalent stress (Von Mises), dan defleksi maksimum yang telah diperoleh dari hasil analisa dan simulasi dengan menggunakan program ANSYS, sebuah faktor lain yang juga perlu mendapat perhatian dalam desain rangka giant water dispenser ini adalah harga. Berikut ini adalah persyaratan-persyaratan atau kriteria-kriteria yang akan digunakan untuk menentukan desain optimum rangka giant water dispenser.1. Kemampuan untuk mencegah terjadinya defleksi yang berlebihan akibat beban yang bekerja (Weighing factor = 5)2. Kemampuan untuk mendistribusikan tegangan secara merata (Weighing factor = 5)3. Berat rangka (Weighing factor = 4)4. Harga (Weighing factor = 3)Berdasarkan kriteria-kriteria yang telah ditetapkan beserta dengan weighing factor masing-masing seperti di atas, maka pemilihan rangka giant water dispenser yang paling optimal dapat dilakukan dengan menggunakan Stewart Pughs Concept Selection. Matrix pemilihan rangka optimal dengan menggunakan Pughs Concept Selection dapat dilihat pada tabel 2.Tabel 2. Pughs Concept Selection matrix untuk Pemilihan Desain Rangka Optimum.Rangka baja

profil lingkaran

Rangka baja

siku samakaki

Rangka pipa baja

KriteriaWeighing factorIndividual ValueWeighing ValueIndividual ValueWeighing ValueIndividual ValueWeighing Value

Defleksi5420525525

Max. Equivalent Stress5210420525

Berat rangka4520312312

Harga35153939

Score65Score66Score71

Berdasarkan hasil analisa teknis dapat dilihat bahwa pada dasarnya ketiga model baik rangka baja profil lingkaran, rangka baja siku samakaki maupun rangka pipa baja telah memenuhi syarat defleksi maksimum kurang dari 1 mm. Stewart Pughs Concept Selection yang mana telah diaplikasikan untuk menentukan pilihan dengan memperhitungkan persyaratan-persyaratan yang lain, ternyata memberikan hasil bahwa model rangka pipa baja adalah desain yang paling optimum. Hal ini terlihat dari hasil Pughs Concept Selection matrix yang memberikan nilai (score) tertinggi untuk model rangka pipa baja.5. KESIMPULAN

Dari hasil analisa metoda elemen hingga dengan menggunakan program ANSYS dan pemilihan dengan Stewart Pughs Concept Selection, hasil yang diperoleh adalah penggunaan standart steel pipe (ASTM A-888) berdiameter dalam 1 inch dan tebal 2 mm sebagai bahan rangka adalah desain yang paling optimum dalam pembuatan Giant Water Dispenser yang diinginkan.6. DAFTAR PUSTAKA1. Anggono, Willyanto., (2004), "Peningkatan Unjuk Kerja Desain Flexible Shield untuk Pompa Sabun dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga, Jurnal Teknik Mesin, Vol.6, No.2, Oktober 2004, hal. 57-64.

2. Anggono, W., (2006), "Analisa Pengaruh Radius Heads Terhadap Besar Tegangan Maksimum pada Air Receiver Tank Horisontal dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga", Dalam Proceeding Seminar on Application and Research in Industrial Tecgnology. Gadjah Mada University, Indonesia, 27 April 2006, Universitas Gadjah Mada, Indonesia 3. ANSYS, Inc., ANSYS 7.0 Documentation. 2002

4. Budynas, Richard, G., (1999), "Advanced Strength and Applied Stress Analysis". McGraw-Hill Book Company, Singapore.

5. Juvinall, Robert, C., (1967), "Engineering Consideration of Stress, Strain and Strength", McGraw-Hill Book Company, New York.

6. Logan, Daryl, L., (1991), "Mechanics of Materials", McGraw-Hill Book Company, New York.

7. Popov, Egor, P., (1987), "Introduction to Mechanics of Solids", Prentice Hall, New Jersey.