Upload
habibielh
View
202
Download
11
Embed Size (px)
Citation preview
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Pemilihan Kasus
Jembatan rangka baja digunakan untuk jembatan yang memiliki bentang yang panjang. Jembatan
sungai Ular merupakan jembatan yang masuk dalam kategori jembatan cukup panjang dengan
panjang bentang yaitu 128 m. Jembatan ini menggunakan rangka lengkung dua sendi sebagai
sarana penghubung jalan rel kereta api yang melintasi di sungai Ular.
Gambar jembatan rangka rel kereta api sungai Ular seperti terlihat pada gambar 1 berikut.
Gambar 1. Jembatan Rel Kereta Api di Sungai Ular
1.2. Tujuan Analisa
Tujuan analisa pada kasus ini ialah:
1. Untuk mengetahui besarnya defleksi dari struktur jembatan rangka baja tersebut dengan
menggunakan simulasi program ANSYS.
2. Untuk mengetahui besarnya rekasi tegangan pada setiap elemen rangka baja dengan
menggunakan simulasi program ANSYS.
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
1.3. Detail Struktur
Detail struktur jembatan rangka ini yaitu:
1. Panjang bentang = 128 m
2. Tinggi puncak = 20 m
3. Radius kelengkungan dalam = 80 m
4. Radius kelengkungan luar = 136,5 m
5. Terdiri dari 2 tumpuan sendi
6. Panjang per section = 8 m
7. Propil baja yang digunakan yaitu propil IWF 400 x 200 x 8 x 13
8. Modulus Elastisitas = 2,1 x 106 Kg/cm
2 = 21 x 10
9 kg/m
2
Gambar 2. Dimensi Jembatan Rel Kereta Api di Sungai Ular
9. Beban yang diterima
Gambar 3. Kereta Api sebagai beban jembatan
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Q
Lokomotif yang melintasi jembatan rel ini adalah Kereta api jenis BB301. Lokomotif ini berdaya
mesin sebesar 1350 HP dengan berat lokomotif sebesar 52 ton. dengan kecepatan maksimum 120
km/jam dan panjang lokomotif 8 m. Sedangkan untuk gerbong, berat kosong 22 ton, berat
maksimum 50 ton dengan panjang gerbong 14 m.
Gambar 4. Pembebanan pada jembatan
Selanjutnya akan dilakuakan simulasi perhitungan dengan menggunakan program Ansys dimana
akan diuji tegangan yang terjadi pada batang jembatan sesuai dengan yang ada di lapangan dan
menggantinya dengan propil yang lebih kecil yaitu propil IWF 350 x 175 x 7 x 11.
Propil IWF 400 x 200 x 8 x 13 Propil IWF 350 x 175 x 7 x 11
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Menghitung Beban
Secara umum beban pada jembatan rangka yaitu beban primer dan beban skunder.
Beban primer terdiri dari beban mati, beban hidup dan beban kejut. Dalam simulasi ini dianggap
tidak ada beban kejut.
Sedangkan beban skunder terdiri dari beban angin, dan beban gaya gempa. Dalam simulasi ini
dianggap tidak ada beban gempa.
1. Beban mati
Yaitu semua beban yang berasal dari berat rangka itu sendiri.
Berdasarkan tabel profil konstruksi baja didapat bahwa berat profil baja 400 x 200x 8 x
13 yaitu 66 kg/m.
Maka, berat total beban mati yaitu =
Berat profil x panjang total keseluruhan rangka x factor beban
= 66 kg/m x 917,73 m x 1,2
= 72684,216 kg
Beban ini dibagi 128 m sebagai panjang bentang
P beban mati = 72684,216 / 128
= 567,85 kg/m
P beban mati per node = 567,85 kg/m x 8 m
= 4542,8 kg
2. Beban Hidup
Yaitu beban kendaraan yang bergerak di atasnya. Dalam hal ini harus dipilih kondisi
maksimum.
Berdasarkan pantauan di lapangan panjang kereta api yang melintas melebihi panjang
jembatan, sehingga kondisi maksimum adalah pada saat kereta api memenuhi semua
panjang jembatan.
Berat kereta api = 52000 kg (lokomotif) + 50000 kg/14 m x 120 m (berat gerbong yang
maksimum) = 480571,43 kg
Q beban hidup = berat kereta api x factor beban : panjang jembatan
= 480571,43 kg x 1,6 : 128
= 768914,288 kg/128 m
= 6007,143 kg/m
Q beban hidup per node = 48057,143 kg
3. Beban Angin
Berdasarkan buku Konstruksi Baja karangan Patar M. Pasaribu disebutkan bahwa beban
angin yang harus diperhitungkan dipikul oleh jembatan rangka yaitu 30% x 100 kg/cm2
lebar dinding rangka di salah satu sisi yang dianggap paling berbahaya.
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Lebar dinding rangka = 200 mm x 128 m/2
= 20 cm x 6400 cm
= 128000 cm2
Beban Angin = 0,3 x 100 kg/cm2 x 128000 cm
2
= 3840000 kg
Beban angin yang di bagi per node = 4840800 kg/128 m
= 30000 kg
Berdasarkan perhitungan maka, beban vertical = beban mati + beban hidup
= 4542,8 + 48057,143
= 525999,93
= 52600 kg
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
BAB II
TEORI ELEMEN HINGGA PADA PROGRAM ANSYS 5.4
Konsep Kegagalan
Struktur dirancang untuk mencegah kegagalan dimana ketidakmampuan sebuah
komponen melakukan fungsinya dapat diistilahkan sebagai kegagalan. Kegagalan dapat
terjadi bila bahan pertama-tama meluluh (yield). Oleh karena itu batas luluh banyak
dipakai sebagai kriteria kegagalan.
Sejumlah teori dikembangkan dengan menghubungkan tegangan-tegangan utama
pada sebuah titik pada bahan (σ1, σ2, σ3) terhadap kekuatan luluh bahan tersebut (σy).
Tujuannya adalah untuk meramalkan kapan peluluhan pertama akan terjadi dibawah
kondisi pembebanan yang tertentu.
Teori kegagalan ini juga disebut teori geser (shear energy theory) dan teori von-
Misses-Hencky. Teori ini sedikit sulit pemakaiannya dari pada teori tegangan geser
maksimum, dan teori ini adalah teori yang terbaik untuk dipakai pada bahan daktil.
Seperti teori tegangan geser maksimum, teori ini dipakai hanya untuk menjelaskan
permulaaan bahan mengalah.
Untuk tujuan analisis dan perencanaan, akan lebih mudah apabila kita
menggunakan tegangan von-misses. Suatu balok sederhana pada sisi A dijepit dengan B
diberi gaya F seperti gambar dibawah ini:
Gambar 6. Balok Dengan Pembebanan Terpusat
• Reaksi Pada Tumpuan
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Gambar 7. Reaksi Pada Tumpuan
∑ RV = 0 ∑ MA = 0
RV – F = 0
RV = F
Dan MA – FL = 0
MA = F . L
( 5 )
• Potongan x
Gambar 8. Gaya Potongan x
∑ RV = 0 ∑ MA = 0
V – F = 0
V = F
Dan M + FL – Fx = 0
M = FX – FL
( 6 )
Metode Elemen Hingga
Perangkat lunak (software) ANSYS 5.4 yang menggunakan dasar prinsip metode
elemen hingga, disini akan dijelaskan sedikit mengenai metode elemen hingga tetapi
dalam analisis tegangan ini tidak dibahas mengenai metode elemen hingga.
Bila suatu kontinum dibagi-bagi menjadi beberapa bagian yang lebih kecil.
Bagian-bagian ini disebut elemen hingga. Proses pembagian suatu kontinum menjadi
elemen hingga ini sering dikenal sebagai proses diskritisasi (pembagian). Dinamakan
elemen hingga karena ukuran elemen kecil ini berhingga (bukannya kecil tidak berhingga)
dan umumnya memiliki bentuk geometri yang lebih sederhana dibandingkan dengan
kontinumnya. Dengan menggunakan metode elemen hingga dapat dirubah masalah yang
memiliki jumlah derajat kebebasan tidak berhingga menjadi suatu masalah dengan derajat
lebih sederhana. Derajat kebebasan dapat didefinisikan sebagai suatu perpindahan bebas
(tidak diketahui) yang dapat terjadi di suatu titik. Perpotongan antar elemen dinamakan
simpul atau titik simpul dan permukaan antar elemen-elemen disebut garis simpul dan
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
bidang simpul.
Gambar 9. Istilah Perpindahan
Langkah –langkah dalam metode elemen hingga yang diambil disini yaitu, hanya
mengenai diskritisasi (meshing) dan pemilihan jenis elemen, sedangkan untuk
langkah selanjutnya hanya sebagai urutan tinjauan mengenai metoda elemen hingga.
1. Diskritisasi dan pemilihan jenis elemen
Merupakan pembagian benda menjadi sejumlah benda kecil yang sesuai, yang
dinamakan elemen-elemen hingga. Untuk benda-benda dua dimensi dapat menggunakan
jenis elemen segi tiga dan segi empat, sedangkan untuk benda tiga dimensi kita dapat
menggunakan suatu prisma segi enam (hexahedron).
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Gambar 10. Berbagai Jenis Element
2. Memilih model atau fungsi pendekatan
3. Menentukan hubungan regangan(gradien)-perpindahan (yang tidak di ketahui)
dan tegangan regangan .
4. Menurunkan persamaan elemen-elemen
5. Perakitan persamaan elemen untuk mendapatkan persamaan global dan
mengenal syarat batas
6. Memecahkan besaran-besaran primer yang tidak diketahui
7. Memecahkan besaran-besaran penurunan sekunder
8. Interpretasi hasil-hasil
Software ANSYS 5.4
ANSYS 5.4 adalah perangkat lunak (software) yang dapat digunakan untuk
menyelesaikan berbagai kasus dibidang Struktur, Thermal dan Fluida. Perangkat lunak
(software) ini berbasis pada metoda elemen hingga. Perangkat lunak (software) ini sangat
berguna untuk diterapkan dalam bidang konstruksi .
ANSYS 5.4 untuk bidang konstruksi khususnya untuk analisis struktur
menyediakan berbagai tipe analisis stuktur, misalnya :
1. Analisis Statik (Static Analysis)
Digunakan untuk menghitung perpindahan (displacement), tegangan (Stresses) dan
lain-lain dibawah kondisi pembebanan static . Analysis Statik meliputi linier dan non
linier. Non linier meliputi Plasticity,stress, stiffness, large deflection, large strain,
hyperelasticity, contact surfaces, dan creep.
2. Analisis Modus Getar (Modal Analysis)
Digunakan untuk menghitung frekuensi natural dan bentuk modus getar.
3. Analisis Harmonik (Harmonic Analysis)
Digunakan untuk menentukan respon struktur akibat beban harmonik
(beban sinusoidal).
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
4. Analisis Dinamik Transien (Transient Dynamic Analysis)
Digunakan untuk menentukan respon struktur akibat beban dinamik sembarang.
5. Analisis Spektrum (Spectrum Analysis)
Kelanjutan dari analisis modus getar, digunakan untuk menghitung tegangan dan
regangan akibat beban atau random.
6. Analisis Tekukan (Buckling Analysis)
Digunakan untuk mencari buckling load (beban kritis) dan menentukan model
buckling.
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
BAB III
DATA OBJEK YANG DIANALISA DAN
PEMODELAN SISTEM
Langkah-langkah Analisa Tegangan pada Jembatan Sungai Ular dengan menggunakan
ANSYS 5.4
1. Menjalankan program ANSYS 5.4.
Klik Interactive pada layar, kemudian isi Initial Jobname, dan Run
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Berikut ini merupakan tampilan awal layar ANSYS 5.4.
2. Menentukan tipe analisa ANSYS.
Preferences, kemudian klik pada bagian Structural, dan OK.
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
3. Menentukan Jenis Elemen
Preprocessor, Element Type, add/edit/delete, pilih add (Pilih Structural Link [2D spar 1]), OK.
4. Membuat gambar pada ANSYS 5.4.
Untuk menggambar rangka jembatan dipakai nodes untuk membuat titik koordinatnya dan
element sebagai batang jembatannya.
4.1. Membuat Nodes
Preprocessor, Modelling, Create, Nodes, In Active CS lalu masukkan nomor node 1, koordinat X
= 0 dan koordinat Y = 0 lalu Apply.
Gambar.3.2.Create Nodes in Active Coordinate System
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Kemudian dilanjutkan dengan titik-titik berikutnya sesuai dengan koordinat di bawah ini:
Titik Koordinat
Titik
Koordinat
Titik
Koordinat
X Y
X Y
X Y
1 0 0
18 8 8
35 40 12.3151
2 8 0
19 16 11.2934
36 48 14.3837
3 16 0
20 24 14.0153
37 56 15.599
4 24 0
21 32 16.2009
38 64 16
5 32 0
22 40 17.8762
39 72 15.599
6 40 0
23 48 19.0602
40 80 14.3837
7 48 0
24 56 19.7657
41 88 12.3151
8 56 0
25 64 20
42 96 9.314
9 64 0
26 72 19.7657
43 104 5.282
10 72 0
27 80 19.0602
11 80 0
28 88 17.8762
12 88 0
29 96 16.2009
13 96 0
30 104 14.0153
14 104 0
31 112 11.2934
15 112 0
32 120 8
16 120 0
33 24 5.282
17 128 0
34 32 9.314
4.2. Membuat Element
Preprocessor, Modelling, Create, Element, Thru Node, Elements from nodes, klik 2 nodes yang
akan dihubungkan lalu klik Apply dan setelah selesai klik OK.
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Setelah semua nodes dihubungkan maka akan terbentuk struktur rangka jembatan.
Gambar rangka jembatan sebenarnya
Dengan cara yang sama model rangka jembatan dimodifikasi sebagai perbandingan
dimana rangka baja diagonal diubah susunannya.
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Gambar rangka jembatan modifikasi 1
5. Menentukan Jenis Material
Preprocessor, Material Props, Constant, Isotropic. Masukkan nilai modulus Elastisitas baja
yaitu 2,1 x 106 kg/cm
2 yang dituliskan 21e9 kg/m
2 lalu klik OK.
Nilai ini juga dimasukkan pada model modifikasi 1
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
6. Menentukan Nilai Luas Penampang Propil
Preprocessor, Real Constant, Add, Cross-Sectional Area. Masukkan nilai luas penampang propil
yaitu 84,12 cm2 yang ditulis 84.12e-4 lalu OK
Nilai ini juga dimasukkan pada model modifikasi 1
Dengan cara yang sama dimasukkan juga nilai luas penampang sebagai modifikasi model 2
dengan propil baja 350 x 175 x 7 x 11 dengan luas 63,14 cm2 yang ditulis 63.14e-4
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
7. Membuat Tumpuan Sendi
Ansys Main Menu, Solution, Aply, Strctural, Diplacement, On Nodes. Klik nodes 1 dan Nodes
17 sebagai tumpuan, klik Apply lalu pilih All DOF dan klik OK.
8. Memasukkan Beban
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Ansys Main Menu, Solution, Aply, Strctural, Force/Moment, On Nodes lalu klik titik-titik
yang diberikan beban. Pilih FY dan Isi beban sebesar -52000 kg pada titik 1 dan -53570
kg pada titik 2 hingga 17 lalu OK
Gambar pembebanan pada model sebenarnya dan model
9. Memeriksa Simulasi sudah benar atau belum
Ansys Main Menu, Solution, Solve, Current LS, OK.
10. Melihat hasil analisa
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
General Postproct, Plot Result, Nodal Solution, Dof Solution, Translation UY, OK
Maka akan muncul hasil perpindahannya
Perpindahan batang propil IWF 400 x 200
Perpindahan batang propil IWF 350 x 175
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Perpindahan Batang pada modifiksai model 1
Hasil Simulasi Tegangan
Untuk melihat hasil tegangan terlebih dahulu dilakukan pemisahan tegangan dan regangan
dengan cara
Ansys Main Menu, General prospoct, Element Table, Difine Table, Add, ketik AXStress, pilih By
Sequens Num, LS masukkan 1 lalu OK
Hasil setelah diplot
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Tegangan untuk Propil Baja IWF 400 x 200
Tegangan untuk Propil Baja IWF 350 x 175
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Tegangan untuk modifikasi model1
TUGAS MATA KULIAH ANALISA NUMERIK APLIKASI ANSYS (JEMBATAN RANGKA)
HABIBI EL HADIDHY MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
BAB IV
KESIMPULAN
1. Dari hasil analisa menggunakan Ansys 5.4. didapat bahwa terjadi perpindahan rangka
baja ketika diberi beban merata terutama pada arah Y.
Perpindahan maksimum yang terjadi:
a. Model sebenarnya yaitu -0,049907 m di node 9
b. Model modifikasi 1 (merubah bentuk rangka) yaitu -0,05581 m di node 11
c. Model modifikasi 2 (merubah ukuran propil) yaitu -0,066489 m di node 9
2. Tegangan yang terjadi lebih besar pada propil yang memiliki luas penampang baja lebih
kecil dibandingkan dengan propil baja yang lebih besar namun tegangan pada model
modifikasi rangka 1 lebih kecil dibandingkan model sebenarnya.
Nilai tegangan maksimum yang terjadi
a. Model sebenarnya yaitu 0,23449 x 108 kg/m
2 di elemen 4
b. Model modifikasi 1 (merubah bentuk rangka) 0,23843 x 108 kg/m
2 di elemen 45
c. Model modifikasi 2 (merubah ukuran propil) 0,3124 x 108 kg/m
2 di elemen 4