ANALISIS TEGANGAN STATIK DAN DINAMIK PAD
Seminar Universitas Indonesia
10 April 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.
1
2
3
E-mail : muhammad.awwaluddin@ui.ac.id , josist@eng.ui.ac.id , tsoemardi@eng.ui.ac.id
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.
Kata kunci : Analisis statik, M onorail, Ansys, Tegangan Von misses, Deformasi.
ABSTRACT
The body structure is the main part on the monorail transport system called the monorail. This structure
has a primary function as a buffer around the burden that comes from passengers and other equipment.
so that the strength of the frame must be considered in the manufacturing process and material
selection. In this analysis defined five operational conditions, namely when the passenger load receiving
structure and interior, as well as the structure receives interior and passenger loads due to centrifugal
load carriage turn, then when the structure and the interior received a load of passengers and trains due
to centrifugal loads and loads due to turn wind force, then when the structure and the interior received a
load of passengers and load when going walking, as well as the structure and the interior receives
passenger loads and loads when going running and braking. The analisis process was carried out on the
section by giving a static load and simulated in ANSYS software. The purpose of this analysis was to
determine the deformation or vector transition that occurs as well as critical areas of the structure that
has been created. Once the analysis is done then obtained Von Misses stress is still below the maximum
yield strength, also found the transition vector / total deformation. 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
Keywords: static analysis, monorail, Ansys, Von misses stress, Deformation.
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
1. PENDAHULUAN
Dari data BPS, menunjukkan bahwa
jumlah penduduk bekerja di DKI Jakarta
berjumlah 4,72 juta (per februari 2012).
Jumlah kendaraan roda empat (mobil
pribadi) yang masuk ke Jakarta sekitar
800.000. Jika kenaikan mobil pribadi yang
masuk ke Jakarta sekitar 1.5% setiap
bulan, maka pada Januari 2013 jumlah
mobil pribadi yang masuk ke 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:
[6]
Gambar 1. Monorail PT. MBW
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
machiningnya. SS400 tersedia dalam pelat,
lembaran, Beam, Hollow, dan profil lainnya.
SS400 mempunyai densitas (kg/m3) adalah
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
7860, Young’s Modulus (Gpa) adalah 190210, Tensile Strength (MPa) adalah 400510, 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
Kegiatan penelitian ini dirancang dengan
metode sebagai berikut: Persiapan atau
studi yaitu dilakukan dengan membaca
literatur berkaitan dengan metode yang
digunakan. Kemudian identifikasi atau
pengukuran rangka yaitu dengan mengukur
struktur bodi monorail yang sudah ada
untuk
kemudian
dibuat
geometry
modelnya. Langkah selanjutnya analisis
dengan FEA yaitu dilakukan dengan
software ansys dan prosesnya sesuai pada
gambar 3. Data hasil FEA kemudian di
evaluasi dan di validasi untuk kemudian di
analisa.
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
Dari pembebanan diatas didapatkan hasil
Equivalent von-misses stress sebesar
2,3331e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:
PERSIAPAN / STUDI
Aman dikarenakan masih
di bawah Yeild Strength
material 2,45 e8 M Pa
Ident if ikasi / Pengukur an rangka
Analisis dengan FEA
Pemodelan Struktur rangka
Input dat a mat erial dan
dist ribusi beban
analisa st at is st rukt ur
Gambar 4 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses
Stress untuk pembebanan live load dan interior
load.
DATA HASIL FEA
EVALUASI
& VALIDASI
HASIL
dan diperoleh deformasi sebesar 7,0929
mm, yang dapat dilihat pada gambar 5.
INVALID
VALID
analisa hasil dan pem bahasan
SELESAI
Gambar 2. Flow Chart metodologi penelitian
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Kondisi pertama saat struktur menerima
beban penumpang dan interior.
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 Load 24000 kg / 240000 N
( Live Load + Interior Load)
Total Live Load + Interior Load
(24000 kg / 240000 N )
+ (Centrifugal Load 20000 N)
2
Gambar 3. Support dan Pembebanan dengan
live Load dan Interior load
Gambar 6. Support dan Pembebanan dengan
live Load dan Interior load, serta centrifugal
load.
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
Dari pembebanan diatas didapatkan hasil
Equivalent von-misses stress sebesar
2,3322e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:
Dari pembebanan diatas didapatkan hasil
Equivalent von-misses stress sebesar
2,4178e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:
Aman dikarenakan
masih di bawah Yeild
Strength material
2,45 e8 MPa
Aman dikarenakan masih
di bawah Yeild Strength
material 2,45 e8 M Pa
Gambar 7 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses
Stress untuk pembebanan live load dan interior
load dan centrifugal load.
Gambar 10 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses
Stress untuk pembebanan live load dan interior
load centrifugal load, serta wind load.
dan diperoleh deformasi sebesar 7,093
mm, yang dapat dilihat pada gambar 8.
dan diperoleh deformasi sebesar 7,3067
mm, yang dapat dilihat pada gambar 11.
Gambar 8 . Hasil Solusi Total Deformation
untuk pembebanan live load dan interior load
dan centrifugal load.
Gambar 11 . Hasil Solusi Total Deformation
untuk pembebanan live load dan interior load,
centrifugal load, dan wind load.
Kondisi ketiga saat struktur menerima
beban penumpang, beban interior, beban
sentrifugal dan beban angin. Pembebanan
dapat dilihat dibawah ini:
Kondisi keempat saat struktur menerima
beban penumpang, beban interior, dan
beban start awal.
Total Live Load + Interior Load
(24000 kg / 240000 N ) +
(Centrifugal Load 20000 N) +
Wind Load ( 16000 N)
Total Live Load + Interior Load
(24000 kg / 240000 N )
+ (Starting Load 60000 N)
4
3
@ Dudukan Bogie menerima
30000 N
Gambar 9. Support dan Pembebanan dengan
live Load dan Interior load, centrifugal load,
serta wind load.
Gambar 12. Support dan Pembebanan dengan
live Load, Interior load, serta starting load.
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
Dari pembebanan diatas didapatkan hasil
Equivalent von-misses stress sebesar
2,3363e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:
Dari pembebanan diatas didapatkan hasil
Equivalent von-misses stress sebesar
2,3347e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:
Aman dikarenakan masih
di bawah Yeild Strength
material 2,45 e8 M Pa
Aman dikarenakan masih
di bawah Yeild Strength
material 2,45 e8 M Pa
Gambar 13 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses
Stress untuk pembebanan live load, interior
load, serta starting load.
Gambar 16 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses
Stress untuk pembebanan live load, interior
load, starting load, serta breaking load.
dan diperoleh deformasi sebesar 7,0937
mm, yang dapat dilihat pada gambar 14.
dan diperoleh deformasi sebesar 7,0932
mm, yang dapat dilihat pada gambar 14.
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:
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:
Total Live Load + Interior Load
(24000 kg / 240000 N )
+ ( Load Saat Jalan 60000 N)
+ Breaking Load -30000 N
Tabel 1. Rangkuman hasil simulasi
No
Kondisi
pembebanan
1
saat
struktur
menerima beban
penumpang dan
interior
saat
struktur
menerima beban
penumpang,
interior dan beban
sentrifuga
saat
struktur
menerima beban
penumpang,
beban
interior,
beban sentrifugal
dan beban angin
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.
2
3
Deformasi
Equivalent
von-misses
stress
7,0929 mm
2,3331 e8 N/m
2
7,093 mm
2,3322 e8 N/m
2
7,3067 mm
2,4178 e8 N/m
2
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
4
5
saat
struktur
menerima
beban
penumpang,
beban
interior, dan beban
start awal.
saat struktur
menerima beban
penumpang, beban
interior, beban start
awal serta beban saat
pengereman
7,0937 mm
2,3363e8N/m
2
7,0932 mm
2,3347e8N/m
2
Christopher., Machinery's
29th Edition, 2012
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 vonmisses 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-benangkusu
transportasi-massal-di-jakarta524614. html.
[2] http://www.bisnis.com/m/proyekmonorel-wiweka-berani-pasang-tarifrp7000-rp12000
[3] http://www.beritasatu.com/megapolitan
/80433-pt-mrt-tekan-biayapembangunan-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,
Handbook
[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.
10 April 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.
1
2
3
E-mail : muhammad.awwaluddin@ui.ac.id , josist@eng.ui.ac.id , tsoemardi@eng.ui.ac.id
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.
Kata kunci : Analisis statik, M onorail, Ansys, Tegangan Von misses, Deformasi.
ABSTRACT
The body structure is the main part on the monorail transport system called the monorail. This structure
has a primary function as a buffer around the burden that comes from passengers and other equipment.
so that the strength of the frame must be considered in the manufacturing process and material
selection. In this analysis defined five operational conditions, namely when the passenger load receiving
structure and interior, as well as the structure receives interior and passenger loads due to centrifugal
load carriage turn, then when the structure and the interior received a load of passengers and trains due
to centrifugal loads and loads due to turn wind force, then when the structure and the interior received a
load of passengers and load when going walking, as well as the structure and the interior receives
passenger loads and loads when going running and braking. The analisis process was carried out on the
section by giving a static load and simulated in ANSYS software. The purpose of this analysis was to
determine the deformation or vector transition that occurs as well as critical areas of the structure that
has been created. Once the analysis is done then obtained Von Misses stress is still below the maximum
yield strength, also found the transition vector / total deformation. 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
Keywords: static analysis, monorail, Ansys, Von misses stress, Deformation.
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
1. PENDAHULUAN
Dari data BPS, menunjukkan bahwa
jumlah penduduk bekerja di DKI Jakarta
berjumlah 4,72 juta (per februari 2012).
Jumlah kendaraan roda empat (mobil
pribadi) yang masuk ke Jakarta sekitar
800.000. Jika kenaikan mobil pribadi yang
masuk ke Jakarta sekitar 1.5% setiap
bulan, maka pada Januari 2013 jumlah
mobil pribadi yang masuk ke 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:
[6]
Gambar 1. Monorail PT. MBW
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
machiningnya. SS400 tersedia dalam pelat,
lembaran, Beam, Hollow, dan profil lainnya.
SS400 mempunyai densitas (kg/m3) adalah
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
7860, Young’s Modulus (Gpa) adalah 190210, Tensile Strength (MPa) adalah 400510, 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
Kegiatan penelitian ini dirancang dengan
metode sebagai berikut: Persiapan atau
studi yaitu dilakukan dengan membaca
literatur berkaitan dengan metode yang
digunakan. Kemudian identifikasi atau
pengukuran rangka yaitu dengan mengukur
struktur bodi monorail yang sudah ada
untuk
kemudian
dibuat
geometry
modelnya. Langkah selanjutnya analisis
dengan FEA yaitu dilakukan dengan
software ansys dan prosesnya sesuai pada
gambar 3. Data hasil FEA kemudian di
evaluasi dan di validasi untuk kemudian di
analisa.
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
Dari pembebanan diatas didapatkan hasil
Equivalent von-misses stress sebesar
2,3331e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:
PERSIAPAN / STUDI
Aman dikarenakan masih
di bawah Yeild Strength
material 2,45 e8 M Pa
Ident if ikasi / Pengukur an rangka
Analisis dengan FEA
Pemodelan Struktur rangka
Input dat a mat erial dan
dist ribusi beban
analisa st at is st rukt ur
Gambar 4 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses
Stress untuk pembebanan live load dan interior
load.
DATA HASIL FEA
EVALUASI
& VALIDASI
HASIL
dan diperoleh deformasi sebesar 7,0929
mm, yang dapat dilihat pada gambar 5.
INVALID
VALID
analisa hasil dan pem bahasan
SELESAI
Gambar 2. Flow Chart metodologi penelitian
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Kondisi pertama saat struktur menerima
beban penumpang dan interior.
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 Load 24000 kg / 240000 N
( Live Load + Interior Load)
Total Live Load + Interior Load
(24000 kg / 240000 N )
+ (Centrifugal Load 20000 N)
2
Gambar 3. Support dan Pembebanan dengan
live Load dan Interior load
Gambar 6. Support dan Pembebanan dengan
live Load dan Interior load, serta centrifugal
load.
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
Dari pembebanan diatas didapatkan hasil
Equivalent von-misses stress sebesar
2,3322e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:
Dari pembebanan diatas didapatkan hasil
Equivalent von-misses stress sebesar
2,4178e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:
Aman dikarenakan
masih di bawah Yeild
Strength material
2,45 e8 MPa
Aman dikarenakan masih
di bawah Yeild Strength
material 2,45 e8 M Pa
Gambar 7 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses
Stress untuk pembebanan live load dan interior
load dan centrifugal load.
Gambar 10 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses
Stress untuk pembebanan live load dan interior
load centrifugal load, serta wind load.
dan diperoleh deformasi sebesar 7,093
mm, yang dapat dilihat pada gambar 8.
dan diperoleh deformasi sebesar 7,3067
mm, yang dapat dilihat pada gambar 11.
Gambar 8 . Hasil Solusi Total Deformation
untuk pembebanan live load dan interior load
dan centrifugal load.
Gambar 11 . Hasil Solusi Total Deformation
untuk pembebanan live load dan interior load,
centrifugal load, dan wind load.
Kondisi ketiga saat struktur menerima
beban penumpang, beban interior, beban
sentrifugal dan beban angin. Pembebanan
dapat dilihat dibawah ini:
Kondisi keempat saat struktur menerima
beban penumpang, beban interior, dan
beban start awal.
Total Live Load + Interior Load
(24000 kg / 240000 N ) +
(Centrifugal Load 20000 N) +
Wind Load ( 16000 N)
Total Live Load + Interior Load
(24000 kg / 240000 N )
+ (Starting Load 60000 N)
4
3
@ Dudukan Bogie menerima
30000 N
Gambar 9. Support dan Pembebanan dengan
live Load dan Interior load, centrifugal load,
serta wind load.
Gambar 12. Support dan Pembebanan dengan
live Load, Interior load, serta starting load.
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
Dari pembebanan diatas didapatkan hasil
Equivalent von-misses stress sebesar
2,3363e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:
Dari pembebanan diatas didapatkan hasil
Equivalent von-misses stress sebesar
2,3347e8 Pa. bisa dilihat dibawah ini:
Aman dikarenakan masih
di bawah Yeild Strength
material 2,45 e8 M Pa
Aman dikarenakan masih
di bawah Yeild Strength
material 2,45 e8 M Pa
Gambar 13 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses
Stress untuk pembebanan live load, interior
load, serta starting load.
Gambar 16 . Hasil Solusi Equivalen Von-misses
Stress untuk pembebanan live load, interior
load, starting load, serta breaking load.
dan diperoleh deformasi sebesar 7,0937
mm, yang dapat dilihat pada gambar 14.
dan diperoleh deformasi sebesar 7,0932
mm, yang dapat dilihat pada gambar 14.
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:
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:
Total Live Load + Interior Load
(24000 kg / 240000 N )
+ ( Load Saat Jalan 60000 N)
+ Breaking Load -30000 N
Tabel 1. Rangkuman hasil simulasi
No
Kondisi
pembebanan
1
saat
struktur
menerima beban
penumpang dan
interior
saat
struktur
menerima beban
penumpang,
interior dan beban
sentrifuga
saat
struktur
menerima beban
penumpang,
beban
interior,
beban sentrifugal
dan beban angin
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.
2
3
Deformasi
Equivalent
von-misses
stress
7,0929 mm
2,3331 e8 N/m
2
7,093 mm
2,3322 e8 N/m
2
7,3067 mm
2,4178 e8 N/m
2
Seminar Universitas Indonesia
10 April 2013
4
5
saat
struktur
menerima
beban
penumpang,
beban
interior, dan beban
start awal.
saat struktur
menerima beban
penumpang, beban
interior, beban start
awal serta beban saat
pengereman
7,0937 mm
2,3363e8N/m
2
7,0932 mm
2,3347e8N/m
2
Christopher., Machinery's
29th Edition, 2012
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 vonmisses 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-benangkusu
transportasi-massal-di-jakarta524614. html.
[2] http://www.bisnis.com/m/proyekmonorel-wiweka-berani-pasang-tarifrp7000-rp12000
[3] http://www.beritasatu.com/megapolitan
/80433-pt-mrt-tekan-biayapembangunan-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,
Handbook
[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.