Pemodelan Numerik Respon Dinamik Struktur Turbin Angin Akibat Pembebanan Gelombang Air dan Angin.
PEMODELAN NUMERIK RESPON DINAMIK STRUKTUR
TURBIN ANGIN AKIBAT PEMBEBANAN GELOMBANG AIR
DAN ANGIN
Medianto NRP : 0321050Pembimbing : Olga Pattipawaej, Ph.D FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK SIPIL
UNIVERSITAS KRISTEN MARANATHA BANDUNG
ABSTRAK
Energi yang diperoleh selama ini untuk memenuhi kebutuhan hidup manusia bersumber dari fosil. Mengingat bertambah langkanya sumber tersebut maka salah satu alternatif sebagai sumber energi cadangan adalah dengan mengembangkan turbin angin sebagai pembangkit listrik, dimana struktur dari turbin angin itu sendiri berupa beton prategang.
Dalam Tugas Akhir struktur turbin angin yang dipilih adalah Horizontal–
axis Wind Turbine. Turbin angin ini terletak didaerah laut dangkal dengan
kedalaman hingga 15 meter. Beban-beban yang bekerja pada turbin angin antara lain, beban mati, beban hidup, beban angin, beban gempa, dan beban gelombang air. Beban gelombang air dan angin merupakan beban dinamik yang dirumuskan menjadi persamaan Morison.
Data struktur turbin angin diambil dari Kiyomiya, Rikiji, dan van Gelder tahun 2002 dengan ketinggian struktur adalah 55 meter. Gelombang acak berdasarkan spektrum Jonswap yang kemudian ditransformasikan ke riwayat waktu dengan menggunakan Fast Fourier Transform. Penyelesaian persamaan dinamik menggunakan iterasi Newmark dengan menggunakan program MATLAB. Respon dinamik yang ditinjau adalah peralihan setiap titik nodal. Berdasarkan hasil analisis, nilai peralihan maksimum terjadi di titik nodal terbesar
(2)
vi
DAFTAR ISI
SURAT KETERANGAN TUGAS AKHIR...i
SURAT KETERANGAN SELESAI TUGAS AKHIR...ii
ABSTRAK...iii
PRAKATA...iv
DAFTAR ISI...vi
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN...viii
DAFTAR GAMBAR...x
DAFTAR TABEL...xii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah...1
1.2 Maksud dan Tujuan Penulisan...2
1.3 Ruang Lingkup Pembahasan...3
1.4 Sistematika Pembahasan...4
1.5 Sistematika Pemikiran...5
BAB 2 BANGUNAN TURBIN ANGIN 2.1 Sejarah Bangunan Turbin Angin...6
2.2 Jenis-jenis Turbin Angin...11
2.3 Karakteristik Bangunan Turbin Angin...13
2.3.1 Karakteristik Fisik Bangunan Turbin Angin...13
2.3.2 Karakteristik Operasional Bangunan Turbin Angin...15
2.4 Kelas Kepadatan Daya Angin (Wind Power Density)...18
(3)
2.5" Lokasi Turbin Angin...19
2.6" Jenis Pondasi Turbin Angin...20
BAB 3 GAYA YANG BEKERJA PADA STRUKTUR 3.1 Pemodelan Beban Gelombang...21
3.2 Pemodelan Beban Angin...29
BAB 4 METODOLOGI PEMBAHASAN 4.1 Penerapan Model Matematika...34
4.2 Data Berat dan Massa tiap Elemen...36
4.3 Perhitungan Momen Inersia dan Kekakuan tiap Elemen...36
4.4 Matriks Massa dan Kekakuan...42
4.4.1 Matriks Massa...43
4.4.2 Matriks Kekakuan...44
4.5 Perhitungan Matriks Redaman (Damping)...46
BAB 5 ANALISIS DAN PEMBAHASAN 5.1" Persamaan Kesetimbangan Dinamik...49
5.2" Hasil Running Program MATLAB...51
5.2.1 Berdasarkan Perhitungan Momen Inersia dengan cara Tributary Area.....51
5.2.2" Berdasarkan Perhitungan Momen Inersia dengan cara Momen Inersia Rata-rata...53
BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan...55
6.2 Saran...56
(4)
viii
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN
a = Amplitudo gelombang, m
[ ]
C = Matriks redaman, kg / det CA = Koefisien added massCD = Koefisien seret
CM = Koefisien inersia
D = Diameter silinder, m
D , j
D = Luas dari segmen yang ditinjau, m2
I , j
D = Volume dari segmen yang ditinjau, m3
F t , x•
⎧ ⎛ ⎞⎫
⎨ ⎜⎝ ⎟⎠⎬
⎩ ⎭ = Vektor dari gaya luar
f = Frekuensi gelombang, Hz f0 = Frekuensi gelombang awal, Hz
g = Gravitasi, m2 / s H = Tinggi gelombang, m h = Kedalaman laut rata-rata, m
[ ]
K = Matrik kekakuan struktur, kg / mk = Bilangan gelombang, wave number, rad / m L = Panjang gelombang, m
[ ]
M = Matrik massa total, kg sec2 / m MWL = Muka air laut rata-rata, m T = Perioda gelombang, det(5)
u = Kecepatan partikel air, m / det u• = Percepatan air, m / s2
j
u = Kecepatan di bagian atas segmen yang ditinjau, m / det
j
u
•
= Percepatan rata-rata di bagian atas segmen yang ditinjau, m / det2
•
x = Kecepatan silinder, m / det
••
x = Percepatan silinder, m / det2
j
x• = Kecepatan di titik tengah dari segmen yang ditinjau, m / det
j
x
••
= Percepatan di titik tengah dari segmen yang ditinjau, m / det2
{ }
x = Perpindahan titik nodal, m{ }
x• = Kecepatan titik nodal, m / det{ }
x•• = Percepatan titik nodal, m / det2η = Jarak vertikal dari permukaan laut rata-rata hingga permukaan air pada saat tertentu, m
ρ = Kepadatan massa air, N / m3
m
ζ = Rasio redaman pertama
n
ζ = Rasio redaman kedua
m
ω = Frekuensi natural pertama, rad / det
n
(6)
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Turbin Angin Pertama di Dunia dengan Kapasitas Megawatt
yang terletak di Grandpa’s Knob...7
Gambar 2.2 Tiga Turbin Angin Mod-2 NASA/DOE berkekuatan 7,5 megawatt di Goodnoe Hills, Washington (1981)...9
Gambar 2.3 Horizontal-axis Wind Turbine (HAWT)...12
Gambar 2.4 Vertical-axis Wind Turbine (VAWT)...12
Gambar 2.5 Bangunan Turbin Angin...13
Gambar 2.6 Wilayah Zona Perairan Laut...19
Gambar 3.1 Gelombang Berjalan dengan Amplitudo Kecil...22
Gambar 3.2 Energi Density Spektrum Gelombang di Permukaan...26
Gambar 3.3 Gelombang pada Permukaan Air dengan Riwayat Waktu...27
Gambar 3.4 Spektrum Turbulen yang diusulkan oleh Harris, 1968...31
Gambar 3.5 Simulasi Turbulen dengan menggunakan Spektrum yang telah ditentukan...32
Gambar 4.1 Pemodelan Struktur Turbin Angin dengan Titik Nodal...35
Gambar 4.2 Potongan Melintang Menara (Tower)...36
Gambar 4.3 Perhitungan Momen Inersia per-elemen pada Struktur Turbin Angin dengan cara Tributary Area...37
Gambar 4.4 Perhitungan Momen Inersia per-elemen pada Struktur Turbin Angin dengan cara Momen Inersia Rata-rata...39
Gambar 5.1 Grafik Respon/Peralihan Maksimum pada Titik Nodal 11 dengan Riwayat Waktu.. ...52
(7)
Gambar 5.2 Grafik Peralihan vs Kedalaman Titik Nodal...52 Gambar 5.3 Grafik Respon/Peralihan Maksimum pada Titik Nodal 11
dengan Riwayat Waktu...54 Gambar 5.4 Grafik Peralihan vs Kedalaman Titik Nodal...54
(8)
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Komponen Bangunan Turbin Angin...14 Tabel 2.2 Kelas dari Kepadatan Daya Angin 10 m dan 50 m
diatas permukaan tanah/air...19 Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Berat dan Massa tiap Elemen...36 Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Momen Inersia dan Kekakuan dengan cara
Tributary Area...38 Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Momen Inersia dan Kekakuan dengan cara
Momen Inersia rata-rata...41 Tabel 5.1 Peralihan Maksimum Struktur dengan Perhitungan
Momen Inersia cara Tributary Area...51 Tabel 5.2 Peralihan Maksimum Struktur dengan Perhitungan
(9)
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Energi yang diperoleh selama ini untuk memenuhi kebutuhan hidup manusia banyak berasal dari fosil seperti batu bara, bahan bakar minyak, dan gas alam. Mengingat bertambah langkanya bahan-bahan energi tersebut maka salah satu alternatif sebagai sumber energi cadangan adalah dengan mengembangkan turbin angin yang dapat menghasilkan energi dalam jumlah yang cukup besar. Akan tetapi, struktur dari turbin angin ini sangatlah rumit dalam pelaksanaannya
(10)
2 dan perlu perhatian khusus dalam perawatannya. Pembebanan akibat gelombang air dan angin pada struktur turbin angin dipengaruhi oleh faktor-faktor internal struktur dan kondisi eksternal yang mengikutinya. Gelombang air pada laut, angin, gempa bumi, pergerakan tanah, kekakuan tanah, badai, pertumbuhan organik adalah faktor eksternal yang sangat tidak menentu dapat terjadi kapan pun sehingga sulit untuk dimodelkan.
Struktur-struktur yang dibebani oleh angin dan gelombang air perlu dianalisis dengan cermat , terutama pada saat terjadinya respon struktur yang didominasi oleh interaksi antara struktur dengan fluida dan angin yang ada di sekelilingnya. Interaksi struktur dengan fluida dan angin tersebut dimanifestasikan oleh munculnya massa tambahan (added mass) dalam dinamika responnya.
Interaksi antara struktur dengan fluida dalam pembebanan gelombang dapat dirumuskan melalui persamaan gaya Morison, yaitu dalam bentuk penjumlahan gaya inersia dan gaya seret. Sementara interaksi antara struktur dengan angin dapat di rumuskan melalui kecepatan angin dan turbulen (fluktuasi) kecepatan angin.
1.2 Maksud dan Tujuan Penulisan
Pengerjaan Tugas Akhir ini lebih dititikberatkan dalam mempelajari pengaruh gelombang air dan angin terhadap respon dari suatu struktur turbin angin. Analisis dan perhitungan dibuat untuk memperoleh riwayat waktu perpindahan, yaitu yang searah dengan gelombang dan angin. Perhitungan momen inersia dilakukan dengan 2 langkah yakni; dengan Tributary Area dan Momen Inersia Rata-rata. Hal ini dilakukan guna membandingkan hasil respon
(11)
3 (peralihan), kemudian dari hasil perbandingan akan diambil respon (peralihan) terbesar.
Data struktur turbin angin, gelombang, dan angin diperoleh dari Osamu Kiyomiya, Tatsuomi Rikiji, dan Pieter H.A.J.M. van Gelder tahun 2002.
1.3 Ruang Lingkup Pembahasan
Struktur pembangkit listrik yang dipilih dalam Tugas Akhir ini adalah turbin angin. Jenis turbin angin yang ditinjau adalah Horizontal-axis Wind
Turbine (HAWT). Tinggi menara (tower) turbin angin adalah 55 meter, yang
ditempatkan pada perairan laut dangkal sedalam 15 meter. Material yang digunakan adalah Beton Prategang (Pre-stressed Concrete). Dari material ini akan diperoleh massa dan kekakuan. Sedangkan redaman (damping) merupakan kombinasi linier dari matriks massa dan matriks kekakuan.
Adapun beban yang bekerja pada struktur turbin angin adalah beban gelombang air dan angin. Persamaan gelombang berdasarkan gelombang airy dan spektrum yang digunakan adalah spektrum JONSWAP. Persamaan gaya angin yang dibentuk berdasarkan kecepatan angin dan turbulen (fluktuasi) dari angin itu sendiri. Spektrum turbulen (fluktuasi) angin yang digunakan adalah spektrum tertentu. Spektrum gelombang dan turbulen kemudian ditransformasikan kedalam riwayat waktu dengan metoda FFT (Fast Fourier Transform).
Analisis dalam domain waktu mengacu kepada penyelesaian langsung persamaan kesetimbangan dinamik sebuah struktur, di mana dalam persamaan kesetimbangan tersebut sudah termasuk massa, kekakuan, redaman (damping), beban gelombang, dan beban angin. Untuk efek kelangsingan dan P− Δ pada
(12)
4 struktur menara diabaikan. Persamaan kesetimbangan dinamik akan diselesaikan dengan metoda numerik yang menggunakan program MATLAB.
1.4 Sistematika Pembahasan
Sistematika pembahasan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : Bab 1, PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan latar belakang masalah, maksud dan tujuan penulisan, ruang lingkup pembahasan, sistematika pembahasan, dan sistematika pemikiran.
Bab 2, BANGUNAN TURBIN ANGIN
Bab ini membahas tentang sejarah struktur turbin angin, jenis-jenis turbin angin, bagian-bagian penting turbin angin, daya masing-masing turbin angin, dan lokasi turbin angin.
Bab 3, GAYA YANG BEKERJA PADA STRUKTUR
Bab ini menjelaskan teori pembentukan persamaan gelombang dan angin serta parameter yang mempengaruhinya.
Bab 4, METODOLOGI PEMBAHASAN
Bab ini membahas tentang perhitungan inersia dengan 2 cara dan bagaimana menyelesaikan persamaan kesetimbangan dinamik dengan metoda numerik pada struktur turbin angin.
Bab 5, ANALISIS DAN PEMBAHASAN
Bab ini menganalisis dan membahas hasil respon dari struktur turbin angin.
(13)
5 Bab 6, KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini menyajikan kesimpulan atas hasil perhitungan dan analisis yang telah dibahas pada bab sebelumnya serta beberapa saran sehubungan dengan perhitungan yang telah dilakukan.
1.5 Sistematika Pemikiran
Angin Gelombang
Massa, Kekakuan, dan Redaman
Beban Struktur
Persamaan Dinamik
(14)
55
BAB 6
KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 Kesimpulan
1. Peralihan maksimum terjadi di titik nodal ke-11, yaitu sebesar 0,1435 meter terhadap sumbu negatif dan peralihan minimum terjadi di titik nodal ke-1, yaitu sebesar 0,0100 meter terhadap sumbu positif.
2. Perhitungan momen inersia dengan cara Tributary Area dan Momen Inersia rata-rata ternyata menghasilkan perbedaan yang kecil pada peralihan yang terjadi, yaitu berkisar 0,0002 meter.
(15)
56
3." Dari hasil perbandingan peralihan berdasarkan momen inersianya
ternyata peralihan yang dihasilkan oleh cara perhitungan Tributary
Area lebih besar dibanding dengan cara Momen Inersia rata-rata.
6.2"Saran
1." Untuk menghasilkan peralihan yang lebih akurat sebaiknya pembagian
titik nodal pada struktur lebih diperbanyak.
2." Selain gaya gelombang dan angin, sebaiknya gaya-gaya lain
diikutsertakan seperti gempa.
3." Sebaiknya efek P− Δ diperhitungkan pada struktur.
4." Pengaruh efek kelangsingan pada struktur juga sebaiknya
(16)
57
DAFTAR PUSTAKA
1." Burke, Ben.G., and Tighe James T. (1971), A Time Series Model for
Dynamic Behavior of Offshore Structure, J., Offshore Technology
Conference, Texas.
2." Clough, R. W., and Penzien, J.P. (1993), Dynamic of structures, 2nd edition,
McGraw Hill, New York.
3." Coelingh, J.P, van Wijk, A.J.M, and Hotslag, A.A.M. (1999). Analysis of
Wind Speed Obseervation over North Sea, Journal of Wind Engineering and
Industrial Aerodynamics 61, pp51-79.
4." Darlymple, Robert A., and Dean, Robert G. (1984), Water Wave Mechanics
for Engineers and Scientists Volume 2, World Scientific, New Jersey.
5." Graff, W.J. (1981), Introduction to Offshore Structures, Gulf Publishing
Company, Houston.
6." Hadipratomo, Winarni. (2005), Struktur Beton Prategang, Penerbit Nova,
Bandung.
7." MacLeod, Lain.A. (2005), Modern Structural Analysis, Thomas Telford Ltd,
Great Britain.
8." Pattipawaej, O.C. (2003), Modeling Uncertainty in the Dynamic Respons of
Structures, Disertasi, Texas A & M University, College Station, Texas.
9." Paz, Mario. (1990), Dinamika Struktur, Edisi Kedua, terjemahan Ir. Manu
A.P., Penerbit Erlangga, Jakarta.
10."Sarpkaya, Turgut., and Isaacson, Michael. (1928), Mechanics of Wave
Forces on Offshore Structures, Van Nostrand Reinhold Company, New
York.
11."Timoshenko, Stephen.P, and Gere, James.M. (1963), Theory Of Elastic
Stability, Edisi Kedua, McGraw-Hill International, Singapore.
12."U.S. Department of Energy and National Renewable Energy Laboratary,
Wind Power Today, DOE/GO-102000-0966, Washington, DC, April 2000.
p.31-32
(1)
3
(peralihan), kemudian dari hasil perbandingan akan diambil respon (peralihan) terbesar.
Data struktur turbin angin, gelombang, dan angin diperoleh dari Osamu Kiyomiya, Tatsuomi Rikiji, dan Pieter H.A.J.M. van Gelder tahun 2002.
1.3 Ruang Lingkup Pembahasan
Struktur pembangkit listrik yang dipilih dalam Tugas Akhir ini adalah turbin angin. Jenis turbin angin yang ditinjau adalah Horizontal-axis Wind Turbine (HAWT). Tinggi menara (tower) turbin angin adalah 55 meter, yang ditempatkan pada perairan laut dangkal sedalam 15 meter. Material yang digunakan adalah Beton Prategang (Pre-stressed Concrete). Dari material ini akan diperoleh massa dan kekakuan. Sedangkan redaman (damping) merupakan kombinasi linier dari matriks massa dan matriks kekakuan.
Adapun beban yang bekerja pada struktur turbin angin adalah beban gelombang air dan angin. Persamaan gelombang berdasarkan gelombang airy dan spektrum yang digunakan adalah spektrum JONSWAP. Persamaan gaya angin yang dibentuk berdasarkan kecepatan angin dan turbulen (fluktuasi) dari angin itu sendiri. Spektrum turbulen (fluktuasi) angin yang digunakan adalah spektrum tertentu. Spektrum gelombang dan turbulen kemudian ditransformasikan kedalam riwayat waktu dengan metoda FFT (Fast Fourier Transform).
Analisis dalam domain waktu mengacu kepada penyelesaian langsung persamaan kesetimbangan dinamik sebuah struktur, di mana dalam persamaan kesetimbangan tersebut sudah termasuk massa, kekakuan, redaman (damping), beban gelombang, dan beban angin. Untuk efek kelangsingan dan P− Δ pada
(2)
Universitas Kristen Maranatha struktur menara diabaikan. Persamaan kesetimbangan dinamik akan diselesaikan dengan metoda numerik yang menggunakan program MATLAB.
1.4 Sistematika Pembahasan
Sistematika pembahasan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : Bab 1, PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan latar belakang masalah, maksud dan tujuan penulisan, ruang lingkup pembahasan, sistematika pembahasan, dan sistematika pemikiran.
Bab 2, BANGUNAN TURBIN ANGIN
Bab ini membahas tentang sejarah struktur turbin angin, jenis-jenis turbin angin, bagian-bagian penting turbin angin, daya masing-masing turbin angin, dan lokasi turbin angin.
Bab 3, GAYA YANG BEKERJA PADA STRUKTUR
Bab ini menjelaskan teori pembentukan persamaan gelombang dan angin serta parameter yang mempengaruhinya.
Bab 4, METODOLOGI PEMBAHASAN
Bab ini membahas tentang perhitungan inersia dengan 2 cara dan bagaimana menyelesaikan persamaan kesetimbangan dinamik dengan metoda numerik pada struktur turbin angin.
Bab 5, ANALISIS DAN PEMBAHASAN
Bab ini menganalisis dan membahas hasil respon dari struktur turbin angin.
(3)
5
Bab 6, KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini menyajikan kesimpulan atas hasil perhitungan dan analisis yang telah dibahas pada bab sebelumnya serta beberapa saran sehubungan dengan perhitungan yang telah dilakukan.
1.5 Sistematika Pemikiran
Angin Gelombang
Massa, Kekakuan, dan Redaman
Beban Struktur
Persamaan Dinamik
(4)
Universitas Kristen Maranatha
55
BAB 6
KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 Kesimpulan
1. Peralihan maksimum terjadi di titik nodal ke-11, yaitu sebesar 0,1435 meter terhadap sumbu negatif dan peralihan minimum terjadi di titik nodal ke-1, yaitu sebesar 0,0100 meter terhadap sumbu positif.
2. Perhitungan momen inersia dengan cara Tributary Area dan Momen Inersia rata-rata ternyata menghasilkan perbedaan yang kecil pada peralihan yang terjadi, yaitu berkisar 0,0002 meter.
(5)
56
3." Dari hasil perbandingan peralihan berdasarkan momen inersianya
ternyata peralihan yang dihasilkan oleh cara perhitungan Tributary Area lebih besar dibanding dengan cara Momen Inersia rata-rata.
6.2"Saran
1." Untuk menghasilkan peralihan yang lebih akurat sebaiknya pembagian
titik nodal pada struktur lebih diperbanyak.
2." Selain gaya gelombang dan angin, sebaiknya gaya-gaya lain
diikutsertakan seperti gempa.
3." Sebaiknya efek P− Δ diperhitungkan pada struktur.
4." Pengaruh efek kelangsingan pada struktur juga sebaiknya
(6)
Universitas Kristen Maranatha
57
1." Burke, Ben.G., and Tighe James T. (1971), A Time Series Model for
Dynamic Behavior of Offshore Structure, J., Offshore Technology Conference, Texas.
2." Clough, R. W., and Penzien, J.P. (1993), Dynamic of structures, 2nd edition,
McGraw Hill, New York.
3." Coelingh, J.P, van Wijk, A.J.M, and Hotslag, A.A.M. (1999). Analysis of
Wind Speed Obseervation over North Sea, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 61, pp51-79.
4." Darlymple, Robert A., and Dean, Robert G. (1984), Water Wave Mechanics
for Engineers and Scientists Volume 2, World Scientific, New Jersey.
5." Graff, W.J. (1981), Introduction to Offshore Structures, Gulf Publishing
Company, Houston.
6." Hadipratomo, Winarni. (2005), Struktur Beton Prategang, Penerbit Nova,
Bandung.
7." MacLeod, Lain.A. (2005), Modern Structural Analysis, Thomas Telford Ltd,
Great Britain.
8." Pattipawaej, O.C. (2003), Modeling Uncertainty in the Dynamic Respons of
Structures, Disertasi, Texas A & M University, College Station, Texas.
9." Paz, Mario. (1990), Dinamika Struktur, Edisi Kedua, terjemahan Ir. Manu
A.P., Penerbit Erlangga, Jakarta.
10."Sarpkaya, Turgut., and Isaacson, Michael. (1928), Mechanics of Wave
Forces on Offshore Structures, Van Nostrand Reinhold Company, New York.
11."Timoshenko, Stephen.P, and Gere, James.M. (1963), Theory Of Elastic
Stability, Edisi Kedua, McGraw-Hill International, Singapore.
12."U.S. Department of Energy and National Renewable Energy Laboratary,
Wind Power Today, DOE/GO-102000-0966, Washington, DC, April 2000. p.31-32