Upload
others
View
19
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang Volume 8 – ISSN: 2085-2347
F-27
ANALISIS KEKUATAN KOSTUM TIKUS PADA KONSTRUKSI
SALURAN KABEL UDARA JARINGAN TEGANGAN MENENGAH
SECARA PEMODELAN MENGGUNAKAN CATIA V5 Akhmad Faizin, Dipl.Ing.HTL, M.T.
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Malang
E-mail: [email protected]
ABSTRAK
Dalam melakukan penyambungan ketiga ujung Saluran Kabel Udara Jaringan Tegangan Menengah (SKUTM)
secara langsung berdasar aturan tidak diijinkan, walaupun diijinkan peralatan yang digunakan untuk menyambung tidak
tersedia di pasaran. PLN Distribusi Jawa Timur membuat inovasi sebuah Konstruksi SKUTM Khusus Tiga Percabangan
atau KOSTUM TIKUS. Konstruksi menggunakan Plat Copper sebagai terminal untuk menyambung ketiga ujung MVTIC dan
memposisikan plat tersebut pada panjang dan ketinggian tertentu di pole jaringan agar tidak terjadi flash over. Konstruksi
ini sudah dipasang sejak 2008 dan sampai sekarang tidak terjadi permasalahan atau gangguan pada konstruksi tersebut.
Namun untuk menjamin persyaratan keamanan, perlu dilakukan analisis kekuatan dari konstruksi tersebut. Analisis dapat
dilakukan secara ekperimen atau pemodelan. Analisis secara eksperimen memerlukan konstruksi fisik sebenarnya, sehingga
dibutuhkan biaya yang besar dan waktu yang lama. Analisis secara pemodelan merupakan analisis menggunakan software,
sehingga tidak biaya lebih murah dan waktunya lebih singkat. Analisis ini diawali dengan pembuatan desain komponen (part
design) seluruh komponen dari konstruksi. Dimensi dan bentuk desain komponen harus presisi dan sesuai dengan benda
aslinya, supaya dapat memberikan hasil yang akurat. Selanjutnya dapat dilakukan proses analisis melalui: pemberian
tumpuan, pemberian beban, dan proses penghitungan. Setelah dipasang tumpuan dan diberi beban sesuai kondisi
sebenarnya, kemudian dilakukan perhitungan. Hasil perhitungan berupa tegangan dalam satuan N/m2 dan deformasi dalam
satuan mm yang terjadi. Melalui perbandingan antara kekuatan luluh dari material yang digunakan dengan tegangan yang
terjadi didapatkan angka faktor keamanan. Berdasarkan faktor keamanan yang diperoleh inilah suatu komponen dapat
dinyatakan aman atau tidak untuk direkomendasikan penggunaannya.
Hasil analisis secara pemodelan menggunakan software CATIA V5 terhadap konstruksi Kostum Tikus, diperoleh
tegangan yang terjadi, yang besarnya pada setiap komponen bervariasi antara 10,5 N/mm2 hingga 443 N/mm2. Komponen
yang mengalami tegangan terbesar adalah Tiang sebesar 175 N/mm2, Baut Pengikat Klem 3 sebesar 117 N/mm2, dan
Tracker sebesar 443 N/mm2. Hasil perhtungan faktor keamanan diperoleh sebesar 1,3 pada Tiang, 2,1 pada Baut Pengikat
Klem 3, dan 1,2 pada Tracker. Besarnya faktor keamanan tersebut dapat dibandingkan dengan syarat faktor keamanan yang
digunakan oleh institusi terkait. Ketiga komponen tersebut merupakan komponen yang paling rawan mengalami deformasi
plastis (kerusakan) lebih dahulu. Apabila angka faktor keamanan masih memenuhi syarat yang distandarkan, maka
komponen tersebut masih bisa direkomendasikan penggunaannya atau dilakukan perbaikan desain konstruksinya.
Desain konstruksi yang dapat direkomendasikan pada tiang adalah dengan memasang penahan tiang atau mengatur
arah tarikan, pada baut pengikat klem dengan menggunakan grade baut 8.8 atau lebih, dan pada tracker dengan
menggunakan dimensi yang besar.
Kata kunci: konstruksi, pemodelan, tegangan yang terjadi, kekuatan material, faktor keamanan
1. PENDAHULUAN
Konstruksi Saluran Kabel Udara Jaringan
Tegangan Menengah (SKUTM) atau Middle
Voltage Twisted Cable Insulated (MVTIC) untuk
tiga pecabangan belum ada panduannya baik di
SPLN maupun beberapa standar lain.
Permasalahan timbul pada saat pelanggan
meminta keandalan lebih sedang fasilitas cell 20
kV gardu induk untuk dipasang jaringan baru
sudah tidak bisa ditambah. Untuk menyelesaikan
permasalah ini dibuatlah inovasi Konstruksi
SKUTM Khusus 3 Percabangan yang diberi nama
KOSTUM TIKUS, dengan menggunakan acuan
dasar standar konstruksi sambungan yang sudah
dibakukan pada SPLN maupun standar konstruksi
internal PLN Distribusi Jawa Timur. Dalam
melakukan penyambungan ketiga ujung SKUTM
secara langsung berdasar aturan tidak diijinkan.
Jika diijinkan peralatan yang digunakan untuk
menyambung tidak tersedia di pasaran. Kostum
Tikus, seperti pada Gambar 1, menggunakan plat
copper sebagai terminal untuk menyambung
ketiga ujung SKUTM dan memposisikan plat
copper tersebut pada panjang dan ketinggian
tertentu di pole jaringan agar tidak terjadi flash
over. Konstruksi ini sudah dipasang sejak tahun
2008 dan sampai sekarang tidak terjadi
permasalahan/gangguan. Selanjutnya konstruksi
diusulkan agar dapat digunakan sebagai standar
konstruksi PLN.
Pada konstruksi yang akan dibangun atau
digunakan harus dapat memberikan jaminan
kemanan. Jaminan keamanan ini dapat diperiksa
pada faktor keamanan (safety factor) yang
dimiliki setiap komponen konstruksi tersebut.
Besarnya faktor keamanan yang dimiliki setiap
komponen diperoleh melalui perbandingan antara
kekuatan dari material yang digunakan dengan
besarnya tegangan yang terjadi. Guna
mendapatkan besarnya tegangan yang terjadi
dapat dilakukan melalui 2 (dua) metode, yaitu
eksperimen dan pemodelan. Metode eksperimen
memberikan hasil yang real namun membutuhkan
biaya mahal dan waktu lebih lama, karena harus
membangun konstruksi secara nyata,
membutuhkan sensor dan alat ukur. Metode
pemodelan lebih direkomendasikan karena lebih
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang Volume 8 – ISSN: 2085-2347
F-28
murah dan cepat, namun juga dapat memberikan
hasil yang akurat.
Keterangan Gambar:
1. Penyangga 1 (2 buah);
2. Penyangga 2 (3 buah); 3. Baut Pengikat (5 buah);
4. Penyangga 3 (4 buah);
5. Tracker (3 buah).
Gambar 1: Konstruksi Kostum Tikus
Berdasarkan uraian di atas, guna menjamin
keamanan dari konstruksi tersebut, perlu diketahui
besar angka faktor keamanan yang dimiliki setiap
komponen. Melalui angka faktor keamanan, suatu
konstruksi dapat disimpulkan tentang jaminan
keamanannya.
2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Software CATIA
CATIA adalah software produk dari
Dassault Systemes, dimana CAD/CAM/CAE
terintegrasi dalam satu database yang banyak
memberikan kemudahan dalam proses desain
hingga analisis. Beberapa pertimbangan
menggunakan software ini:
- CATIA-Part Design, dapat membantu dalam
proses desain komponen dalam bentuk 3D
(solid) dengan sangat mudah, cepat, dan akurat;
- CATIA-Analysis, dapat membantu dalam proses
analisis terhadap komponen hasil Part Design.
2.2 Data Tiang
2.2.1 Data Tiang SKUTM
2.2.2 Tabel Tiang SUTR
2.3 Data Komponen
Daftar komponen yang digunakan:
Spesifikasi komponen pada Konstruksi:
Gambar 2. Kostum Tikus yang sudah terpasang
Contoh Konstruksi yang sudah terpasang
dapat dilihat pada Gambar 2. Konstruksi ini
diperbaiki desainnya dalam standar, sebagaimana
Gambar 1, yang dilakukan sebagai model
perhitungan kekuatan dalam pengujian ini.
2.4 Asumsi Beban
Asumsi yang digunakan pada proses analisis
dengan metode pemodelan ini adalah:
1. Tiang yang digunakan SKUTM 13/350;
2. Jarak antar tiang 40 meter, lendutan kabel yang
maksimum 3%, dan masa kabel 10 kg/m;
3. Kabel yang ditahan rangka atas panjang @ 2 m
dan yang ditahan rangka bawah @ 3 m;
4. Jumlah Isolator 6 buah dengan masa @ 10 kg;
5. Ketahanan beban pada isolator sebesar 12 kN;
6. Jumlah Arester 3 buah dengan masa @ 10 kg;
7. Jumlah Batang Tembaga 3 buah, dimensi
800x60x5 mm dan masa @ 3 kg;
8. Batang tembaga kabel berdiameter 1,5” diikat
klem terbuat dari pelat aluminium tebal 3 mm
pada rangka bawah dengan 2 buah baut M12.
3. PROSES ANALISIS
3.1 Prosedur Pengujian
Prosedur pengujian yang dilakukan dapat
digambarkan seperti diagram alir berikut:
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang Volume 8 – ISSN: 2085-2347
F-29
Gambar 3. Flowchart Prosedur Pengujian
Keterangan Gambar:
1- Pengumpulan data meliputi: dimensi setiap
komponen, material, dan kondisi pembebanan;
2- Desain komponen meliputi: pembuatan part
dan assembly design dengan software CATIA;
3- Perhitungan tegangan yang terjadi menurut
Von Mises Stress menggunakan software
CATIA;
4- Pemeriksaan kesalahan proses perhitungan
jika ada, dilakukan revisi pada data maupun
desain;
5- Analisis hasil dilakukan guna mendapatkan
faktor keamanan sesuai yang distandarkan
PUSLITBANG PT. PLN (Persero);
6- Rekomendasi dilakukan dalam hal adanya
perbaikan konstruksi yang perlu segera
dilakukan pada konstruksi.
3.2 Desain
Berdasarkan data yang ada, Kostum Tikus
didesain menggunakan CATIA-Part Design. Hal
ini bertujuan untuk mendapatkan bentuk desain
komponen sesuai dengan benda sebenarnya. Hasil
desain setelah dirakit dapat dilihat pada Gambar
6.
Keterangan:
Gambar 4. Desain Kostum Tikus
3.3 Perhitungan Beban
3.3.1 Beban pada Rangka Atas
Beban pada Batang 2 Rangka Atas (F1)
berada pada lokasi tempat Isolator diikat. Beban
ini merupakan beban akibat masa dari komponen-
komponen. Besar beban tersebut adalah:
Beban F1 dibulatkan menjadi 280 kg ≈ 2800 N
dan merupakan beban merata.
3.3.2 Beban pada Rangka Bawah
Beban pada Rangka Bawah (F2)
merupakan beban masa kabel. Kabel diasumsikan
berjumlah 3x3 buah dengan panjang @ 4 meter,
dengan masa kabel 10 kg/m, maka total masa
kabel: 3 x 3 buah x 3 m x 10 kg/m = 270 kg ≈
2700 N dianggap beban merata pada Rangka
Bawah.
3.3.3 Gaya Tarik pada Tracker
Gaya Tarik pada setiap Tracker (F3)
merupakan beban tarik pada kabel, supaya terjadi
lendutan yang tidak lebih dari 3%. Gaya tersebut
besarnya 1000 kg atau 10.000 N.
Gambar 5. Beban pada Kostum Tikus
3.4 Identifikasi Material yang Digunakan
Identifikasi material dilakukan pada material
Batang 1, Batang 2, Tracker, dan Baut Pengikat,
dengan hasil sebagai berikut:
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang Volume 8 – ISSN: 2085-2347
F-30
1) Material Batang 1 dan Batang 2:
Hasil uji tarik material Batang 1 seperti berikut:
Gambar 6. Material Uji Batang 1
Benda Uji 1
Benda Uji 2 Harga rata-rata
2) Material Tracker:
Hasil uji tarik material Tracker seperti berikut:
Gambar 7. Material Uji Tracker
Benda Uji 1
Benda Uji 2
Harga rata-rata
3) Material Baut Pengikat dan Batang Ulir:
Sesuai yang teridentifikasi, baut pengikat dan
batang ulir yang digunakan memiliki grade (kelas
kekuatan) 4.6. Hal ini berarti komponen tersebut
memiliki kekuatan seperti berikut:
3.5 Perhitungan Tegangan
Perhitungan tegangan yang terjadi pada
konstruksi kostum tikus, dilakukan menggunakan
software CATIA. Proses ini dilakukan setelah
pembuatan desain seluruh komponen dan desain
rakitan dari konstruksi selesai dibuat. Pembuatan
desain komponen harus dilengkapi dengan
material yang sesuai. Pada desain rakitan, cara
perakitan, pemberian constraint, dan urutan
perakitan harus dilakukan dengan benar, supaya
mempermudah proses analisis. Selain itu, pada
proses analisis harus menggunakan asumsi yang
benar, misalnya: lokasi tumpuan, jenis tumpuan,
lokasi beban, jenis beban, arah beban, ukuran
mesh, dan lain-lain. Hasil perhitungan yang
diperoleh berupa Tegangan Von Mises dan
deformasi.
4. HASIL
Berdasarkan data yang ada, analisis
dilakukan dengan asumsi beban dan kondisi yang
ada diperoleh hasil perhitungan desain konstruksi
berupa tegangan yang terjadi seperti berikut:
1) Tiang
Gambar 8. Tegangan pada Tiang
Berdasarkan kondisi beban, Tiang
menerima seluruh beban konstruksi, yaitu F1, F2,
F3, beban akibat masa dari Rangka Atas dan
Bawah. Dari seluruh beban yang bekerja, yang
paling dominan adalah F3 yang besarnya 1000 kg
= 10.000 N. Beban ini merupakan beban tarik
kabel. F3 ini disesuaikan syarat yang ada, bahwa
kabel yang terbentang antar tiang sejauh 40 meter,
tidak boleh mengalami lendutan lebih dari 3%.
Arah dari 3 buah beban F3 ini saling
meninggalkan Tiang dan satu sama lain bersudut
90O.
Hasil perhitungan menunjukkan, tegangan
terbesar yang terjadi pada Tiang sebesar 1,75 x
108 N/m2 = 175 N/mm2. Lokasi tegangan terbesar
terletak pada pergantian penampang dari D=267,4
mm menuju D=216,3 mm (lihat arah tanda
panah). Sedangkan Defleksi maksimum yang
terjadi sebesar 98,6 mm. Lokasi defleksi
maksimum adalah pada ujung bagian atas tiang
(lihat arah tanda panah).
2) Batang 1 dan 2 dari Rangka Atas & Bawah
Gambar 9. Tegangan pada Rangka Atas
Rangka Atas menerima beban F1 yang
ditumpu pada 6 buah Isolator. Rangka Bawah
menerima beban F2 yang ditumpu langsung oleh
UNP 10. F1 lebih besar dibandingkan F2,
sehingga tegangan yang terjadi pada Rangka Atas
lebih besar daripada Rangka Bawah.
Gambar 10. Tegangan pada Batang 1 Rangka Atas
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang Volume 8 – ISSN: 2085-2347
F-31
Gambar 11. Tegangan pada Batang 2 Rangka Atas
Gambar 12. Tegangan pada Batang 1 Rangka Bawah
Hasil perhitungan menunjukkan, bahwa
tegangan terbesar (arah anak panah) terjadi pada:
1. Batang 1 Rangka Atas sebesar 2,98 x 107N/m2
= 29,8 N/mm2;
2. Batang 2 Rangka Atas sebesar 1,05 x 107N/m2
= 10,5 N/mm2;
3. Batang 1 Rangka Bawah sebesar 1,75 x
107N/m2 = 17,5 N/mm2.
3) Batang 3:
Gambar 12. Tegangan yang terjadi pada Batang 3
4) Batang Ulir Rangka Atas dan Bawah
Gambar 13. Tegangan pada Batang Ulir
Tegangan terbesar yang terjadi pada Batang
Ulir Rangka Atas dan Bawah sebesar 4,64 x 107
N/m2 atau sebesar 46,4 N/mm2.
5) Klem 1 dari Rangka Atas dan Bawah:
Gambar 14. Tegangan pada Klem 1 Rangka Atas
Gambar 15. Tegangan pada Klem 1 Rangka Bawah
Tegangan yang terjadi pada Klem 1 yang
terpasang pada Rangka Bawah lebih besar
daripada Rangka Atas. Tegangan terbesar yang
terjadi pada Klem 1 Rangka Atas sebesar 5,27 x
107 N/m2 = 52,7 N/mm2, sedangkan pada Klem 1
Rangka Atas sebesar 8,25 x 107 N/m2 atau 82,5
N/mm2.
6) Klem 2 dari Rangka Atas dan Bawah:
Gambar 16. Tegangan pada Klem 2 Rangka Atas
dan Bawah
Tegangan terbesar yang terjadi pada Klem 2
yang terpasang pada Rangka Bawah lebih kecil
dari data di atas, sehingga tidak perlu ditampilkan
lagi dan dianggap aman. Tegangan terbesar yang
terjadi pada Klem 2 yang terpasang pada Rangka
Atas sebesar 5,04 x 107 N/m2 atau sebesar 50,4
N/mm2.
7) Baut Pengikat Klem 2:
Gambar 17. Tegangan pada Baut Pengikat Klem 2
Tegangan yang terjadi pada Klem 2 Rangka
Bawah aman, maka pemeriksaan hasil
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang Volume 8 – ISSN: 2085-2347
F-32
perhitungan tegangan pada Baut Pengikat Klem 2
dilakukan pada Rangka Atas saja. Tegangan
terbesar yang terjadi pada Baut Pengikat Klem 2
yang terpasang pada Rangka Atas sebesar 3,69 x
107 N/m2 atau sebesar 36,9 N/mm2.
8) Klem 3:
Gambar 18. Tegangan pada Klem 3
Klem 3 merupakan tempat terpasangnya
Tracker, sehingga Klem 3 ini menerima tarikan
langsung dari Tracker. 3 buah Tracker menerima
beban F3 pada arah berbeda sesuai posisi masing-
masing. Tegangan terbesar yang terjadi pada
Klem 3 sebesar 5,86 x 107 N/m2 atau 58,6
N/mm2.
9) Baut Pengikat Klem 3:
Gambar 19. Tegangan pada Baut Pengikat Klem 3
Baut Pengikat Klem 3, berfungsi sebagai
pengait Tracker. Tegangan terbesar yang terjadi
pada Baut Pengikat Klem 3 sebesar 1,17 x 108
N/m2 atau sebesar 117,0 N/mm2.
10) Tegangan pada Tracker:
Gambar 20. Tegangan pada Tracker
3 buah Tracker berfungsi sebagai penarik
beban untuk pengencang kabel, sehingga lendutan
yang terjadi sesuai standar (< 3%). 3 buah Tracker
ini menerima beban F3 pada arah berbeda sesuai
posisinya masing-masing. Tegangan terbesar yang
terjadi pada setiap Tracker besarnya 4,43 x 108
N/m2 atau sebesar 443,0 N/mm2.
5. KESIMPULAN
Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa:
1- Hasil perhitungan beban seperti berikut:
Beban pada Rangka Atas (F1) sebesar 2.800
N;
Beban pada Rangka Bawah (F2) sebesar 2.700
N;
Beban pada Tracker (F3) sebesar 10.000 N.
2- Besarnya tegangan yang terjadi dan safety
factor pada komponen Kostum Tikus adalah:
*) Mild Steel (baja lunak), biasanya komponen yang terbuat dari material baja
dengan kekuatan rendah (St 32 – St 37);
**) Cast Steel (baja tuang), merupakan material dari baja dan proses pembuatannya
dituang/dicor/casting.
3- Safety factor diperoleh berdasarkan kekuatan
dari material yang digunakan dibanding
tegangan yang terjadi hasil static analysis. Pada
jenis material ductile yaitu mild steel, kekuatan
luluh (yield strength) dibandingkan dengan
tegangan yang terjadi, sedang pada material
brittle yaitu cast steel, kekuatan ultimate
(ultimate strength) dibandingkan dengan
tegangan yang terjadi;
4- Hasil perhitungan safety factor pada seluruh
komponen diperoleh angka 1,3 s/d 30. Harga
tersebut selanjutnya disesuaikan dengan standar
harga yang digunakan di industri terkait.
6. SARAN
Alternatif yang dapat dipertimbangkan guna
memperbaiki desain konstruksi yang ada, supaya
mereduksi tegangan yang terjadi adalah:
1. Pada Tiang, dapat dilakukan perbaikan desain:
- Memasang penahan pada posisi dan arah yang
yang sesuai lokasi dan arah beban. Penahan
bisa berupa tiang penyangga atau tarikan sling.
- Mengatur arah gaya supaya seimbang,
sehingga menghasilkan resultan gaya yang
bekerja 0.
Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang Volume 8 – ISSN: 2085-2347
F-33
2. Guna meningkatkan angka safety factor pada
Baut Pengikat Klem 3 yang ditarik Tracker,
dapat digunakan baut dengan grade minimal
8.8;
3. Guna meningkatkan ketahanan terhadap
rawannya kerusakan pada Klem 1, dapat
dilakukan modifikasi desain seperti berikut:
4. Guna melakukan efisiensi pada Klem 3, dapat
dilakukan modifikasi desain seperti berikut:
5. Guna mendapatkan data terhadap gaya
penolakan antar kabel akibat hubung singkat,
perlu dilakukan pengukuran gaya tersebut
secara benar dan akurat.
REFERENSI
1. Kohler J. (1985) Normen auszug, VSM-
Normenbüro, Zürich.
2. Matek W, Muhs D und Wittel H. (1987)
Roloff/Matek Maschinenelemente, Fredr.
Vieweg & Sohn, Braunschweig, Deutschland,
ISBN 3-528-64028-1.
3. Niemann G, Budiman Anton Dipl. Ing.,
Priambodo Bambang (1992) Elemen Mesin I
edisi Kedua, Erlangga, Jakarta.