PENGUJIAN MODEL CHIMNEY DI DALAM TEROWONGAN ANGIN UNTUK MENENTUKAN BEBAN ANGIN STATIK PADA PONDASI

Transkripsi

1 PENGUJIAN MODEL CHIMNEY DI DALAM TEROWONGAN ANGIN UNTUK MENENTUKAN BEBAN ANGIN STATIK PADA PONDASI Syariefatunnisa 1, Angga Dwi Saputra 2 1,2 Balai Besar Teknologi Aerodinamika, Aeroelastika, dan Aeroakustika (BBTA3), BPPT, Serpong Kawasan Puspiptek, Gedung 240, Setu, Tangerang Selatan, Telp (021) ) syariefatunnisa@bppt.go.id, 2) angga.dwi@bppt.go.id Abstrak Struktur cerobong asap yang tinggi dan langsing akan rentan terhadap beban angin, sehingga informasi beban angin yang diterima oleh struktur perlu diketahui dalam perancangan bangunan tersebut. Salah satu cara untuk mendapatkan informasi beban angin yang diterima struktur adalah melalui pengujian model di dalam terowongan angin. Makalah ini akan membahas langkah-langkah pengujian model chimney di dalam terowongan angin sesuai standar ASCE 7-10 untuk mendapatkan nilai beban angin. Beban angin yang dimaksud adalah beban aerodinamika statik pada pondasi yang terdiri dari gaya hambat, gaya samping, momen guling dan momen angguk, yang dinyatakan dalam nilai non dimensional berupa koefisien gaya dan koefisien momen. Pengujian model chimney dilakukan di dalam terowongan angin milik BBTA3 BPPT, PUSPIPTEK Serpong. Struktur cerobong asap dimodelkan dengan skala 1:250 untuk diletakan pada seksi uji terowongan angin dan di sekitarnya dipasang bangunan lain dengan skala yang sama dengan model chimney. Beban angin pada model chimney diukur menggunakan load cell yang diletakan pada dasar model. Pengujian model dilakukan dengan 37 arah angin yang berbeda dan lapisan batas atmosfer disimulasikan sesuai dengan kondisi terrain yang telah ditentukan. Hasil pengujian ini diperoleh nilai koefisien gaya hambat, samping serta koefisien momen guling dan angguk pada beberapa arah angin. Pada masing-masing arah angin nilai koefisien gaya dan momen berbeda karena adanya pengaruh dari bangunan sekitarnya.metoda pengujian tersebut telah sesuai dengan persyaratan di ASCE 7-10 tentang wind tunnel procedure. Kata kunci: chimney, terowongan angin, load cell, terrain, beban angin 1. PENDAHULUAN Chimney atau cerobong asap pada industri merupakan suatu struktur yang berfungsi untuk mengeluarkan asap sisa pembakaran dari kegiatan industri ke atmosfer. Struktur chimney biasanya berbentuk silinder, tinggi dan ramping. Oleh karena bentuknya yang tinggi dan ramping, maka beban angin perlu diperhitungkan dalam perencanaan pembangunan struktur chimney. Salah satu cara untuk memprediksi beban angin pada gedung yaitu dengan melakukan eksperimen di dalam terowongan angin. Pengujian di dalam terowongan angin telah terbukti menjadi suatu pendekatan yang efisien dan praktis terhadap studi tentang respon struktur gedung tinggi, terutama model cerobong asap, di bawah aliran angin atmosfer [1]. Terdapat beberapa parameter yang dicari dalam pengujian gedung di dalam terowongan angin diantaranya distribusi tekanan pada permukaan struktur, beban pada pondasi, dan getaran pada struktur. Dalam laporan ini dibahas mengenai pengujian model gedung chimney di dalam terowongan angin untuk mendapatkan beban aerodinamika statik yang terjadi pada pondasi model chimney tersebut. Beban aerodinamika statik yang dimaksud yaitu gaya hambat, gaya samping, momen guling dan momen angguk. Pada pengujian di dalam terowongan angin, struktur chimney asli harus diperkecil dengan skala tertentu menyesuaikan dengan seksi uji terowongan angin. Chimney yang telah diperkecil disebut model chimney, sedangkan struktur chimney aktual dinamakan prototipe. Chimney yang akan dikaji merupakan struktur cerobong asap pada industri pulp dan kertas yang terletak di provinsi Riau, dengan dimensi sebagai berikut : -Tinggi : 150 meter 388 SENASPRO 2017 Seminar Nasional dan Gelar Produk

2 -Diameter atas : 3.42 m -Diameter bawah : 12 m 2. DASAR TEORI Terdapat beberapa metode pengukuran model gedung didalam terowongan angin, salah satunya base balance technique. Teknik ini digunakan untuk mengetahui beban angin yang terjadi pada pangkal model. Dalam studi ini, hanya beban statik rata-rata yang akan dicari. Beban statik pada model chimney merupakan gaya dan momen aerodinamika yang diukur pada dasar model chimney. Gaya aerodinamika terdiri dari gaya angkat (Fz), gaya hambat (Fx), dan gaya samping (Fy). Momen aerodinamika terdiri dari momen geleng (Mz), momen guling (Mx), dan momen angguk (My). Alat yang digunakan untuk mengukur gaya dan momen aerodinamika tersebut yaitu load cell 6 komponen. Berikut ini ditampilkan ilustrasi arah gaya dan momen pada model di dalam terowongan angin : Gambar 1. Diagram model axis dalam terowongan angin Nilai gaya-gaya dan momen yang terbaca oleh load cell pada model akan diekstrak menjadi nilai koefisien aerodinamik. Nilai koefisien aerodinamik pada model dan struktur prototipe adalah sama. Sehingga nilai hasil pengujian terowongan angin dapat digunakan untuk menghitung beban pada struktur prototipe. Di bawah ini merupakan persamaan untuk mendapat nilai koefisien hasil pengujian terowongan angina [5] : C C x y Fx Q. S Fy Q. S (1) C C Mx My M x Q. S. L M y Q. S. L T T (2) Q 1 v 2 2 (3) Keterangan : Seminar Nasional dan Gelar Produk SENASPRO

3 F x F y M x M y C x C y C Mx C My : gaya arah x yang terbaca oleh load cell (gaya hambat) : gaya arah y yang terbaca oleh load cell (gaya samping) : momen terhadap sumbu x yang terbaca load cell (momen guling) : momen terhadap sumbu y yang terbaca load cell (moemen angguk) : koefisien gaya arah x (koefisien gaya hambat) : koefisien gaya arah y (koefisien gaya samping) : koefisien momen terhadap sumbu x (koefisien momen guling) : koefisien momen terhadap sumbu y (koefisien momen angguk) Q : tekanan dinamik (Pa) S : luas proyeksi model (m 2 ) L T : panjang referensi pada model chimney (m) ρ : densitas udara dalam terowongan angin (kg/m2) v : kecepatan angin terowongan angin (m/s) Model chimney akan diuji dalam aliran angin Atmospheric Boundary Layer (ABL). Aliran angin ABL merupakan aliran angin yang masih dipengaruhi oleh permukaan bumi. Angin yang masih dipengaruhi oleh permukaan bumi kecepatannya berbeda terhadap ketinggian dan akan membentuk suatu profil yang dinamakan profil ABL (Gambar 2). Kecepatan angin yang terdekat ke permukaan bumi mendekati nol, dan akan meningkat secara gradual sampai ketinggian tertentu (tinggi ABL). Di atas ketinggian ABL kecepatan angin relatif konstan. Secara fisik, profil angin ABL dapat didekati dengan persamaan di bawah ini [7]: z V z V (4) zrref zref Keterangan : V Z : kecepatan pada ketinggian z (m/s) V Zref : kecepatan pada ketinggian referensi (m/s) z : ketinggian di atas permukaan tanah (m) Z ref : ketinggian referensi (m) α : nilai pangkat yang menyatakan kekasaran permukaan terrain Berdasarkan ASCE, nilai α bergantung pada kategori terrain yang terdiri dari coastal area, open terrain, sub urban terrain dan city center terrain. Untuk studi ini, dipilih kategori open terrain. Nilai koefisien aerodinamik dapat dipergunakan setelah pengaruh kecepatan angin kecil. Gambar 2. Profil angin ABL 390 SENASPRO 2017 Seminar Nasional dan Gelar Produk

4 Nilai koefisien aerodinamik dipengaruhi oleh bilangan reynolds. Bilangan reynolds merupakan rasio antara gaya inersia dan gaya viskos, dan merupakan parameter yang penting dalam mekanika fluida. Bilangan reynolds dipengaruhi oleh kecepatan angin. berikut ini persamaan untuk menentukan bilangan Reynold [7] :.u. L Re (5) Keterangan : u L : densitas udara : Viskositas udara : Kecepatan angin : panjang referensi (m) 3. METODE Pengujian dilakukan mengikuti persyaratan yang dicantumkan dalam ASCE Model chimney diuji di dalam terowongan angin LIWET milik BBTA3 BPPT. Terowongan angin LIWET memiliki dimensi seksi uji sebagai berikut : - Tinggi : 1.5 meter - lebar : 2 m - panjang : 10 m Seksi uji terowongan angin LIWET dilengkapi turn table dengan diameter 1.6 meter yang dapat diputar 360 derajat. Dengan dimensi seksi uji tersebut, struktur chimney yang akan diuji dimodelkan dengan skala perkecilan 1:250. Selain struktur chimney, bangunan di sekitar chimney turut dimodelkan di dalam terowongan angin dengan radius 225 m pada kondisi di lapangan. Gambar 3. Layout chimney di lapangan Tahapan pengujian model chimney di dalam terowongan angin adalah sebagai berikut : Seminar Nasional dan Gelar Produk SENASPRO

5 Gambar 4. Tahapan pengujian model chimney di dalam terowongan angin 3.1 Set Up Aliran Dalam prosedur pengujian di terowongan angin, ASCE mensyaratkan angin ABL harus dimodelkan untuk mendapatkan variasi kecepatan angin terhadap ketinggian. Model chimney akan diuji dalam aliran angin ABL kategori open terrain. Untuk mendapatkan aliran angin tersebut di dalam terowongan angin, diperlukan perangkat ABL yang di desain sedemikian rupa sehingga mendekati profil angin kategori ABL yang ditentukan. Perangkat ABL yang digunakan terdiri dari spires dan elemen kekasaran yang diletakan di lantai terowongan angin pada daerah upstream seperti diperlihatkan dalam Gambar 5 (a). Setelah perangkat ABL terpasang, dilakukan simulasi aliran angin ABL dengan cara menghembuskan angin dengan kecepatan tertentu untuk mendapatkan gambaran profil angin di dalam terowongan angin. ABL rake ditempatkan pada turn table terowongan angin, yang di dalamnya terdapat sensor-sensor untuk mengukur besar kecepatan angin. Hasil simulasi angin ABL di dalam terowongan angin ditampilkan dalam Gambar 6 (a) (b) Gambar 5. (a) Konfigurasi spires dan elemen kekasaran (b) ABL rake 392 SENASPRO 2017 Seminar Nasional dan Gelar Produk

6 Gambar 6. Simulasi angin ABL di dalam terowongan angin Kurva warna biru menunjukan profil angin ABL berdasarkan perhitungan sesuai teori. Sedangkan kurva warna merah merupakan profil angin di dalam terowongan angin pada saat diberi kecepatan angin 15 m/s. Kurva warna hijau dan ungu merupakan toleransi error 5%. Terdapat beberapa titik yang keluar dari kurva error 5% pada ketinggian 20 cm hingga 70 cm. 3.2 Set Up Model Model pengujian dibuat sangat rigid. Model uji beserta gedung sekitarnya ditempatkan dalam turn table terowongan angin. Rasio luas frontal model terhadap seksi uji sebesar 8%. Berdasarkan ASCE 7-10, rasio luas frontal model terhadap seksi uji terowongan angin tidak boleh lebih dari 8% [2]. Selama pengujian, model diputar searah jarum jam untuk mensimulasikan arah angin. Terdapat 37 arah angin yang disimulasikan, dengan interval 5 derajat untuk sudut di bawah ± 20 derajat, dan interval 10 derajat untuk sudut di antara 20 derajat dan 340 derajat. Untuk sudut di bawah ± 20, interval sudut dibuat lebih kecil untuk melihat efek arah angin lebih detail. Di bawah ini ditampilkan beberapa konfigurasi model di dalam terowongan angin dengan beberapa variasi sudut datang angin. Pemasangan model pada seksi uji, ditunjukkan pada Gambar 7 dan 8. Sudut 0 Sudut 20 Gambar 7. Konfigurasi model chimney di dalam terowongan angin sudut 0 dan 20 Seminar Nasional dan Gelar Produk SENASPRO

7 Sudut 90 Sudut 210 Gambar 8. Konfigurasi model chimney di dalam terowongan angin 3.3 Set up instrumentasi Load cell yang digunakan adalah JR3 dengan tipe 45E15A4. Load cell merupakan sensor gaya-momen 6 komponen, berbentuk silindris dari bahan monolithic aluminum. Sensor ini memiliki kapasitas maksimum ±800 N dan ±500 Nm. Perangkat keras yang digunakan untuk sistem akuisisi data yaitu modul NI 9234 dan Compact DaQ Spesifikasi NI 9234 adalah sebagai berikut; 51.2 ks/s per channel maximum sampling rate; ±5 V input, 24-bit resolution; IEPE signal conditioning (0 atau 2 ma). Prinsip kerja alat ini yaitu sinyal elektrik yang masuk dalam bentuk voltase akan dibaca pada modul NI 9234 kemudian diubah menjadi sinyal digital. Sinyal digital yang dihasilkan oleh Compact DAQ 9172 akan dikirim ke PC melalui USB, yang kemudian akan diproses untuk menghasilkan nilai gaya dan momen. Load cell dan akuisisi data ditunjukkan pada Gambar 9. Berdasarkan ASCE 7-10, instrumen yang digunakan untuk pengujian harus konsisten dengan pengukuran yang dilakukan. Sebelum dilakukan pengujian terowongan angin terlebih dahulu dilakukan check load atau uji beban untuk memastikan nilai beban yang dibaca adalah benar [2]. Pada proses check load menggunakan sistem puli untuk mengukur 3 arah gaya (Fx, Fy, dan Fz) dan 3 arah momen (Mx, My, dan Mz). Beban yang diberikan oleh load cell berasal dari berat bandul pemberat yang tergantung pada tali logam. Tali logam dihubungkan dengan load cell, dimana antara tali logam dan sumbu load cell harus sejajar. Tali melingkar pada puli, sehingga arah tali logam akan berubah searah dengan gaya gravitasi. Beban yang terbaca pada load cell, nilainya harus mendekati dengan beban benda yang dibebankan pada load cell. (a) (b) Gambar 9 (a) Load cell (b) Perangkat Akuisisi Data Load cell diletakkan di bagian bawah model. Pada bagian atas load cell dipasang model chimney yang diuji, dan bagian bawah dipasang pada struktur base plate yang solid atau rigid. Sumbu model dan load cell diletakkan pada satu garis. Pada Gambar 10 merupakan pemasangan load cell pada model. 394 SENASPRO 2017 Seminar Nasional dan Gelar Produk

8 Arah Angin Model Uji Load Cell 3.4 Pengecekan Bilangan Reynolds Base plate Gambar 10. Konfigurasi peletakan sensor pada model Pengecekan bilangan reynolds bertujuan untuk mengetahui independensi koefisien aerodinamika terhadap kecepatan angin. Model yang telah terpasang pada turn table akan dihembuskan angin dengan beberapa kecepatan angin yaitu 5, 10, 15, dan 20 m/s. Gambar 11 menunjukan hasil pengecekan bilangan reynolds pada model chimney. Terlihat bahwa di atas bilangan reynolds 10000, pengaruh kecepatan angin terhadap koefisien aerodinamika sangat kecil dan nilai koefisien aerodinamika relatif konstan. Berdasarkan ASCE 7-10 dalam bab prosedur wind tunnel mensyaratkan bahwa efek bilangan reynold harus minimal [2]. Maka pengujian dapat dilakukan dengan bilangan reynold di atas atau kecepatan angin di dalam terowongan angin di atas 10 m/s. Untuk studi ini, kecepatan angin yang digunakan yaitu 15 m/s. Gambar 11. Kurva hasil pengecekan bilangan reynolds pada model chimney 3.5 Pengukuran Gaya dan Momen Aerodinamika Model yang telah dipasang pada turn table dihembuskan angin dengan kecepatan 15 m/s di dalam terowongan angin. Load cell yang terpasang pada bagian bawah model akan membaca gaya dan momen yang terjadi akibat hembusan angin tersebut. Data-data yang ditampilkan oleh load cell merupakan nilai rata-rata. Pengujian dilakukan dengan mensimulasikan angin dari 37 arah yang berbeda. Konfigurasi mmodel ketika pengujian terowongan angin ditunjukkan pada Gambar 12 Seminar Nasional dan Gelar Produk SENASPRO

9 4. HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN Gambar 12. Konfigurasi model tampak atas Hasil pengukuran model chimney dengan load cell pada beberapa arah angin ditampilkan dalam Gambar 13 dan 14. Nilai-nilai yang ditampilkan dalam gambar merupakan nilai koefisien aerodinamika yang terdiri dari koefisien gaya hambat, koefisien gaya samping, koefisien momen guling, dan koefisien momen angguk (Cx, Cy, Cmx, Cmy) hasil ekstraksi dari gaya hambat, gaya samping, momen guling dan momen angguk (Fx, Fy, Mx, My) yang terbaca oleh load cell menggunakan persamaan 1, 2, dan 3. (a) (b) Gambar 13. (a) Kurva koefisien gaya hambat (Cx) dan (b) gaya samping (Cy) terhadap arah angin (a) (b) Gambar 14. (a) Kurva koefisien momen guling (Cmx) dan (b) momen angguk (Cmy) terhadap arah angin Pada masing-masing kurva koefisien, nilai koefisien bervariasi tergantung arah angin. Perbedaan nilai koefisien pada tiap-tiap arah angin dikarenakan adanya interference effect dari bangunan di sekitar objek studi. Bangunan sekitar menyebabkan aliran udara menjadi kompleks sehingga menghasilkan besaran beban yang diterima model menjadi tidak seragam. Tanda negatif pada kurva menunjukan bahwa arah gaya dan momen yang bekerja pada model berlawanan dengan perjanjian 396 SENASPRO 2017 Seminar Nasional dan Gelar Produk

10 tanda seperti yang ditampilkan dalam Gambar 1. Nilai koefisien gaya hambat (Cx) maksimum terjadi pada sudut dan gaya samping terjadi pada arah angin dengan sudut Untuk koefisien momen guling (Cmx) maksimum terjadi pada sudut dan koefien momen angguk (Cmy) pada sudut Beban kombinasi maksimum terjadi pada sudut KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengujian, didapatkan kesimpulan sebagai berikut : 1. Hasil pengujian diperoleh nilai koefisien gaya hambat (Cx), koefisien gaya samping (Cy), koefisien momen guling (Cmx), dan koefisien momen angguk (Cmy) yang bervariasi terhadap arah angin akibat interference efffect dari bangunan sekitarnya. 2. Metode pengujian yang dilakukan untuk pengukuran beban angin pada model di dalam terowongan angin sesuai dengan kriteria test condition yang ada di ASCE 7-10 tentang Wind Tunnel Procedure. 3. Nilai koefisien hasil pengujian terowngan angin dapat dipergunakan untuk menghitung prediksi gaya geser dan momen pada pondasi struktur chimney prototipe akibat angin. Informasi ini akan bermanfaat bagi desainer dalam merancang struktur sehingga didapatkan struktur gedung yang dapat menahan beban angin (wind resistant building design). 4. Nilai koefisien gaya hambat (Cx) maksimum terjadi pada sudut dan gaya samping terjadi pada arah angin dengan sudut Untuk koefisien momen guling (Cmx) maksimum terjadi pada sudut dan koefien momen angguk (Cmy) pada sudut Beban kombinasi maksimum terjadi pada sudut DAFTAR PUSTAKA [1] Alok David John, A. G Design Wind Load on Reinforced Concrete Chimney.The Twelfth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction. (pp ). procedia engineering [2] ASCE Minimum Design Load for Building and Other Structure. Virginia : ASCE [3] Geurts, C.P.W. The Use of Wind Tunnel Experiments for Wind Loads on Structures. TNO Built Environment and Geosciences. Netherlands. [4] Holmes, J. D Wind Loading of Structures. London: Spon Press [5] Li, QS, Fu, J.Y, et.al Wind Tunnel and Full Scale of Wind Effect on Chinas s Tallest Building. Science Direct Engineering structure 28 ( pp ) [6] Sachs, Peter Wind Forces In Engineering, 2nd. Edition. Oxford : Pergamon Press; 1978 [7] Simiu, E., & Scanlan, R. H Wind Effects on Structures : Fundamental and Applications to Design. New York: John Wiley & Sons Inc Seminar Nasional dan Gelar Produk SENASPRO