PEMODELAN DAN ANALISIS PENGARUH PENAMBAHAN ISOLATOR GETARAN TERHADAP RESPON DINAMIS SISTEM TURBIN ANGIN TIPE WES 80

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR TM PEMODELAN DAN ANALISIS PENGARUH PENAMBAHAN ISOLATOR GETARAN TERHADAP RESPON DINAMIS SISTEM TURBIN ANGIN TIPE WES 80 DWI ELIANI NRP Dosen Pembimbing Dr. Harus Laksana Guntur, ST., M.Eng. DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017

2 TUGAS AKHIR TM PEMODELAN DAN ANALISIS PENGARUH PENAMBAHAN ISOLATOR GETARAN TERHADAP RESPON DINAMIS SISTEM TURBIN ANGIN TIPE WES 80 DWI ELIANI NRP Dosen Pembimbing: Dr. Eng. Harus Laksana Guntur, S.T., M.Eng. PROGRAM SARJANA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017

3 FINAL PROJECT TM MODELLING AND ANALYSIS OF VIBRATION ISOLATOR ADDITION EFFECTS TOWARDS DYNAMIC RESPONSE OF WES 80 WIND TURBINE SYSTEM DWI ELIANI NRP Advisory Lecturer: Dr. Eng. Harus Laksana Guntur, S.T., M.Eng. BACHELOR PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017

4

5 PEMODELAN DAN ANALISIS PENGARUH PENAMBAHAN ISOLATOR GETARAN TERHADAP RESPON DINAMIS SISTEM TURBIN ANGIN TIPE WES80 Nama Mahasiswa : Dwi Eliani NRP : Jurusan : Teknik Mesin Dosen Pembimbing : Dr. Harus Laksana Guntur, ST., M. Eng. Abstrak Pembangkit listrik tenaga angin/turbin angin adalah suatu pembangkit yang menggunakan angin sebagai sumber energi untuk menghasilkan energi listrik. Dalam mendesain turbin angin perlu memperhatikan banyak aspek, diantaranya vibrasi. Vibrasi merupakan getaran yang tidak diinginkan karena dapat menyebabkan kegagalan dalam hal mekanik. Tidak sedikit kerusakan yang terjadi pada turbin angin terletak pada menaranya. Sehingga efek jangka panjang yang terjadi adalah kerusakan pada menara turbin angin yang dapat menyebabkan turbin angin tidak dapat berfungsi dengan baik. Salah satu cara untuk mereduksi getaran berlebihan adalah dengan menggunakan sistem isolasi getaran. Dasarnya, sistem tersebut melibatkan penggunaan komponen elastis (atau isolator) diantara massa yang bergetar dan sumber getaran. Isolator getaran tersebut diletakkan pada pondasi turbin angin. Sistem isolasi getaran yang digunakan pada tugas akhir ini menggunakan jenis isolator pasif yang terdiri dari komponen elastis (pegas) yang terbuat dari lapisan karet dan baju dan terdapat peredam di tengahnya. Dalam penelitian tugas akhir ini dilakukan simulasi dengan penambahan sebuah isolastor getaran untuk melihat respon dinamis dari sistem utama yaitu turbin angin tipe WES 80 dengan ketinggian 30 meter. Blade dan nacelle turbin angin menerima gaya eksitasi berupa kecepatan angin arah horizontal yang divariasikan. Eksitasi dari kedua massa tersebut diteruskan i

6 ii menuju massa tower yang akan menghasilkan gerak rotasi. Penelitian ini menitikberatkan desain isolator getaran pada pondasi turbin angin dengan dua variasi yaitu variasi konstanta kekakuan dan redaman isolator getaran. Dari simulasi yang dilakukan, didapatkan karakteristik dinamis sistem turbin angin akibat variasi kecepatan angin, variasi konstanta pegas dan redaman isolator getaran. Hasil simulasi menunjukkan bahwa isolator getaran mampu meredam getaran pada turbin angin saat kecepatan angin 5 m/s dan 18 m/s. Pada kecepatan 12 m/s, isolator tidak bekerja efektif karena tidak bekerja saat mendekati atau tepat pada frekuensi naturalnya. Respon reduksi isolator getaran 1, 2, dan 3 rata-rata memiliki nilai yang tidak jauh berbeda apabila di variasikan dengan kecepatan angin. Isolator 1 paling optimum digunakan saat kecepatan angin 5 m/s karena memiliki nilai reduksi sebesar %. Sedangkan isolator 2 dan 3 paling optimum digunakan saat kecepatan 18 m/s karena memiliki nilai reduksi sebesar % dan %. Kata kunci : Isolator getaran, respon dinamis, turbin angin, komponen elastis, kecepatan angin.

7 MODELLING AND ANALYSIS OF VIBRATION ISOLATOR ADDITION EFFECTS TOWARDS DYNAMIC RESPONSE OF WIND TURBINE TYPE WES 80 SYSTEM Student s Name : Dwi Eliani NRP : Department : Mechanical Engineering Advisory Lecturer : Dr. Harus Laksana Guntur, ST., M. Eng. Abstract Wind power plants or wind turbines are a plant that uses the wind as a source of energy to generate electricity. In designing wind turbines need to pay attention to many aspects, including vibration. Vibration is an undesirable effect that causes mechanical failure. Mostly, failure of the wind turbine occurs at its tower. So long-term effects that occur is the damage to wind turbine towers that can cause wind turbines can not work properly. One way to reduce vibration is to use a vibration isolation system. Basically, the system involves the use of elastic components (or isolator) between the vibrating mass and the vibration source. The vibration isolator is placed on the foundation of the wind turbine. The vibration isolation system that used in this final project uses a passive isolator type, consisting of elastic (spring) components made of rubber and clothing layers and there is a silencer in the middle. In this final project, simulation was done with the addition of a vibration isolator to see the dynamic response from the main system that is wind turbine type WES 80 with height 30 meter. Blade and nacelle wind turbines receive an excitation force in the form of wind speed variation in a horizontal. The excitation of the two masses is transmitted to the tower mass which will produce rotational motion. This study focuses on the design of vibration iii

8 iv isolators on wind turbine foundations with two variations, stiffness and damping constant. From the simulation, the dynamic characteristics of wind turbine system due to variations of wind speed, variation of stiffness and damping constant. The simulation results show that the vibration isolator is able to reduce the vibrations in the wind turbine when the wind speed is 5 m / s and 18 m / s. At a speed of 12 m / s, the isolator does not work effectively because it does not work when approaching or precisely at its natural frequency. The average 1, 2, and 3 vibration isolator reduction response has a value that is not much different when varied with wind speed. Isolator 1 is the most optimum used when the wind speed is 5 m / s because it has a reduction value of 24.18%. While isolator 2 and 3 work effectively used at speed 18 m / s because have value of reduction equal to 83.56% and 83.85%. Keywords: Vibration isolator, dynamic response, wind turbine, elastic component, wind speed.

9 KATA PENGANTAR Puji syukur dihaturkan kehadirat Allah Subhanallahu WaTa ala, hanya karena tuntunan-nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan kelulusan pendidikan Sarjana S-1 di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Penyusunan Tugas Akhir ini dapat terlaksana dengan baik atas bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Orangtua penulis, Ibu Yana Husni dan (alm) Bapak FX Himawantoro yang senantiasa mendoakan, membimbing dan memberikan semua hal terbaik untuk penulis. Terimakasih karena telah menjadi seorang ibu dan bapak terbaik bagi penulis. 2. Dr. Harus Laksana Guntur, ST., M.Eng yang selalu memberikan bimbingan dan arahan dalam penulisan Tugas Akhir ini. 3. Dr. Wiwiek Hendrowati, S.T., M.T., Aida Annisa A.D., S.T., M.T., Moch. Solichin, S.T., M.T., dan Achmad Syaifudin, S.T., M.Eng., Ph.D selaku dosen penguji yang telah memberikan saran dan kritik kepada penulis untuk Tugas Akhir ini. 4. Alief Wikarta, ST., M.Sc.Eng. Ph.D. selaku dosen wali yang telah memberikan bimbingan dan semangat selama penulis di bangku perkuliahan. 5. Segenap dosen dan karyawan Jurusan Teknik Mesin FTI ITS, terima kasih atas ilmu yang disampaikan, semoga bermanfaat kedepannya bagi diri penulis dan bagi bangsa dan negara. 6. Teman-teman Lab Vibrasi, yang telah menemani mengerjakan tugas akhir dalam 1 semester terakhir. v

10 vi 7. Keluarga LBMM ITS khususnya LBMM 2013 Begals yang selalu memberikan canda dan tawa dikala sulitnya kehidupan tugas akhir. 8. Serta semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu. Dengan segala keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis, tidak menutup kemungkinan Tugas Akhir ini jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis bersedia menerima kritik dan saran dari berbagai pihak untuk penyempurnaan lebih lanjut.semoga hasil penulisan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak. Surabaya, Juli 2017 Penulis

11 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK... i ABSTRACT... iii KATA PENGANTAR... v DAFTAR ISI... vii DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xv BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Manfaat... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Penelitian Terdahulu Turbin Angin Jenis Turbin Angin Tipe Tower Turbin Angin Potensi Tenaga Angin Sistem Multi Degree of Freedom Forced Multi DoF Vibration Isolasi Getaran Sistem Isolasi Getaran pada Pondasi yang Rigid DVA (Dynamic Vibration Absorber) Gaya Aerodinamik BAB III METODOLOGI Metode Penelitian Pemodelan dan Simulasi Sistem Turbin Angin Tanpa Isolator Getaran Pemodelan Dinamis dan Pembuatan Persamaan Gerak dari Sistem Turbin Angin Tanpa Isolator Getaran vii

12 viii Pembuatan Blok Simulasi Matlab Simulink dari Sistem Turbin Angin Tanpa Isolator Getaran Analisa Grafik Karakteristik Dinamis dari Sistem Turbin Angin Tanpa Isolator Getaran Pemodelan dan Simulasi Sistem Turbin Dengan Isolator Getaran Pemodelan Dinamis dan Pembuatan Persamaan Gerak dari Sistem Turbin Angin Dengan Isolator Getaran Pembuatan Blok Simulasi Matlab Simulink dari Sistem Turbin Angin Dengan Isolator Getaran Analisa Grafik Karakteristik Dinamis dari Sistem Turbin Angin Dengan Isolator Getaran BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Perancangan Sistem Utama dan Isolator Getaran Pemodelan Sistem Utama dan Isolator Getaran Sistem Utama tanpa Isolator Getaran Sistem Utama dengan Isolator Getaran Diagram Blok Input Yang digunakan Blok Diagram Sistem tanpa dan dengan isolator Analisa Pemodelan Respon Input Sinusoidal Kecepatan angin 5 m/s dengan variasi k dan c isolator gataran Kecepatan angin 12 m/s dengan variasi k dan c isolator gataran Kecepatan angin 18 m/s dengan variasi k dan c isolator gataran Respon Input Bump Low impact (severity 1) Medium impact (severity 5) High impact (severity 20) Bode Diagram Pembahasan Sistem turbin angin tanpa isolator getaran... 73

13 4.4.2 Sistem turbin angin dengan isolator getaran BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA BIODATA PENULIS ix

14 x Halaman ini sengaja dikosongkan

15 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 (a) Desain pondasi (b) Skema ilustrasi dari pondasi [2]... 5 Gambar 2.2 (a) Pemasangan isolator getaran pada pondasi bangunan (b) Isolator getaran [2] Gambar 2.3 Perbandingan pengukuran sebelum dan setelah pemasangan sistem isolasi getaran dan estimasi desain [2] Gambar 2.4 Susunan perangkat pengujian [3] Gambar 2.5 Grafik hubungan antara respon amplitudo dengan frekuensi dan rpm [3] Gambar 2.6 Ide dasar dari kontrol semi aktif pada turbin angin dengan peredam magnetorheological [4] Gambar 2.7 Percobaan turbin angin dengan isolator semi aktif [4]... 9 Gambar 2.8 Detail dari sistem pegas dan peredam magnetorheological [4]... 9 Gambar 2.9 (a) Grafik base stress terhadap waktu; (b) Grafik top displacement terhadap waktu dengan dan tanpa isolator getaran [4] Gambar 2.10 Bagian-bagian turbin angin [5] Gambar 2.11 Turbin angin sumbu horizontal [7] Gambar 2.12 Turbin angin sumbu vertikal [7] Gambar 2.13 Turbin angin dengan tipe tubular steel tower [8] Gambar 2.14 Turbin angin dengan tipe lattice tower [8] Gambar 2.15 Turbin angin dengan tipe concrete tower [8] Gambar 2.16 Turbin angin dengan tipe guyed pole tower [8] Gambar 2.17 Skema forced multi dof vibration [11] Gambar 2.18 (a) Pegas tanpa redaman; (b) Pegas dengan redaman; (c) Karet pneumatic [11] Gambar 2.19 Mesin dan komponen elastis pada pondasi rigid (a) sistem single dof ; (b) sistem massapegas-peredam [11] Gambar 2.20 Variasi dari rasio transmisibilitas Tf dengan r [11]. 22 xi

16 xii Gambar 2.21 Variasi transmisibilitas perpindahan (T d) dengan r [11] Gambar 2.22 Efek penggunaan DVA dan tanpa DVA terhadap respon [11] Gambar 2.23 Gaya drag dan gaya lift pada sudu turbin angin horizontal [12] Gambar 3.1 Diagram alir penulisan tugas akhir Gambar 3.2 (a) Model fisik sistem turbin angin tanpa isolator getaran; (b) Model dinamis sistem turbin angin tanpa isolator getaran Gambar 3.3 Diagram alir pembuatan persamaan gerak dan state variable dari sistem turbin angin tanpa isolator getaran Gambar 3.4 Free body diagram sistem utama tanpa isolator getaran Gambar 3.5 Diagram alir pembuatan blok diagram Simulink sistem turbin angin tanpa isolator getaran, variasi kecepatan angin pada konstanta pegas dan redaman kosntan Gambar 3.6 (a) Model fisik sistem turbin angin dengan isolator getaran; (b) Model dinamis sistem turbin angin dengan isolator getaran Gambar 3.7 Diagram alir pembuatan persamaan gerak dan state variable dari sistem turbin angin menggunakan isolator getaran Gambar 3.8 Free body diagram sistem turbin angin menggunakan isolator getaran Gambar 3.9 Diagram alir pembuatan blok diagram Simulink sistem turbin angin menggunakan isolator getaran dengan variasi kecepatan angin Gambar 3.10 Diagram alir pembuatan blok diagram Simulink sistem turbin angin menggunakan isolator getaran dengan variasi konstanta pegas isolator

17 xiii Gambar 3.11 Diagram alir pembuatan blok diagram Simulink sistem turbin angin menggunakan isolator getaran dengan variasi konstanta redaman isolator Gambar 3.12 Kecepatan angin dengan input sinusoidal Gambar 4.1 (a) Rancangan isolator getaran pada pondasi turbin angin (b) Rancangan isolator getaran Gambar 4.2 Pemodelan dinamis sistem turbin angin tanpa isolator getaran Gambar 4.3 Free body diagram sistem utama tanpa isolator getaran Gambar 4.4 Pemodelan dinamis sistem turbin angin dengan isolator getaran Gambar 4.5 Free body diagram sistem utama dengan isolator getaran Gambar 4.6 Kecepatan angin dengan input bump yang dimodifikasi (a) γ = 1 (b) γ = 5 (c) γ = Gambar 4.7 Diagram blok untuk sistem turbin angin tanpa isolator getaran Gambar 4.8 Diagram blok input bump modiefied Gambar 4.9 Diagram blok untuksistem turbin angin dengan isolator getaran Gambar 4.10 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator saat kecepatan angin 5 m/s Gambar 4.11 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator saat kecepatan 12 m/s Gambar 4.12 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator saat kecepatan 18 m/s Gambar 4.13 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama

18 xiv tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator dengan input bump severity Gambar 4.14 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepata n terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator dengan input bump severity Gambar 4.15 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator dengan input bump severity Gambar 4.16 Bode diagram frekuensi terhadap Smplitudo saat kecepatan angin (a) 5 m/s (b) 12 m/s (c) 18 m/s sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan variasi nilai k dan c isolator pada kecepatan angin 5 m/s Gambar 4.17 Grafik respon RMS perpindahan dari massa utama (x 2) tanpa isolator getaran dengan variasi kecepatan angin Gambar 4.18 Grafik respon RMS perpindahan dari massa utama (x 2) dengan isolator getaran dengan variasi isolator dan kecepatan angin Gambar 4.19 Grafik reduks i respon perpindahan sistem turbin angin dengan isolator getaran dengan variasi isolator dan kecepatan angin

19 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Klasifikasi angin berdasarkan kecepatan dalam berbagai satuan [10] Tabel 3.1 Parameter sistem turbin angin Tabel 3.2 Parameter sistem turbin angin Tabel 4.1 Nilai respon dinamis hasil simulasi sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan input bump severity Tabel 4.2 Nilai respon dinamis hasil simulasi sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan input Tabel 4.3 bump severity Nilai respon dinamis hasil simulasi sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan input bump severity Tabel 4.4 Data frekuensi natural sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran Tabel 4.5 Data RMS sistem turbin angin tanpa isolator getaran Tabel 4.6 Data RMS dan reduksi perpindahan sistem turbin angin dengan 3 variasi isolator getaran xv

20 xvi Halaman ini sengaja dikosongkan

21 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Krisis energi yang melanda dunia saat ini juga mempengaruhi Indonesia dan diperkirakan dunia akan beralih ke sumber energi alternatif. Salah satu sumber energi alternatif yang bisa dimanfaatkan ialah angin. Berdasarkan Blueprint Pengelolaan Energi Nasional , potensi angin di Indonesia adalah 4,3 GW, sementara plant yang sudah ada saat ini hanya berkapasitas 1,8 MW [1]. Pembangkit listrik tenaga angin/turbin angin adalah suatu pembangkit yang menggunakan angin sebagai sumber energi untuk menghasilkan energi listrik. Pembangkit ini dapat mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan generator. Turbin angin sendiri memiliki komponen utama yaitu sudu, rotor, generator, dan menara. Dalam mendesain turbin angin perlu memperhatikan banyak aspek, diantaranya vibrasi. Vibrasi merupakan getaran yang tidak diinginkan karena dapat menyebabkan kegagalan dalam hal mekanik. Tidak sedikit kerusakan yang terjadi pada turbin angin terletak pada menaranya. Menara turbin angin seringkali mengalami getaran yang berlebih yang diakibatkan oleh angin yang mengenainya. Pemilihan material dan dimensi juga mempengaruhi getaran yang di timbulkan. Sehingga efek jangka panjang yang terjadi adalah kerusakan pada menara turbin angin yang dapat menyebabkan turbin angin tidak dapat berfungsi dengan baik. Sistem isolasi getaran merupakan salah satu sistem yang dapat digunakan untuk mengurangi efek akibat getaran yang terjadi. Dasarnya, sistem tersebut melibatkan penggunaan komponen elastis (atau isolator) diantara massa yang bergetar dan sumber getaran. Pada penelitian tugas akhir ini menggunakan sistem isolasi getaran jenis isolator pasif yang terdiri dari komponen elastis (pegas) yang terbuat dari lapisan karet dan baja dan terdapat peredam di tengahnya. Isolator getaran tersebut 1

22 2 diletakkan pada pondasi turbin angin. Parameter-parameter yang ada pada sistem isolasi ini seperti konstanta pegas dan redaman akan mempengaruhi karakteristik redaman dari sistem tersebut, serta dapat mempengaruhi respon dinamis dari turbin angin saat sistem isolasi getaran tersebut dipasangkan pada pondasi turbin angin. Oleh karena itu, penelitian tugas akhir ini akan dilakukan pemodelan dan analisa untuk mengetahui respon dinamis dan karakteristik dari turbin angin sebelum dan setelah ditambahkan isolator getaran. 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut. 1. Bagaimana pengaruh penambahan isolator getaran terhadap respon dinamis sistem turbin angin? 2. Bagaimana pengaruh perubahan fluktuasi beban angin terhadap respon dinamis sistem turbin angin? 3. Bagaimana pengaruh perubahan parameter konstanta pegas dan redaman isolator terhadap respon dinamis sistem turbin angin? 1.3 Batasan Masalah Adapun batasan masalah yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut, 1. Angin dimodelkan sebagai input bump dan sinusoidal. 2. Parameter yang digunakan dalam simulasi didapat berdasarkan literatur. 3. Tipe turbin angin yang digunakan adalah WES 80 dengan sumbu mendatar. 4. Tipe tower turbin angin yang digunakan adalah jenis tubular steel tower dengan diameter seragam dan dimodelkan sebagai batang silinder pejal dengan sumbu putar di pusat massanya.

23 3 5. Pondasi turbin angin dimodelkan sebagai persegi. 6. Sistem hanya bergerak secara translasi arah horizontal dan rotasi. 7. Sistem dimodelkan sebagai sistem massa mengumpul. 8. Material struktur pendukung turbin angin homogen. 1.4 Tujuan Adapun tujuan dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut, 1. Mengetahui pengaruh penambahan isolator getaran terhadap respon dinamis sistem turbin angin. 2. Mengetahui perbedaan respon dinamis akibat perubahan fluktuasi beban angin. 3. Mengetahui perbedaan respon dinamis akibat perubahan parameter konstanta pegas dan redaman isolator. 1.5 Manfaat Adapun manfaat dari tugas akhir ini adalah dapat dijadikan dasar dalam merancang sistem isolasi getaran untuk mereduksi getaran pada turbin angin WES 80.

24 4 Halaman ini sengaja dikosongkan

25 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Penelitian Terdahulu Tahun 2016, D. Ulgen et al [2] melakukan penelitian mengenai sistem isolasi getaran pada desain pondasi suatu bangunan. Sistem isolasi getaran terdiri dari massa inersia beton, isolator/peredam, dan pondasi pada tumpuan kaku. Dalam studi ini, penggunaan elemen isolasi yang sangat fleksibel dimaksudkan untuk mengurangi beban dinamis yang terjadi pada frekuensi yang tinggi. Skema dari penelitian ini dapat dilihat pada gambar 2.1 dan 2.2 di bawah ini. (a) (b) Gambar 2.1 (a) Desain pondasi (b) Skema ilustrasi dari pondasi [2]. (a) (b) 5

26 6 Gambar 2.2 (a) Pemasangan isolator getaran pada pondasi bangunan (b) Isolator getaran [2]. Setelah konstruksi dari sistem isolasi getaran pada pondasi terpasang, dilakukan pengukuran getaran untuk penilaian performa dari desain sistem isolasi getaran tersebut. Gambar 2.3 menunjukkan grafik hasil pengukuran awal getaran sebelum dan setelah pemasangan sistem isolasi getaran. Sebelum terpasang sistem isolasi, grafik RMS percepatan cenderung naik seiring dengan kenaikan frekuensi. Sedangkan setelah terpasang, terdapat kenaikan puncak RMS percepatan pada frekuensi dibawah 10 Hz, setelah itu turun kembali dan cenderung konstan seiring dengan kenaikan frekuensi. Ini menunjukan, pemasangan sistem isolasi getaran sebagai solusi untuk meminimalisir getaran yang terjadi pada konstruksi sebuah pondasi. Gambar 2.3 Perbandingan pengukuran sebelum dan setelah pemasangan sistem isolasi getaran dan estimasi desain [2]. Penelitian tentang isolasi getaran juga pernah dilakukan oleh Jalu Adyaksa pada tahun 2006 dengan judul Studi Eksperimen Isolasi Getaran Pondasi Dasar terhadap Lingkungan Sekitarnya [3]. Salah satu sumber getaran paksa adalah massa unbalance. Massa unbalance disebabkan oleh adanya putaran massa yang memiliki eksentrisitas terhadap titik pusat putarannya. Putaran massa akan memberikan gaya eksitasi kepada sistem getaran secara periodi yang menyebabkan sistem getaran bergetar secara terus-menerus.

27 7 Teknologi isolasi getaran memungkinkan untuk mengatahui karakteristik getaran akibat pondasi mesin yang berputar. Susunan perangkat pengujian dapat dilihat pada gambar 2.4 di bawah ini. Gambar 2.4 Susunan perangkat pengujian [3]. Susunan perangkat pengujian terdiri dari : - Massa berputar : Alluminium ( 150 x 5) - Massa unbalance : Baut (M5) Massa 2.5 gram - Motor : YKK, 120 W, 220/250 V, 0.6 A - Peredam : Spons, Karet, Pegas ( k1 = N/m, k2 = N/m, k3 = N/m, k4 = N/m) - Plat atas : St 60 (300 x 200x 8 mm) - Plat bawah : St 60 (300 x 200x 8 mm) Dari hasil pengujian tersebut didapatkan grafik hubungan antara respon amplitude dengan frekuensi dan rpm seperti pada gambar 2.5. Dapat dilihat pada plat A mengalami kenaikan amplitude seiring dengan bertambahnya putaran, pda rpm tertentu amplitude mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya putaran. Pada plat B amplitude mengalami keaikan seiring dengan bertambahnya putaran. Besarnya amplitudo pada plat A lebih kecil dari plat B, hal ini disebabkan respon getaran yang diterima plat B terisolasi. 7

28 8 Gambar 2.5 Grafik hubungan antara respon amplitudo dengan frekuensi dan rpm [3]. Pada tahun 2014, N. Caterino et al. [4] melakukan studi eksperimen mengenai isolator getaran pada turbin angin. Isolator yang digunakan adalah jenis isolator semi-aktif, dimana isolator tersebut dapat dikontrol dengan peralatan elektronik yang terpasang bersamaan dengan isolator. Turbin angin dimodelkan sebagai sistem dinamis dengan satu derajat kebebasan dengan massa di atas tower (m), konstanta pegas dan peredam tower (k T) dan (c T), konstanta pegas isolator dan peredam magnetorheological (k s) dan (c d(t)) yang terkendali di dasar, terlihat seperti pada gambar 2.6 berikut. Gambar 2.6 Ide dasar dari kontrol semi aktif pada turbin angin dengan peredam magnetorheological [4].

29 9 Eksperimen dilakukan dengan spesifikasi turbin angin dengan tinggi dari tower adalah 5,12 meter, terbuat dari baja Q345 (modulus elastisitas Mpa, Poisson ratio 0.3, Tegangan yield 345 Mpa), dengan diameter 133 mm dan tebal 4 mm. Sebuah massa 280 kg diletakan di atas tower yang berada di meja yang bergetar seperti terlihat pada gambar 2.7 dan gambar 2.8 menunjukkan gambar detail dari sistem pegas dan peredam magnetorheological. Gambar 2.7 Percobaan turbin angin dengan isolator semi aktif [4]. Gambar 2.8 Detail dari sistem pegas dan peredam magnetorheological [4].

30 10 Penelitian ini menghasilkan grafik perbandingan respon getaran dari sistem terlihat pada gambar 2.9. Grafik tersebut adalah grafik base stress terhadap waktu dan Grafik top displacement terhadap waktu dengan dan tanpa isolator getaran, menunjukkan bahwa turbin angin yang terpasang sistem isolasi getaran memiliki base stress dan top displacement yang lebih kecil dan lebih baik dari pada turbin angin dengan pondasi yang tetap atau tanpa sistem isolasi getaran. Tanpa Isolator Getaran Dengan Isolator Getaran Gambar 2.9 (a) Grafik base stress terhadap waktu; (b) Grafik top displacement terhadap waktu dengan dan tanpa isolator getaran [4]. 2.2 Turbin Angin Turbin angin merupakan sebuah alat yang digunakan dalam Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). Turbin angin berfungsi merubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik berupa putaran poros. Putaran poros tersebut kemudian digunakan untuk beberapa hal sesuai dengan kebutuhan seperti memutar dinamo atau generator untuk menghasilkan listrik. Secara umum, konfigurasi utama turbin angin poros datar terdiri dari; rotor (blade dan hub), nasel/nacelle, generator, transmisi gearbox, kopling dan

31 11 rem, system orientasi (yaw system), tower, sistem control dan pondasi, seperti diperlihatkan pada gambar Gambar 2.10 Bagian-bagian turbin angin [5]. Secara garis besar, terdapat beberapa bagian bagian turbin angin [6] yaitu : 1. Sudu (Blade /Baling-baling) Rotor trubin angin yang terdiri dari baling-baling/ sudu dan hub merupakan bagian dari turbin angin yang berfungsi menerima energi kinetik dari angin dan merubahnya menjadi energi gerak (mekanik) putar pada poros penggerak. Pada sebuah turbin angin, baling-baling rotor dapat berjumlah 1, 2, 3 atau lebih. 2. Generator Generator merupakan komponen terpenting dalam sistem turbin angin, dimana fungsinya adalah merubah energi gerak (mekanik) putar pada poros penggerak menjadi energi listrik. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator dapat berupa alternating current (AC) maupun direct current (DC) dan tegangan out putnya dapat dari tegangan rendah ( 12 volt) atau sampai tegangan 680 volt atau lebih. 3. Nasel (Nacelle)

32 12 Fungsi nasel adalah untuk menempatkan dan melindungi komponen-komponen turbin angin, yaitu : generator, gearbox, kopling, rem, kontrol, sistem geleng (yawing system). 4. Menara / Tower Menara merupakan tiang penyangga yang fungsi utamanya adalah untuk menopang rotor, nasel dan semua komponen turbin angin yang berada di atasnya. Menara dapat berupa tipe latis (lattice) atau pipa (tubular), baik yang dibantu dengan penopang tali pancang maupun yang self supporting Jenis Turbin Angin Turbin angin dibedakan menjadi dua jenis, yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal: 1. Turbin angin sumbu horizontal (horizontal axis wind turbine atau hawt) merupakan turbin angin dimana sumbu putarnya sejajar dengan tanah seperti gambar (Arwoko, 1999) Gambar 2.11 Turbin angin sumbu horizontal [7]. 2. Turbin angin sumbu vertikal (vertical axis wind turbine atau vawt) merupakan turbin angin dimana sumbu putarnya tegak lurus/vertikal dengan tanah seperti gambar (Arwoko, 1999)

33 13 Gambar 2.12 Turbin angin sumbu vertikal [7] Tipe Tower Turbin Angin Tower turbin angin berfungsi untuk menopang baling-baling dan nasel. Tower untuk turbin angin yang besar dapat berupa tower tubular steel, lattice tower, atau concrete tower. Tower tubular guyed hanya digunakan untuk turbin angin kecil (pengisi daya baterai dll) [8]. 1. Tubular Steel Tower Kebanyakan turbin angin besar menggunakan jenis tubular steel tower. Berbentuk tabung dan terdiri dari beberapa tingkat dengan panjang meter dan di baut disekelilingnya. Tower ini berbentuk kerucut untuk meningkatkan kekuatan dan menghemat material di waktu yang bersamaan. Gambar 2.13 menunjukkan gambar turbin angin dengan tipe tubular steel. Gambar 2.13 Turbin angin dengan tipe tubular steel tower [8].

34 14 2. Lattice Tower Lattice tower dibentuk menggunakan baja yang dilas. Keuntungan dari lattice tower adalah biaya, karena lattice tower hanya membutuhkan setengah dari tubular tower. Hanya saja penampilan visual dari turbin angin jenis lattice tower ini jauh dari kriteria turbin angin modern. Turbin angin dengan tipe lattice tower terlihat seperti gambar Gambar 2.14 Turbin angin dengan tipe lattice tower [8]. 3. Concrete Tower Beton sebagai bahan konstruksi memainkan peran penting dalam mewujudkan potensi energi angin. Peningkatan kapasitas pembangkit dari energi angin membuat beton menjadi bahan yang kompetitif. Beton merupakan bahan penyusun konstruksi yang tahan lama. Beton memainkan peran penting jika menara angin yang terletak di daerah dengan lingkungan yang agresif seperti di lingkungan laut. Tower beton menjanjikan keandalan dan membutuhkan sedikit dalam pemeliharaan dibandingan jenis tower lainnya. Gambar 2.15 menunjukkan turbin angin dengan tipe concrete tower.

35 15 Gambar 2.15 Turbin angin dengan tipe concrete tower [8]. 4. Guyed Pole Tower Kebanyakan turbin angin kecil dibangun dengan menara jenis guyed pole tower seperti terlihat pada gambar Keuntungannya adalah mengehemat material dan biaya. Kerugiannya adalah akses yang sulit di sekitar tower yang membuat mereka kurang cocok di daerah pertanian. Gambar 2.16 Turbin angin dengan tipe guyed pole tower [8]. 2.3 Potensi Tenaga Angin Angin adalah udara yang bergerak karena adanya perbedaan tekanan di permukaan bumi ini. Angin akan bergerak dari suatu daerah yang memiliki tekanan tinggi ke daerah yang memiliki

36 16 tekanan yang lebih rendah. Proses pemanfaatan energi angin dilakukan melalui dua tahapan konversi energi, pertama aliran angin akan menggerakkan rotor (baling - baling) yang menyebabkan rotor berputar selaras dengan angin yang bertiup, kemudian putaran dari rotor dihubungkan dengan generator, dari generator inilah dihasilkan arus listrik. Jadi proses tahapan konversi energi bermula dari energi kinetik angin menjadi energi gerak rotor kemudian menjadi energi listrik. Besarnya energy listrik yang dihasilkan dipengaruhi oleh beberapa faktor di antaranya adalah sebagai berikut [9] : 1) Rotor (kincir), rotor turbin sangat bervariasi jenisnya, diameter rotor akan berbanding lurus dengan daya listrik. Semakin besar diameter semakin besar pula listrik yang dihasilkan, dilihat dari jumlah sudut rotor (baling-baling), sudut dengan jumlah sedikit berkisar antara 3 6 buah lebih banyak digunakan. 2) Kecepatan angin, kecepatan angin akan mempengaruhi kecepatan putaran rotor yang akan menggerakkan generator. 3) Jenis generator, generator terbagi dalam beberapa karakteristik yang berbeda, generator yang cocok untuk Sistem Konversi Energi Angin (SKEA) adalah generator yang dapat menghasilkan arus listrik pada putaran rendah. Listrik yang dihasilkan dari Sistem Konversi Energi Angin akan bekerja optimal pada siang hari dimana angin berhembus cukup kencang dibandingkan dengan pada malam hari, sedangkan penggunaan listrik biasanya akan meningkat pada malam hari. Untuk mengantisipasinya sistem ini sebaiknya tidak langsung digunakan untuk keperluan produk-produk elektronik, namun terlebih dahulu disimpan dalam satu media seperti baterai atau aki sehingga listrik yang keluar besarnya stabil dan bisa digunakan kapan saja. Berikut adalah klasifikasi angin berdasarkan kecepatan dalam berbagai satuan ditunjukkan pada tabel 2.1.

37 17 Tabel 2.1 Klasifikasi angin berdasarkan kecepatan dalam berbagai satuan [10]. 2.4 Sistem Multi Degree of Freedom Sistem yang bergetar secara kontinu dapat dimodelkan sebagai multi degree of freedom. Persamaan gerak untuk Multi Degree of Fredom (M.D.O.F) secara umum diturunkan dari Hukum Newton kedua. Karena sistem MDOF memiliki penyelesaian aljabar yang kompleks, maka digunakan matriks untuk merepresentasikan sistem MDOF. Sistem MDOF dibagi menjadi dua jenis, yaitu Forced MDOF dan Free MDOF Forced Multi DoF Vibration Getaran mekanik paksa pada sistem derajat kebebasan ganda atau forced multi dof vibration adalah peristiwa getaran yang terjadi pada suatu sistem multi dof karena ada gaya eksternal yang mengenai sistem tersebut. Semua benda yang mempunyai massa dan elastisitas mampu bergetar secara alami. Selain getaran alami tersebut, sistem juga dapat menerima getaran paksa yang disebabkan karena adanya gaya eksternal yang mengenai sistem dan dinamakan forced vibration. Sistem derajat kebebasan ganda merupakan sistem yang memiliki beberapa komponen massa yang

38 18 dihubungkan oleh elemen pegas yang masing-masing berjumlah lebih dari dua [11]. Analisa getaran multi dof merupakan analisa yang sering digunakan karena fenomena di dunia nyata kebanyakan merupakan sistem dengan multi dof. Sistem forced multi dof vibration dapat dimodelkan pada gambar 2.17 berikut. Gambar 2.17 Skema forced multi dof vibration [11]. Dari gambar 2.17 di atas, maka akan didapatkan matriks dari persamaan gerak dengan menggunakan Hukum Newton kedua yang diberikan untuk setiap massa. m i x i + k i x i = i F i (2.1) Persamaan 2.1 di atas terdiri dari i=1, i=2 dan i=3 sehingga dapat ditulis dalam bentuk matriks: m k 1 + k 2 k 2 0 [m] =[ 0 m 2 0 ], [k] = [ k 2 k 2 + k 3 k 3 ], [F] 0 0 m 3 0 k 3 k 3 F 1 (t) ={ F 2 (t)} (2.2) F 3 (t) Dengan menyubstitusikan persamaan 2.1 ke persamaan 2.2, maka akan didapatkan:

39 19 m x 1 [ 0 m 2 0 ] { x m 3 x 3 k 1 + k 2 k 2 0 } + [ k 2 k 2 + k 3 k 3 ] { 0 k 3 k 3 x 1 x 1 } = x 1 F 1 (t) { F 2 (t)} (2.3) F 3 (t) Pada penelitian ini akan dimodelkan sistem massa utama yang bergetar akibat sumber getar berupa tekanan angin yang bergetar secara transalasi dan menyebabkan rotasi. Permodelan kedua adalah sistem isolasi getaran yang terpasang pada pondasi turbin angin yang berguna untuk pereduksi getaran. 2.5 Isolasi Getaran Sistem isolasi getaran adalah prosedur yang dapat digunakan untuk mengurangi efek akibat getaran [11]. Dasarnya, sistem tersebut melibatkan penggunaan komponen elastis (atau isolator) diantara massa yang bergetar dan sumber getar. Pada sistem isolasi getaran ini terdapat 2 jenis isolator, yaitu isolator aktif dan pasif tergantung dari kebutuhan. Jenis isolator pasif terdiri dari komponen elastis dan peredam. Contoh dari isolator pasif adalah pegas logam, pegas pneumatic, dan bantalan karet. Gambar 2.18 menunjukan beberapa tipe dari pegas dan pneumatic yang dapat digunakan sebagai isolator pasif. Isolator aktif terdiri dari mekanisme dengan sensor, sinyal, dan aktuator. (a) (b) (c)

40 20 Gambar 2.18 (a) Pegas tanpa redaman; (b) Pegas dengan redaman; (c) Karet pneumatic [11] Sistem Isolasi Getaran pada Pondasi yang Rigid Ketika sebuah sistem atau mesin terpasang pada pondasi yang rigid, pondasi akan dikenakan beban harmonic akibat ketidaksimbangan dari mesin, disamping beban statis dari berat mesin. Oleh karena itu komponen elastis diletakan diantara diantara mesin dan pondasi yang rigid untuk mengurangi gaya yang di transmisikan ke pondasi. Sistem tersebut dapat diidealkan sebagai sistem single-degree-of-freedom, seperti pada gambar 2.19(a). Komponen elastis dapat dimodelkan sebagai sebuah pegas k dan peredam c, terlihat pada gambar 2.19(b). Hal ini diasumsikan bahwa kerja mesin memberikan kenaikan variasi gaya yang harmonik F(t) = F 0 cos ωt. Persamaan gerak dari mesin (bermassa m) dapat dituliskan sebagai berikut. mx + cx + kx = F 0 cos ωt (2.4) Persamaan steady-state dari persamaan (2.4) adalah sebagai berikut. x(t) = X cos(ωt ) (2.5) dimana X = F 0 [(k mω 2 ) 2 + ω 2 c 2 ] 1 2 (2.6) dan = tan 1 ωc ( k mω2) (2.7) Gaya yang ditransmisikan ke pondasi melewati pegas dan peredam, F t (t), dituliskan sebagai berikut. F t (t) = kx(t) + cx (t)

41 21 = kx cos(ωt ) cωx sin(ωt ) (2.8) Gambar 2.19 Mesin dan komponen elastis pada pondasi rigid (a) sistem single dof ; (b) sistem massa-pegas-peredam [11]. Besar dari total gaya yang ditransmisikan (F T) adalah sebagai berikut. F T = [(kx) 2 + (cx ) 2 ] 1 2 = X k 2 + ω 2 c 2 F 0 (k 2 + ω 2 c 2 ) 1/2 = [(k mω 2 ) 2 + ω 2 c 2 (2.9) ] 1/2 Transmisibilitas atau rasio transmisibilitas dari isolator (T f) didefinisikan sebagai rasio dari besar dari gaya yang ditransmisikan oleh gaya luar: T f = F T k 2 + ω 2 c 2 = { F 0 (k mω 2 ) 2 + ω 2 c 2} (2ξr) 2 = { [1 r 2 ] 2 + (2ξr) 2}1 2 (2.10) Dimana r = ω adalah rasio frekuensi. Variasi dari T ω f dengan n rasio frekuensi r = ω terlihat pada gambar Supaya untuk ω n mencapai isolasi, gaya yang ditransmisikan ke pondasi harus lebih kecil daripada gaya eksternalnya. Hal tersebut dapat terlihat dari gambar 2.20, bahwa frekuensi harus dipaksakan lebih besar dari 2 kali frekuensi natural sistem supaya mencapai isolasi getaran.

42 22 Gambar 2.20 Variasi dari rasio transmisibilitas T f dengan r [11]. Untuk nilai dampring ratio ζ yang kecil dan untuk rasio frekuensi r > 1, transmisibilitas gaya diberikan pada persamaan (2.10), dan dapat didekatkan dengan rumus: T f = F T F 1 r 2 1 or r2 1+ T f T f (2.11) Pengurangan gerak getaran dari massa. Dalam berbagai aplikasi, isolasi dibutuhkan untuk mengurangi gerak dari massa (mesin) terhadap gaya yang bekerja padanya. Amplitudo perpindahan dari massa m terhadap gaya F(t) diberikan pada persamaan (2.6) dan dapat dinyatakan dengan: T d = X δ st = kx F 0 = 1 (1 r 2 ) 2 +(2ζr) 2 (2.12) Variasi dari transmisibilitas perpindahan dengan rasio frekuensi r untuk beberapa nilai dari rasio redaman ζ dapat dilihat pada gambar 2.21.

43 23 Gambar 2.21 Variasi transmisibilitas perpindahan (T d) dengan r [11]. 2.6 DVA (Dynamic Vibration Absorber) DVA (Dynamic Vibration Absorber) adalah sebuah kontrol untuk meredam getaran dinamik yang bergerak secara bersamasama dengan sistem utama guna membantu meredam getaran yang terjadi. DVA dimodelkan dengan adanya penambahan massa, pegas, dan damper pada sistem utama. Untuk sistem pegas dan massa yang dipasang akan membuat sistem memiliki dua frekuensi natural. Pemasangan massa dari DVA di massa utama ini menghasilkan sistem dengan 2 DOF (Degree Of Freedom) sehingga sistem tersebut akan memiliki dua frekuensi natural. Penggunaan DVA pada sistem utama akan membagi dan mereduksi rasio frekuensi natural sistem menjadi dua bagian sehingga menimbulkan rasio frekuensi natural yang berbeda. Hal tersebut yang menjadi peran DVA dalam mereduksi getaran.

44 24 Gambar 2.22 Efek penggunaan DVA dan tanpa DVA terhadap respon [11]. 2.7 Gaya Aerodinamik Sudu berfungsi untuk menghasilkan putaran akibat gaya angin dan menggerakkan poros turbin dan poros generator yang kemudian akan menghasilkan energy listrik. Bentuk sudu turbin angin menyerupai airfoil yang memanjang dari permukaan poros rotor sampai unung dari sudu tersebut. Sudu turbin angin diusahakan memiliki kekasaran yang sama pada setiap permukaannya sehingga gaya lift nya bisa tinggi. Bagian pangkal sudu dicengkram oeh hub dengan menggunakan baut. Pada sudu turbin angin akan terjadi tegangan geser pada permukaannya ketika kontak dengan angin. Distribusi tegangan geser pada permukaan sudu ini dipresentasikan dengan adanya gaya tekan (drag) yang arahnya sejajar arah aliran fluida dan gaya angkat (lift) yang arahnya tegak lurus dari arah aliran fluida. Secara matematis, kedua gaya ini diilustrasikan pada gambar 2.22 dan dapat dirumuskan sebagai berikut : F D = df x = p cos θ da + τ w sin θ da (2.13) F L = df y = p cos θ da + τ w sin θ da (2.14)

45 25 Untuk memudahkan perhitungan fenomena gaya drag dan lift, maka dengan metode numeric (gerhart), diperkenalkan drag and lift coefficient (koefisien gaya tekan dan gaya angkat) yang dilambangkan dengan C D dan C L bergantung dari bentuk melintang sudu yang digunakan dan sudut serang ( ). Secara matematis : F D = 1 2 C D ρ U 2 A (2.15) F L = 1 C 2 L ρ U 2 A (2.16) Dimana : ρ : densitas udara A : luas penampang sudu U : kecepatan angin Gambar 2.23 Gaya drag dan gaya lift pada sudu turbin angin horizontal [12]

46 26 Halaman ini sengaja dikosongkan

47 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Metode Penelitian Dalam penulisan tugas akhir ini dilakukan beberapa langkah yang ditunjukkan oleh diagram alir pada gambar 3.1. Mulai Studi Literatur Identifikasi masalah Input : Kecepatan Angin Output : Respon getaran sistem utama dan reduksi getaran sistem utama setelah penambahan isolator getaran Perancangan sistem utama dan isolator getaran Pemodelan sistem dinamis, persamaan gerak, dan state variable Sistem utama tanpa isolator getaran Sistem utama menggunakan isolator getaran Memperoleh frekuensi natural sistem ( n) Pembuatan blok simulasi Matlab Simulink Input sinusoidal Input bump modified A B 27

48 28 A B Simulasi Hasil sesuai kebutuhan Tidak Ya Grafik karakteristik dinamis sistem utama tanpa dan menggunakan isolator getaran Analisa hasil grafik karakteristik dinamis sistem utama tanpa dan menggunakan isolator getaran Selesai Gambar 3.1 Diagram alir penulisan tugas akhir Tahap Studi Literatur Dalam penulisan tugas akhir ini diperlukan referensireferensi yang dapat menunjang dalam menganalisis sistem isolasi getaran pada pondasi turbin angin. Oleh karena itu, dilakukan studi literatur untuk menambah wawasan, pengetahuan, dan landasan mengenai permasalahan yang akan dibahas. Adapun materi dari studi literatur yang mendukung dalam penulisan tugas akhir ini yaitu mekanika getaran dasar, pemodelan sistem dinamis, sistem mekanis getaran translasi dan rotasi, serta pembuatan blok diagram pada program MATLAB Simulink. Nilai parameter yang digunakan didapatkan berdasarkan referensi. Referensi untuk studi literatur didapat dari buku, jurnal-jurnal ilmiah, maupun penelitianpenelitian terdahulu yang berkaitan Identifikasi Masalah

49 29 Setelah itu mengidentifikasi masalah yang ada. Masalah yang diidentifikasi pada penelitian ini ada dua, yaitu input dan output. Input yang diberikan berupa variasi kecepatan angin, konstanta pegas, konstanta redaman, dan jarak antar isolator getaran. Sedangkan output yang dihasilkan dari penelitian ini adalah respon sistem utama dan reduksi getaran sistem utama Perancangan Sistem Utama dan Isolator Getaran Merancang sistem utama yaitu turbin angin dan isolatornya memerlukan informasi terkait dimensi yang digunakan. Pemilihan dimensi turbin angin berdasarkan turbin angin yang telah di gunakan di Indonesia yaitu tipe WES 80. Sedangkan pemilihan jenis isolator turbin angin berdasarkan letak penggunaan isolator, yaitu pada pondasi turbin angin Pemodelan Sistem Dinamis dan Persamaan Gerak Pemodelan sistem dinamis dari penelitian ini dibagi menjadi dua, yaitu pemodelan sistem utama tanpa isolator getaran dan sistem utama menggunakan isolator getaran. Setelah membuat pemodelan sistem dinamis, selanjutnya adalah pembuatan persamaan gerak untuk masing-masing analisa dengan membangun free body diagram dari model fisik yang sudah disederhanakan. Diketahui dari free body diagram, didapatkan komponen gaya yang sejenis akan dijumlahkan dengan menggunakan hukum newton. Setelah itu, persamaan gerak tersebut diubah dalam bentuk state variable dengan cara merubah bentuk persamaan kedalam persamaan diferensial ordo satu Pembuatan Blok Diagarm dan Simulasi Matlab Simulink Persamaan state variable yang dihasilkan dari pemodelan dinamis kemudian diubah mejadi blok diagram simulasi dengan software Matlab Simulink. Simulasi ini dilakukan untuk

50 30 mendapatkan penyelesaian persamaan matematis dari pemodelan sistem turbin angin dengan isolator getaran dan tanpa isolator getaran Simulasi Setelah pembuatan blok diagram, dilanjutkan dengan simulasi. Simulasi pada pemodelan sistem utama tanpa isolator getaran dimulai dengan input yang digunakan berupa gaya sinusoidal dan bump modified, sehingga menghasilkan output berupa displacement pada massa utama (x 2). Sedangkan untuk sistem utama menggunakan isolator getaran, input yang berikan juga berupa sinusoidal dan bump modified. Outputnya adalah displacement pada massa utama (x 2) yang akan menjadi input pada sistem isolator getaran yang menempel pada massa utama. Output pada sistem isolator getaran yang dihasilkan adalah displacement (θ 1). Kedua pemodelan terebut menghasilkan respon dinamis dari sistem utama Analisa Grafik Karakteristik Dinamis Grafik analisa respon dinamis sistem utama oleh masingmasing variasi didapatkan dari simulasi yang sudah dilakukan. Grafik yang akan didapatkan adalah respon dinamis sistem terhadap variasi kecepatan angin, variasi konstanta pegas, dan jarak antar isolator getaran. 3.2 Pemodelan dan Simulasi Sistem Turbin Angin Tanpa Isolator Getaran Pemodelan Dinamis dan Pembuatan Persamaan Gerak dari Sistem Turbin Angin Tanpa Isolator Getaran Pemodelan dari sistem turbin angin tanpa isolator getaran merupakan pemodelan dengan dua derajat kebebasan (2 DOF). Pemodelan ini disederhanakan dengan menggunakan sumbu horizontal sebagai arah displacement. Pada gambar 3.2 (a) dan (b) dibawah ini menunjukkan model fisik dan dinamis turbin angin

51 31 tanpa isolator getaran yang meliputi, m 1, yaitu massa blade turbin angin, m 2, massa ekivalen tower dan nacelle, k 1 mewakili konstanta kekakuan blade, dan c 1 adalah konstanta redaman blade. Sedangkan k 2 mewakili konstanta kekakuan ekivalen tower dan nacelle, dan c 2 adalah konstanta redaman ekivalen dari tower dan nacelle. Angin m 1 k 1, c 1 x2 x1 k2 k1 Fo Sin wt m2 m1 m 2 k 2, c 2 L1 c2 c1 (a) Gambar 3.2 (a) Model fisik sistem turbin angin tanpa isolator getaran; (b) Model dinamis sistem turbin angin tanpa isolator getaran. Setelah didapatkan model dinamis, maka selanjutnya membuat persamaan gerak dan state variable dari sistem tersebut. Secara garis besar proses pembuatan persamaan gerak dan state variable dapat ditransformasikan menjadi diagram alir pada gambar 3.3. (b)

52 32 Mulai Model dinamis dari sistem turbin angin tanpa isolasi getaran Pembuatan Free Body Diagram dari sistem turbin angin tanpa isolasi getaran Pembuatan persamaan gerak dan state variable untuk sistem turbin angin tanpa isolasi getaran Persamaan gerak dan state variable dari sistem turbin angin tanpa isolasi getaran Selesai Gambar 3.3 Diagram alir pembuatan persamaan gerak dan state variable dari sistem turbin angin tanpa isolator getaran. Pembuatan persamaan gerak dan state variable dari sistem turbin angin tanpa isolator getaran dapat dilihat penjabaran dibawah ini. Gambar 3.4 merupakan Free body diagram sistem turbin angin tanpa isolator getaran. x2 x1 Fk2 Fk2 m2 Fk1 Fk1 m1 Fo Sin wt L1 Fc2 Fc2 m2ẍ2 Fc1 Fc1 m1ẍ1 Gambar 3.4 Free body diagram sistem utama tanpa isolator getaran.

53 33 Keterangan : Fo Sin wt Fk 1 Fc 1 Fk 2 Fc 2 m 1 m 2 x 1 x 2 = Gaya eksitasi (gaya lift angin) = Gaya reaksi dari pegas 1 (N) = Gaya reaksi dari peredam 1 (N) = Gaya reaksi dari pegas 2 (N) = Gaya reaksi dari peredam 2 (N) = Massa blade (kg) = Massa tower dan nacelle (kg) = Displacement dari massa 1 (m) = Displacement dari massa 2 (m) Dari gambar 3.4 dapat dibuat persamaan matematis sistem utama tanpa isolator getaran sebagai berikut : Persamaan gerak translasi massa 1 : ΣF = m 1 x 1 Fc 1 Fk 1 + F 0 sin ωt = m 1 x 1 c 1 (x 1 x 2) k 1 (x 1 x 2 ) + F 0 sin ωt = m 1 x 1 x 1 = 1 m 1 [ c 1 (x 1 x 2) k 1 (x 1 x 2 ) + F 0 sin ωt] (3.1) Persamaan gerak translasi massa 2 : ΣF = m 2 x 2 Fc 1 Fc 2 + Fk 1 + Fk 2 = m 2 x 2 c 1 (x 1 x 2) c 2 (x 2) + k 1 (x 1 x 2 ) k 2 (x 2 ) = m 2 x 2 x 2 = 1 m 2 [c 1 (x 1 x 2) c 2 (x 2) + k 1 (x 1 x 2 ) k 2 (x 2 )] Persamaan state variable massa 1 : x 1 = v 1 1 v 1 = [ c m 1 (x 1 x 2) k 1 (x 1 x 2 ) + F 0 sin ωt] 1 Persamaan state variable massa 2 (rotasi) : x 2 = v 2 (3.2) (3.3)

54 34 v 2 = 1 m 2 [c 1 (x 1 x 2) c 2 (x 2) + k 1 (x 1 x 2 ) k 2 (x 2 )] (3.4) Pembuatan Blok Simulasi Matlab Simulink dari Sistem Turbin Angin Tanpa Isolator Getaran Setelah mendapatkan persamaan gerak dari sistem, langkah selanjutnya yaitu membuat blok simulasi. Parameter yang digunakan untuk simulasi sistem turbin angin terdapat pada tabel 3.1. Tabel 3.1 Parameter sistem turbin angin. Parameter Nilai Keterangan Massa blade(m 1) Massa tower dan nacelle (m 2) Konstanta Pegas blade (k 1) Konstanta Redaman blade (c 1) Konstanta Pegas tower dan nacelle (k 2) Konstanta Redaman tower dan nacelle (c 2) Tinggi Tower (L 1) 1100 kg kg N/m Untuk Fk Ns/m Untuk Fc N/m Untuk Fk Ns/m Untuk Fc 2 30 m Proses pembuatan blok diagram pada Simulink dijelaskan berupa diagram alir pada gambar 3.5. Input yang digunakan yaitu input sinusoidal dan bump modified. Variasi yang dilakukan adalah variasi kecepatan angin sebesar 5, 12, dan 18 m/s.

55 35 Variasi kecepatan angin sebesar 5, 12, dan 18 m/s. Mulai Parameter dan persamaan gerak dari sistem Turbin angin tanpa isolasi getaran Voo = 5 m/s i = 0;7;13 Membuat blok diagram A pada Simulink Membuat M-file untuk sistem tersebut Voi = Vo + i Menjalankan M-file Menjalankan Simulink Voi = 18 m/s Tidak Ya Grafik dari karakteristik redaman untuk sistem isolasi getaran dengan variasi kecepatan angin. Selesai Gambar 3.5 Diagram alir pembuatan blok diagram Simulink sistem turbin angin tanpa isolator getaran, variasi kecepatan angin pada konstanta pegas dan redaman kosntan.

56 Analisa Grafik Karakteristik Dinamis dari Sistem Turbin Angin Tanpa Isolator Getaran Dari simulasi sistem turbin angin tanpa isolator, akan didapatkan respon dinamis berupa perpindahan, kecepatan, maupun percepatan dari input sinusoidal maupun bump modified. Grafik-grafik tersebut dianalisis untuk mengetahui respon getaran turbin angin akibat beban kejut saat proses berputar dan akibat energi eksitasi oleh angin yang kecepatannya selalu berubah-ubah. Selanjutnya dilakukan evaluasi dan mengambil kesimpulan dari hasil analisis dan evaluasi yang telah dilakukan. 3.3 Pemodelan dan Simulasi Sistem Turbin Dengan Isolator Getaran Pemodelan Dinamis dan Pembuatan Persamaan Gerak dari Sistem Turbin Angin Dengan Isolator Getaran Pemodelan yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah pemodelan dengan tiga derajat kebebasan (3 DOF). Saat blade terkena beban berupa kecepatan angin maka akan memberikan efek getaran dan momen pada tower turbin angin. Sistem isolasi getaran pada pondasi turbin angin ini meredam getaran dan momen dari tower turbin angin. Pada gambar 3.6 (a) dan (b) dibawah ini menunjukkan model fisik dan dinamis turbin angin yang meliputi, m 1, yaitu massa blade turbin angin, m 2, massa tower dan nacelle, dan m 3, massa pondasi. K 1 mewakili konstanta kekakuan blade, dan c 1 adalah konstanta redaman blade. Sedangkan k 2 mewakili konstanta kekakuan tower, dan c 2 adalah konstanta redaman dari tower. Sedangkan untuk k 3L dan k 3R adalah konstanta kekakuan isolator dan c 3L dan c 3R adalah konstanta redaman isolator.

57 37 Angin m 1 k 1, c 1 x2 x1 m 3 k 3, c 3 (a) m 2 k 2, c 2 k3l c3l Gambar 3.6 (a) Model fisik sistem turbin angin dengan isolator getaran; (b) Model dinamis sistem turbin angin dengan isolator getaran. Setelah didapan model dinamis, maka selanjutnya membuat persamaan gerak dan state variable dari sistem tersebut. Secara garis besar proses pembuatan persamaan gerak dan state variable dapat ditransformasikan menjadi diagram alir pada gambar 3.7. θ1 m3 (b) k2 c2 k3r m2 k1 c1 c3r m1 Fo Sin wt Mulai Model dinamis dari sistem turbin angin menggunakan isolasi getaran A

58 38 A Pembuatan Free Body Diagram dari sistem turbin angin menggunakan isolasi getaran Pembuatan persamaan gerak dan state variable untuk sistem turbin angin menggunakan isolasi getaran Persamaan gerak dan state variable dari sistem turbin angin menggunakan isolasi getaran Selesai Gambar 3.7 Diagram alir pembuatan persamaan gerak dan state variable dari sistem turbin angin menggunakan isolator getaran. Pembuatan persamaan gerak dan state variable dari sistem turbin angin tanpa isolator getaran dapat dilihat penjabaran dibawah ini. Gambar 3.8 merupakan Free body diagram sistem turbin angin dengan isolator getaran.

59 39 x2 x1 θ1 Fk2 Fk2 m2 Fk1 Fk1 m1 Fo Sin wt L1 J0Ӫ1 Fc2 Fc2 m2ẍ2 Fc1 Fc1 m1ẍ1 θ1 CG θ1 Fk3L Fc3L Fk3R Fc3R L2 L3 Gambar 3.8 Free body diagram sistem turbin angin menggunakan isolator getaran. Keterangan : Fo Sin wt Fk 1 Fc 1 Fk 2 Fc 2 Fk 3R Fc 3R Fk 3L Fc 3L m 1 m 2 m 3 x 1 x 2 θ 1 L 1 L 2 L 3 = Gaya eksitasi (gaya lift angin) = Gaya reaksi dari pegas 1 (N) = Gaya reaksi dari peredam 1 (N) = Gaya reaksi dari pegas 2 (N) = Gaya reaksi dari peredam 2 (N) = Gaya reaksi dari pegas 3 kanan (N) = Gaya reaksi dari peredam 3 kanan (N) = Gaya reaksi dari pegas 3 kiri (N) = Gaya reaksi dari peredam 3 kiri (N) = Massa blade (kg) = Massa tower dan nacelle (kg) = Massa pondasi (kg) = Displacement dari massa 1 (m) = Displacement dari massa 2 (m) = Displacement dari massa 3 (m) = Jarak ujung tower ke CG (m) = Jarak isolator kiri ke CG (m) = Jarak isolator kanan ke CG (m)

60 40 Dari gambar 3.10 dapat dibuat persamaan gerak sistem turbin angin dengan isolator getaran sebagai berikut: Persamaan gerak translasi massa 1 : ΣF = m 1 x 1 Fc 1 Fk 1 + F 0 sin ωt = m 1 x 1 c 1 (x 1 x 2) k 1 (x 1 x 2 ) + F 0 sin ωt = m 1 x 1 x 1 = 1 m 1 [ c 1 (x 1 x 2) k 1 (x 1 x 2 ) + F 0 sin ωt] (3.5) Persamaan gerak translasi massa 2 : ΣF = m 2 x 2 Fc 1 Fc 2 + Fk 1 + Fk 2 = m 2 x 2 c 1 (x 1 x 2) c 2 (x 2 l 1 θ 1) + k 1 (x 1 x 2 ) k 2 (x 2 l 1 θ 1) = m 2 x 2 x 2 = 1 m 2 [c 1 (x 1 x 2) c 2 (x 2 l 1 θ 1) + k 1 (x 1 x 2 ) k 2 (x 2 l 1 θ 1)] (3.6) Persamaan gerak rotasi : ΣM = Jθ 1 Fc 2 l 1 Fc 3L l 2 Fc 3R l 3 + Fk 2 l 1 Fk 3L l 2 Fk 3R l 3 = Jθ 1 c 2 (x 2 l 1 θ 1)l 1 (c 3L θ 1l 2 )l 2 (c 3R θ 1l 3 )l 3 + k 2 (x 2 l 1 θ 1 )l 1 (k 3L θ 1 l 2 )l 2 (k 3R θ 1 l 3 )l 3 = Jθ 1 c 2 l 1 x 2 c 2 l 2 1 θ 1 c 3L θ 1l 2 2 c 3R θ 1l k 2 l 1 x 2 k 2 l 2 1 θ 1 k 3L θ 1 l 2 2 k 3R θ 1 l 2 3 = Jθ 1 θ 1 = 1 J [c 2l 1 x 2 c 2 l 1 2 θ 1 c 3L l 2 2 θ 1 c 3R l 3 2 θ 1 + k 2 l 1 x 2 k 2 l 1 2 θ 1 k 3L l 2 2 θ 1 k 3R l 3 2 θ 1 ] Persamaan state variable massa 1 : x 1 = v 1 (3.7)

61 41 1 v 1 = [ c m 1 (x 1 x 2) k 1 (x 1 x 2 ) + F 0 sin ωt] 1 (3.8) Persamaan state variable massa 2 : x 2 = v 2 1 v 2 = [c m 1 (x 1 x 2) c 2 (x 2 l 1 θ 1) + k 1 (x 1 x 2 ) k 2 (x 2 2 l 1 θ 1 )] (3.9) Persamaan state variable rotasi : θ 1 = ω ω = 1 [c 2l 1 x 2 c 2 l 2 1 θ 1 c 3L l 2 2 θ 1 c 3R l 2 3 θ 1 + k 2 l 1 x 2 k 2 l 2 1 θ 1 J k 3L l 2 2 θ 1 k 3R l 2 ] 3 θ 1 (3.10) Pembuatan Blok Simulasi Matlab Simulink dari Sistem Turbin Angin Dengan Isolator Getaran Setelah mendapatkan persamaan gerak dari sistem, langkah selanjutnya yaitu membuat blok simulasi. Parameter yang digunakan untuk simulasi sistem turbin angin terdapat pada tabel 3.2. Tabel 3.2 Parameter sistem turbin angin. Parameter Nilai Keterangan Massa blade (m 1) Massa tower dan nacelle (m 2) Massa Pondasi (m 3) Konstanta pegas blade dan nacelle (K 1) Konstanta redaman blade dan nacelle (C 1) 1100 kg kg kg N/m Untuk Fk Ns/m Untuk Fc 1

62 42 Konstanta pegas tower dan pondasi (K 2) Konstanta redaman tower dan pondasi (C 2) Konstanta pegas ekivalen kiri (K 3L) Konstanta redaman ekivalen kiri (C 3L) Konstanta pegas ekivalen kanan (K 3R) Konstanta redaman ekivalen kanan (C 3R) Jarak ujung tower ke CG (L 1) Jarak isolator kiri ke CG (L 2) Jarak isolator kanan ke CG (L 3) N/m Untuk Fk Ns/m Untuk Fc 2 17 x 10 6 N/m Untuk Fk 3L 300 x 10 3 Ns/m Untuk Fc 3L 17 x 10 6 N/m Untuk Fk 3R 300 x 10 3 Ns/m Untuk Fc 3R m 2 m 2 m Proses pembuatan blok diagram pada Simulink dijelaskan berupa diagram alir pada gambar 3.9, 3.10, dan Input yang digunakan yaitu input sinusoidal dan bump modified. Variasi kecepatan angin sebesar 5, 12, dan 18 m/s. Variasi konstanta pegas isolator sebesar 17 x 10 6, 20 x 10 6, dan 23 x 10 6 N/m. Serta Variasi konstanta redaman isolator sebesar 300 x 10 3, 500 x 10 3, dan 800 x 10 3 Ns/m. Variasi kecepatan angin sebesar 5, 12, 18 m/s.

63 43 Mulai Parameter dan persamaan gerak dari sistem Turbin angin tanpa isolasi getaran Voo = 5 m/s i = 0;7;13 Membuat blok diagram pada Simulink Membuat M-file untuk sistem tersebut Voi = Vo + i Menjalankan M-file Menjalankan Simulink Voi = 18 m/s Tidak Ya Grafik dari karakteristik redaman untuk sistem isolasi getaran dengan variasi kecepatan angin. Selesai Gambar 3.9 Diagram alir pembuatan blok diagram Simulink sistem turbin angin menggunakan isolator getaran dengan variasi kecepatan angin.

64 44 Variasi konstanta pegas isolator sebesar 17 x 10 6, 20 x 10 6, dan 23 x 10 6 N/m. Mulai Parameter dan persamaan gerak dari sistem Turbin angin menggunakan isolasi getaran K3Lo = 17 x 10 6 N/m K3Ro = 17 x 10 6 N/m i = 0;3;6 x 10 6 Membuat blok diagram pada Simulink Membuat M-file untuk sistem tersebut K3Li = K3Lo + i K3Ri = K3Ro + i Menjalankan M-file Menjalankan Simulink K3Li = 23 x 10 6 N/m K3Ri = 23 x 10 6 N/m Tidak Ya Grafik karakteristik redaman untuk sistem turbin angin menggunakan isolator getaran dengan variasi konstanta pegas isolator. Selesai Gambar 3.10 Diagram alir pembuatan blok diagram Simulink sistem turbin angin menggunakan isolator getaran dengan variasi konstanta pegas isolator.

65 45 Variasi konstanta redaman isolator sebesar 300 x 10 3, 500 x 10 3, dan 800 x 10 3 Ns/m Mulai Parameter dan persamaan gerak dari sistem Turbin angin menggunakan isolasi getaran C3Lo = 300 x 10 3 N/m C3Ro = 300 x 10 3 N/m i = 0;200;500 x 10 3 Membuat blok diagram pada Simulink Membuat M-file untuk sistem tersebut C3Li = C3Lo + i C3Ri = C3Ro + i Menjalankan M-file Menjalankan Simulink C3Lo = 800 x 10 3 N/m C3Ro = 800 x 10 3 N/m Tidak Ya Grafik karakteristik redaman untuk sistem turbin angin menggunakan isolator getaran dengan variasi konstanta redaman isolator. Selesai Gambar 3.11 Diagram alir pembuatan blok diagram Simulink sistem turbin angin menggunakan isolator getaran dengan variasi konstanta redaman isolator.

66 Analisa Grafik Karakteristik Dinamis dari Sistem Turbin Angin Dengan Isolator Getaran Dari simulasi sistem turbin angin menggunakan isolator, akan didapatkan respon dinamis berupa perpindahan, kecepatan, maupun percepatan dari input sinusoidal maupun bump modified. Grafik-grafik tersebut dianalisis untuk mengetahui respon getaran turbin angin akibat beban impact saat proses berputar dan akibat energi eksitasi oleh angin yang kecepatannya selalu berubah-ubah. Selanjutnya dilakukan evaluasi dan mengambil kesimpulan dari hasil analisis dan evaluasi yang telah dilakukan.

67 BAB IV HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Perancangan Sistem Utama dan Isolator Getaran Dalam penelitian ini telah dilakukan pemodelan sistem utama yang terdiri dari massa utama dan massa kedua dan pemodelan sistem isolator getaran yang terdiri dari pegas dan peredam yang digunakan untuk mereduksi getaran dari massa utama. Mekanisme sistem utama dengan isolator getaran terlihat seperti pada gambar 4.1 berikut (a) Gambar 4.1 (a) Rancangan isolator getaran pada pondasi turbin angin (b) Rancangan isolator getaran. Keterangan Gambar : 1. Baling-baling turbin angin (blade) 2. Nasel 3. Menara (tower (b) 47

68 48 4. Pondasi 5. Isolator getaran 6. Peredam isolator getaran 7. Lapisan rubber dan baja isolator getaran 4.2 Pemodelan Sistem Utama dan Isolator Getaran Sistem Utama tanpa Isolator Getaran Dalam penelitian ini, sistem utama memiliki Multi DOF dengan arah translasi. Respon sistem diwakilkan melalui respon percepatan sistem. Sistem utama tersebut diberi gaya eksitasi dari kecepatan angin. Pemodelan sistem utama tanpa penambahan isolator getaran digunakan sebagai pembanding pada sistem dengan penambahan isolator getaran. Analisa sistem tanpa penambahan isolator getaran dan dengan penambahan isolator getaran ini dilakukan dengan analisa perhitungan dan simulasi dengan Matlab Simulink. Pada gambar 4.2 dan 4.3 dibawah ini menunjukkan model dinamis dan free body diagram turbin angin tanpa isolator getaran yang meliputi, m 1, yaitu massa blade turbin angin, m 2, massa utama ekivalen tower dan nacelle. Displacement yang terjadi masa sistem utama hanya pada arah translasi. k2 x2 m2 k1 x1 m1 Fo Sin wt L1 c2 c1 Gambar 4.2 Pemodelan dinamis sistem turbin angin tanpa isolator getaran. Keterangan : Fo Sin wt = Gaya eksitasi (gaya lift angin)

69 49 m 1 m 2 Fk 1 Fc 1 Fk 2 Fc 2 x 1 x 2 = Massa blade (kg) = Massa tower dan nacelle (kg) = Gaya reaksi dari pegas 1 (N) = Gaya reaksi dari peredam 1 (N) = Gaya reaksi dari pegas 2 (N) = Gaya reaksi dari peredam 2 (N) = Displacement dari massa 1 (m) = Displacement dari massa 2 (m) x2 x1 Fk2 Fk2 m2 Fk1 Fk1 m1 Fo Sin wt L1 Fc2 Fc2 m2ẍ2 Fc1 Fc1 m1ẍ1 Gambar 4.3 Free body diagram sistem utama tanpa isolator getaran. Dari gambar 4.3 dapat dibuat persamaan matematis sistem utama tanpa isolator getaran sebagai berikut : Persamaan gerak translasi massa 1 : ΣF = m 1 x 1 Fc 1 Fk 1 + F 0 sin ωt = m 1 x 1 c 1 (x 1 x 2) k 1 (x 1 x 2 ) + F 0 sin ωt = m 1 x 1 m 1 x 1 + c 1 (x 1 x 2) + k 1 (x 1 x 2 ) = F 0 sin ωt Persamaan gerak translasi massa 2 : ΣF = m 2 x 2 Fc 1 Fc 2 + Fk 1 + Fk 2 = m 2 x 2 c 1 (x 1 x 2) c 2 (x 2) + k 1 (x 1 x 2 ) k 2 (x 2 ) = m 2 x 2 (4.1)

70 50 m 2 x 2 c 1 (x 1 x 2) + c 2 (x 2) k 1 (x 1 x 2 ) + k 2 (x 2 ) = 0 (4.2) Analisa perhitungan dilakukan untuk mendapatkan nilai frekuensi natural dari sistem utama tanpa penambahan isolator getaran. Analisa perhitungan ini digunakan sebagai pembanding hasil simulasi sesuai dengan perhitungan. Frekuensi natural sistem utama dapat diketahui melalui perhitungan dengan analisa fundametal. Persamaan gerak dari sistem tanpa penambahan isolator getaran adalah sebagai berikut: [ m 1 0 ] { x 1 } + [ c 1 c 1 0 m 2 x 2 c 1 c 1 + c ] { x 1 } + 2 x 2 [ k 1 k 1 ] { x 1 k 1 k 1 + k 2 x } = { F t 2 0 } (4.3) Dalam perhitungan nilai frekuensi natural, asumsi yang digunakan yaitu nilai redaman dan gaya eksternal diabaikan. Nilai x diubah dengan mensubstitusikan x = λx dan λ = ω 2, sehingga persamaan diatas menjadi: ω 2 [ m m 2 ] + [ k 1 k 1 k 1 k 1 + k 2 ] { x 1 x 2 } = { F t 0 } (4.4) Dimana : m 1 m 2 k 1 k 2 [ m 1ω 2 + k 1 k 1 k 1 m 2 ω 2 ] = { F t + k 1 + k 2 0 } (4.5) = Massa blade (1100kg) = Massa tower dan nacelle (10020kg) = Koefisien pegas massa 1 (200 N/m) = Koefisien pegas massa 2 (1000 N/m) Matriks diatas merupakan matriks yang digunakan dalam analisa fundamental untuk menghitung respon dari sistem utama

71 51 tanpa penambahan isolator getaran. Dibawah ini merupakan perhitungan frekuensi natural dari sistem tersebut. [ 1100 ω ω ] = 0 (4.6) Karena λ = ω 2, maka : 1100 λ det [ λ ] = 0 (4.7) [( 1100 λ )( λ ) + ( ) = λ λ λ x10 10 = λ λ x10 10 = 0 (4.8) Sehingga didapatkan nilai λ 1 dan λ 2 adalah : λ 1 = 116,7 ω n1 = 10.8 rad/s λ 2 = ω n2 = 6.65 rad/s Sistem Utama dengan Isolator Getaran Gambar 4.4 dibawah ini merupakan pemodelan dinamis dari sistem utama yang telah diberi isolator getaran. Selanjutnya dilakukan analisa free body diagram dari sistem seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.5. x2 x1 k2 m2 k1 m1 Fo Sin wt θ1 c2 c1 m3 k3l c3l k3r c3r

72 52 Gambar 4.4 Pemodelan dinamis sistem turbin angin dengan isolator getaran. Keterangan : Fo Sin wt Fk 1 Fc 1 Fk 2 Fc 2 Fk 3R Fc 3R Fk 3L Fc 3L m 1 m 2 m 3 x 1 x 2 θ 1 L 1 L 2 L 3 = Gaya eksitasi (gaya lift angin) = Gaya reaksi dari pegas 1 (N) = Gaya reaksi dari peredam 1 (N) = Gaya reaksi dari pegas 2 (N) = Gaya reaksi dari peredam 2 (N) = Gaya reaksi dari pegas 3 kanan (N) = Gaya reaksi dari peredam 3 kanan (N) = Gaya reaksi dari pegas 3 kiri (N) = Gaya reaksi dari peredam 3 kiri (N) = Massa blade (kg) = Massa tower dan nacelle (kg) = Massa pondasi (kg) = Displacement dari massa 1 (m) = Displacement dari massa 2 (m) = Displacement dari massa 3 (m) = Jarak ujung tower ke CG (m) = Jarak isolator kiri ke CG (m) = Jarak isolator kanan ke CG (m) x2 x1 θ1 Fk2 Fk2 m2 Fk1 Fk1 m1 Fo Sin wt L1 J0Ӫ1 Fc2 Fc2 m2ẍ2 Fc1 Fc1 m1ẍ1 θ1 CG θ1 Fk3L Fc3L Fk3R Fc3R L2 L3 Gambar 4.5 Free body diagram sistem utama dengan isolator getaran

73 53 Dari gambar 4.5 dapat dibuat persamaan gerak sistem turbin angin dengan isolator getaran sebagai berikut: Persamaan gerak translasi massa 1 : ΣF = m 1 x 1 Fc 1 Fk 1 + F 0 sin ωt = m 1 x 1 c 1 (x 1 x 2) k 1 (x 1 x 2 ) + F 0 sin ωt = m 1 x 1 m 1 x 1 + c 1 (x 1 x 2) + k 1 (x 1 x 2 ) = F 0 sin ωt (4.9) Persamaan gerak translasi massa 2 : ΣF = m 2 x 2 Fc 1 Fc 2 + Fk 1 + Fk 2 = m 2 x 2 c 1 (x 1 x 2) c 2 (x 2 l 1 θ 1) + k 1 (x 1 x 2 ) k 2 (x 2 l 1 θ 1 ) = m 2 x 2 m 2 x 2 c 1 (x 1 x 2) + c 2 (x 2 + l 1 θ 1) k 1 (x 1 x 2 ) + k 2 (x 2 l 1 θ 1 ) = 0 (4.10) Persamaan gerak rotasi : ΣM = Jθ 1 Fc 2 l 1 Fc 3L l 2 Fc 3R l 3 + Fk 2 l 1 Fk 3L l 2 Fk 3R l 3 = Jθ 1 c 2 (x 2 l 1 θ 1)l 1 (c 3L θ 1l 2 )l 2 (c 3R θ 1l 3 )l 3 + k 2 (x 2 l 1 θ 1 )l 1 (k 3L θ 1 l 2 )l 2 (k 3R θ 1 l 3 )l 3 = Jθ 1 c 2 l 1 x 2 c 2 l 1 2 θ 1 c 3L θ 1l 2 2 c 3R θ 1l k 2 l 1 x 2 k 2 l 1 2 θ 1 k 3L θ 1 l 2 2 k 3R θ 1 l 3 2 = Jθ 1 Jθ 1 c 2 l 1 x 2 + c 2 l 1 2 θ 1 + c 3L θ 1l c 3R θ 1l 3 2 k 2 l 1 x 2 + k 2 l 1 2 θ 1 + k 3L θ 1 l k 3R θ 1 l 3 2 = 0 (4.11) Selain itu, analisa perhitungan juga dilakukan untuk mendapatkan nilai frekuensi natural dari sistem dengan penambahan isolator getaran. Analisa perhitungan ini digunakan sebagai pembanding hasil simulasi sesuai dengan perhitungan. Frekuensi natural sistem dapat diketahui melalui perhitungan dengan analisa fundametal. Persamaan gerak dari sistem dengan penambahan isolator getaran adalah sebagai berikut:

74 54 m x 1 [ 0 m 2 0] { x 2 } 0 0 J 1 θ 1 c 1 c 1 0 x 1 + [ c 1 c 1 + c 2 c 2 l 1 ] { x 1} 0 c 2 l 1 c 2 l c 3r l c 3l l 3 θ 1 k 1 k 1 0 x [ k 1 k 1 + k 2 k 2 l 1 ] { x 2 } = { 0} 0 k 2 l 1 k 2 l k 3r l k 3l l 3 θ 1 0 (4.12) Dalam perhitungan nilai frekuensi natural, asumsi yang digunakan yaitu nilai redaman dan gaya eksternal diabaikan. Nilai x diubah dengan mensubstitusikan x = λx dan λ = ω 2, sehingga persamaan diatas menjadi: m x 1 ω 2 [ 0 m 2 0] { x 2 } 0 0 J 1 θ 1 k 1 k 1 0 x [ k 1 k 1 + k 2 k 2 l 1 ] { x 2 } = { 0} 0 k 2 l 1 k 2 l k 3r l k 3l l 3 θ 1 0 m 1 ω 2 +k 1 k [ k 1 m 2 ω 2 + k 1 + k 2 k 2 l 1 ] = { 0} 0 k 2 l 1 J 1 ω 2 + k 2 l k 3r l k 3l l 3 0 Dimana : m 1 = Massa blade (1100 kg) m 2 = Massa tower dan nacelle (10020 kg) m 3 = Massa pondasi ( kg) k 1 = Konstanta pegas massa 1 (52681 N) c 1 = Konstanta redaman massa 1 (200 Ns/m) (4.13)

75 55 k 2 = Konstanta pegas massa 2 ( N) c 2 = Konstanta redaman massa 2 (1000 Ns/m) k 3R = Konstanta pegas isolator kanan ekivalen Ns/m) c 3R = Konstanta redaman isolator kanan ekivalen (3x10 5 Ns/m) k 3L = Konstanta pegas isolator kiri ekivalen (2x10 7 Ns/m) c 3L = Konstanta redaman isolator kiri ekivalen (3x10 5 Ns/m) l 1 = Jarak ujung tower ke CG (15.44 m) l 2 = Jarak isolator kiri ke CG (2 m) l 3 = Jarak isolator kanan ke CG (2 m) Matriks diatas merupakan matriks yang digunakan dalam analisa fundamental untuk menghitung respon dari sistem utama tanpa penambahan isolator getaran. Dibawah ini merupakan perhitungan frekuensi natural dari sistem tersebut. m 1 ω 2 +k 1 k [ k 1 m 2 ω 2 + k 1 + k 2 k 2 l 1 ] = { 0} 0 k 2 l 1 J 1 ω 2 + k 2 l k 3r l k 3l l ω [ ω ( )(15.44) ] 0 ( )(15.44) ω 2 + ( )( ) +(2x107 )(2 2 ) + ((2x107 )(2 2 ) 0 = { 0} (4.14) 0 Karena λ = ω 2, maka : 1100 λ det [ λ ] = λ (4.15)

76 56 [-( 1100 λ )( λ )( λ )+( 1100 λ )( ) + ( )( λ )] = E+12 λ E+15 λ E+17 λ E+18 = 0 (4.16) Sehingga didapatkan nilai λ 1, λ 2, dan λ 3 adalah : λ 1 = ω n1 = rad/s λ 2 = ω n2 = rad/s λ 3 = ω n3 = rad/s 4.3 Diagram Blok Dari persamaan gerak yang diperoleh, selanjutnya dibuat diagram blok yang sesuai dengan persamaan gerak dari masingmasing sistem. Dan dari diagram blok tersebut akan didapatkan grafik respon dari masing-masing sistem yang akan dibahas pada bab selanjutnya Input Yang digunakan Pada tugas akhir ini, akan dilakukan simulasi untuk sistem suspensi hydro-pneumatic dan system seperempat kendaraan mobil dengan penggunaan sistem suspensi hydro-pneumatic. Pada saat pemodelan pada program simulasi, digunakan dua macam input, yaitu pertama, input bump yang telah dimodifikasi yang akan menghasilkan respon transien. Kedua, input sinusoidal yang akan menghasilkan respon steady-state. Persamaan dari kedua input tersebut dapat dituliskan sebagai berikut. Input bump yang dimodifikasi y (t) = Y 0.37e 2 (γω 0 t)e γω 0t (4.17)

77 57 Severity parameter =1 Severity parameter = 5 Severity parameter = 20 Gambar 4.6 Kecepatan angin dengan input bump yang dimodifikasi (a) γ = 1 (b) γ = 5 (c) γ = 20 Input ini merupakan fungsi dari γ (severity parameter), yaitu 1 untuk low impact atau untuk kecepatan angin sekitar 5 m/s, 5 untuk less severe impacts atau untuk kecepatan angin sekitar 12 m/s, dan 20 untuk more severe impact atau untuk kecepatan angin sekitar 18 m/s. Sedangkan ω o adalah k 2 m 2. Nilai Y merupakan amplitudo yang digunakan. Amplitudo yang digunakan dalam simulasi yaitu 381 m, m, dan m.

78 58 Input sinusoidal F(t) = Fo sin(ωt) (4.18) Velocity 5 m/s Velocity 12 m/s Velocity 18 m/s Gambar 3.12 Kecepatan angin dengan input sinusoidal Pada persamaan (4.18), nilai F merupakan amplitudo yang digunakan. Pada input sinusoidal tersebut digunakan tiga macam amplitudo dan frekuensi yang masing-masing mewakili kecepatan kendaraan yang berbeda (5 m/s, 12 m/s, dan 18 m/s), menggunakan rumus f = v. Untuk menghitung frekuensi ( ) input sinusoidal λ digunakan rumus ω = 2πf Blok Diagram Sistem tanpa dan dengan isolator Untuk dilakukan simulasi pada sistem turbin angin tanpa penambahan isolator digunakan input sinusoidal dan bump yang telah dimodifikasi. Diagram blok untuk input bump terdapat pada gambar 4.8. Sedangkan diagram blok untuk sistem tanpa dan

79 59 dengan isolator terdapat pada gambar 4.7 dan 4.9. Parameter yang digunakan telah dijelaskan pada tabel 3.1 dan 3.2 Gambar 4.7 Diagram blok untuk sistem turbin angin tanpa isolator getaran. Gambar 4.8 Diagram blok input bump modiefied.

80 60 Gambar 4.9 Diagram blok untuk sistem turbin angin dengan isolator getaran. 4.4 Analisa Pemodelan Pemodelan yang dijalankan menggunakan program Simulink dalam bentuk blok diagram. Input yang diberikan adalah variasi kecepatan angin, konstanta pegas dan redaman isolator. Sedangkan output dari simulasi adalah persentase reduksi displacement sistem utama (x 2). Setelah simulasi pada sistem turbin angin tanpa isolator dan dengan isolator dijalakan dengan

81 61 input sinusoidal, input bump modified, dan dibuat dalam bode diagram. Lalu melakukan perbandingan antara grafik sistem utama tanpa isolator dan dengan isolator getaran, dengan variasi kecepatan yang digunakan 5 m/s, 12 m/s, dan 18 m/s, variasi konstanta pegas isolator k 3 sebesar 17x10 6 N/m, 20x10 6 N/m, dan 23x10 6 N/m, serta variasi konstanta redaman isolator c 3 sebesar 3x10 5 Ns/m, 5x10 5 Ns/m, dan 8x10 5 Ns/m Respon Input Sinusoidal Input sinusoidal digunakan untuk melihat respon dinamis massa utama akibat beban harmonik, serta untuk melihat waktu yang dibutuhkan sistem untuk mencapai kondisi steady state Kecepatan angin 5 m/s dengan variasi k dan c isolator gataran (a) (b)

82 62 (c) Gambar 4.10 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator saat kecepatan angin 5 m/s. Gambar 4.10 adalah grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan dan (c) percepatan kendaraan terhadap waktu pada sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan 3 variasi isolator pada kecepatan angin 5 m/s. Dapat dilihat bahwa ketiga grafik tersebut menghasilkan respon steady state, respon dari sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran mencapai steady state pada waktu yang berbeda. Kedua sistem ini mencapai steady state setelah 45 detik dan 15 detik untuk perpindahan terhadap waktu, setelah 40 detik dan 13 detik untuk kecepatan terhadap waktu, dan setelah 40 detik dan 13 detik untuk percepatan terhadap waktu. Dari data hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa sistem turbin angin dengan isolator getaran memiliki waktu steady state yang lebih cepat dibandingkan dengan tanpa isolator getaran di setiap respon dinamisnya.

83 Kecepatan angin 12 m/s dengan variasi k dan c isolator gataran (a) (b) (c) Gambar 4.11 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator saat kecepatan 12 m/s.

84 64 Gambar 4.11 adalah grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan dan (c) percepatan kendaraan terhadap waktu pada sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan 3 variasi isolator pada kecepatan angin 5 m/s. Dapat dilihat bahwa ketiga grafik tersebut menghasilkan respon steady state, respon dari sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran mencapai steady state pada waktu yang berbeda. Kedua sistem ini mencapai steady state rata-rata setelah 25 detik dan 15 detik untuk perpindahan, 25 detik dan 20 detik untuk kecepatan dan percepatan terhadap waktu. Dari data hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa sistem turbin angin dengan isolator getaran memiliki waktu steady state yang lebih cepat dibandingkan dengan tanpa isolator getaran di setiap respon dinamisnya Kecepatan angin 18 m/s dengan variasi k dan c isolator gataran (a) (b)

85 65 (c) Gambar 4.12 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator saat kecepatan 18 m/s. Gambar 4.12 adalah grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan dan (c) percepatan kendaraan terhadap waktu pada sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan 3 variasi isolator pada kecepatan angin 18 m/s. Dapat dilihat bahwa ketiga grafik tersebut menghasilkan respon steady state, respon dari sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran mencapai steady state pada waktu yang berbeda. Kedua sistem ini mencapai steady state setelah 45 detik dan 15 detik untuk perpindahan terhadap waktu, setelah 45 detik dan 10 detik untuk kecepatan terhadap waktu, dan setelah 45 detik dan 10 detik untuk percepatan terhadap waktu. Dari data hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa sistem turbin angin dengan isolator getaran memiliki waktu steady state yang lebih cepat dibandingkan dengan tanpa isolator getaran di setiap respon dinamisnya Respon Input Bump Input bump digunakan untuk melihat respon sistem terhadap beban kejut (respon transien). Pada simulasi ini severity parameter yang digunakan hanya 1, 5, dan 20. Severity 1 untuk beban low impact, 5 untuk medium impact, 20 untuk high impact. Amplitudo

86 66 yang digunakan menyesuaikan kecepatan angin saat 5 m/s, 12 m/s, dan 18 m/s yaitu 381 m, m, dan m Low impact (severity 1) (a) (b) (c)

87 67 Gambar 4.13 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator dengan input bump severity 1. Tabel 4.1 Nilai respon dinamis hasil simulasi sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan input bump severity 1. Jenis Isolator Perpindahan maksimum (m) Kecepatan maksimum (m/s) Percepatan Maksimum (m/s2) Tanpa Isolator Isolator 1 ( k = 17E6 N/m & c = 3E5 Ns/m) Isolator 2 ( k = 20E6 N/m & c = 5E5 Ns/m) Isolator 3 ( k = 23E6 N/m & c = 8E5 Ns/m) Gambar 4.13 adalah grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan dan (c) percepatan kendaraan terhadap waktu pada sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan 3 variasi isolator pada input bump severity 1. Dapat dilihat bahwa ketiga grafik tersebut menghasilkan respon steady state, respon dari sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran mencapai steady state pada waktu yang berbeda. Kedua sistem ini mencapai steady state setelah 50 detik dan 35 detik untuk perpindahan, kecepatan, dan percepatan terhadap waktu. Pada grafik hasil simulasi sistem turbin angin tanpa isolator didapatkan nilai perpindahan maksimum sebesar m, kecepatan maksimum sebesar m/s, dan percepatan maksimum sebesar m/s 2. Sedangkan pada grafik hasil simulasi sistem turbin angin dengan isolator 1, 2, dan 3 didapatkan nilai perpindahan maksimum berturut-turut sebesar m, m, dan m, kecepatan maksimum sebesar m/s, m/s, dan m/s, dan percepatan maksimum sebesar m/s 2, 0.17 m/s 2, dan m/s 2. Dari data hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa sistem turbin angin dengan isolator getaran memiliki respon dinamis lebih baik daripada tanpa isolator getaran saat dikenai beban kejut rendah. Data respon dinamis kedua sistem dapat dilihat pada tabel 4.1.

88 Medium impact (severity 5) (a) (b) (c) Gambar 4.14 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan isolator getaran variasi nilai k dan c isolator dengan input bump severity 5.

89 69 Tabel 4.2 Nilai respon dinamis hasil simulasi sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan input bump severity 5. Jenis Isolator Perpindahan maksimum (m) Kecepatan maksimum (m/s) Percepatan Maksimum (m/s2) Tanpa Isolator Isolator 1 ( k = 17E6 N/m & c = 3E5 Ns/m) Isolator 2 ( k = 20E6 N/m & c = 5E5 Ns/m) Isolator 3 ( k = 23E6 N/m & c = 8E5 Ns/m) Gambar 4.14 adalah grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan dan (c) percepatan kendaraan terhadap waktu pada sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan 3 variasi isolator pada input bump severity 5. Dapat dilihat bahwa ketiga grafik tersebut menghasilkan respon steady state, respon dari sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran mencapai steady state pada waktu yang berbeda. Kedua sistem ini mencapai steady state setelah 50 detik dan 35 detik untuk perpindahan, kecepatan, dan percepatan terhadap waktu. Pada grafik hasil simulasi sistem turbin angin tanpa isolator didapatkan nilai perpindahan maksimum sebesar m, kecepatan maksimum sebesar m/s, dan percepatan maksimum sebesar m/s 2. Sedangkan pada grafik hasil simulasi sistem turbin angin dengan isolator 1, 2, dan 3 didapatkan nilai perpindahan maksimum berturut-turut sebesar m, m, dan m, kecepatan maksimum sebesar m/s, m/s, dan m/s, dan percepatan maksimum sebesar m/s 2, m/s 2, dan m/s 2. Dari data hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa sistem turbin angin dengan isolator getaran memiliki respon dinamis lebih baik daripada tanpa isolator getaran saat dikenai beban kejut sedang. Data respon dinamis kedua sistem dapat dilihat pada tabel 4.2.

90 High impact (severity 20) (a) (b) (c) Gambar 4.15 Grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan (c) percepatan terhadap waktu pada sistem utama tanpa dan dengan

91 71 isolator getaran variasi nilai k dan c isolator dengan input bump severity 20. Tabel 4.3 Nilai respon dinamis hasil simulasi sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan input bump severity 20. Jenis Isolator Perpindahan maksimum (m) Kecepatan maksimum (m/s) Percepatan Maksimum (m/s2) Tanpa Isolator Isolator 1 ( k = 17E6 N/m & c = 3E5 Ns/m) Isolator 2 ( k = 20E6 N/m & c = 5E5 Ns/m) Isolator 3 ( k = 23E6 N/m & c = 8E5 Ns/m) Gambar 4.15 adalah grafik respon (a) perpindahan (b) kecepatan dan (c) percepatan kendaraan terhadap waktu pada sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan 3 variasi isolator pada input bump severity 5. Dapat dilihat bahwa ketiga grafik tersebut menghasilkan respon steady state, respon dari sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran mencapai steady state pada waktu yang berbeda. Kedua sistem ini mencapai steady state setelah 53 detik dan 35 detik untuk perpindahan, kecepatan, dan percepatan terhadap waktu. Pada grafik hasil simulasi sistem turbin angin tanpa isolator didapatkan nilai perpindahan maksimum sebesar m, kecepatan maksimum sebesar m/s, dan percepatan maksimum sebesar m/s 2. Sedangkan pada grafik hasil simulasi sistem turbin angin dengan isolator 1, 2, dan 3 didapatkan nilai perpindahan maksimum berturut-turut sebesar m, m, dan m, kecepatan maksimum sebesar m/s, m/s, dan m/s, dan percepatan maksimum sebesar m/s 2, m/s 2, dan m/s 2. Dari data hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa sistem turbin angin dengan isolator getaran memiliki respon dinamis lebih baik daripada tanpa isolator getaran saat dikenai beban kejut tinggi. Data respon dinamis kedua sistem dapat dilihat pada tabel 4.3.

92 Bode Diagram (a) (b) (c) Gambar 4.16 Bode diagram frekuensi terhadap amplitudo saat kecepatan angin (a) 5 m/s (b) 12 m/s (c) 18 m/s sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran dengan variasi nilai k dan c isolator pada kecepatan angin 5 m/s.

93 73 Pada gambar 4.16 (a), (b), dan (c) diatas merupakan bode diagram yang menunjukkan gain antara input dan output sistem dalam bentuk amplitudo. Garis merah menunjukkan bode diagram sistem turbin angin tanpa isolator getaran 2 DOF yang memiliki frekuensi natural sistem sebesar rad/s dan rad/s. Kedua frekuensi tersebut merupakan frekuensi kerja tertinggi dari sistem turbin angin. Garis biru, ungu, dan hijau merupakan sistem turbin angin setelah penambahan isolator getaran, isolator 1,2, dan 3 dengan variasi nilai k dan c isolator pada kecepatan angin 5 m/s, 12 m/s, dan 18 m/s. Terlihat pada gambar, setelah penambahan isolator getaran, saat sistem turbin angin berada di frekuensi kerja tertingginya memiliki amplitudo yang rendah. Dapat disimpulkan bahwa, sistem turbin angin dengan penambahan isolator getaran pada pondasi akan meredam saat di frekuensi natural sistem daripada sistem tanpa penambahan isolator getaran. Semakin tinggi kecepatan angin, semakin tinggi pula amplitudo yang di hasilkan dan isolator 3 memiliki amplitudo yang paling rendah di 3 variasi kecepatan angin dibandingkan isolator 1 dan 2. Data hasil frekuensi natural sistem tanpa dan dengan dapat dilihat pada tabel 4.4. Tabel 4.4 Data frekuensi natural sistem turbin angin tanpa dan dengan isolator getaran Jenis Isolator Natural Frequency Wn1 Wn2 Wn3 Tanpa Isolator Isolator 1 ( k = 17E6 N/m & c = 3E5 Ns/m) Isolator 2 ( k = 20E6 N/m & c = 5E5 Ns/m) Isolator 3 ( k = 23E6 N/m & c = 8E5 Ns/m) Pembahasan Sistem turbin angin tanpa isolator getaran

94 74 Tabel 4.5 Data RMS sistem turbin angin tanpa isolator getaran KECEPATAN ANGIN (m/s) AMPLITUDO (m) SISTEM TANPA ISOLATOR FREQUENCY (rad/s) RMS DISPLACEMENT (m) RMS VELOCITY (m/s) RMS ACCELERATION (m/s2) Dari data di atas maka dapat dibuat grafik seperti tampak pada gambar berikut. Gambar 4.17 Grafik respon RMS perpindahan dari massa utama (x 2) tanpa isolator getaran dengan variasi kecepatan angin. Dari gambar 4.17 diatas dapat dilihat respon RMS perpindahan dari massa utama (x 2) sebelum ditambahkan dengan isolator getaran yang dipengaruhi oleh kecepatan angin. Terlihat grafik memiliki trendline naik. Pada saat kecepatan angin 5 m/s, maka respon x 2 yang didapatkan senilai m. Untuk kecepatan angin 12 m/s, didapatkan nilai x 2 sebesar m, sedangkan untuk kecepatan angin 18 m/s didapatkan nilai x 2 sebesar m. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa dengan semakin besar kecepatan angin, maka respon perpindahan massa utama juga semakin besar. Dengan semakin besarnya kecepatan angin, maka nilai gaya input yang diterima oleh massa utama menjadi semakin besar,

95 75 sehingga perpindahan yang terjadi pada massa utama juga semakin besar. Maka dari itu grafik yang telah didapatkan di atas sudah sesuai dengan teori. Data RMS sistem turbin angin tanpa isolator getaran dapat dilihat pada tabel Sistem turbin angin dengan isolator getaran Tabel 4.6 Data RMS dan reduksi perpindahan sistem turbin angin dengan 3 variasi isolator getaran. KECEPATAN ANGIN (m/s) AMPLITUDO (m) ISOLATOR 1 ( k = 17jt N/m & c = 300rb Ns/m) FREQUENCY (rad/s) RMS DISPLACEMENT (m) RMS VELOCITY (m/s) RMS ACCELERATION (m/s2) Reduction DISPLACEMENT (%) KECEPATAN ANGIN (m/s) AMPLITUDO (m) ISOLATOR 2 ( k = 20jt N/m & c = 500rb Ns/m) FREQUENCY (rad/s) RMS DISPLACEMENT (m) RMS VELOCITY (m/s) RMS ACCELERATION (m/s2) Reduction DISPLACEMENT (%) KECEPATAN ANGIN (m/s) AMPLITUDO (m) ISOLATOR 3 ( k = 23jt N/m & c = 800rb Ns/m) FREQUENCY (rad/s) RMS DISPLACEMENT (m) RMS VELOCITY (m/s) RMS ACCELERATION (m/s2) Reduction DISPLACEMENT (%)

96 76 Gambar 4.18 Grafik respon RMS perpindahan dari massa utama (x 2) dengan isolator getaran dengan variasi isolator dan kecepatan angin. Dari gambar 4.18 diatas dapat dilihat respon perpindahan dari massa utama (x 2) yang telah ditambahkan dengan isolator getaran dan dipengaruhi oleh kecepatan angin. Terlihat grafik memiliki trendline naik kemudian turun. Pada isolator 1, saat kecepatan 5 m/s, 12 m/s, dan 18 m/s didapatkan respon x 2 senilai m, m, dan m. Untuk isolator 2, saat kecepatan yang sama memiliki nilai respon x 2 sebesar m, m, dan m. Sedangkan untuk isolator 3 dengan kecepatan yang sama, memiliki nilai respon x 2 sebesar m, m, dan m. Hal ini dapat disimpulkan pada saat kecepatan 12 m/s ketiga variasi isolator memiliki nilai respon perpindahan paling besar dibandingkan saat kecepatan 5 m/s dan 18 m/s dikarenakan isolator getaran hanya bekerja pada frekuensi angin 5 m/s dan 18 m/s. Selain itu, dari tabel 4.9 juga dapat dibuat grafik persentase reduksi perpindahan massa utama seperti dibawah ini.

97 77 Gambar 4.19 Grafik reduksi respon perpindahan sistem turbin angin dengan isolator getaran dengan variasi isolator dan kecepatan angin. Dari grafik 4.19 tersebut dapat dilihat saat kecepatan angin 5 m/s, respon perpindahan massa utama x 2 dengan 3 variasi isolator mengalami reduksi sebesar 23 % dari sistem turbin angin tanpa menggunakan isolator getaran. Saat kecepatan 12 m/s, sistem turbin angin dengan isolator getaran memiliki nilai respon perpindahan yang lebih besar % dari sistem tanpa isolator getaran. Hal ini menunjukkan bahwa isolator getaran sangat tidak efektif meredam getaran yang terjadi pada kecepatan 12 m/s. Sedangkan untuk kecepatan angin 18 m/s, sistem turbin angin dengan 3 variasi isolator memiliki respon yang sangat kecil dibandingkan dengan sistem tanpa isolator getaran yang memiliki nilai reduksi sebesar 86%. Dapat disimpulkan bahwa saat kecepatan angin 18 m/s, ketiga isolator bekerja paling efektif dibandingkan saat kecepatan angin 5 m/s dan 12 m/s sesuai dengan bode diagram pada gambar 4.16 (a), (b), dan (c).

98 78 Halaman ini sengaja dikosongkan

99 5.1 Kesimpulan BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Dari penelitian yang telah dilakukan didapatkan kesimpulan sebagai berikut: 1. Telah dirancang sistem turbin angin dengan kecepatan angin sebagai input dan sumber getar yang memiliki tinggi tower 30 m. Getaran pada sistem ini hanya terjadi pada arah translasi horizontal. 2. Telah dirancang isolator getaran yang memiliki dimensi 30 x 30 cm dengan bahan rubber berlapis baja. Sistem ini berfungsi untuk mereduksi getaran arah translasi vertical yang diakibatkan dari gerakan sistem utama. 3. Pada input respon sinusoidal, isolator 1 paling optimum digunakan saat kecepatan angin 5 m/s karena memiliki nilai reduksi sebesar %. Sedangkan isolator 2 dan 3 paling optimum digunakan saat kecepatan 18 m/s karena memiliki nilai reduksi sebesar % dan %. Pada kecepatan angin 12 m/s ketiga isolator tidak bekerja dengan efektif. 4. Ketiga isolator getaran mencapai waktu transient rata-rata sama yaitu sekitar 35 detik setelah diberi input bump modified. Isolator 3 merupakan isolator yang paling efektif saat diberi low, medium, dan high impact karena memiliki perpindahan maksimum paling kecil dibandingkan isolator 1 dan Saran Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, saran untuk pengembangan dalam penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut: 1. Disarankan pada penelitian selanjutnya untuk melakukan pengujian eksperimen pada sistem isolator getaran yang aplikasikan pada pondasi turbin angin untuk lebih memastikan hasil respon dinamis yang didapat. 79

100 80 2. Turbin angin WES 80 dengan isolator getaran efektif digunakan di wilayah Indonesia dengan kecepatan angin rendah rata-rata 4-5 m/s maupun kecepatan tinggi m/s.

101 DAFTAR PUSTAKA [1] Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT) Outlook Energi Indonesia Jakarta, Indonesia: BPPT. [2] D, Ulgen. O,L, Ertugul. M,Y, Ozkan Measusrement Of Ground Borne Vibration For Foundation Design And Vibration Isolation Of A High-Precision Instrument.- : Elsevier Ltd. [3] Adyaksa, Jalu Studi Eksperimen Isolasi Getaran Pondasi Dasar Terhadap Lingkungan Sekitarnya. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya [4] N. Caterino, C.T. Georgakis, F. Trinchillo and A. Occhiuzzi A Semi-Active Control System For Wind Turbines.- : Elsevier Ltd. [5] Gambar bagian-bagian turbin angin. Diakses 1 Mei [6] Bagian-bagian turbin angin. Diakses 1 Mei [7] Gambar turbin angin tipe horizontal dan vertikal. Diakses 1 Mei [8] Wind turbine towers. Diakses 1 Mei [9] Pembagkit Listrik Tenaga Angin. Diakses 11 april

102 82 [10] Klasifikasi angin. Diakses 11 april [11] Rao, Singiresu S Mechanical Vibrations Fifth Edition. Amerika: Prentice Hall. [12] 101 renewable - small wind turbines. Diakses 1 Mei ager/questions/157/101+renewable+-+small+wind+turbine

103 BIODATA PENULIS Dwi Eliani dilahirkan di Bekasi, 22 Februari 1995 anak yang terlahir dari orangtua terbaik bernama FX Himawantoro dan Yana Husni. Riwayat pendidikan penulis diawali di SDN Margahayu 13 Bekasi pada tahun Penulis melanjutkan pendidikannya di SMPN 1 Bekasi pada tahun , kemudian melanjutkan pendidikannya di SMAN 1 Bekasi pada tahun Selanjutnya penulis melanjutkan pendidikan jenjang S-1 Jurusan Teknik Mesin di Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya melalui jalur SNMPTN Undangan. Penulis aktif dalam kegiatan akademik maupun organisasi selama perkuliahan. Penulis juga pernah menjadi grader Menggambar Mesin dan asisten Lab Vibrasi. Dalam organisasi kemahasiswaan, penulis aktif menjadi staff Divisi Hubungan Luar di Lembaga Bengkel Mahasiswa Mesin (LBMM) pada tahun dan staff Departemen Dalam Negeri di Paguyuban Beasiswa Karya Salemba Empat (KSE) pada tahun Pada tahun penulis aktif menjadi Kabiro Internal Divisi Hubungan Luar LBMM dan Sekretaris Departemen Dalam Negeri di Paguyuban Beasiswa KSE pada tahun Motto hidup penulis adalah Live Simply. Dream Big. Be Grateful. Give Love. Laugh Lots. menjadikan penulis lebih bersemangat dan berusaha keras untuk mencapai sesuatu yang diinginkannya. Untuk semua informasi dan masukan terkait tugas akhir ini dapat menghubungi penulis melalui dwieliani2@gmail.com.