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