1917 DESAIN DAN ANALISIS STRUKTUR MENARA LATTICE

P-ISSN 1978 - 2365
E-ISSN 2528 - 1917
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32
DESAIN DAN ANALISIS STRUKTUR MENARA LATTICE PEMBANGKIT
LISTRIK TENAGA ANGIN 100 Kw DI DESA TAMANJAYA, SUKABUMI,
JAWA BARAT
DESIGN AND STRUCTURE ANALYSIS OF 100 kW WIND TURBINE LATTICE
TOWER IN TAMANJAYA VILLAGE, SUKABUMI, WEST JAVA
Zulkarnain
Puslitbangtek. Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi
Jl. Cileduk Raya Kav. 109, Cipulir, Kebayoran Lama, Jakarta Selatan, 12230
[email protected]
Abstrak
Pembangunan pembangkit listrik tenaga angin tidak terlepas dari pembangunan menara yang berfungsi
sebagai tiang penopang seluruh komponen sistem pembangkit pada ketinggian tertentu. Menara harus
memenuhi kriteria yang diinginkan dengan memiliki konstruksi yang cukup kuat untuk menerima
beban yang ditopangnya. Desain dan analisis struktur menara Lattice turbin angin 100 kW yang
dibangun di Desa Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat telah disajikan berdasarkan kriteria awal desain
menara yang meliputi tipe, jenis, tinggi, kondisi angin dan gempa di lokasi, dan beberapa faktor yang
mempengaruhi lainnya telah dibahas.Besar beban yang harus dapat ditopang oleh menara juga telah
dihitung berdasarkan beban angin, beban peralatan pembangkit, dan beban peralatan penunjang
lainnya.Pemodelan gaya-gaya yang bekerja di setiap elemen struktur menara yang terjadi akibat karena
adanya bebandilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Ms. Tower Versi 6.Hasil yang
diperoleh dan dianalisis berupa nilai twist, sway, displacement horisontal, dan stress ratiomenara. Nilai
tersebut selanjutnya akan disesuaikan dengan ketentuan batasan standar kekuatan menara yang
mengacu pada standar TIA/EIA - 222F.
Kata kunci : Menara lattice;turbin angin; energi angin.
Abstract
The development of wind power plant could not be separated from the construction of the tower that
serves as the pillar for all components of the system at a certain height.
It need the tower which meet the desired criteria by having a construction which strong enough to
recieve the loads. Design and structure analyses of a lattice tower for 100 kW wind turbine in
Tamanjaya Village, Sukabumi, West Java is presented based on initial criteria of tower design such as
type, height, wind and seismic conditions on the site, and several other factors that influence its design
has been discussed.The amount of forces that must be supported by towers have been calculated based
on the wind load, load of generation equipment, and other supporting equipment load.The forces that
working on the structure of the tower was modeled by using software Ms. Tower Version 6.The result
which was obtained and analyzed are the value of twist, sway, horizontal displacement, and stress
ratioof towers which were determined with a standard limitation of the tower structure which refers to
TIA / EIA - 222F.
Keyword : Lattice Tower; Wind Turbine; Wind Energy.
Diterima : 4 April 2016, direvisi : 9 September 2016, disetujui terbit : 29 Desember 2016
21
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32
memadai, menara harus memiliki konstruksi
PENDAHULUAN
Penelitian energi angin menjadi pilihan
yang cukup kuat untuk menerima beban yang
yang cukup realistis mengingat sumber energi
ditopangnya. Dimensi menara dan turbin juga
tersebut sangat mungkin didapatkan karena di
harus
beberapa daerah di Indonesia memiliki potensi
mempengaruh. perilaku tanah yang menjadi
energi angin yang cukup baik yang dapat
landasan struktur pondasi tersebut[2]. Analisis
dimanfaatkan
energi.
beban terhadap struktur menara telah dil-
Berdasarkan hasil pengukuran langsung, be-
akukan sebelum dibangunnya menara, untuk
berapa lokasi di Indonesia mempunyai ke-
memprediksi besarnya beban yang harus di-
cepatan angin rata-rata tahunan cukup tinggi
topang pada setiap elemen struktur menara
pada ketinggian 50 meter, yaitu diatas 5,6 m/
yang dibuat, karena pada akhirnya beban ter-
det hingga 7 m/det[3,4,5]. Lokasi-lokasi tersebut
sebut akan berkorelasi dengan penentuan di-
antara lain terdapat di pantai selatan Pulau Ja-
mensi dan material menara.
sebagai
sumber
diperhitungkan,
karena
akan
wa, pesisir Nusa Tenggara Timur, Sulawesi
Selatan, Sulawesi Utara, dan Maluku. Selain
METODOLOGI
itu juga karena kondisi geografis Indonesia
Penelitian ini dilakukan untuk menara
cukup strategis yang terletak di antara dua
jenis Lattice dengan ketinggian 35 meter di
benua dan dua samudra dengan topografi yang
atas
bervariasi sehingga memungkinkan untuk di-
digunakan pada pembangkit listrik tenaga an-
jadikan tempat penghasil energi baru terba-
gin 100 kW milik P3TKEBTKE yang berlo-
rukan yaitu energi angin, terutama untuk dae-
kasi di desa Taman Jaya, Ciemas, Sukabumi,
rah yang terpencil yang sulit mendapatkan
Jawa Barat. Metodologi yang digunakan pada
suplai energi.
penelitian ini adalah metodologi pemodelan
Pembangkit listrik tenaga angin adalah
permukaan
permukaan tanah,
yang
dan simulasi pada umumnya, dengan tahapan
suatu pembangkit listrik yang menggunakan
awal
angin
kemudian dilanjutkan dengan simulasi serta
sebagai
sumber
energi
untuk
menghasilkan energi listrik. Pembangkit ini
melakukan
perancangan
menara,
analisis hasil rancangan tersebut.
dapat mengkonversi energi angin menjadi en-
Analisis terhadap beban-beban yang
ergi listrik dengan menggunakan turbin angin
bekerja pada tiap elemen struktur menara dil-
atau kincir angin. Pembangunan pembangkit
akukan
listrik tenaga angin tidak terlepas dari pem-
Ms.Tower Versi 6.0 dan menggunakan per-
bangunan menara yang berfungsi sebagai tiang
syaratan
standar
kekuatan
menara
penopang seluruh komponen sistem pembang-
mengacu
pada
standar
TIA/EIA-222F
kit listrik tenaga angin pada ketinggian terten-
(Structural Steel Standards for Steel Antenna
tu. Selain memiliki pondasi yang kuat dan
Tower and Supporting Structure). Sedangkan
dibangun di atas tanah dengan kestabilan yang
22
menggunakan
perangkat
lunak
yang
Desain dan Analisis Strutktur Menara Lattice Pembangkit Listrik Tenaga Angin 100 kW di Desa
Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat
untuk beban yang diberikan dalam simulasi
struktur pola batang yang disusun dan dibaut
merupakan kecepatan angin pada kondisi
sehingga membentuk rangka yang berdiri
ekstrim, yaitu sebesar 200 km/jam atau 55,6 m/
sendiri tanpa adanya sokongan lainnya, Gam-
det.
bar 1 (b). Standar untuk kekuatan desain menara yang dibuat mengacu pada standar TIA/EIA
-222-F. Sedangkan untuk kekuatan terhadap
Perancangan Menara
Ada dua jenis menara yang umum
gempa disesuaikan dengan zona gempa di dae-
digunakan pada pembangkit listrik tenaga an-
rah tersebut[6]. Adapun standar yang digunakan
gin di dunia, yaitu jenis tubular dan lattice.
untuk material menara dapat dilihat pada Tabel
Menara tubular merupakan suatu rangkaian
1 berikut :
dari beberapa tabung silinder yang dapat dibu-
Tabel 1. Material yang digunakan
at dari baja atau beton. Tiap-tiap tabung
silinder dihubungkan dengan cara dilas sampai
dengan ketinggian tertentu. Sedangkan menara
jenis lattice merupakan rangkaian dari bajabaja
siku
yang
dihubungkan
dengan
menggunakan baut dan mur di setiap ujungnya.
Beberapa standar lain juga digunakan
dalam rancangan ini, seperti SNI-03-28472002 tentang tata cara perhitungan struktur
beton untuk bangunan gedung, SNI-03-17262003 tentang tata cara perencanaan ketahanan
gempa untuk bangunan gedung, dan SNI-031729-2002 tentang tata cara perencanaan
struktur baja untuk bangunan gedung.
Gambar 1. Menara Jenis Tubular dan Lattice
Pemodelan Menara
Pemodelan struktur menara dilakukan
Menara Pembangkit Listrik Tenaga An-
menggunakan perangkat lunak Ms. Tower
gin yang dibangun di desa Taman Jaya, Cie-
Versi 6. Perangkat lunak ini memiliki kemam-
mas, Sukabumi, Jawa Barat adalah berjenis
puan untuk menghasilkan geometri menara
lattice berbentuk segi empat (square) dengan
sesuai dengan persyaratan dan standar yang
ketinggian 35 meter di atas permukaan tanah.
dijadikan
Struktur menara ini merupakan tipe Self-
melakukan simulasi gaya yang terjadi pada
acuan,
selain
itu
juga
dapat
Supporting Tower (SST), yang memiliki
23
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32
tiap-tiap bagian menara akibat adanya gaya
instalasi sistem pembangkit, maupun pada
beban[8]. Gambar 2(a) menunjukkan geometri
proses perawatan menara yang terletak
tiga
1:1,
pada tangga dan bordes. Berdasarkan
menggunakan material baja siku dengan di-
Standar EIA/TIA 222F beban hidup pada
mensi yang berbeda-beda sesuai dengan letak-
tangga menara harus mampu menahan
nya, yang dapat dilihat pada keterangan gam-
250 pounds (110 kg) dan pada bordes
barnya.
sebesar 500 pounds (220 kg).
dimensi
menara
berskala
Model menara dibagi menjadi 14 panel,
Gambar 2 (b). Pada setiap panel berisi bagian/
komponen menara yang disebut sebagai
member, dimana hasil simulasi model ini
nantinya merupakan gaya yang terjadi pada
setiap member menara karena akibat adanya
beban.
Simulasi Model Menara
Input pembebanan yang diberikan pada
pemodelan ini merupakan kombinasi dari tiga
jenis beban yang diterima oleh menara tersebut. Ketiga jenis beban yang dimaksud adalah
[7]
sebagai berikut,.
1. Beban Mati (Dead Load), merupakan
berat menara itu sendiri, yang secara
otomatis akan dihitung oleh Ms. Tower
Gambar 2. Geometri Model Menara Lattice
sesuai dengan rancangan dan material
yang digunakan pada model menara yang
3.
telah dibuat/digambar. Untuk beban mati
yang timbul di titik simpul setiap section atau
lainnya diberikan sebesar 21 ton yang
segment
berasal dari berat sistem pembangkit
hembusan angin, beban ini dikelompokkan
listrik,
berat
menjadi beban gravitasi dan lateral. Pada
seluruh peralatan bantu pada saat proses
pemodelan ini, beban angin yang digunakan
instalasi menara.
diasumsikan berasal dari beban hembusan
aksesoris
menara,
dan
Beban Angin (Wind Load) , yaitu beban
menara
oleh
karena
adanya
angin pada kondisi ektrim, yaitu pada saat
2. Beban Hidup (Live Load), merupakan
24
siklus angin 50 tahunan dengan kecepatan
beban tambahan yang berasal dari orang
sebesar
200
km/jam
atau
55,6
m/det.
yang bekerja baik pada proses pembuatan,
Berdasarkan standar TIA/EIA-222-F, beban
Desain dan Analisis Strutktur Menara Lattice Pembangkit Listrik Tenaga Angin 100 kW di Desa
Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat
angin pada struktur menara dihitung dengan
Kz
=
menggunakan rumus :
RR
= faktor reduksi untuk komponen
struktural bundar,
=
DF,DR = faktor arah angin komponen
Dimana :
datar,lingkaran
F
CA
= gaya angin horizontal (tegak lurus
panel) (N)
qz
= koefisien gaya appurtenance
linear
= tekanan kecepatan (Pa);
Selain bekerja pada struktur menara,
beban angin juga bekerja pada komponen
sistem pembangkit listrik tenaga angin 100 kW
GH = gust response factor (m);
untuk struktur menara jenis
Lattice,
yang berada di puncak menara. Komponen
pembangkit yang memiliki kontribusi besar
terhadap pemberian beban ke menara adalah
Dan
bagian rotor / bilah turbinnya, dimana beban
CF = koefisien gaya pada struktur,
yang berupa bending moment tersebut akan
untuk menara lattice dengan tipe square
maksimum diterima oleh struktur dan pondasi
menara pada saat kondisi salah satu bilah
= Solidity Ratio
berada di atas dan juga menghadap arah angin
[1, 9].
AE = luas proyeksi efektif pada satu
muka (m2)
Dalam pemodelan ini, komponen rotor/
bilah turbin diasumsikan sebagai antena
parabola dengan diameter 22 meter dimana
titik pusatnya berada di puncak menara yaitu
AG
=
luas kotor dari satu panel jika
pada ketinggian 35 meter di atas permukaan
penampangnya solid , (m2)
tanah. Perhitungan beban angin pada antena
AF
parabolik menurut EIA/TIA-222-F adalah
= luasan terproyeksi komponen
bundar struktur pada panel (m2)
AA
sebagai berikut [7],
= luasan terproyeksi komponen
linear pada panel (m2)
AR
= luasan terproyeksi dari komponen
struktural pada satu muka dari penampang
(m2)
Dimana :
Fa
= Gaya Aksial (kg)
V
= kecepatan dasar angin, (m/s)
Fs
= Gaya samping (kg)
h
= tinggi total struktur, (m)
M
= Momen Puntir (kg.m)
Kz
= koefisien keterbukaan struktur
25
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32
Ca
=
Koefisien beban angin untuk gaya
aksial sejajar sumbu rotor
Cs
yaitu
0,5°.
Dari
hasil
simulasi, diperoleh nilai maksimum sway
= Koefisien beban angin
untuk gaya
momenik
Cm
diperbolehkan
yaitu
masih
= Koefisien beban angin
untuk gaya
aksial tegak lurus sumbu rotor
V
= Kecepatan angin (mph)
D
= Diameter rotor (m)
sebesar 0,4319° dimana nilai ini
lebih
kecil
dari
nilai
yang
diperbolehkan (0,4319°<0,5°).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan standar TIA/EIA-222-F,
syarat yang harus dipenuhi oleh struktur menara dalam menentukan stabilitasnya dibatasi
oleh besarnya nilai dari momen puntir (twist),
goyangan menara (sway), perpindahannya
(displacement),
dan
juga
perbandingan
tekanannya (stress ratio). Adapun nilai batas
toleransi yang diperbolehkan adalah sebagai
berikut :
a. Twist ≤ 0,5o
b. Sway ≤ 0,5o
c. Displacement Horizontal ≤ h/200
Gambar 3. Twist dan Sway
d. Stress Ratio ≤ 1
Berikut disajikan hasil simulasi yang telah
dilakukan pada penelitian ini:
Gambar 3 menunjukkan hasil simulasi
nilai twist dan sway di setiap panel menara
mulai dari panel 1 pada ketinggian 35
meter sampai dengan panel 14 pada
ketinggian 4 meter. Adapun nilai twist
ditunjukkan oleh Z-Rot dan nilai sway
ditujukkan oleh X-Rot. Dari hasil tersebut
terlihat bahwa seluruh nilai twist dan sway
berada di bawah batas toleransi yang
26
Nilai sway maksimum terjadi pada
panel 2 menara di ketinggian 34,5 meter,
dan pada kondisi Load Case (LC)800,
yaitu pada kondisi menara menerima gaya
tegangan yang berasal dari angin dengan
arah 315° dari sumbu x. Adapun nilai twist
yang diperoleh dari hasil simulasi adalah
0, yang dapat diartikan bahwa tidak terjadi
puntiran pada menara (0°<0,5°). Pada
Gambar 4 ditunjukkan hasil simulasi nilai
displacement horisontal menara yang
ditunjukkan oleh nilai X-Disp. Berdasarkan
standar
TIA/EIA-222-F,
nilai
Desain dan Analisis Strutktur Menara Lattice Pembangkit Listrik Tenaga Angin 100 kW di Desa
Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat
maksimum X-Disp menara yang diperbolehkan
adalah sebesar h/200, dimana nilai h adalah
ketinggian menara. Jadi, untuk menara dengan
ketinggian 35 meter, nilai maksimum X-Disp
yang diperbolehkan adalah sebesar 0,175 m
atau 17,5 cm.dari hasil simulasi, nilai X-Disp
maksimum yang diperoleh adalah sebesar
0,1265 m atau 12,65 cm.Nilai ini lebih kecil
darinilai batas yang diperbolehkan (12,65 cm
<17,5 cm). X-Disp maksimum ini terjadi pada
kondisi Case 640 dan Case 660, dimana pada
kondisi ini menara mendapat gaya tegangan
dan kompresi yang berasal dari hembusan
angin dengan arah 135° dari sumbu x.
stress ratio yang paling besar adalah 0,742
(lebih kecil dari 1) dan terjadi di panel 14
member LEG, yaitu di kaki bagian menara
paling bawah dengan ketinggian 4 meter. Hal
ini menandakan bahwa di panel itulah menara
akan menerima beban terbesar. Berdasarkan
visualisasi hasil simulasi stress ratio menara
(Gambar 5) terlihat bahwa tidak ada bagian/
elemen
menara
yang
berwarna
merah,
sehingga dapat dikatakan rancangan menara
ini baik.
Tabel 2. Rekapitulasi Stress Ratio
Maksimum
Selain keempat parameter diatas, dari hasil
simulasi juga diperoleh parameter nilai gaya
Gambar 4. Displacement Menara
dan momen yang terjadi pada pondasi menara.
Parameter nilai ini yang akan digunakan
Nilai stress ratio maksimum yang terjadi pada
sebagai beban dalam penentuan desain pondasi
setiap panel menara dapat dilihat pada Tabel 2.
menara.
Pada tabel tersebut terlihat bahwa nilai stress
maksimum hasil simulasi terhadap gaya dan
ratio lebih kecil dari nilai yang diperbolehkan
momen yang terjadi pada bagian pondasi.
oleh Standar TIA/EIA-222-F disetiap panel
Nilai-nilai tersebut ditunjukkan pada Tabel 3
dan ketinggian. Terlihat pula bahwa nilai
berikut,
Gambar
6
menunjukkan
nilai
27
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32
Tabel 3. Beban pada Pondasi Menara
Hasil rancangan menara yang telah dibuat ditunjukkan pada Gambar 7 berikut,
Gambar 5. Visualisasi Analisa
28
Gambar 7. Menara Lattice PLT-Angin
100 kW, Desa Tamanjaya
Desain dan Analisis Strutktur Menara Lattice Pembangkit Listrik Tenaga Angin 100 kW di Desa
Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat
Gambar 6. Support Reaction
KESIMPULAN DAN SARAN
2. Seluruh nilai yang diperoleh dari hasil
Kesimpulan
simulasi
yang
berupa
twist,
sway,
Berdasarkan hasil pemodelan dapat diambil
horizontal displacement dan stress ratio
kesimpulan sebagai berikut,
berada di bawah batasan maksimum yang
1. Reaksi berupa gaya yang bekerja di setiap
diperbolehkan. Berdasarkan seluruh hasil
elemen struktur menara yang timbul akibat
simulasi ini, maka dapat disimpulkan
adanya pengaruh dari beban angin, beban
bahwa desain dari struktur dan material
mati dan beban hidup dapat disimulasikan
menara Latiice yang dibuat telah memenuhi
dengan menggunakan perangkat lunak
syarat kekuatan yang mengacu pada standar
Ms.Tower Versi 6.
TIA/EIA-222-F.
29
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32
Saran
Sukabumi,
1. Simulasi ini dilakukan dengan asumsi kon-
Ketenagalistrikan dan Energi Baru
disi seluruh baut pada tiap-tiap sambungan
menara dalam keadaan terikat kencang
(kuat). Adanya angin yang selalu terjadi
dan menerpa menara di lapangan, akan
mempengaruhi kekencangan baut-baut tersebut. Untuk itu disarankan agar dilakukan
pemeriksaan dan pengencangan pada seluruh baut menara secara rutin setiap ta-
Jawa
Barat,
Jurnal
Terbarukan, Vol.13 No.1.Hal : 15.
[3]. P3TEK, 2005, Laporan Kegiatan
Studi Potensi Angin di 3 lokasi.
[4]. P3TKEBT, 2007, Laporan Kegiatan
Penelitian Analisis Pemanfaatan Energi Angin Daerah Prospek di Indonesia.
[5]. EC-ASEAN Energy Facility Final
hun.
2. Untuk melengkapi analisis yang telah
Technical Report, 2007, Feasibility
dilakukan, maka perlu dilakukan penelitian
Study for Wind Farms Based in Iso-
lanjutan
dengan
lated Areas: Case Study and Devel-
kondisi beban dinamik pada saat rotor
opment ofa Standard Identification
berputar pada kecepatan operasionalnya
Methodology.
pada
pemodelan
ini
berdasarkan data yang diperoleh dari
lapangan.
Umum,
Sebagai Acuan Dasar Perencanaan
mengucapkan
terimasih
kepada
Dr. Verina J Wargadalam beserta seluruh
anggota
Pekerjaan
2010, Peta Hazard Gempa Indonesia
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis
[6]. Kementerian
Tim
kegiatan
energi
angin
P3TKEBTKE dan juga kepada PT. Marga
Dan
Perancangan
Infrastruktur
Tahan Gempa.
[7]. Telecomunications Industry Association, June 1996, TIA/EIA-222-F
Utama Mandiri atas ketersediaan data dan
Standard Stuctural Standard for
segala bantuannya.
Steel Antena Towers and Antena
Supporting Structures.
[8]. Engineering Systems, April 2008,
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Tony
Burton,
et
all,2001,Wind
Energy Handbook, John Wiley &
Sons, Ltd.
[2]. Zulkarnain, Novico, F, Juni 2014,
Model Perilaku Tanah Pada Pondasi
30
MS tower V6 User’s Manual.
[9]. Centre for Wind Energy Technology, 2010, 6th International Training
Course on Wind Turbine Technology
and Apllication, Course Material.
Menara Pembangkit Listrik Tenaga
[10]. Sheilla Fadila, Desember 2014, Ana-
Angin 100 kW di Desa Tamanjaya,
lisa Desain Struktur Dan Pondasi
Desain dan Analisis Strutktur Menara Lattice Pembangkit Listrik Tenaga Angin 100 kW di Desa
Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat
Menara Pemancar Tipe “Self Supporting Tower Di Kota Palembang,
Jurnal Teknik Sipil,dan Lingkungan
Vol. 2, No. 4.
31
HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN
32