perancangan teknis baut batuan...
TRANSCRIPT
LOGO
PERANCANGAN TEKNIS
BAUT BATUAN BERDIAMETER 39 mm
DENGAN KEKUATAN PENOPANGAN 130-150 kN
www.designfreebies.org
LOGOLatar Belakang
Kestabilanbatuan
• Tolok ukur keselamatan kerja dipertambangan bawah tanah
PerencanaanBaut Batuan
• Mampu menopang batuan sehinggalongsor bisa dihindari
Baut batuanyang ada sangat
mahal
• Menggunakan material standard pasarlokal dengan kekuatan bersaing secarainternasional
LOGOPenelitian TerdahuluScott (1972)
Mendesain grouted bolt, memberi nama “split set” untuk baut batuan berdiameter 33 mm, 39 mm dan 46 mm. Bahan yang dipergunakan adalah ASTM F 432-95 galvanized
Mattews et al (1981), Mah (1997), Martin L. (2002)
Melakukan modifikasi jenis kurva stabilitas gunamendapatkan harga kekuatan penopangan yang optimal melalui pengaturan jarak antar baut batuan
Tomory (1998), Johnson dkk (2004),
Dolsak (2005 dan 2008)
Menentukan umur baut batuan menggunakan Miniature Data Acquisition Sistem (MIDAS). Menentukan mekanisme pelubangan batuan yang tepat menggunakan Self Drilling Anchor.
Menganalisa faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan baut batuan.
LOGOPerumusan Masalah
Permasalahan yang diangkat dalamperencanaan baut batuan berdiameter 39 mm dengan kekuatan penopangan 130-150 kN ini
adalah bagaimana merancang baut batuanyang akan digunakan pada pertambanganbawah tanah, meliputi dimensi baut batuan
dan pemilihan material yang tepat
LOGOBatasan Masalah
• Material baut batuan disumsikanhomogen1
• Penelitian difokuskan pada baut batuan, tanpa melibatkan bearing plate2
• Baut batuan dirancang untuk skalapertambangan3
456
• Model baut batuan disesuaikan dengankebutuhan
• Perencanaan mesin bending roll dilakukanhanya pada perhitungan daya motor listrik.
• Mekanisme pelubangan batuan sebagaitempat masuknya baut batuan tidak dijelaskansecara rinci pada penelitian ini.
LOGOManfaat Penelitian
Mengetahui dan memahamiproses pembuatan baut batuan
Baut batuan yang telah dibuatdengan menggunakan material standard yang ada di pasardapat memenuhi kebutuhanpertambangan dan mampubersaing dengan produksejenis yang sudah ada.
LOGOTujuan Perancangan
Merancang baut batuan dengan mengoptimalkan biaya produksi
Memilih bahan yang sesuai dengan tingkat kekuatan yang dibutuhkan.
Mensimulasikan kekuatan material baut batuan dalam menopang batuan,
menggunakan software ANSYS 11.
LOGOGambar Produk
Keterangan untuk dimensibearing plate adalahsebagai berikut :A = 15 mmB = 4,5 mmC = 40 mm
Keterangan untuk dimensibaut batuan adalah sebagaiberikut :panjang = 1067 mmDiameter luar = 39 mmTebal = 2,5 mmPanjang Gap = 2,5 mm
LOGOFungsi Baut BatuanFungsi penahan
Baut batuan harus mampu menahanmassa batuan dengan mengandalkan
tegangan geser material terhadap batuan
Fungsi penekan
Baut batuan memberikan tekanan kedinding lubang bor berupa gaya spring
back material.
Fungsi penguat
Baut batuan menguatkan lapisan batuandengan mencegah terjadinya pergeseran
antar lapisan batuan
LOGOSpesifikasi Mesin Bending Roll
Mesin bending roll menggunakan 2 hidrolik, masing-masing 2 ton denganmenggunakan 3 roller.
Daya (hp) = 9 hp
Putaran (n) = 1425 rpm
LOGO
Perhitungan kekuatanbaut batuan
Simulasi pemodelan bautbatuan dengan ANSYS 11
Apakah tegangankritis yang dialami
baut batuan < tegangan yield
material?
Ya
Tidak
Model baut batuan sesuai dengan
desain dan siap untuk difabrikasi
END
A
LOGOPerencanaan Baut Batuan
Perencanaan
Mesin Bending Roll
Perencanaan Material Baut Batuan
IdentifikasiPembebanan Pada
Baut Batuan
Pemodelan
Baut BatuanMenggunakan
Software ANSYS 11
LOGOPerencanaan Mesin Bending Roll
Pertama kali,Menentukan
kekuatan hidrolik, putaran motor, rasio
gear box
Mencari gaya tangensial
untuk menghitung
Torsi
Setelah Torsi
diketahui, daya motor
dapat dihitung
LOGOPerencanaan Material Baut Batuan
• Memiliki tensile strength tinggi• Memiliki modulus elastisitas rendah• Memiliki harga kekerasan tinggi• Material tahan korosi• Material mudah didapatkan serta
harganya terjangkau
Menentukan kebutuhan
material
• SS-304
• Tensile Strength = 520 MPa• Yield strength = 205 Mpa• Compression strength= 210 Mpa
Memilih material
sesuai dengan kebutuhan
LOGOPerencanaan Material Baut Batuan (continued)
• Diameter luar (Do) = 39 mm• Diameter dalam = 34 mm• Tebal = 2,5 mm
Menentukan dimensi baut batuan dengan
mengacu pada standard Internasional
• Non rotating cylinder,
• External pressure only
• Tegangan ke arah tangensial• Tegangan ke arah radial
Mengidentifikasi kasus pembebanan yang
terjadi
• Maximum Normal Stress Theory (MNST)
• Maximum Shear Stress Theory (MSST)
• Distortion Energy Theory (DET)
Menghitung keamanan baut
batuan
LOGOIdentifikasi Pembebanan Pada Baut Batuan (continued)
Tegangan yang diberikan
batuanterhadap
baut batuanberupa tekananrata-rata (Po).
Teganganspring back dari material
TeganganNormal Akibat
Pull Claw
LOGOHasil Pemodelan Baut Batuan Menggunakan
Software ANSYS 11(continued)
meshing baut batuan menggunakan software ANSYS 11
LOGOHasil Pemodelan Baut Batuan Menggunakan
Software ANSYS 11(continued)
Baut Batuan Dikenai Tekanan Rata-rata dan Tegangan Spring Back
nilai tegangan kritis sebesar 4,037 N/mm2 dan berada di daerah kepalabaut batuan, di bagian sambungan ring. Tegangan kritis masih dalam batas aman mengingat yield strength darimaterial adalah sebesar 205 N/mm2. Tegangan kritis terjadi di sekitar gap/celah baut batuan. Hal inidisebabkan karena deformasi terjadi pada celah tersebut.
LOGOHasil Pemodelan Baut Batuan Menggunakan
Software ANSYS 11(continued)
Baut Batuan Dikenai Pull Claw 130 kN
Tegangan kritis yang terjadi bernilai 131,775 N/mm2 dan masihberada di bawah yield strength material SS304 yaitu 205 N/mm2. Tegangan kritis ini terjadi di bagian ring yang dikenai pull claw.
LOGOHasil Pemodelan Baut Batuan Menggunakan
Software ANSYS 11(continued)
Baut Batuan Dikenai Pull Claw 150 kN
Tegangan kritis yang terjadi bernilai 152,07 N/mm2 dan masihberada di bawah yield strength material SS304 yaitu 205 N/mm2.
LOGOKesimpulan
Baut batuan berdiameter 39 mm dengan kekuatan penopangan130-150 kN ini menggunakan material Stainless Steel 304.
Dengan spesifikasi material ini, dan konfigurasi yang sudah dianalisa, maka batas beban baut batuan hingga break adalah 267,26 kN.
Baut batuan ini memiliki panjang yang lebih daripada produk yang sudah ada karena didesain untuk mendapatkan harga kekuatan penopangan yang lebih tinggi dengan material pasar lokal.
Tegangan kritis yang terjadi pada saat pembebanan tarik terdapat didaerah sekitar ring baut batuan
Tegangan spring back merupakan perilaku alami dari baut batuankarena adanya tekanan rata-rata yang mengenai permukaan luarbaut batuan dan berhubungan erat dengan sifat elastisitas logam.
LOGOSaran
Perlu adanya kajian eksperimental untuk memvalidasi hasil Tugas Akhir ini.
Perlu dikaji lebih lanjut tegangan yang mempengaruhi baut batuan pada saatproses memasukkannya ke dalam batuan.
LOGOPerencanaan Mesin Bending Roll Data yang ditetapkan dari mesin bending roll yang akan dirancang adalah
sebagai berikut : Hidrolik enerpack = 2 ton di kiri roller dan 2 ton di kanan roller Putaran motor listrik = 1425 rpm 1 buah gear box dengan rasio transmisi 1:15 Selanjutnya daya motor listrik dapat dihitung berdasarkan gaya tangensial
(Ft) yang diterima roller akibat roller berputar.
Fnormal roller = 4000 kg x 9,8 m/s2 = 39200 Newton Ft = μ x Fnormal roller = 0,42 x 39200 N = 16464 N = fs 16464N = =
642,096 = 2T Torsi = 321,048 Nm
d
T.2m
T
039.0
.2
LOGOPerencanaan Mesin Bending Roll Karena mesin bending roll yang dirancang ini menggunakan dua buah
hidrolik, maka kebutuhan torsi untuk motor listrik adalah : 2T = 2 x 321,048 Nm = 642,096 Nm x x = 5687,858 lb.in
T1= ? T2= 5687,858 lb.in n1= 1425 rpm rasio transmisi 1:15
T1 = 379,19 lb.in T(lb.in) =
hp = = 8,577 hp ≈9 hp
N
lb
1
225.0
m
in
0254.0
1
1
2
2
1
n
n
T
T
15
1
858.5687
1
T
n
hp,63000
63000
1425.19.379 rpmlbin
LOGOSpesifikasi Material SS-304 Tensile Strength = 520 Mpa
= 520000000 N/m2 x x = 75483,72 psi = 75,4837 ksi
Yield strength (Sy) = 205 Mpa= x x = 29758,005 psi = 29,7580 ksi
Compression strength = 210 Mpa= x x = 30483,81 psi = 30,4838 ksi
Dimensi baut batuan : Diameter luar (Do) = 39 mm Diameter dalam = 34 mm Tebal = 2,5 mm
N
lb
1
225.0
2
2
1
)0254.0(
in
m
2/205000000 mNN
lb
1
225.0
2
2
1
)0254.0(
in
m
2/210000000 mNN
lb
1
225.0
2
2
1
)0254.0(
in
m
LOGOIdentifikasi Jenis Pembebanan
Non rotating cylinder, External pressure only
Tegangan ke arah tangensial σt = = Ketika r=ro σt (r=ro) = =
σt (r=ro) = = Ketika r=ri σt (r=ri) = =
σt (r=ri) = = Tegangan ke arah radial σr (r=ro) = Nilai σt maksimum didapatkan ketika r=ri sedangkan nilai σr maksimum ketika r=ro : σ1 = σt (r=ri) = σ2 = σr (r=ro) =
).
1(.
2
2
22
2
r
ri
riro
roPo
)
..
.(
.2
2
22
2
22
2
r
ri
riro
roPo
riro
roPo
)(22
22
riro
riroPo
)
017.00195.0
017.00195.0(
22
22
Po
)10.9125.0
10.89.210.8025.3(
4
44
Po
)3342.7(Po
).
..
(.
2
2
22
2
22
2
ri
ri
riro
roPo
riro
roPo
)
..(2
22
2
riro
roPo
)017.00195.0
)0195.0.(.(2
22
2
PoPo.3361.8
Po
Po.3361.8
Po
LOGOTeori Kegagalan Maximum Shear Stress Theory (MSST)
Yielding akan terjadi ketika tegangan geser terbesar pada silinder mencapaiharga tegangan tarik standar di awal yielding, yaitu , sehingga :
max2
N
Sy
N
Sy
22
21max
2
)(.3361.8
3.2
76.29 PoPo
Po.6670.396.4
ksiPo 170.2
LOGOTegangan yang diberikan batuan terhadap
baut batuan berupa tekanan rata-rata (Po).
Dari perhitungan Teori kegagalan MSST, ddapatkan nilai Tekanan Rata-rata
Selanjutnya dihitung besarnya gaya normal . Sebelum menghitung gaya normal,
perlu dihitung luas permukaan baut batuan(kulit) yang kontak dengan batuan (A).
Keliling lingkaran = π x Diameter lingkaran= π x 0,039 m = 0,1225 m
Keliling baut batuan = keliling lingkaran – 2,5 mm= 120,022 mm ≈ 120 mm
ksiPo 170.2
2
2
2 )0254.0(
1.
225.0
1..2170
m
in
lb
N
in
lbPo
2.79,14948918m
NPo
LOGOTekanan Rata-rata Luas kulit baut batuan = panjang x lebar
= 1067 mm x 120 mm = 0.12804 m2
Jadi besarnya gaya normal adalah :
Gaya gesek yang terjadi antara batuan dengan luasan kulit baut batuan adalahsesuai dengan persamaan :
=
Selanjutnya ini dikonversikan ke dalam bentuk tekanan rata-rata, sebabtegangan ini mengenai seluruh permukaan dinding baut batuan, jadi :
APoFN .2
212804.0..79,14948918 m
m
NFN NFN 562,1914059
shearF 0,14.562,1914059 N N 267968,338 shearF kNFshear 97,267
shearF
bautbatuan
shear
batuanA
FP 212804,0
338,267968
m
NPbatuan PaPbatuan 61,209296
MPaPbatuan 209,0 20928,2
mm
NPbatuan
LOGOTegangan Spring Back Dari Material
Defleksi yang terjadi sebesar 1 mm. Baut batuan yang dipaksa menyesuaikan kontur lubang bor akan
memberikan gaya reaksi yang biasa disebut spring back.
Formula yang diberikan adalah sebagai berikut :
Dari paper Cunat, didapatkan harga koefisien kekakuan austenitic stainless
steel (300 series) adalaha 200 kN. Selanjutnya ini dikonversikan ke dalambentuk tekanan spring back.
xkFspringback .
angbatuan
springback
springbackA
FP
lub
batuanmenyentuhyangbatuanbautpanjangkeliling
FP
springback
springback_____.
mm
NPspringback 310).501067.()038.0.(
200000
PaPspringback 905,1647310
LOGOTegangan Normal Akibat Pull Claw
Kriteria tegangan normal minimum
A = Luas lingkaran besar – luas lingkaran kecil= (π x r2
2) – (π x r12) = [π x (0,044) 2] - [π x (0,039) 2 ] m2
= 1,3037 . 10-3 m2 = 1303,7 mm2
Kriteria tegangan normal maksimum
A
Fpullclaw
normal
min_
min_
2min_7,1303
300001
mm
Nnormal 2min_ 7162,99
mm
Nnormal
A
Fpullclaw
normal
max_
max_
2max_7,1303
150000
mm
Nnormal
2max_ 0571,115mm
Nnormal