## Manutech :
Jurnal Teknologi Manufaktur
Vol. 11, No. 02, (2019) p-ISSN : 2089-5550 e-ISSN : 2621-3397

## Desain dan Simulasi Elemen Hingga Gantry Crane Kapasitas 9 Ton Menggunakan Autodesk Inventor 2017
Lasinta Ari Nendra Wibawa 1,2
1 Mahasiswa Pascasarjana Teknik Mesin, Universitas Sebelas Maret, Surakarta
2 Balai Uji Teknologi dan Pengamatan Antariksa dan Atmosfer, Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN), Garut Email: lasinta.ari@lapan.go.id

## Abstract
Currently, the gantry crane in LAPAN Garut still uses steel material. The steel material is protected using a coating to minimize the impact of corrosion. However, this method is less efficient, considering the corrosion rate in LAPAN Garut is very high because it is located on the coast of Cilauteureun. It also creates problems  in  terms  of  maintenance  because  it  has  to  be  done  regularly  and  periodically  repainting.  In addition, not all equipment is available maintenance funds every year. The objective of this paper is to design and analyze the stress of a gantry crane with a capacity of 9 tons using Aluminum 6061 material. The material used is three units of JIS G 3192 H standard frame (I-shape) with a size of 150 x 150 x 7 mm, four units of JIS G 3466 frame (square profile) with a size of 150 x 150 x 6 mm, and four units of JIS G 3466 frame (square profile) with a size of 125 x 125 x 6 mm. Finite element analysis is performed using Autodesk Inventor Professional 2017 software. The simulation results show that the gantry crane has a mass, von Mises stress, deformation, and safety factors respectively at 165.36 kg; 132.9 MPa; 13.67 mm; and 2.07.
Keywords : aluminium 6061; finite element analysis; autodesk inventor 2017; gantry crane

## Abstrak
Saat ini gantry crane di LAPAN Garut masih menggunakan material baja. Material baja tersebut dilindungi  menggunakan  cat  pelapis  untuk  meminimalkan  dampak  korosi.  Namun,  metode  ini  kurang efisien mengingat laju korosi di LAPAN Garut sangat tinggi karena terletak di pesisir Pantai Cilauteureun. Hal ini juga menimbulkan masalah dalam hal perawatan karena harus dilakukan pengecatan ulang secara teratur dan berkala. Selain itu, tak semua peralatan tersedia dana perawatan setiap tahun. Tujuan dari makalah  ini  adalah  mendesain  dan  menganalisis  tegangan  dari gantry  crane dengan  kapasitas  9  ton menggunakan material Aluminium 6061. Material yang digunakan adalah tiga unit rangka standar JIS G 3192 H (I-shape) dengan ukuran 150 x 150 x 7 mm, empat unit rangka JIS G 3466 ( square profile ) dengan ukuran 150 x 150 x 6 mm, dan empat unit rangka JIS G 3466 ( square profile ) dengan ukuran 125 x 125 x 6 mm.  Analisis  elemen  hingga  dilakukan  dengan  menggunakan  perangkat  lunak  Autodesk  Inventor Professional 2017. Hasil simulasi menunjukkan bahwa gantry crane memiliki massa, tegangan von Mises , deformasi, dan faktor keamanan berturut-turut sebesar 165,36 kg; 132,9 MPa; 13,67 mm; dan 2,07.
Kata kunci : aluminium 6061; analisis elemen hingga; autodesk inventor 2017; gantry crane

## 1. PENDAHULUAN
Crane merupakan salat satu alat berat dalam suatu industri. Crane sebagian besar digunakan dalam bidang transportasi, konstruksi, dan industri manufaktur [1][2]. Crane sering digunakan untuk memindahkan
material berat dari satu tempat ke tempat lain [3][4]. Beberapa jenis crane antara lain tower crane , mobile crane , crawler crane , hydraulic crane , dan hoist crane [5]. Hoist  crane adalah  salah  satu  jenis crane yang  sering  digunakan  dalam  ruangan  atau  gedung. Hoist crane biasanya terdapat pada fasilitas perawatan, produksi, pelabuhan, dan perbengkelan [6][7]. Hoist crane umumnya terbagi tiga jenis yaitu overhead crane , semi gantry , dan gantry crane . Gantry crane merupakan jenis hoist crane yang konstruksi kedua kakinya berjalan di atas rel untuk bergerak maju atau mundur. Gantry crane banyak diaplikasikan di berbagai industri [8][9]. Saat ini gantry crane di LAPAN Garut masih menggunakan material baja. Material baja tersebut dilindungi  menggunakan  cat  pelapis  untuk  meminimalkan  dampak  korosi.  Namun,  metode  ini  kurang efisien mengingat laju korosi di LAPAN Garut sangat tinggi karena terletak di pesisir Pantai Cilauteureun. Hal ini juga menimbulkan masalah dalam hal perawatan karena harus dilakukan pengecatan ulang secara teratur dan berkala. Selain itu, tak semua peralatan tersedia anggaran untuk perawatan tiap tahun.
Gantry crane dapat mengalami kegagalan karena beberapa faktor. Tegangan bending, deformasi plastis karena  beban  yang  berlebihan,  kurangnya  perawatan  ( maintenance ),  korosi  [10],  dan  fatik  adalah  beberapa penyebab kegagalan gantry c rane [11]. Konstruksi gantry crane khususnya yang terbuat dari material baja memiliki  beberapa  kelemahan.  Massa  jenis  baja  ( mild  steel )  yang  mencapai  7,85  g/cm 3 membuat konstruksi menjadi berat secara keseluruhan. Hal ini  perlu diperhitungkan mengingat  kapasitas angkat gantry crane juga dipengaruhi oleh berat dari konstruksi itu sendiri. Pemilihan material yang lebih ringan tentunya perlu dilakukan agar kapasitas angkat gantry crane lebih efektif. Selain itu, material baja yang telanjur terkena korosi menjadi sulit untuk diprediksi kekuatan yang sesungguhnya.
Pemilihan material merupakan bagian dari proses manufaktur sebuah desain produk. Pemilihan material bertujuan mencari material yang memiliki sifat yang sesuai dengan persyaratan yang dibutuhkan dalam  proses  desain.  Aluminium  6061  dipilih  sebagai  material  untuk  rangka gantry  crane dengan kapasitas  angkat  9  Ton.  Salah  satu  keunggulan  material  Aluminium  6061  yaitu  kekuatan  luluh  ( yield strength ) tinggi, massa jenis ringan, dan tahan korosi. Aluminium 6061 juga telah digunakan di berbagai aplikasi khususnya dalam bidang konstruksi yang membutuhkan kekuatan tinggi.

## 2. METODE PENELITIAN
Material yang digunakan untuk merancang gantry c rane yaitu Aluminium 6061. Jenis, standar, dan ukuran rangka material secara lengkap dapat dilihat pada Gambar 1 dan Tabel 1.
Gambar 1. Desain 3D gantry crane.
Tabel 1. Dimensi rangka dari gantry crane . Keterangan Standar Ukuran (mm) Rangka 1 JIS G 3192 H 150 x 150 x 7 Rangka 2 JIS G 3466 150 x 150 x 6 Rangka 3 JIS G 3466 150 x 150 x 6 Rangka 4 JIS G 3466 150 x 150 x 6 Rangka 5 JIS G 3466 150 x 150 x 6 Rangka 6 JIS G 3466 125 x 125 x 6 Rangka 7 JIS G 3466 125 x 125 x 6 Rangka 8 JIS G 3466 125 x 125 x 6 Rangka 9 JIS G 3466 125 x 125 x 6 Rangka 10 JIS G 3192 H 150 x 150 x 7 Rangka 11 JIS G 3192 H 150 x 150 x 7
Penelitian  ini  menggunakan  perangkat  lunak  Autodesk  Inventor  Professional  2017.  Autodesk Inventor merupakan salah satu perangkat lunak ( software ) yang lebih menekankan pada pemodelan solid. Autodesk Inventor Professional  adalah salah satu produk dari Autodesk Inc. USA yang dulu lebih familier dengan produk AutoCAD [12].
Analisis tegangan yang dilakukan oleh Autodesk Inventor menggunakan metode elemen hingga. Metode  elemen  hingga  adalah  teknik  matematika  numerik  untuk  menghitung  kekuatan  struktur komponen teknik dengan membagi obyek menjadi bentuk jala ( mesh ). Variabel yang tidak diketahui dari suatu elemen adalah nilai perpindahan untuk setiap titik node [13]. Metode elemen hingga telah banyak digunakan dalam analisis tegangan pada struktur Crane [14][15][16][17].
Asumsi pada saat melakukan analisis statik linier menggunakan Autodesk Inventor, yaitu:
1. Sifat material komponen tetap linier setelah batas luluh.
2. Deformasi komponen sangat kecil dibandingkan ukuran komponen secara keseluruhan.
3. Komponen bersifat kaku dan ulet. Misalnya, material logam (bukan karet).
4. Hubungan antar rangka dianggap kontak berikat ( bonded contact ). Artinya, permukaan antar rangka kaku satu sama lain. Kontak ini dapat berupa sambungan las atau adhesif. Prosedur  menjalankan  simulasi  tegangan  menggunakan software Autodesk  Inventor Professional 2017 ada beberapa tahapan:
Pertama,  mendesain  rangka gantry c rane .  Desain  meliputi  dimensi  dan  susunan  dari gantry c rane . Dimensi gantry c rane secara detail ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Dimensi gantry crane (dalam mm).
Kedua, menentukan jenis material yang digunakan. Material yang dipilih adalah Aluminium 6061. Standar rangka yang digunakan pada analisis menggunakan Autodesk Inventor adalah 3 batang rangka JIS G 3192 H (I-shape) dan 8 batang rangka JIS G 3466 ( square profile ). Ketiga, menentukan batasan ( constraint ). Batasan yang digunakan adalah fixed constraint pada 2 (dua) kaki gantry crane yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Fixed constraint .
Keempat, menentukan besarnya beban. Beban yang digunakan adalah 9 ton (9.000 kg). Beban dinyatakan  dalam  satuan Newton (N)  dengan  mengalikannya  dengan  percepatan  gravitasi  (9,81  m/s²) menjadi 88.290 N. Lokasi beban ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Proses pembebanan.
Kelima,  menjalankan  proses meshing .  Proses meshing pada  simulasi  ini  membagi  komponen menjadi 75245 node dan 37170 elemen seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Proses meshing .
Keenam,  menjalankan  simulasi  program.  Simulasi  program  akan  menghasilkan  tegangan  von Mises, deformasi ( displacement ), massa, dan safety factor . Simulasi program juga akan menampilkan titik- titik kritis dari desain yang telah kita buat.
Parameter analisis tegangan menggunakan Autodesk Inventor Professional 2017 secara lengkap dapat dilihat dari Tabel 2 berikut ini.
Tabel 2. Parameter analisis tegangan Parameter Keterangan Tipe Simulasi Single point Kapasitas 9 ton Percepatan gravitasi 9,81 m/s² Total muatan 88.290 N Average element size 0,2 mm Minimum element size 0,1 mm Safety factor Berdasarkan yield strength Jumlah node 75245 Jumlah elemen 37170

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Tabel  3  menunjukkan  sifat  fisik  material  Aluminium  6061.  Material  Aluminium  6061  memiliki massa jenis ( density ) sebesar 2,70 gram/cm³. Hal ini berdampak pada massa total gantry crane yang relatif ringan yaitu seberat 165,36 kg.
Tabel 3. Sifat fisik material Aluminium 6061 Material Aluminium 6061 Density 2,70 g/cm³ Mass 165,36 kg Area 17748500 mm² Volume 61245100 mm³ Center of Gravity x= 160,26 mm y= -164,01 mm z= -64, 24 mm Yield Strength 275 MPa Ultimate Tensile Strength 310 MPa Young's Modulus 68,90 GPa Poisson's Ratio 0,33 ul Shear Modulus 25,90 GPa

## 3.1. Tegangan von Mises
Teori  tegangan  maksimum  menyatakan  bahwa  kegagalan  akan  terjadi  saat  tegangan  utama maksimum  suatu  komponen  mencapai  nilai  tegangan  maksimum  pada  batas  elastis  [18].  Teori  ini digunakan untuk memprediksi kegagalan material getas. Namun, pada benda elastis yang berlaku beban tiga dimensi, tegangan kompleks bakal terjadi, yang berarti bahwa pada setiap titik di dalam benda ada tekanan yang bekerja dalam berbagai arah. Tegangan von Mises menghitung kombinasi tegangan pada titik tertentu yang akan menyebabkan kegagalan [19].
Kriteria  von  Mises  menunjukkan  bahwa  material  ulet  mengalami  luluh  ketika  invarian  kedua tegangan  deviatorik  mencapai  nilai  kritis.  Hal  ini  merupakan  teori  plastisitas  yang  berlaku  paling  baik untuk bahan ulet, terutama untuk material logam.
Gambar  6  menunjukkan  hasil  simulasi gantry  crane terhadap  beban  88.290  N.  Tegangan  von Mises maksimal sebesar 132,9 MPa. Tegangan von Mises masih berada di bawah kekuatan luluh ( yield strength ) material Aluminium 6061, yaitu sebesar 275 MPa.
Gambar 6. Tegangan von Mises gantry crane dengan beban 9 ton (88.290 N).

## 3.2. Deformasi
Deformasi  ( displacement )  merupakan  proses  perubahan  bentuk  atau  distorsi  pada  suatu komponen  yang  terjadi  akibat  beban  atau  tekanan.  Deformasi  merupakan  salah  satu  indikator  untuk mengetahui kekuatan material. Semakin kuat suatu material, maka nilai deformasi yang dihasilkan dari proses pembebanan semakin kecil. Semakin lemah suatu material, maka nilai deformasi yang dihasilkan dari proses pembebanan semakin besar. Nilai deformasi maksimal pada penelitian ini relatif kecil, yaitu 13,67 mm (Gambar 7).
Gambar 7. Deformasi gantry crane dengan beban 9 ton (88.290 N).

## 3.3. Faktor Keamanan
Faktor  keamanan  ( safety  factor )  juga  menjadi  salah  satu  indikator  dari  kekuatan  material. Semakin  kuat  suatu  material,  maka  nilai  faktor  keamanan  yang  dihasilkan  dari  proses  pembebanan semakin besar. Demikian juga sebaliknya, semakin lemah suatu material, maka nilai faktor keamanan yang dihasilkan  dari  proses  pembebanan  semakin  kecil.  Faktor  keamanan  digunakan  untuk  mengevaluasi keamanan komponen  atau struktur meskipun dimensi yang digunakan minimum [20].
Faktor  keamanan  dapat  didasarkan  pada  salah  satu  batas  tegangan  tarik  maksimum  atau tegangan luluh dari material. Kekuatan luluh adalah tegangan minimum saat material mulai kehilangan sifat elastisnya, yaitu sifat material untuk kembali ke bentuk semula saat beban atau gaya dihilangkan. Kekuatan  tarik  maksimum  adalah  tegangan  maksimum  yang  mampu  dicapai  suatu  material  sebelum patah.  Pada  penelitian  ini,  faktor  keamanan  berdasarkan  pada  kekuatan  luluh  ( yield  strength )  karena gantry crane merupakan komponen yang digunakan secara berulang-ulang dengan beban bervariasi. Faktor keamanan minimum menggunakan simulasi Autodesk Inventor dihitung sebagai kekuatan luluh dari material yang dibagi dengan tegangan von Mises maksimum. Nilai faktor keamanan kurang dari 1 (satu) menunjukkan kegagalan permanen dari sebuah desain.
Gambar 8. Faktor keamanan gantry crane dengan beban 9 ton (88.290 N).
Hasil  simulasi  secara  umum  menunjukkan  rancangan gantry  crane masih  cukup  aman  untuk menahan  beban  9  ton  atau  88.290  N.  Hal  ini  karena  nilai  faktor  keamanan  minimumnya  sebesar  2,07 (Gambar  8).  Nilai  ini  melebihi  standar  yang  dipersyaratkan  untuk  suatu  komponen  mampu  menahan beban dinamis. Beban dinamis perlu diantisipasi karena gantry crane kerap mengalami beban fluktuatif dari  kapasitas  beban  yang  diangkatnya.  Faktor  keamanan  yang  dipersyaratkan  untuk  suatu  struktur mampu menahan beban dinamis yaitu pada kisaran nilai 2-3 [21].

## 4. KESIMPULAN
Hasil simulasi menunjukkan bahwa gantry crane memiliki massa, tegangan von Mises, deformasi, dan faktor keamanan berturut-turut sebesar 165,36 kg; 132,9 MPa; 13,67 mm; dan 2,07. Nilai tegangan von Mises tersebut masih jauh di bawah kekuatan luluh ( yield strength ) material Aluminium 6061, yaitu 275 MPa. Nilai faktor kemanan 2,07 menunjukkan desain dari gantry crane sangat aman untuk menahan beban hingga 9 ton.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  E. R. Khan, V. S. Kardile, P. D. Dhakane, A. P. Gore, and B. D. Mahajan, “Design And Analysis of Crane Hook with Different Materials,” Int. J. Innov. Emerg. Res. Eng. , vol. 4, no. 3, p. 7, 2017.
[2].  L. Sowa and P. Kwiatoń, “Numerical Analysis of Stress Fields Generated in the Gantry Crane Beam,” Procedia Eng. , vol. 177, pp. 218–224, 2017.
[3].  N. R. Patel and N. S. Patel, “Design and Analysis of 50 Tonne Crane Hook for Optimization,” vol. 3, no. 08, pp. 581–584, 2015.
[4].  I.  Gerdemeli,  S.  Kurt,  and  O.  Deliktaş,  “Finite  element  analysis  of  the  tower  crane,”  in 14th International Research/Expert Conference , 2010, no. September, pp. 561–564.
[5].  P. E. Warsito, D. Pembimbing, I. Amiadji, M. Sc, S. Arief, and S. T. Mt, “Analisis Struktur Overhead Crane Kapasitas 35 Ton Dengan Modifikasi Tambahan Beban 6 Ton,” pp. 1–5.
[6].  M. H. Mabrouk and S. M. M. Abdelkhalek, “Design and Implementation of a Light Duty Gantry Crane,” Int. J. Eng. Res. Technol. , vol. 3, no. 12, pp. 381–389, 2014.
[7].  D. peng Zhang, W. ming Cheng, and B. Wang, “Variational analysis of mid-span deflection of gantry cranes,” J. Cent. South Univ. , vol. 24, no. 11, pp. 2705–2716, 2017.
[8].  L.  Sowa  and  P.  Kwiatoń,  “Mathematical  modeling  of  mechanical  phenomena  in  the  gantry  crane beam,” J. Appl. Math. Comput. Mech. , vol. 16, no. 3, pp. 97–104, 2017.
[9].  M. A. Reddy and M. N. V. Krishnaveni, “Modelling and Analysis of Double Girder Gantry Crane,” Int. J. Eng. Manag. Res. , vol. 6, no. 4, pp. 181–184, 2016.
[10]. B. Xu, X. Y. Tang, Y. Jiang, and W. Gong, “Fatigue Life Assessment of Steel Structures of a Metallurgy Crane,” in Proceedings of the XXII International Conference MHCL’17 , 2017.
[11]. L.  A.  N.  Wibawa,  “Desain  dan  Analisis  Tegangan  Struktur  Crane  Kapasitas  10  Ton  Menggunakan Metode Elemen Hingga.”
[12]. L. A. N. Wibawa, Merancang Komponen Roket 3D dengan Autodesk Inventor Professional 2017 . Buku Katta, 2018.
[13]. I. Gerdemeli and S. Kurt, “Design and finite element analysis of gantry crane,” Key Eng. Mater. , vol. 572, no. 1, pp. 517–520, 2014.
[14]. J.  Supryanto,  T.  Sukarnoto,  and  S.  Soeharsono,  “Analisis  Kekuatan  Struktur  Penopang  Overhead Crane Kapasitas 2 x 20 Ton,” Mesin , vol. 10, no. 1, pp. 46–50, 2019.
[15]. A.  I.  Imran  and  Kadir,  “Simulasi  Tegangan  Von  Mises  Dan  Analisa  Safety  Factor  Gantry  Crane Kapasitas 3 Ton,” Din. J. Ilm. Tek. Mesin , vol. 8, no. 2, pp. 1–4, 2017.
[16]. A.  Sunainah  and  I.  N.  Sutantra,  “Analisis  dan  Redesign  Kekuatan  Struktur  pada  Girder  Overhead Crane 6.3 Ton,” J. Tek. ITS , vol. 7, no. 1, pp. 46–51, 2018.
[17]. J. R. Wiratma and Soeharsono, “Perancangan Semi Gantry Crane Kapasitas 10 Ton dengan Bantuan Software,” Poros , vol. 12, no. 1, pp. 25–34, 2012.
[18]. W.  Younis, Up  and  Running  with  Autodesk  Inventor  Simulation  2011:  A  step-by-step  guide  to engineering design solutions . USA: Elsevier Science & Technology, 2010.
[19]. L.  A.  N.  Wibawa,  “Desain  dan  Analisis  Tegangan  Alat  Pengangkat  Roket  Kapasitas  10  Ton Menggunakan Metode Elemen Hingga,” J. Energi dan Teknol. Manufaktur , vol. 02, no. 01, pp. 23–26, 2019.
[20]. L.  A.  N.  Wibawa, Simulasi  Kekuatan  Komponen  Sarana  Pengujian  Roket  Menggunakan  Autodesk Inventor Professional 2017 . Buku Katta, 2018.
[21]. K. Z. V. Dobrovolsky, Machine elements : a textbook . Moscow: Peace Publisher, 1978.