Abstrak —Pada  era  globalisasi ini, menurut data  BPS Statistik Industri  Manufaktur  dari  tahun  2013  hingga  2015  terdapat kenaikan  pada  jumlah  industri  manufaktur  yang  ada  di Indonesia. Overhead  crane merupakan crane yang  sering digunakan di workshop  industri manufaktur sebagai alat bantu untuk penataan barang, proses produksi, serta perbaikan produk. Karena perannya yang sangat penting, maka dari itu diperlukan overhead  crane yang mampu digunakan sesuai kebutuhan, aman, dan  tahan lama  atau  tidak  mudah  rusak, sehingga biaya  yang diperlukan lebih ekonomis. Pada penelitian tugas akhir ini, akan dilakukan  analisis  kekuatan  struktur overhead  crane dengan mensimulasikan pada  softwere  berbasis  metode  elemen hingga ( finite element analysis ) serta perhitungan umur fatigue . S ebelum simulasi dilakukan, akan dibuat pemodelan 3D girder kemudian dimasukkan gaya-gaya yang bekerja pada crane yaitu, gaya berat, gaya angkat, dan gaya ayun beban. Gaya-gaya yang diaplikasikan akan  diposisikan pada  x=3.5  m,  x=10.788  m,  dan  x=18.576  m. Untuk  analisis fatigue akan  dilakukan  pengolahan  data  hasil simulasi  tegangan  untuk  mengetahui  umur  siklus crane . Berdasarkan  hasil tersebut akan dilakukan desain ulang untuk mendapatkan  struktur  yang  diinginkan yaitu,  berupa  struktur yang  diharapkan  kuat  terhadap  beban  statis  dan  dinamis, mempunyai umur siklus yang lama, serta mempunyai distribusi tegangan yang lebih merata. Hasil dari penelitian ini tegangan von Mises yang mempunyai stress  range dan mean stress terbesar ada pada siklus kedua yaitu pada saat posisi pembebanan di x = 10,788 m. Tegangan yang dimiliki oleh siklus tersebut adalah tegangan maksimum 230,393  MPa  dan  tegangan minimum 79,482  MPa. Tegangan ini sudah aman menurut S oderberg failure line tetapi belum aman dengn angka keamanan 1,5 dan memiliki usia fatigue 644409  siklus. S edangkan tegangan pada girder setelah redesign pada  siklus yang sama mempunyai tegangan maksimum 204,589 MPa  dan  tegangan minimum 70,055  MPa.  Tegangan ini sudah aman menurut angka keamanan 1,5 dan mempunyai umum 91033 siklus.
Kata  Kunci —fatigue, kekuatan struktur, metode elemen hingga, overhead crane .

## I. PENDAHULUAN
EMAKIN  berkembangnya zaman,  produksi yang dilakukan oleh suatu industri dituntut semakin cepat dengan kapasitas yang  semakin  besar.  Oleh  karena  itu,  dalam  dunia  industri sekarang  dibutuhan  alat  bantu  untuk  memindahkan  dan mengangkat barang mulai dari yang sederharana (konvensional) sampai yang menggunakan teknologi otomatis. Menurut  data  BPS  Statistik  Industri  Manufaktur  dari  tahun 2013  hingga  2015  terdapat  kenaikan  pada  jumlah  industri manufaktur  yang ada di  Indonesia seperti [1][2],  dan [3].  Saat ini, overhead crane merupakan crane yang sering digunakan di
work shop industri  manufaktur  sebagai  alat  bantu  untuk penataan  barang  di  gudang,  pemindahkan  barang  dari  satu work station ke work station berikutnya, proses produksi, serta perbaikan produk. Sehingga crane memiliki  peran besar dalam produktifitas industri manufaktur. Namun menurut Occupational Safety and Health Administration (OSHA) 80% penyebab  utamanya  adalah  akibat overloading. Penggunaan komponen yang cacat, pengangkatan beban melibihi  kapasitas, menyeret beban, dan beban dinamis  yang tidak diperhitungkan seperti swinging dan sudden drop merupakan  faktor-faktor yang  menyebabkan  terjadinya overloading [4].  Jika  terjadi kegagalan  pada  struktur crane maka  dapat  menyebabkan kerusakan irreversible dan  membahayakan  para  pekerja.  Hal tersebut tentunya akan  memakan  biaya  yang besar,  sehingga diperlukan overhead  crane yang  mampu  digunakan  sesuai kebutuhan,  aman,  dan  tahan  lama  atau  tidak  mudah  rusak, sehingga biaya yang diperlukan  lebih ekonomis.
Berdasarkan  hal  diatas,  maka  perlu  diketahui  kekuatan struktur dan umur fatigue pada crane yang sudah ada kemudian dilakukan  desain ulang untuk mendapatkan  struktur yang lebih kuat terhadap beban statis dan dinamis,  mempunyai  distribusi tegangan yang lebih merata  sehingga mempunyai  umur  siklus yang lama.

## II. URAIAN PENELITIAN
Penelitian  tugas akhir  ini  dilakukan  untuk melihat  kekuatan struktur,defleksi  dan  tegangan, dari  pembeban  dinamis  pada girder over  head crane yaitu,  serta  mengetahui  umur fatigue yang akibat  pembebanan tersebut. Dari  hasil analisis  simulasi tersebut  kemudian  dilakukan  desain  ulang  pada girder overhead crane dengan kapasitas yang sama, tetapi mempunya i kekuatan struktur dan usia fatigue yang lebih baik.
Gaya-gaya  yang bekerja  pada girder  tidak  hanya gaya berat maksimum  (berat  girder,  berat hoist ,  dan  berat  SWL)  akan tetapi juga gaya angkat dan gaya ayun.
Gambar 1. Free body diagram saat beban diangkat.

## Analisis  dan Redesign Kekuatan Struktur pada Girder Overhead Crane 6.3 Ton
Ayzam Sunainah dan I Nyoman Sutantra
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknologi  Industri,  Institut Teknologi  Sepuluh  Nopember (ITS)
e-mail : tantra@me.its.ac.id
S
∑ 𝐹 = 𝑚 𝑎 (1)
𝐹 = 𝑚 𝑏 𝑔 + 𝑚 𝑏 𝑎
(2)
𝐹 = 𝑊 𝑏 + 𝑚 𝑏 𝑎 (3)
Gambar 2. Free body diagram gaya saat beban diturunkan.
𝐹 = 𝑊 𝑏 − 𝑚 𝑏 𝑎 (4)
Dimana  :
F = gaya angkat (N)
W b = gaya berat benda (N) m b = massa benda (kg) g  = percepatan gravitasi (m/s 2 ) a  = percepatan gerak (m/s 2 )
Untuk  mencari  percepatan  pada  saat  pengangkatan  dan penurunan benda dapat menggunakan persamaan berikut:
𝑉 2 = 𝑉 0 2 + 2𝑎𝑠 (5) Dimana  : V  = kecepatan angkat (m/s) V 0 = kecepatan angkat awal  (m/s)
s = jarak  perpindahan (m)
Gambar 3. Free body diagram saat benda mengayun.
a n = 𝜔 2 𝑅 (6) 𝜔 = 𝑣 𝑅 (7) F   = 𝑚 𝑏 𝑔 + 𝑚 𝑏 𝑎 𝑛 (8) Dengan : F   = gaya total (N) ω  = kecepatan rotasi (rad/s) R  = panjang tali  yang mengayun (m) a n = percepatan normal  (m/s 2 )
Gambar 4. Model tumpuan jepit dan gaya distribusi rata [5].
𝑀 𝐵𝐴 = 𝑞𝐿2 12 (9) 𝑀 𝐴𝐵 = 𝑀 𝐵𝐴 (10)
Gambar 5. Model tumpuan jepit dan gaya terpusat  [5].
𝑀 𝐵𝐴 = 𝑃𝑏𝑎2 𝐿2 (11)
𝑀 𝐵𝐴 = 𝑃𝑏𝑎2 𝐿2 (12)
Gaya  reaksi  pada girder  crane dapat dicari  menggunakan persamaan berikut:
𝑅 𝐴 = 𝑃𝑏 𝐿 (13) 𝑅 𝐵 = 𝑃𝑎 𝐿 (14)
Tegangan normal  dapat dicari  dengan persamaan berikut: 𝜎 =  𝑀 𝑦 𝐼 (15)
T abel 1.
Spesifikasi overhead crane [6] Type MHE – Demag Single Girder Overhead T ravelling Crane Safe working load 6.3 T on Span 22 m Main girder 21,576 m Hook path 8 m Main hoisting speed 4,5/0,8 m/min 0,0937 m/s Cross travel speed 30/5 m/min 0,1 m/s Long travel speed 40/10 m/min 0,067 m/s Crane operation Indoor Deflection design Min. L/750
Gambar 6. Pemodelan 3D overhead crane dengan Solidworks.
Setelah  dilakukan  pemodelan  struktur secara 3D  kemudian dapat  dimasukkan  properti  material  menurut  standar  DIN 15018  yaitu  ST37-2,  kondisi  batas atau boundary condition yaitu  posisi  tumpuan  struktur,  gaya-gaya  pada  girder crane yang akan diaplikasikan  pada x=3.5  m,  x=10.788  m,  x=3.5  m, dan yang terakhir  dilakukan mesh&run untuk melihat  defleksi ( displacecment )  dan  tegangan  yang  ada.  Pemodelan  dan simulasi  dilakukan  degan software berbasis  metode  elemen hingga.
Gambar 7. Posisi x terhadap panjang girder L.
Pergantian  posisi  ini  juga  untuk  menentukan  tegangan maksimum  dan  minimum  tiap  siklus  kerja crane yang telah ditentukan. Siklus  1 yaitu pada posisi x1  beban  SWL diangkat kemudian  digerakkan secara cross travel dan long travel sesuai kebutuhan kemudian  diturunkan. Siklus  2 yaitu pada posisi x2 yaitu L/2  beban diperlakukan  sama  dengan siklus  1.  Siklus  3 berada  pada  posisi x3  dengan perlakukan  pembebanan  sama dengan siklus 1.
Setelah mengetahui tegangan maksimum  dan minimum  tiap siklus kemudian  data tersebut diolah secara terminologi  beban siklus seperti dibawah ini.
Gambar 8. Stress vs tim e sinusoidal fluctuating stress [7].
Pengertian beberapa istilah pada teori fatigue [8]:
1. Cycle (N) adalah siklus dimana beban bermula  dari posisi rata-rata  pada waktu  tertentu dan kembali  ke  posisi yang sama setelah beberapa interval waktu.
2. Maximum  stress (σ max ) merupakan  nilai  tegangan maksimum  yang terjadi  pada  keseluruhan suatu materia l ketika  pembebanan.
3. Minimum  stress (σ min )  merupakan nilai tegangan maksimum  yang terjadi  pada keseluruhan suatu materia l ketika  pembabanan.
4. Mean stress (σ m ) 𝜎 𝑚 = 𝜎 max + 𝜎  𝑚𝑖𝑛
2 (11)
5. Stress range (σ r ) 𝜎 𝑟 =  𝜎 𝑚𝑎𝑥 − 𝜎 𝑚𝑖𝑛 (12)
6. Amplitude of stress (σ a ) 𝜎 𝑎 = 𝜎 max − 𝜎 𝑚𝑖𝑛 2 (13)
7. Stress ratio (R)
𝑅 = 𝜎 𝑚𝑖𝑛 𝜎 𝑚𝑎𝑥 (14)
Gambar 9. Equivalent Stress pada Soderberg Line .
Keterangan : Kf  = fatigue stress concentration factor Se  = endurance limit (MPa) Syp= yield point strength (MPa) σ eq = tegangan ekivalen (MPa)
σ eq =
Syp
Safety factor (20)
Gambar  10.  Kurva  S-N  berdasarkan AWS  D1.1,  2002 section 2 non tubular joints [8].
Secara matematis  kurva diatas dapat dibaca menggunakan persamaan berikut:
logN  = log log 𝐴 − 𝑚 log ∆𝜎 (21)
N = 𝐴
∆𝜎 𝑚 (22)
Dimana:
N    = jumlah cycle
A   = parameter  kurva S-N  berdasarkan data tabel 2 Δσ  = rentang tegangan m    = slope inverse negatif. Bernilai  3 untuk semua kategori joint-stress , terkecuali  kategori F dengan m =5.8
T abel 2.
Korespondensi kategori stress dengan parameter kurva S-N untuk sambungan non-tubular [8] Stress Category S rl (ksi) A m A 24 276 X 10 8 3 B 16 117 3 C 12 67,5 3 D 10 43,9 3 E 7 20 3 F 5 10,2 3 E’ 3 4,3 3 F 8 68,5 5,8

## III. HASIL DAN ANALISIS
A. Hasil Simulasi Statis Girder Overhead Crane
T abel 3. Hasil simulasi defleksi (mm)
Siklus defleksi dengan  gaya angkat defleksi dengan  gaya ayun defleksi dengan  gaya berat hoist T itik defleksi maksimum siklus 1 6,89828 6,90163 3,68838 30612 siklus 2 13,4222 13,4317 4,11421 86353 siklus 3 6,90776 6,91112 3,68882 77360 T abel 4. Hasil simulasi tegangan von Mises (MPa) Siklus T egangan (MPa) dengan gaya angkat 66069 N T egangan (MPa) dengan gaya ayun 66132 N T egangan (MPa) dengan gaya berat hoist 4238 N T itik kritis siklus 1 206,618 206,751 76,8155 5316 siklus 2 230,235 230,393 79,482 5850 siklus 3 210,496 210,628 78,2105 5850
Gambar 11.  Grafik waktu vs tegangan pada siklus ke 2 .
T abel 5.
Hasil perhitungan m ean stress
Siklus
T egangan von Mises (MPa) Mean stress
(MPa) max min Siklus 1 206,751 76,8155 141,78325 Siklus 2 230,393 79,482 154,9375 Siklus 3 210,628 78,2105 144,41925
T abel 6. Hasil perhitungan alternating stress
Siklus T egangan von Mises (MPa) Alternating stress (MPa)
max min Siklus 1 206,751 76,8155 64,96775 Siklus 2 230,393 79,482 75,4555 Siklus 3 210,628 78,2105 66,20875
Setelah  mendapatkan  hasil  perhitungan  tegangan rata-rata dan  tegangan alternate (amplitudo),  kemudian  hasil  tersebut diplotkan  pada diagram  Soderberg failure line dengan angka keamanan 1,5.
Gambar 12. Posisi tegangan pada grafik Soderberg failure line .
Pada  Soderberg failure  line dapat  dilihat  bahwa  tegangan masih belum  aman dengan angka keamanan  1,5.
Untuk  menghitung  umur  siklus crane ,  akan  dilihat berdasarkan kategori tegangannya dengan tabel 2.5,  plot kurva S-N  untuk crane ini  menurut gambar 2.17  adalah B’ dengan A =  67,5  x  10 8 dan  m  =3  sehingga N  dapat  diketahui  sebagai berikut.  Rentang tegangan Δσ  diubah dari  satuan MPa ke  Ksi terlebih dahulu. Sehingga didaptkan umur  siklus fatigue adalah 644409  siklus.  Hasil  tersebut menunjukkan  umur  siklus  yang dimiliki girder crane tersebut sudah lebih baik pada umur siklus desain minimum  sesuai standar yaitu 2.10 4 sampai dengan 2.10 5

## B. Hasil Redesign Girder Overhead Crane
Titi-titik  kritis  yang  ditunjukkan  pada  simulasi  statis sebelumnya berada pada ujung-ujung web plate oleh karena itu dilakukan  redesign  berupa  penambahan  plat  yang  diletakkan pada posisi tersebut.
Gambar 13. Profil 3D part redesign.
Gambar 14. Posisi plat redesign.
Kemudian  dilakukan  simulasi  dengan langkah-langkah yang sama  seperti  sebelumnya,  sehingga didapatkan  hasil  sebegai berikut.
0 50 100 150 200 250 300 0 200 400 600 800 Te ga n ga n (M P a ) Wa ktu (detik) Tegangan Sesunggu hnya Tegangan dengan pendekat
an fouri er
Gambar 15. Distribusi tegangan pada part redesign siklus 2 gaya ayun.
Gambar 16.  Grafik waktu vs tegangan setelah dilakukan redesign.
Gambar 17. Grafik Soderberg failure line setelah redesign.
Pada Soderberg failure line dapat dilihat bahwa tegangan sudah aman dengan angka keamanan 1,5.
Gambar18. Defleksi pada part redesign .
Untuk  perhitungan umur  siklus  sesudah dilakukan redesign pada girder  didapatkan  s tress range =  134,5  MPa  =  19,5  ksi. Sehingga didapatkan umur siklus fatigue 910332  siklus.
C. Perbandingan Hasil Kek uatan Struk tur dan Umur Fatigue
Perbandingan kedua hasil kekuatan struktur dan umur fatigue pada girder overhead crane sebelum dan setelah redesign dapat dilihat pada tabel dibawah ini.
T abel 5.
Perbandingan hasil analisis kekuatan struktur dan fatigue sebelum dan sesudah redesign Hasil yang dibandingkan Satuan Sebelum redesign Setelah redesign T egangan maksimum MPa 230,393 79,482 T egangan minimum MPa 204,589 70,055 Defleksi mm 13,4317 13,15 Analisa kegagalan - Gagal  menurut angka keamanan 1,5 Aman  menurut angka keamanan 1,5 Umur fatigue cycle 644409 910332
Dari tabel 5 dapat diketahui bahwa hasil redesign sudah lebih baik  dari  segi  kekuatan  dan  umur fatigue .  Untuk  kekuatan struktur, meskipun  gaya yang bekerja  pada girder mempunya i nilai  yang  sama  akan  tetapi  tegangannya  baik  maksimu m maupun  minimum  yang  terjadi  menurun  setelah  dilakukan desain ulang.  Begitu  pula  dengan defleksi  atau displacement , meskipun  tidak  berbeda  jauh  tetapi  nilainya  juga  menurun. Karena penurunan tegangan rata-rata dan alternate (amplitudo), maka  pada  analisa  kegagalan  Soderberg line yang  awalnya masih  dianggap  gagal  dengan  angka  keamanan  1,5  setelah desain ulang sudah dianggap aman dengan angka keamanan 1,5 dan hasil perhitungan umur fatigue juga bertambah.

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  simulasi  dan  pengolahan  data  dari penelitian overhead  crane  single  girder ini,  tugas akhir  ini dapat disimpulkan:
1. Tegangan von Mises  terbes ar  terdapat  pada  siklus  ke  2 dengan gaya ayun yaitu 230,393  MPa sedangan tegangan terkecil  pada siklus yang sama yaitu pada saat beban SWL sudah diturunkan mempunyai  nilai 79,482  MPa. Sehingga mean  stress yang  didapatkan  adalah  154,94  MPa  dan stress range sebesar 150,91  MPa. Pada saat diaplikasika n pada  grafik Soderberg  failure  line diketahui  bahwa tegangan  sudah  aman  berdasarkan  garis  tersebut  akan tetapi masih dianggap gagal dengan angka kemanan 1,5.
2. Usia fatigue pada yang didapatkan dari  hasil perhitungan terminologi  beban siklus  adalah  644409 cycle , sehingga sudah dapat dikatakan  aman karena  sudah melebihi  umur desain minimum  yang ditentukan.
3. Redesign berupa plat yang diletakkan pada titik kritis yang ditunjukkan oleh distribusi tegangan dan umur.  Tegangan maksimum  yang terjadi adalah 204,589  MPa dan tegangan minimumnya adalah  70,055 MPa.  Dengan  adanya
0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 Te ga n ga n ( M P a Waktu (detik) Tegangan hasil redesign sesunggu hnya Tegangan hasil redesign dengan pendekat an deret fourier
redesign mampu  mengurangi stress  range yaitu menjad i 134,53  MPa  juga  mengurangi  mean  stress  menjad i 137,332  MPa  ,sehingga  mampu  menambah fatigue  life hingga  910332 cycle .  Tegangan  yang  dihasilkan  dari redesign girder ini  sudah  mampu  berada  di  bawah Soderberg failure line dengan angka keamanan  1,5.
4. Defleksi  yang didapatkan dari hasil simulasi  sebelum dan sesudah  redesign  yaitu,  13,4317  mm  dan  13,15  mm. Kedua  nilai  defleksi  ini  masih  jauh  dengan  defleksi maksimum ijin  yaitu  28,768 mm  sehingga  masih tergolong aman.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]
Sub  Direktorat Statistik Industri Besar dan Sedang, “Statistik Industri
Manufaktur Indonesia 2013,” Jakarta, 2013.
[2]
Sub  Direktorat Statistik Industri Besar dan Sedang, “Statistik Industri Manufaktur Indonesia 2014,” Jakarta, 2014. [3] Sub  Direkt orat Statistik Industri Besar dan Sedang, “Statistik Industri Manufaktur Indonesia 2015,” Jakarta, 2015. [4] K. Harman, “ The T hree most Common Overhead Crane Problems,” 2014. [Online]. Available: http://www.spanco.com/blog/entry/overhead-crane-safetythree- major-hazards-and-preventative-measures.
[5] Fulan 112 Business and Sharing, “ Tabel Momen Primer,” 2015. .
[6] Demagcranes.us,  “ Demag  Standard  Cranes.”  [Online].  Available: http://www.demagcranes.us/files/content/users/konstantinovsky/file s/22999649d0609 Demag Standard Cranes.pdf. [Accessed: 10-Nov- 2017].
[7] G. J. K. N. Richard and S. Budynas, Mechanical Engineering Design . New York: Mc Graw Hill, 2011. [8]
P. R.  Permana, “ Analisis Kekuatan Struktur dan Estimasi Fatigue Life Pada Konstruksi Container Crane T ipe RTG Berkapasitas SWL 35 T on,” Surabaya, 2015.