Iskandar, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 61-67

## Analisis Pengaruh Curah Hujan dan Kecepatan Angin Terhadap Konstruksi Papan Reklame Single Pole Tipe Sumbu Tengah
Norman Iskandar*, Wahyu Damarjati, M.S.K. Tony Suryo Utomo Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudarto, SH – Tembalang, Semarang 50275 Telp. (024) 7460059
*E-mail: norman.undip@gmail.com

## Abstract
Cases of billboards collapsing are still quite common. The inability to withstand the burden is thought to be the cause. This is the reason for the need to review security standards that have been determined by the government as the party authorized to give permission. In this article, we will discuss the results of  the  analysis  of  billboards  that  have  been  given  permission  to  be  installed  by  the  Semarang  city government  with FEM-based software simulation methods. The analyzed billboards have a size of 4 x 6 m with a schedule 40 steel pipe with a 12inch diameter as support, elbow steel 40 x 40 x 4 mm as a truss structure, and galvanized steel plate with an area of 4 x 6 m as thick as 0.2 mm. Wind speed and rainfall data used are sourced from the BMKG of Semarang City, with variations in wind speed of 15 m/s,  25  m/s  and  the  volume  of  rainfall  is  736  mm/day.  From  the  simulation  results  obtained  a maximum stress value of 1.025 x 108 Pa at wind speeds of 15 m/s, and 2.754 x 108 Pa at wind speeds of 25 m/s for loading conditions in the form of wind. While the maximum stress value is 1.029 x 108 Pa at wind speeds of 15 m/s, and 2.762 x 108 Pa at wind speeds of 25 m/s for a combination of wind loads and rainfall. The two maximum stress values are still below the yield strength of the structure forming material, which is 235 MPa. So that the structure is safely used in these loading conditions. But at a speed of 25 m/s, the maximum stress is at ± 30 Mpa above yield strength, meaning that the structure is not safe if it experiences such a large load continuously and is risky by fatigue stress. The force due to rainwater in the structure is not too  significant. The magnitude of the difference in force between the rain  drag  force  and  the  water  drag  force  and  rain  is  always  smaller  than  50  N.  So  for  general calculations, the magnitude of the force due to rainwater can be neglected.
Keywords: Billboards, FEM, von Mises, rainfall, wind speed

## Abstrak
Kasus robohnya papan reklame  masih cukup  sering terjadi.  Ketidakmampuan  menahan beban diduga menjadi penyebabnya. Hal ini menjadi alasan perlunya dikaji ulang standarisasi keamanan yang telah ditentukan  oleh  pemerintah  selaku  pihak  yang  berwenang  memberikan  ijin.  Pada  artikel  ini  akan dibahas  tentang  hasil  analisis  terhadap  papan  reklame  yang  telah  diberikan  ijin  untuk  dipasang  oleh pemerintah  Kota  Semarang  dengan  metode  simulasi  software  berbasis  FEM.  Papan  reklame  yang dianalisis  berukuran  4  x  6  m  dengan  pipa  baja schedule 40  berdiameter  12in  sebagai  penumpu,  baja siku 40 x 40 x 4 mm sebagai struktur truss , dan plat baja galvanis dengan luas 4 x 6 m setebal 0,2 mm. Data kecepatan angin dan curah hujan yang digunakan bersumber dari BMKG Kota Semarang, dengan variasi kecepatan angin adalah 15 m/s, 25 m/s dan volume curah hujan adalah 736 mm/hari. Dari hasil simulasi didapatkan nilai stress maksimal 1,025 x 10 8 Pa pada kecepatan angin 15 m/s, dan 2,754 x 10 8 Pa  pada  kecepatan  angin  25  m/s  untuk  kondisi  pembebanan  berupa  angin.  Sedangkan  nilai  stress maksimal  1,029  x 10 8 Pa pada kecepatan angin 15  m/s, dan  2,762 x 10 8 Pa  pada kecepatan angin  25 m/s untuk kombinasi beban angin serta curah hujan. Kedua nilai tegangan maksimum masih dibawah yield  strength dari  material  pembentuk  struktur,  yaitu  235  MPa.  Sehingga  struktur  aman  digunakan pada kondisi pembebanan tersebut. Namun pada  kecepatan 25  m/s, tegangan  maksimum  berada pada ±30 Mpa diatas yield strength , artinya struktur tidak aman apabila mengalami beban sebesar itu secara terus  menerus  dan  riskan  oleh  tegangan fatigue. Gaya  akibat  air  hujan  pada  struktur  tidak  terlalu signifikan. Besarnya selisih gaya antara gaya drag hujan dengan gaya drag air dan hujan selalu lebih kecil  dari  50  N.  Sehingga  untuk  perhitungan  secara  umum,  besarnya  gaya  akibat  air  hujan  bisa diabaikan.
Kata kunci: Papan reklame, FEM, von Mises , curah hujan, kecepatan angin
1. Pendahuluan
Papan  reklame  atau billboard merupakan  salah  satu  bentuk  media  promosi  diluar  ruangan.  Papan  reklame  biasa digunakan  sebagai  saranan  kampanye,  himbauan  sosial  atau  sebagai  sarana  membujuk  calon  konsumen  terkait
penjualan  produk  barang  atau  jasa.  Ciri  khas  papan  reklame  adalah  bentuknya  yang  besar  dan  tinggi  serta  biasa dipasang dilokasi ramai dan strategis.
Papan reklame memiliki rentang ukuran dari yang kecil (1x2m) hingga besar (5x10m). Ukuran papan reklame yang semakin besar juga meningkatkan resiko terjadinya papan reklame roboh semakin besar, mengingat penempatan papan reklame sendiri berada diluar ruangan ( outdoor ). Hal Ini tentu bisa menimbulkan kerugian jiwa dan materi. Terhitung dari  tahun  2012  s/d  tahun  2014  terjadi  beberapa  kasus  robohnya  reklame  ditanah  air.  Pada  tanggal  16  Maret  2012 sebuah  papan  reklame  berukuruan  6x4m  roboh  menimpa  sebuah  warnet  didaerah  Jl  Teuku  Umar  Semarang  di  depan kantor PT PLN (Persero) Distribusi Jateng dan DIY [1]. Pada tanggal 14 Maret 2013 terjadi kembali di Kota Bandung sebuah reklame  berukuran 5x10m roboh  [2]. Pada tanggal 20  April 2014 didaerah  Jakarta Barat sebuah  baliho roboh menipa pengendara bermotor [3]. Bahkan ditahun 2016 tercatat beberapa kasus papan reklame roboh diberbagai daerah seperti Jakarta, Palembang, dan Jawa Tengah. Sebagai langkah pencegahan maka pembuatan dan pemasangan reklame harus diperhitungkan dengan matang sehingga faktor keamanan terjamin [4].
Kerusakan  dan  kegagalan  struktur  papan  reklame  besar  akibat  angin  topan  atau  jenis  angin  kencang  lainnya  telah sering  dijadikan  bahan  kajian  di  berbagai  wilayah  dan  belahan  dunia  [5,  6].  Kerusakan  pada  papan  reklame  dapat dikategorikan  menjadi  tiga  tipe  yaitu  kerusakan  pada  pelat/papan,  kerusakan  pada  struktur  penopang  dan  kerusakan keseluruhan  struktur  akibat  kegagalan  pada  pondasi  [7,  8,  9].  Kasus  kerusakan  yang  sering  terjadi  adalah  karena kerusakan pada tiang penyangga, maka perlu dikaji ulang standarisasi yang dibuat oleh Pemerintah karena mereka yang berhak  memberikan  ijin  pengadaan  papan  reklame  diwilayahnya.  Kinerja  sistem  struktur  papan  reklame  dapat dievaluasi  dengan  mempertimbangkan  respon  searah  angin  dan  respon  torsional,  sedangkan  respons  pada  arah  angin melintang dapat diabaikan [9].
Tujuan dari kajian ini adalah untuk melakukan konfirmasi perhitungan pembebanan menggunakan Metode Elemen Hingga,  pada salah  satu tipe papan reklame  yang dimiliki oleh  sebuah perusahaan advertising dan  telah  mendapatkan ijin dari PEMKOT Semarang.

## 2. Material dan metode penelitian
Metodologi  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  dengan  metode  simulasi  dengan  menggunakan software ANSYS  FLUENT  dan  SolidWork.  Parameter  kecepatan  angin  maksimum  dari  data  kecepatan  angin  selama  periode 2011-2015 adalah 15 m/s menurut BMKG Kota Semarang dan 25 m/s untuk kecepatan angin minimum sesuai standar pembangunan  Indonesia  [10].  ANSYS  FLUENT  digunakan  untuk  mensimulasikan  gaya drag akibat  angin  dan  hujan angin dari kedua parameter kecepatan angin. Hasil simulasi tersebut kemudian diaplikasikan ke struktur menggunakan SolidWork untuk  mengetahui  besarnya  tegangan,  regangan,  dan displacement dari  struktur  akibat  pembebanan  angin dan hujan angin, sehingga diperoleh tegangan maksimum yang diperbolehkan, besarnya nilai keamanan ( safety factor), dan posisi tegangan maksimum berada secara spesifik.

## 2.1 Drag Force
Gaya drag adalah gaya total  yang diberikan oleh fluida pada bodi di dalam  arah aliran karena efek gabungan dari gaya  geser  dinding  dan  tekanan.  Bagian  dari drag yang  disebabkan  langsung  oleh  tegangan  geser  dinding  disebut friction drag dan bagian drag yang disebabkan oleh tekanan disebut dengan pressure drag . Friction drag dan pressure drag didefinisikan pada persamaan 1.
A v F C friction d friction d 2 , , 2 1   dan A v F C pressure d pressure d 2 , , 2 1  
(1)
dimana:
C D
= Koefisien drag
F D = Gaya drag ( N ) ρ = Masa jenis udara ( kg/m 3 ) v
= Kecepatan fluida ( m/s )
A
= Luas permukaan benda ( m 2 )
Pada kasus plat datar yang yang memiliki posisi normal terhadap aliran, drag adalah hasil dari ketidakseimbangan distribusi tekanan. Untuk lebih jelasnya, besarnya koefisien drag dapat dilihat pada Tabel 1 berikut ini [11]:
Tabel 1. Koefisien drag pada bidang 3 Dimensi (L = Panjang, D = Diameter) [ aircraft perf analysis ]
No. Body Laminar/Turbulent Keterangan CD 1 Kubus Re > 10000 1,05 2 Lepeng lingkaran tipis Re > 10001 1,1 3 Kerucut (θ = 30o) Re > 10002 0,5
4 Bola Laminar Re ≤ 2x105 0,5 Turbulent Re ≥ 2x106 0,2 5 Kapsul Laminar Re ≤ 2x105 0,3-0,5 Turbulent Re ≥ 2x106 0,1-0,2 6 Setengah lingkaran Re > 10000 Bagian cembung 0,4 Re > 10001 Bagian datar 1,2 7 Plat persegi Re > 10002 L/D = 1 1,1-1,3 L/D = ∞ 0,6 8 Silinder vertikal Re ≤ 2x105 L/d = 0,5 1,2 L/d = 8 1,1 9 Silinder horizontal Re > 10001 1 10 Parasut Laminar Re ≤ 2x105 1,3

## 2.2 Metode Mononobe
Untuk perhitungan intensitas curah hujan digunakan rumus Mononobe pada persamaan 2:
𝐼 = 𝑅 24 24 ( 24 𝑡 ) 2 3 ⁄ (2)
dimana I = Intensitas hujan (mm/jam) R24 = Curah hujan maksimum dalam 24 jam (mm/jam) t = Lama hujan (t)

## 2.3 Spesifikasi Papan Reklame
Pada percobaan papan reklame untuk material yang digunakan adalah Baja ST37 dengan diameter tiang 14inch dan 40x4x4mm  untuk  dimensi  siku  pada frame papan  reklame  tersebut.  Dengan  kecepatan  angin  15m/s  dengan  sudut tembak angin pada posisi 90°. Adapun papan reklame yang digunakan memiliki spesifikasi seperti terlihat pada Gambar 1 dan Tabel 2 serta Tabel 3.
Gambar 1. Struktur papan reklame
Tabel 2. Tabel spesifikasi material dari struktur truss (ST37) Yield Stress (MPa)
Tensile Strength (MPa) Modulus Elasticity (GPa) Mass Density (Kg/ m 3 ) Poisson’s Ratio 235 360 210 7800 0.28 Tabel 3. Tabel spesifikasi material dari plat baja galvanis Yield Stress (MPa)
Tensile Strength (MPa) Modulus Elasticity (GPa)
Mass Density (Kg/ m 3 ) Poisson’s Ratio 204 357 200 7870 0.29
Iskandar, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 61-67

## 2.4 Penetapan Pembuatan Enclosure dan Menentukan Ukuran Mesh
Pembuatan enclosure dibuat sesuai dengan metode ahmed’s body . Namun untuk sekaligus mempelajari pola aliran yang  dibentuk,  panjang wind tunnel dibuat  2  kali  lipat  dari  ketentuan.  Dimensi enclosure adalah  4L  untuk  tinggi enclosure ,  4L  untuk  lebar enclosure ,  dan  16L  untuk  panjang enclosure dengan  L  adalah  tinggi billboard ,  yaitu  6m. Kondisi batas pada tiap sisi enclosure seperti dijelaskan pada Tabel 4 dan divisualkan pada Gambar 2.
Tabel 4. Kondisi batas enclosure
Jenis kondisi batas Sisi enclosure Inlet Sisi pada sumbu –Z didepan muka billboard Outlet Sisi pada sumbu +Z dibelakang muka billboard Sym Bagian atas, sisi kiri dan kanan billboard Wall Seluruh sisi billboard dan bagian bawah enclosure
Gambar 2. Enclosure udara untuk simulasi
Meshing untuk enclosure didapat  dengan  memberikan  ukuran  yang  tepat  untuk  menghasilkan  meshing  dengan skewness yang baik, yaitu ≤ 80. Pengaturan konfigurasi mesh seperti tercantum pada Tabel 5.
Tabel 5. Konfigurasi mesh
Jenis Konfigurasi Konfigurasi Use Advanced Size Function On proximity and curvature Relevance Center Fine Smoothing High Transition Slow Curvature Normal Angle 12 o Num Cells Across Gap 5
Kemudian,  berikan face  sizing pada  permukaan  billboard  sebesar  20mm  utnuk  meningkatkan  keakurasian perhitungan pada seluruh sisi papan reklame. Hasil yang didapat dari konfigurasi tersebut adalah mesh dengan skewness maksimum 0,797330917591936 seperti pada Gambar 3.
(a) (b)
Gambar 3. (a) Hasil mesh dan (b) ukuran statistik mesh

## 3. Hasil dan pembahasan
3.1 Simulasi Hujan Angin Pada Struktur
Untuk mencari besaran gaya akibat air hujan, digunakan kondisi batas seperti pada Tabel 6.
Tabel 3.1 Tabel sifat air hujan Parameter Nilai v angin 15 m/s ṁ 0.070877 kg/s untuk setiap 1 m 2 area hujan T 25 o C ρ 1000 kg/m 3 µ droplet 0,89 kg/ms 𝜎 droplet 0,07197 n/m D droplet 1-5 mm
Simulasi  dilakukan  menggunakan software ANSYS™  FLUENT  dengan  menggunakan  data  pada  Tabel  6.  Udara digunakan  sebagai  material  pengisi enclosure .  Untuk  memodelkan  aliran,  digunakan  pemodelan viscous  k-epsilon realizable dengan scallable  wall  function untuk near-wall  treatment .  Sedangkan  untuk  mensimulasikan droplet -nya, digunakan  pemodelan Discreet  Phase  Modelling (DPM)  dengan continuous  phase dan stochastic  collision serta coalescent aktif  pada  tab physical  models .  Kondisi droplet air  hujan  diinjeksikan  pada  pemodelan  DPM.  Hasil  yang didapat dari simulasi aliran seperti terlihat pada Gambar 4 dan 5.
Gambar 4. Persebaran kecepatan droplet
Gambar 5. Pola kecepatan aliran
Gambar 6. Gaya yang dihasilkan oleh hujan angin

## 3.2 Simulasi Pembebanan Statis Pada Struktur
Metode  pembebanan  yang  digunakan  adalah  metode  pembebanan  statis  pada Solidwork’s  simulation .  Beban  yang digunakan  adalah drag  force yang  terjadi  pada  aliran  angin  yang  bercampur  butiran  air  hujan  yang  nilainya  4414,3N seperti  pada  Gambar  6.  Sedangkan  bentuk meshing adalah based  curvatured dan  ukuran meshing 10mm  dan  0,2mm Hasil yag didapat dari simulasi pembebanan statis adalah nilai stress , displacement , dan strain dari struktur, seperti pada Gambar 7 hingga 9 berikut ini:
Gambar 7. Nilai stress maksimum pada struktur setelah diberi beban
Gambar 8. Nilai strain maksimum pada struktur setelah diberi beban
Gambar 9. Nilai displacement maksimum pada struktur setelah diberi beban
Menurut  Peraturan  Pembangunan  di  indonesia  tahun  1983  untuk  suatu  bangunan  yang  mengalami  beban  angin, kecepatan  angin  yang  digunakan  adalah  25  m/s.  Dengan  metode  yang  sama,  pada  Tabel  7  disajikan    perbandingan antara gaya akibat hembusan angin dan gaya akibat hujan angin pada struktur untuk masing – masing kecepatan (15m/s dengan massa jenis  1,225 kg/m 3 dan 25 m/s dengan massa jenis  1,2297 kg/m 3 )
Tabel 7. Hasil Pembebanan Statik dengan SolidWorks Parameter Nilai Massa jenis 1,225 kg/m 3 1,225 kg/m 3 1,2297 kg/m 3 1,2297 kg/m 3 Kecepatan aliran 15 m/s 25 m/s 15 m/s 25 m/s
Gaya pada struktur 4414,2 N 11851,2 N 4430,3 N 11896,0  N Stress maksimal 1,025 x 10 8 Pa 2,754 x 10 8 Pa 1,029 x 10 8 Pa 2,762 x 10 8 Pa Strain maksimal 3,024 x 10 4 Pa 8,1260 x 10 4 Pa 3,037 x 10 4 Pa 8,156 x 10 4 Pa Displacement max. 44,62 mm 119,99 mm 44,82 mm 120,30 mm

## 4. Kesimpulan
Dari hasil simulasi dengan ANSYS dan solidworks didapatkan nilai stress maksimal 1,025 x 10 8 Pa pada kecepatan angin  15  m/s,  dan  2,754  x  10 8 Pa  pada  kecepatan  angin  25  m/s  untuk  kondisi  pembebanan  berupa  angin.  Sedangkan nilai stress maksimal  1,029  x 10 8 Pa pada kecepatan angin 15  m/s, dan  2,762  x 10 8 Pa  pada kecepatan angin 25  m/s untuk kombinasi  beban angin serta curah hujan.  Kedua nilai tegangan maksimum untuk kecepatan angin 15 m/s yang didapat  masih  dibawah yield  strength dari  material  pembentuk  struktur,  yaitu  235  MPa.  Sehingga  struktur  aman digunakan  pada  kondisi  pembebanan  tersebut.  Namun  pada  kecepatan  25  m/s,  tegangan  maksimum  berada  pada  ±30 Mpa diatas yield  strength , artinya struktur tidak aman apabila  mengalami  beban sebesar  itu  secara  terus menerus dan riskan oleh tegangan fatigue. Hasil pengujian menunjukkan gaya akibat air hujan pada struktur tidak terlalu signifikan. Besarnya  selisih  gaya  antara  gaya drag hujan  dengan  gaya drag air  dan  hujan  selalu  lebih  kecil  dari  50  N.  Sehingga untuk perhitungan secara umum, besarnya gaya akibat air hujan bisa diabaikan.

## Daftar Pustaka
[1] http://news.detik.com/berita/d-1869270/-braak-papan-reklame-roboh-timpa-warnet-di-semarang, diakses pada tanggal 10 November 2016.
[2] http://www.pikiran-rakyat.com/bandung-raya/2013/03/27/228628/lima-papan-reklame-roboh-saat-hujan-deras, diakses pada tanggal 10 November 2016.
[3] http://transvertising.com/news.php?title=4_kendaraan_tertimpa_baliho_raksasa_yang_roboh_di_slipi, diakses pada tanggal 10 November 2016.
[4] Peraturan Daerah Kota Semarang no. 14 Tahun 2012 Tentang Penyelenggaran Reklame.
[5] An, S., 2009. Wind Disaster Vulnerability Study of Single-column Billboard Structure. Ph.D. Dissertation. Harbin Institute of Technology , Harbin, China (In Chinese).
[6] Tamura,  Y.,  Cao,  S.,  2009.  Climate  change  and  wind-related  disaster  risk  reduction. In:Proceedings  of  the APCWE-VII, Taipei, Taiwan.
[7] Song, F., Ou, J., 2009. Study on the dynamic causes of damage of large billboard by typhoon. In: 14th National Conference of Structural Wind Engineering, Beijing (In Chinese).
[8] Wang, X., Cheng, J., Wang, Q., 2010. The causes analysis and counter measures of billboard collapse under the strong wind load. Construction & Design for Project 11 , 47–51 (In Chinese).
[9] Li,  Z.,  Wang,  D.,  Chen,  X.,  Liang,  S.,  Li,  J.,  2018.  Wind  load  effect  of  single-column-supported  two-plate billboard structures. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics 179 : 70–79.
[10] BMKG Kota Semarang, 2016, “Data Kecepatan Angin dan Curah Hujan Maksimum Bulanan Tahun 2010-2015”, BMKG, Semarang.
[11] Sadraey M., 2009, “Aircraft Performance Analysis”, VDM Verlag Dr. Müller, Berlin.