## PERANCANGAN KONFIGURASI STRUKTUR  TOWER
DAN PEMBUATAN BILAH KOMPOSIT (SANDWICH)

## UNTUK APLIKASI TURBIN ANGIN
H e n d r i x   N o v i y a n t o   F i r m a n s y a h 1,   M   A r d i   C a h y o n o 2
Prodi Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Jalan Janti Blok R Lanud Adisutjipto, Yogyakarta 1firmansyah.hendrix@gmail.com,  2total_sacrifice@yahoo.com

## Abstract
Tower is a structure vertically designed that the blades and other components attached. The process  for  structural design  for  the  tower  starts  by  identifying all  of  the  requirements, and  then  specifies  the desired design  criteria.  The  desired design  criteria  are  high  strength, low  cost,  lightweight,  does  not  require  a  large  area,  ease  o f  assembly  and  transport.  The proposed  tower  types  are  guyed,  lattice,  and  tubular.  The  analysis  result  shows  that  the lattice  tower  type  matches  with  the  design  criteria.  The  next processes  are  modeling  and stress  analyzing  using  M SC   Patran/Nastran.  The  maximum  stress  is  42  Newton  per milimeters  square  and  the Margin  o f  safety  (MS)  value  is  7.815,  so  the  structure  is  safe.  In the process o f  making the composite sandwich wind blades,  it is starts with  the creation o f  the master  molding,  mold, foam   cores  and assembly.  The  results  o f  the  three  blades were  made indicate  by  a  difference  in  weight.  It  is  caused  by  the  manufacturing  system  (manual). However,  the difference is still relevant or good because it is less  than 5 percent.
Keywords:  wind turbine,  tower,  lattice,  composite,  sandwich,  Patran/Nastran.

## Abstrak
Tower merupakan  sebuah  struktur  yang  didesain  vertikal  sebagai  tempat  bilah  dan komponen yang lainnya.  Proses  perancangan  struktur tower dimulai  dengan mengidentifikasi semua  kebutuhan  dan  kemudian  baru  memberikan  kriteria  disain  yang  diinginkan.  Kriteria desain  yang  dimunculkan  adalah  kuat,  biaya yang  murah,  ringan,  tidak  membutuhkan  lahan yang  besar,  mudah  dalam  transportasi  dan  pemasangan.  Jenis tower yang  diusulkan  adalah jenis guyed,  lattice, dan tubular. Hasil  analisis  menunjukkan  bahwa jenis lattice yang  cocok dengan  kriteria  rancangan  yang  diinginkan.  Proses  selanjutnya  adalah  memodelkan  dan analisis tegangan dengan menggunakan MSC  Patran/Nastran.  Nilai tegangan maksimum hasil analisis menunjukkan 42 Newton per milimeter kuadrat,  dan nilai MS  sebesar 7,815  sehingga struktur  tersebut  aman.  Pada  proses  pembuatan  bilah  komposit sandwich diawali  dengan pembuatan master molding, cetakan, foa m  core, dan assembly. Hasil  ketiga bilah yang dibuat menunjukkan  adanya  perbedaan  berat.  Perbedaan  tersebut  dikarenakan  metode  pembuatan yang  masih  manual.  Namun  hasilnya tergolong  baik  karena  perbedaan  masing-masing  bilah sangat kecil, yaitu kurang dari 5  persen.
Kata kunci: wind turbine, tower,  lattice, composite, sandwich, Patran/Nastran.

## 1 . P e n d a h u l u a n
Tower merupakan  struktur  yang  menjulang  tinggi  (berdiri  vertikal)  untuk  meletakkan bilah  dan  komponen  yang  lainnya  agar  bisa  menggerakkan  bilah  sehingga  akan  memutar generator  untuk  menghasilkan  listrik.  Proses  perancangan  untuk  konfigurasi  struktur tower turbin  angin  haruslah  dilakukan  dengan  benar  dan  sistematis  agar  sesuai  dengan  yang diharapkan.  Selain  merancang  konfigurasi  struktur tower, pada penelitian  ini juga  dilakukan pembuatan  bilah  angin  komposit (sandwich) dilakukan  dengan  menggunakan  metode hand layup dan vakum.  Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Membuat rancangan konfigurasi  struktur tower
2. Melakukan pemilihan konfigurasi struktur tower yang sesuai dengan desain kriteria 3. Membuat 3  buah bilah komposit (sandwich).
Pada penelitian pemilihan  jenis tower didasarkan  kajian  literatur  dan survey lapangan dengan  melihat  contoh  struktur  yang  relevan.  Beban  yang  digunakan  diasumsikan  sesuai dengan kondisi pembebanan struktur saat operasi yaitu beban thrust, beban angin,  beban mati (beban struktur).
2 . T i n j a u a n   P u s t a k a
Tower merupakan  struktur yang berdiri  vertikal  yang  dibunakan untuk menahan beban nacelle, bilah, hub, dan  beban  akibat  variasi  terpaan  angin.  Dengan  melihat  beban  yang diterima  oleh tower, maka  stuktur tower haruslah  kuat.  Struktur tower yang  digunakan  pada turbin angin sangat bervariasi.
Menurut  Cracks  (2012),  dalam “in  onshore  wind power ”, tower terdiri  atas  5  jenis yaitu: Guyed  Tower,  Lattice  Tower,  Tubular  tower,  Hybrid  Concrete and Tubular  Steel Tower,  dan Ferro-Concrete  Tubular  Tower.
Jenis  beban  yang  terjadi  pada  tower  terdiri  atas  beban  mati,  beban  hidup,  beban  angin, dan  beban  gempa.  Beban  mati  merupakan  beban  yang  dimiliki  oleh tower berupa  beban konstruksi  sendiri  dan material  pendukungnya.  Beban hidup  merupakan beban yang diterima tower atau tower dari  operator  yang  bekerja  pada tower tersebut  baik  pada  saat  perawatan maupun perbaikan.  Beban  angin  merupakan beban  alami  yang  akan  selalu  ada.  Beban  angin diperoleh  dari  tekanan  udara  yang  ada  disekeliling tower atau tower. Beban  angin dipengaruhi  oleh  posisi  dan tempat  kedudukan tower. Beban  gempa  merupakan  beban  yang terjadi  akibat adanya pegerakan tanah atau bumi disekitar konstruksi tower.

## 3 . M e t o d e   P e n e l i t i a n
Secara  umum  urutan  penelitian  ini  diawali  dengan  perancangan  konfigurasi  struktur tower yang meliputi memunculkan rancangan konfigurasi  struktur tower. Selain itu dilakukan pemilihan  jenis  material,  beban,  dan  kondisi  batas.  Langkah  selanjutnya  adalah  analisis rancangan  konfigurasi  struktur tower yang  akan  dipilih  untuk  dimodelkan  dan  dianalisis tegangannya.  Untuk  pembuatan  bilah  komposit  meliputi  persiapan  alat  dan  bahan,  proses pembuatan,  dan evaluasi kesesuaian.

## 3 . 1 P e m i l i h a n   K o n f i g u r a s i   T u r b i n
Kriteria  rancangan  konfigurasi  struktur tower yang  diinginkan  pada  penelitian  ini adalah sebagai berikut:
1. Kemampuan tower mensupport operasi turbin angin.
2. Biaya tower  (cost) yang murah meliputi  biaya materi tower, biaya pembuatan,  dan biaya perawatan.
3. Berat tower yang relatif ringan dengan struktur yang tidak kompleks.
4. Proses assembly dan perawatan yang mudah.
5. Kemudahan transportasi  dari tempat produksi ke tempat pemasangan.
Berdasarkan hasil survey materi, tempat produksi,  dan tempat pemasangan,  maka dalam penelitian ini  dibatasi pada tiga model tower yaitu model guyed,  lattice, dan tubular.
Gambar 1.  Jenis tower yang akan dibandingkan  (1. Tubular, 2. Lattice, dan 3. Guyed)
Untuk  mempermudah  analisis  pemilihan  konfigurasi  maka  perbandingan  ketiga tower akan disusun menggunakan tabel  1.
___________ Tabel  1. Perbandiangan kriteria struktur tower ___________ Model Tower Kemampuan B&bot Assem bly Trasportad Kemudahan f t  rawatan Kebutuhan L ahm Gmed K eal Rinean Mudah Sedan? Sulit Sempit Lattice Sedane Sedane \lu d ali \lu d ali M idali Sempit Tubular Besar Berat Sulit Sulit M idali Luas
Karena biaya  ( cost )  terdiri  atas  biaya materi  properti,  pembuatan,  dan  perawatan  maka  akan dibuat tabel tersendiri sebagai berikut:
Tabel 2.  Perbandingan Biaya Tower \fcdel Búva Tower üvJalsri Bahin Pantuaran Perawatan Gw.sd Murali 3uiah Sedang Laitice \tu a li fitrah Sedang Tubular \fchal Malial ÍAhal
Untuk  membantu  membuat  keputusan,  dibuatlah  sistem  pembobotan  sederhana  yang  mana hasil pembobotan variabel  dapat dilihat pada tabel 3.
Tabel 3. Pembobotan variabel Model Tower Kemampuan Bobot Assembly Trasportas Kemudahan Perawatan Kebutuhan Lahan Materi'Bahan Biaya Pembuatan Biaya Perawatan Total Guyed 1 3 3 2
1 3
3 3 2 21 Lattice 2 2 3 3 3 3
3 3 2 24 Tubular 3 1 1 1 3 1 1 1 1 13 Keterangan  : bobot haiga rauvih ssding maha L bobot baat stmkrui j ringan 2 ssdang 1 bsrat bobot kibmuhan lahati ssmpit j ssding lui; 2 1 bobot kanudahan Pkrawafan mudah j ssdang 2 suüt 1 bobot kemampoao bsaar j sedan e 2 kscil 1
Berdasarkan  pertimbangan  di  atas,  struktur tower yang  cocok  untuk  penelitian  ini adalah lattice  tower. Hal  ini  dikarenakan  material  struktur tower  lattice mudah  didapat  di wilayah  Yogyakarta,  biaya  material  dan  pembuatan tower lebih  murah,  tempat  produksinya tidak  memerlukan  lahan  yang  luas  dan transportasi  material  dari  tempat  produksi  ke  tempat pemasangan  relatif  mudah.  Dengan  biaya  pembuatan  yang  rendah,  namun  perlu  ada tambahan  biaya  perawatan.  tambahan  biaya  perawatan  diperlukan  untuk  mempertahankan kemampuan  dari tower maupun  untuk  inspeksi  turbin  angin.  Kemudahan  dalam  hal perawatan  merupakan  salah  satu  pertimbangan  didalam  pemilihan  konfigurasi.  Besarnya biaya  perawatan lattice  tower relatif sama  dengan jenis guyed, namun  dari  segi  kemampuan tower jenis lattice lebih  ungul.  Jenis  tubular  memang  memiliki  kemampuan  yang  paling besar,  karena mampu menopang turbin dengan diameter yang panjang (kapasitas  pembangkit listik besar)  namun  dilihat  dari  tujuan  penelitian  ini,  tower jenis  ini  tidak  direkomendasikan.
pemodelan  struktumya  dilakukan  dengan  menggunakan  bentuk  konstruksi  zig-zag  dengan empat  batang truss. Dimensi/ukuran tinggi tower adalah  10  meter dan lebar dasar konstruksi adalah  1.5  meter.  Material  yang  digunakan  untuk  perancangan tower adalah steel jenis  AISI 1018  (ST3).
Gambar 2.  Model tower

## 4 . H a s i l   d a n   P e m b a h a s a n
Kasus pembebanan yang diterima oleh turbin angin bisa bervariasi tergantung letak dan kondisi  dimana tower tersebut  ditempatkan.  Penelitian  ini  menggunakan  3  jenis  beban  yang akan digunakan untuk analisis tegangan.

## 4.1 Beban akibat Thrust
Persamaan yang dipakai dalam menghitung beban Thrust yaitu  :
(1)
Di  mana T  adalah Thrust ,  p  adalah  kerapatan  udara,  v  adalah  kecepatan  aliran  udara,  dan R adalah panjang bilah.
T = 2 x 0,5  x  1,212802 x 3.14 x  1.52 x 21.32
= 3889.391  N
Dikarenakan  ada terdapat 4  batang truss pada turbine  angin jenis Lattice  Tower, maka beban tersebut dibagi 4  :
=   3SË5  3 9 1   \
4

## =  972.347831  N

## 4 . 2 B e b a n   A n g i n
Beban  angin  yang  dimaksud  adalah  beban  terpaan  aliran  udara  yang  mengenai penampang  struktur tower. Persamaan  yang  digunakan  untuk  mendapatkan  beban  angin  ini adalah sebagai berikut  :
F = A P  Cd Kz Gh
Contoh perhitungan  beban  akibat  angin  pada ketinggian  9,5  m  dari  permukaan tanah  adalah sebagai berikut.
F = A P  Cd Kz Gh
2 =  0 .0 5 x -x l.2 1 2 S 0 2 x 2 1 .5 2x 2 .2 x — ~ x ^ :^ 1
33
D-B = 28.981  N Tabel 4. Nilai beban angin Tinggi Nilai Beban Angin 0.5m 15.922 N 1.5m 19.809 N 2.5m 21.971  N 3.5m 23.539 N 4.5m 24.793 N 5.5m 25.847 N 6.5m 26.763 N 7.5m 27.576 N 8.5m 28.310 N 9.5m 28.981  N
Nilai beban terhadap ketinggian dapat dilihat pada gambar 3.
Tinggi Tower (m)
Nilai Beban Angin (N) Gambar 3.  Beban tower pada tiap ketinggian
4 . 3 B e b a n   M a t i
a. Beban mati akibat kompen pendukung/asesoris.
Beban  ini  diasumsikan  berat  dari  semua  komponen  pendukung/aksesoris  seperti naccle,  bilah,  hub, dan  lain  sebagainya  adalah  tidak  lebih  dari  20  kg.  Maka  untuk memudahkan dalam analisis nantinya,  berat komponen pendukung/aksesoris  sebesar 20 kg ini harus  di ubahkah ke dalam satuan Newton.
1  Kg = 9,81  N Maka,  20 Kg =  196,2 N
Dikarenakan  ada terdapat 4  batang thrust  pada turbin  angin jenis Lattice  Tower, maka beban tersebut dibagi 4:
196,2 H = 49,05 N
Jadi pertitik 4 batang tersebut akan menerima beban kebawah sebesar 49,05 N.
b. Beban mati akibat berat dari  struktur tower.
Juga  sama  dengan  point  a  di  atas,  diasumsikan berat  beban  dari  struktur tower itu sendiri diasumsikan  1 G.
r .b   Group  WvMfort  l l w i j   B ifi* ,  h H t n n K   Tóete " MHp  U i«im H i t * ft .S f*
* fV *
•   ?B  «   "A b   J   n   b   b   J   i t   V   M
J I 9 n L   *>  'f » 9 * Etemcrttt w » w M mo M  » w r t«   L m #C« m F<Wl s- m
Kn.te u¡¿jhi Ei ______ d fflçin  « ing-dh d*Oult_M««port dptault.group • Entity 1 s   1  P
Pairan 2010 05-Aug-t 5 0 0 2 4 1 0 f-mijft  D « t9 it  A l  State Subcase. 6 ^ m  Slrçç&çç  Oc n tin » ). vrir Mrçiÿç. At Pprrt O [lofnrm  [:<olai.ft  A l  $taAc Sutícaw. OífJacomwilv  Transcurría.
2J6z£^L. . k__ 4 3&U0DI 360^001 342*001 316*001 ^ 2 » * 0 0 l | 2É4-*OOI ÜS&tOÜiL 2 1 2 * 0 Q l l
I  W - O O lP 1  69-001 I S3^0Úil— 1 Û7-OÛ lL 6 1 2 * 0 0 0 ® Cnnalíere« 'muiicii MIH UfBWCl & hk > ****
çtolai.JI Frri]ç
Ha* 4  2IH001  S ^ - 3  9 MIO  2 91*000 13 d*taufl_Dafwmalün H »  3 Q9«-001  d N d  l(
Gambar 4.  Hasil Analisis
Hasil  analisis  menunjukkan tegangan  maksimal  yang terjadi  sebesar  42  N/mm  dengan  nilai MS  sebesar 7.815  dan struktur dengan pembebanan tersebut aman.

## 4.4 Proses Pembuatan Bilah Komposit Sandwich
Proses  produksi  dimulai  dengan  pembuatan master  molding, cetakan,  pembuatan core foam (isi),  dan penggabungan  sehingga menjadi  bilah  komposit sandwich  (core foam). Hasil pembuatan  3  buah  bilah  komposit sandwich  (core  foam ) menunjukkan  hasil  yang  baik, biarpun terjadi  perbedaan berat.  Bilah  1  memiliki  berat 2.245  g,  bilah 2  memiliki berat 2.215 g,  dan berat bilah yang ke 3  2.165  g.
Tabel 5. Perbandingan berat bilah Bilah Berat (g) Berat (g) % 1 2.245 0 0 2 2.215 30 -1.3363 3 2.165 80 3.56347
Perbedaan terjadi  karena pengerjaan  masih  manual  sehingga dirasa  perbedaan tersebut masih dimaklumi.
Gambar 5.  Bilah hasil cetakan

## 5 . K e s i m p u l a n
Kesimpulan yang bisa didapat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Konfigurasi tower yang  diusulkan  adalah  jenis lattice. Kenfigurasi  tersebut didasarkan  atas  biaya  yang  murah,  kemudahan  dalam  perawatan,  kemampuan mensupport turbin  yang  cukup,  lahan  yang  digunakan  sedikit  (sempit)  dan  proses  pembuatan  dan transportasi yang mudah.
2. Konfigurasi  yang  digunakan  adalah  tipe  persegi (tower dengan  empat  batang pondasi  memiliki  panjang  yang  sama).  Konfigurasi  empat  kaki  memiliki  kekakuan  dan kekuatan yang  baik jika dibandingkan  dengan jenis triangle dan pole. Konfigurasi  ini  adalah tipe  konvensional  dan  banyak  digunakan  sebagai tower turbin  angin  maupun  listrik.  Tinggi tower ini  adalah  10  m  dengan  jarak beam pondasi  1.5  m.  Hasil  analisis  menunjukkan tegangan  maksimal  yang  terjadi  sebesar  42  N/mm2  dengan  nilai  MS  sebesar  7.815  dan struktur dengan pembebanan tersebut aman.
3. Proses  pembuatan  bilah  dilakukan  dengan  mempersiapkan  semua  alat  dan  bahan.
Persiapan  diperhatiakan  untuk  kelancaran  proses  produksi.  Proses  produksi  dimulai  dengan pembuatan master molding, cetakan,  pembuatan core foam (isi),  dan penggabungan sehingga menjadi  bilah  komposit sandwich  (core foam). Hasil  ketiga  bilah  yang  dibuat  menunjukkan adanya  perbedaan  berat.  Perbedaan  tersebut  dikarenakan  sistem  pembuatan  yang  masih manual.  Namun  perbedaan yang  dihasilkan  masih  relevan  atau  baik  karena  persentase  berat bilah kurang dari  5%.
D aftar P ustaka
Amara,  I.,  2014, Desain  Proses  Produksi  Untuk  3  Bilah  Turbin  Angin  Komposit, Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto, Yogyakarta.
Anderson,  John D., 2007, Fundamentals o f  Aerodynamics (4th ed.).  McGraw-Hill. Burton,  Tony.,  Sharpe,  David.,  Jenkins,  Nick.,  Bossanyi,  Ervin,  2001, Wind  Energy Handbook. John Wiley  &  Sons Ltd. Corbert Nicholson,  2011, Effect o f  dust on the performance o f  wind turbines. Desalination,  2007,  pp.  209-220.
Cracks,  2012, Wind Energy system:  Electronic edition. Manhattan. Erinofiardi,  Hendra,  2012, Analisa Defleksi  Struktur  Tower  Transmisi Menggunakan Metode Elemen Hingga, Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Bengkulu,  Bengkulu.
Ginting,  Paham dan Syafrizal Helmi  Situmorang,  2008, Filsafat Ilmu dan M etode Riset, USU Press,  Medan. Jamil Fahad,  2008, Jenis Struktur Tower  Turbin Angin, Jakarta.
Hansen,  Martin O.  L.,  2008, Aerodynamics o f  wind turbines,2nd edition.  Earthscan.
Lavassas  I,  Nikolaidis  G,  Zervas  P,  Baniotopoulos  CC,  Doudoumis  IN.,  2002, Analysis  and design o f  the  1 M W  steel wind turbine  towers at mount Kalogerovouni Lakonia, Proc. 4th Nat.  Conf.  on Steel  Structures Patras 2002, p. 272-280.
Huskey  A,  Prascher D.,  2005, Tower Design Load  Verification  on  a  1-kW Wind Turbine. To be  presented  at  the  43rd  AIAA  Aerospace  Sciences  Meeting  and  Exhibit  Reno. Nevada January  10-13.  2005
M  Hani,  Negm,  Y  Karam.  Maalawi.,  2000, Structural  design  optimization  o f  wind  turbine towers. Computers  and  Structures 74.  page 649  -666. Jamil,  Fahad  ,  Saad,  bin  zia,  Abbasi,  Parvez  ali,  Ansari,  Moiz.,  2012, To  Study  O f  Wind Resistant Stability o f  Tubular  Wind Turbine  Tower. NED University o f Engineering & Technology.
Sukmadinata, NS., 2007, M etode Dalam Penelitian, Yudhistira,  Jakarta. Sumargo,  Achmad  Djihad,  Iwan  Setiawan,  Dudi  A rief  Mulyadi,  2008, Analisa  Respon Struktur Menara  Pemancar  Tipe  “M onopole“  120 M A k ib a t Beban  Angin  Rencana Dengan  Periode  Ulang  10  Tahunan  Di  Stasiun  Badan  Meteorologi  Dan  Geofisika Semarang, Jurnal Teknik Sipil Volume VIII Nomor  1,  Semarang. http://k7nv.com/notebook/topics/windload.html.