Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32 P-ISSN 1978 - 2365

E-ISSN 2528 - 1917

21 Diterima : 4 April 2016, direvisi : 9 September 2016, disetujui terbit : 29 Desember 2016

DESAIN DAN ANALISIS STRUKTUR MENARA LATTICE PEMBANGKIT

LISTRIK TENAGA ANGIN 100 Kw DI DESA TAMANJAYA, SUKABUMI,

JAWA BARAT

DESIGN AND STRUCTURE ANALYSIS OF 100 kW WIND TURBINE LATTICE

TOWER IN TAMANJAYA VILLAGE, SUKABUMI, WEST JAVA

Zulkarnain

Puslitbangtek. Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi

Jl. Cileduk Raya Kav. 109, Cipulir, Kebayoran Lama, Jakarta Selatan, 12230

zulp3tek@yahoo.com

Abstrak

Pembangunan pembangkit listrik tenaga angin tidak terlepas dari pembangunan menara yang berfungsi

sebagai tiang penopang seluruh komponen sistem pembangkit pada ketinggian tertentu. Menara harus

memenuhi kriteria yang diinginkan dengan memiliki konstruksi yang cukup kuat untuk menerima

beban yang ditopangnya. Desain dan analisis struktur menara Lattice turbin angin 100 kW yang

dibangun di Desa Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat telah disajikan berdasarkan kriteria awal desain

menara yang meliputi tipe, jenis, tinggi, kondisi angin dan gempa di lokasi, dan beberapa faktor yang

mempengaruhi lainnya telah dibahas.Besar beban yang harus dapat ditopang oleh menara juga telah

dihitung berdasarkan beban angin, beban peralatan pembangkit, dan beban peralatan penunjang

lainnya.Pemodelan gaya-gaya yang bekerja di setiap elemen struktur menara yang terjadi akibat karena

adanya bebandilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Ms. Tower Versi 6.Hasil yang

diperoleh dan dianalisis berupa nilai twist, sway, displacement horisontal, dan stress ratiomenara. Nilai

tersebut selanjutnya akan disesuaikan dengan ketentuan batasan standar kekuatan menara yang

mengacu pada standar TIA/EIA - 222F.

Kata kunci : Menara lattice;turbin angin; energi angin.

Abstract

The development of wind power plant could not be separated from the construction of the tower that

serves as the pillar for all components of the system at a certain height.

It need the tower which meet the desired criteria by having a construction which strong enough to recieve the loads. Design and structure analyses of a lattice tower for 100 kW wind turbine in

Tamanjaya Village, Sukabumi, West Java is presented based on initial criteria of tower design such as type, height, wind and seismic conditions on the site, and several other factors that influence its design

has been discussed.The amount of forces that must be supported by towers have been calculated based

on the wind load, load of generation equipment, and other supporting equipment load.The forces that working on the structure of the tower was modeled by using software Ms. Tower Version 6.The result

which was obtained and analyzed are the value of twist, sway, horizontal displacement, and stress

ratioof towers which were determined with a standard limitation of the tower structure which refers to TIA / EIA - 222F.

Keyword : Lattice Tower; Wind Turbine; Wind Energy.

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32

22

PENDAHULUAN

Penelitian energi angin menjadi pilihan

yang cukup realistis mengingat sumber energi

tersebut sangat mungkin didapatkan karena di

beberapa daerah di Indonesia memiliki potensi

energi angin yang cukup baik yang dapat

dimanfaatkan sebagai sumber energi.

Berdasarkan hasil pengukuran langsung, be-

berapa lokasi di Indonesia mempunyai ke-

cepatan angin rata-rata tahunan cukup tinggi

pada ketinggian 50 meter, yaitu diatas 5,6 m/

det hingga 7 m/det[3,4,5]. Lokasi-lokasi tersebut

antara lain terdapat di pantai selatan Pulau Ja-

wa, pesisir Nusa Tenggara Timur, Sulawesi

Selatan, Sulawesi Utara, dan Maluku. Selain

itu juga karena kondisi geografis Indonesia

cukup strategis yang terletak di antara dua

benua dan dua samudra dengan topografi yang

bervariasi sehingga memungkinkan untuk di-

jadikan tempat penghasil energi baru terba-

rukan yaitu energi angin, terutama untuk dae-

rah yang terpencil yang sulit mendapatkan

suplai energi.

Pembangkit listrik tenaga angin adalah

suatu pembangkit listrik yang menggunakan

angin sebagai sumber energi untuk

menghasilkan energi listrik. Pembangkit ini

dapat mengkonversi energi angin menjadi en-

ergi listrik dengan menggunakan turbin angin

atau kincir angin. Pembangunan pembangkit

listrik tenaga angin tidak terlepas dari pem-

bangunan menara yang berfungsi sebagai tiang

penopang seluruh komponen sistem pembang-

kit listrik tenaga angin pada ketinggian terten-

tu. Selain memiliki pondasi yang kuat dan

dibangun di atas tanah dengan kestabilan yang

memadai, menara harus memiliki konstruksi

yang cukup kuat untuk menerima beban yang

ditopangnya. Dimensi menara dan turbin juga

harus diperhitungkan, karena akan

mempengaruh. perilaku tanah yang menjadi

landasan struktur pondasi tersebut[2]. Analisis

beban terhadap struktur menara telah dil-

akukan sebelum dibangunnya menara, untuk

memprediksi besarnya beban yang harus di-

topang pada setiap elemen struktur menara

yang dibuat, karena pada akhirnya beban ter-

sebut akan berkorelasi dengan penentuan di-

mensi dan material menara.

METODOLOGI

Penelitian ini dilakukan untuk menara

jenis Lattice dengan ketinggian 35 meter di

atas permukaan permukaan tanah, yang

digunakan pada pembangkit listrik tenaga an-

gin 100 kW milik P3TKEBTKE yang berlo-

kasi di desa Taman Jaya, Ciemas, Sukabumi,

Jawa Barat. Metodologi yang digunakan pada

penelitian ini adalah metodologi pemodelan

dan simulasi pada umumnya, dengan tahapan

awal melakukan perancangan menara,

kemudian dilanjutkan dengan simulasi serta

analisis hasil rancangan tersebut.

Analisis terhadap beban-beban yang

bekerja pada tiap elemen struktur menara dil-

akukan menggunakan perangkat lunak

Ms.Tower Versi 6.0 dan menggunakan per-

syaratan standar kekuatan menara yang

mengacu pada standar TIA/EIA-222F

(Structural Steel Standards for Steel Antenna

Tower and Supporting Structure). Sedangkan

23

Desain dan Analisis Strutktur Menara Lattice Pembangkit Listrik Tenaga Angin 100 kW di Desa

Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat

untuk beban yang diberikan dalam simulasi

merupakan kecepatan angin pada kondisi

ekstrim, yaitu sebesar 200 km/jam atau 55,6 m/

det.

Perancangan Menara

Ada dua jenis menara yang umum

digunakan pada pembangkit listrik tenaga an-

gin di dunia, yaitu jenis tubular dan lattice.

Menara tubular merupakan suatu rangkaian

dari beberapa tabung silinder yang dapat dibu-

at dari baja atau beton. Tiap-tiap tabung

silinder dihubungkan dengan cara dilas sampai

dengan ketinggian tertentu. Sedangkan menara

jenis lattice merupakan rangkaian dari baja-

baja siku yang dihubungkan dengan

menggunakan baut dan mur di setiap ujungnya.

Gambar 1. Menara Jenis Tubular dan Lattice

Menara Pembangkit Listrik Tenaga An-

gin yang dibangun di desa Taman Jaya, Cie-

mas, Sukabumi, Jawa Barat adalah berjenis

lattice berbentuk segi empat (square) dengan

ketinggian 35 meter di atas permukaan tanah.

Struktur menara ini merupakan tipe Self-

Supporting Tower (SST), yang memiliki

struktur pola batang yang disusun dan dibaut

sehingga membentuk rangka yang berdiri

sendiri tanpa adanya sokongan lainnya, Gam-

bar 1 (b). Standar untuk kekuatan desain mena-

ra yang dibuat mengacu pada standar TIA/EIA

-222-F. Sedangkan untuk kekuatan terhadap

gempa disesuaikan dengan zona gempa di dae-

rah tersebut[6]. Adapun standar yang digunakan

untuk material menara dapat dilihat pada Tabel

1 berikut :

Tabel 1. Material yang digunakan

Beberapa standar lain juga digunakan

dalam rancangan ini, seperti SNI-03-2847-

2002 tentang tata cara perhitungan struktur

beton untuk bangunan gedung, SNI-03-1726-

2003 tentang tata cara perencanaan ketahanan

gempa untuk bangunan gedung, dan SNI-03-

1729-2002 tentang tata cara perencanaan

struktur baja untuk bangunan gedung.

Pemodelan Menara

Pemodelan struktur menara dilakukan

menggunakan perangkat lunak Ms. Tower

Versi 6. Perangkat lunak ini memiliki kemam-

puan untuk menghasilkan geometri menara

sesuai dengan persyaratan dan standar yang

dijadikan acuan, selain itu juga dapat

melakukan simulasi gaya yang terjadi pada

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32

24

tiap-tiap bagian menara akibat adanya gaya

beban[8]. Gambar 2(a) menunjukkan geometri

tiga dimensi menara berskala 1:1,

menggunakan material baja siku dengan di-

mensi yang berbeda-beda sesuai dengan letak-

nya, yang dapat dilihat pada keterangan gam-

barnya.

Model menara dibagi menjadi 14 panel,

Gambar 2 (b). Pada setiap panel berisi bagian/

komponen menara yang disebut sebagai

member, dimana hasil simulasi model ini

nantinya merupakan gaya yang terjadi pada

setiap member menara karena akibat adanya

beban.

Simulasi Model Menara

Input pembebanan yang diberikan pada

pemodelan ini merupakan kombinasi dari tiga

jenis beban yang diterima oleh menara terse-

but. Ketiga jenis beban yang dimaksud adalah

[7] sebagai berikut,.

1. Beban Mati (Dead Load), merupakan

berat menara itu sendiri, yang secara

otomatis akan dihitung oleh Ms. Tower

sesuai dengan rancangan dan material

yang digunakan pada model menara yang

telah dibuat/digambar. Untuk beban mati

lainnya diberikan sebesar 21 ton yang

berasal dari berat sistem pembangkit

listrik, aksesoris menara, dan berat

seluruh peralatan bantu pada saat proses

instalasi menara.

2. Beban Hidup (Live Load), merupakan

beban tambahan yang berasal dari orang

yang bekerja baik pada proses pembuatan,

instalasi sistem pembangkit, maupun pada

proses perawatan menara yang terletak

pada tangga dan bordes. Berdasarkan

Standar EIA/TIA 222F beban hidup pada

tangga menara harus mampu menahan

250 pounds (110 kg) dan pada bordes

sebesar 500 pounds (220 kg).

Gambar 2. Geometri Model Menara Lattice

3. Beban Angin (Wind Load) , yaitu beban

yang timbul di titik simpul setiap section atau

segment menara oleh karena adanya

hembusan angin, beban ini dikelompokkan

menjadi beban gravitasi dan lateral. Pada

pemodelan ini, beban angin yang digunakan

diasumsikan berasal dari beban hembusan

angin pada kondisi ektrim, yaitu pada saat

siklus angin 50 tahunan dengan kecepatan

sebesar 200 km/jam atau 55,6 m/det.

Berdasarkan standar TIA/EIA-222-F, beban

25

Desain dan Analisis Strutktur Menara Lattice Pembangkit Listrik Tenaga Angin 100 kW di Desa

Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat

angin pada struktur menara dihitung dengan

menggunakan rumus :

Dimana :

F = gaya angin horizontal (tegak lurus

panel) (N)

qz = tekanan kecepatan (Pa);

GH = gust response factor (m);

untuk struktur menara jenis Lattice,

Dan

CF = koefisien gaya pada struktur,

untuk menara lattice dengan tipe square

= Solidity Ratio

AE = luas proyeksi efektif pada satu

muka (m2)

AG = luas kotor dari satu panel jika

penampangnya solid , (m2)

AF = luasan terproyeksi komponen

bundar struktur pada panel (m2)

AA = luasan terproyeksi komponen

linear pada panel (m2)

AR = luasan terproyeksi dari komponen

struktural pada satu muka dari penampang

(m2)

V = kecepatan dasar angin, (m/s)

h = tinggi total struktur, (m)

Kz = koefisien keterbukaan struktur

Kz =

RR = faktor reduksi untuk komponen

struktural bundar,

=

DF,DR = faktor arah angin komponen

datar,lingkaran

CA = koefisien gaya appurtenance

linear

Selain bekerja pada struktur menara,

beban angin juga bekerja pada komponen

sistem pembangkit listrik tenaga angin 100 kW

yang berada di puncak menara. Komponen

pembangkit yang memiliki kontribusi besar

terhadap pemberian beban ke menara adalah

bagian rotor / bilah turbinnya, dimana beban

yang berupa bending moment tersebut akan

maksimum diterima oleh struktur dan pondasi

menara pada saat kondisi salah satu bilah

berada di atas dan juga menghadap arah angin

[1, 9]. Dalam pemodelan ini, komponen rotor/

bilah turbin diasumsikan sebagai antena

parabola dengan diameter 22 meter dimana

titik pusatnya berada di puncak menara yaitu

pada ketinggian 35 meter di atas permukaan

tanah. Perhitungan beban angin pada antena

parabolik menurut EIA/TIA-222-F adalah

sebagai berikut [7],

Dimana :

Fa = Gaya Aksial (kg)

Fs = Gaya samping (kg)

M = Momen Puntir (kg.m)

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32

26

Ca = Koefisien beban angin untuk gaya

aksial sejajar sumbu rotor

Cs = Koefisien beban angin untuk gaya

momenik

Cm = Koefisien beban angin untuk gaya

aksial tegak lurus sumbu rotor

V = Kecepatan angin (mph)

D = Diameter rotor (m)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan standar TIA/EIA-222-F,

syarat yang harus dipenuhi oleh struktur mena-

ra dalam menentukan stabilitasnya dibatasi

oleh besarnya nilai dari momen puntir (twist),

goyangan menara (sway), perpindahannya

(displacement), dan juga perbandingan

tekanannya (stress ratio). Adapun nilai batas

toleransi yang diperbolehkan adalah sebagai

berikut :

a. Twist ≤ 0,5o

b. Sway ≤ 0,5o

c. Displacement Horizontal ≤ h/200

d. Stress Ratio ≤ 1

Berikut disajikan hasil simulasi yang telah

dilakukan pada penelitian ini:

Gambar 3 menunjukkan hasil simulasi

nilai twist dan sway di setiap panel menara

mulai dari panel 1 pada ketinggian 35

meter sampai dengan panel 14 pada

ketinggian 4 meter. Adapun nilai twist

ditunjukkan oleh Z-Rot dan nilai sway

ditujukkan oleh X-Rot. Dari hasil tersebut

terlihat bahwa seluruh nilai twist dan sway

berada di bawah batas toleransi yang

diperbolehkan yaitu 0,5°. Dari hasil

simulasi, diperoleh nilai maksimum sway

yaitu sebesar 0,4319° dimana nilai ini

masih lebih kecil dari nilai yang

diperbolehkan (0,4319°<0,5°).

Gambar 3. Twist dan Sway

Nilai sway maksimum terjadi pada

panel 2 menara di ketinggian 34,5 meter,

dan pada kondisi Load Case (LC)800,

yaitu pada kondisi menara menerima gaya

tegangan yang berasal dari angin dengan

arah 315° dari sumbu x. Adapun nilai twist

yang diperoleh dari hasil simulasi adalah

0, yang dapat diartikan bahwa tidak terjadi

puntiran pada menara (0°<0,5°). Pada

Gambar 4 ditunjukkan hasil simulasi nilai

displacement horisontal menara yang

ditunjukkan oleh nilai X-Disp. Berdasar-

kan standar TIA/EIA-222-F, nilai

27

Desain dan Analisis Strutktur Menara Lattice Pembangkit Listrik Tenaga Angin 100 kW di Desa

Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat

maksimum X-Disp menara yang diperbolehkan

adalah sebesar h/200, dimana nilai h adalah

ketinggian menara. Jadi, untuk menara dengan

ketinggian 35 meter, nilai maksimum X-Disp

yang diperbolehkan adalah sebesar 0,175 m

atau 17,5 cm.dari hasil simulasi, nilai X-Disp

maksimum yang diperoleh adalah sebesar

0,1265 m atau 12,65 cm.Nilai ini lebih kecil

darinilai batas yang diperbolehkan (12,65 cm

<17,5 cm). X-Disp maksimum ini terjadi pada

kondisi Case 640 dan Case 660, dimana pada

kondisi ini menara mendapat gaya tegangan

dan kompresi yang berasal dari hembusan

angin dengan arah 135° dari sumbu x.

Gambar 4. Displacement Menara

Nilai stress ratio maksimum yang terjadi pada

setiap panel menara dapat dilihat pada Tabel 2.

Pada tabel tersebut terlihat bahwa nilai stress

ratio lebih kecil dari nilai yang diperbolehkan

oleh Standar TIA/EIA-222-F disetiap panel

dan ketinggian. Terlihat pula bahwa nilai

stress ratio yang paling besar adalah 0,742

(lebih kecil dari 1) dan terjadi di panel 14

member LEG, yaitu di kaki bagian menara

paling bawah dengan ketinggian 4 meter. Hal

ini menandakan bahwa di panel itulah menara

akan menerima beban terbesar. Berdasarkan

visualisasi hasil simulasi stress ratio menara

(Gambar 5) terlihat bahwa tidak ada bagian/

elemen menara yang berwarna merah,

sehingga dapat dikatakan rancangan menara

ini baik.

Tabel 2. Rekapitulasi Stress Ratio

Maksimum

Selain keempat parameter diatas, dari hasil

simulasi juga diperoleh parameter nilai gaya

dan momen yang terjadi pada pondasi menara.

Parameter nilai ini yang akan digunakan

sebagai beban dalam penentuan desain pondasi

menara. Gambar 6 menunjukkan nilai

maksimum hasil simulasi terhadap gaya dan

momen yang terjadi pada bagian pondasi.

Nilai-nilai tersebut ditunjukkan pada Tabel 3

berikut,

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32

28

Tabel 3. Beban pada Pondasi Menara

Hasil rancangan menara yang telah dibuat di-

tunjukkan pada Gambar 7 berikut,

Gambar 7. Menara Lattice PLT-Angin

100 kW, Desa Tamanjaya

Gambar 5. Visualisasi Analisa

29

Desain dan Analisis Strutktur Menara Lattice Pembangkit Listrik Tenaga Angin 100 kW di Desa

Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Berdasarkan hasil pemodelan dapat diambil

kesimpulan sebagai berikut,

1. Reaksi berupa gaya yang bekerja di setiap

elemen struktur menara yang timbul akibat

adanya pengaruh dari beban angin, beban

mati dan beban hidup dapat disimulasikan

dengan menggunakan perangkat lunak

Ms.Tower Versi 6.

2. Seluruh nilai yang diperoleh dari hasil

simulasi yang berupa twist, sway,

horizontal displacement dan stress ratio

berada di bawah batasan maksimum yang

diperbolehkan. Berdasarkan seluruh hasil

simulasi ini, maka dapat disimpulkan

bahwa desain dari struktur dan material

menara Latiice yang dibuat telah memenuhi

syarat kekuatan yang mengacu pada standar

TIA/EIA-222-F.

Gambar 6. Support Reaction

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 1 Juni 2016 : 21 - 32

30

Saran

1. Simulasi ini dilakukan dengan asumsi kon-

disi seluruh baut pada tiap-tiap sambungan

menara dalam keadaan terikat kencang

(kuat). Adanya angin yang selalu terjadi

dan menerpa menara di lapangan, akan

mempengaruhi kekencangan baut-baut ter-

sebut. Untuk itu disarankan agar dilakukan

pemeriksaan dan pengencangan pada se-

luruh baut menara secara rutin setiap ta-

hun.

2. Untuk melengkapi analisis yang telah

dilakukan, maka perlu dilakukan penelitian

lanjutan pada pemodelan ini dengan

kondisi beban dinamik pada saat rotor

berputar pada kecepatan operasionalnya

berdasarkan data yang diperoleh dari

lapangan.

UCAPAN TERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terimasih kepada

Dr. Verina J Wargadalam beserta seluruh

anggota Tim kegiatan energi angin

P3TKEBTKE dan juga kepada PT. Marga

Utama Mandiri atas ketersediaan data dan

segala bantuannya.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Tony Burton, et all,2001,Wind

Energy Handbook, John Wiley &

Sons, Ltd.

[2]. Zulkarnain, Novico, F, Juni 2014,

Model Perilaku Tanah Pada Pondasi

Menara Pembangkit Listrik Tenaga

Angin 100 kW di Desa Tamanjaya,

Sukabumi, Jawa Barat, Jurnal

Ketenagalistrikan dan Energi Baru

Terbarukan, Vol.13 No.1.Hal : 15.

[3]. P3TEK, 2005, Laporan Kegiatan

Studi Potensi Angin di 3 lokasi.

[4]. P3TKEBT, 2007, Laporan Kegiatan

Penelitian Analisis Pemanfaatan En-

ergi Angin Daerah Prospek di Indo-

nesia.

[5]. EC-ASEAN Energy Facility Final

Technical Report, 2007, Feasibility

Study for Wind Farms Based in Iso-

lated Areas: Case Study and Devel-

opment ofa Standard Identification

Methodology.

[6]. Kementerian Pekerjaan Umum,

2010, Peta Hazard Gempa Indonesia

Sebagai Acuan Dasar Perencanaan

Dan Perancangan Infrastruktur

Tahan Gempa.

[7]. Telecomunications Industry Associa-

tion, June 1996, TIA/EIA-222-F

Standard Stuctural Standard for

Steel Antena Towers and Antena

Supporting Structures.

[8]. Engineering Systems, April 2008,

MS tower V6 User’s Manual.

[9]. Centre for Wind Energy Technolo-

gy, 2010, 6th International Training

Course on Wind Turbine Technology

and Apllication, Course Material.

[10]. Sheilla Fadila, Desember 2014, Ana-

lisa Desain Struktur Dan Pondasi

31

Desain dan Analisis Strutktur Menara Lattice Pembangkit Listrik Tenaga Angin 100 kW di Desa

Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat

Menara Pemancar Tipe “Self Sup-

porting Tower Di Kota Palembang,

Jurnal Teknik Sipil,dan Lingkungan

Vol. 2, No. 4.

32

HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN