ccitonline.com

بِسْمِ اللَّهِ الرَّحْمٰنِ الرَّحِيْمِ

LAPORAN TUGAS BESAR METODE NUMERIK

A. Project Title

Analisis Kegagalan Tiang Billboard di Tol Dalam Kota (Dalkot), Jakarta Timur Akibat Beban Angin Ekstrem Menggunakan Finite Element Method Berbasis DAI5

B. Author Complete Name

Ahmad Firial Kardias

C. Affiliation

Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia

D. Abstract

Runtuhnya tiang reklame di Jakarta akibat badai angin pada April 2025 memunculkan keprihatinan akan keamanan struktur tinggi di kawasan urban. Studi ini menggunakan metode numerik berbasis Finite Element Analysis (FEA) yang diimplementasikan melalui perangkat lunak Autodesk Inventor untuk mengevaluasi kestabilan tiang billboard terhadap beban angin ekstrem. Dalam pendekatan FEA, struktur dimodelkan menjadi elemen diskret dengan penerapan persamaan kesetimbangan gaya [K]{u}={F}, di mana [K] adalah matriks kekakuan global, {u} adalah vektor perpindahan, dan {F} adalah vektor gaya eksternal. Simulasi mencakup pembebanan angin lateral setara dengan kecepatan 90 km/jam, analisis tegangan maksimum (von Mises Stress), dan identifikasi potensi kegagalan di sambungan base plate. Dengan kerangka DAI5, setiap langkah analisis dilakukan dengan kesadaran penuh terhadap tanggung jawab etis dan spiritual. Hasil simulasi menunjukkan adanya kegagalan material di area base plate, mendorong rekomendasi untuk penguatan desain struktur reklame di masa depan.

E. Author Declaration

1. Deep Awareness (of) I

Saya menyadari bahwa segala usaha dan kemampuan teknik merupakan bagian dari amanah ilahi, yang harus dijalankan dengan tanggung jawab untuk kemaslahatan bersama.

2. Intention of the Project Activity

Proyek ini bertujuan menganalisis dan memperbaiki ketahanan struktur reklame terhadap risiko bencana, dengan niat menjaga keselamatan publik dan memuliakan ciptaan-Nya.

F. Introduction

Latar Belakang

Dalam era modern, struktur tinggi seperti tiang reklame di kawasan perkotaan harus dirancang untuk menahan beban dinamis dari lingkungan, khususnya beban angin ekstrem. Kegagalan struktur tidak hanya menyebabkan kerugian materiil, tetapi juga dapat mengancam keselamatan jiwa manusia. Oleh karena itu, diperlukan pendekatan analisis yang akurat dan cermat. Salah satu pendekatan yang paling banyak digunakan dalam rekayasa teknik adalah metode numerik Finite Element Analysis (FEA). Menurut Cook et al. (2001), FEA adalah metode numerik berbasis diskritisasi yang sangat efektif untuk menyelesaikan masalah mekanika padatan yang kompleks, dengan membagi domain struktur menjadi elemen-elemen kecil dan menyelesaikan persamaan diferensial secara numerik. Prinsip dasar metode ini melibatkan penyusunan matriks kekakuan, penerapan kondisi batas, dan penyelesaian sistem persamaan linear besar (K{u} = {F}).

Kasus robohnya papan reklame di Jakarta pada April 2025 memberikan studi nyata tentang pentingnya penerapan metode numerik dalam evaluasi struktur. Beban angin yang melebihi 90 km/jam menghasilkan gaya lateral signifikan yang berpotensi menyebabkan bending moment berlebih pada base plate dan sambungan tiang. Studi oleh Khandan dan Moghaddam (2022) dalam Engineering Structures Journal menekankan bahwa efek dinamis dari beban angin harus diperhitungkan secara cermat dalam desain struktur tinggi ringan seperti billboard, karena sifat fleksibilitas dan tingginya area eksposur angin memperbesar kemungkinan terjadinya resonansi dan kegagalan struktural. Dalam laporan ini, FEA diterapkan menggunakan Autodesk Inventor untuk mengkaji distribusi tegangan, deformasi, serta menganalisis kegagalan kritis berdasarkan prinsip von Mises Stress dan batas yield material. Pendekatan ini juga dipadukan dengan kesadaran penuh melalui kerangka DAI5, untuk memastikan bahwa solusi teknik yang dihasilkan tidak hanya optimal secara teknis tetapi juga selaras dengan nilai etis dan spiritual.

Initial Thinking (about the Problem)

• Analisis Masalah: Beban angin besar menyebabkan bending moment ekstrem di bagian bawah tiang.
• Studi Sebelumnya: Studi teknik sipil dan mesin menunjukkan bahwa pondasi dan base plate sering menjadi titik lemah.
• Dekonstruksi Masalah: Fokus utama adalah pada sambungan base plate ke pondasi dan kekuatan tiang pipa utama.

G. Methods & Procedures

Idealization

• Angin diasumsikan memiliki kecepatan 90 km/jam (25 m/s).
• Tiang berbentuk pipa baja hollow dengan ketebalan seragam.
• Base plate dianggap sebagai elemen rigid yang dibaut ke pondasi beton.

Instruction Set

1. Modeling Struktur Tiang dan Billboard: Menggunakan Autodesk Inventor.
2. Meshing: Mesh diperhalus di area base plate dan sambungan las.
3. Loading: Membebani papan reklame dengan tekanan angin lateral.
4. Boundary Conditions: Fixed support di pondasi beton.
5. Simulation: Analisis tegangan dan deformasi akibat beban angin.
6. Analysis: Menilai apakah tegangan maksimum melampaui yield strength material baja.

H. Results & Discussion

Desain Model Tiang Billboard

Gambar ini menunjukkan model tiga dimensi dari struktur tiang billboard yang digunakan dalam analisis numerik berbasis Finite Element Analysis (FEA) menggunakan Autodesk Inventor. Struktur utama terdiri dari:

• Papan Reklame (Panel Utama): Berukuran sekitar 4010 mm × 2205 mm, ditopang oleh rangka tubular internal untuk menahan deformasi akibat beban angin.
• Tiang Penyangga: Struktur batang vertikal tunggal dengan diameter seragam, berfungsi menahan momen lentur akibat gaya angin lateral.
• Fondasi Beton: Blok beton berbentuk kubus yang berfungsi sebagai anchor point tiang, dilengkapi dengan sambungan base plate dan baut pengikat.
• Base Plate: Plat dasar yang menghubungkan tiang dengan fondasi beton, dirancang untuk menerima gaya tekan, tarik, dan momen torsi akibat pembebanan.

Analisis Statis

Massa	2841,6 kg
Luas	54096500 mm2
Volume	916581000 mm3
Pusat Gravitasi	x=1107,62 mm y=-1394,17 mm z=1534,24 mm

Material	Baja Galvanis
	Mass Density	7,85 g/cm^3
General	Yield Strength	207 MPa
	Ultimate Tensile Strength	345 MPa
	Young’s Modulus	200 GPa
Stress	Poisson’s Ratio	0,3 ul
	Shear Modulus	76,9231 GPa

Hasil Simulasi Finite Element Analysis (FEA)

Metode: Static Analysis (analisis statis)

Model Material:

• Tiang reklame: Steel, Galvanized (Baja galvanis)
• Pondasi dasar: Concrete (Beton)

Beban yang Diberikan:

• Simulasi : Gaya 3,13 × 10⁶ N (Kecepatan angin 90 km/jam)

Hasil Penting:

• Von Mises Stress maksimum: 147.435 MPa.
• Yield strength material baja galvanis: 207 MPa.
• Safety Factor minimum: 0,0014 (artinya desain sangat tidak aman — indikasi gagal).
• Displacement (perpindahan maksimum): hingga 14.043 mm (~14 meter!) — sangat besar, indikasi tiang tidak stabil.

Tegangan maksimum terletak pada daerah sambungan antara tiang dan base plate, yang menjadi titik kritis akibat akumulasi bending moment dan gaya geser besar. Displacement terbesar terjadi di bagian atas papan reklame, menunjukkan deformasi signifikan akibat gaya lateral dari beban angin.

Diskusi

Hasil simulasi FEA menunjukkan bahwa tegangan maksimum yang terjadi pada struktur billboard masih berada di bawah yield strength material baja galvanis (207 MPa), dengan Von Mises Stress sebesar 147,435 MPa. Namun demikian, nilai safety factor yang dihasilkan sangat kecil, hanya 0,0014, jauh di bawah nilai minimum standar desain struktur teknik (umumnya SF ≥ 1,5 untuk struktur permanen).

Perpindahan maksimum sebesar 14.043 mm (sekitar 14 cm) memperlihatkan bahwa struktur billboard mengalami deformasi plastis yang sangat besar, yang dalam kondisi aktual dapat menyebabkan kegagalan struktural, robohnya papan reklame, atau bahkan lepasnya sambungan baut.

Perbandingan dengan perhitungan manual menunjukkan hasil konsisten:

• Tegangan lentur manual (344 MPa) lebih tinggi dibandingkan hasil FEA (147 MPa), mengingat dalam perhitungan manual hanya diperhitungkan momen lentur murni tanpa memperhitungkan distribusi stress kompleks akibat gaya kombinasi.
• FEA mampu menunjukkan distribusi tegangan dan displacement pada seluruh model secara lebih akurat, mengonfirmasi titik-titik konsentrasi tegangan (stress concentration).

Model simulasi menggunakan pendekatan bonded contact di seluruh sambungan struktur, serta fixed constraint pada pondasi beton. Metode FEA mengintegrasikan penyelesaian numerik dari sistem persamaan matriks kesetimbangan global:

[K]{u}={F}

di mana [K] adalah matriks kekakuan global, {u} adalah vektor perpindahan, dan {F} adalah vektor gaya eksternal. Dalam konteks ini, metode elemen hingga (FEM) memungkinkan analisis distribusi gaya internal dan deformasi akibat beban kompleks yang sulit diselesaikan dengan metode analitik biasa.

Kegagalan struktur billboard dalam simulasi ini konsisten dengan laporan insiden nyata robohnya papan reklame akibat beban angin ekstrem di Jakarta pada bulan April 2025. Hal ini menegaskan pentingnya penerapan metode numerik berbasis FEM dalam proses desain dan verifikasi struktur billboard untuk meningkatkan faktor keselamatan dan ketahanan terhadap beban lingkungan.

I. Conclusion, Closing Remarks, Recommendations

Kesimpulan

Berdasarkan hasil analisis numerik menggunakan metode Finite Element Analysis (FEA) di Autodesk Inventor, dapat disimpulkan bahwa struktur tiang billboard yang diuji mengalami potensi kegagalan serius akibat beban angin ekstrem. Tegangan maksimum yang tercatat sebesar 147,435 MPa mendekati batas yield strength material baja galvanis (207 MPa), sementara nilai safety factor minimum yang hanya mencapai 0,0014 menunjukkan bahwa struktur berada dalam kondisi sangat tidak aman. Perpindahan maksimum sebesar 14.043 mm juga mempertegas bahwa deformasi plastis akan terjadi pada struktur ini di kondisi riil.

Analisis perhitungan manual terhadap bending moment juga mendukung hasil simulasi, memperlihatkan bahwa tiang billboard ini tidak mampu menahan beban momen lentur yang dihasilkan oleh gaya angin sebesar 3.132.938 N. Model ini memperlihatkan konsistensi kuat antara teori dasar mekanika teknik dan hasil metode numerik FEA.

Penutup

Penerapan metode numerik berbasis Finite Element Method (FEM) dalam analisis struktur tinggi seperti billboard memberikan hasil yang jauh lebih akurat dan detail dibandingkan pendekatan manual konvensional. Integrasi simulasi numerik ini tidak hanya meningkatkan efektivitas dalam mendeteksi titik-titik kritis kegagalan, tetapi juga menjadi bentuk aktualisasi nilai tanggung jawab teknik terhadap keselamatan publik, selaras dengan prinsip Deep Awareness (of) I dalam kerangka DAI5.

Melalui pemahaman mendalam terhadap beban lingkungan dan respon struktur, diharapkan setiap rancang bangun teknik dapat menghasilkan solusi yang tidak hanya efisien, tetapi juga aman dan bermanfaat bagi banyak pihak, dengan tetap menjaga kesadaran spiritual dan etis dalam setiap prosesnya.

Rekomendasi

Berdasarkan hasil analisis dan diskusi, beberapa rekomendasi teknis yang dapat diusulkan adalah sebagai berikut:

1. Redesign Base Plate: Memperbesar ketebalan base plate dan menambah jumlah serta ukuran baut pengikat untuk meningkatkan kekuatan sambungan antara tiang dan pondasi.
2. Material Enhancement: Menggunakan material dengan yield strength lebih tinggi, misalnya baja mutu tinggi seperti ASTM A572 Grade 50.
3. Penambahan Bracing: Menambahkan sistem bracing silang di sekitar tiang untuk menambah kestabilan struktur terhadap beban lateral.
4. Optimalisasi Profil Tiang: Menggunakan pipa dengan diameter luar lebih besar atau dinding lebih tebal untuk mengurangi deformasi akibat bending moment.
5. Inspeksi dan Maintenance Rutin: Menerapkan program inspeksi berkala terhadap struktur billboard, khususnya setelah terjadi badai atau angin kencang.
6. Studi Fatigue: Melakukan analisis fatigue untuk mempertimbangkan beban angin berulang selama umur layanan struktur.

J. Acknowledgments

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karunia-Nya sehingga tugas besar mata kuliah Metode Numerik dengan studi kasus “Analisis Kegagalan Tiang Billboard Menggunakan FEA Autodesk Inventor Berbasis DAI5” ini dapat diselesaikan dengan baik.

Penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

• Prof. Dr. Ir. Ahmad I. S., selaku dosen pengampu mata kuliah Metode Numerik, atas bimbingan, arahan, dan ilmu yang diberikan selama proses penyusunan tugas ini.
• Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, atas fasilitas dan kesempatan belajar yang telah diberikan.
• Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin UI, atas diskusi, kerja sama, dan dukungan moral selama pengerjaan proyek ini.
• Serta semua pihak yang secara langsung maupun tidak langsung telah membantu dalam penyusunan laporan ini.

K. References

Cook, R. D., Malkus, D. S., Plesha, M. E., & Witt, R. J. (2001). Concepts and Applications of Finite Element Analysis (4th ed.). John Wiley & Sons.

Khandan, M., & Moghaddam, A. S. (2022). Dynamic Response of Billboard Structures Subjected to Wind Loads. Engineering Structures, 255, 113884. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2022.113884

Standar Nasional Indonesia. (2020). SNI 1727:2020 – Beban Minimum untuk Perancangan Bangunan Gedung dan Struktur Lain. Badan Standardisasi Nasional (BSN).

European Committee for Standardization. (2005). EN 1993-1-1: Eurocode 3: Design of Steel Structures – General Rules and Rules for Buildings. CEN.

Detik News. (2025, April 9). Papan Reklame di Tol Dalkot Roboh karena Angin Kencang, Tak Ada Korban. Retrieved from https://news.detik.com/berita/d-7861189/papan-reklame-di-tol-dalkot-roboh-karena-angin-kencang-tak-ada-korban

RMOL.ID. (2025, April 9). Papan Reklame Roboh di Jalan Tol Diduga Akibat Angin Kencang. Retrieved from https://rmol.id/read/2025/04/09/662465/papan-reklame-roboh-di-jalan-tol-diduga-akibat-angin-kencang