PENGARUH ANGIN PADA PAPAN REKLAME

SIMULASI CFD DENGAN EFDLabs/COSMOSFloWorks

Dicky J. Silitonga

Abstrak

Keberadaan papan reklame dapat menjadi berbahaya apabila perancangan strukturnya tidak cukup kuat, dan telah banyak kasus papan reklame yang roboh. Robohnya papan reklame seringkali akibat dari angin kencang. Dari simulasi dengan CFD, diperoleh bahwa angin dengan kecepatan yang tinggi memang akan memberikan gaya drag yang besar pada papan. Selain itu, angin juga memberikan beban dinamik pada struktur karena fluktuasi dari gaya-gaya yang bekerja. Pembebanan-pembebanan inilah yang akhirnya

dapat menyebabkan kegagalan pada struktur.

BAB I PENDAHULUAN

I.1 LATAR BELAKANG

Papan reklame (billboard) merupakan salah satu media periklanan yang banyak digunakan.

Papan reklame terpasang di daerah yang ramai dan mudah terlihat masyarakat. Lokasi-lokasi

pemasangan papan reklame ini antara lain adalah di pinggir jalan, atau di pusat-pusat

perbelanjaan dan tempat-tempat keramaian lainnya.

Kondisi tempat pemasangan papan reklame ini menuntut desain struktur papan reklame

yang aman karena kegagalan yang terjadi akan mengakibatkan gangguan atau musibah bagi yang

ada di sekitarnya. Misalnya apabila papan reklame di pinggir jalan roboh, apabila ukurannya

cukup besar maka dapat saja menimpa kendaraan yang sedang melintas, hal ini akan

menimbulkan kerugian material atau bahkan korban jiwa.

Telah banyak kejadian tentang robohnya papan reklame, dan banyak diantaranya yang

terjadi di pinggir jalan yang ramai. Ini tentu menghambat arus lalu lintas di tempat itu, baik

karena jalan yang terhalang ataupun karena pengendara yang melambat untuk melihat kejadian

itu. Selain itu, kejadian ini juga sangat membahayakan keselamatan pengguna jalan.

Gambar 1.1 Contoh papan reklame yang roboh

I.2 DESKRIPSI PERMASALAHAN

Tujuan dari penulisan tugas besar ini adalah untuk mengetahui pengaruh dari angin pada

papan reklame. Pengaruh angin yang dimaksud adalah dalam hal pembebanan pada struktur

papan reklame, yang meliputi beban statik dan beban dinamik.

Dengan hasil yang diperoleh dari simulasi dan analisanya, diharapkan tulisan ini dapat

memberikan gambaran tentang karakteristik aerodinamika dari papan reklame yang mana akan

mempengaruhi pembebanan-pembebanan angin pada struktur papan reklame tersebut.

I.3 PEMBATASAN MASALAH

Untuk lebih fokus pada masalah yang akan dibahas, maka pambahasan pada tulisan ini

akan dibatasi sebagai berikut:

1. Geometri papan reklame adalah yang berbentuk persegi panjang dengan satu buah tiang

silinder yang menopang di bagian tengah.

2. Papan reklame terletak di dataran yang rata dan luas.

3. Aliran udara freestream adalah pada kecepatan subsonik yang wajar sesuai dengan

kenyataan pada aplikasinya dan kecepatan dianggap konstan dalam selang waktu

analisis.

I.4 METODOLOGI

Metode yang dilakukan dalam tulisan ini adalah dengan simulasi CFD dan studi pustaka.

Simulasi dilakukan pada model CAD papan reklame dengan menggunakan software EFD Lab.

Studi pustaka dilakukan sebagai pembanding untuk validasi maupun verifikasi data hasil

simulasi CFD.

BAB II DASAR TEORI

II.1 ALIRAN UDARA MELEWATI BLUFF BODY

Dari geometrinya, bentuk papan reklame pada umumnya termasuk dalam bentuk yang

disebut sebagai bluff body, berbeda halnya dengan streamlined body seperti misalnya bentuk

airfoil. Pada bluff body ini, fitur aliran yang penting diantaranya adalah drag yang relatif besar

dengan didominasi oleh pressure/form drag, dan terjadinya separasi aliran serta vortex shedding.

II.1.1 Gaya-gaya Aerodinamika

Pressure drag yang besar pada bluff body ini disebabkan oleh adanya perbedaan tekanan

pada bagian benda upstream (hulu) aliran dengan pada bagian downstream (hilir) aliran. Ini

adalah akibat dari terjadinya fenomena separasi pada aliran viskos yang menyebabkan aliran

tersebut tidak menghasilkan titik stagnasi di bagian hilir aliran, melainkan menghasilkan wake

yang dengan demikian membuat tekanan di bagian hilir menjadi lebih negatif daripada di bagian

hulu. Separasi terjadi karena adanya gradien tekanan yang mempengaruhi boundary layer.

Ketika energi kinetik pada boundary layer telah habis oleh karena viskositas fluida sehingga

tidak mampu mengatasi gradien tekanan maka di titik itu fluida “terlepas” dari dinding, tidak

mampu mengikuti bentuk permukaan bendanya, titik itu disebut separation point.

Gambar 2.1 Fenomena separasi aliran pada silinder (Shevell, Fundamentals of Flight)

Drag aerodinamika dari suatu benda dalam suatu aliran udara merupakan fungsi dari

kecepatan alirannya (freestream). Koefisien drag adalah bilangan tak berdimensi yang

merupakan karakteristik drag suatu bentuk tertentu pada suatu kecepatan aliran.

ܦ = ଵଶ ଶௗ (2.1)ݒߩ

Dimana,

D = gaya drag (N)

massa jenis fluida (kg/m3)

v = kecepatan fluida (m/s)

cd = koefisien drag

S = luas penampang (m2)

Selain drag terdapat juga gaya aerodinamika pada benda yang arahnya tegak lurus terhadap

aliran, umumnya gaya ini disebut lift. Besarnya gaya ini diberikan oleh:

ܮ = ଵଶ ଶ (2.2)ݒߩ

dimana,

L = gaya lift (N)

cl = koefisien lift

Gaya-gaya ini akan menyebabkan beban pada struktur, baik secara statik maupun dinamik.

II.1.2 Vortex Shedding

Pada saat mengalami separasi, aliran akan terlepas dari dinding dan membentuk vortex

yang kemudian vortex itu juga dapat terlepas (shedding) terbawa aliran. Mekanisme shedding ini

dapat terjadi secara bergantian dan periodik, tergantung pada Reynolds number regime-nya.

Vortex shedding ini disebabkan karena dua vortex di sisi wake yang berseberangan saling

mempengaruhi.

Gambar 2.2 membantu menjelaskan mekanisme vortex shedding, dimana terdapat pasangan

vortex A dan B dimana vortex A tumbuh lebih dulu dan makin besar sehingga mampu menarik

vortex B, karena vorticity A dan B berlawanan tanda, maka pada suatu saat vorticity dari B

memotong suplai vorticity A dan mengakibatkan vortex A shedding. Setelah A shedding di

belakangnya terbentuk lagi vortex C, yang kemudian karena vortex B sudah lebih besar maka

tertarik ke arah B dan hal yang sama pada vortex A sebelumnya terjadi pada vortex B, demikian

selanjutnya mekanisme tersebut berulang. (forum ccitonline.com, 19 April 2009)

Gambar 2.2 Mekanisme vortex shedding

Vortex shedding ini juga menghasilkan suatu fluktuasi pada gaya-gaya yang bekerja pada

benda. Gaya-gaya tersebut akan berfluktuasi pada frekuensi shedding tersebut. Karakteristik

frekuensi dari suatu geometri dapat direpresentasikan dengan bilangan tak berdimensi Strouhal

number, St, yang nilainya juga tergantung pada Reynolds number. Nilai Struohal number ini

diberikan oleh:

ݐ =

(2.3)

dimana,

St = Strouhal number

f = frekuensi (Hz)

D = panjang karakteristik (m)

v = kecepatan fluida (m/s)

II.2 PEMBEBANAN ANGIN PADA STRUKTUR

Struktur suatu bangunan terdapat di dalam boundary layer atmosfer bumi, yang

dipengaruhi oleh bentuk topografi permukaan bumi, yaitu kekasaran dan profil permukaan. Ini

menyebabkan variasi kecepatan angin terhadap ketinggian (z). Variasi vertikal kecepatan rata-

rata angin direpresentasikan oleh persamaan berikut:

ഥ(ݖ) = ഥ ൬௭

௭൰ఈ

(2.4)

Dengan ഥ adalah kecepatan referensi, zref adalah ketinggian referensi, dan adalah konstanta

yang besarnya tergantung pada kekasaran permukaan bumi.

Selain kecepatan rata-rata yang bervariasi secara spatial tersebut, terdapat juga kecepatan

yang berfluktuasi secara temporal, u(z,t), dan ini kemudian menghasilkan tekanan-tekanan yang

bervariasi pada struktur.

Interaksi angin dengan struktur ini menghasilkan tiga komponen respon struktur, yaitu

komponen alongwind, acrosswind, dan komponen torsional seperti diilustrasikan pada Gambar

2.3 dibawah ini.

Gambar 2.3 Interaksi angin terhadap struktur (Ref. 6)

Komponen alongwind (drag) dapat menyebabkan fluktuasi tekanan yang menghasilkan gaya dan

goyangan (sway) searah aliran. Komponen acrosswind (”lift”) menyebabkan swaying yang tegak

lurus terhadap aliran angin yang dihasilkan oleh fluktuasi tekanan di sisi-sisinya sebagai akibat

dari fluktuasi separasi dan vortex shedding. Komponen torsional disebabkan oleh

ketidakseimbangan distribusi tekanan.

II.3 PENGARUH ANGIN PADA PAPAN REKLAME

Kegagalan yang terjadi pada struktur papan reklame, sehingga dapat mengakibatkan

robohnya papan reklame umumnya adalah karena angin yang berhembus dengan kencang

menerpa papan reklame tersebut. Angin ini menimbulkan beban pada struktur papan reklame,

baik beban statik maupun beban dinamik. Menurut standar konstruksinya*, papan reklame harus

mampu menahan kekuatan angin minimal 75 km/jam.

Beban statik yang besar dapat menimbulkan tegangan-tegangan pada material sampai pada

allowable stress-nya dan apabila tegangan yang diijinkan ini terlampaui maka material struktur

akan gagal karena yielding. Mode kegagalan yang lainnya, dan yang sepertinya kemungkinan

besar merupakan penyebab kegagalan struktur papan reklame pada umumnya, adalah beban

dinamik oleh gaya-gaya yang berfluktuasi yang disebabkan oleh aliran udara (angin). Beban

dinamik ini akan menyebabkan kegagalan karena fatigue. Lebih jauh, frekuensi dari fluktuasi

pembebanan ini dapat mengakibatkan resonansi yang kemudian menimbulkan strain-strain yang

berlebih dan tentunya ini akan membuat potensi kegagalan semakin besar.

Pada tulisan ini, parameter-parameter yang akan dianalisa adalah drag dan frekuensi dari

fluktuasi pembebanan pada papan reklame. Untuk analisa beban dinamik ini, digunakan juga

parameter gaya yang berarah tegak lurus terhadap aliran (acrosswind) atau “lift”, dengan

demikian perhitungan frekuensi fluktuasi nantinya akan didasarkan pada drag dan lift ini. Hasil

akhir dari simulasi yang dilakukan adalah drag yang akan direpresentasikan oleh koefisien drag

serta frekuensi akan direpresentasikan oleh Strouhal number. Kedua parameter tak-berdimensi

ini, yaitu koefisien drag dan Strouhal number, kemudian akan diplot terhadap Reynolds number.

Dengan demikian, dapat diketahui karakteristik papan reklame pada suatu Reynolds number

regime.

BAB III PEMODELAN

III.1 MODEL GEOMETRI

Pada simulasi ini, skenarionya adalah papan reklame berada di tengah separator suatu jalan

raya. Penyederhanaan dilakukan dengan hanya menyertakan bagian-bagian utama dari jalan raya

tersebut dan papan reklamenya, tanpa menyertakan objek lain seperti orang, mobil, dan

sebagainya. Adalah penting untuk membuat tanah tempat dimana papan reklame ini diletakkan

dan kontur permukaannya, karena ini akan mempengaruhi pola aliran udara di tempat itu,

terutama dalam pengaruhnya terhadap pembentukan boundary layer. Simulasi akan dilakukan

dengan angin bergerak dalam arah sumbu x-positif.

Model yang disimulasikan adalah seperti pada Gambar 3.1:

Gambar 3.1 Tampak isometric model yang disimulasikan

Dimensi dari model yang akan disimulasikan adalah sebagaimana pada Gambar 3.2 dan 3.3.

Pemilihan panjang dan lebar jalan yang dimodelkan adalah berdasarkan computational domain yang

dibutuhkan untuk model papan reklame tanpa tanah.

Gambar 3.2 Tampak depan

Gambar 3.3 Tampak samping

III.2 PROSEDUR SIMULASI

Mengingat aliran yang terjadi pada kondisi nyata aplikasi papan reklame bukanlah suatu

aliran steady, maka untuk simulasi CFD kasus ini dilakukan analisis time dependent. Selang

waktu yang digunakan untuk analisis adalah selama 30 detik, dengan time step 0,5 detik.

Pemilihan selang waktu 30 detik ini adalah untuk memperoleh karakteristik yang aliran yang

sudah tidak berubah lagi.

III.2.1 Parameter-parameter Aliran

Simulasi akan dilakukan pada 6 Reynolds number. Sebagai variabel digunakan kecepatan

angin, karena lebih praktis untuk memvariasikan kecepatan dibandingkan dengan

memvariasikan geometri dalam rangka memperoleh Reynolds number yang berbeda karena

untuk variasi geometri berarti harus membuat model lagi dengan geometri yang berbeda dan

tentunya akan memakan lebih banyak waktu.

Kecepatan angin yang akan digunakan untuk simulasi ini adalah 0,001 m/s; 1 m/s; 10 m/s;

20 m/s; dan 30 m/s. Pemilihan besarnya kecepatan angin ini didasarkan pada kecepatan angin

yang wajar terjadi pada aplikasi nyatanya, serta tidak diambil nilai yang terlalu rendah karena

akan menjadi agak tidak berguna hasilnya disebabkan kecepatan angin terlalu rendah tentu saja

menimbulkan efek yang kurang berarti. Nilai Reynolds number yang bersesuaian dengan

kecepatan-kecepatan itu kemudian diperoleh dari,

= ఘ௩ಮఓ

(3.1)

dimana,

= massa jenis udara (1.2 kg/m3)

= kecepatan freestream (m/s)

L = panjang karakteristik (m), berdasarkan lebar dari papan reklame.

= viskositas dinamik udara (1.8 x 10-5 Ns/m2)

(data dari Blevins, Applied Fluid Dynamics Handbook)

Dengan kecepatan-kecepatan tersebut, didapatkan Re yang akan digunakan adalah 105, 1 x

105, 106, 2 x 106, 4 x 106, dan 6 x 106.

III.2.2 Computational Domain & Meshing

Secara default EFD Lab membuatkan computational domain untuk model dan aliran yang

akan dianalisis. Namun demikian, penulis melakukan perubahan terhadap setting default itu

untuk memperoleh hasil yang lebih akurat dengan tetap efisien. Computational domain default

diperpanjang ke arah downstream, batas bawahnya disesuaikan tepat pada permukaan tanah,

serta batas atas diset lebih tinggi, untuk memperoleh daerah yang sudah tidak terganggu

alirannya (freestream).

Analisis akan dilakukan dengan tiga jenis computational domain, yaitu analisis 3 dimensi,

analisis 2 dimensi pada bidang xz, dan analisis 2 dimensi pada bidang xy.

Gambar 3.4 Computational domain

Ketiga computational domain ini dimaksudkan agar dapat melakukan simulasi untuk

keseluruhan model, serta simulasi pada bagian papan dimana papan ini merupakan bagian

terbesar yang menerima beban angin. Untuk perhitungan Strouhal number nantinya juga akan

mengacu pada fluktuasi gaya-gaya pada papan.

Analisa 3 dimensi bertujuan untuk memperoleh parameter aliran pada keseluruhan papan

reklame. Sebagaimana diketahui sebuah papan reklame umumnya terdiri dari dua buah geometri

utama yaitu plat datar (bagian papan) dan silinder (tiang). Masing-masing geometri ini

mempunyai karakteristik tersendiri yang sudah banyak dilakukan penelitiannya, namun apabila

digabungkan sebagai sebuah papan reklame tentunya hasilnya akan berbeda dengan karakteristik

masing-masing.

Analisa pada bidang xz (tegak lurus tanah) tujuannya adalah untuk mengetahui besarnya

gaya drag/alongwind pada bagian papannya sendiri, karena bagian papan ini merupakan bagian

dengan area paling besar dan dengan demikian pada bagian ini beban angin paling dominan

bekerja dibandingkan beban angin pada tiang penyangga. Beban yang dominan pada bagian

papan ini juga berarti bahwa ini akan menimbulkan momen yang besar pada tiang penyangga.

Oleh karena itu, penulis merasa perlu untuk meninjau secara terpisah bagian papan ini.

Analisa pada bidang xy (sejajar tanah) dimaksudkan untuk mengetahui fluktuasi gaya-gaya

(drag/alongwind dan lift/acrosswind) pada bagian papan saja.

Gambar 3.5 Meshing pada pemodelan 3 dimensi

Meshing pada computational domain pemodelan 3 dimensi adalah sebagaimana pada

Gambar 3.5. Dapat dilihat bahwa bagian yang dekat dengan permukaan solid dibuatkan meshing

yang lebih rapat karena pada bagian-bagian ini terdapat gradien-gradien yang besar dari

parameter-parameter aliran. Setting mesh ini dilakukan secara otomatis oleh software, yaitu

adaptive mesh, dan pada pemodelan ini penulis tidak menggunakan fitur local mesh karena

berdasarkan pengalaman pada model sederhana penggunaan fitur ini tidak berpengaruh

signifikan terhadap hasil simulasi.

III.2.3 Goals

Tujuan dari simulasi ini adalah untuk menghasilkan plot koefisien drag (cd) dan Strouhal

number (St) terhadap Reynolds number. Untuk memperoleh cd maka dibutuhkan nilai gaya yang

searah aliran angin, dengan demikian diperlukan Normal Force dalam komponen searah aliran

sebagai Global goal. Koefisien drag, cd, diperoleh dengan memasukkan rumus cd ke Equation

goal yaitu,

(3.2)

dengan S adalah luas penampang model papan reklame (m2), sesuai dengan dimensi geometri

model, besarnya adalah luas papan ditambah dengan luas frontal tiang penyangganya.

Untuk koefisien gaya yang tegak lurus aliran (acrosswind), rumus yang digunakan adalah

sebagaimana rumus koefisien lift.

(3.3)

untuk perhitungan acrosswind ini, S adalah luas frontal dari tampak samping (m2), dalam hal ini

adalah luas frontal tiang penyangga dan luas frontal dari rangka papan reklame.

Perhitungan Strouhal number dioperasikan di Microsoft Excel, dengan mengambil data

plot Goals hasil analisa EFD Lab. Dari grafik plot Normal Force atau grafik koefisien drag,

dapat dilihat besarnya frekuensi dari fluktuasi gaya. Normal Force yang digunakan dalam

analisis frekuensi fluktuasi ini adalah Normal Force yang searah aliran (alongwind/drag) serta

yang tegak lurus aliran (acrosswind/lift). Dengan mengetahui frekuensi, maka dapat dihitung

nilai Strouhal number berdasarkan rumus berikut:

(3.4)

Dengan L adalah panjang karakteristik dalam hal ini lebar papan reklame (m).

Dalam perhitungan frekuensi, tidak digunakan nilai parameter di suatu titik, misalnya

tekanan atau kecepatan di suatu titik di dalam wake atau di sekitar solid, melainkan digunakan

nilai parameter yang adalah rata-rata dalam sistem yang ditinjau, oleh karena itu digunakan

parameter-parameter gaya dan koefisien gaya untuk kemudian dilihat fluktuasinya dari waktu ke

waktu. Namun demikian, pada dasarnya nilai dari gaya ini juga adalah merupakan fungsi dari

parameter tekanan dan kecepatan, sehingga fluktuasi gaya sebenarnya juga menggambarkan

adanya fluktuasi tekanan dan kecepatan. Perhitungan dengan point parameter sudah pernah coba

dilakukan, dan hasilnya menjadi sulit untuk diinterpretasikan karena pada tempat-tempat yang

berbeda maka fluktuasinya juga akan berbeda. (forum ccitonline.com, 3 Mei 2009)

III.2.3 Mesh Dependency Test

Untuk meyakinkan bahwa hasil yang diperoleh sudah baik dan tidak terpengaruh oleh

meshing, maka dilakukan mesh dependency test. Ini dilakukan pada suatu kondisi model, dan

hasil dari percobaan pada 8 jenis mesh ditunjukkan pada Gambar 3.5.

Tabel 3.1 Mesh dependency test pada model

Dari hasil mesh dependency test, penulis menggunakan mesh level 5 untuk menjalankan

simulasi-simulasi dengan pertimbangan hasil yang telah mengerucut dan efisiensi dalam waktu

perhitungan. Seperti dapat dilihat pada Tabel 3.1, hasil dari mesh level 5, 6, dan 7 tidak berbeda

jauh.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

IV.1 HASIL SIMULASI CFD

Simulasi dilakukan pada 3 computational domain, 3 dimensi, 2 dimensi bidang xz pada

papan, dan 2 dimensi bidang xy pada papan. Pelaksanaan simulasi dengan menggunakan 3

computational domain ini adalah untuk memperoleh tinjauan yang berbeda-beda sesuai dengan

kebutuhan dan tujuan analisis.

IV.1.1 Simulasi 3-Dimensi

Hasil simulasi 3 dimensi menghasilkan nilai parameter-parameter aliran secara

keseluruhan. Gaya-gaya normal yang terhitung adalah gaya yang bekerja pada seluruh bagian

reklame termasuk tiang dan papan serta frame.

Gambar 4.1 Contoh visualisasi 3 dimensi pada kecepatan angin 30 m/s

Hasil dari simulasi pada 6 kecepatan angin (dengan demikian Re) yang berbeda ini adalah

sebagai berikut:

Tabel 4.1 Hasil simulasi 3 dimensi (Force dalam Newton)

Koefisien gaya arah sumbu-x (searah aliran/drag) yang diplot terhadap Re ditampilkan

pada Gambar 4.3.

Gambar 4.2 Plot cx (koefisien gaya arah sumbu-x) terhadap Re

Grafik koefisien gaya searah aliran (drag) diatas adalah untuk keseluruhan papan reklame,

yaitu papan yang adalah flat plate dan tiang penyangga yang adalah silinder. Bentuk grafik ini

menyerupai grafik drag-Re untuk silinder pada Reynolds regime yang sama, yaitu pada Re=105

sampai 6 x 106. Pada Reynolds regime itu, nilai koefisien drag untuk silinder turun dan kemudian

setelah itu kembali naik sedikit. Sementara itu besarnya koefisien drag untuk plat datar relatif

konstan. Oleh kerena itu bentuk grafik koefisien drag dari geometri gabungan antara plat datar

dan silinder ini dipengaruhi oleh bentuk grafik dari koefisien drag silinder.

Perbedaan nilai koefisien gaya searah aliran ini tidak akan tampak apabila diplot di grafik

Gambar 4.3 karena skalanya, namun demikian trend dari grafiknya dapat terlihat jelas mengikuti

trend dari grafik koefisien drag silinder.

Gambar 4.3 Koefisien drag silinder dan plat datar (Ref. 1, dengan modifikasi)

IV.1.2 Simulasi 2-Dimensi Bidang-xy

Simulasi ini adalah untuk mengetahui koefisien gaya searah aliran (drag/alongwind) yang

bekerja hanya pada papan. Berikut adalah nilai koefisien drag untuk papan.

Tabel 4.2 Nilai dan koefisien gaya searah aliran pada papan

Data ini diplot ke grafik dari referensi sebagai bahan untuk validasi data hasil simulasi. Plot

koefisien gaya cx (koefisien drag) terhadap Re menunjukkan nilai yang hampir sama antara data

hasil simulasi CFD (titik-titik hitam) dengan data koefisien drag untuk plat datar tipis (garis

merah) yang terdapa pada grafik dari referensi (www.roymech.co.uk).

Gambar 4.4 Plot koefisien drag (cx) terhadap Re

IV.1.2 Simulasi 2-Dimensi Bidang xz

Simulasi ini adalah untuk mengetahui gaya-gaya searah aliran (drag/alongwind) serta tegak

lurus aliran (acrosswind) yang bekerja hanya pada papan. Yang akan diambil dari simulasi

terhadap bidang xz ini adalah frekuensi fluktuasi dari gaya-gaya yang bekerja.

Contoh grafik fluktuasi cd adalah sebagai berikut:

Gambar 4.5 Contoh grafik fluktuasi beban (direpresentasikan dengan cx) terhadap waktu

Gambar 4.6 Cut plot distribusi tekanan pada Re= 6000000 (tampak atas)

Gambar 4.7 Cut plot distribusi kecepatan pada Re= 6000000 (tampak atas)

Dari data grafik terhadap waktu, didapatkan frekuensi.

Tabel 4.3 Frekuensi dan Struohal number

Namun demikian, hasil ini tidak sesuai dengan grafik St-Re dari referensi, terutama pada Re

yag rendah (kecepatan rendah). Ini kemungkinan disebabkan fluktuasi yang tidak terbaca pada

grafik karena time-step yang kurang rapat.

Gambar 4.8 Grafik Strouhal terhadap Reynolds (Ref. 4)

Pada Tabel 4.3 terlihat bahwa frekuensi fluktuasi gaya-gaya yang searah maupun yang tegak

lurus aliran adalah kurang lebih sama. Ini karena gaya-gaya yang bekerja ini dipengaruhi oleh

fluktuasi dari parameter-parameter yang sama. Gambar 4.6 dan 4.7, adalah gambar cut plot pada

kecepatan angin 20 m/s (Re = 6 x 106), tidak begitu jelas perbedaan dari distribusi tekanan dari

waktu ke waktu, namun ada sedikit perbedaan yang dapat dicermati yaitu besarnya kontur

tekanan yang berubah-ubah terhadap waktu. Begitu juga dengan distribusi kecepatan, fluktuasi

yang dimaksud sebenarnya sangat kecil.

IV.2 PEMBAHASAN

Dari Tabel 4.2 terlihat bahwa angin dapat memberikan gaya yang besar pada papan

reklame, misalnya angin pada 20 m/s (72 km/jam) yang menghasilkan gaya 5642 N. Dan

berdasarkan nilai Normal Force di Tabel 4.2 yang merupakan gaya drag pada bagian papannya

saja, maka dapat terlihat bahwa sebagian besar bahkan hampir seluruh pembebanan terdapat

pada bagian papan. Hal ini berarti akan terdapat momen yang besar pada tiang dan pondasi

papan reklame.

Pembebanan ini bukan hanya beban statik, tetapi juga dinamik dimana pembebanan

berubah-ubah terhadap waktu, ini akan menumbulkan fatigue pada struktur yang berarti bahwa

tegangan-tegangan yang lebih rendah daripada yield strength material pun dapat mengakibatkan

failure pada struktur papan reklame. Frekuensi dari fluktuasi pembebanan juga harus

diperhatikan karena apabila frekuensi ini bersesuaian dengan frekuensi natural dari sruktur maka

akan mengkibatkan resonansi yang membuat struktur berdefleksi lebih besar lagi dan tentunya

kemudian menyebabkan tegangan-tegangan yang semakin besar pada material.

BAB IV KESIMPULAN

Angin memiliki pengaruh yang besar terhadap pembebanan papan reklame. Berdasarkan

simulasi 3 dimensi, diperoleh beban angin pada keseluruhan struktur papan reklame saat

kecepatan angin 30 m/s (108 km/jam) dapat mencapai 12 kN. Koefisien drag struktur papan

reklame secara keseluruhan adalah sekitar 1. Secara keseluruhan berarti bahwa ini merupakan

beban oleh angin pada seluruh bagian reklame yang terkena angin, mulai dari papan, tiang, dan

pondasinya.

Sebagian besar beban angin berada pada bagian papan, ini juga karena papan memiliki luasan

yang paling besar dibandingkan dengan bagian lain. Besarnya beban pada papan ini dapat terlihat

dari hasil simulasi 2 dimensi pada bagian papan yang menunjukkan bahwa sebagian dari papan

yang ditinjau oleh computational domain (yaitu 1/6 luasan total papan) telah menerima gaya

yang besar dibandingkan dengan gaya total pada seluruh struktur.

Frekuensi shedding dari aliran, yang terukur oleh frekuensi fluktuasi gaya, adalah sebesar 0.6

– 1 Hz. Data ini dapat jadi pertimbangan dalam mendesain billboard sejenis, agar pemilihan

material dan rancangan dapat sedemikian sehingga resonansi akibat vibrasi yang disebabkan oleh

aliran dapat dihindari.

REFERENSI

1. Anderson, 2001. Fundamentals of Aerodynamics. McGrawHill.

2. Munson, et.al. 2003. Mekanika Fluida. Erlangga.

3. Shevell, R.S. 1983. Fundamentals of Flight. Prentice-Hall.

4. Roshko, A. 1954. On the Drag Shedding Frequency of Two-Dimensional Bluff Body.

NACA.

5. Versteeg et.al. An Introduction to Computational Fluid Dynamics.

6. Kijewski. Wind Induced Vibration

7. www.roymech.co.uk

8. EFDLab Tutorial

LAMPIRAN

I. LANGKAH-LANGKAH PENGERJAAN SIMULASI CFD 1. Membuat project dengan wizard

2. Memilih sistem satuan

3. Memilih jenis analisis, steady atau time dependent, serta mengatur lamanya waktu yang akan disimulasikan dan juga mengatur time-step.

4. Memilih jenis fluida yang akan digunakan

5. Mendefinisikan wall condition

6. Mendefinisikan Initial condition

7. Mengatur Initial Mesh

8. Contoh membuat Equation goal (untuk koefisien gaya: drag atau lift)