1
Analisa Struktur Baja Pada Platform Kapal Trimaran Menggunakan Pendekatan Elemen Hingga Agus Tri Wahyu, Aries Sulisetyono, & Totok Yulianto. Jurusan Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected], &
[email protected] Abstrak— Distribusi beban yang tidak merata dan gelombang air laut yang tidak beraturan pada kapal menyebabkan terjadinya tegangan dan regangan pada struktur kapal. Salah satu tegangan yang bekerja pada struktur melintang kapal tersebut adalah Stress pada material. Analisa Stress material merupakan salah satu hal yang sangat penting dalam menentukan kuat tidaknya struktur konstruksi kapal. Analisa lokal stress dilakukan dengan pemeriksaan pada konstruksi midship kapal. Jika konstruksi midship kapal telah memenuhi persyaratan analisa struktur dalam klasifikasi, maka bagian konstruksi yang lain juga dapat dianggap telah memenuhi persyaratan tersebut. Dalam penelitian ini, dilakukan analisis kekuatan struktur pada Kapal trimaran 750 GT dengan bahan baja carbon 1023. Analisa kekuatan struktur dalam penelitian ini dilakukan dengan metode perhitungan elemen hingga berdasarkan teori hull girder respon analysis, perhitungan metode elemen hingga menggunakan solidwork dengan input pembebanan berdasarkan regulasi Germanischer Lloyd serta BKI. Untuk penyederhanaan hasil analisa kekuatan struktur tersebut dibandingkan dengan batas ijin yang diberikan oleh regulasi, dalam analisa ini menggunakan standart BKI yaitu tegangan ijin sebesar 253 Mpa Hasil simulasi numerik didapatkan, untuk lokal stress maksimum model trimaran sebesar 0.285 Mpa pada plat deck, dan 0.235 Mpa pada pelat sisi. Dengan demikian design konstruksi trimaran yang diusulkan masih memenuhi standart klasifikasi BKI dengan faktor keamanan masing-masing sebesar 1.
Kata Kunci : --- Kekuatan Struktur, Trimaran, Mengunakan Pendekatan Elemen Hingga. I. PENDAHULUAN ada semua konstruksi teknik, bagian – bagian bagian pelengkap suatu bangunan atau struktur harus diberi ukuran – ukuran fisik tertentu. Bagian – bagian tersebut harus diukur dengan tepat untuk dapat menahan gaya – gaya yang sesungguhnya atau yang mungkin dibebankan kepadanya. Demikian pula, bagian – bagian suatu struktur komposit harus cukup
tegar hingga tidak akan meluntur atau melengkung secara berlebihan jika bekerja dibawah beban yang diberikan. Dalam perkembangan pembangunan kapal, yang memiliki salah satu faktor utama dalam perancangan konstruksi kapal adalah lighweight. Perhitungan lighweight pada konstruksi dek kapal ( car deck) sangat diperhitungkan mengingat beban yang diterima oleh dek yang relatif lebih besar. Dalam peraturan klasifikasi kapal umumnya tidak membutuhkan analisa dinamis dari konstruksi dek kapal. Namun, dengan perancangan konstruksi dek yang ringan, maka akan mempunyai frekuensi natural dalam kondisi dek tanpa pembebanan maksimal, apabila di bandingkan dengan konstruksi dek pada umumya, dengan alasan untuk meminimalisir jumlah dari konstruksi dan juga membatasi tingkat deformasi. Hal inilah yang membuat penulis tertarik untuk menulis penelitian yang berjudul “Analisa Struktur Baja Pada Pelatform Kapal Trimaran Menggunakan Pendekatan Elemen Hingga”. 2. Dasar Teori 2.1 Definisi Deck Deck merupakan suatu dek atau geladak pada kapal yang berguna untuk menampung muatan berupa, biasanya terdapat hampir pada seluruh kapal dibedakan berdasarkan fungsinya. Deck adalah komponen struktur konstruksi yang fital karena perannya dapat berfungsi ganda yaitu sebagai pondasi struktur di atasnya. Terutama pada deck kapal penumpang peran deck berfungsi ganda yaitu sebagai penopang deck atau bangunan super structure di atasnya. . 2.2 Tegangan Pada umumnya tegangan adalah gaya dalam yang bekerja pada luasan yang kecil tak berhingga pada sebuah potongan dan terdiri dari bermacam – macam besaran dan arah. Dasar, intensitas gaya yang bekerja pada luasan kecil tak berhingga pada suatu potongan berubah – ubah dari suatu titik ke titik yang lain, umumnya intensitas gaya ini berarah miring pada bidang potongan.Penguraian intensitas ini pada luas kecil tak berhingga diperlihatkan pada gambar 2.2
P
2
Intensitas gaya yang tegak lurus atau normal terhadap irisan disebut tegangan normal (normal stress) pada sebuah titik Gambar. 2.3 Hubungan Regangan dan Perpindahan Hubungan regangan-perpindahan dapat dinyatakan sebagai berikut pada persamaan 1dibawah ini :
Perpindahan u dan v dinyatakan sebagai persamaan 2 dibawah ini :
Dengan memasukkan persamaan 1 ke persamaan 2
akan didapat persamaan :
2.4 Hubungan Tegangan Regangan Hubungan teganganregangan pada suatu bahan homogen isotropik, elastis didasarkan pada hukum Hooke untuk tegangan tiga dimensi.Secara umum hubungan tersebut dapat dinyatakan sebagaiberikut: 2.5 Sifat – sifat Material Suatu material yang kaku tentunya memiliki fleksibilitas meskipun material tersebut terbuat dari baja. Material baja meskipun dibebani dengan beban yang besar tentunya akan memiliki nilai elastisitas walaupun kecil sehingga dapat merubah bentuknya secara perlahan. Kekakuan suatu material sangat penting dalam perancangan suatu komponen konstruksi, sebab kekakuan tersebut nantinya akan menimbulkan masalah akibat pembebaban yang besar. Untuk mengatasi hal tersebut tiap material suatu komponen konstruksi memiliki nilai Modulus Young yang besarnya berbeda untuk tiap – tiap materialnya. 1. Ketangguhan (Toughness) Ketangguhan adalah kemampuan atau kapasitas bahan untuk menyerap energy sampai patah atau penahanan suatu material terhadap pecah menjadi dua, dengan suatu retakan melintang ini disebut “retak‟ serta
menyerap energi. Jumlah energy yang diserap selama retak tergantung pada ukuran komponen yang pecah menjadi dua. Jumlah energi yang diserap setiap satuan luas dari retakan adalah tetap untuk material yang ditentukan dan ini disebut ketangguhan juga. 2. Pemanjangan (Elongation) Pemanjangan sampai kegagalan (failure) adalah suatu ukuran keliatan suatu material, dengan kata lain adalah jumlah regangan yang dapat dialami oleh bahan sebelum terjadi kegagalan dalam pengujian tarik. 3. Kepadatan (Density) Kepadatan (Density) adalah suatu ukuran berapa berat suatu benda untuk ukuran yang ditentukan, yaitu massa material setiap satuan volume. Perubahan temperatur tidak secara mantap (signifikan) mempengaruhi kepadatan suatu material walaupun material bertambah luas ketika dipanaskan, perubahan ukuran adalah sangat kecil. 2.6 Faktor Kemanan (Safety Factor) Faktor keamanan adalah faktor yang menunjukkan tingkat kemampuan suatu bahan teknik menerima beban dari luar, yaitu beban tekan maupun tarik. Gaya yang diperlukan agar terjadi tingkat optimal bahan di dalam menahan beban dari luar sampai akhirnya menjadi pecah disebut dengan beban ultimat(ultimate load). Dengan membagi beban ultimate ini dengan luas penampang, kita akan memperoleh kekuatan ultimate (ultimate strength) atau tegangan ultimate (ultimate stress) dari suatu bahan. Tabel dibawah ini memberikan kekuatan – kekuatan ultimate dan sifat – sifat fisis yang lain dari beberapa bahan. Untuk disain bagian – bagian struktur tingkat tegangan disebut tegangan ijin (alloweble stress) dibuat benar – benar lebih rendah daripada kekuatan ultimate yang diperoleh dari pengujian “statis”. 2.7 Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga (finite element) memperluas metode matriks perpindahan ke analisis kontinuum struktural. Kontinuum elastis suatu pelat diganti dengan struktur pengganti, yang terdiri dari elemenelemen diskrit yang saling berhubungan hanya di titiktitik simpul. Hubungan ini bersifat sedemikian rupa sehingga kontinuitas tegangan dan perpindahan yang sebenarnya pada pelat bisa didekati oleh perpindahan titik simpul elemen tersebut.
2.8 Pembuatan Desain Model Dari data awal yang telah diambil, kemudian dilakukan pembuatan model dengan menggunakan program SolidWork yaitu : 1. Membuat geometri dari objek yang akan dianalisa. Proses ini bisa dilakukan dengan sembarang software CAD yang bisa menghasilkan file yang bisa dibaca
3
oleh SolidWork, dalam hal ini file dengan extention *IGS. Software tersebut misalnya CATIA, Pro/E atau SolidWork, dan seterusnya. 2. Membuat model elemen hingga. Pembuatan model elemen hingga adalah pembuatan jaring-jaring elemen yang saling terhubung oleh nodal. 3.Pengecekan model dengan Check Model dimaksudkan untuk menjamin bahwa element sudah terkoneksi secara benar. 4. Pendefinisian material. 5. Pendefinisian jenis element. 6. Pemberian tumpuan atau beban. 2.9 Definisi platform Deck merupakan suatu dek atau geladak pada kapal yang berguna untuk menampung muatan berupa kendaraan, biasanya terdapat pada kapal ferry. Car deck adalah komponen struktur konstruksi yang fital karena perannya yang tidak hanya untuk menampung muatan kendaraan namun juga menopang dek yang ada di atasnya, Main Dimension : PRINCIPAL PARTICULARS Length over all (Loa) Length between perpendiculars (Lpp) Length of waterline (Lwl) Breadth moulded (B) Depth moulded (D) Desain draft ( Tdesain ) Gross Tonnage (GT) Service speed
: 57 m : 56.71 m : 56.71 m : 18.50 m : 4.55 m : 1.82 m : 750 GT : 16 knots
3. Beban Tumbuk Beban tumbuk merupakan beban yang terjadi akibat slamming atau pukulan gelombang pada lunas, haluan atau bagian kapal lainnya termasuk masuknya air di atas geladak. Adapun input properties untuk pemodelan car deck yang digunakan berdasarkan beberapa variasi kondisi pembebanan antara lain : Kondisi car deck tanpa muatan diberi beban PD Kondisi car deck tanpa muatan diberi beban PS Analisa pembebanan yang digunakan adalah linear static analysis untuk memperoleh kekuatan struktur suatu pemodelan agar diketahui dimana daerah letak terjadinya tegangan paling kritis akibat pembebanan. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 3.1. Model Assembley
2.10 Definisi Beban Beban yang diterima oleh car deck adalah secara vertikal yang berasal dari pembebanan muatan maupun beban dari passanger deck. Pengkondisian pembebanan disesuaikan dengan sumbu ordinat pada program numerik SolidWork bersifat tetap, sebab analisa yang digunakan adalah static analysis. Adapun macam – macam beban yang bekerja pada kapal antara lain : Gambar 3.2. Model Assemble 1. Beban Statis Beban Statis adalah beban yang berubah apabila berat total kapal berubah, sebagai akibat kegiatan bongkar muat, pemakaian bahan bakar atau perubahan pada kapal itu sendiri. Pembebanan statis merupakan jenis pembebanan yang bersifat tetap, dalam hal ini adalah pembebanan kendaraan dengan asumsi besarnya tidak berubah. Pembebanan statis yang diterima oleh car deck antara lain beban geladak, beban passanger deck, beban kendaraan. 2. Beban Dinamis Beban Dinamis adalah beban yang besarnya berubah terhadap waktu dengan frekuensi tertentu yang menimbulkan respon getaran terhadap struktur kapal.
Bagian model kapal ini menunjukkan bagian satu sekat yang akan dianalisa
4
Menghasilkan Jumlah Total Element Sebanyak 119.936 Buah, Sehingga didapat Hasil Analisa Displacement Tertinggi 8.494e-004. Maka Hasil ini yang digunakan Untuk Acuan Pendekatan Metode Element Hingga.
Gambar 3.3. Hasil Meshing Utama
Gambar 3.5. Hasil Meshing Kedua
Gambar 3.4 Hasil Dimensi Analisa pertama Mesh Information Mesh type
Solid Mesh
Mesher Used:
Standard mesh
Automatic Transition: Include Mesh Auto Loops: Jacobian points
Off Off 4 Points
Element Size Tolerance
95.8435 mm 4.79217 mm
Mesh Quality
Draft Quality Mesh
Mesh Information – Details Total Nodes Total Elements Maximum Aspect Ratio % of elements with Aspect Ratio < 3 % of elements with Aspect Ratio > 10 Time to complete mesh(hh;mm;ss): Computer name:
45072 119936 2.2717e+005 0.025 81.1 00:02:12 SEATECH
Dari Analisa Meshing Pertama ini didapatkan hasil Element Size Sebesar 95.8435 mm Dengan Batasan Toleransi Terendah Sebesar 4.7921 mm, Yaitu
Gambar 3.6. Hasil Dimensi Analisa kedua Mesh Information Mesh type
Solid Mesh
Mesher Used:
Standard mesh
Automatic Transition:
Off
Include Mesh Auto Loops:
Off
Jacobian points
4 Points
Element Size
191.687 mm
Tolerance
153.434 mm
Mesh Quality
Draft Quality Mesh
Mesh Information – Details Total Nodes Total Elements Maximum Aspect Ratio % of elements with Aspect Ratio < 3 % of elements with Aspect Ratio > 10 Time to complete mesh(hh;mm;ss): Computer name:
22536 59968 2.2717e+005 0.025 81.1 00:02:12 SEATECH
5
Dari Analisa Meshing kedua ini didapatkan hasil Element Size Sebesar 191.687 mm Dengan Batasan Toleransi Terendah Sebesar 153.434 mm, Yaitu Menghasilkan Jumlah Total Element Sebanyak 59.968 Buah, Sehingga didapat Hasil Analisa Displacement Tertinggi 5.389e-005. Maka Hasil ini Belum Bisa digunakan Untuk Acuan Pendekatan Stress Maximum Pada Metode Elemen Hingga.
Mesh Information Mesh type Mesher Used:
Solid Mesh Standard mesh
Automatic Transition: Include Mesh Auto Loops:
Off Off
Jacobian points Element Size
4 Points 287.5305 mm
Tolerance Mesh Quality
14.37651mm Draft Quality Mesh
Mesh Information – Details
Gambar 3.7. Hasil Meshing Ketiga
Gambar 3.8 Hasil Dimensi Analisa ke tiga Dari Analisa Meshing ketiga ini didapatkan hasil Element Size Sebesar 287.5305 mm Dengan Batasan Toleransi Terendah Sebesar 14.3765 mm, Yaitu Menghasilkan Jumlah Total Element Sebanyak 29.984 Buah, Sehingga didapat Hasil Analisa Displacement Tertinggi 1.078e-004. Maka Hasil ini Juga Belum Bisa digunakan Untuk Acuan Pendekatan Stress Maximum Pada Metode Elemen Hingga.
Gambar 3.9 Grafik Hasil Meshing 1,2 dan 3
Total Nodes Total Elements Maximum Aspect Ratio % of elements with Aspect Ratio <3 % of elements with Aspect Ratio > 10 Time to complete mesh(hh;mm;ss): Computer name:
11268 29984 2.2717e+005 0.025 81.1 00:02:12 SEATECH
Dari grafik yang diatas menunjukkan hasil yang terjadi pada tiap variasi jumlah meshing. Dalam hal ini daerah yang di analisa yaitu pada geladak dan lambung, divariasikan hanya pada plat geladak saja, Dapat kita lihat pada variasi jumlah meshing. Stress yang terjadi pada geladak hampir sama dengan Stress yang terjadi pada lambung. Dapat dikatakan terjadi perbedaan Stress pada daerah geladak saja akan tetapi tidak begitu signifikan dan juga masih memenuhi kriteria tegangan ijin yang disyaratkan oleh klasifikasi. Dari grafik yang ditampilkan pada daerah geladak mengalami perbedaan nilai berdasarkan dari Jumlah meshing. Dari output pre analysis dengan menggunakan program Elemen Hingga dijalankan proses analysis melalui input file model yang dianalisis (.bdf) dimana file yang nanti akan dibaca pada post processing adalah file . 4. Kesimpulan & Saran 4.1 Kesimpulan Dari hasil perhitungan menggunakan metode elemen hingga dengan permodelan dan analisa perhitungan manual, pembebanan dan kondisi batas sesuai dengan ketentuan RINA 2010 dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : Konstrusi kapal trimaran 750 GT memenuhi standar regulasi BKI dalam analisa perhitungan Stress baik yang dilakukan dengan metode perhitungan manual ataupun juga dengan metode elemen hingga. Perbedaan yang terjadi antara analisa metode elemen hingga berdasarkan regulasi dan analisa perhitungan
6
manual, terjadi karena perbedaan jenis pembebanan atau load case. Selain itu karena dalam perhitungan manual hanya terpaku pada satu gading sedangkan metode elemen hingga hasil perhitungan tersebar di seluruh model kapal. Sehingga perbedaan yang terjadi bisa cukup besar. Stress maksimum yang dianalisa dengan metode elemen hingga terdapat pada kondisi pembebanan 1 yang terdapat pada pelat sekat antara fuel oil dan ruang muat dengan nilai Standart BKI 253 Mpa. Analisa dengan metode element hingga didapatkan kondisi kritis untuk ujian ini menggunakan standart BKI sehingga pada batas area model masih memenui standart BKI sekurang kurangnya dari 253 Mpa faktor keamanan (safety of factor) sebesar 1,00 (memiliki faktor keamanan 1). 4.2 Saran Berikut saran yang dapat disampaikan dalam penulisan tugas akhir ini : Dalam tugas akhir ini, Stress terbesar terdapat pada bagian sekat melintang antara Lambung Satu dengan lambung-lambung Yang lain. Hal ini dikarenakan kondisi pembebanan yang berbeda-beda dan perbedaan variasi tebal plat geladak untuk dianalisa. Sehingga, untuk penelitian selanjutnya dapat dilakukan tambahan kondisi pembebanan yang hasilnya dapat lebih spesifik dan bervariasi. Untuk Analisa selanjutnya dapat memodelkan towing, sehingga didapat nilai akurat dalam kondisi model sebenarnya. Untuk pengembangan analisa dengan menggunakan elemen hingga pada aplikasi perkapalan perlu dilakukan permodelan dengan sepanjang kapal dan sesuai dengan gambar rencana konstruksi dan penampang melintang kapal melakukan pengujian di Towing tank lab Hidrodinamika dan pengujian dengan menggunakan software lain Sehingga akan didapatkan hasil pendekatan analisa sesuai dengan kondisi kapal sebenarnya. Hasil analisa tersebut dapat dijadikan suatu acuan dalam desain konstruksi kapal berikutnya. UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Allah SWT, dosen pembimbing yang telah memberikan waktu dan pemikirannya dalam membantu menyelesaikan penelitian ini, bapak Aries Sulisetyono,ST., MASc., PhD. bapak Totok Yulianto.,ST., MT. Tidak lupa ucapan terimakasih pada kedua orang tua yang memberikan support dalam pengerjaan penelitian ini. Terimakasih yang sangat untuk Selvi yang telah sabar menunggu penulis menyelesaikan jurnal ini. DAFTAR PUSTAKA Apri Yuda, Desingn of Trimaran. Perancangan Kapal Penumpang Barang Tipe Trimaran Untuk Pelayaran Antar Pulau. Surabaya (2012)
BKI, 2008. Edition 2008 Volume II –Rules for Hull, Biro Klasifikasi Indonesia, Indonesia. GL (Germanicher Lloyd) 2012. Hughes, O. F. (1983). Ship Structural Design. New York. IACS, Common Structural Rules for Double Hull Oil Tanker, IACS, UK, 2006 IKAP Utama,Prof. Ir. MSc. (2007). An investigation into the resistance/powering and seakeeping chracteristics of river catamaran/trimaran. Pujonggo Imam, Analisa kekuatan konstruksi pada kapal KM. Dharma ferry 3 dengan metode elemen hingga. Paper ITS blogsport. RINA. (2010). Rules for the classification of ship. Italy. Riyadi, S , Analisa Hull Girder pada Kapal Box Shape Bulk Carrier (BSBC) 50.000 DWT Menggunakan Metode Elemen Hingga, ITS, Surabaya, 2006. Rizki Erwina, paper Analisa kekuatan Struktur antara deck dan lambung kapal katamaran. ITS blog sport. Sulisetyono Aries ST.,MASc.,PhD. dan Hardyanto, (2012), Analisa Seakeeping Ferry Trimaran, Studi. SENTA, Surabaya.
