ANALISIS DINAMIKA STRUKTUR DAN DESAIN STRUKTUR BAGIAN ATAS DERMAGA PONTON DI BABO, PAPUA Rakhman Santoso1 dan Muslim Muin2 Program Studi Teknik Kelautan Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung, Jl Ganesha 10 Bandung 40132 1
[email protected] dan
[email protected] Kata kunci: analisis, dermaga, ponton, dinamika, struktur,
PENDAHULUAN Sebuah struktur dibangun tentu dengan tujuan untuk mempermudah kinerja manusia. Untuk memenuhi tujuan tersebut, struktur harus didesain sedemikian rupa agar memenuhi tujuan awalnya secara optimal. Dalam mendesain sebuah struktur tentu harus memperhitungkan kondisi kerja struktur baik kondisi yang diinginkan dan kondisi dari lingkungan di sekitar struktur. Pada tugas akhir ini, analisis yang akan dilakukan adalah studi kasus di lapangan. Oleh karena itu penulis akan menganalisis desain dari struktur tersebut. Struktur ini merupakan struktur gangway ponton, jadi penulis akan menganalisis kekuatan dari struktur gangway dan menganalisis respon dinamik dari struktur ponton. Struktur statik dalam hal ini struktur gangway, harus dapat menahan kondisi yang diinginkan. Maksudnya disini adalah beban yang berlaku pada gangway tersebut, baik itu beban dari struktur gangway itu sendiri (dead load) dan beban rencana (live load). Oleh karena itu diperlukan analisa untuk mengetahui kekuatan dari struktur tersebut sehingga desain struktur gangway tersebut aman dan dapat bekerja sebagaimana mestinya. Sedangkan struktur dinamik yang dimaksud adalah struktur ponton. Struktur ponton dianggap sebagai struktur dinamik karena merupakan struktur terapung (floating structure). Sebuah struktur terapung di laut akan mengalami respon dinamik akibat adanya gaya-gaya dinamik yang bekerja pada struktur tersebut dengan besaran dan arah yang berubah-ubah. Salah satu gaya yang bekerja adalah gaya gelombang. Gaya gelombang bekerja secara terus-menerus dengan besaran dan arah gaya yang berubah-ubah terhadap waktu. Menganalisa gaya gelombang terhadap struktur terapung sangat penting agar dapat mengetahui perilaku respon dinamik dari struktur tersebut sehingga dapat diketahui apakah struktur tersebut aman atau tidak. TEORI DAN METODOLOGI Secara umum, metodologi analisis dinamika dan desain struktur ini dapat dilihat pada gambar 1
1
Gambar 1 Metodologi Analisis Dinamika dan Desain Struktur Perhitungan kekuatan gangway menggunakan metode LRFD (Agus Setiawan, 2008). Beberapa syarat yang harus dipenuhi dari metode LRFD, yakni : M u M n (1) Vu Vn (2) Mu Vu 0,625 1,375 (3) M n Vn (4) Dalam menghitung kekuatan struktur gangway juga dilakukan dengan memodelkan struktur gangway dengan menggunakan software SAP2000.
2
Gambar 2 Pemodelan sruktur gangway dengan software SAP2000 Setelah menghitung kekuatan struktur gangway maka beban gangway dapat diketahui, baik itu beban dead load maupun beban live load. Setengah dari total beban struktur gangway ini akan terdistribuai ke struktur pontoon. Jadi total beban pada pontoon adalah beban dead load dan live load pada pontoon ditambah dengan setengah total beban struktur gangway. Setelah mengetahui total beban yang bekerja pada struktur pontoon maka draft pontoon dapat ditentukan. Untuk mencari draft pontoon menggunakan hukum Archimedes dimana : 𝑚𝑡𝑜𝑡 = 𝜌𝑉𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑙𝑢𝑝 (5) Langkah berikutnya adalah menghitung gaya gelombang linier, dalam hal ini terdapat dua kondisi yakni gaya gelombang akibat gelombang reguler dan gelombang panjang. Untuk gaya gelombang akibat gelombang reguler menggunakan teori difraksi (R. Dean dan R. Dalrymple, 1984) : sinh (𝑘𝐿3 2) sin (𝑘𝐿1 2 𝜕𝑤 𝐹ℎ𝑎𝑟𝑚𝑜𝑛𝑖𝑘 = 𝐿1. 𝐿2. 𝐿3 𝑘𝐿3 2 (6) 𝑘𝐿1 2 𝜕𝑡 Sedangkan untuk gaya gelombang akibat gelombang panjang menggunakan : 𝐹𝑝𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 = 𝐿1. 𝐿2. 𝜂. 𝜌. 𝑔 (7) Untuk mengetahui respon dinamik struktur pontoon terlebih dahulu merumuskan persamaan gerak dengan prinsip d’alembert (Mario Paz, 1980) dimana gaya inersia struktur dianggap sebagai gaya luar, karena struktur juga dikenai gaya luar (gaya gelombang) maka dapat ditulis sebagai berikut: 𝑚𝑦 + 𝑐𝑦 + 𝑘𝑦 = 𝐹0 𝑐𝑜𝑠(𝑘𝑥 − 𝜔0 𝑡) (8) Dari persamaan ini agar dapat menemukan respon dinamik yang terjadi pada struktur pontoon dilakukan pendekatan dengan prinsip kerja virtual : 𝛿𝑊 = 0 (9) 𝑚𝑦 + 𝑐𝑦 + 𝑘𝑦 − 𝐹0 𝑐𝑜𝑠 𝑘𝑥 − 𝜔0 𝑡 𝛿𝑦 = 0 (10) dimana : Mu ,Mn Vu ,Vn 𝛿, m
= momen ultimate , momen ijin (kg.m) = geser ultimate , gaya ijin (kg) = lendutan , lendutan ijin (m) = massa (kg) 3
V L1,L2,L3 𝜔0 k g ρ 𝜂 T,t
= volume (m3) = panjang , lebar , dan draft pontoon (m) = frekuensi gelombang (rad/s) = bilangan gelombang (rad/m) = percepatan gravitasi bumi (m/s2) = massa jenis air laut (kg/m3) = elevasi permukaan laut (m) = periode , waktu (s)
Kemudian untuk proses lifting struktur pontoon akan dilakukan pemodelan menggunakan software SAP2000 ditunjukan dengan gambar 3.
Gambar 3 Pemodelan proses lifting untuk struktur ponton HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil perhitungan dan pemodelan struktur gangway, didapatkan bahwa struktur gangway memenuhi syarat aman metode LRFD. Hasil dari perhitungan adalah sebagai berikut : M u M n 27824,49kg.m 63063kg.m Vu Vn
8,228x104 kg 9,142 x104 kg Mu V 0,625 u 1,375 M n Vn 0,478 1,375
4
0,052m 0,056m Hasil dari pemodelan ditunjukkan dengan gambar 4 :
Gambar 4 Hasil pemodelan struktur gangway Baik hasil perhitungan dan hasil pemodelan menyatakan bahwa struktur gangway memenuhi syarat aman sehingga struktur gangway layak untuk dibangun dengan desain sesuai dengan yang di atas. Sedangkan hasil dari perhitungan respon dinamik struktur pontoon adalah sebagai berikut: Untuk gaya gelombang akibat gelombang localized : Simpangan yang terjadi akibat gelombang localized pada respon dinamik struktur pontoon dapat dilihat pada gambar 5.
Simpangan (m)
Response 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 -0.01 0 -0.02 -0.03 -0.04 -0.05
Transient Steady 20
40
60
80
Total
Waktu (sekon)
Gambar 5 Respon dinamik ponton akibat gelombang localized
5
Kemudian untuk respon maksimum untuk setiap periode pada gelombang localized dengan tinggi gelombang berbeda-beda dapat dilihat pada gambar 6.
Response Maksimum/T0 0.12 Simpangan (m)
0.1 0.08 0.06
H=0,95
0.04
H=1,5
0.02
H=2
0 0
5
10
15
20
25
T0 (sekon)
Gambar 6 Perbandingan antara simpangan dengan rasio akibat tinggi gelombang-berbeda-beda Kemudian untuk respon maksimum untuk setiap periode pada gelombang localized dengan nilai damping ratio berbeda-beda dapat dilihat pada gambar 7.
Response Maksimum/T0 0.12 Simpangan (m)
0.1 0.08 0.06
D=0,1
0.04
D=0.08
0.02
D=0.05
0 0
5
10
15
20
25
T0 (sekon)
Gambar 7 Perbandingan antara simpangan dengan rasio akibat damping ratio -berbeda-beda
6
Untuk gaya gelombang akibat gelombang panjang : Simpangan yang terjadi akibat gelombang generalized pada respon dinamik struktur pontoon dapat dilihat pada gambar 8.
Response 3
Simpangan (m)
2 1
Transient Steady
0 -1
0
20
40
60
80
Total Batas
-2 -3
Waktu (sekon)
Gambar 8 Respon dinamik ponton akibat gelombang generalized Kemudian untuk respon maksimum untuk setiap periode pada gelombang localized dengan tinggi gelombang berbeda-beda dapat dilihat pada gambar 9.
Response Maksimum/T0 6 Simpangan (m)
5 4 H=0,95
3
H=1,5
2
H=2
1
Batas
0 0
5
10
15
20
25
T0(sekon)
Gambar 9 Perbandingan antara simpangan dengan rasio akibat tinggi gelombang-berbeda-beda
7
Kemudian untuk respon maksimum untuk setiap periode pada gelombang localized dengan nilai damping ratio berbeda-beda dapat dilihat pada gambar 10.
Simpangan (m)
Response Maksimum/T0 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
D=0,1 D=0.08 D=0.05 Batas 0
5
10
15
20
25
T0 (sekon)
Gambar 10 Perbandingan antara simpangan dengan rasio akibat damping ratio-berbeda-beda Dari dua kondisi yang mungkin akan terjadi dapat diketahui bahwa respon dinamik struktur pontoon akibat gaya gelombang yang dihasilkan oleh gelombang panjang jauh lebih besar. Namun, dengan kondisi lingkungan yang terjadi pada lokasi studi kasus, struktur pontoon aman karena simpangan yang terjadi tidak membuat struktur pontoon tersebut tenggelam, sehingga desain struktur pontoon layak untuk dibangun. Kemudian untuk hasil pemodelan dari proses lifting struktur pontoon dapat dilihat dari gambar 11 :
Gambar 11 Hasil pemodelan proses lifting struktur ponton
8
Sedangkan hasil yang didapat dari pemodelan struktur pontoon untuk lifting menyatakan bahwa terdapat 44 rangka yang tidak aman (gagal) atau melebihi syarat batas aman yang diperbolehkan. Oleh karena itu desain struktur pontoon tidak memenuhi syarat batas aman untuk proses lifting. KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil perhitungan dan pemodelan studi kasus, didapatkan kesimpulan berupa: 1. Desain struktur gangway aman, dibuktikan dengan hasil perhitungan dan pemodelan menggunakan SAP2000. 2. Dari hasil perhitungan respon dinamik pada struktur pontoon. Simpangan yang terjadi baik akibat gaya gelombang dari gelombang reguler maupun dari gelombang panjang tidak membuat struktur pontoon tenggelam sehingga struktur pontoon aman. Akan tetapi respon dinamik akibat gelombang panjang jauh lebih besar bila dibandingkan dengan respon dinamik akibat gelombang reguler. 3. Namun apabila respon dinamik pada struktur ponton terjadi resonansi terhadap gelombang panjang, maka struktur pontoon rawan tenggelam atau tidak aman, khususnya untuk karakteristik gelombang dengan tinggi 0,95 m dan dengan periode 6,46 – 7,43 s. 4. Baik dalam kondisi gelombang reguler maupun gelombang panjang struktur pontoon beresonansi ketika nilai frekuensi gelombang sama dengan nilai frekuensi natural struktur. 5. Semakin besar tinggi gelombang yang terjadi, maka semakin besar pula simpangan yang dihasilkan oleh struktur, hal ini berlaku untuk kedua kondisi baik akibat gelombang reguler maupun gelombang panjang. 6. Namun semakin besar nilai damping ratio semakin kecil simpangan yang dihasilkan oleh struktur, hal ini berlaku untuk kedua kondisi baik akibat gelombang reguler maupun gelombang panjang. 7. Dari pemodelan yang dilakukan, desain struktur pontoon tidak memenuhi syarat aman ketika proses lifting, karena sebagian rangkanya mengalami overstressed sehingga struktur dinyatakan tidak aman. Dari hasil perhitungan dan pemodelan menggunakan software SAP2000 struktur gangway hanya terdapat selisih nilai UCR (Unity Check Ratio) sebesar 0,03. Dengan selisih sebesar itu dapat dikatakan bahwa software SAP2000 akurat sehingga untuk mempermudah dalam menganalisa kekuatan struktur maka dapat menggunakan software SAP2000. Ketika akan membangun sebuah struktur dermaga pontoon harus dilakukan studi lapangan untuk mengetahui karakteristik gelombang, karena desain struktur sebaiknya tidak memiliki frekuensi natural yang sama dengan frekuensi gelombang sehingga tidak terjadi resonansi. Ketika terjadi resonansi resiko struktur pontoon tenggelam sangat besar. Dalam mendesain struktur dermaga pontoon tentu harus memperhitungkan respon dinamik akibat gelombang panjang karena tidak menutup kemungkinan gelombang panjang masuk ke dalam area dermaga pontoon tersebut. Disamping itu gelombang panjang meberikan pengaruh yang sangat besar terhadap respon dinamik dari struktur pontoon. Karena dalam pemodelan proses lifting struktur pontoon terdapat rangka yang tidak memenuhi syarat aman maka diperlukan untuk mendesain ulang struktur pontoon dan atau menentukan lifting point baru agar lebih aman.
9
DAFTAR PUSTAKA Dean, R. dan Dalrymple, R., Water Wave Mechanics For Engineers and Scientists, 2nd Edition, Routledge, Singapore, 1984 Setiawan, Agus, Perencanaan Struktur Baja dengan Metode LRFD, PT Penerbit Erlangga, Jakarta, Indonesia, 2008 Paz, Mario, Structural Dynamics Theory and Computation, Van Nostrand Reinhold Ltd., New York, NY, 1980
10
