ANALISA DINAMIK DAN DESAIN DONUT FENDER DI TELUK BINTUNI ZULKIFLI NUR KURNIAWAN1 PEMBIMBING : MUSLIM MUIN, Ph.D2 Program Studi Sarjana Teknik Kelautan Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha 10 Bandung 40123
[email protected]@yahoo.com2 ABSTRAK : Pasang surut yang terjadi di Teluk Bintuni memiliki tunggang pasut yang cukup tinggi. Sementara itu diperlukan suatu pelabuhan untuk mengakomodasi kebutuhan bongkar muat penumpang dari satu tempat ke tempat lainnya. Sebagaimana pelabuhan pada umumnya, diperlukan struktur fender untuk menahan beban tumbukkan kapal pada struktur dermaga. Desain fender yang digunakan harus memperhatikan tunggang pasut yang terdapat di lokasi. Tunggang pasut di Teluk Bintuni cukup besar, sehingga untuk itulah diperlukan jenis fender tipe donut karena donut fender mampu menyesuaikan diri dengan elevasi permukaan air. Dengan mempertimbangkan hal tersebut maka jenis fender yang tepat untuk mengakomodir kebutuhan dermaga adalah jenis donut fender. Analisa lebih jauh yang dilakukan terhadap tiang fender adalah analisa respons dinamika tiang dalam keadaan single degree of freedom untuk mengetahui simpangan maksimum tiang fender, gaya – gaya dalam yang terjadi pada tiang fender, serta tegangan tiang. Analisa masa layan (fatigue life) tiang fender akibat beban gelombang, dan jenis vortex yang dapat timbul dibelakang tiang fender. Pemodelan struktur tiang dengan SAP 2000 dilakukan untuk menguji kekuatan struktur terhadap beban kombinasi yang bekerja. Output yang dihasilkan dari pemodelan adalah berupa gaya – gaya dalam yang bekerja pada tiang dan unity check ratio untuk mengetahui kekuatan struktur. Kata Kunci : Fender, Single Degree of Freedom, Vortex, Pemodelan Struktur, Kekuatan Struktur.
1
PENDAHULUAN Sebuah dermaga hendak dibangun di wilayah Teluk Bintuni, Papua Barat untuk mengakomodasi kebutuhan bongkar muat baik penumpang dan barang dari dan ke Teluk Bintuni. Lokasi dari pembangunan dermaga di Teluk Bintuni dapat dilihat pada Gambar 1 dibawah ini.
Gambar 1: Lokasi Proyek Diperlukan suatu struktur fender yang cocok untuk menahan beban tumbukkan kapal pada dermaga. Berdasarkan keadaan hidro – oseanografi di lokasi diketahui lokasi tersebut memiliki tunggang pasut yang cukup tinggi, oleh karena itu dipilih fender dengan jenis donut fender untuk mengantisipasi tunggang pasut yang tinggi tersebut. Untuk mendapatkan ukuran dan spesifikasi fender yang optimal diperlukan analisa dan perhitungan terhadap beban yang bekerja pada fender seperti beban akibat tumbukkan kapal. Donut fender merupakan jenis fender yang sedikit berbeda dengan fender pada umumnya karena donut fender ini tidak menempel pada struktur seperti pada fender dengan tipe cone fender atau v-fender. Donut fender bertumpu pada tiang tunggal di depan dermaga. Oleh karena itu perlu dilakukan analisa kekuatan tiang fender terhadap beban – beban yang bekerja pada tiang fender seperti beban angin, beban arus, beban gelombang, dan beban gempa. Perhitungan beban tersebut memerlukan data – data berupa parameter gelombang seperti ketinggian gelombang, perioda gelombang, dan panjang gelombang serta data geoteknik tanah untuk menganalisa ketahanan lateral tanah. Hal yang tidak kalah penting untuk dianalisa adalah respons dinamika tiang terhadap beban gelombang yang bekerja pada tiang. Analisa tersebut menjadi penting untuk dilakukan agar dapat diketahui besar simpangan yang terjadi pada tiang akibat beban siklik gelombang. Tiang fender sebagaimana struktur pada umumnya juga memiliki masa layan atau disebut juga fatigue life yang besarnya bergantung pada jumlah beban siklik yang bekerja pada struktur tiang tersebut. Masa layan tiang dapat diketahui dengan terlebih dahulu 2
mengetahui besar tegangan tiang yang bekerja akibat beban siklik gelombang. Masa layan struktur dapat juga dipengaruhi oleh ada tidaknya vortex yang timbul akibat arus yang melalui tiang. Namun pada kasus ini fatigue life akibat vortex shedding tidak dianalisa melainkan hanya mencakup ada tidaknya vortex dan jenis vortex yang terbentuk. TEORI DAN METODOLOGI Dermaga dibangun untuk mengakomodasi kebutuhan jenis kapal tertentu. Begitu pula halnya pada perencanaan fender. Dimensi dan bentuk fender bergantung pada jenis dan ukuran kapal yang akan bertambat. Komponen – komponen struktur seperti tiang fender dan donut fender didesain sedemikian rupa agar dapat menerima beban – beban yang bekerja. Perhitungan energi dan reaksi beban kapal yang bersandar pada fender dilakukan menggunakan standar OCDI. Dermaga di Teluk Bintuni dibangun untuk mengakomodasi kapal dengan jenis crew boat yang memiliki kapasitas 98 GRT dan panjang total kapal (LOA) 19.8 meter. Tabel 1: Spesifikasi Kapal
Type
GRT Displacement
Crew Boat
98
100
LOA
LBP
19.8
16
B
FL
DL
5.19 1.6 1.2
Dalam upaya untuk menghitung besarnya energi dan reaksi beban akibat tumbukkan kapal, persamaan yang digunakan adalah persamaan yang didapatkan dari OCDI seperti yang tercantum pada persamaan (1) berikut ini. (1) dimana: M = massa kapal (displacement tonnage) V
= komponen kecepatan kapal saat merapat dalam arah tegak lurus(m/s)
Cm = koefisien added mass Ce = koefisien eksentrisitas Cc = koefisien konfigurasi berthing Cs = koefisien softness Dengan menggunakan persamaan (1) dapat ditentukan besar reaksi yang terjadi pada fender menggunakan tabel fender yang didapatkan dari Fentek Engineering seperti yang terdapat pada Tabel 2 berikut ini 3
Tabel 2: Reaksi Fender
. Dari tabel reaksi fender tersebut dapat diketahui ukuran fender yang optimum untuk menahan beban akibat kapal. Perhitungan beban akibat angin, arus, dan gelombang mengikuti standar dari API RP2A dengan persamaan (2) sampai dengan persamaan (4) berikut ini. (2) | |
(3)
| |
(4)
dimana, Fw = beban akibat angin Fc = beban akibat arus F
= beban akibat gelombang
CD = koefisien drag D
= diameter tiang
U
= kecepatan angin
u
= kecepatan partikel air 4
CM = koefisien inersia ρ
= massa jenis air
ρw = massa jenis udara = percepatan partikel air
Beban horizontal yang juga berpengaruh terhadap struktur adalah beban akibat gempa. Meskipun pengaruh beban gempa cukup kecil karena struktur hanya berupa tiang tunggal, perhitungan beban gempa perlu dilakukan untuk mengetahui besar gaya geser dasar pada tiang yang diakibatkan oleh gempa. Besar gaya geser ini nantinya dibandingkan dengan kapasitas lateral tanah untuk menentukan kuat tidaknya tanah menahan beban lateral. Besar beban gempa bergantung pada berat struktur tersebut. Karena berat satu buah tiang fender sebesar 3.4Ton, gaya geser dasar akibat beban gempa akan sangat kecil. Oleh karena itulah pada analisa gaya geser dasar, beban yang digunakan adalah beban tiang fender ditambah dengan beban kapal pada saat bersandar pada tiang. Perhitungan beban gempa berdasarkan SNI Gempa 1726-2002 tercantum pada persamaan (5) berikut. (
)
(5)
dimana, V1 = gaya geser dasar akibat gempa C1 = nilai faktor respons gempa I
= faktor keutamaan struktur
R
= faktor redundansi gempa
W = berat struktur Besar gaya geser dasar yang dihasilkan dari persamaan diatas perlu dibandingkan dengan besar tahanan lateral tanah untuk mengetahui apakah tanah mampu menahan beban lateral gempa. Besar tahanan lateral bergantung pada lokasi fixity point tiang. Pemodelan struktur menggunakan SAP 2000 dilakukan dengan lima kombinasi pembebanan yang berbeda – beda tiap kasus. Lima kombinasi pembebanan yang digunakan pada pemodelan terdapat pada Tabel 3 berikut.
5
Tabel 3: Kombinasi Pembebanan Kombinasi Pembebanan COMB1
1.4 DL
1.4 W
COMB2
1.2 DL
1.0 G
COMB3
1.2 DL
1.2 B
COMB4
1.2 DL
1.6 B
COMB5
1.2 DL
1.2 M
1.2 M
1.2 W
1.0 G
Geometri struktur tiang yang dimodelkan dalam SAP 2000 dapat dilihat pada Gambar 2 dibawah ini.
Gambar 2: Geometri Struktur Tiang Fender
6
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil dari perhitungan beban yang bekerja pada tiang tercantum pada Tabel 4. Tabel 4: Beban Pada Tiang Beban
Unit
Nilai
FC (arus)
kN/m 1.31
FW (angin)
kN/m 0.075
FF (fender) kN
37.8
Fwave
2.5
kN
Dari hasil perhitungan, reaksi yang terjadi pada fender adalah sebesar 37.8kN sehingga ukuran fender yang dipilih adalah dengan diameter luar 1.3 meter dan tinggi 1.22 meter. Perhitungan reaksi dan momen pada tiang dilakukan untuk mengetahui besarnya tegangan izin tiang. Hasil perhitungan reaksi dan momen tiang pada kondisi high tide terdapat pada Tabel 5 dan Tabel 6 berikut. Tabel 5: Reaksi Tiang Gaya
Unit
Angin
kN/m 0.075
0.3
0.023
Arus
kN/m
1.31
9.2
12.05
2.5
9.2
2.5
Gelombang kN
Nilai
Luas area Besar
Mooring
kN
35.07
1
35.07
Berthing
kN
37.8
1
37.80
Rax(kN)
87.45
7
Tabel 6: Momen Tiang Gaya
Unit
Nilai
Luas area Besar
Angin
kN/m
0.08
0.3
0.44
Arus
kN/m
1.31
9.2
175.96
Gelombang kN
25.65
9.2
25.65
Mooring
kN
35.07
1.0
673.34
Berthing
kN
37.80
1.0
725.76
Mx(kN-m)
1601.17
Untuk simpangan maksimum yang terjadi pada struktur dapat diketahui dengan melakukan analisa dinamik tiang. Besar simpangan maksimum yang terjadi dianalisa menggunakan sistem single degree of freedom dengan hasil seperti Gambar 3 dan Gambar 4 berikut.
Respons Dinamika 0.01
y(t)
0.005 0 0
10
20
30
40
50
-0.005 -0.01
t
Gambar 3: Respons Dinamika Tiang Kondisi 1
8
60
70
Respons Dinamika 0.03 0.02
y(t)
0.01 0 -0.01
0
10
20
30
40
50
60
70
-0.02
-0.03
t
Gambar 4: Respons Dinamika Tiang Kondisi 2 Pada Gambar 3 dapat diketahui bahwa simpangan struktur adalah sebesar 0.0085 meter. Simpangan sebesar ini terjadi dengan kondisi tanpa terdapat kapal yang bersandar kepada tiang. Sementara pada Gambar 4 ditunjukkan besar simpangan struktur pada kondisi ketika terdapat kapal yang bersandar pada tiang adalah sebesar 0.023 meter. Tegangan tiang pada kondisi 1 adalah sebesar 4.1kPa dan pada kondisi 2 adalah sebesar 11.1kPa. Analisa multi degree of freedom untuk continuous beam dengan menganggap massa terdistribusi secara merata disepanjang tiang sehingga memiliki frekuensi natural yang tidak terhingga. Lima node pertama memberikan nilai frekuensi natural seperti tertera pada Tabel 7. berikut. Tabel 7: Frekuensi Natural Untuk 5 Node Pertama n 1 2 3 4 5
Cn 15.41 49.97 104.25 178.27 272.03
an ωn 0.2 8.79 0.36 28.5 0.52 59.47 0.68 101.7 0.85 155.19
φn -0.18 -0.29 -0.39 -0.48 -0.56
Dengan menggunakan frekuensi natural pada node pertama didapatkan nilai dynamic amplification factor sebesar 1.01. Sehingga dengan mengalikan simpangan statis struktur didapatkan besar simpangan maksimum struktur adalah sebesar 0.008 meter. Momen yang bekerja pada tiang adalah sebesar 12.87kN-m dan tegangan yang terjadi akibat momen tersebut adalah sebesar 3.89kPa. Masa layan struktur (fatigue life) tiang fender dengan beban siklik berupa beban gelombang dapat bertahan selama 19 tahun. Analisa fatigue life ini menggunakan metoda deterministik sederhana dimana beban yang bekerja hanya berupa beban gelombang tanpa ada beban tumbukkan kapal pada tiang dan tidak ada pengurangan masa layan akibat vortex induced vibration. Jenis vortex yang timbul akibat arus yang melalui tiang fender adalah jenis 9
boundary layer transition to turbulent dengan nilai bilangan Strouhal sebesar 0.22 dan besar frekuensi vortex shedding adalah 0.72 rad/s. Frekuensi ini tidak sama dengan frekuensi natural struktur tiang fender sehingga dapat disimpulkan tidak ada resonansi yang terjadi pada tiang akibat adanya vortex shedding. Masa layan struktur (fatigue life) akibat vortex shedding adalah 13 tahun. Hasil perhitungan masa layan struktur akibat vortex shedding lebih kecil daripada masa layan struktur akibat beban gelombang. Hal ini dapat disebabkan karena frekuensi vortex shedding lebih kecil daripada frekuensi gelombang.
Dari hasil pemodelan menggunakan SAP 2000 besar reaksi dan momen yang terjadi pada tiang akibat kombinasi pembebanan tidak terlampau jauh dari hasil perhitungan manual. Untuk mengetahui hasil dari pemodelan struktur menggunakan SAP 2000 dapat dilihat pada Tabel 8 dan Tabel 9 berikut ini. Tabel 8: Reaksi Tiang Menggunakan Pemodelan SAP 2000 TABLE: Joint Reactions Joint
OutputCase
CaseType
StepType
F1
F2
F3
M1
Text
Text
Text
Text
KN
KN
KN
KN-m
5
COMB3
Combination
Max
0.936
87.82
40.606
2111.1957
5
COMB3
Combination
Min
-0.936
-117.104
40.606
1685.1096
Tabel 9: Unity Check Ratio TABLE: Steel Design 1 - Summary Data - AISC-LRFD93 Frame DesignSect DesignType Text 3
Text PILE
Text Column
Status
Ratio
RatioType
Combo
Location
Text
Unitless
Text
Text
m
No Messages 0.686639 PMM
COMB5
0
Dapat dilihat pada Tabel 8 reaksi maksimum yang terjadi pada tiang adalah sebesar 87.82kN sementara besar momen maksimum yang terjadi adalah 2111.19kN-m. Reaksi maksimum terjadi pada saat kondisi pembebanan kombinasi ketiga. Pada Tabel 9 dapat diketahui besar unity check ratio adalah 0.68 dan terjadi pada kondisi pembebanan kombinasi kelima. Nilai dari unity check ratio masih lebih kecil daripada 1 sehingga dapat disimpulkan struktur aman terhadap kombinasi pembebanan yang bekerja.
10
SIMPULAN DAN SARAN Dari hasil studi kasus sederhana dan pemodelan menggunakan SAP 2000 dapat disimpulkan sebagai berikut. 1. Dari hasil pengecekan terhadap maximum bending moment, tegangan geser, dan kapasitas lateral akibat beban – beban horizontal yang bekerja pada struktur, dapat disimpulkan bahwa secara keseluruhan struktur tiang fender di Teluk Bintuni aman terhadap kegagalan struktur. 2. Beban horizontal terbesar yang berpengaruh terhadap struktur adalah beban berthing. 3. Jenis fender yang dipilih adalah jenis donut fender dengan diameter luar 1.3 meter dan tinggi fender 1.22 meter. 4. Dari hasil perhitungan kapasitas lateral tanah diperoleh kedalaman fixity point adalah sedalam 6 meter dari seabed. Dengan kedalaman tersebut cukup memberikan ketahanan lateral terhadap berbagai kombinasi pembebanan yang terjadi pada struktur. 5. Dari hasil analisa dinamika struktur derajat tunggal didapatkan simpangan maksimum struktur pada saat kondisi pertama adalah sebesar 0.0085 meter. Sementara pada saat kondisi kedua, simpangan maksimum yang terjadi pada struktur adalah 0.023 meter. Analisa tegangan untuk kekuatan struktur pada kondisi single degree dan multi degree masih dalam ambang batas aman yaitu sebesar 4.1kPa dan 11.1kPa. 6. Berdasarkan hasil perhitungan masa layan atau fatigue life secara deterministik didapatkan masa layan struktur adalah selama 19 tahun. 7. Vortex terbentuk di belakang struktur akibat aliran arus air dengan frekuensi vortex shedding sebesar 0.72rad/s. Frekuensi akibat vortex shedding ini tidak sama dengan frekuensi alami struktur. Sehingga dapat disimpulkan struktur tidak beresonansi terhadap pengaruh vortex shedding. Dari hasil perhitungan masa layan struktur didapatkan masa layan struktur akibat pengaruh vortex shedding adalah 13 tahun. 8. Hasil pemodelan struktur menggunakan software SAP 2000 dapat disimpulkan bahwa tegangan yang terjadi pada struktur ini masih dalam rentang dibawah tegangan batas yang diijinkan. Hal ini dapat dilihat dari nilai unity check ratio struktur yang masih lebih kecil daripada 1 dari hasil pemodelan menggunakan software SAP. Hasil pemodelan struktur dari studi kali ini dapat digunakan untuk diterapkan dalam keadaan sebenarnya. Namun, perlu dilakukan cross check kembali terhadap beban gempa yang bekerja pada struktur dan kombinasi pembebanan karena pada perhitungan momen tiang terdapat perbedaan pada hasil pemodelan dengan perhitungan manual. Masa layan struktur tidak cukup ditentukan dengan metoda deterministik sederhana seperti yang sudah dilakukan pada Tugas Akhir ini namun juga memerlukan studi mendalam agar mendapatkan hasil yang lebih tepat. Agar hasil lebih akurat lagi dapat ditambahkan pengaruh kapal yang menumbuk tiang fender.
11
DAFTAR PUSTAKA Dean, R. dan Dalrymple, R., Water Wave Mechanics For Engineers and Scientists, 2nd Edition, Routledge, Singapore, 1984 Paz, Mario, Structural Dynamics Theory And Computation, Van Nostrand Reinhold Environmental Engineering Series, Canada, 1980 The Overseas Coastal Area Development Institute of Japan (OCDI), Technical Standards For Port And Harbour Facilities in Japan, Daikousha Printing Co. Ltd., Tokyo Japan, 2002 SNI – 1726 – 2002, Standar Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur Bangunan Gedung, Badan Standarisasi Nasional., Jakarta, 2002
12
