PERKIRAAN UMUR KONSTRUKSI KAPAL DENGAN ANALISA FATIGUE : STUDI KASUS PADA KAPAL BULK CARRIER DWT. Martinno Pramudito *1, Ir.Soeweify,M

PERKIRAAN UMUR KONSTRUKSI KAPAL DENGAN ANALISA FATIGUE : STUDI KASUS PADA KAPAL BULK CARRIER 42.000 DWT Martinno Pramudito*1, Ir.Soeweify,M.Eng*2, 1

Mahasiswa Jurusan Teknik Perkapalan FTK-ITS 2 Dosen Jurusan Teknik Perkapalan FTK-ITS *E-mail: [email protected]

ABSTRAK IACS (International Association of Classification Societies) telah mempublikasikan regulasi terbaru untuk konstruksi kapal tanker dan bulk carrier yaitu Common Structural Rules (CSR) sejak Januari 2006. Pada regulasi ini banyak hal baru yang diberlakukan dalam pembangunan konstruksi kapal, diantaranya pembebanan yang diaplikasikan lebih ekstrim daripada regulasi konvensional yang ada dikarenakan regulasi ini merupakan gabungan dari regulasi yang dibuat oleh beberapa class. Dalam tugas akhir ini yang dijadikan sebagai studi kasus adalah kapal Bulk Carrier 42.000 DWT yang dibangun menggunakan regulasi konvensional untuk dianalisis tegangan fatigue menggunakan software MSC Patran sebagai pre processor dan software MSC Nastran sebagai processor. Lalu digunakan metode Damage Tolerance untuk menghitung fatigue life dari kapal tersebut. Hasil dari penelitian ini adalah umur konstruksi kapal kurang dari 25 tahun pada beberapa bagian konstruksinya. Hal ini dikarenakan besarnya tegangan yang terjadi pada pelat yang dianalisa lebih besar karena CSR memberlakukan faktor pengurangan tebal pelat akibat korosi sehingga ketebalan pelat yang dianalisa menjadi lebih tipis. Selain itu kapal ini dibangun menggunakan regulasi konvensional, jadi desain struktur konstruksinya tidak sekuat apabila menggunakan regulasi CSR, untuk itu perlu adanya penebalan pelat dan penguatan pada beberapa bagian konstruksinya. Kata kunci : Fatigue life dengan damage tolerance

1. Pendahuluan Dalam membangun sebuah kapal maupun membeli kapal baru ataupun bekas, perlu dilakukan perhitungan umur konstruksi kapal sebagai pertimbangan dalam berinvestasi pada kapal tersebut. Salah satu cara perhitungan umur konstruksi kapal adalah dengan analisa fatigue. Beberapa class sudah mengeluarkan perhitungan fatigue ini, namun ada pula regulasi lain yang dapat dipakai yaitu Common Structural Rules (CSR) yang dibuat oleh IACS (International Association of Classification Societies). IACS telah mempublikasikan regulasi terbaru untuk konstruksi kapal tanker dan bulk carrier yaitu Common Structural Rules (CSR) sejak Januari 2006. Regulasi ini terbagi menjadi dua yaitu Joint Tanker Project yaitu regulasi untuk kapal tanker dan Joint Bulk Carrier Project untuk kapal bulk carrier. Pada regulasi ini banyak hal baru yang diberlakukan dalam pembangunan konstruksi kapal, diantaranya pembebanan yang diaplikasikan lebih ekstrim daripada regulasi konvensional yang ada dikarenakan regulasi ini merupakan gabungan dari regulasi yang dibuat oleh beberapa class. Selain itu banyak aturan baru yang lebih ketat yang diterapkan dalam regulasi ini seperti diterapkannya perhitungan life time kapal sampai 25 tahun dan penerapan Finite Element Analysis sebagai persyaratan dalam menganalisa kekuatan konstruksi kapal. Dalam tugas akhir ini akan disimulasikan perhitungan tegangan konstruksi kapal dengan menggunakan Finite Element Analysis yang sesuai dengan aturan CSR dan dilanjutkan dengan perhitungan fatigue damage menggunakan metode Damage Tolerance sehingga kita bisa mengetahui perkiraan umur kapal. Untuk itu kapal yang dijadikan sebagai studi kasus adalah kapal Bulk Carrier 42.000 DWT yang telah dibangun oleh PT.PAL.

2. Dasar Teori dan Tinjauan Pustaka 2.1

Umum

Secara umum perhitungan fatigue pada regulasi CSR untuk Bulk Carrier ini hanya dipakai pada kapal Bulk Carrier dengan panjang (L) minimal 150 m dan dirancang untuk berlayar didaerah perairan Samudra Atlantik utara (North Atlantic) dengan desain life time untuk 25 tahun. Sedangkan material yang dipakai pada kapal yang akan dianalisa mempunyai tegangan yield minimum 400 N/mm2. Analisa fatigue pada regulasi ini merupakan fungsi dari beban akibat beban gelombang air laut (cycles induced by wave load). Sedangkan analisa fatigue akibat getaran tidak termasuk kedalam bahan perhitungan. 2.2

Kondisi Pembebanan

Setiap kondisi pembebanan terbagi lagi menjadi beberapa load case H, F, R, dan P. Load case berhubungan langsung dengan ekuifalen desain gelombang atau Equivalent Design Wave (EDW) yang terdiri dari empat macam kondisi yaitu : (CSR Chapter 4, Section 4, 1.2.1)  EDW ”H” adalah kondisi dimana gelombang reguler yang berlawanan dengan arah layar kapal menyebabkan vertikal bending momen maksimum.  EDW ”F” adalah kondisi dimana gelombang reguler yang searah dengan arah layar kapal menyebabkan vertikal bending momen maksimum.  EDW ”R” adalah kondisi dimana gelombang reguler mengakibatkan roll maximum.  EDW ”P” adalah kondisi dimana gelombang reguler mengakibatkan tekanan hidrostatik pada garis air maksimum. Di setiap kondisi pembebanan yaitu ”homegen (homogeneus)”, ”alternatif (alternate)”, ”balas normal (normal ballast)” dan ”balas penuh (heavy ballast)” dipengaruhi oleh ekifalen desain gelombang atau equivalent design wafe (EDW) yaitu besarnya harga gaya tekan yang diterima konstruksi kapal (hull girder) akibat respon dari gelombang air laut. Detail dari setiap load case H, F, R, dan P seperti dijelaskan dibawah ini : a) ”H1” dan ”H2” adalah equivalent design wave ”H” (Head Sea) b) ”F1” dan ”F2” adalah equivalent design wave ”F” (Following Sea) c) ”R1” dan ”R2” adalah equivalent design wave ”R” (Beam Sea) d) ”P1” dan ”P2” adalah equivalent design wave ”P” (Beam Sea) Load case merupakan pendefinisian respon EDW terhadap lambung kapal (hull girder). Sedangkan definisinya terhadap gerak kapal dapat dilihat pada tabel 2.2.2.3. Sebagai catatan dalam hal pemodelan finite element apabila pada desain load case R1, R2, P1, P2 tidak simetris maka pemodelan dilakukan utuh dari portside hingga starboard. (CSR Chapter 8, Section 1, 2.1.1) Pembebanan pada lambung kapal (hull girder load) dan percepatannya terhadap gerak kapal dipengaruhi oleh load case H1, H2, F1, F2, R1, R2, P1, dan P2. Oleh karena itu dalam perhitungannya perlu dikalikan dengan faktor pengali yang berupa faktor kombinasi beban. Harga dari LCF dapat dilihat pada tabel . Selain pembebanan pada lambung, vertical bending momen pada kondisi air tenang juga dihitung dengan mengalikan LCF. Untuk mempermudah dalam perhitungan maka loading condition ”homogeneus”, ”alternate”, ”normal ballast” dan ”heavy ballast” ditandai dengan notasi (k), sedangkan load case disetiap loading condition diberi tanda notasi (i1) untuk H1, F1, R1 dan P1 untuk H2, F2, R2, dan P2 diberi notasi (i2). 2.3

Lokasi perhitungan fatigue

Bagian konstruksi yang akan dianalisa dalam perhitungan fatigue adalah bagian yang mana fatigue crack akan teridentifikasi. Bagian tersebut merupakan sambungan konstruksi di berbagai

tempat yang telah ditentukan oleh regulasi CSR. Bagian-bagian tersebut dsebut dengan hot spot dan akan menjadi subjek dalam menganalisa perhitungan fatigue selanjutnya.

2.4

Damage Tolerance

Dalam analisa fatigue pada tugas akhir ini digunakan metode Damage Tolerance dengan rumus seperti dibawah ini : (Elementary Engineering Fracture Mechanic,Chapter1,1.9)

-10 Dimana C dan n adalah konstanta. C diambil harga C = 6,17x10 dan n biasanya bervariasi dari 2 sampai 4, diambil n = 3. Dari rumus diatas akan didapatkan analisa tegangan berupa N cycle dari suatu konstruksi kapal.

2.5

Kriteria Fatigue dan Life time

Kriteria fatigue pada CSR-JBP didesain untuk umur pemakaian dua puluh lima tahun. Sehingga desain kriteria fatigue damage adalah tidak boleh kurang dari dua puluh lima tahun, artinya fatigue damage yang dihitung harus memenuhi kriteria sebagai berikut : (CSR Chapter 8, Section 2, 4.1)

D   D j  1 .0 j

Dimana : : fatigue damage pada desain pembebanan, dalam analisa Damage Tolerance disebut Dj juga dalam notasi N. Maksudnya apabila harga Dj < dari 1.0 maka kapal mempunyai umur konstruksi lebih dari dua puluh lima tahun artinya kriteria tersebut dapat diterima, sedangkan Dj > 1.0 maka bagian konstruksi tersebut mempunyai umur kurang dari dua puluh lima tahun yang artinya kriteria tersebut ditolak. Life time =

25 tahun D

Dalam Common Structural Rules untuk kapal tanker ditentukan bahwa area yang dinyatakan sebagai area kritis ( Hot Spot Areas) ada 3, yaitu [Appendix C of JTP Common Structural Rules, 2006].

3. Analisa Dari setiap kondisi H, F, R, dan P pada sub bab sebelumnya, diambil salah satu tegangan yang terbesar, lalu tegangan tersebut dihitung N cycle konstruksi dengan metode Damage Tolerance untuk tegangan pada pelat awal retak terjadi dan pelat pengikutnya. Perhitungannya sebagai berikut : (Elementary Engineering Fracture Mechanic, Chapter1, 1.9)

Retak awal diambil 0,5 mm dan batas retak maksimal diambil 30% dari lebar pelat pengikutnya. C -10 dan n adalah konstanta, C diambil harga C = 6,17x10 dan n biasanya bervariasi dari 2 sampai 4, diambil n = 3 yang bersumber dari Paris Equation. Dari perhitungan maka didapatkan dua hasil N cycle. N cycle disebut juga Dj , dari Dj yang telah didapatkan maka akan didapatkan umur kapal tersebut.

Langkah pertama dalam menghitung umur konstruksi kapal adalah dengan menghitung β terlebih dahulu. β dihitung terdiri dari dua bagian yaitu β1 untuk penjalaran retak awal dan β2 untuk penjalaran retak maksimum yang menyebabkan terjadinya patah pada struktur. Dari perhitungan Dj1 dan Dj2 diatas, maka dapat dicari umur konstruksi kapal dengan menggunakan rumus seperti dibawah ini : Life time =

25 tahun D

Kriteria fatigue pada CSR didesain untuk umur pemakaian dua puluh lima tahun. Sehingga desain kriteria fatigue damage adalah tidak boleh kurang dari dua puluh lima tahun, artinya fatigue damage yang di hitung harus memenuhi kriteria sebagai berikut : (CSR Chapter 8, Section 2, 4.1)

D   D j  1 .0 j

Maksudnya apabila harga Dj < dari 1.0 maka kapal mempunyai umur konstruksi lebih dari dua puluh lima tahun artinya kriteria tersebut dapat diterima, sedangkan Dj > 1.0 maka bagian konstruksi tersebut mempunyai umur kurang dari dua puluh lima tahun yang artinya kriteria tersebut ditolak.

Hasil umur konstruksi pada LC1

Notasi M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8

Members a b a b a b -

Inner bottom plating Inner side plating Transverse bulkhead

Δσ

Dj 1

Dj 2

total lifetime

337 298 147 147

2,03 1,83 0,63 0,63

6,94 3,59 5,76 4,31

16 21 44 45

231

1,03

16,72

26

231 231 163

0,98 1,09 0,71

16,72 22,35 9,44

27 24 38

Δσ

Dj 1

Dj 2

total lifetime

246 225 232 321

1,18 1,47 1,22 1,57

5,40 3,09 4,53 8,98

26 25 26 19

234

1,07

10,86

26

234 234 132

0,98 1,13 0,67

15,80 17,87 2,86

27 24 46

Δσ

Dj 1

Dj 2

total lifetime

131 185 86 110

0,57 0,77 0,50 0,53

20,38 8,59 11,53 20,06

45 35 52 49

228

1,01

10,05

27

228 152 112

1,00 0,70 0,54

10,72 6,37 15,31

27 40 48

Hold frames of single side bulk carriers Ordinary stiffeners in double side space Ordinary stiffeners in upper and lower wing tank Ordinary stiffeners in double bottom Hatch corners

Hasil umur konstruksi pada LC2

Notasi M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8

Members a b a b a b -

Inner bottom plating Inner side plating Transverse bulkhead Hold frames of single side bulk carriers Ordinary stiffeners in double side space Ordinary stiffeners in upper and lower wing tank Ordinary stiffeners in double bottom Hatch corners

Hasil umur konstruksi pada LC3

Notasi M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8

Members a b a b a b -

Inner bottom plating Inner side plating Transverse bulkhead Hold frames of single side bulk carriers Ordinary stiffeners in double side space Ordinary stiffeners in upper and lower wing tank Ordinary stiffeners in double bottom Hatch corners

Hasil umur konstruksi pada LC4

Members

Notasi M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8

a b a b a b -

Inner bottom plating Inner side plating Transverse bulkhead

Δσ

Dj 1

Dj 2

total lifetime

179 159 144 334

0,73 0,67 0,62 1,83

20,80 10,91 10,83 10,11

35 40 43 16

313

1,31

20,80

20

313 233 142

1,30 0,98 0,62

20,80 17,64 20,80

20 27 42

Hold frames of single side bulk carriers Ordinary stiffeners in double side space Ordinary stiffeners in upper and lower wing tank Ordinary stiffeners in double bottom Hatch corners

Dari perhitungan diatas dapat dilihat bahwa umur konstruksi kapal Bulk Carrier 42.000 DWT pada beberapa bagian tidak memenuhi persyaratan regulasi Common Structural Rules yang mempunyai rancangan konstruksi 25 tahun, terutama pada kondisi Full Load (LC1). Hal ini disebabkan regulasi yang dipakai adalah regulasi konvensional sehingga desain konstruksinya tidak sekuat apabila menggunakan regulasi CSR. Selain itu, hal lain yang mempengaruhi adalah besarnya tegangan yang terjadi pada pelat yang dianalisa lebih besar karena CSR memberlakukan faktor pengurangan tebal pelat akibat korosi sehingga ketebalan pelat yang dianalisa menjadi lebih tipis dan tegangan menjadi lebih besar. Untuk itu dapat dilakukan penebalan pelat sehingga tegangan yang terjadi menjadi lebih kecil. Selain hal diatas, untuk mengurangi tegangan pada beberapa bagian seperti pada bracket dapat digunakan model bracket seperti dibawah ini :

Gambar : Contoh bracket Dengan bracket seperti pada gambar diatas diharapkan tegangan pada daerah tersebut dapat berkurang sehingga umur konstruksinya lebih lama.

4. Kesimpulan Dari hasil data, setelah dilakukan perhitungan dan analisa tentang perkiraan umur konstruksi pada kapal Bulk Carrier “Cendana” 42.000 DWT maka dapat diketahui bahwa : 1. Life time kapal sebagian besar memenuhi kriteria regulasi CSR yang mempunyai rancangan konstruksi hingga 25 tahun, namun ada beberapa bagian yang tidak memenuhi kriteria regulasi CSR. 2. Besarnya tegangan yang terjadi pada pelat yang dianalisa lebih besar karena CSR memberlakukan faktor pengurangan tebal pelat akibat korosi sehingga ketebalan pelat yang dianalisa menjadi lebih tipis. Untuk itu dapat dilakukan penebalan pelat sehingga tegangan yang terjadi menjadi lebih kecil. 3. Kapal Bulk Carrier 42.000 DWT dibangun menggunakan regulasi konvensional, jadi desain struktur konstruksinya tidak sekuat apabila menggunakan regulasi CSR, untuk itu perlu adanya penguatan dan perubahan pada beberapa bagian konstruksinya.

5. Daftar Pustaka IACS. 2006. "Joint Bulk Carrier Project". IACS Common Structural Rules for Bulk Carriers”. UK, 1 Januari 2006. H.Cramer, Robert Ioseth & Kjell Olaisen, “Fatigue Assessment of Ship Structures”, Elsevier, 1994. Broek, David, “Elementary Engineering Fracture Mechanics”, Martinus Nijhoff Publishers, 1987. Gary E. Horn, Yung K. Chen, Jack M, Chen. “Safehull Fatigue Assessment of Ship Structural Details1”.American Bureau of Shipping 1999, New York, NY, 1 Inge Lotsberg, 8 August 2005. “Assessment of fatigue capacity in the new bulk carrier and tanker rules”. 18, 2:97-113. Hughes, F. Owen.1983. “Ship Structural Design”. New York: John Wiley & Son.