STUDI TENTANG PENGARUH LEDAKAN 3 BAHAN PELEDAK BERKEKUATAN TINGGI PADA DINDING KONKRET BERTULANG Disusun oleh : Danny Ferdiansyah 2107 100 177 Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Agus Sigit Pramono, DEA.
Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Air Blast Direct GroundShock
Primary Fragment
Heat
Efek yang ditimbulkan dari suatu ledakan menurut L. J. Van Der Meer
1
2
3
Bagaimana memodelkan, menyimulasikan, serta mendapatkan profil ledakan Ammonium Nitrate and Fuel Oil (ANFO) dan Trinitrotoluene (TNT) dengan massa keduanya sekitar 0,5 kg pada jarak 1,5 m antar permukaan dinding dan pusat massa bahan peledak
Bagaimana mengetahui dan mendapatkan besar peak pressure serta grafik hubungan pressure-time yang terukur dari gauge tertentu yang timbul akibat ledakan ANFO dan TNT dengan massa sekitar 0,5 kg serta ledakan 1 kg & 3,5 kg Pentaerythritol Tetranitrate (PETN)
Bagaimana mendapatkan visualisasi kondisi Reinforced Concrete Wall setelah menerima beban ledak dari 1 kg dan 3,5 kg PETN pada jarak 40 mm dengan dimensi tebal x panjang x lebar yaitu 50 x 600 x 600 mm dan 50 x 1200 x 1200 mm
Ruang Lingkup dan Batasan Masalah Ledakan terjadi di medium udara Ledakan yang terjadi bersifat fully initiated (meledak secara sempurna dan keseluruhan pada waktu yang sama, sehingga proses pembakaran atau deflagrasi diabaikan) Udara dimodelkan sebagai gas ideal Kandungan material bahan peledak bersifat homogen Material pembungkus bahan peledak tidak dimodelkan Referensi nilai dari properties udara berdasarkan kondisi tekanan udara (P0) 1 atm dan temperatur 288 K (15oC). Nilai properties model diambil dari properties yang ada di library dari software yang digunakan kemudian dilakukan pengeditan sesuai dengan ketentuan. Material dinding konkret berupa CONC-35MPA dengan perubahan nilai kekuatan sesuai model eksperimen dan struktur mikro dari material diasumsikan homogen. Material penguat berupa STELL 4340 (untuk model dinding dengan peledak PETN, ANFO dan TNT) dengan perubahan nilai kekuatan sesuai model eksperimen dan struktur mikro dari material diasumsikan homogen
1
Memvalidasi hasil model ledakan dari hasil eksperimen penelitian ledakan yang telah ada
2
3
Menganalisa parameter hasil ledakan berupa pressure yang mampu dibangkitkan dari ledakan bahan peledak Ammonium Nitrate and Fuel Oil (ANFO) dan Trinitrotoluene (TNT) dengan massa keduanya sekitar 0,5 kg pada jarak 1,5 m antar permukaan dinding dan pusat massa bahan peledak terukur pada gauge /sensor yang telah ditentukan
Menganalisa dan menjelaskan kerusakan permukaan dinding konkret bertulang sebagai pengaruh ledakan 1 dan 3,5 kg PETN pada jarak 40 mm antar permukaan bahan peledak relatif terhadap permukaan dinding
Memberikan informasi mengenai desain bahan terkait pemilihan, ketebalan, dan struktur material sebagai informasi pendukung untuk rancangan struktur yang tahan terhadap beban ledak dari parameter hasil yang diperoleh melalui simulasi software
Manfaat
Hasil tugas akhir ini bisa dijadikan referensi dalam penelitianpenelitian selanjutnya mengenai ledakan dan pengaruhnya
PENELITIAN TERDAHULU B. Riisgard melakukan eksperimen ledakan jarak dekat dengan rincian sebagai berikut Pane Dimensi [mm] l
Berat PETN (berat ekivalen TNT) [kg]
Jarak * [mm]
Jarak** [mm]
1
50 x 600 x 600
1 (1,3)
40
85
2
50 x 1200 x 1200
3,5(4,5)
40
126
* Jarak permukaan bawah bahan peledak dengan permukaan atas panel **Jarak centre bahan peledak dengan permukaan atas panel
Pengaturan eksperimen ledakan 50x1200x1200 mm /3,5 kg PETN
PENELITIAN TERDAHULU J. H. J. Kim et al. melakukan eksperimen ledakan 0,5 kgTrinitrotoluene (TNT) dan Ammonium Nitrate and Fuel Oil (ANFO) berjarak 1,5 m dari permukaan dinding konkret berdimensi 1000 x 1000 x 150 mm
DASAR TEORI Pressure & Temperatur Tinggi
• Ledakan terjadi karena : proses Kimia, Fisika, atau Nuklir • Perubahan Material Bahan Peledak, Solid/Cair => Gas • Energi Dalam yang Terlepas • Terbentuknya Gelombang Ledak (High-pressure wave) • Interaksi Produk Hasil Ledakan menyerupai “moving wall” & bergerak dengan kecepatan D
D = CCJ+ (Up)CJ CCJ : kecepatan suara pada gas yang terkompresi (Up) : kecepatan partikel
Berat Ekivalen TNT Energi yang dikeluarkan suatu material bahan peledak relatif terhadap TNT, bisa dinyatakan sebagai fungsi heat of detonation material tersebut WE : Berat TNT : Berat bahan peledak yang lain WEXP HEXP : Heat of detonation bahan peledak lain HTNT : Heat of detonation TNT Bahan Massa Jenis (ρ) Peledak [g/cc]
Heat of Combustion (Q) [MJ/kg]
CJ velocity [km/s]
CJ Pressure [kBar]
TNT
1,6
4,52
6,7
210
RDX
1,65
5,36
8,7
340
HMX
1,9
5,68
9,1
390
C6H14
0,66
45
1,8
0,018
H2
8,2.10-5
100
1,97
0,015
(Baker et el.,
Scaled Distance scaled distance merupakan skala perbandingan antara jarak dan berat bahan peledak yang merupakan skala linier yang bisa menggambarkan parameter hasil yang saling berhubungan dengan skala faktor tertentu
(Smith, 1994) Z : Scaled Distance (ft/lb1/3) R : Jarak struktur dari sumber ledakan (ft) W : Berat TNT-Ekuivalen bahan peledak (lb)
Struktur Gelombang Ledak
Po : Ambient Pressure Ps+ : Positive Peak Overpressure (Fase positif dari gelombang ledak) Ps- : Partial Vacuum (Fase negatif dari gelombang ledak) ta : Waktu awal terbentuknya gelombang ledak td+ : Durasi fase positif gelombang ledak td- : Durasi fase negatif gelombang ledak p(t) : Pressure-time history gelombang ledak
METODE PENELITIAN Studi Literatur dan Pengumpulan Data Pemodelan, Penerapan Variasi, dan Simulasi Model Plotting Hasil Simulasi Verifikasi dan Validasi Hasil Analisa Hasil Simulasi Kesimpulan
Flowchart Pemodelan & Simulasi Ledakan 2D
Flowchart Pemodelan Dinding Konkret Bertulang
Flowchart Pemodelan & Simulasi Ledakan 3D
HASIL DAN PEMBAHASAN
expansi ledakan berupa pressure dan blast wave berbentuk bola (spherical explosion) mulai dari initial condition (jarak 1,5 m antar pusat bahan peledak dengan permukaan dinding) hingga mencapai permukaan dinding terjadi pada rentang waktu yang sangat singkat, yaitu: • sekitar 0,34 / 0,35 ms (untuk ANFO secara 3D) dan 0,7 ms (untuk ANFO secara 2D) • sekitar 0,27 ms (untuk TNT secara 3D) dan 0,9 ms (untuk TNT secara 2D)
Profil ledakan TNT identik dengan ANFO
HASIL DAN PEMBAHASAN Perbandingan free field pressure dan reflected pressure maksimum hasil ekperimen dengan hasil simulasi (a = 3D; b = 2D) EKSPERIMEN
Charge
SIMULASI
TNT massa
ANFO massa
TNT massa sekitar
ANFO massa
sekitar 0,5 kg
sekitar 0,5 kg
0,5 kg
sekitar 0,5 kg
Center (Mpa)
NR*
21,23
40,587a/ 43,743b
35,029a / 32,674b
230 mm (Mpa)
NR*
26,58
31,708a / 30,924b
28,491a / 28,44b
Peak overpressure
0,306
0,25
0,60286b
0,52304b
Reflected Pressure Free field Pressure
Ledakan ANFO (bagian tengah permukaan atas dinding)
2D
Initial time : 0,55 ms Peak pressure : 21,23 MPa Lama interaksi : 1 ms
Initial time : 0,7 ms Peak pressure : 32,674 Mpa Lama interaksi : 1,5 ms
3D Initial time : 0,34 ms Peak pressure : 35,029 Mpa Lama interaksi : 0,03 ms
Perbandingan free field pressure dan reflected pressure maksimum hasil ekperimen dengan hasil simulasi (a = 3D; b = 2D) EKSPERIMEN
Charge
TNT massa
ANFO massa
TNT massa sekitar
ANFO massa
sekitar 0,5 kg
sekitar 0,5 kg
0,5 kg
sekitar 0,5 kg
Center (Mpa)
NR*
21,23
40,587a/ 43,743b
35,029a / 32,674b
230 mm (Mpa)
NR*
26,58
31,708a / 30,924b
28,491a / 28,44b
Peak overpressure
0,306
0,25
0,60286b
0,52304b
Reflected Pressure Free field Pressure
SIMULASI
Ledakan ANFO (free field pressure / 5m horizontal)
2D Initial time : 4,8 ms Peak pressure : 0,25 MPa Durasi fase (+) : 3,2 ms Durasi fase (-) : 10 ms
Initial time : 4,5 ms Peak pressure : 0,52304 MPa Durasi fase (+) : 3,5 ms Durasi fase (-) : 7 ms
Perbedaan bisa disebabkan oleh: 1. properties standar bahan peledak 2. Meshing tidak relevan
Perbandingan free field pressure dan reflected pressure maksimum hasil ekperimen dengan hasil simulasi (a = 3D; b = 2D) EKSPERIMEN
Charge
TNT massa
ANFO massa
TNT massa sekitar
ANFO massa
sekitar 0,5 kg
sekitar 0,5 kg
0,5 kg
sekitar 0,5 kg
Center (Mpa)
NR*
21,23
40,587a/ 43,743b
35,029a / 32,674b
230 mm (Mpa)
NR*
26,58
31,708a / 30,924b
28,491a / 28,44b
Peak overpressure
0,306
0,25
0,60286b
0,52304b
Reflected Pressure Free field Pressure
SIMULASI
Ledakan TNT
2D
bagian tengah permukaan atas dinding
Free field pressure (5m horizontal)
2D Peak pressure : 43,743 Mpa Initial time : 0,9 ms Lama interaksi : 1,2 ms
3D
3D Peak pressure : 40,587 Mpa Initial time : 0,27 ms Lama interaksi : 0,03 ms
2D
Initial time : 3 ms Peak pressure : 0,98664 MPa Durasi fase (+) : 4 ms Durasi fase (-) : 8 ms
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan pressure yang mampu dibangkitkan dari ledakan ANFO & TNT (0,5 kg) dan 1 & 3,5 kg PETN secara teoritis PERMUKAAN BAGIAN TENGAH FREE FIELD PRESSURE DINDING
(5 m dari titik ledak)
1 kg
3,5 kg
0,5 kg
0,5 kg
0,5 kg
0,5 kg
PETN
PETN
TNT
ANFO
TNT
ANFO
R [m]
0,0941
0,12228
1,5
1,5
5
5
W [kg]
1,282
4,487
15,87573295
12,70058636
15,87573295 12,70058636
0.596824529
0,642909735
1,989415097 2,143032449
23,48105
19,7414
1,9481
1,73
Not Record
21,23
0,306
0,25
2D
2D
0,60286
0,52304
Z (Scaled Distance)
0,086621749 0.074137296
Persamaan Kinnery and Graham (TEORITIS) [MPa]*
3822,962
EKSPERIMEN [MPa] Principal Stress SIMULASI
Mode
[MPa]
RHT Concrete Mode
4328,2856
2090,8
> 4000
2D
3D
2126
2870
43,743
40,587
2D
3D
32,674 35,029
KESIMPULAN 2
1 Tren grafik pressure-time yang dibentuk melalui simulasi secara 2D, 3D dan melalui pengukuran eksperimen hampir sama dengan tren grafik pressure-time ledakan yang ideal, namun grafik pressure-time hasil simulasi secara 3D tidak relevan dibandingkan dengan simulasi secara 2D dan melalui eksperimen dilihat dari durasi fase positif dan negative yang terekam. Hal ini menunjukan bahwa simulasi secara 2D lebih relevan dalam menggambarkan tren grafik hasil ledakan dibandingkan dengan simulasi secara 3D
Respon struktur terhadap beban ledak dipengaruhi oleh beberapa faktor termasuk massa dan jenis bahan peledak; ukuran, properties, dan orientasi bentuk struktur; jarak ledak terhadap sasaran; serta bentuk dan jenis permukaan / ground
SARAN 1.
Perlu dicari data / referensi terbaru terkait properties bahan peledak TNT, ANFO, dan PETN
3
Hasil kerusakan permukaan dinding melalui simulasi ledakan tidak bisa memodelkan kerusakan dinding yang sesuai dengan hasil eksperimen
2.
Verifikasi hasil kerusakan sebaiknya ditentukan dengan parameter berupa tegangan maksimal yang diterima dari material objek (dinding konkret bertulang
3.
Hasil kerusakan permukaan dinding melalui simulasi tidak bisa memodelkan kerusakan dinding yang sesuai dengan eksperimen karena model yang sederhana.
