Analisa Tegangan Geladak Kapal Tanker

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

1

Abstrak— Tugas akhir ini menganalisa tegangan yang

terjadi pada dua jenis konstruksi geladak kapal tanker

dengan menggunakan metode elemen hingga. Konstruksi

geladak jenis pertama, pembujur dan pelintang geladak di

daerah ruang muat dipasang di atas pelat geladak dan untuk

daerah lainnya dipasang di bawah pelat geladak. Konstruksi

geladak jenis kedua semua pembujur dan pelintang geladak

dipasang di bawah pelat geladak. Kapal yang dianalisa

menggunakan baja dengan grade A36. Pemodelan strukrur

geladak dilakukan menggunakan finite element sofware.

Kedua model geladak mempunyai ukuran struktur yang

sama. Perbedaan model terletak pada posisi pemasangan

penguat geladak saja. Kondisi batas yang diberikan terhadap

kedua model adalah tumpuan jepit dan tumpuan sederhana.

Beban yang bekerja pada geladak kapal tanker ini terdiri

dari beban deck (Pdeck), beban dinamis geladak (Pdk-dyn), dan

greensea loads (Pwdk-dyn). Tegangan maksimum yang terjadi

pada konstruksi geladak jenis pertama sebesar 5.16 x 109

N/m2, sedangkan pada konstruksi geladak jenis kedua sebesar

4.78 x 109 N/m

2. Tegangan maksimum pada kedua jenis

konstruksi terjadi pada lokasi yang sama yaitu di daerah

sekat depan kamar mesin. Perbedaan tegangan maksimum

antara kedua jenis konstruksi geladak relatif kecil

dibandingkan dengan tegangan ijin (σi). Dari analisa ini

disimpulkan bahwa konstruksi geladak jenis kedua lebih kuat

dibanding konstruksi geladak jenis pertama, kendati tidak

signifikan. Tegangan maksimum kedua jenis konstruksi

tersebut masih jauh di bawah tegangan yang diijinkan σi

(1.70 x 1011

N/m2).

Kata Kunci—Konstruksi Geladak, Metode Elemen Hingga,

Tegangan.

I. PENDAHULUAN

alah satu prinsip dalam merancang suatu konstruksi

teknik adalah menciptakan jenis konstruksi yang aman

dan efisien. Konsrtruksi yang aman adalah konstruksi yang

sesuai dengan peraturan yang berlaku dan mampu

digunakan sesuai dengan umur yang telah diperkirakan.

Konstruksi efisien adalah konstruksi yang mampu

memaksimalakan fungsi dan kegiatan yang berhubungan

dengan konstruksi tersebut.

Dalam bidang perkapalan juga telah banyak dilakukan

inovasi untuk menciptakan konstruksi kapal yang aman

dan efisien. Salah satunya adalah pemasangan pembujur

dan pelintang geladak di atas plat geladak. Hal ini

umumnya dilakukan pada kapal tanker. Pemasangan

pembujur dan pelintang seperti itu bertujuan untuk

memaksimalkan kapasitas ruang muat dan mempercepat

proses pembersihan tanki ruang muat. Namun hal ini

mempengaruhi posisi peletakan pembujur yang dapat

berpengaruh pada tegangan yang terjadi.

Pada tahun 2013, Ifah dalam penelitianya menganalisa

tegangan yang terjadi pada geladak kapal tanker

berdasarkan pengaruh lebar efektif konstruksi geladak [1].

Berdasarkan beberapa penjelasan dan penelitian

sebelumnya maka pada penelitian ini dilakukan analisa

tegangan yang terjadi akibat adanya perubahan letak posisi

pembujur dan pelintang geladak kapal tanker. Analisa

dilakukan dengan membandingkan tegangan dua jenis

konstruksi geladak dimana besar profile, pelat dan kondisi

pembebanan yang sama. Konstruksi geladak jenis pertama,

pembujur dan pelintang geladak di daerah ruang muat

dipasang di atas pelat geladak dan untuk daerah lainnya

dipasang di bawah pelat geladak. Konstruksi geladak jenis

kedua semua pembujur dan pelintang geladak dipasang di

bawah pelat. Dari perbandingan tegangan kedua jenis

konstruksi geladak tersebut maka diketahu konstruksi mana

yang lebih kuat dan seberapa signifikan pengaruh

perubahan posisi pembujur geladak terhadap tegangan yang

terjadi. Penelitian ini diharapkan akan memberikan bahan

pertimbangan tambahan kepada desainer kapal maupun

galangan sewaktu menentukan pilihan memasang pembujur

dan pelintang geladak di atas pelat geladak atau tetap

memasang di bawah pelat geladak.

Analisa Tegangan Yang Terjadi Pada Geladak

Kapal Tanker Akibat Pengaruh Perubahan Letak

Pembujur Geladak Dengan Metode Elemen

Hingga Johan Avianto, Asjhar Imron, Septia Hardy Sujiatanti

Jurusan Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia

e-mail: [email protected]

S


2

II. DASAR TEORI

A. Struktur

Sistem konstruksi adalah gabungan dari berbagai

konstruksi yang saling terhubung satu sama lain yang

membentuk satu kesatuan untuk menahan gaya yang

diterima sesuai dengan tujuan pembangunan sistem

tersebut. Sistem konstruksi pada geladak kapal tanker yang

menjadi objek dalam penelitian ini meliputi sistem

konstruksi memanjang dimana sebagian besar sistem

konstruksi dibentuk oleh profil dan plat.

Merancang struktur adalah tindakan menempatkan

unsur-unsur pokok dan merumuskan hubungan-hubungan

timbal baliknya dengan tujuan menanamkan karakter yang

diinginkan pada entitas struktur sebagai resultanya.

Gagasan bahwa unsur-unsur itu ditempatkan dan hubungan

itu berkaitan erat dengan setiap unsur-unsur, merupakan

konsep dasar merancang struktur [2].

B. Teori Elastisitas

Hampir semua bahan teknik memiliki sifat tertentu yaitu

elastisitas (elasticity). Apabila suatu bahan dikenai sebuah

gaya luar maka bahan tersebut akan mengalami perubahan

bentuk (deformation). Selama gaya yang dikenakan tidak

melebihi batas tertentu maka ketika kaya luar dihilangkan

bahan akan kembali ke bentuk semula. Secara umum dalam

penelitian ini dianggap benda yang mengalami gaya dari

luar benar-benar elastis sempurna (perfectly elastic), yaitu

benda kembali semula jika gaya luar dihilangkan [3].

C. Tegangan Dan Regangan Normal

Konsep paling dasar dalam mekanika bahan adalah

tegangan dan regangan. Efek-efek gaya dan momen yang

bekerja pada balok adalah (a) memberikan tekukan

(deflection) tegak lurus sumbu longitudinal batang, dan (b)

menghasilkan tegangan normal maupun geser pada setiap

penampang melintang batang yang tegak lurus sumbu

batang.

Besar tegangan rata-rata pada suatu bidang dapat

didefinisikan sebagai intensitas gaya yang bekerja pada

bidang tersebut. Sehingga secara matematis tegangan

normal rata-rata dapat dinyatakan sebagai berikut :

(2.1)

dimana :

ζ = Tegangan Normal rata-rata (N/m2)

P = Gaya yang bekerja (N)

A = Luas bidang benda (m2)

Suatu batang lurus akan mengalami perubahan panjang

apabiladibebani secara aksial, yaitu menjadi panjang jika

mengalami tarik dan menjadi pendek jika mengalami

tekan. Sesuai dengan konsep ini perpanjangan per satuan

panjang disebut dengan regangan [4].

Hubungan diatas jika ditulis dalam persamaan adalah

sebagai berikut :

(2.2)

dimana :

ε = Regangan

δ = Perpanjangan benda (m)

L = Panjang benda (m)

D. Metode Elemen Hingga

Energi itu adalah kekal dan jika aksi (energi) dilakukan

terhadap suatu materi, maka materi akan melakukan suatu

reaksi sebesar aksi tersebut. Reaksi dari pada materi ini

akan disebut dengan gaya dalam. Gaya dalam yang ada

dalam struktur didefinisikan yaitu: Gaya Normal, Gaya

Lintang, dan Gaya Momen yang akan mempengaruhi

bentuk fisik materi tersebut. Perubahan bentuk fisik materi

ini disebut dengan peralihan (displacement). Metode

elemen hingga adalah suatu metode pemaparan bagaimana

perjalanan aksi hingga timbul reaksi dalam materi, atau

metode untuk memperkirakan besar reaksi dan reaksi apa

yang timbul dari materi tersebut [5].

Persamaan metode elemen hingga secara umum adalah

sebagai berikut [6]:

{f} = [k] {d} (2.3) dimana:

{f} = Matrik Gaya

[k] = Matrik Kekakuan

{d} = Matrik Deformasi

E. Tegangan Dan Regangan Pada Benda Elastis

Pada formulasi elemen hingga untuk menganalisa

tegangan hubungan regangan – perpindahan sangat

penting. Perpindahanyang dilambangkan dengan u dan v

adalah fungsi dari koordinat u = u(x,y,z), v = v(x,y,z), w =

w(x,y,z) [3].

Hubungan regangan – perindahan secara umum

didefinisikan :

εx = ; εy = ; εz = (2.4)

Dimana u, v, dan w adalah translasi pada arah x, y, dan

z. Regangan geser γxy , γxy , dan lain-lain dinyatakn dalam

persamaan berikut :

γxy = + = γyx (2.5)

γyz = + = γzy (2.6)

γzx = + = γxz (2.7)


3

Hubungan tegangan – regangan untuk material isotropik

yang diturunkan dari teori elastisitas adalah :

εx = , γxy = (2.8)

εy = , γyz = (2.9)

εz = , γzx = (2.10)

dengan

G = (2.11)

dimana E = modulus young, G = modulus geser, dan υ =

rasio positions. Hubungan tegangan - regangan diatas dapat

dinyatakan sebagai matrik berikut :

ε = C ζ (2.12) dengan

C = (2.13)

Matriks C merupakan operator yang menghubungkan

vektor regangan ε dengan vektor tegangan ζ. Dan dengan

meng-invers persamaan sebelumnya didapatkan hubungan

tegangan – regangan seperti berikut ini:

ζ = E ε = C-1 ε (2.14) dimana

E = C-1 = (2.15)

Matriks E adalah operator yang menghubungkan vektor

tegangan ζ dengan vektor regangan ε.

F. Deformasi

Deformasi terjadi bila bahan mengalami gaya. Selama

deformasi, bahan menyerap energi sebagai akibat adanya

gaya yang bekerja. Sekecil apapun gaya yang bekerja, maka

benda akan mengalami perubahan bentuk dan ukuran.

Perubahan ukuran secara fisik ini disebut sebagai

deformasi. Deformasi ada dua macam, yaitu deformasi

elastis dan deformasi plastis. Deformasi elastis adalah

deformasi yang terjadi akibat adanya beban yang jika beban

ditiadakan, maka material akan kembali seperti ukuran dan

bentuk semula, sedangkan deformasi plastis adalah

deformasi yang bersifat permanen jika bebannya

dilepas[7].

G. Tumpuan

Sifat – sifat gaya reaksi yang timbul pada suatu benda

yang mendapat beban tergantung bagaimana benda tersebut

ditumpu atau bagaimana benda tersebut disambung dengan

benda lain. Ada beberapa pengondisian tumpuan pada

sebuah struktur. Pada umumnya tumpua yang sering kita

jumpai pada strukur adalah tumpuan jepit, roll dan

tumpuan sendi.

Tumpuan Rol hanya dapat menerima gaya dalam arah

tegak lurus Rol dan tidak mampu menahan momen. Jadi

tumpuan Rol hanya mempunyai satu gaya reaksi yang tegak

lurus dengan roll seperti pada gambar 1.

Gambar 1. Tumpuan Roll

Tumpuan sendi dapat menerima gaya dari segala arah

tetapi tidak mampu menahan momen. Dengan demikian

tumpuan sendi mempunyai dua gaya reaksi seperti pada

gambar 2. Dalam istilah mekanika bahan tumpuan ini juga

sering disebut dengan tumpuan ensel.

Gambar 2. Tumpuan Sendi

Tumpuan Jepit dapat menahan gaya dalam segala arah

dan dapat menahan momen. Dengan demikian tumpuan

jepit mempunyai tiga gaya reaksi sepertiyang terlihat pada

gambar 3.

Gambar 3. Tumpuan Jepit

Selain ketiga jenis tumpuan tersebut juga masih ada

beberapa jebis tumpuan lain seperti tumpuan sederhana dan

tumpuan kabel. Semua jenis tumpuan tersebut merupakan

suatu idealisasi dengan keadaan aktual yang berada pada

struktur.


4

III. METODOLOGI PENELITIAN

A. Data Kapal

Kapal yang digunakan sebagai acuan dalam penelitian ini

adalah kapal tanker double-hull 24000 DWT dengan satu

sekat memanjang, yang dibangun pada tahun 2004. Kapal

ini dibagun oleh galangan kapal PT. PAL Indonesia

(Persero). Struktur kapal ini mengacu pada regulasi klas di

bawah pengawasan badan klasifikasi Jepang (Class NK).

Displacement 24000 DWT

Length Overall 170 m

Length Construction 160.44 m

Breadth (Moulded) 27.4 m

Depth (Moulded) 13 m

Draft (Moulded) 8.5 m

Block Coefficient 0.781

B. Pemodelan Konstruksi Geladak

Pemodelan konstruksi geladak kapal tanker ini

menggunakan finite element software. Pemodelan suatu

konstruksi harus dibuat sedemikian rupa sehingga model

dapat mewakili kondisi yang sebenarnya. Secara umum

pemodelan sebuah konstruksi terdiri dari beberapa tahapan.

Pembuatan Geometri Kapal

Pembuatan model pelat dan profile dapat dilakukan

dengan menggunakan 2 cara pendekatan, yaitu:

Bottom-Up (pemodelan yang dimulai dari titik hingga

volume) dan Top-Down (kombinasi dari berbagai

entitas kecil maupun besar menjadi satu kesatuan

model).

Pemberian Material Properties

Setelah geometri selesai maka langkah selanjutnya

adalah pendinidian mateial propertis. Pendifisian ini

bertujuan agar model seakan-akan dibuat dari bahan

yang mendekati kenyataannya. Pemodelan ini

diasumsikan kapal dibuat dengan baja grade A 36

dengan modulus elastisitas 20Gpa dan position ratio

adalah 0.3.

Meshing

Secara umum meshing merupakan tahapan

mediskretkan model geometri menjadi elemen-elemen

hingga dan titik-titik nodal yang akan dianalisa.

Gambar 4. Hasil Meshing Konstruksi Geladak

C. Pemberian Kondisi Batas (Constraint)

Pengambilan asumsi kondisi batas dalam perhitungan

elemen hingga harus diatur sedemikian rupa sehingga

semirip mungkin dengan kondisi nyata. Sehingga model

struktur bisa mewakili kondisi nyata yang terjadi. Kondisi

batas yang dipakai dalam perhitungan ini adalah tumpuan

jepit dan tumpuan sederhana. Untuk tumpuan pada ujung-

ujung pembujur dan pelat diasumsikan menggunakan

tumpuan jepit. Sedangakan pada daerah sekat diasumsikan

menggunakan tumpuan sederhana. Arah pengikatan sesuai

dengan tabel 1 berikut :

Tabel 1. Arah Pengikatan Kondisi Batas

D. Pembebanan

Pada analisa konstruksi geladak ini jenis beban yang

diaplikasikan adalah beban pressure. Beban tersebut terdiri

dari beban statis, beban dinamis, dan greensea loads.

Beban geladak yang dihitung dengan peraturan ClassNK

(Nippon Kaiji Kyokai) Part C Tahun 2012 dan beban yang

terjadi pada geladak akibat gerakan kapal dihitung

berdasarkan Common Structure Rules for Double Hull Oil

Tanker Tahun 2006.

E. Penyelesaian

Pada umumnya penyelesaian ada dua jenis yaitu analisa

statik dan analisa dinamik. Pada analisa konstruksi geladak

ini menggunakan analisa statik. Penyelesaian dilakukan

terhadap model dalam bentuk elemen sesuai dengan

pembebanan dan kondisi batas yang diberikan pada model.

Prosses ini sering disebut dengan istilah running. Pada

tahapan ini finite element software menjalankan proses

analisa terhadap model yang telah digenerasi dalam bentuk

elemen hingga serta telah diberi kondisi batas dan beban

tertentu.

F. Kritria Von Mises Untuk Tagangan Gabungan

Dalam ilmu material dan teknik, kriteria luluh Von

Mises dapat juga diformulasikan dalam Von Mises stress

atau equivalent tensile stress (ζv), nilai tegangan skalar

dapat dihitung dari tensor tegangan. Dalam kasus ini,

material dikatakan mulai luluh ketika tegangan Von Mises

mencapai nilai kritis yang diketahui sebagai yield strength.

Tegangan Von Mises digunakan untuk meprediksi tingkat

keluluhan material terhadap kondisi pembebanan

tertentu[8].


5

IV. ANALISA HASIL

A. Perbandingan Model

Analisa dilakukan dengan cara membandingkan dua

model dengan ukuran komponen balok dan pelat yang sama

namun berbeda peletakan penguat geladak. Model pertama

peletakan penguat dilakukan secara kombinasi yaitu bagian

ruang muat diletakkan di atas plat geladak dan pada bagian

lain diletakkan di bawah pelat geladak. Model kedua

seluruh penguat geladak diletakkan seperti kapal pada

umumnya yaitu diletakan di bawah plat geladak.

Untuk besar profile dan ketebalan plat disamakan hanya

peletakan yang berbeda. Selain peletakan perbedaan yang

ditimbulkan akibat adanya peubahan posisi ini adalah jenis

tumpuan pada sekat memanjang dan wing tank. Pada model

pertama daerah ini ditumpu dengan sederhana dengan

asumsi struktur hanya mampu menaha beban vertikal.

Sedangkan pada model kedua, struktur dianggap

memberikan rigid sehingga tumpuannya jepit.

B. Nilai Pembebanan

Beban yang bekerja pada geladak kapal tanker ini terdiri

dari beban deck (Pdeck), beban dinamis geladak (Pdk-dyn), dan

greensea loads (Pwdk-dyn). Sesuai dengan perhitungan yang

dilakukan maka didapatkan nilai beban seperti yang pada

tabel 2.

Tabel 2. Total Beban Pada Geladak Utama (Pwdk)

Condition Starboard

(kN/m2)

Portside

(kN/m2)

Head Sea 253.917 253.917

Bem Sea 253.917 0.000

Oblique Sea 217.885 0.000

C. Validasi

Validasi dilakukan dengan dua cara yaitu perbandingan

model analisa lain yang telah dianggap benar dan

konvergensi.

Menurut Ifah (2013), nilai tegangan terbesar yang terjadi

pada geladak berada di ujung pembujur yang dekat dengan

boundary condition. Hasil dari analisa pada tugas akhir ini

juga menyatakan hal yang sama yaitu letak tegangan

maksimum terjadi ada ujung pembujur dekat daerah

boundary condition.

Sesuai dengan hasil konvergensi, nilai yang paling

optimum untuk analisa konstruksi geladak ini terjadi ketika

model mempunyai ukuran meshing 0.4, karena pada

ukuran meshing tersebut perbedaan nilai tegangan sudah

sangat kecil dan grafik mendekati konstan.

D. Hasil Analisa

Setelah prosses analaisa maka diperoleh hasil berupa

nilai tegangan yang terjadi pada setiap model. Gambar 5

merupakan contoh salah satu hasil analisa konstruksi

geladak.

Gambar 5. Contoh Hasil analisa

E. Pembahasan Hasil

Dari hasil analisa maka akan ditinjau mengenai

tegangan maksimum dari setiap model. Analisa dilakukan

pada tegangan maksimum karena tegangan ini diangap

yang paling berpengaruh dalam penentuan apakah struktur

memenuhi syarat atau tidak.

Sesuai tabel 3 diketahui bahwa model pertama

mengalami tegangan yang lebih besar daripada model

kedua. Konstruksi jenis pertama dan konstruksi jenis kedua

mengalami tegangan maksimal pada kondisi pembebanan

headsea.

Tabel 3. Tegangan Maksimal Tiap Pemodelan

Sesuai dengan CSR for Double Hull Oil Tanker Chapter

Sec. 2-5.4.6, tegangan ijin untuk analisa konstruksi kapal

tidak boleh lebih dari 85% Yield Stress. Perbandingan

tegangan maksimal yang terjadi dengan tegangan ijin

seperti pada tabel X.

Tabel 4. Tegangan Maksimal Tiap Pemodelan

Pebedaan Tegangan = 5.64 E+09 – 4.89 E+09

= 7.50 E+08 N/m2


6

Perbedaan tegangan yang terjadi antara dua struktur

sangat kecil bila dibandingkan dengan tegangan izin yang

terjadi. Hal ini menunjukan perubahan letak pembujur

tidak begitu signifikan mempengaruhi tegangan yang

terjadi.

V. KESIMPULAN DAN SARAN

Dari hasil analisa diatas dapat diambil kesimpulan

sebagai berikut :

Perbedaan tegangan yang terjadi tidak signifikan

dibandingkan dengan tegangan ijin.

Tegangan maksimum yang terjadi pada konstruksi

dengan penguat di atas lebih besar daripada

konstruksi dengan penguat dibawah, sehingga dapat

disimpulkan bahwasannya konstruksi geladak dengan

semua penguat di bawah lebih baik daripada

konstruksi geladak dengan penguat di atas pada

bagian rang muat, kendati tidak signifikan.

Selain itu juga perlu diperhatikan bahwa tegangan yang

terjadi tidak bebeda jauh atau dapat dikatakan kecil dan

tidak signifikan, jadi baik sistem konstruksi geladak dengan

penguat atas-bawah maupun sistem konstruksi geladak

dengan semua penguat di bawah sama-sama dapat

diaplikasikan pada pembangunan kapal tanker karena

tegangan yang terjadi pada kedua jenis konstruksi geladak

tersebut masih jauh di bawah tegangan ijin.

Untuk pengembangan analisa dengan menggunakan

metode elemen hingga pada aplikasi perkapalan perlu

dilakukan pemodelan sepanjang kapal dan sesuai dengan

gambar rencana konstruksi dan penampang melintang

kapal. Sehingga akan didapatkan hasil analisa yang

mendekati kondisi yang sebenarnya.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada ayah dan ibu

tercinta yang telah membesarkan penulis atas do’a, kasih

sayang, dukungan dan bimbingannya yang tidak pernah

berhenti

Penulis mengucapkan terima kasih kepada dosen

pembimbing yang telah membimbing penelitian ini sampai

terbitnya jurnal ini.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Ifah, U., Analisa Lebar Efektif Pelat Pada Struktur

Geladak Kapal Tanker, Institut Teknologi Sepuluh

Nopember, Surabaya, 2013.

[2]. Schodek, D. L., Struktur, Edisi Ketiga, PT. Refika

Aditama, Bandung, 1998.

[3]. Goodiere, J. N. ; S. P. Timonshenko, Teori

Elastisitas, Edisi Ketiga, Sapdodadi, Jakarta,

1894.

[4]. Gere, J. M. ; S. P. Timonshenko, Mekanika

Bahan, Edisi Kedua Versi SI, Erlangga, Jakarta,

1996.

[5]. Weaver, W. ; P. R. Johnston, Elemen Hingga

Untuk Analisis Struktur, Edisi Kedua, PT.Eresco,

Jakarta, 1993.

[6]. Nasution, A., Metode Elemen Hingga, Institut

Teknologi Bandung, Bandung, 2010.

[7]. Hibeller, R. C., Mechanics of Material, Third

Edition. Prentice Hall, New Jersey ,1997.

[8]. Online Reference, http://en.wikipedia.org/wiki/

Von_Mises_ yield_criterion

http://en.wikipedia.org/wiki/%20Von_Mises_

http://en.wikipedia.org/wiki/%20Von_Mises_

Analisa Tegangan Geladak Kapal Tanker

Documents

Transcript of Analisa Tegangan Geladak Kapal Tanker