BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Umum
Tangki pada dasarnya dipakai sebagai tempat penyimpanan material baik berupa benda padat, cair, maupun gas. Dalam mendesain tangki, konsultan perencana harus merencanakan tangki dengan baik terutama untuk menahan gaya gempa yang mungkin terjadi. Jika tangki tidak direncanakan dengan baik, maka kerusakan pada tangki dapat mengakibatkan kerugian jiwa maupun materi yang cukup besar.
Desain dan keamanan tangki penyimpan telah menjadi kekhawatiran besar. Seperti yang dilaporkan, kasus kebakaran dan ledakan tangki telah meningkat selama bertahun-tahun dan kecelakaan ini mengakibatkan cedera bahkan kematian. Tumpahan dan kebakaran tangki tidak hanya mengakibatkan polusi lingkungan, tetapi juga dapat mengakibatkan kerugian finansial dan dampak signifikan terhadap bisnis di masa depan karena reputasi industri.
Beberapa contoh kerusakan tangki adalah keretakan pada bendungan beton berkapasitas lima juta galon di Westminister, California, pada tanggal 21 September 1998 yang mengakibatkan kerugian yang hampir mencapai 27 juta dolar. Contoh yang lain adalah banyaknya tangki baja las tempat penyimpanan minyak di Alaska yang mengalami kebocoran dikarenakan oleh gempa tahun 1964. Hal yang sama juga terjadi di Padang yang disebabkan oleh Gempa Padang tanggal 30 September 2009.
Oleh karena itu, tangki harus direncanakan secara baik dengan mengacu kepada peraturan tangki yang sesuai guna menghindari kerugian akibat kerusakan tangki itu sendiri.
2.2. Jenis – Jenis Tangki
Storage tank atau tangki dapat memiliki berbagai macam bentuk dan tipe. Tiap tipe memiliki kelebihan dan kekurangan serta kegunaannya sendiri.
2.2.1. Berdasarkan Letaknya
2.2.1.1. Aboveground Tank, yaitu tangki penimbun yang terletak di atas permukaan tanah. Tangki penimbun ini bisa berada dalam posisi horizontal dan dalam keadaan tegak (vertical tank). Dapat dibagi menjadi 2 jenis berdasarkan cara perletakan di atas tanah, yaitu tangki di permukaan tanah dan tangki menara. Ciri-ciri yang membedakan jenis tangki menara dengan tangki di permukaan tanah adalah bentuk bagian bawah tangki. Seperti yang telah tercatat dalam peraturan, bentuk bagian bawah tangki menara adalah bentuk revolusi sebuah bentuk cangkang yang tidak sempurna, ataupun kombinasi dari bentuk cangkang tersebut. Desain tangki dengan bagian bawah rata untuk tangki menara tidak akan memberikan hasil yang baik, dengan melihat bahwa bentuk dasar yang demikian akan menyebabkan dibutuhkannya balok penopang yang besar untuk menahan tekuk.
2.2.1.2. Underground Tank, yaitu tangki penimbun yang terletak di bawah permukaan tanah.
2.2.2. Berdasarkan Bentuk Atapnya
2.2.2.1. Fixed Roof Tank, dapat digunakan untuk menyimpan semua jenis produk, seperti crude oil, gasoline , benzene, fuel dan lain – lain termasuk produk
atau bahan baku yang bersifat korosif , mudah terbakar, ekonomis bila digunakan hingga volume 2000 m3, diameter dapat mencapai 300 ft (91,4 m) dan tinggi 64 ft (19,5 m). Dibagi menjadi dua jenis bentuk atap yaitu : 2.2.2.1.1. Cone Roof, jenis tangki penimbun ini mempunyai kelemahan, yaitu
terdapat vapor space antara ketinggian cairan dengan atap. Jika vapor
space berada pada keadaan mudah terbakar, maka akan terjadi ledakan. Oleh karena itu fixed cone roof tank dilengkapi dengan vent untuk mengatur tekanan dalam tangki sehingga mendekati tekanan atmosfer. Jenis tangki ini biasanya digunakan untuk menyimpan kerosene, air, dan solar. Terdapat dua jenis tipe cone roof berdasarkan penyanggga atapnya yaitu :
a. Supported Cone Roof adalah suatu atap yang berbentuk menyerupai konus dan ditumpu pada bagian utamanya dengan rusuk di atas balok penopang ataupun kolom, atau oleh rusuk di atas rangka dengan atau tanpa kolom. Pelat atap didukung oleh rafter pada girder dan kolom atau oleh rangka batang dengan atau tanpa kolom.
b. Self-supporting Cone Roof adalah atap yang berbentuk menyerupai konus dan hanya ditopang pada keliling konus. Atap langsung ditahan oleh dinding tangki (shell plate).
2.2.2.1.2. Dome Roof adalah atap yang dibentuk menyerupai permukaan bulatan dan hanya ditopang pada keliling kubah.yang biasanya digunakan untuk menyimpan cairan kimia. Bentuk dari tangki tipe dome roof dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 - Tangki Fixed Dome Roof (Sumber : http://images.google.com/imgres?imgurl)
2.2.2.2. Floating Roof Tank, yang biasanya digunakan untuk menyimpan minyak mentah dan premium. Keuntungannya yaitu tidak terdapat vapour space dan mengurangi kehilangan akibat penguapan. Floating roof tank terbagi menjadi dua yaitu external floating roof dan internal floating roof. Bentuk dan tangki tipe floating roof dapat dilihat pada gambar 2.2 di bawah ini.
Gambar 2.2 - Tangki Floating Roof Tank
(Sumber : http://www.fall-arrest.com/images/Floating-Roof-Tank-01.jpg)
2.2.3. Berdasarkan Tekanannya (Internal Pressure) 2.2.3.1. Tangki Atmosferik (Atmospheric Tank)
Terdapat beberapa jenis dari tangki timbun tekanan rendah ini, yaitu : 2.2.3.1.1. Fixed Cone Roof Tank digunakan untuk menimbun atau menyimpan
berbagai jenis fluida dengan tekanan uap rendah atau amat rendah (mendekati atmosferik) atau dengan kata lain fluida yang tidak mudah menguap.
Gambar 2.3 – Sketsa Fixed Cone Roof Tank
(Sumber : http://www.astanks.com/EN/Fixed_roof_EN.html)
Gambar 2.4 - Fixed Cone Roof with Internal Floating Roof
(Sumber : http://www.astanks.com/EN/Fixed_roof_EN.html)
2.2.3.1.2. Tangki Umbrella memiliki kegunaan yang sama dengan fixed cone roof. Bedanya adalah bentuk tutupnya yang melengkung dengan titik pusat meridian di puncak tangki.
2.2.3.1.3. Tangki Tutup Cembung Tetap (Fixed Dome Roof) memiliki bentuk tutup yang cembung dan ekonomis bila digunakan dengan volume > 2000 m3. Bahkan cukup ekonomis hingga volume 7000 m3 (dengan D < 65 m). Kegunaannya sama dengan fixed cone roof tank.
Gambar 2.5 - Self Supporting Dome Roof (Sumber : http://www.astanks.com/EN/Fixed_roof_EN.html)
2.2.3.1.4. Tangki Horizontal dapat menyimpan bahan kimia yang memiliki tingkat penguapan rendah (low volatility), seperti air minum dengan tekanan uap tidak melebihi 5psi, diameter dari tangki dapat mencapai 12 feet (3,6 m) dengan panjang mencapai 60 feet (18,3 m).
Gambar 2.6 – Tangki Horizontal
(Sumber : http://chemresponsetool.noaa.gov/containers_guide/storage_tank.htm#cylind) 2.2.3.1.5. Tangki Tipe Plain Hemispheroid digunakan untuk menimbun fluida
(minyak) dengan tekanan uap (RVP) sedikit dibawah 5 psi.
Gambar 2.7 – Tangki Tipe Plain Hemispheroid
(Sumber : http://chemresponsetool.noaa.gov/containers_guide/storage_tank.htm#cylind) 2.2.3.1.6. Tangki Tipe Noded Hemispheroid digunakan untuk menyimpan fluida
(light naptha pentane) dengan tekanan uap tidak lebih dari 5 psi.
2.2.3.1.7. Tangki Plain Spheroid merupakan tangki bertekanan rendah dengan kapasitas 20.000 barrel.
2.2.3.1.8. Tangki Floating Roof ditujukan untuk penyimpanan bahan-bahan yang mudah terbakar atau mudah menguap. Kelebihan penggunaan internal
floating roof ini antara lain:
- Level atau tingkat penguapan dari produk bisa dikurangi - Dapat mengurangi resiko kebakaran
2.2.3.2. Tangki Bertekanan (Pressure Tank)
Pressure tank atau tangki bertekanan dapat menyimpan fluida dengan tekanan uap lebih dari 11,1 psi dan umumnya fluida yang disimpan adalah produk-produk minyak bumi. Terdiri dari beberapa jenis, yaitu : 2.2.3.2.1. Tangki Peluru (Bullet Tank) lebih dikenal sebagai pressure vessel
berbentuk horizontal dengan volume maksimum 2000 barrel. Biasanya digunakan untuk menyimpan LPG, Propane butane, H2, ammonia dengan tekanan di atas 15 psig.
Gambar 2.8 – Tangki Peluru
(Sumber : http://chemresponsetool.noaa.gov/containers_guide/storage_tank.htm#cylind) 2.2.3.2.2. Tangki Bola (Spherical Tank) merupakan pressure vessel yang
digunakan untuk menyimpan gas-gas yang dicairkan seperti LPG, LNG, O2, N2 dan lain-lain. Tangki ini dapat menyimpan gas cair tersebut hingga tekanan 75 psi. volume tangki dapat mencapai 50.000 barrel. Untuk penyimpanan LNG dengan suhu -190 (cryogenic) tangki dibuat berdinding ganda dimana di antara kedua dinding tersebut diisi dengan isolasi seperti polyurethane foam. Tekanan penyimpanan di atas 15 psig.
Gambar 2.9 – Tangki Bola
2.2.3.2.3. Dome Roof Tank digunakan untuk menyimpan bahan-bahan yang mudah terbakar, meledak, dan mudah menguap seperti gasoline. Bahan disimpan dengan tekanan rendah 0,5 psi sampai 15 psig.
Gambar 2.10 – Dome Roof Tank
(Sumber : http://chemresponsetool.noaa.gov/containers_guide/storage_tank.htm#bullet) 2.2.4. Berdasarkan Bentuk Tangki
2.2.4.1. Tangki Lingkaran (Circular Tank)
Tangki yang umum digunakan sebagai tempat penyimpanan adalah tangki yang berbentuk silinder. Tangki ini memiliki nilai ekonomis dalam perencanaan. Selain itu, dalam perhitungan teknisnya, momen yang terjadi tidak besar.
2.2.4.2. Tangki Persegi / Persegi Panjang (Rectangular Tank)
Bentuk silinder secara structural paling cocok untuk kostruksi tangki, tapi tangki persegi panjang sering disukai untuk tujuan tertentu, antara lain kemudahan dalam proses konstruksi. Desain tangki persegi panjang mirip dengan konsep desain tangki lingkaran. Perbedaan utama dalam konsep desain tangki persegi panjang dengan tangki lingkaran adalah momen yang terjadi, gaya geser dan tekanan pada dinding tangki. Sebagai contoh : Sludge Oil Reclaimed Tank pada Pabrik Minyak Kelapa Sawit.
Cylin Ta
Open
Top
Tank
drical ank Rect T Gambp
angular Tank Co Ga bar 2.12 – Il
Fixed
Ro
Tank
ne Roof Tank Do ambar 2.11 – lustrasi JeniType
o
Storag
Tank
oof
ome Roof Tank Fl – Tangki Re is – Jenis Ta
of
ge
k
Floati
Roof
Ta
Internal loating Roof F ectangular T angki yangng
ank
External Floating Roof Tank Umum DigOther
Bullet Tank unakan
Types
Sphere TankDalam Tugas Akhir ini akan dibahas mengenai tangki tanpa tutup (open top tank) berbentuk persegi panjang yang terbuat dari baja dan terletak di atas tanah.
2.3. Kriteria Perencanaan Tangki Persegi Panjang
Berikut ini adalah peraturan standar yang digunakan dalam perancangan tangki penimbun meliputi struktur dan beban-beban yang bekerja :
1. Perhitungan bottom plate, shell plate dan top edge stiffener berdasarkan ASME Paper A-71 Stress and Deflection of Rectangular Plates.
2. Perencanaan pendukung atap seperti rafter, girder, dan kolom disyaratkan sesuai dengan SNI 03-1729-2002 : Tata cara perencanaan struktur baja untuk bangunan gedung.
3. Perhitungan efek gempa dan tekanan hidrodinamis tangki yang berisi cairan berdasarkan Bureau of Indian Standards IS 1893 (2002) Part 1 & 2: Liquid
Retaining Tanks, ACI 350.3 (2001) and NZS 3106 (1986)
4. Perhitungan faktor respon spektrum tangki berdasarkan IBC 2000, International Building Code International Code Council.
5. Perhitungan untuk mengetahui waktu getar tangki terdapat pada Eurocode 8 (1998).
2.4. Pembebanan
Beban-beban yang mungkin terjadi pada tangki adalah sebagai berikut :
1)Beban Mati (DL): berat sendiri tangki ataupun komponen-komponen
tangki termasuk juga korosi yang diijinkan.
2)Tekanan luar rencana (Pe): tidak boleh lebih kecil dari 0,25 kPa dan
3)Tekanan dalam rencana (Pi): besarnya tidak boleh melebihi 18 kPa.
4)Tes hidrostatik (Ht): beban yang terjadi ketika tangki diisi air sampai ke
batas ketinggian yang direncanakan.
5)Beban hidup atap minimum (Lr): sebesar 1 kPa pada daerah proyeksi
horizontal atap. Beban hidup atap minimum dapat ditentukan dengan ASCE 7, tetapi tidak kurang dari 0,72 kPa.
6) Beban gempa (E): beban yang mengakibatkan terjadinya gaya impulsive dan gaya konvektif dari cairan di dalam tangki.
7) Salju (Beban akibat salju tidak akan diikutsertakan dalam tugas akhir ini sebab tidak pernah terjadi salju di Indonesia).
8) Cairan yang disimpan (F): beban yang terjadi ketika tangki diisi cairan dengan berat jenis yang telah direncanakan dan cairan tersebut diisi sampai batas ketinggian yang telah direncanakan.
9) Tekanan Percobaan (Pt):
a. Untuk tekanan desain dan tes maksimum
Ketika tangki telah dibangun seluruhnya, tangki tersebut harus diisi dengan air sampai sudut tertinggi tangki atau sampai ketinggian air rencana, dan tekanan udara internal rencana harus diaplikasikan pada ruang tertutup diatas tinggi air dan dibiarkan selama 15 menit. Tekanan udara tersebut kemudian dikurangi menjadi sebesar satu setengah dari tekanan rencana, dan semua sambungan las diatas tinggi air harus diperiksa untuk mengecek adanya kebocoran. Lubang angin tangki harus diuji selama tes berlangsung atau setelah tes selesai dilaksanakan.
b. Untuk tangki berpondasi dengan tekanan desain sampai 18 kPa
Setelah tangki diisi dengan air, badan tangki dan pondasi harus diperiksa keketatan sambungannya. Tekanan udara sebesar 1,25 kali tekanan rencana harus diaplikasikan pada tangki yang dipenuhi air sampai pada ketinggian air rencana. Tekanan udara kemudian dikurangi menjadi sebesar tekanan rencana, dan tangki lalu diperiksa kembali keketatan sambungannya. Sebagai tambahan, semua sambungan di atas batas air harus diperiksa dengan menggunakan soap film dan material lain yang sesuai untuk mendeteksi kebocoran. Setelah pemeriksaan, air harus dikosongkan dari tangki (dan tangki sedang dalam tekanan atmosfir), pondasi harus diperiksa keketatan sambungannya. Tekanan udara desain kemudian harus diaplikasikan pada tangki untuk pemeriksaan akhir pondasi.
10) Angin (W): Kecepatan angin rencana (V) adalah sebesar 190 km/jam (120 mph) dengan tekanan angin rencana pada arah horizontal sumbu tangki sebesar 1,44 kPa dan pada arah vertikal sumbu tangki sebesar 0,86 kPa.
Dalam Tugas Akhir ini, beban yang dipertimbangkan adalah beban mati, beban hidup (tekanan hidrostatik) dan beban gempa (tekanan hidrodinamis konvektif dan impulsif).
2.5. Persyaratan untuk Elemen-Elemen Tangki 2.5.1. Material
Pelat dan profil baja yang digunakan dalam perencanaan didasarkan atas ketersediaan material di pasaran dan dalam ukuran panjang yang ditentukan oleh
kemudahan pengangkutan (delivery). Ukuran pelat baja yang sering digunakan pada tangki penimbun adalah 20 feet x 6 feet. Sedangkan profil baja yang digunakan pada tangki penimbun adalah profil baja siku untuk top angle, profil baja WF (Wide
Flange) untuk rafter dan girder, serta profil pipa untuk kolom. Material yang dipakai dalam desain tangki ini adalah material yang direkomendasikan oleh API Std 650 yang secara kekuatan, dan komposisi kimia memenuhi persyaratan yang ditentukan oleh standar. American Society for Testing and Materials (ASTM) membagi baja dalam empat grades (A, B, C dan D) berdasarkan tegangan leleh dengan kisaran rendah dan menengah untuk carbon steel plates. Yang digunakan adalah baja dengan tekanan leleh (fy) adalah 390 MPa.
2.5.2. Pelat Atap
Merupakan pelat yang menyusun cone roof dengan ketebalan minimum pelat atap adalah 5 mm. Menurut API Std 650, slope atap untuk supported cone roof tidak lebih dari ¾ :12 inch atau lebih jika permintaan owner. Susunan dari pelat atap dapat dilihat pada Gambar 2.12
2.5.3. Rafter dan Girder
Rafter dan girder terbuat dari profil baja yang merupakan rangka atap tangki.
Rafter harus diatur sedemikian hingga pada outer ring jarak rafter tidak lebih dari 2 meter, sedangkan jarak rafter pada inner ring tidak lebih dari 1,65 meter.
2.5.4. Top Angle
Top Angle terbuat dari profil siku yang menempel pada sisi sebelah atas
course shell plate teratas. Kegunaan top angle adalah untuk memperkaku shell
plates. Untuk tangki dengan atap tertutup, ukuran top angle tidak berdasarkan beban angin tetapi berdasarkan jenis atap yang direncanakan. Dimana atap diklasifikasikan menjadi dua kategori yaitu supported dan self supported. Menurut API Std 650 Para 3.1.5.9-c, ukuran top angle tidak kurang dari mengikuti ukuran berikut: untuk tangki diameter kurang dari 10,5 m ukuran top angle 50 x 50 x 5 mm; tangki diameter 10,5-18 m ukuran top angle 50 x 50 x 6 mm; diameter tangki lebih dari 10,5-18 m ukuran top angle 75 x 75 x 10 mm. Letak top angle dapat dilihat pada Gambar 2.13.
Gambar 2.14 - Top Angle Sumber : API Std 650
2.5.5. Intermediate Wind Girder
Wind Girder diperlukan untuk menjaga bentuk dari tangki penimbun terutama pada saat menahan beban angin. Wind girder sangat diperlukan untuk jenis tangki penimbun dengan atap terbuka atau open top.
Untuk menentukan apakah wind girder diperlukan atau tidak untuk jenis atap selain open top tank maka harus dilakukan pemeriksaan dengan cara mengubah lebar aktual dari setiap shell course menjadi lebar transposed. Hasil penjumlahan dari lebar transposed dari setiap lapisan akan memberikan hasil dari tinggi transformed
shell, dimana apabila tinggi transformed shell lebih besar dari tinggi maksimum maka wajib memasang wind girder dan sebaliknya apabila tinggi transformed shell lebih kecil maka tidak dibutuhkan wind girder.
Gambar 2.15 - Intermediate Wind Girder Sumber : API Std 650
2.5.6. Shell Plate (Pelat Dinding)
Ketebalan pelat dinding yang digunakan sebaiknya lebih besar dari ketebalan pelat dinding rencana, termasuk penambahan korosi atau ketebalan berdasarkan test hidrostatis. Tetapi ketebalan dinding tidak boleh kurang dari yang disyaratkan pada Tabel 2.1 di bawah ini.
Panjang nominal tangki (m)
Tabel nominal pelat (mm)
<15 5
15– 36 6
36 – 60 8
>60 10 Tabel 2.1. Ketebalan Shell plates
Sumber : API Std 650
2.5.7. Pelat Dasar Tangki
Ada dua jenis pelat dasar tangki yaitu annular plate dan bottom plate.
a. Annular Plate
Annular plate memiliki lebar radial minimal 24 inch (61 centimeter) dan proyeksi di bagian luar dinding minimal 2 inch (5 centimeter).
b. Bottom Plate
Sesuai dengan API Std 650, semua bottom plate memiliki ketebalan minimum yaitu ¼ inch (6,35mm) dengan lebar minimum 72 inch (183centimeter). Contoh gambar denah pelat dasar tangki dapat dilihat pada Gambar 2.15 di bawah ini
2.6. Tekanan Air pada Tangki 2.6.1. Tekanan Hidrostatik
Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang terjadi di bawah air. Tekanan ini terjadi karena adanya berat air yang membuat cairan tersebut mengeluarkan tekanan. Tekanan sebuah cairan bergantung pada kedalaman cairan di dalam sebuah ruang dan gravitasi juga menentukan tekanan air tersebut.
Hubungan ini dirumuskan sebagai berikut: . . .
P adalah tekanan hidrostatik (dalam Pascal);
ρ adalah kerapatan fluida (dalam kilogram per meter kubik);
g adalah percepatan gravitasi (dalam meter per detik kuadrat);
h adalah tinggi kolom fluida (dalam meter); γ = ρ.g
2.6.2. Tekanan Hidrodinamis
Tekanan hidrodinamis merupakan tekanan air yang timbul saat terjadinya getaran atau guncangan (dalam hal ini gempa) sehingga menimbulkan dua gaya yang disebut gaya impulsif dan gaya konvektif.
2.6.2.1. Gaya impulsif
Gaya impulsif adalah gaya yang disebakan oleh massa cairan dalam tangki yang bergerak bersamaan dengan gerakan tangki akibat gaya gempa. Gaya Impulsif dihasilkan oleh massa cairan yang dekat ke dasar tangki.
2.6.2.2. Gaya Konvektif
Gaya Konvektif adalah gaya yang disebakan oleh massa cairan dalam tangki yang meyebabkan guncangan air di dalam tangki akibat gaya gempa. Gaya Konvektif dihasilkan oleh massa cairan yang dekat dengan permukaan tangki.
