BAB II LANDASAN TEORI

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Informasi Umum Perancangan

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 harus kuat agar tak 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.

Oleh karena itu, tangki harus direncanakan secara baik dengan mengacu kepada peraturan tangki yang sesuai guna menghindari kerugian akibat kerusakan tangki itu sendiri. Kriteria tersebut diatas merupakan tanggung jawab utama seorang perancang struktur. Namun dalam perancangan tangki penyimpan bahan

bakar, ada hal lain yang juga perlu diperhatikan seperti sistem operasional dalam pendistribusian produk.

2.2. Jenis – Jenis Tangki Penyimpanan

Storage tank atau tangki dapat memiliki berbagai macam bentuk dan tipe.

Tiap tipe memiliki kelebihan dan kekurangan serta kegunaannya sendiri.

2.2.1. Jenis – Jenis Tangki Berdasarkan Letaknya :

1. Aboveground Tank, yaitu tangki penyimpan yang terletak di atas permukaan tanah. Tangki penyimpan 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.

2. Underground Tank, yaitu tangki penyimpan yang terletak di bawah

permukaan tanah.

2.2.2. Jenis Tangki Berdasarkan Cairan Yang Disimpan :

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 :

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 penyangga atapnya yaitu:

- 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.

- Self-supporting Cone Roof adalah atap yang berbentuk menyerupai konus dan hanya ditopang pada keliling konus. Atap langsung ditahan oleh dinding tangki (shell plate).

Gambar 2.1. - Tangki Fixed Cone Roof

(sumber:http://www.excavationsafetynews.com/wpcontent/uploads/2011/01/CS_

b. 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 2.2.

Gambar 2.2. - Tangki Fixed Dome Roof

(sumber :

http://ferrysibarani.wordpress.com/2009/10/23/dome-roof-with-internal-floating-roof/)

2. Floating Roof Tank, yang biasanya digunakan untuk menyimpan minyak

mentah dan premium. Floating roof tank terbagi menjadi dua yaitu external

floating roof dan internal floating roof.

• External floating roof (EFR) adalah tanki dengan open top dan floating roof mengapung tepat di atas cairan produk . Flaoating roof dilengkapi seal system di

sekeliling roof menutup celah antara roof dan dinding tanki.

• Internal floating roof (IFR) tanks adalah fixed roof dengan dilengkapi floating deck didalamnya, IFR tanks sangat sempurna untuk mengurangi rugi penguapan

breathing. Di samping itu untuk mencegah akumulasi salju ataupun air hujan di

atas floating roof.

Bentuk dan tangki tipe floating roof dapat dilihat pada gambar 2.2 di bawah ini:

Gambar 2.3. - Tangki Floating Roof Tank

(Sumber :http://www.fall-arrest.com/images/Floating-Roof-Tank-01.jpg)

2.3 Standart Desain

Berikut ini adalah peraturan standar yang digunakan dalam perancangan tangki penyimpan meliputi struktur dan beban-beban yang bekerja :

1. Perancangan tebal roof plate, bottom plate, dan shell plate diisyaratkan

menurut Welded Steel Tank for Oil Storage API Std 650 10th edition, november 1988.

2. Perencanaan pendukung atap seperti rafter, girder, dan kolom disyaratkan menurut Welded Steel Tank for Oil Storage API Std 650 10th edition, november 1988.

3. Perhitungan efek gempa dan tekanan hidrodinamis tangki yang berisi cairan disyaratkan menurut Welded Steel Tank for Oil Storage API Std 650 10th edition,

november 1988.

4. Beban hidup sebesar 400 kg/m² disyaratkan menurut Welded Steel Tank for Oil

Storage API 650 10th edition, november 1988.

5. Beban angin disyaratkan sesuai dengan Steel Tank for Oil Storage API Std 650 10th edition, november 1988.

2.4 Persyaratan Untuk Elemen-elemen Tanki 2.4.1. 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 penyimpan adalah 6 m x 1.8 m. Sedangkan profil baja yang digunakan pada tangki penyimpan 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

2.4.2. 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 50 mm dari panjang roof 300 mm, untuk tanki penyimpan

yang dirancang ini menggunakan 4.76 derajat atau lebih jika permintaan owner. Susunan dari pelat atap dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.4. - Arrangement of Roof Plate

(Sumber : http://structuralarchaeology.blogspot.com/2011/06/stonehenge-and-archaeology-of.html)

2.4.3. 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 2π m (6.28 m), sedangkan jarak rafter pada inner ring tidak lebih dari 1,7 m (API Std 650 Pasal 3.10.4.4).

Untuk mencari jarak antara rafter dapat digunakan persamaan (2.1) dibawah ini :

n D

a  (2.1)

Dimana :

a : jarak antara rafter, m. D : diameter nominal tangki,m. n : jumlah rafter

2.4.4. Kolom

Kolom pada tangki terbuat dari profil baja pipa (API Std 650 Pasal 3.10.4.6).

2.4.5. 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 akan direncanakan. Dimana atap diklasifikasikan menjadi dua kategori yaitu supported dan self supported. Menurut API Std 650 Pasal 3.1.5.9-e, ukuran top angle tidak kurang dari mengikuti ukuran berikut: untuk tangki diameter kurang dari 11 m ukuran top angle 51 x 51 x 4,8 mm, diameter tangki 11-18 m ukuran top angle 51 x 51 x 6,4 mm; diameter tangki lebih dari 18 m ukuran top angle 76 x 76 x 9,5 mm.

Letak top angle dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.5. - Top Angle

Sumber : API Std 65, F-2

2.4.6. Intermediate Wind Girder

Wind Girder diperlukan untuk menjaga bentuk dari tangki penyimpan

terutama pada saat menahan beban angin. Wind girder sangat diperlukan untuk

jenis tangki penyimpan dengan atap terbuka atau open top.

Tinggi maksimum dari unstiffener shell dapat dihitung dengan rumus pada Persamaan (2.2) sesuai dengan API Std 650 Pasal 3.9.7.1 sebagai berikut :

3 1 9.47        D t t H (2.2) Dimana :

H1 : vertical distance diantara Intermediate Wind Girder dan top angle, m.

t : ketebalan pelat dinding paling atas, mm.

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 dengan rumus pada Persamaan (2.3). Hasil penjumlahan dari lebar transposed dari setiap lapisan akan memberikan hasil dari tinggi transformed shell dengan rumus pada Persamaan (2.4), 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 (API Std 650

Pasal 3.9.7.2) 5 ) (

t

t

W

actual uniform trW (2.3) HE = ∑Wtr (2.4) dimana :

Wtr : lebar transfosed dari setiap shell corses, mm.

W : lebar aktual dari setiap shell corses, mm.

t

uniform : ketebalan pelat dinding paling atas, mm.

tactual : tebal aktual pelat nominal tangki, mm.

Minimum section modulus dari intermediate wind girder yang diwajibkan ditetapkan dengan persamaan (2.5) sebagai berikut :

Z = D²H1/17 (2.5)

dimana :

Z : minimum section modulus, cm³

H1 : vertical distance diantara Intermediate Wind Girder dan top angle, m.

D : diameter nominal tangki, m.

Gambar 2.6. - Intermediate Wind Girder

Sumber : API Std 650, 3-20

2.4.7. 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 :

Tabel 2.1. Ketebalan Shell plates

Sumber : API Std 650, 3.6.1

Perhitungan shell plate dilakukan dengan metode one-foot yaitu menghitung tebal shell pada titik peninjauan satu kaki diatas dasar atau alas masing-masing bagian shell.

Rumus perhitungan tebal shell plate menurut API Std 650 pasal 3.6.3.2 :

Berdasarkan cairan yang direncanakan yaitu solar :

CA ES G H D t d d d    4.9 ( 0.3) (2.6)

Diameter nominal tangki (m)

Tebal nominal pelat (mm)

<15 5

15-36 6

36-60 8

Berdasarkan hydrotest tanki berisi air : t t t S H D t  4.9 ( 0.3) (2.7) dimana :

td : tebal desain dinding tangki, mm.

tt : tebal dinding tangki berdasarkan hidrostatik test, mm.

D : diameter nominal tangki, m.

H : tinggi tangki, m.

G : berat jenis desain dari cairan yang disimpan dalam tangki.

CA : corrosion allowance, mm.

Sd : tekanan yang diijinkan untuk kondisi desain, MPa.

St : tekanan yang diijinkan untuk kondisi hydrostatis, MPa.

2.4.8. Pelat Dasar Tangki

Ada dua jenis pelat dasar tangki yaitu annular plate dan bottom plate. Ketebalan annular plate dan bottom plate sebiknya tidak boleh kurang dari ketebalan pelat yang terdapat pada Tabel 2.2. ditambah corrosion allowance (ketebalan pelat yang akan diperhitungkan akan berkarat).

Tabel 2.2. Ketebalan Annular Bottom Plate (mm)

Sumber : API Std 650, Tabel 3.1

2.4.8.1. Annular Plat

Annular plate memiliki lebar radial minimal 600 mm dan proyeksi di bagian

luar dinding minimal 50 mm.

2.4.8.2 . Bottom Plate

Sesuai dengan API Std 650, semua bottom plate memiliki ketebalan minimum yaitu 6 mm dengan lebar minimum 1800 mm. Contoh gambar denah pelat dasar tangki dapat dilihat pada Gambar 2.15 di bawah ini :

Tebal nominal pelat pada Shell

course yang

pertama (mm)

Tegangan test Hidrostatis* pada Shell course yang pertama (MPa) ≤ 190 ≤ 210 ≤ 230 ≤250 T ≤ 19 6 6 7 9 19 < t ≤ 25 6 7 10 11 25 < t ≤ 32 6 9 12 14 32 < t ≤ 38 8 11 14 17 38 < t ≤ 45 9 13 16 19

Gambar 2.7. - Denah Pelat Dasar Tangki

(sumber) :http://www.fgg.uni-lj.si/kmk/esdep/master/wg15c/l0100.htm

2.5. Bebab- beban pada Struktur 2.5.1 Beban Statis

Beban statis terdiri dari beban mati dan beban hidup. Beban mati merupakan beban-beban tetap yang disebabkan karena bekerjanya gaya gravitasi pada elemen struktur (berat sendiri struktur). Sedangkan beban hidup adalah beban-beban yang bisa ada atau tidak ada pada struktur untuk suatu waktu yang diberikan seperti berat material yang disimpan.

Untuk semua jenis atap dan struktur pendukung atap pada tangki penyimpanan harus direncanakan mampu menahan beban mati, dan beban hidup yang tidak kurang dari 1.2 kPa atau 122 kg/m² (API Std 650 pasal 3.10.2.1).

2.5.2. Beban Angin.

Kecepatan angin pada lokasi dimana tangki ditempatkan akan mempengaruhi stabilitas tangki terhadap angin. Untuk itu dalam perancangan tangki harus

diperhitungkan kestabilannya terhadap beban angin tersebut, dalam hal

pembahasan ini diperiksa menggunakan standart yaitu berdasarkan API Std 650. Perhitungan beban angin pada API Std 650 didasarkan pada kecepatan angin V-160 km/jam atau setara 100 mil/jam, dimana beban angin atau tekanan

angin dianggap menerima 1.4 kPa setara 143 kg/m² pada arah vertikal

permukaan bidang datar, 0.86 kPa (88 kg/m²) pada bidang proyeksi dari permukaan selinder, dan 0.72 kPa (73 kg/m²) pada bidang proyeksi dari permukaan kerucut (API Std 650 pasal 3.11.1).

Persamaan momen tahanan berdasarkan API pasal 3.11.2. ditunjukkan dalam persamaan (2.8).        2 3 2 W D M (2.8) Dimana :

M : overturning moment dari tekanan angin, N-m.

W : berat shell plate tanpa corrosion allowance ditambah dengan beban mati

yang diterima shell ( roof, rafter, top angel, dan wind girder), N.

2.5.3. Tekanan Uplift.

Sangat penting untuk disadari bahwa tekanan internal terjadi pada semua bagian tangki yaitu bagian shell, roof, dan bottom. Terutama pada pertemuan antara elemen-elemen tersebut harus dipastikan aman. Dalam API Std 650, diisyaratkan tekanan internal pada tangki tidak melebihi 2½ Psi gauge (18 kPa). Jika tekanan internal melebihi berat nominal tangki maka harus dipasang angker untuk mencegah uplift pada dinding tangki. Pada API Std 650 Appendix F ditentukan bahwa harus dilakukan pemeriksaan pada daerah pertemuan antara bagian shell, roof, dan top angle.

Tekanan internal dapat dihitung menggunakan persamaan (2.9) dibawah ini:

  



h t D A P 1.1 ₂tan 0.08 (2.9) Dimana :

P : tekanan internal rencana, kPa

A : area resisting the compressive force, mm²

Tan Ɵ : sudut antara atap dan bidang datar pada pertemuan atap dan dinding/ kemiringan atap, derajat.

D : diameter tangki, m.

Th : ketebalan nominal atap, mm.

2.5.4. Beban Gempa

Prosedur perhitungan stabilitas tangki terhadap beban gempa berdasarkan

pembangunannya dapat disesuaikan dengan kondisi tanah dimana tangki dibangun.

2.5.4.1. Perencanaan Pembebanan

a. Momen guling (overturning moment)

Perencanaan overturning moment pada dasar dinding tangki dihasilkan dari gaya-gaya yang diberikan menurut rumus pada API Std 650 section E 3.1 yang dapat dilihat pada persamaan 2.10:

M = ZI(C1WsXs + C1WrHt+ C1W1X1+ C2W2X2) (2.10)

dimana :

M : momen guling (overturning moment) yang dapat diterima oleh dasar

dinding tangki, N

Z : zona koeffisient untuk gempa,factor Z

I : factor fasilitas esensial untuk gempa

C1,C2 : koefisien gaya lateral gempa

Ws : berat total dinding tangki, N

Xs : tinggi dari dasar shell tangki sampai pusat gravitasi shell

Ht : tinggi total dinding tangki

W1 : berat effektif isi tangki yang mendorong dinding tangki

Pada rumus ini Z1C1 dan Z1C2 merupakan koefisien gaya literal. Nilai

C1 = 0.55 (section E 3.3.1) dan C2ditentukan sebagai suatu fungsi periode natural

first loshing mode T dan kondisi tanah tempat tangki berada, S yang diberikan

dalam API Std 650 (section E 3.3.2): Apabila, T S makaC T 4.5 ₁ 0.75 (2.11a) Apabila, 2 2 375 . 3 5 . 4 T S makaC T   (2.11b) dimana:

S : site amplication factor untuk gempa Tabel E-3

T : periode natural first mode sloshing

T diperoleh dari T 1.81k(D0.5)

dimana D adalah diameter tanki

k : faktor yang diperoleh dari hubungan harga D/H dari gambar 2.7.

Gambar 2.8. Grafik Faktor k Sumber : API Std 650 (1988,pE-4)

Gambar 2.9. Grafik Effective masses Sumber : API Std 650 (1988,pE-2)

b. Tahanan terhadap guling (resistence to overturning) Ketebalan bottom plate : tb = 9.5 mm

Minimum yield strength : Fby =36000 Psi

Spesifik gravity cairan (solar) : G = 0.84

Tinggi tangki : H = 6000 mm ( 6 m )

Batasan dari berat cairan yang digunakan untuk menahan uplift, 196GHD = 196 x 0.84 x 6 x 3.8

= 3,753.79 kg/m

Berat isi tangki untuk menahan overturning

GH F t w_L 99_{b by} 6 84 . 0 248 35 . 6 99x x x x w_L  = 22,225.42 N/m = 2,266 kg/m = 2,266.36 kg/m < 3,753.79 kg/m (OK)

c. Tekanan dinding shell (Shell Compression) Bila tangki dipasang angker :

2 273 . 1 D M w b _t (2.12a)

Bila tangki tidak dipasang angker :

Maximum longitudinal Compressive force pada dinding pelat bagian bawah (b)

adalah sebagai berikut :

jika,



D2(wt wL)



0.785 M maka, 2 273 . 1 D M w b _t  (2.12b) Jika





1.5 ) ( 785 . 0 ₂    L t w w D M

nilai b dapat diperoleh dari Gambar 2.9

Jika,





1.57 ) ( 5 . 1 ₂    L t w w D M maka, (2.12c)





5 . 0 2 637 . 0 1 490 . 1            L t L t L w w D M w w w b (2.12d) dimana :

b : Maximum longitudinal Compressive force pada bagian bawah dari shell,N/m

Gambar 3.0. Grafik Compressive Force,b Sumber : API Std 650 (1988,pE-5)

d. Maximum Allowabel Shell Compression

Bila ₂ 44 2  t GHD maka, D t Fa83 (2.13a) Bila ₂ 44 2  t GHD maka, GH D t Fa 7.5 5 . 283   (2.13b) dimana :

H : tinggi tanki

D : diameter tanki

Fa : maximum allowable longitudinal compressivestress pada dinding, MPa

Fty : minimum specified yield strength of bottom sheel course, MPa

2.6. Vent Tangki

Jenis tangki fixed roof memiliki kelemahan, karena terdapat vapor space antara permukaan cairan dengan atap. Oleh karena itu terjadi penguapan akibat

breathing dan filling selama penggunaan tangki. Breathing losses diakibatkan

karena perbedaan temperature antara siang dan malam. Sedangkan filling diakibatkan karena kegiatan pengisian dan pengeluaran cairan dari dalam tangki. Untuk mengurangi kehilangan akibat penguapan pada tangki penyimpan jenis

fixed roof ini dipasang pressure/vacumm relief valve pada bagian atap. Namun

ukuran dari jumlah breather valve ini tergantung dari jenis cairan yang disimpan serta kegiatan flow rate in dan flow rate out. Sebagai dasar perhitungan ventilasi tangki penyimpan digunakan API Std 2000 Venting Atmospheric and Law

Pressure Storage Tank. Data yang diperlukan untuk perhitungan vent adalah flast point solar 61.5 ͦ C (142.7 ͦ F) dan kapasitas tangki sebesar 70,000 liter maka

kapasitas thermal vent untuk out breathing sebesar 300 SCFH air dan inbreathing sebesar 500 SCFH air. SCFH adalah Standart Cubic Feet of air or gas per Hour.