ANALISIS TEGANGAN STATIK PADA UNIT SQUARE END A-JACK DENGAN METODE ELEMEN HINGGA

(1)

ANALISIS TEGANGAN STATIK PADA UNIT SQUARE END A-JACK DENGAN METODE ELEMEN HINGGA

Isriyanda Dwiprawiradan Harman Ajiwibowo, Ph.D Program Studi Teknik Kelautan

Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung, Jl Ganesha 10 Bandung 40132

Abstrak: Indonesia adalah Negara kepulauan yang memiliki garis pantai yang sangat panjang. Konsekuensi positif dari garis pantai yang sangat panjang tersebut adalah Indonesia memiliki kawasan pesisir yang sangat luas dan potensial untuk dimanfaatkan bagi berbagai hal yang mempunyai nilai ekonomi seperti misalnya dimanfaatkan untuk dibangun sebagai pelabuhan yang mendukung kelancaran arus barang dan jasa, ataupun dimanfaatkan sebagai kawasan pariwisata, dimana kedua hal tersebut dapat memacu pertumbuhan ekonomi pada suatu wilayah dan pada akhirnya dapat berpengaruh positif bagi pertumbuhan ekonomi Negara. Untuk pemanfaatan yang optimal bagi potensi kawasan pesisir tersebut, kebutuhan akan struktur pelindung pantai menjadi suatu keniscayaan, mengingat dari sifat lingkungan pantai yang dinamis. Dalam rangka pemenuhan kebutuhan akan struktur pelindung pantai tersebut, A-Jack lahir sebagai inovasi dalam lapisan bangunan pelindung pantai, yang dimiliki dan dipatenkan oleh Posseidon Alliance Ltd. A-Jack adalah sebuah bentuk bangun yang terbuat dari beton dan digunakan sebagai lapisan utama (armour layer) dari bangunan pelindung pantai, mempunyai 6 lengan dan terhubung pada bagian tengah yang ditebalkan. A-Jack mempunyai keunggulan berupa tingginya nilai koefisien kestabilan dalam berbagai kondisi perletakan. Namun demikian, perlu dilakukan studi untuk mengetahui tegangan tarik maksimum yang terjadi pada A-Jack dalam kondisi static, di bawah berbagai kondisi pembebanan, mengingat material pembentuk A-Jack adalah beton yang salah satu sifatnya mempunyai keterbatasan dalam menahan tegangan tarik. Tugas Akhir ini dilakukan untuk menjawab kebutuhan tersebut. Pada Tugas Akhir ini dimodelkan 5 model A-Jack dengan besaran volume yang sama namun berbeda besaran parameter geometrinya. Kelima A-Jack tersebut dimodelkan dengan menggunakan 4 spesifikasi material, yaitu dengan mennggunakan mutu beton K-225, K-250, K-275, dan K-300.

Kelima model A-Jack dengan masing-masing spesifikasi material tersebut kemudian disimulasikan dalam 4 kondisi pembebanan yang menggambarkan keadaan flexure, torsion, serta gabungan antara flexure dan torsion. Pemodelan dan simulasi pembebanan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak yang bekerja berdasarkan prinsip metode elemen hingga, yaitu ANSYS 11.0. Output dari tugas akhir ini, berupa tegangan tarik maksimum yang terjadi pada masing-masing A-Jack dengan menggunakan tiap spesifikasi material dalam tiap kondisi pembebanan, serta letak area kritis pada masing-masing A-Jack tersebut. Diharapkan hasil dari studi yang dilakukan ini dapat berguna bagi pengembangan A-Jack ke depannya.

Kata kunci: A-Jack, ANSYS, Beton, Metode Elemen Hingga, Tegangan.

PENDAHULUAN

Negara Indonesia adalah negara dengan garis pantai yang sangat panjang. Menurut data yang dikutip dari Dewan Kelautan Indonesia pada tahun 2011, garis pantai yang dimiliki Indonesia mencapai 95181 km, dan merupakan negara dengan garis pantai terpanjang ke-empat di dunia. Kawasan pesisir yang terletak di sepanjang garis pantai tersebut memiliki potensi ekonomi yang tinggi apabila dikelola dengan baik. Contoh nyata dari potensi kawasan pesisir adalah pengelolaan kawasan pesisir sebagai kawasan pariwisata, pembangunan pelabuhan dan dermaga sebagai prasarana transportasi penunjang arus barang dan jasa.

Namun demikian, kawasan pesisir mempunyai potensi kerusakan yang disebabkan oleh hantaman gelombang laut. Untuk melindunginya, digunakan bangunan pelindung pantai seperti

(2)

breakwater, groin, dan seawall. Bangunan pelindung pantai membutuhkan lapisan pelindung yang akan melindungi sturktur bangunan tersebut dari kerusakan yang disebabkan oleh gaya- gaya lingkungan, seperti misalnya gaya yang ditimbulkan oleh gelombang. Salah satu bentuk lapisan pelindung hasil inovasi terkini yang bisa digunakan adalah A-Jack.

A-Jack adalah lapisan pelindung bangunan pantai yang terbuat dari beton, yang dimiliki dan dipatenkan oleh Posseidon Alliance Ltd. A-Jack terdiri dari 2 buah bangun berbentuk T yang tergabung di tengah membentuk 6 kaki.

Pada Tugas Akhir ini, dilakukan analisa kondisi statik pada A-Jack dengan menggunakan perangkat lunak ANSYS 11.0 untuk mendapatkan besarnya tegangan tarik dan tekan maksimum yang terjadi pada A-Jack dalam 4 kondisi pembebanan.

METODOLOGI

Pekerjaan pemodelan dan simulasi pembebanan dalam pengerjaan Tugas Akhir ini dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak general finite element method ANSYS 11.0.

Pengerjaan Tugas Akhir dilakukan dengan terlebih dahulu melakukan studi literatur mengenai A-Jack sebagai objek pemodelan dan ANSYS 11.0 sebagai perangkat lunak yang digunakan untuk melakukan pemodelan. Setelah itu pemodelan A-Jack dilakukan dengan menggunakan fitur yang terdapat pada A-Jack 11.0 dengan menggunakan spesefikasi material mutu beton K- 225, K-250, K-275, dan K-300. Setelah seluruh model dibuat, mulai ditentukan kondisi pembebanan yang akan diterapkan yang menggambarkan nilai ekstrim dari tegangan tarik yang terjadi pada A-Jack pada kondisi flexure, torsion, serta gabungan antara flexure dan torsion.

Kondisi pembebanan yang telah ditetapkan tersebut kemudian diterapkan pada kelima model A- Jack yang telah di-meshing. Sebagai output dari pemodelan dan simulasi pembebanan yang telah diterapkan tersebut adalah besarnya tegangan tarik maksimum yang terjadi disertai dengan letak area kritis dari A-Jack sebagai lokasi dimana besarnya tegangan tarik maksimum terjadi.

A-Jack yang dimodelkan dalam pengerjaan tugas akhir ini terdiri atas 5 model geometri square end A-Jack yang mempunyai volume yang sama yaitu 4 m³. Variabel yang digunakan sebagai parameter pembeda dari masing-masing A-Jack yang dimodelkan berupa besaran waist ratio, yang merupakan perbandingan antara ketebalan kaki A-Jack dan panjang A-Jack secara keseluruhan. Definsi geometri dari A-Jack yang dimodelkan ditampilkan pada Gambar 1.

Besarnya setiap variabel yang tercantum pada Gambar 1 dari setiap A-Jack yang dimodelkan ditampilkan pada Tabel 1. Ilustrasi dari A-Jack yang dimodelkan dalam isometric view ditampilkan pada Gambar 2.

(3)

Gambar 1 Definisi geometri A-Jack.

Tabel 1 Geometri A-Jack yang Dimodelkan Model Arm Thickness

(m)

Fillet Length

(m) Fillet Ratio Waist Ratio Overall Length (m)

1 0.693 0.347 0.5 1/4 2.772

2 0.643 0.321 0.5 1/5 3.213

3 0.635 0.318 0.5 1/5.2 3.303

4 0.606 0.303 0.5 1/6 3.633

5 0.589 0.295 0.5 1/6.5 3.833

(4)

Gambar 2 Ilustrasi bentuk A-Jack dalam isometric view.

Dalam pengerjaan tugas akhir ini, A-Jack disimulasikan dengan menggunakan 4 spesifikasi material, yaitu dengan menggunakan mutu beton K-225, mutu beton K-250, mutu beton K-275, dan mutu beton K-300. Variabel-variabel pembeda dari keempat mutu beton tersebut adalah besarnya modulus elastisitas, kuat tekan beton, dan kuat tarik maksimalnya. Adapun variabel yang mempunyai besaran yang sama untuk keempat mutu beton yang digunakan sebagai material model tersebut adalah besaran densitas yaitu sebesar 2350 kg/m³, dan poisson ratio yaitu sebesar 0.2.

Besarnya kuat tekan beton untuk masing-masing mutu beton mengacu pada SNI DT 91-0008- 2007. Besarnya modulus elastisitas (E) untuk setiap mutu beton yang digunakan dicari dengan menggunakan persamaan yang bersumber dari SNI 02 Pasal 10.5.1 seperti yang dicantumkan pada Persamaan 1.

(1) Dimana:

w = densitas (kg/m³)

f’c = kuat tekan beton (MPa).

(5)

Besarnya kuat tarik maksimum beton dihitung dengan menggunakan Persamaan 2 yang bersumber dari http://proyekindonesia.com/tag/beton/.

(2) Besarnya keseluruhan variabel dari spesifikasi material yang digunakan dalam pemodelan ditampilkan pada Tabel 2.

Tabel 2 Spesifikasi material yang digunakan dalam pemodelan

Mutu Beton Densitas

(Kg/m³) Poisson Ratio

Kuat Tekan Beton f’c

(MPa)

Modulus Elastisitas E

(MPa)

Kuat Tarik Maksimum

(MPa)

K-225 2350 0.2 19.3 21520.33 2.50

K-250 2350 0.2 21.7 22819.18 2.66

K-275 2350 0.2 24.0 23998.05 2.79

K-300 2350 0.2 26.4 25169.36 2.93

Dalam pengerjaan tugas akhir ini, masing-masing A-Jack untuk setiap spesifikasi material tersebut disimulasikan dalam 4 kondisi pembebanan yang merepresentasikan keadaan flexure, torsion, serta flexure dan torsion. Keempat kondisi pembebanan yang dikenakan pada A-Jack tersebut ditampilkan pada Gambar 3 sampai Gambar 6.

Gambar 3 Kondisi pembebanan pertama (flexure 1).

Front view Isometric View

(6)

Gambar 4 Kondisi pembebanan kedua (flexure 2).

Gambar 5 Kondisi pembebanan ketiga (torsion).

Isometric View Top view

4.5 t distributed load pulling 4.5 t distributed load pushing

Isometric View

(7)

Gambar 6 Kondisi pembebanan keempat (flexure & torsion).

Hasil dan Pembahasan

Hasil dari pemodelan yang dilakukan dengan menggunakan ANSYS 11.0 berupa besarnya tegangan tarik maksimum yang terjadi beserta dengan gambar kontur tegangan untuk setiap model, untuk mengetahui letak area kritis dari A-Jack (lokasi terjadinya tegangan maksimum).

Rekapitulasi besarnya tegangan tarik maksimum yang terjadi pada A-Jack untuk setiap kondisi pembebanan ditampilkan pada Tabel 3 sampai Tabel 6.

Tabel 3 Tegangan maksimum yang terjadi pada A-Jack untuk kondisi pembebanan pertama

1/r Tegangan Tarik Maksimum (MPa)

Mutu Beton K-225 Mutu Beton K-250 Mutu Beton K-275 Mutu Beton K-300

4 2.16 2.05 2.20 1.90

5 3.98 3.91 3.70 3.51

5.2 4.24 4.24 4.65 3.98

6 6.30 6.33 6.37 5.74

6.5 7.79 7.59 8.07 7.22

Tabel 4 Tegangan maksimum yang terjadi pada A-Jack untuk kondisi pembebanan kedua

4 3.05 3.05 3.05 3.00

5 4.61 4.62 4.61 4.61

5.2 5.36 5.38 5.29 5.29

6 7.08 7.06 7.08 7.10

6.5 9.20 8.65 8.64 8.84

4.5 t distributed load pulling 4.5 t distributed load pushing

(8)

Tabel 5 Tegangan maksimum yang terjadi pada A-Jack untuk kondisi pembebanan ketiga

4 0.98 0.99 0.99 0.97

5 1.65 1.66 1.65 1.63

5.2 1.94 1.92 2.13 2.19

6 2.75 2.65 2.72 2.65

6.5 3.39 3.36 3.39 3.47

Tabel 6 Tegangan maksimum yang terjadi pada A-Jack untuk kondisi pembebanan keempat

4 3.10 3.10 3.01 2.93

5 5.77 5.48 5.53 5.64

5.2 6.42 6.54 6.34 6.61

6 8.94 9.00 9.33 9.35

6.5 10.95 10.92 10.97 11.13

Besarnya tegangan tarik maksimum untuk setiap model yang menggunakan material yang sama kemudian diplotkan dalam bentuk grafik terhadap besarnya waist ratio dengan mengikutsertakan besarnya kuat tarik maksimal dari setiap mutu beton yang digunakan yang telah ditampilkan sebelumnya pada Tabel 2. Hasil plot tersebut ditampilkan pada Gambar 7 sampai Gambar 10.

0 2 4 6 8 10 12

4 4.5 5 5.5 6 6.5

Tegangan (MPa)

1/r

Kondisi Pembebanan Pertama Kondisi Pembebanan Kedua Kondisi Pembebanan Ketiga Kondisi Pembebanan Keempat Kuat Tarik Maksimum Mutu Beton K-225

(9)

0 2 4 6 8 10 12

4 4.5 5 5.5 6 6.5

Tegangan (MPa)

1/r

Kondisi Pembebanan Pertama Kondisi Pembebanan Kedua Kondisi Pembebanan Ketiga Kondisi Pembebanan Keempat

Kuat Tarik Maksimum Mutu Beton K-250

Gambar 8 Grafik waist ratio vs tegangan maksimum untuk penggunaan mutu beton K-250.

0 2 4 6 8 10 12

4 4.5 5 5.5 6 6.5

Tegangan (MPa)

1/r

(10)

0 2 4 6 8 10 12

4 4.5 5 5.5 6 6.5

Tegangan (MPa)

1/r

Untuk mengetahui area kritis pada A-Jack yang dimodelkan, yaitu area terjadinya tegangan tarik maksimum pada A-Jack, maka perlu untuk ditampilkan gambar kontur tegangan untuk setiap A-Jack yang dimodelkan. Contoh gambar kontur tegangan untuk A-Jack yang dimodelkan dengan menggunakan spesifikasi mutu beton K-225 untuk kondisi pembebanan pertama, kedua, ketiga dan keempat ditampilkan pada Gambar 11 sampai Gambar 14.

(11)

Gambar 11 Contoh gambar kontur tegangan untuk kondisi pembebanan pertama.

Gambar 12 Contoh gambar kontur tegangan untuk kondisi pembebanan kedua.

(12)

Gambar 13 Contoh gambar kontur tegangan untuk kondisi pembebanan ketiga.

Gambar 14 Contoh gambar kontur tegangan untuk kondisi pembebanan keempat.