ANALISIS FATIGUE LIFE STRUKTUR AKIBAT MISALIGNMENT
PADA SAMBUNGAN PELAT
Qudhori Anwar Rudin1, Mohammad Nurul Misbah S.T., M.T.2
1
Mahasiswa Jurusan Teknik Perkapalan, 2Dosen Pembimbing Jurusan Teknik Perkapalan Jurusan Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan
Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya ABSTRAK
Dalam bidang perkapalan, cacat retak sering terjadi di mana-mana. Cacat tersebut umumnya dimulai dengan surface crack akibat proses kerja. Terjadinya sebuah keretakan (crack) dapat menyebabkan adanya kegagalan (failure) pada struktur. Pelat sisi Bulk Carrier telah mengalami initial crack dipastikan akan berkurang ketangguhannya. Tugas akhir ini bertujuan untuk menganalisis umur kelelahan Bulk Carrier dengan inisiasi retak pelat sisi dengan kondisi pelat misalignment. Analisis fracture mechanics pada sambungan antar pelat menggunakan software ANSYS yang hasilnya digunakan untuk menghitung umur kelelahan akibat crack.. Kelelahan struktur di pelat sisi karena efek dari beban gelombang dapat dihitung. Umumnya kelelahan dimulai dari retak permukaan siklus gelombang. Dan diperoleh umur pada saat retak awal 0.005 - 0.012 m umur kelelahan struktur adalah 28.073 tahun, sedangkan pada pertambahan kedalaman retak berikutnya da adalah 0.005 mm. Diperoleh umur pada saat retak awal 0.005 - 0.012 m umur kelelahan struktur pada kondisi misalignment adalah 5.163 tahun, sedangkan pada pertambahan kedalaman berikutnya retak da adalah 0.005 mm
Dari studi Newman-Raju dan metode elemen hingga ini, didapatkan nilai stress intensity factor tiap model. Selanjutnya dengan Persamaan Paris akan didapatkan kecepatan perambatan retak tersebut. Dari simulasi yang telah dilakukan, setiap penambahan kedalaman retak 0.005t akan mengakibatkan pertambahan intensitas tegangan pada crack front. sambungan pelat alignment ke misalignment. Dan dari kedua simulasi bentuk sambungan, perambatan retak pada sambungan misalignment cenderung meningkat lebih cepat dibandingkan sambungan alignment.
Kata kunci: retak permukaan semi eliptik, faktor intensitas tegangan, metode elemen hingga
.
1. PENDAHULUAN
Di bidang pembangunan perkapalan, mekanik, dan kimia industri, dan lain lain, sebagian besar komponen struktur mengalami beban berulang (cyclics load). Dalam komponen ini konsentrasi tegangan tinggi lebih sensitif untuk memudahkan terjadinya fatigue. Dalam kasus tertentu kapal Bulk Carrier, sambungan misalignment yang berada di kontruksi lambung (hull girder) merupakan bagian penting dalam analisis kegagalan fatik.
Misalignment sambungan Aksial dan sudut yang disebabkan oleh detail desain, kesalahan, fabrikasi dan distorsi las. Misalignment di aksial dimuat menyebabkan peningkatan tegangan di sambungan karena terjadinya tegangan lentur pada shell. Dalam kasus ini, penelitian dari life time kelelahan harus sangat
diperinci, terutama jika daerah tersebut mengalami pengelasan. Perhitungan umur lelah pada lambung kapal Bulk Carrier, mempertimbangkan tinjauan kritis terhadap tekanan eksternal dan internal kapal. Kondisi pembebanan ini dilakukan menggunakan aturan Common Structure Rules Bulk Carrier.
2. DASAR TEORI
2.1. Proses Terjadinya Tegangan
Bila sebuah balok panjang ditumpu di bagian tengahnya dan ujungujungnya dibiarkan bebas maka secara umum balok tersebut akan melengkung dan timbul tegangan-tegangan tekan (tension) dan tegangan tegangan tarik (compression).
Dalam hal demikian ini tegangan tekan maksimum berada kapal di bagian alasnya dan tegangan tersebut mencapai harga nol disebut
sumb netral menc meng kapal lain mend bebas tetapi terbe tegan bawa dialam dikata 2.2. To akum hidro ( kon full lo ( ben H1,H Tuga meng kondi : H1,R P d P P Be meru kondi formu G Te H1, H bu netral (ne l ini tegang capai harga galami kelen l dikatakan d pihak, dapatkan tum s maka balo i dalam kead sar berada ngan tarik ah. Kelengk mi oleh bad akan dalam k Perhitungan Common S otal dari mulasi dari b o dinamika y ndisi pembeb oad untuk ni ntuk gelom H2 R1,R2 F1 as Akhir ini ggunakan Fra isi pembeban R1,dan P1 P = Ps+ Pw dimana : Ps : beban hi Pw :beban hi gelomba eban tekana upakan fung isi kapal b ula seperti pa Gambar 2.1 Pem ekanan Hidr H2, F1 dan eutral axis). gan geser ( terbesar. B ngkungan de dalam keada bila ujun mpuan sedan ok itupun ak daan ini tega di bagian terbesar be kapan dem dan kapal d keadaan ‘sag n Beban Eks Struktur Rule beban teka beban hidros yang dipeng banan ). Kon ilai fatigue k mbang ) ant ,F2,dan P1,P untuk men acture mech nan yang dia
idrostatik idrodnamika ang an hidrostati gsi dari sa berada di air ada gambar d mbebanan Teka rodinamik U F2. Tekana Di dekat su (shearing st Bila badan k mikian ini m aan ‘hogging ng-ujung b ngkan tenga kan melengk angan tekan atas sedan erada di ba mikian ini dan badan k gging’. sternal Sesua es an luar ad statik dan b garuhi load ndisi pembeb kondisi load tara lain ad P2. Karena d nganalisa fat anic maka h ambil antara akibat peng ik dalam kN arat kapal r tenang de dibawah ini anan Hidrostatik Untuk Load an hidrostatik umbu tress) kapal maka g’. Di balok ahnya kung, yang ngkan agian juga kapal ai dalah beban case banan case dalah dalam tigue hanya a lain garuh N/m2 pada engan : k Case k pH d k d R d m d p dan pF untu kN/m2 dapa dibawah ini Gambar. 2 Tekanan R1 dan R2 d dibawah gar menggunakan Gambar 2 Tekanan h dan P2 dih persamaan di Gambar 2 3 f pHF p 10 ysin R f f Pp 4.5 p uk load case at dihitung : 2.2 Pembebana hidrodinami disetiap titik ris air dap n persamaan 2.3 Pembebanan hidrodinamik hitung deng ibawah ini : 2.4 Pembebana 1 L L C fnl p 880. n fpC L L C fnl 1 e H1, dalam dengan pe an Hidrodianmik ika untuk lo pada lambu pat dihitung n dibawah ini n Hidrodianmik ka untuk load gan meng an Hidrodianmik 2 125 1 B y T z LC 125 2 B L L T z LC 2 3 2 125 m satuan ersamaan k H1 oad case ung kapal dengan i : k R1 d case P1 ggunakan k P1 1 1 B y B y 2
2.3. Pa pada adala ΔK.T didas meng serta denga retak berbe Untuk sebua jenis-yang Mode Tegan olah retak tegak beker ujung (Broe x x xy 2.4. Re sebag dijadi retak biasa Mekanika K arameter yan ujung retak ah faktor inte Teknik meka sarkan pada ghubungkan distribusin an: σnom yang Bentuk, tersebut entuk menyer Sifat-sifa k melakukan ah retak pe -jenis retak. dianggap be e I (Opening ngan normal “di buka .Permukaan k lurus den rja. Pada mo g retak dapat ek, 1987) cos2( 2 r KI ( 2 cos 2 r KI 2 sin 2 r KI Gambar 2.5 Semi Elipti etak (surfa gai retak ikan param permukaan a dikategorika Kepecahan E ng menggam k dalam hal ensitas tegang anika kepeca a prosedur besaran m nya disekita g bekerja pad ukuran dan atau disko rupai retak at dari materi n suatu anali erlu dilakuka Pada Tugas ekerja adalah gMode) l menyebabk ” lebar p retak yang ngan arah ode I, diman t dituliskan sin3 3 sin 1 ( 2 3 sin 2 sin 1 2 3 sin 2 (cos 5 Mode I ( open ical Surface ace crack) setengah e meter untuk n.Jika a/t >0 an retak perm Elastik Linier mbarkan kelel retak propa gan (SIF) kis ahan elastik l analitis medan tega ar ujung r da struktur n orientasi ontinuitas al sa tegangan an pendefin s Akhir ini r h mode retak
kan retak seo pada permu terjadi ara tegangan na tegangan sebagai beri 2 3 2 ning mode ) Crack dideskrips elips. Keteb mendefinis 0.75 maka c mukaan. r lahan agasi saran linier yang angan retak dari yang pada nisian retak I: olah-ukaan ahnya yang pada ikut : sikan balan sikan cacat a d b y s m d b 2 u ti p d d e in y r J D W y a a te Batas inis adalah 0.75 dengan pemb berikut, men yang digunak Pada reta semi elliptic menggunakan dan Raju. M berikut: ( KI t Gambar 2.6 2.5 J- Integra Pada kon ujung retak idak dapat d plastis, tega dituliskan seb ij n r j c / 1 dimana n exponent da ntegral. J-in yang berhub retak. J-integ
T Wdy J Dengan W x y W ( , ) yang merupa adalah vekto arah luar de ertutup seara sial crack a × ketebalan bebanan ten ndapat perha kan. ak permuka al, perhitun n fungsi geo Mereka meru / ) H b a Q 6 Model Retak d al ndisi dimana sangat besar digunakan. U angan pada bagai berikut
ij 1 merupakan an paramete ntegral meru bungan deng ral dirumusk ds dx du T
ijd W( ) kan strain en or tegangan engan Ѓ, da ah jarum jam ai dan retak pelat. Surfa nsion seperti tian akan pe aan yang b ngan SIF se ometris dari umuskannya , , t a c a F Q dengan Tension a daerah pla r maka pare Untuk kondis ujung reta t : [Broek, 19 strain h er J merup upakan integ gan energi d kan sebagai b ij d nergy density yang tegak an Ѓ adalah m. akhir af ace crack i gambar ersamaan berbentuk ring kali Newman a sebagai ) , b c n Stress astis pada emeter K si elastis-ak dapat 987] hardening pakan J-gral garis di sekitar berikut : y, T=σijnj lurus ke h kontur2.6 H Pa G=KI elasti J J 2.5. L dari peram dapat [Broe D maks a M dalam d d K mater dalam hubun Karak terny tegan didef Gambar Hubungan J, ada kasus lin KI2/E, dima isitas. Jadi : E KI G 2 ( v G(1 2) Perhitungan Laju peramba faktor in mbatan retak t diungkapka ek, 1987] f dn da ( Dengan Smak simum dan m a = panjang r Menurut Par m bentuk : n K C dn da ) ( Konstanta C rial, jika plo m bentuk dou ngan linier a kteristik laj yata dipenga ngan pada finisikan seba r 2.7 Definisi J-G dan K nierelastis, -ana E ad (plane stress E KI2 ) (plane n Laju Peram atan retak m ntensitas t k fatik pada an dengan pe
S f S) mak k dan Smin minimum, etak. ris persamaa C dan n ot antara dn da uble log mak antara kedua ju peramba aruhi oleh amplitude agai max min S S R integral V/a = G. dalah mod ) strain) mbatan Retak merupakan fu tegangan. a material el ersamaan ber
a S ks min
adalah tega an diatas d tergantung n a dan d ka akan diper besaran ters atan retak, besarnya konstan, x n Dan dulus k ungsi Laju lastis rikut:
a angan itulis dari ibuat roleh ebut. dn da ratio yang 3 3 y s p e e S H s a m d s d 5 f m ( a u C 3 k d in te p f B 3. METODO 3.1 Material P Pada ba yang berupa shell element pelat dan ar element yan elemen segi SHELL93." M High Tensile Ukuran u sama atau tid antara frame melintang. A double hull m shell dengan dengan tiga 50.000 DWT frame adala meshing elem mm2). Harga p akan dipeng ukuran profil CSR for Bul 3.2.6 bahwa ketebalan dar dikurangi den tnet-offered nputkan dala tas-buit-up erpasang pad tC Faktor ko posisi bagia faktor korosi Bulk Carrier Gamb OLOGI PEN Properties M agian struktu pelat akan t yang mem rah orientasi ng dimodel empat (qu Material Prop Steel σy untuk meshin dak boleh le e baik seca Apabila kapa maka web tr long bulkh elemen. Pad T ukuran r ah 800 mm ment rata-rat roperties da aruhi oleh l yang dipak lk Carrier C untuk perhit ri bagian ko ngan faktor k tnet-offered = tas : tebal p am perhitung : da kapal. : faktor k orosi tC diten an konstruk i dapat dilih Chapter 3, s bar 3.1 Model Ka NELITIAN Model Global ur konstruk dimodelkan miliki harga k i pembebana lkan hanya uad) atau "G perties Kapa = 315 N/mm ng dari eleme ebih besar d ara memanja al dilengkap ransverse an ead dibuat m da kapal Bul rata-rata jar m sehingga ta adalah 80 ari material ketebalan p kai. Menurut Chapter 3, s tungan fatigu onstruksi kap korosi sebesa s-buit-up – 0.5tC pelat yang gan tebal pel korosi ntukan sesua ksi. Besarny hat Gambar section 3, tabapal bulk Carrier l ksi kapal n dengan ketebalan an. Shell a berupa Geometri l AH 32” m2 en adalah dari jarak ang atau i dengan ntara side minimum lk carrier rak antar a ukuran 00 x 800 tersebut pelat dan t regulasi section 2, ue semua pal harus ar 0.5tC. C akan di-lat yang ai dengan ya harga 1.0 (for bel 1).
Mode meru sisi d sebag Dime spesim penge Dime 600 x Untuk misal yang pelat sesua misal 0.032 Ga Ga el yang digu upakan bentu dari kapal b gai berikut: ensi dan men yang d elasan ini dij ensi pelat : x 400 x 14 m k membua lingment ha berlaku p dan batas m ai dengan reg lignment da 2 m Gambar 3.2 ambar 3.3 Meshi ambar 3.4 Mesh unakan pada uk sambung bulk carrier signifikasi digunakan u jabarkan seb panjang x mm at bagian arus mengg pada proses misalignmen gulasi yang alam Sambu 2 Model sambun ing Sambungan hing Sambungan a tugas akhi gan pelat ba dengan dim pelat seb untuk pemod agai gerikut; lebar x teb local m gunakan ka penyambu nt yang diiji digunakan. J ungan ini ad ngan pelat n Pelat Alignme n Pelat Alignme ir ini agian mensi bagai delan ; bal = model aidah ungan inkan Jarak dalan ent ent 3 s le te y r p s 4 4 s N H p m m te m g a G 4 s m ( 3.2 Dimensi r Retak ya semi circula ebar (c) reta ersebut akan yaitu pada a/ retak awal a: petambahan r sebesar 0.000 4. ANALISI 4.1 Analisa T Hasil tega sisi adalah da N/mm2( pem Hasil tegaag pembebanan model globa memenuhi egangan ya material yan global yang adalah 309,25 Gambar. 4.1 Tek 4.2 Analisa T Pada sambungan, mencapai titi crack front) retak ng akan di ar. Artinya ak sama bes n divariasi /t sebesar 0. : 0.005 mm, retak ke arak 05 mm. Gambar 3.5 Mo IS DATA Tegangan nom angan masks alam load ca mbebanan pad
gan ini digu selanjutnya. al keseluru persyaratan ang diijinka ng digunaka dimiliki dal 56 kN/m2. kanan Hidrodin Tegangan Sa masing-ma distribusi ik tertinggi . Distribusi ianalisa adal kedalaman sar. Kedalam terhadap teb .005 dengan c: 0.0055 m k a dan c (da odel Retak minal Model imum di dae ase H1 adala da kondisi h unakan dalam . Tegangan i uhan ( von n dari m an dari sua an. Teganga lam pembeb
namika load cas
ambungan Pe asing pe intensitas pada ujung intensitas lah jenis (a) dan man retak bal pelat n dimensi m dengan a dan dc) l Global erah pelat ah 35.694 ogging ). m model ini dalam nmises ) maksimum atu jenis an model banan H1 se H1 elat. emodelan tegangan retaknya tegangan
pada ujung Newm surfac sepan hanya Gam D Raju. denga Nilai terdap terkec D dari dari diatas memb mena 0.032 samb 4.3 L H kondi integr perm didap jauh Hasil yang pada Pa peram 0.012 dalam perm meng kedal pelat deng g retak. Hal i man-Raju, b ce crack in njang ujung r a terjadi di d mbar 4.2 Hasil P engan mengg .Nilai SIF te an geometri SIF terkecil pat pada mo cil. ari hasil di a perhitungan hasil nume s dapat digu buat mode aikkan salah 2 m serta me bungan pelat. Laju Peramba asil dari pe isi misalign ral, perhitu modelan sebel pat dari hasi lebih besar l J integral i juga lebih sambungan ada model s mbatan retak 2 m. Besarn m peramba modelan ini gecil seirin laman retak. an retak t ini sesuai de bahwa pada ntensitas teg
retak dan int daerah crack Permodelan An gunakan per erendah terd retak terkec l pada masing odel yang m atas, disimpu rumus emp erik. Permo unakan seba el misalig satu pelat d enambahkan atan Retak ermodelan s nment akan ungan SIF lumnya. Nila il permodela dari permo ini berdampa besar dari n pelat alignm sambungan k dari retak nya cycle y atan retak semakin ng dengan terjadi di da ngan analisa a pelat de angan terjad tensitas tega tip. nsys dengan Re rsamaan New apat pada m il (a:0.5; c:0 g-masing va memiliki retak ulkan bahwa piris lebih b delan alignm agai acuan u gnment de dengan berg n retak awal sambungan menghasilk sesuai de ai J-Integral an misalignm delan alignm ak pada nila nilai permod ment. pelat alignm 0.005 m sam yang dibutu k (∆N) lama sem bertamba aerah a dari engan di di angan etak wman model 0.55). ariasi k (a) hasil besar ment untuk ngan gerser pada pelat kan J engan yang ment ment. ai K1 delan ment, mpai uhkan pada makin ahnya r d u s F p s s b r d k m 0 F Hal ini m retaknya sem dibutuhkan m untuk meram sampai 0.012 Fatigue life Besarnya perambatan sambungan semakin bertambahny Hal ini m retaknya sem dibutuhkan m kondisi samb merambat da 0.012 m adal Fatigue life Gambar 4.3 Ju A Gambar 4.4 Ju A menunjukkan makin cepat model pada p mbat dari re 20 m adalah 8 7.63235 28 885314885. cycle yang retak (∆N) misalignme mengecil a kedalaman menunjukkan makin cepat model pada bungan pelat ari retak awa
ah 25106008 7.63235 8 251060086. = umlah Siklus Te Awal di Sambu umlah Siklus T Awal di Sambu n bahwa per t. Total cyl permodelan a etak awal 0. 885314885.2 8 = 28.073528 g dibutuhka ) pada per ent semaki seiring n retak. n bahwa per t. Total cyl permodelan t misalignme al 0.005 mm 86.8 cycle = 5.1630631 egangan Terhad ungan Pelat egangan terhad ungan Pelat rambatan lce yang alignment .005 mm 28. 801 tahun an dalam rmodelan in lama dengan rambatan lce yang n dengan ent untuk m sampai 29 tahun dap Retak dap Retak
5. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Dari analisa di atas dan hasil pemodelan dengan metode elemen hingga yang menggunakan program aplikasi ANSYS 11.0, maka dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Dari model yang telah dibahas di atas, intensitas tegangan tertinggi terjadi di daerah crack front material sebagai akibat adanya crack yang disimulasikan dengan crack tip yang mempunyai alur elips.
2. Dari dua pemodelan sambungan pelat dengan kondisi yang berbeda, dapat disimpulkan bahwa sambungan pelat misalignment mengalami peningkatan faktor intesitas tegangan sebesar 2 kali lipat daripada sambungan pelat alignment. Misalnya nilai SIF yang diperoleh dari perhitungan numerikpada sambungan pelat alignment dengan kedalaman retak 0.012 mm adalah 528.64 MN√m/m2, Sedangkan untuk sambungan pelat misalignment dengan kedalaman retak 0.012 mm adalah 842.41MN√m/m2.
3. Umur kelelahan pada side shell Bulk Carrier akibat kegagalan fatigue (setelah adanya retak) diketahui bahwa semakin dalam retak semakin kecil umur kelelahan struktur side shell mengikuti trend polynomial orde 2. Pada saat retak sambungan pelat alignment mencapai 0.012 mm umur kelelahan struktur adalah 28.073 tahunsedangkan pada pertambahan kedalaman retak pada sambungan pelat misalignment mencapai 0.012 umur kelelahan struktur mm 7.96 tahun 4. Dari selisih nilai faktor intensitas
tegangan dan umur lelah kedua model dapat ditarik kesimpulan bahwa bentuk pemodelan sambungan misalignment pelat dapat mempersingkat umur lelah dari suatu struktur kapal, hal ini dikarenakan adanya pengurangan alignment ketebalan dimensisambungan pelat.
5. Dengan pemodelan elemen hingga pada program aplikasi ANSYS ini, evaluasi cacat retak pada pelat mild steel dapat dilakukan. Karena prosedur pemodelan ini telah memberikan output dengan tingkat keakuratan baik meskipun
terjadi perbedaan sebagai akibat sifat model yang tidak sama dengan kondisi nyatanya.
5.2. Saran
1. Analisis umur kelelahan side shell setelah adanya crack hanya dilakukan pada mode I (opening crack), sehingga pembebanan yang dilakukan hanya pembebanan aksial. Untuk itu perlu dilakukan pembebanan in-plane bending dan out-in-plane bending (mode II) karena retak pada struktur bisa diakibatkan oleh kombinasi ketiga mode pembebanan pada struktur.
2. Dalam perhitungan maupun model ANSYS, crack di asumsikan berupa single notch edge crack (surface crack). Padahal jenis crack ada bermacam-macam. Retak tengah menjalar ( through center crack, retak tepi di satu sisi (single edge crack, retak tepi di dua sisi ( double – edge crack). Maka dalam analisa berikutnya perlu dipertimbangkan variasi dari bentuk crack.
DAFTAR PUSTAKA
Anderson, T., Fracture Mechanics fundamental
and applications, Department of
Mechanical engineering Texas A&M University College Station, Texas, second edition, 1995
ANSYS, Inc., Structural Analysis Guide, ANSYS Release 11.0 Documentation, 2005.
ANSYS, Inc., Ansys, Inc. Theory Reference, ANSYS Release 11.0 Documentation, 2005.
Broek, David, Elementary Engineering Fracture
Mechanics, Martinus Nijhoff publisher,
Gelena, USA, 4 th edition, 1987.
Newman, J.C. Jr dan I.S. Raju. 1979. Stress
Intensity Factor for a Wide Range of Semi Ellpitical Surface Cracks in Finite Thickness Plates. Virgina.
Newman, J.C. Jr dan I.S. Raju. 1984 Stress
Intensity Factor Equation for Cracks in Three Dimensional Finite Bodies Subjected to Tension and Bending Loads. NASA : Virgina.
Hobbacher,A. December 2008.
Recommendations For Fatigue Design of Welded joints and Component.
International Institute of Welding. Paris: France.
IACS. 2006. "Joint Bulk Carrier Project". IACS
Common Structural Rules for Bulk Carriers”. UK, 1 Januari 2006.: Biro
Klasifikasi Indonesia.
ABS, April 2003. ”Bulk Carrier Solution: Safer
and Stronger Vessels” . Amercan
Bureau of Shipping 2003, New York, NY, 1
Friis Hansen ,P. & Winterstein t, S. R.,
October1994. “Fatigue Damage in the
Side Shells of Ships”. Marine
Structures 8 (1995) 631~555
Robles, L.B.R. Buelta M.A.& Gonc¸alves E., Souza G.F.M., February 1999 " A
method for the evaluation of the fatigue operational life of submarine pressure hulls". International Journal of Fatigue 22
