Prediksi Umur Pakai Struktur Kayu Lambung Motor Tempel di Sungai Musi karena Beban Impak dari Gerakan Porpoising

(1)

Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011 II - 401

Prediksi Umur Pakai Struktur Kayu Lambung Motor Tempel di Sungai Musi

karena Beban Impak dari Gerakan Porpoising

Wibowo HN 1), Sahlan 1) , Ahmad S 1) 1)_{Hydroelasticity Group UPT – BPPH, BPPT}

Email: wibowo.harso@bppt.go.id Abstract

Traditional boats that made from Meranti wood are the main vehicles used by the public in the Musi River. One of the type of the boat that operates on this river is in the form of an outboard motor boat which made by traditional craftsmen shipbuilders. These outboard motor boats dominate the Musi River. With the capability of the machine about 20 PK the outboard motor boat passes the Musi river with a relatively high speed and suffered the effects of jump (porpoising) large enough where the values is up to 2g impact loads on the hull structure. This certainly has an effect on the fatigue of material structures for such outboard motor boat. This paper describes a method to predict the fatigue life for the wooden hull structure of the outboard motor boat by producing the S-N curve based on the tensile strength of Meranti wooden materials since no available data of the curve. After that, the fatigue life of wooden hull structures of the outboard motorboat due impact loads from the porpoising can be predicted by applying cumulative - damage rules.

Keywords: porpoising; impact loads; Cumulative Damage rule; wood- fatigue life

1. PENDAHULUAN

Ibu kota Sumatera Selatan, Palembang merupakan salah satu ibukota propinsi di Indonesia yang juga sedang mengalami kemajuan ekonomi yang pesat saat ini. Hal ini diperlihatkan dari beberapa kegiatan yang dilaksanakan di sana baik yang berskala nasional maupun internasional. Seperti halnya kegiatan sea games XVI yang berlangsung pada bulan Nopember 2011. Hal ini menyebabkan terjadinya juga arus penumpang umum maupun pariwisata baik domestik/lokal maupun mancanegara keluar masuk ke kota Palembang. Salah satu moda transportasi yang dipakai untuk melayani arus keluar masuk penumpang dan turis tersebut adalah motor tempel karena selain harga ticket yang terjangkau, penumpang dan turis dapat menikmati objek wisata sepanjang sungai musi. Motor tempel ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. merupakan karya dari para pengrajin pembuat kapal dan mendominasi di permukaan Sungai Musi. Motor temple ini berukuran rata – rata; panjang (L) 4,54m, lebar (B) 1,25m, tinggi(H) 1m, sarat (T) 0,2m dan berdisplasement (Δ) sekitar 600kg. Dengan kemampuan mesin sekitar 20 PK motor tempel ini berlalu lalang disungai Musi dengan kecepatan cukup tinggi. Melalui pengamatan visual dan pengukuran gerak yang dilakukan oleh team perekayasa dari UPT – BPPH, BPPT efek lompat (porpoising) dari motor tempel sangat signifikant sehingga sangat berpengaruh terhadap kenyamanan penumpang dan umur pemakaian struktur lambung motor tempel. Bahan utama dari struktur lambung motor tempel ini adalah kayu meranti payo (red light meranti/shorea spp), jenis kayu ini dipakai karena mempunyai berat jenis yang kecil dan kuat tarik yang baik. Penggunaan kayu ini disebabkan juga karena merupakan tumbuhan asli di pulau Sumatera. Paper ini merupakan kajian teknis untuk menentukan umur pakai dari struktur lambung motor tempel dari bahan kayu meranti payo yang disebabkan oleh beban impak hasil dari gerakan porpoising. Nilai beban impak ini didapat dari hasil pengukuran di lapangan saat motor tempel melaju dengan kecepatan penuh di permukaan sungai Musi. Secara khusus hasil penelitian ini dapat dimanfaatkan oleh masyarakat banyak di sekitar sungai Musi serta dan secara umum suatu sumbangsih bagi bangsa dalam bidang teknologi kelautan.

(2)

Gambar 1. Motor tempel di sungai Musi

2. SEKILAS DASAR TEORI

Beberapa teori yang mendasari penulisan paper ini dijelaskan secara singkat dengan susunan sebagai berikut yaitu ; (1) kejadian porpoising berisi definisi dari kondisi tersebut kemudian dilanjutkan dengan (2) pengukuran beban impak karena kejadian porpoising (3) kemudian kejadian kelelahan pada kayu (fatigue on wood) dan yang yang terakhir (4) berupa perhitungan prediksi umur material berdasar aturan palgrem – miner.

2.1 Porpoising

Pada kapal kecil berbadan tunggal yang berlayar dengan kecepatan tinggi biasanya akan terjadi ketidakstabilan arah longitudinal. Keidakstabilan longitudinal ini dapat menyebabkan gerakan osilasi angguk (pitch) dan naik turun (heave) dari kapal tersebut. Gerak osilasi angguk inilah yang biasanya disebut dengan porpoising. Savitsky pada tahun 1964 menunjukkan seperti pada Gambar 2 di bawah , bahwa porpoising terjadi ketika sudut kritis dari trim terlampaui.

(3)

2.2 Pengukuran Beban Impak

Pengukuran skala penuh beban impak karena gerakan porpoising ini dilakukan pada salah satu motor tempel yang sedang melakukan aktifitasnya di sungai Musi. Hasil yang diperoleh dalam pengukuran kinerja kapal ini berupa percepatan vertikal dari motor tempel saat jatuh kembali ke permukaan sungai. Percepatan ini terukur dalam satuan gravitasi (g) yang merupakan time history. Instrumentasi yang digunakan untuk mendapatkan time history percepatan motor tempel adalah Gyrometer yang memiliki kemampuan mengukur besaran percepatan dan gerakan rotasi dari motor tempel secara akurat. Seluruh data pengukuran direkam dan disimpan ke dalam computer. Signal pengukuran direkam pada sampling rate 50 Hz. Adapun konvensi arah gerakan yang digunakan mengikuti spesifikasi arah Gyro sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 3 di bawah. Hasil pengukuran percepatan vertikal ini menunjukkan bahwa efek lompat (porpoising) dari motor tempel sangat signifikant seperti diperlihatkan pada Gambar 4. Nilai beban impak hingga mencapai 2g pada struktur motor tempel karena selain ketidaknyamanan yang dirasakan penumpang juga mempengaruhi batas kelelahan material struktur motor tempel.

Gambar 3. Konvensi Arah Alat Ukur Gyro yang dipakai untuk pengukuran

(4)

Gambar 5. Proses pengukuran akan dimulai

Zaccel (g) vs Time (s) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 1 6 .7 3 3 .4 5 0 .1 6 6 .8 8 3 .5 100 117 133 150 166 182 199 215 232 248 264 281 29 7 3 1 3 3 3 0 ZAccel(g)

Gambar 6. Time history beban impak hasil pengukuran yang dialami oleh struktur motor tempel Untuk selanjutnya hasil pengukuran pada Gambar 6 di atas dilakukan perhitungan untuk mendapatkan tegangan yang terjadi pada struktur motor tempel dengan mengaplikasikan perhitungan kekuatan memanjang kapal. Untuk mendapatkan gaya F(t) yang bekerja pada motor tempel tersebut maka percepatan hasil pengukuran ini perlu dikalikan oleh massa motor tempel. Analisa kekuatan struktur motor tempel diperlukan dengan melakukan perhitungan tegangan maksimum yang terjadi, dalam hal ini perhitungan tegangan langsung primer pada struktur motor tempel dapat didekati dengan cukup realistis dengan teori balok elementer (balok Bernoulli-Euler) seperti pada buku mengenai kekuatan bahan. Hasil terpenting dalam kerangka perhitungan kekuatan adalah hubungan antara tegangan memanjang motor tempel yang bekerja di bidang pelat dengan momen lengkung yang bekerja di sebuah titik (x,z,t) pada panjang motor tempel M (x,t):

 

I

z

t

x

M

t x

,







(1)

Dimana z adalah jarak meninggi titik yang ditinjau pada x, dan I adalah momen inersia keseluruhan penampang melintang struktur motor tempel di titik x dihitung terhadap sumbu netral melintang kapal tempat titik berat keseluruhan penampang melintang motor tempel motor tempel tersebut berada. Jelas, bahwa tegangan-tegangan ekstrem terjadi pada serat teratas atau terbawah pada balok, yaitu saat z memiliki harga-harganya yang terbesar zmax. Besaran I/ zmax disebut modulus penampang balok di titik x (tepatnya bidang melintang yang melalui titik x).

(5)

Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011 II - 405 Hasil pengukuran beban impak ini merupakan respon dari struktur kayu lambung motor tempel sehingga besar momen M(x,t) dapat diperoleh langsung dengan mengalikan lengan gaya atau posisi Lcg dari motor tempel dengan gaya F(t) hasil perkalian antara percepatan impak a(t) dengan massa motor tempel m.

2.3 Kelelahan Pada Material Kayu

Dalam rekayasa, istilah kelelahan didefinisikan sebagai kerusakan yang progresif terjadi pada bahan yang terkena beban siklik. Beban siklik ini bisa berulang ( dengan tegangan bertanda sama, yaitu selalu tekan atau selalu tarik) atau kebalikannya( tegangan berupa perubahan antara tekan dan tarik). Jika beban siklik cukup tinggi dan berulang-ulang maka dapat menyebabkan kegagalan kelelahan. Umur kelelahan adalah istilah yang digunakan untuk menentukan jumlah siklus beban yang terjadi sebelum kegagalan. Kekuatan lelah adalah , tegangan maksimum yang dicapai dalam siklus tegangan yang digunakan untuk menentukan umur kelelahan dimana secara eksponensial berhubungan dengan umur kelelahan; yaitu, kekuatan lelah berkurang secara linear saat logaritma dari jumlah siklus bertambah. Kuat lelah dan umur kelelahan juga tergantung pada beberapa faktor antara lain: frekuensi siklik, pengulangan atau pembalikan beban; faktor beban (rasio tegangan minimum terhadap maksimum per siklus), dan faktor lainnya seperti suhu, kelembaban, dan ukuran spesimen. Kemampuan menahan kelelahan dari kayu kadang-kadang merupakan suatu pertimbangan yang penting. Kayu,seperti umumnya bahan berserat, mempunyai ketahanan kelelahan yang baik (terhadap pembebanan berulang). Hasil uji tarik dan studi kelelahan dari beberapa bahan kayu yang diberikan dalam Tabel 1 & 2.

Tabel 1. Nilai rata – rata dari properti fisika dan mekanika beberapa spesimenkayu

Modulus of Rupture (MOR)ζu, Modulus of Elasticity(MOE) E

Tabel 2. Nilai rata – rata dari umur kelelahan untuk tingkat stress yang berbeda untuk beberapa

spesimen kayu

MOR dalam satuan N mm-2. RW: Rubberwood, LRM: Light red meranti, NY: Nyatoh, SPT: Sepetir,

2.4 Aturan Palgrem – Miner

Awalnya aturan Palmgren Miner cumulative damage ini dipakai untuk menghitung komponen struktur dari logam tetapi kemudian aturan ini dapat juga dipakai untuk menghitung umur kelelahan dari material non logam seperti kayu ini. Dasar dari perhitungan tegangan untuk perhitungan umur kelelahan sebenarnya hanya untuk amplitudo beban berulang yang tetap. Tetapi pada kenyataannya pada komponen – komponen rancang bangun amplitudo dari beban, rata – rata

(6)

Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011 II - 406 tegangan dan frekuensi pembebanan dalah sering berubah – rubah. Pada penulisan ini komponen rancang bangun itu adalah struktur lambung motor temple sedangkan berubahnya tegangan yang acak berasal dari beban hasil pengukuran dari kejadian porpoising. Kriteria mudah yang dapat dipakai untuk menghitung seberapa lama umur kerusakan terjadi diperoleh dengan melakukan penjumlahan berurutan kotak – kotak (block) berupa amplitudo beban tegangan yang tetap yang berbeda antara kotak satu dengan lainnya. Secara implisit aturan kerusakan linear mempunyai anggapan sebagai berikut:

 Jumlah siklus beban/tegangan yang mengenai komponen struktur dapat ditulis dalam persentasi dari jumlah keseluruhan siklus tegangan/beban dari amplitudo yang sama yang menyebabkan kerusakan hal ini akan memberikan fraksi dari kerusakan.

 Urutan dari kotak tegangan/beban yang berbeda amplitudo tidak mempengaruhi umur kelelahan komponen struktur.

 Kegagalan struktur terjadi saat jumlah secara linear dari kerusakan dari setiap tingkatan beban telah mencapai nilai kritis.

Jika ni adalah jumlah dari siklus dari balok ke I dari amplitudo tegangan/beban yang tetap ai dalam

suatu urutan kotak –kotak m., dan jka Nfi adalah jumlah siklus yang meyebabkan kerusakan pada ai, dimana diperoleh dari Kurva S – N, maka aturan Palmgren Miner damage mengatakan bahwa

kegagalan akan terjadi ketika





m i _fi i

N

n

1

[ 2 ]

3. ANALISA DAN DISKUSI

Pada bagian ini akan dijelaskan pembuatan kurva S – N dari kayu meranti dan aplikasinya untuk perhitungan umur pakainya pada struktur lambung motor tempel.

3.1 Kurva S – N Kayu Meranti Payo (Red Light Meranti)

Dari besaran tegangan hasil uji kelelahan untuk kayu meranti (RLM) pada Tabel II di atas, maka akan didapat grafik hubungan antara tegangan dan jumlah siklus hingga terjadinya patah. Semua data yang ada untuk pembuatan kurva SN (SN-Curve) dilakukan dengan program exel dengan tipe skala logaritmik. Adapun kurva yang dihasilkan berasa dari data uji fatik seperti terlihat pada Tabel II. Data pertama uji kelelahan ini berupa 30% MOR yaitu sebesar 22,5Mpa mempunyai umur lelah >106 sikels kemudian 40% MOR yaitu sebesar 30Mpa tetap mempunyai umur lelah >106 sikels akan tetapi pada 50% MOR yaitu sebesar 37,5Mpa mempunyai umur lelah 760000 sikels kemudian 60% MOR yaitu sebesar 45Mpa mempunyai umur lelah 343000 sikels kemudian 70% MOR yaitu sebesar 52,5Mpa mempunyai umur lelah >187105 sikels dan terakhir 80% MOR yaitu sebesar 60 Mpa mempunyai umur lelah >118900 sikels. Kurva S – N dari kayu meranti payo ini diperlihatkan pada Gambar 7 di bawah ini.

S-N CURVE 0 10 20 30 40 50 60 70 80

1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08

cycle (N) Str e s s ( M Pa ) data sn curve

(7)

3.2 Prediksi Umur Struktur Kayu Lambung Motor Tempel

Untuk menentukan umur operasional struktur motor tempel ini menggunakan teori Palmgren Miner‘s Rule dengan mengaplikasikan data yang didapat dari hasil pengukuran beban impak pada Gambar 4. Adapun kejadian tegangan berdasarkan pengukuran beban impak tersebut dapat dilihat pada Tabel 3. Untuk menentukan umur kelelahan struktur motor tempel ini didasarkan pada tegangan yang bekerja di atas fatigue limit (tegangan batas) dan di bawah tegangan yield (tegangan luluh). Kemudian nilai tegangan tersebut diplot pada grafik SN-Curve yang ada, maka akan didapatkan nilai siklus yang menyebabkan kerusakan (Nk). Seperti diketahui nilai (nk) adalah

jumlah siklus setiap blok dengan amplitudo tegangan tetap, sedang nilai (Nk) adalah jumlah siklus

yang menyebabkan kerusakan struktur.

Tabel 3. Kejadian Tegangan diatas fatigue limit dari beban impak struktur motor tempel

No Stress (Mpa) Jumlah Kejadian (nk) SN-Curve (Nk) (nk/Nk ) 1 25 215 1000000 0.0002 2 30 45 900000 5E-05 3 35 23 800000 3E-05 4 40 3 600000 5E-06 5 45 2 343000 6E-06

Dan nilai hasil perhitungan dapat dilihat pada Table 3 dengan nilai total (nk/Nk) adalah 0.0003

, sehingga akan didapat umur struktur motor tempel adalah sebagai berikut :      20 20 3 3 2 2 1 1 _,_,_,_,_, N n N n N n N n N n k k 4 10 3 1  x

Sehingga akan terjadi kerusakan struktur kayu lambung motor tempel bila 4 10 3 1  x = 1

Maka umur kelelahan (tfu) = 1/3 x 10 4

= 3283.2 dengan asumsi beban berlangsung selama 300 detik atau 5 menit. Jika motor tempel setiap harinya beroperasi di sungai Musi dengan kecepatan penuh hingga 6 kali pembebanan penuh pada struktur tersebut maka umur kelelahan (tfh)=

(3283.2/6 ) Hari = 547.2 Hari = 547.2/365 Tahun, Sehingga umur kelelahannya ( tft ) = 1.4992

Tahun.

4. KESIMPULAN

Secara umum makalah ini menunjukkan prediksi umur pakai dari struktur kayu lambung motor tempel di sungai Musi. Dimana penentuan umur kelelahan struktur kayu dari meranti payo ini memakai metode Palmgren Miner rule dengan didasarkan pada data yang didapat dari hasil pengukuran beban impak saat motor tempel beroperasi di sungai Musi. Umur kelelahan struktur kayu motor tempel ini adalah 1.5 tahun dengan asumsi kejadian beban berulang setelah 5 menit dengan kondisi sama seperti saat pengukuran beban impak dilakukan dengan rata rata kejadian pembebanan 6 kali per harinya. Rekomendasi yang perlu disampaikan dari hasil penelitian ini adalah perlu adanya pemeriksaan ataupun perbaikan jika diperlukan pada struktur kayu lambung motor tempel di sungai Musi paling tidak 1 atau 2 kali dalam setahun. Selain itu hasil penelitian ini diharapkan merupakan masukan yang bermanfaat bagi para pengguna/ pemilik motor tempel, pengrajin dan juga pihak pembuat kebijakan pengaturan transportasi sungai.

(8)

REFRENSI

Green. D. W., Winandy .J E., Kretschmann. D E.,― Mechanical Properties of Wood‖, Forest Products Laboratory. 1999. Wood handbook—Wood as an engineering material Gen. Tech. Rep. FPL–GTR–113. Madison, WI: U.S. Department of Agriculture, Forest Service

Juvinal R C and Marshek K M,‖ 2nd

Fundamentals of Machine Component Design‖, Chapter 8 pp 257-302 , John Willey & Son

Piro. D., Dorger. C.,‖Vertical Plane Motions and Instability of High Speed Planing Hulls”,

Presentation of Graduate Students University of Michigan Department of Naval Architecture and Marine Engineering (2010)

Ratnasingam .J. , Ioras. F.,‖ Static and Fatigue Strength of Oil Palm Wood Used in Furniture‖.,Journal of Applied Sciences, 10: 986-990. 2010.

Wibowo H.N, O, Samudro,‖ On The Fatigue Analysis of Mooring Lines in Irregular Wave”,

Published and Presented for 4th Regional Conference of Marine Technology 2004,on 7 & 8 September 2004 at Johor, Malaysia

WINANDY. J. E.,”Wood Properties”, Encyclopedia of Agricultural Science. Orlando, FL: Academic Press: 549-561. Vol. 4. October 1994.

Yoshiho.I, Toru . K. ,‖Porpoising Oscillations of Very-High-Speed Marine Craft‖, Department of Marine System Engineering, Osaka Prefecture University, Mathematical, Physical & Engineering Sciences, Philosophical Transactions, of The Royal Society, series A, vol.358, no.1771, pp.1905-1915 (2000), The Royal Institution of Naval Architects, UK