Analisis Fatigue Life Pada Geladak Kontainer Dengan Metode Elemen Hingga - Repository ITK

Pembimbing 1 :

Alamsyah, S.T., M.T.

Pembimbing 2 :

Rodlian Jamal Ikhwani, S.T., M.T.

Pembimbing 3 :

Andi Mursid Nugraha Arifuddin, S.T., M.T.

Analisis Fatigue Life Pada Geladak Kontainer Dengan Metode Elemen Hingga

Oleh

Yasinta Ramadhani Arlian

09171069

Seminar Hasil Tugas Akhir

PROGRAM STUDI TEKNIK PERKAPALAN

JURUSAN SAINS, TEKNOLOGI PANGAN DAN KEMARITIMAN INSTITUT TEKNOLOGI KALIMANTAN

BALIKPAPAN 2021

Pokok Bahasan

Pendahuluan

Tinjauan Pustaka Metode Penelitian Hasil dan Pembahasan Kesimpulan dan Saran

Daftar Pustaka

Latar Belakang

Perkembangan dunia digital berpengaruh terhadap peningkatan perdagangan internasional. Khususnya dalam hal mengimpor atau mengekspor barang. Kegiatan tersebut telah dipermudah dengan penggunaan peti kemas yang dibawa oleh kapal kontainer yang diharapkan bisa menjadi lebih cepat dan aman. Container ship ataupun kapal kontainer merupakan kapal yang khusus dibangun untuk mengangkut peti kemas yang berukuran standar.

Kapal tersebut berlayar pada rute tertentu secara rutin serta melakukan pemuatan peti kemas secara berulang.

Pemuatan secara berulang yang terus terjadi dapat menyebabkan kecelakaan kapal kontainer, salah satunya yaitu pada kapal kontainer MV RENA yang kandas setelah menabrak karang astrolabe dekat selandia baru pada tahun 2011, dan terbelah menjadi dua bagian setelah terkena ombak besar setinggi 6 m setahun setelahnya (BBC, 2012). Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor, salah satunya adalah fatigue strength. Fatigue (kelelahan) merupakan kecenderungan suatu struktur mengalami kerusakan atau bahkan retak akibat beban berulang, dimana beban tersebut masih dibawah tegangan yang diijinkan. Jika terus dimuat, akan muncul retakan hingga akhirnya pecah (Septiana, 2012). Hal ini mengindikasikan perlunya pengawasan lebih untuk bagian-bagian yang rawan mengalami kelelahan, seperti pada bagian geladak kontainer (Choirudin, 2015).

Pendahuluan

Oleh sebab itu, pada saat desain harus dilakukan pengawasan lebih untuk meminimalkan terjadinya kerusakan pada geladak kontainer. Untuk membantu pengerjaan maka dapat disimulasikan dengan software yang bisa memperkirakan fatigue strength pada geladak kontainer tersebut. Metode elemen hingga dapat memberikan hasil yang lebih akurat karena material akan dibagi menjadi elemen – elemen kecil dimana elemen tersebut akan menunjukkan kekuatan dan kelelahan dari pengujian yang dilakukan.

Maka dari itu penulis mencoba menganalisis bagaimana nilai dari fatigue life terhadap kapal kontainer tersebut yang diberikan judul “

Analisis Fatigue Life Pada Geladak Kontainer Dengan Metode Elemen Hingga

”.

Latar Belakang

Pendahuluan

Berapa nilai fatigue life pada geladak

kontainer?

1 2

Dimana titik paling rawan terjadi kelelahan pada

geladak kontainer?

Rumusan Masalah

Pendahuluan

Hanya menganalisis fatigue life pada geladak kontainer Hanya menggunakan kontainer berukuran 20 ft.

Menggunakan variasi pembebanan saat 100%, 75%, 50% dan 25% muatan.

Dalam keadaan beban muatan, kondisi Sagging dan hogging.

Desain model hanya menggunakan manhole di bilga.

Menganalisis fatigue life pada midship kapal frame 65 sampai dengan 75 sepanjang 6.2 m.

Material baja yang digunakan adalah KI-A36.

Batasan Masalah Pendahuluan

1. Momen Lentur Batas Pada Kondisi Air Tenang

𝑀_𝑆𝑊 = 𝑛₁ ∗ 𝐶₀* 𝐿² ∗ 𝐵 ∗ (0.123 − 0.015 ∗ 𝐶_𝐵) Dimana:

n₁ = 1,07 [1+15 ^𝑛

10⁵ 2

] ≤ 1,2

n = jumlah maksimum peti kemas 20 feet (TEU) dengan berat G yang dapat diangkut kapal (409) 𝐶₀ = koefisien gelombang

L = panjang kapal (m) B = lebar kapal (m)

𝐶_𝐵 = koefisien blok (BKI vol II Sec. 5-B, 2019).

Momen

Tinjauan Pustaka

2. Momen Lentur Batas Pada Kondisi Air Bergelombang

𝑀_𝑤𝑣 = 𝐿² * B * 𝐶₀ * 𝐶₁ * 𝐶_𝐿*𝐶_𝑀

Dimana:

L = panjang kapal (m) B = lebar kapal (m) 𝐶₀ = koefisien gelombang

𝐶₁ = kondisiSaggingatau hogging 𝐶_1𝐻 = 0.19Cbkondisihogging

𝐶_1𝑆 =-0.11 (Cb +0.7)kondisiSagging 𝐶_𝐿 = koefisien panjang

𝐶_𝑀 = faktor distribusi = 1(BKI vol II Sec. 5-B, 2019).

3. Momen Lentur Total Vertikal

𝑀_𝑇 = 𝑀_𝑆𝑊 + 𝑀_𝑊𝑉

Momen

Tinjauan Pustaka

Perhitungan Fatigue dari struktur geladak kontainer ini berdasarkan penerapan pada aturan DNV-GL classification notes no.30.7 fatigue assessment of ship structure tahun 2014

𝐷 = ^{𝑣0 𝑇𝑑}_ത

𝑎 σ_𝑛=1^{𝑁𝑙𝑜𝑎𝑑}𝑝_𝑛 𝑞_𝑛^𝑚𝛤(1 + ^𝑚

ℎ_𝑛 ≤ 𝜂)

Dimana:

𝑁_{𝑙𝑜𝑎𝑑} = jumlah total kondisi beban yang dipertimbangkan.

𝑝_𝑛 = fraksi umur rencana dalam kondisi beban 𝜂, σ 𝑝_𝑛 ≤ 1, tetapi biasanya tidak kurang dari 0,85 𝑇_𝑑 = umur rencana kapal dalam detik (20 tahun = 6.3 x10⁸ detik)

ℎ_𝑛 = Parameter distribusi bentuk rentang tegangan Weibull untuk kondisi beban 𝑞_𝑛 = Parameter distribusi skala rentang tegangan Weibull untuk kondisi beban 𝑣₀ = respons rata-rata jangka panjang frekuensi zero-crossing

𝛤(1 + ^𝑚

ℎ_𝑛) = fungsi gamma

Fatigue

Tinjauan Pustaka

Setelah nilai fatigue damage diketahui maka umur dapat ditentukan dengan persamaan:

Fatigue life =

𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑙𝑖𝑓𝑒

𝐷

𝑥 𝑦𝑒𝑎𝑟𝑠

Dimana:

Design life = 20 tahun, sesuai aturan DNV-GL

D = Cumulative fatigue damage, (DNV-GL classification notes no.30.7 fatigue assessment of ship structure, 2014).

Fatigue

Tinjauan Pustaka

SN- CURVE

Tinjauan Pustaka

Diagram (S-N) merupakan konsep tegangan-siklus untuk memahami fenomena kelelahan logam. Konsep ini telah dipergunakan secara global untuk perancangan material dengan ketentuan tegangan yang terjadi masih berada pada daerah elastis dan memiliki umur lelah yang cukup panjang. Namun sebaliknya, konsep S-N ini tidak dapat dipakai dalam kondisi tegangan yang terjadi berada pada daerah plastis dan memiliki umur lelah yang pendek.

Principal Dimension

LOA = 98.90 m LWL = 94.50 m LPP = 92 m B = 23.5 m H = 10 m T = 6.5 m

DISP = 12048.0 t DWT = 8842.4 t Vs = 11 kn

CB = 0.809881

Diagram Alir

Metode Penelitian

Jarak Frame 65-75

Data Kapal

Metode Penelitian

muatan 20 ft 100% = Jumlah Kontainer dry 20 ft x Berat kontainer dry 20 ft x 100%

= 32 x 22 x 100%

= 704000 kg

Pressure = (jumlah beban kontainer x gravitasi)/(panjang model x lebar dalam model )

= 704000 kg x 9.8 m/s² 6.2 x 20

= 0.05563871 mpa

pembebanan air tenang frame 65-75

panjang model ( 11 frame) = 0.62 m x 10 6.2

Lebar palka 20 meter

susunan kontainer di bawah palka secara vertikal 4 pcs

secara horizontal 8 pcs

total kontainer 32 Beban muatan Pressure

beban kontainer 20 ft 100% 704000 kg 6899200 0.0556 mpa beban kontainer 20 ft 75% 528000 kg 5174400 0.0417 mpa beban kontainer 20 ft 50% 352000 kg 3449600 0.0278 mpa beban kontainer 20 ft 25% 176000 kg 1724800 0.0139 mpa

Beban Muatan

Hasil dan Pembahasan

Beban Muatan pada Kondisi Bergelombang

Hasil dan Pembahasan

𝐶₀ = 10.75 − ^{300 − 𝐿}

100

1.5 𝐶_𝑅𝑊

𝐶₀ = 10.75 − ^{300 − 94.5}

100

1.5 𝑥 1

= 7.804101771.

𝐶_{1𝑆 = −0.11} (𝐶_𝐵 + 0.7)

𝐶_{1𝑆 = −0.11} (0.809881 + 0.7)

= -0.166086963

𝐶_1𝐻 = 0.19 * 𝐶_𝐵

𝐶_1𝐻 = 0.19 * 0.809881

= 0.153877481

𝑛₁ = 1.07 ∗ 1 + 15 ∗ 𝑛 10⁵

2

= 1.07 ∗ 1 + 15 ∗ ^𝑛

10⁵ 2

= 1.070268486

𝑀_𝑤𝑣𝑠 = 𝐿² * B * 𝐶₀ * 𝐶₁ * 𝐶_𝐿*𝐶_𝑀

= (94.5)² 𝑥 23.5 𝑥 7.804101771 x -0.166086963 x 1 x 1

= 2.52017E+11 Nm𝑚² 𝑀_𝑤𝑣ℎ = 𝐿² * B * 𝐶₀ * 𝐶₁ * 𝐶_𝐿*𝐶_𝑀

= (94.5)² 𝑥 23.5 𝑥 7.804101771 x 0.153877481 x 1 x 1

= 2.72013E+11 Nm𝑚²

𝑀_𝑆𝑊 = 𝑛₁ ∗ 𝐶₀* 𝐿² ∗ 𝐵 ∗ (0.123 − 0.015 ∗ 𝐶_𝐵)

= 1.070268486 x 23.5 x 7.804101771 x (0.123-0.015 x 0.809

= 1.94308E+11 Nm𝑚²

Variasi Muatan Moment Hogging Moment Air Tenang Moment Total

100% 2.52017E+11 1.94308E+11 446324395885.80

75% 1.89013E+11 1.45731E+11 334743296914.35

50% 1.26008E+11 97153803642 223162197942.90

25% 63004197151 48576901821 111581098971.45

Variasi Muatan Moment Sagging Moment Air Tenang Moment Total

100% -2.72013E+11 -1.94308E+11 -466320787065.61

75% -2.0401E+11 -1.45731E+11 -349740590299.21

50% -1.36007E+11 -97153803642 -233160393532.80

25% -68003294946 -48576901821 -116580196766.40

Beban Muatan pada Kondisi Bergelombang

Hasil dan Pembahasan

Pemodelan pada Software berbasis Elemen Hingga

Hasil dan Pembahasan

Model Midship Kapal Frame 65-75

Hasil meshing model yang digunakan untuk analisis dalam 3 kondisi dan 4 variasi muatan. Meshing size (139

mm)

Kondisi Syarat Batas dan Peletakan Beban

Hasil dan Pembahasan

2 Tumpuan Remote Displacement pada

Neutral Axis

peletakan momen pada kondisi

Bergelombang Peletakan Pressure pada kondisi

beban muatan

Hasil Analisis Nilai Tegangan pada Kondisi tidak bergelombang

Hasil dan Pembahasan

Nilai tegangan geladak pada muatan 100% dalam kondisi

tidak bergelombang dengan beban muatan

Nilai tegangan geladak pada muatan 75% dalam kondisi tidak

bergelombang dengan beban muatan

Hasil Analisis Nilai Tegangan pada Kondisi tidak bergelombang

Hasil dan Pembahasan

Nilai tegangan geladak pada muatan 50% dalam kondisi tidak

bergelombang dengan beban muatan

Nilai tegangan geladak pada muatan 25% dalam kondisi tidak

bergelombang dengan beban muatan

Hasil Analisis Nilai Tegangan pada Kondisi Hogging

Hasil dan Pembahasan

Nilai tegangan geladak pada muatan 100% dalam kondisi

Hogging

Nilai tegangan geladak pada muatan 75% dalam kondisi

Hogging

Hasil Analisis Nilai Tegangan pada Kondisi Hogging

Hasil dan Pembahasan

Nilai tegangan geladak pada muatan 50% dalam kondisi

Hogging

Nilai tegangan geladak pada muatan 25% dalam kondisi

Hogging

Hasil Analisis Nilai Tegangan pada Kondisi Sagging

Hasil dan Pembahasan

Nilai tegangan geladak pada muatan 100% dalam kondisi

Sagging

Nilai tegangan geladak pada muatan 75% dalam kondisi

Sagging

Hasil Analisis Nilai Tegangan pada Kondisi Sagging

Hasil dan Pembahasan

Nilai tegangan geladak pada muatan 50% dalam kondisi

Sagging

Nilai tegangan geladak pada muatan 25% dalam kondisi

Sagging

Perhitungan Fatigue Damage

Hasil dan Pembahasan

ℎ₀= (2.21-0.54𝑙𝑜𝑔 10(L)) ℎ₀= (2.21-0.54𝑙𝑜𝑔 10(94.5))

= 1.143266823

𝑣₀ = 1 4. 𝑙𝑜𝑔₁₀(𝐿) 𝑣₀ = ¹

4.𝑙𝑜𝑔₁₀(94.5)

= 0.13

𝑞_{𝑛 =} ^𝛥𝜎0

(𝑙𝑛 𝑛₀)^1ൗℎ𝑛

𝑞_{𝑛 =} 227.85

(𝑙𝑛 241000)^1ൗ1.143266823

= 25.20

𝐷 = ^{𝑣0 𝑇𝑑}

𝑎ത σ_𝑛=1^{𝑁𝑙𝑜𝑎𝑑}𝑝_𝑛 𝑞_𝑛^𝑚𝛤(1 + ^𝑚

ℎ_𝑛 ≤ 𝜂)

= (0.13 x 630720000 )/ 2728977782808.05 x 25.20³𝑥 3.62

= 1.7

Fatigue life = 𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑙𝑖𝑓𝑒

𝐷 𝑥 𝑦𝑒𝑎𝑟𝑠

= ²⁰

1.7 x 1 = 11.78 tahun

Perhitungan Fatigue Damage Pada Kondisi Tidak Bergelombang Dengan Muatan Lokal Dengan Variasi Muatan 100%, 75%, 50% dan 25%.

Hasil dan Pembahasan

Fatigue Damage Muatan

100%

Muatan 75%

Muatan 50%

Muatan 25%

Unit

𝛥𝝈_𝑯𝑺 Hot Spot Stress 177.35 133.01 88.676 44.338 MPa

𝒏_𝟎Number of cycles over the time period

563000 1460000 4000000 32500000

𝑻_𝒅Design life of ship in seconds

(20 yrs = 6.3x𝟏𝟎^𝟖sec)

631000000 631000000 631000000 631000000 second

q Weibull stress range scale distribution parameter

18.12 13.07 8.20 3.66

𝒗_𝟎Average zero up-crossing frequency

0.13 0.13 0.13 0.13

𝜞(𝟏 +^𝒎

𝒉_𝒏)Gamma function 3.62 3.62 3.62 3.62

D Accumulated fatigue damage

0.63 0.24 0.06 0.01

Perhitungan Fatigue Damage Pada Kondisi Hogging Dengan Variasi Muatan 100%, 75%, 50% dan 25%.

Hasil dan Pembahasan

Fatigue Damage Muatan

100%

Muatan 75%

Muatan 50%

Muatan 25%

Unit

𝛥𝝈_𝑯𝑺 Hot Spot Stress 227.85 170.89 113.92 56.962 MPa

𝒏_𝟎Number of cycles over the time period

241000 600000 2210000 17100000

𝑻_𝒅Design life of ship in seconds

(20 yrs = 6.3x𝟏𝟎^𝟖sec)

631000000 631000000 631000000 631000000 second

q Weibull stress range scale distribution parameter

25.2 17.76 10.91 4.87

𝒗_𝟎Average zero up-crossing frequency

0.13 0.13 0.13 0.13

𝜞(𝟏 + ^𝒎

𝒉_𝒏)Gamma function 3.62 3.62 3.62 3.62

D Accumulated fatigue damage

1.70 0.59 0.14 0.01

Perhitungan Fatigue Damage Pada Kondisi Sagging Dengan Variasi Muatan 100%, 75%, 50% dan 25%.

Hasil dan Pembahasan

Fatigue Damage Muatan

100%

Muatan 75%

Muatan 50%

Muatan 25%

Unit

𝛥𝝈_𝑯𝑺 Hot Spot Stress 235.51 176.63 117.76 58.878 MPa

𝒏_𝟎Number of cycles over the time period

235000 562000 2000000 14100000

𝑻_𝒅Design life of ship in seconds

(20 yrs = 6.3x𝟏𝟎^𝟖sec)

631000000 631000000 631000000 631000000 second

q Weibull stress range scale distribution parameter

26.10 18.44 11.35 5.08

𝒗_𝟎Average zero up-crossing frequency

0.13 0.13 0.13 0.13

𝜞(𝟏 +^𝒎

𝒉_𝒏)Gamma function 3.62 3.62 3.62 3.62

D Accumulated fatigue damage

1.88 0.66 0.15 0.01

SN-CURVE

Hasil dan Pembahasan

177.35

133.01

88.676

44.338 40

60 80 100 120 140 160 180

0 7000000 14000000 21000000 28000000

Stress (MPa)

Cycles

SN-CURVE Beban Muatan

227.85

170.89

113.92

56.962 55

75 95 115 135 155 175 195 215

0 5000000 10000000 15000000 20000000

Stress (MPa)

cycles

SN-CURVE Hogging Condition

235.51

176.63

117.76

58.878 55

105 155 205

0 5000000 10000000 15000000

Stress (MPa)

cycles

SN-CURVE Sagging Condition

Perhitungan Fatigue Life

Hasil dan Pembahasan

Variasi Muatan Jumlah Siklus Fatigue Damage Fatigue life (Tahun)

Beban Muatan 100% 563000 0.63 ^31.71

Beban Muatan 75% 1460000 0.24 ^84.58

Beban Muatan 50% 4000000 0.06 ^341.72

Beban Muatan 25% 32500000 0.01 ^3836.05

Variasi Muatan Jumlah Siklus Fatigue Damage Fatigue life (Tahun)

Kondisi Hogging 100% 241000 1.70 11.78

Kondisi Hogging 75% 600000 0.59 33.65

Kondisi Hogging 50% 2210000 0.14 145.18

Kondisi Hogging 25% 17100000 0.01 1638.11

Variasi Muatan Jumlah Siklus Fatigue Damage Fatigue life (Tahun)

Kondisi Sagging 100% 235000 1.88 10.61

Kondisi Sagging 75% 562000 0.66 30.09

Kondisi Sagging 50% 2000000 0.15 129.09

Kondisi Sagging 25% 14100000 0.01 1438.67

Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan

1. Nilai fatigue life pada kondisi tidak bergelombang muatan 100% adalah 31.71 tahun, muatan 75% adalah 84.58 tahun, muatan 50% adalah 341.72 tahun, dan pada muatan 25% adalah 3836.05 tahun. Adapun nilai fatigue life pada kondisi hogging adalah 11.78 tahun, muatan 75% adalah 33.65 tahun, muatan 50% adalah 145.18 tahun, dan pada muatan 25% adalah 1638.11 tahun. Serta nilai fatigue life pada kondisi hogging adalah 11.78 tahun, muatan 75% adalah 33.65 tahun, muatan 50% adalah 145.18 tahun, dan pada muatan 25% adalah 1638.11 tahun.

2. Titik paling rawan terjadi kelelahan pada konstruski geladak kontainer adalah pada wing tank bagian atas saat kondisi Sagging muatan 100% dengan tegangan sebesar 235.51 MPa

Saran

1. Perlunya desain model yang lebih detail agar hasil yang didapatkan lebih relevan dengan kondisi yang sebenarnya.

2. Penelitian ini dapat dikembangkan dengan menggunakan software berbasis elemen hingga seperti MSC Patran, Nastran, dan Abacuss.

Daftar Pustaka

Bhavikatti, S. (2005). Finite Element Analysis. New Delhi: New Age International.

Biro Klasifikasi Indonesia (BKI) Volume II. 2019. “Rule Construction of Hull for SeaGoing Steel Ship”

Choirudin, dkk. (2015). Jurnal Analisa Fatigue Crude Oil Tanker 306507 DWT Berdasarkan Common Structural Rules (CSR) Oil Tanker. Universitas Dipenogoro: Jurusan S1 Teknik Perkapalan.

Damanik, L., Mulyanto, I. P., & Arswendo, B. (2016). Kajian Teknik Kekuatan Konstruksi Kapal Tugboat 2 x 800 HP dengan Metode Elemen Hingga. Semarang: Teknik Perkapalan Universitas Diponegoro.

Djatmiko, Eko. (2012). Perilaku Dan Operabilitas Bangunan Laut Di Atas Gelombang Acak. Surabay: ITS Press Djaprie, S. 1995. Ilmu dan Teknologi Bahan. Edisi kelima. Jakarta: Erlangga, 483- 510.

DNVGL. (2014). Fatigue Assessment of Ship Structures. DNV.GL.

Fogler, 1992,” Elements of Chemical Reaction Engineering”, 4th edition, Prentice-Hall International, Inc, Amerika

Haryanto, Yuli. (2020). Skirpsi Pengaruh Patahnya Wing Ponton Terhadap Daya Muat Kapal Kontainer Di Mv.

Pulau Hoki. Politeknik Ilmu Pelayaran Semarang: Program Studi Nautika Diploma IV.

Kirk, R. E., dan Othmer, D. F., 1995, “Encyclopedia of Chemical Technology”, 4 th edition, vol. 16, John Wiley and Sons CoMPany Inc., New York.

Lamb, T. (2003). Ship Design and Construction. America: The Society of Naval Architecture and Marine Engineers.

Lestari, Putri. (2018). Skripsi Analisis Pengaruh Modulus PenaMPang Terhadap Kekuatan Batas Kapal Double Hull Tanker (Studi Kasus Kapal Tanker T3 Dan Kapal Tanker T4). Universitas Hasanuddin:

Departemen Teknik Kelautan Fakultas Teknik.

Logan, D. L. (2007). A First Course in the Finite Element Method. United States: Nelson a division of Thomson Canada Limited.

Lubis, R. (2008). Diktat Kuliah Fisika Dasar 1. UNIKOM: Jurusan Teknik Informatika Fakultas Teknik &

Ilmu Komputer.

Popov, E. (1978). Mechanic of Materials. California: University of California Berkeley.

Popov, E.P. (1978). Mechanics of Material 2nd edition. Prentice-Hall: Inc.

Daftar Pustaka

Salam, dkk. (2017). Jurnal Analisa Kelelahan Propeller Kapal Ikan PVC Dengan Metode Elemen Hingga.

UNDIP: Departemen Teknik Perkapalan.

Viranda, Rezca. (2017), Skripsi Optimalisasi Pembongkaran Semen Di Mv. Ocean Sparkle. Politeknik Ilmu Pelayaran Semarang: Program Studi Nautika Diploma IV.

https://www.bbc.com/indonesia/dunia/2012/01/120108_renabroken

https://dimensipelaut.blogspot.com/2019/02/jenis-jenis-kapal-kontainer-kontainer.html

Daftar Pustaka

Terima Kasih