ANALISA TEGANGAN GESER PADA STRUKTUR KAPAL BULK CARRIER

Transkripsi

1 ANALISA TEGANGAN GESER PADA STRUKTUR KAPAL BULK CARRIER Oleh Nevi Eko Yuliananto NRP Dosen Pembimbing : Totok Yulianto, S.T, M.T JURUSAN TEKNIK PERKAPALAN FAKULTAS TEKNOLOGI KELUATAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011

2 Dalam tugas akhir ini, diambil studi kasus untuk kapal Bulk Carrier 8665 DWT dengan L = m Karena panjang kapal lebih dari 90 m ( L 90 m), dilakukan pemeriksaan kekuatan kapal dari kriteria tegangan geser yang disyaratkan oleh regulasi Common Structural Rules for Bulk Carriers. Desain konstruksi yang telah ada belum tentu memenuhi sebelum dilakukan pemeriksaan tegangan geser yang disyaratkan CSR Bulk Carriers.

3 Bagaimana dan Berapa menentukan tegangan geser pada shear force dan momen torsi maksimum. Bagaimana cara menentukan tegangan geser dengan menggunakan pemodelan elemen hingga dan pembebanan berdasarkan regulasi CSR Bulk Carriers. Apakah tegangan geser kapal bulk carrier tersebut telah memenuhi persyaratan CSR Bulk Carriers. Alternatif apa yang akan dilakukan apabila struktur kapal bulk carrier tersebut tidak memenuhi persyaratan CSR Bulk Carriers.

4 Kapal yang dijadikan studi kasus adalah kapal Bulk Carrier dengan kapasitas 8665 DWT Regulasi yang diterapkan untuk pemodelan FE analisys adalah regulasi Common Structural Rules for Bulk Carrier. Dalam pemodelan FE analysis software yang dipakai adalah MSC PATRAN sebagai Pre Processor dan MSC NASTRAN sebagai Processor.

5 Menentukan tegangan geser pada shear force dan momen torsi maksimum. Membandingkan tegangan geser perhitungan manual dan FE analysis dengan tegangan geser yang diijinkan oleh CSR Bulk Carriers. Mendapatkan alternatif dalam merancang konstruksi kapal apabila mengalami tegangan geser yang melebihi persyaratan CSR Bulk Carriers.

6 Mengetahui dan memahami proses pemodelan FE Analysis sesuai dengan regulasi Common Structural Rules mulai dari aturan meshing pada model, material properties, kondisi pembebanan dan kondisi batas. Mengetahui dan memahami Analisa Tegangan Geser secara analisa manual dan secara analisa pemodelan (FE Analysis) yang diberlakukan dalam CSR. Dapat memperoleh alternatif dalam merancang sebuah konstruksi kapal, sehingga diperoleh kekuatan tegangan geser yang memenuhi persyaratan CSR. Dapat memperoleh tegangan geser yang disyaratkan oleh CSR.

7 Langkah-langkah permodelan perhitungan metode elemen hingga untuk konstruksi pada tengah kapal (midship section) dari bulk carrier sesuai dengan regulasi Common Structural Rule for Bulk Carrier. Lingkup Model. Elemen dan Ukurannya. Material Properties. Kondisi Batas. Standart Kondisi Pembebanan.

8 Permodelan secara umum tergantung pada konstruksi, kondisi pembebanan (loading condition), dan kondisi simetris pada arah longitudinal maupun transversal. Lingkup model melintang : Secara umum konstruksi melintang adalah simetris pada arah melintang, apabila terdapat kondisi oleng harus dimodelkan selebar badan kapal. Pada kapal yang tidak simetris untuk konstruksi dan pembebanannya harus dimodelkan selebar kapal. Lingkup model memanjang : model dibuat sepanjang 3 ruang muat ( ).

9 Contoh model elemen hingga Sumber : Common Structural Rule for Bulk Carriers

10 Semua bagian dari struktur konstruksi kapal harus dimodelkan secara detail, baik bagian yang berbentuk pelat maupun stiffner. Bagian kontruksi kapal yang berupa stiffner dapat dimodelkan dengan beam atau bar element. Beam element digunakan untuk memodelkan stiffner yang berfungsi sebagai penguat langsung pada struktur konstruksi seperti web frame dan longitudinal stiffner. Pada bagian struktur konstruksi kapal yang berupa pelat akan dimodelkan dengan shell element yang memiliki harga ketebalan pelat dan arah orientasi pembebanan. Ukuran untuk meshing dari elemen adalah sama atau tidak boleh lebih besar dari jarak antara frame baik secara memanjang atau melintang.

11 Beam element digunakan untuk memodelkan stiffner yang berfungsi sebagai penguat langsung pada struktur konstruksi seperti web frame dam longitudinal stiffner. Beam element memiliki nilai axial (A), moment inertia (I), torsional (J) dan arah orientasi dari pembebanan. Rod element digunakan untuk memodelkan web stiffner dan face plate pada penguat utama konstruksi yang hanya memiliki constant cross section area sepanjang stiffner. Pelat dimodelkan dengan menggunakan elemen segi empat atau elemen segitiga, yang akan diinputkan tebal pelatnya.

12 Sesuai dengan regulasi CSR Bulk Carriers untuk kondisi batas diberikan pada independent point dan rigid link di kedua ujung model. Independent point adalah titik pusat grafitasi dari model pada daerah tersebut. Untuk node yang berada disekeliling independent point didefenisikan sebagai rigid link.

13 Rigid link pada kedua ujung model. Independen point pada kedua ujung model.

14 Kondisi pembebanan untuk analisa kekuatan struktur dengan metode langsung (FE analysis) sesuai dengan regulasi CSR Bulk Carriers, Chapter 4, Appendix 2. Disetiap kondisi pembebanan dipengaruhi oleh ekivalen desain gelombang atau equivalent design wave (EDW) yaitu besarnya harga gaya tekan yang diterima konstruksi kapal (hull girder) akibat respon dari gelombang air laut. Load case merupakan pendefinisian respon EDW terhadap lambung kapal (hull girder). Pembebanan pada lambung kapal (Hull girder load) dan percepatannya terhadap gerak kapal dipengaruhi oleh load case H1, H2, F1, F2, R1, R2, P1 dan P2. Oleh karena itu dalam perhitungannya perlu dikalikan dengan factor pengali yang berupa factor kombinasi beban.

15 Faktor kombinasi beban

16 Secara umum, shear stress dapat didefinisikan ke dalam persamaan 1: Dimana, Pers. 1 Pers. 2 Q : shear force I : momen inersia penampang t : tebal pelat y : jarak titik berat luasan sampai sumbu netral axis s : panjang pelat yang ditinjau

17 Setiap penampang tertutup dirubah menjadi penampang terbuka dengan memotong pada salah satu ujung dari penampang tertutup tersebut. Tiap cabang shear flow 0 pada ujung cabangnya. Moment pertama m dapat dihitung dengan persamaan 2 untuk membedakan nilai m dengan cut section diberikan simbol m*. Pers. 3 Sehingga besarnya nilai dari shear flow disimbolkan sebagai q* menjadi Pers. 4 Dan luasan shear flow untuk koreksi shear flow untuk satu komponen penampang tertutup dapat diselesaikan dengan cara simpson, sebagai berikut : (q*/t) ds = (q*.fs).s / 3.t Pers. 5

18 Koreksi shear flow untuk satu komponen tertutup adalah : (1/t)ds Pers. 6 Sehingga koreksi shear flow keseluruhan komponen tertutup dapat diselesaikan dengan integral tertutup (1/t)ds Pers. 7 Dan luasan shear flow untuk koreksi shear flow untuk keseluruhan komponen penampang tertutup dapat diselesaikan dengan cara integral tertutup, sebagai berikut : (q*/t)ds Pers. 8 Sehingga dari persamaan 7 dan 8 menjadi persamaan shear flow koreksi untuk suatu penampang tertutup: (q1/t)ds + (q2/t)ds + + (qn/t)ds = - (q*/t)ds Pers. 9

19 Kemudian dilakukan penjumlahan antara shear flow sebelum koreksi (pers.4) dan shear flow koreksi (pers.9), menjadi : Apabila arah shear flow sebelum koreksi berlawanan dengan arah shear flow koreksi, maka tanda (+) menjadi (-).

20 Yang perlu diketahui untuk perhitungan tegangan geser akibat torsi adalah, bahwa sudut puntir (θ ) disemua komponen konstruksi adalah sama. Pada umumnya torsi di setiap penampang terbuka atau tertutup berasal dari persamaan turunan pertama dari θ = dθ/dx. Open section : Close section : J t 3 L m 3 T.t J i 1 2 GA 2 q i S ds t... i 4 1 q i A i T 2 q t

21 Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini digunakan metode analisa secara manual dan analisa elemen hingga yang tahapan-tahapannya adalah sebagai berikut: Studi literatur yang dilakukan adalah yang berkaitan dengan pemahaman teori dan konsep dari perhitungan tegangan geser (shear stress) baik itu perhitungan manual ataupun dengan FE analisys. Selain itu juga dilakukan studi literatur tentang teoriteori tegangan geser yang menyangkut momen bending (shear force), momen torsi, dan variasi beban muatan berdasarkan CSR bulk Carriers. Dalam tugas akhir ini, dilakukan studi kasus pada kapal Bulk Carrier dengan kapasitas muatan 8665 DWT. Berikutnya dari ukuran utama kapal, gambar penampang melintang dan gambar rencana konstruksi tersebut, dapat dilakukan proses pemodelan kapal.

22 Selain dilakukan analisa dengan pemodelan elemen hingga, dilakukan analisa dengan perhitungan manual baik itu tegangan geser akibat gaya geser (shear force) dan momen torsi. Perhitungan kekuatan memanjang ini diperlukan untuk mendapatkan gaya geser (shear force) maksimum pada penampang tertentu di setiap kondisi pembebanan muatan dengan pola pembebanan berdasarkan regulasi CSR. Perhitungan ini dibantu dengan software hydromax khusus analisa kekuatan memanjang (Longitudinal Strength) dan Equilibrium (keseimbangan) untuk mencari tahu keadaan trim kapal di setiap kondisi pembebanan. Selain akibat gaya geser (shear force), perhitungan tegangan geser juga dilakukan akibat momen torsi. Dalam tugas akhir ini, perhitungan momen torsi tidak dilakukan variasi pembebanan muatan, namun digunakan rumus pendekatan berdasarkan BKI dan CSR yang terbesar diambil. Sehingga dari momen torsi didapatkan tegangan geser yang didapat dari rumus Owen F. Huges (1983) dan kemudian dibandingkan dengan tegangan geser yang diijinkan oleh CSR.

23 Diagram alir proses pengerjaan

24 Regulasi yang dipakai dalam penulisan tugas akhir ini adalah CSR (Common Structural Rules) for Bulk Carrier. Kapal yang dijadikan studi kasus untuk permodelan dan analisa ini adalah Bulk Carrier 8665 DWT. Dengan ukuran utama sebagai berikut : PRINCIPAL PARTICULARS Length Overall (Loa) m Length Between Perpendiculars (Lpp) m Breadth Moulded (B) m Depth Moulded (D) 9.00 m Draft (T) 5.93 m Sea Speed (Vs) knots Trial Speed (Vt) knots Deadweight (DWT) 8665 Ton Gross Tonnage (GT) Ton Complement 22 Persons Main Engine Wartsila 4R32LN RPM

25 Gambar rencana konstruksi

26 Penampang Melintang Midship Bulk Carrier 8665 DWT

27 Menurut CSR for Bulk Carrier Chapter 7, section 2, memberikan informasi bahwa pemodelan kapal dilakukan pada tiga cargo hold yang berada di tengah kapal beserta ke empat sekat melintang. Pemodelan dilakukan secara utuh baik sisi port side atau star board karena pembebanan yang ada pada regulasi ini tidak simetris. Kapal Bulk Carrier 8665 DWT dimodelkan mulai dari frame no- 35 sampai pada frame no 125 atau dengan arti lain pemodelan dilakukan pada cargo hold no 2, 3 dan 4.

28 Meshing ruang muat 2, 3, dan 4

29

30 Selain memberikan kondisi batas di kedua independent point dikedua ujung model, sesuai dengan regulasi pada CSR for Bulk Carrier Chapter 7, section 2, maka pada bagian tersebut ikut di-inputkan harga momen bending vertikal.

31 No LOADING CONDITION Msw [knm] Mwv [knm] Beban H S H S Diambil Full Load Msw,s Slack Load 5 Deepest Ballast Msw,H Msw,s Msw,s MultiPort Msw,s Msw,H MultiPort Msw,s Alternate Load Msw,H Msw,s & 12 Alt. Block Load Msw,H Msw,s Msw,s Heavy Ballast Msw,s Heavy Ballast Msw,s

32 Pembebanan ini dilakukan untuk analisa elemen hingga, dasar yang digunakan dari pembebanan ini adalah dari regulasi CSR bulk carrier. Dibagi menjadi 2 (dua), yakni beban eksternal air laut, dan beban internal akibat muatan kering dan cairan pada tangki.

33 BEBAN EKSTERNAL AIR LAUT Total dari beban tekan luar dalam kn/m 2 adalah akumulasi dari tekanan hidrostatik dan tekanan hidrodinamika yang dipengaruhi oleh load case H1, H2, F1, F2, P1, P2, R1 dan R2. Dimana, Ps : Tekanan Statis Air Laut Pw : Tekanan Dinamis Air Laut P = Ps + Pw

34 TEKANAN STATIS AIR LAUT Beban tekanan hidrostatik dalam kn/m 2 merupakan fungsi dari sarat kapal pada kondisi kapal berada di air tenang dengan formula seperti pada tabel dibawah ini:

35 LOADING Tlc Z Ps No. CONDITION [m] [m] [kn/m 2 ] Full Load Slack Load Deepest Ballast Remark MultiPort MultiPort Alternate Load Alt. Block Load Heavy Ballast Z =Tlc, Ps = 0

36 TEKANAN DINAMIS AIR LAUT UNTUK LOAD CASES H1 & F2. Tekanan hidrodinamis ph dan pf untuk load case H1, H2, F1 dan F2 dalam satuan kn/m 2 dapat dihitung dengan persamaan dibawah ini : Dimana,

37 Tlc = m (LC 6 dan LC 7) λ = untuk beban H1 x Y Phf(H) PH1 kp kl [m] [m] [kn/m 2 ] [kn/m 2 ]

38 TEKANAN DINAMIS AIR LAUT UNTUK LOAD CASE R1. Tekanan hidrodinamika untuk load case R1 disetiap titik pada lambung kapal dibawah garis air dapat dihitung dengan menggunakan persamaan dibawah ini : Dimana,

39 Pos. STARBOARD y PR1 [m] [kn/m 2 ] CL PORTSIDE

40 TEKANAN DINAMIS AIR LAUT UNTUK LOAD CASE P1. Tekanan hidrodinamika untuk load case P1 dihitung dengan menggunakan persamaan dibawah ini :

41 Pos. Z = 0 M Tlc = 5.93 m (LC 1, LC 2, LC 3, LC 4, LC 10, LC 11, & LC 12) λ = M y Pp Pp1(W) Pp1(L) [m] [kn/m 2 ] [kn/m 2 ] [kn/m 2 ] CL STARBOARD PORTSIDE

42 AKUMULASI BEBAN TEKAN AIR LAUT (EXTERNAL SEA PRESSURE ACCUMMULATE) Setelah membahas dan menyelesaikan beban hidrostatis dan hidrodinamika pengaruh dari load case, beban-beban tersebut dijumlahkan sehingga harga beban tekanan air laut (external pressure) dapat diketahui.

43 Tlc = m (LC 6 dan LC 7) Z = 0 untuk beban H1 x y Phf(H) PH1 Ps P kp k1 [m] [m] [kn/m 2 ] [kn/m 2 ] [kn/m 2 ] [kn/m 2 ]

44 BEBAN INTERNAL RUANG MUAT (DRY BULK CARGO PRESSURE). Total dari beban tekan ruang muat dalam kn/m 2 adalah akumulasi dari tekanan ruang muat pada kondisi air tenang dan tekanan ruang muat yang dipengaruhi oleh load case H1, H2, F1, F2, P1, P2, R1 dan R2. Dimana, Pcs : beban tekan ruang muat pada kondisi air tenang, kn/m 2. Pcw : beban tekan ruang muat pada kondisi air gelombang, kn/m 2.

45 TINGGI PERMUKAAN MUATAN DARI ALAS DALAM (hc). Untuk ruang muat yang diisi penuh sampai ke atas ruang muat, merupakan tinggi permukaan muatan pada density muatan sesuai desain muatan. Pada kapal bulk carrier 8665 DWT, desain muatan dengan density 1.35 t/m 3 dengan tinggi muatan dari alas dalam sampai geladak teratas / geladak utama, hc = 7.8 m. Untuk ruang muat yang tidak diisi sampai penuh, merupakan tinggi permukaan muatan pada density muatan maksimum sesuai desain dari regulasi CSR, 3 t/m 3.

46 BEBAN INTERNAL RUANG MUAT (Pcs) & BEBAN GESER MUATAN (pcs-s) KONDISI AIR TENANG. Untuk menghitung besarnya beban tekan (Pcs) pada ruang muat pada kondisi air tenang adalah dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: Untuk menghitung besarnya beban geser (Pcs-s) pada ruang muat pada kondisi air tenang adalah dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

47 BEBAN INTERNAL RUANG MUAT (Pcw) & BEBAN GESER MUATAN (pcw-s) KONDISI AIR GELOMBANG. Beban tekan ruang muat (Pcw) pada kondisi desain gelombang dalam kn/m 2, dapat dihitung dengan persamaan berikut : Untuk Load case H : Untuk Load case F : Untuk Load cases R dan P :

48 Lanjutan Beban geser ruang muat (Pcw-s) pada kondisi desain gelombang dalam kn/m 2, dapat dihitung dengan persamaan berikut : Untuk Load cases H, R, dan P : Untuk Load case F :

49 BEBAN INTERNAL CAIRAN PADA TANGKI Seperti halnya beban tekan ruang muat, beban tekan pada tanki merupakan penjumlahan dari tekanan cairan tangki pada kondisi air tenang dan tekanan cairan tanki saat kapal dipengaruhi oleh desain gelombang, load case H1, H2, F1, F2, P1, P2, R1 dan R2. P B = P BS + P BW Dimana, p BS : Beban tekan cairan pada tanki kondisi air tenang, kn/m 2 p BW : Beban tekan cairan pada tanki kondisi gelombang, kn/m 2

50 BEBAN INTERNAL CAIRAN PADA TANGKI KONDISI AIR TENANG (P BS ). Beban tekan cairan pada tangki pada kondisi air tenang dapat dihitung dengan persamaan berikut : Z TOP Z BO P PV : koordinat-z diukur dari permukaan teratas tangki sampai baseline [m]. : koordinat-z diukur dari permukaan teratas pipa overflow sampai baseline [m]. : pengaturan tekanan dari katup pengaman [bar] Diambil batas maksimum tekanan standart 0.2 bar ρ L : massa jenis cairan [ton/m 3 ] untuk analisa beban lokal, P BS tidak kurang dari 25 kn/m 2.

51 BEBAN INTERNAL CAIRAN PADA TANGKI KONDISI AIR GELOMBANG (P BW ). Beban tekan cairan pada tanki pada kondisi air gelombang dapat dihitung dengan persamaan berikut : untuk load case H : untuk load case F : P BW = 0 untuk load cases R dan P :

52 PEMBEBANAN ANALISA MANUAL Selain dilakukan analisa dengan pemodelan elemen hingga, dilakukan analisa dengan perhitungan manual baik itu tegangan geser akibat gaya geser (shear force) dan momen torsi. Dalam perhitungan analisa manual ini, digunakan pola pembebanan (loading pattern) berdasarkan regulasi CSR bulk carrier appendix 2. TEGANGAN GESER AKIBAT GAYA GESER (Shear stress due to shear force). TEGANGAN GESER AKIBAT MOMEN TORSI (Shear stress due to torsional moment).

53 TEGANGAN GESER AKIBAT GAYA GESER (Shear stress due to shear force). Pola pembebanan slack load. Berdasarkan CSR bulk carrier, pada kondisi ini semua ruang muat terisi penuh dengan massa jenis muatan sesuai desain 1.35 ton/m 3 dengan massa muatan tiap ruang muat tetap. Dalam hal ini, pada ruang muat 4 diisi muatan dengan kuantitas 50% dari massa muatan penuh ruang muat 4. M ρc CH ton ton/m^3 CH CH CH CH CH(total)

54 Shear force maksimum terjadi pada daerah m dari AP. Qsw-max = kn pada m dari AP Sehingga, Qwv = kn pada x/l = 0.4 (untuk negative shear force) QT = Qsw-max + Qwv = = kn pada x/l = 0.4

55 Perhitungan Shear flow dilakukan pada setengah model (karena simetris). Shear flow pada penampang tertutup (close section) dihitung dengan terlebih dahulu memotong penampang sehingga menjadi penampang terbuka (open section) Q* No. Statically Determinate Shear Flow (Qv/Iy) t s z q* [N/m 4 ] [m] [m] [m] [N/m] FS Correction P = ds / t (q*/t) ds = = q. FS (q*.p).s / 3.t s/t q E E E E E E E+05 q E E E E E E E

56 Plot gambar shear flow sebelum koreksi

57 Kemudian dari cut cell tersebut dikoreksi untuk penampang tertutup, kecuali pada penampang yang memang terbuka (misal : pelat sisi) tidak perlu dilakukan koreksi untuk penampang tertutup. Cell q* (q*/t)ds dir. corr. (q*/t)ds (1/t)ds (1/t)ds (q1/t)ds + (q2/t)ds + + (qn/t)ds = - (q*/t)ds q E q E q E E+07 q E q0 = 3.65E+07 q 1-1a -1.03E q 1a E

58 Plot gambar shear flow koreksi

59 Sehingga dengan cara perhitungan yang sama, diperoleh nilai shear flow koreksi di setiap penampang (cincin) tertutup: Koreksi Shear Flow q0 = 2.96E+04 N/m q1 = 2.50E+05 N/m q2 = 1.53E+05 N/m q3 = 6.49E+04 N/m

60 Setelah dilakukan perhitungan shear flow untuk potongan penampang terbuka dan koreksi untuk penampang tertutup, diperoleh shear flow total : q q* q corr. dir. q tot = [N/m] [N/m] corr. q* + q corr. q E E E E E E E E E+04 q E E E E E E E E E+05

61 Plot gambar shear flow total

62 Dari shear flow total, diperoleh shear stress (q/t) q q tot Thickness Shear Stress (τ) Shear Stress (τ) (N/m) (m) (N/m 2 ) (N/mm 2 ) q E E E E E E E E E+00 q E E E E E E E E E+01 Untuk pola pembebanan yang lain, perhitungan shear flow dilakukan dengan cara yang sama

63 TEGANGAN GESER AKIBAT MOMEN TORSI (Shear stress due to torsional moment). Untuk perhitungan momen torsi maksimum digunakan persamaan Mwtmax (BKI sect 5, 3.5), persamaan Mwt (BKI sect 5, 3.5) dan persamaan Mwt (CSR Bulk carrier) yang terbesar diambil sebagai nilai Mx (momen torsi). Penampang yang dilakukan analisa adalah daerah midship section. Mwtmax = ± L.B 2.Cb.Co.Cl.[0.11+(a ) 0.5 ] Mwt = ± L.B 2.Cb.Co.Cl.Cwt

64 Dalam tugas akhir ini dihitung horizontal shear flow karena sebagai dasar untuk mendapatkan shear center, yaitu titik dimana sebagai acuan lengan dari horizontal shear force (ez), sedangkan lengan dari vertikal shear force (ey) adalah 0 karena penampang adalah simetri. Atau dapat diartikan titik pertemuan Vy dan Vz.

65 penampang melintang dan perjanjian tanda.

66 Q* No. (V z /I NA-y ) t s y q* Correction [N/m 4 ] [m] [m] [m] [N/m] FS P = ds / t (q*/t) ds = = q. FS (q*.p).s / 3.t s/t PORTSIDE q a-b E-03 a E+00 b E E q b-c E-02 b E-03 c E E

67 Cell q* (q*/t)ds dir. corr. (q*/t)ds (1/t)ds (1/t)ds (q1/t)ds + (q2/t)ds + + (qn/t)ds = - (q*/t)ds PORTSIDE q E q E q E E+00 q E q0 = 2.05E+00 q 1-1a -3.24E q 1a E q 6-6a -2.86E q 6a E q 7-7a -2.70E q 7a-7b -2.81E E+01 q 7b-7c -2.92E q q2 = 1.56E+01 q 7c E q 6-8a -8.86E q 8a E q 8a E Koreksi Shear Flow q E E+01 q0 = q1 + N/m q 8a-9a -6.46E-01-1 q = N/m q 9a E-01-1 q = N/m q q3 = 1.52E+01 q 9a E-01 1 q = N/m q E+01 1 q3s = N/m 3 q E E+01 q2s = q2 + N/m q E+01 q3s = q 9a-11a -4.78E-01-1 q1s = N/m q 11a E+00-1 q0s = N/m STARBOARD

68 q* q corr. Dir. Q tot = q* q corr. Dir. Q tot = Q Q* + q q Q* + q corr. corr. [N/m] [N/m] corr. [N/m] [N/m] corr. PORTSIDE q a-b q k-l q b-c q g-l

69 Sehingga dari hasil horizontal shear flow diatas, dapat dicari letak shear center. s qtot F L F*L q FS Prod (m) (N/m) (N) (m) (Nm) PORTSIDE E E-03 F1 L1 q a-b E E E E E E q b-a E E E E-03 F22 L E E E JUMLAH -1.46E E+00 ez = Σ (F*L) / Qv ez = m dari baseline ey = 0 m from CL >> Symetri

70 Berdasarkan persamaan Mwtmax, diperoleh momen torsi maksimum T = 5.93 m L = m B = m Cb = 0.74 Co = for 90 =< L =< 300 m CL = 1 for L>= 90 m Cn = Cn-min = 2, maka Cn = 2 a = Zq = 9.20 m dibawah shear center = m Maka, Mwt-max = knm

71 shear stress torsional dapat dihitung dengan terlebih dahulu mencari sudut puntir (α), dimana sudut puntir di setiap komponen konstruksi adalah sama. Luas daerah A0 = mm 2 = m 2 A1 = mm 2 = m 2 A2 = mm 2 = m 2 A3 = mm 2 = m 2

72 i 4 1 q i A i T 2 konversi Shear flow (q) line Line t Index value [m] [N/m] Cincin 0 a,a1 S q a1,e S q e,d S q d,c S q c,b S q b,a S q Cincin 1 g,l1 S q l,k S q k,j S q j,i S q i,h S q h,g S q l1,l S q1-q Cincin 2 l1,n1 S q n,m,l S q n1,n S q2-q Cincin 3 n1,p1 S q p1,p S q p,o S q o,n S q

73 Sesuai dengan metodologi pada bab 3, pembebanan pada tugas akhir ini dilakukan dengan 2 (dua) metode, yaitu FE analysis dan analisa manual. Hasil tegangan geser (shear stress) dari kedua pembebanan tersebut akan dilakukan pemeriksaan tegangan geser yang diijinkan CSR bulk carriers.

74 KRITERIA DITERIMA KONSTRUKSI UNTUK TEGANGAN GESER Tegangan ijin untuk analisa konstruksi kapal tidak boleh melebihi dari 120/k kn/mm 2. Sehingga tegangan ijin untuk konstruksi kapal Bulk Carrier 8665 DWT adalah : τ = 120/0.78 = N/mm 2

75 ANALISA MODEL NO. LOAD CASES member actual Shear Stress (actual) increase Shear Stress (increase) plate plate [N/mm 2 ] plate [N/mm 2 ] Persentase pengurangan shear stress (%) 1 LC1 P1 side plate LC2 P1 side plate LC3 P1 side plate LC4 P1 side plate LC5 P1 side plate LC5 R1,H 7 LC5 R1,S 8 LC6 H1 9 LC7 H1 side plate center girder side plate center girder side plate center girder side plate center girder side girder LC8 F2 side plate LC8 P1 side plate LC9 F2 side plate

76 13 LC9 P1 side plate LC10 F2 side plate LC10 P1 side plate LC11 F2 side plate LC11 H1 side plate center girder side girder LC11 P1 side plate LC12 F2 side plate LC12 H1 side plate center girder side girder LC12 P1 side plate LC13 H1 side plate center girder side girder LC13 R1 side plate LC13 R1,S side plate LC14 R1 side plate LC14 R1,S side plate

77 ANALISA PERHITUNGAN MANUAL SHEAR STRESS dilakukan analisa dengan melakukan pemeriksaan tegangan geser yang diijinkan oleh regulasi CSR bulk carrier, dengan batas ijin sebesar kn/mm 2. SHEAR STRESS AKIBAT GAYA LINTANG (SHEAR FORCE). SHEAR STRESS AKIBAT MOMEN TORSI.

78 SHEAR STRESS AKIBAT GAYA LINTANG (SHEAR FORCE) KONDISI PEMBEBANAN-1 (FULL LOAD). Evaluasi dari hasil analisa Perhitungan manual shear stress adalah tidak ada bagian konstruksi yang melebihi batas criteria yang diijinkan CSR Bulk Carrier. Shear stress terbesar pada bagian pelat sisi, sebesar N/mm 2. Shear Stress (τ) Criteria q CSR (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) q a-b 2.80E+00 accepted 3.43E+00 accepted 8.94E+00 accepted q b-c 9.92E+00 accepted 6.39E+00 accepted 1.34E+01 accepted

79 SHEAR STRESS AKIBAT MOMEN TORSI Dalam analisa ini, terdapat bagian konstruksi bulk carrier yang mengalami tegangan geser yang melebihi batas pada daerah bukaan palkah sebesar N/mm 2. Sehingga perlu penguatan konstruksi pada daerah bukaan palkah tersebut.

80 analisa shear stress sebelum penguatan. konversi Shear flow (q) Shear stress Shear stress line Line t Index value q/t q/t [m] [N/m] [N/m 2 ] [N/mm 2 ] Cincin 0 a,a1 S q a1,e S q e,d S q d,c S q c,b S q b,a S q Cincin 1 g,l1 S q l,k S q k,j S q j,i S q i,h S q h,g S q l1,l S q1-q Cincin 2 l1,n1 S q n,m,l S q n1,n S q2-q Cincin 3 n1,p1 S q p1,p S q p,o S q o,n S q

81 analisa shear stress setelah penguatan. konversi Shear flow (q) Shear stress Shear stress line Line t Index value q/t q/t [m] [N/m] [N/m 2 ] [N/mm 2 ] Cincin 0 a,a1 S q a1,e S q e,d S q d,c S q c,b S q b,a S q Cincin 1 g,l1 S q l,k S q k,j S q j,i S q i,h S q h,g S q l1,l S q1-q Cincin 2 l1,n1 S q n,m,l S q n1,n S q2-q Cincin 3 n1,p1 S q p1,p S q p,o S q o,n S q

82 Untuk analisa dengan metode elemen hingga, terdapat bagian konstruksi yang mengalami tegangan geser terbesar yang melebihi criteria regulasi CSR bulk carrier, yakni : Pada posisi pelat sisi, tegangan geser menjadi 818 N/mm 2 terjadi pada kondisi pembebanan-5/ Deepest Ballast R1 (hogging). Pada posisi center girder, tegangan geser menjadi 186 N/mm 2 terjadi pada kondisi pembebanan-6/ Multi Port-3 H1 (sagging) dan kondisi pembebanan-13/ Heavy Ballast H1 (sagging). Pada posisi side girder 3500, tegangan geser menjadi 186 N/mm 2 terjadi pada kondisi pembebanan-13/ Heavy Ballast H1 (sagging).

83 Untuk analisa tegangan geser akibat beban gaya lintang (shear force) dengan perhitungan manual, tidak terdapat bagian konstruksi yang mengalami tegangan geser terbesar yang melebihi criteria regulasi CSR bulk carrier. Tegangan geser terbesar pada posisi pelat sisi sebesar N/mm 2 terjadi pada kondisi pembebanan-8 (Multi port-4). Untuk analisa tegangan geser akibat beban momen torsi dengan perhitungan manual, terdapat bagian konstruksi yang mengalami tegangan geser terbesar yang melebihi criteria regulasi CSR bulk carrier, yakni : Pada posisi pelat geladak utama, pelat ambang palkah, dan pelat topside, tegangan geser menjadi N/mm 2. Pada posisi pelat lajur sisi atas, tegangan geser menjadi N/mm 2. Pada pelat lajur bilga, tegangan geser menjadi N/mm 2.

84 Untuk analisa dengan metode elemen hingga, pada konstruksi yang mengalami tegangan geser melebihi batas criteria CSR dilakukan penebalan pelat sehingga tegangan geser turun menjadi : Pada posisi pelat sisi, tegangan geser menjadi 115 N/mm 2 setelah penebalan pelat 24 mm terjadi pada kondisi pembebanan-5/ Deepest Ballast R1 (hogging). Pada posisi center girder, tegangan geser menjadi 93.4 N/mm 2 setelah penebalan pelat 29 mm terjadi pada kondisi pembebanan-6/ Multi Port-3 H1 (sagging) dan kondisi pembebanan-13/ Heavy Ballast H1 (sagging). Pada posisi side girder 3500, tegangan geser menjadi 92.6 N/mm 2 setelah penebalan pelat 28.8 mm terjadi pada kondisi pembebanan-13/ Heavy Ballast H1 (sagging).

85 Untuk analisa tegangan geser akibat beban momen torsi, pada konstruksi yang mengalami tegangan geser melebihi batas criteria CSR dilakukan penebalan pelat sehingga tegangan geser turun menjadi : Pada posisi pelat geladak utama, pelat ambang palkah, dan pelat topside, tegangan geser menjadi N/mm 2 setelah penebalan pelat 30 mm. Pada posisi pelat lajur sisi atas, tegangan geser menjadi N/mm 2 setelah penebalan pelat 27 mm. Pada pelat lajur bilga, tegangan geser menjadi N/mm 2 setelah penebalan pelat 36 mm.

86 Dari analisa hasil tegangan geser secara keseluruhan, pembebanan yang disyaratkan oleh regulasi CSR dapat menghasilkan desain konstruksi kapal yang lebih kuat dan lebih aman untuk berlayar pada kondisi ekstrim (Samudra Atlantik Utara).

87 Dalam tugas akhir ini, tegangan geser terbesar terdapat pada bagian pelat sisi. Hal ini dikarenakan kapal Bulk Carrier 8665 DWT dirancang dengan single side skin (lambung tunggal). Sehingga, untuk penelitian selanjutnya dapat dilakukan analisa tegangan geser pada stuktur bulk carrier double side skin. Dalam tugas akhir ini, perhitungan beban momen torsi menggunakan rumus pendekatan oleh regulasi klasifikasi. Sehingga, untuk penelitian selanjutnya dapat dilakukan perhitungan momen torsi di sepanjang kapal. Untuk pengembangan analisa dengan menggunakan elemen hingga pada aplikasi perkapalan perlu dilakukan permodelan dengan sepanjang kapal dan sesuai dengan gambar rencana konstruksi dan penampang melintang kapal. Sehingga akan didapatkan hasil pendekatan analisa sesuai dengan kondisi kapal sebenarnya. Hasil analisa tersebut dapat dijadikan suatu acuan dalam desain konstruksi kapal berikutnya.

88 IACS IACS Common Structural Rules for Bulk Carriers. UK, 1 July 2010.: RINA. Hughes, F. Owen Ship Structural Design. New York: John Wiley & Son. Riyadi, Soegeng. 2006, Tugas Akhir, Analisa Hull Girder pada Kapal Box Shape Bulk Carrier (BSBC) DWT Menggunakan Metode Elemen Hingga, ITS, Surabaya. Zakky, Ahmad. 2008, Tugas Akhir, Perkiraan Umur Konstruksi Kapal dengan Analisa Fatigue: Study Kasus pada Kapal Bulk Carrier DWT, ITS, Surabaya. Kyokai, N.K., Guidelines for Bulk Carrier Structure, ClassNK, Japan, 2002.:NK. BKI, Edition 2008 Volume II Rules for Hull, Biro Klasifikasi Indonesia, Indonesia.

89