Pengembangan Formula SCF untuk Analisa Kelelahan Joint (Sambungan) T pada Struktur Bangunan Lepas Pantai

Transkripsi

1 awekal, Vol. 13 No. kk. 1 Januari 6 urnal EKNIK SIPIL Pengembangan Formula unuk Analisa Kelelahan Join (Sambungan) paa Srukur Bangunan Lepas Panai Ricky L awekal 1) Firiany ) M. aufan ukuboya 3) Absrak Beban paa sambungan ubular akan menimbulkan egangan hospo, yaiu egangan maksimum paa kaki sambungan yang besarnya beberapakali ari egangan nominal sehingga memacu percepaan imbulnya kelelahan paa srukur akiba beban yang berulang (siklik). Perbaningan anara egangan-egangan hospo an egangan nominal isebu Sress Concenraion Facor (). Paa makalah ini, ikembangkan rumus empiris baru engan manggunakan pemoelan elemen hingga. Perangka lunak ANSYS versi 9 igunakan unuk menganalisis egangan paa sambungan ubular srukur berupa join. Rumus emipiris baru ikembangkan berasarkan aa geomeris ubular uama (chor) an ubular sekuner (brace), yaiu iameer chor (), iameer brace (), keebalan chor (), keebalan brace (), panjang chor (L), panjang brace (l), engan mengacu paa rasio perbaningan geomeris yang igunakan unuk persamaan paramerik. Kaa-kaa Kunci:, kelelahan, sambungan ubular, rumus empiris, paramerik. Absrac Loaing on ubular joins will creae hospo sresses a inersecion which several imes higher han he nominal sress so ha accelerae faigue o he joins ue o cyclic loaings. he raio of hospo sress an he nominal sress is calle Sress Concenraion Facor (). In his paper, new empirical formulas of are evelope by using finie elemen moeling. ANSYS sofware is use o analyze sresses a join..he new empirical formula of is evelope base on geomeric aa of chor an brace, namely iameer of chor (), iameer of brace (), hickness of chor (), hickness of brace (), lengh of chor (L), lengh of brace (l), by having reference geomeric comparison for parameric formula. Keywors:, faigue, ubular join, empirical formula, parameric. 1. Penahuluan Srukur lepas panai akan selalu mengalami pembebanan akiba lingkungan seperi akiba angin, gelombang an arus. Gaya hiroinamik akiba gelombang merupakan perimbangan uama alam analisa kelelahan (faigue) karena egangan yang imbul akiba beban ini merupakan egangan siklik yang erjai erus menerus meskipun egangan yang erjai lebih kecil ari egangan paa konisi eksrim. Srukur anjungan lepas panai ipe jacke merupakan suau konsruksi yang sanga kompleks yang eriri ari berbagai macam elemen srukur seperi siliner, pela, rangka, balok, an lain-lain. Srukur anjungan lepas panai harus mampu menganisipasi beban yang bekerja sesuai engan krieria yang berlaku. Bagian srukur i bawah permukaan air (jacke) umumnya eriri ari srukur siliner engan penampang lingkaran (ubular member) alam berbagai ukuran. Permasalahan uama ari srukur ubular aalah sambungan anara ubular uama (Chor) engan ubular sekuner (braces) apa menjaikan posisi sambungan kriis, karena posisi pengerjaan pengelasan an fabrikasi yang susah sera karakerisik sambungan erhaap beban menjai kompleks. Permasalahan lain ari sambungan ubular aalah egangan paa sambungan ubular apa 1. Saf Pengajar, PS Kelauan, Fakulas eknik Sipil an Lingkungan-IB.. Mahasiswa Rekayasa Kelauan, Program Magiser eknik Sipil FSL-IB. 3. Mahasiswa Rekayasa Srukur, Program Magiser eknik Sipil FSL-IB. Caaan : Usulan makalah ikirimkan paa 19 April 5 an inilai oleh peer reviewer paa anggal April 5-8 Mei 5. Revisi penulisan ilakukan anara anggal 1 Juni 5 hingga 9 esember 5. Vol. 13 No. 1 Januari 6 33

2 Pengembangan Formula unuk Analisa Kelelahan Join (Sambungan)... menimbulkan egangan hospo yaiu egangan maksimum paa sambungan (inersecion) yang apa memacu percepaan imbulnya kelelahan paa srukur (faigue) akiba beban yang berulang. Karena iu, faigue merupakan salah sau moa kerunuhan bangunan lepas panai yang pau iwaspaai eruama paa srukur yang mempunyai banyak sambungan ubular. Benuk kegagalan suau sambungan ubular paa asarnya merupakan fungsi aripaa jenis sambungan, parameer sambungan an konisi pembebanan srukur. Perbaningan anara egangan-egangan hospo an egangan nominal isebu Sress Concenraion Facor (). ini berpengaruh erhaap masa layan (service life) suau srukur lepas panai. alam makalah ini akan ibahas perhiungan an pengembangan formula empiris sambungan ubular berasarkan geomeri ubular uama (chor) an ubular sekuner (brace), yaiu iameer brace (), iameer chor (), keebalan brace (), keebalan chor (), panjang brace (l), panjang chor (L), sera kombinasi perubahan parameer ersebu. Pembuaan moel elemen hingga ari sambungan ubular ilakukan engan program, hasil yang iperoleh berupa gambaran penyebaran egangan akiba berbagai jenis pembebanan an gambaran pengaruh perubahan parameer erhaap konsenrasi egangan yang erjai paa sambungan ubular yang akan ianalisa. egangan yang iperoleh ari analisa elemen hingga berupa egangan Von Misses. Kemuian ari hasil pengamaan paa sambungan join engan pengua ersebu akan ianalisa perbaningannya an akan irumuskan kealam sebuah persamaan empiris baru unuk analisa.. eori Kelelahan paa Sambungan.1 Kegagalan sambungan akiba kelelahan alam sambungan ubular yang seerhana, bagian brace ilas secara erseniri kepaa bagian chor paa kaki jacke. Chor berfungsi unuk menyalurkan beban ari sau brace ke brace yang lainnya, an menahan egangan momen lenur erlokalisasi yang besar paa saa srukur ibebani. Paa saa chor menyalurkan beban erhaap brace maka egangan paa join ersebu akan mencapai maksimum. Sambungan chor an brace yang ilas, alam proses fabrikasi, paa saa las meningin akan erbenuk reak mikro paa ujung-ujung las. Reak mikro ini akan melebar bila member mengalami egangan siklik an akan merekah hingga penampang member iak lagi kua unuk menransfer beban, akibanya member akan runuh. Perisiwa inilah yang isebu kegagalan akiba faigue (seperi erliha paa Gambar 1). Kenyaan bahwa wele join rawan erhaap kegagalan karena kelelahan (faigue failure) menyebabkan analisis an esain harus ilakukan erhaap join-join erenu yang kriis, unuk umur srukur yang irencanakan.. Geomeri sambungan ubular Geomeri sambungan ubular iperlihakan paa Gambar..3 Perhiungan (Sress Concenraion Facor) egangan nominal paa bagian srukur akiba momen an gaya aksial yang iperoleh ari analisa srukur belum mencukupi unuk analisa faigue. Karena belum memberikan egangan hospo, yang iefinisikan sebagai egangan erburuk paa kaki sambungan ubular yang iukur paa moel es aau yang ihiung engan eori yang keakuraannya bisa ibaningkan. Sress Concenraion Facor (), aalah perbaningan anara egangan hospo an egangan nominal, yang perumusannya seperi i bawah ini : σ HS = (1) σ N Perhiungan egangan hospo umumnya melibakan eori cangkang yang cerma an elii, analisa elemen - elemen hingga aau analisa egangan eksperimenal. Unuk esain ruin, igunakan rumus empiris yang berasarkan paa konsep punching shear yang elah berkembang unuk menangani perimbangan baas kekuaan sais an kelelahan. yang erjai paa sambungan apa iakibakan oleh beban aksial, momen ou-plane an momen inplane, seperi paa Gambar Persamaan Empiris ubular J.G Kuang Persamaan empiris J.G Kuang ikembangkan unuk range geomeri erenu yaiu : 8,333 γ 33,3, τ,8,3 β,8 6,667 α 4 σ 9 J.G Kuang merumuskan suau persamaan empiris unuk perhiungan, berasarkan eksperimen yang ilakukan. Rumus empiris ini akan ijaikan bahan perbaningan engan hasil analisis ari pengamaan 34 Jurnal eknik Sipil

3 awekal, kk. moel elemen hingga paa ANSYS unuk join. Parameer yang igunakan alam persamaan J. G. Kuang aalah: β = L α = τ = γ = imensi-imensi i aas mengacu paa imensi yang iunjukkan paa Gambar. Persamaan J.G Kuang aalah sebagai beriku : Join akiba beban aksial,88 1,333 3,57 1,694 =1,981γ τ exp( 1, β ) α sin θ () Chor BRACE = 3,751 γ,55 τ exp (-1,35β 3 ) α,1 sin 1,94 θ (3) Join akiba momen in plane CHOR =,7 γ,6 τ,86 β( -,4) sin,57 θ (4) BRACE = 1,31 γ,3 τ,38 β (-,38) sin,1 θ (5) Join akiba momen ou plane CHOR = 1,4 γ 1,14 τ,889 β,787 sin 1,557 θ,3 β,55 (6) Gambar 1. Kegagalan akiba faigue (W.J Graff, 1981) Chor θ Brace L Gambar. Geomeri sambungan CHOR =,46 γ 1,14 τ,889 β (-,619) sin 1,557 θ,55 β,75 BRACE = 1,5 γ,85 τ,543 β,81 sin,33 θ,3 β,5 4. Pemoelan Elemen Hingga BRACE =,796 γ,85 τ,543 β (-,81) sin,33 θ,55 β,75 Sambungan ubular 4.1 Pengumpulan aa (7) (8) (9) Pengumpulan aa yang akan igunakan paa peneliian ini eriri ari aa geomeris yang mengacu paa Gambar. Yaiu: = iameer luar ari chor (=R), = iameer luar ari brace (=r), = keebalan chor, = keebalan brace, L = panjang chor. Penenuan parameer geomeris ersebu harus mengacu paa rasio perbaningan geomeris yang melipui rasio i bawah ini (imensi-imensinya mengacu paa Gambar ). = iameer luar ari chor (=R) = iameer luar ari brace (=r) = keebalan chor = keebalan brace L = panjang chor β = = rasio perbaningan iameer brace an chor P M M L α = = rasio kelangsingan ubular uama (chor) a. Akiba beban aksial b. Akiba momen in-plane c. Akiba momen ou-plane Gambar 3. Jenis gaya an momen yang bekerja paa sambungan τ = γ = = rasio perbaningan keebalan brace ke chor = rasio iameer erhaap keebalan chor Vol. 13 No. 1 Januari 6 35

4 Pengembangan Formula unuk Analisa Kelelahan Join (Sambungan)... Perbaningan geomeri ersebu aalah variabel yang iak berimensi yang igunakan unuk persamaan paramerik yang harus memenuhi rasio perbaningan yang berlaku i bawah ini : 8,333 γ 33,3, τ,8,3 β,8 6,667 α 4 σ 9 4. Moel elemen hingga engan perangka lunak Perhiungan Sress Consenraion Facor () paa sambungan menggunakan perangka lunak. aalah salah sau perangka lunak kompuer engan konsep meoe elemen hingga yang sering igunakan unuk menyelesaikan masalah - masalah konsruksi mesin an konsruksi srukur, eruama paa kasus-kasus yang memerlukan analisa yang harus eail an akura. apa menganalisa egangan an eformasi ari suau konsruksi. Beriku akan ijelaskan meoe, aa masukan, proses perhiungan an aa keluaran yang ihasilkan oleh program alam menyelesaikan masalah konsruksi srukur khususnya sui kasus sambungan alam makalah ini. 4.3 Parameer inpu program 36 Paa makalah ini, moel yang igunakan menggunakan parameer parameer inpuan yaiu ipe elemennya shell elasic 63 yang merupakan elasic shell 3 engan eraja kebebasan (egree of freeom): UX, UY, UZ, ROX, ROY, ROZ. Maerial yang igunakan aalah maerial isoropic engan moulus Young (EX) = 9 psi, poisson raio(nuxy) =.3 sera shear moulus (GXY) = 11 psi. Analisis aa paa pembuaan moel Join memasukkan aa-aa berupa parameer-parameer beriku: 1. aa geomeri moel, eriri ari iameer chor, iameer brace, ebal chor, ebal brace, panjang chor, an panjang brace (mengacu paa Gambar ). aa mesh generaion, merupakan informasi iik noal koorina, jumlah iik noal, an iik egangan yang aa unuk semua elemen yang akan ipakai. alam peneliian ini ukuran meshing erbagi menjai beberapa blok area, engan ujuan unuk membua meshing yang ukurannya kecil paa aerah lasan chor an brace sebagai acuan unuk menganalisa ari egangan Von Misses, seangkan blok area yang lebih jauh ari injauan Jurnal eknik Sipil pengamaan bisa ibua ukuran meshing yang agak besar, hal ini bisa mengurangi lamanya waku runningan program engan hasil yang akura, jika ibaningkan moel anpa pembagian area. 3. aa egree of freeom Consrain. Unuk analisis srucural menggunakan enam eraja kebebasan UX, UY, UZ, ROX, ROY, ROZ. alam pembuaan moel unuk join, semua umpuannya (consrain) ijepi (fixe) paa ujung-ujung chornya sehingga menggunakan ke enam eraja kebebasan ersebu. 4. aa gaya (force), yaiu gaya aksial, momen in plane an momen ou plane. Gaya aksial isimbolkan engan Fy, seangkan momen in plane isimbolkan engan mx an momen ou plane isimbolkan engan mz. 5. Analisis Hasil Perhiungan 5.1 Perhiungan ren eksponensial aa yang elah memenuhi rasio perbaningan geomeri kemuian igunakan unuk pembuaan moel an ianalisis engan meoe elemen hingga sehingga iapakan egangan paa chor an brace unuk iap-iap pembebanan, yakni: pembebanan aksial, momen in plane an momen ou plane. Selanjunya, hasil ari aa an hasil percobaan ihiung ren eksponensial logarimanya paa keiga pembebanan ersebu. Perhiungan ren eksponesial ibua unuk menganisipasi apabila aa yang ihasilkan ernyaa iak bisa linier sera iolak uji regresi kelinierannya. Karena hal ersebu, maka paa peneliian ini igunakan meoe eksponensial logarima unuk menguji regresi kelinearannya i bawah ini iampilkan abel perhiungan ekponensial logarima unuk Join Chor paa pembebanan aksial, momen in plane an momen ou plane. Penjelasan perhiungan eksponensial logarima abel 1 aalah sebagai beriku : b Y ' = a x (eksponensial) LogY ' = log a + b * log x (regresi linier logarima) LogY ' = Y ' Loga = a LogX = Y ' = a + Persamaan normal : 1.. a X b. x n = b x = x b x =. y. a maka :. +. x y

5 awekal, kk. 5. Perhiungan persen kesalahan Seelah ihiung unuk semua ren eksponensial, kemuian ilanjukan engan perhiungan unuk mengeahui seberapa besar kesalahan aa geomeris an aa pengujian moel. Makin kecil gala (error) ari aa yang iperoleh maka hasil analisa nani semakin inggi pula keakuraannya. Perhiungan persen kesalahan ini iasarkan paa meoe jumlah kesalahan kuara (J. Supranano, 1987). Perhiungan persen kesalahan inipun ibua unuk sambungan paa pembebanan aksial, momen in plane an momen ou plane. i bawah ini iunjukkan abel perhiungan persen kesalahan sambungan paa chor unuk beban aksial. abel 1. Perhiungan ren eksponensial unuk Join paa gaya aksial No. L X = Log y = Logy X X.Y = n XoYo XoYo b = = n Xo ( Xo) a = n XoYo XoYo b = (1) n Xo ( Xo) a = log a = Yo b Xo log a = Yo b Xo = (11) abel menunjukkan bahwa persen kesalahan yang iemukan aalah.%. Selain iu, Gambar 4 menunjukkan bahwa aa-aa beraa eka engan ren line. Maka, aa bisa ianggap cukup bagus unuk ijaikan acuan alam pengolahan aa selanjunya. 6. Pengembangan Persamaan Empiris baru 6.1 Penenuan persamaan empiris engan meoe skala logarima Apabila iasumsikan bahwa variasi ari engan parameer geomerik alam benuk pangka ari masing-masing parameer ersebu, maka plo ari engan parameer erenu alam skala logarima akan apa igunakan alam menghasilkan persamaan empiris. Beriku aalah conoh pola pembuaan rumus empiris engan skala logarima unuk Sambungan. Paa peneliian ini rumus empiris yang menjai acuan pembuaan rumus empiris unuk Sambungan aalah rumus empiris ari J.G. Kuang. Langkah langkah membua persamaan rumus empiris engan skala logarima aalah sebagai beriku: Langkah langkah membua persamaan rumus empiris engan skala logarima aalah sebagai beriku: a. Plokan log yang iapa ari peneliian yang menggunakan sofware erhaap log(/7), ari regresi linier iapakan kemiringan m1. b. Plokan log m1 erhaap log ( ), ( ) ari regresi linier iapakan kemiringan m c. Plokan log m1 m L erhaap log m3 (( ).( ).( ) ) ari regresi linier iapakan kemiringan m3.. Plokan log erhaap log L ( ), m1 m e. a p a k a n (( ).( ) ) harga a o ari regresi linier iapakan kemiringan m4. ari perhiungan ren ekspnensial yang erapa paa abel 1, a o ersebu iperoleh ari hubungan a +.x.m4 = y. engan L x = log an y = log ( ).( ) ansys L.( ) m1 m m3 ), Vol. 13 No. 1 Januari 6 37

6 Pengembangan Formula unuk Analisa Kelelahan Join (Sambungan)... abel. Perhiungan persen kesalahan unuk Join paa gaya aksial No. Hasil Observasi (y) y = Logy x L Log Hasil ren Yi = a + b.x = Selisih (ei) E E E-6 Jumlah kesalahan kuara = (ei) Persen jumlah kesalahan kuara =.1994 % f. Sehingga persamaan empiris yang baru unuk Join : m1 m L m 3 ( a + x. m 4 ) = ( ).( ).( ) ) * Persamaan empiris unuk sambungan i bawah ini akan ipaparkan proses pembuaan rumus empiris Sambungan paa aerah chor, yang iinjau unuk seiap pembebanan aksial, momen inplane an momen ou-plane Pengembangan persamaan empiris Join paa chor akiba beban aksial 1. Langkah a iunjukkan alam Gambar 5. ari hasil plo ersebu iapa kemiringan m1 = Langkah b iunjukkan alam Gambar 6. ari hasil plo ersebu iapa kemiringan m = Langkah c iunjukkan alam Gambar 7. ari hasil plo ersebu iapa kemiringan m3 = Langkah iunjukkan alam Gambar 8. ari hasil plo ersebu iapa kemiringan m4= Paa langkah e, sesuai hubungan a +. x.m4 = y, ao ari perhiungan ren eksponensial yang erapa paa abel 1, maka iperoleh harga: a = Sehingga persamaan empiris join paa chor aalah : CHOR = γ τ β (-.145). 1 ( α) (1) engan cara yg sama, iapa persamaan empiris unuk sambungan paa chor akiba beban,momen in-plane an momen ou-plane sebagai beriku: Akiba beban momen in-plane: cor = γ τ.315. β (-.45) ( α) (13) Akiba beban momen ou-plane : cor = γ τ.53. β (-1.834). 1 ( α) (14) 38 Jurnal eknik Sipil

7 awekal, kk. Hasil analisis chor join- akiba penerapan beban aksial selanjunya apa iliha paa Gambar 9. Paa Gambar 1. erliha bahwa hasil analisis chor menggunakan formula baru memiliki nilai yang relaive cukup eka erhaap hasil analisis menggunakan formula Kuang. Perbaningan anara nilai chor join- yang iperoleh ari formula baru yang ikembangkan i aas erhaap hasil analisis chor yang menggunakan formula Kuang, apa iliha alam Gambar 1. i bawah. 7. Kesimpulan log(y) Grafik Uji Kesalahaan uk chor (Beban Aksial) log(l/) Gambar 4. Hubungan paa perhiungan kesalahan unuk Join paa gaya aksial Pengembangan persamaan empiris baru bisa ilakukan engan memanfaakan hasil perhiungan Meoa Elemen Hingga unuk egangan hospo paa sambungan akiba beban aksial, momen in-plane, an momen ou-plane. Unuk kesempurnaan peneliian ini, isarankan unuk ilanjukan engan pembuaan moel fisik i laboraorium. isarankan pula aanya peneliian lebih lanju unuk rumus paa Join seerhana lainnya yaiu Join Y, Join X, join K an lain sebagainya, sera peneliian lebih lanju unuk rumus paa Join yang lebih kompleks permasalahannya misalnya paa muliple Join an overlappe Join. log log / Vs log y =.8185x -.38 R = log / Gambar 5. Plo langkah a Linear () afar Pusaka American Peroleum Insiue,, Recommene Pracice for Planning, esigning an Consrucing Fixe Offshore Plaforms Working Sress esign. Buch, A., 1988, Faigue Srengh Calculaion, rans ech Publicaions Fuchs, H.O., Sephens, R.I., 198, Meal Faigue In Engineering, John Wiley & sons,inc log /(/) m1 log / Vs log (/(/) m1 )) log / y = 1.16x +. R = Linear () Miller, Kj., e los Rios, ER., 1986, he Behaviour of Shor faigue Cracks, Mechanical Engineering Publicaion Limie. Gambar 6. Plo langkah b log / Vs log (/(((/) m1 )*((/) m ))) log (/((/) m1) *(/) m )).4 y = -.145x R = log / Linear () Gambar 7. Plo langkah c Vol. 13 No. 1 Januari 6 39

8 Pengembangan Formula unuk Analisa Kelelahan Join (Sambungan)... log L/ Vs log (/(((/) m1 )*((/) m )*((/) m3 ))) log /((/) m1 *(/) m *(/) m3 ) y =.538x R = log L/ Linear () Gambar 8. Plo langkah chor Join ubular paa rumus baru (Beban Aksial) / Gambar 9. Hasil analisis chor Join akiba beban aksial ari formula baru yang ikembangkan Grafik Hubungan / Vs chor (beban aksial) / Kuang baru Gambar 1. Perbaningan chor Sambungan ari formula baru yang ikembangkan erhaap formula J.G. Kuang 4 Jurnal eknik Sipil