Prediksi Umur Kelelahan Struktur Keel Buoy Tsunami dengan Metode Spectral Fatigue Analysis

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK ITS Vol., (Sept, ) ISSN: 3-97 G-59 Prediksi Uur Kelelahan Struktur Keel Buoy Tsunai dengan Metode Spectral Fatigue Analysis Angga Yustiawan dan Ketut Suastika Jurusan Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopeber (ITS) Jl. Arief Rahan Haki, Surabaya 6 E-ail: k_suastika@na.its.ac.id Abstrak Salah satu koponen dari Indonesia Tsunai Early Warning Syste (InaTEWS) adalah surface buoy. Surface buoy selaa beroperasi di laut akan eneria beban akibat gelobang yang relatif besar, bersifat dinais dan acak, yang dapat enyebabkan beban berulang pada struktur keel buoy. Apabila terjadi secara terus-enerus, beban ini dapat engakibatkan terjadinya kerusakan pada struktur keel dari surface buoy. Tujuan penelitian ini untuk engetahui uur kelelahan struktur keel buoy tsunai dengan etode spectral fatigue analysis, diana struktur keel buoy tsunai erupakan penghubung antara tali tabat ( ooring line) dengan surface buoy. Struktur keel buoy ini terbuat dari aterial poros bekas pakai. Untuk enentukan uur kelelahan struktur keel buoy ini, telah dilakukan pebuatan diagra sebaran gelobang ( wave scatter diagra) selaa setahun pada koordinat BT dan.3998 LS. Selanjutnya dilakukan uji olah gerak buoy dan beban gelobang untuk endapatkan fungsi transfer tegangan pada keel buoy. Pebuatan spektru gelobang untuk asing-asing kondisi laut dilakukan untuk eperoleh respon tegangan pada struktur keel buoy. Hasil pengujian aterial berupa kurva SN digunakan sebagai basis dala enentukan uur kelelahan. Hasil dari penelitian enunjukkan bahwa uur kelelahan struktur keel buoy tsunai akibat beban gelobang sekitar tahun untuk berbagai kondisi laut ( sea state) di perairan yang ditinjau. (isalnya Saudera Indonesia). Surface buoy ini selaa beroperasi di laut akan eneria beban akibat gelobang, arus, dan angin. Beban yang diakibatkan oleh arus dan angin bersifat statis dan relatif kecil, sedangkan beban yang diakibatkan oleh gelobang relatif besar, bersifat dinais dan acak. Beban akibat gelobang ini dapat enyebabkan beban berulang pada struktur keel buoy. Apabila terjadi secara terusenerus, beban ini dapat engakibatkan terjadinya kerusakan pada struktur keel yang enghubungkan buoy ke tali tabat (ooring line). Kata Kunci Buoy tsunai, keel buoy, spectral fatigue analysis, uur kelelahan. I I. PENDAHULUAN NDONESIA terletak di daerah dengan tingkat aktivitas gepa bui tinggi, hal tersebut sebagai akibat berteunya tiga lepeng tektonik utaa dunia, yaitu Saudera India- Australia di sebelah selatan, Saudera Pasifik di sebelah tiur, dan Eurasia, diana sebagian besar wilayah Indonesia berada di dalanya. Pergerakan relatif ketiga lepeng tektonik tersebut dan dua lepeng lainnya, yakni Laut Philipina dan Carolina engakibatkan terjadinya gepagepa bui di daerah perbatasan perteuan antar lepeng dan juga enibulkan terjadinya sesar-sesar regional yang selanjutnya enjadi daerah pusat suber gepa. Beberapa gepa berpotensi enibulkan tsunai []. Salah satu koponen dari siste peringatan dini tsunai Indonesia ( Indonesia tsunai early warning syste) adalah buoy tsunai berupa surface buoy yang dioperasikan di beberapa lokasi di perairan Indonesia yang rawan tsunai Gabar. Struktur keel terpasang pada buoy []. Gabar. Ukuran keel buoy dala dua diensi [].

2 JURNAL TEKNIK ITS Vol., (Sept, ) ISSN: 3-97 G-6 Untuk enjaga agar surface buoy ini tetap berada pada posisinya (tidak hanyut), surface buoy ini ditabatkan ke dasar laut dengan enggunakan tali tabat ( ooring line). Mooring line dihubungkan dengan surface buoy dengan enggunakan struktur keel (sejenis struktur pelat berlubang). Beban siklis dan terus-enerus akibat gelobang yang bekerja pada struktur keel buoy dapat enibulkan kerusakan atau retak pada struktur ini yang pada akhirnya dapat enibulkan kegagalan struktur (structural failure due to fatigue) []. Prediksi uur kelelahan struktur keel buoy tsunai ini perlu dilakukan karena keel terbuat dari poros bekas pakai sehingga perlu diketahui berapa laa uur kelelahan struktur keel buoy ini, sehingga Indonesia tsunai early warning syste dapat berfungsi dengan handal dan berkesinabungan. Adapun etode yang digunakan untuk enentukan uur kelelahan struktur keel buoy ini adalah spectral fatigue analysis. Terjadinya korosi pada struktur keel buoy tsunai tidak diperhitungkan. Struktur yang dianalisis adalah Buoy No. 4 ilik BPPT yang berlokasi di selatan Pulau Jawa pada koordinat BT dan.3998 LS. Gabar 3. Lokasi buoy No. 4 BPPT yang enjadi objek studi. II. PENGUJIAN Beban yang bekerja pada struktur keel buoy ini hanya ditinjau dari beban akibat gelobang laut (beban yang berulang - ulang), dan beban ini diperoleh dari hasil pengukuran gaya pada tali tabat ( ooring line) yang telah dilakukan oleh [] di Tangki Olah Gerak dan Gelobang (MOB), IHL -BPPT, Surabaya. Model spektru gelobang yang digunakan adalah odel spektru gelobang JONSWAP, dengan tinggi gelobang signifikan sebesar eter dan periode puncak gelobang T P sebesar 6 detik. Data Uji Hidrodinaika Skala Model :6 Laa waktu pengujian: 5 enit Waktu sebenarnya: 6 enit Stress x SCF (N/^) Tie History Stress Acting on Moored Buoy Tie (s) Gabar 4. Grafik stress-tie dengan laa pengujian 6 enit []. III. METODE SPECTRAL FATIGUE ANALYSIS Analisis dengan enggunakan etode ini berlaku untuk struktur yang dipengaruhi oleh beban dinais yang eiliki sifat statistik stasioner untuk sejulah besar siklus tegangan, isalnya beban gelobang. Metode ini enggunakan spektru gelobang untuk perhitungan spektru tegangan untuk struktur yang berada dala edan gelobang. Langkah awal dala penelitian ini adalah engupulkan data literatur penunjang penelitian, antara lain data hasil pengujian odel Buoy TEWS berupa data uji hidrodinaika (oleh IHL-BPPT, Surabaya), dan data gelobang untuk perairan pada koordinat BT dan.3998 LS (oleh BMKG Stasiun Meteorologi Mariti Perak, Surabaya). Data gelobang yang diperoleh, selanjutnya disajikan ke dala diagra sebaran gelobang (wave scatter diagra) dan dilakukan pebuatan spektru untuk asing-asing kondisi perairan dengan enggunakan odel spektru gelobang JONSWAP [3]. S 3 H exp 4 4 T P T P 4 dengan H /3 adalah tinggi gelobang signifikan, T P adalah periode puncak spektru, γ adalah faktor kenaikan puncak spektru, dan A adalah eksponen dari γ. Selanjutnya data uji hidrodinaika berupa tie history stress pada buoy dengan kondisi tertabat ( oored buoy), dengan kondisi pengujian = eter dan T P = 6 detik, diubah ke dala bentuk doain frekuensi (spektru tegangan) dengan etode Welch. Fungsi transfer (RAO) tegangan diperoleh dari akar kuadrat rasio antara spektru tegangan dengan spektru gelobang [4]. S dengan RAO S frekuensi dan A () () S S adalah spektru tegangan dala ruang adalah spektru gelobang dala ruang frekuensi. Langkah selanjutnya adalah elakukan perhitungan untuk endapatkan spektra rentang tegangan berdasarkan RAO dan

3 JURNAL TEKNIK ITS Vol., (Sept, ) ISSN: 3-97 G-6 spektra gelobang untuk tiap-tiap ode operasi (wave scatter diagra). Hal ini adalah saa dengan engubah inforasi karakteristik tegangan pada gelobang reguler enjadi tegangan di gelobang acak (gelobang laut). Pada asing-asing spektru tegangan dilakukan perhitungan sebagai berikut [4]: ) Luasan di bawah kurva spektra respon tegangan, dan oen luasan di bawah kurva spektra respon tegangan,. S d (3) S d (4) ) Mean zero crossing period, T Z dari spektru tegangan. T Z (5) 3) Julah stress cycles, n pada selang waktu T detik. T n (6) T Z 4) Kerusakan akibat lelah untuk asing-asing kondisi laut, D. D T 8 A dengan A dan endefinisikan kurva S-N sebagai berikut: N AS (8) Persaaan akhir akuulasi kerusakan untuk seua kondisi laut dapat juga ditulis sebagai berikut: D n N n ef dengan σ efr adalah effective fatigue stress range. efr A 8 (7) (9) () 5) Uur kelelahan, F.L. F. L. () D enunjukkan banyaknya kejadian atau frekuensi gelobang dala rentang tinggi gelobang signifikan ( ) dan rata-rata periode gelobang (T Z ) seperti terlihat pada Gabar 5. Gabar 5. Diagra sebaran gelobang (wave scatter diagra). Julah data gelobang total = 876. Selanjutnya data gelobang tersebut digunakan untuk enghasilkan spektru gelobang, sehingga respon tegangan untuk berbagai kondisi gelobang dapat dihitung. B. Penentuan Fungsi Transfer Tegangan Untuk enentukan fungsi transfer tegangan, data uji hidrodinaika berupa tie history stress pada buoy dengan kondisi tertabat (lihat Gabar 4 ), diubah ke dala bentuk doain frekuensi ( spektru tegangan) dengan etode Welch. Berikut adalah hasil transforasi doain waktu enjadi doain frekuensi seperti terlihat pada Gabar 6. Fungsi transfer tegangan diperoleh dari akar kuadrat rasio antara spektru tegangan dengan spektru gelobang. Berikut adalah hasil perhitungan fungsi transfer tegangan seperti terlihat pada Gabar 7. Fungsi transfer tegangan yang digunakan sebagai perhitungan adalah pada rentang frekuensi.86 rad/sec sapai. rad/sec, karena pada frekuensi tersebut, frekuensi puncak dari spektru gelobang dapat diakoodasi. Selain itu, pada rentang frekuensi.86 rad/sec sapai. rad/sec, fungsi transfer tegangan eiliki trend yang relatif konstan. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Analisis Data Gelobang Untuk eudahkan ebaca karakteristik gelobang dari data gelobang yang telah diperoleh, data diolah enjadi diagra sebaran gelobang ( wave scatter diagra) yang Gabar 6. Spektru tegangan untuk kondisi perairan dengan = eter dan T P = 6 detik.

4 JURNAL TEKNIK ITS Vol., (Sept, ) ISSN: 3-97 G Tabel. Nilai [MPa.sec - ] Spektra Respon Tegangan untuk Berbagai Kondisi Laut [] Gabar 7. Fungsi transfer keel stress. C. Penentuan Nilai dan A dari Kurva S-N E. Perhitungan Mean Zero Crossing Period Spektra Respon Tegangan untuk Berbagai Kondisi Laut Setelah nilai dan spektra respon tegangan untuk berbagai kondisi laut telah ditentukan, selanjutnya ean zero crossing period (T Z ) spektra respon tegangan dari buoy tsunai dapat dihitung dengan enggunakan (5). Tabel 3. Nilai Spektra Respon Tegangan untuk Berbagai Kondisi Laut Gabar 8. Kurva S-N data uji fatik spesien keel buoy. Material poros bekas yang digunakan sebagai keel pada buoy tsunai telah dilakukan pengujian fatik untuk eperoleh kurva S-N []. Kurva S-N pada uunya ditapilkan ke dala skala log-log. Nilai diperoleh dari keiringan kurva S-N seperti terlihat pada Gabar 8. Dari Gabar 8 diperoleh keiringan kurva S-N sebesar.944, sehingga diperoleh nilai = -slope - =.598. Nilai A diperoleh dari (8), diperoleh hasil sebesar.36e+3. D. Perhitungan Luasan dan Moen Luasan di Bawah Kurva Spektra Respon Tegangan untuk Berbagai Kondisi Laut Perhitungan spektru tegangan dilakukan dengan cara engalikan spektru gelobang untuk berbagai kondisi laut dengan kuadrat dari fungsi transfer tegangan. Berikut adalah hasil perhitungan luasan ( ) dan oen luasan ( ) di bawah kurva spektra respon tegangan untuk berbagai kondisi laut seperti dala (3) dan (4). Tabel. Nilai [MPa ] Spektra Respon Tegangan untuk Berbagai Kondisi Laut [] F. Perhitungan Julah Stress Cycles untuk Berbagai Kondisi Laut Untuk enghitung julah stress cycles (n) dapat dihitung dengan enggunakan (6). Nilai T yang digunakan adalah laa kejadian asing-asing kondisi laut. Nilai T total erupakan waktu kuulatif kejadian asing-asing spektru. []

5 JURNAL TEKNIK ITS Vol., (Sept, ) ISSN: 3-97 G-63 [] Tabel 4. Laa Waktu Kejadian T [hour] untuk Berbagai Kondisi Laut Tabel 5. Nilai n untuk Berbagai Kondisi Laut [] G. Perhitungan Effective Fatigue Stress Range untuk Berbagai Kondisi Laut Untuk enghitung effective fatigue stress range (σ efr ) untuk berbagai kondisi laut dapat ditentukan dengan enggunakan (). Tabel 6. Nilai σ efr [MPa] untuk Berbagai Kondisi Laut [] H. Perhitungan Kerusakan Akibat Kelelahan untuk Berbagai Kondisi Laut Kerusakan akibat kelelahan (D) untuk seua kondisi laut dapat dihitung dengan enggunakan (7) atau (9). [] Tabel 7. Nilai D untuk Berbagai Kondisi Laut E-8 3.E-6 7.E-7 5.E-9.E- 4.E-.E- 8.E-.5 7.E-7 3.E-3.E-3 3.E-5 8.E-7.E-8 7.E-9.E E-3 4.E-.E-3 5.E-5 4.E-6.5.E-3.E- 3.E-4.75.E-3 3.E-3 3.E E-4 4.E E-3.E E-3.E E-3 I. Penentuan Uur Kelelahan Struktur Keel Buoy Tsunai Dari Tabel 7 diperoleh nilai akuulasi kerusakan sebesar.898 selaa satu tahun, sehingga akan diperoleh uur struktur keel buoy tsunai sebagai berikut: Uur kelelahan (F.L.) = selaa tahun 8.98 Uur kelelahan (F.L.) =.4 tahun Jadi uur kelelahannya adalah tahun. V. KESIMPULAN Kesipulan yang diperoleh dari penelitian ini adalah: ) Uur kelelahan struktur keel buoy tsunai akibat beban gelobang dengan etode spectral fatigue analysis yang berada di koordinat BT dan.3998 LS adalah sekitar tahun, dengan asusi kejadian beban berulang setelah satu tahun. ) Uur kelelahan struktur keel buoy dala penelitian ini adalah untuk koordinat BT dan.3998 LS saja. Untuk lokasi buoy tsunai selain di lokasi ini, sebaiknya dilakukan perhitungan ulang untuk lokasi yang diaksud. 3) Metode spektral dapat engakoodasi terjadinya gelobang acak yang erupakan sifat alai gelobang di laut. 4) Untuk endapatkan uur kelelahan yang lebih akurat sebaiknya eperhitungkan beban akibat interaksi gelobang dan arus serta beban angin yang engenai struktur buoy. 5) Pengaruh korosi pada struktur keel buoy sebaiknya diperhitungkan karena korosi dapat enyebabkan tibulnya korosi retak tegang (SCC). Hal ini sangat penting dan berpengaruh pada perhitungan uur efektif karena buoy dioperasikan di lingkungan yang korosif. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis engucapkan teria kasih kepada Dr. W. H. Nugroho selaku Group Leader M.V. Design& Analisis InaTEWS Buoy, IHL-BPPT, Surabaya, atas data dan diskusi yang beranfaat.

6 JURNAL TEKNIK ITS Vol., (Sept, ) ISSN: 3-97 G-64 DAFTAR PUSTAKA [] Badan Meteorologi Kliatologi dan Geofisika, InaTEWS (Indonesia Tsunai Early Warning Syste): Konsep dan Ipleentasi. Jakarta: BMKG (). [] Sahlan, Prediksi Uur Kelelahan Struktur Keel Buoy Tsunai Akibat Beban Gelobang, Tesis MT, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopeber, Surabaya, Indonesia () [3] J. M. J. Journee and W. W. Massie, Offshore Hydroechanics, st ed., Delft University of Technology (). [4] N. D. P. Barltrop and A. J. Adas, Dynaics of Fixed Marine Structures, 3 rd ed., Oxford: Butterworth-Heineann (99).