Oleh:QUDHORY ANWAR RUDIN 4105 100 072

DOSEN PEMBIMBING :M. NURUL MISBACH. ST.MT

JUDUL “ANALISIS FATIGUE LIFE STRUKTUR KAPAL AKIBAT MISALIGNMENT PADA SAMBUNGAN PELAT’’

LATAR BELAKANG MASALAH :

Point 1.

Lima Kapal yang memiliki alas ganda dan lambung ganda dengan

kisaran payload 35.000 DWT untuk 188.000 DWT terdaftar retak.

Point 2.

Lebih dari 40% dari retakan kelelahan terjadi pada struktur kapal

yaitu diamati terjadi pada sisi kapal, lebih khusus lagi di sambungan

dari pembujur dan gading besar.

Point 3.

Kerusakan struktur kapal menjadi fatigue yang disebabkan oleh

berbagai pembebanan. Kelelahan bisa berkembang menjadi retak (

initial crack ), mengakibatkan kegagalan tak terduga (out of service)

2 © 2009 PTC

TUJUAN TUGAS AKHIR

POINT.1

POINT.2

3 © 2009 PTC

Mengetahui pengaruh dimensi pelat

terhadap perambatan retak dan fatigue life

dari material ketika kondisi pelat

misalignment.

Mengetahui stress intensity material dan

umur lelah di sekitar penyambungan pelat

yang mengalami misalignment.

BATASAN MASALAHCurrent Situation

Kapal yang dijadikan studi kasus adalah kapal Box

Shape Bulk Carrier 50.000 DWT dengan jenis BC-A.

Regulasi yang diterapkan mulai dari pemodelan FE

analisys hingga perhitungan fatigue adalah regulasi

Common Structural Rules untuk Bulk Carrier.

Cacat yang dianalisa adalah cacat permukaan semi

elliptical.

Analisa pemodelan retak tidak dipengaruhi oleh

suhu.

Analisa global yang dilakukan hanya sebatas untuk

mendapatkan nilai tegangan pada side shell.

Mode retak yang digunakan pada analisa adalah

mode opening yang hanya memperhitungkan gaya 4© 2009

•Studi kasus BSBC 50,000 DWT

•Regulasi menggunakan CSR.

•Crack pada permukaan retak

•Analisa hanya Mode I ( gaya aksial )

Crack in side shell

Original Model

:

PERUMUSAN MASALAHPoint 1.

Point 2.

5© 2009

Bagaimanakah cara menghitung umur lelah dengan initial

retak yang terjadi pada sisi kapal dengan menggunakan

regulasi Common Structural Rules untuk Bulk Carrier

dengan pemodelan menggunakan Finite Element Analysis?

Menganalisa kapal intensitas tegangan dan umur lelah

terjadi pada sambungan pelat dengan metode rumus

pendekatan persamaan Paris dan pemodelan

menggunakan Finite Element Analysis.

6© 2009

MANFAAT TUGAS AKHIR

Point 1.

• 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.

Point 2.

Mengetahui umur kelelahan side shell BSBC pada sambungan

alignment dan misalignment dengan adanya retak awal.

7© 2009

TUJUAN

Mengetahui stress intensity material dan umur

lelah di sekitar penyambungan pelat yang

mengalami misalignment.

Mengetahui pengaruh dimensi pelat terhadap

perambatan retak dan fatigue life dari material

ketika kondisi pelat misalignment.

8 © 2009 PTC

GAMBAR MIDSHIP SECTION ( SUMBER : PT.PAL INDONESIA, 2009 )

Lpp = 173 M H = 17.5 MLwL = 189 M T = 12.8 MB = 30.5 M Cb = 0.8 M

DATA KAPAL

9 © 2009 PTC

SUMBER : GENERAL ARRANGEMENT

( SUMBER : G.A. PT.PAL INDONESIA,2009 )

Lpp = 173 M H = 17.5 MLwL = 180 M T = 12.8 MB = 30.5 M Cb = 0.8 M

DATA KAPAL

TAHAP PEMODELAN STRUKTUR ANSYS….Highlights!

Forward Looking Information is Subject to Change © 2009 PTC10

Pemodelan Kapal 3 Ruang Muat

Penentuan Koordinat

Aplikasi Koordinat ke Ansys

Model Kapal 3 ruang muat dengan Bentuk Shell elemen

Boundary Condition ( Kondisi Batas )

Pembebanan ( Loading )

Model Simulation

Sub modeling Crack

Alignment plate and misalignment plate

Crack variation

Loading condition From Model Global Stress

Model Simulation

Konvergensi Model with Formula

11 © 2009 PTC

DIAGRAM ALIR PROSES TUGAS AKHIR

12 © 2009 PTC

PEMBEBANAN ( LOADING CONDITION )

δzfix

δyδyx

δxfix

δyfix

Node pada bagian longitudinal

pada kedua ujung model

Translasi Rotasi

Dx Dy Dz Rx Ry Rz

Semua bagian longitudinal RL RL RL - - -

RL adalah bagian yang kaku yang tidak mengalami pengaruh luar

Lokasi Translasi Rotasi

Dx Dy Dz Rx Ry Rz

Independent point pada ujung

belakang

- fix fix - - -

Independent point pada ujung depan fix fix fix fix - -

13 © 2009 PTC

PEMBEBANAN ( LOADING CONDITION )

Total Pembebanan merupakan

akumulasi :

Beban Hydrostatic + Hydrodinamic.

Kondisi pembebanan full load untuk

nilai fatigue dipengaruhi kondisi load

case ( bentuk gelombang ) antara lain

adalah

1. H1,

2. R1,

3.dan P1,

Tegangan dalam model global keseluruhan ( vonmises ) telahmemenuhi persyaratan darimaksimum tegangan yang diijinkan dari suatu jenismaterial yang digunakan. Tegangan model global yang dimiliki dalam pembebanan H1 adalah kN/mm2

TEGANGAN MAKSIMUM PADA H1

14 © 2009 PTC

Hasil tegangan maksimum didaerah pelat sisi adalah dalamload case H1 adalahkN/mm2.

Tegangan dalam model global keseluruhan ( vonmises ) tidakmemenuhi persyaratan darimaksimum tegangan yang diijinkan dari suatu jenismaterial yang digunakan. Tegangan model global yang dimiliki dalam pembebanan H1 adalah kN/mm2

TEGANGAN MAKSIMUM PADA P1

15 © 2009 PTC

Hasil tegangan maksimum didaerah pelat sisi adalah dalamload case P1 adalahkN/mm2.

Tegangan dalam model global keseluruhan ( vonmises ) tidakmemenuhi persyaratan darimaksimum tegangan yang diijinkan dari suatu jenismaterial yang digunakan. Tegangan model global yang dimiliki dalam pembebanan H1 adalah kN/mm2

TEGANGAN MAKSIMUM PADA R1

16 © 2009 PTC

Hasil tegangan maksimum didaerah pelat sisi adalah dalamload case P1 adalahkN/mm2.

Forward Looking Information is Subject to Change © 2009 PTC17

DIMENSION CRACK

Dimensi pelatPanjang x Lebar x Tebal = 600 x 400 x 14 mm

Dimensi Retak

Retak yang akan dianalisa adalah jenis

semi circular. Artinya kedalaman (a) dan

lebar (c) retak sama besar.

Kedalaman retak tersebut akan divariasi

terhadap tebal pelat yaitu pada a/t

sebesar 0.05 dengan dimensi retak awal

a:0.5 mm, c:0.55 mm dengan

petambahan retak ke arah a dan c (da

dan dc) sebesar 0.5 mm.

Bentuk Pelat Alignment Misalignment, selisih pelat 3.2 mm

Forward Looking Information is Subject to Change © 2009 PTC18

RUMUS PERAMBATAN NEWMAN RAJU & PARIS EQUATION

PERSAMAAN PARIS ( Perambatan Retak )“

RUMUS NEWMAN – RAJU [ Faktor Intensitas Tegangan ]

nKCdnda )(

),,,/)(

bc

ta

caFQaHK btI

Forward Looking Information is Subject to Change © 2009 PTC19

J - INTEGRAL

Kesetaraan antara Kdengan Gc

PENGERTIAN J INTEGRAL

Integral J adalah suatu

pengukuran kinerja yang telah

dilakukan (elastis dan plastis) dari

penjalaran retak

Integral J dihitung pada saat

peluluhan retakan struktur

menggunakan model finite

element

Integral J berkarakteristik

terhadap regangan ujung retak

yang sesuai dengan penyebaran

retakan.

EKG c

cyc

20© 2009

Kedalaman retak dimulai dari:

a = 0.005 – 0.012 mm

Modulus Elastisitas :

( EX ) :2.06 × 10 7 N/m2

Stress Intensity Factor ( K1):

PlanPlan DevelopDevelop TestTest MaintainMaintain DeployDeploy OptimizeOptimize SupportSupport

Keterangan:

• J-integral

• Tabel Data J-integral Sambungan Misalignment

J – integral misalignment

No a J-Integral Modulus Elastisitas

Poison Rasio

SIF (K1) [(N*√cm)/cm2]

SIF (K1) [(MN*√m)/m2]

1 0.0050 4.12E‐03 2.07E+07 0.3 305.91 0.3062 0.0055 4.58E‐03 2.07E+07 0.3 322.79 0.3233 0.0060 5.07E‐03 2.07E+07 0.3 339.39 0.3394 0.0065 5.57E‐03 2.07E+07 0.3 355.82 0.3565 0.0070 6.09E‐03 2.07E+07 0.3 372.00 0.3726 0.0075 6.62E‐03 2.07E+07 0.3 388.05 0.3887 0.0080 7.18E‐03 2.07E+07 0.3 403.90 0.4048 0.0085 7.74E‐03 2.07E+07 0.3 419.53 0.4209 0.0090 8.34E‐03 2.07E+07 0.3 435.52 0.43610 0.0095 8.97E‐03 2.07E+07 0.3 451.66 0.45211 0.0100 9.60E‐03 2.07E+07 0.3 467.08 0.46712 0.0105 1.02E‐02 2.07E+07 0.3 482.48 0.48213 0.0110 1.09E‐02 2.07E+07 0.3 497.88 0.49814 0.0115 1.16E‐02 2.07E+07 0.3 513.25 0.51315 0.0120 1.23E‐02 2.07E+07 0.3 528.64 0.529

21© 2009

Kedalaman retak dimulai dari:

a = 0.005 – 0.012 m

Modulus Elastisitas :

( EX ) :2.06 × 10 11 N/m2

Stress Intensity Factor ( K1):

PlanPlan DevelopDevelop TestTest MaintainMaintain DeployDeploy OptimizeOptimize SupportSupport

Keterangan :

• J-integral

• Tabel Data J-integral Sambungan Misalignment

J – integral misalignment

No a J-Integral Modulus Elastisitas

Poison Rasio

SIF (K1) [(N*√cm)/cm2]

SIF (K1) [(MN*√m)/m2]

1 0.0050 1.48E‐02 2.07E+07 0.3 580.69 0.5812 0.0055 1.65E‐02 2.07E+07 0.3 611.76 0.6123 0.0060 1.84E‐02 2.07E+07 0.3 646.95 0.6474 0.0065 1.75E‐02 2.07E+07 0.3 630.71 0.6315 0.0070 1.92E‐02 2.07E+07 0.3 661.03 0.6616 0.0075 2.19E‐02 2.07E+07 0.3 706.30 0.7067 0.0080 2.27E‐02 2.07E+07 0.3 718.75 0.7198 0.0085 2.40E‐02 2.07E+07 0.3 738.05 0.7389 0.0090 2.38E‐02 2.07E+07 0.3 734.86 0.73510 0.0095 2.42E‐02 2.07E+07 0.3 741.88 0.74211 0.0100 2.39E‐02 2.07E+07 0.3 737.35 0.73712 0.0105 2.47E‐02 2.07E+07 0.3 749.80 0.75013 0.0110 2.55E‐02 2.07E+07 0.3 761.55 0.76214 0.0115 2.79E‐02 2.07E+07 0.3 795.96 0.79615 0.0120 3.12E‐02 2.07E+07 0.3 842.41 0.842

• Satu periode sagging-hogging di gelombang

dihitung dengan rumus sebagai berikut ;

[Bhattacharya, 1978]:

• Vw = Kecepatan gelombang = Lw/Tw

• V = Kecepatan kapal

Forward Looking Information is Subject to Change © 2009 PTC22

FATIGUE LIFE ( UMUR LELAH )

Te =7.632 detik

UV Pattern

cosWW

Ww VV

LT

cosVVL

TW

We

23© 2009

TAHAP PERMODELAN STRUKTUR DENGAN SOFTWARE ANSYS 11.0

Fatigue life 7.6323528885314885.

=28.105 tahun

24© 2009

TAHAP PERMODELAN STRUKTUR DENGAN SOFTWARE ANSYS 11.0

Fatigue life 7.63235

8251060086. = 7.96 tahun

25© 2009

TAHAP PERMODELAN STRUKTUR DENGAN SOFTWARE ANSYS 11.0

Fatigue life 7.63235

162940689 = 7.96 tahun

26© 2009

TAHAP PERMODELAN STRUKTUR DENGAN SOFTWARE ANSYS 11.0

Fatigue life 7.63235

162940689 = 7.96 tahun

Forward Looking Information is Subject to Change © 2009 PTC27

KESIMPULAN

POINT.1

• Daerah crack front material sebagai akibat adanya crack yang disimulasikan

dengan crack tip yang mempunyai alur elips.

POINT.2

• Perhitungan SIF numerik pada sambungan pelat alignment dengan kedalaman

retak 0.012 mm adalah 528.64 (MN√m)/m2, Sedangkan untuk sambungan pelat

misalignment dengan kedalaman retak 0.012 mm adalah 842.41 (MN√m)/m2.

POINT.3

Pada saat retak sambungan pelat alignment mencapai 0.012 mm umur kelelahan

struktur adalah 28.073 tahun, sedangkan pada pertambahan kedalaman retak pada

sambungan pelat misalignment mencapai 0.012 umur kelelahan struktur mm 7.96

tahun

SARAN

Forward Looking Information is Subject to Change © 2009 PTC28

Analisis Mode

Analisis umur kelelahan side shell setelahadanya crack hanya dilakukan pada

sehingga pembebananyang dilakukan hanya pembebanan aksial. Untuk itu perlu dilakukan pembebanan in-plane bending dan out-plane bending (mode II) karena retak pada struktur bisadiakibatkan oleh

pada struktur.

Variasi Retak :

Padahal jenis crack adabermacam-macam. Retaktengah menjalar

Retak tepi di satu sisiretak tepi di

Dalam perhitungan maupunmodel ANSYS , crack diasumsikan berupa

29 © 2009 PTC

• M. Cameron Weaven, Ship Hull Plating Weld Misalignment Effect When Subjected to Tension. B.S Mechanical Engineering California Polytechnic State University, 1986.

• Anderson, T., Fracture Mechanics fundamental and applications, Department of Mechanical engineering Texas A&M University College Station, Texas, second edition, 1995

• ANSYS, Inc., Structural Analysis Guide, ANSYS Release 11.0 Documentation, 2005

• Hobbacher,A. December 2008. Recommendations For Fatigue Design of Welded joints and Component. International Institute of Welding. Paris:France.

• IACS. 2006. "Joint Bulk Carrier Project". IACS Common Structural Rules for Bulk Carriers”. UK, 1 Januari 2006.: Biro Klasifikasi Indonesia.

• Friis Hansen ,P. & Winterstein t, S. R., October1994. “Fatigue Damage in the Side Shells of Ships”. Marine Structures 8 (1995) 631~555