HOT SPOT STRESS

Fatigue atau kelelahan struktur akibat beban berulang merupakan

salah satu moda keruntuhan bangunan lepas pantai yang harus

diwaspadai. Apalagi bila pada struktur banyak terdapat sambungan

tubular dengan las yang dapat menimbulkan tegangan hotspot yaitu

tegangan maksimum pada intersection yang dapat memacu percepatan

timbulnya kelelahan pada struktur.

Contoh sambungan tubular dengan K-bracing pada platform dapat

dilihat pada gambar 1 berikut ini :

Kelelahan struktur diakibatkan pembebanan yang berulang-ulang

oleh gelombang. Metode penentuan pengaruh gaya gelombang terhadap

kelelahan pada sambungan struktur dapat dilakukan dengan cara

1. Analisa deterministic (deterministic analysis) atau dengan

2. Analisa spektrum (spectral analisis).

Perhitungan kelelahan struktur dimulai dengan pengumpulan data

metocean yang akurat, pengolahan dengan teori gelombang dan

pembebanan disertai asumsi yang benar, dilanjutkan dengan

perhitungan untuk mendapatkan umur struktur.

Metoda analisa Deterministik

Metoda analisa deterministik memperhitungkan jumlah kejadian

gelombang dalam range tinggi gelombang tertentu, kemudian

menghitung beban gelombang yang ditimbulkan untuk setiap

range. Dari beban gelombang dan tegangan yang ditimbulkannya

(SCF), dihitung kumulatif kerusakan akibat kelelahan struktur

(fatigue).

Perhitungan kelelahan sambungan struktur didasarkan pada hukum

kegagalan kumulatif Palmgren-Miner, yang dinyatakan dalam

persamaan:

dimana :

ni = jumlah siklus rentang tegangan dengan harga Si yang

sebenarnya terjadi pada sambungan akibat beban eksternal

(gelombang).

Ni = jumlah siklus rentang tegangan dengan harga Si yang

menyebabkan kegagalan sambungan yang ditinjau. Harga besaran

ini dapat diperoleh dari kurva S-N untuk jenis sambungan

yang sesuai.

Si = rentang tegangan; 2 (dua) kali amplitudo tegangan yang

terjadi pada sambungan.

Sesuai dengan hukum Palmgren-Miner, kegagalan sambungan akan

terjadi jika indeks kerusakan D mencapai harga 1.0. Secara

ringkas prosedur penyelesaian perhitungan kelelahan struktur

dapat dilakukan sbb :

- Peroleh data distribusi gelombang berisi harga-harga Hi

(m), Ti (detik) dan Pi.

- Hitung beban gelombang pada setiap sambungan yang

ditinjau sebagai fungsi Hi (m), Ti (detik) (dengan teori

gelombang reguler metode deterministik).

- Hitung rentang tegangan nominal Si(nom) (N/mm2) untuk

tiap-tiap sambungan (melalui stress analysis, FEM).

- Hitung SCF yang sesuai untuk jenis sambungan yang

ditinjau.

- Hitung rentang tegangan maksimal Si (N/mm2) pada hot spot.

- Pilih diagram S-N untuk jenis sambungan yang sesuai dan

hitung harga-harga Ni sebagai fungsi Si (N/mm2), dapat

dibaca dari grafik atau diselesaikan dari pers NSm=A

- Hitung tiap-tiap Pi/(NixTi) dan masukkan ke persamaan:

untuk memperoleh umur kelelahan sambungan yang ditinjau T

(hasil akhir dalam tahun)

Metoda Analisa Spektrum

Sedangkan untuk metoda analisa spektrum, kita “mendekati”

gelombang dengan spektrum teoretis tertentu yang dianggap sesuai

dengan karakteristik gelombang di lokasi tersebut. Dari Spektrum

Teoretis tersebut bisa didapatkan Spektrum Range tegangan, yang

diikuti Stress-Distribution dan Damage-Distribution. Prosedur

analisis kelelahan dengan metoda analisa spektra dapat dilakukan

sebagai berikut

a. Melakukan analisis beban gelombang reguler untuk menghasilkan RAO respon struktur

(bending moment danshear stress),dilakukan untukberbagai arahgelombang RA

O =

F/

AnalisisBeban

Gelombang(Reguler)

b. Mentransformasikan RAO respon struktur menjadi RAO tegangan (stress analisys)

c.

Menentukan mode operasi bangunan laut, dengan

mempertimbangkan sebaran data gelombang, peluang

kejadian arah gelombang, kombinasi H & T gelombang,

variasi spektra gelombang, kecepatan (untuk kapal yang

melaju)

Arah Gel

Tinggi &Periode Gel.

Spektra30o

40o

2 m

3 m

Spektra N

RAO =

S/

Stress Analysis,FEM

RAO =

F/

d. Menghitung spektra respon tegangan sesuai dengan mode

operasi

e. Menentukan jumlah siklus tegangan dan sebaran siklus

tegangan dalam kurun waktu pendek sesuai dengan

distribusi Rayleigh untuk tiap-tiap mode operasi.

f. Menghitung sebaran siklus tegangan dalam kurun waktu

panjang (penjumlahan siklus tegangan kurun waktu

RAO

= S/

2

S()

X

S S(

)=

RAO2(tegangan) x Spektra Gelombang = Spektra Tegangan

pendek) dengan mempertimbangkan umur operasi, peluang

kejadian

g. Mengkorelasikan hasil analisis dan perhitungan sebaran

siklus tegangan kurun waktu panjang dengan data

kelelahan kurva S-N memakai hukum Palmgren-Miner untuk

menentukan umur kelelahan sambungan struktur yang

ditinjau

Batas dari fatigue (fatigue limit) didefinisikan sebagai stress

(tegangan) dimana material atau sambungannya dapat menahan beban

yang berulang dalam jumlah tertentu, yang nilainya didapat dari

kurva S-N (Stress vs Jumlah Siklus Pembebanan yang Diijinkan).

Berikut adalah kurva S-N yang diberikan dalam API RP2A:

Gambar 2. Kurva S-N (API RP2A WSD)

Berdasarkan standard API RP2A (kriteria desain anjungan lepas

pantai yang dikeluarkan API), jumlah siklus gaya gelombang yang

mengakibatkan keruntuhan pada range tegangan tertentu (Ni)

diberikan oleh kurva S-N di atas dengan persamaan sebagai berikut :

Sambungan tubular yang dikenai beban akan menimbulkan tegangan

maksimum (berupa tegangan hot-spot) pada sambungannya

(intersersection). Bagian sambungan itulah yang paling rawan akan

keruntuhan baik brittle maupun fatigue.

Perbandingan antara tegangan maksimum pada sambungan dengan

tegangan nominal disebut Stress Concentration Factor (SCF). Nilai SCF

inilah yang merupakan salah satu komponen penting dalam

penghitungan fatigue damage. SCF diperlukan karena tegangan yang

terjadi pada sambungan tubular tidak menyebar secara merata.

Kejadian moda keruntuhan fatigue dapat diuraikan menjadi 3

bagian yaitu retakan awal (initial crack), penyebaran retakan (crack

spreading) yang bila semakin besar pada batas tertentu akan

terjadi keruntuhan

struktur (fracture). Initial crack adalah retakan (mikro) yang menjadi

awal mula terjadinya keruntuhan. Retakan awal ini biasanya

terjadi di lokasi dimana tegangan hot-spot mencapai titik

maksimum.

Dalam sambungan tubular biasanya terjadi pada lokasi pengelasan.

Disinilah Stress Concentration Factor (SCF) terjadi. SCF ini akan

memperbesar tegangan yang terjadi yang berakibat semakin besar

pula fatigue damage sambungan. Semakin besar fatigue damage, semakin

pendek fatigue life sambungan. Setelah initial crack mencapai batas

tertentu, maka retakan mulai menyebar ke sekitarnya. Bila hal ini

tidak segera diperbaiki maka struktur itu akan mengalami

keruntuhan.

Beberapa tes pada data-data keruntuhan akibat fatigue

mengindikasikan banyak faktor yang mempengaruhi kekuatan struktur

dalam menahan fatigue (fatigue strength). Beberapa factor

tersebut antara lain:

a. Faktor Material

- Parameter mekanis

- Finishing permukaan

- Tegangan sisa (residual stress)

b. Faktor Desain

- Geometri dan ukuran sambungan

- Rate pembebanan

- Tegangan maksimum

- SCF (perbandingan tegangan hotspot dan tegangan nominal)

c. Faktor Fabrikasi

- Teknik pengelasan (semakin modern dan bagus kualitas

pengelasan, makin sedikit

diskontinuitas bahan)

- Pengerjaan di shop (ada atau tidak treatment khusus yang

bisa mempengaruhi sifat

bahan)