Analisa Fatigue (Kelelahan struktur) Fatigue Fatigue merupakan kelelahan suatu sistem struktur akibat pembebanan yang berulang-ulang (cyclic ( cyclic loading ).. ).. Kekuatan fatigue (fatigue strength) strength) pada struktur adalah tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh struktur tanpa mengalami keruntuhan pada frekwensi pembebanan tertentu. Kriteria umum yang diterima : 1. Kelelahan adalah fungsi dari rentang tegangan yang diterapkan diterapk an 2. Kelelahan bukan merupakan merupakan fungsi dari tingkat tegangan tegangan (stress) (stress) Praktek desain fatigue melibatkan beberapa perhitungan dan memerlukan input data yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Kompleksitas ini sendiri sudah dapat digunakan sebagai argumen untuk solusi kualitatif daripada kuantitatif sebagai proses untuk memprediksi kelelahan seumur hidup.
Berdasarkan sejumlah besar tes cyclic telah menemukan bahwa hilangnya resistensi akibat kelelahan secara kasar dapat diperkirakan dengan kurva seperti yang diberikan di bawah ini:
Figure 2 . Typical S-N curve Kurva diatas bervariasi untuk beberapa macam jenis baja. Kurva diberikan di bawah ini adalah kurva khas untuk concrete steel reinforcement:
Figure 3 . Typical curve for concrete steel reinforcement Kurva berikutnya adalah kurva khas untuk baja yang digunakan pada offshore jackets (tubular structures).
Figure 4 . Curve given in API-RP2A for tubular joints Untuk mengukur seberapa dekat jumlah siklus dari berbagai tegangan tertentu membawa kita ke kegagalan variabel yang disebut kerusakan karena kelelahan diciptakan.
Dalam rangka untuk mengevaluasi kerusakan karena kelelahan yang disebabkan oleh stress pada rentang amplitudo yang berbeda, Miner Palmgren telah memperkenalkan aturan, yang mengatakan bahwa kerusakan yang disebabkan oleh siklus stres individu dapat disimpulkan linear.
Memeriksa kerusakan fatigue dari batang seragam yang mengalami berbagai tegangan aksial sangat sederhana, tetapi ketika bentuk struktural rumit itu jauh lebih sulit untuk menentukan variasi tegangan, karena ada konsentrasi tegangan, terutama ketika aliran tegangan mengalami perubahan arah dengan tiba-tiba .
Batas dari fatigue (fatigue limit ) didefinisikan sebagai tegangan dimana material atau sambungannya dapat menahan beban yang berulang dalam jumlah tertentu, yang nilainya dapat diperoleh dari kurva S-N (Tegangan vs Jumlah siklus pembebanan yang diizinkan) API RP2A merekomendasikan kurva S-N pada struktur seperti yang terlihat pada Gambar 2.9 berikut ini.
Gambar 2.9
Kurva S-N (API RP2A).
Berdasarkan API RP2A, jumlah siklus gaya gelombang yang mengakibatkan keruntuhan pada range tegangan tertentu (N i ) diberikan oleh kurva S-N pada Gambar 2.9 di atas dengan persamaan sebagai berikut :
N i c(
H ref
) m
dimana : c = 2 x 106 m adalah kemiringan kurva S-N, dengan :
....................................................
(2.61)
m = 4.38 dengan ref 14.5 ksi untuk kurva X untuk joint dengan kontrol profil dan sambungan halus. m = 3.74 dengan ref 11.4 ksi untuk kurva X’ untuk joint tanpa kontrol profil. Jumlah kejadian dari tinggi gelombang tertentu adalah sebagai berikut :
ni N mi c
H 2.3( ) K
....................................................
(2.62)
dimana : N mi = jumlah total kejadian gelombang pada seastate tertentu. K = kemiringan dari kurva H-N =
H log N m
(API RP2A).
Secara umum kejadian fatigue dapat diuraikan menjadi 3 bagian yaitu crack awal (initial crack ), penyebaran crack (spreading ), dan keruntuhan (fracture). Proses fatigue terjadi adalah pada saat chord menyalurkan beban terhadap brace, maka tegangan pada joint tersebut akan mencapai maksimum. Sambungan chord dan brace dilas pada saat proses fabrikasi, dan ketika las pada joint mendingin, terbentuk retak mikro pada ujung-ujung las. Retak mikro yang terjadi akan menyebar pada saat joint dikenai beban tegangan siklik dan akan merekah hingga penampang member tidak mampu lagi untuk mentransfer beban dan terjadilah keruntuhan (fracture). Sambungan tubular yang dikenai beban akan menimbulkan tegangan maksimum (berupa tegangan hot spot ) pada sambungan (intersection). Bagian sambungan merupakan bagian yang paling rentan terhadap fatigue. Perbandingan antara tegangan maksimum pada sambungan dengan tegangan nominal disebut dengan Stress Concentration Factor (SCF). Nilai SCF merupakan komponen penting dalam perhitungan fatigue damage karena tegangan yang terjadi pada sambungan tubular tidak menyebar secara merata. Beberapa pendekatan empirik untuk menentukan besaran SCF pada brace dan chord telah dilakukan di antaranya oleh J. G. Kuang, Gibstein, Visser, Efthymiou, dan lainnya. Pada tugas akhir ini, pendekatan empirik yang digunakan adalah pendekatan empirik Efthymiou sebagai berikut :
SCF akibat beban aksial 0.06 1.16
SCF brace 1 [0.65 0.4 1.090.77 sin SCF chord 1.45
0.85
10.68
sin
0.7
]
.............................
(2.63)
SCF akibat momen in-plane
SCFbrace ( 0.54) ( 0.05) 0.99 0.47 0.08 4 SCF chord SCF chord
1.7 1.05
3
sin
1.6
..................
(2.64)
SCF akibat momen out-plane
SCF brace 3 1.2 0.12 exp 4 0.011 2 0.045 0.2C 1.2
SCF chord 0.2 2.65 5 0.65 0.5C 3sin 2
(2.65)
dengan parameter-parameter pada joint berdasarkan Gambar 2.10 di bawah :
d D t T
2 L D g
D 2T
D
Gambar 2.10
Model joint .
Salah satu pendekatan yang digunakan dalam menganalisa fatigue adalah analisa deterministik. Pada analisa deterministik, beban gelombang dianggap harmonis dan gaya serta tegangan yang terjadi dihitung secara statik. Menurut API RP2A analisa deterministik dapat digunakan pada struktur dengan karakteristik sebagai berikut :
Memiliki perioda natural kurang dari 3 detik.
Terletak pada perairan dengan kedalaman kurang dari 400 ft.
Tersusun dari baja yang getas (ductile).
Memiliki frame struktur dengan sistem redundan yang tinggi.
Perhitungan fatigue life dengan metoda deterministik didasarkan pada persamaan Palmgreen-Miner sebagai berikut :
D
ni N i
....................................................
(2.66)
dimana : ni =
jumlah kejadian gelombang untuk tiap interval ketinggian gelombang, sekaligus juga tiap range tegangan.
N i =
jumlah cycle pada kisaran tegangan yang diizinkan hingga terjadi kegagalan.
ni dapat diketahui dari data jumlah kejadian gelombang, sedangkan N i dapat diperoleh dengan menggunakan kurva S-N. Tahapan dalam menentukan besaran N i adalah sebagai berikut :
Tentukan tegangan nominal σ n
Tentukan SCF joint
Gunakan persamaan σΔh=2.SCF.σn
Gunakan nilai σΔh pada kurva S-N untuk mendapatkan nilai Ni
Dengan SCF adalah perbandingan tegangan hot spot (tegangan maksimum pada intersection) dengan tegangan nominal, seperti terlihat pada persamaan di bawah ini.
SCF
hotspot no min al
................................................
(2.67)
Fatigue life pada joint dinyatakan dalam persamaan berikut :
L
1 D
....................................................
(2.68)
DAFTAR PUSTAKA API RP 2A Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms, 1993. Murdjito: Bangunan Lepas Pantai, Diktat Kuliah, FT Kelautan ITS 1998 Galgoul, Nelson Szilard.” Fatigue Analysis of Offshore Fixed and Floating Structures”. 2007
