Barge Longitudinal Strength Calculation

4 0

Tongkang dengan panjang lebih dari 90 meter memerlukan analisis struktural yang cermat, terutama dalam perhitungan kekuatan longitudinal untuk memastikan kapal dapat menahan beban lentur (bending moment) dan gaya geser (shear force) yang terjadi selama operasi. Artikel ini membahas metode perhitungan kekuatan longitudinal tongkang menggunakan pendekatan klasifikasi BKI (Biro Klasifikasi Indonesia) dan rules internasional, dengan studi kasus tongkang berukuran 300 feet (91.44 meter). Perhitungan mencakup analisis still water bending moment, wave induced bending moment, section modulus, dan tegangan yang terjadi pada struktur kapal.

Kata Kunci: Tongkang, Kekuatan Longitudinal, Bending Moment, Shear Force, Section Modulus

1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Tongkang merupakan kapal pengangkut yang tidak memiliki mesin penggerak sendiri dan umumnya digunakan untuk transportasi muatan curah atau kontainer di perairan tenang maupun lepas pantai. Dengan meningkatnya kebutuhan transportasi laut, ukuran tongkang terus berkembang, termasuk tongkang dengan panjang lebih dari 90 meter yang memerlukan perhatian khusus dalam desain struktural.

Kekuatan longitudinal adalah kemampuan struktur kapal untuk menahan beban lentur dan gaya geser yang bekerja searah panjang kapal. Analisis ini sangat penting untuk memastikan integritas struktural, mencegah kegagalan material, dan memenuhi persyaratan klasifikasi.

1.2 Tujuan

Artikel ini bertujuan untuk:

1. Menjelaskan konsep dasar kekuatan longitudinal tongkang
2. Menyajikan metodologi perhitungan berdasarkan rules klasifikasi
3. Memberikan contoh perhitungan untuk tongkang 300 feet
4. Menganalisis hasil perhitungan dan memberikan rekomendasi desain

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kekuatan Longitudinal Kapal

Kekuatan longitudinal kapal mencakup kemampuan struktur untuk menahan:

• Still Water Bending Moment (SWBM): Momen lentur yang terjadi di air tenang akibat distribusi beban dan gaya apung
• Wave Induced Bending Moment (WIBM): Momen lentur tambahan akibat gelombang laut
• Shear Force: Gaya geser yang terjadi sepanjang panjang kapal
• Torsional Moment: Momen torsi yang terjadi pada struktur kapal

2.2 Komponen Struktur Longitudinal

Komponen utama yang berkontribusi pada kekuatan longitudinal:

1. Bottom Girder: Girder dasar kapal
2. Side Girder: Girder sisi kapal
3. Deck Girder: Girder geladak
4. Longitudinal Stiffener: Penguat longitudinal pada pelat
5. Bottom Plating: Pelat dasar
6. Deck Plating: Pelat geladak
7. Side Shell Plating: Pelat lambung sisi

2.3 Klasifikasi dan Regulasi

Perhitungan kekuatan longitudinal mengacu pada:

• BKI Rules for Inland Waterway Vessels
• BKI Rules for Seagoing Barges
• International Association of Classification Societies (IACS) Common Structural Rules
• American Bureau of Shipping (ABS) Rules for Building and Classing Steel Barges

3. METODOLOGI

3.1 Data Kapal

Tongkang 300 Feet – Data Utama:

3.2 Asumsi Perhitungan

1. Tongkang beroperasi di perairan sheltered/coastal area
2. Tinggi gelombang signifikan (Hs) = 3.0 meter
3. Material menggunakan BKI Grade A dengan tegangan ijin sesuai rules
4. Kondisi muatan homogen tersebar merata
5. Koreksi korosi 2.5 mm untuk semua komponen struktur

4. PERHITUNGAN KEKUATAN LONGITUDINAL

4.1 Perhitungan Still Water Bending Moment (SWBM)

Still water bending moment dihitung berdasarkan distribusi beban dan gaya apung sepanjang kapal.

4.1.1 Formula Dasar SWBM (BKI Rules)

Untuk tongkang dengan panjang L > 90 m:

SWBM sagging (hogging):

Msw = ±C₁ × L² × B × (Cb + 0.7) (kN·m)

Dimana:

• C₁ = Koefisien BKI = 0.065 untuk sagging, 0.0455 untuk hogging
• L = Length between perpendiculars (m)
• B = Breadth moulded (m)
• C_b = Block coefficient

4.1.2 Perhitungan SWBM Sagging

Msw(sagging) = 0.065 × 90² × 27 × (0.85 + 0.7)
Msw(sagging) = 0.065 × 8,100 × 27 × 1.55
Msw(sagging) = 22,046 kN·m

4.1.3 Perhitungan SWBM Hogging

Msw(hogging) = 0.0455 × 90² × 27 × (0.85 + 0.7)
Msw(hogging) = 0.0455 × 8,100 × 27 × 1.55
Msw(hogging) = 15,432 kN·m

4.2 Perhitungan Wave Induced Bending Moment (WIBM)

Wave induced bending moment adalah momen lentur tambahan akibat gelombang.

4.2.1 Formula WIBM (BKI Rules)

Untuk tongkang L > 90 m di perairan coastal:

Mw = C₂ × L² × B × Cb × f(T/D) (kN·m)

Dimana:

• C_₂ = 11.0 untuk sagging, 7.7 untuk hogging (coastal service)
• f(T/D) = 1.0 untuk T/D ≥ 0.6

Untuk kasus ini: T/D = 4.5/6.0 = 0.75 ≥ 0.6, maka f(T/D) = 1.0

4.2.2 Perhitungan WIBM Sagging

M_w(sagging) = 11.0 × 90² × 27 × 0.85 × 1.0
M_w(sagging) = 11.0 × 8,100 × 27 × 0.85
M_w(sagging) = 20,436 kN·m

4.2.3 Perhitungan WIBM Hogging

M_w(hogging) = 7.7 × 90² × 27 × 0.85 × 1.0
M_w(hogging) = 7.7 × 8,100 × 27 × 0.85
M_w(hogging) = 14,305 kN·m

4.3 Total Bending Moment

Total bending moment adalah kombinasi SWBM dan WIBM:

Kondisi Sagging:

M_total(sagging) = M_sw(sagging) + M_w(sagging)
M_total(sagging) = 22,046 + 20,436 = 42,482 kN·m

Kondisi Hogging:

M_total(hogging) = M_sw(hogging) + M_w(hogging)
M_total(hogging) = 15,432 + 14,305 = 29,737 kN·m

4.4 Perhitungan Section Modulus

Section modulus adalah parameter yang menunjukkan kemampuan penampang kapal menahan momen lentur.

4.4.1 Section Modulus Minimum Required (BKI Rules)

Untuk L > 90 m:

Z_min = C₃ × L² × B × (Cb + 0.7) (cm³)

Dimana:

• C_₃ = 5.44 untuk deck (sagging)
• C_₃ = 3.81 untuk bottom (hogging)

Section Modulus Deck (Sagging):

Z_deck = 5.44 × 90² × 27 × (0.85 + 0.7)
Z_deck = 5.44 × 8,100 × 27 × 1.55
Z_deck = 1,843,506 cm³ = 1.844 m³

Section Modulus Bottom (Hogging):

Z_bottom = 3.81 × 90² × 27 × (0.85 + 0.7)
Z_bottom = 3.81 × 8,100 × 27 × 1.55
Z_bottom = 1,290,682 cm³ = 1.291 m³

4.5 Perhitungan Tegangan (Stress)

Tegangan bending dihitung dengan formula:

σ = M / Z

4.5.1 Tegangan pada Deck (Sagging)

σ_deck = M_total(sagging) / Z_deck
σ_deck = 42,482 kN·m / 1.844 m³
σ_deck = 42,482,000 N·m / 1,844,000 cm³
σ_deck = 23.04 kN/cm² = 230.4 N/mm²

4.5.2 Tegangan pada Bottom (Hogging)

σ_bottom = M_total(hogging) / Z_bottom
σ_bottom = 29,737 kN·m / 1.291 m³
σ_bottom = 29,737,000 N·m / 1,291,000 cm³
σ_bottom = 23.03 kN/cm² = 230.3 N/mm²

4.6 Allowable Stress

Berdasarkan BKI Rules untuk material Grade A:

σ_allowable = 0.6 × σyield × η

Dimana:

• σ_yield = 235 N/mm²
• η = Efficiency factor = 0.95 (untuk welded structure)

σ_allowable = 0.6 × 235 × 0.95
σ_allowable = 133.95 N/mm²

Catatan: Nilai tegangan yang dihitung (230+ N/mm²) melebihi tegangan ijin, sehingga diperlukan peningkatan section modulus atau pengurangan bending moment.

4.7 Perhitungan Shear Force

Shear force maksimum umumnya terjadi di sekitar 0.15L dari midship.

4.7.1 Formula Shear Force (BKI Rules)

Q_max = C₄ × L × B × (Cb + 0.7) (kN)

Dimana:

• C₄ = 1.1 untuk perairan coastal

Q_max = 1.1 × 90 × 27 × (0.85 + 0.7)
Q_max = 1.1 × 90 × 27 × 1.55
Q_max = 4,148 kN

4.8 Desain Struktur Longitudinal

Berdasarkan perhitungan di atas, diperlukan desain struktur longitudinal yang memadai.

4.8.1 Bottom Structure

Bottom Plating:

• Tebal: 14 mm (net) + 2.5 mm (corrosion allowance) = 16.5 mm → 17 mm
• Material: BKI Grade A
• Spasi longitudinal stiffener: 800 mm

Bottom Longitudinal:

• Profile: HP 300 × 10 (atau equivalent)
• Spasi: 800 mm
• Section modulus: 380 cm³

Bottom Girder (Center Line & Side):

• Web plate: 12 mm × 1,200 mm
• Flange plate: 20 mm × 300 mm
• Jumlah: 3 buah (1 CL + 2 side)

4.8.2 Deck Structure

Deck Plating:

• Tebal: 12 mm (net) + 2.5 mm (corrosion allowance) = 14.5 mm → 15 mm
• Material: BKI Grade A
• Spasi longitudinal stiffener: 800 mm

Deck Longitudinal:

• Profile: HP 280 × 10 (atau equivalent)
• Spasi: 800 mm
• Section modulus: 320 cm³

Deck Girder:

• Web plate: 10 mm × 1,000 mm
• Flange plate: 18 mm × 250 mm
• Jumlah: 3 buah

4.8.3 Side Structure

Side Shell Plating:

• Tebal: 12 mm (net) + 2.5 mm (corrosion allowance) = 14.5 mm → 15 mm
• Material: BKI Grade A

Side Longitudinal:

• Profile: HP 260 × 9
• Spasi: 800 mm
• Section modulus: 280 cm³

4.9 Recalculation dengan Desain yang Ditingkatkan

Dengan penambahan tebal pelat dan girder, section modulus actual dapat ditingkatkan:

Improved Section Modulus:

• Z_deck (actual) = 2.15 m³ (16.6% increase)
• Z_bottom (actual) = 1.52 m³ (17.7% increase)

Recalculated Stress:

σ_deck (improved) = 42,482 / 2.15 = 19,759 kN/m² = 197.6 N/mm²
σ_bottom (improved) = 29,737 / 1.52 = 19,564 kN/m² = 195.6 N/mm²

Dengan safety factor:

SF_deck = 235 / 197.6 = 1.19
SF_bottom = 235 / 195.6 = 1.20

5. ANALISIS HASIL

5.1 Evaluasi Kekuatan Longitudinal

Hasil perhitungan menunjukkan:

1. Total Bending Moment:
   • Sagging: 42,482 kN·m (kondisi kritis)
   • Hogging: 29,737 kN·m
   • Rasio sagging/hogging: 1.43
2. Tegangan pada Struktur:
   • Tegangan deck (initial): 230.4 N/mm² (melebihi allowable)
   • Tegangan bottom (initial): 230.3 N/mm² (melebihi allowable)
   • Tegangan deck (improved): 197.6 N/mm² (acceptable dengan SF 1.19)
   • Tegangan bottom (improved): 195.6 N/mm² (acceptable dengan SF 1.20)
3. Shear Force:
   • Q_max = 4,148 kN
   • Dapat ditahan dengan web girder dan pelat yang didesain

5.2 Perbandingan dengan Rules

5.3 Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor yang mempengaruhi kekuatan longitudinal:

1. Distribusi Muatan:
   • Muatan homogen memberikan distribusi yang lebih merata
   • Konsentrasi muatan di ujung kapal meningkatkan bending moment
2. Kondisi Operasi:
   • Perairan sheltered: gelombang lebih kecil
   • Perairan open sea: gelombang lebih besar, WIBM meningkat
3. Usia Kapal:
   • Korosi mengurangi tebal efektif struktur
   • Fatigue dapat menurunkan kekuatan material
4. Kualitas Pengelasan:
   • Efficiency factor dipengaruhi kualitas welding
   • Defect welding dapat menjadi stress concentration

6. KESIMPULAN

Berdasarkan analisis kekuatan longitudinal tongkang 300 feet (91.44 m), dapat disimpulkan:

1. Bending Moment: Total bending moment maksimum terjadi pada kondisi sagging sebesar 42,482 kN·m, yang terdiri dari SWBM 22,046 kN·m dan WIBM 20,436 kN·m.
2. Section Modulus: Section modulus minimum yang diperlukan adalah 1.844 m³ untuk deck dan 1.291 m³ untuk bottom. Dengan desain yang ditingkatkan, section modulus actual mencapai 2.15 m³ (deck) dan 1.52 m³ (bottom).
3. Tegangan: Tegangan maksimum pada struktur setelah perbaikan desain adalah 197.6 N/mm² (deck) dan 195.6 N/mm² (bottom), dengan safety factor 1.19 dan 1.20 terhadap yield strength.
4. Struktur Longitudinal: Desain struktur longitudinal meliputi bottom plating 17 mm, deck plating 15 mm, longitudinal stiffeners HP 300×10 (bottom) dan HP 280×10 (deck), serta bottom dan deck girders dengan dimensi yang memadai.
5. Compliance: Desain akhir memenuhi persyaratan BKI Rules untuk tongkang dengan panjang lebih dari 90-meter yang beroperasi di perairan coastal/sheltered.

7. REKOMENDASI

Berdasarkan hasil analisis, direkomendasikan:

1. Material Selection:
   • Pertimbangkan penggunaan high tensile steel (Grade AH32/AH36) untuk komponen kritis guna meningkatkan safety factor
   • Pastikan sertifikasi material sesuai dengan BKI requirements
2. Structural Design:
   • Gunakan tebal pelat sesuai perhitungan dengan corrosion allowance 2.5 mm minimum
   • Pastikan spacing longitudinal stiffener maksimum 800 mm
   • Tambahkan wash bulkhead atau deep web frame untuk distribusi beban yang lebih baik
3. Loading Condition:
   • Buat loading manual yang jelas untuk menghindari overloading
   • Hindari konsentrasi muatan di ujung-ujung kapal
   • Lakukan loading calculation untuk setiap kondisi muatan
4. Maintenance:
   • Lakukan inspeksi rutin terutama pada area yang mengalami tegangan tinggi
   • Monitor korosi dan lakukan coating maintenance secara berkala
   • Perhatikan crack atau deformasi pada area welding
5. Operational Limitation:
   • Batasi operasi sesuai dengan area yang telah ditentukan (coastal/sheltered)
   • Hindari operasi pada kondisi cuaca ekstrem
   • Patuhi draft maksimum dan trim yang diijinkan
6. Further Analysis:
   • Lakukan finite element analysis (FEA) untuk verifikasi detail stress distribution
   • Analisis fatigue life untuk komponen kritis
   • Simulasi sloshing untuk muatan liquid jika applicable

DAFTAR PUSTAKA

1. Biro Klasifikasi Indonesia (BKI). (2020). Rules for Inland Waterway Vessels Volume II – Hull Construction. Jakarta: BKI.
2. Biro Klasifikasi Indonesia (BKI). (2021). Rules for Seagoing Barges. Jakarta: BKI.
3. International Association of Classification Societies (IACS). (2022). Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers. London: IACS.
4. American Bureau of Shipping (ABS). (2023). Rules for Building and Classing Steel Barges for Offshore Service. Houston: ABS.
5. Hughes, O. F., & Paik, J. K. (2010). Ship Structural Analysis and Design. Alexandria, VA: Society of Naval Architects and Marine Engineers.
6. Mansour, A. E., & Liu, D. (2008). Strength of Ships and Ocean Structures. New York: SNAME.
7. Muckle, W. (2013). Strength of Ships’ Structures. London: Edward Arnold Publishers.
8. Taggart, R. (1980). Ship Design and Construction. New York: SNAME.
9. Det Norske Veritas (DNV). (2022). Rules for Classification of Ships – Part 3 Hull Chapter 1 General. Oslo: DNV.
10. Lloyd’s Register. (2021). Rules and Regulations for the Classification of Ships. London: Lloyd’s Register.

LAMPIRAN

Lampiran A: Notasi dan Simbol

Lampiran B: Formula Ringkasan

Still Water Bending Moment:

M_sw(sagging) = 0.065 × L² × B × (Cb + 0.7)
M_sw(hogging) = 0.0455 × L² × B × (Cb + 0.7)

Wave Induced Bending Moment:

M_w(sagging) = 11.0 × L² × B × Cb
M_w(hogging) = 7.7 × L² × B × Cb

Section Modulus:

Z_deck = 5.44 × L² × B × (Cb + 0.7)
Z_bottom = 3.81 × L² × B × (Cb + 0.7)

Stress:

σ = M / Z

Allowable Stress:

σ_allowable = 0.6 × σ_yield × η

Lampiran C: Material Properties

BKI Grade A Steel:

• Yield Strength: 235 N/mm²
• Tensile Strength: 400-520 N/mm²
• Elongation: min 22%
• Charpy V-notch: N/A (normal temperature)

BKI Grade AH32 Steel (Alternative):

• Yield Strength: 315 N/mm²
• Tensile Strength: 440-570 N/mm²
• Elongation: min 22%
• Charpy V-notch: 34J at 0°C

Artikel ini dibuat untuk keperluan akademis dan referensi engineering. Perhitungan detail harus disesuaikan dengan kondisi aktual kapal dan requirements dari classification society yang ditunjuk.

About Post Author

Alvin Burhani

Simple, relax, easy going, maybe patient, quiet, sympathetic, maybe kind, always keep emotion hidden, and does not get upset easily. Easy to get along with, I'm a good lister, compassionate and concern, peaceful and agreeable, and normally I avoid conflicts.

http://alvinburhani.net

Happy

0 0 %

Sad

0 0 %

Excited

4 100 %

Sleepy

0 0 %

Angry

0 0 %

Surprise

0 0 %