## Analisa Bending Stress Pada Submerged Floating Tunnel
Ahmad Syafiul M 1 dan Wibowo HN 1

## Abstrak
Perhitungan dengan pemodelan Submerged Floating Tunnel (SFT) dengan menggunakan perangkat lunak berbasis metode elemen hingga.  Analisa struktur terowongan apung menggunakan prinsip kerja dengan  mendiskripsikan  seluruh  beban  (force)  pada  SFT  berupa  beban  internal  dan  eksternal  yang bekerja  akan  diperoleh  momen  reaksi  yang  terjadi  sepanjang  badan  SFT,  dengan  mengetahui  luas penampang melintang SFT maka dapat diperoleh bending stress di seluruh badan SFT.

## Kata kunci : submerged floating tunnel (SFT), bending stress, analisa struktur

## Abstract
The  calculation  with  modeling  Submerged  Floating  Tunnel  (SFT)  using  a  software-based  finite element  method. Analysis using a  floating tunnel structure by describing the working principle of  the whole load (force) on the SFT in the form of internal and external loads that work will be obtained by moment  reactions  that  occur  throughout  the  body  SFT,  by  knowing  the  cross-sectional  area  can  be obtained from SFT then bending stress throughout the body SFT.
Keywords : submerged floating tunnel (SFT), bending stress, structural analysis

## PENDAHULUAN
SFT merupakan  salah  satu  dari  beberapa  konsep teknologi  transportasi  yang  menjadi solusi  untuk menghubungkan antar wilayah yang terpisah dengan perairan di Indonesia, yang di dalam konsep SFT ini terdapat  ilmu  hidrodinamika  dan  ilmu  struktur. Submerged  Floating  Tunnel (SFT)  merupakan terowongan  yang  melayang  dalam  air, dibangun  di bawah  permukaan  air  laut  dan  di  atas  dasar  laut. Untuk  tipe  SFT  ini,  memiliki buoyancy positif, dimana  struktur  SFT  lebih  ringan  dari  air,  maka digunakan  sistem  pengikatan  atau mooring  system dengan  menarik  ke  bawah  dan  di-mooring ke  dasar laut. SFT  bekerja  dengan  mengandalkan  selisih beban  (gaya)  antara  beban  tekan  ke  atas  (gaya apung)  dengan  beban  terowongan  (gaya  berat)  dan beban  tambahan  untuk  muatan. Selanjutnya  selisih beban  ini  akan  ditahan  dengan  kabel  baja  yang diikat  di  dasar  laut  untuk  mencapai  kestabilan  dan keamanan yang diinginkan. Beban yang terjadi pada SFT tidak hanya beban internal saja, namun terdapat beban lingkungan yang berupa gaya gelombang dan gaya  arus.  Dengan  perpaduan  antara  gaya  internal dan  eksternal  ini,  akan  terjadi  pembebanan  secara dinamis  yang  tentu  akan  menghasilkan  momen reaksi  pada  SFT.  Jika  momen  reaksi  yang  terjadi terlalu  besar  akan  berdampak  pada  kerusakan,  baik
pada SFT sendiri maupun pada mooring system.
Gbr. 1 Konsep awal pembangunan SFT
Gbr. 2 konsep mooring system SFT per-tiga bagian secara memanjang.
1 UPT – BPPH, BPPT, Surabaya
Gbr. 3 Konsep Mooring System SFT dilihat secara Melintang

## TINJAUAN TEORITIS
Referensi  beban  lingkungan  ini  diambil  dari GL2009  untuk Offshore  Structure,  dimana  untuk beban  arus  ini  jika  bekerja  sendiri  (tanpa gelombang), dapat dihitung sebagai nilai desain dari tekanan  arus  laut  pada  elemen  struktur  pada kedalaman  z  di bawah  permukan  air  tenang didefinisikan sebagai berikut :
Dimana: q d (z) = tekanan arus laut  [kPa]
u d (z)  =  kecepatan  desain  arus  laut  [m/s],  untuk
SFT ini diambil 1,2 m/det
ρ = massa jenis air laut = 1,025 [kNs 2 /m 4 ] z = koordinat ketinggian muka air laut [m]
Untuk  beban  gelombang  digunakan  persamaan morison  dimana  gaya  gelombang  dapat  dihitung sebagai  penjumlahan  dari  gaya drag dan inertia sebagai berikut :
Dimana:
F = vektor gaya hidrodinamis per satuan panjang yang bekerja dalam arah normal terhadap sumbu benda [kN/m] FD  =  vektor  gaya  hambat  (drag)  per  unit panjang  yang  bekerja  pada  bidang  benda  dan kecepatan U  [kN/m]. Benda  dalam hal ini  bisa diartikan struktur dari SFT FI  =  vektor  gaya  inersia  per  unit  panjang  yang bekerja  dalam  arah  normal  terhadap  sumbu  dari benda pada bidang sumbu dan δU/δt [kN/m] CD = koefisien hambatan dimana diambil senilai ~1,2 ρ = massa jenis air  [kNdet 2 /m 4 ] A  =  Luasan  proyeksi  normal  terhadap  sumbu axis SFT per satuan panjang [m]
V  =  Volume Displacement SFT  persatuan panjang  [m 2 ] D  =  diameter  efektif  dari  bentuk  member silinder, termasuk fouling [m] U  =  komponen  vektor  kecepatan  (dua  dari gelombang  dan / atau  arus)  dari  air  terhadap normal axis dari SFT [m/s] | U | = Nilai Absolut dari U [m/s] CM = koefisien inersia ~2 δ U/ δ t  =  komponen  vector  percepatan  lokal  dari air terhadap normal axis dari SFT [m/s 2 ]
Diasumsikan :
 Laut Dangkal (shallow water)
 Gelombang Sinusoidal
 Tinggi wave  significant Hs  di  kepulauan seribu  2,6  m,  λ  =  1,219  m  (laut  dengan nilai seastate = 2), gelombang panjang
Untuk  perairan  dangkal,  hubungan  penyebaran ditemukan  dengan  substitusi tanh  kh  =  kh dalam persamaan 5.42, maka:
(Perairan dangkal) (5.46)
Dan  hubungan  antara  T  dan λ pada  perairan dangkal menjadi:
(Perairan dangkal) (5.47)
Untuk perairan dangkal, kecepatan komponen air adalah:
(Perairan dangkal) (5.60)
Kecepatan  u  dan  w  diambil  maksimum  {abaikan fungsi cos(kx – ω t) & sin(kx- ω t)} Dimana: ζ a = tinggi gelombang, diasumsikan Hs ω = 2 π /T T = periode gelombang diasumsikan Tp
k = angka gelombang 2 π / λ z = kedalaman benda tercelup di air
h = kedalaman laut [m]
Persamaan di atas diaplikasikan ke dalam persamaan Morison diatas:
Sehingga U = u, sedangkan |U| = sqrt (u 2 + w 2 ) Untuk percepatan δ U/ δ t di ambil
Diambil  maksimum  percepatan  {abaikan  fungsi sin(kx- ωt)}

## PEMBAHASAN
Model  dibuat  melalui  perangkat  lunak  berbasis b-spline  curve sesuai  dengan  spesifikasi,  lalu dihitung  nilai full  displacement nya  dan  nilai  2/3 displacement.  Hal  ini  dilakukan  karena  diinginkan pada  saat  tidak di-mooring,  SFT  dapat  terapung  1/3 bagian  di  atas  permukaan  air  dan  2/3  bagian  di bawah permukaan air.
Gbr. 4  Pemodelan SFT menggunakan Perangkat Lunak berbasis b-spline curve
Kemudian  desain  dipindah  ke  software berbasis metode  elemen  hingga  (FEM) dan  dilakukan beberapa  pembenahan  desain  dan  penambahan parameter  untuk  desain  model  agar  nantinya  dapat dijalankan  (di-running)  dengan  baik  di software tersebut.
Gbr. 5 SFT setelah dipindah ke perangkat lunak

## Berbasis FEM
Setelah  parameter  awal  dari  desain  awal  telah selesai,  kemudian  SFT  dilakukan  konfigurasi mooring system, pengaturan meshing, dan pemberian  input  berupa  beban  beban  (gaya)  yang bekerja  meliputi  beban  internal  (dalam)  dan
eksternal (luar). a. Konfigurasi mooring system:
Mooring  line  dimodelkan  sebagai  pegas  dengan kekakuan  axial  (E.A/L),  dimana  E  adalah  modulus elastisitas,  A adalah  luas  penampang  dan  L  adalah panjang    tali  mooring. SFT  memiliki  22 mooring lines dengan  nilai longitudinal  stiffness sebesar 4773587,323 N/m dan longitudinal damping sebesar 47735873,23 N.s/m.

## b. Pengaturan meshing:
Dua buah metode digunakan dalam  me-meshing model SFT ini, metode pertama adalah refinement & menggunakan automatic  method dengan  pilihan quadrilateral dominant. Metode refinement digunakan  pada  sambungan  antara mooring dan daerah  tekukan  serta  daerah  kritis  lainnya,  untuk daerah  sisanya  digunakan  metode  automatis  dengan elemen quadrilateral.
Gbr. 6  SFT setelah di-Meshing di perangkat lunak berbasis FEM

## c. Gaya yang bekerja:
Gaya – gaya  yang  bekerja  pada  SFT  ini  terdiri dari  beban  struktur  dan ballast (LWT),  beban operasional  jalan  raya  atau  bebab  internal  terpusat, beban hidrostatik (kompresi), beban aspal dan jalan, gaya  apung  (buoyancy),  beban  arus  dan  beban gelombang. Dimana beban – beban ini diperlihatkan pada Tabel 1. dibawah ini:

## Tabel 1  Gaya yang bekerja pada SFT
Nama Gaya (beban) Nilai Satuan LWT -87186449,9 N Gaya internal terpusat -44000 N Pressure merata -8000 Pa Gaya internal aspal -1103248 N Gaya bouyancy 94483800 N Pressure beban arus 738 Pa Beban gelombang 6774989,367 N
Batasan  masalah  pendeskripsian  beban  lingkungan, bahwa beban lingkungan yang dihitung adalah beban arus  dan  beban  gelombang. Untuk  mengetahui
Nilai Momen SFT -12000000 -10000000 -8000000 -6000000 -4000000 -2000000 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 1 2 3 4 Titik Pengambilan Nilai Momen di SFT [m] M o m e n R e a k si [N .m ] Mx Mz Nilai Bending Stress SFT -15000000 -12500000 -10000000 -7500000 -5000000 -2500000 0 2500000 5000000 7500000 10000000 12500000 1 2 3 4 Titik Pengambilan Nilai Momen di SFT [m] B e n d in g Str e s s [Pa ] Bending Stress X Bending Stress Z
momen  reaksi  maksimum  yang  terjadi  pada  beban lingkungan,  maka  arah  direction  /  vektor  beban  ke dua  beban  tersebut  searah  (sumbu  X  positif) sehingga  akan  menghasilkan  superposisi  beban lingkungan.
Analisa  Momen  Reaksi  dan Bending  Stress dipilih pada 4 buah titik / daerah, yaitu pada daerah fore (1) dan after (4) pada SFT, serta daerah fore (2) dan after (3)  pada  sambungan  antara  SFT  dengan mooring lines

## Gbr. 7  Daerah / titik pada SFT yang dianalisa
Dari  perhitungan  numerik,  maka  diperoleh  nilai momen  reaksi  diperlihatkan  pada  Tabel  1.  Dimana momen  X  adalah  momen  terhadap  sumbu  X.  Dan momen Z adalah momen terhadap sumbu Z.

## Tabel 2  Momen Reaksi SFT dihitung dari Software
Titik Momen Reaksi Terhadap sb.X Terhadap sb.Z 1 189,47 -329,83 2 2,05E+06 -9,81E+06 3 -1,43E+06 8,31E+06 4 -262,26 529,92
Dengan  menghitung  luas  permukaan  potongan melintang  struktur  pada  SFT,  maka  diperoleh  nilai momen  inersia  horizontal  sebesar  1,0378  m 4 dan jarak  dari  nertal  aksis  sebesar  2  meter.  Diperoleh juga nilai momen inersia vertikal sebesar 3,0687 m 4 dan jarak dari netral aksis sebesar 4 meter. Sehingga diperoleh  nilai  dari  modulus  penampang  (W). Dengan persamaan:
σ = M/(I/r)
dimana: σ   = Bending Stress [N/m 2 ] M  = Momen Reaksi [N.m] I   = Momen Inersia [m 4 ] r   = Jarak dari netral aksis [m]
Sehingga diperoleh nilai bending stress pada struktur SFT  yang  diperlihatkan  pada  Tabel  2.  Stress  ini berupa  tegangan  bending  dari  beban  yang  bekerja searah gravitasi ( σ X) dan tegangan bending dari arus dan gelombang ( σ Z).

## Tabel 3  Nilai Bending Stress SFT
Titik Bending Stress ( σ ) σ X (MPa) σ Z (Mpa) 1 365,137791 -429,9279825 2 3957409,91 -12789259,3 3 -2752746,19 10828298,63 4 -505,415302 690,742008
maka  nilai  Momen  reaksi  pada  SFT  ditunjukkan pada grafik dibawah ini:
Grafik 1  Nilai Momen Reaksi pada 4 Titik di SFT
dan nilai bending stress pada SFT ditunjukkan pada grafik dibawah ini:
Grafik 2  Nilai Bending Stress pada 4 titik di SFT
1 4 2 3

## KESIMPULAN
Dari  studi  ini  diperoleh  beberapa  kesimpulan antara lain:
1. Tegangan yang dihasilkan oleh beban lingkungan jauh lebih besar dibandingkan beban muatan SFT 2. Untuk  beban  muatan bending  stress terbesar terjadi  pada  daerah  tekukan  yang  mungkin disebabkan  oleh  adanya  konsentrasi  tegangan  pada daerah tersebut.
3. Daerah    yang  sama  juga  terjadi  untuk  beban lingkungan.
Perhitungan  beban  lingkungan  pada  studi  ini merupakan pendekatan sehingga pengujian hidrodinamika  untuk  kondisi  lingkungan  yang sebenarnya sangat perlu untuk dipertimbangkan.
Dari  segi  desain  perlu  dihilangkan  daerah tekukan  tajam  untuk  menghindari  konsentrasi tegangan  yang  besar  dan  penambahan  beban hidrodinamis akibat faktor turbulensi aliran.

## DAFTAR PUSTAKA

## ANSYS user guide
Germanischer Rule (2009) for Offshore Structure & Submarine
Prasodjo,  B.S.,  Rumanto,  B  (2008).  “ Submerged Floating Tunnel (SFT) – State of the Art- “, jurnal wave  Vol.  2,  No.  1,  UPT.BPPH – BPPT, Surabaya
Reddy  D.V  and  Arockiasamy,  M,”  OFFSHORE STRUCTURE  Vol  I”,  Krieger  Publishing Company, Malabar, Florida, 1991
Syafi ’ul , A (2008). “ Analisa Distorsi dan Tegangan Sisa  Sambungan  Tumpul  pada  Pelat  akibat Quenching  dengan  Metode  Elemen  Hingga ”, jurnal  wave  Vol.  2,  No.  1,  UPT.BPPH – BPPT, Surabaya