## ANALISIS KEKUATAN STRUKTUR REPAIR SKIN DOUBLER PESAWAT B737-300
Djarot Wahju Santoso Prodi Teknik Penerbangan Jl. Janti Blok R. Lanud Adisutjipto dj arot_wahyu84@yahoo. com

## Abstract
Fuselage is a structure o f  airplane as  the location where  the passengers and goods as well as  to place  the  wing  and  other  structures.  Fuselage  gets  loading  when  the  aircraft  take  off,  flig h t maneuvers,  landing  and  when  at  the  ground.  One  is  the  pressure  loading  on  the fuselage  aircraft cabin.  In  continuous  operation  airplane  due  to  cabin pressure  damage  such  as  cracks  often  occur  in the fuselage.  The  use  o f  skin doubler to handle  cases mainly crack analysis  is needed to  see  the  effect doubler thickness and variations in fastener against the structure strength.
In  this  study  doubler  skin  structure  modeling  and  analysis  using  software  CATIA  V5R21. M odeling  structures  made  4  types  o f  structure  to  use  variations  o f  the  number  o f  fastener  and  three other structures  to  changes  in  the  thickness  o f  the  doubler.  The  whole  model is given  tensile  load and differential pressure.
Use  o f  doubler  thicker  in  the  repair  structure  will  lower  the  stress  that  occurs  at  the  doubler. The  more  number  o f  rows  o f  fastener  used will  decrease  the  stress  on  the fastener  this  happens  to tensile  load,  but not effective  enough fo r   the  load pressure  differential.  M odeling  the  structure  is  safe against tensile loading and internal pressure.
Keywords:  Strength o f  the structure,  Repair,  Skin doubler.

## Abstrak
Fuselage  merupakan  struktur pada pesawat  sebagai  ruang  tempat penumpang  dan  barang juga untuk meletakkan  sayap,  serta struktur yang lain.  Fuselage mengalami pembebanan pada saat pesawat take  off,  maneuver  terbang,  landing  dan  pada  saat  di  darat.  Salah  satu  pembebanan  pada fuselage adalah tekanan kabin.  Pada pengoperasian  pesawat yang terus menerus  akibat tekanan kabin,  damage berupa retak sering kali terjadi pada bagian fuselage.  Penggunaan skin doubler untuk menangani kasus retak perlu dilakukan analisis terutama untuk melihat pengaruh ketebalan  doubler dan variasi fastener terhadap kekuatan strukturnya.
Dalam  penelitian  ini  pemodelan  struktur  skin  doubler  dan  analisis  menggunakan  bantuan software  CATIA  V5R21.  Pemodelan  struktur  dibuat  4  jenis  yaitu  satu  struktur  untuk  penggunaan variasi  jumlah fastener  dan  3  struktur  lainnya  untuk  perubahan  ketebalan  doubler.  Seluruh  model tersebut diberikan beban tarik dan differential pressure.
Penggunan  doubler  yang  lebih  tebal  pada  struktur  repair  akan  menurunkan  tegangan  yang terjadi  pada  doubler.  Semakin  banyak  jumlah  row  fastener  yang  digunakan  akan  menurunkan tegangan  pada fastener  hal  ini  terjadi  pada  beban  tarik,  tetapi  belum  cukup  efektif  untuk  beban differential pressure.  Struktur pemodelan ini aman terhadap pembebanan tarik dan internal pressure.
Kata kunci:  Kekuatan struktur, Repair, Skin doubler.

## Djarot Wahju  Santoso

## 1. Pendahuluan
Fuselage merupakan bagian  dari  pesawat  selain  sebagai  tempat penumpang  dan barang juga  sebagai  bagian untuk menempatkan  sayap, vertical dan horizontal tail, dan powerplant. Beban pada rancangan fuselage dihasilkan  dari flight maneuver,  landing atau kondisi ground handling. Beban fuselage merupakan  masalah  utama  dalam  menentukan  pembagian  berat, beban  ekor  dan  beban nose  landing  gear. Pembagian  berat  penting  karena  sebagian  besar beban fuselage bersumber dari massa inersia yang ada ketika pesawat mengalami  percepatan, baik translasi  dan  rotasi.  Salah  satu  pembebanan  pada fuselage adalah  tekanan  kabin (cabin pressure ).
Ada tiga kondisi jenis beban tekanan kabin yaitu:
a. Hanya  berupa  tekanan,  di  mana  pesawat  dirancang  tanpa  beban  tambahan  saat  kondisi terbang ataupun beban landing.
b.  Kombinasi  beban  tekanan  dari  beban  terbang,  termasuk  kontribusi  tekanan  luar  dari kabin.
c. Kombinasi beban tekanan dengan beban landing.
Gaya yang bekerja pada  struktur dapat menyebabkan  terjadinya perubahan bentuk  atau kegagalan struktur.  Kegagalan  struktur merupakan suatu keadaan di  mana struktur tidak dapat digunakan  dalam  waktu  yang  sangat  lama.  Kegagalan  struktur  sebenarnya  masih  dapat diterima selama masih dalam batas pakai yang layak.  Melihat pentingnya fungsi fuselage bagi sebuah  pesawat,  maka  struktur fuselage harus  dirancang  dan  dirawat  untuk  memenuhi fungsinya dengan baik guna menjamin keselamatan dan keamanan pesawat itu sendiri.
Dalam  pengoperasian  pesawat  beberapa  kasus damage sering  terjadi  berupa  retak, korosi  yang  terjadi  pada  bagian fuselage, untuk  itu  perlu  dilakukan repair untuk  menjamin struktur tersebut  layak  digunakan.  Untuk  mengatasi  hal  tersebut repair dilaksanakan  dengan cara memasang doubler pada bagian yang retak untuk memperkuat struktur tersebut.  Petunjuk untuk  melaksanakan repair sudah  tercantum  dalam Structure  Repair Manual (SRM).  Untuk melihat  penerapan doubler pada  struktur fuselage yang  retak  perlu  dilakukan  analisis  untuk memastikan  struktur tersebut  aman  sekaligus  untuk  mengetahui  pengaruh  ketebalan doubler dan jumlah fastener terhadap kekuatan struktur repair tersebut.

## 2. K ajian Pustaka
Besarnya persentase beban (load transfer) yang diterima oleh rivet pada sambungan plat tergantung dari jumlah rivet yang digunakan serta bentuk susunan assembly/rivet joint (Iryani, 2009).  Pada penelitian ini  diperoleh hasil  semakin banyak rivet yang digunakan load transfer yang diterima setiap rivet semakin kecil.
Analisis  penggunaan  tipe rivet  lap  joint menunjukkan  bahwa  penggunaan  susunan zigzag riveting menghasilkan tegangan geser yang lebih rendah dibandingkan dengan susunan chain riveting (Suyogkumar, 2013). Pada penelitian ini pemodelan part menggunakan CATIA V5R20,  analisis rivet menggunakan software ANSYS.  Pada pemasangan  tipe chain riveting nilai tegangan geser dengan tegangan geser maksimumnya tidak jauh berbeda.
Pada kedua penelitian tersebut struktur pemodelan merupakan tipe  susunan pemasangan rivet yang  melibatkan  skin  dan rivet ,  sedangkan  pada  penelitian  ini  selain  kedua  struktur tersebut  ditambahkan  model  retak, filler yang  diperkuat doubler ,  serta  penggunaan  variasi ketebalan doubler.
Rivet joint atau fastener adalah  suatu  pin  yang  digunakan  untuk  menghubungkan  dua atau  lebih  dari sheet  metal , plate ataupun aircraft part.  Part pesawat di-assembly dengan menggunakan rivet di  mana  bentuk riveted joint pada  konstruksi  pesawat  umumnya  dibagi menjadi 2 kelompok,  yaitu:
A. Riveted lap loint
Part yang  di-assembly  diatur  sedemikian  rupa,  sehingga  posisi  satu part dengan part lainnya  saling  menutupi  sebagian  dari  permukaannya (overlapped).  Riveted lap joint dibagi menjadi 2 macam yaitu  :
1. Single riveted lap joint
2. Doable riveted lap joint
Gambar 1. Riveted lap joint

## B. Strap butt joint
Riveted joint ini  memerlukan  suatu part tersendiri (strap) untuk menggabungkan kedua ujung part yang terpisah.Pengaturan strap dalam riveted joint ini digolongkan seperti berikut:
1.  Single strap butt joint
2.  Doable strap butt joint

## Gambar 2. Strap butt joint
Salah  satu metode yang  digunakan untuk menentukan kekuatan  struktur dalam  pesawat adalah  menggunakan  perhitungan  batas  keamanan (margin  o f safety/MS).  M S merupakan ukuran  besarnya  kemampuan  atau  kapasitas  yang  masih  tersedia  dalam  suatu  struktur untuk menerima beban statik secara aman pada kondisi pembebanannya.

## Djarot Wahju  Santoso
Dalam bentuk tegangan persamaan M S adalah:
M argin O f S a f e t y  (MS) = ’ a l l
1  >   0

## 3. Metodologi Penelitian
Pada penelitian ini  struktur yang akan dimodelkan adalah struktur skin fuselage pesawat B737-300  yang  mengalami  retak.  Struktur tersebut  terletak  pada station 500A  sampai  500B pada  posisi stringer 17L  sampai  18L  (sebelah  kiri).  Adanya  retak  tersebut  perlu  dilakukan repair dengan  melakukan cut  out pada skin serta  menambah filler dan doubler yang dimensinya akan tergantung dari fastener yang digunakan.
Struktur  model  menggunakan  bentuk  seperempat  dari  struktur  aslinya  dengan  dimensi sebagai berikut :
Dimensi Skin: panjang  10 in, lebar 5,8 in, tebal  0,036 in. Fastener yang  digunakan:  BACR15BB6D  diameter  0,187  in,  BACR15BB6AD diameter  0,187 in.
Dimensi Doubler: panjang 4,914 in, lebar 4,582 in, tebal divariasikan. Dimensi  retak:  panjang  1,029 in, lebar  1,122 in dengan radius 0,5 in.
Material yang digunakan:
Aluminum 2024-T3:  skin dan doubler Aluminum 2017-T4: fastener BACR15BB6D Aluminum 2117-T4: fastener BACR15BB6AD
Gambar 3. Model doubler repair utuh dan seperempat
Pemodelan struktur terdiri 4 macam:
-  Model  1:  struktur skin doublerdengan jumlah fastener 3 row dan tebal doubler 0,05 in.
-  Model 2:  struktur skin  doubler dengan  jumlah fastener 4 row dan  tebal doubler 0,045  in.
- Model 3  :  struktur skin doubler dengan jumlah fastener 4 row dan tebal doubler 0,05 in.
-  Model 4 :  struktur skin  doubler dengan  jumlah fastener 4 row dan  tebal doubler 0,063  in.
Beban yang digunakan pada kasus ini ada 2 macam  :
-  Beban differential pressure 7,8 Psi  asumsi pesawat terbang pada ketinggian 37.000 ft (menggunakan diagram nomogram).
- Beban  tarik  yang  digunakan  berdasarkan  pendekatan,  diasumsikan  sama  dengan perbedaan tekanan kabin dikalikan luas model  sebesar 452,4 lbf.
Pemodelan  dan  analisis  struktur  menggunakan software CATIA  V5R21,  dari  hasil analisis  akan  ditentukan  respon  struktur  dalam  bentuk  tegangan  maksimum.  Langkah selanjutnya  menghitung margin  o f  safety  (MS) untuk  mengevaluasi  pengaruh  ketebalan doubler dan jumlah fastener yang digunakan terhadap kekuatan strukturnya.

## 4. Metodologi Penelitian

## 4.1 Kasus Beban T arik
Pada model  1,  beban tarik diterapkan pada bagian  sebelah kanan permukaan skin. Jenis restraint yang  digunakan  adalah user-defined  restraint pada  2  permukaan.  Nilai  tegangan maksimum von  mises adalah  4638,19  Psi,  terletak  pada fastener bagian  tepi doubler. Sedangkan nilai margin o f safety adalah 8,628  dari perhitungan berikut :
Pada model  2  tegangan  maksimumnya  sebesar 4056,28  Psi,  terletak pada skin bagian  dalam, besar nilai M S adalah  12,33.
Gambar 4. Nilai tegangan maksimum von mises model  1 dan 2
Pada  model  3  tegangan  maksimumnya  sebesar  4220,79  Psi,  terletak  pada skin bagian dalam fastener seperti  gambar 7,  dengan nilai M S adalah  11,85.  Model 4 tegangan maksimum 4259,39  Psi,  terletak  pada  bagian  yang  sama  dengan  model  3,  dengan  nilai M S 11,74. Besarnya nilai tegangan maksimum dan M S tercantum pada tabel  1.
Tabel  1. Data tegangan maksimum pada beban tarik
Sampel Part Tegangan Maksimum (Psi) Yield Strength (Psi) M argin  o f  Safety Skin 4081,84 50000 12.35 Model 1 Doubler 2321,12 50000 21.54 Fastener 4638,19 24000 5.17 Skin 4056,28 50000 12.33 Model l Doubler 1959,95 50000 25.51 Fastener 3602,7 24000 6.66 Skin 4110.79 50000 11.85 Model 3 Doubler 1846.98 50000 27.07 Fastener 3664.18 40000 10.92 Skin 4159.39 50000 11.74 Model 4 Doubler 1774.26 50000 28.18 Fastener 3181.28 24000 7.54
Gambar ó. Grafik ketebalan doubler terhadap tegangan maksimum doubler
Dari  hasil  analisis  tegangan,  terlihat  bahwa  semakin  tebal  dimensi doubler maka tegangan  yang  terjadi  pada doubler tersebut  akan  cenderung  turun  hal  ini  karena  semakin tebal doubler struktur  semakin  kaku  sehingga lebih  kuat untuk menahan beban tarik.  Namun pada  kondisi  yang  sama  tegangan  yang  terjadi  pada skin semakin  meningkat,  hal  ini  akibat kekakuan  yang  semakin  membaik  pada doubler menyebabkan  sebagian  gaya  ditransfer  ke bagian skin yang lebih tipis.
Pada model  1  bila dibandingkan dengan model 2,3,4 yang mempunyai jumlah fastener lebih  banyak,  memiliki  tegangan  yang  lebih  tinggi.  Hal  ini  karena fastener sebagai  pengikat skin dan doubler akan  mentransfer  beban  dari skin ke doubler. Jumlah fastener yang  lebih sedikit  pada  model  1  akan  menerima  beban  yang  lebih  besar  dibandingkan  dengan  ketiga model.
Dari  pemodelah  seluruh part nampak  bahwa  nilai margin  safety-nya lebih  besar  dari nol  sehingga struktur tersebut aman untuk digunakan.

## 4.2 Kasus Beban Differential Pressure
Pada  kasus  ini  beban differential pressure sebesar  7,8  Psi  diterapkan  pada  seluruh surface struktur.  Jenis restraint menggunakan clamp pada surface bagian  atas  dan  sisi  kanan skin. Pada model  1  nilai  tegangan maksimumnya  adalah  12264,3  Psi  terletak pada skin dekat clamp bagian atas,  sedangkan nilai M S adalah 4,4.  Hal  ini terjadi karena model di-clamp pada kedua  sisi skin, struktur tersebut mirip batang kantilever,  sehingga momen  maksimum  akibat beban pressure terjadi  di  daerah  dekat clamp yang  akan  menimbulkan  tegangan  yang  lebih besar.
Pada  model  2,  3  dan  4  kecenderungannya  juga  mengikuti  pola  yang  sama  dengan model  1.  Tegangan maksimumnya terletak pada fastener bagian pinggir doubler dekat dengan clamp.
Gambar 7.  Nilai tegangan  maksimum von mises model  1  dan 2
Gambar 8.  Nilai tegangan  maksimum von mises model 3  dan 4
Tabel 2. Data tegangan maksimum pada beban differential pressure
Sampel Part Tegangan Maksimum (Psi) Yield Strength (Psi) M argin  o f Safety Skin 1ll64.3 65000 4.08 Model 1 Doubler 2573.26 65000 19.43 Fastener 9638.94 24000 2.49 Skin 15596 50000 3.21 Model l Doubler 7562.61 50000 6.61 Fastener 27088.2 24000 0.89 Skin l9969 50000 1.67 Model 3 Doubler 5583.83 50000 8.95 Fastener 12922.5 24000 3.10 Skin 15611.9 50000 3.20 Model 4 Doubler 4208.62 50000 11.88 Fastener 11066.5 24000 2.17
Pada  model  2,3,4  dengan  tebal doubler yang  meningkat,  tegangan  yang  terjadi  pada doubler juga  cenderung  turun  seperti  kasus  beban  tarik,  hal  ini  menunjukkan  struktur  yang lebih tebal akan semakin kaku sehingga lebih baik dalam menahan beban.
ä 8000 ^   6000 E £   4000 E c   2000 re GD re n tap 0
•“ 0 0,02 0,04 0,06 0,08
Ketebalan doubler(in)
Gambar 9.  Grafik ketebalan doubler terhadap tegangan maksimum doubler
Penggunaan jumlah fastener yang  lebih  banyak  pada  model  2,3,4  tidak  menunjukkan turunnya  tegangan  akibat  beban differential  pressure. Hal  ini  kemungkinan  pemodelan seperempat  yang di-clamp pada  kedua surface, ada  bagian  struktur  yang  bebas  (kantilever) pada saat dibebani fastener belum cukup efektif mentransfer beban ke fastener yang lain. Secara  keseluruhan  struktur  keempat  model  aman  terhadap  beban differential pressure yang ditunjukkan nilai M S positif.

## 5. Kesimpulan
Dari  hasil  analisis  yang  dilakukan  pada  penelitian  ini,  diperoleh  kesimpulan  sebagai berikut:
1.  Penggunan doubler yang  lebih  tebal  pada  struktur repair akan  menurunkan  tegangan yang terjadi  pada doubler, sehingga kekuatan strukturnya menjadi lebih baik.
2. Semakin  banyak jumlah row fastener yang  digunakan  akan  menurunkan  tegangan  pada fastener hal  ini  terjadi  pada  beban  tarik,  tetapi  belum  cukup  efektif  untuk  beban differential pressure.
3. Struktur  pemodelan skin  doubler aman  terhadap  pembebanan  tarik  dan differential pressure berdasarkan nilai margin safety.

## D aftar Pustaka
Arumulla,  Suresh  &  Tippa  Bhimasankara,  2013,  “ Analysis  o f Rivet  Using  Finite  Element Analysis”, International  Journal  of Computational Engineering Research,Vol.  2,  Issue 4, 2013.
Boeing  737-300, “Structure Repair M anual”,  Chapter 51-00-00,  51-20-01,  51-20-06,  51-30­ 01,53-60-5.
D.  Cook,  Robert,  1981, “Concept and Applications  o f Finite Element Analysis’ ”,  John Wiley &  Sons.
Iryani,  Leni,  2009, “Analysis  O f Riveted Joint  Using  Vlieger/Broek Equation”, Jurnal  Tekno Insentif 09, Volume 3 Nomor  1, Juli 2009.
Karthik  N&Anil  Kumar,  2013, Analysis  o f  the  Fuselage  Structure  fo r  Multi  Site Damage, International  Journal  of  Innovative  Research  in  Science,  Engineering  and Technology,Vol.  2,  Issue 7, July 2013.
M.  Santosh  Kumar1,  2015, “Analysis  o f Double Riveted Single Lap Joint in Laminated FRP Composites  Subjected  to  Transverse  Loading”, Journal  of  Material  Science  and Mechanical Engineering (JMSME), Volume 2, Number 3;  April-June, 2015.
Niu CY, Michael,  1988, “Airframe Structural Design ”, Hong Kong Conmilit Press Limited.
Niu  CY,  Michael,  1997, “Airframe  Stress Analysis  and Sizing ”,  Hong  Kong  Conmilit  Press Limited.
Suyogkumar W.  Balbudhe dkk,  2013, Stress Analysis O f Various  Tipes O f Riveted Lap Joint, International Journal  of Mechanical  and Robotic Research (IJMERR), Volume 2 No 4, October 2013.