Analisa Tegangan Skirt Pile pada Kondisi Beban Operasional dan Ekstrem

Analisa Tegangan Skirt Pile pada Kondisi Beban Operasional dan Ekstrem Anggoronadhi D.1, Dr. Eng. Rudi W. Prastianto, ST., MT.2 & Ir. Handayanu, M.Sc, Ph.D 2 1 2,3

Mahasiswa Teknik Kelautan Staf Pengajar Teknik Kelautan

ABSTRAK Banyak persyaratan dan kriteria yang harus dipertimbangkan dalam sebuah instalasi struktur lepas pantai terpancang. Selain kemampuan struktur lepas pantai dalam menerima beban sendiri maupun beban lingkungan, daya dukung tanah juga merupakan salah satu faktor terpenting. Untuk meningkatkan daya dukung tanah diperlukan penetrasi yang dalam dan lebih banyak pile. Penetrasi yang dalam dan banyak optimal dilakukan jika pile bermediakan skirt pile. Skirt pile adalah struktur tambahan berbentuk tubular, meletak di dasar laut, menyatu dengan kaki jacket. Pada umumnya dihubungkan ke kaki jacket dengan yoke plate, main shear plate, dan external shear plate. Skirt pile berfungsi sebagai media untuk menggabungkan beberapa pile sebagai pondasi satu kaki jacket. Analisa yang dilakukan adalah analisa statis, untuk kondisi beban operasional dan ekstrem. Untuk analisa global digunakan software MicroSAS II sehingga didapatkan nilai reaksi pada pile head joint. Nilai reaksi terbesar digunakan sebagai acuan dalam pemilihan skirt pile yang akan dianalisa. Dipilih empat load case untuk nilai reaksi terbesar, yaitu dua untuk kondisi beban operasional dan dua untuk kondisi beban ekstrem. Dari empat load case tersebut, didapatkan displacement brace joint terdekat dengan skirt pile dari analisa global. Selanjutnya nilai displacement tersebut digunakan sebagai input dalam pemodelan lokal pada software ANSYS Multiphysics. Dari hasil analisa lokal tersebut didapatkan nilai tegangan kritis pada external shear plate dengan nilai tegangan 310 MPa, dimana tegangan ijinya sebesar 310.5 MPa. Sedangkan resultan displacement maksimum sebesar 0.023 meter terletak pada bottom yoke plate. Keduanya diakibatkan oleh kondisi beban ekstrem. Kata kunci: Skirt pile; yoke plate; main shear plate; external shear plate.

1. PENDAHULUAN Struktur lepas pantai bisa saja terpancang ataupun terapung (Chakrabarti, 2005). Keduanya sama-sama bisa dipergunakan sebagai tempat penyimpanan, produksi, maupun pemindahan muatan minyak dan gas. Hal itu dilakukan untuk mendukung suatu proses eksplorasi. Salah satu contoh struktur lepas pantai terpancang adalah jacket platform. Banyak persyaratan dan kriteria yang harus dipertimbangkan dalam sebuah instalasi struktur lepas pantai terpancang. Selain kemampuan struktur lepas pantai dalam menerima beban sendiri maupun beban lingkungan, daya dukung tanah juga merupakan salah satu faktor terpenting. Kecelakaan pada saat operasi juga sangat menentukan umur struktur lepas pantai.

meletak pada dasar laut. Karena posisinya yang melekat pada kaki jacket bagian bawah itu, proses instalasi pile pada skirt pile harus dibantu dengan underwater hammer. Hanya bisa terpasang pada batter dengan nilai antara satu sampai enam (Gerwick Jr, 2000). Yoke plates, main shear plates, dan external shear plates adalah beberapa bagian yang memperkuat kemampuan skirt pile pada kaki jacket dalam menerima beban. Dalam hal ini, ketiga bagian tersebut adalah bagian terpenting. Skirt pile mendapat distribusi gaya dari jacket, melalui yoke plates, main shear plates, dan external shear plates. Stress yang cukup besar pada bagian-bagian tersebut, akibat distribusi gaya tadi, akan terjadi jika beban yang diterima juga cukup besar.

Banyak persyaratan dan kriteria yang harus dipenuhi untuk sebuah instalasi struktur lepas pantai terpancang. Selain kemampuan struktur lepas pantai dalam menerima beban sendiri maupun beban lingkungan, daya dukung tanah juga merupakan salah satu faktor terpenting. Kecelakaan pada saat operasi juga sangat menentukan umur struktur lepas pantai. Untuk meningkatkan daya dukung tanah diperlukan penetrasi yang dalam dan lebih banyak pile yang dipancangkan. Penetrasi yang dalam optimal dilakukan jika pile bermediakan skirt pile. Skirt pile berfungsi sebagai media untuk menggabungkan beberapa pile sebagai pondasi satu kaki jacket. Sehingga struktur lepas pantai tersebut berada pada kondisi yang aman. Namun tidak semua struktur lepas pantai menggunakan skirt pile. Pada umumnya letak skirt pile berada pada kaki jacket bagian bawah,

Gambar 1 Detail skirt pile

Analisa finite element merupakan salah satu cara optimal dalam mengidentifikasi kemampuan struktur lepas pantai dalam menerima beban (Barltrop, 1998). Metode ini berdasar pada sifat-sifat matriks yang akurat. Sehingga pola distribusi tegangan yang terjadi

1

dan perilaku material yang terkena gaya dapat digambarkan dengan baik.

• •

Beban platform di udara Beban perlengkapan yang permanen

Top yoke plate Guide plate Main Shear plate Skirt Sleeve External Shear plate

Jacket leg Bottom yoke plate

Gambar 2 Pemodelan skirt pile dengan metode finite elemen Berdasarkan latar belakang di atas, maka pada tugas akhir ini akan dilakukan analisa tegangan dan displacement pada skirt pile akibat beban operasional dan ekstrem. 2. DASAR TEORI Dari penelitian sebelumnya, didapatkan beberapa teori yang akan menjadi dasar penulis dalam melakukan analisa. Rangkaian sambungan plate mentransferkan gaya-gaya struktur platform dari jacket ke skirt pile pada sambungan antara jacket dengan skirt pile (Will, 1987). Beban ekstrem lateral ditransferkan kepada lapisan pondasi kemudian ditahan hanya dengan beban aksial pile (pogonowski, 1972). Kondisi ekstrem menyebabkan tegangan yang besar pada yoke plate, external shear plate, dan stiffener plate (Nor, 1996).

2.2.2 Beban Hidup Beban hidup adalah beban yang mengenai struktur dan berubah selama operasi platform berlangsung. Beban hidup terdiri dari: • Beban perlengkapan pengeboran dan perlengkapan produksi yang bisa dipasang dan dipindahkan dari platform. • Berat dari tempat tinggal (living quarter), heliport, dan perlengkapan penunjang lainnya yang bisa dipasang dan dipindahkan dari platform. • Berat dari suplai kebutuhan dan benda cair lainnya yang mengisi tangki penyimpanan. • Gaya yang mengenai struktur selama operasi seperti pengeboran, penambatan kapal, dan beban helikopter. 2.2.3 Beban Lingkungan Beban lingkungan yang mengenai struktur dikarenakan fenomena alam seperti angin, arus, gelombang, gempa bumi, salju, es, dan pergerakan kerak bumi. Variasi tekanan hidrostatik dan gaya angkat pada setiap elemen karena perubahan tinggi air yang disebabkan oleh perubahan gelombang dan pasang surut juga merupakan bagian dari beban lingkungan.

2.1 Komponen Utama Struktur Jacket Struktur jacket dibedakan menjadi 3 (tiga) komponen utama, dimana masing-masing komponen mempunyai fungsi yang berbeda-beda. Tiga komponen utama tersebut adalah deck, jacket, dan pondasi. 2.2 Perencanaan Beban pada Struktur Platform atau anjungan adalah struktur yang khusus dirancang untuk kegiatan eksplorasi dan eksploitasi minyak dan gas bumi di lepas pantai. Struktur ini menjadi subjek terhadap berbagai macam pembebanan, dimana menurut API RP 2A WSD beban yang dapat diterima oleh struktur anjungan lepas pantai adalah sebagai berikut: 2.2.1 Beban Mati Beban mati struktur adalah berat struktur itu sendiri, semua perlengkapan yang permanen dan perlengkapan struktur yang tidak berubah selama beroperasinya struktur. Beban mati terdiri dari:

Gambar 3 Beban–beban yang bekerja pada struktur anjungan lepas pantai (McClelland, 1986).

2.2.4 Penentuan Teori Gelombang Chakrabarti (1987) menyatakan bahwa teori gelombang yang akan digunakan dalam perancangan dapat ditentukan dengan menggunakan formulasi matematika dari teori gelombang linier sebagai berikut: dan H g

(1)

= tinggi gelombang dari lembah ke puncak = percepatan gravitasi 2

T

= periode gelombang

Hasil dari formulasi matematika tersebut kemudian disesuaikan dengan grafik Daerah Aplikasi Teori Gelombang “Regions of Applicability of Stream Function, Stokes V and Linear Wave Theory” pada API RP 2A WSD, sehingga dapat diketahui teori gelombang yang akan digunakan.

Persamaan Morison (O’Brien and Morison, 1952) menyatakan bahwa gaya gelombang dapat diekspresikan sebagai penjumlahan dari gaya seret (drag force, FD), yang muncul akibat kecepatan partikel air saat melewati struktur, dan gaya inersia (inertia force, FI) akibat percepatan partikel air. (3) (4) F FD FI w g A V D U

Grafik 1 Grafik regions of applicability of stream function, stokes v, and linear wave theory (api rp-2a wsd, 2000).

2.2.5 Teori Gelombang Stream Function Teori gelombang stream function adalah teori gelombang non-linear yang dikembangkan oleh Dean (1965). Bentuk linier dari stream function untuk gelombang sampai orde ke-N dapat ditulis sebagai berikut: N

ψ ( x, z ) = Cz + ∑ X (n) sinh{nk (h + z )}cos nkx (2) n =1

C h k x z

= Kecepatan gelombang = profil permukaan gelombang = bilangan gelombang = perpindahan arah horizontal = perpindahan arah vertical

2.2.6 Gaya Gelombang Gaya hidrodinamika akibat gelombang pada tiang silinder bergantung pada pola aliran di sekitar tiang yang dipengaruhi oleh derajat kebergantungan aliran oleh adanya tiang. Derajat kebergantungan aliran ditentukan oleh perbandingan diameter tiang silinder terhadapa panjang gelombang (D/L). Apabila D/L ≤ 0.2, maka pola aliran fluida tidak akan terganggu dan gaya gelombang dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Morison. Sebaliknya, bila D/L > 0.2, maka pola aliran akan mengalami difraksi dan gaya gelombang dihitung dengan menggunakan teori difraksi.

|U| Cd Cm

= gaya hidrodinamika per satuan panjang, lb/ft (N/m) = gaya drag per satuan panjang, lb/ft (N/m) = gaya inertia per satuan panjang, lb/ft (N/m) = berat jenis air lb/ft3 (N/m3) = percepatan gravitasi, ft/sec2 (m/sec2) = Area proyeksi yang menghadap arah gelombang per satuan panjang, ft, (m) = Volume per satuan panjang ft2 (m2) = Diameter, termasuk marine growth, ft (m) = kecepatan (karena gelombang dan atau arus), ft/sec (m/sec) = nilai absolut dari U, ft/sec (m/sec) = koefisien drag = koefisien inersia = percepatan local, ft/sec2 (m/sec2)

Tabel 1 Koefisien drag dan inersia

Smooth Rough

Cd 0.65 1.05

Cm 1.6 1.2

2.2.7 Beban arus Arus di laut biasanya terjadi akibat adanya pasang surut dan gesekan angin pada permukaan air (winddrift current). Kecepatan arus dianggap pada arah horizontal dan bervariasi menurut kedalaman. Besar dan arah arus pasang surut di permukaan biasanya ditentukan berdasarkan pengukuran di lokasi. 2.2.8 Beban Angin Gaya angin yang mengenai struktur adalah fungsi dari kecepatan angin, orientasi struktur, dan karakteristik aerodinamik dari struktur dan setiap elemennya adalah sebagai berikut: 1 (5) F = ρ vw 2Cs A 2 F ρ Cs vw A

= Gaya angin = massa jenis udara 1.226 kg/m3 = koefisien bentuk. = kecepatan angin pada ketinggian 33 ft di atas permukaan air. = luas tegak lurus arah angin.

Koreksi kecepatan angin apabila tidak sama dengan ketinggian referensi adalah sebagai berikut: 3

 z vwZ = vwZ R    zR 

m

(6)

Vz R

= kecepatan angin pada ketinggian referensi.

z zR m

= ketinggian yang diinginkan. = ketinggian referensi (33 ft). = 1/8 Tabel 2 Koefisien bentuk

Bentuk Beams Sides of building Cylindrical Overall platform projected area

Cs 1.5 1.5 0.5 1

2.2.9 Marine Growth Struktur yang terbenam di dalam air akan mengalami peningkatan luas area melintang akibat adanya marine growth. Marine growth ditimbulkan oleh organisme laut yang menempel pada struktur. Peningkatan luas melintang ini mengakibatkan gaya gelombang yang diterima oleh struktur menjadi lebih besar.

Gambar 4 Marine growth

2.2.10 Gaya Apung Tekanan air pada struktur yang terendam terjadi akibat berat air di atas struktur tersebut, dan akibat gerakan air karena gelombang di sekitar struktur. Tekanan air pada bagian struktur yang terendam dapat menimbulkan tambahan tegangan pada bagian tersebut. Gaya yang timbul akibat gerakan air karena gelombang sudah diperhitungkan dalam persamaan Morison. Fh = γ f V (7)

γf

= berat jenis air.

V

= volume struktur yang terendam.

sepanjang sisi luar dari pile dan tahanan dari end bearing pada ujung pile. Hubungan antara transfer soil-pile shear dan defleksi lokal pile di setiap kedalaman digambarkan pada kurva t-z. Bermacam-macam teori dan metode untuk mengembangkan kurva untuk transfer beban axial dan pile displacement, kurva (t-z). Teori kurva digagas oleh Kraft, et al. (1981). Empiris kurva t-z berdasarkan hasil dari model dan tes beban pada pile dengan skala penuh mengacu pada prosedur untuk tanah clay yang digambarkan oleh Cole dan Reese (1966) atau tanah granular oleh Coyle, H.M. dan Suliaman, I.H. Kurva tambahan untuk tanah clay dan pasir dijelaskan oleh Vijayvergia, V.N. Pada umumnya, kurva t-z berikut direkomendasikan untuk tanah non-carbonate. Tabel 3 Kurva t-z untuk tanah non-carbonate

Clay

Pasir

Z/D

t/tmax

Z(in)

t/tmax

0.0016

0.3

0

0

0.0031

0.5

0.1

1

0.0057

0.75

∞

1

0.008

0.9

0.01

1

0.02

0.70 - 0.90

∞

0.70 - 0.91

Bentuk dari kurva t-z pada saat displacement lebih besar daripada zmax (gambar 2.10), harus dipertimbangkan. Nilai dari perbandingan tres/tmax pada axial displacement pada pile adalah fungsi dari perilaku stress-strain tanah, stress yang terjadi sebelumnya, metode instalasi pipa, rangkaian beban pile, dan faktor-faktor lain. Nilai dari tres/tmax berkisar antara 0.70 sampai 0.90.

2.2.11 Desain Pondasi Pile dan Kapasitas Dukung Ultimate Tanah Untuk menahan pembebanan dari struktur jacket diperlukan pondasi dengan memperhitungkan daya dukung tanah untuk melihat kemampuan tanah saat dilakukan pemancangan tiang pancang (pile). 2.2.11.1 Reaksi Tanah Akibat Beban Aksial pada Pile Pondasi-pile harus dirancang utnuk menahan beban axial statis dan siklis. Tahanan tanah ditimbulkan oleh kelekatan dari tanah dan pile atau transfer beban

Grafik 2 Grafik (t-z) untuk transfer beban axial pada piledisplacement (API RP-2A WSD,2000)

4

2.2.11.2 Reaksi Tanah untuk Beban Lateral pada Pile Pondasi pile perlu dirancang untuk menopang bebanbeban lateral, baik statis maupun siklis. Perancang harus memperhatikan kasus beban berlebih dimana beban lateral yang diprediksikan pada pondasi platform meningkat menurut safety factor. Perancang perlu memastikan bahwa keseluruhan sistem pondasi struktur tidak akan gagal akibat beban berlebih. Daya tahan lateral dari tanah yang berdekatan dengan permukaan sangat signifikan terhadap rancangan pile, dan akibatnya adalah scour dan struktur tanah yang tidak baik selama instalasi pile. Pada umumnya, karena pengaruh beban lateral, tanah clay berperilaku seperti material plastik yang mana membuat fenomena ini sangat perlu untuk dihubungkan antara deformasi pile-tanah dengan tahanan oleh tanah. Untuk memfasilitasi prosedur ini, defleksi tahanan lateral tanah, kurva p-y, harus dikonsep menggunakan data stress-strain dari laboratorium tanah. Tahanan tanah, p, sebagai sumbu x dan sumbu y adalah defleksi tanah. Hubungan tahanan lateral tanah dengan defleksi untuk pile pada tanah clay umumnya adalah nonlinear. Kurva p-y untuk rentang waktu pendek pada kasus beban statis didapatkan dari tabel berikut. Tabel 4 Kurva p-y untuk rentang waktu pendek

p/pu

y/yc

0

0

0.5

1

0.72

3

1

8

1

∞

Selanjutnya dilakukan pemodelan global pada MicroSAS II. Ada beberapa tahap dalam pemodelan, yaitu pemodelan geometri dan pemodelan beban. 3.1 Pemodelan Struktur Global Pemodelan struktur menggunakan software MicroSAS II vers 1.1.1. Data gambar struktur yang digunakan untuk pemodelan adalah data gambar dari technical drawing Marlin B platform. Dimana data tersebut meliputi dimensi jacket dan top side serta jenis material yang digunakan. Setelah properties didefinisikan dari tiap-tiap member, akan diketahui berat struktur (self weight). 3.2 Pemodelan Beban Beban mati struktur meliputi berat seluruh kaki jacket, jacket bracing, piles, joint cans, jacket appurtenances, deck plate, grating, deck beams, girders, dan trusses. Faktor contingency dimungkinkan untuk mewakili berat stiffeners, padeyes, equipment support dan las. Beban Equipment dan muatan juga merupakan beban untuk piping, electrical, instrumentation dan alat keselamatan. Pada dasarnya yang perlu diperhatiakan adalah pada saat perancangan keseluruhan, dimana dimungkinkan kondisi disaat: • Beban equipment dan muatan dalam kondisi kosong. •

Beban equipment dan muatan penuh atau dalam kondisi operasi

Beban keseluruhan architectural, yaitu termasuk dinding, pintu, jendela, furniture, lantai, dan juga perangkat di ruangan kontrol.

2.2.12 Tegangan Von Mises Teori tegangan Von Mises yang akan dibandingkan dengan tegangan ijin maksimum dari yield strength suatu material:

Beban crane pada platform dan moment diberikan pada bagian paling atas crane pedestal. Tabel 5 Beban crane Crane Design Load

(2.13) Dengan: = ΣHVM σX = σY = τXY =

tegangan von mises, Pa Tegangan normal sumbu-x , Pa Tegangan normal sumbu-y, Pa Tegangan geser, Pa

Jika menggunakan Tegangan utama, σ1 dan σ2: (2.14) 3. METODOLOGI Dilakukan studi literatur dan pengumpulan data yang meliputi mempelajari buku, diktat, jurnal, dan laporan tugas akhir yang membahas pokok permasalahan yang sama dnegan penelitian ini.

Platform Crane Crane Dead Load Crane pedestal weight Maximum Crane Live Load Case 1: with Maximum Dynamic Moment Case 2: with Maximum Dynamic Axial Load

Crane Loads Axial Load OTM kN kNm 1370 334 1769 1985

35600 23004

Beban hidup diberikan pada daerah dengan deck terbuka atau deck yang tak terdapat sesuatu di atasnya, dimana dimungkinkan adanya beban yang akan diterima. Beban yang terjadi bervariasi, bergantung pada penggunaan area tersebut. Beban Marlin B Platform dirancang untuk menopang beban drilling rig, yang diberikan pada skid beam di main deck.

5

Tabel 6 Beban rig

Inplace Analysis Rig Self weight, 937 kips 425 MT Total substructure weight, 1016 kips 461 MT Mud Tank, 510 kips 231 MT Hook Pull, 750 kips 341 MT Set Back, 600 kips 272 MT Upper skidding package LL, 50 kips 23 MT TOTAL 1752 MT Rig - 175 Drill Module (DM) loads

Langkah awal dalam melakukan pemodelan beban gelombang adalah dengan menentukan teori gelombang yang akan digunakan dalam pemodelan. Teori gelombang yang akan dipakai dapat ditentukan dengan menggunakan grafik Regions of Applicability of Stream Function, Stokes V and Linear Wave Theory API RP 2A WSD. Berdasarkan data yang ada, yaitu kedalaman perairan dan data gelombang, maka teori yang digunakan adalah teori gelombang Stream Function. Sedangkan untuk arah pembebanan menggunakan sepuluh arah, dimana dua arah (1130 dan 3380) merupakan arah dimana dimungkinkan terjadiya nilai kritis karena parameter gelombang dan arus yang besar. Pada umumnya, arah pembebanan dilakukan berdasarkan delapan arah pembebanan. Namun tidak menutup kemungkinan untuk ditambahkan menjadi lebih dari delapan arah pembebanan. Orientasi arah pembebanan dapat dilihat pada gambar di bawah. Beban arus dan beban angin disesuaikan dengan data yang ada. Untuk beban angin, diasumsikan searah (concurrently) dengan beban gelombang. 3.3 Beban Kombinasi a. Kondisi operasi: • Beban mati dan hidup (kecuali untuk pengeboran dan beban crane). • Beban pengeboran dengan beberapa variasi posisi. • Beban crane dengan beban hidup. b. Kondisi ekstrem dengan pengeboran: • Beban mati dan hidup (kecuali untuk pengeboran dan beban crane) • Beban rig dengan beberapa variasi posisi. c. Kondisi ekstrem tanpa pengeboran: • Beban mati dan hidup (kecuali beban crane). • Tidak ada beban rig.

Gambar 5 Pemodelan struktur global

3.4 Pemodelan Struktur Lokal Pemodelan ini berdasarkan nilai reaksi pile head terbesar yang didapatkan dari analisa global. Nilai reaksi terbesar digunakan sebagai acuan dalam pemilihan skirt pile yang akan dianalisa. Dipilih empat load case untuk nilai reaksi terbesar, yaitu dua untuk kondisi beban operasional dan dua untuk kondisi beban ekstrem. Dari empat load case tersebut, didapatkan nilai displacement brace joint terdekat dengan skirt pile dari analisa global. Selanjutnya nilai displacement tersebut digunakan sebagai input dalam pemodelan lokal pada software ANSYS Multiphysics. Pada pemodelan Finite Element dengan software ANSYS Multiphysics, dipilih elemen SHELL 93 dengan delapan simpul untuk pemodelan skirt sleeve, top yoke plate, bottom yoke plate, main shear plates, dan external shear plates. Sedangkan brace yang terhubung dengan jacket leg dimodelkan dengan elemen PIPE16. Namun tidak seluruh bagian brace dimodelkan dengan PIPE16, brace yang melekat pada jacket leg dimodelkan dengan elemen SHELL93 sampai dengan kira-kira tiga kali diameter, dimana dimungkinkan pengaruh konsentrasi tegangan tidak begitu besar atau minimum dari pertemuan antara jacket leg dengan brace. Pemodelan perilaku skirt pile dalakukan dengan bantuan software ANSYS Multiphysics 12 dengan material properties sebagai berikut: • Young’s modulus, E • Shear modulus, G • Poisson’s ratio, µ

= 2.0 x 105 N/mm2 = 8.0 x 104 N/mm2 = 0.30 6

• Density of steel • Yield strength, Fy (t<65mm) • Yield strength, Fy (t≥65mm)

= 7.850 kg/mm3 = 345 N/mm2 = 324 N/mm2

Syarat batas untuk pemodelan Finite Element berada pada pile head seperti yang dilakukan pada analisa global, dimana seluruh gerakan translasi maupun rotasi pada daerah ini tidak akan terjadi (fix). Pile yang berada di dalam skirt sleeve dimodelkan dengan PIPE16. Diameter luar sebesar 2650mm dan ketebalan 91,02mm.

3.6 Mesh Sensitivity Analysis Meshing pada elemen dilakukan setelah hasil dari mesh sensitivity analysis didapatkan. Analisa ini memberikan nilai yang dibutuhkan untuk melakukan mesh pada suatu elemen. Digambarkan pada suatu grafik, dimana sumbu x terdefinisi sebagai banyaknya elemen mesh dan sumbu y adalah output tegangan pada titik tertentu. Beban yang diberikan terhadap titik tersebut adalah tetap. Luasan mesh didapatkan ketika angka tegangan sudah menunjukkan nilai yang mulai konstan.

Grafik 3 Grafik perbandingan nilai displacement dengan jumlah elemen

Mesh Sensitivity Analysis 0.025 1604

0.02 t n e 0.015 m ce al sp i 0.01 D

2567

0.005 6230

13644 51148

0 0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

Jumlah Elemen

Gambar 6 Pemodelan struktur lokal

Skirt Pile pada Platform Marlin B menggunakan grouting untuk memberikan kekauan pada bagian skirt pile. Grout pada bagian antara pile dan skirt sleeve diasumsikan sebagai rigid region.

Grafik 4 Grafik perbandingan nilai stress dengan jumlah elemen

Mesh Sensitivity Analysis 350 1604 300 250

Rigid Region

ss 200 e trS 150

2567

100 50

Pile node

6230

13644 51148

0 0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

Jumlah Elemen

Shell Sleeve Gambar 7 Rigid region

3.5 Pembebanan Pembebanan pada pemodelan lokal didapatkan dari reaksi analisa global. Dimana terletak pada pile head, yaitu ujung atas dari pile di bawah mudline. Berdasarkan analisa global, dipilih kondisi yang paling kritis saat kondisi operasi maupun kondisi ekstrem. a. b. c. d.

Load Case JR18O-270MX (operasional) Load Case JR18O-315MX (operasional) Load Case JR03E-045MN (ekstrem) Load Case JR18E-315MN (ekstrem)

4. ANALISA DAN PEMBAHASAN Dari empat load case paling kritis yang telah didapatkan pada analisa global menggunakan software MicroSAS II, yang selanjutnya diteruskan dengan analisa lokal yang menggunakan software ANSYS Multiphysics 12, telah didapatkan hasil yang akan ditampilkan berupa tegangan von mises dan displacement. Sehingga tujuan kajian sudah tercapai. Digunakan dua standarisasi atau code untuk menilai kemampuan struktur dalam menerima beban, yaitu: 1.

ASME B31.4-2006, Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and other Liquids. Max. Allowable Von Mises Stress ≤ 0.9 Specified Minimum Yield Stregth

7

2.

ABS Safehull-Dynamic Loading Approach’ for Floating Production, Storage and Offloading (Fpso) Systems 2001, for the ‘SH-DLA’ Classification Notation. Max. Allowable Von Mises Stress ≤ 0.9 Specified Minimum Yield Stregth

3.

ABS Mobile Offshore Drilling Units 2001, Part 3: Hull Construction and Equipment. Von Mises Stress = Yield Stregth / Factor Safety

Tabel 9 Tegangan Von Mises akibat load case JR03E045MN Component Jacket Leg Top Yoke Plate Flange Plate Bottom Yoke Plate Main Shear Plate External Shear Plate Skirt Sleeve

Stress (Mpa) Von Mises Yield 236 324 292 345 57.8 345 193 324 231 345 310 345 89.7 345

Allowable Stress (Mpa) Thickness Displacement Remark ASME ABS² ABS³ meter meter 291.6 291.6 291.9 0.10 0.012 PASS 0.017 310.5 310.5 310.8 0.06 PASS 310.5 310.5 310.8 0.03 0.014 PASS 0.023 291.6 291.6 291.9 0.05 PASS 310.5 310.5 310.8 0.06 0.017 PASS 0.017 310.5 310.5 310.8 0.05 PASS 310.5 310.5 310.8 0.06 0.022 PASS

Tabel 10 Tegangan Von Mises akibat load case JR18E315MN Component Jacket Leg Top Yoke Plate Flange Plate Bottom Yoke Plate Main Shear Plate External Shear Plate Skirt Sleeve

Stress (Mpa) Von Mises Yield 180 324 231 345 39.3 345 210 324 188 345 273 345 121 345


Factor Safety ≤ 1.11 untuk beban kombinasi 4.

Modern Structural Analysis: Modelling Process and Guidance. Max. Deflection ≤ plate depth

Ada dua cara dalam pemodelan hubungan antara pile dan sleeve, yaitu dengan grouting dan tanpa grouting. Pada kondisi sebenarnya, grouting menggunakan material concrete untuk mengisi ruang kosong antara pile dan sleeve. Grouting tersebut menyebabkan struktur menjadi lebih kaku sehingga nilai tegangan yang terjadi tidak terlalu tinggi. Sedangkan jika dilakukan tanpa grouting, ruang kosong antara pile dan sleeve akan diisi dengan udara. Kondisi tersebut menyebabkan nilai tegangan yang terjadi relatif menjadi lebih besar. Seperti yang sudah dijelaskan pada bab sebelumnya, pada penelitian ini asumsi grouting yaitu menggunakan rigid region. Sehingga bagian tersebut sangat kaku, yang menyebabkan tegangan yang terjadi tidak terlampau tinggi.

Tabel 7 Tegangan Von Mises akibat load case JR18O270MX Component Jacket Leg Top Yoke Plate Flange Plate Bottom Yoke Plate Main Shear Plate External Shear Plate Skirt Sleeve


Allowable Stress (Mpa) Thickness Displacement Remark ASME ¹ ABS² ABS³ meter meter 291.6 291.6 291.9 0.10 0.005 PASS 0.007 310.5 310.5 310.8 0.06 PASS 310.5 310.5 310.8 0.03 0.006 PASS 0.007 291.6 291.6 291.9 0.05 PASS 310.5 310.5 310.8 0.06 0.007 PASS 0.007 310.5 310.5 310.8 0.05 PASS 310.5 310.5 310.8 0.06 0.008 PASS

5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Beberapa kesimpulan yang dapat disampaikan dari kajian ini antara lain: 1.

Nilai Tegangan von mises terbesar terdapat pada bagian external shear plate untuk kondisi pembebanan JR03E-045MN, yaitu dengan nilai 310 MPa. Sehingga masih diperbolehkan karena tidak melibihi dari nilai tegangan ijin sebesar 310.5 dan 310.8 MPa pada code ASME dan ABS.

2.

Nilai displacement terbesar terdapat pada bagian bottom yoke plate untuk kondisi pembebanan JR03E-045MN, yaitu dengan nilai 0.023 meter. Menurut buku Modern Structural Analysis: Modelling Process and Guidance, nilai displacement tersebut masih memenuhi kriteria karena tindak melebihi dari ketebalan pelat.

5.2 Saran Saran yang dapat diberikan untuk kajian lebih lanjut mengenai tugas akhir ini antara lain: 1.

Syarat batas tidak seharusnya fix karena dimungkinkan adanya sifat pegas dan redam dari bagian jacket yang tidak dimodelkan sehingga didapatkan hasil yang mendekati kondisi lapangan.

2.

Hasil yang diperoleh akan lebih mendekati nilai yang sebenarnya jika karakteristik grout diterapkan pada pemodelan local dengan menggunakan elemen dan parameter yang dapat mewakili sifat grout.

3.

Mesh yang lebih kecil lebih dianjurkan untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat tentunya dengan melakukan Mesh sensitivity Analysis terlebih dahulu.

4.

Menggunakan pendekatan substructure pada bagian skirt pile.

Tabel 8 Tegangan Von Mises akibat load case JR18O315MX Component Jacket Leg Top Yoke Plate Flange Plate Bottom Yoke Plate Main Shear Plate External Shear Plate Skirt Sleeve



8

DAFTAR PUSTAKA ABS, 2001, Mobile Offshore Drilling Units, Part 3: Hull Construction and Equipment. ABS, 2001, Safehull-Dynamic Loading Approach’ for Floating Production, Storage and Offloading (Fpso) Systems, for the ‘SHDLA’ Classification Notation. American Institute of Steel Construction, 1989, Allowable Stress Design Manual 9th Edition. American Petroleum Institute, 2002, Recommended Practice For Planning and Constructing Fixed Offshore Platform - Working Stress Design, API Recommended Practice 2A (RP 2A) WSD. ANSYS Multiphysics 12, 2009, User Manual Guide, Ansys Inc. ASME B31.4, 2006, Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and other Liquids. Barltrop, N. D. P., 1988, Floating Structures: a guide for design analysis Volume One, Ledbury. England: The Centre for Marine and Petroleum Technology. Chakrabarti, S. K., 1987, Hydrodynamics of Offshore Structure, Southampton, Boston USA: Computational Mechanics Publications. Chakrabarti S. K., 2005, Handbook of Offshore Engineering, Plainfield, Illinois, USA: Elsevier. Coyle, H. M., et al, 1966, Soil Mechanics and Foundations Division for Load Transfer for Axially Loaded Piles in Clay, ASCE Journal, Vol. 92, No. 1052. Coyle, H. M., et al, 1967, Skin Friction for Steel Piles in Sand, Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Vol. 93, No. SM6, November, 1967, p. 261–278. Dean, R. G., 1965, Stream Function Representation of Non-Linear Ocean Waves, Journal of Geophysical Research, Vol. 70. pp. 4561-4572. Gerwick,Ben C. Jr., 2000, Construction of Marine and Offshore Structures Second Edition, Washington, D. C: CRC press. Hastanto, E. S., 2005, Analisa Ultimate Strenght Struktur Jacket LE Berbasis Keandalan, Jurusan Teknik Kelautan, FTK-ITS, Surabaya. http://www.me.mtu.edu/~bettig/MEEM4405/Lecture 12.pdf, 7 Februari 2011. http://www.naturalgas.org/naturalgas/extraction_offs hore.asp, 11 januari 2011. Kraft, et al, 1981, Lateral Pile Response During Earthquakes, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 109, No. GT12, Paper No. 16735, December 1981.

Macleod, Iain, 2005, Modern Structural Analysis: Modelling Process and Guidance, London: Thomas Telford Limited. McClelland, 1986, Planning and Design of Fixed Offshore Platforms, Van Nostrand Reinhold Company: New York. McDermott, 2008, Structural Basis of Design, Document No.: R2312-22-ST-BOD-00001. MicroSAS, 2007, User Manual Guide, McDermott Inc. USA. Mohd Nor, NK, 1996, FE Analysis of an Integrated Plate Connection between Jacket Structure and Skirt-Pile Sleeve, Report 96:9, Master Thesis, Department of Structural Mechanics, Chalmers University of Technology, Sweden. Morison, J. R., et al, 1950, The Force Exerted by Surface Waves on Piles, Petroleum Transactions, American Institute of Mining and Metal Engineering, Vol. 4, pp. 11-22. Pogonowski, 1972, Reversed Slope Skirt Pile Marine Platform Anchoring, United states Patent, Texaco Inc., New York. Popov, E. P., 1993, Mekanika Teknik, Jakarta: Penerbit Erlangga. Vijayvergia, V.N., 1977, Load Movement Characteristics of Piles, Proceedings of the Ports‘77 Conference, American Society of Civil Engineers, Vol. II, p. 269–284. Will, 1987, Composite Leg Platform, United States Patent, McDermott Inc., New Orleans.

9

Analisa Tegangan Skirt Pile pada Kondisi Beban Operasional dan Ekstrem

Recommend Documents