Analisis Kegagalan Akibat Kepecahan Pada Sambungan Ponton dan Kolom Struktur Semisubmersible Essar Wildcat

Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan Fakultas Teknologi Kelautan

Analisis Kegagalan Akibat Kepecahan Pada Sambungan Ponton dan Kolom Struktur Semisubmersible Essar Wildcat Oleh: Maresda Satria 4309100086 Dosen Pembimbing : 1. Prof. Ir. Eko Budi Djatmiko, M. Sc., Ph.D 2. Dr. Eng. Rudi Walujo Prastianto, ST., MT.


Abstrak

Abstrak - Semi-submersible adalah suatu struktur terapung yang berbentuk lain dari pada kapal-kapal konvensional biasa. Bangunan ini mempunyai platform atau geladak dengan berbagai konfigurasi. Dimana platform tersebut disangga oleh kolom yang menghubungkan platform dengan under displacement hulls atau paltform tersebut duduk pada ponton. Pada penelitian ini akan dilakukan analisis terhadap struktur semi-submersible Essar Wildcat yang beroperasi di perairan Natuna dengan kedalaman sekitar 90 meter terhadap MSL (Mean Sea Level). Studi ini dilakukan untuk mengetahui umur kelelahan struktur semi-submersible dengan menggunakan metode mekanika kepecahan (fracture mechanics). Kedalaman retak pada sambungan kolom dan ponton akan digunakan sebagai acuan untuk menentukan sisa umur kelelahan struktur berdasarkan kriteria kegagalan. Retak awal yang diasumsikan akan mengalami perambatan akibat beban siklis yang dialami hingga menembus ketebalan material atau sering disebut dengan through-thickness crack. Perhitungan beban lingkungan menggunakan perangkat lunak analisis gerak hidrodinamis struktur terapung, sedangkan untuk analisis tegangan yang terjadi pada struktur secara global dan pemodelan retak pada sambungan digunakan perangkat lunak pemodelan elemen hingga. Dari tegangan maksimal yang terjadi pada sambungan kolom dan ponton dilakukan pemodelan retak untuk mendapatkan nilai tegangan yang terjadi di sekitar ujung retakan. Perhitungan sisa umur sambungan tersebut digunakan persamaan Paris-Erdogan.

Perumusan Masalah


• Bagaimana karakteristik respon struktur Semi-Submersible akibat eksistasi beban gelombang? • Bagaimankah distribusi tegangan yang terjadi pada struktur kolom dan ponton Semi-Submersible? • Berapa umur kegagalan Semi-Submersible akibat pembebanan yang terjadi selama kurun waktu operasinya?

Tujuan


• Mengetahui karakteristik respon struktur semi-submersible yang diakibat eksistasi beban gelombang. • Mengetahui besar distribusi tegangan struktur yang terjadi pada kolom dan ponton. • Mengetahui sisa umur kegagalan semisubmersible akibat kepecahan yang terjadi selama kurun waktu operasinya.

Batasan Masalah


• Ukuran mengacu pada parameter utama Semi-Submersible Essar Wildcat. • Ukuran dari kolom dan ponton akan disesuaikan untuk memenuhi parameter utama displasemen. • Beban-beban lingkungan yang diperhitungkan adalah beban gelombang. • Dalam simulasi menggunakan software, riser tidak dimodelkan. • Perhitungan RAO Motion software analisis hidrodinamik • Analisis tegangan menggunakan software pemodelan elemen hingga. • Teori mekanika kepecahan digunakan untuk analisa kegagalan akibat kepecahan • Analisa Semi-Submersible dilakukan dalam kondisi free-floating. • Floading yang terjadi akibat kepecahan tidak dipertimbangkan karena analisa yang dilakukan untuk mengetahui perambatan retak dengan asumsi kondisi intact. • Jenis retak yang dianalisis adalah through-thickness crack

Dasar Teori • Mekanisme kepecahan  Retak awal (Crack initiation) 1. Selama masa fabrikasi 2. Selama masa operasi  Perambatan retak (Crack Propagation)

da/dN = C (ΔK)m


Dasar Teori


• Fracture mechanic Parameter : Stress Intensity Factor (K) LEFM  Moda I (Opening mode) • Kedalaman retak kritis

Dasar Teori


• Fracture mechanic Parameter : Stress Intensity Factor (K) LEFM  Moda I (Opening mode)

• Kedalaman retak kritis

Dasar Teori • Analisa umur kelelahan struktur


Metode Penelitian MULAI

Perhitungan Bending Moment, dan Shear Force

Studi Literatur

Pemodelan Global semi-subersible dan Lokal dengan Metode Elemen Hingga

Pengumpulan Data

Analisis Distribusi Tegangan

Pemodelan Semi-submersible sesuai General Arrangement Essar Wildcat Tidak

Validasi Model Ya

Analisis RAO Struktur Semi-submersible Saat Freefloating dengan Moses ntuk Memprediksi Karakteristik Gerak Tidak Tidak

Cek Karakteristik RAO


Ya

Penentuan Titik Kritis pada Sambungan Kolom dan Ponton Pemodelan Sub-lokal Sambungan Ponton dan Kolom dengan Keretakan

A

Metode Penelitian


A Perhitungan Stress Intensity Factor (SIF) Kecepatan Rambat Retak

Perhitungan Sisa Umur Struktur

Kesimpulan

SELESAI

Parameter Retak

General Arrangement



Principal Dimension • • • • • • • • • •

Length Overall : Breadth (moulded) : Depth (moulded) : Large Colum Diameter : Small Colum Diameter : Corner Colum Diameter : Height of Pontoons : Operating Draught : Survival Draught : Transit Draught :

108.2 m 71.8 m 15.1 m 7.92 m 5.79 m 5.2 m 6.71 m 21.34 m 16.76 m 6.41 m

Data Gelombang Parameter

Periode ulang 100tahunan

Kedalaman

90 m

Tinggi gelombang signifikan, (Hs)

5.3 m

Periode Puncak, (Tp)

10.1 s

Tinggi gelombang maksimum, (Hm)

10.2 m

Periode rata-rata, (Tm)


8.5 s

Data Gelombang


Pemodelan


Pemodelan



Validasi Parameter

Satuan

Booklet

Displacement KB LCB KMt KMl LCG GMt

ton m m m m m m

24173 51.58 2.74

Maxsurf

Moses

24043.92 24172.99 6.372 6.42 51.779 51.8 20.656 20.57 25.049 25.46 51.58 2.74

Selisih 0.01 0.048 0.021 0.086 0.411 0 0

Eror (%) 0.000 0.753 0.041 0.416 1.641 0.000 0

Kriteria ABS 2% 1% 1% 1% 50 cm 1% 1%

Ket. OK OK OK OK OK OK OK


Analisis Karakteristik RAO












Respon gerak struktur akibat gelombang

• Shear force Shear Force (Periode 100-tahunan) 10000 8000 6000

Shear force (kN)

4000 2000 Hogging

0 0

20

40

60

-2000 -4000 -6000 -8000 -10000

Longitudinal location (m)

80

100

120

Sagging


Respon gerak struktur akibat gelombang

• Bending moment Bending Moment (Periode 100-tahunan) 150000 100000

Bending moment (kN.m)

50000 0 0

20

40

60

80

100

120

-50000 Hogging

-100000

Sagging

-150000 -200000 -250000 -300000 -350000

Longitudinal location (m)


Input pemodelan global Sagging

Hogging Lokasi Longitudinal (m)

Shear Forces (KN)

Bending Moment (KN.m)

5.03 10.18 12.81 20.67 36.72 42.46 59.57 81.35 89.22 92 97.01

-1410 -509 667 3166 5474 4372 -3630 -4264 -1932 -377 1613

-4548 -10497 -10271 7348 76291 107044 112948 11828 -16013 -19336 -15509

Lokasi Longitudinal (m) 5.03 10.18 12.81 20.67 36.72 42.46 59.57 65.31 81.35 89.22 92 97.01

Shear Forces (KN) -2494 -5014 -6292 -8200 -8189 -6236 4370 6663 8588 7440 6329 4342

Bending Moment (KN.m) -6296 -25641 -40511 -101025 -233223 -276966 -293385 -259726 -137018 -69987 -50920 -24191


Input pemodelan global


Analisis distribusi tegangan

Hogging

Sagging


Analisis Distribusi Tegangan


Pemodelan Sub-lokal Stiffener

Tebal kolom

Retak yang terjadi

Tebal ponton Transverse bulkhead

Tipe crack : Through-Thickness Crack Panjang crack : 0.5 mm Kedalaman crack : 5 mm

Variasi Pembebanan Load Case

Keterangan

LC 1 LC 2

Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=0.49 Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=0.99

LC 3 LC 4 LC 5 LC 6 LC 7 LC 8 LC 9 LC 10 LC 11

Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=1.49 Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=1.99 Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=2.49 Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=2.99 Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=3.49 Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=3.99 Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=4.49 Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=4.99 Shear force dan Bending moment pada kondisi sagging akibat Hs=5.49


Load case

Fy (kN)

L1

308.846

L2

356.208

L3

403.489

L4

450.730

L5

497.930

L6

544.929

L7

584.647

L8

613.687

L9

632.252

L 10

643.536

L 11

662.748

Analisis Tegangan Sub-lokal



Permodelan dan Analisis Lokal


Analisis Crack K

∆K

da/dN

MPa.√m

MPa.√m

[(C.∆K)^ m]

1205.2424

0.0000

0.00E+00

LC 2

1317.4299

112.1875

6.59E-22

LC 3

1429.4096

224.1672

5.26E-21

LC 4

1541.3192

336.0768

1.77E-20

LC 5

1653.1019

447.8595

4.19E-20

LC 6

1764.4236

559.1812

8.16E-20

LC 7

1858.5097

653.2673

1.30E-19

LC 8

1971.2436

766.0013

2.10E-19

LC 9

1997.9708

792.7284

2.32E-19

LC 10

2014.4620

809.2196

2.47E-19

LC 11

2043.4962

838.2538

2.75E-19

Load case

LC 1


Analisis Crack

Fatigue Crack Propagation Rate, da/dN,

Crack Propagation

0.00E+00 0.E+00

1.E+02

2.E+02

3.E+02

4.E+02

5.E+02

Stress Intensity Factor Range, ΔK

6.E+02

7.E+02

8.E+02

9.E+02

Analisis Crack


Crack Propagation Fatigue Crack Propagation Rate, da/dN, log scale

1.00E-18

1.00E-19

1.00E-20

1.00E-21

1.00E-22 1.00E+02

1.00E+03

Stress Intensity Factor Range, ΔK, log scale

Perhitungan Umur Struktur


• Penentuan kedalaman retak kritis (acr) KIC = 85 ksi√inch (berdasarkan jenis material) = 93.398 Mpa. √m σmax = 295 Mpa (didapatkan dari output pemodelan global) ai

Thickness (t)

af

da/dN

N

m

(m)

n.t

(m)

(m/cycle)

Cycle

Tahun

0.005

0.025

0.3t

0.008

2.74811E-19

9.10E+09

36.319

0.4t

0.010

2.74811E-19

1.82E+10

72.638

0.5t

0.013

2.74811E-19

2.73E+10

108.957

0.6t

0.015

2.74811E-19

3.64E+10

145.276

0.7t

0.018

2.74811E-19

4.55E+10

181.595

0.8t

0.018

2.74811E-19

4.55E+10

181.595

0.9t

0.023

2.74811E-19

6.37E+10

254.232

t

0.025

2.74811E-19

7.28E+10

290.551

Perhitungan Umur Struktur


Grafik hubungan kedalaman retak dengan sisa umur struktur Sisa umur struktur (tahun)

350.000 300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 0.000 0.007

0.009

0.011

0.013

0.015

0.017

0.019

Kedalaman retak (m)

0.021

0.023

0.025


Kesimpulan • Nilai shear forces maksimum terjadi pada lokasi 36.72 m dari haluan sebesar 5474 kN untuk kondisi hogging dan pada lokasi 81.35 m dari haluan sebesar 8588 kN untuk kondisi sagging. Sedangkan nilai bending moment terbesar untuk kondisi hogging terletak di lokasi 59.57 m dari haluan sebesar 112948 kN.m dan kondisi sagging terletak pada lokasi yang sama sebesar -293385 kN.m • Distribusi tegangan maksimum terjadi pada sambungan ponton dan kolo pada lokasi 85.29 m dari haluan dengan nilai tegangan yang terjadi sebesa 222 MPa. Nilai tegangan maksimum yang terjadi masih dibawah tegangan yiel sebesar 250 MPa. • Sisa umur struktur ini dengan pendekatan Linear Elastic Fracture Mechanics didapatkan sebesar 290 tahun dengan asumsi retak menembus hingga ketebalan kolom semi-submersible. Hasil perhitungan sisa umur tersebut sangat melebihi rata-rata umur operasi bangunan laut, sehingga keretakan yang diasumsikan terjadi masih dalam kategori aman.

Saran Saran untuk penelitian lebih lanjut yakni dengan menggunakan asumsi-asumsi dan batasan-batasan yang berbeda. Seperti contohnya jenis retak dipilih surface crack yang juga sesuai dengan analisis ini.

Selesai


Terima Kasih Wassalamu’alaikum Wr. Wb.

Analisis Kegagalan Akibat Kepecahan Pada Sambungan Ponton dan Kolom Struktur Semisubmersible Essar Wildcat

Recommend Documents