ANALISIS KEHANDALAN FATIGUE DAN REMAINING LIFE ANJUNGAN LEPAS PANTAI TIPE JACKET BERDASARKAN METODE FRACTURE MECHANICS
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh
M. ALIUDDIN IQBAL NIM : 25004073 Program Studi Rekayasa Kelautan
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
Thaaha, Maa anzalna ’alaikal Qur’aana li tasyqa Illa tadzkiratan liman yakhsya (Thaaha, Kami tidak menurunkan Al Qur’an ini kepadamu agar kamu jadi susah Tetapi sebagai pengingat bagi orang yang takut kepada Allah) (QS. Thaaha 1-3) Fabiayyi aalaai robbikumaa tukadzdziban Hal jazaa ul ikhsaan illal ikhsaan (Maka nikmat Tuhanmu yang manakah yang kamu dustakan? Tidak ada balasan kebaikan kecuali kebaikan pula) (QS. Arrahman 59-60) Fabiayyi aalaai robbikumaa tukadzdziban Tabaarakasmu robbika dziljalaali wal ikrom (Maka nikmat Tuhanmu yang manakah yang kamu dustakan? Maha Agung nama Tuhanmu Yang Mempunyai Kebesaran dan Karunia) (Ar Rahman 77-78) Tiada kemuliaan kecuali dengan Islam Tiada Islam kecuali dengan penerapan syariat Islam Tiada penerapan syariah Islam kecuali dengan Daulah Khilafah Islamiyyah
ANALISIS KEHANDALAN FATIGUE DAN REMAINING LIFE ANJUNGAN LEPAS PANTAI TIPE JACKET BERDASARKAN METODE FRACTURE MECHANICS
Oleh
M. Aliuddin Iqbal NIM : 25004073
Program Studi Rekayasa Kelautan Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal .... Oktober 2007
Pembimbing I
(Dr. Ir. Ricky Lukman Tawekal)
Pembimbing II
(Ahmad Taufik, Ph.D.)
Dipersembahkan ... kepada istriku tercinta Salsabila, air mata surgaku dan Kaka, calon buah hati kami ... ... kepada Ibu, Abah, Mba Lina Tinan, Mba Ani, Ridho Mela Ulya, Aliyah, Jihan, A’yun ...
ABSTRAK ANALISIS KEHANDALAN FATIGUE DAN REMAINING LIFE ANJUNGAN LEPAS PANTAI TIPE JACKET BERDASARKAN METODE FRACTURE MECHANICS Oleh
M. Aliuddin Iqbal NIM : 25004073 Adanya faktor ketidakpastian dalam kapasitas dan beban perlu diperhitungkan dalam menilai kelayakan suatu struktur. Hal ini yang melandasi pengembangan konsep kehandalan struktur. Dalam konteks struktur anjungan lepas pantai tipe jacket yang dipengaruhi beban siklis akibat beban gelombang laut, salah satu limit state yang perlu diperhatikan adalah fatigue limit state (FLS). Hasil analisis FLS ini berupa indeks kehandalan fatigue. Retak akibat fatigue pada sambungan struktur anjungan lepas pantai tipe jacket terbagi dalam 2 tahap, yaitu tahap retak awal (crack initiation) dan tahap pertumbuhan retak (crack propagation). Berdasarkan beberapa penelitian, retak awal telah terjadi sejak tahap manufaktur sambungan, sehingga tahap retak yang mendominasi pada sambungan selama masa layan struktur adalah pertumbuhan retak. Hal ini yang melandasi penggunaan metode fracture mechanics dalam penentuan indeks kehandalan fatigue dan remaining life sambungan. Indeks kehandalan fatigue sambungan studi kasus ditentukan berdasarkan pendekatan fracture mechanics dengan memanfaatkan beberapa data retak asumsi. Indeks tersebut ditampilkan dalam bentuk kurva indeks kehandalan. Terdapat korelasi antara umur layan dan indeks kehandalan, semakin bertambah usia struktur semakin menurun nilai indeks kehandalannya. Demikian juga semakin besar nilai retak awal semakin berkurang nilai indeks kehandalannya. Remaining life dapat ditentukan dengan mengaplikasikan target indeks kehandalan pada indeks kehandalan sambungan. Semakin besar nilai retak awal, remaining life sambungan semakin berkurang. Remaining life memberikan informasi berapa lama sambungan dapat mendukung struktur meskipun sambungan tersebut mengalami retak awal. Di samping itu remaining life juga mampu memberikan informasi interval waktu kapan inspeksi selanjutnya dilakukan. Atau dengan kata lain inspeksi selanjutnya dilakukan pada saat indeks kehandalan sambungan mencapai batas target indeks kehandalan. Inilah yang melandasi Reliability Based Inspection. Kata kunci : anjungan lepas pantai tipe jacket, fatigue limit state, retak awal, pertumbuhan retak, fracture mechanics, indeks kehandalan fatigue, remaining life.
i
ABSTRACT ANALYSIS OF FATIGUE RELIABILITY AND REMAINING LIFE OF JACKET OFFSHORE PLATFORM BASED ON FRACTURE MECHANICS By
M. Aliuddin Iqbal Student’s Reg. No : 25004073 The uncertainty in capacity and load is the factor that needs to be considered in evaluating the properness of a structure. It becomes the basics in developing a structure reliability concept. In the context of jacket offshore platform structure influenced by cyclic load due to wave, one of the limit states to be considered is the fatigue limit state (FLS). The result of FLS analysis is the fatigue reliability index. Cracks due to fatigue in the joint of jacket offshore platform are classified into two steps. They are the crack initiation and the crack propagation. According to several researches, the crack initiation has occurred since the joint manufacture phase. Therefore, the crack phase that dominates the joint during the structure service life is the crack propagation. It becomes the basics in using the fracture mechanics method to determine fatigue reliability index and remaining life joint. The fatigue reliability index of the case study joint is determined based on fracture mechanics approach by using some assumptions of crack data. The index is presented in the reliability index curve. There is a correlation between ages and reliability index. The older the ages of the structure, the lesser the reliability index value becomes. Remaining life can be determined by applying the targeted reliability index to the joint reliability index. The greatest the value of crack initiation, the lesser the remaining life joint. Remaining life provides the information about how long a joint could support the structure, although the joint has undergone the crack initiation. Besides that, remaining life may also provide the information about the time interval that determines a time to do the next inspection. In other words, the next inspection would be carried out when the joint reliability index achieves the limit of targeted reliability index. This is the basics of Reliability Based Inspection. Keyword : jacket offshore platform, fatigue limit state, crack initiation, crack propagation, fracture mechanics, fatigue reliability index, remaining life.
ii
ABSTRAK ............................................................................................................... i ABSTRACT............................................................................................................ ii
iii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HAKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
iii
KATA PENGANTAR
Bismillaahirrahmaanirrahiim. Assalaamu’alaikum Warahmatullaahi Wabarakaatuhu.
Segala puji bagi Allah SWT selalu penyusun panjatkan atas segala nikmat, karunia, dan ijin-Nya yang membuat penulis dapat menyelesaikan tesis ini.
Penulis telah banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak dalam pembuatan dan penyelesaian tesis ini. Untuk itu, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih, kepada: 1. Bapak Dr. Ir. Ricky Lukman Tawekal sebagai dosen pembimbing tesis yang selalu membimbing dan mengarahkan penulis dalam menyelesaikan tesis ini. 2. Bapak Ahmad Taufik, Ph.D. sebagai dosen co-pembimbing yang telah banyak memberikan arahan serta dorongan kepada penulis dalam mengerjakan dan menyelesaikan tesis ini. 3. Bapak Dr. Ir. Rildova sebagai dosen penguji yang telah banyak meluangkan waktunya dalam proses penyelesaian tesis ini. 4. Bapak Dr. Ir. Irsan Soemantri B., selaku ketua program magister kelautan yang banyak memberikan perhatiannya kepada penulis agar segera menyelesaikan tesis ini. 5. Ketua Prodi Teknik Kelautan, Bapak Dr. Ir. Muslim Muin yang selalu memberikan arahan. 6. Bapak Dr. Ir. Andojo Wurjanto yang memberikan kesempatan dan kepercayaan kepada penulis memperoleh voucher ITB. 7. Bapak Ir. Rochardjanto yang juga memberikan kepercayaan kepada penulis untuk memperoleh voucher ITB. Terima kasih atas segala arahan dan bimbingan yang penulis dapatkan sejak kuliah S1 di Teknik Sipil ITB.
iv
8. Istriku tercinta Salsabila, mata air surgaku dan kaka, calon buah hati kami atas perhatian dan kesabaran mendampingiku. 9. Ibu dan Abah atas segala curahan kasih sayang yang membuat Udin menjadi sosok seperti sekarang. Mudah-mudahan dibalas dengan surga-Nya. 10. Kakakku Mba Lina dan Mba Ani. Adik-adikku Ridho Mela, Aliyah, Jihan, A’yun. Juga buat si kecil Ulya ganteng dan Tinan cantik. 11. Lik Samroh, Om Kartono, Lik Sol, Om Birin, Ommidin dan Lik, atas dukungan dan doanya selama ini. 12. Emak, Mamah, Bapak, Kang Fajar, Teh Devi, Muti, Edwin dan Nabila. 13. Bu De, Mang Asep dan Bi Lis, Bi Aan, Bi Yani dan Mang Asep, Bi Haji Lela dan Mang Haji, Bi Ida dan Mang Sayuti. 14. Sahabat karibku Diding atas segala dukungan yang membuat penulis berkesempatan mendapatkan voucher ITB dan segala kebersamaan selama di ruang pojok Teknik Kelautan. Mudah-mudahan segera menempuh S3. 15. Voucer ITB yang telah memberikan beasiswa kepada penulis. 16. Dani yang telah banyak memberikan dukungan yang sangat berarti. Juga Agung Maryana, Daud Alfian, Mas Ivan, dan Opik. Kalian yang memberikan banyak wawasan desain anjungan lepas pantai. 17. Kawan-kawan Magister: Roni dan Cecep Hendra yang memberikan inspirasi dan wawasan dalam penulisan tesis ini. Juga kepada Tasdik, Ignas, Erni, Anto, Arief, Mba Enni, Edi Rahman, Mas Heru, Ahmad, James, Alla, dan Pak Bambang. Terima kasih atas bantuan dan dukungannya selama perkuliahan. 18. Staf Tata Usaha Teknik Kelautan: Pak Yatno, Bu Nung, Bu Witri, Isep, Pak Tumin, dan Pak Aep. Juga seluruh staf Tata Usaha Jurusan Teknik Sipil atas bantuannya dalam kelancaran administrasi. Juga Pak Lilik Perpus Sipil. 19. Staf PT Biru: Karyo atas segala diskusi dan dukungannya. Juga Hafiz dan Mas Dwi yang telah banyak membantu. 20. Rendra, Ade, dan Bangun atas segala dukungannya.
v
21. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, yang turut membantu kelancaran selama pembuatan serta penyelesaian tesis ini.
Penyusun menyadari tesis ini banyak keterbatasan, karena itu penyusun mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk menyempurnakan tesis ini. Akhir kata, penyusun berharap tesis ini dapat bermanfaat dan memperluas wawasan pembaca.
Wassalamu’alaikum Warrahmatullaahi Wabarakaatuhu.
Bandung, Oktober 2007
Penyusun
Bab V Kesimpulan dan Saran ..............................Error! Bookmark not defined. V.1
Kesimpulan ............................................Error! Bookmark not defined.
V.2
Saran.......................................................Error! Bookmark not defined.
vi
DAFTAR ISI
ABSTRAK ............................................................................................................... i ABSTRACT............................................................................................................ ii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ................................................................... iii KATA PENGANTAR ........................................................................................... iv DAFTAR ISI......................................................................................................... vii DAFTAR LAMPIRAN........................................................................................... x DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI .............................................................. xi DAFTAR TABEL................................................................................................ xiii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG ...................................................... xiv Bab I Pendahuluan ................................................................................................ 1 I.1
Latar Belakang ........................................................................................ 1
I.2
Tujuan ..................................................................................................... 2
I.3
Ruang Lingkup Pembahasan................................................................... 3
I.4
Batasan Masalah ..................................................................................... 3
I.5
Metodologi Analisis ................................................................................ 4
I.6
Sistematika Pembahasan ......................................................................... 5
Bab II Dasar Teori................................................................................................. 6 II.1
Statistik dan Probabilitas......................................................................... 6
II.1.1
Umum.............................................................................................. 6
II.1.2
Teori Probabilitas Statistik.............................................................. 8
II.1.3
Fungsi Massa Probabilitas ............................................................ 11
II.1.4
Fungsi Distribusi Kumulatif.......................................................... 11
II.1.5
Fungsi Kerapatan Probabilitas ...................................................... 12
II.1.6
Parameter Statistik ........................................................................ 13
II.1.7
Model Distribusi Variabel Acak ................................................... 16
II.1.8
Fungsi Variabel Acak.................................................................... 23
II.2
Reliabilitas Struktur .............................................................................. 25
II.2.1
Umum............................................................................................ 25
vii
II.2.2
Limit State..................................................................................... 26
II.2.3
Fungsi Performansi/Fungsi Kondisi Batas.................................... 28
II.2.4
Metode Reliabilitas Struktur Level II ........................................... 32
II.2.5
Indeks Kehandalan ( β ) ................................................................. 33
II.3
Fatigue .................................................................................................. 34
II.3.1
Umum............................................................................................ 34
II.3.2
Kurva S-N ..................................................................................... 36
II.3.3
Stress Concentration Factor ......................................................... 37
II.3.4
Hipotesis Akumulasi Kerusakan Palmgren- Miner ...................... 38
II.4
Fracture Mechanics .............................................................................. 39
II.4.1
Umum............................................................................................ 39
II.4.2
Penjalaran Retak............................................................................ 41
II.4.3
Faktor Intensitas Tegangan ........................................................... 43
II.4.4
Remaining Life/Fatigue Life......................................................... 47
II.5
Bab
Akumulasi Kerusakan Berdasarkan Fatigue Spektral........................... 48
II.5.1
Sistem Linier ................................................................................. 48
II.5.2
Fungsi Transfer – Beban Gelombang Siklis ................................. 50
II.5.3
Spektrum Kerapatan Tinggi Gelombang ...................................... 52
II.5.4
Kerusakan Fatigue ........................................................................ 53
II.5.5
Fatigue Spektral dalam Software SACS ....................................... 55
III
Kehandalan
Fatigue
dan
Remaining
Life
Berdasarkan
Metode Fracture Mechanics.................................................................................. 61 III.1
Umum.................................................................................................... 61
III.2
Metode Pendekatan ............................................................................... 62
III.3
Pembebanan Fatigue............................................................................. 65
III.4
Formulasi Fungsi Performansi dan Indeks Kehandalan........................ 68
III.5
Remaining Life ...................................................................................... 70
Bab IV Studi Kasus dan Analisis ........................................................................ 72 IV.1
Umum.................................................................................................... 72
IV.2
Deskripsi Studi Kasus ........................................................................... 72
IV.3
Pemodelan dan Beban ........................................................................... 75
IV.4
Analisis Fatigue Spektral dalam Software SACS................................. 76
viii
IV.4.1
Analisis Stuktur (Inplace Statik dan Analisis Fatigue)................. 76
IV.4.2
Linierisasi Pondasi (Modul PSI/Pile Soil Interaction) ................. 79
IV.4.3
Analisis Dinamika Struktur........................................................... 80
IV.4.4
Analisis Respon Gelombang ......................................................... 81
IV.4.5
Analisis Fatigue............................................................................. 85
IV.5
Analisis Indeks Kehandalan Komponen Sambungan ........................... 88
IV.5.1
Pemilihan Sambungan Kritis ........................................................ 88
IV.5.2
Formulasi Fungsi Performansi ...................................................... 89
IV.5.3
Properti Variabel Acak Analisis Kehandalan Fatigue .................. 89
IV.5.4
Perhitungan Kurva Indeks Kehandalan......................................... 90
IV.6
Remaining Life ...................................................................................... 92
Bab V Kesimpulan dan Saran ............................................................................. 96 V.1
Kesimpulan ........................................................................................... 96
V.2
Saran...................................................................................................... 97
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 98 LAMPIRAN........................................................................................................ 100
ix
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A Data Lingkungan Studi Kasus...................................................... 100 Lampiran B Model Struktur Studi Kasus...........................................................102 Lampiran C Perhitungan Indeks Kehandalan Fatigue........................................104
x
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI
Gambar I. 1 Metodologi analisis............................................................................ 4 Gambar II. 1 Bentuk fenomena acak profil muka air laut (5)................................ 7 Gambar II. 2 Histogram tinggi gelombang (5). ..................................................... 8 Gambar II. 3 Diagram Venn untuk tinggi gelombang individu. ............................ 9 Gambar II. 4 Diagram venn untuk (a) perpotongan, (b) gabungan, (c) kejadian. 10 Gambar II. 5 Fungsi distribusi kumulatif (CDF). ................................................ 12 Gambar II. 6 Nilai probabilitas pada PDF. .......................................................... 13 Gambar II. 7 PDF normal standar (5) .................................................................. 18 Gambar II. 8 PDF log normal (5)......................................................................... 19 Gambar II. 9 PDF Rayleigh (5)............................................................................ 20 Gambar II. 10 Fungsi kerapatan probabilitas terhadap tahanan dan beban (8).... 26 Gambar II. 11 Balok tumpuan sederhana............................................................. 27 Gambar II. 12 Terbentuknya sendi plastik pada balok tumpuan sederhana. ....... 27 Gambar II. 13 PDF variabel beban dan kapasitas. ............................................... 29 Gambar II. 14 Safe domain dan failure domain dalam 2 dimensi (6).................. 31 Gambar II. 15 Safe domain dan failure domain dalam 3 dimensi (6).................. 32 Gambar II. 16 Konsep indeks kehandalan (4)...................................................... 33 Gambar II. 17 Contoh sambungan yang sensitif terhadap fenomena fatigue. ..... 35 Gambar II. 18 Kurva S-N untuk analisis fatigue (10).......................................... 36 Gambar II. 19 Daerah hot spot sambungan.......................................................... 37 Gambar II. 20 Fenomena perpatahan (11). .......................................................... 40 Gambar II. 21 Fenomena leleh (11). .................................................................... 41 Gambar II. 22 Tahap pertumbuhan retak sebagai ................................................ 43 Gambar II. 23 Tiga mode pembebanan................................................................ 44 Gambar II. 24 Bentuk umum mode I. .................................................................. 44 Gambar II. 25 Tegangan siklis yang terjadi untuk setiap posisi gelombang (13).51 Gambar II. 26 Hubungan perioda gelombang dengan tegangan siklis (13)......... 52 Gambar III. 1 Perbandingan kurva S-N dan fracture mechanics (15). ............ ....65
xi
Gambar IV. 1 Orientasi struktur....................................................................... ....73 Gambar IV. 2 Model struktur studi kasus (bagian jacket). .................................. 75 Gambar IV. 3 Prosedur analisis fatigue spektral software SACS........................ 78 Gambar IV. 4 Matrik kekakuan pilehead 101P ................................................... 79 Gambar IV. 5 Hasil perhitungan massa. .............................................................. 80 Gambar IV. 6 Hasil analisis dinamika struktur.................................................... 81 Gambar IV. 7 Parameter penentuan fungsi transfer base shear dan.................... 82 Gambar IV. 8 Nilai overturning moment dan base shear .................................... 83 Gambar IV. 9 Fungsi transfer base shear untuk arah 1350 .................................. 84 Gambar IV. 10 Fungsi overturning moment untuk arah 1350 .............................. 85 Gambar IV. 11 Diskritisasi penampang tubular pada analisis fatigue. ................ 86 Gambar IV. 12 Hasil analisis fatigue. .................................................................. 88 Gambar IV. 13 Kurva indeks kehandalan fatigue sambungan 1584 chord. ........ 91 Gambar IV. 14 Kurva indeks kehandalan fatigue sambungan 1584 brace.......... 91 Gambar IV. 15 Penentuan remaining life sambungan 1584 chord member. ....... 94 Gambar IV. 16 Penentuan remaining life sambungan 1584 brace member. ....... 94
xii
DAFTAR TABEL
Tabel II. 1 Parameter yang digunakan dalam kurva S-N. .................................... 37 Tabel III. 1 Perbandingan Reliabilitas Fatigue Kurva S-N dan fracture mechanics ............................................................................................................................... 64 Tabel III. 2 Target indeks kehandalan.................................................................. 71 Tabel IV. 1 Marine growth ................................................................................... 74 Tabel IV. 2 Koefisien drag dan inersia API RP2A ............................................. 74 Tabel IV. 3 Properti parameter model stokastik reliabilitas fatigue. ................... 89 Tabel IV. 4 Retak awal hasil inspeksi (asumsi). .................................................. 90 Tabel IV. 5 Target indeks kehandalan. ................................................................ 93 Tabel IV. 6 Remaining life sambungan 1584....................................................... 93
xiii
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
f (x )
: Probability Density Function (PDF)
F (x )
: Cumulative Distribution Function (CDF)
mk
: Momen ke-k suatu variabel acak
μ σ
: Mean
var[x ]
: Standar deviasi : Varians
γ1
: Skewness
γ2
: Kurtosis
E [x ]
: Ekspektasi dari variabel acak x
μ1
: Momen sentral pertama
g (x )
: Fungsi performansi
pf
: Probability of failure
β
: Indeks kehandalan
Sηη ( f )
: Spektrum energi gelombang
S σσ ( f ) : Spektrum energi response tegangan hot spot H(f )
: Fungsi Transfer
CM
: Koefisien inersia
CD
: Koefisien drag
D
σ rms
: Total kerusakan : Root mean square value dari range tegangan
K
: Faktor intensitas tegangan
Y
: Faktor koreksi yang ditentukan oleh geometri dan kondisi pembebanan
ao
: Kedalaman retak awal
ai
: Kedalaman retak akhir
C dan m : Konstanta material penjalaran retak SCF
: Faktor konsentrasi tegangan
T
: Masa layan struktur
CoV
: Coefficient of Variation
xiv
