Analisis Ultimate Strength Pada Sambungan Ponton dan Kolom Semi-submersible Essar Wildcat Terhadap Beban Ekstrem Tito Firmantara, Imam Rochani, dan Handayanu. Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak - Pada perkembangan dunia saat ini energi minyak dan gas menjadi salah satu andalan utama perekonomian suatu negara. Migas diperoleh dari hasil pengeboran masuk perut bumi menggunakan teknologi yang canggih. Kandungan minyak dan gas bumi yang relatif terbatas di laut dalam, membuat operabilitas suatu struktur terpancang menjadi tidak ekonomis apabila dibandingkan dengan struktur terapung yang dapat dengan mudah dipindahkan dari satu lokasi ke lokasi lain. Semi-submersible merupakan suatu floating body yang berbentuk lain dari pada kapal-kapal konvensional biasa. Bangunan ini mempunyai platform atau geladak dengan berbagai konfigurasi , seperti bentuk empat persegi panjang, segitiga atau segi banyak. Pada bangunan lepas pantai baik yang terpancang maupun yang terapung, analisis ultimate strength penting untuk dipertimbangkan. Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan analisis ultimate strength pada struktur semi-submersible terutama pada sambungan ponton dan kolom dengan menaikkan tinggi gelombang significan pada kondisi ekstrem perairan Natuna hingga struktur mengalami kegagalan. Dengan menggunakan baja A36, hasil yang didapat menunjukka bahwa struktur mengalami kegagalan pada saat menaikkan 4,6 kali tinggi gelombang significan kondisi ekstrem. Tegangan maksimal yang dihasilkan adalah sebesar 471,32 Mpa pada daerah sambungan ponton dan kolom. Dengan demikian tegangan yang dihasilkan melebihi tegangan ultimate material 460 Mpa dan dikatakan struktur mengalami kegagalan ultimate.
Kata Kunci — analisis ultimate, semi-submersible, sambungan ponton dan kolom, kondisi ekstrem I. PENDAHULUAN
K
andungan minyak dan gas bumi yang relatif terbatas di laut dalam, membuat operabilitas suatu struktur
terpancang menjadi tidak ekonomis apabila dibandingkan dengan struktur terapung yang dapat dengan mudah dipindahkan dari satu lokasi ke lokasi lain. Oleh sebab itu, struktur terapung mempunyai peranan penting dalam eksploitasi ladang minyak di perairan dalam. Struktur terapung juga menjadi suatu pilihan alternatif yang banyak dipakai daripada struktur terpancang [1]. Semi-submersible merupakan suatu floating body yang berbentuk lain dari pada kapal-kapal konvensional biasa. Bangunan ini mempunyai platform atau geladak dengan berbagai konfigurasi, seperti bentuk empat persegi panjang, segi tiga atau segi banyak. Dimana platform tersebut disangga oleh kolom yang menghubungkan platform dengan under displasment members berada jauh di bawah permukaan air laut atau di bawah wave action, stability dari structure cukup di jamin oleh vertical columns. Bracings dipasangkan sebagai penguat bangunan, karena menghubungkan antara columns dengan columns, columns dengan sisi-sisi yang lain dan juga antara columns dengan geladak. Paik (2007) [2] menyebutkan bahwa pendekatan limit state lebih baik dalam segi design dan perhitungan kekuatan untuk berbagai tipe struktur dibandingkan pendekatan tegangan ijin yang bekerja karena tidak mungkin menghitung margin keamanan yang sesungguhnya dari struktur jika limit state tidak diketahui. Selama beberapa tahun terakhir, beberapa metode untuk perhitungan limit state dari marine structures dikembangkan dalam berbagai literatur. Pada tugas akhir ini telah dilakukan analisis kegagalan ultimate pada sambungan poonton dan kolom structure semi-submersible Essar Wildcat dengan menaikkan tinggi gelombang significant. 1. Data geometri struktur Adapun model semi-submersible yang dijadikan acuan awal pemodelan adalah semi-submersible Essar Wildcat [3] yang dioperasikan oleh Conoco Philips Indonesia di Sumur Tembang-08 Perairan Natuna. Berikut ini adalah data yang sudah didapatkan:
1
Tabel 1. Data struktur yang digunakan dalam penelitian Item Length Overall Breadth (moulded) Depth (moulded) Large Column Diameter Small Column Diameter Corner Column Diameter Heigt to Upper Deck Heigth to Main Deck Heigth of Pontoons Operating Draught Survival Draught Transit Draught
Nilai 108.2 m 71.8 m 15.1 m 7.92 m 5.79 m 5.2 m 39.63 m 36.58 m 6.71 m 21.34 m 16.76 m 6.41 m
2. Data Lingkungan Data Lingkungan yang dipakai adalah data gelombang di lokasi perairan Natuna, meliputi kedalaman, tinggi gelombang, dan periode dalam periode ulang 100 tahunan. Data yang digunakan dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 2. . Data lingkunagn 100 tahunan Laut Natuna Parameter Kedalaman Tinggi gelombang signifikan, (Hs) Periode Puncak, (Tp) Tinggi gelombang maksimum, (Hm) Periode rata-rata, (Tm)
Periode ulang 100tahunan 90 m 5.3 m 10.1 s 10.2 m 8.5 s
II. METODOLOGI PENELITIAN
A. Pembuatan model global dan lokal i. Analisis hidrodinamik struktur Tahap ini dilakukan untuk mendapatkan analisa gerak dari struktur yang digunakan sebagai masukan beban gelombang ke tahap permodelan selanjutnya seperti terlihat pada gambar 2..
Gambar 1. Pemodelan global analisa hidrodinamik struktur
ii. Metode elemen hingga Tahap selanjutnya menggunakan pemodelan elemen hingga secara gobal. Tujuan dari pemodelan global yang kedua ini adalah untuk mendapatkan besarnya tegangan nominal yang terjadi di sambungan kolom dan ponton. Pada tahap ini dilakukan permodelan setengah badan struktur (gambar 3).
Gambar 2. Model elemen hingga lokal struktur semisubmersible
Hasil validasi di atas menunjukkan bahwa displasmen model dari ketiga variasi semisubmersible berada dibawah batas toleransi. Analisis dilakukan dalam frequency domain. Analisis frequency domain dilakukan untuk mencari RAO dari ketiga semi-submersible dengan menggunakan persamaan gerak sebagai berikut [4]:
RAO(ω ) =
X P (ω ) η (ω )
(1)
Dengan,
X P (ω ) = amplitudo struktur η (ω ) = amplitudo gelombang Analisis operabilitas dilakukan berdasarkan gerakan semisubmersible di atas gelombang acak. Data gelombang yang dipakai adalah wave scatter diagram Perairan Belanak Natuna, yang merupakan peluang kejadian gelombang dengan kombinasi-kombinasi periode puncak (Tp) dan tinggi gelombang signifikan (Hs), sepanjang tahunnya. Analisis spektra dilakukan dengan menggunakan formulasi JONSWAP yang merupakan modifikasi dari formulasi spektra Pierson-Moskowitz. Formula spektrum ini sesuai diterapkan pada perairan tertutup/kepulauan, dengan persamaan sebagai berikut [5] :
S j (ω ) = Aγ S PM (ω )γ
(exp( −0.5 (
ω − ωp 2 )) ) σωp
(2)
2
factor untuk kondisi lingkungan ekstrem adalah 0.8. Seperti ditunjukkan pada Tabel 2.4.
Dengan,
S PM = Spektrum Pierson-Moskowitz 5 5 ω = Hs 2 ω p ω −5 exp(− ( ) − 4 ) 16 4 ωp Hs p
A
(3)
= tinggi gelombang signifikan = 2/Tp (angular spectral peak frequency) = non-dimensional parameter (bentuk puncak) = spectral width parameter =0.07 untuk < p =0.09 untuk > p = 1-0.287 ln() adalah normalizing factor
Data yang akan digunakan adalah RAO dan spektra gelombang, sehingga dengan fungsi transfer berikut dapat dihitung spektra respons:
S R (ω ) = RAO 2 xSj (ω )
Tabel 3. ABS (2005) basic utilization factor
(4)
B. Analisis Lokal Analisis batas tegangan ultimate dilakukan untuk menentukan kekuatan maksimum struktur untuk menahan beban yang terjadi. Beberapa beban yang bekerja pada struktur mengakibatkan keruntuhan total dan ketidakmampuan struktur menahan beban lingkungan dan topside. Untuk analisis ultimate ini dilakukan dengan menggunakan metode Incremental Extreme Load yaitu suatu metode yang dipakai dalam menganalisis keruntuhan struktur dengan pembebanan inkremental untuk menentukan secara otomatis pembebanan yang menyebabkan struktur runtuh. Dimana adanya penambahan beban lingkungan (gelombang) sampai struktur tersebut runtuh (collaps). ABS Buckling and Ultimate Strength Assesment for Offshore Structure (2004) [6] ,menyediakan beberapa kriteria yang bisa digunakan untuk menghitung ultimate strength, kriteria tersebut adalah : a. Individual structural member.
Basic Utilization F 0.6
Load Condition
Environmental Events
Loadout
Calm
Ocean Transit
10-year-return storm for the
0.8
Field Transit
1-year-return storm for the
0.8
Deck Installation
Calm
0.6
In-placeDesign Operating
1-year-return storm (minimum)
0.6
In-placeDesign Environmental
100-year-return storm at
0.8
In-place Damage
1-year-return storm
0.8
Maka, struktur dianggap sudah mengalami kegagalan apabila mengalami tegangan sebesar 0.8 x UTS. Sehingga untuk mengetahui nilai beban puncak (ultimate load) yang mampu diterima struktur maka beban dinaikkan bertahap hingga struktur mengalami kegagalan, yaitu melewati nilai UTS. III. HASIL DAN DISKUSI A. Validasi Model Dalam pemodelan dilakukan validasi terhadap displacment yang mengacu pada displacment Semisubmersible Essar Wildcat. Struktur Semi-submersible diharuskan memiliki displacement yang sama atau dengan eror yang sekecil mungkin (<1%) dengan displacement struktur acuan.
b. Plates, stiffened panels and corrugated panels. Tabel 4. Validasi model
c. Stiffened cylindrical shells. d. Tubular joints Untuk mengetahui kekuatan ultimate struktur terhadap beban yang bekerja maka dilakukan pembebanan sampai struktur tersebut mengalami tegangan melewati nilai UTS. ABS (2005) [7] menyatakan nilai basic utilization factor untuk kondisi Untuk mengetahui kekuatan ultimate struktur terhadap beban yang bekerja maka dilakukan pembebanan sampai struktur tersebut mengalami tegangan melewati nilai UTS. ABS (2005) menyatakan nilai basic utilization
Parameter Displacemen t GMt KB
Satua n ton
Bookle t 24173
m m
2,74
Maxsurf
Aqwa
24176,40 8
24221,22 4 2,74054 6,021
6,045
3
Parameter
Selisih
Eror %
Displacement GMt KB
48,244 0,0005 0,024
0,0019 0,00018 0,0039
Kriteria ABS 2% 1% 1%
Ket OK OK OK
Dengan mendapatkan error dibawah 1% pada semua paremeter maka pemodelan yang dilakukan memenuhi dan dapat dilanjutkan untuk dianalisis. B. Respon Struktur Spektrum gelombang yang dihasilkan dengan menggunakan data 100 tahunan kondisi ekstrem Perairan Belanak dapat dilihat pada Gambar
Gambar 4. RAO semi-submersible .
Gambar 5. Rumus perhitungan respon struktur Setelah mendapatkan spektrum gelombang dan RAO selanjutnya adalah menentukan respon struktur dari Semisubmersible Essar Wildcat sebagai respon kerapatan energi pada struktur akibat gelombang
Gambar 3. Spektra JONSWAP perairan NATUNA Selanjutnya mencari RAO (Respone Amplitude Operator ) untuk menentukan karakteristik gerak terhadap gelombang.
4
Tabel 8. Momen untuk gerak rotasional Dof
Inertia Force (kN)
Momen of Force (kN.m)
Moment (N.m)
Roll
288182.2571
148413.8624
1484413862.4
Pitch
340464.3983
41536.6566
41536656.6
Yaw
543022.4168
196574.1149
196574114.9
Gambar 6. Respon struktur semi-submersible pada kondisi ekstrem 100 tahunan perairan Natuna D. Analisis Ultimate Strength
C. Perhitungan Beban pada Struktur Perhitungan gaya yang dilakukan dengan menggunakan percepatan yang didapat dari beban lingkungan pada titik yang ingin ditinjau. Tabel 5. Beban kolom m (Ton)
g (m/s2)
W (KN)
N
326.4181
9.81
3202.161
32021.61
Dalam analisis kegagalan ultimate yang dilakukan hanya pada salah satu topside support structure. Hal ini karena beban topside dianggap beban merata pada setiap supportnya. Material yang digunakan pada struktur adalah baja A36. Dengan tensile yield strength = 250 Mpa dan tensile ultimate strength = 460 Mpa
Tabel 6. Percepatan struktur global Head ing
Surge (m/s2)
Sway (m/s2)
Heave (m/s2)
Roll (m/s2)
Pitch (m/s2)
Yaw (m/s2)
0 22,5 45 67,5 90 112,5 135 157,5 180 202,5 225 247,5 270 292,5 315 337,5
0,382 0,1034 0,043 0,00471 0,141 0,088 0,111 0,102 0,4049 0,1017 0,037 0,00488 0,146 0,091 0,109 0,125
0,00023 0,051 0,1233 0,45 0,294 0,045 0,016 0,019 0,00021 0,059 0,1241 0,059 0,299 0,14 0,013 0,015
0,406 0,1138 0,036 0,183 0,236 0,108 0,163 0,175 0,397 0,1122 0,032 0,075 0,141 0,114 0,181 0,165
0,00028 0,039 0,13 0,005 0,5151 0,022 0,115 0,202 0,000217 0,071 0,29 0,113 0,501 0,13 0,111 0,111
0,464 0,0508 0,1 0,011 0,122 0,225 0,014 0,019 0,4802 0,0499 0,07 0,013 0,1289 0,017 0,009 0,024
0,000199 0,016 0,107 0,0755 0,362 0,028 0,064 0,275 0,00021 0,025 0,298 0,0743 0,355 0,033 0,171 0,169
Tabel 7. Gaya inersia untuk gerakan transional Dof
Inertia Force
Inertia (N)
Surge
46.0249521
46024.9521
Sway
95.966921
95966.921
Heave
941.43549
941435.49
Gambar 7. Model elemen hingga lokal struktur semisubmersible
Gambar 8. Lokasi terjadinya tegangan maksimum pada saat struktur mengalami ultimate Dari hasil analisis incremental extreme load dapat diketahui bahwa struktur mengalami kegagalan ultimate jenis deformasi plastis akibat beban ekstrem yang bekerja pada support seperti pada Gambar
5
V. UCAPAN TERIMA KASIH Dalam pengerjaan penelitian ini tidak terlepas dari bantuan serta dorongan moral maupun material dari banyak pihak baik secara langsung maupun tidak langsung. Penulis jugamengucapkan terimakasih kepada Global Maritime Company yang telah membantu dalam mengumpulkan data selama pengerjaan penelitian ini. VI. DAFTAR PUSTAKA Gambar 9. Lokasi terjadinya deformasi plastis pada sambungan pontoon dan kolom IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Berdasarkan hasil analisis yang dilakukan pada penelitian ini, beberapa kesimpulan dapat sisampaikan sebagai berikut : 1) Dengan menggunakan spektrum JONSWAP, respon struktur untuk gerakan surge terjadi paling besar pada arah 180° , yaitu mencapai SR = 4.371 (m2/(rad/s)). Respon struktur untuk gerakan sway terjadi paling besar pada arah 270° , yaitu mencapai SR = 3.7169 (m2/(rad/s)) dan respon struktur untuk gerakan heave terjadi paling besar hampir terjadi pada semua arah yaitu nilai sekitar SR = 2 – 2.8 (m2/(rad/s)). Sedangkan untuk gerakan rotasional respon struktur untuk gerakan roll terjadi paling besar pada arah 270° , yaitu mencapai SR = 3.675 (deg2/(rad/s)). Respon struktur untuk gerakan pitch terjadi paling besar pada arah 180° dengan nilai SR = 0.357 (deg2/(rad/s)), dan untuk gerakan yaw terjadi paling besar pada arah 225° , yaitu mencapai SR = 0.0003205 (deg2/(rad/s)).
[1] Mahdarezza, A., Analisis Perilaku Floating LNG Pada Variasi Metaocean Terhadap External Turret Mooring System Berbasis Simulasi Time Domain, Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan, ITS Surabaya, Indonesia, 2010. [2] Paik, J.K.,Bong Ju Kim and Jung Kwan Seo, ―Methods for Ultimate State Assessment of Ships and Ship-Shaped Offshore Structures: Part I – Unstiffened Plates‖, Elsevier: Ocean Engineering, 2007. [3] Report Re-Assement semi-submersible Essar Wildcat. (2007) [4] Chakrabarti, S.K., Hydrodynamics of Offshore Structures, Offshore Structure Analysis inc., Illinois, USA, 2005. [5] Djatmiko,Eko Budi, 2012, Perilaku dan Operabilitas Bangunan Laut di Atas Gelombang Acak, ITS Press, Surabaya [6] ABS, Guide for Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures. American Bureau of Shipping, Houston, 2004. [7] ABS, Commentary on the Guide-Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures. American Bureau of Shipping, Houston, 2005.
2) Pada kondisi lingkunagan ekstrem, yang dipengaruhi oleh beban gelombang, angin dan arus respon maksimum pada struktur yang sebenarnya terjadi adalah 107.67 Mpa, artinya struktur tidak mengalami kegagalan karena masih jauh di bawah kekuatan ultimate struktur yang sebesar 460 Mpa 3) Untuk memperoleh indikasi tingkat kegagalan maka dilakukan analisis dengan menaikkan beban lingkungan dengan peningkatan interval beban sampai melawati dengan 0,8 x material (Kriteria ABS) yaitu 368 Mpa. Kegagalan terjadi pada 4.6 kali tinggi gelombang significan kondisi ekstrem, yaitu pada tinggi gelombang 26.427 m. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa struktur mengalami kegagalan pada saat penaikan 4.6 kali, dengan tegangan maksimum sebesar 471.32 Mpa pada sambungan ponton dan kolom.
6
