BAB I PENDAHULUAN I.1
Latar Belakang
Jacket merupakan suatu struktur bawah yang terletak di bawah platform / rig / deck dari suatu bangunan lepas pantai. Jacket dikembangkan untuk operasi di laut dangkal dan laut sedang yang dasarnya tebal, lunak dan berlumpur. Setelah jacket ditempatkan di posisi yang diinginkan, pile dimasukkan melalui kaki bangunan dan dipancang dengan hammer sampai menembus lapisan tanah keras kemudian deck dipasang dan dilas. Didalam analisa perhitungannya, gaya gempa merupakan salah satu aspek penting yang harus diperhatikan didalam perencanaan struktur jacket. Didalam merencanakan gaya gempa yang diperhitungkan nantinya, metode yang digunakan adalah CQC (Complete Quadratic Combination) dan SRSS (Square root of sum of square). Pada Tugas Akhir ini, saya melakukan analisis dinamis dari segi seismik dan kelelahan (fatigue) terhadap struktur jacket berdasarkan data seismik yang diberikan. Analisis dinamis dilakukan agar Jacket struktur yang dapat memenuhi tiga factor yang diperlukan yaitu : keamanan (safety), fungsi (performance), ketahanan (rability). Adapun tujuan dari analisis dinamis terhadap suatu struktur adalah untuk mengetahui besarnya respon dinamis struktur terhadap pembebanan yang merupakan fungsi waktu seperti displacement, atau perilaku dinamis struktur seperti frekuensi natural struktur atau periode natural struktur. Hal pertama yang dilakukan pada analisis dinamis adalah analisis seismik/beban gempa. Perlu tidaknya analisis seismik dilakukan sangat tergantung dimana struktur jacket yang dibuat ditempatkan. Analisis seismik sangat perlu dilakukan bila jacket struktur ditempatkan pada daerah rawan gempa, akan tetapi biarpun tidak ditempatkan pada daerah yang rawan gempa analisis seismik ini perlu juga dilakukan untuk menambah keamanan struktur jacket yang telah dibuat. Eksperimen yang dilakukan oleh Youchi Hattori (Hattori et. Al., 1981) menyebutkan bahwa penting kiranya untuk melakukan investigasi karakteristik getaran (vibrasi) dari jacket untuk menjamin keberhasilan dalam desain. Finite element adalah sangat cocok untuk perhitungan
frekuensi natural, tetapi ada beberapa aspek yang belum diketahui yang perlu dipelajari yaitu seperti massa semu kaki dalam air, dan kondisi tumpuan dari tanah dasar laut. Walaupun beban dinamis yang bekerja pada sistem struktur bisa diabaikan oleh salah satu dari mekanisme sumber yang berbeda, termasuk angin atau ombak dan gerak kendaraan, tipe masukan dinamis yang paling penting bagi ahli struktur yang tidak dapat diragukan lagi adalah yang ditimbulkan oleh gempa bumi. Ahli struktur terutama memperhatikan efek lokal gempa terbesar dimana gerak tanah cukup kuat untuk menyebabkan kerusakan struktur (Clough, Ray and Penzien, J, 1998). Struktur bangunan laut selama beroperasi tidak boleh mengalami kerusakan. Ini karena kerusakan bangunan laut akan meningkatkan downtime operational yang akan berdampak pada menurunnya keuntungan yang didapat karena operasi yang terhenti karena struktur mengalami kerusakan. Kerusakan struktur bangunan laut selama beroperasi banyak disebabkan oleh kelelahan (fatigue). Peluang kerusakan karena fatigue ini bertambah besar seiring dengan kualitas fabrikasi yang jelek, umur bangunan laut yang semakin tua, dan korosi terjadi pada bangunan laut tersebut. Oleh karena itu biaya untuk menangani kerusakan bangunan laut banyak difokuskan pada fatigue. Kelelahan (fatigue) adalah gejala dimana bagian (member) dari struktur mengalami kegagalan/kerusakan setelah mengalami pembebanan yang dinamis, meskipun besar tegangan yang diakibatkan oleh beban ini masih berada di bawah tegangan ijin. Beban dinamis adalah beban yang besarnya berubah-ubah dan terjadi berulang-ulang pada struktur anjungan lepas pantai. Beban-beban dinamis berupa beban lateral seperti beban gelombang, gempa bumi, angin, dan arus. Keberadaan fenomena fatigue ini pada akhirnya akan menentukan umur operasi dari sebuah struktur anjungan lepas pantai.
1
2. Pada analisis fatigue, umur kelelahan dihitung menggunakan metode full spectral analysis pada 3 joint paling kritis. PLATFORM / RIG / DECK
JACKET
I.4
Adapun tujuan yang ingin diperoleh dalam mengerjakan Tugas Akhir ini adalah : 1. Dapat memodelkan struktur jacket dengan menggunakan program SACS 5.2. 2. Dapat menghitung berapa besar respon struktur terhadap beban gempa (seismic) dengan SACS 5.2 yaitu dengan mengetahui unity check-nya. 3. Dapat menghitung berapa umur kelelahan (Fatigue Life) dari struktur. I.5
Gambar 1.1 Foto contoh bangunan lepas pantai
I.2
Permasalahan
Adapun permasalahan yang dibahas dalam Tugas Akhir ini adalah : 1. Bagaimana perilaku dan kemampuan struktur jacket dalam menerima beban dinamik (gempa) dan beban operasional termasuk kondisi kemampuan fatigue (kelelahan). 2. Berapa besar respon struktur terhadap beban gempa (seismic) dengan SACS 5.2 yaitu dengan mengetahui unity checknya. 3. Berapakah umur kelelahan (Fatigue Life) dari struktur (dalam N cycles pembebanan dan dalam tahun). I.3
Batasan Masalah
Dalam Tugas Akhir ini ruang lingkupnya adalah sebagai berikut : 1. Pada analisis seismik tipe tanah yang digunakan adalah Tipe A, effective ground acceleration terhadap g adalah 0.125, damping ratio adalah 2%, CQC dynamic loading X,Y,Z adalah 1, 1, 0.5.
Tujuan
Manfaat
Penyusunan Tugas Akhir ini diharapkan dapat memberikan manfaat dalam bidang ketekniksipilan, terutama dalam menambah wawasan tentang ilmu bangunan lepas pantai. Output yang dihasilkan dalam Tugas Akhir ini diharapkan dapat memberi kemudahan bagi para mahasiswa Teknik Sipil ITS yang ingin merancang jacket stucture pada bangunan lepas pantai dengan memperhitungkan gaya gempa (seismic analysis) dan fatigue life dari suatu struktur dengan menggunakan program bantu SACS 5.2. Dengan penyusunan Tugas Akhir ini diharapkan dapat menjadi referensi untuk mengembangkan wawasan keilmuan tentang bangunan lepas pantai yang lebih kompleks di Jurusan Teknik Sipil ITS di masa yang akan datang, sehingga dapat menambah wacana baru dalam bidang structural engineering.
BAB II DASAR TEORI (Sengaja tidak dicantumkan)
2
5. Bila hasil pemeriksaan dapat diterima maka analisis selesai, jika tidak maka dilakukan analisis ulang pada pemodelan struktur.
BAB III METODOLOGI III.1 Metodologi Analisis Seismik START Environmental
Struktur Data Modelling structure with Dummy pile
III.2 Metodologi Analisis Fatigue (Kelelahan) Metodologi yang digunakan dalam analisis fatigue / kelelahan dapat digambarkan dalam bagan alir analisis kelelahan di bawah ini :
Compute
START Natural Period
Seismic Environmental Data (Response Spectrum) Model struktur jacket
Seismic Analysis Input beban gelombang pada sea state Code Check (Member Unity Check) Tegangan Stress dari hasil running SACS 5.2
Acceptabl Perhitungan Spektra Gelombang dan RAO
Perhitungan Spektra Tegangan
List Output: Base Shear Force Support Reaction Stress Ratio Member Stress Member Displacement
Penentuan Siklus Tegangan Kurun Waktu Panjang (Distribusi Rayleigh dan Weibull)
END
Umur Kelelahan (Fatigue Life)
Gambar 3.1 Flow chart analisis seismik
STOP
Adapun metodelogi analisis seismik adalah sebagai berikut : 1. Analisis diawali dengan pemodelan struktur berdasarkan data struktur yang telah ditetapkan. 2. Melakukan perhitungan untuk memperoleh eigen value dimana hasil yang diperoleh berupa periode natural dari struktur. 3. Pemodelan dilanjutkan dengan analisis seismik dengan menggunakan data periode natural dan data seismik yang dialami oleh desain awal struktur. 4. Melakukan pemeriksaan terhadap keamanan struktur.
Gambar 3.2 Flow chart analisis fatigue
Adapun penjelasan dari bagan alir analisis fatigue / kelelahan di atas adalah sebagai berikut : 1. Melakukan analisis beban gelombang reguler untuk menghasilkan RAO respons struktur (Bending Moment, Shear Force); dilakukan untuk berbagai arah gelombang yang sesuai (0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 dan 315).
3
2. Mentransformasikan RAO respons struktur menjadi RAO tegangan (stress analysis). 3. Menentukan mode operasi bangunan laut dengan mempertimbangkan data sebaran gelombang (wave scatter diagram), peluang kejadian arah gelombang, kombinasi H & T gelombang, variasi spektra gelombang (bila ada), kecepatan (untuk kapal yang melaju). 4. Menghitung spektra respons tegangan sesuai dengan mode operasi dalam butir 3. 5. Menentukan jumlah siklus tegangan dan sebaran siklus tegangan dalam kurun waktu pendek sesuai dengan distribusi Rayleigh untuk tiap-tiap mode operasi dalam butir 3. 6. Menghitung sebaran siklus tegangan dalam kurun waktu panjang (yang merupakan penjumlahan siklus tegangan dalam kurun waktu pendek) dengan mempertimbangkan umur operasi T (tahun detik) dan peluang kejadian elemen-elemen dalam mode operasi dalam butir 3), dan menyelesaikan persamaan distribusi sebaran beban kelelahan akan mengikuti distribusi Weibull. 7. Mengkorelasikan hasil analisis dan perhitungan sebaran siklus tegangan dalam kurun waktu panjang dari butir 6 dengan data kelelahan kurva S-N memakai hukum Palmgren-Miner untuk menentukan umur kelelahan sambungan struktur yang ditinjau.
BAB IV PEMODELAN STRUKTUR IV.1 Data Struktur Pemodelan dilakukan dengan bantuan software SACS 5.2. Dengan data profil member sebagai berikut: Tabel 4.1 Dimensi dan profil member struktur
Keterangan Jacket : Horizontal brace 1 (HB) Diagonal brace 1 (DB) Center Brace (CB) Conductor Guide (CG) Riser (RI) Chord (JL) Jacket leg (BJL) Batter / kemiringan
Profil Member OD 22 in; t 0,5 in OD 22 in; t 0,5 in OD 22 in; t 0,5 in W 14 x 53 OD 18 in; t 0,25 in OD 40 in; t 1,0 in OD 45 in; t 3,5 in 1 : 10
Data kedalaman perairan dan dimensi struktur :
Lowest Water Level (LWL) : 131 feet Tinggi chord di atas permukaan laut : 13 feet Tinggi chord di bawah permukaah laut : 131 feet Kedalaman jacket leg dari dasar laut : 16 feet Dimensi horizontal brace lantai atas : 62 x 48 feet Dimensi horizontal brace lantai 2 : 67 x 53 feet Dimensi horizontal brace lantai 3 : 72 x 58 feet Dimensi horizontal brace lantai 4 : 77 x 63 feet Dimensi horizontal brace lantai dasar : 82 x 68 feet Dimensi conductor guide (tipikal) : 6 x 6 feet Tinggi riser dari lantai atas-bawah : 144 feet Panjang jacket leg penumpu beban deck : 7 feet
Untuk panjang struktur seperti center brace dan diagonal brace, disesuaiakan dengan panjang dan tinggi struktur chord dan horizontal brace. Untuk perletakan pada joint, hanya jacket leg yang menembus dasar laut hingga 16 feet tersebut di atas dan riser yang bertemu dengan condudtor guide pada masing-masing lantai yang diasumsikan mempunyai perletakan FIXED, dan joint yang lainnya bukan FIXED.
Keterangan : - Data struktur dan data lingkungan merupakan data fiktif.
4
+ 20.00
Detail dari joint tersebut adalah :
+ 13.00 (LANTAI ATAS)
+ 0.00 (LWL) - 23.00 (LANTAI 2)
- 59.00 (LANTAI 3)
- 95.00 (LANTAI 4)
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 , 18, 19, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 40, 60, 61, 62, 63 A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R, S, T, U, V, W, X, Y, Z 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H, 1I, 1J, 1K, 1L, 1M, 1N, 1O, 1P, 1Q, 1R, 1S, 1T, 1U, 1V 2A, 2B, 2U, 2V, 2W, 2X, 2Y, 2Z 3E, 3F, 3G, 3H, 3I, 3J, 3K, 3L, 3M, 3Q, 3R, 3S, 3X, 3Y, 3Z 4D, 4E, 4F, 4G, 4H, 4I, 4J, 4K, 4L, 4P, 4Q, 4R 5J, 5K, 5L, 5M, 5N, 5O, 5P, 5Q, 5R, 5S, 5T, 5U, 5Y, 5Z IV.2.2 Pemodelan member struktur jacket
- 131.00 (LANTAI DASAR/ DASAR LAUT)
CG - 147.00
Gambar 4.1 Dimensi ketinggian struktur jacket (feet)
JL
IV.2 Pemodelan Joint dan Member Struktur Jacket Pemodelan joint dan member struktur dilakukan dengan menggunakan bantuan software SACS 5.2 dengan memberikan simbol/nama pada masing-masing joint dan member struktur yang membentuk struktur jacket tersebut, sesuai dengan ukuran dan karakteristiknya.
DB
RI
CB
IV.2.1 Pemodelan Joint Struktur Jacket 4 10
12
19
HB
3 1
11
18
2 BJ
F
Gambar 4.3 Detail member struktur jacket
9 O 1B
C
Gambar 4.2 Contoh penamaan joint struktur jacket
5
Detail dari member tersebut adalah : 1. HB Adalah Horizontal Barce yang memiliki ukuran dan karakteristik sebagai berikut : - Outer Diameter (OD) : 22 inch - Web Thickness (WT) : 0.5 inch - E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus : 11.600 ksi - Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft 2. DB Adalah Diagonal Barce yang memiliki ukuran dan karakteristik sebagai berikut : - Outer Diameter (OD) : 22 inch - Web Thickness (WT) : 0.5 inch - E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus : 11.600 ksi - Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft 3. CB Adalah Center Barce yang memiliki ukuran dan karakteristik sebagai berikut : - Outer Diameter (OD) : 22 inch - Web Thickness (WT) : 0.5 inch - E Modulus : 29.000 ksi : 11.600 ksi - G Modulus - Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft 4. CG Adalah Conductor Guide atau bisa juga disebut sebagai Riser Guide yang memiliki ukuran dan karakteristik sebagai berikut : - W 14 x 53 - E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus : 11.600 ksi - Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft 5. RI Adalah Riser yang memiliki ukuran dan karakteristik sebagai berikut : - Outer Diameter (OD) : 18 inch - Web Thickness (WT) : 0.25 inch - E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus : 11.600 ksi - Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft 6. JL Adalah Jacket Leg yang merupakan kaki jacket atau bisa disebut juga sebagai chord yang memiliki ukuran dan karakteristik sebagai berikut :
- Outer Diameter (OD) : 40 inch - Web Thickness (WT) : 1 inch - E Modulus : 29.000 ksi : 11.600 ksi - G Modulus - Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft 7. BJL Adalah Bottom Jacket Leg yang merupakan sambungan dari jacket leg pada bagian dasar laut yang memiliki ukuran dan karakteristik sebagai berikut : - Outer Diameter (OD) : 45 inch - Web Thickness (WT) : 3.5 inch - E Modulus : 29.000 ksi : 11.600 ksi - G Modulus - Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft
IV.2.3 Offseting Offseting dilakukan setelah setiap member pembentuk struktur jacket diberi nama sesuai dengan ukuran dan karakteristiknya. Offsetting, adalah upaya memindahkan ujung-ujung setiap member dengan mengutakatik koordinat sumbu X, Y, dan Z pada ujungujung setiap member yang bertemu pada joint pembentuk jacket pada posisi sedemikian hingga setiap member yang bertemu pada joint tidak mengalami over stress akibat penumpukan ujung member pada joint. Karena hal ini akan berpengaruh kepada UC (Unity Check) pada setiap joint. Semakin rapi offsetting, maka semakin baik pula pemodelannya. Dalam offsetting, sumbu yang digunakan adalah sumbu lokal struktur. Berikut ini akan ditampilkan pemodelan member yang sebelum dan sesudah dilakukan offsetting pada beberapa joint : JOINT 9 :
Gambar 4.4 Sebelum dan sesudah dilakukan offsetting pada joint 9
6
JOINT 10 :
Gambar 4.5 Sebelum dan sesudah dilakukan offsetting pada joint 10 Gambar 4.9 Tampak jacket pada tengah bentang
JOINT 12 :
Gambar 4.6 Sebelum dan sesudah dilakukan offsetting pada joint 12
JOINT O : Gambar 4.10 Tampak depan
Gambar 4.11 Tampak Samping kanan
Gambar 4.12 Tampak belakang
Gambar 4.13 Tampak Samping kiri
Gambar 4.7 Sebelum dan sesudah dilakukan offsetting pada joint O
IV.2.4 Pemodelan akhir jacket dengan program SACS 5.2
Gambar 4.8 Tampak isometri dan tampak atas jacket
7
IV.3 Pemodelan Seismik Beberapa asumsi yang dipakai dalam pemodelan diantaranya adalah sebagai berikut : a. Satuan (Unit) yang dipakai dalam pemodelan SACS 5,2 analisis seismik adalah dalam satuan US. Orientasi Platform adalah 450 terhadap Sumbu Global. b. Dalam pemodelan seismik, struktur yang dipakai adalah berdasarkan data yang telah ditetapkan. IV.3.1 Data Perhitungan Seismik Pada pelaksanaan analisis seismik data yang dibutuhkan adalah sebagai berikut : Tabel 4.2 Data Seismik
Keterangan : - Data struktur dan data lingkungan merupakan data fiktif. Dalam analisa dinamis akibat pengaruh gempa ini tergantung pada faktor-faktor : 1. Frekuensi natural dari struktur 2. Tipe tanah Frekuensi natural diperoleh dari hasil pemodelan struktur menggunakan bantuan perangkat lunak SACS 5.2, menghasilkan data berupa frekuensi dan periode natural dari struktur. Setelah mengetahui tipe tanah dan periode natural, maka dapat dihitung Spectral velocity, Spectral displacement dan Spectral acceleration. Perhitungan dilakukan dengan bantuan grafik “Normalized respons spectrum API RP 2A”.
Dimana , SA = Spectral Acceleration SV = T/2π SA (Spectral Velocity) SD = T2/4 π2 SA (Spectral Displacement) Dengan mengetahui respon spektrum maka dapat diketahui gerakan tanah untuk memperoleh respon secara umum dari struktur. Respon kemudian akan dianalisa dengan model analitis. Perhitungan atau analisa dinamis akibat gempa pada tiap model dilakukan secara otomatis menggunakan perangkat lunak SACS 5.2 dengan metode CQC (Complete Quadratic Combination) Response Spectrum. Dari data seismik di atas dan dengan mengacu pada kurva Elastic Response Spectrum API RP 2A tahun 2002, maka dibuat kurva spektrum respon yang baru baik untuk Horizontal maupun Vertical Effective Ground Motion. Struktur jacket dianalisa dengan menggunakan perangkat lunak SACS 5.2 dengan pembebanan gempa bumi berdasarkan catatan gerak dari gempa bumi (akselerogram), maka akan menyebabkan tegangan dan lendutan yang lebih besar pada berbagai komponen kritis struktur daripada semua beban gabungan lainnya. Aspek yang paling penting dari gerak bumi akibat gempa bumi adalah pengaruh yang akan ditimbulkannya terhadap struktur, yaitu tegangan dan deformasi atau jumlah kerusakan yang akan terjadi. Di dalam pembebanan ini yang terpenting adalah menetapkan karakteristik gerak tanah dari gempa bumi rancangan gempa bumi maksimum yang mungkin terjadi, untuk tugas rancang ini berdasarkan data yang telah ditentukan, dengan acuan spectrum rancangan API-RP 2A tahun 2002. Dengan menggunakan data seismik yang telah ada (Tabel 4.2 Data Seismik) maka dapat dicari nilai spectrum rancangan dengan acuan dari respons spektra pada Normalized respons spectrum API RP 2A . Dari data rancangan seismik dan dengan memasukkan harga damping ratio 2 % dan jumlah mode shape sebanyak 10 serta memasukkan tipe tanah yang mempengaruhi struktur yaitu tipe A maka dihasilkan spektrum rancangan yang nantinya dimasukkan ke dalam perangkat lunak SACS 5.2 sebagai beban gempa yang dapat berupa spectrum percepatan (SA) , kecepatan (SV) dan Displacement (SD) dengan effective 0.125 sebagai berikut ini :
8
Dengan tipe tanah A dan besar periode natural dari struktur, maka dapat dihitung spectral acceleration (Kurva Response SpectraAPI RP2A). IV.4 Pemodelan Fatigue (Kelelahan) IV.4.1 Gelombang Kedalaman perairan (LWL) = 131 ft • Kondisi Operasi Hmax = 16 ft T = 21detik • Kondisi Badai Hmax = 20 ft T = 10 detik Dalam desain digunakan gelombang kondisi badai dimana kondisi maksimum terjadi. Selain itu juga digunakan kondisi gelombang operasional. Teori gelombang ditentukan dari grafik Region of Validity API RP 2A-WSD dengan parameter-parameter berikut :
d gT H gT
2
= 0 , 028
2
= 0 , 008
Dari parameter tersebut didapat bahwa teori gelombang yang digunakan adalah Stokes Orde 5. IV.4.2 Arus • Kondisi Operasi Kecepatan Arus (permukaan) = 1.2 knot Kecepatan Arus (dasar laut) = 0.2 knot • Kondisi Badai Kecepatan Arus (permukaan) = 2.1 knot Kecepatan Arus (dasar laut) = 1.6 knot Dari data jacket dan lingkungan serta beban deck yang te;ah ditentukan, dimasukkan ke dalam software SACS 5.2. Data lingkungan beserta data beban perlu diperhitungkan, karena pemodelan SACS 5.2 dimaksudkan untuk mewakili gambaran kondisi sesungguhnya di lapangan. Dimana kondisi pada lapangan, beban yang bekerja adalah berat sendiri beserta dengan seluruh beban ruangan dan beban gelombang dimana struktur tersebut diletakkan.
Setelah semua data di atas dimasukkan, maka ditambahkan pula data berupa beban gelombang berulang yang didapat dari data yang telah ditentukan. Berikut ini adalah data gelombang berulang : Tabel 4.3 Tabel Number of Wave Occurrances
Keterangan : - Data struktur dan data lingkungan merupakan data fiktif. Setelah data beban gelombang berulang tersebut dimasukkan ke dalam software, maka langkah selanjutnya adalah menganalisis kondisi struktur jika dikenai beban kombinasi yang berasal dari beban sendiri yaitu berat jacket, deck beserta beban lingkungan dan beban gelombang yang berulang.
BAB V ANALISIS STRUKTUR V.1 Analisis Seismik V.1.1 Urutan Analisis Seismik SACS 5.2 1. Masukkan input data seismik : (dalam satu folder) - dyninp - DYRINP - DYNMOD - DYNMAS Masukkan Data struktur : - Jacket (Edit notepad/wordpad, dan pastikan beban yang bekerja hanya beban Deck). 2. Running Static Analysis, Analysys Static Linear dari data struktur yang telah dibuat, Jacket. sehingga muncul file : - SACCF.DEMO05B
9
- SEAOCI.DEMO05B, dll. 3. Running Dynamic Analysis, Earthquake : - Masukkan data lingkungan, DYRINP - Masukkan data Mode Shape, DYNMOD - Masukkan data Mass, DYNMAS - Masukkan file SACCF.DEMO05B 4. FINISH Dalam analisis dinamis akibat pengaruh gempa ini tergantung pada faktor-faktor : 1. Frekuensi natural dari struktur 2. Tipe tanah Frekuensi natural diperoleh dari hasil pemodelan struktur menggunakan bantuan perangkat lunak SACS 5.2, menghasilkan data berupa frekuensi dan periode natural dari struktur. Tabel 5.1 Output analisis seismik (Periode dan frekuensi natural)
Mode No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Periode (sec) 0.14039 0.14407 0.15548 0.17348 0.19001 0.23629 0.30361 0.32423 0.75460 0.78272
Frekuensi (Cyc/Sec) 7.12290 6.94100 6.43150 5.76420 5.26300 4.23200 3.29370 3.08420 1.32520 1.27760
Hasil dari analisis seismik berupa frekuensi natural dapat dilihat secara lengkap pada lampiran 2 (Seismic analysis Running) pada bagian responses for CQC method in X, Y, atau Z direction. Setelah mengetahui tipe tanah dan periode natural, maka dapat dihitung Spectral velocity, Spectral displacement dan Spectral acceleration. Perhitungan dilakukan dengan bantuan grafik “Normalized respons spectrum API RP 2A” Dengan, SA = Spectral Acceleration SV = T/2π SA (Spectral Velocity) SD = T2/4 π2SA (Spectral Displacement)
Dengan mengetahui respon Spektrum maka dapat diketahui gerakan tanah untuk memperoleh respon secara umum dari struktur. Respon kemudian akan dianalisis dengan model analitis. Perhitungan atau analisis dinamis akibat gempa pada tiap model dilakukan secara otomatis menggunakan perangkat lunak SACS 5.2 dengan metode CQC (Complete Quadratic Combination) Response Spectrum. Dari data seismik di atas dan dengan mengacu pada kurva Elastic Response Spectrum API RP 2A tahun 2002, maka dibuat kurva spektrum respon yang baru baik untuk Horizontal maupun Vertical Effective Ground Motion. Struktur jacket dianalisis dengan menggunakan perangkat lunak SACS dengan pembebanan gempa bumi berdasarkan catatan gerak dari gempa bumi (akselerogram), maka akan menyebabkan tegangan dan lendutan yang lebih besar pada berbagai komponen kritis struktur daripada semua beban gabungan lainnya. Aspek yang paling penting dari gerak bumi akibat gempa bumi adalah pengaruh yang akan ditimbulkannya terhadap struktur, yaitu tegangan dan deformasi atau jumlah kerusakan yang akan terjadi. Di dalam pembebanan ini yang terpenting adalah menetapkan karakteristik gerak tanah dari gempa bumi rancangan gempa bumi maksimum yang mungkin terjadi, untuk tugas rancang ini berdasarkan data yang telah ditentukan, dengan acuan spectrum rancangan API-RP 2A tahun 2002. Dengan menggunakan data seismik yang telah ada (Tabel 4.1 Data Seismik) maka dapat dicari nilai spectrum rancangan dengan acuan dari respons spektra pada Normalized respons spectrum API RP 2A . Dari data rancangan seismik dan dengan memasukkan harga damping ratio 2 % dan jumlah mode shape sebanyak 10 serta memasukkan tipe tanah yang mempengaruhi struktur yaitu tipe A maka dihasilkan spectrum rancangan yang nantinya dimasukkan ke dalam perangkat lunak SACS sebagai beban gempa yang dapat berupa spectrum percepatan (SA) , kecepatan (SV) dan displacement (SD) dengan effective groundnya 0.125 g sebagai berikut ini : Dengan tipe tanah A dan besar periode natural dari struktur, maka dapat dihitung spectral acceleration (Kurva Respons SpectraAPI RP 2A).
10
Tabel 5.3 Periode natural dan spectral acceleration
T 0.78272 0.75460 0.32423 0.30361 0.23629 0.19001 0.17348 0.15548 0.14407 0.14039
Gambar 5.1 di atas merupakan hasil dari analisa seismik yang berupa periode natural dan normalize acceleration. Dimana, normalize acceleration = SA/G. Untuk mencari nilai spectral acceleration (SA), maka periode pada Tabel 5.1 dipotongkan dengan kurva normalize spectra di atas untuk ditarik garis menuju normalize acceleration (SA/G). Setelah nilai SA/G didapatkan, maka untuk perhitungan selanjutnya, nilai SA/G dikalikan dengan besarnya 0.125 g yang merupakan data seismik yang telah diberikan pada perencanaan struktur jacket. Tabel 5.2 Plotting periode natural dan normalize acceleration
T 0.78272 0.75460 0.32423 0.30361 0.23629 0.19001 0.17348 0.15548 0.14407 0.14039
SA/G 1.03333 1.09200 2.56000 2.56000 2.56000 2.56000 2.56000 2.56000 2.56000 2.56000
Kurva respon spektra tersebut digunakan untuk struktur dengan modal damping sebesar 2%. Hal ini didasarkan atas data yang telah ditetapkan sebelumnya. Tabel 5.4 Nilai Accelaration, Velocity, Displacement dari spectra curve
No.
T
SA
SV
SD
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0.78272 0.75460 0.32423 0.30361 0.23629 0.19001 0.17348 0.15548 0.14407 0.14039
1.26712 1.33907 3.13920 3.13920 3.13920 3.13920 3.13920 3.13920 3.13920 3.13920
0.15785 0.16082 0.16199 0.15169 0.11806 0.09493 0.08668 0.07768 0.07198 0.07014
0.01966 0.01931 0.00836 0.00733 0.00444 0.00287 0.00239 0.00192 0.00165 0.00157
Spectral Acceleration(SA)
Gambar 5.1 Output analisis seismik (Periode dan Normalized Acceleration)
SA 1.26712 1.33907 3.13920 3.13920 3.13920 3.13920 3.13920 3.13920 3.13920 3.13920
Grafik Spectra Acceleration Terhadap Periode
4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Periode (T)
11
Spectra Velocity (SV)
Grafik Spectra Velocity Terhadap Periode
Tabel 5.5 Massa total
0.20
FORCE (Lb) Keterangan
0.15 0.10
Massa total
X
Y
Z
8497.907
8647.271
8310.334
0.05 0.00 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Keterangan : Massa total = Massa struktur
1.0
Spectra Displacement (SD)
Periode (T)
Massa total struktur didapatkan dari hasil analisis seismik yang secara lengkap dapat dilihat pada lampiran 2 (Seismic Analysis Running) pada bagian total mass.
Grafik Spectra Displacement Terhadap Periode
0.15
2. Reaksi Tumpuan (Support Reaction)
0.12
Reaksi tumpuan yang terjadi pada struktur jacket akibat beban kombinasi adalah sebagai berikut :
0.09 0.06 0.03 0.00 0.0
0.5
Tabel 5.6 Reaksi tumpuan
1.0
Periode (T) Gambar 5.2 Kurva Spektrum Respons
Perhitungan atau analisis dinamis akibat gempa pada model dilakukan secara otomatis menggunakan perangkat lunak SACS dengan metode CQC (Complete Quadratic Combination) Response Spectrum. Kemudian analisis seismik (CQC) dikombinasikan dengan beban static sebagai berikut: a. Kondisi pembebanan 1 : merupakan kombinasi antara beban statik (live + dead load) dengan beban dinamis, yang mana beban aksial diasumsikan sebagai tensile. b. Kondisi pembebanan 2 : merupakan kombinasi antara beban statik (live + dead load) dengan beban dinamis, yang mana beban aksial diasumsikan sebagai compresive. V.1.2 Hasil Perhitungan Analisis Seismik
Force (Kips)
Joint
Moment (Ft-Kips)
X
Y
Z
X
Y
Z
6A
50,750
54,261
717,545
160,53
21,695
-6,889
6B
-48,540
60,691
707,819
-166,462
23,112
-4,025
6C
-46,912
-36,154
618,195
-89,630
-47,496
-13,198
6D
42,204
-43,419
659,688
95,606
-63,352
-13,708
Dari data diatas dapat diketahui bahwa reaksi tumpuan terbesar terdapat pada joint 6A pada arah Z sebesar 717,545 Kips. Untuk perhtiungan momen maksimim, terdapat pada joint 6B pada arah X sebesar -166,462 Ft-Kips. Untuk dapat melihat hasil secara lengkap perhitungan reaksi dan momen pada masing-masing joint, dapat dilihat pada lampiran 2 (Seismic Analysis Running) pada bagian reaction forces and moments
SACS 5.2 Hasil perhitungan SACS untuk analisis Seismik adalah sebagai berukut : 1. Massa total struktur
3. Joint Displacement Maksimum : Joint displacement maksimum untuk struktur Jacket adalah sebagai berikut :
Dari hasil pemodelan dapat diketahui massa struktur secara keseluruhan (massa total) seperti terlihat dalam tabel berikut :
12
Tabel 5.7 Maximum joint displacement
-
Dari hasil analisa di atas, didapatkan maximum joint displacement pada masingmasing arah X, Y, dan Z. Untuk hasil analisisnya yang lebih lengkap, dapat dilihat pada lampiran 2 (Seismic Analysis Running) pada bagian joint deflections and rotations.
Allowable stress : 21.6 ksi UC (Unity check) : 0.847
Joint 3I adalah titik pertermuan antara member 1H dan 1I yang merupakan horizontal brace dengan unity check 0.792. - Critical condition stress : 17.11 ksi - Allowable stress : 21.6 ksi - UC (Unity check) : 0.792
4. Unity check Maksimum : Unity check adalah Critical condition stress dibagi Maximum condition stress. Menurut API RP 2A WSD suatu struktur dikatakan aman jika struktur tersebut mempunyai unity check < 1.0. Unity check maksimum struktur Jacket adalah sebagai berikut :
1G
1J
3I
Tabel 5.8 Maximum Unity Check
JOINT
MEMBER
UNITY CHECK
LC
1G
2-3H (HB)
0.918
1
1J
3-3J (HB)
0.847
1
3I
1H-1I (HB)
0.792
1
Dari hasil analisis di atas, dapat diketahui 3 joint paling kritis, yaitu joint IG, IJ, dan 3I, dengan detail perhitungan sebagai berikut : Joint IG adalah titik pertermuan antara member 2 dan 3H yang merupakan horizontal brace dengan unity check 0.918. - Critical condition stress : 19.82 ksi - Allowable stress : 21.6 ksi - UC (Unity check) : 0.918
Gambar 5.3 Letak 3 joint kritis
Untuk perhitungan lebih lengkap dan detail mengenai UC (Unity check) masingmasing joint pada struktur jacket, dapat dilihat pada lampiran 2 (Seismic Analysis Running) pada bagian Load through chord report.
Joint IJ adalah titik pertermuan antara member 3 dan 3J yang merupakan horizontal brace dengan unity check 0.847. - Critical condition stress : 18.29 ksi
13
: ½ * π. ρ. t (R12-R22)( R12+R22)
5. Member Stress Control Untuk contoh perhitungan kontrol tegangan pada member, maka diambil contoh perhitungan pada member 2 – 1G, dimana joint 1G mempunyai unity check terbesar, yaitu 0.918. : 1G
- Member
: 2 – 3H
- Panjang
: 13.33 feet
- OD (Outer Diameter)
: 22 inch
- Tebal Member (t)
: 0.5 inch
- Fy
: 36 ksi
- E (Modulus Elastisitas)
: 29,000 ksi :1
- A (Luas permukaan) : ¼ * π * (22² - 21²) : 33.372 inch²
Axial tension stress : Berdasarkan hasil perhitungan SACS 5.2, nilai axial tension stress pada member 2-1G adalah, ft = 19.82 ksi Berdasarkan API RP 2A WSD 2000 pasal 3.2.1, besar tegangan aksial tarik ijin adalah, Ft = 0.6 fy Ft = 0.6 * 36 Ft = 21.6 ksi Sehingga, ft < Ft ......................... (memenuhi) Unity Check (ft / Ft) = 0.918 Axial compression stress :
: 0.28356 lb/in³
Berdasarkan hasil perhitungan SACS 5.2, nilai axial compression stress pada member 2-1G adalah, fa = 0.92 ksi Berdasarkan API RP 2A WSD 2000 pasal 3.2.1, besar tegangan aksial tekan ijin adalah, 0.5 2π 2 E Cc = Fy
- Jari-jari luar (R1)
: 11 inch
- Jari-jari dalam (R2)
: 10.5 inch
- ρ = γ member
: 0.28356 lb/in³
- tebal
: 0.5 inch
- dm
: ρ.dV : ρ.2πr.dr.t : ρ.2πt.r.dt : π. ρ. t (R1² - R2²) : 3.14*0.28356*0.5(11²-10.5²) : 4.7882 lb
∫ r ² dm
0.5
Cc = 308.88
KL 1x(159.96) = R 10.75
KL < Cc, maka R
( )
Kl r Fy 1 − 2 2 Cc Fa = 3 Kl Kl 3 5 + r − r 3 8 Cc 8 Cc 3 2
R2
R1
: 2. π. ρ. t
2 2 π 29,000 Cc = 36
KL = 14.88 R
R1
I (Momen Inersia) :
: /
r (jari-jari girasi)
: 490 lb/ft³
Mencari momen inersia
-m
: 553.637 in4
Dari API RP 2A WSD 2000
= 159.96 inch
γ member
: ½ * 4.7882 * (112 + 10.52)
: 10.75 inch
- Joint
- K (Faktor panjang efektif)
: ½ * m * ( R12+R22)
∫ r ³ dr
R2
: ½ * π. ρ. t (R14-R24)
14
(14.88)2 36 1 − 2 x308.882 Fa = 3 5 + 3(14.88) − (14.88) 3 8 x308.88 8 x308.883 Fa = 21.343 ksi Sehingga, fa < Fa ...............................(memenuhi) Unity Check (fa / Fa) = 0.043 Bending Stress: Berdasarkan hasil perhitungan SACS 5.2, didapatkan nilai bending stress terbesar terdapat pada member 2-1G, yaitu : fb = 11.42 ksi
4. Buat folder baru untuk memindahkan hasil running static analysis (SACCF) dan Input Fatigue (ftginp). 5. Running Post Processing, Fatigue Damage, dan masukkan secara berurutan data ftginp, SACCF1, SACCF2, SACCF3, SACCF4, SACCF5, SACCF6, SACCF7, SACCF8. 6. FINISH Berdasarkan hasil perhitungan SACS 5.2, maka kita bisa dapatkan 3 joint paling kritis, yaitu : • • •
Joint 1G Joint 1J Joint 3I
Dari hasil perhitungan SACS 5.2, kita mendapatkan data output berupa tegangan aksial, Y-bending, dan Z-bending pada 3 joint 1500 1500 kritis tersebut. Dari gaya-gaya nominal tersebut, 1500 D 3000 = = 41.667 < ≤ , maka kita masukkan ke dalam perhitungan HSS (Hot fy 36 fy t fy Spot Stress) yang didapatkan dari perkalian gaya 3000 3000 nominal dengan SCF. Nilai HSS adalah nilai = = 83.33 tegangan maksimum yang bekerja pada joint. fy 36 Dari nilai HSS tersebut, kita masukkan ke dalam Tegangan bending ijin (API RP 2A WSD kurva S-N untuk mendapatkan nilai N (cyclic). 2000 pasal 3.2.3), Dari nilai N, dengan hukum Palmgren-Miner dapat ditentukan besarnya kerusakan (D) dari fyD tiap-tiap joint sehingga dapat ditentukan umur Fb = 0.84 − 1.74 fy kelelahan (tahun) dengan formulasi 1/D untuk Et masing-masing variasi tinggi dan periode 36 x 22 gelombang serta arah pembebanan. Fb = 0.84 − 1.74 36 29000 x0.5 V.2.2 Hasil Perhitungan Analisis Fatigue D 22 = = 44 t 0.5
Fb = 26.81865 ksi fb < Fb ………………………….(memenuhi) Unity Check (fb / Fb) = 0.426 Dari perhitungan manual di atas, dapat disimpulkan bahwa pada member 2-1G mengalami unity check maksimum pada tegangan tarik aksial. V.2 Analisis Fatigue (Kelelahan) V.2.1 Urutan Analisis Fatigue SACS 5.2
1. Masukkan data Input Fatigue, ftginp. pada 1 folder. 2. Buat Notepad struktur + data lingkungan pada 8 arah. 3. Running Static Analysis, Linear Static Analysis, pada masing-masing arah, sehingga muncul file : - SACCF., dll
SACS 5.2
Berikut ini adalah hasil akhir perhitungan umur kelelahan pada 3 joint kritis untuk setiap arah pembebanan dengan menggunakan program bantu SACS 5.2 : Design Life Safety Factor Total Life Ratio
: 10 tahun :2 : 1,744
Dari hasil perhitungsn di atas, maka dapat diketahui bahwa umur dari struktur jacket akibat fatigue adalah : : Design Life * Toatl Life Ratio :
10
*
1,744
: 17,44 tahun. Untuk perhitungan fatigue/kelelahan yang lebih lengkap dan detail, dapat dilihat pada lampiran 3 (Fatigue Analysis Running).
15
BAB VI PENUTUP VI.1 Kesimpulan
Adapun kesimpulan yang dapat diperoleh dari berbagai analisis dalam Tugas Akhir dengan judul Jacket Design Under Seismic Loading adalah sebagai berikut : 1. Dengan analisis seismik dapat diketahui bahwa jacket yang didesain cukup kuat untuk bertahan pada gempa dengan effective ground aceleration 0.125 g. Hal ini dapat dilihat dari besarnya UC (Unity check) yang tidak lebih besar daripada 1. 2. Dengan analisis fatigue (kelelahan) dapat diketahui bahwa umur desain dari struktur jacket yang didesain hanya untuk masa operasi kurang lebih 17,4 tahun untuk safety factor 2. VI.2 Saran
Setelah melakukan analisa seismik dan fatigue terhadap struktur jacket yang didesain berdasarkan data yang ada dengan menggunakan program SACS 5.2, penulis memberikan beberapa saran antara lain:
”TERIMA KASIH”
1. Perlu dilakukan studi lebih lanjut mengenai ilmu bangunan lepas pantai didalam analisa yang lebih komplek dengan memperhatikan aspek yang lebih detail lagi. 2. Membandingkan dengan data struktur jacket yang asli, karena data yang digunakan didalam merancang struktur jacket di atas adalah data fiktif yang sengaja dibuat sebagai pijakan awal untuk mempelajari ilmu bangunan lepas pantai secara sederhana di jurusan Teknik Sipil ITS.
16
