BAB III PROSEDUR PEMODELAN DAN ANALISA DENGAN ORCAFLEX
Analisis terhadap sebuah struktur bangunan dengan menggunakan perangkat lunak (software) memerlukan pemahaman atas perangkat lunak tersebut. Dimana kita perlu memahami teori dasar yang dipakai dan parameter data yang diperlukan sebagai input data pada software tersebut. Analisis sebuah struktur terapung diawali dengan
pengumpulan parameter data yang diperlukan, kemudian
melakukan pemodelan terhadap konstruksi yang direncanakan. Pemodelan terhadap struktur terapung dengan mengunaan Orcaflex dilakukan dengan melakukan : 9 Pemodelan struktur Pemodelan terhadap struktur yang akan dianalisa dilakukan dengan membuat suatu model sesuai tipe struktur yang direncanakan. Struktur terapung bagian atas dapat berupa FPSO, Semi submersible atau lainnya. Sedangkan struktur penopang dapat berupa mooring line berikut riser. Pemodelan dapat dilakukan secara dicoupled dimana struktur mooring dan riser dianalisis secara terpisah atau secara coupled dimana pemodelan dibuat secara keseluruhan dan lebih kompleks. 9 Pemodelan kondisi lingkungan Pemodelan kondisi lingkungan dilakukan dengan memodelkan kondisi lingkungan laut sekitar struktur dengan menetapkan parameter –parameter lingkungannya seperti batas permukaan, batas dasar laut (seabed), data gelombang, arus dan sebagainya. Jika kedua pemodelan tersebut diatas telah dilakukan maka kita dapat menetapkan tipe analisa struktur terhadap model yang telah dibuat. Analisa terhadap perilaku bangunan lepas pantai dalam menerima pengaruh dari beban bekerja pada struktur. Analisa dapat dapat dilakukan melalui cara :
49
a. Analisis statis merupakan analisis terhadap kemampulayanan model dalam menerima beban statis yang bekerja. Untuk mengevaluasi kemampulayanan struktur tersebut dapat dilihat dengan memeriksa tegangan pads elemen-elemen platform dibandingkan dengan tegangan yang diizinkan. b. Analisis dinamis adalah analisis yang dilakukan berdasarkan pergerakan model dalam kurun waktu tertentu. Analisa ini dilakukan untuk mengetahui kekuatan struktur dalam menerima gaya dari berbagai arch dan besar gaya. Seperti halnya analisa statis, analisa dinamis juga memeriksa tegangan yang terjadi pada elemen-elemen struktur. Berikut adalah ilustrasi sebuah pemodelan struktur dengan menggunakan Orcaflex OrcaFlex 8.4a9:A06 Steep SRiser.dat (modified 2:00 PMon 3/22/2000 by OrcaFlex 8.0a7) (azimuth=280;elevation=-10) Reset
20m
Z Y X
Gambar III.1. Ilustrasi pemodelan struktur dalam Orcaflex
III.1.
Pendahuluan mengenai Program Orcaflex Orcaflex merupakan sebuah program pemodelan dinamis untuk analisa
statis maupun dinamis flexible pipeline/riser maupun cable system pada konstruksi terapung di laut. Orcaflex biasanya digunakan pada industri offshore untuk analisa riser di unit produksi maupun tanker loading buoys, pemasangan kabel bawah laut, instalasi alat-alat di dasar laut, mooring untuk penelitian oseanografi dan lain-lain.
50
Pada dasarnya orcaflex merupakan program berdasarkan 3D non-linear finite element, sehingga program ini dapat menganalisa perpindahan yang besar pada struktur fleksibel seperti riser pun kabel mooring.
III.1.1 Sistem Koordinat ORCAFLEX menggunakan suatu sistem koordinat GXYZ, dimana G adalah titik pusat global dan GX,GY dan GZ adalah arah koordinat global. Selain itu, terdapat pula sistem koordinat lokal yang terdapat pada setiap objek yang terdapat pada model. Semua sistem koordinat pada orcaflex menggunakan aturan tangan kanan seperti yang terdapat pada gambar berikut:
Gambar III.2. Koordinat sistem (sumber: Orcaflex User Manual. Ver.9.0a) III.1.2 Konvensi Arah
Arah gelombang, arus maupun angin yang ditentukan dalam ORCAFLEX mengikuti arah yang terdapat pads diagram Cartesius, dimana arah positif mengikuti arah x dan y dari koordinat global.
51
Gambar III.3 Ilustrasi arah global (sumber: Orcaflex User Manual. Ver.9.0a)
III.2. Analisa Static pada Orcaflex Analisa statis dengan menggunakan Orcaflex memiliki dua tujuan, yaitu:
Untuk menentukan konfigurasi kesetimbangan dari sistem berdasarkan berat sendiri, gaya apung, hydrodynamics drag dan lainlain.
Untuk menyediakan konfigurasi awal model untuk simulasi dinamis.
Pada umumnya, konfigurasi kesetimbangan statis adalah titik awal terbaik untuk simulasi dinamis. Kesetimbangan statis ditentukan dari satu atau lebih perhitungan iterasi yang saling terkait. Pada permulaan perhitungan posisi awal vessel atau 3D-6D-buoy ditentukan dari data yang lalu menjadi data awal untuk posisi akhir dari line yang berhubungan dengan vessel atau buoy tersebut. Konfigurasi
kesetimbangan
setiap
line
yang
diperhitungkan
menentukan gaya yang bekerja pada struktur lainnya. Output kesetimbangan gaya-gaya yang bekerja pada vessel lalu dihitung dalam matriks kekakuan.dan posisi baru untuk Vessel atau 6D-buoy dengan menggunakan metode Newton Rhapson. Perhitungan ini berulang hingga mendapatkan konfigurasi vektor gaya yang bernilai nol.
52
III.2.1
Analisa Statis Pada Line
Analisa statis pada line dianalisa dengan dua tahapan. Tahapan-tahapan tersebut adalah:
Tahap 1 Tahap pertama pada analisa statis adalah menghitung konfigurasi line yaitu posisi semua titik pada line. Tahap ini dapat dilakukan dengan menggunakan beberapa metode yaitu: Catenary, Spline, Quick, atau Prescribed. a. Catenary Statics Analisa dengan metode catenary adalah menghitung posisi kesetimbangan pada line namun mengabaikan efek akibat lentur dan kekakuan torsi pada line atau pada kedua ujungnya. Pada metode catenary juga mengabaikan gaya kontak antara line dengan solid shapes dalam model. Selain hal tersebut, metode catenary menghitung semua efek lainnya seperti berat, gaya apung, elastisitas aksial, drag, seabed touchdown dan friksi. Karena efek kekakuan lentur tidak termasuk dalam metode catenary posisi akhir yang didapatkan dari metode ini bukanlah posisi kesetimbangan. Bila analisa full static disertakan dalam penghitungan berikutnya efek lentur dan torsi tidak berpengaruh secara signifikan pada struktur. Walaupun begitu posisi akhir yang didapat dari metode catenary cukup mendekati posisi kesetimbangan,. terutama jika kekakuan lentur bukan merupaka faktor utama yang mempengaruhi struktur. Algoritma metode Catenary merupakan algoritma yang baik dan efisien jira digunakan pada kasus nyata, namun tidak dapat menangani kasus pada line yang mengalami tekanan. Hal ini disebabkan oleh kekakuan lentur yang diabaikan, sehingga tekanan
53
akan menyebabkan line mengalami tekuk (snack) dan ini bukan merupakan solusi yang baik.
b.
Spline Statics Metode spline memberikan bentuk awal berdasarkan kurva spline Bezier. Namun hasil ini bukanlah posisi kesetimbangan, oleh karena itu penghitungan full statics perlu disertakan dalam analisa ini jika posisi kesetimbangan perlu diketahui. Kurva Bezier berfungsi sebagai titik-titik kontrol sehingga line akan berusaha untuk mengikuti bentukan dari kurva Bezier.
c.
Quick Statics Metode ini mengabaikan banyak efek, diantaranya gaya apung, drag, kelenturan, kekakuan torsi dan interaksi dengan seabed dan solid shapes. Kenyataannya metode ini hanya diperbolehkan dalam kalkulasi berat rata-rata line dan elastisitas aksial. Oleh karena itu untuk mendapatkan posisi kesetimbangan harus disertai dengan penghitungan full statics.
d.
Prescribed Statics Metode ini dibutuhkan dalam analisa instalasi tepatnya penegangan riser. Metode ini menyediakan cara yang balk dalam menciptakan line yang terbaring padaseabed sebagai posisi awal.
Tahap 2 Tahap kedua analisa adalah Full Statics yang merupakan tahap opsional artinya bisa disertakan ataupun tidak. Bila analisa Full Statics disertakan maka pada akhir penghitungan akan mendapatkan posisi kesetimbangan dari line yang sebenarnya. Perhitungan dilakukan dengan cara iterasi, oleh karena itu dibutuhkan titik awal yang mana titik awalnya ditentukan dari titik yang didapatkan dari hasil analisa tahap 1. Namun jika analisa Full Statics
54
tidak disertakan maka pada line hanya akan didapatkan posisi yang merupakam hasil analisa statis tahap1
dimana posisi ini belum tentu
merupakan posisi kesetimbangan yang sebenarnya. Metode full statics melibatkan semua gaya yang bekerja pada model struktur dalam Orcaflex, termasuk efek akibat kekakuan lentur dan interaksi dengan shapes. Berbeda dengan catenary statics yang mengalami beban kejut akibat diabaikannya kekakuan lentur dan interaksi dengan shapes, adanya kedua efek ini dalam full statics menjadikan analisa statik tidak mengalami beban kejut. Full statics membutuhkan bentukan awal dari line, hal ini hanya dapat didapatkan dari analisa statik pada tahap 1. Untuk kasus yang memiliki interaksi dengan seabed atau dengan bagian line yang memiliki gaya apung sebaiknya menggunakan metode catenary, apabila line tidak memilikinya sebaiknya menggunakan metode quick. Untuk line yang berinteraksi dengan shape metode spline merupakan analisa yang paling tepat.
III.2.2 Analisa Statis Pada Buoy dan Vessel Dalam analisa statis untuk penghitungan buoy atau vessel, terdapat dua opsi yaitu:
Buoy dan vessel disertakan dalam analisa statis. Dalam analisa ini buoy dan vessel ditentukan oleh Orcaflex posisi kesetimbangannya dalam kesuluruhan sistem.
Buoy dan vessel tidak disertakan dalam analisa statis. Dalam analisa ini posisi inisial buoy dan vessel merupakan posisi yang digunakan untuk konfigurasi kestimbangan sistem.
55
III.2.3 Analisa Dinamis Analisa dinamik menggunakan Orcaflex adalah analisa dengan menggunakan simulasi model struktur untuk perioda waktu tertentu, yang dimulai dari posisi kesetimbangan yang telah dianalisa pada analisa statis. Perioda simulasi ditentukan dalam beberapa tahapan yang ditentukan dalam data. Beragam aspek pengontrol dapat di set dalam setiap tahapan. Sebelum tahapan utama Orcaflex menyediakan tahap build-up yaitu saat gelombang dan pergerakan vessel dikembangkan dari kondisi nol menuju kondisi sebenarnya. Cara ini memberikan awal yang balk di permulaan dan mengurangi perpindahan (transient) yang dihasilkan pada analisa statis. Analisa dinamis pads Orcaflex adalah simulasi pada domain waktu yang menggunakan integrasi eksplisit euler dengan tahapan waktu yang konstan yang ditentukan pada masukan data. Pada awal simulasi, posisi awal dan orientasi seluruh objek pada model didapatkan dari hasil analisa statis. Gaya dan momen yang bekerja pada setiap freebody dan node berasal dari:
berat sendiri
gaya apung
hydrodynamics drag
hydrodynamics added mass effect
Tegangan and gaya geser
Kelenturan dan torsi
Gaya kontak benda lain
Gaya akibat link dan winch
Persamaan gerak yang digunakan adalah persamaan Newton orde dua. Persamaan ini berlaku pada setiap freebody dan setiap line node.
Mx” = F – Cx’ - Kx
56
(3.1)
Dimana M adalah matriks massa untuk benda tersebut C adalah matriks redaman (damping) K adalah matriks kekakuan F adalah vektor gaya eksternal x,x’,x” adalah posisi, kecepatan dan percepatan Tahapan waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan integrasi yang stabil haruslah sangat pendek. Gaya hidrodinamik umumnya sedikit berubah pada interval waktu yang pendek. Waktu simulasi ditentukan berdasarkan built up time pada awal simulasi. Selama built up time, amplitude gelombang dan pergerakan vessel meningkat dari nol menuju amplitude penuh sesuai dengan data yang disajikan.
III.2.4 Pemodelan Sistem Untuk melakukan analisa terhadap suatu marine system, sebagai pemulaan kita harus membuat suatu model matematis dari struktur dan kondisi lingkungan sebenarnya.
III.2.4.1 Object Connections Lines, links, winches, vessel, 3D buoy, 6D buoy dan shapes adalah objek yang terdapat pada program ORCAFLEX untuk memodelkan suatu struktur. Objek-objek diatas dapat dihubungkan antara satu dengan lainnya.
Pertama-tama
yang
perlu
diperhatikan
adalah
menghubungkan sebuah line dengan objek lain. Line memiliki dua bush joint, masingmasing di kedua ujungnya, yang digambarkan dengan segitiga pads ujuna A dan segi empat untuk ujung B. Masing-masing joint ini dapat diset free atau dihubungkan dengan vessel, 3D buoy, 6D buoy ataupun seabed. Ketika joint dihubungkan dengan objek lain, maka ujung line akan mengikuti pergerakan dari objek yang dihubungkan. Seperti halnya line, link dan winch jugs memiliki joint
57
di kedua ujungnya (winch dapat memilki joint tambahan di antara kedua joint ujung) dan dapat dihubungkan dengan objek lainnya, namun dengan beberapa pengecualian berikut:
Link dan winch tidak dapat diset free, harus selalu dihubungkan dengan objek lain.
Joint pada link dan winch dapat dihubungkan dengan line seperti menghubungkan dengan objek lainnya.
Shape memiliki satu bush joint yang dapat dihubungkan dengan vessel, 3D buoy, 6D buoy ataupun seabed.
III.2.4.2 Pemodelan Vessel Vessel biasanya digunakan untuk memodelkan kapal, anjungan terapung, FPSO, atau rigid body lainnya. Setiap vessel memiliki tipe vessel yang mempunyai data RAO dan gambar yang spesifik. Setiap vessel menggunakan aturan tangan kanan untuk sumbu lokal Vxyz. dimana:
V adalah pusat sumbu lokal vessel
Vx, Vy dan Vz adalah arah untuk surge, sway dan heave.
Gambar III. 4 Sumbu Lokal Vessel (sumber: Orcaflex UseManual.Ver.9.0a)
58
Titik-titik pada vessel seperti pada sambungan kabel atau riser ditentukan relatif terhadap sumbu lokal vessel. Titik-titik ini akan
berpindah mengacu kepada sumbu lokal sedangkan rotasi mengacu ke sumbu global.
a. Data Vessel Pada bagian atas data vessel terdapat data untuk menentukan tipe vessel, geometri, dan posisi awal. Selain itu juga terdapat tombol untuk mengakses hasil respon vessel.
Gambar III. 5 Interface data Vessel (sumber: Orcaflex User Manual.Ver.9.0a)
Sedangkan pada bagian bawah menampilkan beberapa bagian yang menampilkan data-data lainnya. Pada bagian Calculation terdapat beberapa metode analisa vessel yang dapat dipilih. Berdasarkan metode analisa tadi barulah bagian lain pada data dibawah ini ditentukan. •
Prescribed Motion
•
Harmonic motion
•
Time History
59
•
Applied Loads
•
Multiple statics
•
Drawing
Vessel dapat disertakan dalam analisa statis untuk menghitung posisi kesetimbangan namun dapat pula tidak disertakan sehingga menjadi boundary condition untuk analisa statis sistem secara keseluruhan.
Analisa dinamis Pergerakan vessel selama analisa dinamis dapat ditentukan melalui berbagai cara. ORCAFLEX membedakan pergerakan motion menjadi dua bagian yaitu primary motions dan superimposed motions.
Primary
motions
digunakan
untuk
steady
atau
pergerakan dengan frekuensi rendah yang dialami vessel. Sedangkan superimposed motions digunakan untuk pergerakan dengan frekuensi yang lebih tinggi pada vessel. Primary motions Pergerakan ini menentukan primary position dari vessel. Hal ini dapat dilakukan dengan beberapa cara di bawah ini:
None. Jika opsi ini yang dipilih maka tidak ada selama analisa dinamis vessel akan tetap berada di posisi yang ditentukan dalam analisa statik.
Prescribed. Jika opsi ini yang dipilih, vessel dapat bergerak ke mana saja selama di permukaan air. Arah pergerakan maupun kecepatan dari vessel dapat ditentukan.
Calculated. Dalam opsi ini ORCAFLEX menghitung beban wave drift yang diakibatkan oleh beban lainnya.
Time History. Pads opsi ini pergerakan vessel diatur dalam data pergerakan berdasarkan waktu.
60
Superimposed Motion Pergerakan ini merupakan offset dari posisi yang dihasilkan dari primary motions. Hal ini dapat dilakukan dengan beberapa cara di bawah ini: • None. Dalam opsi ini tidak terdapat offset sehingga posisi
vessel sama dengan posisi yang dihasilkan oleh primary option. • RAOs + Harmonic. Pada opsi ini vessel berosilasi
secara harmonik pada primary position. Gerakan harmonik ini diakibatkan oleh dua hal. Pertama jika terdapat gelombang dan vessel memiliki RAO, maka offset akan terjadi akibat gerakan harmonik RAO yang ditimbulkan oleh gelombang.
Kedua,
superimposed
motion
jugs
dapat
ditentukan langsung melalui data. • Time History. Pada opsi ini offset vessel diatur dalam
data pergerakan berdasarkan waktu.
b. Tipe Vessel Setiap
tipe
mendefinisikan
vessel
memiliki
berbagai
data
yang
karakteristik vessel tersebut. Dalam sebuah
pemodelan mungkin terdapat lebih dari satu vessel, oleh karena itu faktor penamaan vessel menjadi penting. Ada kalanya vessel-vessel tersebut memiliki karakteristik yang sama, sehingga data tipe vessel yang digunakan cukup satu saja. Data Tipe Vessel Untuk setiap tipe vessel dapat dimasukkan beberpa draught yang berbeda, hanya saja penamaannya perlu dibedakan. Setiap modal vessel harus mencantumkan draught yang mans yang digunakan. Beberapa data vessel berlaku untuk semua draught namun sebagian besar data lainnya bergantung pada
61
draught. Berikut ini data-data yang terdapat dalam tipe vessel: 9 Geometri dan data gambar. Berlaku untuk semua draught. 9 Konvensi yang berlaku untuk arch RAO dan wave drift. Berlaku untuk semua draught. 9 Data RAO. Berlaku secara terpisah untuk setiap draught. 9 Hidrodinamika dan wind drag. Berlaku secara terpisah untuk setiap draught. 9 Data Wave drift. Berlaku secara terpisah untuk setiap draught. 9 Data Inertia dan damping. Berlaku secara terpisah untuk setiap draught. 9 Input data pada interface Type Vessel dan Geometri Name
:Melakukan penamaan pada vessel
Type
:Menentukan tipe, vessel yang digunakan
Length
:Menentukan panjang vessel
Initial position and orientation :Data ini untuk menentukan posisi awal dan sudut vessel terhadap sumbu global Calculation data : Data ini untuk menentukan peghitungan untuk analisa statis maupun dinamis
c. Pemodelan RAO dalam Orcaflex Pergerakan vessel/ FPSO pada gelombang didefenisikan dengan perpindahan Response Amplitude Operators (RAOs), dimana satu derajat kebebasan tertentu untuk satu arah periode dan arah gelombang tertentu. Dua nilai yaitu satu amplitude yang berhubungan dengan
62
amplitude gerakan vessel menjadi amplitude gelombang, dan fasa yang didefinisikan sebagai waktu gerakan vessel yang berkaitan dengan gelombang.
Terdapat beberapa konvensi berbeda untuk mendefenisikan RAOs. Telah dicoba distandarisasikan tetapi tidak berhasil karena ada sedikit perbedaan antara program computer dan model basin, beberapa pernah dibuat konvensi yang berbeda untuk melaporkan model dan data computer. Konvensi yang digunakan Orcina adalah memakai amplitude respons (dalam unit panjang untuk surge, sway, heave dan dalam derajat untuk roll, pitc, yaw) per unit amplitude gelombang dan untuk memakai fasa lag dari waktu puncak gelombang melewati titik awal RAO sampai ekskursi positif maksimum dicapai (dalam kata lain titik awal fasa berada pada titik origin RAO). Persamaan matematiknya : x = R.a cos(ωt − φ )
(3.2)
dimana x adalah perpindahan vessel a, ω adalah amplitude gelombang ( dalam unit panjang) dan frekuensi ( rad/s) t adalah waktu (detik) R,φ adalah amplitudo RAO dan fasa Dalam ORCAFLEX penentuan RAO menggunakan grafik amplitudo dan fasa terhadap periods tertentu.
63
GambarIII.6 Contoh Kurva RAO amplitude(R) vs phase(φ) (sumber: Orcaflex User Manual. Ver.9.0 a)
Grafik RAO menggunakan amplitudo pada sumbu-y dan periode pada sumbu-x.
III.2.4.3
Pemodelan Line Line adalah elemen linier yang fleksibel biasanya digunakan untuk memodelkan kabel, hose, chain, Riser ataupun objek lain yang menyerupainya. Line direpresentasikan dalam Orcaflex dengan menggunakan model lumped mass. Oleh karena itu line terdiri dari kumpulan segment dan titik nodal. Karakteristik sebuah line dapat berbeda-beda, untuk line kontinu yang memiliki karakteristik yang sama dapat dikelompokkan ke dalam satu seksi.
64
G a m b a r I I I . 7 L i n e M o d e l (sumber: Orcaflex User Manual. Ver. 9.0 a) Data Line Name
: Melakukan penamaan pada Link
Include Torsion
: Efek torsi pada line dapat disertakan ataupun ditiadakan
Connections
:M e n e n t u k a n h u b u n g a n l i nk d e n g a n o b j e k lain
Object relative positon : Menentukan posisi relatif line terhadap objek yang dihubungkan. Bending and Twisting Stiffness : Menentukan kekakuan line terhadap bending maupun twisting Content
: Menentukan berat jenis dan tekanan fluida yang berada di dalam line
Section Length
: Menentukan panjang line per seksi
Diameter
: Menentukan diameter dalam dan luar line
65
III.2.4.4 Pemodelan Link Link merupakan model tahanan berupa pegas sederhana atau pegas/peredam yang menghubungkan dua titik pada m o d e l , misalnya
menghubungkan
line
dengan
vessel
atau
menghubungkan buoy dengan anchor. Link menahan kedua titik tersebut dengan tegangan yang ditentukan. Link tidak memiliki massa ataupun beban hidrodinamik. Link sangat berguna untuk memodelkan wire dimana efek akibat massa dan beban hidrodinamik sangat kecil sehingga dapat diabaikan
Gambar III. 8 Tipe Link (sumber: Orcaflex User Manual. Ver.9.0.a)
Tipe link ada dua yaitu:
Tethers Ikatan elastis sederhana yang dapat menahan tarik namun tidak dapat menahan tekan. Panjang dan kekakuan tether dapat ditentukan. Tether tidak dapat menahan gaya-gaya yang bekerja jika tether lebih panjang dari jarak kedua titik yang dihubungkan.
66
Spring/Dampers Merupakan unit yang terdiri kombinasi pegas (spring) dan peredam.(damper). Spring dapat menahan tekan maupun tarik dan antara gaya – panjang merupakan hubungan linear.
Data Link Name
Melakukan penamaan pada Link
Type
Menentukan jenis link (tethers atau spring)
Connections
Menentukan hubungan link dengan objek lain
Unstretched
Menentukan panjang Link Length
Stiffness
Menentukan kekakuan link
Damping
Menentukan besarnya damping pada link
III.2.5 Pemodelan Kondisi Lingkungan III.2.5.1 Pemodelan Kondisi Perairan Hal-hal yang perlu dimodelkan adalah:
Elevasi muka air
Viskositas kinematik fluida
Temperatur fluida
Variasi massa jenis air horizontal
Variasi massa jenis air vertikal
Massa jenis air
III.2.5.2 Pemodelan Kondisi Dasar Laut (Seabed) Hal-hal yang perlu dimodelkan adalah:
Tipe permukaan dasar laut
67
Kedalaman
Kemiringan
Stifness
Damping
III.2.5.3 Pemodelan Kondisi Arus Hal-hal yang perlu dimodelkan adalah:
Variasi arus secara horizontal
Variasi arus secara vertikal
Kecepatan arus
Arah arus
Kedalaman kerja arus
Koefisien kedalaman
III.2.5.4 Pemodelan Kondisi Angin Hal-hal yang perlu dimodelkan adalah:
Massa jenis udara
Tipe kecepatan angin
Kecepatan angin
Arah angin
III.5.5 Pemodelan Kondisi Gelombang Hal-hal yang perlu dimodelkan adalah:
Tipe analisa gelombang
Amplitude gelombang
Periode gelombang
Arah gelombang
68
III.2.6
Hasil pehitungan (Result)
III.2.6.1 Tipe Result Hasil perhitungan analisa dengan Orcaflex dapat disajikan dalam bentuk tabel teks (summary table, full result, offset tabele, statistic, linked statistic atau line clashing repots) atau dalam bentuk grafik ( time histories, range garaph, XY graphs atau spectral response graph).
III.2.6.2 Obyek (Object) Yang dimaksud adalah obyek yang diinginkan untuk didapat hasil perhitungannya.
Untuk lingkungan harus dispesifikasikan kordinat global X,Y,Z pada titik yang diinginkan.
Untuk 6D Buoy yang dipasang wing, hasil hitungan untuk buoy dan untuk ke.cepatan dan percepatan tiap wing dapat dipisah.
Untuk posisi hasil hitungan 6D buoy dan vessel, dilaporkan pada titik di obyek . titik ini dispesifikasikan dalam koordinat lokal obyek.
Untuk line harus dispesifikasikan arc length sepanjang line.
III.2.6.3 Perioda Untuk time histories, grafik X, Y dan range grafik dispesifikasikan periode simulasi untuk dimasukan. Berikut ini
satu tahapan simulasi, the Whole
Simulation, Specified period atau latest Wave ( hanya dijinkan jika gelombang adalah regular). Nilai spesifikasi perioda dapat di set menjadi ‘∼’ (tak hingga) yang diinterprestasikan sebagai
waktu mulai simulasi dan waktu akhir
simulasi secara berturut – turut. Untuk range graph peroida dapat merupakan static state atau instantaneous value . Static state Period hanya diijinkan stelah perhitungan statics dan grafik
69
diperlihatkan sebgai suatu kurva nilai konfigurasi statik. Instantaneous value periode diijinkan ketika simulasi telah dilakukan. Ini akan memperlihatkan sebuah kurva nilai waktu simulasi instantaneous.
III2.6.4 Line result Pada line result dibukukan effective tension, torque, clash force, solid contact force, end force result dan vortex fortex result. Variable yang ada adalah wall tension, Normalised tension, mean axial strain, max axial starin, Direct tensile stress, von Mises Stress, ZZ stress.
Gambar III.9 Time history, Effective tension graph (sumber: Orcaflex User Manual. Ver.9.0.a)
III.2.6.5 Statistik Pelapotan statisitik (statistics report) menyediakan, untuk setiap variabel statistik.
Nilai minimum dan maksimum dan waktu simulasi yang erjadi.
Nilai rata-rata dan standar deviasi.
Statistics ini dilaporkan untuk setiap periode simulasi. Jika Statistics by wave period dipilih kemudian periodenya adalah periode gelombang berurutan.
70
III.2.6.6 Statistik Link Tabel statistik Link berhubungan dengan sejumlah grup variable pada obyek. Untuk variable grup tertentu dan periode tertentu dari simulasi, dengan Orcaflex akan didapatkan nilai minimum dan maksimum tiap variable dan dilaporkan angka ekstrim, waktu ketika terjadi dan nilai variable lainnya pada waktu tersebut. III.2.6.7 Lembar kerja (spreadsheets) Hasil perhitungan numerik ditampilkan dalam format spreadsheet yang kompatibel dan dapat dikspor kedalam file MS Excel.
III.3. Analisa Fatigue III.3.1 Analisa fatigue Analisa Kelelahan struktur (fatigue) dengan menggunakan Orcaflex didasarkan pada
simulasi gelombang regular atau irregular. Dengan
menggunakan result dari pre run-simulation files sebelumnya, kemudian dihitung tegangan yang terjadi pada pipa dan kerusakan akibat kelelahan struktur.(fatigue damage). Ada tiga analisa fatigue dengan menggunakan orcaflex yaitu :
Analisa fatigue dengan menghitung gelombang regular
Analisa
fatigue
dengan
menghitung
gelombang
irregular dan menggunakan metoda penghitungan rainflow cycle.
Analisa fatigue stochastic gelombang irregular dengan metoda spectral.
71
Tahapan dalam melakukan analisa fatigue dengan Orcaflex adalah 1. Melakukan set up dan menjalankan simulasi terhadap model struktur dengan kasus pembebanan dari line yang akan dianalisa. 2. Buka fatigue analysis tool dan lakukan set up data . kemudian simpan sebagai file analisa fatigue dengan ekstensi .ftg. 3. Check terhadap data yang error 4. Hitung tegangan dan damage pada pipa (line).
Ada tiga tipe analisa yang disajikan dalam Orcaflex yaitu :
Analisa Regular Analisa regular didasarkan pada simulasi gelombang regular yang mewakili kasus pembebanan yang terjadi. Untuk setiap kasus pembebanan nilai damage yang terjadi dihitung berdasarkan pada siklus gelombang terakhir dalam simulasi. Nilai damage diskalakan dalam spesifikasi jumlah siklus yang terjadi selama umur struktur dan hal ini memberikan nilai damage akibat kasus pembebanan secara keseluruhan.
Analisa Rainflow Analisa rainflow didasarkan pada simulasi gelombang acak. Analisa ini menggunakan teknik perhitungan berulang untuk memperinci setiap kasus gelombang acak dalam suatu rangkaian sebagian siklus, kemudian hasil damage dihitung menurut aturan Palmgren – Miner.
Analisa spectral Analisa spectral menghitung damage dalam domain frekuensi dengan metoda statistik. Metoda ini membutuhkan suatu fungsi kerapatan spektrum daya (PSD) untuk variabel tegangan yang terinci. PSD ini diperoleh dari simulasi perhitungan respon struktur. Simulasi ini menghitung RAO untuk variabel tegangan kemudian dikombinasikan dengan spectrum kasus pembebanan sehingga mengasilkan PSD untuk
72
tegangan. PSD ini dipakai untuk menghitung damage dengan memakai formula Dirlik atau distribusi Rayleigh.
III.3.2 Data Kasus Beban (Load Case Data) a. Load case data untuk analisa Regular Number of Cycles : Jumlah siklus gelombang dari kondisi beban sebenarnya yang akan terjadi pada line. b. Load case data untuk analisa Rainflow Simulation Period : Perioda dari pre run simulation file yang mendefinisikan kasus beban. Exposure Time : Jumlah total waktu dari sistem pada kasus pembebanan
III.3.3 Analisa data Pada bagian analisa data dalam Orcaflex berisi item diisi datanya, untuk bagian yang akan dianalisa Critical Damage. Adalah suatu batasan kritis. Jika total kerusakan pada titik fatigue melampaui batas kritis maka pada figure damage akan ditandai pada hasil perhitungan. Number of Thetas adalah jumlah theta (N) pada sekeliling lingkaran pipa pada bagian yang akan dihitung analisa fatiguenya. Nilai N dapat dibagikan secara merata dengan nilai 360° / N pada keliling pipa. Arch Length Intervals Pada line yang akan dianalisa, kita lakukan pembagian menjadi beberapa bagian yang memiliki panjang tertentu. Dalam interface Orcaflex panjang bagian tersebut adalah Arc Length Interval yang mana panjang bagian
73
ditentukan dengan From yaitu dari titik mana bagian tersebut dimulai dan To yaitu bagian line tersebut berakhir.
Faktor Konsentrasi Tegangan (Stress Concentration Factor) Saat maximum stress range dipakai dengan kurva S-N untuk menghitung damage, maximum stress range tersebut diskalakan dulu dengan Stress Concentration Factor. Jika tidak ada konsentrasi tegangan yang ditetapkan dalam input maka SCF akan di set dalam Orcaflex dengan nilai 1. Factor ini dapat dipakai pada situasi khusus, dimana asumsi line adalah sebagai pipa sederhana dari material
homogen tidak digunakan. Sebagai
contoh pada titik las tegangan yang terjadi akan lebih terkonsentrasi dari pada bagian pipa lainnya dan kegagalan fatigue akan lebih mungkin terjadi pada area seperti itu. Nilai SCF ditentukan 1.
III.3.4 Kurva S - N S-N Curve adalah kurva yang menunjukan angka siklik menuju kegagalan, N(S), ketika suatu material mengalami siklik berulang hingga menghasilkan suatu stress range S. Orcaflex menggunakan S-N curve untuk menghitung damage dalam analisa fatigue. Jika dibutuhkan kita dapat mendefinisikan sejumlah kurva S-N yang berbeda dan menggunakannya pada arc length yang berbeda sepanjang line. Hal ini akan mempermudah dalam menangani kasus dimana line dibuat dari bagianbagian dengan material yang berbeda. Pada tiap Kurva S-N harus dispesifikasikan batas tegangan fatigue, FL, yang mana stress range dibawahnya tidak terjadi. Hal ini terkadang menjadi referensi sebagai batas ketahanan . Kurva S-N tersebut dalam Orcaflex daoat dispesifikasikan dalam bentuk parameter atau tabel.
74
Ketika kurva S-N didefenisikan dalam bentuk parameter, maka dispesifikasika dua parameter , A dan b dan kurva akan dibentuk dengan persamaan : N=
10 A Sb
(3.3)
Log 10(N) = A – b. Log10(S) Ketika kurva dispesifikasikan sebagai sebua tabel kita akan diberikan sebuah tabel hubungan nilai S dan N. Untuk nilai s dipakai interpolasi linear atau extrapolasi untuk mendapatkan nilai N. S-N Curve Unit Parameter kurva S-N yang dimasukkan harus konsisten dengan unit analisa fatigue. Parameter tersebut yang berhubungan dengan tegangan dalam Mpa, atau dengan unit tegangan lainnya. Changing Unit Dalam merubah unit kurva S-N
kita harus memperhatikan persamaan
sebelumnya yaitu : Log 10(N) = A – b. Log10(S)
(3.4)
Kemudian nilai tegangan S dirubah menjadi S’ = c . S dimana S’ adalah unit tegangan baru maka persamaan (1) menjadi : Log 10(N) = A’ – b’. Log10(S’) Kemudian didapatkan Log 10(N) = A’ – b’. Log10(c.S) =[A’ - b’Log10(c)] – b’. Log10(S) (3.5) Dari persaman (1) dan (2) kita lihat bahwa b’ = b dan A’ = [A +b.Log10(c)]
III.3.5 Titik fatigue (Fatigue Points) Fatigue dianalisa pada sejumlah line atau segmen di pertengahan penampang melintang sepanjang arc length interval line. Bagian archlength didiskritisasi dalam polar koordinat (R, theta) dan dispesifikasikan angka sudut theta, dan
75
menggunakan dua nilai ‘r ‘ satu pada sisi dalam tegangan ,ID, dan satu pada sisi luar tegangan OD. Theta diukur dari sumbu lokal axis x kearah axis y , yang dapat dilihat pada gambar dibawah ini, dimana diperlihatkan titik fatigue akan dianalisa ketika angka sudut theta diset 8, memberikan titik fatigue pada theta = 0, 45,90, 135, 180, 225, 270dan 315
Gambar III.10 Fatigue Points pada arc length cross section (sumber: Orcaflex User Manual. 2005)
Pada akhirnya akan didapatkan jumlah keseluruhan fatigue points = (jumlah arch length ) x (jumlah sudut theta) x 2 dimana damage akan dianalisa.
III.3.6 Kalkulasi Kerusakan (Damage ) Untuk tiap titik fatigue, Orcaflex menghitung nilai kerusakan dan melaporkannya dalam hasil perhitungan fatigue (fatigue result). Berikut adalah tahapan bagaimana perhitungan dilakukan :
Untuk tiap 3 arah tegangan utama (aksial, radial, circumferensial), Orcaflex menghitung time history dari komponen tegangan yang terjadi dalam arah utama, pada titik fatigue pada suatu kasus beban.
Orcaflex kemudian menghitung nilai kerusakan yang berhubungan dengan time history tiga komponen tegangan utama.
76
Orcaflex kemudian memilih tiga nilai kerusakan utama paling besar dan menentukan sebagai nilai kerusakan pada titik fatigue pada satu kasus beban. Worksheet kasus beban pda hasil perhitungan fatigue adalah nilai kerusakan tiap kasus beban pada tiap titik fatigue. Nilai kerusakan akibat kasus beban dilaporkan sebagai kerusakan per jam. Kerusakan terburuk umumnya terjadi pada tegangan ZZ
Orcaflex kemudian menskalakan nilai kerusakan tersebut untuk memungkinkan hubungan dengan kasus beban tersebut.
Langkah tersebut memberikan total exposure damage value dari kasus beban pada titik fatigue. Nilai keseluruhan kerusakan kasus beban nampak dalam Damage Table worksheet pada hasil perhitungan fatigue.
Pada akhirnya , Orcaflex kemudian menyimpulkan nilai total kerusakan kasus beban untuk memperoleh Nilai total kerusakan pada titik fatigue. Nilai ini dibuat dalam bentuk Damage Table worksheet dalam hasil perhitungan fatigue.
III.3.7 Hasil Perhitungan (Result) Hasil perhitungan analisa fatigue disajikan dalam satu Damage Table Worksheet, berikut satu Load case worksheet untuk setiap kasus beban. Ini juga merupakan sebuah Worksheet yang berisikan data kurva S-N.
Lembar Kasus Beban (Load Case Worksheet) Load case worksheet berisi hasil perhitungan tegangan yang disdapat untuk setiap titik fatigue yang dianalisa berikut informasi
seperti data lingkungan yang
diaplkasikan pada kasus beban. Sebuah tabel perhitungan tegangan untuk setiap arc length termasuk interval arc length. Setiap tabel berisi baris hasil perhtungan tiap titik fatigue dalam potongan melintang arc length. Hasil perhitungan adalah stress range (untuk setiap
77
komponen tegangan), Maximum stress range dan nilai kerusakan hasil perhitungan suatu kasus pembebanan. Tegangan maksimum von Mises juga dilaporkan (jika dipilih), tetapi sebagai catatan nilai ini tidak mempengaruhi perhitungan damage. Load case reports juga termasuk detail dimana pada line terjadi kerusakan paling buruk.
Lembar Tabel Kerusakan (Damage Table Worksheet) Damage table worksheet mulai dengan table kerusakan yang berlebihan, yang menampilkan titik fatigue pada keseluruhan kerusakan yang melampaui nilai kerusakan kritis ( yang ditampilkan dalam table title). Detail dimana pada line mengalami kerusakan paling buruk terjadi juga dilaporkan. Kemudian terdapat tabel Other Stress yang ,melaporkan tegangan langsung (Direct stress) maksimum dan minimum serta tegangan geser maksimum dan minimum pada titik fatigue. Pada tabel ini juga dilaporkan tegangan von Mises maksimum. Akhirnya, lembar tabel kerusakan (Damage table worksheet) menyediakan tabel kerusakan untuk tiap arc lengt cross section yang dianalisa. Laporan ini untuk setiap titik fatigue pada cross section , Nilai kerusakan yang terjadi keseluruhan untuk tiap kasus beban dan total kerusakan yang berlebihan. Dalam semua tabel damage, nilai total kerusakan yang melebihi nilai kerusakan kritis yang ditentukan ditandai dengan warna merah.
78
