1
Kajian Buoyancy Tank Untuk Stabilitas Fixed Offshore Structure Sebagai Antisipasi Penambahan Beban Akibat Deck Extension Muflih Mustabiqul Khoir, Wisnu Wardhana dan Rudi Walujo Prastianto Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak–Pondasi pile mempunyai fungsi yang sangat vital dalam pengoperasian suatu fixed offshore structure. Hal ini dikarenakan pondasi pile menopang keseluruhan beban struktur untuk menjaganya agar tetap stabil. Jika dalam masa pengoperasianya struktur platform diberikan penambahan jumlah beban serta terjadi pengurangan daya dukung tanah maka tidak menutup kemungkinan struktur akan mengalami kemiringan. Oleh karena itu perlu tindakan pencegahan dengan memberikan buoyancy tank kepada struktur kaki platform. Hal yang ditinjau dalam penelitian ini adalah nilai pile axial load dan unity chek pada struktur. Struktur diskenariokan terjadi penambahan beban diatas deck sehingga distribusi beban tidak merata pada kaki jacket terutama pada PL1 dan PL4. Beban yang diinputkan sebesar 30 ton pada kaki PL1 dan PL4. Struktur kemudian diberi buoyancy tank untuk memberikan gaya angkat keatas sehingga mampu mengembalikan nilai pile axial load semula. Terdapat dua model pemasangan buoyancy tank, model horizontal dan vertikal. Dari hasil yang didapat, model horizontal yang paling baik untuk struktur tersebut karena memberikan gaya angkat yang merata. Untuk memasangkan buoyancy tank digunakan sambungan klem. Tegangan Lokal yang terjadi pada sambungan mode horizontal yaitu minimum sebesar 3.79 x 10-6 MPa dan maksimum sebesar 169 MPa. Kata Kunci– Buoyancy tank, Pile axial load, unity check, tegangan lokal
I.
PENDAHULUAN
Struktur lepas pantai (Offshore Structure) merupakan struktur yang digunakan untuk eksplorasi maupun eksploitasi minyak dan gas bumi. Secara garis besar terdapat dua macam struktur lepas pantai, yaitu struktur terapung (floating offshore structure) dan struktur terpancang (fixed offshore structure). Pondasi pile mempunyai fungsi yang sangat fital dalam pengoperasian suatu fixed offshore structure. Hal ini dikarenakan pondasi pile menopang keseluruhan beban struktur untuk menjaganya agar tetap stabil. Jika dalam masa pengoperasianya struktur diberikan penambahan jumlah beban serta terjadi pengurangan daya dukung tanah maka tidak menutup kemungkinan struktur akan mengalami
kemiringan. Struktur yang awalnya berdiri tegak akan menjadi miring dan lambat laun akan roboh karena kehilangan stabilitas. Dari aspek itulah perlu adanya solusi agar struktur itu tetap stabil. Struktur fixed offshore structure perlu dianalisa untuk mengetahui bagian kaki struktur mana yang terdapat penambahan beban pondasi pilenya. Setelah diketahui, maka diberikanlah suatu alternatif agar struktur tetap stabil dan tidak mengalami kemiringan dengan buoyancy tank. Bouyancy tank merupakan suatu tanki udara yang dirancang sedemikian rupa sehingga dapat memberikan gaya angkat keatas. Bouyancy tank umumnya digunakan untuk mengangkat fixed offshore platform dari dalam air jika struktur tersebut sudah tidak digunakan lagi. Dalam penelitian ini, bouyancy tank digunakan untuk mempertahankan stabilitas suatu fixed offshore platform yang masih beroperasi dikarenakan adanya penambahan beban diatas deck atau menurunnya daya dukung tanah yang dapat menyebabkan kemiringan pada struktur sehingga struktur tetap dalam kondisi stabil. Buoyancy tank akan dipasangkan menempel pada struktur kaki yang mengalami penambahan beban. Buoyancy tank diharapkan mampu menjaga kaki struktur agar tetap stabil akibat adanya penambahan beban dan pengurangan daya dukung tanah. METODOLOGI Metodologi yang dipakai dalam kajian Tugas Akhir ini adalah dengan menggunakan metode numerik yang kemudian dimodelkan dengan bantuan software. Prosedur pengerjaan yang dilakukan adalah: 1. Pada tahap awal dilakukan studi literatur dengan mencari referensi dari jurnal, tugas akhir, dan buku. Setelah itu mencari data yaitu data lingkungan dan data fisik Fixed Offshore Structure. 2. Setelah memiliki data yang dibutuhkan, kemudian dilakukan pemodelan dengan menggunakan software SACS 5.2. 3. Setelah model selesai, dilakukan kemudian diinputkan beban-beban yang bekerja pada struktur tersebut (diskenario-kan) dengan batasan masalah Tugas Akhir. Skenario yang dimaksud yaitu menginputkan beban sehingga didapat dua pile yang terindikasi kinerjanya menurun.
2 4.
5. 6.
7.
8.
Setelah beban diinputkan, dilakukan analisa in place untuk mengetahui keadaan struktur sebelum diberikan bouyancy tank. Analisa inplace dilakukan saat kondisi operasi, untuk mengetahui kemampuan struktur tersebut. Analisa Inplace adalah analisa yang dilakukan untuk mengetahui respon struktur terhadap beban strukturnya sendiri, tanpa dipengaruhi pembebanan lain seperti seismic, fatigue, maupun load out. Setelah dilakukan analisa in place, diberikan bouyancy tank dengan variasi kedalaman dan konfigurasi. Buoyancy tank diasumsikan berbentuk tubular nonfloaded yang memiliki tebal dan berisi udara yang memiliki gaya angkat ke atas. Mengulangi analisa inplace dengan bantuan software SAC 5.2 setelah diberikan buoyancy pada struktur kaki. Dilakukan pengecekan pada pemodelan dengan mempertimbangkan nilai UC-nya, jika memenuhi kriteria maka selesai dan jika tidak memenuhi kriteria maka kembali ke penempatan bouyancy tank. Setelah pengecekan memenuhi kriteria, dilakukan analisa tegangan pada sambungan bouyancy tank dengan software Ansys 12. HASIL DAN DISKUSI
Pemodelan struktur Pemodelan struktur jacket kaki empat, Gajah Baru Wellhead Platform, dilakukan dengan bantuan software SACS 5.2. Hasil pemodelan seperti pada Gambar 1.Data gambar struktur yang digunakan untuk pemodelan adalah data gambar dari technical drawing Gajah Baru Wellhead Platform. Dalam pemodelan geometri struktur, yang dimodelkan hanya struktur kaki jacket saja. Untuk beban topside diinputkan sebagai beban joint pada working point pada struktur jacket.
pembebanan yang paling ekstrem. Detail perhitungan dan gambar pembebanan struktur pada load kondisi 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Berat sendiri struktur yang digunakan adalah Nominal Self Weight dengan input water density 1.025 ton/m3. Berat ini dihitung otomatis oleh SACS 5.2 berdasarkan member yang dimodelkan saja. Berat topside diinputkan sebagai beban joint pada working point struktur kaki jacket. Berat total topside saat kondisi operasi menurut data yang diperoleh yaitu 953 ton dengan pembulatan menjadi 1000 ton. Beban skenario yang diinputkan yaitu 60 ton. Skenario ini dimaksudkan untuk mengasumsikan beban jika suatu saat struktur jacket ini dilakukan penambahan beban pada deck atau perluasan deck (Deck Extention) sehingga menyebabkan penambahan beban yang diterima pada kaki jacket. Beban skenario ini diinputkan pada dua working point kaki jacket yaitu pada kaki A1 dan B1. Pembebanan dilakukan pada kaki ini karena jika diberi beban berlebih maka struktur dalam waktu yang lama dapat dimungkinkan terjadi kemiringan. Beban lingkungan terdiri atas beban angin arus dan gelombang. Untuk beban angin dibebankan di setiap joint masing masing deck leg terhadap sumbu-x dan sumbu-y. Sedangkan untuk beban arus dan gelombang dikombinasikan jadi satu arah pembebanan untuk memberikan pembebanan paling ekstrim terhadap struktur. Untuk banyaknya arah pembebanan arus dan gelombang terhadap struktur dibagi menjadi 8 arah pembebanan seperti pada Gambar 2. Teori gelombang yang dipakai yaitu teori gelombang stokes orde 5.
Gambar 2. Arah Pembebanan
Gambar 1. Pemodelan Struktur Pemodelan pembebanan dilakukan setelah model struktur selesai dibuat. SACS 5.2 dapat meminta input beban dari modul Precede ataupun model Data Generator. Input beban dapat dimasukkan sebagai beban dasar (Basic Load Condition) untuk kemudian dikombinasikan dengan aturan tertentu (Load Combination) agar menghasilkan kombinasi
Skenario Pemasangan dan Penempatan Buoyancy tank Pada pemodelan buoyancy tank digunakan software SAC 5.2. Model buoyancy tank dimodelkan dengan tipe struktur tubular Non-flooded. Terdapat dua model pemasangan buoyancy tank yaitu model pemasangan secara vertikal dan horizontal. Pemasangan buoyancy tank ada dua model pemasangan. Model pemasangan yang pertama adalah secara vertikal dan model pemasangan yang kedua adalah secara horizontal. Dua model pemasangan ini, yaitu model vertikal dan horizontal diaplikasikan pada struktur jacket untuk memberikan gaya angkat pada struktur kaki jacket sehingga
3 diupayakan akan memberikan efek yang positif pada struktur kaki yang diskenariokan mengalami penurunan kondisi pile. Dibawah ini adalah tabel data struktur hasil pemodelan sebelum adanya penambahan beban skenario.
UC PILE 0.6
dirancang sesuai beban yang diterima masing-masing kaki yaitu 2 buah tanki dengan kapasitas daya apung masingmasing 30 ton. Untuk panjang buoyancy tank ditetapkan sesuai dengan jarak antar joint sehingga diameter buoyancy tank dapat ketahui. Buoyancy tank dipasangkan dengan variasi kedalaman pada 10.9 m, 29.293 m, 51.238 m seperti pada gambar 5. Untuk model vertikal ini dipasangkan pada kaki A1 dan B1.
pl1
0.4 UC
pl2 pl3
0.2
pl4
0 0
5 10 LOAD CASE Gambar 3. Perbandingan UC pile sebelum pembebanan Dari Gambar 3 ini dianggap sebagai data awal dalam skenario pembebanan. Skenario pembebanan dilakukan dengan menambahkan beban joint pada working point jacket sebesar 30 ton pada working point A1 (101L) dan B1 (181L) sehingga total keseluruhan struktur menerima beban tambahan sebesar 60 ton.
UC PILE 0.8
pl1
UC
0.6
pl2
0.4
pl3
0.2
Gambar 5. Pemasangan buoyancy tank vertikal dengan variasi kedalaman Model Horizontal Model yang kedua adalah dengan dipasangkan secara horizontal. Pada model pemasangan ini, model akan dipasangkan menempel sejajar dengan brace tetapi tumpuan tetap pada kaki jacket. Pemasangan buoyancy tank pada kaki jacket menggunakan klem. Panjang buoyancy tank dibatasi pada jarak antar join kaki jacket yang sejajar. Buoyancy tank dipasangkan dengan variasi kedalaman pada 10.9 m, 29.293 m, 51.238 m seperti gambar 6.
pl4
0 0
5 10 LOAD CASE Gambar 4. Perbandingan UC pile setelah pembebanan Gambar 4 ini dipakai sebagai acuan pembanding struktur setelah diberikan buoyancy tank. Struktur kemudian diberikan buoyancy tank dengan variasi kedalaman (10.9 m, 29.293 m, 51.238 m) dan model (vertikal dan horizontal). Buoyancy tank hanya dipasangkan pada variasi kedalaman tersebut karena jika terlalu keatas (kedalaman 6.67 m) dikhawatirkan dapat mengganggu vessel yang akan merapat dan juga masih pada daerah ketinggian pasang surut air laut sehingga tanki tidak tercelup sempurna dan tidak memberikan gaya apung yang efektif. Model vertikal Model pemasangan yang pertama adalah dengan dipasangkan secara vetikal. Pada model pemasangan ini, buoyancy tank dipasangkan menempel sejajar dengan kaki jacket. Buoyancy tank dipasangkan dengan menggunakan klem pada kaki jacket. Ukuran diameter dan panjang buoyancy tank dihitung sesuai dengan beban yang diskenariokan yaitu 60 ton. Jumlah tanki untuk model vertikal
Gambar 6. Pemasangan buoyancy tank horizontal dengan variasi kedalaman Data buoyancy tank yang akan dipasangkan Tabel 1. Data Buoyancy tank Model
Elevasi
Diam eter (m)
Kete bala n (cm)
Panjang (m)
Kapasi tas Tangk i (m3)
1 (ver)
(-) 10.9 m sampai (-) 29.293 m
1.41
1.9
19.30
30
2 (ver)
(-) 29.293 m sampai (-) 51.239 m
1.31
2.1
22.05
30
4 3 (ver)
(-) 51.239 m sampai (-) 70.063 m
1.42
2.54
18.82
30
1 (hor)
(-) 10.9 m
2.18
2.1
16.04
60
2 (hor)
(-) 29.293 m
1.96
2.54
19.88
60
3 (hor)
(-) 51,239 m
1,77
2.8
24.27
60
Pada gambar 8 dapat diketahui UC tiap pile memiliki hasil yang hampir sama dengan UC pada gambar 7. Buoyancy tank model vertikal dengan kedalaman 29.293 m ini masih terdapat ketidakstabilan seperti pada kedalaman 10.9 m.
UC Pile 0.6
Model Vertikal
UC Pile 0.8 0.6 UC
PL1
0.4
PL2
0.2
PL3
0
PL4 5 10 Load case Gambar 7. UC struktur setelah pemasangan buoyancy tank vertikal pada kedalaman 10.9 m 0
Pada gambar 7 jika diamati lebih detail, terjadi selisih antara sebelum pembebanan, setelah pembebanan, dan setelah pemberian buoyancy tank. Pada gambar 7 ini UC yang dihasilkan model vertikal kurang stabil. Ada beberapa load case yang bertambah UC nya karena pemberian buoyancy tank.
UC Pile 0.8
PL1
UC
0.6
PL2
0.4
PL3
0.2
PL4
0 0
5 10 Load case Gambar 8. UC struktur setelah pemasangan buoyancy tank vertikal pada kedalaman 29.293 m
PL1 PL2
0.4 UC
Tabel 1 ini merupakan data buoyancy tank yang dipakai untuk kajian. Analisa Nilai hasil yang perlu ditinjau setelah pemberian buoyancy tank yaitu pile axial load dan unity check sebagai indikasi adanya gaya angkat atau tidak pada struktur yang telah dipasang buoyancy tank. Pemasangan buoyancy tank pada struktur ternyata dapat memberikan efek gaya angkat keatas. Hal ini terbukti dari hasil running SACS 5.2 yang menunjukkan bahwa terjadi pengurangan nilai axial load dan unity check setelah pemasangan buoyancy tank dilakukan.
PL3
0.2
PL4
0 0
5 10 Load case Gambar 9. UC struktur setelah pemasangan buoyancy tank vertikal pada kedalaman 51.239 m Pada gambar 10 dapat diketahui bahwa untuk load case 5 sampai 9 pada kedalaman 51.239 m ini memiliki hasil UC yang paling baik. Dari grafik hasil running SACS 5.2 untuk buoyancy tank model vertikal pada kedalaman 10.9 m tersebut dapat diketahui bahwa buoyancy tank ini telah dapat memberikan gaya angkat keatas rata-rata sebesar 76% dari beban yang diskenariokan. Hal ini dikarenakan buoyancy tank memiliki berat struktur yang tidak diperhitungkan dalam perhitungan design buoyancy tank sehingga gaya angkat tidak bisa 100% dari beban yang diskenariokan. Pile yang perlu ditinjau adalah pile yang terkena langsung beban tambahan yaitu pada PL1 dan PL4. Untuk perbandingan variasi kedalaman diketahui bahwa pemasangan pada kedalaman 10.9 m, PL1 memiliki hasil yang paling baik saat kondisi Load case 1 sampai 4, sedangkan saat kondisi load case 5 sampai 9, pemasangan pada kedalaman 51.238 m yang paling baik. Hal ini menunjukkan bahwa pemasangan model vertikal pada PL1 memilki hasil yang kurang stabil saat terkena beban gelombang dan arus. Tetapi pada PL4 pemasangan yang memiliki nilai yang paling tinggi yaitu pada kedalaman 51.239 m. Tapi perlu diperhatikan lagi bahwa tujuan memberikan buoyancy tank pada penelitian ini adalah untuk mengembalikan lagi nilai axial load pada pile sebelum adanya skenario pembebanan. Jika dibandingkan dengan keadaan awal, pada kedalaman 51.239 m memiliki hasil yang melebihi nilai axial load awal sehingga hal ini akan menyebabkan penambahan axial load pada pile lain karena PL4 memiliki gaya angkat yang berlebih. Pada PL4 yang memiliki hasil yang mendekati nilai axial load awal yaitu pada kedalaman 29.293 m. Sehingga pemasangan yang optimal untuk model vertikal yaitu pada kedalaman 29.293 m. Model Horizontal Dari tabel-tabel hasil running SACS 5.2 untuk buoyancy tank model horizontal pada kedalaman 10.9 m tersebut dapat diketahui bahwa buoyancy tank ini telah dapat memberikan
5 gaya angkat keatas rata-rata sebesar 85% dari beban yang diskenariokan. Hal ini dikarenakan buoyancy tank memiliki berat struktur yang tidak diperhitungkan dalam perhitungan design buoyancy tank sehingga gaya angkat tidak bisa 100% dari beban yang diskenariokan.
UC Pile
0.6
PL1
UC
0.4
PL2 0.2
PL3 PL4
0 0
10 Load5case Gambar 10. UC struktur setelah pemasangan buoyancy tank horizontal pada kedalaman 10.9 m
Pada gambar 12 dapat diketahui bahwa UC pada kedalaman ini stabil tetapi masih kurang baik daripada kedalaman 10.9m. Hal ini dikarenakan berat buoyancy tank yang lebih berat, menggunakan plat 2.8 cm. Dari hasil running SACS 5.2 dapat diketahui bahwa pemasangan yang memiliki nilai axial load yang paling baik terdapat pada buoyancy tank model horizontal pada kedalaman 10.9 m. Model horizontal ini lebih stabil untuk semua load case daripada model vertikal karena pemasangannya yang mendatar dan rata sehingga memiliki gaya angkat yang stabil dan merata. Pemasangan model horizontal yang paling optimal yaitu pada kedalaman 10.9 m. Distribusi tegangan lokal pada sambungan Buoyancy tank ini dipasangkan ke kaki jacket dengan menggunakan sambungan klem. Ada dua model sambungan klem yang dianalisa, yaitu model sambungan vertikal dan model sambungan horizontal. Sambungan model vertikal untuk memasangkan buoyancy tank model vertikal dan sambungan model horizontal untuk memasangkan buoyancy tank model horizontal.
Pada gambar 10 dapat diketahui bahwa hasil UC lebih stabil dari pada model vertikal untuk semua load case.
UC Pile 0.6 PL1 0.4 UC
PL2 PL3
0.2
PL4 0 0
5 10 Load case Gambar 11. UC struktur setelah pemasangan buoyancy tank horizontal pada kedalaman 29.293 m
Gambar 13. Disitribusi tegangan lokal padasambungan vertikal
Pada gambar 11 dapat diketahui bahwa UC pada kedalaman ini stabil tetapi masih kurang baik daripada kedalaman 10.9m. Hal ini dikarenakan berat buoyancy tank yang lebih berat.
UC Pile
0.6 0.4 UC
PL1 PL2
0.2
PL3 PL4
0 0
2
4 6 8 10 Load case Gambar 12. UC struktur setelah pemasangan buoyancy tank horizontal pada kedalaman 51.239 m
Gambar 14. Distribusi tegangan lokal pada sambungan horizontal
6 Chakrabarti, S.K. 1987.Hydrodynamics of Offshore Dari gambar 13 dan gambar 14 hasil running ANSYS 12 dapat diketahui bahwa tegangan lokal yang terjadi pada sambungan klem vertikal yaitu minimum sebesar 3.79 x 10-6 MPa dan maksimum sebesar 18.9 MPa. Sedangkan tegangan lokal yang terjadi pada sambungan klem horizontal yaitu minimum sebesar 0.965 x 10-6 MPa dan maksimum sebesar 169 MPa. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah : 1. Penempatan yang optimal buoyancy tank untuk fixed offshore structure kaki empat yaitu pada kedalaman 10.9 m dengan model horizontal. Ukuran buoyancy tank yaitu diameter 2.18 m, tebal 2.1 cm, dan panjang 16.04 m. 2.
Tegangan yang terjadi pada sambungan klem model vertikal dengan analisa distribusi tegangan lokal didapatkan tegangan lokal minimum sebesar 3.79 x 10-6 MPa dan tegangan lokal maksimum sebesar 18.9 MPa. Sedangkan untuk sambungan klem model horizontal didapatkan distribusi tegangan lokal minimum sebesar 0.965 x 10-6 MPa dan tegangan lokal maksimum sebesar 169 MPa.
SARAN Saran yang dapat diberikan dari kajian tugas akhir ini yaitu : 1.
Penelitian ini dapat dilanjutkan dengan analisa dinamis dan memberikan model yang lebih komplek serta mencakup aspek kelelahan.
2.
Penelitian ini dapat dilengkapi dengan keandalan dan analisa resiko dari pemasangan buoyancy tank pada struktur kaki jacket. DAFTAR PUSTAKA
American Institute of Steel Construction (AISC S326, ASD).Manual of Steel Construction. Allowable Stress Design. 9th Edition. American Petroleum Institute. 2000. Recommended Practice For Planning and Constructing Fixed Offshore Platform-Working Stress Design. API Recommended Practice 2A (RP 2A) WSD. Washington. Barltrop, N. D. P. 1988.Floating Structures: a guide for design analysis Volume One. Ledbury. England: The Centre for Marine and Petroleum Technology.
Structures. Computational Mechanics Publications Southampton. Boston. USA. Febrianita, Ayu. 2011. Analisa Ultimate Strengt Fixed Platform Pasca Subsidence. Jurnal Tugas Akhir. ITS. Surabaya Murdjito. 2003. Conceptual Design and Offshore Structure. Kursus Singkat Offshore Struktur Design and Modelling. Ocean Engineering TrainingCenter. Surabaya Utama, Herdanto. 2012. Kajian Bouyancy Tank untuk Stabilitas Fixed Offshore Structure Tipe Tripod Platform Saat Kondisi Pondasi Pile Menurun. Jurnal Tugas Akhir. ITS. Surabaya
