1
ROSI DWI YULFANI (4309100062)
Keandalan Struktur Geladak Kapal Tongkang pada Transportasi Jacket Platform Rosi Dwi Yulfani, Daniel M. Rosyid dan Wisnu Wardhana Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Email:
[email protected]
Abstrak Sebuah struktur lepas pantai yang setelah selesai pada tahap fabrikasi selanjutnya dibawa menuju ke lokasi untuk dilakukan proses instalasi. Hal ini biasa disebut dengan sea transportation. Transportasi struktur lepas pantai merupakan proses pemindahan sebuah struktur dari darat (yard) ke lokasi akhir tempat instalasinya (instalation area). Oleh karena itu, kekuatan struktur dari geladak kapal tongkang sangat berpengaruh besar terhadap aman atau tidaknya jacket yang dimuat. Struktur yang dianalisa adalah Limin Cargo Barge 2803 yang memuat Wortel jacket yang akan diinstalasi di Wortel Gas Field yang terletak di PSC Sampang, sekitar 8 km dari selatan Pulau Madura. Analisis pada tugas akhir ini hanya meninjau kekuatan geladak kapal tongkang yang bermuatan jacket diatasnya. Berdasarkan rumusan yang dijadikan sebagai parameter kekuatan struktur, maka perlu mengidentifikasi shear force dan bending moment yang terjadi pada kapal tongkang. Dari rumusan tersebut diperoleh maksimum total shear force sebesar 1165 ton dan maksimum total bending moment sebesar 27723 ton m. Selanjutnya, untuk menganalisa keandalan dari struktur geladak didapatkan moda kegagalan yang ditinjau dari maksimum bending moment yang diperoleh. Fungsi dari moda kegagalan ini untuk mencari keandalan struktur, dimana variabel acak yang dipakai adalah kapasitas bending moment ultimat, koefisien Cst, koefisien C2 dan tinggi gelombang. Dengan menggunakan metode AFOSM, untuk mencari nilai dari indeks keandalan maka dilakukan iterasi hingga konvergen dan didapatkan 10 iterasi. Sehingga keandalan struktur geladak kapal tongkang sebesar 0.9999474.
Kata kunci keandalan, bending moment, kekuatan struktur, AFOSM, shear force.
I.
PENDAHULUAN
Semakin berkembangnya teknologi mendorong manusia untuk semakin meningkatkan produktivitasnya, khususnya di bidang minyak dan gas. Sehingga untuk memfasilitasinya, dibangunlah sebuah struktur anjungan lepas pantai yang mendukung proses eksplorasi dan eksploitasi minyak dan gas bumi. Salah satu jenis struktur anjungan lepas pantai yang biasanya dipasang di perairan dangkal adalah jacket platform. Jacket platform dibangun di lapangan fabrikasi dari perusahaan yang bergerak di bidang konstruksi. Setelah jacket platform selesai dalam
tahap fabrikasi, langkah selanjutnya adalah memindahkan jacket platform dari yard ke atas barge kemudian ditransportasikan ke installation area. Fasilitas yang mendukung adalah adanya sebuah kapal tongkang yang mempunyai kapasitas untuk mampu menahan beban struktur di atasnya dan mampu menahan beban gelombang. Transportasi merupakan proses pemindahan struktur anjungan lepas pantai dari darat ke lokasi akhir tempat instalasinya. Salah satu analisis yang perlu dilakukan adalah mempertimbangkan beban yang menumpu pada kapal tongkang dalam beberapa kondisi pembebanan. Pada saat posisi tongkang diatas permukaan air tenang, maka tegangan-tegangan yang terjadi pada deck dan beam berasal dari struktur itu sendiri (Murman, 2002). Pembebanan gelombang merupakan salah satu beban utama yang akan diperhitungkan yaitu pada kondisi hogging dan sagging. Kondisi inilah yang mempunyai pengaruh besar terhadap kekuatan lambung dan geladak kapal tongkang yang menopangnya dan juga akibat dari distribusi beban muatan yang diterima. Tugas akhir ini mencoba untuk menganalisa keandalan dari geladak kapal tongkang saat memuat struktur jacket di atasnya dengan meninjau kekuatan memanjang yang dimiliki. Analisis keandalan dilakukan dengan metode AFOSM (Advanced First Order Second Moment) dengan menurunkan persamaan yang telah dinormalisasikan yang mengandung parameter alpha dan beta yang kemudian di iterasikan hingga keduanya konvergen.
II. DATA DAN METODE A. Analisa Data Berikut merupakan data principle dimension struktur dan data lingkungan dimana struktur beroperasi.
Tabel 1. Data Limin Cargo Barge 2803.
2
ROSI DWI YULFANI (4309100062)
Tabel 2. Data lingkungan.
• Kekuatan Memanjang Terdapat dua kasus ekstrim yang harus dipertimbangkan untuk menghitung bending moment, yaitu sagging dan hogging. Pada sagging ketika puncak gelombang berada di kedua ujung kapal sedangkan hogging, gelombang melalui kapal dengan puncak gelombang di tengah kapal. Diperlukan pula mengetahui distribusi beban di sepanjang badan kapal akibat beban yang diterima untuk dijadikan acuan dalam perencanaan transportasi di laut.
Gambar 2. Hogging dan sagging pada barge. (Sumber: C.G. Dalley, 2011) B. Dasar Teori • Teori Gerak Kapal Pada dasarnya benda yang mengapung mempunyai enam mode gerakan bebas yang terbagi menjadi dua kelompok, yaitu tiga mode gerakan osilasi translasional dan tiga mode gerakan osilasi rotasional. Berikut adalah keenam mode gerakan tersebut: 1. Mode gerak translasional • Surge, gerakan osilasi transversal arah sumbu x, • Sway, gerakan osilasi transversal arah sumbu y, • Heave, gerakan osilasi transversal arah sumbu z. 2. Mode gerak rotasional • Roll, gerakan osilasi rotasional arah sumbu x, • Pitch, gerakan osilasi rotasional arah sumbu y, • Yaw, gerakan osilasi rotasional arah sumbu z.
Masing-masing bending moment tersebut juga dapat dihitung dengan menjumlahkan ketiga komponen, yaitu: 1. Disebabkan oleh perbedaan distribusi dari berat dan bouyancy ketika berada di kondisi air tenang. 2. Disebabkan oleh gelombang yang mengenai kapal ketika air tenang. 3. Dipengaruhi oleh gelombang ketika berada di bawah laut bergelombang.
Gambar 3. Gaya vertikal (weight and bouyancy). Gambar 1. Enam Derajat Kebebasan pada Kapal • Respon Amplitude Operator Response Amplitude Operator (RAO) merupakan fungsi respon gerakan dinamis struktur yang terjadi akibat gelombang dalam rentang frekuensi tertentu. Menurut Chakrabarti (1987), persamaan RAO dapat dicari dengan rumus sebagai berikut:
RAO(ω ) = dengan:
X p (ω )
η (ω ) ……………….…………(1)
X p (ω )
η (ω )
= amplitudo struktur
Total bending moment M adalah penjumlahan dari dua jenis bending moments: M = MS + MW Dimana MS adalah bending moment pada kondisi air tenang dan MW adalah moment yang disebabkan dari perbedaan distribusi displacement sepanjang kapal. Bending moment air tenang dapat ditemukan dengan perhitungan static, dimana bending moment gelombang MW adalah fungsi dari bentuk kapal dan gelombang. Bending moment dapat ditulis:
= amplitudo gelombang MW = MV + Mz + Mq
3
ROSI DWI YULFANI (4309100062) Dimana MV adalah moment yang dihasilkan dari profil gelombang, Mz adalah moment yang dihasilkan oleh gerakan heaving dan Mq adalah moment yang dihasilkan oleh gerakan pitching. Gaya geser pada kondisi air tenang pada setiap titik di sepanjang kapal dapat dihitung dari data Hidrostatic (kurva Bonjean) dan distribusi berat sepanjang kapal.
Dimana, Vx = gaya geser sepanjang x dari bow (atau stern) [lb] w = berat per satuan panjang [lb/ft] b = buoyancy per satuan panjang [lb/ft] W = beban W-b per satuan panjang [lb/ft] Oleh karena itu, bending moment di setiap titik dapat dihitung sebagai berikut:
• Metode AFOSM Metode yang biasanya digunakan untuk analisis keandalan komponen struktur menggunakan berbagai metode. Namun dalam kaitannya dengan menganalisis keandalan dari kapal tongkang yang bermuatan jacket platform pada kondisi transportasi, maka dipilih analisis menggunakan metode AFOSM. Pada mulanya ditemukan metode MVFOSM namun metode ini memiliki kelemahan pokok sehingga untuk mengatasi persoalan ini, Hasofer dan Lind mengajukan metode AFOSM. Prosedur yang dikembangkan yaitu variabel xi (variabel pada fungsi batas) ditransformasikan ke distribusi normal standard seperti berikut:
Indeks keandalan β didefinisikan sebagai jarak terpendek dari titik pusat O ke permukaan bidang kegagalan. Seperti pada gambar di bawah ini:
Dimana Mx adalah bending moment di titik x. • Keandalan Keandalan merupakan peluang dari sebuah komponen atau sistem tertentu dalam memenuhi tugas yang telah ditetapkan tanpa mengalami kegagalan selama kurun waktu yang telah ditetapkan apabila dioperasikan secara benar dalam kondisi lingkungan tertentu. Keandalan perlu diterapkan dalam rekayasa kekuatan struktur. Rekayasa struktur berkaitan erat dengan kekuatan (R) dan beban (S) dimana sebuah komponen struktur dapat dikatakan aman atau gagal dengan menetapkan sebuah garis perbatasan. Garis perbatasan inilah yang disebut sebagai kondisi batas (Bai, 2003) yang dinyatakan seperti di bawah ini: G(Z) = R – S Kondisi di bawah ini merupakan penjelasan atau gambaran dari keadaan yang memungkinkan terjadi pada sebuah komponen struktur. G(Z) < 0 merupakan daerah gagal karena beban (S) memiliki nilai yang lebih besar dari kekuatan (R). G(Z) > 0 merupakan daerah aman karena kekuatan (R) memiliki nilai yang lebih besar dari beban (S). G(Z) = 0 merupakan garis batas daerah aman dan daerah gagal.
Gambar 5. Fungsi batas non linier Hasofer Lind. Untuk mempermudah pemahaman tentang teori yang dikemukakan Hasofer dan Lind, berikut adalah ringkasan dari prosedur metode AFOSM: Menentukan persamaan kondisi batas atau moda kegagalan (MK) Menentukan karakteristik perubah-perubah dasarnya, x i Mentransformasikan perubah dasar tersebut menjadi perubah acak baku (zj) Mendefinisikan unit vektor (α1) dari persamaan zj = βα1 Menuliskan kembali persamaan MK sebagai fungsi dari βα1 Dengan persamaan MK dan βα1 dan dua persamaan berikut:
Gambar 4. Konsep kondisi batas (Bai, 2003).
Menentukan α1, α2, α3 … αj percobaan dan β percobaan dimana α = unit vektor dimana αawal memiliki harga sekitar -1 hingga 1.
4
ROSI DWI YULFANI (4309100062)
β = indeks keandalan MK = margin keselamatan Hitung αj dan βαj yang baru dengan iterasi hingga konvergen.
• Metodologi Penelitian Pengerjaan tugas akhir ini diawali dengan pengumpulan data dan literatur dengan mencari buku, jurnal dan informasi dari web yang memiliki kesesuaian topik. Data yang dipakai adalah data struktur Wortel jacket, Limin Cargo Barge 2803 dan data lingkungan. Setelah didapatkan data, dilakukan pemodelan struktur jacket untuk mencari besar beban yang menumpu pada deck barge pada tiap support dengan total delapan titik pada koordinat masing-masing di atas barge deck. Setelah didapatkan beban muatan pada titik tertentu dilakukan pemodelan lines plan. Setelah itu dilakukan pemodelan badan kapal pada software untuk validasi. Langkah selanjutnya adalah memastikan RAO struktur pada kondisi full load. Setelah didapatkan RAO, mendapatkan nilai shear force dan bending moment pada kondisi hogging dan sagging. Kemudian didapatkan nilai maksimum dari bending moment dan dilakukan analisis keandalan. Sehingga dapat ditarik kesimpulan.
Gambar 8. Pemodelan lines plan pada software. • Validasi Model Tujuan dari validasi adalah untuk mengetahui apakah model sudah layak digunakan dalam analisis selanjutnya. Validasi model dilakukan dengan membandingkan hasil dari model yang dikerjakan di software terhadap data yang tersedia. Tabel 3. Validasi struktur wortel jacket.
Tabel 4. Koreksi hidrostatis.
C. Analisis Pembahasan • Pemodelan Struktur Pemodelan struktur meliputi pemodelan struktur jacket dan barge. Pemodelan dilakukan dengan tujuan agar model yang dibuat sesuai keadaan sebenarnya yang dibuktikan dengan validasi data.
Tabel 5. Validasi barge.
Berdasarkan tabel di atas, pemodelan layak untuk dipakai karena hasil koreksi kurang dari 5%. Gambar 6. Pemodelan Struktur Wortel Jacket (Isometric). • Analisis Perilaku Gerak Kapal Pada pengerjaan tugas akhir ini, dilakukan analisis motion struktur barge. Simulasi dilakukan pada gelombang regular pada tinggi gelombang satu meter dengan arah pembebanan gelombang head sea (1800), beam sea (900), quartering sea (450) dan (1350), dan following sea (00). Simulasi yang telah dilakukan menghasilkan Response Amplitude Operator. Hasil RAO maksimum terlihat pada tabel-tabel berikut ini.
Gambar 7. Wortel jacket model viewer.
5
ROSI DWI YULFANI (4309100062)
Tabel 5. RAO Maksimum pada full load condition
Berdasarkan hasil di atas dapat disimpulkan bahwa gerak barge paling dominan ialah moda gerak rotasional pitch dengan besar RAO 2.02 0/m. •
Shear Force dan Bending Moment
Gambar 9. Total shear force. Berdasarkan grafik di atas didapatkan total shear force maksimum pada kondisi hogging (stillwater+hog) adalah 761 ton. Sedangkan total shear force maksimum pada kondisi sagging (stillwater+sag) adalah 1165 ton.
• Keandalan Untuk menentukan keandalan dari suatu struktur, hal pertama yang harus dilakukan adalah menentukan moda kegagalan. Moda kegagalan yang ditinjau adalah ketika nilai bending moment tidak boleh melebihi nilai kapasitas bending moment ultimat tersebut. MK = BMuc – (Mstillwater+Msag) Dimana BMuc adalah variabel dari strength. Dalam hal ini adalah kapasitas bending moment dari kapal tongkang, sedangkan Mstillwater+Msag adalah dua variabel penyusun dari load dalam hal ini adalah total dari bending moment pada still water dan bending moment pada saat sagging. Struktur dikatakan aman apabila g(x) ≥ 0 dan dikatakan gagal apabila g(x) < 0. Setiap variabel dalam formulasi ambang keselamatan merupakan variabel acak yang memiliki nilai mean, coefficient of variation (COV), standard deviasi dan distribusi tertentu dimana nilai rata-rata dari setiap perubah dasar telah ditentukan. Langkah pertama adalah menormalisasikan perubah dasar. Perubah dasar yang digunakan adalah BMuc, Cst, C2, dan H. Kemudian memasukkan persamaan ke dalam fungsi moda kegagalan g(x) dan dalam fungsi Zi=βα1 kemudian dilakukan penurunan dan didapatkan nilai alpha dan beta. Sehingga indeks keandalan β yang diperoleh adalah 4.406 dan keandalan sebesar 0.99994, III. KESIMPULAN Dari hasil analisa, kesimpulan yang dapat dibuat berdasarkan penelitian dan pengerjaan-pengerjaan di atas antara lain: 1. Total shear force maksimum akibat gelombang air laut kondisi sagging adalah 1165 ton. Total bending moment maksimum akibat gelombang air laut kondisi sagging adalah 27723 ton meter. 2. Analisis keandalan dilakukan dengan menggunakan metode AFOSM (Advanced First Order Second Moment) dan melakukan 10 iterasi sehingga didapatkan keandalan sebesar 0.99994.
Gambar 10. Total bending moment.
Berdasarkan grafik di atas yang diperoleh dari hasil running software, didapatkan total bending moment maksimum pada kondisi hogging (still water+hog) adalah 7938 ton meter. Sedangkan total bending moment maksimum pada kondisi sagging (still water+sag) adalah 27723 ton meter. Dari grafik yang telah diperoleh diatas menggambarkan bahwa pada kondisi sagging, bending moment terdapat daerah kritis.
Tabel 6. Hasil Pengecekan Actual dengan Allowable Sagging Condition Unit Actual Allowable Remark Shear Force ton 1165 1720 OK Bending ton Moment m 27723 30510 OK
DAFTAR PUSTAKA API RP 2SK 3th edition, 2005, Recommended Practice for Design and Analysis of Station Keeping Systems for Floating Structures, Washington DC. ABS, 2004, Guide For Building and Classing Floating Production Installations, USA: American Bureau of Shipping. Bai, Y., Marine Structural Design, Elsevier Science Ltd., Kidlington, Oxford, UK, 2003. Bhattacharyya. R., 1978, Dynamics of Marine Vehicles, New York: John Wiley & Sons Inc. Chakrabarti, S.K., 1987, Hydrodynamics of Offshore Structures, USA: Computational Mechanics Publications Southampton.
ROSI DWI YULFANI (4309100062) Daley, C.G., Lecture 5: Longitudinal Strength of Ships (Wave Bending Moment). 2011. Djatmiko, E. B. and Murdijanto, 2003, Seakeeping: Perilaku Bangunan Apung di atas Gelombang, Surabaya: Jurusan Teknik Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Mansour, AE., Methods of computing the probability of failure under extreme values of bending moment, Journal of Ship Research, 16(2), 113-123, 1972a. Mansour, AE., Probabilistic design concepts in ship structural safety and reliability, Transactions of the SNAME, 80, 64-97, 1972b. Mansour AE., Approximate Probabilistic Method Of Calculating Ship Longitudinal Strength, Journal of Ship Research, 18(3), 201-213, 1974. Murtedjo, Mas., 1999, Handout Teori Bangunan Apung, Surabaya: ITS. Patel, M. H. and Witz, J. A., 1991, Compliant Offshore Structures, London: Butterworth-Heinemann Ltd. Rosyid, D. M., Pengantar Rekayasa Keandalan, Surabaya: Airlangga University Press, 2007. Rosyid, D. M., & Setiawan D., Kekuatan Struktur Kapal, Pradnya Paramita, Jakarta, 2000. Soedjono, J. J., 1989, Kuliah Perencanaan Sistem Bangunan Laut 1, Surabaya: Jurusan Teknik Kelautan.
6
