Jurnal Tugas Akhir KEANDALAN SCANTLING STRUKTUR GELADAK DAN DASAR PADA KONVERSI TANKER MENJADI FPSO TERHADAP BEBAN KELELAHAN M. Teguh Widodo 1), Eko Budi Djatmiko 2), Rudi Walujo Prastianto 3) 1) Mahasiswa Teknik Kelautan, ITS Surabaya 2) dan 3) Dosen Teknik Kelautan, ITS Surabaya
Abstrak Salah satu kriteria perancangan konversi struktur tanker menjadi FPSO adalah kekuatan terhadap beban kelelahan. Perhitungan umur kelelahan dalam tugas akhir ini menggunakan metode deterministik dan divalidasikan dengan hasil running software Poseidon untuk mendapatkan tegangan struktur, kemudian dijadikan data dalam perhitungan umur kelelahan. Selanjutnya, pada tugas akhir ini telah dianalisa keandalan scantling struktur geladak dan dasar pada konversi tanker menjadi FPSO terhadap beban kelelahan. Umur kelelahan dihitung saat kondisi tanker dan ditinjau ulang setelah dikonversi menjadi FPSO. Dengan mengacu pada umur kelelahan yang didapatkan, maka keandalan struktur dapat ditentukan. Keandalan dihitung dengan menentukan moda kegagalan sistem, yaitu jika umur kelelahan dikurangi dengan umur desain lebih kecil dari 0, maka struktur dinyatakan gagal. Dalam analisa keandalan ini digunakan Monte Carlo Simulation yang mampu memberikan prediksi probability of failure dengan cukup akurat, oleh karena banyaknya trial yang dapat dilakukan. Peluang kegagalan dianggap sebagai ukuran rasional untuk menentukan keamanan struktur. Berdasarkan analisa perhitungan dengan hanya memperhitungkan vertical bending moment yang diakibatkan oleh gelombang, maka umur kelelahan tanker sebelum dikonversi adalah 21,93 tahun pada geladak dan 34,66 tahun pada dasar. Hal ini divalidasi oleh hasil running Poseidon yang memberikan umur kelelahan sebesar 22 tahun pada geladak dan 34 tahun pada dasar. Untuk proses modifikasi FPSO di mana pada struktur tanker ditambahkan topside module sebesar 5000 ton, maka umur kelelahan pada geladak turun menjadi 20,3 tahun dan pada dasar 30,1 tahun. Setelah dilakukan penguatan scantling dengan penambahan 15 buah stiffener, maka umur kelelahan untuk geladak meningkat menjadi 30,11 tahun. Keandalan struktur geladak dianalisa dengan Simulasi Monte Carlo berdasarkan pada moda kegagalan dengan iterasi sebanyak 10.000 kali. Sebelum diberikan penguatan, keandalan struktur terhadap kelelahan hanya sebesar 0,58. Namun, setelah diberikan penguatan keandalannya mencapai 1,0, yakni mencapai kondisi aman. 1. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Masalah Kebutuhan dunia terhadap minyak (reservoir) sebagai salah satu sumber energy yang utama mengakibatkan banyak pihak berlomba-lomba untuk dapat menghasilkan minyak dalam jumlah yang besar. Oleh karena itu, kegiatan eksploitasi reservoir pun marak dilakukan yang berujung pada makin meningkatnya kebutuhan akan sarana penunjang eksploitasi tersebut, salah satunya adalah kebutuhan terhadap FPSO. Sebagian besar FPSO dibuat dengan cara mengkonversi, yaitu 70 % dari 70 lebih FPSO yang beroperasi di seluruh dunia merupakan hasil konversi dari tanker (Potthurst, 2003). Waktu pembuatan secara konversi yang lebih singkat sekitar 1-2 tahun daripada pembuatan baru menjadi salah satu alasannya. Keuntungan lain yang didapatkan dalam proses secara konversi adalah antisipasi pada umur reservoir yang pendek hingga menengah (5-15 tahun) dan
jadwal proses operasi FPSO lebih cepat (Leick, 2000). Pada penelitian sebelumnya (Setyawan, 2009) telah disebutkan bahwa salah satu kriteria pemilihan struktur tanker untuk dikonversi adalah sisa umur kelelahan struktur. Umur kelelahan dihitung saat kondisi tanker dan ditinjau ulang saat kondisi struktur telah beroperasi sebagai FPSO. Perhitungan umur kelelahan dilakukan dengan menggunakan teori balok sederhana (simplified). Perhitungan ini bertujuan untuk mendapatkan tegangan struktur tersebut. Tegangan yang terjadi pada struktur dijadikan data perhitungan umur kelelahan. Akan tetapi, pada penelitian tersebut tidak mengikut sertakan perhitungan analisa pada scantling (hanya pelat saja) padahal dalam kondisi riil scantling memiliki peran yang penting. Menurut Lotsberg, 2005 proses perhitungan kelelahan tanker dilakukan berdasarkan codes: ABS, DNV dan LR. Pada penelitian yang sama, 1
Jurnal Tugas Akhir code Germanischer Lloyd (GL) hanya digunakan untuk perhitungan kelelahan bulk carriers ship. Kemudian pada penelitian ini proses perhitungan kelelahan akan dilakukan dengan menggunakan prosedur pada Germanischer Lloyd. Tugas akhir ini menyajikan hasil penelitian tentang analisis kelelahan dengan cara perhitungan balok sederhana dan umur kelelahan secara deterministik. Analisis kelelahan dihitung akibat beban gelombang siklis yang terjadi selama operasi. Berdasarkan analisa kelelahan akan didapatkan nilai keandalan sebagai penilaian hasil konversi tanker ke FPSO.
1.2 Perumusan Masalah Perumusan masalah dari tugas akhir ini adalah: 1. Berapakah fatigue life dari scantling struktur geladak dan dasar pada tanker (sebelum konversi menjadi FPSO) ? 2. Berapakah fatigue life dari scantling struktur geladak dan dasar setelah tanker dikonversi menjadi FPSO ? 3. Berapakah keandalan struktur FPSO tersebut terhadap beban kelelahan ? 2.
Tinjauan Pustaka Berdasarkan aturan Germanischer Lloyd, untuk perhitungan beban struktur akibat gelombang dapat menggunakan persamaan berikut: Vertical Wave Bending Moment: Vertical bending moment merupakan penyebab beban akibat gelombang yang paling dominan terhadap struktur terapung. Berdasarkan GL Rules, 2008, perhitungan beban gelombang vertikal dapat digunakan persamaan sebagai berikut: MWV = L2 B c0 c1 cL cM [kNm] (1) dengan: L B c0
panjang kapal, m lebar kapal, m koefisien gelombang
for 150 m ≤ L ≤ 300 m c1 kondisi hogging atau sagging c1H 0,19 Cb kondisi hogging c1S -0,11 (Cb +0,7) kondisi sagging
Cb cL cM
block coefficient koefisien panjang faktor distribusi, gambar 2.1.
Gambar 2.1. Distribution factor for cM and influence factor cv (GL Rules, 2008) Vertical Wave Shear Force Sebagaimana dengan vertical bending moment, vertical shear force juga merupakan penyebab utama tegangan geser pada struktur kapal. Berdasarkan GL Rules, 2008, perhitungan beban dapat digunakan persamaan sebagai berikut: QWV = LBc0 cLcQ (Cb+0,7)[kN] (2) dengan: L B c0
cL Cb CQ
panjang kapal, m lebar kapal, m koefisien gelombang
for 150 m ≤ L ≤ 300 m koefisien panjang block coefficient faktor distribusi, gambar 2.2.
Gambar 2.2. Faktor distribusi CQ (GL Rules, 2008) Perhitungan rentang tegangan yang digunakan dalam perhitungan umur kelelahan closed form fatigue equation merupakan rentang tegangan dengan probabilitas kejadian 10-4. Berdasarkan Jurisic, 2007, untuk perhitungan rentang tegangan dapat dihitung berdasarkan teori balok sebagai berikut: Sri = Mwv / Zv N/mm2 (3) dengan: Sri
rentang tegangan dengan probabilitas kejadian 10-4, N/mm2 2
Jurnal Tugas Akhir Mwv
rentang tegangan dengan probabilitas kejadian 10-8, N/mm2 = (momen hogging – momen sagging) / 2 Zv section modulus, m3 Berdasarkan Jurisic, 2007, perhitungan umur kelelahan secara langsung dengan metode simplified, analisa keandalan umur kelelahan juga harus dilakukan untuk memprediksi peluang kegagalan akibat ketidakpastian ketahanan struktur dan beban. Perhitungan jumlah kerusakan akibat rentang tegangan selama operasi berdasarkan pada tegangan nominal dan kurva S-N dapat dilakukan dengan persamaan berikut, CSR for Double Hull Oil Tanker, 2008: (4) dengan: αi proportion of ship life NL jumlah siklus untuk umur rancangan yang diarapkan. = f0 U SRi ξ
0.85, umur desain (detik) Moment range / Section modulus parameter bentuk weibull = fweibull (1.1 – 0.35 (L-100)/300) fweibull area dependent modification factor, gambar 2.3.
Gambar 2.3. fweibull distribution (CSR for Double Hull Oil Tanker, 2008) Γ(1+m/ξ) gamma function = 0,0076 exp(1,6x) + 1,26 Umur kelelahan adalah umur desain kelelahan dibandingkan dengan cummulative damage ratio. Umur desain kelelahan adalah umur operasi bangunan laut dikalikan dengan faktor keamanan (2 sampai dengan 10), sehingga didapatkan rancangan umur desain kelelahan yang jauh dari umur operasi struktur tersebut. Metode Monte Carlo merupakan salah satu metode yang digunakan untuk medapatkan nilai keandalan suatu struktur. Perhitungan keandalan berdasarkan umur kelelahan juga bisa dilakukan
dengan mengguanakan metode tersebut. Nilai keandalan didapatkan dengan cara sebagai berikut: β = 1- Pof (5) dengan: indeks keandalan Pof peluang kegagalan 3.
Metodologi 1. Pengumpulan data Rincian data yang digunakan dalam penelitian ini adalah : a) Data struktur : Karakteristik Tanker : Tabel 3.1 Data Utama Tanker Length betw. Lpp 173 m Perpendiculars Length water line at T L 180 m Breadth B 30,5 m Depth H 15,6 m Draught Coefficient block Deadweight
T Cb DWT
9,0 m 0,8 30.770 ton
Profil Operasional : Kecepatan Properti dan Bentuk Hull : section modulus, perhitungan dilakukan dengan pengurangan ketebalan pelat struktur sebesar 2 mm. Pengurangan ketebalan tersebut sebagai asumsi dari degradasi struktur. b) Data lingkungan. Data lingkungan North Atlantic Data lingkungan North Atlantic digunakan untuk perhitungan umur kelelahan pada kondisi tanker. Tinggi gelombang yang digunakan sebesar 16,5 m sampai dengan 18 m untuk panjang kapal lebih dari 200 m. Mengacu pada aturan tersebut, dengan panjang kapal 173 m digunakan tinggi gelombang sebesar 14,3 m. Data lingkungan Sepanjang 2. Analisa proses degradasi struktur Proses analisa degradasi struktur diperlukan karena struktur merupakan hasil konversi dari struktur yang telah digunakan (existing structure). 3. Pemodelan struktur secara global
3
Jurnal Tugas Akhir
Pemodelan struktur dengan menggunakan software poseidon. Software poseidon adalah software untuk memodelkan lambung kapal. Hasil yang didapatkan dari pemodelan ini adalah umur kelelahan setiap elemen struktur kapal beserta tegangan yang terjadi. 4. Perhitungan tegangan nominal kondisi tanker Perhitungan tegangan nominal dilakukan secara global. Pada saat kondisi tanker, beban disebabkan karena gelombang dengan data gelombang North Atlantic. Perhitungan tegangan nominal hanya memperhitungkan tegangan akibat beban gelombang vertikal. 5. Perhitungan umur kelelahan (kondisi tanker) Perhitungan kelelahan dengan cara closed form fatigue equation. Nilai section modulus yang didapatkan digunakan untuk menghitung rentang tegangan yang digunakan dalam persamaan perhitungan kelelahan. 6. Proses Konversi FPSO dari tanker Proses konversi FPSO dari tanker dilakukan dengan penambahan struktur topside module pada pelat geladak utama. Penambahan topside module dengan berat masing-masing 500 ton sejumlah 10 topside module (total 5000 ton). 7. Perhitungan tegangan nominal kondisi FPSO Perhitungan tegangan nominal dilakukan secara global. Pada saat kondisi FPSO, beban disebabkan karena gelombang dengan data gelombang Sepanjang. Tegangan nominal dilakukan dengan 6 kondisi pembebanan, antara lain: i. Kasus pembebanan 1 Struktur dianalisa dalam kondisi laut tenang. Beban yang berkerja hanya berat struktur sendiri atau beban statis (still water bending moment) ii. Kasus pembebanan 2 Struktur dianalisa dalam kondisi beban statis dan pengaruh beban gelombang dengan pemodelan gelombang dua puncak tertinggi pada masing-masing ujung struktur. Bagian tengah struktur, posisi gelombang pada puncak terendah. iii. Kasus pembebanan 3
Struktur dianalisa dalam kondisi beban statis dan pengaruh beban gelombang dengan pemodelan gelombang satu puncak tertinggi pada bagian tengah struktur. Bagian kedua ujung struktur , posisi gelombang pada puncak terendah. Tiga kasus pembabanan dilakukan pada kondisi FPSO muatan penuh dan muatan 45 %. Semua hasil perhitungan digunakan sebagai referensi perhitungan tegangan yang terjadi pada geladak utama struktur. 8. Perhitungan umur kelelahan (kondisi FPSO) Perhitungan kelelahan dengan cara closed form fatigue equation. Perhitungan umur kelelahan dilakukan Nilai umur kelelahan diiterasi dengan merubah section modulus, yaitu dengan menambah stiffener pada geladak utama hingga didapatkan umur kelelahan yang direncanakan (20 tahun, 10 tahun umur operasi dengan faktor keamanan 3). 9. Perhitungan Keandalan (Monte Carlo) Perhitungan nilai keandalan dengan metode monte carlo dengan sebuah variabel acak (rentang tegangan) Penentuan moda kegagalan: Umur kelelahan – Umur desain < 0, maka gagal 4. Hasil dan Analisa Rasio bentuk struktur kapal tanker memenuhi syarat rasio bentuk untuk struktur FPSO. Rasio bentuk struktur terdapat pada tabel 4.2. Tabel 4.1. Rasio bentuk struktur L/B B/D Actual 5,67 1,95 Ideal (ISODC, FPSO) 4,5 – 6,0 1,7 – 2,3 Ideal (UKOOA, FPSO) 5,0 – 6,5 1,6 – 2,0 (sumber: ISODC, 2006 and UKOOA, 2002) Pada tabel 4.1, perbandingan rasio bentuk dilakukan dengan struktur FPSO. Hal ini disebabkan karena tujuan dari tugas akhir adalah untuk mendesain FPSO dari tanker. Data spesifik gelombang untuk operasi FPSO digunakan data gelombang Sepanjang. Untuk struktur FPSO minimal data gelombang yang digunakan adalah tinggi gelombang 100 tahunan. Spektrum gelombang daerah Sepanjang terdapat pada gambar 4.1.
4
Jurnal Tugas Akhir
Gambar 4.1 Spektrum gelombang Sepanjang (FSO Mutiara, 2006) Gambar 4.1. menunjukkan spektrum gelombang sepanjang. Data gelombang terkumpul pada periode 3 detik dengan perbandingn 36 % dari semua data dan pada ketinggian 0,5 meter dengan perbandingan 52 % dari semua jumlah data. Prediksi tinggi gelombang tahunan menggunakan distribusi weibull. Prediksi tinggi gelombang untuk 100 tahun adalah 7,52 m. Hasil perhitungan rentang tegangan akibat gelombang terdapat pada tabel berikut: Tabel 4.2 Vertical wave bending moment Stress Hogging Sagging Rules Range [MNm] [MNm] [MNm] GL 1980,32 -2149,69 4130,01 Rules CSR 990,16 -1074,85 2065,01 fatigue
Perhitungan kelelahan pada kondisi tanker harus mempertimbangan faktor degradasi struktur. Untuk perhitungan kelelahan, degradasi struktur dapat diasumsikan dengan pengurangan 50 % ketebalan lapisan korosi (-2 mm dari tebal pelat data struktur). Berdasarkan asumsi tersebut, rentang tegangan yang terjadi pada geladak utama, pelat dasar (base plate) dan pelat lambung (side cell) teradapat pada tabel 4.3 berikut ini: Tabel 4.3 Rentang tegangan struktur tanker Section Rentang Elemen Modulus tegangan struktur [m3] [N/mm2] Main Deck 8,98 229,91 Base plate 9,68 213,27 Side cell 9,27 222,84 Berdasarkan pada hasil perhitungan pada tabel 4.3, didapatkan bahwa nilai rentang tegangan yang terbesar adalah rentang tegangan pada geladak utama (main deck). Mengacu pada hasil perhitungan dan batasan masalah tugas akhir,
maka perhitungan sisa umur kelelahan hanya dilakukan pada struktur geladak utama dan base plate. m = 3 , S-N curve exponent K2 = 0,63 . 1012 , S-N curve coefficient Perhitungan kelelahan berdasarkan pada kurva S-N, terdapat faktor perbedaan ketebalan. Ketebalan pelat yang digunakan dalam percobaan untuk mendapatkan kurva S-N adalah 22 mm, sedangkan tebal pelat struktur tanker yang dianalisa adalah 15 mm. Data perhituangan dan hasil perhitungan terdapat pada tabel 4.4. dari hasil tabel tersebut, perhituangan perkiraan umur kelelahan adalah 21,93 tahun, dimana nilai ini berada jauh dibawah target minimal umur kelelahan 25 tahun.
Tabel 4.4. Data perhitungan dan hasil fatigue life tanker untuk struktur geladak NL
α
ξ
K2
7,48.107 1 1,015 0,84 . 1012 SRi DMi Fatigue Life [N/mm2] 229,91 1,14 21,93 Tabel 4.5 Data perhitungan dan hasil fatigue life untuk struktur dasar NL
α
ξ
K2
7,48.107 1 1,015 1,06 . 1012 SRi DMi Fatigue Life [N/mm2] 213,27 0,72 34,66 Nilai 21,93 tahun adalah umur kelelahan untuk struktur geladak utama tanker dan 34,66 tahun adalah umur kelelahan pada struktur dasar. Umur kelelahan diambil dengan asumsi tebal pelat berkurang 2 mm (50% tebal lapisan pelat) dari tebal pelat 17 mm. Dari hasil tersebut diketahui bahwa struktur geladak memiliki umur kelelahan di bawah umur desain yang diharapkan tetapi hal ini tidak terjadi pada struktur dasar karena umur kelelahannya masih jauh di atas umur desain. Pemodelan tanker pada poseidon dilakukan pada rentang frame 55 sampai dengan 88 dengan 5
Jurnal Tugas Akhir panjang 96 m dari 180 m panjang total. Hasil pemodelan struktur tanker terdapat pada gambar 4.2 berikut ini:
Gambar 4.2 Pemodelan tanker frame 55 sampai dengan 88 Berdasarkan hasil running pada poseidon didapatkan umur kelelahan struktur geladak utama tanker adalah 22 tahun. Umur kelelahan struktur tanker pada mid-ship terdapat pada gambar 4.7 berikut ini:
Gambar 4.7 Umur kelelahan elemen pelat pada model tanker. Berdasarkan hasil perhitungan dengan poseidon didapatkan umur kelelahan 22 tahun pada dek dan 34 tahun pada dasar. Perhitungan umur kelelahan sebelumnya didapatkan hasil umur kelelahan yang hampir sama yaitu 21,93 tahun dan 34,66 tahun. Hasil kedua perhitungan untuk struktur dek didapatkan umur kelelahan yang kurang dari umur kelelahan yang dirancang untuk operasi FPSO. Perhitungan keandalan struktur tanker dengan metode Monte Carlo dengan dua variabel acak yaitu tegangan pada struktur dek dan faktor kurva S-N. Simulasi dilakukan hingga 10.000 kali guna mendapatkan hasil yang lebih akurat. Didapatkan hasil perhitungan keandalan struktur = 0,58. Perhitungan keandalan terdapat pada tabel 4.6 di bawah ini: Tabel 4.6 Data hasil perhitungan keandalan Jumlah Pof Keandalan Percobaan 500 0,406 0,594
1000 2000 4000 6000 8000 10000
0,388 0,399 0,408 0,421 0,418 0,420
0,612 0,601 0,592 0,579 0,582 0,580
a) FPSO muatan penuh Total beban yang terjadi pada model FPSO muatan penuh terdapat pada tabel 4.13 dibawah ini: Tabel 4.7 FPSO displacement muatan penuh Massa Topside module Explosion strengthening Tank compartment Light FPSO Total Draft (T)
Volume
5000000
Kg
4878,05
m3
551310
Kg
537,86
m3
31578090
Kg
30807,89
m3
4395244 41524644 9,6
Kg Kg
4288,04 40511,85 m
m3 m3
Berdasarkan tabel 4.7, struktur mengalami perubahan displacement sebesar 2584,6 ton dari 38940 ton saat tanker dan 41524,6 ton setelah konversi. Akibat dari perubahan displacement struktur maka nilai sarat perlu ditinjau ulang. Tinggi sarat struktur setelah dikonversi adalah 9,6 meter. Gaya angkat kapal (buoyancy) untuk struktur dengan muatan penuh adalah 2353,86 kN/m. b) FPSO muatan 45% Total beban yang terjadi pada model FPSO muatan 45% terdapat pada tabel 4.7 dibawah ini: Tabel 4.7 FPSO displacement muatan 45% Massa Topside module Explosion strengthening Tank compartment Light FPSO Total Draft (T)
Volume
5000000
Kg
4878,05
m3
551310
Kg
537,86
m3
14210140,5
Kg
13863,55
m3
4395244 24156694,12 5,6
Kg Kg
4288,04 23567,51 m
m3 m3
Berdasarkan tabel 4.14, sarat struktur yang baru adalah 5,6 m. Berdasarkan sarat struktur yang baru maka gaya buoyancy untuk FPSO dengan muatan 45 % adalah 1369,34 kN/m. Berdasarkan ISODC report, 2004, pembebanan global untuk 6
Jurnal Tugas Akhir struktur kapal adalah seluruh beban vertikal yang terjadi pada kapal termasuk berat kapal kosong, berat peralatan, berat isi muatan dan gaya angkat kapal. Berat dan lokasi distribusi beban pada FPSO terdapat pada gambar dibawah ini: a) FPSO muatan penuh Data distribusi beban sepanjang struktur kondisi muatan penuh terdapat pada:
Gambar 4.8 Distribusi baban pada FPSO muatan penuh Gambar 4.8, menunjukkan bahwa beban yang bekerja pada FPSO adalah beban merata. Garis biru merupakan beban yang bekerja diatas struktur dengan arah pembebanan kebawah. Pada garis biru atau beban diatas FPSO terjadi kenaikan dengan nilai puncak 4033,4 kN/m panjang struktur, hal ini menunjukkan bahwa terdapat beban yang lebih akibat beban peralatan, beban ledakan dan beban muatan. Garis merah adalah beban dorong keatas struktur. Gaya buoyancy konstan sepanjang FPSO dengan nilai sebesar 2353,86 kN/m panjang struktur. b) FPSO muatan 45 % Data distribusi beban sepanjang struktur kondisi muatan 45% terdapat pada:
Gambar 4.9 Distribusi baban pada FPSO muatan 45 % Gambar 4.9, garis merah atau beban diatas FPSO terjadi kenaikan dengan nilai puncak 2277,5 kN/m panjang struktur. Gaya buoyancy konstan
sepanjang FPSO dengan nilai sebesar 1369,34 kN/m panjang struktur. 1. Kasus pembebanan 1 Kasus pembebanan 1 adalah struktur dengan kondisi laut tenang (tanpa gelombang). Beban utama pada struktur adalah akibat beban vertikal dan gaya angkat struktur. Berdasarkan hasil perhitungan, distribusi gaya struktur pada gambar dibawah ini: a) FPSO muatan penuh
Gambar 4.10 Resultan beban kondisi 1a Gambar 4.10, menunjukkan distribusi gaya resultan yang bekerja pada struktur. Garis biru merupakan gaya angkat (buoyancy) dan garis hijau adalah beban vertikal diatas struktur.
Gambar 4.11 Gaya geser kondisi 1a Gambar 4.11, nilai tertinggi gaya geser adalah 83,5 MN pada posisi 42 m dari AP. Untuk nilai terendah dari gaya geser adalah -81,5 MN pada posisi 138 m dari AP.
Gambar 4.12 Momen bending kondisi 1a Gambar 4.12, terdapat satu puncak momen bending dengan posisi simetris dengan posisi dimana gaya geser bernilai 0, yaitu 89 m dari AP. Nilai tertinggi dari momen bending adalah 3541,37 MNm. b) FPSO muatan 45 % 7
Jurnal Tugas Akhir
Gambar 4.13 Reultan beban kondisi 1b Gambar 4.13, menunjukkan distribusi gaya resultan yang bekerja pada struktur. Garis biru merupakan gaya angkat (buoyancy) dan garis merah adalah beban vertikal diatas struktur.
Gambar 4.14 Gaya geser kondisi 1b Gambar 4.14, menunjukkan gaya geser yang terjadi pada FPSO kondisi still water dan muatan 45 %. Nilai terendah gaya geser adalah -45 MN pada posisi 42 m dari AP. Untuk nilai tertinggi dari gaya geser adalah 44 MN pada posisi 138 m dari AP.
Gambar 4.15 Momen bending kondisi still water 1b Gambar 4.15, terdapat satu puncak momen bending dengan posisi simetris dengan posisi dimana gaya geser bernilai 0, yaitu 89 m dari AP. Nilai tertinggi dari momen bending adalah 1927,85 MNm. 2. Kasus Pembebanan 2 Kasus pembebanan 2 adalah struktur dengan kondisi terdapat dua puncak gelombang pada kedua ujung struktur. Tinggi gelombang yang digunakan adalah 7,25 m yang merupakan tinggi gelombang 100 tahunan daerah Sepanjang. Berdasarkan hasil perhitungan, distribusi gaya struktur pada gambar dibawah ini:
Gambar 4.16 Posisi dua puncak gelombang pada struktur Gambar 4.16, menunjukkan distribusi gelombang yang bekerja pada struktur. Terdapat dua puncak gelombang dengan posisi masingmasing pada kedua ujung struktur. Pada bagian mid-ship struktur, posisi gelombang pada puncak terendah. a) FPSO muatan penuh
Gambar 4.17 Gaya geser kondisi 2a Gambar 4.17, menunjukkan gaya geser yang terjadi pada FPSO akibat beban vertikal dan gaya gelombang dengan dua puncak pada kedua ujung struktur. Nilai tertinggi gaya geser adalah 67,6 MN pada posisi 42 m dari AP. Untuk nilai terendah dari gaya geser adalah – 97,4 MN pada posisi 138 m dari AP.
Gambar 4.18 Momen bending kondisi 2a Gambar 4.18, nilai tertinggi momen bending adalah 4547,26 MNm pada posisi 90 m dari AP.
8
Jurnal Tugas Akhir b) FPSO muatan 45 %
a) FPSO muatan penuh
Gambar 4.19 Gaya geser kondisi 2b Gambar 4.19, nilai tertinggi gaya geser adalah 28,2 MN pada posisi 138 m dari AP. Untuk nilai terendah dari gaya geser adalah –60,9 MN pada posisi 42 m dari AP.
Gambar 4.22 Gaya geser kondisi 3a Gambar 4.22, nilai tertinggi gaya geser adalah 98,1 MN pada posisi 42 m dari AP. Untuk nilai terendah dari gaya geser adalah -64,3 MN pada posisi 138 m dari AP.
Gambar 4.20 Momen bending kondisi 2b Gambar 4.20, nilai tertinggi momen bending adalah 2933,8 MNm pada posisi 89 m dari AP. 3. Kasus Pembebanan 3 Kasus pembebanan 3 adalah struktur dengan kondisi terdapat satu puncak gelombang pada mid-ship struktur. Tinggi gelombang yang digunakan adalah 7,25 m yang merupakan tinggi gelombang 100 tahunan daerah sepanjang. Panjang gelombang adalah sama dengan panjang struktur yaitu 173 m. Berdasarkan hasil perhitungan, distribusi gaya struktur pada gambar dibawah ini:
Gambar 4.23 Momen bending kondisi 3a Gambar 4.23, nilai tertinggi momen bending adalah 2449,4 MNm pada posisi 89 m dari AP. b) FPSO muatan 45 %
Gambar 4.21 Posisi satu puncak gelombang pada struktur Gambar 4.21, menunjukkan distribusi gelombang yang bekerja pada struktur. Terdapat satu puncak gelombang dengan posisi tepat pada mid-ship struktur. Pada bagian kedua ujung struktur, posisi gelombang pada puncak terendah.
Gambar 4.24 Gaya geser kondisi 3b Gambar 4.24, nilai tertinggi gaya geser adalah 61,3 MN pada posisi 138 m dari AP. Untuk nilai terendah dari gaya geser adalah -30,5 MN pada posisi 42 m dari AP.
Gambar 4.25 Momen bending kondisi 3b Gambar 4.25, nilai tertinggi momen bending adalah 835,9 MNm pada posisi 89 m dari AP. 9
Jurnal Tugas Akhir Hasil tertinggi masing-masing kasus pembebanan untuk nilai gaya geser, momen bending terdapat pada tabel 4.17 dibawah ini: Tabel 4.8 Nilai tertinggi dari semua kasus pembebanan Tegangan Momen Tegangan Kasus geser bending pada Deck Pembebanan [MN] [MNm] [N/mm2] a 83,5 3541,37 140,12 1 b 45,0 1927,85 76,28 a 97,4 4547,26 179,92 2 b 60,9 2933,80 116,08 a 98,1 2449,40 96,92 3 b 61,3 835,90 33,07 Tabel 4.8, menunjukkan hasil tegangan yang terjadi pada FPSO. Tegangan pada dek didapatkan dari pembangian tegangan bending tiap kasus pembebanan dengan section modulus deck plate. Nilai tegangan terbesar pada deck dengan nilai 179,92 N/mm2 pada kasus pembebanan 2a dan nilai terendah pada base plate dengan nilai 33,07 N/mm2 pada kasus pembebanan 3b. Data perhitungan dan hasil perhitungan terdapat pada tabel 4.9. Tabel 4.9. Data perhitungan dan hasil fatigue life dengan kondisi FPSO untuk struktur dasar NL
α
ξ
K2
0,8 . 108 SRi [N/mm2] 179,92
1
1,015
0,57 . 1012
DMi
Fatigue Life
1,3
20,3
Umur kelelahan yang didapatkan merupakan umur kelelahan tanker dengan kondisi pembebanan setelah konversi menjadi FPSO. Untuk mendapatkan umur kelelahan yang memenuhi umur kelelahan rancangan, maka diperlukan penguatan struktur. Struktur yang perlu dilakukan penguatan adalah geladak karena untuk struktur dasar umur kelelahan sebelum dan sesudah kondisi konversi masih berada di atas umur yang diharapkan. Penguatan struktur dilakukan dengan penambahan stiffener pada geladak utama dengan span sepanjang 0,67 m. Penambahan ini
dilakukan dengan iterasi beberapa section modulus. Perhitungan setelah penguatan dapat dilihat pada table 4.10. Tabel 4.10 Data perhitungan dan hasil fatigue life kondisi FPSO setelah penguatan untuk struktur geladak NL
α
ξ
K2
0,7 . 109 SRi [N/mm2] 102,81
1
1,015
0,57 . 1012
DMi
Fatigue Life
0,99
30,11
Dari perhitungan di atas umur kelelahan struktur dengan kondisi FPSO meningkat menjadi 30,1 tahun setelah dilakukan penguatan struktur. Penguatan dilakukan dengan penambahan stiffener sebanyak 15 buah. Sedangkan pada struktur dasar tidak diperlukan penguatan struktur karena setelah dilakukan perhitungan pun hanya dengan penambahan 1 stiffener struktur tersebut umur kelelahannya menjadi 53,8 tahun. Hal ini dapat dilihat pada table di bawah ini Tabel 4.11 Data perhitungan dan hasil fatigue life kondisi FPSO setelah penguatan untuk struktur dasar NL
α
ξ
K2
0,7 . 109 SRi [N/mm2] 156,42
1
1,015
0,72 . 1012
DMi
Fatigue Life
0,40
50,46
5. Kesimpulan dan Saran Berdasarkan hasil pembahasan, kesimpulan yang dapat diambil sebagai jawaban atas tujuan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Dengan menggunakan formulasi CSR dan hanya memperhitungkan vertical bending moment yang diakibatkan oleh gelombang, maka umur kelelahan scantling tanker sebelum konversi adalah 21,93 tahun untuk struktur geladak dan 34,66 tahun untuk struktur dasar. Sedangkan berdasarkan perhitungan dengan software Poseidon 9.0 didapatkan umur kelelahan scantling tanker sebelum konversi 22 tahun untuk struktur geladak dan 34 tahun untuk struktur dasar. 10
Jurnal Tugas Akhir Dengan demikian kedua pendekatan/algoritma yang digunakan saling memvalidasi. 2. Pada konversi dari tanker menjadi FPSO struktur mengalami degradasi di mana ketebalan pelat pada struktur mengalami penurunan 2 mm. Lebih lanjut struktur tanker mendapatkan kondisi pembebanan modul pemrosesan sebesar 5000 ton, sehinggga fatigue life scantling struktur geladak turun menjadi 20,3 tahun dan struktur dasar menjadi 30,1 tahun. Oleh karena struktur geladak tidak memenuhi kriteria umur desain FPSO, maka harus dilakukan penguatan struktur scantling (dalam hal ini dengan penambahan stiffener). Setelah dilakukan penguatan didapatkan umur kelelahan struktur geladak meningkat menjadi 30,11 tahun, sehingga memenuhi kriteria perancangan. 3. Keandalan struktur tanker terhadap beban kelelahan dikomputasi dengan menggunakan Simulasi Monte Carlo sebanyak 10.000 kali iterasi. Dari simulasi tersebut diperoleh keandalan struktur tanker sebelum dimodifikasi adalah 0,58. Setelah proses konversi dan dilakukan penguatan pada scantling struktur geladak dengan menambahkan 15 stiffener, keandalan struktur bernilai 1,0. Sedangkan untuk struktur dasar tanpa melalui penguatan (modifikasi struktur), umur kelelahannya di atas 30 tahun dan keandalannya 1,0. Dengan demikian, struktur dasar secara prinsip akan aman. Beberapa hal yang dapat disarankan pada akhir dari penelitian ini adalah: 1. Diperlukan penelitian perhitungan umur kelelahan tanker dengan memperhitungkan semua penyebab terjadinya tegangan termasuk data operasi tanker sebelum konversi. 2. Perhitungan umur kelelahan secara global sudah didapatkan, dibutuhkan analisa lokal dengan metode elemen hingga untuk didapatkan tahap perhitungan kelelahan struktur secara menyeluruh. 3.Pada penelitian tugas akhir ini perlu dilakukan analisa resiko guna mendapatkan desain struktur yang lebih aman dan optimal. 4.Perhitungan umur kelelahan lebih dianjurkan dengan metode full spectra dan disertai pemodelan fisik dengan pengujian di
laboratorium untuk mengetahui keandalan desain struktur dengan lebih akurat.
6. Daftar Pustaka Assakkaf, A. I and Ayyub, M. B. 2002. Reliability-based Design for Fatigue of Marine Structures. University of Maryland. College Park Chakrabarti, S. K. Hydrodinamics of Offshore Structure. Computational Mechanics Publications. 1987. Djatmiko, E.B. 2003. Analisa Kelelahan Struktur Bangunan Laut. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya Doormanweg, K. 2006. Gusto MSC, SBM Offshore group. Enklave Parkway, Houston Fagerberg, L et al. 2004. Report on Fagerdala Tanker Hull System. ALFGAM Optimering. Stockholm, Sweden Germanischer Lloyd. 2005. Rules and Guidelines 2005, Part 6 - Offshore Installation.Hamburg Germanischer Lloyd. 2008. Bottom Structures, Decks – Part I. Hsu. 1984. Spectral Analysis of Stokes Waves. IACS. 2008. CSR for Double Hull Oil Tanker ISODC. 2006. International Student Offshore Design Competition. Jurisic, P. 2007. Assessment of Aframax Tanker Hull-Girder Fatigue Strength According to New Common Structural Rules. BRODOGRDNJA.Zagreb Kaminski, M.L. 2007. Sensing and Understanding Fatigue Lifetime of New and Converted FPSOs. OTC 18913. Texas Leick, R. 2000. Conversion and New Build, FPSO Workshop Proceedings Presentations, 8 june , 2000. Letterio, Tomasello. 2007. Shipspotting. Dubai. Lloyd Register Guidance Notes. 2003. Conversion of Tankers for Floating Storage/Production Service. Lotsberg, I. 2005. Assesment of Fatigue Capacity in The New Bulk Carrier and Tanker Rules, Journal of Marine Structure. Vol.19:8396 Marshall, R.W. et all. 2002. UKOOA FPSO Design Guidances Notes for UKCS Service. Britain, England Paik, J. K. 2005. Ultimate Strength of Dented Steel Plates Under Edge Shear Loads. ThinWalled Structures, Vol. 43. 11
Jurnal Tugas Akhir Potthurst, R. 2003. Tanker Conversion to FPSOs. OGP Marine Risks Workshop Proceedings. Rosyid, D.M. 2007. Pengantar Rekayasa Keandalan. Airlangga University Press. Surabaya Shimamura, Y. 2002. FPSO/FSO: State of the art. Journal of Marine Science and Technology. Tokyo
Styawan, Denies. 2009. Analisis Kelelahan Berbasis Keandalan Pada FPSO Konversi dari Tanker. Surabaya. Terpstra, T. et all. 2001. FPSO Design and Conversion: A Designer's Approach, OTC 13210. Texas Triatmodjo, Bambang. 1999. Teknik Pantai. Beta Offset. Yogyakarta. UKOOA. 2002. FPSO Design Guidance Notes.
12
