PENILAIAN STRUKTUR LEPAS PANTAI EKSISTING DENGAN PENEKANAN TERHADAP ANALISA NON-LINEAR DAN ANALISA RELIABILITAS STRUKTUR
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
EKA FERRY SETYADI NIM : 25005018 Program Studi Rekayasa Struktur
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
PENILAIAN STRUKTUR LEPAS PANTAI EKSISTING DENGAN PENEKANAN TERHADAP ANALISA NON-LINEAR DAN ANALISA RELIABILITAS STRUKTUR
Oleh Eka Ferry Setyadi NIM : 25005018
Program Studi Rekayasa Struktur Institut Teknologi Bandung
Menyetujui, Pembimbing
(Ir. Made Suarjana, M.Sc., Ph.D)
ABSTRAK PENILAIAN STRUKTUR LEPAS PANTAI EKSISTING DENGAN PENEKANAN TERHADAP ANALISA NON-LINEAR DAN ANALISA RELIABILITAS STRUKTUR Oleh Eka Ferry Setyadi NIM : 25005018 Penilaian dari struktur lepas pantai eksisting dilakukan terhadap beberapa peristiwa yang terjadi pada struktur. Dari sudut pandang ekonomis, penggunaan dari struktur eksisting dalam beberapa kasus lebih disukai dibandingkan instalasi baru. Tujuan dari penilaian struktur eksisting adalah untuk memastikan bahwa kemungkinan kegagalan dari struktur masih berada pada kriteria yang disyaratkan untuk dapat tetap menjalankan fungsinya walaupun terjadi beberapa hal yang diluar desain. Untuk mencapai hal tersebut maka beberapa prosedur penilaian telah diusulkan. Terdapat beberapa prosedur penilaian struktur lepas pantai eksisting. Tetapi secara umum prosedur tersebut berdasarkan kepada 1) Analisa linear dan pemeriksaan komponen, 2) Analisa non-linear kekuatan sistem dan pemeriksaan komponen, 3) Analisa reliabilitas struktur untuk pemeriksaan kondisi batas ultimate. Pada tesis ini akan dilakukan penilaian struktur eksisting dengan penekanan terhadap analisa non-linear dan analisa reliabilitas struktur. Platform studi kasus adalah tipe jacket konvensional 4 kaki dengan panjang 113.3 meter yang terletak di perairan Laut Natuna. Kawasan tersebut diskenariokan mengalami penurunan dasar laut (subsidence) sebesar 1.93 meter. Dan struktur jacket akan dinilai apakah masih dapat digunakan untuk beroperasi dengan perubahan kriteria lingkungan yang terjadi. Analisa struktur non-linear dilakukan untuk mendapatkan kapasitas ultimate struktur. Non-linearitas yang ditinjau adalah non-linearitas geometri dan material. Analisa statik pushover dilakukan pada jacket tinjauan. Hasil analisa adalah perilaku struktur dari mulai mendapatkan beban sampai dengan keruntuhannya. Hal yang penting untuk diperhatikan adalah peristiwa leleh pertama, sendi plastis yang terjadi, tekuk dari elemen, penggunaan maksimum dari kapasitas penampang, dan faktor beban maksimum yang dapat diterima struktur. Beban yang digunakan untuk analisa pushover adalah beban gelombang, dan dilakukan untuk 8 (delapan) arah pembebanan gelombang. Rasio cadangan kekuatan (RSR) kemudian didapatkan untuk membuat permukaan kegagalan struktur jacket. RSR kritis kemudian dibandingkan dengan syarat batas yang ada.
i
Hasil analisa mendapatkan pembebanan gelombang yang menghasilkan RSR kritis adalah pada arah 270o, dengan RSR sebesar 1.84. ISO/DIS 19902 mensyaratkan nilai RSR minimum 1.85 sehingga struktur jacket tinjauan tidak memenuhi syarat. Dengan nilai RSR yang tidak mencukupi maka analisa reliabilitas struktur kemudian dilakukan untuk mendapatkan indeks reliabilitas β dan kemungkinan kegagalannnya (Probability of Failure). Analisa reliabilitas struktur memperhitungkan parameter ketahanan (resistance) dan beban (load) sebagai suatu parameter statistik yang tidak tetap pada satu nilai. Kemungkinan kegagalan dari struktur akan dibandingkan dengan referensi syarat batas yang ada untuk menentukan apakah struktur masih dapat digunakan dengan hal-hal diluar desain yang terjadi. Analisa reliabilitas struktur akan menggunakan metode First Order Second Moment (FOSM). Analisa yang dilakukan mendapatkan indeks reliabilitas β = 3.477 sehingga mempunyai kemungkinan kegagalan sebesar Pf=2.53E-04 atau kemungkinan kegagalannya sekali dalam 3950 tahun. Resiko kegagalan yang dapat diterima oleh struktur baja yang diberi beban tetap adalah 10-3 dan struktur platform tinjauan dinyatakan masih dapat digunakan. Kata kunci : analisa non-linear, analisa statik pushover, RSR, analisa reliabilitas, FOSM, indeks reliabilitas, kemungkinan kegagalan.
ii
ABSTRACT ASSESSMENT OF EXISTING OFFSHORE STRUCTURES WITH EMPHASIZING ON NON-LINEAR ANALYSIS AND STRUCTURAL RELIABILITY ANALYSIS By Eka Ferry Setyadi NIM : 25005018 Assessment of an existing offshore structure is performed if the utilization of the structures is to be extended beyond design life or due changes in safety parameters such as load or strength of the structure. From an economical point of view the continued use of an existing installation in many cases is preferable, compared to a new installation. The purpose of an assessment of an existing structure is to ensure that probability of failure of the structure is still within accepted criteria. There are several assessment procedures for an existing offshore structure. In general, it based on 1) Linear analysis and component check, 2) Non-linear analysis and component check, 3) Structural reliability analysis for the ultimate state check. In this thesis assessment of existing offshore structures based on nonlinear analysis and structural reliability analysis is explored. Offshore platform for study case is a 4 (four) legs conventional jacket type with length 113.3 meters that operated on Natuna Sea. In the case study, the operational area is given a scenario of subsidence about 1.93 meters. The jacket structure is assessed for its safety to continue operations with the changed environmental criteria. Non-linear structural analysis is performed to get the value of RSR (Reserve Strength Ratio) which is ratio of ultimate base shear to 100 years design base shear. The non-linearity included in the analysis includes geometric and material non-linearity. Static pushover analysis is performed to the jacket platform. From the analysis we can study structural behaviors from first loading until collapse. Important events noted are first yield, plastic hinges, elements buckling, maximum cross section capacity utilization, and maximum load factor could be resisted by the structures. Load case used for pushover analysis is wave load in 8 (eight) directions. Reserve Strength Ratio (RSR) is calculated for 8 (eight) wave loading directions. Critical RSR is compared to ISO 19902 acceptance criteria.
iii
The analysis shows that critical wave load direction is 270 degrees, with corresponding RSR 1.84. ISO/DIS 19902 recommends minimum RSR to be 1.85, so the jacket structure is not acceptable based on non-linear assessment stage. With insufficient RSR value, the structural reliability analysis is performed to get reliability index and probability of failure. Structural reliability analysis considers resistance and load parameter as statistical parameters. Probability of failure is compared to an accepted criteria references to decide if the structure is acceptable or not. The structural reliability analysis used is First Order Second Moment (FOSM) method. The FOSM is an approximation method based on first moment, mean, and its second moment, variance. The analysis show the structure has reliability index 3.5, therefore the structures has a probability of failure of Pf=2.5x10-4 or the probability of failure is once in 3950 years. Accepted failure risk of steel structures with fixed load is 10-3 and platform structures declared still could be used. Key word: non-linear analysis, static pushover analysis, RSR, reliability analysis, FOSM, reliability index, probability of failure.
iv
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan untuk dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pasca Sarjana, Institut Teknologi Bandung.
v
Ya Allah.. Berilah hamba petunjuk Jalan mana yang harus hamba Mu tempuh Berilah kemudahan Dan berilah hasil yang terbaik Iyya kana’budu Wa iyya kanasta’iin..
Tesis ini saya persembahkan kepada Ibu dan Papah di Brebes, Mama dan Papa di Bandung, Dhiajeng Nita tercinta, Eryne dan Altsa tersayang, Embah, Pakde, Bude, Paklik, Bulik, Terima kasih atas kasih sayang, semangat dan doa yang telah, dan akan selalu diberikan..
KATA PENGANTAR Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Magister dari Program Studi Magister Teknik Sipil dengan pengutamaan pada Rekayasa Struktur. Satu-satunya faktor hingga tesis ini berhasil diselesaikan adalah karena ridho dari Allah SWT, yang merupakan Dzat pemilik segala ilmu pengetahuan dan penulis semua sejarah kehidupan, karena itu penulis mengucapkan Alhamdulillahi robbil ‘alamiin. Sholawat dan salam semoga senantiasa tercurah kepada Rosulullah SAW sebagai acuan perilaku umat untuk mencapai kebahagiannya.
Pada kesempatan yang berbahagia ini pula, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Ir. Made Suarjana, Ph.D, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan kesempatan, bimbingan, dan kepercayaan penuh selama proses penyelesaian tesis ini. 2. Ir. Dyah Kusumastuti, Ph.D, selaku dosen penguji yang dengan penuh kesabaran dan ketelitian telah membantu mengoreksi naskah tesis ini. 3. Ir. Rildova, Ph.D, selaku dosen penguji yang telah memberikan feed back konstruktif dan perhatian serius pada proses penyelesaian tesis ini. 4. Seluruh staf pengajar, tata usaha Departemen Teknik Sipil, struktur 2005, Pavilliun Rumah C, serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Bandung, Juni 2007
Penyusun
vii
DAFTAR ISI
ABSTRAK .................................................................................................... i ABSTRACT.................................................................................................. iii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS .......................................................... v HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................... vi KATA PENGANTAR .................................................................................. vii DAFTAR ISI................................................................................................. viii DAFTAR LAMPIRAN................................................................................. xii DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI ..................................................... xiii DAFTAR TABEL......................................................................................... xvi DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG ............................................... xvii
BAB I
Pendahuluan .............................................................................. 1
I.1
Latar Belakang .................................................................................. 1
I.2
Maksud dan Tujuan........................................................................... 2
I.3
Ruang Lingkup Pembahasan............................................................. 3
I.4
Metodologi Penelitian ....................................................................... 3
I.5
Sistematika Pembahasan ................................................................... 4
BAB II
Bangunan Lepas Pantai............................................................ 7
II.1
Definisi Bangunan Lepas Pantai ....................................................... 7
II.2
Klasifikasi Bangunan Lepas Pantai................................................... 7
II.3
Sistem Bangunan Lepas Pantai ......................................................... 9
II.4
Jenis Platform Tipe Jacket/Template ................................................ 13
BAB III
Penilaian Struktur Eksisting.................................................... 21
III.1
Pendahuluan ...................................................................................... 21
III.2
Keselamatan dari struktur ................................................................. 24
III.2.1 Umum.......................................................................................... 24 III.2.2 Struktur eksisting dan desain baru .............................................. 27 III.3
Prosedur penilaian............................................................................. 31
viii
III.3.1 Proses penilaian yang diusulkan pada ISO/DIS 19902............... 31 III.3.2 Proses penilaian yang diusulkan pada API RP2A WSD............. 36 III.3.3 Prosedur penilaian yang diusulkan pada ISO/DIS 13822 ........... 37 III.3.4 Proses penilaian yang diusulkan oleh Joint Committee on Structural Safety (JCSS) ............................................................. 39 III.4
Komentar terhadap standar yang ada ................................................ 41
III.4.1 Identifikasi bencana dan mode keruntuhan dan pengukurannya 41 III.4.2 Pemeriksaan keadaan batas ultimate........................................... 42
Bab IV
Analisa Kapasitas Ultimate ...................................................... 46
IV.1
Pendahuluan ...................................................................................... 46
IV.2
Gelombang ........................................................................................ 50
IV.2.1 Dasar Teori.................................................................................. 50 IV.2.2 Persamaan Pengatur .................................................................... 52 IV.2.3 Teori Gelombang Linear/Airy .................................................... 52 IV.2.4 Teori Gelombang Stokes............................................................. 54 IV.2.5 Teori Gelombang Stream Function............................................. 58 IV.2.6 Pemilihan Teori Gelombang ....................................................... 59 IV.3
Beban ................................................................................................ 60
IV.4
Analisa Pushover............................................................................... 63
IV.4.1 Cadangan Kekuatan (Reserve Strength) dan Redundansi........... 65 IV.4.2 Permukaan Kegagalan (Failure Surface) .................................... 67
BAB V V.1
Analisa Reliabilitas ................................................................... 68
Statistik dan Probabilitas................................................................... 68 V.1.1 Pendahuluan ................................................................................ 68 V.1.2 Probability Density Function ...................................................... 68 V.1.3 Cumulative Distribution Function (CDF) ................................... 69 V.1.4 Properties Statistik Measure of Location .................................... 70 V.1.5 Properties Statistik Measure of Spread ....................................... 71 V.1.6 Momen Variabel Acak ................................................................ 72 V.1.7 Model Distribusi Variabel Acak ................................................. 74
ix
V.2
Distribusi dan Parameter Ketahanan................................................. 77 V.2.1 Pendahuluan ................................................................................ 77 V.2.2 Statistik dari Propertis Baja......................................................... 77 V.2.3 Ketidak-pastian Model Ketahanan Jacket................................... 80
V.3
Distribusi dan Parameter Beban........................................................ 81 V.3.1 Beban Gravitasi........................................................................... 81 V.3.2 Beban Lingkungan ...................................................................... 83 V.3.3 Ketidak-pastian Model Beban Lingkungan ................................ 85
V.4
Metoda Reliabilitas ........................................................................... 87 V.4.1 Pendahuluan ................................................................................ 87 V.4.2 Variabel Dasar dan Permukaan Batas Kegagalan (Failure Surface) ....................................................................................... 89 V.4.3 First Order Second Moment (FOSM) ......................................... 91 V.4.4 Model Kemungkinan Kegagalan Struktur .................................. 106
BAB VI
Studi Kasus ................................................................................ 110
VI.1
Tinjauan Studi Kasus ........................................................................ 110
VI.2
Deskripsi Studi Kasus ....................................................................... 111
VI.2.1 Struktur Jacket............................................................................. 111 VI.2.2 Struktur Dek ................................................................................ 112 VI.2.3 Perlengkapan (Appurtenances) ................................................... 112 VI.3
Pembebanan ...................................................................................... 115
VI.3.1 Beban Mati Struktur.................................................................... 115 VI.3.2 Beban Perlengkapan (Appurtenance Load) ................................ 115 VI.3.3 Beban Lingkungan (Environmental Load) ................................. 115 VI.3.4 Beban Bagian Atas (Topside Load) ............................................ 116 VI.4
Kriteria Lingkungan .......................................................................... 117
VI.4.1 Kedalaman Perairan .................................................................... 117 VI.4.2 Angin........................................................................................... 118 VI.4.3 Kriteria Gelombang..................................................................... 119 VI.4.4 Profil Arus................................................................................... 119 VI.4.5 Current Blockage Factor ............................................................. 119
x
VI.4.6 Wave Kinematics Factor ............................................................. 120 VI.4.7 Profil Marine Growth.................................................................. 120 VI.4.8 Koefisien Hidrodinamik.............................................................. 121 VI.5
Material Baja..................................................................................... 121
VI.6
Skenario Subsidence ......................................................................... 122
VI.7
Analisa Non-Linear Struktur............................................................. 124
VI.7.1 Pemodelan di USFOS ................................................................. 124 VI.7.2 Model Elastic-Perfectly-Plastic................................................... 125 VI.7.3 Model Leleh Parsial Dan Strain Hardening ................................ 127 VI.7.4 Permukaan Interaksi Untuk Tubular Berdinding Tipis............... 131 VI.7.5 Bifurkasi dan Tekuk.................................................................... 132 VI.7.6 Model Jacket Tinjauan ................................................................ 135 VI.7.7 Kondisi Pembebanan................................................................... 135 VI.7.8 Hasil Analisis .............................................................................. 137 VI.7.9 Kriteria Dan Syarat Batas............................................................ 150 VI.8
Analisa Reliabilitas Struktur ............................................................. 150
VI.8.1 Indeks Reliabilitas dan Kemungkinan Kegagalan ...................... 150 VI.8.2 Kriteria dan Syarat Batas ............................................................ 161
BAB VII Kesimpulan dan Saran ............................................................. 163 VII.1 Kesimpulan ....................................................................................... 163 VII.2 Saran.................................................................................................. 164
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 165
xi
DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN A Head File USFOS ............................................................. 167 LAMPIRAN B Structural File USFOS ..................................................... 171 LAMPIRAN C USFOS Output ................................................................. 171 LAMPIRAN D USFOS Analysis Status ................................................... 171 LAMPIRAN E Tinggi Gelombang VS Base Shear .................................. 175 LAMPIRAN F MathCAD Curve-fitting ................................................... 176
xii
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI
Gambar I. 1
Bagan alir penilaian struktur eksisting............................... 6
Gambar II.1
Hybrid Tower with Inbuilt Bouyancy ................................ 4
Gambar II.2
Semisubmersible Platform ................................................. 4
Gambar II.3
Concrete Gravity Platforms................................................ 4
Gambar II.4
Template Or Jacket Type Offshore Structure .................... 5
Gambar II.5
Caisson ............................................................................... 5
Gambar II.6
Tension Leg Platform......................................................... 5
Gambar II.7
Articulated Tower .............................................................. 5
Gambar II.8
Steel Gravity Platform ....................................................... 5
Gambar III. 1
Bagan Alir Penilaian Struktur Eksisting ............................ 23
Gambar III. 2
Prosedur penilaian yang diusulkan pada ISO 19902 ......... 32
Gambar IV. 1
Ilustrasi hubungan beban dan perpindahan untuk struktur lepas pantai ........................................................... 47
Gambar IV. 2
Definisi kapasitas ultimate ................................................. 48
Gambar IV. 3
Sketsa profil gelombang..................................................... 50
Gambar IV. 4
Daerah Aplikasi dari Stream Function, Stokes V, dan Teori Gelombang Linier..................................................... 59
Gambar V. 1
Perhitungan PDF Riwayat waktu ....................................... 69
Gambar V. 2
Hubungan antara PDF dan CDF ........................................ 70
Gambar V. 3
PDF Normal Standar .......................................................... 74
Gambar V. 4
PDF Log Normal................................................................ 75
Gambar V. 5
PDF Gumbel ...................................................................... 76
Gambar V. 6
Variasi dari kekuatan ultimate dengan satu kali pengecoran sepanjang batang............................................. 78
Gambar V. 7
Distribusi frekuensi dari tegangan leleh suatu grade baja pada suatu pabrik pengecoran baja............................. 79
xiii
Gambar V. 8
Distribusi frekuensi tegangan leleh.................................... 80
Gambar V. 9
Distribusi frekuensi modulus elastisitas............................. 80
Gambar V. 10
Jenis pembebanan geometri ............................................... 82
Gambar V. 11
Konsep daerah perencanaan............................................... 91
Gambar V. 12
Konsep indeks reliabilitas/indeks kehandalan ................... 93
Gambar V. 13
Permukaan batas kegagalan linear ..................................... 97
Gambar V. 14
Forrmulasi
Safety
Analysis
pada
koordinat
ternormalisasi ..................................................................... 98
Gambar VI. 1
Keyplan Platform Studi Kasus ........................................... 113
Gambar VI. 2
Elevasi Penting Struktur..................................................... 114
Gambar VI. 3
Arah pembebanan lingkungan ........................................... 115
Gambar VI. 4
Diagram tegangan – regangan baja .................................... 122
Gambar VI. 5
Permukaan kegagalan penampang ..................................... 126
Gambar VI. 6
Kelelehan parsial dan strain hardening diformulakan menurut konsep permukaan batas (momen M/Mp terhadap gaya aksial P/Po) ................................................. 128
Gambar VI. 7
Analogi antara ruang tegangan multidimensi dengan kurva regangan-tegangan uniaksial.................................... 131
Gambar VI. 8
Permukaan interaksi batas bawah ketika dan ................. 132
Gambar VI. 9
Kurva beban-perpindahan dengan titik batas A dan titik bifurkasi B .................................................................. 132
Gambar VI. 10 Model Elemen Hingga di USFOS...................................... 134 Gambar VI. 11 Elemen yang mengalami leleh pertama (utilisasi elastik).. 138 Gambar VI. 12 Utilisasi elastik pada faktor beban gelombang 1.233 (step 8/40) .......................................................................... 139 Gambar VI. 13 Utilisasi plastis struktur pada faktor beban gelombang 1.607 (step 8/90) ................................................................ 141 Gambar VI. 14 Kondisi pada faktor beban gelombang 1.614 pada saat tekuk terakhir terjadi (step 8/110) ...................................... 142 Gambar VI. 15 Utilisasi plastis elemen pada kondisi ultimate (Faktor beban gelombang 1.84) ...................................................... 144
xiv
Gambar VI. 16 Kurva hubungan beban gelombang dan perpindahan yang dihasilkannya............................................................. 145 Gambar VI. 17 Base Shear terhadap faktor beban gelombang ................... 146 Gambar VI. 18 Momen guling terhadap faktor beban gelombang ............. 146 Gambar VI. 19 Perpindahan arah X ............................................................ 147 Gambar VI. 20 Perpindahan arah Y ............................................................ 148 Gambar VI. 21 Permukaan kegagalan dari struktur.................................... 149 Gambar VI. 22 Hubungan tinggi gelombang dan gaya geser dasar yang dihasilkannya............................................................. 152 Gambar VI. 23 Kemungkinan kegagalan untuk nilai RSR yang berbeda... 161
xv
DAFTAR TABEL Tabel III. 1
Penilaian kembali dan desain ................................................ 28
Tabel IV. 1
Tabel harga parameter bentuk gelombang ............................ 55
Tabel IV. 2
Tabel harga parameter kecepatan gelombang ....................... 56
Tabel IV. 3
Tabel parameter frekuensi dan tekanan gelombang.............. 56
Tabel VI. 1
Beban Dek............................................................................. 116
Tabel VI. 2
Beban Rig.............................................................................. 117
Tabel VI. 3
Elevasi kedalaman perairan................................................... 118
Tabel VI. 4
Kecepatan angin desain......................................................... 118
Tabel VI. 5
Data Gelombang ................................................................... 119
Tabel VI. 6
Profil arus .............................................................................. 119
Tabel VI. 7
Current Blockage Factor ....................................................... 119
Tabel VI. 8
Wave Kinematics Factor ....................................................... 120
Tabel VI. 9
Profil Marine Growth............................................................ 120
Tabel VI. 10 Koefisien hidrodinamik untuk analisa In-place .................... 121 Tabel VI. 11 Propertis Material Baja ......................................................... 121 Tabel VI. 12 Beban Dasar .......................................................................... 135 Tabel VI. 13 Tahapan pemberian dan faktor beban ................................... 136 Tabel VI. 14 Kejadian leleh pada struktur.................................................. 140 Tabel VI. 15 Kejadian sendi plastis kondisi plastik penuh pada struktur .. 140 Tabel VI. 16 Tekuk yang terjadi pada struktur........................................... 142 Tabel VI. 17 Penggunaan 1.10 kapasitas penampang ................................ 143 Tabel VI. 18 Nilai RSR untuk tiap arah pembebanan ................................ 149 Tabel VI. 19 Parameter-parameter yang digunakan dalam analisa reliabilitas struktur ................................................................ 154 Tabel VI. 20 Perhitungan reliabilitas.......................................................... 159 Tabel VI. 21 Resiko yang dapat diterima dari struktur .............................. 162
xvi
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
SINGKATAN
ULS
Ultimate Limit State
ALS
Accidental Limit State
FLS
Fatigue Limit State
SRA
Structural Reliability Analysis
QSRA
Quantitative Structural Risk Analysis
RSR
Reserve Strength Ratio
DSR
Damaged Strength Ratio
SRF
Structural Redundancy Factor
PDF
Probability Density Function
CDF
Cumulative Distribution Function
SPM
Shore Protection Manual
FOSM
First Order Second Moment
LAMBANG
Cd
Koefisien seret gelombang
Cm
Koefisien inersia
f (x ) F (x ) mk
μ σ
Probability Density Function (PDF) Cumulative Distribution Function (CDF) Momen ke-k suatu variabel acak Mean
var[x ]
Standar deviasi Varians
γ1
Skewness
γ2
Kurtosis
E [x ]
Ekspektasi dari variabel acak x
μ1
Momen sentral pertama
xvii
R S, W M g (x )
Ketahanan Beban Safety Margin Fungsi permukaan kegagalan
pf
Probability of failure
β
Indeks kehandalan
Z α
α1
Variabel ternormalisasi Kosinus arah Faktor ketidak-pastian pemodelan beban
C1 , C 2 , C 3
Koefisien kalibrasi tinggi gelombang terhadap gaya geser dasar
H H 100
Tinggi gelombang Tinggi gelombang desain 100 tahunan
ξ
Faktor ketidak-pastian model ketahanan
N Np Q Qp M Mp Fy Fb n q m
Gaya aksial Kapasitas plastis untuk gaya aksial Gaya geser Kapasitas plastis untuk gaya geser Momen lentur Kapasitas plastis untuk momen lentur Permukaan leleh Permukaan batas Gaya aksial ternormalisasi Gaya geser ternormalisasi Momen lentur ternormalisasi
xviii
ABSTRAK PENILAIAN STRUKTUR LEPAS PANTAI EKSISTING DENGAN PENEKANAN TERHADAP ANALISA NON-LINEAR DAN ANALISA RELIABILITAS STRUKTUR Oleh Eka Ferry Setyadi NIM : 25005018 Penilaian struktur lepas pantai eksisting dilakukan terhadap beberapa peristiwa yang terjadi pada struktur. Dari sudut pandang ekonomis, penggunaan struktur eksisting dalam beberapa kasus lebih disukai dibandingkan instalasi baru. Tujuan dari penilaian struktur eksisting adalah untuk memastikan bahwa kemungkinan kegagalan dari struktur masih berada pada kriteria yang disyaratkan untuk dapat tetap menjalankan fungsinya walaupun terjadi beberapa hal yang diluar desain. Untuk mencapai hal tersebut maka beberapa prosedur penilaian telah diusulkan. Terdapat beberapa prosedur penilaian struktur lepas pantai eksisting. Tetapi secara umum prosedur tersebut berdasarkan kepada 1) Analisa linear dan pemeriksaan komponen, 2) Analisa non-linear kekuatan sistem dan pemeriksaan komponen, 3) Analisa reliabilitas struktur untuk pemeriksaan kondisi batas ultimate. Pada tesis ini akan dilakukan penilaian struktur eksisting dengan penekanan terhadap analisa non-linear dan analisa reliabilitas struktur. Platform studi kasus adalah tipe jacket konvensional 4 kaki dengan tinggi 113.3 meter yang terletak di perairan Laut Natuna. Kawasan tersebut diskenariokan mengalami penurunan dasar laut (subsidence) sebesar 1.93 meter. Dan struktur jacket akan dinilai apakah masih dapat digunakan untuk beroperasi dengan perubahan kriteria lingkungan yang terjadi. Analisa struktur non-linear dilakukan untuk mendapatkan nilai rasio cadangan kekuatan yang juga dikenal dengan RSR, Reserve Strength Ratio, yaitu rasio dari gaya geser ultimatate struktur terhadap gaya geser desain beban desain 100 tahunan. Non-linearitas yang ditinjau adalah non-linearitas geometri dan material. Analisa statik pushover dilakukan pada jacket tinjauan. Hasil analisa adalah perilaku struktur dari mulai mendapatkan beban sampai dengan keruntuhannya. Hal yang penting untuk diperhatikan adalah peristiwa leleh pertama, sendi plastis yang terjadi, tekuk dari elemen, penggunaan maksimum dari kapasitas penampang, dan faktor beban maksimum yang dapat diterima struktur. Beban yang digunakan untuk analisa pushover adalah beban gelombang, dan dilakukan untuk 8 (delapan) arah pembebanan gelombang. Rasio cadangan kekuatan (RSR) kemudian digambarkan untuk 8 (delapan) arah pembebanan. RSR kritis kemudian dibandingkan dengan syarat batas berdasarkan ISO 19902 yang ada.
Hasil analisa mendapatkan pembebanan gelombang yang menghasilkan RSR kritis adalah pada arah 270o, dengan RSR sebesar 1.84. ISO/DIS 19902 mensyaratkan nilai RSR minimum 1.85 sehingga struktur jacket tinjauan tidak memenuhi syarat batas untuk tahapan penilaian analisa non-linear. Dengan nilai RSR yang tidak mencukupi maka analisa reliabilitas struktur kemudian dilakukan untuk mendapatkan indeks reliabilitas β dan kemungkinan kegagalannnya (Probability of Failure). Analisa reliabilitas struktur memperhitungkan parameter ketahanan (resistance) dan beban (load) sebagai suatu parameter statistik yang tidak tetap pada satu nilai. Kemungkinan kegagalan dari struktur akan dibandingkan dengan referensi syarat batas yang ada untuk menentukan apakah struktur masih dapat digunakan dengan hal-hal diluar desain yang terjadi. Analisa reliabilitas struktur menggunakan metode First Order Second Moment (FOSM), yaitu suatu metode aproksimasi yang meninjau momen pertama, yaitu rata-rata (mean) dan momen keduanya, yaitu varians. Analisa yang dilakukan mendapatkan indeks reliabilitas β = 3.5 sehingga mempunyai kemungkinan kegagalan sebesar Pf=2.5x10-4 atau kemungkinan kegagalannya sekali dalam 3950 tahun. Resiko kegagalan yang dapat diterima oleh struktur baja yang diberi beban tetap adalah 10-3 dan struktur platform tinjauan dinyatakan masih dapat digunakan. Kata kunci : analisa non-linear, analisa statik pushover, RSR, analisa reliabilitas, FOSM, indeks reliabilitas, kemungkinan kegagalan.
ABSTRACT ASSESSMENT OF EXISTING OFFSHORE STRUCTURES WITH EMPHASIZING ON NON-LINEAR ANALYSIS AND STRUCTURAL RELIABILITY ANALYSIS By Eka Ferry Setyadi NIM : 25005018 Assessment of an existing offshore structure is performed if the utilization of the structures is to be extended beyond design life or due changes in safety parameters such as load or strength of the structure. From an economical point of view the continued use of an existing installation in many cases is preferable, compared to a new installation. The purpose of an assessment of an existing structure is to ensure that probability of failure of the structure is still within accepted criteria. There are several assessment procedures for an existing offshore structure. In general, it based on 1) Linear analysis and component check, 2) Non-linear analysis and component check, 3) Structural reliability analysis for the ultimate state check. In this thesis assessment of existing offshore structures based on non-linear analysis and structural reliability analysis is explored. Offshore platform for study case is a 4 (four) legs conventional jacket type with length 113.3 meters that operated on Natuna Sea. In the case study, the operational area is given a scenario of subsidence about 1.93 meters. The jacket structure is assessed for its safety to continue operations with the changed environmental criteria. Non-linear structural analysis is performed to get the value of RSR (Reserve Strength Ratio) which is ratio of ultimate base shear to 100 years design base shear. The nonlinearity included in the analysis includes geometric and material non-linearity. Static pushover analysis is performed to the jacket platform. From the analysis we can study structural behaviors from first loading until collapse. Important events noted are first yield, plastic hinges, elements buckling, maximum cross section capacity utilization, and maximum load factor could be resisted by the structures. Load case used for pushover analysis is wave load in 8 (eight) directions. Reserve Strength Ratio (RSR) is calculated
for 8 (eight) wave loading directions. Critical RSR is compared to ISO 19902 acceptance criteria. The analysis shows that critical wave load direction is 270 degrees, with corresponding RSR 1.84. ISO/DIS 19902 recommends minimum RSR to be 1.85, so the jacket structure is not acceptable based on non-linear assessment stage. With insufficient RSR value, the structural reliability analysis is performed to get reliability index and probability of failure. Structural reliability analysis considers resistance and load parameter as statistical parameters. Probability of failure is compared to an accepted criteria references to decide if the structure is acceptable or not. The structural reliability analysis used is First Order Second Moment (FOSM) method. The FOSM is an approximation method based on first moment, mean, and its second moment, variance. The analysis show the structure has reliability index 3.5, therefore the structures has a probability of failure of Pf=2.5x10-4 or the probability of failure is once in 3950 years. Accepted failure risk of steel structures with fixed load is 10-3 and platform structures declared still could be used. Key word: non-linear analysis, static pushover analysis, RSR, reliability analysis, FOSM, reliability index, probability of failure.
