Studi Karakteristik Respon Struktur Akibat Eksitasi Gelombang Pada Semi-Submersible Drilling Rig Dengan Kolom Tegak Dan Ponton Persegi Empat

Studi Karakteristik Respon Struktur Akibat Eksitasi Gelombang Pada Semi-Submersible Drilling Rig Dengan Kolom Tegak Dan Ponton Persegi Empat Adiguna Dhana1), Eko B. Djatmiko2), dan Rudi W. Prastianto3) Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected] Abstrak- Studi karakteristik respon struktur pada semi-submersible drilling rig perlu dilakukan sebelum sebuah anjungan dioperasikan di lapangan dengan tujuan untuk mengetahui seberapa besar kemampuan struktur tersebut menerima beban gelombang. Dari hal itu kemudian akan dapat diketahui keamanan dari struktur semi-submersible tersebut. Studi dalam penelitian ini telah dilakukan terhadap tiga variasi rancangan semi-submersible dengan konfigurasi penampang kolom dan ponton berbentuk persegi empat, berukuran displasemen 24144 ton, yang dioperasikan di perairan Natuna. Dua variasi mempunyai konfigurasi dua kolom per ponton, yang dinamakan DUOVAR-A dan DUOVAR-B, sedangkan variasi ketiga mempunyai tiga kolom per ponton, yaitu TRIVAR. Komputasi respon struktur diselesaikan melalui integrasi kombinasi distribusi massa struktur dan distribusi beban hidrodinamik akibat gerakan di gelombang. Komputasi menghasilkan enam komponen respon, yang terdiri dari tiga komponen gaya geser, yakni longitudinal (LSF), transversal (TSF), dan vertikal (VTF), dan tiga komponen momen, yakni momen lengkung transversal (TBM), momen lengkung memanjang (LBM), dan momen torsi yaw (YTM). Pendekatan awal untuk perancangan struktur semi-submersible dapat diselesaikan dengan mengacu pada TBM, yang harus disangga oleh struktur geladak melintang, yang dapat dikatakan merupakan komponen struktur utama yang terlemah. Mengacu pada similaritas displasemen semi-submersible dengan kapal, maka besaran λ/20 adalah ekuivalen dengan tinggi gelombang H = 8.5 m. Pada tinggi gelombang ini hasil komputasi intensitas respon struktur TBM untuk ketiga semi-submersible masing-masing adalah sebesar 982.77 MNm, 909.84 MNm, dan 810.83 MNm. Dari hasil ini memungkinkan konfigurasi struktur geladak melintang semi-submersible TRIVAR untuk dirancang dengan modulus penampang yang lebih kecil, sehingga akan lebih ringan bila dibandingkan dengan kedua semi-submersible yang lain. Kata-kunci : Semi-Submersible, Respon Struktur, Gaya Geser, Momen, Modulus Penampang I.

PENDAHULUAN

Kandungan minyak dan gas bumi terbatas di laut dangkal mendoron industri untuk memproduksi sebuh struktur yang memiliki anjungan pengeboran yang lebih stabil untuk dioperasikan di laut dalam dan mudah dipindahkan dari satu lokasi ke lokasi yang lain. Oleh karena itu para peneliti merancang suatu struktur terapung yang lebih stabil dan memiliki kekuatan yang relative lebih kuat dibandingkan dengan anjungan pengeboran lepas pantai terapung yang berbentuk kapal dengan satu lambung yang dinamakan semi-submersible [1]. Karakteristik respon struktur baik itu respon gerakan maupun respon struktur sangat bergantung dari perilaku dinamis struktur terapung akibat beban lingkungan, yaitu gelombang, angin, arus dimana anjungan pengeboran tersebut beroperasi. Analisa respon struktur dalam penelitian ini perlu dilakukan sebelum anjungan lepas pantai beroperasi di lapangan, hal ini dilakukan untuk mengetahui seberapa besar beban yang dialami oleh struktur akibat beban lingkungan dimana struktur itu beroperasi sehingga tidak terjadi kesalahan yang dapat menimbulkan kotban jiwa. Dalam analisis respon struktur tersebut perlu dilakukan

variasi beban lingkungan untuk mendapatkan lokasi pengeboran yang paling optimal untuk struktur tersebut beroperasi. II. METODE PENELITIAN Penelitian dilakukan dengan studi literatur dan mengumpulkan data-data terlebih dahulu. Data semisubmersible yang dirancang mengacu kepada struktur top-side Essar Wildcat Semi-Submersible Drilling rig yang bertipe Aker H3 yang beroperasi di perairan Natuna. Dari acuan tersebut perancangan semi-submersible dan general arrangement dibuat dengan melakukan validasi terhadap displasemen model dengan displasemen dari semi-submersible Essar Wildcat. Berikut merupakan gambar rancangan serta ukuran dari ketiga variasi semisubemrsible yang dinamakan DUOVAR-A, DUOVARB dan TRIVAR.

1

Setelah semi-submersible selesai dirancang, selanjutnya dilakukan analisa hidrostatis untuk mendapatkan displasemen dari ketiga variasi semi-submersible, selanjutnya displasemen tersebut akan divalidasikan dengan displasemen dari semi-submersible Essar Wildcat yaitu 24173 ton dengan nilai toleransi tidak lebih besar daripada 5%. Tabel.2 Validasi displasemen

Gambar.1 Model semi-submersible DUOVAR-A

Gambar.2 Model semi-submersible DUOVAR-B

Hasil validasi menunjukkan bahwa model layak untuk dilakukan anilisis selanjutnya karena nilai validasi masih dibawah angka toleransi. Analisis selanjutnya mengenai karakteristik gerakan dilakukan dalam frekuensi domain. Analisis frekuensi domain digunakan untuk mencari RAO dari semi-submersible pada kondisi free floating dengan menggunakan persamaan gerak dasar sebagai berikut : 𝑀𝑀(𝜔𝜔)𝑟𝑟̈ + 𝐶𝐶(𝜔𝜔)𝑟𝑟̇ + 𝐾𝐾(𝜔𝜔)𝑟𝑟 = 𝑋𝑋 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒

(1)

Dimana :

Gambar.3 Model semi-submersible TRIVAR

𝑀𝑀(𝜔𝜔)𝑟𝑟̈

= matriks massa

𝐾𝐾(𝜔𝜔)𝑟𝑟

= matriks kekakuan

𝐶𝐶(𝜔𝜔)𝑟𝑟̇

= matriks redaman

X

= faktor beban kompleks memberikan informasi pada amplitudo beban dan fase pada semua derajat kebebasan. Pola eiωt menetapkan variasi harmonik dari contoh beban dengan frekuensi ω.

r

= faktor displasemen

Nilai RAO kemudian dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

Gambar.4 General arrangement DUOVAR-A Tabel.1 Principle dimension

𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅(𝜔𝜔) = Dimana : 𝑋𝑋𝑝𝑝 (𝜔𝜔)

()

𝑋𝑋𝑝𝑝 (𝜔𝜔 )

()

(2)

= amplitudo struktur = amplitudo gelombang

Menurut teori klasik struktur terapung di atas gelombang reguler secara matematis dapat diformulasikan dengan mengacu pada hukum Newton ke II [2,3], yang selanjutnya akan memberikan korelasi antara gaya aksi oleh gelombang insiden dan gaya reaksi berupa respons gerakan. Selanjutnya persamaan umum gerakan struktur 2

terapung dalam 6-derajat kebebasan dapat di tunjukkan dengan persamaan sebagai berikut :

∑ [(M 6

n =1

jk

]

+ A jk )ζk + B jk ζk + K jk ζ k = F j e iωt

;

(3)

j , k = 1......6

Dalam metode 3-D, lambung kapal/struktur terapung dibagi menjadi panel-panel dengan distribusi source pada panel-panel tersebut. Metode 3-D akhirnya dikenal juga sebagai metode panel atau metode difraksi [4]. Selanjutnya dilakukan analisis still water shear force dan bending moment, serta wave shear force dan bending moment diatas gelombang reguler didalam frekuensi domain, hal ini dilakukan untuk mengetahui berapa besar gaya yang diterima struktur akibat eksitasi gelombang reguler. Persamaan shear force dan bending moment di tunjukkan dengan persamaan sebagai berikut[5] : (4) (5) (6) (7) (8) (9) Analisis respon struktur dilakukan berdasarkan besar gaya dan momen yang terjadi pada struktur di atas gelombang acak. Data gelombang yang dipakai adalah data tinggi gelombang perairan Natuna, data tinggi gelombang similarity dari L/20 dari panjang kapal tanker yang memiliki displasemen sama, dan data tinggi gelombang perairan North Sea dengan tinggi gelombang Hs : 14.5m. Dalam hal ini gelombang acak akan direpresentasikan oleh spektra gelombang JONSWAP yang merupakan modifikasi dari formulasi persamaan spektra Pierson-Moskowitz[6] yang memiliki persamaan sebagai berikut : 𝜔𝜔

−4

𝑆𝑆(𝑤𝑤 ) = 𝛼𝛼𝘨𝘨2 𝜔𝜔−5 exp �−1.25 �𝜔𝜔𝜔𝜔 � � 𝛾𝛾

exp �

Dimana :

− (𝜔𝜔 −𝜔𝜔𝜔𝜔 )2 � 2𝜏𝜏 2 𝜔𝜔𝜔𝜔 2

𝛾𝛾

= Parameter puncak

Untuk ω ≤ 𝜔𝜔𝑜𝑜

= 0.07 dan ω ≥ 𝜔𝜔𝑜𝑜 = 0.07

𝜏𝜏

Α

(10)

𝘨𝘨𝘨𝘨

𝑈𝑈𝜔𝜔

Sedangkan untuk nilai dari parameter puncak (𝛾𝛾) dapat di tentukan dengan menggunakan rumus Toursethaugen (1985) sebagai berikut : 𝛾𝛾 = 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 �3,4843 �1 − 0,1975 �0,036 − 0,0056

Dimana : 𝑇𝑇𝑝𝑝

𝐻𝐻𝑠𝑠

S R = [RAO(ω )] S (ω ) 2

(12)

Dimana : SR

= spektrum respons (m2-sec)

S (ω )

= spektrum gelombang (m2-sec)

RAO(ω )

= transfer function

ω

= ferkuensi gelombang (rad/sec)

Setelah didapatkan respon struktur maksimum diatas gelombang acak, analisis dilanjutkan dengan menghitung nilai modulus penampang dengan menggunakan rules ABS, dimana persamaan section modulus dari ABS adalah sebagai berikut [7] :

SM = Mt / fp cm2-m (in2-ft)

(13)

Dimana : Mt = total bending moment maksimum fp

= bending momen ijin dari struktur = 12.50 kN/cm2 (1.274 tf/cm2, 8.09 Ltf/in2) at sea = 9.38 kN/cm2 (0.956 tf/cm2, 6.07 Ltf/in2) in port

Dari analisis respon struktur ini dengan mengkorelasikannya dengan section modulus, dapat diketahui struktur yang paling optimal untuk beroperasi di perairan tidak terbatas. III. HASIL DAN DISKUSI Berikut adalah hasil yang didapat dari komputasi dan analisis yang telah dilakukan. Hasil-hasil berupa RAO gerakan ketiga variasi semi-submersible, RAO gaya dan momen ketiga variasi struktur, respon struktur maksimum akibat eksitasi gelombang acak dan modulus section dari tiap-tiap variasi semi-submersible.

= Parameter bentuk = 0,0076 (X o )-0,33 : X o =

Dimana spektrum respon yang terjadi pada struktur akibat eksitasi gelombang acak merupakan perkalian antara spektrum gelombang dengan RAO kuadrat, atau dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :

𝑇𝑇𝑝𝑝

�

𝑇𝑇𝑃𝑃4

�𝐻𝐻𝑠𝑠 𝐻𝐻𝑆𝑆2

Gambar 5 s .d 10 menunjukkan komparasi karakteristik gerakan struktur diatas gelombang reguler pada arah gelombang yang manghasilkan gerakan ekstrim. Dan nilai RAO maksimum akan ditabulasikan pada tabel. 3

�� (11)

= Periode puncak spectra. = Tinggi gelombang signifikan. 3

Gambar.5 RAO gerakan surge

Gambar.9 RAO gerakan pitch

Gambar.6 RAO gerakan sway

Gambar.10 RAO gerakan yaw Tabel.3 Komparasi nilai maksimum RAO Semi-

Gambar.7 RAO gerakan heave

Gambar.8 RAO gerakan roll

Sehingga dari hasil komparasi nilai maksimum RAO dapat disimpulkan bahwa bahwa DUOVAR-B memiliki karakteristik gerakan yang terbaik, hal ini dapat dilihat dari tabel.3 dimana semi-submersible DUOVAR-B tidak memiliki nilai amplitudo yang terbesar jika dibandingkan dengan kedua variasi semi-submersible lainnya. Hal ini disebabkan oleh perbedaan geometri, konfigurasi, jumlah dan ukuran kolom serta ponton, yang memberikan perbedaan luas penampang struktur yang berada dalam pengaruh gelombang, yang mana hal tersebut selanjutnya memberikan perbedaan karakteristik gerakan pula. Selanjutnya dapat dilakukan analisis terhadap RAO respon struktur berupa force dan moment yang diakibatkan arah datang gelombang. Hasil analisis ditunjukkan pada gambar 11 s.d 16 dan nilai RAO respon struktur maksimum tiap-tiap arah pembebanan akan ditabulasikan pada tabel .4 dan 5. 4

Gambar.11 Diagram komparasi RAO longitudinal shear force

Gambar.15 Diagram komparasi RAO longitudinal bending moment

Gambar.12 Diagram komparasi RAO transverse shear force

Gambar.16 Diagram komparasi RAO yaw torsional moment Tabel.4 Nilai RAO gaya translasional dan momen rotasional maksimum arah pembebanan 900

Gambar.13 Diagram komparasi RAO vertical shear force

Dapat dilihat pada tabel.4 bahwa utuk arah pembebanan 900, TRIVAR memiliki nilai gaya dan momen rotasi terkecil, sedangkan DUOVAR-A memiliki nilai gaya dan momen rotasi yang terbesar. Tabel.5 Nilai RAO gaya translasional dan momen rotasional maksimum arah pembebanan 00

Gambar.14 Diagram komparasi RAO transverse bending moment 5

Pada tabel.5, dapat dilihat bahwa untuk arah pembebanan 00, DUOVAR-A dan DUOVAR-B memiliki nilai gaya dan momen rotasi yang relatif lebih kecil jika dibandingkan dengan semi-submersible TRIVAR. Perbedaan yang terjadi diakibatkan oleh perbedaan geometri, jumlah dan ukuran kolom serta pontoon dan jarak antara kolom yang memberikan respon struktur yang berbeda dalam pengaruh gelombang. Selanjutnya dapat dilakukan analisis respon struktur diatas gelombang acak dengan menggunakan spectra respon gelombang JONSWAP dengan (γ=2.5), dengan rentang frekuensi 0 - 2.25 rad/sec dan dengan variasi tinggi gelombang : 3m, 8.5m dan 14.5m, dimana hasil analisis respon struktur maksimum diatas gelombang acak ditunjukkan dalam bentuk grafik dengan variasi tinggi gelombang 14.5m pada gambar 17 s.d 22 dan nilai respon struktur maksimum diatas gelombang acak ditunjukkan pada tabel.6.

Gambar.19 Diagram komparasi RAO vertical shear force pada perairan North Sea

Gambar.17 Diagram komparasi RAO longitudinal shear force pada perairan North Sea

Gambar.20 Diagram komparasi transverse bending moment pada perairan North Sea

Gambar.18 Diagram komparasi RAO transverse shear force pada perairan North Sea

Gambar.21 Diagram komparasi longitudinal bending moment pada perairan North Sea

6

terbatas, dimana nilai modulus section akan didapatkan dengan perhitungan menggunakan ABS rules. Dimana nilai dari modulus section untuk perairan North Sea ditunjukkan pada table 8 s.d 9 Tabel.8 Nilai modulus penampang arah pembebanan 00 dengan Hs = 14.5 m

Gambar.22 Diagram komparasi yaw torsional moment pada perairan North Sea Tabel.6 Nilai respon struktur arah pembebanan 00 untuk perairan North Sea

Dari hasil analisis respon struktur maksimum pada perairan North Sea dengan arah pembebanan 00, diketahui bahwa struktur DUOVAR-A memiliki nilai respon struktur yang terbaik, dimana hal ini ditunjukkan oleh tabel. 6, dimana DUOVAR-A memiliki total empat nilai gaya dan momen yang terkecil jika di bandingkan dengan kedua semi-submersible lainnya. Tabel.7 Nilai respon struktur arah pembebanan 900 untuk perairan North Sea

Dari hasil analisis respon struktur maksimum pada perairan North Sea dengan arah pembebanan 900, diketahui bahwa struktur DUOVAR B memiliki respon struktur terbaik, karena DUOVAR-B memiliki nilai gaya translasi dan momen rotasi yang relatif lebih kecil dibandingkan dengan kedua variasi semi-submersible lainnya yaitu DUOVAR-A dan TRIVAR. Selanjutnya dari hasil respon struktur maksimum, dapat dihitung nilai modulus section dari tiap-tiap variasi semisubmersible sehingga akan didapatkan struktur yang paling optimal untuk di operasikan di perairan tidak

Tabel.9 Nilai modulus penampang arah pembebanan 900 dengan Hs = 14.5 m

Dari hasil perhitungan modulus penampang didapatkan bahwa nilai respon struktur maksimum, didapatkan nilai modulus penampang terbesar dari tiap-tiap variasi struktur semi-submersible yaitu DUOVAR-A sebesar 13.41 m2 untuk perairan North Sea, DUOVAR-B sebesar 12.42 m2 untuk perairan North Sea, sedangkan TRIVAR sebesar 9.99 m2 untuk perairan North Sea dengan nilai dari modulus penampang yang di akibatkan olej transverse bending moment. Hal ini menunjukkan bahwa TRIVAR lebih optimal untuk dioperasikan di perairan tidak terbatas, karena TRIVAR memiliki nilai modulus section yang relatif lebih kecil dan hal tersebut menunjukkan bahwa TRIVAR memungkinkan untuk memiliki struktur geladak melintang yang lebih ringan jika di bandingkan struktur semi-submersible lainnya. IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari analisis-analisis yang telah dilakukan, dapat ditarik beberapa kesimpulan yang menjawab perumusan masalah penelitian tugas akhir ini. Kesimpulan dari penelitian ini diantara lain adalah konfigurasi dan ukuran utama dari DUOVAR-A (2 kolom, displasmen 24144 ton), DUOVAR-B (2 kolom dengan jarak antar kolom secara memanjang dikuangi 10%, displasmen 24148 ton), dan TRIVAR (3 kolom, displasmen 24144 ton). Karakteristik gerakan ketiga semi-submersible di atas gelombang reguler cukup bagus, karena sebagian besar moda gerakan mempunyai nilai RAO maksimum kurang dari 1, yang berarti amplitudo gerakan selalu lebih kecil dari amplitudo gelombang. Terkecuali pada gerakan heave, RAO didapatkan mencapai lebih dari 1, tetapi pada frekuensi sangat kecil. Dari ketiga variasi semi-submersible ditemukan bahwa DUOVAR-B memiliki keunggulan yaitu memiliki nilai maksimum yaw torsional moment yang terkecil untuk kedua arah pembebanan di atas gelombang reguler. Karakteristik respon struktur di atas gelombang acak memiliki nilai yang bervariasi untuk perairan tertentu, nilai respon struktur maksimum dari ketiga variasi struktur di atas gelombang acak dengan variasi tinggi 7

gelombang Hs = 3m, Hs = 8.5m dan Hs = 14.5 m, memiliki nilai maksimum masing-masing yaitu untuk struktur semi-submersible DUOVAR-A untuk force dan moment, berturut-turut adalah 13.05 MN dan 346.86 MN.m untuk Hs = 3m, 36.99 MN dan 982.77 MN.m untuk Hs = 8.5m, 63.10 MN dan 1676.49 MN.m untuk Hs = 14.5m. Sedangkan nilai respon struktur maksimum DUOVAR-B untuk force dan moment, berturut-turut adalah 141.72 MN dan 321.11 MN.m untuk Hs = 3m, 401.53 MN dan 909.83 MN.m untuk Hs = 8.5m, 684.97 MN dan 1552.07 MN untuk Hs = 14.5 m. Sementara itu nilai respon struktur maksimum TRIVAR untuk force dan moment, berturut-turut adalah 45.04 MN dan 548.45 MN.m untuk Hs = 3m, 127.62 MN dan 732.27 MN.m untuk Hs =8.5m, 217.70 MN dan 1249.17 MN untuk Hs = 14.5 m. Sehingga dari hasil nilai respon struktur maksimum, didapatkan nilai modulus penampang terbesar, dimana Pendekatan awal untuk perancangan struktur semisubmersible dapat diselesaikan dengan mengacu pada transverse bending moment, yang harus disangga oleh struktur geladak melintang, yang dapat dikatakan merupakan komponen struktur yang terlemah, sehingga nilai modulus penampang dari tiap-tiap variasi struktur semi-submersible yaitu DUOVAR-A sebesar 27.77 m3 untuk perairan Natuna, 7.86 m3 untuk Hs = 8.5 m dan 13.41 m3 untuk perairan North Sea, DUOVAR-B sebesar 2.57 m3 untuk perairan Natuna, 7.28 m3 untuk Hs = 8.5 m dan 12.42 m3 untuk perairan North Sea, sedangkan TRIVAR sebesar 2.07 m3 untuk perairan Natuna, 5.86 m3 untuk Hs = 8.5m dan 9.99 m3 untuk perairan North Sea. Hal ini menunjukkan bahwa TRIVAR merupakan struktur yang paling optimal untuk dioperasikan di perairan tidak terbatas, karena dari hasil tersebut memungkinkan konfigurasi struktur geladak melintang semi-submersible TRIVAR untuk dirancang dengan modulus penampang yang lebih kecil, sehingga akan lebih ringan bila dibandingkan dengan kedua semisubmersible yang lain.

[4]

[5]

[6]

[7]

Produced by This Motion”, Transactions of INA, Vol. 37, 1896. Chan et al., “Structural Loading Aspects in the Design of SWATH Ships”, Proceedings of the 5th Symposium on P RADS’92, Newcastle upon Tyne, UK, May, 1992. Eko B. Djatmiko, 2007, Analisis Beban Gelombang Dalam Perancangan Struktur Global Kapal SWATH, Jurnal Teknologi Kelautan, Vol. 11, No. 1, Januari 2007, Surabaya, Indonesia. Hasselman, et al, 1973, “Measurements of windwave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP)” Ergnzungsheft zur Deutschen Hydrographischen Zeitschrift Reihe A(8) (Nr. 12), p.95, 1973. ABS MODU, 2012, “Guide for Building and Classing for Drillship”, Hull Structural and D esign Analysis, American Bureau of Shipping, New York.

UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada PT. GLOBAL MARITIME yang telah mendukung dalam hal pengumpulan data teknis. Serta semua pihak yang telah membantu penulis dalam melakukan penelitian tugas akhir ini. DAFTAR PUSTAKA Mahdarezza, A., 2010. Analisis Perilaku Floating LNG Pada Variasi Metocean Terhadap External Turret M ooring System Berbasis Simulasi T ime Domain, Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan, ITS Surabaya, Indonesia. [2] Froude, W., “On the Rolling of Ships”, Transactions of INA, Vol. 2, 1861. [3] Krylov, A.N., “A New Theory of the Pitching Motion of Ships on Waves and of the Stresses [1]

8