ANALISIS KEANDALAN SCANTLING SUPPORT STRUCTURE SYSTEM GAS PROCESSING MODULE FPSO BELANAK TERHADAP BEBAN KELELAHAN

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR MO ANALISIS KEANDALAN SCANTLING SUPPORT STRUCTURE SYSTEM GAS PROCESSING MODULE FPSO BELANAK TERHADAP BEBAN KELELAHAN ANDRI KURNIAWAN WICAKSONO NRP Dosen Pembimbing Prof. Ir. Eko Budi Djatmiko, M.Sc. Ph.D Ir. Handayanu, M.Sc, Ph.D JURUSAN TEKNIK KELAUTAN Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2010 i

2 FINAL PROJECT MO RELIABILITY ANALYSIS OF SCANTLING SUPPORT STRUCTURE SYSTEM GAS PROCESSING MODULE BELANAK FPSO DUE TO FATIGUE ANDRI KURNIAWAN WICAKSONO NRP Supervisors Prof. Ir. Eko Budi Djatmiko, M.Sc. Ph.D Ir. Handayanu, M.Sc, Ph.D DEPARTMENT OF OCEAN ENGINEERING Faculty of Marine Technology Institut Technology of Sepuluh Nopember Surabaya 2010 ii

3 ANALISIS KEANDALAN SCANTLING SUPPORT STRUCTURE SYSTEM GAS PROCESSING MODULE FPSO BELANAK TERHADAP BEBAN KELELAHAN LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Program Studi S-1 Jurusan Teknik Kelautan Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh : ANDRI KURNIAWAN WICAKSONO NRP SURABAYA, 2 AGUSTUS 2010 iii

4 ANALISIS KEANDALAN SCANTLING SUPPORT STRUCTURE SYSTEM GAS PROCESSING MODULE FPSO BELANAK TERHADAP BEBAN KELELAHAN Nama Mahasiswa : Andri Kurniawan Wicaksono NRP : Jurusan : Teknik Kelautan FTK ITS Dosen Pembimbing : Prof. Ir. Eko Budi Djatmiko, M.Sc., Ph.D. Ir. Handayanu, M.Sc., Ph.D. ABSTRAK FPSO (Floating Production Storage and Offloading) dalam operasinya mendapatkan pengaruh signifikan dari beban lingkungan dan operasionalnya. Hal demikian juga akan mempengaruhi komponen-komponen struktur yang ada di atasnya, termasuk struktur module dan supportnya yang berfungsi sebagai fasilitas pemrosesan minyak dan gas. Konstruksi support module beserta scantlingnya yang tersambung ke geladak FPSO haruslah kuat menahan beban-beban yang terjadi, yang pada dasarnya bersifat siklis. Sehubungan dengan ini perancang harus dapat menentukan kekuatannya menahan beban siklis yang akan menimbulkan kelelahan pada scantling support module. Dalam penelitian ini kelelahan scantling support module telah dikaji dengan metode deterministik-spektral dan metode probabilistik atau keandalan. Pada pengkajian dengan metode deterministik-spektral penyelesaian dilakukan dengan mengaplikasikan persamaan kelelahan terangkai, sedangkan pengkajian keandalan menggunakan simulasi Monte Carlo. Analisis dimulai dengan penentuan beban dinamis lingkungan menggunakan perangkat lunak MOSES, serta penentuan tegangan lokal pada semua tingkat beban siklis menggunakan perangkat lunak ANSYS. Penelitian dilakukan pada scantling support structure system gas processing module pada FPSO Belanak yang mempunyai massa 2361 ton. Beban siklis dari gelombang, angin dan operasional diakumulasi dari beban terendah sampai dengan tertinggi. Hasil analisis menunjukkan kontribusi beban terhadap umur kelelahan scantling support module FPSO Belanak berturut-turut dari yang terbesar adalah disebabkan oleh beban gelombang yakni sebesar % dengan beban maksimum 84.63MPa, beban operasional module sebesar % dengan beban maksimum 34.29MPa, dan beban angin sebesar % dengan beban maksimum 0.5MPa. Umur kelelahan dari scantling support module FPSO Belanak adalah tahun atau 3.88 kali umur operasinya. Keandalan terhadap beban kelelahan dari scantling support module FPSO Belanak berdasarkan perhitungan menggunakan simulasi Monte Carlo adalah 1.0, yakni baik terjadi pada struktur global maupun area kritis pada daerah sambungan antara support module dengan bracket. Nilainilai tersebut memperlihatkan bahwa scantling support module mempunyai keandalan yang tinggi dan akan aman dioperasikan sesuai dengan umur rancangannya. Kata kunci: scantling support module, kelelahan, FPSO, keandalan iv

5 RELIABILITY ANALYSIS OF SCANTLING SUPPORT STRUCTURE SYSTEM GAS PROCESSING MODULE BELANAK FPSO DUE TO FATIGUE Name : Andri Kurniawan Wicaksono NRP : Department : Teknik Kelautan FTK ITS Supervisors : Prof. Ir. Eko Budi Djatmiko, M.Sc., Ph.D. Ir. Handayanu, M.Sc., Ph.D. ABSTRACT FPSO (Floating Production Storage and Offloading) in its operation is significantly affected by the environmental as well as operational loads. Similarly this would also affect the structural components onboard of the FPSO, including the module and its support structures which are preserved as the oil and gas processing. The module support structure together with the scantlings that extend to the FPSO deck should be sufficiently robust to endure the loads, which are fundamentally cyclic in nature. In this regards designers should be able to design the structure against cyclic loads which in turn would result in a fatigue failure on the scantling module support. In this investigation the fatigue performance of scantling module support has been evaluated through the implementation of spectral-deterministic and probablistic or reliability methods. In the spectraldeterministic method analysis is tackled by using the closed-form fatigue equation, whereas the reliability evaluation is accomplished by means of Monte Carlo simulation. Analysis was commenced by the determination of dynamic loads employing the MOSES software, followed by the determination of local stresses at any level of cyclic load utilizing software ANSYS. Investigation has been carried out on the scantling support structure system gas processing module attached to the Belanak FPSO with a total mass of 2361 tons.the cyclic loads due to wave, wind and operational are accumulated all together from the lowest up to the highest level. Result of the analysis shows the contribution of the loads on the fatigue life are, respectively, from the largest are due to wave in the range of % with maximum load of 84.63MPa, due to operational module of % with maximum load of 34.29MPa and due to wind is as low as % with maximum load of 0.5MPa. The fatigue life of the scantling module support is finally found to be years or 3.88 times of its designed lifetime. The Belanak FPSO scantling module support reliability against fatigue failure eventually is achieved as high as 1.0, both at the global as well as at the local critical structures. This fact indicates the scantling module support preserves a high reliability and would be immensely safe to be operated in accordance with its designed lifetime. Keywords: scantling support module, fatigue, FPSO, reliability v

6 KATA PENGANTAR Assalamu alaikum Wr. Wb. Alhamdulillah puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat, hidayah dan karunia-nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Tugas Akhir ini berjudul Analisis Keandalan Scantling Support Structure System Gas Processing Module FPSO Belanak Terhadap Beban Kelelahan. Tugas Akhir ini disusun guna memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan Studi Kesarjanaan (S-1) di Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan (FTK), Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya (ITS). Tugas Akhir ini membahas analisis keandalan scantling support structure system gas processing module pada FPSO Belanak terhadap beban kelelahan. Kami menyadari dalam penulisan laporan ini masih banyak kekurangan, oleh karena itu saran dan kritik sangat penulis harapkan sebagai bahan penyempurnaan laporan selanjutnya. Penulis berharap semoga laporan ini bermanfaat bagi perkembangan teknologi di bidang energi terbarukan dan rekayasa kelautan, bagi pembaca umumnya dan penulis pada khususnya. Wassalamualaikum Wr. Wb. Surabaya, 2 Agustus 2010 Andri Kurniawan Wicaksono vi

7 UCAPAN TERIMA KASIH Dalam pengerjaan Tugas Akhir ini penulis tidak terlepas dari bantuan serta dorongan moral maupun material dari banyak pihak baik secara langsung maupun tidak langsung. Penulis sangat berterima kasih kepada semua pihak yang telah membantu. Pada kesempatan kali ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada kedua orang tua dan adik-adik penulis untuk segala doa, kasih sayang, perhatian, dukungan, kepercayaan, kesabaran, dan cinta yang telah diberikan selama masa kuliah. Matur nuwun pak buk mbak mas, adik-adik tersayangku. Penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak Eko Budi Djatmiko dan Bapak Handayanu selaku dosen pembimbing atas ilmu dan bimbingannya dalam pengerjaan Tugas Akhir ini. Kepada Bapak Murdjito dan Bapak M. Musta in selaku Kajur dan Sekjur Teknik Kelautan serta kepada semua Bapak dan Ibu dosen dan staf Jurusan Teknik Kelautan atas semua bimbingan, bantuan dan ilmunya. Tugas akhir ini tidak akan selesai tanpa dukungan dari LORD crews, mas Slamet terima kasih banyak sudah merepotkan, teman-teman D Admiral, kakak-kakak senior dan adikadik junior Jurusan Teknik Kelautan, teman-teman seperjuangan TA (Fahmy, Susi, Adit Cah, Mas Augene, Mas Dani) dan yang selalu setia menemani hari-hariku, serta temanteman penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Surabaya, 2 Agustus 2010 Andri Kurniawan Wicaksono vii

8 DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN... iii ABSTRAK... iv KATA PENGANTAR... vi UCAPAN TERIMA KASIH... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR GRAFIK... xiv BAB I PENDAHULUAN LATAR BELAKANG MASALAH PERUMUSAN MASALAH TUJUAN MANFAAT BATASAN MASALAH SISTEMATIKA PENULISAN... 8 BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI TINJAUAN PUSTAKA DASAR TEORI Floating Production Storage and Offloading (FPSO) Scantling Support Structure System Pembebanan Beban Gelombang Beban Angin Beban Operasional Module Perhitungan Kelelahan Konsep Keandalan Moda Kegagalan Metode Simulasi Monte Carlo BAB III METODOLOGI PENELITIAN viii

9 BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN DATA Data Struktur Data Lingkungan Data Gerakan FPSO Data Material PEMODELAN Pemodelan Dengan AutoCAD Pemodelan Dengan Maxsurf Pemodelan Dengan MOSES Pemodelan Dengan ANSYS PERHITUNGAN Validasi Model FPSO Perhitungan Motion FPSO Perhitungan Beban Gelombang Perhitungan Beban Angin Perhitungan Beban Operasional ANALISIS KELELAHAN Analisis Kelelahan Akibat Beban Gelombang Analisis Kelelahan Akibat Beban Angin Analisis Kelelahan Akibat Beban Operasional Analisis Akhir Umur Kelelahan Kontribusi Beban Terhadap Kelelahan ANALISIS KEANDALAN BAB V KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN SARAN DAFTAR PUSTAKA ix

10 DAFTAR TABEL Tabel 2. 1 Data Spesifikasi FPSO Belanak Tabel 2. 2 Amplitudo dan Tinggi Gelombang Tabel 2. 3 Effective shape coefficient C e... Tabel 2. 4 Tipe Sambungan Tabel 2. 5 Design Fatigue Factor Tabel 4. 1 Topside Module pada FPSO Belanak Tabel 4. 2 Intensitas kejadian angin tahun 2006 dan Tabel 4. 3 Data gelombang Metocean Tabel 4. 4 Data percepatan gerakan FPSO pada kondisi badai Tabel 4. 5 Data Material Properties Tabel 4. 6 Mesh Sensivity Tabel 4. 7 Validasi Data Conoco Phillips dengan Hasil Pemodelan Tabel 4. 8 Output Maximum Single Amplitude Acceleration Tabel 4. 9 Perbandingan percepatan dengan data Conoco Phillips Tabel Gaya inersia dan momen gaya FPSO Belanak Tabel Beban Pada Sturktur Penyangga Tabel Data intensitas kejadian angin Tabel Konversi kecepatan angin pada elevasi 10m Tabel Kecepatan angin pada tiap elevasi peralatan Tabel Peralatan tertinggi pada gas processing module Tabel Reynold Number tiap-tiap peralatan Tabel Gaya angin pada tiap-tiap peralatan Tabel Momen angin ketiga peralatan pada gas processing module Tabel Coefficient effective berdasarkan solidity ratio (ø)) Tabel Gaya angin dengan solidity effect pada module Tabel Jenis-jenis daya mesin beserta jumlah rotasinya Tabel Perhitungan kelelahan akibat beban gelombang Tabel Perhitungan frekuensi vortex akibat angin Tabel Probabilitas kejadian angin wilayah Natuna tahun 2006 dan x

11 Tabel 4. Perhitungan frekuensi vortex akibat angin selama umur operasi Tabel Perhitungan rasio kumulatif kerusakan akibat beban angin Tabel Iterasi Perhitungan Parameter Bentuk Tabel Kontribusi ketiga beban terhadap kelelahan Tabel Variabel Taktentu (beban gelombang) Tabel 4. Variabel Taktentu (beban angin) Tabel Variabel Taktentu (beban operasional) Tabel Perhitungan keandalan system scantling (global) Tabel Perhitungan keandalan sistem scantling (daerah kritis) xi

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. 1 Bagan Pertumbuhan Sistem Produksi Terapung... 1 Gambar 1. 2 FPSO Belanak dan module yang berada di atas lambung... 2 Gambar 1. 3 Struktur Module Support... 3 Gambar 1. 4 Kegagalan struktur akibat kelelahan... 4 Gambar 1. 5 Lokasi FPSO, West Natuna... 6 Gambar 2. 1 Diagram lokasi module pada FPSO Belanak Gambar 2. 2 Support structure gas processing module FPSO Belanak Gambar 2. 3 Scatter diagram perairan Mediteranian Gambar 2. 4 Six Degree of Freedom Pada FPSO Gambar 2. 5 Velocity and coordinate system Gambar 2. 6 Ilustrasi gerakan sway FPSO di laut Gambar 2. 7 Vortex shedding frequency Gambar 2. 8 Sistem isolasi untuk mengurangi efek gaya pada support akibat vibrasi mesin Gambar 2. 9 Grafik Kurva S-N Gambar Fungsi kerapatan peluang (fkp) dari kapasitas X dan tuntutan Y Gambar 3. 1 Diagram Alir Pengerjaan Tugas Akhir Gambar 3. 2 Pemodelan Lines Plan pada AutoCAD... Gambar 3. 3 Pemodelan FPSO pada Maxsurf Gambar 3. 4 Pemodelan FPSO pada MOSES Gambar 3. 5 Pemodelan Support Structure pada ANSYS Gambar 4. 1 Diagram lokasi module FPSO Belanak dan gas processing module Gambar 4. 2 Support Structure pada Gas Processing Module Gambar 4. 3 Pemodelan Lines Plan FPSO Belanak dengan AutoCAD Gambar 4. 4 Pemodelan FPSO Belanak dengan Maxsurf Gambar 4. 5 Pemodelan FPSO Belanak dengan MOSES Gambar 4. 6 Model Scantling Support Structure System Gambar 4. 7 Input Karakteristik Model Pada ANSYS xii

13 Gambar 4. 8 Constraint dan visualisasi real constant Gambar 4. 9 Module tampak atas Gambar Beban Pada Sturktur Penyangga Gambar Gas Processing Module Tampak Atas Gambar Letak tegangan terbesar Gambar Diagram Kontribusi Beban Terhadap Kelelahan xiii

14 DAFTAR GRAFIK Grafik 4. 1 Mesh Sensivity Grafik 4. 2 RAO motion surge FPSO Belanak Grafik 4. 3 RAO motion sway FPSO Belanak Grafik 4. 4 RAO motion heave FPSO Belanak Grafik 4. 5 RAO motion roll FPSO Belanak Grafik 4. 6 RAO motion pitch FPSO Belanak Grafik 4. 7 RAO motion yaw FPSO Belanak Grafik 4. 8 Gaya Inersia pada gerakan translasional Grafik 4. 9 Momen Gaya pada Gerakan Rotasional Grafik Gaya Angin pada Peralatan Grafik Momen yang diakibatkan gaya angin pada peralatan Grafik Frekuensi Vortex (cps) Grafik Frekuensi Vortex (tahun) Grafik Keandalan Sistem Scantling Grafik Keandalan scantling pada daerah kritis xiv

15 BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG MASALAH Teknologi eksplorasi dan eksploitasi minyak dan gas semakin meningkat dengan seiring meningkatnya kebutuhan minyak dan gas. Sehingga teknologi pengeboran pada laut dangkal saat ini mulai bergeser pada pengeboran laut dalam, yakni dengan menggunakan bangunan terapung (floating). FPSO (Floating Production Storage and Offloading) merupakan salah satu bangunan terapung yang digunakan pada proses produksi minyak dan gas, dimana fungsi dari FPSO itu sebagai tempat produksi, penyimpanan minyak dan gas yang nanti ditransfer ke tanker untuk didistribusikan ke konsumen atau pasaran. Kecenderungan penggunaan FPSO telah tumbuh dengan pesat semenjak awal tahun 1990an. Menurut ODS-Petrodata, hanya ada 10 FPSO yang beroperasi pada tahun Seperti pada Gambar 1.1 di bawah, dari tahun 1999 hingga tahun 2009 saja peningkatan jumlah FPSO sebesar 117% dan jumlah tersebut diperkirakan meningkat mencapai 200 pada tahun Hal ini menandakan bahwa kebutuhan terhadap FPSO semakin meningkat. Gambar 1. 1 Bagan Pertumbuhan Sistem Produksi Terapung (Woodgroup Bulletin, 2009) 1

16 FPSO (Floating Production Storage and Offloading) pada dasarnya adalah wahana apung lambung tunggal berbentuk kapal atau tongkang yang difungsikan sebagai fasilitas untuk mengakomodasi aktivitas produksi migas dan sekaligus menyimpannya di dalam tankitanki di lambungnya sebelum produk tersebut ditransfer ke kapal-kapal tanki pengangkut untuk didistribusikan ke pasaran. Banyak fasilitas produksi yang terdapat di atas geladak FPSO. Fasilitas-fasilitas tersebut terdiri dari beberapa fasilitas pemrosesan dan pendukung yang disusun dalam beberapa module, di antaranya adalah gas processing module, utility module, compression module, living quarter module, dan power generator module. Gambar 1.2 di bawah merupakan contoh fasilitas module di atas FPSO Belanak. Gambar 1. 2 FPSO Belanak dan module yang berada di atas lambung (PT McDermott, 2004) Fasilitas produksi pada module biasanya terletak pada production deck dan pada umumnya diposisikan 2,5m di atas main deck (UKOOA, 2002). Hal ini bertujuan untuk meminimalisir efek dari green water dan untuk meminimalisir apabila terjadi ledakan atau api yang mengenai module agar tidak banyak mempengaruhi lambung. Dalam suatu module bisa terdapat beberapa peralatan yang meletak pada module tersebut, sehingga ketika FPSO beroperasi dan proses produksi minyak dan gas juga berlangsung, maka beban yang diterima module sangatlah besar, khususnya struktur penyangga module 2

17 (module support) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.3. Terdapat beberapa komponen pada struktur tersebut, di antaranya adalah plat, gading-gading, penegar, bracket, dan lain-lain. Beberapa komponen tersebut disebut scantling, dimana fungsi dari scantling adalah sebagai penguat dari suatu sistem module support tersebut dari gayagaya yang bekerja pada module. Sehingga dengan adanya sistem tersebut, diharapkan module support dapat kuat menahan beban-beban yang bekerja pada module FPSO. Gambar 1. 3 Struktur Module Support Permasalahan yang selalu ada pada bangunan lepas pantai adalah kerusakan yang dapat menyebabkan struktur tersebut gagal. Kerusakan bangunan laut terutama terjadi akibat kelelahan (fatigue), baik pada komponen struktur utama maupun struktur sekunder dan tersier (Djatmiko, 2003). Menurut Wirsching (1987), bangunan lepas pantai cenderung mengalami kelelahan karena beban lingkungan yang bekerja didominasi oleh gelombang yang bersifat siklis, sehingga kelelahan adalah penyebab utama kerusakan pada bangunan lepas pantai, dimana struktur merespon secara dinamis gelombang acak serta beban angin. Disamping itu faktor-faktor operasi lain pada tingkat tertentu juga dapat menambah beban siklis ini, sehingga keadaan struktur bertambah kritis (Djatmiko, 2003). Oleh sebab itu analisis kelelahan pada bangunan lepas pantai sangat perlu untuk dilakukan. 3

18 Metode Palmgren-Miner merupakan metode konvensional yang digunakan pada analisis kelelahan. Dimana perhitungan kelelahan pada sambungan struktur didasarkan pada hukum kegagalan kumulatif Palmgren-Miner. Seperti contoh kasus pada support module pada FPSO, beban yang bekerja pada support terdiri dari beban gelombang, beban angin, dan beban operasional. Sehingga kegagalan kumulatif pada support terdiri dari kegagalan kumulatif akibat ketiga beban tersebut. Sesuai hukum Palmgren-Miner, kegagalan sambungan akan terjadi jika indeks kerusakan D mencapai harga 1,0. Untuk sebaran beban kelelahan akibat eksitasi beban gelombang acak dihitung berdasarkan besarnya beban pada struktur bangunan laut yang diperoleh dari analisis deterministik dan gelombang regular untuk memperoleh RAO (Response Amplitude Operator) beban yang selanjutnya ditransformasi menjadi RAO tegangan pada detail struktur yang ditinjau. Prosedur perhitungan tersebut dilanjutkan dengan analisis spektral lengkap (full spectral analysis). Gambar 1.4 di bawah merupakan contoh kegagalan struktur akibat kelelahan. Gambar 1. 4 Kegagalan struktur akibat kelelahan ( 4

19 Dalam suatu sistem rekayasa, seperti perhitungan umur kelelahan ini sesungguhnya tidak ada parameter perancangan dan kinerja operasi yang dapat diketahui dengan pasti. Hal ini karena tidak seorang pun mampu memprediksi kepastian atau ketidakpastian suatu kejadian tertentu seperti ketidakpastian akibat variabilitas fisik, ketidakpastian statistik maupun ketidakpastian dalam pemodelan (Ang dan Tang, 1985). Oleh karena itu, perancangan atau analisis suatu sistem rekayasa selalu mengandung ketidakpastian yang pada gilirannya menyebabkan ketidakandalan dalam tingkat tertentu. Ketidakpastianketidakpastian tersebut menyebabkan adanya peluang kegagalan (meskipun juga ada peluang keberhasilan) sebuah sistem rekayasa. Persoalan ketidakpastian telah diakomodasi melalui konsep angka keselamatan (safety factor) yang secara prinsip biasanya hanya memperhatikan harga rata-rata besaranbesaran desain. Pendekatan angka keamanan, walaupun sejauh ini cukup memadai, tidak secara eksplisit memperhitungkan faktor ketidakpastian atau variabilitas pada besaranbesaran desain. Pertimbangan peluang dalam rekayasa keandalan memberikan basis yang lebih rasional untuk mengakomodasi ketidakpastian ini (Rosyid, D.M, 2007). Sehingga berdasarkan analisis keandalan, perhitungan kelelahan struktur dapat dianalisis untuk hasil penelitian yang lebih akurat. Keandalan struktur scantling support structure system gas processing module secara umum dapat dihitung dengan simulasi Monte Carlo. Keuntungan penggunaan simulasi Monte Carlo ini antara lain : 1. Simulasi Monte Carlo dapat digunakan untuk memecahkan permasalahan yang mengandung perubah acak atau parameter random. 2. Simulasi dapat dilakukan tanpa harus melakukan penurunan parsial dan menyelesaikan suatu sistem persamaan yang simultan seperti pada metode AFOSM atau MFOSM 3. Simulasi untuk tiap-tiap variabel menggunakan distribusi peluangnya secara langsung tidak seperti pada metode AFOSM atau MFOSM yang fungsi kerapatan peluangnya tidak diperhitungkan secara langsung. 5

20 Gambar 1. 5 Lokasi FPSO, West Natuna ( Berdasarkan latar belakang tersebut, maka pada tugas akhir ini akan dilakukan analisis keandalan pada scantling support structure system gas processing module pada Floating Production Storage and Offloading (FPSO) Belanak yang dioperasikan oleh Conoco Phillips di Blok Natuna seperti terlihat pada Gambar 1.5 di atas. 1.2 PERUMUSAN MASALAH Perumusan masalah dari tugas akhir ini adalah : 1. Seberapa besar beban-beban yang mempengaruhi FPSO sehingga dapat menyebabkan kelelahan pada scantling support structure system gas processing module? 2. Berapakah umur kelelahan (fatigue life) dari scantling support structure system gas processing module pada FPSO Belanak? 3. Berapakah keandalan scantling support structure system gas processing module pada FPSO Belanak terhadap pengaruh beban kelelahan? 6

21 1.3 TUJUAN Tujuan dari tugas akhir ini adalah: 1. Untuk mengetahui seberapa besar beban yang mempengaruhi FPSO sehingga menyebabkan kelelahan pada scantling support structure system gas processing module. 2. Untuk mengetahui umur kelelahan pada scantling support structure system gas processing module pada FPSO Belanak. 3. Untuk mengetahui besar nilai keandalan scantling support structure system gas processing module pada FPSO Belanak berdasarkan umur kelelahannya. 1.4 MANFAAT 1. Memberikan pemahaman tentang prosedur perhitungan beban-beban siklis dan selanjutnya perhitungan umur kelelahan scantling support structure system pada FPSO. 2. Memberikan pemahaman tentang pengkajian keandalan scantling support structure system pada FPSO berdasarkan pengaruh beban kelelahannya. 3. Dari hasil analisis kelelahan akan diperoleh data-data dan info yang diperlukan untuk strategi perencanaan pemeriksaan berkala. 1.5 BATASAN MASALAH Batasan masalah dari tugas akhir ini adalah: 1. Struktur yang dianalisis pada FPSO adalah pada scantling support structure system gas processing module sebagai module paling berat serta geladak yang menyangga. 2. Pemodelan lokal dilakukan sebatas scantling support structure system gas processing module serta geladak yang menyangga. 3. Pada pemodelan FEM (Finite Element Method) jenis atau cara pengelasan pada sambungan scantling dengan support module diabaikan dan diasumsikan tanpa ada cacat. 4. Beban-beban yang ditinjau adalah beban gelombang, beban angin, dan beban operasional pada module itu sendiri. 5. Tidak dilakukan analisis terhadap beban kecelakaan (accidental load). 7

22 6. Analisis global untuk memperoleh beban gelombang pada FPSO menggunakan MOSES, sedangkan analisis lokal pada scantling module support structure system gas processing module untuk mendapatkan respons struktur menggunakan ANSYS. 7. Pada analisis global dengan MOSES, berat topside module tidak dimasukkan sebagai beban pada model FPSO. 8. Analisis keandalan struktur dilakukan dengan menggunakan simulasi Monte Carlo. 1.6 SISTEMATIKA PENULISAN Sistematika penulisan laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN Bab I ini menjelaskan tentang latar belakang penelitian yang akan dilakukan, perumusan masalah, tujuan yang hendak dicapai dalam penulisan tugas akhir ini, manfaat yang diperoleh, batasan masalah untuk membatasi analisis yang dilakukan dalam tugas akhir ini serta sistematika penulisan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bab II ini berisi tinjauan pustaka, yakni apa saja yang menjadi acuan dari penelitian tugas akhir ini. Dasar teori, persamaan-persamaan, dan codes yang digunakan dalam mengerjakan tugas akhir ini diuraikan dalam bab ini. BAB III METODOLOGI PENELITIAN Metodologi penelitian ini menjelaskan bagaimana langkah-langkah pengerjaan dalam penyelesaian tugas akhir ini, serta metode-metode yang digunakan. BAB IV ANALISIS HASIL DAN PEMBAHASAN Membahas pemodelan FPSO dan scantling support structure system dengan menerapkan software AutoCAD, Maxsurf, dan MOSES untuk pemodelan dan analisis gerakan FPSO, sedangkan software ANSYS untuk pemodelan pada scantling support structure system. Selain itu membahas hasil dari analisis-analisis yang telah dilakukan pada penelitian, meliputi analisis hasil serta pembahasan hasil. 8

23 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Menjelaskan tentang kesimpulan penting yang diperoleh dari hasil analisis umur kelelahan dan keandalan pada scantling support structure system gas processing module pada FPSO Belanak untuk menjawab permasalahan yang diajukan atau dirumuskan. Selain itu saran juga diperlukan dalam bab ini, dengan tujuan sebagai masukan-masukan pada penelitian-penelitian berikutnya. 9

24 (HALAMAN KOSONG) 10

25 BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI 2.1 TINJAUAN PUSTAKA Beban lingkungan yang besarnya bervariasi sejalan dengan perubahan waktu seperti gelombang dan angin, akan mengakibatkan fluktuasi tegangan pada komponen struktur bangunan lepas pantai, salah satunya adalah FPSO. Proses fluktuasi tegangan tersebut dikenal sebagai kerusakan kelelahan struktur (fatigue damage). Perkiraan umur kelelahan didasarkan pada beban fluktuasi yang akan diterima struktur selama masa operasi. Sehingga, untuk mengetahui umur kelelahan struktur dapat dilakukan setelah memperoleh informasi kondisi beban yang diterima struktur selama operasi yakni dengan menggunakan persamaan Palmgren-Miner (Boonstra, et al 2002). Beban lingkungan yang bersifat siklis seperti beban gelombang dan beban angin yang mengenai Floating Production Storage and Offloading (FPSO) sangatlah dominan, sehingga kemungkinan terjadinya kerusakan akibat kelelahan (fatigue) sangat besar juga. Disamping itu, faktor-faktor operasi lain pada tingkatan tertentu juga dapat menambah beban siklis ini, sehingga keadaan struktur menjadi bertambah kritis (Djatmiko, 2003). Menurut penelitian Barltrop dan Okan (2000), bahwa pada bagian haluan FPSO rentan terhadap kerusakan yang diakibatkan oleh gelombang yang curam. Penelitian tersebut merujuk dari FPSO Schiehallion yang mengalami kerusakan akibat adanya gelombang yang curam. Melihat hal tersebut struktur FPSO sangat rentan dengan adanya bebanbeban terutama beban yang siklis, karena berpengaruh pula pada struktur lain yang berada pada FPSO, seperti: crane, flare boom, module support, dan lain-lain. Wahyudi (2009) telah melakukan penelitian tentang analisis kelelahan crane pedestal pada FPSO Belanak dan menghasilkan kesimpulan bahwa beban yang berpengaruh pada analisis fatigue crane pedestal adalah beban gelombang, beban angin, dan beban operasi crane dengan beban gelombang memiliki pengaruh yang paling besar terhadap umur kelelahan struktur crane pedestal. 11

26 Penelitian tentang analisis kelelahan pada peralatan FPSO sangatlah penting, karena analisis tersebut diperlukan dalam strategi perencanaan pemeriksaan berkala (Djatmiko, 2003). Struktur pada FPSO Belanak yang akan diteliti pada tugas akhir ini adalah pada scantling support structure system gas processing module. Dimana pada module FPSO juga menerima beban yang dapat menyebabkan struktur tersebut mengalami kelelahan. Sehingga diperlukan analisis keandalan scantling support structure system gas processing module terhadap beban kelelahan. 2.2 DASAR TEORI Dalam dasar teori ini akan dijelaskan tinjauan pustaka yang akan menjadi acuan dari tugas akhir ini. Semua teori, persamaan, dan codes yang digunakan dalam mengerjakan tugas akhir ini diuraikan dalam bab ini Floating Production Storage and Offloading (FPSO) FPSO (Floating Production Storage and Offloading) pada dasarnya adalah wahana apung lambung tunggal berbentuk kapal atau tongkang yang difungsikan sebagai fasilitas untuk mengakomodasi aktivitas produksi migas dan sekaligus menyimpannya di dalam tankitanki di lambungnya sebelum produk tersebut ditransfer ke kapal-kapal tanki pengangkut untuk didistribusikan ke pasaran. Konsep FPSO pada dasarnya diperkenalkan untuk menggantikan sistem kombinasi anjungan produksi dengan fasilitas penyimpanan terapung atau floating storage offloading (FSO). Jadi secara prinsip FPSO menggantikan fungsi kombinasi anjungan produksi dengan FSO, baik dalam kasus perairan dalam maupun perairan dangkal. Integrasi dua fungsi yang dapat diakomodasikan dalam satu wahana tentunya dari beberapa aspek akan memberikan efisiensi segi teknis dan ekonomisnya, baik pada tahap pembangunan maupun operasinya. 12

27 Berikut adalah sejumlah persyaratan fungsional yang harus dipenuhi FPSO dalam melakukan operasinya yaitu: 1. Sistem harus tetap mampu berproduksi dan beroperasi normal pada kondisi operasional 1 tahunan. 2. Mampu menahan efek beban maksimum akibat badai 100 tahunan. 3. Harus mempunyai fleksibilitas untuk operasi pemuatan dan pengeluaran produk migas, inspeksi dan perawatan dari tanki-tanki tanpa mengganggu proses produksi. 4. Setiap saat harus mampu menjaga kondisi mengapung rata (even keel) baik untuk mode trim ataupun oleng, dengan toleransi tidak lebih dari ± 0,. 5. Gerakan roll dan pitch maksimum tidak lebih dari 1,75 untuk selama 99% periode operasi. 6. Sistem penambatan harus mampu menjaga FPSO tetap di posisinya pada saat badai 100 tahunan dengan satu tali penambat putus dan perubahan posisi maksimum tidak melebihi 20% kedalaman perairan. Dalam tugas akhir ini, obyek yang digunakan adalah FPSO (Floating Production Storage and Offloading) Belanak yang dioperasikan Conoco Phillips di Blok Natuna. FPSO Belanak dibangun di Dalian, Republik Rakyat China (RRC), sedangkan topside-nya dibangun di galangan PT.McDermott Indonesia di Batam. Displasemen maksimum dari FPSO tersebut yaitu ton dengan panjang 285 m memiliki kapasitas penyimpanan minyak sebesar 1,0 juta barrel. Badan FPSO Belanak dibangun dengan bentuk double side, konfigurasi single bottom tanpa self propulsion. FPSO Belanak didesain tahun tanpa dry docking dan peralatan mekanik didesain berumur selama periode itu dengan hanya dilakukan perawatan rutin. Berikut spesifikasi FPSO Belanak ditampilkan pada Tabel 2.1 di bawah ini. 13

28 Tabel 2. 1 Data Spesifikasi FPSO Belanak (Conoco, 2002) 1 LOA 285m 2 Depth 26m 3 Beam 58m 4 Vessel Draft Full 16.2m 5 Vessel Draft Medium 14.6m 6 Vessel Draft Light 13.9m 7 Displacement 5,000ton 8 Service Life years Scantling Support Structure System Fasilitas produksi biasanya terletak pada production deck dan pada umumnya diposisikan 2,5m di atas main deck (UKOOA, 2002). Hal ini bertujuan untuk meminimalisir efek dari green water dan untuk meminimalisir apabila terjadi ledakan atau api yang mengenai module agar tidak banyak memengaruhi lambung. Fasilitas produksi tersebut ditopang dengan struktur pendukung yang berfungsi sebagai penyangga (module support) dari module topside. Module support merupakan struktur yang berfungsi sebagai penahan beban dari topside module dan tegangan yang diakibatkan oleh bending dari hull. Terdapat beberapa komponen pada struktur tersebut, di antaranya adalah plat, gadinggading, penegar, bracket, dan lain-lain. Beberapa komponen tersebut disebut scantling, dimana fungsinya adalah sebagai penguat dari suatu sistem module support tersebut dari gaya-gaya yang bekerja pada module. Sehingga dengan adanya sistem tersebut, diharapkan module support dapat kuat menahan beban-beban yang bekerja pada module FPSO. 14

29 Gambar 2. 1 Diagram lokasi module pada FPSO Belanak (PT McDermott, 2002) Pada FPSO Belanak terdapat beberapa module di atas deck FPSO, di antaranya adalah export compressors module, gas processing module, gas cooling module, utility module, oil separation module, dan lain-lain. Namun pada tugas akhir ini module yang diteliti adalah module yang paling berat yaitu gas processing module, S4 (2361 mt). Module tersebut terletak pada starboard FPSO Belanak tepatnya pada FR hingga FR33 seperti pada Gambar 2.1 di atas, dan memiliki delapan support yang identik seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2 di bawah. Gambar 2. 2 Support structure gas processing module FPSO Belanak (Conoco, 2002) 15

30 2.2.3 Pembebanan Dalam proses perancangan struktur lepas pantai (offshore structure), penentuan kemampuan kerja struktur dipengaruhi oleh beban yang bekerja pada struktur tersebut. Perancang harus menentukan akurasi beban yang akan dipakai dalam perancangan offshore structure terlebih dahulu. Beban-beban yang harus dipertimbangkan oleh perancang dalam perancangan offshore structure adalah sebagai berikut: a. Beban mati (dead load). Beban mati adalah beban dari semua komponen kering serta peralatan, perlengkapan dan permesinan yang tidak berubah dari mode operasi pada suatu struktur, meliputi: berat struktur, berat peralatan dan berat permesinan yang digunakan dalam proses pengeboran ketika sedang tidak dioperasikan. Pada gas processing module ini yang termasuk beban mati adalah beban struktur module itu sendiri dan beban peralatan yang terdapat pada module tersebut. b. Beban hidup (live load). Beban hidup adalah beban yang terjadi pada struktur selama dipakai dan berubah dari mode operasi satu ke mode operasi yang lain. Contoh beban yang termasuk kedalam beban hidup ini adalah beban yang diakibatkan oleh pengoperasian mesin atau peralatan lainnya pada suatu struktur yang berhubungan dengan operasi struktur tersebut. Beban hidup pada gas processing module yaitu beban perpipaan yang berubah setiap mode operasi. c. Beban akibat kecelakaan (accidental load). Beban kecelakaan merupakan beban yang tidak dapat diduga sebelumnya yang terjadi pada struktur, misalnya tabrakan dengan kapal pemandu operasi, putusnya tali tambat (mooring) dan kebakaran. Pada gas processing module beban kecelakaan yang mungkin terjadi adalah akibat kebakaran pada module dan kecelakaan akibat tertimpa benda (misalnya crane atau struktur lain yang menimpa module). Akan tetapi pada tugas akhir, analisis akibat beban kecelakaan tidak diperhitungkan. 16

31 d. Beban lingkungan (environmental load). Beban lingkungan adalah beban yang terjadi karena dipengaruhi oleh lingkungan dimana suatu struktur lepas pantai dioperasikan atau bekerja. Beban lingkungan yang digunakan dalam perancangan adalah beban angin, arus, dan gelombang. Pada tugas akhir ini, pembebanan difokuskan pada beban yang mengenai module. Bebanbeban yang mengenai module di antaranya adalah beban inersia yang disebabkan gelombang, beban angin dan beban operasional. Beban-beban itulah yang nantinya digunakan dalam tugas akhir ini Beban Gelombang Dalam perhitungan beban gelombang, data gelombang yang digunakan adalah gelombang yang terjadi selama umur operasi. Data gelombang biasanya diperoleh dengan mempertimbangkan arah propagasi gelombang. Data gelombang kurun waktu panjang umumnya disajikan dalam tabel yang dikenal sebagai diagram sebaran gelombang (wave scatter diagram), seperti dicontohkan dalam Gambar 2.3 di bawah ini. Gambar 2. 3 Scatter diagram perairan Mediteranian (Djatmiko, 2003) 17

32 Data gelombang tersebut digunakan untuk menghasilkan gerakan FPSO yang diakibatkan gaya gelombang, sehingga dari percepatan yang dihasilkan beban inersia akibat beban gelombang dapat dihitung. Akibat pengaruh gelombang, FPSO mengalami enam mode gerakan bebas yang terbagi menjadi dua jenis, yaitu tiga mode gerakan translasional dan tiga mode gerakan rotasional (Bhattacharyya, 1978). Berikut adalah keenam mode gerakan tersebut beserta ilustrasi enam mode gerakan bebas pada Gambar 2.4: 1. Mode gerak translasional - Surge, gerakan transversal arah sumbu x. - Sway, gerakan transversal arah sumbu y. - Heave, gerakan transversal arah sumbu z. 2. Mode gerak rotasional. - Roll, gerakan rotasional arah sumbu x. - Pitch, gerakan rotasional arah sumbu y. - Yaw, gerakan rotasional arah sumbu z. Heave Sway Pitch Yaw Surge Roll Gambar 2. 4 Six Degree of Freedom Pada FPSO (Wahyudi, 2009) 18

33 Enam mode gerakan bebas pada FPSO sangat berpengaruh pada beban yang diterima FPSO. Oleh Battacharyya (1978) ditunjukkan bahwa gerakan translasional ada empat gaya yang penting, yaitu gaya inersia, gaya damping, gaya restoring, gaya exciting. Seperti contoh, untuk gerakan heave, persamaannya yaitu: a. Gaya inersia Fa = -a...(2.1) dengan: a adalah massa kapal dan added mass, dan adalah percepatan vertikal. b. Gaya damping Fb = b...(2.2) dengan: b adalah konstanta damping dan adalah kecepatan c. Gaya restoring Fc = cz...(2.3) dengan : c adalah konstanta spring dan z adalah displasemen center of gravity kapal d. Gaya exciting dengan : Fo adalah amplitude of the encountering force, ω e adalah circular amplitude of the encountering force, dan t adalah waktu. Menurut Battacharyya (1978), gerakan rotasional ada empat momen penting yaitu momen inersia, momen damping, momen restoring, momen exciting. Persamaan untuk momen inersia yaitu: I = mr (2.4) dengan: m = massa kapal (kg) r = jari-jari girasi (m) sedangkan untuk momen gaya persamaannya yaitu: Momen gaya = Iα...(2.5) dengan: α = percepatan putar (rad/s 2 ) I = momen inersia (kg.m 2 ) 19

34 Jari-jari girasi disini yaitu jarak antara titik berat kapal dengan titik berat module. Jadi untuk gerakan roll, pitch, dan yaw yang membedakan hanya pada besarnya jari-jari girasi. Teori yang sama juga dihasilkan pada penelitian Martins (2007). Seperti pada Gambar 2.5 di bawah, ditunjukkan inertial coordinate system O xoyozo sehingga mempermudah untuk mengembangkan sistem persamaan pada perilaku floating unit. Gambar 2. 5 Velocity and coordinate system (Martins, 2007) Pada Gambar 2.5 di atas dapat diketahui velocities,,,,, dan acceleration,,,,, telah mewakili kecepatan dan percepatan sistem pada tiap derajat kebebasan dan hubungannya dengan sistem inersia. Gambar 2. 6 Ilustrasi gerakan sway FPSO di laut 20

35 Seperti Gambar 2.6 di atas, external force yang bekerja pada suatu struktur dapat dihitung dengan menggunakan hukum Newton II, yaitu: F = m.a... (2.6) Maka inertial loads yang terjadi pada suatu struktur adalah (2.7) Teori Spektrum Gelombang JONSWAP Analisis spektrum gelombang dapat menggunakan beberapa teori spektrum gelombang yang telah ada, antara lain model spektrum JONSWAP, model spektrum Pierson- Moskowitz, model spektrum ISSC, dan lain-lain. Penggunaan masing-masing teori spektrum gelombang tersebut berdasarkan beberapa pertimbangan. Salah satu pertimbangan tersebut adalah lokasi spektrum gelombang yang akan dianalisis. Persamaan spektra JONSWAP dikemukakan oleh Hasselman, et al (1973) berdasarkan percobaan yang dilakukan di daerah North Sea. Persamaan spektrum JONSWAP mewakili angin dengan batasan fetch. Formula atau persamaan untuk spektrum JONSWAP dapat ditulis dengan modifikasi dari persamaan Pierson-Moskowitz (Chakrabarti, 1987) yaitu : ( ω ωo ) 2 exp 2 2 2τ ωo ω S( ω ) = αg ω exp 1, γ...(2.8) ωo dengan : γ = parameter puncak τ = parameter bentuk τ a untuk ω ω 0 = 0,07 dan τ b untuk ω ω 0 = 0,09 α = 0,0076 (X 0 ) -0,22, untuk X 0 tidak diketahui maka: α = 0,

36 Sedangkan nilai dari parameter puncak (γ) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Barltrop, 1991): 3, ,1975 0,036 0, (2.9) dengan: Tp = periode puncak spektra (s) Hs = tinggi gelombang signifikan (m) Persamaan Spektra JONSWAP di atas menggunakan input fetch dan kecepatan angin. Berikut ini merupakan persamaan spektrum JONSWAP yang menggunakan input tinggi gelombang signifikan dan periode. Persamaannya sebagai berikut (Djatmiko dan Sujantoko, 1994) : (2.10) Tabel 2. 2 Amplitudo dan Tinggi Gelombang (Bhattacharyya, 1978) Profil Gelombang Amplitudo Tinggi Gelombang rata-rata 1, 2,5 Gelombang signifikan 2,00 4,00 Rata-rata 1/10 gelombang tertinggi 2,55 5,09 Rata-rata 1/1000 gelombang tertinggi 3,34 6,67 Persamaan pada Tabel (2.2) di atas lebih memudahkan untuk menghitung nilai dari profil gelombang. Dimana faktor atau angka di depan akar m o diperoleh berdasar histogram tinggi gelombang dengan pendekatan matematis dari distribusi Rayleigh (Battacharyya, 1978) Response Amplitude Operators (RAO) Metode spektra merupakan cara untuk mengetahui suatu respon struktur akibat beban gelombang reguler dalam tiap-tiap frekuensi. Response Amplitude Operator (RAO) atau sering disebut sebagai Transfer Function adalah fungsi respon yang terjadi akibat 22

37 gelombang dalam rentang frekuensi yang mengenai struktur offshore. RAO dapat juga didefinisikan sebagai hubungan antara amplitudo respon terhadap amplitude gelombang. Dapat dinyatakan dengan bentuk matematis yaitu (ζrespon / ζgelombang). Amplitudo respon bisa berupa gerakan, tegangan, maupun getaran. RAO juga disebut sebagai Transfer Function karena RAO merupakan alat untuk mentransfer beban luar (gelombang) dalam bentuk respon pada suatu struktur (Chakrabarty, 1987). Bentuk umum dari persamaan RAO dalam fungsi frekuensi adalah sebagai berikut :...(2.11) dengan: η = amplitude gelombang (m) ω = frekuensi angular (rad/s) Respon Spektrum Respon spektrum didefinisikan sebagai response energy density pada struktur akibat gelombang, dalam hal ini berupa energy density spectrum. Pada sistem linier, fungsi dari RAO merupakan fungsi kuadrat. Respon spektrum merupakan perkalian antara spektrum gelombang dengan RAO kuadrat. Persamaan dari respon spektrum adalah (Chakrabarti, 1987) sebagai berikut :...(2.12) dengan : S R S(ω) RAO ω = response spectrum (m 2 -sec) = spectra gelombang (m 2 -sec) = response amplitude operator = frekuensi angular (rad/sec) Response spectra dapat digunakan untuk mengetahui besar respon maksimum yang mungkin terjadi dalam suatu rentang waktu tertentu. Respon extreme maksimum yang terjadi dengan tingkat probabilitas dari suatu kejadian sebesar 62,3% dapat dicari dengan persamaan (Chakrabarti, 1987) sebagai berikut : 23

38 2...(2.13) Sedangkan respon extreme maksimum yang mungkin terjadi pada saat proses perancangan dapat dicari berdasarkan persamaan di atas dengan mempertimbangkan faktor peluang terlampauinya suatu kejadian α sebagai berikut : 2... (2.14) dengan: T = lama kejadian badai (sec) α = kemungkinan kejadian tidak terjadi pada saat perancangan (1% - 5%) m 0 merupakan luasan di bawah kurva spektrum amplitudo kepadatan energi gelombang dimana luasannya sama dengan varian dari time history gelombang sedangkan m 2 merupakan momen spektra kecepatan Beban Angin Untuk menghitung kecepatan angin pada elevasi di atas 10 m dari permukaan air, digunakan hukum one-seventh power (Dawson, 1983) yang dapat digunakan hingga kecepatan angin pada elevasi 600 ft (182,88 m). Persamaan tersebut adalah: 1 7 y V = V... (2.15) dengan: V = kecepatan angin pada elevasi y (m/s) V 10 = kecepatan angin pada elevasi 10 m (m/s) y = elevasi yang akan dihitung kecepatan anginnya (m) Untuk gaya angin yang mengenai struktur, dapat dicari dengan persamaan (DnV, 2007): sin... (2.16) dengan: F = gaya angin (N) C = koefisien bentuk q = tekanan angin S = luasan yang terkena gaya angin (m 2 ) 24

39 α = arah datang angin Sedangkan tekanan angin (q) dapat dicari dengan persamaan di bawah ini:,...(2.17) dengan: q = tekanan angin (N/m 2 ) ρ = massa jenis udara (kg/m 3 ) = 1,226 kg/m 3 U T,z = kecepatan angin (m/s) Jika beberapa member terletak pada plane normal dari arah datangnya angin, seperti contoh pada plane truss maupun beberapa kolom yang terletak berdekatan, maka solidity ratio (ø) harus dihitung. Gaya angin dengan pengaruh solidity dihitung dengan persamaan di bawah: sin...(2.18) dengan: F sol = gaya angin dengan solidity effect (N) C e = koefisien efektif (lihat Tabel 2.3) q = tekanan angin (N/m 2 ) S = luasan yang terkena gaya angin (m 2 ) ø α = perbandingan antara area solid yang terkena beban angin dengan luasan frame = arah datang angin Tabel 2. 3 Effective shape coefficient C e (DnV RP-C205, 2007) Solidity Effective shape coefficient Ce ratio Flat-side Circular sections ø members Re < 4.2 x 10 5 Re > 4.2 x

40 Spektra dari fluktuasi kecepatan angin yang tinggi kadang sangat diperlukan, karena hembusan angin yang kencang dapat menyebabkan resonant oscillation pada struktur bangunan laut, seperti contoh gerakan slow drift horizontal pada struktur yang ditambat dapat disebabkan oleh hembusan angin yang kencang. Selain itu, angin juga dapat dengan mudah menyebabkan vortex shedding bersamaan dengan terjadinya vibrasi (Faltinsen, 1990). Pada struktur bangunan laut seperti derrick dan flare booms dapat terjadi windinduced oscillation dengan amplitude dan tegangan yang besar. Ketika benda berbentuk silinder menerima beban angin yang besar dengan disertai reynold number yang besar juga, formasi vortex dapat menyebabkan gaya yang tegak lurus dengan arah angin secara berulang-ulang dan periodik, sehingga dapat menghasilkan vibrasi pada struktur tersebut (Hsu, 1984). Besarnya Reynold number dapat dicari dengan persamaan di bawah ini.... (2.19) dengan: R n = Reynold number D = diameter struktur (m) U = kecepatan angin yang mengenai struktur (m/s) υ = kinematic viscosity, 1,x10-5 m 2 /s pada 15 0 C dan tekanan standar Frekuensi dari vortex shedding (Persamaan 2.20) dengan frekuensi natural (Persamaan 2.21) struktur dihitung untuk mengetahui syarat keamanan struktur. Frekuensi dari vortex shedding f dapat dicari dengan persamaan di bawah ini:... (2.20) dengan: f = frekuensi vortex shedding (Hz) V = kecepatan angin (m/s) D = diameter struktur (m) S N = Strouhal number untuk struktur silinder S N = 0,2 jika R n < 6x10 5 dan S N = 0,4 jika R n > 6x10 5 (DnV, 2007) 26

41 Sedangkan frekuensi natural dari struktur dapat digunakan Persamaan 2.21 di bawah ini (Mouselli, 1981):...(2.21) dengan: f n = frekuensi natural struktur (Hz) C = konstanta (untuk tumpuan sederhana bernilai 1.57) L = panjang struktur (m) E = modulus elastisitas (Mpa) I = momen inersia batang struktur (m 4 ) M = massa struktur (kg) Suatu struktur akan mengalami kegagalan jika tidak memenuhi syarat keamanan. Syarat keamanan dari suatu struktur berbentuk silinder adalah sebagai berikut (Mouselli, 1981): (2.22) Pada tugas akhir ini perhitungan gaya angin akibat vortex shedding hanya sampai pada perhitungan frekuensi vortex yang dijadikan sebagai siklis pada perhitungan kelelahan. Gambar 2. 7 Vortex shedding frequency (Hsu, 1984) 27

42 Selain itu frekuensi vortex shedding juga dapat dicari dengan menggunakan grafik seperti pada Gambar 2.7 di atas. DnV (2007) menjelaskan bahwa untuk mengetahui jenis dari vortex shedding digunakan suatu parameter yang dinamakan reduced velocity (Vr). Nilai Vr dapat dicari dengan persamaan di bawah ini.... (2.23) dengan: Vr = reduced velocity u = kecepatan angin yang mengenai struktur (m/s) f = frekuensi natural dari struktur (Hz) D = diameter struktur (m) Dari nilai Vr dapat diketahui jenis dari vortex shedding. Ada dua macam jenisnya, yakni: a. In-line exitation ( 1,7 < Vr < 3,2) b. Cross flow vibration (0,85 /S N < Vr < 1,6/ S N ) Sedangkan gaya angin termasuk akibat vortex shedding dapat dihitung dengan persamaan berikut ini.... (2.24) dengan: F = gaya angin (N) ρ = massa jenis udara (1,226 kg/m 3 ) C f = Fluctuating force coefficient A = luas permukaan yang terkena gaya angin (m 2 ) V = kecepatan angin (m/s) Beban Operasional Module Selain akibat beban gelombang, module support pada FPSO juga mendapat beban dari beban operasional peralatan di atas module yakni getaran-getaran mesin peralatan yang terjadi selama masa operasi, selain itu getaran mesin juga menimbulkan efek yang negatif pada struktur module dimana peralatan atau mesin itu berada (James, et al., 1994). 28