OPTIMASI JACKET STRUKTUR LEPAS PANTAI

Transkripsi

1 PROS ID I NG 2012 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK OPTIMASI JACKET STRUKTUR LEPAS PANTAI Jurusan Perkapalan Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea Makassar, Telp./Fax: (0411) juswansada@gmail.com Abstrak Struktur jacket merupakan struktur rangka baja yang terdiri dari beberapa kaki struktur dan rangka penunjang (brace) yang dikonfigurasikan dengan beberapa jenis perangkaan. Untuk mengoptimalkan pengoperasian dari struktur bangunan lepas pantai diperlukan suatu konfigurasi rangka struktur dengan model tata letak brace sedemikian rupa sehingga penggunaan material pada struktur lebih ekonomis. Penelitian ini bertujuan mengetahui tata letak brace yang paling optimum dengan menggunakan data Struktur Satellite Wellhead Platform yang berlokasi penelitian di Selat Makassar pada posisi LS dan BT. Untuk memperoleh tata letak yang optimal, dilakukan analisis pada berbagai variasi model tata letak yaitu konfigurasi tipe K terbalik sebagai data awal, kemudian variasi brace horisontal, variasi panjang tingkatan, variasi brace K, variasi brace sekunder, serta variasi gabungan. Tata letak yang paling optimal dipilih berdasarkan nilai Interaction Ratio (IR) lebih kecil dari 1 (satu) dengan berat total minimum. Hasil penelitian menunjukkan bahwa model tata letak yang optimal adalah model tata letak 33 (variasi brace K) dengan ukuran optimal dimensi brace pada diameter luar yaitu 40 inci dan ketebalan 0,4 inci serta nilai IR terbesar yaitu 0,626 dan berat total material sebesar 151,099 ton. Kata Kunci: jacket, optimasi, tata Letak, IR PENDAHULUAN Saat ini Indonesia telah memasuki era deep-water technology dalam bidang industri lepas pantai telah dikembangkan untuk menunjang pertumbuhan industri gas dan minyak, khususnya di bidang eksplorasi dan eksploitasi gas dan minyak di lepas pantai. Di Indonesia sendiri diperkirakan terdapat lebih dari 50 cekungan potensial yang dapat menghasilkan minyak dan gas bumi. Untuk mengeksplorasi dan mengeksploitasi sumber daya tersebut dibutuhkan sarana yang memadai berupa struktur bangunan lepas pantai. Dalam perencanaan dan perancangan sistem perpipaan bawah laut yang kompleks selain mampu mengatasi kondisi dasar laut yang memiliki beban lingkungan seperti gelombang, arus laut, gempa bumi, ketidakstabilan tanah, dan kondisi-kondisi lainnya, juga harus mampu lebih teliti dalam memilih dan menggunakan bahan material yang di anggap lebih efektif, sehingga penggunaan material lebih ekonomis. Struktur jacket merupakan struktur rangka baja. Semakin tinggi atau banyak jumlah tingkat bangunan lepas pantai maka kestabilan lateral ini semakin menurun walaupun desain kekuatan elemen struktur sudah memenuhi kriteria perancangan. Hal ini dapat dilihat dari besarnya perpindahan lateral maksimum yang meningkat yang dapat melebihi indeks simpangan lateral yang ditentukan. Oleh karena banyaknya penataan elemen struktural yang dapat lebih efektif menyederhanakan perilaku dinamik struktur terhadap beban gelombang, dan tidak merusak keterpaduan antara rancangan arsitektural dengan rancangan struktural, maka untuk mengoptimalkan pengoperasian dari struktur bangunan lepas pantai diperlukan analisa tata letak yang sedemikian rupa sehingga struktur menjadi kuat, kaku dan stabil terhadap pembebanan yang timbul tetapi ekonomis dalam hal penggunaan material. Penelitian ini bertujuan mengetahui tata letak brace yang paling optimum. Volume 6 : Desember 2012 Group Teknik Perkapalan ISBN : TP6-1

2 Optimasi Jacket Struktur Lepas KAJIAN PUSTAKA Pengenalan Bangunan Lepas Pantai Semakin canggihnya teknologi yang dimiliki manusia membuat manusia selalu merasa tidak puas akan keberhasilannya dan semakin sempit lapangan di daratan semakin tipis pula cadangan-cadangan sumber energi di daratan membuat manusia melakukan ekspansi ke arah laut. Untuk itu dibuatlah suatu bangunan struktur yang dapat berdiri kokoh di laut, sebagai contoh anjungan lepas pantai tipe jacket untuk melakukan kegiatan operasi minyak dan gas di laut. Gambar 1. Jacket atau Template (Dawson, T.H, 1983) Tipe Bangunan Lepas Pantai Dari sekian banyak tipe-tipe platform yang ada, salah satu yang membedakan adalah daerah dimana platform tersebut beroperasi. Gambar 2 menjelaskan pembagian platform berdasarkan daerah pengoperasiannya. Gambar 2. Tipe-Tipe Bangunan Lepas Pantai ISBN : Group Teknik Perkapalan Volume 6 : Desember 2012 TP6-2

3 PROS ID I NG 2012 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK Pembebanan Struktur Adapun beban-beban yang harus dipertimbangkan dalam perancangan bangunan lepas pantai adalah sebagai berikut: 1. Beban gravitasi (gravity load); beban mati (dead load), beban hidup (live load). 2. Beban lingkungan (environmental load); beban angin (wind load), beban gelombang (wave load) dan beban gempa (earthquake load). Gelombang Dalam perhitungan beban gelombang, maka teori gelombang yang digunakan disesuaikan dengan grafik validitas teori gelombang berdasarkan parameter H/gT 2 dan d/gt 2 (Chakrabarti, 1987) seperti terlihat pada Gambar 3. Perhitungan panjang gelombang pada perairan tertentu secara teoritis dapat dihitung dengan formula berikut, λ = gt2 2π tan kd (1) Analisa gelombang menggunakan persamaan Morrison sebagai berikut yang berlaku apabila d/λ < 0.2 (Dawson T H, 1983), F = F i + F d (2) F = C m ρau C dρdu u (3) Teori gelombang yang sering digunakan dalam analisa struktur offshore adalah teori linier airy dan teori gelombang non-linier stokes orde 5. Gambar 3. Grafik Region of Validity (API RP2A, 2000) Volume 6 : Desember 2012 Group Teknik Perkapalan ISBN : TP6-3

4 Optimasi Jacket Struktur Lepas Teori Optimasi Suatu perencanaan terdiri atas empat langkah yaitu (Kirsch, 1981): 1. Perumusan syarat-syarat fungsional, yaitu mencari dan merumuskan syarat-syarat fungsional yang dalam beberapa kasus tidak terlihat secara nyata. 2. Perencanaan dasar, misalnya pemilihan topologi, tipe struktur dan material. 3. Proses optimasi, yaitu untuk memperoleh kemungkinan perencanaan terbaik dengan kriteria, pertimbangan dan batas-batas yang ada. 4. Pendetailan, setelah seluruh penyajian optimasi, hasil yang didapat harus diperiksa dan dimodifikasi jika perlu. Secara Umum masalah optimasi ada tiga jenis, yaitu: a. Optimasi bentuk. Optimasi bentuk adalah masalah optimasi untuk mendapatkan bentuk dan ukuran serta tata letak penampang. b. Optimasi topologi. Optimasi topologi adalah masalah optimasi yang bersangkutan dengan tata ruang yang tidak berubah dalam deformasi dwikontinu (yaitu ruang yang dapat ditekuk, dilipat, disusut, direntangkan, dan dipilin tetapi tidak diperkenankan untuk dipotong, dirobek, ditusuk atau dilekatkan). c. Optimasi geometri. Optimasi geometri adalah masalah optimasi untuk menghasilkan energi terendah. Dalam metode optimasi terdapat tiga besaran utama, yaitu: a. Variabel desain. b. Fungsi kendala. c. Fungsi sasaran Penyelesaian masalah optimasi dapat dipakai dua cara yaitu: 1. Metode analisis Metoda ini menggunakan dasar teori matematika yang dibuat oleh Maxwell pada tahun 1890 dan Michell tahun pada 1904 dan memberikan hasil eksak namun hanya dapat digunakan untuk masalah optimasi yang sederhana saja karena pada beberapa masalah yang lebih kompleks pengolahan matematikanya sangat tidak sederhana. 2. Metoda Numerik Metoda optimasi numerik berkembang sejak ditemukannya komputer sebagai alat bantu hitung. Dynamic programming, integer programming, steepest descent, sequential unconstraint minimization technique, gradient projection, dan penalty function merupakan metoda optimasi numerik yang sering dipakai untuk menyelesaikan masalah optimasi di bidang sipil. Dalam metoda ini nilai yang akan dicari didekati dengan cara iterasi dan proses iterasi dihentikan apabila nilai yang dicari sudah cukup dekat dengan titik optimal yang sesungguhnya (Kirsch, 1981). Variabel Desain Dalam metode optimasi variable desain untuk satu struktur yang dimaksud ialah panjang batang (l) setiap model brace, sedangkan untuk keseluruhan struktur jacket objek optimasinya terdiri atas; 1. Kaki jacket, dan 2. Brace jacket ISBN : Group Teknik Perkapalan Volume 6 : Desember 2012 TP6-4

5 PROS ID I NG 2012 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK Constrain Optimizatioan Adapun yang termasuk dalam constrain desain dalam penulisan ini adalah: 1) Nilai Interaction Ratio (IR) 2) Pemodelan beberapa tata letak Analisis Struktur 1. Output Gaya-gaya Dalam Gaya-gaya dalam pada elemen frame merupakan gaya dan momen yang dihasilkan dari penjumlahan tegangan pada potongan penampang elemen. Gaya-gaya dalam tersebut antara lain; 1. P, gaya aksial 2. V2, gaya geser pada bidang V3, gaya geser pada bidang T, momen torsi aksial 5. M2, momen pada bidang 1-3 (momen terhadap sumbu -2) 6. M3, momen pada bidang 1-2 (momen terhadap sumbu -3) Gambar 4. Gaya dan Momen Internal Elemen Frame 2. Tegangan Pada Struktur Tegangan Kerja pada Struktur 1. Tegangan Aksial σ a = P max A (4) Volume 6 : Desember 2012 Group Teknik Perkapalan ISBN : TP6-5

6 Optimasi Jacket Struktur Lepas 2. Tegangan Geser τ a = F A (5) 3. Tegangan Lentur (bending stress) σ b = M c I (6) Tegangan Izin 1. Tegangan izin aksial (allowable axial compressive stress) F t = 0,6 F y (7) 2. Tegangan izin lentur (allowable bending stress) F b = 0,75 F y (8) 3. Tegangan izin geser (allowable shear stress) F v = 0,4 F y (9) Interaction Ratio IR = f a + C 2 2 m(f b1 2 f b1 3 ) 0,5 1 (10) F a (1 f a /F e )F b METODOLOGI PENELITIAN Adapun langkah langkah-langkah yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah: 1. Menghitung beban gelombang dilakukan dengan menggunakan persamaan Morison dengan syarat h/λ < 0,05 (air dangkal) dan h/λ > 0,5 (air dalam). 2. Memodelkan struktur dengan metode Elemen Hingga. 3. Menggambar layout struktur dengan beberapa model tata letak struktur. 4. Memasukkan data beban lateral dan beban aksial yang bekerja pada struktur sesuai dengan karakteristik gelombang dan dimensi geladak. 5. Menghitung tegangan yang terjadi akibat beban lateral dan beban aksial pada struktur offshore sampai menghasilkan IR<1 (IR mendekati satu) dan struktur yang aman terhadap pembebanan yang terjadi. 6. Mereview perhitungan pada point 2 untuk tata letak yang lain, langkah ini terus dilakukan sampai diperoleh tata letak yang direncanakan menghasilkan IR<1 (IR mendekati satu) serta memiliki berat minimum. 7. Memaparkan ulasan-ulasan dari hasil analisis tersebut. 8. Menarik kesimpulan dengan merujuk kepada tujuan bahwa struktur terpilih adalah struktur paling ringan dengan IR < 1. HASIL DAN BAHASAN Data yang digunakan adalah hasil optimasi dimensi brace dan tipe perangkaan yang telah di analisis sebelumnya oleh Muhammad Suhardianto (2011). Hasil optimasi tersebut merupakan tipe perangkaan K terbalik, dengan berat total 155,43 ton dengan interaction ratio 0,889 kemudian menjadi data awal analisa dengan mengubah jarak brace secara horisontal dan vertikal yang berbeda pada Satellite Wellhead Struktur dan menjadi acuan dalam penelitian. ISBN : Group Teknik Perkapalan Volume 6 : Desember 2012 TP6-6

7 PROS ID I NG 2012 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK Beban Gelombang Data gelombang yang digunakan dalam analisis ini diperoleh dari standar yang digunakan oleh PT. NISCONI untuk perencanaan struktur di selat Makassar, dimana data gelombang tersebut adalah sebagai berikut: Tinggi Gelombang : 5,2 meter Panjang Gelombang : 126 meter Kedalaman Peraiaran : 50,381 meter Periode (T) : 10 detik Perhitungan Optimasi Struktur 1. Variasi tata letak struktur Optimasi tata letak struktur dengan dimensi yang sama dilakukan sebanyak dua belas kali yang terbagi menjadi beberapa variasi tata letak yaitu: a. Variasi tata letak brace horisontal terdiri dari dua model tata letak struktur seperti pada Gambar 5. Tata letak 1.1 Tata letak 1.2 Gambar 5. Variasi Tata Letak Brace Horisontal Tata letak 1.1 merupakan tata letak struktur yang terdiri dari dua tingkatan, memiliki tiga brace horisontal, dan masing-masing brace horisontal diberi nama A11, A12, dan A13 dari brace horisontal paling atas. Tata letak 1.2 merupakan tata letak struktur yang terdiri dari tiga tingkat, memiliki lima brace horisontal dan masing-masing brace horisontal diberi nama A21, A22, A23, A24, dan A25 dari brace horisontal paling atas. b. Variasi tata letak panjang tingkatan terdiri dari dua model tata letak struktur seperti pada Gambar 6. Tata letak 2.1 Tata letak 2.2 Gambar 6. Variasi Tata Letak Panjang Tingkatan Tata letak 2.1 merupakan tata letak yang pada tingkat kedua jarak antara brace horisontal semakin menjauh dimana tiap tingkatan diberi nama B31, B32, dan B33. Volume 6 : Desember 2012 Group Teknik Perkapalan ISBN : TP6-7

8 Optimasi Jacket Struktur Lepas Tata letak 2.2 merupakan tata letak yang pada tingkat kedua jarak antara brace horisontal semakin mendekat dimana tiap tingkatan diberi nama B41, B42, dan B43. c. Variasi brace K terdiri dari tiga model tata letak struktur seperti pada Gambar 7. Tata letak 3.1 Tata letak 3.2 Tata letak 3.3 Gambar 7. Variasi Brace K Tata letak 3.1 merupakan model tata letak struktur yang memodifikasi brace K dimana ujung brace K yang menumpu pada brace horisontal tidak saling bertemu dan jarak tiap spasi diberi nama C51,C52, dan C53. Tata letak 3.2 merupakan model tata letak struktur yang memodifikasi brace K dimana ujung brace K yang menumpu pada brace horisontal tidak saling bertemu, jarak antara ujung Brace K dua kali lipat dari jarak antara ujung brace K pada tata letak 5 dan jarak tiap spasi diberi nama C61, C62, dan C63. Tata letak 3.3 merupakan model tata letak struktur yang memodifikasi brace K dimana ujung brace K yang menumpu pada brace horisontal tidak saling bertemu, jarak antara ujung brace K tiga kali lipat dari jarak antara ujung brace K pada tata letak 5 dan jarak tiap spasi diberi nama C71, C72, dan C73. d. Variasi tata letak brace sekunder terdiri dari 2 model tata letak struktur seperti pada Gambar 8. Tata letak 4.1 Tata letak 4.2 Gambar 8. Variasi Tata Letak Brace Sekunder Tata letak 4.1 merupakan model tata letak struktur yang memodifikasi brace sekunder dimana ujung brace sekunder yang menumpu pada brace horisontal tidak saling bertemu dan jarak tiap spasi diberi nama D81, D82, dan D83. Tata letak 4.2 merupakan model tata letak struktur yang memodifikasi brace sekunder dimana ujung brace sekunder yang menumpu pada brace horisontal tidak saling bertemu, jarak antara ujung brace sekunder dua kali lipat dari jarak antara ujung brace sekunder pada tata letak 8 dan jarak tiap spasi diberi nama D91, D92, dan D93. e. Variasi tata letak gabungan terdiri dari tiga model tata letak struktur seperti pada Gambar 9. Tata letak 5.1 merupakan gabungan antara model tata letak 2.1 dan model tata letak 3.1. Tata letak 5.2 merupakan gabungan antara model tata letak 2.1 dan model tata letak 3.2. ISBN : Group Teknik Perkapalan Volume 6 : Desember 2012 TP6-8

9 PROS ID I NG 2012 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK Tata letak 5.3 merupakan gabungan antara model tata letak 2.1, model tata letak 3.2, dan model tata letak 4.1. Tata letak 5.1 Tata letak 5.2 Tata letak 5.3 Gambar 9. Variasi Tata Letak Gabungan HASIL ANALISIS Dari ke 12 (dua belas) tata letak struktur tersebut masing-masing dilakukan analisis struktur dengan menghitung interaction ratio dan berat total. Hasil analisis yang diperoleh seperti Tabel 1. Tabel 1. Hasil Analisis Struktur No Variasi Tata Letak Tata letak 11 1 Brace Horisontal Tata letak 12 Tata letak 21 2 Panjang Tingkatan Tata letak 22 Tata letak 31 3 Brace K Tata letak 32 Tata letak 33 Tata letak 41 4 Brace Sekunder Tata letak 42 Tata letak 51 5 Gabungan Tata letak 52 Tata letak 53 Nilai yang berbeda Berat Total (m) (Ton) IR<1 A1 1 A1 2 A1 3 14,4 19,9 25,4 140, ,1542 A2 1 A2 2 A2 3 A2 4 A2 5 14,4 17,2 19,9 22,67 25,42 169, ,6116 B3 1 B3 2 B3 3 16,7 21,9 16,7 154, B4 1 B4 2 B4 3 18,8 17,8 18,8 157, C5 1 C5 2 C5 3 9,9 2,2 9,9 153, C6 1 C6 2 C6 3 8,9 4,4 8,9 152, C7 1 C7 2 C7 3 7,7 6,6 7,7 151, D8 1 D8 2 D8 3 9,5 2,2 9,5 155, ,8884 D9 1 D9 2 D9 3 8,4 4,2 8,4 155, ,6494 B3 1 B3 2 B3 3 C5 1 C5 2 C5 3 16,7 21,9 16,7 9,9 2,2 9,9 153, ,9773 B3 1 B3 2 B3 3 C6 1 C6 2 C6 3 16,7 21,9 16,7 8,9 4,4 8,9 152, ,9045 B3 1 B3 2 B3 3 C6 1 C6 2 C6 3 D8 1 D8 2 D8 3 16,7 21,9 16,7 8,9 4,4 8,9 9,5 2,2 9,5 152, ,9019 Pemilihan Model Tata Letak Struktur yang Optimal Berdasarkan Tabel 1 dengan variasi brace horisontal, variasi panjang tingkatan, variasi brace K, variasi brace sekunder, dan variasi gabungan yaitu 12 model tata letak yang berbeda dengan diameter yang sama. Optimasi struktur tata letak 1.1 dengan berat struktur 140,715 ton dan IR 1, merupakan struktur terjelek. Optimasi struktur tata letak 1.2 dengan berat struktur 169,795 ton dan IR 0, Optimasi tata letak 2.1 dengan berat struktur 154,682 ton dan IR Optimasi struktur tata letak 2.2 dengan berat struktur 157,490 ton dan IR 0, Optimasi tata letak 3.1 dengan berat struktur 153,4998 ton dan IR 0, Optimasi tata letak 3.2 Volume 6 : Desember 2012 Group Teknik Perkapalan ISBN : TP6-9

10 Optimasi Jacket Struktur Lepas dengan berat struktur 152,429 ton dan IR 0, Optimasi struktur tata letak 3.3 dengan berat struktur 151,099 ton dan IR 0, Optimasi tata letak 4.1 dengan berat struktur 155,250 ton dan IR 0, Optimasi tata letak 4.2 dengan berat struktur 155,0136 ton dan IR 0, Optimasi tata letak 5.1 dengan berat struktur 153,527 ton dan IR 0, Optimasi tata letak 5.2 dengan berat struktur 152,416 ton dan IR 0, Optimasi tata letak 5.3 dengan berat struktur 152,235 ton dan IR 0, Dari hasil analisis, hanya tata letak 1.1 yang tidak memenuhi dari segi kekuatan, sedangkan tata letak 1.2 sampai 5.3 memenuhi dari segi kekuatan. Dari tabel optimasi di atas struktur yang paling optimum adalah variasi brace K (tata letak 3.3) dengan hasil IR 0,626 dengan berat total struktur 151,099 ton, sehingga aman akan pembebanan dan penggunaan material yang paling ekonomis. Diskusi Dari penelitian sebelumnya oleh Muhammad Suhardianto (2011) diperoleh berat total 155,43 ton dan IR 0,889, dimana penelitian kali ini diperoleh berat total 151,099 ton dan IR 0,626. Hasil ini menunjukkan bahwa optimasi di atas lebih baik, dimana struktur yang diperoleh lebih ringan 4,331 ton, demikian pula kekuatannya yang ditunjukkan oleh IR 0,626 yang lebih kecil dari penelitian sebelumnya. SIMPULAN Dari analisis optimasi tata letak struktur Satellite Wellhead disimpulkan bahwa model tata letak struktur yang paling optimum adalah model tata letak 3.3 (variasi brace K) yang mempunyai berat total struktur 151,099 ton dengan IR 0,626. DAFTAR PUSTAKA Anonim, (1991), Buku Pedoman Rancangan Bangunan Lepas Pantai di Perairan Indonesia, Biro Klasifikasi Indonesia, Surabaya. Api Recommended Practice 2A-WSD (RP 2A-WSD), (2000), Recommended Practice for Planning Designing and Construction Fixed Offshore Platform-Working Stress Design, American Petroleum Institute (API), USA. Djabbar, M., Alham, (2002), Simulasi Gaya Hidrodinamika pada Silinder Vertikal berukuran kecil oleh Gelombang Acak Multiarah, Disertasi Institut Teknologi Bandung, Bandung. Dawson, T.,H., (1983), Offshore Struktural Engineering, New Jersey. Djatmiko, E.,B., (1994), Struktur Bangunan Laut, Teknik Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Graft, W.,J., & Murdito, (1981), Introduction to Offshore Structure, Gulf, Publisher, London. Hsu, T.,H., (1981), Applied Offshore Structural Engineering, Gulf, Publisher, London. Husain, Syahrir, Juswan, & Hamzah, (2011), Analisa Perbandingan Umur Struktur Offshore Sistem EBF dan Sistem CBF Tipe Jacket, Makassar. Juswan, (1999), Pengantar Rekayasa Lepas Pantai, Program Kerjasama Segitiga Biru, Makassar. Kirsch, U., (1981), Optimum Structural Design, McGraw-Hill Company. Suhardianto, Muhammad, (2011), Optimasi Dimensi Brace Bangunan Lepas Pantai, Makassar. Vanderplaats, Garret, N., (1984), Numerical Optimization Techniques for Design with Application, McGraw- Hill Book Company. ISBN : Group Teknik Perkapalan Volume 6 : Desember 2012 TP6-10