Analisis Kegagalan Ultimate pada Topside Support Structure Seastar Tension Leg Platform (TLP) dengan Metode Incremental Extreme Load

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Analisis Kegagalan Ultimate pada Topside Support Structure Seastar Tension Leg Platform (TLP) dengan Metode Incremental Extreme Load Siti S. Norhayati. Daniel M. Rosyid, Eko B. Djatmiko Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya dmrosyid@oe.its.ac.id Abstrak Meningkatnya kebutuhan sumber daya minyak dan gas saat ini tidak diimbangi dengan jumlah cadangan minyak dan gas yang kita miliki. Untuk itu dilakukan peningkatan produksi migas, salah satunya dengan mengalihkan daerah operasi dari perairan dangkal menuju perairan dalam. Salah satu jenis anjungan yang tepat dioperasikan di laut dalam adalah jenis struktur lentur, seperti Tension Leg Platform (TLP). Topside support structure merupakan bagian penting pada TLP selama masa operasi. Kegagalan ultimate meruapakan suatu hal yang perlu diperhatikan pada semua bangunan lepas pantai, terutama pada bagian-bagian kecil yang mempunyai fungsi besar terhadap jalannya proses produksi. Kegagalan ultimate seringkali terjadi pada kondisi ekstrem. Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan analisis kegagalan ultimate pada topside support structure dengan metode incremental extreme load, yaitu dengan menaikkan tinggi gelombang signifikan pada kondisi ekstrem perairan Selat Makassar hingga struktur mengalami kegagalan. Dengan menggunakan baja A36, hasil yang didapat menunjukkan bahwa struktur mengalami kegagalan pada saat menaikkan 5,8 kali tinggi gelombang signifikan kondisi ekstrem. Tegangan maksimal yang dihasilkan adalah sebesar 472 MPa pada daerah sekitar sambungan antara support dan brace. Dengan demikian tegangan yang dihasilkan melebihi tegangan ultimate material 460 MPa dan dikatakan struktur mengalami kegagalan ultimate. terjadinya kegagalan pada struktur akibat beban lingkungan. Salah satu penyebab terjadinya ultimate failure pada suatu struktur umumnya disebabkan oleh beban ekstrem atau kurangnya daya tahan struktur terhadap degradasi material. Gambar. 1. Kurva perbandingan efektivitas biaya untuk platform di laut dalam (Litton, 1989) Saat ini jenis TLP yang banyak beroperasi di lapangan adalah jenis monocolumn seastar TLP. Kata Kunci kegagalan Ultimate, RAO, Seastar TLP, Topside Support Structure, incremental extreme load M I. PENDAHULUAN ENINGKATNYA kebutuhan sumber daya minyak dan gas saat ini tidak diimbangi dengan jumlah cadangan minyak dan gas yang kita miliki. Untuk itu dilakukan peningkatan produksi migas, salah satunya dengan mengalihkan daerah operasi dari perairan dangkal menuju perairan dalam. Salah satu jenis anjungan yang tepat dioperasikan di laut dalam adalah jenis struktur lentur, seperti Tension Leg Platform (TLP). Litton (1989) menyebutkan bahwa TLP merupakan struktur terapung yang memiliki banyak keuntungan, diantaranya adalah sangat tekno-ekonomis untuk dioperasikan di perairan laut dalam [1]. Salah satu bagian terpenting yang harus diperhitungkan dari struktur TLP adalah topside support structure yang berfungsi menyangga deck dengan segala aktifitas yang terjadi di atasnya selama struktur beroperasi. Oleh karena itu, perlu dilakukan analisis untimate strength pada support untuk menghindari Gambar. 2. Monomolumn Seastar TLP ( [2] Pada tugas akhir ini telah dilakukan analisis kegagalan ultimate pada topside support structure seastar TLP dengan metode incremental extreme load. Struktur yang digunakan pada penelitian merupakan penggabungan data dari TLP B West Seno [3] dan Matterhorn TLP Seastar milik SBM Atlantia.

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Tabel 1. Data struktur yang digunakan dalam penelitian dari dua struktur yang berbeda TLP B West Seno Matterhorn SBM Atlantia Item Nilai Item Nilai Kedalaman operasi (m) 910 Diameter kolom (m) 17,9 Sarat Desain (m) 28,95 Panjang pontoon (m) 54 Tinggi kolom dari keel (m) 36,25 Lebar pontoon (m) 12,8 Massa Topside (Ton) Tinggi pontoon (m) 12,8 Data lingkungan yang dipergunakan dalam penelitian adalah data lingkungan Selat Makassar 100 tahunan kondisi ekstrem. Tabel 2. Data lingkungan 100 tahunan Selat Makassar Arah Hs (m) 3 2,5 3 2,5 3 2,5 3 2,5 Tp (m) 8,3 7,6 8,3 7,6 8,3 7,6 8,3 7,6 Wind (m/s) 21,2 18,7 21,2 18,7 21,2 18,7 21,2 18,7 Current (m/s) 1,31 1,31 1,31 1,31 1,31 1,31 1,31 1,31 Spektrum JONSWAP γ = 2,5 Selanjutnya adalah menghitung gerakan dengan model numerik berdasarkan teori difraksi yang diakomodasi dalam metode panel. Berdasarkan gaya hidrodinamis, linear motion pada enam derajat kebebasan diperkirakan dalam bentuk RAO (Response Amplitude Operator). RAO merupakan alat untuk transfer gaya gelombang menjadi respon gerakan dinamis struktur. Persamaan RAO menurut Chakrabarti (1987) adalah seperti persamaan 1 [4]. X p RAO (1) dengan, X p (ω) = amplitudo struktur η(ω) = amplitudo gelombang II. METODOLOGI PENELITIAN A. Pemodelan Struktur TLP Dari data TLP A West Seno dan Matterhorn sebagai pembanding, dimensi struktur yang digunakan dalam penelitian ini terdapat pada Tabel 3. Tabel 3. Dimensi struktur TLP yang dianalisis Item Seastar TLP Bentuk Silindris Column Geometri r = 9 m x 38,1m Jumlah 1 Bentuk Kotak Pontoon Geometri 10 m x 10 m x 50,9 m Jumlah 3 Sarat Desain 28,95 m Pemodelan awal dilakukan di AutoCad 3D dengan menggunakan dimensi struktur pada Tabel 3. Pemodelan awal ini dilakukan untuk mengetahui koordinat serta jari-jari girasi struktur. Setelah diperoleh koordinat dan jari-jari girasi, maka dilakukan pemodelan tahap selanjutnya untuk menentukan respon struktur akibat beban lingkungan yang terjadi dengan menggunakan data lingkungan pada Tabel 2. Gambar. 3. Pemodelan struktur TLP pada AutoCAD 3D Gambar. 4. Arah pembebanan yang dipergunakan dalam menentukan respon struktur RAO disajikan dalam bentuk diagram tranfer fungsi, respon yang didapatkan dalam bentuk RAO merupakan respon linear, selanjutnya RAO yang telah diperoleh dapat dikalikan dengan spektrum gelombang sehingga didapatkan spektrum respon. Pemilihan spektrum didasarkan pada kondisi real laut yang ditinjau. Spektrum gelombang yang digunakan dalam penelitian ini adalah spektrum JONSWAP. Pemilihan spektrum JONSWAP ini didasarkan pada kondisi perairan Indonesia yang terlindug kepulauan sehingga lebih mengarah pada pembentukan gelombang karena fetch, dibandingkan dengan pembentukan gelombang di perairan terbuka.untuk perairan Indonesia dengan mengambil harga γ sekitar , artinya menurunkan puncak spektra atau dengan kata lain dominasi tidak terkonsentrasi pada periode atau frekuensi gelombang tertentu saja. Persamaan spektrum JONSWAP dirumuskan pada persamaan exp S g exp 125 (2) 0

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) dimana, γ = parameter puncak (peakedness parameter) τ = parameter bentuk (shape parameter) τ a untuk ω < ω 0 = 0.07 dan τ b untuk ω > ω 0 = 0.09 α = (X 0 ) -0.22, untuk X 0 tidak diketahui maka : α = 0,0081 ω 0 = 2π (g/υω) (X 0 ) X 0 = gx/ υω (3) sedangkan parameter puncak (γ) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 4. 4 Tp Tp EXP (4) 2 Hs Hs dengan : Tp = periode puncak spectra (s) Hs = tinggi gelombang signifikan (m) Spektrum respon didefinisikan sebagai respon kerapatan energi pada struktur akibat gelombang. Spektrum respon merupakan perkalian antara spektrum gelombang dengan RAO kuadrat, secara matematis dirumuskan pada persamaan 5. S R = [RAO(ω)] 2 S(ω) (5) B. Perhitungan Gaya Sebelem melakukan analisis kegagalan ultimate, maka yang perlu dilakukan adalah menghitung gaya-gaya dan momen yang bekerja pada topside support structure. Pada penelitian ini, gaya yang diperhitungkan adalah beban topside, gaya angin, gaya inertia serta momen gaya. Untuk menghitung beban topside menggunakan persamaan 6. W = m g (6) Untuk menghitung beban angin menggunakan persamaan dari ABS 2001 [5]. F = 0.5 ρ Vk 2 Ch Cs A (7) dengan, ρ = berat jenis udara (1.22 kg/m 3 ) Vk = kecepatan angin (m/s) Ch = height coefficient Cs = shape coefficient A = Luas permukaan yang terkena beban angin m 2 Beban gelombang dihitung dengan menggunakan beberapa persamaan. Untuk gaya surge dan sway menggunakan persamaan 8. Untuk gaya heave menggunakan persamaan 9, dan untuk momen gaya roll, pitch dan yaw menggunakan persamaan 10 dan 11. F = m a (8) F = m (a + g) (9) I = mr 2 (10) M = I α (11) C. Analisis Lokal Setelah mendapatkan respon struktur, maka langkah selanjutnya adalah analisis lokal, yaitu analisis pada topside support structure dengan memasukkan gaya dan momen yang bekerja pada struktur akibat beban topside dan beban lingkungan. Analisis lokal yang dimaksudkan untuk mencari tegangan ultimate support serta mengetahui moda kegagalan ultimate berdasarkan ABS 2004 [6]. Moda kegagalan pada kriteria structural member menurut ABS 2004 adalah sebagai berikut : 1. Flexural buckling. Bending pada daerah aksis pada resistan akhir. 2. Torsional buckling. Puntir pada lugitudinal aksis. 3. Lateral-torsional buckling. Bersamaan bending dan puntir (twisting). 4. Local buckling. Buckling pada plat atau elemen shell pada daerah lokal struktur. Untuk mengetahui kekuatan ultimate struktur terhadap beban yang bekerja maka dilakukan pembebanan sampai struktur tersebut mengalami tegangan melewati UTS material. ABS 2005 [7] menyatakan basic utilization factor untuk kondisi lingkungan ekstrem adalah 0.8. Dengan menggunakan data lingkungan 100 tahunan kondisi ekstrem, maka struktur dianggap sudah mengalami kegagalan apabila mengalami tegangan sebesar 0,8 UTS. Dalam penelitian ini, untuk mengetahui beban puncak (ultimate load) yang mampu diterima struktur, maka beban gelombang dinaikkan secara bertahap hingga struktur mengalami kegagalan ketika melewati UTS. Load Condition A. Validasi Model Tabel 4. Dimensi struktur TLP yand dianalisis Environmental Events III. ANALISIS DAN PEMBAHASAN Basic Utilization Factors Loadout Calm 0.6 Ocean Transit 10-year-return storm for the selected route condition (owner specified) 0.8 Field Transit 1-year-return storm for the selected route condition (owner specified) 0.8 Deck Installation Calm 0.6 In-place Design 1-year-return storm Operating (minimum) 0.6 In-place Design Environmental 100-year-return storm at specified site 0.8 In-place Damage 1-year-return storm 0.8 Dalam pemodelan dilakukan validasi terhadap displacement yang mengacu pada displacement TLP B West Seno. Struktur TLP diharuskan memilki displacement yang sama atau dengan

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) error yang sekecil mungkin (<1%) dengan displacement struktur acuan. Tabel 3. Validasi displacement model dengan displacement TLP B West Seno Item Dengan mendapatkan error = 0,27%, maka pemodelan yang dilakukan memenuhi dan dapat dilanjutkan untuk dianalisis. B. Respon Struktur Operasional Draft West Seno MOSES Error (%) (ton) (ton) Seastar TLP Displacement (ton) Dalam menentukan RAO dilakukan 2 analisis, yaitu pada kondisi free floating dan kondisi tertendon. Hal ini dilakukan untuk melihat efektifitas tendon dalam mereduksi motion pada TLP akibat beban lingkungan. Gambar. 5. Spektrum gelombang JONSWAP di perairan Selat Makassar dengan menggunakan data 100 tahunan kondisi ekstrem Setelah mendapatkan spektrum gelombang, selanjutnya adalah menentukan respon struktur dari Seastar TLP sebagai respon kerapatan energi pada struktur akibat gelombang. Sebagai contoh, dari Gambar 6 menunjukkan pola gerakan yang terjadi sama dengan pola spektrum gelombang JONSWAP, dan gerakan heave terbesar terjadi pada arah pembebanan 0. (a) Gambar. 6. Respon struktur untuk gerakan heave (b) Gambar. 4. (a) RAO heave pada kondisi free floating, (b) RAO heave pada kondisi tertendon Dari grafik pada gambar 4 menunjukkan efektifitas tendon terhadap gerak struktur, dimana pada kondisi free floating mencapai 1,2 m/m, sedangkan saat tertendon hanya melewati 0,04 m/m. Spektrum gelombang yang dihasilkan dengan menggunakan data 100 tahunan kondisi ekstrem Selat Makassar dapat dilihat pada Gambar 5. C. Perhitungan Beban pada Struktur Perhitungan gaya yang dilakukan dengan menggunakan percepatan yang didapat dari beban lingkungan pada titik yang ingin ditinjau. Tabel 4. Koordinat posisi topside support structure pada TLP Koordinat dari Titik 0,0,0 Item X Y Z TSS ,1 TSS ,1 TSS ,1 TSS ,1 Dengan mengambil salah satu titik support, percepatan yang dihasilkan seperti pada Tabel 5.

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Tabel 5. Percepatan pada topside support structure Heading Surge Sway Heave Roll Pitch Yaw (m/s²) (m/s²) (m/s²) (rad/s²) (rad/s²) (rad/s²) Beban topside, yang merupakan massa topside keseluruhan dibagi empat, kemudian dikalikan dengan massa gravitasi (9,81 m/s 2 ). Tabel 6. Beban topside untuk masing-masing support m (Ton) g (m/s 2 ) W (KN) N Beban angin diperoleh dengan menggunakan persamaan dari ABS Tabel 7. Beban angin yang mengenai struktur pada kondisi ekstrem Vk (m/s) Ch Cs A (m 2 ) F (N) Column Support Production Deck Drill Deck Untuk perhitungan beban gelombang diambil harga yang paling besar untuk setiap gerakan pada 6 derajat kebebasan. Tabel 8. Beban gelombang maksimal pada Hs = 3 m DOF Moment Force (kn.m) DOF Inertia Force (kn) Roll Surge Pitch Sway Yaw Heave Perhitungan gaya digunakan untuk melakukan analisis lokal pada topside support structure. D. Analisis Kegagalan Ultimate Σ Gaya Dalam analisis kegagalan ultimate yang dilakukan hanya pada salah satu topside support structure. Hal ini karena beban topside dianggap beban merata pada setiap support-nya. Material yang digunakan pada struktur adalah baja A36. Dengan tensile yield strength = 250 MPa dan tensile ultimate strength = 460 MPa. Gambar. 6. Pemodelan struktur analisis lokal Dengan memasukkan gaya-gaya yang bekerja pada Hs = 3 m (tinggi gelombang awal), tegangan maksimum yang terjadi adalah 34,1 MPa. Dengan demikian struktur dikatakan dalam kondisi aman, tidak melebihi tegangan ijin 0,8 UTS = 368 MPa. Berdasarkan ABS 2005, dikatakan bahwa struktur mengalami kegagalan pada saat tegangan yang terjadi pada struktur melebihi 0,8 UTS. Dengan UTS = 460 MPa. Kemudian dilakukan incremental (kenaikan) tinggi gelombang signifikan secara bertahap sampai tegangan yang terjadi melebihi batas ultimate-nya. Tabel 9. Tegangan maksimum yang terjadi pada support dengan kenaikan beban gelombang hingga mengalami kegagalan Faktor Inkeremntal σmax (Mpa) ( Hs = 3m) 1 34,1 2 71, , , , , ,8 472 Dengan demikian dapat kita lihat bahwa dengan menaikkan beban gelombang 5,8 kali struktur mengalami kegagalan, karena tegangan maksimum yang terjadi sebesar 472 MPa pada daerah sekitar sambungan support dan brace melebihi tegangan ultimate material.

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) maksimum pada struktur yang sebenarnya terjadi adalah σmax = 34,1 MPa, artinya struktur tidak mengalami kegagalan. Harga maksimal ini masih jauh di bawah kekuatan ultimate struktur yang sebesar 460 MPa. Gambar. 7. Lokasi terjadinya tegangan maksimum pada saat struktur mengalami kegagalan Dari hasil analisis incremental extreme load dapat diketahui bahwa struktur mengalami kegagalan ultimate jenis deformasi plastis akibat beban ekstrem yang bekerja pada support seperti pada Gambar Gambar. 7. Lokasi terjadinya deformasi plastis pada topside support structure 3) Untuk memperoleh indikasi tingkat kegagalan maka dilakukan analisis dengan metode incremental extreme load dengan peningkatan interval beban sampai melewati dengan 0,8 σ ult material (kriteria ABS) yaitu 368 MPa. Kegagalan terjadi pada sekitar 5,8 kali tinggi gelombang signifikan kondisi ekstrem lingkungan, yaitu pada tinggi gelombang 17,4 m. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa struktur mengalami kegagalan pada saat incremental 5,8 kali dari Hs, dengan tegangan maksimum sebesar 472 MPa pada daerah sekitar sambungan antara support dan brace. DAFTAR PUSTAKA [1] Litton Richard W. TLPs and other deepwater platforms, Tension Leg Platform: A State Of The Art Review. Demirbilek, American Society of Civil Engineers, New York, (1989). [2] SBMAtlantia. Matterhorn Seastar TLP. Available: matterhorn, (2011) [3] Report Re-Assessment TLP B West Seno. (2003) [4] Chakrabarti, S.K. Hydrodynamics of Offshore Structures. Boston : Computational Mechanics Publications Southamption. (1987). [5] ABS, Guide for Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures. American Bureau of Shipping, Houston, (2004). [6] ABS, Commentary on the Guide-Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures. American Bureau of Shipping, Houston, (2005). [7] ABS, Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units. American Bureau of Shipping, Houston, (2001). [8] Ardiansyah, F., Analisis Keandalan Scantling Support Structure System Gas Processing Module FPSO Belanak terhadap Beban Ekstrem, Tugas Akhir Jurusa Teknik Kelautan, ITS, Surabaya, (2010). IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Berdasarkan hasil analisis yang dilakukan pada penelitian ini, beberapa kesimpulan dapat disampaikan sebagai berikut : 1) Dengan menggunakan spektrum JONSWAP, espon struktur untuk gerakan surge terjadi paling besar pada arah 0, yaitu mencapai 0,2 m 2 /s. Respon struktur untuk gerakan sway terjadi paling besar pada arah 0 yaitu dengan S R =0,2 m 2 /s. dan untuk gerakan heave respon struktur paling besar juga pada arah 0 dengan S R = 0,002 m 2 /s. Untuk gerakan rotasional roll, S R paling besar adalah pada arah 45, yaitu 0,0015 rad/s. untuk gerakan pitch respon struktur paling besar pada arah 180 dan 0, yaitu sekitar 0,002 rad/s. dan untuk gerakan yaw respon struktur terbesar pada arah 90 dan 270, yaitu 0,55 rad/s. 2) Pada kondisi lingkungan ekstrem, yang dipengaruhi oleh beban angin, gelombang, dan beban topside respon