Kajian Kekuatan Kolom-Ponton Semisubmersible dengan Konfigurasi Delapan Kolom Berpenampang Persegi Empat Akibat Eksitasi Gelombang

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (204 IN: (-6 Kajian Kekuatan Kolom-Ponton emisubmersible dengan Konfigurasi Delapan Kolom Berpenampang Persegi Empat Akibat Eksitasi Gelombang Yosia Prakoso, Eko B. Djatmiko 2, dan Murdjito 3 ( Mahasiswa Teknik Kelautan IT, (2 (3 taf Pengajar Teknik Kelautan IT Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi epuluh Nopember (IT Jl. Arief Rahman Hakim, urabaya 60 ebdjatmiko@oe.its.ac.id Abstrak emisubmersible merupakan salah satu struktur yang handal digunakan dalam berbagai kondisi lautan. ebelum dioperasikan, semisubmersible perlu dilakukan analisis karakteristik respon gerak dan kekuatan memanjang struktur pada kondisi lautan tempat semisubmersible beroperasi untuk mengetahui kemampuan struktur terhadap beban gelombang. etelah mengetahui kemampuan struktur, maka akan dapat diketahui apakah struktur tersebut aman beroperasi pada kondisi lautan tertentu. Kajian dalam penelitian ini menggunakan rancangan semisubmersible dengan konfigurasi delapan kolom berpenampang persegi dan menggunakan acuan dari emisubmersible Essar Wildcat berdisplasemen 2473 ton yang beroperasi di Laut Natuna. Perhitungan respon struktur diselesaikan dengan integrasi dari distribusi beban dan distribusi gaya apung (buoyancy pada semisubmersible dengan kondisi still water dan kondisi gelombang (hogging dan sagging. Perhitungan respon struktur semisubmersible menghasilkan kekuatan memanjang pada struktur yaitu shear force dan bending moment. Respon struktur terbesar dihasilkan pada kondisi sagging panjang gelombang sama dengan panjang struktur, dengan shear force sebesar 9.8 MN dan bending moment sebesar MN.m. Pemodelan kekuatan struktur dilakukan dengan variasi model global dan sambungan kolom-ponton (lokal untuk mengetahui secara spesifik tegangan yang terjadi pada sambungan kolom-ponton. Pada analisis kekuatan didapatkan model global semisubmersible yang paling efektif dengan tegangan maksimum sebesar 7 MPa dan deformasi total maksimum sebesar 7.3 mm. Kata-kunci : semisubmersible, kekuatan memanjang, shear force, bending moment, tegangan Von Mises I. PENDAHULUAN Dengan adanya cadangan minyak yang di temukan di daratan dan lepas pantai, maka di perlukan sarana dan prasarana yang memadai untuk di lakukannya ke empat proses tersebut. Guna memperoleh cadangan minyak dan bumi yang besar yang tersebar di lautan, maka di butuhkan sarana khusus dalam menunjang eksploitasi minyak dan gas di lautan. alah satu sarana yang terkait dengan eksploitasi minyak dan gas adalah anjungan terapung. Oleh karena itu dibutuhkan suatu struktur terapung yang stabil dan memiliki kekuatan yang lebih baik dibandingkan dengan anjungan pengeboran lepas pantai terapung konvensional, salah satunya adalah semisubmersible []. Karakteristik respon struktur baik itu respon gerakan maupun respon struktur sangat bergantung dari perilaku dinamis struktur terapung akibat beban gelombang. emisubmerisble memiliki respon struktur yang jauh lebih baik karena memiliki lambung ganda. Kajian terhadap respon struktur perlu dilakukan sebelum semisubmersible beroperasi di lautan, hal ini dilakukan untuk mengetahui seberapa besar beban yang dialami oleh struktur akibat beban gelombang dimana struktur itu beroperasi sehingga dapat mengurangi tingkat kecelakaan kerja. Dalam analisis respon struktur perlu dilakukan pembebanan lingkungan pada kondisi ekstrim untuk mengetahui kekuatan struktur sebelum memulai kegiatan eksporasi maupun eksploitasi. II. METODE PENELITIAN tudi literatur dilakukan dengan mengumpulkan data-data, jurnal dan buku yang terkait dengan pengerjaan Tugas Akhir terlebih dahulu sebagai referensi dalam berbagai perhitungan dan pemodelan. Data semisubmersible yang dirancang mengacu pada data milik PT. Global Maritime, Essar Wildcat semisubmersible drilling rig yang bertipe Aker H3. Data lingkungan yang digunakan adalah data perairan Laut Natuna dengan periode ulang 00 tahun. Dari acuan tersebut perancangan semisubmersible dan general arrangement dibuat dengan melakukan validasi terhadap komponen hidrostatis model dengan komponen hidrostatis dari semisubmersible Essar Wildcat. Gambar. Model semisubmersible

2 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (204 IN: (-6 2 Berikut merupakan data dimensi dari model semisubmersible yang dirancang sesuai dengan Essar Wildcat semisubmersible drilling rig: Tabel. Data model semisubmersible Parameter atuan Model Jarak melintang kolom m Jarak memanjang kolom m Panjang Ponton m 08.2 Lebar Ponton m 0.5 Lebar Kolom m 7.92 Tinggi Ponton m 6.7 Tinggi Kolom m Diameter Bracing m 2.2 arat Operasi m Displasemen m Data lingkungan yang digunakan dalam pengerjaan Tugas Akhir adalah data perairan Laut Natuna dengan periode ulang 00 tahun. Data lingkungan meliputi tinggi gelombang, periode puncak gelombang pada dan kedalaman perairan yang diberikan pada tabel berikut: Tabel. Data lingkungan periode 00-tahunan Gambar 2. Model hidrodinamis global semisubmersible 2. Pemodelan Metode Elemen Hingga Tahap pemodelan metode elemen hingga dilakukan pada geometri global dan lokal. Pemodelan global dilakukan untuk mengetahui distribusi tegangan pada keseluruhan struktur semisubmersible. Parameter Kedalaman Gelombang: Tinggi glb. signifikan Periode puncak Arus: Permukaan Kedalaman tengah Dasar Angin: Kec. angin menit Nilai 90 m 5.3 m 3.9 sec m/s 0.8 m/s 0.8 m/s 24 m/s Gambar 3. Model geometri global semisubmersible ementara pada pemodelan lokal dilakukan untuk mengetahui konsentrasi tegangan pada sambungan kolom-ponton dengan ukuran elemen mesh yang lebih kecil dari pemodelan global. etelah mendapatkan data yang dibutuhkan selanjutnya melakukan pembuatan model, Pada tahapan ini akan dilakukan pemodelan struktur, yaitu mentransformasikan bentuk riil struktur menjadi bentuk 3 dimensi. Kemudian model 3D ditransformasikan menjadi model hidrodinamis yang menggunakan metode difraksi atau panel dalam perhitungannya dan model metode elemen hingga untuk mendapatkan distribusi tegangan dan deformasi akibat kekuatan memanjang pada geometri global dan lokal yang dapat merepresentasikan model semisubmersible.. Pemodelan Hidrodinamis Tahap pemodelan hidrodinamis dilakukan untuk mendapatkan komponen hidrostatik dan karakteristik respon gerakan semisubmersible pada kondisi terapung bebas. Gambar 4. Model geometri lokal semisubmersible Pada struktur terapung, kekuatan struktur adalah salah satu aspek yang sangat penting. Kekuatan struktur terapung ini berhubungan dengan kemampuan struktur dalam menerima beban internal maupun eksternal, beberapa diantaranya yaitu [2]:

3 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (204 IN: (-6 3 i. Gaya split pada ponton ii. Momen torsi pitch pada sumbu melintang horizontal iii. hear force longitudinal pada ponton iv. Gaya inersia akibat percepatan longitudinal dan transversal dari massa deck v. Bending moment vertikal pada ponton Pada analisis kekuatan memanjang global struktur, salah satu aspek yang penting untuk dipertimbangkan adalah vertical bending moment. Penyelesaian masalah hidrodinamis pada struktur semisubmersible menggunakan metode difraksi atau panel, lambung struktur terapung dibagi menjadi beberapa panel dengan distribusi beban pada panel-panel tersebut. Dengan menggunakan metode difraksi atau panel dapat dihasilkan kekuatan memanjang struktur yaitu shear force dan bending moment pada kondisis still water dan gelombang [3]. Kekuatan memanjang struktur dibutuhkan untuk mengetahui distribusi pembebanan shear force dan bending moment pada sepanjang lokasi longitudinal struktur sehingga akan dapat diketahui lokasi longitudinal kritis. Jika lengkung diagram gaya berat dikurangi dengan lengkung diagram gaya apung akan diperoleh lengkung penyebaran beban sepanjang struktur dengan persamaan sebagai berikut [4]: V(x = w(x (xdx M(x = V(xdx ( (2 Respon struktur pada kapal jenis WATH didefinisikan dengan notasi V, V 2, V 3, M 4, M 5 dan M 6. Respon terhadap beban gelombang tersebut dihitung pada garis tengah stuktur geladak, yang masing-masing adalah merupakan gaya geser memanjang, gaya geser sisi, gaya geser vertikal, momen lengkung melintang, momen torsi, dan momen yaw. Analisis respon struktur dilakukan berdasarkan besar gaya dan momen yang terjadi pada struktur pada kondisi still water dan gelombang statis. Data gelombang yang dipakai adalah data tinggi gelombang perairan Natuna. Gambar 6. Ilustrasi tegangan Von Mises Dalam perhitungan kekuatan struktur, menggunakan teori tegangan Von Mises. Tegangan Von Mises bekerja pada elemen tiga dimensi, tegangan-tegangan bekerja searah sumbu x, y dan z. Pada tiap-tiap sumbu dapat diketahui tegangan utama (σ, σ 2, σ 3 yang dihitung dari komponen tegangan dengan persamaan sebagai berikut [6]: σ σ σ σ σ σ σ σ = Q σ σ σ σ Penggabungan tegangan-tegangan utama pada suatu elemen merupakan suatu cara untuk mengetahui nilai tegangan maksimum yang terjadi pada node tersebut. alah satu cara untuk mendapatkan tegangan gabungan adalah dengan menggunakan persamaan Von Mises [6]: σ = 2 σ σ + σ σ + (σ σ + 6τ + τ + τ (9 (0 Pada struktur semisubmersible, perhitungan respon struktur dapat didekati dengan menggunakan perhitungan respon struktur pada kapal jenis WATH. Perhitungan shear force dan bending moment pada kapal jenis WATH ditunjukkan dengan persamaan berikut [5]: V V V ( My 2 G 6 F P F 2 ( F 2 2 P F2 3 My 4 ( 2 G F 2 3P F3 M M M 4 My ( 2 G i F 2 4P F4 Gambar 5. Respon struktur WATH 5 i45 4 i56 6 ( F 2 5 P F5 6 2 MyG i ( F6 P F6 (3 (4 (5 (6 (7 (8 III. HAIL DAN DIKUI Berikut adalah hasil yang didapat dari perhitungan dan analisis yang telah dilakukan. Hasil perhitungan berupa shear force dan bending moment dari semisubmersible pada kondisi still water dan gelombang statis (hogging dan sagging saat panjang gelombang sama dengan panjang struktur dan panjang gelombang dengan periode ulang 00-tahunan. Didapatkan juga distribusi tegangan struktur global dan lokal dari hasil pemodelan metode elemen hingga.. Respon truktur emisubmersible ecara umum bentuk shear force dan bending moment pada semua kondisi pembebanan sangat dipengaruhi oleh distribusi beban dan gaya apung. Karena distribusi gaya apung pada semua kondisi memiliki perubahan yang tidak terjadi secara signifikan, akibatnya bentuk shear force dan bending moment memiliki pola yang serupa. Puncakpuncak shear force terjadi pada panjang longitudinal tempat kolom berada, karena pada kolom terjadi kenaikan

4 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (204 IN: (-6 4 gaya berat dan gaya apung yang signifikan. edangkan puncak bending moment terjadi pada kolom dan 4. sagging pada panjang gelombang sama dengan panjang struktur. Gambar 7. Komparasi shear force dalam berbagai kondisi pembebanan hear force maksimum terjadi saat kondisi sagging pada panjang gelombang sama dengan panjang semisubmersible sebesar 9.8 MN. Hal ini disebabkan karena distribusi gaya apung maksimum terjadi pada kondisi sagging gelombang sama dengan panjang semisubmersible. edangkan shear force minimum terjadi saat kondisi hogging pada panjang gelombang sama dengan panjang semisubmersible sebesar 0.33 MN. Hal ini disebabkan karena distribusi gaya apung minimum terjadi saat kondisi hogging pada panjang gelombang sama dengan panjang semisubmersible. Gambar 8. Input beban F dan BM Pemodelan dilakukan dengan variasi model struktur, yaitu model dengan deck dan model tanpa deck. Penggunaan model tanpa deck dilakukan untuk mengetahui kekuatan kolom-ponton terhadap beban yang bekerja secara mandiri pada masing-masing kolom. ebelum melakukan running untuk mendapatkan output pemodelan, terlebih dahulu dilakukan meshing sensitivity untuk mendapatkan ukuran elemen mesh yang sesuai untuk digunakan pada seluruh model. Berikut merupakan hasil meshing sensitivity pada model: Gambar 8. Komparasi bending moment dalam berbagai kondisi pembebanan erupa dengan shear force, bending moment maksimum terjadi saat kondisi sagging pada panjang gelombang sama dengan panjang semisubmersible sebesar MN.m. edangkan bending moment minimum terjadi saat kondisi hogging pada panjang gelombang sama dengan panjang semisubmersible sebesar 3.39 MN.m. 2. Analisis Kekuatan truktur Untuk mengetahui kekuatan struktur, terlebih dahulu dilakukan analisis respon struktur berupa shear force dan bending moment dalam kondisi still water dan gelombang (hogging dan sagging. etelah didapatkan shear force dan bending moment kemudian dijadikan input pada model geometri global dan lokal, dipilih kondisi pembebanan yang memberikan respon paling besar yaitu Gambar 9. Meshing sensitivity model global Berikut merupakan distribusi tegangan dan deformasi pada model tanpa deck: Gambar 0. Distribusi tegangan model tanpa deck

5 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (204 IN: (-6 5 maksimum sebesar m. Untuk konsentrasi tegangan sama seperti pemodelan dengan deck smeared (t smear = 0.3 m, terjadi pada seluruh sambungan kolom-ponton dan konsentrasi tegangan terbesar terjadi pada kolom keempat. Berbeda dengan pemodelan tanpa deck, tegangan dan deformasi terdistribusi merata di seluruh kolom, hal ini disebabkan seluruh kolom dihubungkan oleh deck sehingga beban disalurkan merata ke seluruh kolom dengan perantara deck yang dimodelkan sebagai beam. Berikut merupakan distribusi tegangan dan deformasi pada model dengan deck rigid: Gambar. Distribusi deformasi model tanpa deck Dari output model tanpa deck didapatkan hasil tegangan maksimum 57 MPa dan deformasi maksimum sebesar m. Dapat dilihat pada gambar bahwa konsentrasi tegangan terjadi pada seluruh sambungan kolom-ponton. Konsentrasi tegangan terbesar terjadi pada kolom kedua. ementara pada deformasi terjadi pada seluruh puncak kolom dan deformasi terbesar terjadi pada kolom kedua. ementara pada kolom kedua terjadi tegangan dan deformasi maksimum karena bending moment terbesar terjadi pada kolom kedua sebesar 260 MN.m. Berikut merupakan distribusi tegangan dan deformasi pada model dengan deck smeared: Gambar 4. Distribusi tegangan model deck rigid Gambar 5. Distribusi deformasi model deck rigid Gambar 2. Distribusi tegangan model deck smeared Gambar 3. Distribusi deformasi model deck smeared ementara dari output model dengan deck didapatkan hasil tegangan maksimum 80 MPa dan deformasi ementara dari output model dengan deck rigid didapatkan hasil tegangan maksimum 72 MPa dan deformasi maksimum sebesar m. Untuk konsentrasi tegangan sama seperti pemodelan tanpa deck, terjadi pada seluruh sambungan kolom-ponton dan konsentrasi tegangan terbesar terjadi pada kolom keempat. Tegangan dan deformasi terdistribusi merata di seluruh kolom, hal ini disebabkan seluruh kolom dihubungkan oleh deck rigid sehingga pada deck tidak terjadi deformasi dan beban disalurkan merata ke seluruh kolom dengan perantara deck yang dimodelkan sebagai rigid beam. Pada kolom kedua terjadi tegangan dan deformasi maksimum karena bending moment terbesar terjadi pada kolom kedua sebesar 260 MN.m. Hasil dari ketiga pemodelan memberikan tegangan maksimum yang lebih rendah dari tegangan luluh material baja A36 yaitu 250 MPa. Dapat dilihat bahwa pemodelan dengan deck rigid memberikan output tegangan dan deformasi maksimum yang paling kecil.

6 JURNAL TEKNIK POMIT Vol., No., (204 IN: (-6 6 Gambar 6. Konsentrasi tegangan pada model deck rigid ementara pada model lokal dilakukan kembali proses meshing sensitivity untuk mendapatkan ukuran elemen mesh yang lebih kecil. Didapat ukuran elemen mesh sebesar 0.25 m, dimana ukuran tersebut dapat memberikan nilai tegangan maksimum yang stabil. Gambar 7. Meshing sensitivity model lokal etelah melakukan meshing sensitivity didapatkan hasil tegangan dan deformasi maksimum sebagai berikut: Gambar 8. Distribusi tegangan pada model lokal Hasil tegangan maksimum pada model lokal didapat jauh lebih besar dari model global, yaitu sebesar 83 MPa dan deformasi maksimum sebesar m. Hal ini disebabkan karena ukuran elemen mesh yang digunakan jauh lebih kecil, sehingga proses analisis yang dilakukan jauh lebih detail dibanding pada pemodelan global. IV. KEIMPULAN/RINGKAAN 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:. Nilai shear force maksimum terjadi pada lokasi 64.9 m dari buritan sebesar 8.28 MN untuk kondisi hogging pada lokasi yang sama sebesar 9.29 MN untuk kondisi sagging. edangkan nilai bending moment terbesar untuk kondisi hogging terletak di lokasi 35.2 m dari buritan sebesar MN.m dan kondisi sagging terletak pada lokasi 40.6 m dari buritan sebesar MN.m. 2. Tegangan maksimum pada model global didapat dengan hasil sebagai berikut: Pada model global tanpa deck, tegangan maksimum terjadi pada sambungan ponton dan kolom pada kolom kedua (lokasi 46.6 m dari buritan dengan nilai tegangan yang terjadi sebesar 57 MPa. Pada model global dengan deck smeared, tegangan maksimum terjadi pada sambungan ponton dan kolom pada kolom keempat (lokasi 92.3 m dari buritan dengan nilai tegangan yang terjadi sebesar 80 MPa. Pada model global dengan deck rigid, tegangan maksimum terjadi pada sambungan ponton dan kolom pada kolom keempat (lokasi 92.3 m dari buritan dengan nilai tegangan yang terjadi sebesar 7 MPa. 3. Tegangan maksimum pada model lokal terjadi pada sambungan ponton dan kolom pada kolom kedua (lokasi 46.6 m dari haluan dengan nilai tegangan yang terjadi sebesar 82 MPa. UCAPAN TERIMAKAIH Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Laboratorium Komputer PPsTK IT dan PT. GLOBAL MARITIME yang telah mendukung dalam hal pengumpulan data teknis. erta semua pihak yang telah membantu penulis dalam melakukan penelitian tugas akhir ini. DAFTAR PUTAKA [] Chakrabarti,.K Handbook of Offshore Engineering. Elsevier, Oxford. [2] American Bureau of hipping Guide For Building And Classing Mobile Offshore Unit, Amerika. [3] Djatmiko, E.B Perilaku dan Operabilitas Bangunan Laut di Atas Gelombang Acak, IT Press, urabaya. [4] Rawson, K. J. dan Tupper, E. C Basic hip Theory vol., Butterworth-Heinemann, Oxford. [5] Djatmiko, E.B Identifikasi Respons truktur Global Kapal WATH dengan Model Fisik, Laporan Penelitian, Lembaga Penelitian-IT, urabaya. [6] Beer, F Mechanics of Materials, McGraw- Hill, New York.