BAB III METODE ANALISIS 3.1 Analisis Linier Statik Pada analisis linier statik akan dilakukan perhitungan rasio tegangan sebelum dan sesudah terjadi penurunan. Pada analisis ini, stuktur akan berperilaku linier yaitu kondisi saat tegangan leleh pada struktur belum terlampaui dan perilaku struktur masih dalam keadaan linier sehingga kekakuan struktur belum berkurang. Pada Tugas Akhir ini, analisis linier statik akan dilakukan menggunakan program SACS, program ini mengindikasikan kondisi leleh bila rasio tegangan (Unity Check) pada elemen lebih besar daripada 1.0 sehingga perlu dilakukan analisis non-linier untuk mengetahui perilaku struktur anjungan lepas pantai setelah mengalami kelelehan pada elemen. 3.1.1 Program Komputer SACS Gambar 3.1 Diagram Alir Pengolahan Program SACS III-1
Program SACS memiliki banyak kemampuan dalam analisis struktur baik analisis statis maupun analisis dinamik. Selain itu, program SACS juga dilengkapi dengan analisis dalam hal transportasi dan instalasi struktur anjungan lepas pantai yang memudahkan penggunanya untuk melakukan perhitungan dari tahap desain sampai tahap instalasi. Berikut ini adalah daftar program SACS dengan beberapa utilitasnya. 1. Precede Precede merupakan sebuah GUI (Graphical User Interface) untuk menampilkan pemodelan struktur dengan sistem tampilan standar. Kemampuan dalam mendesain model termasuk geometri, material, properti member, dan pembebanan. Pemodelan balok dan/atau elemen hingga seperti elemen pelat. Terdapat wizard untuk membuat model struktur jacket dan deck anjungan lepas pantai. Mampu melakukan pembagian elemen berdasarkan sumbu kartesian, silinder, dan kelengkungan bidang. Melakukan pembebanan pada struktur secara otomatis antara lain beban gravitasi, dan tekanan. Kemudahan dalam plot gambar dan pelaporan dokumen. Pengolahan parameter pemeriksaan standar-standar seperti K-faktor dan panjang flens tanpa pengaku tertekan. 2. Data Generator Menampilkan hasil pengolahan data yang telah dilakukan pada program-program yang terdapat pada program utama SACS. Editor layar penuh dengan label dan hal-hal pokok serta tersedia pertolongan untuk input data. Tersedia form untuk input data dalam mode layar penuh. 3. Seastate Pengolahan beban-beban lingkungan seperti beban gelombang, arus dan angin. Berdasarkan standar-standar API 20 th edition. Mengaplikasikan teori gelombang Stokes orde ke-5. Mengaktifkan atau pun tidak mengaktifkan beban arus. Mengaktifkan beban-beban lingkungan seperti angin, gravitasi, gaya apung, dan mud flow. III-2
Marine growth, member terisi air dan tidak tersisi air Diameter, bilangan Reynolds dan efek gelombang yang tergantung pada koefisian drag dan koefisien inersia. Penentuan beban gelombang yang dapat diinput manual oleh pengguna. Gaya pada elemen non-struktural. Penempatan gelombang secara otomatis untuk gaya geser atau momen maksimum atau minimum. Pemodelan gelombang tertentu dan acak untuk respon dinamik. Pemodelan member hidrodinamis untuk pemodelan analisis statis dan dinamik. 4. Joint CAN Pengecekan standar-standar joint tubular dan pendesainan ulang Standar terdahulu dan terbaru termasuk API 20 th, LRFD 1 st edition, NPD, dan DNV. Analisis gempa dan fatigue berdasarkan API. Pengecekan kekuatan sambungan. Analisis overlapping joint. Desain ulang secara otomatis. 5. PSI Interaksi struktur dan pile, serta tanah dengan perilaku non-linier Meliputi efek balok kolom. Pile tidak seragam. Kurva P-Y, T-Z, dan Q-Z, adesi aksial dan spring tanah. API P-Y, T-Z, skin friction dan data adesi yang diambil dari properti tanah sesuai API 10 th -20 th. Perubahan kuvra P-Y untuk perubahan elevasi tanah. Penampilan secara grafik data tanah dan hasilnya termasuk tegangan, kurva P- Y dan T-Z. Super elemen pile. III-3
6. Postvue Grafik post-processor Pemeriksaan kode standar dan desain ulang. Tampilan diagram momen dan lintang. Tampilan bentuk defleksi dari analisis statik dan dinamik. Pengeplotan warna perhitungan tegangan pelat. Kendali pengguna terhadap semua kode standar. Pemeriksaan standar dan desain ulang elemen individu maupun grup. Mendukung kode standar yang sama dengan modul post. Kemampuan tambahan pelaporan dan pengeplotan. Hasil dengan kode warna dan pengepolan unity check. Membuat input model file terbaru untuk dianalissi ulang. Label rasio UC, gaya dan tegangan elemen. 7. Program Utama SACS Garis besar untuk kumpulan program Mengendalikan dan menghubungkan semua elemen sistem SACS. Menjalankan semua program SACS. Eksekusi analisis kumpulan program. Membolehkan akses ke semua pengaturan konfigurasi sistem SACS termasuk sistem lokasi penyimpanan file dan pengaturan kunci keamanan. Meliputi perintah pertolongan dan tombol tenaga untuk eksekusi tugas paling umum. 3.2 Analisis Non-Linier Statik 3.2.1 Program Komputer USFOS Pada Tugas Akhir ini akan dilakukan analisis non-linier statik berupa analisis pushover dengan menggunakan program USFOS. USFOS merupakan program komputer untuk analisis keruntuhan dengan penambahan beban secara bertahap pada struktur anjungan lepas pantai yang dikembangkan oleh SINTEF (Yayasan untuk penelitian ilmiah dan industrial di Institut Teknologi Norwegia). USFOS adalah program elemen hingga untuk analisis non-linier statik dan dinamik pada struktur. USFOS dapat menampilkan beban-beban luar, seperti beban impak atau beban temperatur. III-4
Konsep dasar yang diterapkan pada progam USFOS a. Efek dari perpindahan yang besar dan gabungan antara defleksi lateral dan regangan aksial merupakan pendekatan metoda displacement control lebih akurat daripada dengan menggunakan metoda regangan linier konvensional. Hal ini memberikan hasil perilaku elemen yang sangat akurat termasuk efek membran dan kolom buckling. b. Matriks kekakuan tangensial dihitung berdasarkan pada prinsip energi yang dilakukan secara konsisten. Hal ini menjaga agar persamaan tetap simetris dan mengijinkan penggunaan penyelesaian persamaan batas yang efisien. c. Matrik kekakuan tangensial dihitung berdasarkan pendekatan rumus, tanpa integrasi numerik pada penampang elemen atau panjang elemen. Hal ini memberikan formula yang efisien sehingga dapat mengoptimalkan penggunaan waktu. d. Material dianalisis dengan perilaku linier plastis sempurna dan karakteristik plastisifikasi strain hardening. Tegangan leleh dan kapasitas plastis diwakilkan oleh penampang yang leleh berdasarkan pada interaksi plastis antar gaya elemen. e. Saat sendi plastis diberikan, matriks kekakuan tangensial dimodifikasi tergantung pada plastisitas saat penampang leleh, kecuali elemen unloading atau kembali ke kondisi linier. f. Penambahan beban dilakukan secara bertahap. Ukuran dari penambahan beban tersebut bervariasi tergantung pada jalur deformasi, contohnya penambahan load step yang besar pada kondisi linier dan penambahan load step yang kecil dengan peningkatan kondisi non-linier sehingga deformasi pada saat non-linier dapat teramati dengan terperinci. g. Jika beberapa gaya pada penampang elemen melebihi batas leleh, penambahan beban diskalakan agar gaya-gaya yang terjadi sama seperti batas leleh yang telah ditentukan. h. Penambahan gaya diulang kembali jika terdeteksi ketidakstabilan pada struktur secara global. i. Efek deformasi awal diikutsertakan untuk elemen balok. III-5
j. Efek lokal buckling penampang persegi panjang diikutsertakan. Kapasitas plastis penampang direduksi sesuai bentuk penampang selama terjadi rotasi sendi plastis. k. Efek distorsi lateral, lokal dent dan lokal buckling dianalisis untuk member tubular. Permukaan leleh plastis dari penampang yang rusak dimodifikasi berdasarkan ukuran dan orientasi kerusakan. Tidak ada pemodelan elemen hingga untuk kerusakan member yang dibutuhkan. l. Meliputi efek fleksibilitas lokal joint tubular. Analisis shell lengkap untuk tiap joint ditentukan dalam analisis. Properti joint pada shell dihitung dengan USFOS dan ditunjukkan pada modal elemen hingga. Tidak ada pemodelan manual elemen hingga yang dibutuhkan. m. Pemeriksaan kapasitas joint dan perilaku joint plastis diimplementasikan berdasarkan peraturan API dan DoE. Disamping itu, pengguna bisa menentukan kedua kapasitas tiap sambungang bracing dan kapasitas permukaan. n. Kriteria retak diimplementasikan berdasarkan level 3 kriteria CTOD, dapat diaplikasikan untuk deformasi besar. Sebagai tambahan, sangat memungkinkan untuk menentukan sebuah elemen menjadi retak setelah dianalisis ulang. o. Member yang putus dan redistribusi gaya dari pemutusan elemen diintegrasikan dalam prosedur analisis. p. Sebuah algoritma terintegrasi untuk analisis tumbukan kapal diimplementasikan dan dihitung untuk: Deformasi lokal dinding tube pada titik tumbukan Deformasi balok pada member yang tertumbuk Deformasi global platform Gaya impak dihitung dengan program dan ditambahkan hingga energi tumbukan penuh terdisipasi. Gaya impak dilakukan unloading dan gaya serta deformasi tetap disimpan untuk analisis kekuatan sisa berikutnya. q. Elemen plat dengan 4 node tersedia untuk pemodelan pada kekakuan deck inplane. III-6
r. Elemen pasif untuk pemodelan beban merata pada komponen yang tidak berkontribusi pada beban dapat meningkatkan kapasitas struktur. Elemen tersebut tidak diikutsertakan dalam proses analisis. s. Analisis ulang mungkin terjadi pada tiap tahap pembebanan. Hal ini memudahkan kendali terhadap analisis non-linier dan untuk menyesuaikan beban tertentu pada karakteristik non-linier struktur. t. Sangat memungkinkan untuk memaksimalkan kontribusi tiap elemen USFOS hingga load case yang diinginkan tercapai. Elemen tersebut kemudian dapat diaktifkan dan akan berkontribusi pada kekakuan global. u. Perhitungan efek tekanan hidrostatik luar pada penampang tubular dengan kapasitas plastis. v. Bagian-bagian sistem struktur yang berperilaku linier sepenuhnya bisa dimodelkan dengan menggunakan pemodelan awal dengan mengurangi matriks kekakuan super elemen dengan angka yang ditentukan dari node. w. Analisis nilai eigen dapat dilakukan untuk menghitung mode linier dan buckling pada statik case begitu juga dengan frekuensi vibrasi dan mode vibrasi untuk dinamik case. Hasilnya divisualisasikan dengan presentasi modul grafik XFOS. 3.3 Model Analitik Model analitik yang digunakan pada anjungan lepas pantai untuk beberapa hal mirip dengan yang diadopsi dari berbagai tipe struktur baja. Hanya ciri-ciri yang menonjol dari model anjungan lepas pantai yang ditampilkan disini. Model yang sama digunakan melalui proses analisis dengan penyesuaian minor yang dilakukan untuk memenuhi kondisi khusus, misalnya tumpuan pada tiap-tiap bagian yang berhubungan untuk tiap analisis. Model tersebut terdiri dari beberapa bagian. Model yang menempel (elemn balok yang dipasang pada rangka batang) digunakan secara luas untuk struktur tubular (jacket, jembatan, flare boom) dan rangka batang (deck). 3.3.1 Joint Pada analisis ini, modul pemeriksaan kapasitas joint digunakan. Bergantung pada geometri joint, kapasitas sambungan bracing kurang dari kapasitas bracing. Hal ini III-7
berarti bracing tersebut tidak dapat berfungsi 100%. Pada model joint konvensional, batas transfer beban melewati permukaan sambungan diabaikan. Pengguna menentukan node dimana kapasitas joint tubular harus diperhitungkan. Program selanjutnya akan menghitung geometri joint tubular dan menunjukkan elemen tambahan, titik nodal, node dan material pada model elemen hingga. Properti material diatur sama dengan properti sambungan sebenarnya, namun penguatan tidak diijinkan. Model elemen dikembangkan dari teori shell yang dihubungkan dengan elemen balok menggunakan transformasi Navier. Transisi elemen mengatur properti joint pada shell dan membuat analisis shell terintegrasi mungkin terjadi. Teknik tersebut menentukan titik tempat terjadinya tegangan begitu juga distribusi tegangan dengan akurasi yang baik (dari perbandingan dengan analisis menggunakan model elemen hingga shell). Kapasitas dihitung berdasarkan API. Gambar 3.2 (a) menunjukan input model elemen hingga pada joint tubular oleh pengguna, sedangkan gambar 3.2(b) menunjukkan input model yang dimodifikasi. Penomoran node dan elemen tambahan mengikuti aturan yang diilustrasikan pada gambar 3.3. Gambar 3.2 (a) Model Joint Konvensional (b) Joint dengan Pemeriksaan Kapasitas III-8
Gambar 3.3 Penomoran Elemen Tambahan (Dihasilkan Program) Jika diperlukan ketelitian yang lebih, peninjauan khusus model vibrasi natural dan fleksibilitas lokal sambungan mungkin diwakilkan oleh matriks kekakuan joint. Model utama harus dihitung untuk eksentrisitas dan penulangan lokal pada joint. 3.3.2 Member Sebagai tambahan pada geometri dan properti material, tiap member merupakan karakter dari koefisien hidrodinamik, misalnya berkaitan dengan koefisien drag dan inersia serta marine growth, untuk menghasilkan gaya gelombang. 3.3.3 Model Pondasi Karena perilaku non-linier, pondasi sering dianalisis terpisah dari model struktur. Pondasi diwakilkan oleh beban ekivalen yang bergantung pada matriks kekakuan Secant. Koefisien ditentukan dengan proses dimana gaya dan perpindahan pada batas umum model struktur dan pondasi dihitung. Matriks ini mungkin disesuaikan dengan reaksi rata-rata yang cocok dengan masingmasing kondisi beban. 3.4 Pembebanan Bagian ini berisi tipe-tipe utama beban. 3.4.1 Beban Gravitasi Beban gravitasi meliputi : Berat sendiri struktur dan peralatan. III-9
Beban hidup (peralatan, fluida, dan orang). Berdasarkan pada inspeksi struktur yang dilakukan, beban hidup harus diposisikan pada titik yang menghasilkan konfigurasi paling berat (tekan dan tarik). Hal ini mungkin muncul misalnya saat peletakan drilling rig. 3.4.2 Beban Lingkungan Beban lingkungan terdiri dari gelombang, arus, dan angin yang diasumsikan berorientasi pada arah yang sama. Pada umumnya, kejadian delapan gelombang dipilih dimana masing-masing posisi puncak relatif pada platform harus ditentukan sehingga momen dan geser maksimum dapat dihasilkan pada mud-line. 3.5 Langkah-Langkah Analisis Analisis non-linier statik dilakukan dalam dua tahap. Tahap pertama, beban gravitasi diberikan pada struktur dan respon akibat gravitasi dihitung. Elemen konduktor belum berkontribusi pada sistem kekakuan. Pada tahap ini, kekakuan struktur tetap linier. Tahap kedua, beban lingkungan diberikan pada struktur. Elemen konduktor diaktifkan (berkontribusi dalam sistem kekakuan). Pola beban mewakili beban lingkungan diberikan bertahap. Untuk tiap langkah, kekakuan struktur diakumulasikan dan penambahan perpindahan global dihitung. Penambahan elemen gaya dihitung dengan menggunakan kekakuan matriks tangensial dan penambahan perpindahan elemen. Pada setiap tingkat, sendi plastis diberikan pada elemen pada posisi dimana kapasitas telah dicapai. Matriks kekakuan modifikasi yang dihitung untuk sendi plastis dihitung dan prosesnya berlanjut pada tahap beban berikutnya. Penampang yang telah mencapai kapasitas plastis tetap berada pada kondisi plastis, permukaan interaksi berpindah secara tangensial ke permukaan ini. Beban gelombang bertambah bertahap hingga beban lingkungan ekstrem didapat. III-10
Gambar 3.4 Rangkaian Pembebanan untuk Analisis RSR Akibat Beban Lingkungan III-11