BAB IV PERENCANAAN EXPANSION SPOOL DAN ANCHOR BLOCK PERENCANAAN PIPA DAN EXPANSION SPOOL PADA PIPA PENYALUR SPM 4.1. UMUM Temperatur dan efek tekanan akan menyebabkan jalur pipa mengalami pemuaian panjang sampai dengan batas tertentu. Pada suatu jaringan pipa, pada saat dalam tahapan operasi, pipa akan langsung dialiri oleh fluida hasil produksi yang pada umumnya masih bersuhu tinggi, tingginya suhu ini dapat menyebabkan pipa memanjang. Perpanjangan ini dapat menyebabkan terdesaknya jaringan struktur pipa penyalur SPM (Single Point Mooring). Untuk mengatasi pertambahan panjang yang dialami oleh pipa penyalur, agar tidak mendesak PLEM (Pipe Line End Manifold), maka direncanakan suatu konfigurasi pipa yang dinamakan expansion spool. Dengan adanya expansion spool ini, maka pertambahan panjang yang dialami oleh pipa penyalur tidak akan mendesak PLEM. Selain expansion spool, perlu didesainkan pula anchor block di darat agar jaringan pipa di darat stabil dan tidak menganggu fasilitas yang terdapat di ujung pipa. Untuk merencanakan expansion spool dan anchor block, perlu diketahui pertambahan panjang pipa yang akan terjadi nantinya. Untuk memodelkan pertambahan panjang pipa ini, dapat dengan menggunakan PC Based Pipe Stress Analysis Software Program. Pada umumnya, program yang digunakan ini biasa digunakan untuk Mechanical Design. Menu yang dapat dilakukan antara lain thermal strain yang dapat diserap oleh pipa, supports, dan komponen yang digunakan pada sistem perpipaan (Attached equipment). Akan tetapi perangkat lunak ini tidak hanya dibatasi untuk analisis thermal dari sistem perpipaan. Program ini juga mampu membuat dan menganalisa model untuk kondisi pembebanan statik dan dinamik yang bekerja pada sistem perpipaan. LAPORAN TUGAS AKHIR 4 1
Untuk analisis desainnya, program ini dibatasi oleh aturan yang ditetapkan oleh Komite ASME B31 untuk sistem perpipaan, Komite ASME Section VIII untuk bejana tekan, dan Badan Research Pengelasan yang memproduksi pipa dan peralatan yang berhubungan yaitu API, NEMA, dan EJMA. Pemodelan yang dilakukan akan menghasilkan gambaran tingkat tegangan dan fleksibilitas dari pipa dalam menanggung beban yang ditimpakan kepadanya. Pada bab ini pemodelan sistem jaringan pipa akan difokuskan untuk melihat pertambahan panjang yang diakibatkan oleh suhu operasional, yang kemudian akan menyebabkan perubahan tegangan pada material pipa baja. Jika tegangan yang terjadi melebihi tegangan ijin yang diperbolehkan, maka dilakukan perencanaan pipa expansion spool yang berguna untuk mereduksi kelebihan beban tegangan pada sistem jaringan pipa. Terdapat dua kondisi yang akan ditampilkan dalam proses pemodelan ini, yaitu keadaan operation dan sustained. Dalam perangkat lunak ini tekanan akibat aliran fluida diabaikan, hanya tekanan operational, suhu dan berat dari fluida yang diperhitungkan. 4.2. EXPANSION SPOOL 4.2.1. UMUM Seperti telah dibahas sebelumnya bahwa pipa baja yang bekerja dalam suhu operasional yang tinggi akan mengalami pertambahan panjang akibat pemuaian. Oleh sebab itu maka sebelum disambungkan pada jalur pipa, perlu dilakukan investigasi mengenai dampak pertambahan panjang (muai) terhadap sistem perpipaan. Investigasi dilakukan dengan cara mengiterasi nilai displacement pada sistem jaringan pipa yang menyebabkan tegangan pada sistem jaringan pipa tersebut melebihi tegangan yang diijinkan oleh kode. Nilai displacement yang menyebabkan sistem jaringan tersebut mengalami kondisi kritis kemudian digunakan sebagai input data dalam perhitungan perencanaan expansion spool. Metode yang dilakukan dalam perencanaan expansion spool ini dapat dilihat pada Gambar 4.1. LAPORAN TUGAS AKHIR 4 2
Gambar 4. 1 Metode pemodelan dan perencanaan Expansion Spool. Terdapat beberapa faktor internal yang mempengaruhi besar displacement yang terjadi pada sistem perpipaan, antara lain: Berat material pipa dan fluida Tekanan operasional Suhu operasional Sedangkan faktor external yang bekerja pada sistem perpipaan adalah: Beban gelombang Beban arus Beban angin Kombinasi pembebanan yang digunakan dalam pemodelan sistem jaringan pipa ini dapat dilihat pada Tabel 4.1. LAPORAN TUGAS AKHIR 4 3
Tabel 4. 1 Kombinasi Pembebanan Jenis Pembebanan Sustained Operation Kombinasi Pembebanan W+P1 W+P1 +WAV1 W+P1+T1 W+P1+T1 +WAV2 Note: W = Berat material pipa dan fluida WAV1 = Beban gelombang (1 years) P1 = Tekanan Operasional WAV2 = Beban gelombang (100 years) T1 = Suhu Operasional Pada perangkat lunak ini terdapat beberapa jenis tegangan yang dapat dikeluarkan sebagai hasil permodelan, yaitu; Tegangan bending (bending stress), padaa pipa yang terkena beban aksial pada kedua ujung, pada kolom atau balok yang terkena beban aksial pada kedua ujungnya maka akan terjadi defleksi dengan arah tegak lurus kolom. Sehingga dapat disimpulkan bahwa tegangan bending berbanding lurus dengan besar tegangan aksial yang menghasilkan momen bending pada material. Tegangan torsi (tortion stress), gaya akibat momen puntir. Faktor intensifikasi tegangann (stress intensification factor), merupakan faktor peningkatan tegangan pada sambungan. Tegangan kode (code stress), merupakan tegangan maksimum pada tiap segmen berdasarkan input data dan menggunakan kode tertentu yang ditujukan sebagai acuan. Pada kasus ini menggunakann kode ASME B31.8, antara lain: Tegangan ijin (allowable stress), merupakan tegangan iijin yang diperbolehkan oleh kode. Tabel 4. 2 Faktor Desain Pada Pipa Offshore ( ASME B 31.8, 1995) LAPORAN TUGAS AKHIR 4 4
Selain itu, perangkat lunak ini juga dapat mengeluarkan output lain berupa: Displacement yang terjadi pada sistem perpipaan Gaya gaya yang terjadi pada sistem perletakan pipa 4.2.2. PEMODELAN SISTEM PIPA DAN EXPANSION SPOOL Input dari program ini dapat dilihat pada Gambar 4.2 dan 4.3. Input dari program ini merupakan parameter parameter perhitungan yang telah dijabarkan pada BAB 3. Gambar 4. 2 Piping Input LAPORAN TUGAS AKHIR 4 5
Gambar 4. 3 Wave Load and Load Cases Gambar 4. 4 Plot Input dari Program CAESAR II sebelum ada expansion spool. LAPORAN TUGAS AKHIR 4 6
Output dari program ini dapat dilihat pada Gambar 4.5 dan 4.6. Gambar 4. 5 Displacement Output (Before Expansion Spool, Operation Phase) Gambar 4. 6 Stresses Output (Before Expansion Spool, Operation Phase) Dengan adanya pertambahan panjang pada sistem perpipaan, maka akan muncul tekanan aksial pada arah longitudinal akibat muai panjang. Pada ujung yang terhubung dengan jalur pipa yang tergelar di bawah laut akibat pergerakannya tertahan. LAPORAN TUGAS AKHIR 4 7
Total displacement yang akan di akomodasi oleh sistem jaringan expansion spool adalah 8.23 in. Sedangkan diameter dari pipa nya adalah 32 in. Maka, besarnya tekukan pada expansion spool dapat di hitung berdasarkan diagram pada Gambar 4.7. Gambar 4. 7 Nomograf untuk Menentukan Ukuran Loop. 10 Dengan mengasumsikan nilai H dan W sama, maka L 2 = 2H + W = 100 ft, maka H = W = 33. 33 ft. Kemudian dilakukan pemodelan ulang terhadap sistem perpipaan. Lalu, dihitung kembali tegangann yang terjadi pada pipa. Tegangan ini tidak boleh melebihi batas batas yang telah ditentukan. LAPORAN TUGAS AKHIR 4 8
Plot input dari sistem perpipaan setelah ada expansion spool dapat dilihat pada Gambar 4.8 dan 4.9. Gambar 4. 8 Plot Input dari Program CAESAR II setelah ada expansion spool. Gambar 4. 9 Expansion Spool close up. LAPORAN TUGAS AKHIR 4 9
Output dari hasil pemodelan ulang dapat dilihat pada Gambar 4.10. Gambar 4. 10 Konfigurasi expansion spool yang terdefleksi Stress (tegangan) yang terjadi pada pipa dapat dilihat pada Gambar 4.11 dan 4.12. 60000 Stress 40000 20000 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Node Stress SMYS 0.9 * SMYS Gambar 4. 11 Stress yang terjadi pada pipa (Node 10 13140). LAPORAN TUGAS AKHIR 4 10
60000 50000 40000 Stress 30000 20000 10000 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Node Stress SMYS 0.9 * SMYS Gambar 4. 12 Stress yang terjadi pada pipa (Fokus pada Node 10 690). Dapat dilihat pada grafik di atas, stress yang terjadi pada pipa tidak melebihi stress yang diizinkan, yaitu 0.9 SMYS. 4.3. ANCHOR BLOCK Anchor block direncanakan dengan memperhatikan beberapa aspek, yaitu kekuatan anchor block tersebut dalam menahan beban yang diberikan oleh pipa dan kestabilan anchor block tersebut di atas tanah. 4.3.1. PONDASI ANCHOR BLOCK Jenis pondasi yang digunakan adalah pondasi telapak. Pondasi telapak adalah suatu pondasi yang mendukung bangunan secara langsung pada tanah pondasi, bilamana terdapat lapisan tanah yang cukup tebal dengan kualitas yang baik yang mampu mendukung bangunan itu pada permukaan tanah atau sedikit di bawah permukaan tanah. Pondasi telapak harus direncanakan sedemikian rupa sehingga keadaan kedaan berikut ini tercapai: 1. Struktur stabil secara keseluruhan, yaitu stabil dalam arah vertical, arah horizontal dan terhadap guling (overtunning). LAPORAN TUGAS AKHIR 4 11
2. Pergeseran bangunan (besarnya penurunan, sudut kemiringan dan pergeseran mendatar), harus lebih kecil dari nilai yang diizinkan. Untuk pondasi telapak biasa, perhitungan pergeseran ini tidak perlu dilakukan. 3. Bagian bagian pondasi harus memiliki kekuatan yang dibutuhkan. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 4.13. Dalam merancang struktur struktur kadangkala diperlukan perhitungan tekanan tanah yang bekerja pada struktur. Pada kenyataanya sangatlah sulit menentukan perubahan tekanan yang disebabkan oleh tanah isian, akibatnya tekanan tanah statis yang berhubungan dengan perubahan tidak dapat ditentukan dengan jelas. Sehingga dipakailah perhitungan tekanan tanah aktif dan pasif dalam perencanaan praktis. Rumus yang digunakan dalam perhitungan tekanan tanah pasif dapat dilihat pada persamaan 4 1.. Dimana: F p γ H = Passive earth pressure = Massa jenis tanah = Tinggi bidang kerja tekanan pasif = Angle of friction (4 1) Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, bahwa struktur pondasi ini harus stabil secara vertical. Oleh karena itu, gaya vertical yang bekerja pada dasar pondasi tidak boleh melebihi daya dukung (bearing capacity) tanah pondasi yang diizinkan. Daya dukung tanah pondasi yang diizinkan, dihitung dengan persamaan berikut ini. Dimana: Q u n = daya dukung ultimate tanah pondasi = factor keamanan (4 2) LAPORAN TUGAS AKHIR 4 12
Gambar 4. 13 Prosedur perencanaan anchor block 8 LAPORAN TUGAS AKHIR 4 13
Selain dari perhitungan bearing capacity nya, harus di check pula terhadap gaya uplift dari pipa. Total berat dari anchor block harus lebih besar dari total gaya uplift dari pipa. Perhitungan yang dapat digunakan adalah sebagai berikut: Dimana: W = Berat total Anchor Block V = Volume Anchor Block ρ conc = Massa jenis beton (4 3) (4 4) Dimana: F v F y M x M z B L = Vertical uplift dari pipa = Gaya arah y dari pipa = Momen arah x dari pipa = Momen arah z dari pipa = Lebar anchor block = Panjang anchor block Safety factor terhadap uplift force hendaknya lebih besar dari 2.0. Selain stabil secara vertical, pondasi juga harus stabil terhadap guling (overtunning). Kestabilan terhadap guling diperiksa berdasarkan besarnya kedudukan kerja (eksintrisitas) gaya resultante yang ditimbulkan oleh beban beban yang bekerja. Dengan istilah lain, kedudukan kerja gaya resultante pada dasar pondasi, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.14 Harus selalu diusahakan agar terletak di dalam batas 1/3 lebar dasar pondasi tersebut, diukur dari kedua sisinya. Jika keadaan ini tidak terpenuhi, perlu dilakukan perencanaan kembali dengan mengubah lebar pondasi, sehingga keadaan tersebut dapat dipenuhi. Safety factor untuk kestabilan terhadap guling hendaknya lebih besar dari 2.0. LAPORAN TUGAS AKHIR 4 14
Gambar 4. 14 Kedudukan kerja dari gaya resultante 8 Kestabilan yang perlu di check berikutnya adalah kestabilan dalam arah mendatar. Gaya mendatar yang bekerja pada dasar pondasi tidak boleh melebihi daya dukung mendatar yang diizinkan dari tanah pondasi. Daya dukung mendatar yang diizinkan dari tanah pondasi tersebut dihitung dengan persamaan berikut: (4 5) Dimana: H a H u n = daya dukung mendatar yang diizinkan = daya dukung mendatar batas = factor keamanan Sedangkan Hu dihitung dengan persamaan berikut: (4 6) Dimana: H u = daya dukung mendatar batas C B = kohesi antara dasar pondasi dan tanah pondasi (tabel 4.3) = sudut geser antara dasar pondasi dan tanah pondasi (tabel 4.3) A = luas pembebanan efektif V = beban vertical LAPORAN TUGAS AKHIR 4 15
Tabel 4. 3 Susut geser serta kohesi antara dasar pondasi dan tanah pondasi 8 Kondisi Sudut Geser Kohesi Tanah dengan beton 2 3 0 Batuan dengan beton tan 0.6 0 Tanah dengan tanah atau Batuan dengan batuan C Dan besarnya gaya yang menyebabkan sliding dihitung dengan persamaan berikut: (4 7) Dimana: F s F p F x F z = Gaya Sliding = Passive earth pressure = Gaya arah x dari pipa = Gaya arah z dari pipa Safety factor serhadap sliding hendaknya lebih besar dari 1.5. Karena pada pondasi telapak, beban disalurkan langsung dari dasar pondasi ke tanah pondasi, maka permukaan dasar harus dibuat rata sehingga beban dapat disalurkan secara merata pula. Setelah penggalian selesai dilakukan, biasanya tanah pondasi ditutup dengan batu pasang (coble stones) atau bahan hancuran yang dihasilkan oleh mesin pemecah batu, lalu dipadatkan baik baik. Tinggi lapisan penutup yang telah dipadatkan ini biasanya antara 10 sampai 30 cm. Selanjutnya, untuk mempersiapkan agar besi besi penulangan tetap pada tempatnya, serta untuk mejaga agar pondasi tepat letaknya, suatu lapisan beton setebal kira kira 10 cm dipasang diatas pasangan batu tersebut. Gagasan secara umum untuk pelaksanaan ini dapat dilihat pada Gambar 4.15. pada prisnsipnya, pekerjaan konstruksi untuk pondasi telapak ini harus dilakukan dalam keadaan kering. LAPORAN TUGAS AKHIR 4 16
Gambar 4. 15 Bangunan pondasi, untuk tanah pondasi biasa (atas), untuk batuan dasar (tengah) dan bila digunakan rusuk (bawah). 8 4.3.2. BETON ANCHOR BLOCK Material beton dipilih karena memiliki beberapa keuntungan, diantaranya yaitu: 1. Tahan terhadap api LAPORAN TUGAS AKHIR 4 17
Bangunan beton memiliki ketahanan terhadap api selama 1 3 jam tanpa harus dilindungi bahan tahan api (bangunan kayu dan baja harus dilindungi bahan tahan api untuk mencapai tingkat ketahanan yang sama). 2. Kekakuan Kekakuan dan massa yang lebih besar sehingga dapat mengurangi goyangan akibat angin dan getaran lantai (akibat pengaruh orang berjalan). 3. Biaya perawatan yang rendah 4. Ketersediaan material Pasir, kerikil, semen, air dan fasilitas pencampuran beton mudah diperoleh. Baja tulangan lebih mudah dibawa ke lokasi konstruksi dibandingkan profil baja. 5. Ekonomis Pada dasarnya, terdapat beberapa tahap dalam pendesainan suatu struktur beton, yaitu: 1. Tahap 1: Pendefinisian kebutuhan dan prioritas klien. Tinjauan fungsi Tinjauan keindahan/ estetika Tinjauan pendanaan/ budget 2. Tahap 2: Pengembangan konsep desain Pengembangan alternatif layout struktur Memperkirakan ukuran awal komponen struktur dan biaya untuk masing2 alternatif Memilih sistem struktur yang paling optimal 3. Tahap 3: Desain sistem struktur Analisis struktural ( berdasarkan desain awal) Desain elemen/ komponen struktur Anchor block ini didesain kuat terhadap kegagalan lentur dan kegagalan geser. Algoritma penentuan tulangan lentur diuraikan secara ringkas sebagai berikut di bawah ini: 1. Menentukan M u (momen ultimit) baik positif maupun negatif. M u diperoleh dari perhitungan analisis struktur berdasarkan beban kerja (applied load). LAPORAN TUGAS AKHIR 4 18
2. Menghitung M n perlu, M n perlu = M u φ, dimana Ø b = 0,85 0,90 b 3. Tentukan preliminary desain penampang balok bd 2 M u = φ[ f ' cω(1 0,59ω)] 4. Usahakan nilai d/b berkisar antara 1,5 2,0 5. Menghitung jd asumsi, jd asumsi untuk balok adalah 0,85d. 6. Dari jd asumsi dihitung A s asumsi, A s asumsi = M f y n jd 7. Check jd asumsi dengan melakukan perhitungan: a = As f y a jd = d 0,85* f '* b 2 c 8. Hitung A s yang dibutuhkan, A = s M n f j y d 9. Check A s terhadap A s minimum dan A s maksimum A s miminum = f ' c b 4 fy w d atau A s minimum = 1,4 b d fy w A s maksimum dibatasi oleh kondisi balanced reinforced 0.85f c' 600 ρb=b1 f y 600+ f y (SNI 2002) Syarat tulangan maksimum desain: ρ 0, 75ρb Adapun algoritma dalam perencanaan tulangan geser adalah: 1. Menentukan harga gaya geser ultimate untuk balok, V u 2. Menghitung harga kuat geser nominal yang menahan gaya geser ultimate, V n LAPORAN TUGAS AKHIR 4 19
V n = V n ϕ ; dimana φ v = 0,75 v 3. Menghitung kuat geser beton, V c V c = f ' c b 6 w d 4. Menghitung harga kuat geser dari baja yang diperlukan, V s V s = V n V c 5. Mengasumsikan besar tulangan geser,d yang akan digunakan untuk perencanaan geser, A v asumsi. Dimana A v asumsi = 2 * 0.25 * π * d 2 6. Hitung jarak antar tulangan transversal/ spasi, s A fyd V s = v s 7. Bandingkan spasi yang diperoleh dengan spasi maksimum, s maks d S maks = 2 8. Bandingkan A v asumsi dengan A v minimum A v minimum = 1 3 b w s fy 9. Bandingkan spasi yang diperoleh dengan spasi maksimum, s maks d S maks = 2 10. Bandingkan A v asumsi dengan A v minimum A v minimum = 1 3 b w s fy Pembatasan : 1. Vs > fc ' [ ] 3 bw d ; Smax = 4 d 600 mm LAPORAN TUGAS AKHIR 4 20
2. Vs fc ' [ ] 3 bw d ; Smax = 2 d 600 mm 3. Vs > 2 fc ' [ ] 3 bw d PERBESAR PENAMPANG 4. As minimum = bws 3Fy supaya tidak terjadi Splitting Concrete (Brittle Failure) 4.3.3. PERENCANAAN ANCHOR BLOCK Tabel 4. 4 Design Data Parameter Value Units Pipe OD, d 32.00 inches Concrete grade 175 kg/cm 2 Tensile strength of steel, f y 4200 kg/cm 2 Density of concrete 2400 kg/m 3 Density of soil, γ 1800 kg/m 3 Angle of friction, φ (Backfill material) 35.0 0 Angle of friction, φ o (Original Soil) 30.0 0 Cohession of soil, 20 kg/m 2 F x 4957 kg F y 0 kg F z 0 kg M x 20 kgm M y 0 kgm M z 0 kgm Depth of pipe from top of concrete, d b 0.40 m Depth of pipe from top of soil, h p 1.00 m LAPORAN TUGAS AKHIR 4 21
Gambar 4. 16 Sketsa Anchor block Setelah dilakukan perhitungan, didapatkan dimensi anchor block: Pipe Diameter VOL L1 L2 B H1 H2 db hp ( m 3 ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) 32" 2.31 0.80 2.40 2.00 0.80 1.10 0.40 1.00 Dengan tulangan D16mm 150mm pada concrete block dan tulangan D16mm 200mm pada footing slab (pondasi dangkal). Perhitungan lengkap anchor block dapat dilihat pada Lampiran dari Laporan Tugas Akhir ini. LAPORAN TUGAS AKHIR 4 22