Analisis Daya Dukung Pondasi Struktur Lepas Pantai Studi Kasus Jacket Tipe Fixed Platform

Reka Racana Jurnal Online Institut Teknologi Nasional Jurusan Teknik Sipil Itenas No.x Vol. Xx Juli 2015 Analisis Daya Dukung Pondasi Struktur Lepas Pantai Studi Kasus Jacket Tipe Fixed Platform PAKAPRADANA, KHALID 1, HAMDHAN, INDRA NOER 2 1 Mahasiswa, Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional 2 Dosen, Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional Email : khalidpakapra@gmail.com ABSTRAK Daya dukung pondasi merupakan salah satu parameter yang penting dalam desain suatu struktur begitu juga dalam anjungan lepas pantai. Pada anjungan tipe tetap umumnya memiliki 2 tipe pondasi antara lain tipe konvensional dan tipe skirt, terdapat perbedaan pada proses instalasi kedua jenis pondasi tersebut. Pada tugas akhir ini akan dilakukan pengecekan terhadap displacement pada pile head yang mengacu pada anjungan jacket 4 kaki dengan tipe pondasi skirt pile yang berada pada Laut Arab, India dan mengetahui proses pemasangan tipe pondasi skirt pile. Pada penelitian ini dilakukan analisis pondasi dengan metode transfer beban dan didapat output berupa kurva T-Z, kurva Q-Z, dan kurva P-Y yang dibutuhkan dalam pile soil interaction pada aplikasi SACS. Displacement yang terjadi pada ke-4 pile masih dalam batas keamanan yang disyaratkan. Kata Kunci: Daya dukung pondasi, anjungan lepas pantai, skirt pile, displacement. ABSTRACT Bearing capacity of the foundation is one of the important parameters in the design of a structure as well as the offshore platform. In the fixed type platforms there generally are two types of foundation the conventional type and the type of skirt pile, there is a difference in the installation process both types of foundation. This research will be checked against the pile head displacement which refers to the platform 4 legs jacket with skirt pile foundation type that is on the Arabian Sea, India and know the process of installation of pile foundation type skirt. In this study, analysis of the foundation with the method of load transfer and output curves obtained T-Z, Q-Z curve, and the curve P-Y needed in the soil pile interaction in SACS application. Displacement on 4th pile still in security boundaries be required. Keywords: Bearing Capacity, Offshore platform, skirt pile, displacement. Reka Racana - 1

Pakapradana, Khalid, Hamdhan, Indra Noer 1. PENDAHULUAN Manusia pada dasarnya akan selalu berusaha untuk memenuhi segala kebutuhan hidupnya. Kebutuhan akan sumber energi yaitu minyak dan gas bumi (migas) yang tidak terbatas seiring bertambahnya populasi manusia membuat permintaan terus meningkat, sehingga mendorong manusia untuk melakukan peningkatan kegiatan eksplorasi terhadap sumber minyak dan gas. Namun karena pasokan sumber energi di darat cukup terbatas maka manusia berusaha untuk melakukan kegiatan eksplorasi pada sumber lain yang cadangannya masih banyak yaitu di laut. Hal itu membuat berkembangnya proyek-proyek eksplorasi di laut, baik di pinggir pantai maupun lepas pantai. Pada kegiatan ekplorasi minyak bumi dan gas alam, dibutuhkan struktur untuk menunjang kegiatan tersebut. Struktur tersebut dinamakan anjungan lepas pantai atau offshore platform, yaitu konstruksi bangunan struktur baja atau komposit yang komponen struktur difabrikasi di darat dan dilakukan instalasi di tengah laut dengan berbagai alat berat sebagai penunjang instalasi. Perencanaan konstruksi anjungan lepas pantai ini tidak sama seperti perencanaan konstruksi yang ada di darat, banyak persyaratan dan kriteria yang harus dipenuhi untuk sebuah instalasi anjungan lepas pantai terpancang. Selain kemampuan struktur lepas pantai dalam menerima beban sendiri maupun beban lingkungan, daya dukung tanah juga merupakan salah satu faktor terpenting karena beberapa faktor pengaruh jenis tanah akibat letaknya yang berada di lepas pantai membuat analisis daya dukung pondasi menjadi sedikit berbeda. Obyek studi yang digunakan pada penelitian ini adalah HI platform yang di operasikan oleh perusahaan Oil and Natural Gas Corporation Limited (ONGC), letak platform berada di perairan Laut Arab. Platform termasuk tipe jacket dengan empat kaki dengan tipe pondasi skrit pile. Tujuan dari penelitian pada Tugas Akhir ini akan menganalisis daya dukung pondasi pada anjungan lepas pantai terpancang selain itu akan dibahas mengenai proses instalasi pondasi tipe skirt pile. Dalam Tugas Akhir ini proses analisis akan dibantu oleh aplikasi Allpile 6 dan Structural Analysis Computer Software (SACS). 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bangunan Lepas Pantai Bangunan lepas pantai adalah fasilitas prasarana yang pengoperasiannya berada pada laut lepas. Ciri-ciri bangunan lepas pantai antara lain letak lokasi operasinya berada di laut lepas, bangunan lepas pantai biasanya berfungsi sebagai lokasi pengeboran minyak dan gas, proses perakitan bangunan lepas pantai lebih banyak dilakukan di daratan. Terdapat banyak tipe bangunan lepas pantai, sesuai fungsi bangunan tersebut. Tipe-tipe bangunan yang banyak dijumpai salah satunya adalah anjungan lepas pantai tetap atau fixed platform, pada tipe ini struktur berdiri dengan kondisi pondasi terpancang. 2.2 Pondasi Pondasi adalah suatu elemen struktur yang berfungsi untuk menerima dan memikul bebanbeban yang bekerja pada struktur di atasnya. Setelah itu beban-beban struktur ditransfer ke lapisan tanah atau batuan yang berada di bawahnya, tanpa mengalami penurunan dan keruntuhan geser yang melebihi batas aman. Pondasi harus didesain untuk dapat menahan beban statik, siklik, dan transien mengalami deformasi yang berlebihan atau gertaran pada platform. Berdasarkan API RP2A, tipe-tipe pondasi yang digunakan untuk struktur lepas pantai antara lain (1) Pondasi tiang pancang (driven pile), pile ini memiliki ujung terbuka dipancang ke dasar laut menggunakan hammer, (2) Pondasi bor dan grouting (drilled and grouting pile), Reka Racana - 2

Analisis Daya Dukung Pondasi Struktur Lepas Pantai Studi Kasus Jacket Tipe Fixed Platform sesuai namanya pondasi ini menggunakan cairan beton dan digunakan pada tanah yang tidak akan mengalami longsor pada lubang bor, (3) Pondasi lonceng, pada tipe ini terjadi pelebaran pondasi dibagian bawah pile untuk meningkatkan daya dukung. 2.3 Jenis-jenis pondasi tiang Pondasi tiang pancang secara umum terbagi dalam 2 jenis yaitu Pile Through Leg (Conventional Pile) dan Skirt Pile. Conventional pile merupakan sebuah pile yang terpasang langsung lurus dari bagian topside yang dimasukan melalui jacket leg hingga menembus ke bagian paling dasar yaitu tanah dasar. Skirt pile adalah struktur tambahan berbentuk tubular, yang terletak di dasar laut pada umumnya dihubungkan ke kaki jacket dengan yoke plate, main shear plate, dan external shear plate. Skirt pile berfungsi sebagai media untuk menggabungkan beberapa pile sebagai pondasi satu kaki jacket. Sehingga struktur lepas pantai tersebut berada pada kondisi yang aman. Karena letak posisinya yang melekat pada kaki jacket bagian bawah, proses instalasi pile pada skirt pile harus dibantu dengan underwater hammer. Yoke plates, main shear plates, dan external shear plates adalah beberapa bagian yang memperkuat kemampuan skirt pile pada kaki jacket dalam menerima beban. Detail skirt pile dapat dilihat pada gambar 1. Gambar 1. Detail skirt pile. (Sumber : Diktat Lecture 15A University of Ljubljana, Ljubljana, 2003) 2.4 Perhitungan Daya Dukung 2.4.1 Daya Dukung Aksial Tiang Pancang Secara umum kapasitas ultimit pondasi tiang terhadap beban aksial (Qu) dapat dihitung dengan persamaan sederhana yang merupakan penjumlahan tahanan keliling dengan tahanan ujung, yaitu: Nilai faktor keamanan ditinjau berdasarkan kondisi pembebanan dan kondisi operasi berdasarkan API RP2A nilai faktor keamanan terdapat pada Tabel 1 berikut : Nilai kapasitas tahanan geser selimut tiang pada tanah dapat dinyatakan dengan persamaan: Nilai kapasitas tahanan ujung tiang dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut: (1) (2) (3) Reka Racana - 3

Pakapradana, Khalid, Hamdhan, Indra Noer Tabel 1 Nilai faktor keamanan berdasarkan kondisi pembebanan. (Sumber : API RP2A, WSD 2005) Factor No Load Condition of Safety 1 Design environmental conditions with appropriate drilling loads 1.5 2 Operating environmental conditions during drilling operations 2.0 3 Design environmental conditions with appropriate loads 1.5 4 Operating environmental conditions during producing operations 2.0 5 Design environmental conditions with minimum loads 1.5 Untuk mencari nilai tahanan geser selimut (skin friction) dan tahanan ujung (end bearing) terbagi dalam 2 kondisi yaitu untuk tanah kohesif dan tidak kohesif. Nilai tahanan friksi untuk tanah kohesif dapat dicari dengan persamaan berikut : = Ψ -0,5 jika Ψ 1 = Ψ -0,25 jika Ψ 1 1 jika Ψ = ( Po = tekanan efektif overburden) Untuk nilai tahanan ujung (q) tanah kohesif dan kurang kohesif persaman nya sama saja tidak terdapat perbedaan yang signifikan, dapat dicari dengan persamaan berikut : Pada tanah non kohesif perhitungan tahanan geser selimut yang memberikan pengaruh paling besar adalah parameter sudut geser dalamnya. Kontribusi dari sudut geser dalam tanah, α dari tanah non-kohesif terhadap geser selimut dapat diperoleh dengan menggunakan API RP 2A-WSD 2005 memberikan persamaan nilai f sebagai berikut : 2.4.2 Daya Dukung Lateral Tiang Pancang Pada arah lateral untuk tanah lempung halus, apabila tidak tersedia kriteria yang lebih definitif besarnya tekanan arah lateral dirumuskan sebagai berikut : a. Untuk b. Untuk (8) Pada kondisi konstan, kedua persamaan Pu diatas dapat diselesaikan dengan memberikan : (4) (5) (6) (7) (9) Untuk tanah pasir, hubungan P-Y juga tidak linear. Apabila tidak tersedia kriteria yang lebih definitif besarnya tekanan arah lateral dirumuskan sebagai berikut : [ ] (10) Reka Racana - 4

Analisis Daya Dukung Pondasi Struktur Lepas Pantai Studi Kasus Jacket Tipe Fixed Platform Pada kondisi kekuatan tidak konstan, kedua persamaan di plot dalam grafik Pu vs kedalaman. Titik perpotongan pertama dari kedua persamaan diambil sebagai nilai XR. Hubungan P-Y pile pada tanah lempung halus tidak linear. Untuk pembebanan statik jangka pendek atau ketika keseimbangan tercapai dibawah pembebanan skilik kurva P-Y dapat dibuat dengan menggunakan penyesuaian sesuai API RP2A. Gambar 2 Grafik T-Z (Sumber : API RP2A-WSD) Gambar 3 Grafik Q-Z (Sumber : API RP2A-WSD) 2.4.3 Reaksi Tanah Untuk Pile dengan Beban Aksial dan Lateral Pondasi pile harus didesain untuk dapat memikul beban aksial statis dan siklik. Tahanan aksial tanah diberikan oleh kombinasi dari adhesi aksial pile tanah atau transfer beban sepanjang sisi pile dan tahanan end bearing. Hubungan antara tegangan geser pada pile dengan defleksi lokal pile digambarkan dengan kurva T-Z seperti terlihat pada (Gambar 2). Hubungan antara mobilisasi tahanan ujung pile dengan defleksi ujung tiang digambarkan dengan kurva Q-Z (Gambar 3). Dalam API RP2A-WSD memberikan rekomendasi kurva T-Z dan Q-Z dalam kondisi tidak tersedianya data tanah yang memadai. Desain ketahanan lateral pile dapat dinaikan dengan menggunakan faktor keamanan tertentu. Tahanan lateral dekat permukaan tanah berpengaruh signifikan terhadap desain pile. Pada pembebanan lateral, mumnya tanah lempung berprilaku seperti material plastis sehingga perlu diperiksa hubungan antara deformasi pile tanah dan tahanan tanah. Karena itu perlu dibuat kurva defleksi tahanan tanah lateral (P-Y) dengan menggunakan data tegangan regangan hasil pemeriksaan laboratorium. Ordinat dari kurva ini adalah tanah P dan absisnya adalah defleksi tanah Y. Reka Racana - 5

Pakapradana, Khalid, Hamdhan, Indra Noer 3.1 Prosedur Peneltiian 3. METODE PENELITIAN Tugas Akhir ini membahas tentang analisis daya dukung pondasi pada struktur lepas pantai tipe jacket fixed platform. Secara umum pada bab ini akan dijelaskan prosedur dan urutan langkah-langkah dalam melakukan penelitian Tugas Akhir ditunjukan dengan bagan alir seperti pada Gambar 4 dan Gambar 5 Mulai Studi Pustaka Perumusan Masalah Pengumpulan Data Parameter Tanah Pemodelan Geometri Pembebanan Analisis Daya Dukung P - Y T - Z Q - Z Pile Soil and Interaction Menggunakan SACS X Gambar 4 Bagan alir pelaksanaan Tugas Akhir (1) Reka Racana - 6

Analisis Daya Dukung Pondasi Struktur Lepas Pantai Studi Kasus Jacket Tipe Fixed Platform X Output : 1. Defleksi Izin Arah Aksial 2. Defleksi Izin Arah Lateral Analisis dan Pembahasan Kesimpulan Selesai Gambar 5. Bagan alir pelaksanaan Tugas Akhir (2). 4. ANALISIS DATA 4.1 Studi Kasus Data-data yang digunakan dalam penyusunan Tugas Akhir ini merupakan data sekunder yang didapat dari instansi terkait. Sebuah struktur anjungan lepas pantai dengan jacket fixed platforms berjumlah 4 kaki pada kedalaman laut 60,2 m dengan pondasi terpancang tipe skirt pile digunakan untuk penilitian ini. Anjungan yang berlokasi di Laut Arab, India ini dinamakan HI platform. Pemodelan pondasi menggunakan aplikasi Alpile 6 dan analisis pile soil interaction pada penelitian ini menggunakan aplikasi SACS (Structural Analysis Computer System). 4.2 Penetuan Parameter Tanah Penentuan parameter tanah merupakan tahap yang penting dalam mendesain suatu pondasi. Penentuan parameter tanah tidak dilakukan berdasarkan data yang didapat dari pengujian SPT seperti lazimnya, karena pengujian tersebut tidak dilakukan dalam proyek tersebut. Sebagai gantinya untuk untuk menentukan parameter tanah dilakukan berdasarkan hasil laboratorium seperti pengujian triaksial dan pengujian lainnya. Parameter-parameter yang didapat antara lain yaitu undrained shear strength (cu), berat isi tanah efektif (γ eff ), nilai regangan (e 50 ), modulus subgrade reaction (K), sudut geser (φ), dan hasil-hasil pengujian Attteberg. Hasil rekap parameter-parameter tanah yang akan digunakan dalam Reka Racana - 7

Pakapradana, Khalid, Hamdhan, Indra Noer proses kalkulasi dalam software Allpile 6 yang sudah disesuaikan dengan jumlah maksimal lapisan yang disyaratkan oleh software tersebut yaitu 10 lapisan dapat dilihat pada Tabel 2 Tabel 2. Hasil rekap parameter-parameter tanah Layer Number Depth Soil Type Su e 50 Eff. Unit weigth (m) (kpa) (%) kn/m3 (deg) MN/m3 PHI k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 30 30 31.6 31.6 47 47 54.1 54.1 76.8 76.8 92.6 92.6 95 95 98.3 98.3 105 105 125 Silty Clay (CH) very soft 98 1 7.75 Sand 9 25 5.5 Silty Clay (CH) stiff 98.75 0.875 8.25 Sand 9 30 16.6 Silty Clay (CH) very stiff 140 0.5 8.5 Sand 9 25 5.5 Silty Clay (CH) very stiff 180 0.5 9 Sand 8.5 25 5.5 Silty Clay (CH) very stiff 180 0.5 8.75 25 5.5 Silty Clay (CH) Stiff 230 0.5 9 4.3 Analisis Daya Dukung dengan Aplikasi Allpile 6 Setelah paramaeter-parameter tanah didapat langkah selanjutnya adalah adalah menganalisis daya dukung dengan aplikasi Allpile 6. Aplikasi tersebut merupakan program yang dalam perhitungannya menggunakan metode load transfer. Program ini dapat melakukan perhitungan kapasitas lateral dan defleksi, kapasitas vertikal dan penurunan, vertikal grup dan analisis lateral, pondasi dangkal, dan pondasi untuk tower. Output yang diinginkan dari penggunaan aplikasi ini sebenarnya yaitu untuk mengetahui grafik T-Z, Q-Z, dan P-Y (Gambar 6, Gambar 7, dan Gambar 8) untuk dibutuhkan dalam pile soil interaction (PSI) input dalam aplikasi SACS. Selain kurva-kurva yang telah disebutkan tadi hasil lannya yang didapat adalah daya dukung ultimate untuk ke empat tiang. Dengan daya dukung Reka Racana - 8

Analisis Daya Dukung Pondasi Struktur Lepas Pantai Studi Kasus Jacket Tipe Fixed Platform maksimum dialami oleh tiang B1 dengan 116572 kn. Hasil lengkapnya dapat dilihat pada Gambar 9. Gambar 6. Kurva Q-Z yang dihasilkan oleh pile B2 Gambar 7. Kurva T-Z yang dihasilkan oleh pile B2 Reka Racana - 9

kn Pakapradana, Khalid, Hamdhan, Indra Noer Gambar 8. Kurva P-Y yang dihasilkan oleh pile B2 118000 Daya Dukung Ultimate 116000 114000 112000 110000 108000 106000 104000 A1 A2 B1 B2 Gambar 9. hasil daya dukung ultimate 4.4 Pile and Soil Interaction Pada SACS Pada penelitian ini, anjungan dianggap sebagai kekakuan linear sedangkan hasil interaksi pada tanah dianggap sebagai kekakuan non linear. Parameter-parameter tanah yang telah dihitung sebelumnya akan digunakan dalam analisis pile soil interaction sehingga berpengaruh pada pergeseran, perubahan gaya akibat perilaku tanah sehingga secara tidak langsung akan berpengaruh pada struktur di atasnya. Reka Racana - 10

Analisis Daya Dukung Pondasi Struktur Lepas Pantai Studi Kasus Jacket Tipe Fixed Platform Dibutuhkan geometri dari struktur atas agar memberikan analisis yang lebih detail pada pilehead, selain itu penggunaan aplikasi SACS dibutuhkan pemodelan geometri struktur dan beserta beban-beban yang diterima oleh struktur. Maka telah dilakukan pemodelan struktur sesuai dengan Gambar 10, pemodelan tersebut telah dilakukan oleh instansi terkait dan dianggap sebagai data sekunder. Pada aplikasi SACS memberikan hasil analisis dari struktur atas dengan pile serta tanah atau pile and soil interaction. B 1 2 A (a) (b) Gambar 10. Model geometri jacket (a) dan model pondasi skirt pile (b) 4.5 Hasil Analisis dan Pembahasan Setelah dilakukan pile and soil interaction dengan pemodelan struktur atas akan didapat didapat output yang dimaksud yaitu berupa defleksi arah lateral dan aksial. Hasil analisis pada Tabel 3 berikut ini merupakan hasil kritis dari setiap kombinasi pembebanan. Jenis Pile Kode Penamaan Tabel 3 Hasil Rekapitulasi pile soil interaction Kombinasi beban kritis Deflections Internal Loads Bending Axial Lateral Axial Shear Moment Load (cm) (cm) (KN-M) (KN) (KN) 102 A1 5015 22.174 3.373 27894.8 3622.3-29538.2 104 A2 5015 20.749 0.98 30949.9 4201.5 13730.2 106 B1 5015 20.169 3.304 25851.9 3381.2-30264.7 108 B2 5015 19.433 1.009 30148.7 4075.6 14025 Pada hasil tabel diatas nilai defleksi maksimal arah lateral dan arah aksial sama-sama dialami oleh pile A1, defleksi lateral sebesar 22.17 cm dan aksial sebesar 3,373 cm. Hasil defleksi arah lateral tersebut mendekati hasil yang dikelurakan oleh konsultan perencana yaitu sebesar 23,45 cm yang masih berada dalam batas aman sesuai yang disyaratkan oleh API RP2A. Reka Racana - 11

Pakapradana, Khalid, Hamdhan, Indra Noer Hasil analisis memperlihatkan bahwa kombinasi pembebanan yang paling kritis pada semua pile disebabkan oleh 1 kombinasi yang sama yaitu oleh kode 5015. Kode tersebut yaitu pembebenan dalam kondisi badai dan beban lingkungan kritis datang dari 180 arah utara, arah tersebut memang berhubungan langsung dengan Samudra Hindia yang memiliki gelombang dan arus yang besar 5. KESIMPULAN Setelah dilakukan analisis perhitungan, hasil daya dukung ultimate (Q u ) berdasarkan metode load transfer yaitu : Pile A1 :115939,055 kn; Pile A2 : 114899,28 kn; Pile B1 : 117032,01 kn; Pile B2 : 10871621 kn. Pile B1 mengalami daya dukung terbesar, hal ini disebabkan oleh beban yang dialami pile ini merupakan yang terbesar diantara semua pile. Defleksi maksimum terjadi pada pile A1 baik arah lateral maupun arah aksial. Nilai defleksi dalam arah lateral yaitu 22,17 cm yang masih berada dibawah defleksi izin yaitu 23,45 cm. sedangkan nilai dalam arah aksial yaitu 3,337 cm masih dibawah defleksi izin yaitu 3,48 cm. Metode pemasangan pile pada struktur lepas pantai berbeda dengan pemasangan pile yang ada di daerah darat. Beberapa faktor yang mempengaruhi yaitu kondisi lingkungan yang ekstrim pada laut lepas, kondisi permukaan dasar laut yang banyak dipengaruhi oleh pengaruh air laut dan aktivitas biota laut. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih sebesar besarnya kepada PT. ZEE Engineering Indonesia atas fasilitas yang diberikan untuk menggunakan aplikasi SACS dan data-data yang digunakan pada penelitian ini dapat terlaksana dan selesai dengan baik. DAFTAR RUJUKAN America Petroleum Institute, RP2A-WSD, Recommend Practice for Planning, Designing, and Construction Fixed Offshore Platform, American Petroleum Institute, Washington D.C, Desember (2005). Bowles, J.E. (1996), Foundation Analysis and Design (5th Edition), New York : McGraw-Hill Das, B.M. (2006), Principles of Geotecnical Engineering Fifth Edition, California : Thomson. Dean, E.T.R, Offshore Geotechnical Engineering, London : Thomas Belford Gerwick, Jr., Ben C., (2007), Construction of Marine and Offshore Structures (3 th Edition), San Francisco: CRS Press. Nallayarasu, Offshore Structures Analysis and Design, India, Departement of Ocean Engineering Indian Institute of Technology. Pradana, Hendy, Perbandingan Analisis Kapasitas Daya Dukung Pondasi Tiang Tiang Pada Tanah Lempung, Jurusan Teknik Sipil, Institut Tekonlogi Nasional, 2013. Tawekal, R.L. (2011). Perencanaan Bangunan Lepas Pantai. Bandung: Institut Teknologi Bandung. University of Ljubljana. (2003). Diktat Lecture 15A. Reka Racana - 12