Jurnal Riset dan Teknologi Kelautan (JRTK) Volume 11, Nomor 1, Januari - Juni 2013 ANALISA UMUR KELELAHAN STRUKTUR SATELITE WELLHEAD PLATFORM SISTEM PERANGKAAN BRACE N DAN BRACE X Hamzah & Juswan Staf pengajar Program Studi Teknik Kelautan Jurusan Teknik Perkapalan - Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea - Makassar, Sulsel 90254 Telp. 0411-585637, e-mail: anca_naval99@yahoo.com; juswansada@gmail.com Winda Willyana Mahasiswa Prodi Teknik Perkapalan Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin Abstrak Adanya pengaruh beban lingkungan (gelombang) yang bersifat acak dapat mempengaruhi perilaku struktur fixed jacket offshore khususnya pada kekuatan dan umur struktur. Analisa fatigue merupakan suatu cara yang dapat dilakukan untuk memperkirakan resiko terjadinya kerusakan yang diakibatkan oleh beban berulang Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui umur struktur Satelite Wellhead Platform dengan tipe perangkaan brace N dan X dari hasil penelitian sebelumnya yang membahas tentang optimasi dari struktur tersebut. Metode yang digunakan untuk menghitung kelelahan struktur yaitu metode spectral fatigue analysis akibat beban siklik yang terjadi selama operasi. Dari hasil analisa didapatkan umur kelelahan (fatigue life) untuk brace N selama 38 tahun dan brace X selama 42 tahun. Hasil tersebut menunjukkan fatigue life brace X lebih lama dibanding brace N. Kata Kunci Satelite wellhead, fatigue life, brace N, brace X PENDAHULUAN Analisa umur kelelahan atau fatigue merupakan suatu cara yang dapat dilakukan untuk memperkirakan resiko terjadinya kerusakan yang diakibatkan oleh beban berulang dan usia dari suatu bangunan dalam menghadapi beban tersebut. Fatigue atau kelelahan struktur akibat beban berulang merupakan salah satu moda keruntuhan bangunan lepas pantai yang harus diwaspadai. Apalagi bila pada struktur banyak terdapat sambungan tubular dengan las yang dapat menimbulkan tegangan hotspot yaitu tegangan maksimum pada intersection yang dapat memacu percepatan timbulnya kelelahan pada struktur. Dengan melakukan analisa fatigue, resiko timbulnya kerusakan fatal dapat diperkecil dan suatu bangunan dapat memenuhi target desain yang telah ditetapkan, termasuk di sini adalah bahwa struktur tidak akan mengalami kegagalan dalam berbagai kondisi kerja. Akibat dari efek yang ditimbulkan beban terhadap struktur, maka umur struktur jacket sangat perlu diperhitungkan untuk mengetahui seberapa lama struktur ini dapat digunakan. Hal itu harus dilakukan untuk menjamin struktur tersebut mampu memenuhi fungsinya dan dapat bertahan sesuai umur layanan yang diinginkan di tengah kondisi lingkungan yang lebih ganas dibandingkan di darat. Sebelumnya telah dilakukan penelitian mengenai optimasi dimensi brace dengan tipe perangkaan yang berbeda pada struktur Satelite Wellhead Platform sehingga menghasilkan struktur yang kuat, kaku dan tahan terhadap pembebanan yang terjadi tetapi ekonomis dalam 15
Analisa Umur Kelelahan Struktur Satelite Wellhead Platform Sistem Perangkaan Brace N dan Brace X pemakaian material. Dari data yang telah ada, maka penulis akan melakukan penelitian fatigue life struktur tersebut khusus tipe perangkaan brace N dan brace X. KAJIAN PUSTAKA Jacket Jacket atau template merupakan struktur terpancang ( fixed structure) yang beroperasi di daerah perairan dangkal dan menengah. Satelite Wellhead Platform termasuk jacket offshore yang berfungsi untuk eksploitasi. Tipe Perangkaan Gambar 1. Jacket atau template. Pada struktur offshore dapat digunakan berbagai tipe perangkaan, diantaranya tipe perangkaan brace N dan brace X, dapat dilihat pada Gambar 2. (a) Brace N Gambar 2. Tipe perangkaan jacket offshore. (b) Brace X 16
Pembebanan Struktur Jurnal Riset dan Teknologi Kelautan (JRTK) Volume 11, Nomor 1, Januari - Juni 2013 Adapun beban-beban yang harus dipertimbangkan dalam perancangan bangunan lepas pantai adalah sebagai berikut: Beban gravitasi (gravity load); beban mati (dead load), beban hidup (live load) Beban lingkungan (e nvironmental load); beban angin (wind load), beban gelombang (wave load) dan beban gempa (earthquake load) Gelombang Dalam perhitungan beban gelombang, maka teori gelombang yang digunakan disesuaikan dengan grafik validitas teori gelombang berdasarkan parameter H/gT 2 dan d/gt 2 (Chakrabarti, 1987) seperti terlihat pada Gambar 3. Perhitungan panjang gelombang pada perairan tertentu secara teoritis dapat dihitung dengan rumus berikut: = 2 tanh Analisa gelombang menggunakan persamaan Morrison sebagai berikut yang berlaku apabila d/λ < 0.2 (Dawson T H, 1983): = + = + 1 2 (1) Teori gelombang yang sering digunakan dalam analisa struktur offshore adalah teori linier airy dan teori gelombang non-linier stokes orde 5. Gambar 3. Grafik region of validity. Analisa Umur Kelelahan (Fatigue Life) Bangunan lepas pantai banyak sekali mengalami beban yang sifatnya berulang (siklik) yang menyebabkan berkurangnya kekuatan. Fenomena ini dikenal dengan istilah fatigue, dan secara esensial ditandai dengan proses keretakan (crack) dan pada proses selanjutnya terjadi 17
Analisa Umur Kelelahan Struktur Satelite Wellhead Platform Sistem Perangkaan Brace N dan Brace X penjalaran dan kerusakan (Soedjono, JJ, 1989). Analisa kelelahan penting dilakukan untuk memprediksikan besar relatif dari fatigue life pada sambungan kritis. Metode Palmgren-Miner Umur kelelahan dari sebuah sambungan yang di las bergantung pada banyak faktor. Antara lain karakteristik material, cacat dan retak mikro, bentuk geometris las dan lainnya. Kerusakan akibat kelelahan pada struktur lepas pantai secara dominan disebabkan oleh beban gelombang. Tegangan yang disebabkan oleh beban ini selalu berubah arah dan besarnya serta berlangsung secara acak. = n N (2) dimana: ni = jumlah cycle kolom interval rentangan tegangan i dan rentangan distribusi tegangan jangka panjang Ni = Jumlah cycle untuk gagal pada perhitungan tegangan yang sama, didapatkan dari S-N diagram Hubungan antara Ni dan Si dapat diambil dari fatigue curve (S-N curve). Formulasi umur kelelahan dari suatu struktur: Tipe Sambungan h = 1/ (3) Dalam API RP-2A sambungan tubular dapat diklasifikasikan menjadi K, T dan Y dan cross joint. Parameter-parameter dalam tubular joint adalah: Gambar 4. Metode pembebanan pada sambungan tubular. 18
Jurnal Riset dan Teknologi Kelautan (JRTK) Volume 11, Nomor 1, Januari - Juni 2013 α = 2L/D β = d/d γ = D/2T τ = t/t ξ = g/d θ = sudut antara brace dan chord Faktor Konsentrasi Tegangan Faktor konsentrasi tegangan atau Stress Concentration Factor (SCF) merupakan perbandingan antara tegangan hot spot stress dan tegangan nominal pada brace, yang secara sistematis dinyatakan: = (4) Nilai dari SCF dipengaruhi oleh: - Konfigurasi join - Posisi chord, brace - Pembebanan axial Kurva S-N Kurva S-N API untuk sambungan tubular yang dikenai variasi tegangan akibat beban lingkungan atau beban operasional. Kurva tersebut memberikan hubungan antara range tegangan hot spot dengan jumlah siklus yang diijinkan dan dapat diaplikasikan untuk beban acak dengan asumsi terdapat proteksi korosi pada elemen tubular. Gambar 5. Kurva S-N API untuk analisa kelelahan. Tabel 1. Parameter yang digunakan dalam Kurva S-N. Kurva Rentang Tegangan pada 2 Juta Siklus Kemiringan Inverse Log, m Batas Ketahanan pada 2 Juta Siklus X 100 mpa (14,5 Ksi) 4,38 35 mpa (5,07 Ksi) X` 79 mpa (11,4 Ksi) 3,74 23 mpa (3,33 Ksi) 19
Analisa Umur Kelelahan Struktur Satelite Wellhead Platform Sistem Perangkaan Brace N dan Brace X Kurva pada Gambar 5, dapat didekati dengan suatu persamaan: = 2 10 (5) Spectral Fatigue Analysis Teori Spektrum Gelombang JONSWAP Spektra JONSWAP berdasarkan percobaan yang dilakukan di North Sea. Formula atau persamaan untuk spektrum JONSWAP dapat ditulis sebagai berikut: ( ) = 1,25 ( ) (6) Dimana: γ = peak edness parameter τ = shape parameter τa = untuk τb = untuk Dengan mempertimbangkan angin dengan kecepatan Uω dan jarak (fetch) = x, sehingga harga rata-rata adalah sebagai berikut: γ = 3,30 merupakan variasi dari 1-7 τa = 0,07 τb = 0,09 α = 0,76 (x0) -0.22 α = 0,0081 (ketika x tidak diketahui) = 2 ( ), = Spektrum biasanya mempertimbangkan 2 parameter, yaitu γ dengan ω, ω0 dan α, τa dengan τb. Response Amplitude Operators (RAO) Respon pada struktur offshore akibat gelombang regular dalam tiap-tiap frekuensi, dapat diketahui dengan menggunakan metode spectra. Nilai amplitudo pada suatu respon secara umum hampir sama dengan amplitudo gelombang. Response Amplitude Operator (RAO) merupakan fungsi respon yang terjadi akibat gelombang dalam rentang frekuensi yang mengenai struktur offshore. RAO disebut sebagai transfer function karena RAO merupakan alat untuk mentransfer beban luar (gelombang) dalam bentuk response pada suatu struktur. Bentuk umum dari persamaan RAO dalam fungsi frekuensi (Chakrabarty, 1987) adalah sebagai berikut. 20
Jurnal Riset dan Teknologi Kelautan (JRTK) Volume 11, Nomor 1, Januari - Juni 2013 ( ) = ( ) ( ) (7) dimana: η = amplitudo gelombang ω = frekuensi Linier Response Spectra Response spectra didefinisikan sebagai response energy density pada struktur akibat gelombang, dalam hal ini berupa energy density spektrum. Untuk sistem linear, fungsi dari RAO merupakan fungsi kuadrat. Response spectra itu sendiri merupakan perkalian antara spektrum gelombang dengan RAO kuadrat. Persamaan dari respon spektrum adalah (Chakrabarty, 1987) sebagai berikut: ( ) = [ ( )] ( ) (8) Dimana: SR = respon spektrum S(ω) = spectra gelombang RAO = response amplitude operator ω = frekuensi Setelah spektrum tegangan didapatkan, langkah selanjutnya dalam mencari umur kelelahan (fatigue life) dengan mendapatkan nilai-nilai berikut: Nilai zero moment dan second moment, semuanya didapat dari perhitungan spektrum tegangan (stress): = ( ) (9) = ( ) (10) Nilai mean zero crossing periode tegangan: = 2 (11) Nilai stress significant: = 4 (12) 21
Analisa Umur Kelelahan Struktur Satelite Wellhead Platform Sistem Perangkaan Brace N dan Brace X Nilai number stress range: = (13) METODE PENELITIAN Secara umum prosedur yang dilakukan dalam menganalisa umur kelelahan kedua jenis struktur adalah sebagai berikut: Struktur Jacket yang dijadikan sebagai data penelitian yaitu Satelite Wellhead Platform yang telah dimodifikasi menjadi sistem perangkaan brace N dan brace X hasil optimasi struktur Mengumpulkan data yang diperlukan dalam penelitian ini dalam literatur yang terkait yaitu data struktur dan data lingkungan Melakukan pemodelan struktur Satelite Wellhead Platform sistem perangkaan brace N dan brace X Menentukan spektrum gelombang Menganalisa karakteristik dan parameter beban gelombang dengan frekuensi yang berbeda-beda Menganalisa tegangan tiap elemen struktur jacket dengan frekuensi yang berbeda-beda Menentukan posisi join kritis dan menghitung hot spot tegangan struktur Menghitung respon amplitudo operator (RAO) Menghitung spektra tegangan dari struktur yang dianalisa setelah mendapatkan beban siklik Menentukan zero dan second momen (mo dan m2) dari spektra tegangan Menentukan mean zero crossing periode (Tz) Menghitung umur kelelahan struktur dengan memperoleh terlebih dahulu nilai number of cycle (n) dan harga N HASIL DAN BAHASAN Dalam menentukan umur kelelahan suatu struktur dengan menggunakan metode spectra fatigue analysis. Adapun urutan hasil analisa umur kelelahan struktur dengan metode ini adalah sebagai berikut: Analisa Statis Analisa statis ini digunakan untuk menentukan join kritis pada setiap jenis struktur. Adapun join kritis pada pemodelan struktur tersebut: Untuk struktur sistem perangkaan brace N terletak pada join 9, chord 16, brace 40 Untuk struktur sistem perangkaan brace X terletak pada join 9, chord 322, brace 53 Posisi join kritis pada pemodelan struktur dapat dilihat pada Gambar 6. 22
Jurnal Riset dan Teknologi Kelautan (JRTK) Volume 11, Nomor 1, Januari - Juni 2013 join kritis Spektrum Gelombang (a) Brace N Gambar 6. Posisi join kritis pada pemodelan. (b) Brace X Spektrum gelombang yang digunakan pada perairan ini adalah spektrum gelombang JONSWAP. Adapun hasil gambaran spectrum gelombang menggunakan Persamaan 6, dapat dilihat pada Gambar 7. 0.5 Jonswap Spectra S(ω)m2sec 0.4 0.3 0.2 0.1 Gambar 7. Spektrum Jonswap pada tinggi gelombang signifikan (Hs) = 5,2 m. Response Amplitude Operator (RAO) 0 0 1 2 3 4 Frekuensi (ω) rad/sec RAO dapat diperoleh dengan perhitungan menggunakan Persamaan 7. Analisa akan menggunakan respon tegangan hotspot. Respon yang terjadi pada kedua struktur akibat beban gelombang dapat dilihat pada Gambar 8. 23
Analisa Umur Kelelahan Struktur Satelite Wellhead Platform Sistem Perangkaan Brace N dan Brace X SR (N/mm²)² Response Spectra Gambar 9. Stress Respon Spectra Brace N dan Brace X. Nilai response spectra dihitung dengan Persamaan 8. Analisa sebelumnya menggunakan respon tegangan hotspot sehingga diperoleh nilai stress response spectra yang dapat dilihat pada Gambar 9. Umur Kelelahan 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Setelah mendapatkan nilai stress response spectra, maka selanjutnya umur kelelahan dapat ditentukan dengan menentukan nilai-nilai yang dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Hasil perhitungan umur kelelahan brace N dan brace X No. Uraian Rumus Brace N Brace X 1 Zero Moment Stress Response Spectra = ( ) Brace N Brace X 0 1 2 3 4 Frekuensi (ω) (rad/sec) 78,69 73,30 2 Second Moment = ( ) 3,32 3,32 3 Mean Zero Crossing Periode (Tz) 4 Stress Significant (SS) = 4 6 Number of Cycle ( n ) = 2 30,59 sec 29,53 sec 17,74 (N/mm²) 17,12 (N/mm²) = T Tz 1030981,49 1068003,55 7 Number of Cycle Kegagalan ( N ) = 2 10 39910250,10 45577245,01 24
Jurnal Riset dan Teknologi Kelautan (JRTK) Volume 11, Nomor 1, Januari - Juni 2013 Tabel 2. Hasil perhitungan umur kelelahan brace N dan brace X (lanjutan) No. Uraian Rumus Brace N Brace X 8 Fatigue per year (D ) D = n N 0,026 0,023 9 Fatigue Life 1 38,71 tahun 42,68 tahun SIMPULAN Umur kelelahan struktur jacket offshore Satelite Wellhead Platform tipe perangkaan brace N 38,71 tahun dan brace X 42,68 tahun. Hasil tersebut menunjukkan fatigue life brace X lebih lama dibanding brace N. DAFTAR PUSTAKA API RP2A WSD, (2000), Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platform 21th edition Working Stress Design, America Petroleum Institute. Balltrop, N., D., P., (1991), Dynamic of Fixed Marine Structures, Butterworth Heinemann, Great Britain. Chakrabarti, S., K., (1987), Hydrodynamics of Offshore Structures, Computational Mechanics Publications Southampton, Boston, USA. Dawson, T., H., (1983), Offshore Structural Engineering, Prentice Hall,Inc., New Jersey. Hamzah, Paroka & Arfiyanto, (2011), Analisa Perbandingan Umur Struktur Jack Up Sistem Ebf (Eccentrically Braced Frame) dan Sistem Cbf (Concentrically Braced Frame), Prosiding Seminar Nasional Teknik Sipil VII 2011, ITS Surabaya. Indiyono, P., (2004), Hidrodinamika Bangunan Lepas Pantai, SIC, Surabaya. Juswan, Hamzah & Muhammad Suhardianto, (2012), Optimasi Dimensi Brace Bangunan Lepas Pantai, Prosiding Celebes Ocean Science & Engineering Seminar, Jurusan Teknik Perkapalan Unhas, Makassar. Murdjito, (1996), Diktat Pengantar Bangunan Lepas Pantai, Kursus segitiga Biru ITS Unhas Unpati, FTK ITS, Surabaya. Sarpkaya, T., (1981), Mechanics of Forces on Offshore Structures, Litton Educational publishing, Inc. USA. Soedjono, J., J., (1998), Diktat Mata kuliah Konstruksi Bangunan Laut II, Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya. Teng, Hsu, (1984), Applied Offshore Structural Engineering, Houston, London, Paris, Tokyo: Gulf Publishing Company. 25
Analisa Umur Kelelahan Struktur Satelite Wellhead Platform Sistem Perangkaan Brace N dan Brace X 26