PRO S ID IN G 20 1 1 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK ANALISA PERBANDINGAN UMUR STRUKTUR OFFSHORE SISTEM EBF DAN SISTEM CBF TIPE JACKET Jurusan Perkapalan Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea - Makassar, 90245 Telp./Fax: (0411) 585637 anca_naval99@yahoo.com Abstrak Di Indonesia, explorasi minyak lepas pantai banyak dilakukan di perairan dangkal dan menengah sehingga tipe yang paling banyak digunakan adalah fixed offshore platform. Khusus di perairan menengah, tipe fixed offshore platform yang digunakan adalah tipe template atau jacket. Tipe ini menggunakan sistem struktur baja concentrically braced frame (CBF). Struktur offshore termasuk tipe jacket akan menerima beban gelombang secara siklik dan acak sehingga berdasarkan perilaku beban gelombang maka salah satu penyebab kegagalan pada tipe jacket ini yang perlu diperhatikan juga adalah fatigue. Penelitian ini menganalisa umur kelelahan (fatigue life) jacket offshore struktur sistem EBF dan struktur sistem CBF dengan metode spectra fatigue analysis. Dari hasil analisa diperoleh kesimpulan yaitu struktur sistem EBF jauh lebih tahan lama dengan umur 196,668 tahun dibandingkan dengan struktur sistem CBF dengan umur 149,354 tahun. Kata Kunci : offshore, jacket, fatigue life, EBF dan CBF PENDAHULUAN Selama dasawarsa ini, industri offshore telah dikembangkan untuk menunjang pertumbuhan industri gas dan minyak, khususnya di bidang eksplorasi dan eksploitasi gas dan minyak di lepas pantai. Di Indonesia sendiri diperkirakan terdapat kebih dari 50 cekungan potensial yang dapat menghasilakan minyak dan gas bumi. Untuk mengeplorasi dan mengeploitasi sumber daya tersebut dibutuhkan sarana yang memadai berupa struktur bangunan lepas pantai. Baik yang bersifat permanen maupun yang bergerak, sehingga memungkinkan dilaksanakannya proses eksploitasi migas didaerah tersebut. Di Indonesia, explorasi minyak lepas pantai banyak dilakukan di perairan dangkal dan menengah sehingga tipe yang paling banyak digunakan adalah fixed offshore platform. Khusus di perairan menengah, tipe fixed offshore platform yang digunakan adalah tipe template atau jacket. Tipe ini menggunakan sistem struktur baja concentrically braced frame (CBF). Struktur offshore termasuk tipe jacket akan menerima beban gelombang secara siklik dan acak sehingga berdasarkan perilaku beban gelombang maka salah satu penyebab kegagalan pada tipe jacket ini yang perlu diperhatikan juga adalah fatigue. Dari hasil penelitian pada tipe jack up menunjukkan fatigue life EBF lebih lama dari CBF dan selanjutnya penelitian ini dilakukan untuk fatigue life tipe jacket sistem CBF dan EBF. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Jacket Jacket atau template merupakan struktur terpancang (fixed structure) yang beroperasi di daerah perairan dangkal dan menengah. Tipe ini menggunakan perangkaan seperti K, X, V dan V terbalik yang masih tergolong sistem CBF. Volume 5 : Desember 2011 Group Teknik Perkapalan ISBN : 978-979-127255-0-6 TP13-1
Analisa Perbandingan Umum Struktur 2.2 Pembebanan Struktur Gambar.1 Jacket atau Template Adapun beban-beban yang harus dipertimbangkan dalam perancangan bangunan lepas pantai adalah sebagai berikut : 1. Beban gravitasi (gravity load) ; beban mati (dead load), beban hidup (live load) 2. Beban lingkungan (environmental load) ; beban angin (wind load), beban gelombang (wave load) dan beban gempa (earthquake load) 2.3 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 2.2. Perhitungan panjang gelombang pada perairan tertentu secara teoritis dapat dihitung dengan rumusan berikut: λ = 2 gt tanhkd 2π Analisa gelombang menggunakan persamaan Morrison sebagai berikut yang berlaku apabila d/λ < 0.2 (Dawson T H, 1983) : F = Fi+ Fd 1 F = CmρAu& + C dρ D u u (1) 2 Teori gelombang yang sering digunakan dalam analisa struktur offshore adalah teori linier airy dan teori gelombang non-linier stokes orde 5. ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Perkapalan Volume 5 : Desember 2011 TP13-2
PRO S ID IN G 20 1 1 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK 2.4 Concentrically Braced Frames (CBF) Gambar 2. Grafik region of validity (API RP2A, 2000) Tidak seperti momen resistant frames (MRF), concentrically braced frames (CBF) adalah sistem penahan gaya lateral dengan karakteristik kekakuan elastik yang tinggi. Kekakuan yang tinggi diperoleh dari diagonal brace yang menahan gaya lateral pada struktur frame yang meningkatkan aksi gaya dalam aksial dan aksi lentur yang kecil. Gambar 3. Konfigurasi Sistem CBF Volume 5 : Desember 2011 Group Teknik Perkapalan ISBN : 978-979-127255-0-6 TP13-3
Analisa Perbandingan Umum Struktur 2.5 Eccentrically Braced Frames (EBF) Eccentrically braced frame (EBF) adalah turunan lateral sistem tahanan-gaya yang terdiri dari dua sistem kerangka konvensional: kerangka penahan momen (MRF) dan kerangka penahanan konsentris (CBF). EBF mengkombinasikan banyak keuntungan individu dari sistem kerangka konvensional. Secara spesifik, EBF memiliki elastisitas tinggi, respons inelastis stabil pada muatan lateral siklis, daktilitas dan kapasitas disipasi energi yang besar (Bruneau, 1998). 2.6 Analisa Fatigue Life (Kelelahan) Gambar 4. EBF 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 penjalaran dan kerusakan. (Soedjono,JJ 1989). Analisa kelelahan penting dilakukan untuk memprediksikan besar relative dari fatigue life pada sambungan kritis. Beberapa parameter yang mempengaruhi kelelahan pada tubular joint dan digunakan sebagai pertimbangan oleh perancang adalah: Geometri dari tubular joint Type, amplitude, dan distribusi beban yang bekerja pada struktur. Proses fabrikasi. Proses setelah fabrikasi yang dilakukan pada tubular joint untuk memperbaikiumur kelelahan dan aspek yang lain. Kondisi lingkungan pada saat pertama kali terjadi retak dan perambatannya. Beban statis pada chord. 2.6.1 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. Kerusaka akibat kelelahan pada struktur lepas pantai secara dominan disebabkan oleh beban gelombang. Tegangan yang disebabkan oleh beban ini selalu berubah arah dan besarnya dan berlangsung secara acak. = (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: Umur Kelelahan = 1/D (3) ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Perkapalan Volume 5 : Desember 2011 TP13-4
PRO S ID IN G 20 1 1 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK Hot Spot Stress Technique (HSST) = (Nominal Stress). (SCF) Nilai (besar) dari SCF dipengaruhi oleh : 1. konfigurasi joint. 2. Posisi chord, brace. 3. Pembebanan axial 2.6.2 Kurva S-N Gambar. 5. Metode Pembebanan pada Sambungan Tubular 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. Tabel.1. Parameter yang di gunakan dalam Kurva S-N Kurva Rentang Tegangan Pada 2 Juta Kemiringan Inverse Batas Ketahanan Pada 2 Siklus Log,m 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) Kurva pada Gambar 6 dapat didekati dengan suatu persamaan : = 2»10 (4) Gambar 6. Kurva S-N API untuk Analisis Kelelahan Volume 5 : Desember 2011 Group Teknik Perkapalan ISBN : 978-979-127255-0-6 TP13-5
Analisa Perbandingan Umum Struktur Untuk sambungan tubular yang mengalami variasi stress yang disebabkan oleh beban lingkungan atau beban operasional maka kurva S-N pada Gambar 2.6 dapat digunakan. Untuk ketebalan bracing kurang dari 16 mm maka kurva X yang sesuai untuk digunakan. 2.6.3 Spectral Fatique Analysis Teori Spektrum Gelombang JONSWAP Spektra JONSWAP berdasarkan percobaan yang dilakukan di North Sea. Formula atau persamaan untuk spektrum JONSWAP dapat ditulis sebagai berikut : Ë = ȹ Ë ¹»º 1,25 É (5) Dimana: γ = peak edness parameter τ = shape parameter τa = untuk Ë Ë τb = untuk Ë Ë 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 (x 0 ) -0.22 α = 0.0081 (ketika x tidak diketahui) Ë = 2Ê ¹», ¹»» = Spektrum biasanya mempertimbangkan 2 parameter, yaitu γ dengan dengan ω, ω0 dan α, τa dengan τb. Respon Spektrum Response Amplitude Operators (RAO) Respon pada struktur offshore akibat gelombang regular dalam tiap-tiap frekuensi, dapat diketahui dengan menggunakan metode spectra. Nilai amplitude pada suatu respon secara umum hampir sama dengan amplitudo gelombang. Response Amplitudo 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 menstranfer beban luar (gelombang) dalam bentuk response pada suatu struktur. Bentuk umum dari persamaan RAO dalam fungsi frekuensi (Chakrabarty, 1987) adalah sebagai berikut: Response (ω) = (RAO) η(ω) (6) Dimana : η = amplitudo gelombang, m, ft ω = frekuensi, rad/sec Linier Response Spectra Response spectra didefinisikan sebagai response energy density pada struktur akibat gelombang, dalam hal ini berupa energy density spektrum. Untuk system linear, fungsi dari RAO merupakan fungsi kuadrat. Response ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Perkapalan Volume 5 : Desember 2011 TP13-6
PRO S ID IN G 20 1 1 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK spectra itu sendiri merupakan perkalian antara spektrum gelombang dengan RAO kuadrat. Persamaan dari respon spektrum adalah (Chakrabarty, 1987) sebagai berikut: S R (ω) = [RAO(ω)] 2 S(ω) (7) Dimana: S R = respon spektrum, ft 2 -sec S(ω) = spectra gelombang, ft 2 -sec RAO = response amplitude operator ω = frekuensi, rad/sec Setelah spektrum tegangan didapat langkah selanjutnya dalam mencari umur kelelahan (fatigue life) dengan cara seperti dibawah ini: Mencari Zero moment dan second moment, semuanya didapat dari perhitungan spektrum tegangan (stress). º = Ë¹Ë º = Ë Mencari mean zero crossing periode tegangan: Ë¹Ë (8) = (9) Stress Significant: Ê = 4º, (10) Mendapatkan tegangan amplitude effective: Ê = 0,776»»»¹»»»º¹ºº¹º¹¹º» (11) Menentukan nilai number stress range dan number of cycle kegagalan dari kurva S-N: º = & = (12) Setelah itu umur kelelahan (fatigue life) bias kita dapatkan dari persamaan Miner s: = (13) Fatigue life =, D adalah perhitungan untuk satu tahun Dimana: T Zσ = periode mean zero crossing n = number of cycle dalam waktu T σ efff = tegangan amplitudo effective N = berdasarkan kurva S-N D = fatigue damage untuk kondisi sea-states METODE PENELITIAN Secara umum prosedur yang dilakukan dalam menganalisa umur kelalahan kedua jenis struktur adalah sebagai berikut : o o o Struktur Jacket yang dijadikan sebagai data penelitian yaitu Satelite Wellhead Platform. Mengumpulkan data yang diperlukan dalam penelitian ini dalam literatur yang terkait yaitu data struktur dan data lingkungan. Melakukan pemodelan struktur jacket offshore Volume 5 : Desember 2011 Group Teknik Perkapalan ISBN : 978-979-127255-0-6 TP13-7
Analisa Perbandingan Umum Struktur o Penentuan spektrum gelombang. o Menganalisa karakteristik dan parameter serta beban gelombang dengan frekuensi yang berbeda-beda. o Menganalisa tegangan tiap elemen struktur jacket dengan frekuensi yang berbeda-beda o Menghitung Respon Amplitudo Operator (RAO) o Menghitung spektra tegangan dari struktur yang dianalisa setelah mendapatkan beban siklik. o Dari spektra tegangan kita bisa menentukan zero dan second momen (m O dan m 2 ). o Menentukan mean zero crossing periode (Tz), yang didapat dari akar pembagian antara zero momen dengan second momen. o Selanjutnya kita bisa mendapatkan nilai umur kelelahannya 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. Adapaun urutan hasil analisa umur kelelahan struktur dengan metode ini adalah sebagai berikut : 4.1 Analisa Statis Analisa statis ini di gunakan untuk menentukan joint kritis pada setiap jenis struktur. Adapun join kritis tersebut: o Untuk struktur sistem CBF terletak pada joint 3, chord 86, brace 28. o Untuk struktur sistem EBF terletak pada joint 3, chord 86, brace 28. 4.2 Spektrum Gelombang Spektrum gelombang yang digunakan pada perairan ini adalah spektrum gelombang JONSWAP. Adapun hasil gambaran spectrum gelombang dapat dilihat pada Gambar 4.1. Axis S(ω)m².Sec Title 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0-0.002 JONSWAP SPECTRA (WAVE HEIGHT SIGNIFICANT = 1,57 m) 0 2 4 6 8 Frekuensi (ω)rad/sec JONSWAP SPEKTRA Gambar 7. Spektrum Jonswap pada Tinggi Gelombang Signifikan (Hs) = 1,57 m 4.2 Respon Amplitude Operator (RAO) RAO merupakan sebuah alat untuk mentransfer beban luar (gelombang) dalam bentuk respon pada struktur. Adapun respon yang terjadi pada kedua struktur akibat beban gelombang dapat dilihat pada Gambar 4.2. ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Perkapalan Volume 5 : Desember 2011 TP13-8
PRO S ID IN G 20 1 1 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK Respon Amplitudo Operator (RAO) Wave Height = 1,57 m Arah 0⁰ Kondisi Ekstrem RAO (N/mm²/m) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 EBF Frekwensi (ω),(rad/sec) CBF Gambar 8. Perbandingan RAO dengan Wave Height = 1,57 m Arah 0 o Kondisi Ekstrem 4.3 Respon Spectra (SR) Nilai respon spektrum (SR) didapatka dengan menguadratkan nilai RAO dan mengalikannya dengan nilai spectrum gelombang yang telah didapatkan. Adapun nilai respon spektrum dapat dilihat pada Gambar 4.3. 7 Stress Respon Spectra Joint 3 Arah O 0 Kondisi Ekstrim SR (N/mm²)² 6 5 4 3 2 1 EBF CBF 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Frekwensi (ω), (rad/sec) Gambar 9. Perbandingan Stress Respon Spectra Arah 0 o Kondisi Ekstrime 4.4 Umur Kelelahan Setelah mendapatkan nilai respon spektrum, maka selanjutnya umur kelelahan dapat ditentukan dengan menentukan terlebih dahulu nilai zero momen dan second momen, mean zero crossing period, stress effective, number stress range & number of cycle kegagalan. Nilai-nilai tersebut dapat di lihat pada Tabel 4.1. Volume 5 : Desember 2011 Group Teknik Perkapalan ISBN : 978-979-127255-0-6 TP13-9
Analisa Perbandingan Umum Struktur Tabel 2. Hasil Perhitungan Umur Kelelahan Struktur CBF dan Struktur EBF No. Nama Rumus EBF Hasil CBF 1 Zero Moment (mo) 4.045 (N/mm²)² 4.859 (N/mm²)² 2 Second Moment (m2) 11.085 (N/mm²/sec)² 11.632 (N/mm²/sec)² 3 Mean Zero Crossing Periode (Tz) 0.604 Second 0.646 Second 4 Stress Significant 8.045 N/mm² 8.817 N/mm² 5 Stress Effective 6.243 N/mm² 6.842 N/mm² 6 Number Of Cycle (n) 52201495.63 48791635.22 7 Number of Cycle kegagalan (N) 1.03E+10 7.29E+09 8 Fatigue per Year (D) 0.00508 / tahun 0.00669 / tahun 9 Fatigue Live (1/D) 196.668 tahun 149.354 tahun SIMPULAN Kesimpulan yang diperoleh dari penelitian struktur jacket offshore sistem CBF dan sistem EBF yaitu : struktur sistem EBF jauh lebih tahan lama dengan umur 196,668 tahun dibandingkan dengan struktur sistem CBF dengan umur 149,354 tahun. DAFTAR PUSTAKA 1. API RP2A WSD (2000), Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platform 21th edition Working Stress Design America Petroleum Institute. 2. Bruneau, M (1998), Ductile Design of Stell Structure, McGraw-Hill Companies. Inc 3. Chakrabarti, S.K (1987), Hydrodynamics of Offshore Structures, Computational Mechanics Publications Southampton, Boston, USA. 4. Dawson, T.H (1983), Offshore Structural Engineering, Prentice Hall,Inc., New Jersey. 5. Hamzah, Soegihardjo H (2009), Studi Perbandingan Perilaku Struktur Jack Up Platform Sistem Concentrically Braced Frames (Cbf) Dan Sistem Eccentrically Braced Frames (Ebf)Tubular Link, Prosiding Seminar Nasional Teknik Sipil VI 2010, ITS Surabaya 6. 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 7. Indiyono P (2004), Hidrodinamika Bangunan Lepas Pantai, SIC, Surabaya. 8. Keith D, Hjelmstad and Popov E P (1982), Characteristics of Eccentrically Braced Frame, Journal of Structural Engineering.. ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Perkapalan Volume 5 : Desember 2011 TP13-10
PRO S ID IN G 20 1 1 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK 9. Min G W (2003), Eccentrically Braced Frame for Economic Design of Offshore Steel Jackets, Singapore Maritime and Port Journal. 10. Murdjito (1996), Diktat Pengantar Bangunan Lepas Pantai, Kursus segitiga Biru ITS Unhas Unpati, FTK ITS, Surabaya. 11. Sarpkaya T (1981), Mechanics of Forces on Offshore Structures. Litton Educational publishing, Inc. USA. 12. Soedjono J J (1998), Diktat Mata kuliah Konstruksi Bangunan Laut II, Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya. 13. Teng Hsu (1984), Applied Offshore Structural Engineering, Houston, London, Paris, Tokyo: Gulf Publishing Company. 14. Wigroho H.Y, (2001), Analisis dan Perancangan Struktur Frame Menggunakan SAP2000, Andi, Yogyakarta. Volume 5 : Desember 2011 Group Teknik Perkapalan ISBN : 978-979-127255-0-6 TP13-11
Analisa Perbandingan Umum Struktur ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Perkapalan Volume 5 : Desember 2011 TP13-12