1 ANALISA KEKUATAN ULTIMATE STRUKTUR JACKET WELL TRIPOD PLATFORM BERBASIS RESIKO Nasta Ina Robayasa, Daniel M. Rosyid, Rudi Walujo Prastianto Jurusan TKelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: dosen_pembimbing@oe.its.ac.id Abstrak Ultimate Strength adalah merupakan runtuhnya struktur akibat hilangnya kekakuan struktur dan kekuatan. Pada tugas akhir ini akan melakukan analisis kekuatan ultimate Struktur jacket EWY Well Tripod Platform Berbasis Resiko. Analisa dilakukan menggunakan bantuan software SACS 5.2 untuk mendapatkan Reserve Strength Ratio (RSR). Metode pushover digunakan untuk melakukan analisa kekuatan ultimate struktur. Keruntuhan struktur dianalisa dengan software SACS 5.2 menggunakan metode Full Plastic Collapse Analysis. Dari hasil analisa diperoleh RSR terkecil struktur adalah 1.044 pada pembebanan arah 270 derajat. Peluang kegagalan (PoF) member diperoleh menggunakan metode simulasi Monte Carlo dengan bantuan software MATLAB 7.0 dengan seratus ribu kali simulasi. Dari hasil simulasi diperoleh PoF sistem terbesar yaitu 2.36 x 10-6 pada pembebanan arah 330 derajat. System Redundancy terkecil dari struktur jacket adalah 1.008. Probability of Failure dari sistem struktur jacket secara kualitatif tergolong tidak signifikan (Negligible) berdasarkan keandalan struktur dan termasuk PoF ranking no.1 menurut matriks resiko ISO 2000. Berdasarkan hasil analisa matriks resiko ISO 2000 dapat diambil kesimpulan bahwa EWY platform tidak menyebabkan kerusakan yang signifikan terhadap struktur jacket dan tidak menimbulkan fatality terhadap personel (drilling crew). Untuk kriteria lingkungan platform ini tidak menyebabkan kerusakan yang signifikan terhadap lingkungan. keruntuhan struktur dan merupakan analisa nonlinear dengan pembebanan inkremental untuk menentukan pembebanan yang menyebabkan struktur runtuh. Serta merupakan salah satu cara untuk mengetahui besarnya kapasitas struktur untuk menerima beban maksimal. Metode yang dilakukan adalah dengan melakukan simulasi penambahan beban secara bertahap sampai struktur tersebut runtuh. Dari hasil tersebut akan diketahui Reserve Strength Ratio (RSR) atau rasio kekuatan cadangan struktur. Hal tersebut di atas tidak lepas dengan kondisi platform lepas pantai yang beroperasi di perairan Indonesia khususnya jenis fixed jacket platfom yang kebanyakan telah melebihi umur operasinya. Maka dari itu, perlu dilakukan analisa resiko untuk mengetahui bagaimana kriteria resiko dari struktur tersebut mengingat resiko yang diterima apabila struktur tersebut gagal sangat besar konsekuensi atau bahaya yang terjadi. Berdasarkan latar belakang diatas, maka pada tugas akhir ini akan melakukan analisis kekuatan ultimate Struktur jacket EWY Well Tripod Platform Berbasis Resiko. Kata-Kata Kunci : ultimate, Monte Carlo, pushover, RSR, Probability of Failure, matriks resiko, SACS 5.2 I. PENDAHULUAN Analisa ultimate strength atau pushover analysis adalah salah satu cara untuk mengetahui besarnya kapasitas struktur untuk menerima beban maksimal. Analisa pushover dapat di definisikan suatu metode yang dipakai dalam menganalisa Gambar 1. Struktur EWY tripod platform
Analisa inelastis global dilakukan untuk mengetahui apakah anjungan memiliki cukup kekuatan dan stabilitas untuk tetap menahan kriteria pembebanan dengan overstress lokal dan kerusakan ijin, namun tanpa keruntuhan. Pada level analisa ini, tegangan telah melampaui level elastis dan pemodelan overstress member, sambungan dan pondasi harus mengenali kapasitas ultimate atau juga perilaku post buckling dari batas pembebanan elastis (API, 1993) [1]. Pada analisa ultimate, elemen struktur dibiarkan untuk menerima beban yang melebihi kapasitasnya, elemen-elemen dapat meneruskan beban untuk mencapai kapasitasnya, tergantung pada ductility dan perilaku pasca elastis elemenelemen tersebut. Beberapa elemen mungkin menunjukkan gejala kerusakan dan mengalami inelastis yielding. A.2 Menentukan nilai RSR RSR berdasarkan kriteria ULS menurut Bomel. Ltd (2001) [3] : Perhitungan didasarkan pada asumsi sebagai berikut: - Kegagalan struktural disebabkan oleh kegagalan salah satu member. -Moda kegagalan yang menyebabkan kegagalan sistem melibatkan struktural member lainnya (katastropis). - Efek pondasi tidak berpengaruh signifikan terhadap moda kegagalan. Setelah dilakukan proses running pemodelan Full Plastic Collapse Analysis pada software SACS 5.2, maka akan didapatkan output displacement dan force pada tiap-tiap member. Output force dari hasil analisis ini akan dijadikan parameter untuk perhitungan nilai RSR. RSR = Beban Struktur Collapse (2.31) Beban kondisi awal 2 A.3 Moda Kegagalan Struktur Gambar 2. Diagram tegangan-regangan untuk [2] struktur baja. (Gere, 1990) II. METODOLOGI PENELITIAN Dalam Tugas Akhir ini secara umum proses pengerjaannya meliputi: A. Langkah Kerja A.1. Analisis Pushover Setelah dilakukan analisa statis inplace kemudian dilanjutkan pada analisa non-linear Pushover. Analisa ini dilakukan untuk mengetahui ultimate limite load dari masing-masing member yang akan dianalisa keandalannya dengan mencari nilai output force dan momen dari masing-masing member. Beban pada analisa pushover ini dibedakan menjadi dua arah beban, yaitu beban Vertical Loads yang terdiri dari beban pada Selfweight, geladak dan live load, sedangkan beban lateralnya terdiri dari Environmental Loads (Gelombang, Angin dan Arus). Beban lateral kemudian dinaikkan (increment) dan beban vertical dijadikan beban konstan. Berikut ini adalah contoh pemodelan Full Plastic collapse analysis menggunakan SACS 5.2 : Moda kegagalan dari struktur ditinjau dari combined stress yang terjadi pada saat struktur EWY kolaps dengan combined stress pada design level. Persamaan untuk moda kegagalan untuk combined axial dan bending stress berdasarkan API RP 2A LRFD, dapat ditulis sebagai berikut: 1-cos π P + (M y ) 2 + (M z ) 2 (3.2) 2 Pn M p Dimana: P = axial load pada elemen member, dalam satuan unit force (Kips). P n = ultimate axial capacity, dalam satuan unit force (Kips). M y = bending moment pada elemen member arah y axis, dalam satuan unit moment (Kips-in) M z M P = bending moment pada elemen member arah z axis, dalam satuan unit moment (Kips-in) = plastic bending moment pada elemen member, dalam satuan unit moment (Kips-in) Dimana komponen P dan M adalah komponen acak dari gaya aksial dan momen, Kemudian nilai P dan M ini akan dijadikan variable acak dan disimulasikan dengan mengenerate RNG. A.4 Analisis Keandalan Struktur Setelah menentukan moda kegagalan dari struktur, maka peluang kegagalan member pada struktur dapat dicari. Variabel acak dari persamaan moda kegagalan akan dianalisis dengan analisis
keandalan simulasi monte carlo dengan Random Number Generator (RNG). Simulasi ini dilakukan dengan iterasi 100.000 kali untuk mendapatkan hasil yang akurat. Analisa keandalan struktur baja pada umumnya menggunakan distribusi lognormal (Harinaldi, 2005) [4]. Nilai Coefficient Of Varians (CoV) adalah CoV = 0.15 untuk kondisi ultimate dan CoV = 0.3 untuk design level (Moses, 1986) [5]. Berikut ini persamaan untuk distribusi lognormal : Lognormal Random Variables σ 2 ln(x) = ln (V 2 x + 1) (3.3) μ ln(x) = ln (μ X ) ½ σ 2 ln(x) (3.4) temperature hasil produksi 85 F, dengan kandungan CO2 yang sangat rendah dan H2S 0,5 ppm (Part Per Minion). Struktur EWY termasuk dalam manned-nonevacuated platform personel, namun sering dikunjungi manusia secara rutin dalam waktu operasional tertentu, sehingga keselamatan bagi personel termasuk faktor penting yang harus dipertimbangkan. Setelah dilakukan proses running linier static analysis with pile soil interaction, maka didapatkan nilai UC terbesar pada kondisi 100-years storm adalah sebagai berikut : Tabel 2. Nilai UC (Unity Check) 3 3.2.h) Konsekuensi Kegagalan Mengacu pada API RP 2A, struktur dapat dikategorikan dengan variasi tingkatan yang ditentukan untuk desain anjungan yang baru dan penilaian anjungan yang sudah ada. Kategori untuk keamanan dan keselamatan adalah sebagai berikut (API RP 2A) : L-1 : adanya personel tanpa evakuasi (manned non evacuated) L-2 : adanya personel dengan evakuasi (manned evacuated) L-3 : tidak ada personel (unmanned) Kategori untuk konsekuensi kegagalan L-1 : kegagalan dengan konsekuensi tinggi (high consequence of failure) L-2 : kegagalan dengan konsekuensi menengah (medium consequence of failure) L-3 : kegagalan dengan konsekuensi rendah (low consequence of failure) Untuk kondisi perairan di luar Amerika dan Teluk meksiko, pengkategorian yang digunakan hanya dua saja, yaitu : L-1 dan L-3 dengan konsekuensi L-1 dan L-3 (API RP 2A, 2002), yang nantinya akan digunakan sebagai acuan dalam penentuan faktor beban dan RSR. Tabel 1. Kriteria penilaian anjungan (API RP 2A,1993) B. Analisa Push Over Berikut hasil analisa Ultimate strength (push over analysis) yang berupa kekuatan cadangan struktur RSR (Reserve Strength Ratio) disajikan dalam table 3 berikut: III. HASIL DAN DISKUSI A. Analisa Design level Struktur EWY well platform dikategorikan dalam Low Consequence karena produksi utama pada EWY jacket platform adalah gas dan merupakan kategori sumur tua. Dengan tekanan operasi 90 psf,
4 Tabel 3 Nilai RSR Directions RSR 0 1.632353096 30 1.063866103 60 1.351494443 90 1.49004005 120 2.073121168 150 1.374111469 180 1.331144914 210 2.045899071 240 2.139333502 270 1.04445312 300 3.200677975 0 1.632353096 RSR ini masih dalam batas aman karena masih lebih besar dari RSR minimum yang telah disyaratkan dalam API RP 2A LRFD untuk platform kategori Low Consequence yaitu 0.8. C. Analisa Keandalan Dari perhitungan hasil keandalan tingkat member pada EWY jacket platform diatas, kemudian dilakukan perhitungan tingkat sistem menggunakan metode RBD (Reliability Block Diagram). Dimana untuk rangkaian sistem seri adalah saat member mengalami kegagalan pada kondisi incremental load yang sama sedangkan untuk rangkaian system parallel adalah saat member mengalami kegagalan pada kondisi incremental load yang berbeda. Berikut ini sebagai contoh perhitungan keandalan system 90 derajat : Tabel 4. hasil perhitungan keandalan tingkat member. 21 28 28 29 29 31 33 35 35 Probability of Failure (PoF) 90 degree Member Plasticity 599L 599L 699L- 799L 299L- 299L- 401L- 501L Probability of Failure Keandalan (pof) 0.0080 0.992 0.0040 0.996 0.0020 0.998 0.6150 0.385 0.1220 0.878 0.2600 0.74 0.3790 0.621 0.0010 0.999 0.0000 1 Gambar 4.1 RBD arah 90 Gambar 4.2 RBD arah 90 yang sudah dikelompokkan Setelah dilakukan analisa PoF sistem menggunakan RBD maka didapatkan PoF sistem pada masing-masing arah pembebanan: Tabel 4.15 PoF system struktur jacket Arah Pembebanan PoF Sistem (Derajat) 0 1.8E-08 30 0 60 3.38953E-07 90 3.12689E-09 120 4.71601E-12 150 4.984E-10 180 0 210 1.56541E-14 270 0 300 6.47E-07 330 2.3645E-06 Dalam analisa keandalan tiap member, tidak semua member melampaui peluang kegagalannya karena adanya redundancy struktur. Redundancy struktur ini dapat digambarkan dalam redundancy system (SR) yaitu beban yang bekerja pada saat pertama kali terjadi kegagalan pada member. Harga SR untuk tiap-tiap arah pembebanan dapat dilihat pada tabel 4.6. o
Tabel 4.16 System Redundancy Arah Pembebanan System Redundancy (Derajat) 0 1.146253233 30 2.149694174 60 1.640129582 90 1.2767503 120 1.21284804 150 1.144995684 180 1.563108052 210 2.049268486 270 1.00833 300 1.455432804 330 1.042718337 Dari tabel 4.6. harga system redundancy 1.02 pada arah 270. Harga ini divalidasi dengan harga yang pernah diteliti oleh Bomel.Ltd (2003) di perairan North Sea sebesar 1.04, harga ini masih bisa diterima untuk kondisi perairan di Indonesia yang memang beban lungkungannya relatif lebih kecil. Dari tabel 4.16. harga system redundancy 1.008 pada arah 270. Harga ini divalidasi dengan harga yang pernah diteliti oleh Bomel.Ltd (2003) di perairan North Sea sebesar 1.04, harga ini masih bisa diterima untuk kondisi perairan di Indonesia yang memang beban lungkungannya relatif lebih kecil dibanding di daerah North Sea. EWY wellhead platform merupakan platform drilling dengan personel (drilling crew) kategori API RP-2A, yaitu : L-1 : adanya personel tanpa evakuasi (manned non evacuated). Personel dari drilling crew hanya mengoperasikan production wellhead hanya jika ada kegiatan pemboran dan maintenance saja, selebihnya apabila tidak ada kegiatan pemboran maka wellhead platform dalam keadaan kosong. Berdasarkan kriteria tersebut, maka CoF safety personel menurut ISO 2000 termasuk dalam kategori CoF ranking A (Insignificant). Harga PoF terbesar adalah 2.36 x 10-6 berdasarkan matriks resiko ISO 2000 maka harga PoF sistem struktur jacket termasuk dalam PoF no.1 (Negligible) tidak signifikan. Berdasarkan kesimpulan dari matriks resiko diatas, maka EWY platform tidak menyebabkan fatality yang signifikan terhadap kerusakan struktur maupun keselamatan personel (drilling crew). b) Matriks Resiko Kerusakan lingkungan (Environmental Damage) Produksi utama pada EWY jacket platform adalah gas. Dengan tekanan operasi 90 psf, temperature hasil produksi 85 F, dengan kandungan CO2 yang sangat rendah dan H2S 0,5 ppm (Part Per Minion). Berdasarkan data ini maka EWY jacket platform termasuk dalam kategori CoF ranking A (no pollution) dengan PoF terbesar adalah 2.36 x 10-6 berdasarkan matriks resiko ISO 2000 maka harga PoF termasuk dalam ranking PoF no.2 (Negligible). Berdasarkan kesimpulan diatas maka EWY platform tidak menyebabkan kerusakan yang signifikan terhadap lingkungan. 5 D. Matriks Resiko Gambar 4.3 Struktur kolaps Pada tugas akhir ini matriks resiko yang digunakan adalah matriks resiko ISO 2000 dengan ukuran matriks 5 x 5. Hasil dari PoF sistem struktur jacket kriteria konsekuensi keselamatan dari personel wellhead platform dan konsekuensi kerusakan lingkungan (environmental damage) menjadi input plot dari matiks resiko ISO 2000 [6]. a) Matriks Resiko Keandalan Struktur dan Safety Personel IV. KESIMPULAN / RINGKASAN 1. Unity Check (UC) terbesar pada struktur EWY platform adalah 0.75 pada member grup PL1 kondisi 100-years storm. 2. Reserve Strength Ratio (RSR) dari struktur EWY adalah terkecil adalah 1.044 pada arah pembebanan 270 derajat. RSR ini masih dalam
6 batas aman karena masih lebih besar dari RSR minimum yang telah disyaratkan dalam API RP 2A LRFD untuk platform kategori Low Consequence yaitu 0.8. 3. Probability of Failure (PoF) sistem struktur jacket terbesar adalah 2.36 x 10-6 pada arah pembebanan 330 derajat. PoF ini termasuk dalam kategori peluang kegagalan (Negligible) tidak signifikan PoF ranking no.1 berdasarkan matriks resiko ISO 2000. 4. Berdasarkan hasil analisa matriks resiko ISO 2000 dapat diambil kesimpulan bahwa EWY platform tidak menyebabkan kerusakan yang signifikan terhadap struktur jacket dan tidak menimbulkan fatality terhadap personel (drilling crew). Berdasarkan kriteria lingkungan platform ini juga tidak menyebabkan kerusakan yang signifikan terhadap lingkungan. DAFTAR PUSTAKA [1] American Petroleum Institute. (1993). Recommended Practice For Planning and Constructing Fixed Offshore Platform Load and Resistance Factor Design. API Recommended Practice 2A (RP 2A) LRFD.. [2] Popov, E. P. (1993). Mekanika Teknik. Jakarta: Penerbit Erlangga. [3] BOMEL Consultants. (2001). Joint Industry Project: Methodology for systembased calibration of North West European Annex Environmental load factor to ISO fixed steel structures code 19902, Report No C925\04\016R Rev 0, November 2001, BOMEL Consultants, Ledger House, Maidenhead, Berkshire, SL6 2NR, UK.. [4] Harinaldi. (2005). Prinsip-prinsip Statistik. Erlangga, Jakarta. [5] Ghosn, M., and Moses, F. (1986). Reliability calibration of a bridge design code, J. Struct. Eng., 112 (4), 745 763. [6] ISO. (2000). Proccess Management. International Standarization Organization.