Sidang (P-3) Tugas Akhir Teknik Kelautan, FTK, Surabaya 2014 Studi Karakteristik Respon Struktur Akibat Eksitasi Gelombang pada Anjungan Pengeboran Semi-Submersible dengan Tiga Kolom Miring dan Pontoon Berbentuk Persegi Empat OLEH : Firmansyah Raharja NRP 4309.100.076 Dosen Pembimbing : Prof. Ir. Eko Budi Djatmiko, M.Sc., Ph.D. Dr. Ir. Wisnu Wardhana, SE., M.Sc
Rumusan Masalah 1. Bagaimana karakteristik respon struktur (shear force dan bending moment) dari variasi kemiringan kolom semisubmersible akibat eksitasi gelombang regular pada saat terapung bebas? 2. Bagaimana karakteristik respon struktur (shear force dan bending moment) dari variasi kemiringan kolom semisubmersible akibat eksitasi gelombang acak khususnya pada gelombang ekstrem saat terapung bebas? 2
Tujuan 1. Mengetahui karakteristik respon struktur (shear force dan bending moment) dari variasi kemiringan kolom semisubmersible akibat eksitasi gelombang regular pada saat terapung bebas. 2. Mengetahui karakteristik respon struktur (shear force dan bending moment) dari variasi kemiringan kolom semisubmersible akibat eksitasi gelombang acak pada saat terapung bebas. 3
Batasan Masalah Ukuran utama variasi semi-submersible berlambung persegi empat akan ditentukan dengan acuan parameter utama semi-submersible Essar Wildcat, khususnya meliputi displasemen, panjang dan lebarnya. Ukuran kolom dan ponton yang digunakan akan dirancang guna memenuhi parameter utama displasemen. Konfigurasi semi-submersible akan ditetapkan mempunyai bentuk yang simetri antara bagian haluan dan buritan. Berdasar komposisi jumlah kolom per sisi, akan di tinjau bentuk komposisi rancangan tiga kolom miring dengan sudut kemiringan 10 0, 20 0, dan 30 0. Analisa akan dilakukan terhadap semi-submersible pada kondisi bebas terapung dan tertambat. Pengaruh arah gelombang yang dikaji mulai dari arah haluan (sudut gelom-bang 180 o sampai dengan 90 o ) serta sudut propagasi lainnya yaitu : 165 o, 135 o dan 120 o. Sudut arah gelombang dari buritan tidak ditinjau dikarenakan bentuk semi-submersible yang simetri antara haluan dan buritan. Semi-submersible akan ditinjau dalam enam derajat kebebasan (full degree of freedom). Prediksi gerakan struktur pada gelombang regular dilakukan dengan menerapkan teori difraksi 3-dimensi. Prediksi gerakan struktur pada gelombang acak akan dilakukan dengan menerapkan analisis spektra menggunakan formulasi spektra JONSWAP. Beban angin dan beban arus diabaikan karena tidak memiliki dampak yang signifikan terhadap respon struktur serta penelitian ini hanya meninjau dampak respon struktur akibat eksitasi gelombang. Daerah operasi semi-submersible ditetapkan di perairan Natuna. Perhitungan gerak dan respon struktur (Shear Force dan Bending Moment) pada semisubmersible dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak MOSES 7. 4
Tinjauan Pustaka Bangunan Apung Anjungan terapung merupakan anjungan yang mempunyai karakter bergerak mengikuti gerakan gelombang (Djatmiko, 2003) Beban Lingkungan Beban Arus Beban Hidup Beban Angin Beban Kecelakaan Beban Gelombang 5
Teori Gelombang Metode penghitungan beban gelombang terbagi atas dua metode di bedakan berdasarkan ukuran dari struktur yang akan di analisa (Chakrabarti, 1987). Teori Difraksi Bilamana suatu struktur mempunyai ukuran yang relatif besar, yakni memiliki ukuran yang kurang lebih sama dengan panjang gelombang, maka keberadaan struktur ini akan mempengaruhi timbulnya perubahan arah pada medan gelombang disekitarnya 6
Respon Amplitude Operator Fungsi respon terbentuk ketika frekuensi gelombang yang mengenai struktur, hal inilah yang di sebut dengan Response Amplitude Operator (RAO) atau di sebut juga dengan fungsi transfer. Menurut Chakrabarti (1987), persamaan RAO dapat dicari dengan rumus sebagai berikut : 7
Sedangkan amplitudo struktur (respon struktur) dapat dirumuskan : 8
Spektrum Energi Gelombang Spektra Pierson-Moskowitz : 9
Respon Struktur Bangunan Apung Semi-Submersible akibat Eksitasi Gelombang komputasi dari bangunan semi-submersible akibat beban gelombang pada dasarnya dapat di lakukan melalui integrasi sejumlah komponen tekanan seperti yang timbul pada benda bero silasi. z M 6 V 3 V 2 V 1 M 5 y x M 4 10
Modulus Section Modulus Secton (ABS-MODU 2012) 11
Metodologi Penelitian 12
Lanjutan 13
Masing-masing semisubmersible memiliki jumlah tiga kolom per sisi serta sudut kemiringan 10 o, 20 o, 30 o Gelombang Reguler dan acak Respon Gerak Struktur (RAO) Respon Struktur (Shear Force dan Bending Moment) 14 Konfigurasi Terbaik
DESKRIPSI TRIVAR 10 TRIVAR 20 TRIVAR 30 Satuan Panjang Pontoon 108.2 108.2 108.2 m Tinggi Pontoon 6.71 6.71 6.71 m Lebar Pontoon 11.1 11.1 11.1 m Panjang Kolom 30.33 31.78 34.49 m Jarak Memanjang Antar Kolom 30.22 30.22 30.22 m Jarak Melintang Antar Kolom 55.78 66.99 79.74 m Lebar Kolom 8.88 8.88 8.88 m Tinggi Kolom 26.2 26.2 26.2 m Sarat Air 21.19 20.41 19.44 m Diameter Bracing 1.6 1.6 1.6 m Displacement 24173.56 24173.29 24173.94 Ton 15
Distribusi Beban Trivar 10
Distribusi Beban Trivar 20 17
Distribusi Beban Trivar 30 18
TRIVAR 10 ` 19
TRIVAR 20 ` 20
TRIVAR 30 ` 21
VALIDASI DISPLASMEN MODEL VALIDASI SEMI-SUBMERSIBLE Displacement Essar Output ERROR (ERROR 0,05) Wildcat MOSES TRIVAR 10 24173 24173.6 0.000 TRIVAR 20 24173 24173.3 0.000 TRIVAR 30 24173 24173.9 0.000 22
RAO TRANSLASIONAL TRIVAR 10 23
RAO ROTASIONAL TRIVAR 10 24
Nilai maksimum RAO semi-submersible TRIVAR 10 0 MODA GERAKAN Unit RAO MAKSIMUM 90 deg 120 deg 135 deg 165 deg 180 deg Surge m/m 0.089 0.451 0.63 0.852 0.882 Sway m/m 0.921 0.794 0.648 0.244 0.096 Heave m/m 1.208 1.206 1.202 1.187 1.173 Roll deg/m 1.105 0.906 0.705 0.472 0.449 Pitch deg/m 0.337 0.47 0.679 0.975 1.022 Yaw deg/m 0.095 0.452 0.203 0.377 0.093 25
RAO TRANSLASIONAL TRIVAR 20 26
RAO ROTASIONAL TRIVAR 20 27
Nilai maksimum RAO semi-submersible TRIVAR 20 0 MODA GERAKAN Unit RAO MAKSIMUM 90 deg 120 deg 135 deg 165 deg 180 deg Surge m/m 0.13 0.407 0.585 0.819 0.859 Sway m/m 0.94 0.815 0.669 0.255 0.048 Heave m/m 1.233 1.224 1.219 1.215 1.217 Roll deg/m 1.015 0.869 0.711 0.341 0.165 Pitch deg/m 0.442 0.534 0.654 0.964 1.002 Yaw deg/m 0.367 0.499 0.375 0.306 0.279 28
RAO TRANSLASIONAL TRIVAR 30 29
RAO ROTASIONAL TRIVAR 30 30
Nilai maksimum RAO semi-submersible TRIVAR 30 0 MODA GERAKAN Unit RAO MAKSIMUM 90 deg 120 deg 135 deg 165 deg 180 deg Surge m/m 0.378 0.501 0.644 0.863 0.886 Sway m/m 0.905 0.788 0.639 0.214 0.112 Heave m/m 1.503 1.487 1.469 1.433 1.422 Roll deg/m 1.007 0.927 0.774 0.31 0.323 Pitch deg/m 0.357 0.463 0.61 1.011 1.092 Yaw deg/m 0.121 0.586 0.367 0.385 0.113 31
RAO KOMPARASI 6 MODA GERAKAN 32
RAO KOMPARASI 6 MODA GERAKAN 33
Komparasi Nilai Maksimum RAO Semi-submersible 34
ANALISIS RESPON STRUKTUR (SHEAR FORCE DAN BENDING MOMENT) SEMI-SUBMERSIBLE AKIBAT GELOMBANG REGULER 35
36
Nilai ekstrem shear force dan bending moment pada satu puncak gelombang Nilai ekstrem shear force dan bending moment pada dua puncak gelombang 37
38
39
40
41
42
43
44
180 Respon Maksimum Yaw Torsional Moment 90⁰ (World wide) 160 140 120 MN.m 100 80 60 TRIVAR 10 TRIVAR 20 TRIVAR 30 40 20 0 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 e (rad/sec) 45
Nilai Modulus Penampang Moda Respon Unit Nilai Modulus Penampang Arah 90 0 (Perairan Natuna) TRIVAR 10 0 TRIVAR 20 0 TRIVAR 30 0 Tranverse Bending Moment 0.58 0.62 0.77 Longitudinal Bending Moment M 3 0.11 0.25 0.28 Yaw Torsional Moment 0.06 0.12 0.26 Moda Respon Unit Nilai Modulus Penampang Arah 90 0 (Similarity) TRIVAR 10 0 TRIVAR 20 0 TRIVAR 30 0 Tranverse Bending Moment 1.67 1.76 2.18 Longitudinal Bending Moment M 3 0.32 0.71 0.78 Yaw Torsional Moment 0.16 0.35 0.72 Moda Respon Unit Nilai Modulus Penampang Arah 90 0 (Perairan Worldwide) TRIVAR 10 0 TRIVAR 20 0 TRIVAR 30 0 Tranverse Bending Moment 2.85 3.00 3.71 Longitudinal Bending Moment M 3 0.54 1.21 1.33 Yaw Torsional Moment 0.28 0.59 1.23 46
KESIMPULAN 1. Karakteristik respon struktur ketiga semi-submersible di atas gelombang reguler relatif bervariasi untuk tiap-tiap variasi semi-submersible, dimana tiap-tiap variasi semi-submersible memiliki keunggulan masing-masing, yang di tunjukkan dengan nilai longitudinal shear force, transverse shear force, vertical shear fore, transverse bending moment, longitudinal bending moment dan yaw torsional moment berturut-turut : - TRIVAR 10 : 6113 kn/m, 6220.91 kn/m, 9367.18 kn/m, 43210 kn.m/m, 36475.64 kn.m/m dan 4013.17 kn.m/m - TRIVAR 20 : 4849 kn/m, 5658.41 kn/m, 6650.2 kn/m, 33285.82 kn.m/m, 43659.99 kn.m/m dan 6165 kn.m/m - TRIVAR 30 : 9716.51 kn/m, 5441.61 kn/m, 22582.33 kn/m, 30911.6 kn.m/m, 30894.63 kn.m/m dan 13670.73 kn.m/m 2. Karakteristik respon struktur Transverse Bending Moment maksimum ketiga semi-submersible di atas gelombang acak berturut-turut: - TRIVAR 10 : 356.58 MN.m - TRIVAR 20 : 376.02 MN.m - TRIVAR 30 : 463.95 MN.m Nilai moment maksimum di atas berbanding lurus dengan nilai modulus section, dimana nilai modulus penampang TRIVAR 10 adalah yang terkecil, sehingga struktur geladak melintang semi-submersible TRIVAR 30 dapat dirancang dengan material yang lebih ringan, dari hal ini dapat di simpulkan bahwa semi-submersible TRIVAR 10 merupakan konfigurasi yang paling optimal untuk di operasikan di perairan tidak terbatas. 47
TERIMA KASIH OLEH: FIRMANSYAH RAHARJA 4309.100.076