BAB II DASAR TEORI 2.1 Struktur Tetap Struktur tetap atau fixed platform platform merupakan struktur yang terpancang pada dasar laut. Terdapat berbagai desain dari struktur jenis ini. Namun struktur tetap dapat diklasifikasikan diklasifikasikan menjadi 5 tipe, yakni tipe jaket ( jacket ( jacket platform platform ), tipe sederhana (minimal ( minimal platform), platform ), struktur berbasis gravitasi (gravity ( gravity based structure), structure ), tipe jack-up tipe jack-up,, dan tipe compliant tower . Berikut merupakan penjelasan lebih lanjut mengenai tipe-tipe struktur tetap tersebut. 2.1.1 Minimal Platform Pada lokasi dengan kedalaman yang rendah, struktur tetap yang efisien utuk digunakan adalah tipe struktur sederhana atau minimal platform. platform . Tipe minimal platform ini selain mudah untuk dibangun, harga pembuatannya pun cenderung lebih murah dibandingkan dengan struktur tipe lain. Biasanya struktur seperti ini menyokong untuk sumur minyak yang berukuran kecil, memiliki anjungan yang kecil namun cukup untuk menopang seluruh peralatan yang dibutuhkan, dibutuhkan, sebuah crane yang crane yang kecil, sebuah boat landing , dan sebuah heli deck berukuran berukuran minim. Pada studi yang dilakukan oleh Chevron (Chakrabarti, et al ()), tipe minimal platform ini platform ini biasanya dipilih untuk lokasi dengan kedalaman 150 ft (46 m), 200 ft (61 m). Berikut merupakan tipe struktur sederhana pada Gambar 2.1. 2.1.
Gambar 2.1 Minimal Platform 2.1.2 Gravity Based Structure Struktur lepas pantai yang diletakkan di atas dasar laut dengan memanfaatkan bebannya sendiri disebut struktur berbasis gravitasi atau gravity based structure. structure . Struktur ini tidak perlu menggunakan jangkar untuk menahan strukturnya. Biasanya struktur berbasis gravitasi dibangun di lokasi yang dekat dengan daerah pesisir dan memiliki kedalaman yang dangkal. Struktur tipe ini biasanya dibangun dengan menggunakan material baja atau beton dimana karena beratnya struktur ini secara alamiah akan stabil. Gravity based structure ini structure ini dapat dilihat pada Gambar 2.2. 2.2.
Gambar 2.2 Gravity Based Structure Sebuah gravity based structure dari baja yang sangat besar dibangun di Maureen Field, Inggris pada tahun 1984 untuk keperluan operasi Phillips Petroleum. Semenjak gravity based structure structure mulai dibutuhkan dengan volume dan ketinggian yang lebih besar, beton menjadi pilihan untuk menjadi material dari struktur tipe ini. Struktur tipe ini dengan beton sebagai materialnya yang pertama adalah Condeep B yang dibangun di Beryl Field, Stavanger, Norway. 2.1.3 Jack-Up 2.1.3 Jack-Up Structure Tipe struktur jack-up struktur jack-up ini ini merupakan struktur yang dapat berpindah dari satu tempat ke tepat lain karena kaki dari pondasi ini merupakan struktur yang tidak permanen. Kelebihan lain yang dimiliki struktur jack-up jack-up ini selain kehandalannya dalam bermobilisasi adalah dapat ber-elevasi sesuai dengan kedalaman laut di lokasi pengemboran. Jack-up structure ditunjukkan structure ditunjukkan seperti pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Jack Up Structure Tipe jack up ini biasanya berupa struktur dengan tiga kaki yang menopang sebuah deck di atasnya. Kaki-kaki tersebut terbuat dari batang tubular. Struktur ini biasanya digunakan untuk operasi eksplorasi pengeboran karena itu dirancang untuk dapat berpindah-pindah. Struktur tipe ini biasanya untuk lokasi dengan kedalaman 305-361 ft (93-110 m). 2.1.4 Compliant Tower Struktur compliant tower ini mirip dengan strukur jaket. Namun struktur ini memiliki kelebihan yang mampu menahan beban gaya lateral dengan tiangnya yang fleksibel. Tiang fleksibel tersebut masih dapat menahan deck konvensional. Contoh dari compliant tower ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Compliant Tower 2.1.5 Jacket Platform Tipe struktur jaket ini merupakan tipe struktur yang paling lazim digunakan dalam operasi pengeboran dan produksi lepas pantai. Desain untuk tipe struktur ini pun bervariasi. Struktur jaket ini terdiri dari batang-batang tubular yang terinterkoneksi menjadi bentuk three-dimensional space frame . Struktur ini biasanya memiliki empat sampai delapan kaki untuk mencapai kestabilan terhadap beban-beban gelombang. Tiang utama tubular biasanya dipancangkan melalui jaket sampai ke dasar laut. Untuk lebih jelasnya struktur jaket dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Jacket Platform Struktur jaket terdiri dari beberapa bagian, yaitu jaketnya sendiri, kemudian deck , dan pondasi atau tiang. Jaket merupakan bagian bawah pada struktur yang berfungsi menopang struktur bagian atas. Pada jaket biasanya terdapat struktur-struktur tambahan seperti, boatlanding , konduktor dan penahannya, riser, walkways, dll. Jaket ini sendiri nantinya berfungsi melindungi tiang baja yang ada di dalamnya. Maka dari itu biasanya jaket berupa pipa baja tubular dengan ukuran tertentu sesuai dengan tiang baja yang akan dilindungi didalamanya. Pada jaket terdapat beberapa komponen struktur. Komponen-komponen struktur jaket tersebut adalah sebagai berikut: 1. Jacket Leg Jacket leg merupakan kaki-kaki jaket. Kaki-kaki inilah yang berupa pipa baja tubular. 2. Braces
Braces ini merupakan pengaku kaki jacket. Biasanya braces ini terdapat di elevasi-elevasi tertentu dengan terdapat komponen tambahan yang akan dijelaskan pada poin berikutnya. Braces dan jacket leg dihubungkan oleh joint leg. 3. Komponen Tambahan Komponen tambahan yang lazim terdapat pada jacket platform adalah conductor guide, riser, riser guard, boatlanding, padeye, dan mudmat. Struktur bagian jaket berikutnya adalah deck yang merupakan bagian atasnya struktur jaket. Struktur deck menjadi bagian yang dijadikan sebagai tempat peralatan operasional seperti peralatan drilling, produksi, storage room, dan fasilitas operasional lain yang diperlukan untuk kebutuhan operasional. Deck biasanya terderi dari deck Struktur bagian berikutnya adalah pondasi. Pondasi ini biasanya berupa tiang ( pile). Tiang ini dipancangkan ke dasar laut dengan diselubungi oleh jaket. Sebagai pondasi, tiang ini mampu untuk meneruskan seluruh gaya luar yang terjadi pada anjungan ke dalam tanah. Struktur jaket biasanya mampu menopang 2-3 dek dengan berbagai macam peralatan operasi di atasnya. Struktur ini awalnya diletakkan di lokasi dengan kedalaman 500600 ft (150-180 m). Namun terdapat sebuah jaket tiga bagian yang besar dengan berat sebesar 34.300 ton yang diinstal pada tahun 1979 di Cognac Field, Gulf of Mexico dengan kedalaman 1000 ft (300 m). Semenjak itu struktur jaket berukuran besar mulai bermunculan seperti Cerzeva Liguera (935 ft/ 285 m), Pompano (1290 ft/ 393 m), dan Bullwinkle (1350 ft/ 412 m).
2.2 Pembangunan Anjungan Lepas Pantai Tipe Jaket (Jacket Platform) 2.2.1 Desain Dalam pembangunan anjungan lepas pantai, khususnya tipe jaket, tahap pertama yang dilakukan adalah tahap desain struktur. Dalam tahap desain sendiri ada tiga tahapan, yang pertama adalah desain konseptual, kedua adalah dasar desain, dan yang terakhir adalah detail desain. Desain konseptual merupakan tahapan menentukan definisi umum dari setiap komponen sistem seperti fungsi anjungan, sistem sumur, fasilitas, transportasi,
living quarter , tempat penyimpanan, dan pengolahan, Tujuan dari pembuatan desain konseptual ini adalah untuk dapat memperkirakan jadwal dan harga pembangunan. Tahapan dasar desain meliputi daftar leralatan, spesifikasi, gambar struktur secara umum, material struktur, kemudian pembuatan dokumen engineering-procurement-construction (EPC) dan penjadwalan proyek pembangunan. Selanjutnya tahapan detail desain meliputi analisis detail, gambar akhir, gambar fabrikasi, rancangan transportasi, dan rancangan instalasi. Menurut Yong Bai dalam buku Marine Structural Design, tahap desain secara umum meliputi kegiatan: 1. Mengidentifikasi kebutuhan proyek. 2. Mengevaluasi kondisi lingkungan dan kondisi tanah. 3. Mengembangkan proposal desain awal yang memfokuskan pada metode instalasi. 4. Mengevaluasi metode instalasi mempertimbangkan feasibilitas teknis dan ekonomi. 5. Menentukan dimensi struktur yang dapat menahan beban-beban in-place selama kondisi operasi. 6. Mengevaluasi desain untuk memastikan bahwa struktur yang didesain mampu menahan beban selama kegiatan transportasi dari lokasi fabrikasi sampai pada lokasi instalasi. 7. Memperhitungkan aktivitas penanggungjawaban terhadap struktur setelah ditinggal pasca masa operasi. 8. Memenuhi kualitas dan kebutuhan HSE (Health, Safety, and Environment). 2.2.2 Fabrikasi Fabrikasi merupakan proses perakitan material struktur jaket yang dilakuan di fabrication yard . Fabrication yard merupakan lapangan fabrikasi yang dapat dilihat contohnya pada Gambar 2.6. Pada proses fabrikasi, struktur jaket ini dibagi menjadi beberapa bagian. Pertama adalah merakit bagian jaket terlebih dahulu. Dua sisi yang lebih sempit biasanya dibuat terlebih dahulu. Cara pembuatannya adalah dengan menyusun jaket dengan posisi horizontal dan dapat diputar untuk menyelesaikan setiap sisinya. Proses pemutaran untuk
penyelesaian tiap sisinya ( roll up) dibantu dengan beberapa crane berukuran besar seperti yang tampak pada Gambar 2.7. Proses selanjutnya adalah memasang, mencocokkan, dan mengelas bracing yang menghubungkan kaki bagian yang bawah ke bagian atasnya. Bagian struktur yang kedua dibangun adalah deck. Proses fabrikasi deck dilakukan dengan merakit secara bertahap pada setiap levelnya. Main beam, main truss, dan deck plate akan dilas satu sama lain untuk membentuk lantai deck. Bagian lain adalah tiang atau pile yang sebenarnya dapat difabrikasi sebelum atau bersamaan dengan proses fabrikasi jaket dan deck. Tiang yang dirancang menggunakan baja berkualitas tinggi sehingga tiang ini biasanya sangat berat. Tiang yang dipesan biasanya berupa potonganpotongan tiang pada panjang tertentu. Saat tiang berada di fabrication yard , tiang-tiang ini akan dilas satu sama lain sesuai dengan panjang yang akan diletakkan pada setiap kaki jaket.
Gambar 2.6 Fabrication Yard
Gambar 2.7 Roll Up Saat Fabrikasi Jaket 2.2.3 Transportasi Struktur jaket yang telah difabrikasi di darat perlu untuk ditransportasikan di lokasi pada lepas pantai. Proses transportasi terdiri dari tiga tahap, yaitu load out, seafastening , dan towing . 2.2.3.1 Load Out Pada proses load out ini biasanya struktur jaket diluncurkan ke atas launch barge. Launch barge ditambatkan pada ujung daratan dengan dilengkapi oleh water ballast agar barge dan permukaan daratan sejajar. Proses penyejajaran antara barge dan daratan (khususnya skid way ) ini harus dilakukan dengan tepat. Pada zaman modern seperti sekarang ini proses ini dapat dibantu oleh computer-controlled ballasting . Proses load out dengan menggunakan skid way ini dapat dilihat pada Gambar 2.8. Kemudian winch pada
barge akan menarik struktur jaket ke atas barge. Cara lain untuk meletakkan struktur jaket ke atas barge adalah dengan mengangkat struktur jaket dengan crane.
Gambar 2.8 Proses Loud Out
2.2.3.2 Seafastening Saat struktur sudah berada di atas barge perlu dilakukan usaha untuk mempertahankan posisi struktur di atas barge agar tidak bergeser, jatuh, ataupun rusak pada kondisi badai. Biasanya menggunakan perhitungan kondisi badai dengan periode ulang 10 tahun. Proses ini perlu mempertimbangkan aspek berat dan pusat massa dari struktur anjungan. Pada seafastening beban-beban yang diperhitungkan untuk menjaga kekakuan dan stabilitas struktur di atas barge adalah beban statis dan beban dinamis. Apabila proses seafastening ini dengan tepat dan sesuai dengan prosedur maka dapat dijamin proses pengangkutan atau towing nantinya dapat dilakukan dengan aman. Proses seafastening dapat dilihat pada Gambar 2.9 berikut.
Gambar 2.9 Seafastening 2.2.3.3 Towing Proses towing atau penarikan adalah proses pengangkutan struktur jaket di atas barge yang ditarik oleh tug boat menuju site atau lokasi struktur yang akan diinstal. Proses ini memerlukan perencanaan yang tepat dan cermat untuk menghindari kerusakan pada struktur akibat dari kondisi angin dan laut. Pemilihan rute towing ini perlu dilakukan dengan beberapa strategi untuk menghidnari kondisi udara dan badai yang buruk, menghindari lokasi yang berbahaya, dan mencari rute yang menguntungkan dari sisi arus yang searah dengan tujuan lokasi. Proses towing dapat dilihat pada Gambar 2.10 berikut.
Gambar 2.10 Towing 2.2.4 Instalasi Proses instalasi struktur jaket, khususnya bagian jaket, biasanya dilakukan dalam tiga tahap, yaitu Launching , Lifting , Floating , dan Upending . Penjelasan lebih lanjutnya adalah sebagai berikut: 2.2.4.1 Launching Proses launching merupakan proses untuk memindahkan struktur jaket dari atas barge untuk di pasang di atas dasar laut. Biasanya proses ini ditujukan untuk jaket yang berukuran besar. Proses ini dilakukan dengan cara meluncurkan jaket dengan ditarik ke salah satu ujung barge agar jaket tercebur ke dalam laut. Untuk menyeimbangkan posisi barge, perlu digunakan juga pelampung atau buoyancy tank supaya baik barge ataupun jaket tetap stabil saat proses ini berlangsung. Proses launching ini dapat dilihat pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11 Launching 2.2.4.2 Lifting Pada jaket yang berukuran kecil, umumnya dapat langsung diangkat dari barge dengan menggunakan satu atau dua buah crane barge untuk di pasang di atas dasar laut. Tali sling pada crane harus dipasang di bawah center of gravity (pusat gravitasi) untuk mendapatkan penyebaran sudut yang wajar. Proses lifiting ini dapat dilihat pada Gambar 2.12.
Gambar 2.12 Lifting
2.2.4.3 Floating Proses ini biasanya dilakukan pada saat jaket sudah berada di laut dan dibiarkan mengapung sesuai gaya apung yang dimilikinya. Jaket ini dibiarkan mengapung agar proses upending dapat dilakukan pada permukaan laut. Terkadang proses floating ini memerlukan tambahan gaya angkat yang dapat disediakan oleh buoyancy tank yang dipasangkan pada struktur. 2.2.4.4 Upending Proses upending merupakan proses pemberdirian struktur jaket yang awalnya terapung posisi horizontal. Upending biasanya dilakukan dengan bantuan crane barge. Namun ada pula upending yang tidak perlu menggunakan crane barge apabila benda tersebut dapat direkayasa mampu tegak dengan prinsip kestabilan. Proses upending ini dapat direncanakan untuk mengurangi resiko akibat aspek-aspek dinamik yang berbahaya. Salah satunya akibat jaket memiliki massa sendiri dan memiliki tambahan massa (massa hidrodinamik) dari semua besaran yang setara. Dengan demikian proses upending ini perlu dilakukjan pada kondisi air laut yang sangat tenang. Sling sebelumnya harus sudah dipasang terlebih dahulu agar dapat langsung siap diakses di atas air untuk proses penarikannya. Menurut API RP2A, secara umum proses upending tersebut dilengkapi dengan kombinasi dari sebuah derrick barge (barge pengerek) dan sistem pembenaman ( flooding ) yang terkontrol. Pada proses upending ini membutuhkan perencanaan yang tepat untuk menentukan terlebih dahulu proses
lifting yang simultan dan langkah-langkah
pembenaman yang terkontrol. Sistem pembenaman perlu didesain untuk mempertahankan tekanan air yang mungkin dapat mengganggu selama proses lifting . Contoh proses upending dapat dilihat lebih jelas pada Gambar 2.13
Gambar 2.13 Upending
2.3 Material Baja Pada pendesainan struktur anjungan harus dilakukan sedemikan rupa sehingga seluruh elemen struktur dapat memenuhi tegangan izin yang telah ditentukan oleh AISC Specification for the Design, Fabrication, and Erection of Structural Steel for Buildings, edisi terbaru. Seluruh persyaratan tegangan ijin pada baja tubular ini dibuat berdasarkan API RP2A-WSD Recommended Practice for Planning, Designing, and Construction Fixed Offshore Platform.
Tegangan izin yangdibahas meliputi tegangan izin pada kondisi aksial tekan, aksial tarik, lentur, geser, kombinasi aksial tekan dengan lentur, dankombinasi aksial tarik dengan lentur. Tegangan izin AISC dapt diperbesar menjadi sepertiganya ketika teganganyang diakibatkan oleh gaya lateral dan vertikal kondisi beban lingkungan yang diakibatkan oleh kondisi lingkungan. Penampang yang didesain dengan cara ini tidak boleh kurang dari penampang yang diperlukan untuk desain akibat beban hidup dan beban mati tanpa peningkatan sepertiga tengangani izin. Struktur anjungan lepas pantai pada umumnya menggunakan baja biasa. Material baja akan bersifat elastic selama tegangan yang terjadi tidakmelalui tegangan lelehnya. Pada pendesaianan, tujuan utamanya adalah menentukan dimensi komponen yang sesuai sehingga kondisi elastic tetap dipenuhi selama dibebani beban rencana. Faktor keamanan safety factor biasanaya diterapkan untuk mendapatkan tegangan izin ( allowable stress = yield stress/ safety factor ) yang kemudian menjadi kriteria tegangan yang tidak boleh dilewati selama struktur dibebani gaya rencana. Metode yang umum digunakan adalah Working Stress Design (WSD) dalam API RP2A dan sesuai dengan spesifikasi AISC yang disebut Allowable Stress Design atau desain tegangan yang diizinkan, Terdapat berbagai tegangan yang diperhitungkan dalam desain, yaitu tegangan tarik aksial, tegangan tekan aksial, tegangan lentur, kombinasi tekan aksial dengan lentur, kombinasi aksial dengan lentur, tarik aksial dan tekanan hidrostatis, dll. Semua tegangan itu dapat mudah diketahui dalam desain dengan bantuan software elemen hingga yang digunakan dalam pemodelan struktur nantinya.
2.4 Perencanaan Beban Pada Struktur Setiap anjungan lepas pantai yang didesain, harus mampu menopang beban yang mengenai struktur anjungan tersebut. Beban-beban yang mengenai struktur dan kemudian diperhitungkan disesuaikan dengan jenis analisis yang akan dilakukan. Secara umum analisis anjungan lepas pantai secara lengkap memperhitungkan semua beban mulai dari fabrikasi, instalasi, sampai masa layan.
2.4.1 Defenisi Pembebanan Beban-beban yang mengenai struktur lepas pantai secara umum menurut Ir. Ricky Lukman Tawekal, MSE, Ph.D dalam catatan kuliah KL 4121 Bangunan Lepas Pantai 1 adalah sebagai berikut: 1. Beban Mati Beban mati merupakan beban dari struktur itu sendiri berikut semua peralatan permanen dan struktur tambahan yang tidak berubah dalam modus operasi. Beban mati meliputi beban-beban berikut: a. Berat dari struktur anjungan di udara, termasuk tiang pancang, semen pengisi, dan ballas apabila ada. b. Berat dari peralatan dan struktur tambahan yang dipasang permanan pada anjungan. c. Gaya hidrostatik yang bekerjBerata pada struktur di bawah permukaan laut. Gaya hidrostatis meliputi teknaan dan gaya apung. 2. Beban Hidup Beban merupakan beban yang bekerja pada struktur pada modus operasi atau pada perpindahan dari satu modus operasi ke modus operasi lainnya. Beban hidup antara lain: a. Berat dari peralatan kegiatan produksi, misalnya pengeboran, yang dapat ditambahkan atau dipindahkan dari struktur. b. Berat dari ruang tempat tinggal, helideck, penyokong hidp, perlengkapan penyelamat, peralatan menyelam, dan perlengkapan lain yang dapat ditambahkan atau dipindahkan dari struktur anjungan. c. Berat dari persediaan dan cairan dalam tangki penyimpanan. d. Gaya yang dikenakan pada struktur akibat operasi, misalnya kegaitan pengeboran, penambatan kapal pada boat landing, dan beban dari helicopter pada helideck . e. Gaya yang dikenakan pada struktur akibat deck crane. Gaya ini didapatkan dari gaya pada saat diam maupun bergerak serta beban matinya. 3. Beban Lingkungan
Beban lingkungan merupakan beban yang bekerja pada struktur akibat fenomena alam yang terjadi seperti angin, arus, gelombang, gempa bumi, pergerakan kerak bumi, dll. Beban lingkungan juga turut memasukkan perubahan tekanan hidrostatik dan gaya apung pada elemen yang diakibatkan oleh adanya perubahan permukaan laut karena gelombang dan pasang surut. 4. Beban Konstruksi Beban konstruksi merupakan beban yang timbul pada proses konstruksi dari struktur, mulai dari proses fabrikasi, load out , transportasi, instalasi, dsb. 5. Beban Pemindahan dan Pemasangan Beban ini merupakan beban yang terjadi pada struktur yang akan dipindahkan ke lokasi baru, mulai dari beban yang timbul akibat pemindahan, penaikan ke tongkang, transportasi, perbaikan, dan pemasangan ulang. 6. Beban Dinamik Beban dinamik adalah beban yang bekerja pada anjungan yang merupakan respon dari adanya beban berulang atau benturan. Respon dapat diakibatkan oleh gelombang, angin, gempa bumi, ataupun mesin yang bekerja pada struktur. Benturan dapat diakibatkan oleh adanya kapal yang merapat ke anjungan atau pada saat proses pengeboran. 2.4.2 Kondisi Pembebanan Dalam menentukan desain beban lingkungan, perlu diketahui kondisi pembebanan, yaitu gaya yang bekerja pada struktur untuk kejadian desian tertentu. Misalnya saja pada kondisi operasional, beban lingkungan adalah gaya yang bekerja pada strktur akibat keadaan yang tidak terlalu berbahaya pada kegiatan operasional sehari-hari. Struktur anjungan biasanya harus didesain untuk kondisi pembebanan yang sesuai yang menghasilkan efek paling berbahaya bagi struktur. Kondisi pembebanan tersebut harus mengikutsertakan kondisi lingkungan yang dikombinasikan dengan beban hidup dan beban mati. Kemudian pada lama kondisi pembebanan yang dipertimbangkan, beban lingkungan harus dikombinasikan dengan cara yang sesuai dengan kemungkinan kejadian tersebut. Tiap elemen pada struktur harus didesian untuk kondisi pembebanan yang
mengakibatkan tegangan terbesar pada elemen. Tentu dengan turut mempertimbangkan tegangan ijin untuk kondisi pembebanan yang mengakibatkan tegangan tersebut. 2.4.3 Gelombang 2.4.3.1 Gaya Hidrodinamik Gaya hidrodinamik yang mengenai objek silinder dapat dihitung dengan terlebih dahulu menghitung perbandingan dari panjang gelombang terhadap diameter elemen. Jika nilai perbandingan lebih besar dari 5 (> 5), maka elemen tidak secara signifikan merubah gelombagn yang terjadi. Dengan demikian dapat dipilih persamaan Morison yang digunakan untuk menghitung gaya gelombang. Persamaan Morison melakukan penjumlah dari gaya seret dan gaya inersia seperti dalam persamaan berikut:
||
(2.1)
Dimana: adalah gaya hidrodinamik per satuan panjang yang bekerja perpendicular terhadap sumbu elemen, lb/ft (N/m) adalah gaya seret per satuan panjang yang bekerja tegak lurus terhadap sumbu elemen dan U, lb/ft (N/m) adalah gaya inersia per satuan panjang yang bekerja tegak lurus terhadap sumbu elemen dan aU/at, lb/ft (N/m) adalah koefisien seret adalah berat jenis air, lb/ft 3 (N/m3) adalah percepatan gravitasi, ft/sec 2 (m/sec2) adalah area proyeksi tegak lurus terhadap sumbu silinder per satuan panjang ( D untuk silinder), ft (m) adalah volume terpindahkan dari silinder per satuan panjang, ft2(m 2)
D adalah diameter efektif dari elemen silinder termasuk marine growth, ft (m)
adalah koponen kecepatan karena gelombang dan/atau arus dari air yang tegak lurus sumbu elemen, ft/sec (m/sec) || adalah nilai mutlak dari U, ft/sec (m/sec) adalah koefisien inersia Adalah komponen percepatan lokal dari air yang tegak lurus sumbu elemen, ft/sec 2 (m/sec2) Selain menggunakan persamaan Morison, ada pula yang disebut dengan teori difraksi dimana akan digunakan apabila ukuran dari struktur mencakup sebagian besar dari panjang gelombang. Daerah difraksi ini biasanya dianggap terjadi pada saat lebar dari elemen melebihi 1/5 dari panjang gelombang. Teori difraksi digunakan karena perlu dihitung tekanan yang terjadi pada struktur akibat gelombang dan gelombang yang tersebar. 2.4.3.2 Pemilihan Teori Gelombang Dalam perencanaan desain gelombang pada suatu struktur anjungan lepas pantai perlu ditentukan teori gelombang yang sesuai. Baltrop (1990) memberikan suatu diagram yang diperoleh dari hasil membadningkan kecepatan partikel air, percepatan, tinggi gelombang, dan panjang gelombang yang dihitung dari teori gelombang yang sering digunakan. Terdapat diagram daerah aplikasi dari stream function, Stokes 5 th, dan teori gelombang linier yang dimodifikasi API RP 2A-WSD untuk keperluan desain, seperti yang terlihat pada Gambar Tahapan pemilihan teori gelombang: Input data yang diperlukan: Tabel 2.1 Lambang d
Arti Kedalaman air
Satuan ft
g
Gaya gravitasi
ft/sec 2
T
Periode maksimum gelombang
S
V
Kecepatan arus pada permukaan laut
ft/sec
H
Tinggi gelombang maksimum
ft
Gelombang dan arus akan dihitung dengan arah sejajar untuk menghasilkan kombinasi beban yang maksimal. Berdasarkan pertimbangan di atas, maka terdapat syarat yang harus dipenuhi agar grafik penentuan apparent wave period bisa digunakan. Syaratnya adalah besarnya kedalaman relatif (d/gt 2) harus lebih besar dari 0.01. Selanjutnya hitung V/Gt lalu plot grafik apparent wave period, sehingga didapat nilai Tapp/T sehingga besar Tapp dapat dihiutung. Apparent wave periode atau Tapp adalah periode gelombang relative terhadap arus sejajar efektif. Untuk menggunakan grafik validasi teori gelombang, sehingga akan diketahui teori gelombang yang akan dipakai, plot nilai d/g Tapp 2 dan H/g Tapp 2. Untuk suatu nilai Tapp, ketinggian gelombang tertentu dan kedalaman laut apda saat badai, kinematika gelombang dua dimensi dapat dihitung dengan menggunakan teori gelombang Stream Function yang sesuai. Dalam banyak kasus, teori gelombang stokes 5 akan menghasilkan keakuratan hasil yang dapt diterima. Daerah aplikasi pada stokes 5 dan berbagai derajat dari penyelesaian stream function pada bidang H/g Tapp 2, d/g Tapp, dapat dilihat pada Gambar 2.14.
Gambar 2.14 Daerah Aplikasi Teori Gelombang
2.4.3.3 Koefisien Hidrodinamika Seperti yang dibahas pada gaya hidrodinamika, terdapat koefisien-koefisien hidrodinamika yang menjadi variabel perhitungan, yaitu dan . Koefisien merupakan komponen gaya seret yang bersesuaian dengan daerah terpaan dari badan struktur dan kuadrat dari kecepatan arus. Hal ini muncul dari gangguan arus akibat badan struktur. Gaya inersia terdiri dari dua komponen: gaya yang bekerja pada massa air yang telahdigantikan oleh badan struktur, atau gaya Froud-Krylof, dan gaya yang bekerja pada massa air yang ditahan oleh badan struktur atau disebut gaya massa tambahan. Sedangkan koefisien
mempengaruhi besar gaya inersia selain volume yang dipindahkan,
V
juga mempengaruhi
besar gaya inersia. Dalam analisis pada situasi beban biasa, gaya gelombang global dapat diperhitungkan dengan menggunakan nilai-nilai berikut untuk kasus silinder yang tidak tertutup. Halus
= 0.65
= 1.6
Kasar
= 1.05
= 1.2
Terdapat Tabel 2.2 menunjukkan nilai dan CM untuk berbgai diameter akrena banyak bukti eksperimen menunjukkan bahwa nilai dari koefisien hidrodinamika bergantung pada diameter elemen dan bilangan Reynolds. Tabel 2.2 Coefficient of Drag ( )
Coefficient of Inertia ( )
Normal
Tangential
Normal
Tangential
12
0.610
0.0
1.39
0.0
24
0.665
0.0
1.40
0.0
48
0.720
0.0
1.45
0.0
72
0.756
0.0
1.67
0.0
96
0.781
0.0
1.67
0.0
120
0.799
0.0
1.71
0.0
Diameter (in)
2.4.4 Arus Yong Bai pada buku Marine Structural Design mengatakan bahwa terdapat kategorikategori arus yang paling umum, yaitu: 1. Arus pasang surut 2. Arus sirkulasi 3. Arus akibat Badai 4. Arus Eddy dan Loop
Total arus merupakan penjumlahan vector dari arus-arus tersebut. Variasi dari kecepatan dan arah arus dengan elevasi direpresentasikan oleh sebuah profil arus. Profil total arus yang diasosiasikan dengan kondisi badai ekstrim perlu dispesifikasikan untuk desain. Pada area geografis tertentu, gaya arus dapat menjadi salah satu beban desain yang berpengaruh. Dengan demikian perlu ada pemilihan profil arus yang sesuai dengan kebutuhan pembebanan pada desain. Sama dengan penjelasan pembebanan beban arus menurut API RP2A-WSD, gaya akibat arus dan gelombang yang bekerja pada struktur merupakan penjumlahan dari keceptan arus dan keceptan partikel arah x horizontal. 2.4.5 Angin Angin merupakan salah satu faktor desain yang signifikan. Kondisi angin yang digunakan dalam desain sebaiknya ditentukan secara tepat dari data koleksi angin dan secara konsisten terasosiasi dengan parameter lingkungan. Dua metode yang biasanya digunakan untuk menghitung efek angin dalam desain adalah: 1. Gaya angin dianggap konstan dan dihitung berdasarkan kecepatan rata-rata satu menit. 2. Gaya angin yang berfluktuasi dihitung berdasarkan komponen yang tetap, kecepatan rata-rata satu jam ditambah komponen variasi waktu dihitung dari spektrum hembusan angin empiris. Pemilihan metode diatas ditentukan dari parameter sistem dan tujuan dari analisis. Kecepatan angin pada desain biasanya merujuk pada elevasi 10 meter di atas muka air tenang (still water level ). Pada pembebanan gaya angin pada desain struktur menurut API RP2A-WSD dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
Keterangan: adalah gaya yang diterima struktur akibat angin (N)
(2.2)
adalah massa jenis udara (kg/m3) adalah koefisien bentuk adalah luas proyeksi area yang tertumbuk oleh angin (m2) adalah Kecepatan angin pada elevasi yang ditinjau (m/s) Nilai menurut API RP2A-WSD dapat dilihat pada Tabel berikut: Tabel 2.3 No
Bentuk
1
Sisi Bangunan
1.5
2
Balok
1.5
3
Area Proyeksi Keseluruhan
1
4
Bagian Silinder
0.5
2.4.6 Dinamik Beban dinamik merupakan beban yang dikenai pada platform sebagai respon yang mengeksitasi siklus alami atau merupakan reaksi akibat tumbukan. Beban-beban dinamik ini biasanya berupa beban operasional mesin, gempa bumi, tumbukan barge atau kapal, dll.
2.5 Analisis In-Place Dalam mengecek kestabilan dari struktur jaket perlu dilakukan analisis in-place yang merupakan analisis statik terhadap struktur jaket. Analisis perlu dilakukan dengan asumsi bahwa struktur dan tiang memiliki kekakuan liner sedangkan tanah memiliki kekakuan nonliier. Biasanya dalam melakukan analisis in-place, terdapat dua kondisi perhitungan. Kondisi pertama adalah kondisi operating yaitu kondisi dengan menggunakan beban lingkungan
dengan periode ulang 1 tahunan. Pada kondisi ini load factor untuk beban hidup adalah sebesar 1.00 dan nilai faktor untuk tegangan izin adalah sebesar 1.00 Kondisi yang kedua adalah kondisi badai atau storm menggunakan beban lingkungan denganp periode ulang 100 tahunan. Pada kondisi ini faktor pengali untuk beban hidup adalah sebesar 0.75 sedangkan untuk faktor pengali tegangan izin yang berlaku adalah sebesar 1.333. Pada zaman modern sekarang ini analisis in-place dapat dilkuakn dengan menggunakan bantuan computer, yaitu dengan menggunakan perangkat lunak SACS. Pada analisis ini nantinya akan didapatkan output berupa: 1. Pile Safety Factor (SF) untuk kondisi analisis operating dan storm 2. Unity Check (UC) pada member dan pile below mudline check pada kondisi analisis operating dan storm. Nilai UC adalah hasil bagi dari tegangan aktual dengan teganan izin.
(2.3)
3. Joint punching shear check pada member tubular dalam kondisi analisis operating dan storm.
2.6 Analisis Seismik Dalam analisis seismik biasanya terdapat dua bagian analisis. Analisis yang pertama adalah analisis strength dan yang keua adalah analisis ductility. Analisis strength dilakukan untuk memastikan struktur memiliki kekuatan dan kekakuan untuk menghindari terjadinya kerusakan struktur. Sedangkan analisis ductility dilakukan untuk memastikan struktur masih memiliki kapasitas kekuatan yang cukup besar supaya tidak terjadi failure ketika gempa dengan frekuensi yang besar yang jarang terjadi mengenai struktur, walaupun akibat gempa tersebut struktur jmengalami kerusakan. Pada analisis yang dilakukan dengan bantuan perangkat lunak SACS akan didapatkan parameter output berupa: 1. Pile Safety Factor
2. Unity Check 3. Joint Punching Shear Check Dalam analisis seismik diperlukan adanya input data gempa. Data gempa dapat berupa nilai PGA atau Peak Ground Acceleraton yang merupakan percepatan batuan dasar yang timbul akibat gempa. Nilai PGA dapat dihitung dengan periode ulang 500 tahun dengan perhitungan berdasarkan SNI Gempa 03-1726-2010 seperti pada gambar berikut: Gambar tersebut digunakan untuk menentukan zona gempa yang digunakan untuk mencari nilai koefisien PGA melalui grafik nilai koefisien PGA seperti pada gambar berikut: Nilai PGA dapat ditentukan dengan melakukan pendekatan logaritmik pada periode ulang 100 tahun untuk analisis strength dan 800 untuk analisis ductility. Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut: ( ) ( )
() ()
() ()
(2.4)
(2.5)
Dimana: adalah koefisien PGA (dilihat dari grafik) adalah nilai PGA untuk strength level adalah periode ulang (tahun) untuk strength level (100 tahun) adalah nilai PGA untuk ductility level adalah periode ulang (tahun) untuk ductility level (800 tahun) Input data gempa lain yang dimasukkan ke dalam perhitungan analisis seismik adalah spektrum kecepatan. Data spektrum ini terdiri dari spektrum percepatan, spektrum percepatan, dan spektrum perpindahan (berurutan S A, SV, SD).
2.7 Analisis Fatigue Analisis Fatigue dapat dilakukan dengan berbagai metode, yaitu metode deterministik dan spektral. Analisis fatigue deterministik dilakukan untuk struktur yang tidak peka terhadap gaya dinamik dan untuk kondisi dimana semua gelombang yang menyebabkan fatigue memiliki periode gelombang yang panjang. Metode analisis fatigue yang yang akan digunakan pada pemodelan dalam tugas akhir ini adalah menggunakan analisis fatigue spektral. Analisis fatigue spektral melakukan pendkatan secara statistik untuk menghitung kerusakan fatigue untuk struktur yang mengalami pembebanan dinamik yang memiliki sifat tetap secara statistic untuk jumlah siklus tegangan yang banyak, misalnya gaya angin dan gelombang. Metode ini memanfaatkan spektrum gelombang dan transfer function. Dengan begitu menunjukkan hubungan antara rasio respon struktur terhadap ketinggian gelombang sebagai fungsi dari frekuensi gelombang untuk suatu kisaran frekuensi gelombang. Dengan demikian analisis fatigue spektral ini memperhitungkan distribusi nyata dari energi untuk seluruh kisaran frekuensi gelombang. Dalam melakukan analisis fatigue, diperlukan adanya parameter-parameter yang digunakan. Parameter-parameter tersebut adalah sebagai berikut: 1. Kurva S-N Kurva S-N merupakan karakteristik fatigue yang digunakan dari suatu bahan yang mengalami tegangan berulang dengan besar yang sama. Kurva ini didapatkan dari tes spesimen baja yang diberi beban berulang dengan jumlah N siklus hingga terjadi failure. Besarnya jumlah N berbanding terbalik dengan rentang tegangan S (selisih dari tegangan maksimum dikurangi tegangan minimum). Kurva S-B tersebut merepresentasikan informasi karakteristik fatigue dengan amplitudo pembebanan konstan. Berikut merupakan gambar kurva S-N menurut API-RP2A untuk tubular joint :
Gambar 2.15 Kurva S-N Kurva S-N dapat dinyatakan dalam persamaan matematis sebagai berikut: (
(2.6)
)
Dimana: adalah jumlah banyaknya siklus beban sampai member mengalami failure. adalah rentang tegangan (teganan maksimum – tegangan minimum). adalah rentang pada siklus sebanyak 2 x 10 6 kali M adalah kemiringan (gradient) pada kurva S-N
2. Aturan Miner-Palmgren Untuk menentukan seberapa dekat nilai siklus dari rentang tegangan yang menyebabkan failure yang kemudian disebut dengan kerusakan fatigue dapat menggunakan aturan Miner-Palmgren sebagai berikut: ∑
Dimana: adalah besar kerusakan dalam 1 tahun.
(2.7)
adalah jumlah siklus pada rentang tegangan yang bekerja pada grup ke-i. adalah jumlah siklus pada rentang tegangan yang diijinkan pada grup ke-i. adalah jumlah pembagian grup rentang tegangan .
3. Stress Concentration Factor Untuk memeriksa kerusakan fatigue dari suatu batang seragam terhadap suatu tegangan aksial adalah sangat mudah. Namun ketika bentuk struktur kompleks akan sulit untuk menentukan variasi tegangan karena terdapat konsentrasi-konsentrasi tegangan, khususnya ketika aliran tegangan berubah arah secara tiba-tiba. Terdapat tiga cara umum untuk menuntaskan permasalahan tersebut, yakni: 1. Memodelkan dengan elemen hingga. 2. S-N Curves dengan Built-in SCFs. 3. Menggunakan faktor konsentrasi tegangan atau stress concentration factor . Pendekatan dengan cara ini umum digunakan pada tubular joints, dimana persamaan parametrik telah dikembangkan oleh beberapa insinyur berdasarkan analisis elemen hingga. Persamaan-persamaan tersebut tidak hanya dengan geometri join tetapi juga bergantung pada bagaimana beban diaplikasikan. Itu artinya tipe join hanya dapat ditentukan setelah distribusi beban pada struktur ditentukan. Pada kasus ini rentang tegangan dapat didefinisikan sebagai rentang tegangan nominal dikalikan stress concentration factor , seperti pada persamaan di bawah ini. Dimana: adalah rentang tegangan. adalah rentang tegangan nominal. adalah stress concentration factor.
(2.8)
2.8 Analisis Upending Analisis upending disini termasuk analisis lifting dan floating. Acuan gerakan floating adalah sumbu z dimana floating bergerak vertikal ke atas dan ke bawah. Proses lifting yang dianalisis menggunakan bantuan
crane barge. Pada analisis ini kondisi
kesetimbangan yang terjadi pada struktur hanya melibatkan dua gaya yang saling berkaitan, yakni gaya apung dan gaya berat benda itu sendiri dan satu gaya tambahan yakni gaya angkat dari tali sling. Kondisi kesetimbangan pada analisis ini akan berlaku apabila memenuhi persamaan berikut:
(2.9)
(2.10)
(2.11)
Pada analisis upending, struktur memiliki enam derajat kebebasan sebagai respon gerak. Enam gerakan respon tersebut terdiri dari gerak translasi dan rotasi. Gerakan tersebut adalah gerak angkat (heave), gerak angguk ( pitch), gerak oleng (roll ), gerak geser (sway ), gerak luncur (surge), dan gerak geleng ( yaw ). Namun karena proses upending biasanya dilakukan pada kondisi laut tenang, maka seringnya tiga gerak akibat arus seperti sway, surge, dan yaw diabaikan.
2.9 Kriteria Pemodelan Untuk Analisis Upending Berdarkan Nobel Denton: Guidelines For The Transportation & Installation of Steel Jackets, terdapat beberapa kriteria pemodelan seperti reserve buoyancy, seabed clearance, dan minimum stability. 2.9.1 Reserve Buoyancy Reserve Buoyancy yang digunakan pada analisis upending tidak kurang dari nilai yang ditunjukkan pada Tabel 2.4 berikut: Tabel 2.4 Reserve Buoyancy
Case Launched
jacket
after
launch During upend by ballasting, without crane assistance Lifted jacket, if required to be re-rigged prior to upend
Intact
Damaged
15%
5%
Sufficient to maintain required seabed clearance
10%
5%
2.9.2 Seabed Clearence Clearance selama proses launching dan upending, antara member jaket yang paling bawah dan seabed ditunjukkan dengan perhitungan dan/ atau tes model tidak kurang dari yang ditunjukkan pada table berikut. Pasang surut terendah yang diperkirakan selama instalasi dipertimbangkan. Kombinasi dari berat jaket, kontingensi berat, posisi pusat gravitasi, buoyancy, dan scenario kerusakan juga dipergunakan pada analisis. Tabel 2.5 Seabed Clearence Clearance after allowing for all tolerances (including weight, tide, CoG & site survey)
Case Intact During launch
Greater of 10% of water depth or 5m
Damaged > 0m
During upend by controlled ballasting, with or without
5m
> 0m
crane assist Self-upending jacket during upend
Greater of 10% of water depth or 5m
> 0m
2.9.3 Minimum Stability Kestabilan benda terapung dapat diketahui dengan melihat letak titik metasentrik dan hubungannya dengan titik lain. Kondisi kestabilan dapat dipenuhi apabila titik metasentrik
