Analisa Tegangan Skirt Pile pada Kondisi Beban

Analisa Tegangan Skirt Pile pada Kondisi Beban Operasional dan Ekstrem
Anggoronadhi D.1, Dr. Eng. Rudi W. Prastianto, ST., MT.2 & Ir. Handayanu, M.Sc, Ph.D 2
1
2,3
Mahasiswa Teknik Kelautan
Staf Pengajar Teknik Kelautan
ABSTRAK
Banyak persyaratan dan kriteria yang harus dipertimbangkan dalam sebuah instalasi struktur lepas pantai terpancang. Selain
kemampuan struktur lepas pantai dalam menerima beban sendiri maupun beban lingkungan, daya dukung tanah juga merupakan
salah satu faktor terpenting. Untuk meningkatkan daya dukung tanah diperlukan penetrasi yang dalam dan lebih banyak pile.
Penetrasi yang dalam dan banyak optimal dilakukan jika pile bermediakan skirt pile. Skirt pile adalah struktur tambahan
berbentuk tubular, meletak di dasar laut, menyatu dengan kaki jacket. Pada umumnya dihubungkan ke kaki jacket dengan yoke
plate, main shear plate, dan external shear plate. Skirt pile berfungsi sebagai media untuk menggabungkan beberapa pile sebagai
pondasi satu kaki jacket. Analisa yang dilakukan adalah analisa statis, untuk kondisi beban operasional dan ekstrem. Untuk
analisa global digunakan software MicroSAS II sehingga didapatkan nilai reaksi pada pile head joint. Nilai reaksi terbesar
digunakan sebagai acuan dalam pemilihan skirt pile yang akan dianalisa. Dipilih empat load case untuk nilai reaksi terbesar,
yaitu dua untuk kondisi beban operasional dan dua untuk kondisi beban ekstrem. Dari empat load case tersebut, didapatkan
displacement brace joint terdekat dengan skirt pile dari analisa global. Selanjutnya nilai displacement tersebut digunakan sebagai
input dalam pemodelan lokal pada software ANSYS Multiphysics. Dari hasil analisa lokal tersebut didapatkan nilai tegangan
kritis pada external shear plate dengan nilai tegangan 310 MPa, dimana tegangan ijinya sebesar 310.5 MPa. Sedangkan resultan
displacement maksimum sebesar 0.023 meter terletak pada bottom yoke plate. Keduanya diakibatkan oleh kondisi beban ekstrem.
Kata kunci: Skirt pile; yoke plate; main shear plate; external shear plate.
1. PENDAHULUAN
Struktur lepas pantai bisa saja terpancang ataupun
terapung (Chakrabarti, 2005). Keduanya sama-sama
bisa dipergunakan sebagai tempat penyimpanan,
produksi, maupun pemindahan muatan minyak dan
gas. Hal itu dilakukan untuk mendukung suatu proses
eksplorasi. Salah satu contoh struktur lepas pantai
terpancang adalah jacket platform.
Banyak persyaratan dan kriteria yang harus
dipertimbangkan dalam sebuah instalasi struktur
lepas pantai terpancang. Selain kemampuan struktur
lepas pantai dalam menerima beban sendiri maupun
beban lingkungan, daya dukung tanah juga
merupakan salah satu faktor terpenting. Kecelakaan
pada saat operasi juga sangat menentukan umur
struktur lepas pantai.
meletak pada dasar laut. Karena posisinya yang
melekat pada kaki jacket bagian bawah itu, proses
instalasi pile pada skirt pile harus dibantu dengan
underwater hammer. Hanya bisa terpasang pada
batter dengan nilai antara satu sampai enam
(Gerwick Jr, 2000). Yoke plates, main shear plates,
dan external shear plates adalah beberapa bagian
yang memperkuat kemampuan skirt pile pada kaki
jacket dalam menerima beban. Dalam hal ini, ketiga
bagian tersebut adalah bagian terpenting. Skirt pile
mendapat distribusi gaya dari jacket, melalui yoke
plates, main shear plates, dan external shear plates.
Stress yang cukup besar pada bagian-bagian tersebut,
akibat distribusi gaya tadi, akan terjadi jika beban
yang diterima juga cukup besar.
Banyak persyaratan dan kriteria yang harus dipenuhi
untuk sebuah instalasi struktur lepas pantai
terpancang. Selain kemampuan struktur lepas pantai
dalam menerima beban sendiri maupun beban
lingkungan, daya dukung tanah juga merupakan salah
satu faktor terpenting. Kecelakaan pada saat operasi
juga sangat menentukan umur struktur lepas pantai.
Untuk meningkatkan daya dukung tanah diperlukan
penetrasi yang dalam dan lebih banyak pile yang
dipancangkan. Penetrasi yang dalam optimal
dilakukan jika pile bermediakan skirt pile. Skirt pile
berfungsi sebagai media untuk menggabungkan
beberapa pile sebagai pondasi satu kaki jacket.
Sehingga struktur lepas pantai tersebut berada pada
kondisi yang aman. Namun tidak semua struktur
lepas pantai menggunakan skirt pile. Pada umumnya
letak skirt pile berada pada kaki jacket bagian bawah,
Gambar 1 Detail skirt pile
Analisa finite element merupakan salah satu cara
optimal dalam mengidentifikasi kemampuan struktur
lepas pantai dalam menerima beban (Barltrop, 1998).
Metode ini berdasar pada sifat-sifat matriks yang
akurat. Sehingga pola distribusi tegangan yang terjadi
1
dan perilaku material yang terkena gaya dapat
digambarkan dengan baik.
•
•
Beban platform di udara
Beban perlengkapan yang permanen
Top yoke plate
Guide
plate
Main Shear
plate
Skirt
Sleeve
External
Shear plate
Jacket
leg
Bottom yoke
plate
Gambar 2 Pemodelan skirt pile dengan metode finite
elemen
Berdasarkan latar belakang di atas, maka pada tugas
akhir ini akan dilakukan analisa tegangan dan
displacement pada skirt pile akibat beban operasional
dan ekstrem.
2. DASAR TEORI
Dari penelitian sebelumnya, didapatkan beberapa
teori yang akan menjadi dasar penulis dalam
melakukan analisa. Rangkaian sambungan plate
mentransferkan gaya-gaya struktur platform dari
jacket ke skirt pile pada sambungan antara jacket
dengan skirt pile (Will, 1987). Beban ekstrem lateral
ditransferkan kepada lapisan pondasi kemudian
ditahan hanya dengan beban aksial pile (pogonowski,
1972). Kondisi ekstrem menyebabkan tegangan yang
besar pada yoke plate, external shear plate, dan
stiffener plate (Nor, 1996).
2.2.2 Beban Hidup
Beban hidup adalah beban yang mengenai struktur
dan berubah selama operasi platform berlangsung.
Beban hidup terdiri dari:
• Beban perlengkapan pengeboran dan
perlengkapan produksi yang bisa dipasang
dan dipindahkan dari platform.
• Berat dari tempat tinggal (living quarter),
heliport, dan perlengkapan penunjang
lainnya yang bisa dipasang dan dipindahkan
dari platform.
• Berat dari suplai kebutuhan dan benda cair
lainnya yang mengisi tangki penyimpanan.
• Gaya yang mengenai struktur selama operasi
seperti pengeboran, penambatan kapal, dan
beban helikopter.
2.2.3 Beban Lingkungan
Beban lingkungan yang mengenai struktur
dikarenakan fenomena alam seperti angin, arus,
gelombang, gempa bumi, salju, es, dan pergerakan
kerak bumi. Variasi tekanan hidrostatik dan gaya
angkat pada setiap elemen karena perubahan tinggi
air yang disebabkan oleh perubahan gelombang dan
pasang surut juga merupakan bagian dari beban
lingkungan.
2.1
Komponen Utama Struktur Jacket
Struktur jacket dibedakan menjadi 3 (tiga) komponen
utama,
dimana
masing-masing
komponen
mempunyai fungsi yang berbeda-beda. Tiga
komponen utama tersebut adalah deck, jacket, dan
pondasi.
2.2
Perencanaan Beban pada Struktur
Platform atau anjungan adalah struktur yang khusus
dirancang untuk kegiatan eksplorasi dan eksploitasi
minyak dan gas bumi di lepas pantai. Struktur ini
menjadi
subjek
terhadap
berbagai
macam
pembebanan, dimana menurut API RP 2A WSD
beban yang dapat diterima oleh struktur anjungan
lepas pantai adalah sebagai berikut:
2.2.1 Beban Mati
Beban mati struktur adalah berat struktur itu sendiri,
semua
perlengkapan
yang
permanen
dan
perlengkapan struktur yang tidak berubah selama
beroperasinya struktur. Beban mati terdiri dari:
Gambar 3 Beban–beban yang bekerja pada struktur
anjungan lepas pantai (McClelland, 1986).
2.2.4 Penentuan Teori Gelombang
Chakrabarti (1987) menyatakan bahwa teori
gelombang yang akan digunakan dalam perancangan
dapat ditentukan dengan menggunakan formulasi
matematika dari teori gelombang linier sebagai
berikut:
dan
H
g
(1)
= tinggi gelombang dari lembah ke puncak
= percepatan gravitasi
2
T
= periode gelombang
Hasil dari formulasi matematika tersebut kemudian
disesuaikan dengan grafik Daerah Aplikasi Teori
Gelombang “Regions of Applicability of Stream
Function, Stokes V and Linear Wave Theory” pada
API RP 2A WSD, sehingga dapat diketahui teori
gelombang yang akan digunakan.
Persamaan Morison (O’Brien and Morison, 1952)
menyatakan bahwa gaya gelombang dapat
diekspresikan sebagai penjumlahan dari gaya seret
(drag force, FD), yang muncul akibat kecepatan
partikel air saat melewati struktur, dan gaya inersia
(inertia force, FI) akibat percepatan partikel air.
(3)
(4)
F
FD
FI
w
g
A
V
D
U
Grafik 1 Grafik regions of applicability of stream function,
stokes v, and linear wave theory (api rp-2a wsd, 2000).
2.2.5 Teori Gelombang Stream Function
Teori gelombang stream function adalah teori
gelombang non-linear yang dikembangkan oleh Dean
(1965). Bentuk linier dari stream function untuk
gelombang sampai orde ke-N dapat ditulis sebagai
berikut:
N
ψ ( x, z ) = Cz + ∑ X (n) sinh{nk (h + z )}cos nkx (2)
n =1
C
h
k
x
z
= Kecepatan gelombang
= profil permukaan gelombang
= bilangan gelombang
= perpindahan arah horizontal
= perpindahan arah vertical
2.2.6 Gaya Gelombang
Gaya hidrodinamika akibat gelombang pada tiang
silinder bergantung pada pola aliran di sekitar tiang
yang dipengaruhi oleh derajat kebergantungan aliran
oleh adanya tiang. Derajat kebergantungan aliran
ditentukan oleh perbandingan diameter tiang silinder
terhadapa panjang gelombang (D/L). Apabila D/L ≤
0.2, maka pola aliran fluida tidak akan terganggu dan
gaya gelombang dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan Morison. Sebaliknya, bila D/L > 0.2,
maka pola aliran akan mengalami difraksi dan gaya
gelombang dihitung dengan menggunakan teori
difraksi.
|U|
Cd
Cm
= gaya hidrodinamika per satuan panjang,
lb/ft (N/m)
= gaya drag per satuan panjang, lb/ft (N/m)
= gaya inertia per satuan panjang, lb/ft
(N/m)
= berat jenis air lb/ft3 (N/m3)
= percepatan gravitasi, ft/sec2 (m/sec2)
= Area proyeksi yang menghadap arah
gelombang per satuan panjang, ft, (m)
= Volume per satuan panjang ft2 (m2)
= Diameter, termasuk marine growth, ft (m)
= kecepatan (karena gelombang dan atau
arus), ft/sec (m/sec)
= nilai absolut dari U, ft/sec (m/sec)
= koefisien drag
= koefisien inersia
= percepatan local, ft/sec2 (m/sec2)
Tabel 1 Koefisien drag dan inersia
Smooth
Rough
Cd
0.65
1.05
Cm
1.6
1.2
2.2.7 Beban arus
Arus di laut biasanya terjadi akibat adanya pasang
surut dan gesekan angin pada permukaan air (winddrift current). Kecepatan arus dianggap pada arah
horizontal dan bervariasi menurut kedalaman. Besar
dan arah arus pasang surut di permukaan biasanya
ditentukan berdasarkan pengukuran di lokasi.
2.2.8 Beban Angin
Gaya angin yang mengenai struktur adalah fungsi
dari kecepatan angin, orientasi struktur, dan
karakteristik aerodinamik dari struktur dan setiap
elemennya adalah sebagai berikut:
1
(5)
F = ρ vw 2Cs A
2
F
ρ
Cs
vw
A
= Gaya angin
= massa jenis udara 1.226 kg/m3
= koefisien bentuk.
= kecepatan angin pada ketinggian 33 ft di
atas permukaan air.
= luas tegak lurus arah angin.
Koreksi kecepatan angin apabila tidak sama dengan
ketinggian referensi adalah sebagai berikut:
3
 z
vwZ = vwZ R  
 zR 
m
(6)
Vz R
= kecepatan angin pada ketinggian referensi.
z
zR
m
= ketinggian yang diinginkan.
= ketinggian referensi (33 ft).
= 1/8
Tabel 2 Koefisien bentuk
Bentuk
Beams
Sides of building
Cylindrical
Overall platform projected area
Cs
1.5
1.5
0.5
1
2.2.9 Marine Growth
Struktur yang terbenam di dalam air akan mengalami
peningkatan luas area melintang akibat adanya
marine growth. Marine growth ditimbulkan oleh
organisme laut yang menempel pada struktur.
Peningkatan luas melintang ini mengakibatkan gaya
gelombang yang diterima oleh struktur menjadi lebih
besar.
Gambar 4 Marine growth
2.2.10 Gaya Apung
Tekanan air pada struktur yang terendam terjadi
akibat berat air di atas struktur tersebut, dan akibat
gerakan air karena gelombang di sekitar struktur.
Tekanan air pada bagian struktur yang terendam
dapat menimbulkan tambahan tegangan pada bagian
tersebut. Gaya yang timbul akibat gerakan air karena
gelombang sudah diperhitungkan dalam persamaan
Morison.
Fh = γ f V
(7)
γf
= berat jenis air.
V
= volume struktur yang terendam.
sepanjang sisi luar dari pile dan tahanan dari end
bearing pada ujung pile. Hubungan antara transfer
soil-pile shear dan defleksi lokal pile di setiap
kedalaman digambarkan pada kurva t-z.
Bermacam-macam teori dan metode untuk
mengembangkan kurva untuk transfer beban axial
dan pile displacement, kurva (t-z). Teori kurva
digagas oleh Kraft, et al. (1981). Empiris kurva t-z
berdasarkan hasil dari model dan tes beban pada pile
dengan skala penuh mengacu pada prosedur untuk
tanah clay yang digambarkan oleh Cole dan Reese
(1966) atau tanah granular oleh Coyle, H.M. dan
Suliaman, I.H. Kurva tambahan untuk tanah clay dan
pasir dijelaskan oleh Vijayvergia, V.N. Pada
umumnya, kurva t-z berikut direkomendasikan untuk
tanah non-carbonate.
Tabel 3 Kurva t-z untuk tanah non-carbonate
Clay
Pasir
Z/D
t/tmax
Z(in)
t/tmax
0.0016
0.3
0
0
0.0031
0.5
0.1
1
0.0057
0.75
∞
1
0.008
0.9
0.01
1
0.02
0.70 - 0.90
∞
0.70 - 0.91
Bentuk dari kurva t-z pada saat displacement lebih
besar daripada zmax (gambar 2.10), harus
dipertimbangkan. Nilai dari perbandingan tres/tmax
pada axial displacement pada pile adalah fungsi dari
perilaku stress-strain tanah, stress yang terjadi
sebelumnya, metode instalasi pipa, rangkaian beban
pile, dan faktor-faktor lain. Nilai dari tres/tmax berkisar
antara 0.70 sampai 0.90.
2.2.11 Desain Pondasi Pile dan Kapasitas
Dukung Ultimate Tanah
Untuk menahan pembebanan dari struktur jacket
diperlukan pondasi dengan memperhitungkan daya
dukung tanah untuk melihat kemampuan tanah saat
dilakukan pemancangan tiang pancang (pile).
2.2.11.1 Reaksi Tanah Akibat Beban Aksial pada
Pile
Pondasi-pile harus dirancang utnuk menahan beban
axial statis dan siklis. Tahanan tanah ditimbulkan
oleh kelekatan dari tanah dan pile atau transfer beban
Grafik 2 Grafik (t-z) untuk transfer beban axial pada piledisplacement (API RP-2A WSD,2000)
4
2.2.11.2 Reaksi Tanah untuk Beban Lateral pada
Pile
Pondasi pile perlu dirancang untuk menopang bebanbeban lateral, baik statis maupun siklis. Perancang
harus memperhatikan kasus beban berlebih dimana
beban lateral yang diprediksikan pada pondasi
platform meningkat menurut safety factor. Perancang
perlu memastikan bahwa keseluruhan sistem pondasi
struktur tidak akan gagal akibat beban berlebih. Daya
tahan lateral dari tanah yang berdekatan dengan
permukaan sangat signifikan terhadap rancangan pile,
dan akibatnya adalah scour dan struktur tanah yang
tidak baik selama instalasi pile. Pada umumnya,
karena pengaruh beban lateral, tanah clay berperilaku
seperti material plastik yang mana membuat
fenomena ini sangat perlu untuk dihubungkan antara
deformasi pile-tanah dengan tahanan oleh tanah.
Untuk memfasilitasi prosedur ini, defleksi tahanan
lateral tanah, kurva p-y, harus dikonsep
menggunakan data stress-strain dari laboratorium
tanah. Tahanan tanah, p, sebagai sumbu x dan sumbu
y adalah defleksi tanah.
Hubungan tahanan lateral tanah dengan defleksi
untuk pile pada tanah clay umumnya adalah nonlinear. Kurva p-y untuk rentang waktu pendek pada
kasus beban statis didapatkan dari tabel berikut.
Tabel 4 Kurva p-y untuk rentang waktu pendek
p/pu
y/yc
0
0
0.5
1
0.72
3
1
8
1
∞
Selanjutnya dilakukan pemodelan global pada
MicroSAS II. Ada beberapa tahap dalam pemodelan,
yaitu pemodelan geometri dan pemodelan beban.
3.1
Pemodelan Struktur Global
Pemodelan
struktur
menggunakan
software
MicroSAS II vers 1.1.1. Data gambar struktur yang
digunakan untuk pemodelan adalah data gambar dari
technical drawing Marlin B platform. Dimana data
tersebut meliputi dimensi jacket dan top side serta
jenis material yang digunakan. Setelah properties
didefinisikan dari tiap-tiap member, akan diketahui
berat struktur (self weight).
3.2
Pemodelan Beban
Beban mati struktur meliputi berat seluruh kaki
jacket, jacket bracing, piles, joint cans, jacket
appurtenances, deck plate, grating, deck beams,
girders,
dan
trusses.
Faktor
contingency
dimungkinkan untuk mewakili berat stiffeners,
padeyes, equipment support dan las.
Beban Equipment dan muatan juga merupakan beban
untuk piping, electrical, instrumentation dan alat
keselamatan. Pada dasarnya yang perlu diperhatiakan
adalah pada saat perancangan keseluruhan, dimana
dimungkinkan kondisi disaat:
• Beban equipment dan muatan dalam kondisi
kosong.
•
Beban equipment dan muatan penuh atau
dalam kondisi operasi
Beban keseluruhan architectural, yaitu termasuk
dinding, pintu, jendela, furniture, lantai, dan juga
perangkat di ruangan kontrol.
2.2.12 Tegangan Von Mises
Teori tegangan Von Mises yang akan dibandingkan
dengan tegangan ijin maksimum dari yield strength
suatu material:
Beban crane pada platform dan moment diberikan
pada bagian paling atas crane pedestal.
Tabel 5 Beban crane
Crane Design Load
(2.13)
Dengan:
=
ΣHVM
σX
=
σY
=
τXY
=
tegangan von mises, Pa
Tegangan normal sumbu-x , Pa
Tegangan normal sumbu-y, Pa
Tegangan geser, Pa
Jika menggunakan Tegangan utama, σ1 dan σ2:
(2.14)
3. METODOLOGI
Dilakukan studi literatur dan pengumpulan data yang
meliputi mempelajari buku, diktat, jurnal, dan
laporan tugas akhir yang membahas pokok
permasalahan yang sama dnegan penelitian ini.
Platform Crane
Crane Dead Load
Crane pedestal weight
Maximum Crane Live Load
Case 1: with Maximum Dynamic Moment
Case 2: with Maximum Dynamic Axial Load
Crane Loads
Axial Load OTM
kN
kNm
1370
334
1769
1985
35600
23004
Beban hidup diberikan pada daerah dengan deck
terbuka atau deck yang tak terdapat sesuatu di
atasnya, dimana dimungkinkan adanya beban yang
akan diterima. Beban yang terjadi bervariasi,
bergantung pada penggunaan area tersebut.
Beban Marlin B Platform dirancang untuk menopang
beban drilling rig, yang diberikan pada skid beam di
main deck.
5
Tabel 6 Beban rig
Inplace
Analysis
Rig Self weight, 937 kips
425 MT
Total substructure weight, 1016 kips
461 MT
Mud Tank, 510 kips
231 MT
Hook Pull, 750 kips
341 MT
Set Back, 600 kips
272 MT
Upper skidding package LL, 50 kips
23 MT
TOTAL 1752 MT
Rig - 175 Drill Module (DM) loads
Langkah awal dalam melakukan pemodelan beban
gelombang adalah dengan menentukan teori
gelombang yang akan digunakan dalam pemodelan.
Teori gelombang yang akan dipakai dapat ditentukan
dengan menggunakan grafik Regions of Applicability
of Stream Function, Stokes V and Linear Wave
Theory API RP 2A WSD. Berdasarkan data yang
ada, yaitu kedalaman perairan dan data gelombang,
maka teori yang digunakan adalah teori gelombang
Stream Function.
Sedangkan untuk arah pembebanan menggunakan
sepuluh arah, dimana dua arah (1130 dan 3380)
merupakan arah dimana dimungkinkan terjadiya nilai
kritis karena parameter gelombang dan arus yang
besar. Pada umumnya, arah pembebanan dilakukan
berdasarkan delapan arah pembebanan. Namun tidak
menutup kemungkinan untuk ditambahkan menjadi
lebih dari delapan arah pembebanan. Orientasi arah
pembebanan dapat dilihat pada gambar di bawah.
Beban arus dan beban angin disesuaikan dengan data
yang ada. Untuk beban angin, diasumsikan searah
(concurrently) dengan beban gelombang.
3.3
Beban Kombinasi
a. Kondisi operasi:
• Beban mati dan hidup (kecuali untuk
pengeboran dan beban crane).
• Beban pengeboran dengan beberapa variasi
posisi.
• Beban crane dengan beban hidup.
b. Kondisi ekstrem dengan pengeboran:
• Beban mati dan hidup (kecuali untuk
pengeboran dan beban crane)
• Beban rig dengan beberapa variasi posisi.
c. Kondisi ekstrem tanpa pengeboran:
• Beban mati dan hidup (kecuali beban crane).
• Tidak ada beban rig.
Gambar 5 Pemodelan struktur global
3.4
Pemodelan Struktur Lokal
Pemodelan ini berdasarkan nilai reaksi pile head
terbesar yang didapatkan dari analisa global. Nilai
reaksi terbesar digunakan sebagai acuan dalam
pemilihan skirt pile yang akan dianalisa. Dipilih
empat load case untuk nilai reaksi terbesar, yaitu dua
untuk kondisi beban operasional dan dua untuk
kondisi beban ekstrem. Dari empat load case
tersebut, didapatkan nilai displacement brace joint
terdekat dengan skirt pile dari analisa global.
Selanjutnya nilai displacement tersebut digunakan
sebagai input dalam pemodelan lokal pada software
ANSYS Multiphysics.
Pada pemodelan Finite Element dengan software
ANSYS Multiphysics, dipilih elemen SHELL 93
dengan delapan simpul untuk pemodelan skirt sleeve,
top yoke plate, bottom yoke plate, main shear plates,
dan external shear plates. Sedangkan brace yang
terhubung dengan jacket leg dimodelkan dengan
elemen PIPE16. Namun tidak seluruh bagian brace
dimodelkan dengan PIPE16, brace yang melekat
pada jacket leg dimodelkan dengan elemen
SHELL93 sampai dengan kira-kira tiga kali diameter,
dimana
dimungkinkan
pengaruh
konsentrasi
tegangan tidak begitu besar atau minimum dari
pertemuan antara jacket leg dengan brace.
Pemodelan perilaku skirt pile dalakukan dengan
bantuan software ANSYS Multiphysics 12 dengan
material properties sebagai berikut:
• Young’s modulus, E
• Shear modulus, G
• Poisson’s ratio, µ
= 2.0 x 105 N/mm2
= 8.0 x 104 N/mm2
= 0.30
6
• Density of steel
• Yield strength, Fy (t<65mm)
• Yield strength, Fy (t≥65mm)
= 7.850 kg/mm3
= 345 N/mm2
= 324 N/mm2
Syarat batas untuk pemodelan Finite Element berada
pada pile head seperti yang dilakukan pada analisa
global, dimana seluruh gerakan translasi maupun
rotasi pada daerah ini tidak akan terjadi (fix).
Pile yang berada di dalam skirt sleeve dimodelkan
dengan PIPE16. Diameter luar sebesar 2650mm dan
ketebalan 91,02mm.
3.6
Mesh Sensitivity Analysis
Meshing pada elemen dilakukan setelah hasil dari
mesh sensitivity analysis didapatkan. Analisa ini
memberikan nilai yang dibutuhkan untuk melakukan
mesh pada suatu elemen. Digambarkan pada suatu
grafik, dimana sumbu x terdefinisi sebagai
banyaknya elemen mesh dan sumbu y adalah output
tegangan pada titik tertentu. Beban yang diberikan
terhadap titik tersebut adalah tetap. Luasan mesh
didapatkan
ketika
angka
tegangan
sudah
menunjukkan nilai yang mulai konstan.
Grafik 3 Grafik perbandingan nilai displacement dengan
jumlah elemen
Mesh Sensitivity Analysis
0.025
1604
0.02
t
n
e 0.015
m
ce
al
sp
i 0.01
D
2567
0.005
6230
13644
51148
0
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
Jumlah Elemen
Gambar 6 Pemodelan struktur lokal
Skirt Pile pada Platform Marlin B menggunakan
grouting untuk memberikan kekauan pada bagian
skirt pile. Grout pada bagian antara pile dan skirt
sleeve diasumsikan sebagai rigid region.
Grafik 4 Grafik perbandingan nilai stress dengan jumlah
elemen
Mesh Sensitivity Analysis
350
1604
300
250
Rigid Region
ss 200
e
trS
150
2567
100
50
Pile node
6230
13644
51148
0
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
Jumlah Elemen
Shell Sleeve
Gambar 7 Rigid region
3.5
Pembebanan
Pembebanan pada pemodelan lokal didapatkan dari
reaksi analisa global. Dimana terletak pada pile head,
yaitu ujung atas dari pile di bawah mudline.
Berdasarkan analisa global, dipilih kondisi yang
paling kritis saat kondisi operasi maupun kondisi
ekstrem.
a.
b.
c.
d.
Load Case JR18O-270MX (operasional)
Load Case JR18O-315MX (operasional)
Load Case JR03E-045MN (ekstrem)
Load Case JR18E-315MN (ekstrem)
4. ANALISA DAN PEMBAHASAN
Dari empat load case paling kritis yang telah
didapatkan pada analisa global menggunakan
software MicroSAS II, yang selanjutnya diteruskan
dengan analisa lokal yang menggunakan software
ANSYS Multiphysics 12, telah didapatkan hasil yang
akan ditampilkan berupa tegangan von mises dan
displacement. Sehingga tujuan kajian sudah tercapai.
Digunakan dua standarisasi atau code untuk menilai
kemampuan struktur dalam menerima beban, yaitu:
1.
ASME B31.4-2006, Pipeline Transportation
Systems for Liquid Hydrocarbons and other
Liquids.
Max. Allowable Von Mises Stress ≤ 0.9
Specified Minimum Yield Stregth
7
2.
ABS Safehull-Dynamic Loading Approach’
for Floating Production, Storage and
Offloading (Fpso) Systems 2001, for the
‘SH-DLA’ Classification Notation.
Max. Allowable Von Mises Stress ≤ 0.9
Specified Minimum Yield Stregth
3.
ABS Mobile Offshore Drilling Units 2001,
Part 3: Hull Construction and Equipment.
Von Mises Stress = Yield Stregth / Factor
Safety
Tabel 9 Tegangan Von Mises akibat load case JR03E045MN
Component
Jacket Leg
Top Yoke Plate
Flange Plate
Bottom Yoke Plate
Main Shear Plate
External Shear Plate
Skirt Sleeve
Stress (Mpa)
Von Mises
Yield
236
324
292
345
57.8
345
193
324
231
345
310
345
89.7
345
Allowable Stress (Mpa) Thickness Displacement
Remark
ASME ABS² ABS³
meter
meter
291.6
291.6 291.9
0.10
0.012
PASS
0.017
310.5
310.5 310.8
0.06
PASS
310.5
310.5 310.8
0.03
0.014
PASS
0.023
291.6
291.6 291.9
0.05
PASS
310.5
310.5 310.8
0.06
0.017
PASS
0.017
310.5
310.5 310.8
0.05
PASS
310.5
310.5 310.8
0.06
0.022
PASS
Tabel 10 Tegangan Von Mises akibat load case JR18E315MN
Component
Jacket Leg
Top Yoke Plate
Flange Plate
Bottom Yoke Plate
Main Shear Plate
External Shear Plate
Skirt Sleeve
Stress (Mpa)
Von Mises
Yield
180
324
231
345
39.3
345
210
324
188
345
273
345
121
345
Allowable Stress (Mpa) Thickness Displacement
Remark
ASME ABS² ABS³
meter
meter
291.6
291.6 291.9
0.10
0.007
PASS
0.012
310.5
310.5 310.8
0.06
PASS
310.5
310.5 310.8
0.03
0.010
PASS
0.014
291.6
291.6 291.9
0.05
PASS
310.5
310.5 310.8
0.06
0.010
PASS
0.010
310.5
310.5 310.8
0.05
PASS
310.5
310.5 310.8
0.06
0.014
PASS
Factor Safety ≤ 1.11 untuk beban kombinasi
4.
Modern Structural Analysis: Modelling
Process and Guidance.
Max. Deflection ≤ plate depth
Ada dua cara dalam pemodelan hubungan antara pile
dan sleeve, yaitu dengan grouting dan tanpa grouting.
Pada kondisi sebenarnya, grouting menggunakan
material concrete untuk mengisi ruang kosong antara
pile dan sleeve. Grouting tersebut menyebabkan
struktur menjadi lebih kaku sehingga nilai tegangan
yang terjadi tidak terlalu tinggi.
Sedangkan jika dilakukan tanpa grouting, ruang
kosong antara pile dan sleeve akan diisi dengan
udara. Kondisi tersebut menyebabkan nilai tegangan
yang terjadi relatif menjadi lebih besar.
Seperti yang sudah dijelaskan pada bab sebelumnya,
pada penelitian ini asumsi grouting yaitu
menggunakan rigid region. Sehingga bagian tersebut
sangat kaku, yang menyebabkan tegangan yang
terjadi tidak terlampau tinggi.
Tabel 7 Tegangan Von Mises akibat load case JR18O270MX
Component
Jacket Leg
Top Yoke Plate
Flange Plate
Bottom Yoke Plate
Main Shear Plate
External Shear Plate
Skirt Sleeve
Stress (Mpa)
Von Mises
Yield
160
324
210
345
22.8
345
121
324
171
345
174
345
163
345
Allowable Stress (Mpa) Thickness Displacement
Remark
ASME ¹ ABS² ABS³
meter
meter
291.6
291.6 291.9
0.10
0.005
PASS
0.007
310.5
310.5 310.8
0.06
PASS
310.5
310.5 310.8
0.03
0.006
PASS
0.007
291.6
291.6 291.9
0.05
PASS
310.5
310.5 310.8
0.06
0.007
PASS
0.007
310.5
310.5 310.8
0.05
PASS
310.5
310.5 310.8
0.06
0.008
PASS
5. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
Kesimpulan
Beberapa kesimpulan yang dapat disampaikan dari
kajian ini antara lain:
1.
Nilai Tegangan von mises terbesar terdapat
pada bagian external shear plate untuk
kondisi pembebanan JR03E-045MN, yaitu
dengan nilai 310 MPa. Sehingga masih
diperbolehkan karena tidak melibihi dari
nilai tegangan ijin sebesar 310.5 dan 310.8
MPa pada code ASME dan ABS.
2.
Nilai displacement terbesar terdapat pada
bagian bottom yoke plate untuk kondisi
pembebanan JR03E-045MN, yaitu dengan
nilai 0.023 meter. Menurut buku Modern
Structural Analysis: Modelling Process and
Guidance, nilai displacement tersebut masih
memenuhi kriteria karena tindak melebihi
dari ketebalan pelat.
5.2
Saran
Saran yang dapat diberikan untuk kajian lebih lanjut
mengenai tugas akhir ini antara lain:
1.
Syarat batas tidak seharusnya fix karena
dimungkinkan adanya sifat pegas dan redam
dari bagian jacket yang tidak dimodelkan
sehingga didapatkan hasil yang mendekati
kondisi lapangan.
2.
Hasil yang diperoleh akan lebih mendekati
nilai yang sebenarnya jika karakteristik
grout diterapkan pada pemodelan local
dengan menggunakan elemen dan parameter
yang dapat mewakili sifat grout.
3.
Mesh yang lebih kecil lebih dianjurkan
untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat
tentunya dengan melakukan Mesh sensitivity
Analysis terlebih dahulu.
4.
Menggunakan pendekatan substructure pada
bagian skirt pile.
Tabel 8 Tegangan Von Mises akibat load case JR18O315MX
Component
Jacket Leg
Top Yoke Plate
Flange Plate
Bottom Yoke Plate
Main Shear Plate
External Shear Plate
Skirt Sleeve
Stress (Mpa)
Von Mises
Yield
171
324
220
345
30.5
345
152
324
178
345
201
345
121
345
Allowable Stress (Mpa) Thickness Displacement
Remark
ASME ABS² ABS³
meter
meter
291.6
291.6 291.9
0.10
0.006
PASS
0.009
310.5
310.5 310.8
0.06
PASS
310.5
310.5 310.8
0.03
0.008
PASS
0.010
291.6
291.6 291.9
0.05
PASS
310.5
310.5 310.8
0.06
0.009
PASS
0.009
310.5
310.5 310.8
0.05
PASS
310.5
310.5 310.8
0.06
0.010
PASS
8
DAFTAR PUSTAKA
ABS, 2001, Mobile Offshore Drilling Units, Part 3:
Hull Construction and Equipment.
ABS, 2001, Safehull-Dynamic Loading Approach’
for Floating Production, Storage and
Offloading (Fpso) Systems, for the ‘SHDLA’ Classification Notation.
American Institute of Steel Construction, 1989,
Allowable Stress Design Manual 9th
Edition.
American Petroleum Institute, 2002, Recommended
Practice For Planning and Constructing
Fixed Offshore Platform - Working Stress
Design, API Recommended Practice 2A
(RP 2A) WSD.
ANSYS Multiphysics 12, 2009, User Manual
Guide, Ansys Inc.
ASME B31.4, 2006, Pipeline Transportation
Systems for Liquid Hydrocarbons and
other Liquids.
Barltrop, N. D. P., 1988, Floating Structures: a
guide for design analysis Volume One,
Ledbury. England: The Centre for Marine
and Petroleum Technology.
Chakrabarti, S. K., 1987, Hydrodynamics of
Offshore Structure, Southampton, Boston
USA:
Computational
Mechanics
Publications.
Chakrabarti S. K., 2005, Handbook of Offshore
Engineering, Plainfield, Illinois, USA:
Elsevier.
Coyle, H. M., et al, 1966, Soil Mechanics and
Foundations Division for Load Transfer
for Axially Loaded Piles in Clay, ASCE
Journal, Vol. 92, No. 1052.
Coyle, H. M., et al, 1967, Skin Friction for Steel
Piles in Sand, Journal of the Soil Mechanics
and Foundation Division, Proceedings of the
American Society of Civil Engineers, Vol.
93, No. SM6, November, 1967, p. 261–278.
Dean,
R.
G.,
1965,
Stream
Function
Representation of Non-Linear Ocean
Waves, Journal of Geophysical Research,
Vol. 70. pp. 4561-4572.
Gerwick,Ben C. Jr., 2000, Construction of Marine
and Offshore Structures Second Edition,
Washington, D. C: CRC press.
Hastanto, E. S., 2005, Analisa Ultimate Strenght
Struktur Jacket LE Berbasis Keandalan,
Jurusan Teknik Kelautan, FTK-ITS,
Surabaya.
http://www.me.mtu.edu/~bettig/MEEM4405/Lecture
12.pdf, 7 Februari 2011.
http://www.naturalgas.org/naturalgas/extraction_offs
hore.asp, 11 januari 2011.
Kraft, et al, 1981, Lateral Pile Response During
Earthquakes, Journal of the Geotechnical
Engineering Division, ASCE, Vol. 109, No.
GT12, Paper No. 16735, December 1981.
Macleod, Iain, 2005, Modern Structural Analysis:
Modelling Process and Guidance, London:
Thomas Telford Limited.
McClelland, 1986, Planning and Design of Fixed
Offshore Platforms, Van Nostrand
Reinhold Company: New York.
McDermott, 2008, Structural Basis of Design,
Document No.: R2312-22-ST-BOD-00001.
MicroSAS, 2007, User Manual Guide, McDermott
Inc. USA.
Mohd Nor, NK, 1996, FE Analysis of an Integrated
Plate
Connection
between
Jacket
Structure and Skirt-Pile Sleeve, Report
96:9, Master Thesis, Department of
Structural Mechanics, Chalmers University
of Technology, Sweden.
Morison, J. R., et al, 1950, The Force Exerted by
Surface Waves on Piles, Petroleum
Transactions, American Institute of Mining
and Metal Engineering, Vol. 4, pp. 11-22.
Pogonowski, 1972, Reversed Slope Skirt Pile
Marine Platform Anchoring, United states
Patent, Texaco Inc., New York.
Popov, E. P., 1993, Mekanika Teknik, Jakarta:
Penerbit Erlangga.
Vijayvergia, V.N., 1977, Load Movement
Characteristics of Piles, Proceedings of the
Ports‘77 Conference, American Society of
Civil Engineers, Vol. II, p. 269–284.
Will, 1987, Composite Leg Platform, United States
Patent, McDermott Inc., New Orleans.
9