BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.4. PEMBEBANAN
Dalam proses perancangan struktur lepas pantai (offshore structure), penentuan kemampuan kerja struktur dipengaruhi oleh beban yang bekerja pada struktur tersebut. Perancang harus menentukan akurasi beban yang akan dipakai dalam perancangan offshore structure terlebih dahulu. Beban-beban yang harus dipertimbangkan oleh perancang dalam perancangan offshore structure adalah sebagai berikut:
a. Beban mati (dead load).
Beban mati adalah beban dari semua komponen kering serta peralatan, perlengkapan dan permesinan yang tidak berubah dari mode operasi pada suatu struktur, meliputi : berat struktur, berat peralatan dan berat permesinan yang digunakan dalam proses pengeboran ketika sedang tidak dioperasikan. Pada gas processing module, yang termasuk beban mati adalah beban struktur topside itu sendiri, beban-beban equipment pada topside.
b. Beban hidup (live load).
Beban hidup adalah beban yang terjadi pada struktur selama dipakai/berfungsi dan berubah dari mode operasi satu ke mode operasi yang lain. Contoh beban yang termasuk kedalam beban hidup ini adalah beban yang diakibatkan oleh pengoperasian mesin atau peralatan lainnya pada suatu struktur. Contoh beban hidup pada gas processing module adalah beban perpipaan yang berubah setiap mode operasi.
c. Beban akibat kecelakaan (accidental load).
Beban kecelakaan merupakan beban yang tidak dapat diduga sebelumnya yang terjadi pada struktur, misalnya tabrakan dengan kapal pemandu operasi, putusnya tali tambat (mooring) dan kebakaran. Pada gas processing module, yang termasuk
16
beban kecelakaan yang mungkin terjadi adalah kebakaran pada module, module tertimpa benda dari atas (misalnya dari crane atau struktur lain yang menimpa modul). Namun pada kajian tugas akhir ini, tidak dilakukan analisa terhadap beban kecelakaan.
d. Beban lingkungan (environmental load).
Beban lingkungan adalah beban yang terjadi karena dipengaruhi oleh lingkungan dimana suatu struktur lepas pantai dioperasikan atau bekerja. Beban lingkungan yang digunakan dalam perancangan adalah beban angin, arus dan gelombang. Gregersen (1989) menyebutkan bangunan lepas pantai dipengaruhi oleh beban lingkungan berkelanjutan yang diakibatkan oleh angin, gelombang dan arus. Pada Zachharya (1998) juga menyebutkan pembebanan pada struktur diperkirakan fungsi dari beberapa variabel, misalnya tinggi gelombang, periode gelombang, kecepatan angin, arah angin dan arus. Akibat dari beban yang bekerja pada struktur, maka struktur menghasilkan respon terhadap beban tersebut. Apabila beban yang bekerja bersifat ekstrem, struktur juga mengalami respon ekstrem. Hegenmeijer (1990) menyatakan respon ekstrem pada bangunan lepas pantai didominasi oleh ketidaklinearan proses gaya fluida.
Beban lingkungan yang bekerja pada FPSO akan mempengaruhi pola gerakan yang terjadi. Dalam hal ini beban gelombang merupakan beban yang paling mempengaruhi pola gerakan FPSO. Model gelombang laut, ditetapkan pertama pada tahun 1950-an, di mana permukaan air laut dideskripsikan dengan superposisi dari jumlah yang sangat banyak dari gelombang sinusoidal, setiap komponen mempunyai frekuensi, ampitudo, arah, dan phase tertentu. Model ini telah digunakan oleh ahli bangunan kapal dalam menghadapi respon kapal dan beban pada gelombang irregular. (Ewing, 1990). Selanjutnya pada Brynjoifsson (1987) dikarenakan beban gelombang bersifat acak, lebih tepat untuk menggunakan analisa frekuensi-domain untuk menentukan respon dari struktur lepas pantai.
17
2.4.1. Beban Gelombang
Battacharyya (1978) menyatakan gelombang laut terbentuk karena permukaan laut terkena hembusan angin terus menerus. Besarnya gelombang tergantung dari intensitas, jangka waktu, dan jarak angin berhembus (fetch length). Gelombang menyerap energi dari angin, dan sebaliknya mengeluarkan energi untuk penyebaran. Nilai tinggi gelombang signifikan Hs dan periode gelombang signifikan Ts ditunjukkan pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Periode Ulang Gelombang Perairan Natuna (Conoco Phlips, 2002)
Deskripsi Gelombang Hs ( m) Tp (s) 1tahunan 2.9 9.1 10tahunan 4.1 10.3 100tahunan 5.3 11.1
Dalam perhitungan beban gelombang, gelombang yang digunakan adalah gelombang return period untuk 1tahunan, 10tahunan, dan 100tahunan. Periode ulang gelombang atau gelombang return period dapat dicari dengan analisis gelombang kurun waktu panjang [LTWA (long-term wave analysis)]. LTWA adalah analisis yang dilakukan terhadap kumpulan data-data gelombang yang telah diperoleh dalam kurun waktu tahunan (minimal 1tahun).
Distribusi gelombang dalam kurun waktu panjang dapat didekati dengan distribusi kontinyu dari Weibull. Persamaan linier dari fungsi kepadatan peluang [PDF (probability density function)] diberikan dalam bentuk sebagai berikut:
(2.1)
dengan:
P(H) = peluang terjadinya gelombang
= parameter bentuk dengan harga umum antara 0,75 s.d. 2,0;
sedangkan untuk gelombang laut umumnya berkisar antara 0,9 s.d. 1,1 (Naess: 0,7 s.d. 1,3)
18
= parameter skala yang harganya tergantung dari harga ekstrim variabel x;
atau untuk gelombang laut adalah harga tinggi ekstremnya, yakni yang terjadi sekali dalam kurun waktu panjang (m)
x = intensitas obyek/parameter yang ditinjau; misalnya tinggi gelombang, sehingga x = H
Distribusi Weibull dapat diaproksimasi dengan kurva berbentuk garis lurus bila variabel x pada ruas kanan persamaan di atas diganti dengan (H – a). Variabel a disini adalah ukuran ambang tinggi gelombang (threshold wave height), yaitu tinggi gelombang terkecil yang terjadi di suatu perairan. Untuk perairan tertutup a dapat mempunyai harga sangat kecil (0), sedangkan untuk perairan terbuka dapat mempunyai harga antara 0,5 s.d. 2,0m. Kurva distribusi Weibull akan mempunyai bentuk garis lurus jika digambarkan pada grafik yang mengkorelasikan ln{ln[1/1-P(H)]} sebagai ordinat dan ln(H –a) sebagai sebagai absisnya.
Tinggi gelombang yang digunakan adalah tinggi gelombang signifikan (HS), jika gelombang yang diketahui adalah tinggi gelombang maksimum (Hmax), maka HS
dapat dicari dengan:
(2.2) Faktor lain yang berpengaruh terhadap kekuatan scantling module support system pada FPSO adalah gerakan dari FPSO. Gerakan FPSO mempengaruhi scantling dalam bentuk beban inersia. Gerakan FPSO perlu ditransformasikan terhadap gerakan dari scantling module. Dari transformasi gerakan maka akan didapatkan percepatan yang terjadi, mengingat beban inersia diakibatkan oleh benda yang mengalami percepatan.
Dikarenakan bangunan FPSO mengalami gerak kopel, maka peralatan-peralatan di atas FPSO juga mengalami hal yang sama. Struktur module di atas FPSO juga mengalami gaya inersia yang diakibatkan beban gelombang. Martins (2007) menyatakan bahwa dengan menggunakan hukum Newton kedua, gaya luar yang bekerja pada pusat gravitasi didapatkan persamaan:
19 Seperti tampak pada ilustrasi Gambar 2.4, jika FPSO bergerak translasi searah “a” maka terjadi gaya inersia pada sambungan geladak dengan kaki modul akibat beban gelombang. Bhattacharyya (1978) menyebutkan pada gerakan heaving, gerakan dari kapal adalah linear oleh karena itu beban inersia dapat diberikan pada persamaan berikut:
(2.4)
Gambar 2.3 Kecepatan dan Koordinat Sistem (Martins, 2007)
Beban inersia dipengaruhi oleh arah percepatan, bekerja pada arah vertikal ke atas dan kebawah. Gambar 2.3 menunjukkan arah gerakan kecepatan yang bekerja pada kapal. Pada gerakan rotasional, percepatan linear atau tangensial didapatkan dengan persamaan:
(2.5)
(2.6)
Dengan r adalah jarak antara komponen ditinjau dengan COG bangunan apung. Jari-jari girasi r ini digunakan sebagai tranformasi percepatan bangunan atas terhadap percepatan bangunan apung.
Pada Gambar 2.4 dapat diketahui module yang berada di atas FPSO. Saat terjadi gerakan translasi, baik surge, sway, maupun heave pada FPSO, module juga ikut
20
bergerak searah gerakan FPSO. Hal ini tentunya sangat mempengaruhi kekuatan dari struktur penyangga module tersebut.
Mengingat pentingnya faktor pengaruh gerak FPSO terhadap timbulnya beban inersia pada scantling, maka perlu dipahami terlebih dahulu karakteristik gerakan FPSO.
Pada dasarnya benda yang mengapung mempunyai enam mode gerakan bebas [SDOF (Six Degree Of Freedom)] yang terbagi menjadi dua jenis, yaitu tiga mode gerakan translasional dan tiga mode gerakan rotasional (Battacharyya, 1978). Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5. Berikut adalah keenam mode gerakan tersebut:
i. Mode gerak translasional
- Surge, gerakan transversal arah sumbu x. - Sway, gerakan transversal arah sumbu y. - Heave, gerakan transversal arah sumbu z. ii. Mode gerak rotasional.
- Roll, gerakan rotasional arah sumbu x. - Pitch, gerakan rotasional arah sumbu y. - Yaw, gerakan rotasional arah sumbu z.
Wmodule
a translasi
a translasi
Deck
CL
21
Gambar II.5 Six Degree Of Freedom (SDOF) pada FPSO (Wahyudi, 2009)
2.4.2. Beban Angin
Untuk mendapatkan nilai ekstrem dilakukan perhitungan beban angin mengacu pada DnV-RP-C205 dan ABS MODU. Kemudian dibandingkan hasil perhitungan dari kedua acuan tersebut.
Pada DNV RP-C-205 (2007) gaya angin pada yang mengenai struktur dapat dihitung dengan persamaan:
(2.7)
dengan:
Fw = gaya angin (N) C = koefisien bentuk q = tekanan angin
S = area yang terkena gaya angin
α = sudut antara arah angin dengan sumbu aksial dari member.
Jika beberapa bagian struktur terletak searah normal arah angin, seagai contoh plane truss atau beberapa rangkaian kolom, maka solidification effect harus dipertimbangkan. Maka beban angin dapat dihitung dengan persamaan:
(2.8)
dengan:
Ce = Koefisien bentuk efektif q = tekanan angin
22
S = area yang terkena gaya angin Φ = solidity ratio
α = sudut antara arah angin dengan sumbu aksial dari member.
Solidity ratio Φ adalah perbandingan antara luasan area solid yang terkena beban angin dengan luasan frame searah dengan arah datangnya angin.
Dimana untuk tekanan angin q didapatkan dengan persamaan:
(2.9)
dengan:
ρa = massa jenis udara (1.226 kg/m3)
UT,Z = kecepatan angin pada ketinggian Z meter dari MWL (m/s) Kecepatan angin tiap elevasi dapat dihitung dengan persamaan berikut:
(2.10) dengan:
Vh = kecepatan angin pada elevasi (m/s) V10 = kecepatan angin pada elevasi 10m (m/s) h10 = ketinggian referensi (10 m)
Nilai Reynolds Number Re didapatkan dengan persamaan:
(2.11)
dengan:
D = diameter (m)
UT,z = kecepatan angin pada elevasi z (m/s) va = viskositas kinematis udara
23 Nilai koefisien bentuk efektif didapatkan dengan mengacu pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3 Nilai Koefisien Bentuk Efektif (DnV,2007)
Solidity Ratio
Φ
Efficient shape coefficient Ce Flat-side members Circular sections Re < 4.2 x 105 Re ≥ 4.2 x 105 0.10 1.9 1.2 0.7 0.20 1.8 1.2 0.8 0.30 1.7 1.2 0.8 0.40 1.7 1.1 0.8 0.50 1.6 1.1 0.8 0.75 1.6 1.5 1.4 1.00 2.0 2.0 2.0
Jika dua atau lebih frame paralel satu sama lain berada dibelakang arah angin, maka perlu diperhatikan nilai shielding effect. Beban angin pada shield frame dapat dihitung dengan persamaan:
(2.12) Nilai shielding factor η didapatkan dari Tabel 2.4.
Tabel 2.4 Shielding Factor (DnV,2007)
Β α 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 < 1.0 1.0 0.96 0.90 0.80 0.68 0.54 0.44 0.37 2.0 1.0 0.97 0.91 0.82 0.71 0.58 0.49 0.43 3.0 1.0 0.97 0.92 0.84 0.74 0.63 0.54 0.48 4.0 1.0 0.98 0.93 0.86 0.77 0.67 0.59 0.54 5.0 1.0 0.98 0.94 0.88 0.80 0.71 0.64 0.60 > 6.0 1.0 0.99 0.95 0.90 0.83 0.75 0.69 0.66 dengan,
α = spacing ratio, perbandingan antara jarak frame ke frame dengan dimensi keseluruhan dari frame terakhir searah dengan arah angin. β = aerodynamic solidity ratio, β = Φ x a
a = konstanta (1.6 untuk flat-sided member , 1.2 untuk circular subcritical range, 0.6 untuk circular supercritical range)
Pada ABS MODU (2001) gaya angin pada yang mengenai struktur dapat dihitung dengan persamaan:
24
F = 0.5 ρ Vk2
Ch Cs A (2.13)
dengan,
ρ = berat jenis udara (1.22 kg/m3) Vk = kecepatan angin (m/s)
Ch = height coefficient Cs = shape coefficient
A = Luas permukaan yang terkena beban angin
Nilai Ch untuk tiap cerobong didapatkan dengan menggunakan Tabel 2.5
Tabel 2.5 Height Coefficient (ABS, 2001)
Height (m) Height (ft) Ch 0-15.3 0-50 1.0 15.3-30.5 50-100 1.1 30.5-46.0 100-150 1.2 46.0-61.0 150-200 1.3 61.0-76.0 200-250 1.37 76.0-91.5 250-300 1.43 91.5-106.5 300-350 1.48
Nilai Cs untuk tiap cerobong didapatkan dengan menggunakan Tabel 2.6
Tabel 2.6 Shape Coefficient (ABS,2001)
Shape of Structure Cs
Spherical 0.4
Cylindrical Shapes (all sizes) used for crane pedestals, booms, helidecks, etc 0.5
Hull, based on block projected area 1.0
Deck houses 1.0
Clusters of deck houses and other structures, based on block projected area 1.1 Isolated structural shapes (e.g. cranes, angle chanel beams, etc) 1.5
Under deck areas (smooth) 1.0
Under deck surface (exposed beams and girders) 1.3
Rig derrick, each face, assuming fabricated from angle 1.25
2.4.3. Beban Operasional
Pada module terdapat equipment yang memiliki berat sendiri. Selain berat sendiri dari tiap equipment serta berat konstruksi module, pada equipment terdapat berat dari fluida-fluida yang mengalir di dalamnya. Pada Gambar 2.6 ditunjukkan massa module beserta equipment di atasnya yang dipengaruhi oleh gravitasi sehingga menyebabkan struktur penyangga module menerima beban dari atas.