Abstrak— Keselamatan merupakan faktor yang sangat penting dalam pengoperasian struktur di laut, baik itu floating structures maupun fixed structures. Karena itulah perlu dilakukan analisis ulang pada struktur yang telah dimodifikasi untuk mengetahui apakah struktur tersebut masih aman untuk beroperasi. Pada paper ini akan dianalisis tegangan lokal yang terjadi pada konstruksi windlass jenis smit bracket pada bow FSO Arco Ardjuna akibat modifikasi sistem offloading yang awalnya menggunakan sistem side by side kemudian dilengkapi dengan system offloading tandem. Studi kasus ini awalnya dilakukan analisis perilaku gerak Single Point Mooring, FSO Arco Ardjuna, dan Shuttle Tanker pada kondisi free floating, kemudian akan diketahui tension terbesar pada hawser yang menghubungkan SPM dengan FSO. Berdasarkan tension terbesar yang didapatkan, akan dilakukan analisis tegangan lokal smit bracket pada bow FSO. Berdasarkan pemodelan yang dilakukan, diketahui bahwa gerak dominan pada SPM adalah pitch sebesar 2.2810/m, untuk FSO gerak osilasi terbesar ialah roll pada light conditon sebesar 7.5720/m, sama halnya dengan shuttle tanker yang gerak osilasi rotasional roll-nya sebesar 9.7520/m. Berdasarkan simulasi yang dilakukan untuk mendapatkan tension maksimum, didapatkan tension terbesar hawser pada kondisi FSO light dan shuttle tanker full sebesar 1127.531 kN pada sudut pembebanan 00 dengan safety factor 3.631. Safety factor tersebut lebih besar dari yang disyaratkan oleh ABS, yaitu 1.82. Dengan demikian, struktur ini dapat dikatakan masih aman beroperasi. Hasil tension terbesar yang didapatkan dari simulasi sebelumnya digunakan sebagai pembebanan pada pemodelan struktur lokal. Hasil von Mises stress terbesar ialah 199.42 MPa dengan deformasi maksimum sebesar 1.89 mm. Hasil tersebut masih lebih kecil dari tegangan ijin sebesar 225 MPa, sehingga struktur dinyatakan aman untuk beroperasi setelah adanya modifikasi system offloading yang baru yaitu tandem.
Kata Kunci—offloading, tandem,tegangan lokal, von-Mises stress.
I. PENDAHULUAN
EMAKIN berkembangnya teknologi mendorong manusia untuk semakin meningkatkan produktivitasnya, khususnya di bidang minyak dan gas. Kandungan minyak dan gas bumi yang bersifat terbatas di perairan lepas pantai menyebabkan struktur terpancang menjadi tidak ekonomis jika dibandingkan dengan struktur terapung yang dapat berpindah dari satu tempat ke tempat yang lain. Karena hal itulah struktur terapung memegang peranan penting dalam eksplorasi maupun eksploitasi minyak dan gas, terutama di perairan dalam. Salah satu
struktur terapung yang saat ini banyak digunakan adalah FSO.
FSO (Floating Storage and Offloading System) merupakan salah satu struktur terapung yang berfungsi menyimpan dan menyalurkan minyak dan gas bumi ke shuttle tanker. Pergerakan struktur terapung sangat dipengarui oleh gelombang, sehingga untuk dapat melakukan fungsinya dengan baik FSO ditambat dengan bantuan mooring system. Salah satu hal lain yang mempengaruhi efektivitas pengoperasian suatu sistem terapung di laut ialah seaworthiness. Seaworthiness yang merupakan indikasi keselamatan di laut menjadi salah satu kriteria yang harus dipenuhi oleh sistem yang dirancang.
Gambar 1. FSO Arco Ardjuna (Sumber: http://4bp.blogspot.com)
Pada studi kasus ini, awalnya FSO untuk offloading sudah memakai sistem side by side kemudian untuk meningkatkan produktivitas dan distribusi saat offloading, FSO akan memiliki lebih banyak manfaat jika kapal mempunyai dua sistem offloading sekaligus, yaitu ditambah dengan sistem tandem. Agar operasional offloading pada FSO dapat dioperasikan dengan aman, maka perlu dilakukan analisis ulang pengaruh motion pada single point mooring akibat beban gelombang terhadap FSO dan shuttle tanker sesuai dengan regulation yang berlaku. Studi kasus menggunakan FSO Arco Ardjuna seperti pada Gambar 1. Sedangkan sistem offloading tandem dapat dilihat pada Gambar 2.
Dengan mengetahui gerakan dari FSO, shuttle tanker, dan single point mooring, maka dapat diketahui besar tegangan hawser yang menghubungkan antara FSO dan single point mooring sehingga dapat dianalisis pengaruhnya terhadap konstruksi windlass dan dianggap aman dalam beroperasi. Berdasarkan latar belakang tersebut, maka pada tugas akhir ini akan dilakukan analisis tegangan lokal konstruksi windlass pada bow FSO akibat pengaruh modifikasi sistem offloading.
Analisis Tegangan Lokal Konstruksi
Windlass
pada Bow FSO Akibat Pengaruh
Modifikasi Sistem
Offloading
Irawati, Mas Murtedjo, dan Yoyok Setyo H
Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
Gambar 2. Sistem Offloading Tandem
(Sumber: OCIMF Tandem Mooring Offloading Guidelines) II. DASARTEORI
A. Floating Storage and Offloading System (FPSO) Floating Storage and Offloading System merupakan struktur terapung yang berfungsi menyimpan dan menyalurkan minyak dan gas bumi tanpa dilengkapi dengan fasilitas pemrosesan. Menurut OCIMF Tandem Mooring Offloading Guidelines for CTs at F(P)SO Facilities[1], FSO serupa dengan FPSO, yang membedakan hanya minyak atau gas tidak diproses di kapal. Jadi, FSO dapat didefinisikan sebagai suatu sistem terapung yang beroperasi untuk: - Menerima hasil proses crude oil atau gas dari fasilitas
pemrosesan eksternal,
- Menyimpan crude oil yang telah diproses, - Menyalurkan crude oil atau gas ke shuttle tanker. B. Teori Gerak pada Kapal
Pada dasarnya benda yang mengapung mempunyai enam mode gerakan bebas yang terbagi menjadi dua kelompok, yaitu tiga mode gerakan osilasi translasional dan tiga mode gerakan osilasi rotasional. Berikut adalah keenam mode gerakan tersebut:
1. Mode gerak translasional
Surge, gerakan osilasi transversal arah sumbu x,
Sway, gerakan osilasi transversal arah sumbu y,
Heave, gerakan osilasi transversal arah sumbu z. 2. Mode gerak rotasional
Roll, gerakan osilasi rotasional arah sumbu x,
Pitch, gerakan osilasi rotasional arah sumbu y,
Yaw, gerakan osilasi rotasional arah sumbu z.
Gambar 3. Enam Derajat Kebebasan pada Kapal (Sumber: http://ftkceria.wordpress.com) C. Gelombang Sinusoidal
Pada pergerakan floating structure tidak bisa terlepas dari pengaruh gelombang. Gelombang yang terjadi pada kondisi realita adalah acak, dan untuk memperhitungkan gelombang yang demikian sangat sulit. Maka perlu dilakukan perhitungan untuk mengetahui gerakan harmonis. Pada pengerjaan tugas akhir ini, batasan masalah yang digunakan pada FSO Arco Ardjuna ini adalah gelombang dianggap
reguler, yaitu gelombang sinusoidal. Pada gelombang tersebut dapat diproyeksikan menjadi sebuah lingkaran yang tiap titik pada garis berpotongan terhadap titik pada diameter lingkaran. Lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini[2].
Gambar 4. Gelombang Sinusoidal (Sumber: Bhattacharyya.1972) D. Heading Kapal terhadap Arah Gelombang
Selain faktor gelombang, terdapat juga faktor gelombang papasan, dimana gelombang tersebut berpapasan terhadap kapal. Dalam ilustrasinya di perlihatkan sebagai berikut:
……….………...(1) ……….………..(2) dengan:
= Periode Encountering (s) = Kecepatan Gelombang = Kecepatan Kapal (knot) = Sudut Datang Gelombang
Sebagai gambaran arah kapal terhadap arah gelombang untuk kondisi Head Sea, Following Sea, Beam Sea dapat dilihat pada gambar berikut ini:
Gambar 5. Definisi Arah Datang Gelombang terhadap Heading Kapal (Sumber: Bhattacharyya.1972)
E. Respon Struktur
Response Amplitude Operator (RAO) atau disebut juga dengan transfer function merupakan fungsi respon gerakan dinamis struktur yang terjadi akibat gelombang dalam rentang frekuensi tertentu. RAO merupakan alat untuk mentransfer gaya gelombang menjadi respon gerakan dinamis struktur. Menurut Chakrabarti (1987)[3], persamaan RAO dapat dicari dengan rumus sebagai berikut:
Xp RAO ……….(3) dengan:
p X = amplitudo struktur
= amplitudo gelombang L w / 2 y xF. Tegangan Aksial
Tegangan aksial (tegangan normal) menurut Popov[4] adalah intensitas gaya pada suatu titik yang tegak lurus terhadap penampang, yang didefinisikan sebagai:
f = ….……..………...(4) dengan:
F : gaya yang bekerja dalam arah tegak lurus terhadap penampang,
A: luas penampang
Pada batang-batang yang menahan gaya aksial saja, tegangan yang bekerja pada potongan yang tegak lurus terhadap sumbu batang adalah tegangan normal saja, tidak terjadi tegangan geser. Ilustrasinya dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 6
Ilustrasi Tegangan Nornal Akibat Gaya Aksial, (+) Tarik dan (-) Tekan (Sumber: Popov, 1996))
G. Bending Stress
Momen luar diimbangi oleh momen dalam yang merupakan resultan tegangan lentur (bending). Tegangan lentur pada sembarang titik yang berjarak y dari garis netral(Gambar 7.) ialah: ………...………….(5) dengan: f : tegangan lentur M : momen lentur I : inersia benda
Gambar 7. Tegangan Lentur (Bending) pada Suatu Penampang (Sumber: Popov 1996)
H. Tegangan Geser
Tegangan geser (shear stress) adalah intensitas gaya pada suatu titik yang sejajar terhadap penampang, yang didefinisikan sebagai:
...(6) Dengan V adalah gaya yang bekerja dalam arah sejajar terhadap penampang dan A adalah luas penampang.
Gambar 8. Gaya yang Bekerja dalam Arah Sejajar terhadap Penampang (Sumber: Popov 1996)
I. Tegangan Von-Mises
Pada element tiga dimensi, bekerja tegangan-tegangan searah sumbu x, y,dan z. Pada tiap-tiap sumbu dapat
diketahui tegangan utama(σ1, σ2, σ3). Penggabungan
tegangan-tegangan utama pada suatu element merupakan suatu cara untuk mengetahui nilai tegangan maksimum yang terjadi pada node tersebut. Salah satu cara mendapatkan tegangan gabunngan adalah dengan menggunakan formula tegangan Von Mises:
…….…(7) dengan:
σeq = tegangan ekuivalen (von mises stress)
σx = tegangan normal sumbu x
σy = tegangan normal sumbu y
σz = tegangan normal sumbu z
τxy = tegangan geser bidang yz
τyz = tegangan geser bidang zx
τzx = tegangan geser bidang xy
III. METODOLOGIPENELITIAN
Pengerjaan tugas akhir ini diawali dengan pengumpulan data dan literatur mengenai FSO Arco Ardjuna, single point mooring, dan shuttle tanker. Setelah didapatkan data, dilakukan pemodelan awal untuk mendapatkan koordinat-koordinat body struktur untuk pemodelan selanjutnya. Langkah selanjutnya ialah mencari RAO struktur pada kondisi full, half, dan light untuk FSO, dan full dan light untuk shuttle tanker. Setelah didapatkan RAO dari masing-masing struktur, dilakukan simulasi sistem SPM, FSO, dan shuttle tanker pada kondisi tertambat sesuai data lingkungan yang ada untuk mengetahui tension terbesar pada hawser yang menghubungkan SPM dengan FSO.
Hasil simulasi sistem pada kondisi tertambat menghasilkan tension terbesar yang akan digunakan sebagai pembebanan untuk analisis lokal struktur. Hasil tension hawser dan equivalent stress kemudian dianalisis sesuai code yang digunakan, yaitu American Bureau of Shipping.
A. Data
Berikut merupakan data principle dimension struktur dan data lingkungan dimana struktur beroperasi.
Tabel 1. Principle Dimension FSO Arco Ardjuna
I
y
M
f
atau 2 m N luas geser gaya A V vTabel 2. Main Dimension CALM Buoy
Tabel 3. Principle Dimension Shuttle Tanker
Tabel 4. Karakteristik Mooring Hawser
Tabel 5. Data Lingkungan
IV. PEMBAHASAN A. Pemodelan Struktur
Pemodelan struktur meliputi pemodelan Single Point Mooring, FSO Arco Ardjuna, dan Shuttle Tanker. Pemodelan dilakukan dengan tujuan agar model yang dibuat sesuai keadaan sebenarnya yang dibuktikan dengan validasi data.
B. Analisis Free Floating FSO dan SBM
Pada pengerjaan tugas akhir ini, dilakukan analisis motion struktur Single Point Mooring, FSO Arco Ardjuna, dan Shuttle Tanker pada kondisi free floating. Simulasi dilakukan pada gelombang regular pada tinggi gelombang satu meter dengan arah pembebanan gelombang head sea (00), beam sea (900), quartering sea (450), dan following
sea (1800). Simulasi yang telah dilakukan menghasilkan
Response Amplitude Operator. Hasil RAO maksimum terlihat pada tabel-tabel berikut ini.
Tabel 6. RAO Maksimum SPM Kondisi Free Floating
Berdasarkan hasil di atas dapat disimpulkan bahwa gerak SPM paling dominan ialah moda gerak osilasi rotasional pitch dengan besar RAO 2.2810/m. Nilai RAO sama untuk
surge dan sway dikarenakan bentuk body SPM yang sama di berbagai sisi.
Tabel 7. RAO Maksimum FSO Full Condition
Tabel 8. RAO Maksimum FSO Half Condition
Tabel 9 RAO Maksimum FSO Light Condition
Pada Tabel 7 hingga Tabel 9 dapat dilihat RAO FSO Arco Ardjuna pada kondisi full, half, dan light. Dari ketiga kondisi tersebut, RAO tertinggi terjadi pada FSO dalm kondisi light untuk moda gerak osilasi rotasional maupun moda gerak osilasi translasional. Pada kondisi full FSO Arco Ardjuna dapat dikatakan stabil karena RAO yang dihasilkan relatif kecil.
Tabel 10. RAO Maksimum Shuttle Tanker Full Condition
Secara umum dapat dilihat bahwa pada kondisi light, RAO yang dihasilkan lebih tinggi dibandingkan pada kondisi full, hal ini dikarenakan pada kondisi full badan kapal yang tercelup air lebih banyak daripada dalam kondisi light sehingga kapal lebih stabil. Nilai maksimum RAO roll selalu lebih besar dari nilai maksimum RAO pitch karena luasan bidang yang terkena gelombang pada moda gerak roll lebih besar dibandingkan pada moda gerak pitch.
Tabel 11. RAO Maksimum Shuttle Tanker Light Condition
C. Analisis Tension pada Hawser Bow FSO
Simulasi struktur pada kondisi tertambat dilakukan untuk mendapatkan tension pada hawser yang menghubungkan SPM dengan FSO Arco Ardjuna. Terdapat dua hawser yang menghubungkan kedua struktur tersebut. Data gelombang yang digunakan ialah data gelombang kurun waktu 100 tahunan dengan arah pembebanan pada empat
arah, yaitu 00, 450, 900, dan 1800. Simulasi dilakukan pada
empat kondisi, yaitu: FSO full condition-Shuttle Tanker light condition, FSO half condition-Shuttle Tanker full condition, FSO half condition-Shuttle Tanker light condition, dan FSO light condition-Shuttle Tanker full condition. Kondisi ini dibuat sesuai dengan keadaan sebenarnya, mengingat muatan shuttle tanker yang terlibat dengan proses offloading setengah dari muatan FSO Arco Ardjuna.
Simulasi dilakukan selama 10800 detik, dengan 50 detik analisis statis untuk mencapai posisi setimbang dan 100 detik analisis dinamis karena pengaruh gelombang. Berdasarkan hasil simulasi, tension hawser terbesar terjadi ketika gelombang dating pada arah 00. Berikut tabel hasil
simulasi sistem dengan arah pembebanan gelombang 00.
Tabel 12.
Tension(kN) Hasil Simulasi pada Arah Pembebanan Gelombang 00
Hasil tension tertinggi pada setiap mooring dan hawser kemudian dihitung safety factornya dan dibandingkan dengan safety factor yang harus dipenuhi berdasarkan standar American Bureau of Shipping (ABS)[5]. Safety factor didapatkan dengan membagi Minimum Breaking Load dengan tension yang didapatkan dari hasil simulasi. Hasil perbandingan tersebut harus lebih besar dari ketentuan ABS, yaitu 1.67 untuk mooring dan 1.82 untuk hawser.
Berdasarkan tabel berikut ini dapat diketahui bahwa dua hawser yang menghubungkan antara SPM dengan FSO Arco Ardjuna memiliki safety factor 3.631 yang berarti lebih besar dari safety factor yang dianjurkan oleh ABS. Hal ini menunjukkan bahwa hawser masih aman untuk beroperasi setelah adanya modifikasi sistem offloading. Nilai tension terbesar ini nantinya akan digunakan untuk pembebanan pada pemodelan struktur lokal berikutnya.
Tabel 4.7
Hasil Perhitungan Safety Factor Tension Terbesar pada Mooring Line dan
Hawser
D. Analisis Tegangan Lokal Konstruksi Windlass
Pada studi kasus ini, windlass yang digunakan untuk menahan hawser adalah jenis smit backet yang data drawingnya didapat berdasarkan hasil laporan site survey. Terdapat panama chock pada bulwark di bagian depan FSO yang akan ikut terkena beban hawser. Jenis material konstruksi girder, frame, plat, smit bracket, maupun panama chock menggunakan Baja ASTM A36 dengan yield strength sebesar 250 MPa. Smit Bracket dan panama chock ditempatkan pada main deck bow FSO Arco Ardjuna dengan ketebalan plat 25.3 mm. Struktur yang dimodelkan untuk mengetahui tegangan lokal ini meliputi konstruksi Smit Bracket beserta dudukannya, deck, girder, frame, dan chock.
Gambar 9. Konfigurasi Beban pada Pemodelan Lokal
Karena tension yang didapatkan dari simulasi sebelumnya merupakan gaya dengan sudut tertentu, maka perlu diperhitungkan sudut yang dibentuk untuk melakukan pembebanan pada chock (θ1) maupun pembebanan pada
Smit Bracket (θ2). Berdasarkan hasil perhitungan,
didapatkan gaya pada chock (Fc) dan gaya pada Smit Bracket (Fs) yaitu:
Fcy = 359.682 kN Fsx = 1090.1994 kN
Fsy = 22.4557 kN
Gambar 10. Pemodelan Struktur Lokal
Setelah dilakukan pemodelan dan pembebanan, maka hasilnya ialah tegangan ekivalen atau Von Mises Stress. Besar tegangan terbesar ialah 199.42 Mpa. Hasil ini masih lebih kecil jika dibandingkan dengan tegangan ijin yang disyaratkan ABS [6], yaitu 90% dari yield strength, 225 MPa. Dengan demikian, maka struktur ini dapat dinyatakan masih aman beroperasi meskipun terdapat modifikasi sistem offloading berupa penambahan sistem tandem. Letak tegangan terbesar pada konstruksi lokal berada pada stiffener Smit Bracket. Deformasi terbesar yang terjadi ialah 1,89 mm. Mengacu pada ABS[7] yang mensyaratkan deformasi maksimum yang boleh terjadi ialah 4mm, maka struktur ini dinyatakan aman beroperasi. Deformasi dapat dilihat pada Gambar 13 dan Gambar 14.
Gambar 11. Hasil Equivalent Stress(Von-Mises Stress)
Gambar 13. Deformasi yang Terjadi pada Struktur
Gambar 14. Letak Deformasi Terbesar pada Smit Bracket V. KESIMPULAN/RINGKASAN
Kesimpulan yang dapat dibuat berdasarkan penelitian dan pengerjaan-pengerjaan di atas antara lain:
a. Berdasarkan analisis perilaku gerak yang dilakukan pada struktur kondisi free floating, RAO SPM memiliki nilai yang sama untuk semua arah pembebanan dikarenakan bentuknya yang sama di berbagai sisi. surge bernilai 1.027 m/m, sway bernilai 1.027 m/m, heave bernilai 1.383 m/m, roll bernilai 1.9450/m, pitch bernilai
2.2810/m, sedangkan yaw bernilai nol. Untuk FSO Arco
Ardjuna, RAO terbesar terjadi pada kondisi light dengan surge terbesar 1.915 m/m, sway terbesar 4.215 m/m, heave terbesar 1.963 m/m, roll terbesar 7.5720/m, pitch
terbesar 3.6140/m, yaw terbesar 5.944 m/m. Hal ini juga
terjadi pada shuttle tanker, RAO terbesar pada kondisi light dengan nilai surge terbesar 2.454 m/m, sway terbesar 7.442 m/m, heave terbesar 2.21 m/m, roll terbesar 9.7520/m, pitch terbesar 2.7070/m, yaw terbesar
2.985 m/m. Kondisi light menghasilkan RAO yang lebih tinggi dibandingkan kondisi yang lain dikarenakan volume struktur yang tercelup air lebih besar sehingga struktur lebih stabil.
b. Setelah dilakukan simulasi berdasarkan RAO yang telah didapatkan, hasil tension terbesar untuk hawser yang menghubungkan SPM dengan FSO Arco Ardjuna terjadi pada sudut pembebanan gelombang 00. Tension terbesar
pada hawser tersebut ialah 1127.531 kN. Hawser memiliki Minimum Breaking Load sebesar 4094 kN sehingga dengan tension yang didapatkan dari hasil simulasi, memiliki safety factor 3.631. Safety factor ini masih lebih kecil dari safety factor yang dianjurkan oleh American Bureau of Shipping, 1.82. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa hawser masih aman digunakan untuk beroperasi setelah dilakukan modifikasi sistem offloadingnya.
c. Berdasarkan hasil pemodelan struktur lokal dengan pembebanan berdasarkan tension terbesar hasil simulasi sebelumnya, maka didapatkan tegangan terbesar struktur Smit Bracket terdapat pada stiffener Smit Bracket dengan besar tegangan 157.1 MPa dan deformasi sebesar 5.2x10
-4. Nilai tegangan ini masih lebih kecil jika dibandingkan
dengan tegangan ijin sebesar 225 MPa. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa konstruksi Smit Bracket dan Panama Chock masih aman untuk beroperasi dengan sistem offloading tandem.
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada PT. Citra Mas yang telah menyediakan seluruh data yang penulis butuhkan dalam pengerjaan Tugas Akhir ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada PT. Angkasa Pura yang telah memberikan beasiswa dan dukungan finansial melalui Beasiswa PMDK tahun 2009-2013.
DAFTARPUSTAKA
[1] Oil Companies International Marine Forum, 2009, Tandem Mooring
& Offloading Guidelines for Conventional Tankers at F(P)SO Facilities,United Kingdom: Oil Companies International Marine
Forum.
[2] Bhattacharyya. R., 1978, Dynamics of Marine Vehicles, New York: John Wiley & Sons Inc.
[3] Chakrabarti, S.K., 1987, Hydrodynamics of Offshore Structures, USA: Computational Mechanics Publications Southampton. [4] Popov, E. P., 1996, Mekanika Teknik, Jakarta: Erlangga.
[5] ABS, 2004, Guide for Building and Classing Floating Production
Installations, USA: American Bureau of Shipping.C. J. Kaufman,
Rocky Mountain Research Lab., Boulder, CO, komunikasi pribadi, (1995, May).
[6] ABS, 2001, ‘Safehull-Dynamic Loading Approach’ for Floating
Production, Storage and Offloading (FPSO) Installations, USA:
American Bureau of Shipping ABS Plaza.
[7] ABS, 2001, ‘Shipbuilding and Repair Quality Standard for Hull
Structures during Construction, USA: American Bureau of Shipping
