PERENCANAAN EXPANSION SPOOL DAN ANCHOR BLOCK PERENCANAAN PIPA DAN EXPANSION SPOOL PADA PIPA PENYALUR SPM

(1)

BAB IV

PERENCANAAN EXPANSION SPOOL DAN ANCHOR BLOCK

PERENCANAAN PIPA DAN EXPANSION SPOOL PADA PIPA PENYALUR SPM

4.1. UMUM

Temperatur dan efek tekanan akan menyebabkan jalur pipa mengalami pemuaian panjang sampai dengan batas tertentu. Pada suatu jaringan pipa, pada saat dalam tahapan operasi, pipa akan langsung dialiri oleh fluida hasil produksi yang pada umumnya masih bersuhu tinggi, tingginya suhu ini dapat menyebabkan pipa memanjang. Perpanjangan ini dapat menyebabkan terdesaknya jaringan struktur pipa penyalur SPM (Single Point Mooring).

Untuk mengatasi pertambahan panjang yang dialami oleh pipa penyalur, agar tidak mendesak PLEM (Pipe Line End Manifold), maka direncanakan suatu konfigurasi pipa yang dinamakan expansion spool. Dengan adanya expansion spool ini, maka pertambahan panjang yang dialami oleh pipa penyalur tidak akan mendesak PLEM. Selain expansion spool, perlu didesainkan pula anchor block di darat agar jaringan pipa di darat stabil dan tidak menganggu fasilitas yang terdapat di ujung pipa. Untuk merencanakan expansion spool dan anchor block, perlu diketahui pertambahan panjang pipa yang akan terjadi nantinya. Untuk memodelkan pertambahan panjang pipa ini, dapat dengan menggunakan PC‐Based Pipe Stress Analysis Software Program.

Pada umumnya, program yang digunakan ini biasa digunakan untuk Mechanical Design. Menu yang dapat dilakukan antara lain thermal strain yang dapat diserap oleh pipa, supports, dan komponen yang digunakan pada sistem perpipaan (Attached equipment). Akan tetapi perangkat lunak ini tidak hanya dibatasi untuk analisis thermal dari sistem perpipaan. Program ini juga mampu membuat dan menganalisa model untuk kondisi pembebanan statik dan dinamik yang bekerja pada sistem perpipaan.

(2)

BAB 4 PERENCANAAN EXPANSION SPOOL DAN ANCHOR BLOCK

LAPORAN TUGAS AKHIR 4 2

Untuk analisis desainnya, program ini dibatasi oleh aturan yang ditetapkan oleh Komite ASME B31 untuk sistem perpipaan, Komite ASME Section VIII untuk bejana tekan, dan Badan Research Pengelasan yang memproduksi pipa dan peralatan yang berhubungan yaitu API , NEMA, dan EJMA. Pemodelan yang dilakukan akan menghasilkan gambaran tingkat tegangan dan fleksibilitas dari pipa dalam menanggung beban yang ditimpakan kepadanya.

Pada bab ini pemodelan sistem jaringan pipa akan difokuskan untuk melihat pertambahan panjang yang diakibatkan oleh suhu operasional, yang kemudian akan menyebabkan perubahan tegangan pada material pipa baja. Jika tegangan yang terjadi melebihi tegangan ijin yang diperbolehkan, maka dilakukan perencanaan pipa expansion spool yang berguna untuk mereduksi kelebihan beban tegangan pada sistem jaringan pipa. Terdapat dua kondisi yang akan ditampilkan dalam proses pemodelan ini, yaitu keadaan operation dan sustained. Dalam perangkat lunak ini tekanan akibat aliran fluida diabaikan, hanya tekanan operational, suhu dan berat dari fluida yang diperhitungkan.

4.2. EXPANSION SPOOL

4.2.1. UMUM

Seperti telah dibahas sebelumnya bahwa pipa baja yang bekerja dalam suhu operasional yang tinggi akan mengalami pertambahan panjang akibat pemuaian. Oleh sebab itu maka sebelum disambungkan pada jalur pipa, perlu dilakukan investigasi mengenai dampak pertambahan panjang (muai) terhadap sistem perpipaan.

Investigasi dilakukan dengan cara mengiterasi nilai displacement pada sistem jaringan pipa yang menyebabkan tegangan pada sistem jaringan pipa tersebut melebihi tegangan yang diijinkan oleh kode. Nilai displacement yang menyebabkan sistem jaringan tersebut mengalami kondisi kritis kemudian digunakan sebagai input data dalam perhitungan perencanaan expansion spool.

Metode yang dilakukan dalam perencanaan expansion spool ini dapat dilihat pada Gambar 4.1.

(3)

Gambar 4. 1 Metode pemodelan dan perencanaan Expansion Spool.

Terdapat beberapa faktor internal yang mempengaruhi besar displacement yang terjadi pada sistem perpipaan, antara lain:

Berat material pipa dan fluida

Tekanan operasional

Suhu operasional

Sedangkan faktor external yang bekerja pada sistem perpipaan adalah:

Beban gelombang

Beban arus

Beban angin

Kombinasi pembebanan yang digunakan dalam pemodelan sistem jaringan pipa ini dapat dilihat pada Tabel 4.1.

(4)

LAPORA

Pada per hasil per

Tegan pada defle bend bend

Tegan

Fakto tegan

Tegan berda Pada

Tegan

N TUGAS AK rangkat luna modelan, ya ngan bendin kolom atau ksi dengan ing berban ing pada m ngan torsi (t or intensifika ngan pada sa ngan kode asarkan inp

kasus ini me ngan ijin (all

B

KHIR Jenis P

Su

Op

Note:

W = Be P1 = Te T1 = Su

ak ini terda aitu;

ng (bending u balok yang

arah tegak ding lurus aterial.

tortion stress asi tegangan ambungan.

(code stre ut data dan enggunakan

owable stre

Tabel 4. 2 Fak

BAB 4 PEREN

Tabel 4. 1 Ko Pembebanan

ustained

peration

erat material pip ekanan Operasio uhu Operasional

apat bebera

stress), pada g terkena be k lurus kolo dengan be

s), gaya akib n (stress int

ess), merup n mengguna n kode ASME ess), merupa

ktor Desain Pad

NCANAAN EX

ombinasi Pemb Kombina W+P1 W+P1 +W W+P1+T1 W+P1+T1

pa dan fluida onal l

pa jenis teg

a pipa yang eban aksial p om. Sehingg esar tegang

bat momen p tensification

pakan tega akan kode t E B31.8, anta kan teganga

da Pipa Offsho

XPANSION S

bebanan asi Pembeba

WAV1

+WAV2

WAV1 = WAV2 =

gangan yang

terkena beb pada kedua ga dapat di an aksial y

puntir.

factor), me

angan maks tertentu yan ara lain:

an iijin yang

re ( ASME B 31

SPOOL DAN

nan

Beban gelomba Beban gelomba

g dapat dike

ban aksial pa ujungnya m simpulkan b yang mengh

erupakan fak

simum pad ng ditujukan

diperbolehk

1.8, 1995)

ANCHOR BL

ang (1 years) ang (100 years)

eluarkan seb

ada kedua u maka akan te

bahwa tega hasilkan mo

ktor peningk

da tiap seg n sebagai ac

kan oleh kod LOCK

4 4 bagai

ujung, erjadi angan omen

katan

gmen cuan.

de.

(5)

Selain itu, perangkat lunak ini juga dapat mengeluarkan output lain berupa:

Displacement yang terjadi pada sistem perpipaan

Gaya‐gaya yang terjadi pada sistem perletakan pipa

4.2.2. PEMODELAN SISTEM PIPA DAN EXPANSION SPOOL

Input dari program ini dapat dilihat pada Gambar 4.2 dan 4.3. Input dari program ini merupakan parameter‐parameter perhitungan yang telah dijabarkan pada BAB 3.

Gambar 4. 2 Piping Input

(6)

Gambar 4. 3 Wave Load and Load Cases

Gambar 4. 4 Plot Input dari Program CAESAR II sebelum ada expansion spool.

(7)

Output dari program ini dapat dilihat pada Gambar 4.5 dan 4.6.

Gambar 4. 5 Displacement Output (Before Expansion Spool, Operation Phase)

Gambar 4. 6 Stresses Output (Before Expansion Spool, Operation Phase)

Dengan adanya pertambahan panjang pada sistem perpipaan, maka akan muncul tekanan aksial pada arah longitudinal akibat muai panjang. Pada ujung yang terhubung dengan jalur pipa yang tergelar di bawah laut akibat pergerakannya tertahan.

(8)

LAPORA Total dis in. Sedan spool dap

Dengan m Kemudia tegangan ditentuka

N TUGAS AK placement y ngkan diame pat di hitung

mengasums n dilakukan n yang terja

an.

B

KHIR yang akan d eter dari pip g berdasarka

Gambar 4.

ikan nilai H d n pemodela adi pada pip

BAB 4 PEREN

di akomodas pa nya adal an diagram p

. 7 Nomograf u

dan W sama an ulang te

pa. Teganga

NCANAAN EX

si oleh sistem ah 32 in. M pada Gamba

untuk Menentu

a, maka L2 = rhadap sist an ini tidak

XPANSION S

m jaringan e Maka, besarn

ar 4.7.

ukan Ukuran L

2H + W = 10 tem perpipa boleh mele

SPOOL DAN

expansion sp nya tekukan

oop.¹⁰

00 ft, maka aan. Lalu, d ebihi batas‐b

ANCHOR BL

pool adalah pada expan

H = W = 33.

dihitung kem batas yang

LOCK

4 8 8.23 nsion

33 ft.

mbali telah

(9)

Plot input dari sistem perpipaan setelah ada expansion spool dapat dilihat pada Gambar 4.8 dan 4.9.

Gambar 4. 8 Plot Input dari Program CAESAR II setelah ada expansion spool.

Gambar 4. 9 Expansion Spool close up.

(10)

Output dari hasil pemodelan ulang dapat dilihat pada Gambar 4.10.

Gambar 4. 10 Konfigurasi expansion spool yang terdefleksi

Stress (tegangan) yang terjadi pada pipa dapat dilihat pada Gambar 4.11 dan 4.12.

Gambar 4. 11 Stress yang terjadi pada pipa (Node 10 – 13140).

0 20000 40000 60000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Stress

Node

Stress SMYS 0.9 * SMYS

(11)

Gambar 4. 12 Stress yang terjadi pada pipa (Fokus pada Node 10 – 690).

Dapat dilihat pada grafik di atas, stress yang terjadi pada pipa tidak melebihi stress yang diizinkan, yaitu 0.9 SMYS.

4.3. ANCHOR BLOCK

Anchor block direncanakan dengan memperhatikan beberapa aspek, yaitu kekuatan anchor block tersebut dalam menahan beban yang diberikan oleh pipa dan kestabilan anchor block tersebut di atas tanah.

4.3.1. PONDASI ANCHOR BLOCK

Jenis pondasi yang digunakan adalah pondasi telapak. Pondasi telapak adalah suatu pondasi yang mendukung bangunan secara langsung pada tanah pondasi, bilamana terdapat lapisan tanah yang cukup tebal dengan kualitas yang baik yang mampu mendukung bangunan itu pada permukaan tanah atau sedikit di bawah permukaan tanah.

Pondasi telapak harus direncanakan sedemikian rupa sehingga keadaan‐kedaan berikut ini tercapai:

1. Struktur stabil secara keseluruhan, yaitu stabil dalam arah vertical, arah horizontal dan

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Stress

Node

Stress SMYS 0.9 * SMYS

(12)

2. Pergeseran bangunan (besarnya penurunan, sudut kemiringan dan pergeseran mendatar), harus lebih kecil dari nilai yang diizinkan. Untuk pondasi telapak biasa, perhitungan pergeseran ini tidak perlu dilakukan.

3. Bagian‐bagian pondasi harus memiliki kekuatan yang dibutuhkan.

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 4.13.

Dalam merancang struktur‐struktur kadangkala diperlukan perhitungan tekanan tanah yang bekerja pada struktur. Pada kenyataanya sangatlah sulit menentukan perubahan tekanan yang disebabkan oleh tanah isian, akibatnya tekanan tanah statis yang berhubungan dengan perubahan tidak dapat ditentukan dengan jelas. Sehingga dipakailah perhitungan tekanan tanah aktif dan pasif dalam perencanaan praktis. Rumus yang digunakan dalam perhitungan tekanan tanah pasif dapat dilihat pada persamaan 4‐1.

. · · · (4‐ 1)

Dimana:

Fp = Passive earth pressure γ = Massa jenis tanah

H = Tinggi bidang kerja tekanan pasif = Angle of friction

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, bahwa struktur pondasi ini harus stabil secara vertical. Oleh karena itu, gaya vertical yang bekerja pada dasar pondasi tidak boleh melebihi daya dukung (bearing capacity) tanah pondasi yang diizinkan. Daya dukung tanah pondasi yang diizinkan, dihitung dengan persamaan berikut ini.

(4‐ 2)

Dimana:

Qu = daya dukung ultimate tanah pondasi n = factor keamanan

(13)

Gambar 4. 13 Prosedur perencanaan anchor block⁸

(14)

Selain dari perhitungan bearing capacity‐nya, harus di check pula terhadap gaya uplift dari pipa.

Total berat dari anchor block harus lebih besar dari total gaya uplift dari pipa. Perhitungan yang dapat digunakan adalah sebagai berikut:

(4‐3)

Dimana:

W = Berat total Anchor Block V = Volume Anchor Block ρconc = Massa jenis beton

(4‐4)

Dimana:

Fv = Vertical uplift dari pipa Fy = Gaya arah y dari pipa Mx = Momen arah x dari pipa Mz = Momen arah z dari pipa B = Lebar anchor block L = Panjang anchor block

Safety factor terhadap uplift force hendaknya lebih besar dari 2.0.

Selain stabil secara vertical, pondasi juga harus stabil terhadap guling (overtunning). Kestabilan terhadap guling diperiksa berdasarkan besarnya kedudukan kerja (eksintrisitas) gaya resultante yang ditimbulkan oleh beban‐beban yang bekerja. Dengan istilah lain, kedudukan kerja gaya resultante pada dasar pondasi, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.14 Harus selalu diusahakan agar terletak di dalam batas 1/3 lebar dasar pondasi tersebut, diukur dari kedua sisinya. Jika keadaan ini tidak terpenuhi, perlu dilakukan perencanaan kembali dengan mengubah lebar pondasi, sehingga keadaan tersebut dapat dipenuhi. Safety factor untuk kestabilan terhadap guling hendaknya lebih besar dari 2.0.

(15)

Gambar 4. 14 Kedudukan kerja dari gaya resultante⁸

Kestabilan yang perlu di‐check berikutnya adalah kestabilan dalam arah mendatar. Gaya mendatar yang bekerja pada dasar pondasi tidak boleh melebihi daya dukung mendatar yang diizinkan dari tanah pondasi. Daya dukung mendatar yang diizinkan dari tanah pondasi tersebut dihitung dengan persamaan berikut:

(4‐5)

Dimana:

Ha = daya dukung mendatar yang diizinkan Hu = daya dukung mendatar batas

n = factor keamanan

Sedangkan Hu dihitung dengan persamaan berikut:

· · (4‐6)

Dimana:

Hu = daya dukung mendatar batas

CB = kohesi antara dasar pondasi dan tanah pondasi (tabel 4.3) = sudut geser antara dasar pondasi dan tanah pondasi (tabel 4.3) A’ = luas pembebanan efektif

V = beban vertical

(16)

Tabel 4. 3 Susut geser serta kohesi antara dasar pondasi dan tanah pondasi⁸ Kondisi Sudut Geser Kohesi

Tanah dengan beton ²

3 ⁰

Batuan dengan beton tan 0.6 0 Tanah dengan tanah atau

C

Batuan dengan batuan

Dan besarnya gaya yang menyebabkan sliding dihitung dengan persamaan berikut:

(4‐7)

Dimana:

Fs = Gaya Sliding

Fp = Passive earth pressure Fx = Gaya arah x dari pipa Fz = Gaya arah z dari pipa

Safety factor serhadap sliding hendaknya lebih besar dari 1.5.

Karena pada pondasi telapak, beban disalurkan langsung dari dasar pondasi ke tanah pondasi, maka permukaan dasar harus dibuat rata sehingga beban dapat disalurkan secara merata pula.

Setelah penggalian selesai dilakukan, biasanya tanah pondasi ditutup dengan batu pasang (coble stones) atau bahan hancuran yang dihasilkan oleh mesin pemecah batu, lalu dipadatkan baik‐baik. Tinggi lapisan penutup yang telah dipadatkan ini biasanya antara 10 sampai 30 cm.

Selanjutnya, untuk mempersiapkan agar besi‐besi penulangan tetap pada tempatnya, serta untuk mejaga agar pondasi tepat letaknya, suatu lapisan beton setebal kira‐kira 10 cm dipasang diatas pasangan batu tersebut. Gagasan secara umum untuk pelaksanaan ini dapat dilihat pada Gambar 4.15. pada prisnsipnya, pekerjaan konstruksi untuk pondasi telapak ini harus dilakukan dalam keadaan kering.

(17)

Gambar 4. 15 Bangunan pondasi, untuk tanah pondasi biasa (atas), untuk batuan dasar (tengah) dan bila digunakan rusuk (bawah).⁸

4.3.2. BETON ANCHOR BLOCK

Material beton dipilih karena memiliki beberapa keuntungan, diantaranya yaitu:

1. Tahan terhadap api

(18)

Bangunan beton memiliki ketahanan terhadap api selama 1 – 3 jam tanpa harus dilindungi bahan tahan api (bangunan kayu dan baja harus dilindungi bahan tahan api untuk mencapai tingkat ketahanan yang sama).

2. Kekakuan

Kekakuan dan massa yang lebih besar sehingga dapat mengurangi goyangan akibat angin dan getaran lantai (akibat pengaruh orang berjalan).

3. Biaya perawatan yang rendah 4. Ketersediaan material

Pasir, kerikil, semen, air dan fasilitas pencampuran beton mudah diperoleh.

Baja tulangan Æ lebih mudah dibawa ke lokasi konstruksi dibandingkan profil baja.

5. Ekonomis

Pada dasarnya, terdapat beberapa tahap dalam pendesainan suatu struktur beton, yaitu:

1. Tahap 1: Pendefinisian kebutuhan dan prioritas klien.

• Tinjauan fungsi

• Tinjauan keindahan/ estetika

• Tinjauan pendanaan/ budget

2. Tahap 2: Pengembangan konsep desain

• Pengembangan alternatif layout struktur

• Memperkirakan ukuran awal komponen struktur dan biaya untuk masing2 alternatif

• Memilih sistem struktur yang paling optimal 3. Tahap 3: Desain sistem struktur

• Analisis struktural ( berdasarkan desain awal)

• Desain elemen/ komponen struktur

Anchor block ini didesain kuat terhadap kegagalan lentur dan kegagalan geser.

Algoritma penentuan tulangan lentur diuraikan secara ringkas sebagai berikut di bawah ini:

1. Menentukan Mu (momen ultimit) baik positif maupun negatif. Mu diperoleh dari perhitungan analisis struktur berdasarkan beban kerja (applied load).

(19)

2. Menghitung Mn perlu, Mn perlu =

b

Mu

φ , dimana Øb = 0,85 – 0,90 3. Tentukan preliminary desain penampang balok

)]

59 , 0 1 ( ' [

2

ω ω

φ −

= f c

bd M^u

4. Usahakan nilai d/b berkisar antara 1,5 – 2,0 5. Menghitung jd asumsi,

jd asumsi untuk balok adalah 0,85d.

6. Dari jd asumsi dihitung As asumsi, As asumsi =

jd f

M

y n

7. Check jd asumsi dengan melakukan perhitungan:

a = f b

f A

c y s

'*

* 85 ,

0

2 d a jd = − 8. Hitung As yang dibutuhkan,

d y

n

s f j

A = M

9. Check As terhadap As minimum dan As maksimum As miminum = b d

fy c f 4 w

' atau As minimum = b d fy ^w

4 ,

1

As maksimum dibatasi oleh kondisi balanced reinforced

c 1

y y

0.85f ' 600 b = b

f 600 + f

ρ ^⎡⎢ ^⎤⎥

⎢ ⎥

⎣ ⎦ (SNI 2002)

Syarat tulangan maksimum desain: ρ ≤0,75ρb

Adapun algoritma dalam perencanaan tulangan geser adalah:

1. Menentukan harga gaya geser ultimate untuk balok, Vu

2. Menghitung harga kuat geser nominal yang menahan gaya geser ultimate, Vn

(20)

Vn =

v

Vn

ϕ ; dimana φv = 0,75 3. Menghitung kuat geser beton, Vc

Vc = f cb d 6 w

'

4. Menghitung harga kuat geser dari baja yang diperlukan, Vs Vs = Vn ‐ Vc

5. Mengasumsikan besar tulangan geser ,d yang akan digunakan untuk perencanaan geser, Av asumsi.

Dimana Av asumsi = 2 * 0.25 * π * d²

6. Hitung jarak antar tulangan transversal/ spasi, s Vs =

s fyd A_v

7. Bandingkan spasi yang diperoleh dengan spasi maksimum, s maks S maks =

2 d

8. Bandingkan Av asumsi dengan Av minimum Av minimum =

fy s b_w 13

9. Bandingkan spasi yang diperoleh dengan spasi maksimum, s maks S maks =

2 d

10. Bandingkan Av asumsi dengan Av minimum Av minimum =

fy s b_w 13

Pembatasan :

1. Vs >

[ ' ] 3 fc

bw d ; Smax =

4

d ≤ 600 mm

(21)

2. Vs ≤

[ ' ] 3 fc

bw d ; Smax =

2

d ≤ 600 mm

3. Vs > 2

[ ' ] 3 fc

bw d Æ PERBESAR PENAMPANG 4. As minimum =

3 bwS

Fy supaya tidak terjadi “Splitting Concrete” (Brittle Failure)

4.3.3. PERENCANAAN ANCHOR BLOCK

Tabel 4. 4 Design Data

Parameter Value Units

Pipe OD , d 32.00 inches

Concrete grade 175 kg/cm²

Tensile strength of steel, f_y 4200 kg/cm²

Density of concrete 2400 kg/m³

Density of soil, γ ¹⁸⁰⁰ ^kg/m³

Angle of friction, φ (Backfill material) 35.0 ⁰ Angle of friction, φ^o (Original Soil) ^30.0 ⁰

Cohession of soil, 20 kg/m²

F_x 4957 kg

F_y 0 kg

F_z 0 kg

M_x 20 kgm

M_y 0 kgm

M_z 0 kgm

Depth of pipe from top of concrete, d_b 0.40 m Depth of pipe from top of soil, h_p 1.00 m

(22)

Gambar 4. 16 Sketsa Anchor block

Setelah dilakukan perhitungan, didapatkan dimensi anchor block:

Pipe Diameter VOL L1 L2 B H1 H2 db hp ( m³) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) 32" 2.31 0.80 2.40 2.00 0.80 1.10 0.40 1.00

Dengan tulangan D16mm – 150mm pada concrete block dan tulangan D16mm – 200mm pada footing slab (pondasi dangkal). Perhitungan lengkap anchor block dapat dilihat pada Lampiran dari Laporan Tugas Akhir ini.