Analisa Modifikasi Struktur Boatlanding pada Fixed Offshore Platform Akibat Tubrukan
Crewboat
Ekhvan Hendra S 1, Murdjito2, Handayanu2 1Mahasiswa Jurusan Teknik Kelautan, FTK-ITS 2Staf Pengajar Jurusan teknik Kelautan, FTK-ITS
Abstrak
Boatlanding sebuah struktur fixed offshore platform berada pada daerah splash zone. Hal ini mengakibatkan proses repairing yang dilakukan terhadap struktur ini cukup rumit, sehingga membutuhkan inovasi baru dalam segi desain agar dapat mempermudah proses repairingnya. Riset ini bertujuan untuk mendapatkan desain boatlanding baru yang mempunyai attachement diatas permukaan air tenang (MSL) dan kuat untuk menahan beban akibat tubrukan crewboat yang merapat. Penelitian ini dilakukan pada Jacket LC platform yang dimiliki oleh Pertamina ONWJ. Jacket ini dioperasikan pada kedalaman 92 ft. Analisa dilakukan dengan bantuan software SACS untuk memodelkan design platform dan boatlanding. Dengan melakukan analisa ship impact, didapatkan bahwa struktur boatlanding modifikasi dapat menyerap energy tubrukan sebesar 8.11 KJ sebelum mengalami deformasi plastis, dan energi terbesar terjadi pada kondisi side impact pada elevasi LLWL. Untuk mengetahui kriteria umum kekuatan struktur, dilakukan analisa dengan menggunakan metode elemen hingga dengan bantuan software ANSYS. Dari hasil peneitian didapat bahwa modifikasi boatlanding masih dapat bertahan untuk kondisi operasional, dan mengalami collaps untuk kondisi accidental, meskipun demikian kaki jacket masih dalam kondisi aman .
Kata kunci : boatlanding, ship impact, clamp, stress analysis
1. PENDAHULUAN
Offshore Jacket Platform sudah sangat banyak digunakan di dunia industri eksploitasi minyak dan gas bumi dengan kondisi lingkungan yang sangat bervariasi. Disamping pembebanan operational normal, platform juga dihadapkan pada beban-beban yang lain, antara lain beban angin, gelombang, arus, dll. Pada saat yang bersamaan, platform bisa saja dihapkan pada beban-beban yang tidak teduga, semisal beban akibat kejatuhan benda berat dari atas atau beban akibat benturan dari kapal yang merapat (Liang Jin et al 2005). Tercatat sebanyak 172 kasus tubrukan telah terjadi di wilayah North Sea pada kurun waktu 1975-1986 (Kenny 1988). Boatlanding merupakan salah satu struktur tambahan pada offshore platform yang dapat mereduksi energi benturan akibat kapal yang merapat, sehingga tidak langsung mengenai member dari platform.
Pada penelitian kali ini, dilakukan desain modifikasi struktur boatlanding pada LC platform yang sudah mengalami kerusakan. Modifikasi dilakukan dengan mengubah attachment boatlanding pada elevasi di atas MSL dan menggunakan system clamp pada sambungan kaki jacket. Dilakukan analisa ship impact dengan bantuan software SACS 5.2 untuk mengetahui besarnya energi yang mampu diserap oleh struktur boatlanding modifikasi akibat beban
tubrukan kapal dan mengetahui besarnya deformasi yang terjadi. Parameter Kekuatan struktur modifikasi akan ditentukan oleh besarnya tegangan yang terjadi.
Gambar 1 Struktur Boatlanding yang telah rusak (PHE ONWJ)
2. DASAR TEORI
2.1 Kategori Tubrukan
Tubrukan yang terjadi tergolong menjadi tiga kategori (Gjerde et al 1999) yaitu:
a. Low-energy collision : Kategori ini sering terjadi pada kapal berukuran kecil dengan kecepatan mendekati kecepatan normal saat vessel mendekat atau menjauhi struktur. Energi yang dihasilkan sekitar 1 MJ. Frekuensi kejadian >10-4 per tahun.
b. Accidental collision : Kategori ini sering terjadi pada vessel yang mengalami drifting pada kondisi lingkungan yang buruk. Kondisi ini dapat terjadi karena vessel berada pada jarak yang
dekat dengan platform. Frekuensi kejadian ≈ 10-4 per tahun.
c.
Catastrophic collision : Kategori ini terjadi karena adanya vessel dengan ukuran yang cukup besar dan kecepatan tubrukan yang besar atau kombinasi dari keduanya sehingga dapat menghasilkan energi tubrukan yang dapatmeruntuhkan struktur. Frekuensi kejadian <10-4 per tahun.
Gambar 2. Tipikal tubrukan vessel & kurva deformasi (Norsok N-004)
2.2 Penyerapan Energi
Sebuah bangunan lepas pantai akan menyerap energi sebagai akibat dari:
d. Deformasi plastis lokal (denting) dari tubular member.
e. Kelenturan elastis/plastis dari member. f. Regangan elastis/plastis dari member. g. Fender, jika ada.
h. Deformasi global struktur i. Deformasi kapal
Secara umum, tahanan terhadap tumbukan kapal bergantung pada interaksi antara kerusakan (denting) member dan kelengkungan (bending) member. Deformasi global dari struktur dapat diabaikan. Pengurangan energi tubrukan dapat terjadi dalam banyak kasus dimana ukuran vessel dan atau peralatan operasi vessel tersebut dibatasi.
2.3 Energi Tubrukan (Impact Energy)
Dalam HSE Offshore Technology Report, 2001 direkomendasikan bahwa gaya impact dirumuskan sebagai berikut : F = Po
m
a
c
V
F
=
.
.
...(1) Dengan F = gaya impact (MN)Po = minimum crushing strength bagian yang terkena tumbukan dari vessel dan bagian impact dari struktur landing platform.
c = kekakuan akibat tumbukan pada vessel (MN/m) a = koefisien massa tambah
(sideway impact = 1,4 ; stern / bow impact = 1,1) m = displacement vessel (Kg) V = kecepatan merapat relatif (m/s)
Total energi kinetik yang terjadi akibat tumbrukan kapal diketahui dengan menggunakan persamaaan:
...(2)
E = Energi Kinetik (N) m = Massa benda/kapal (kg)
a = Koefisien massa tambah benda/kapal = 1,4 untuk tubrukan samping
= 1,1 untuk tubrukan depan atau belakang V = Kecepatan tubrukan (m/s)
2.4 Massa tambah
Sebuah objek yang mengalami pergerakan dalam media cair akan mengalami pertambahan massa sebagai akibat adanya massa air yang ikut bergerak. Total berat vessel yang digunakan dalam analisa tubrukan sangat bergantung pada massa tambah.. API RP 2A memberikan koefisien massa tambah 1.4 untuk tubrukan samping (side impact) dan 1.1 untuk tubrukan depan (bow/stern impact).
...(3) Dengan:
M = Massa total (kg)
ms = massa struktur/vessel (kg) ma = massa tambah (kg)
= untuk jenis side impact = untuk jenis bow/stern impact
2.5 Tegangan Von Mises
Tegangan Von Mises yang terjadi dinyatakan melalui persamaan:
...(4)
Dengan:
σv = tegangan von mises, Pa σ1 = tegangan sumbu-x, Pa σ2 = tegangan sumbu-y, Pa σ3 = tegangan sumbu-z, Pa 2 2 1 amV E =
ma
ms
M
=
+
ms
4
.
0
ms
1
.
0
2.6 Kriteria Tegangan Ijin
Tegangan tarik ijin Ft menurut API RP 2A (2002), untuk member silinder ditentukan dari:
Ft = 0.6F. ...(5) Dengan : Fy adalah kekuatan yield (Mpa)
2.7 Konsep Metode Elemen Hingga
Perpindahan setiap struktur tertentu dalam bentuk jumlah terhingga dari koordinat perpindahan diskrit, yang menggabungkan beberapa ciri dari kedua prosedur, massa tergumpal dan koordinat tergeneralisasi, kini menjadi populer, pendekatan ini, yang merupakan dasar metode elemen terhingga analisis kontinum struktur, memberikan idealisasi sistem yang baik dan dapat diandalkan dan terutama efektif dalam analisis komputer digital.
Langkah pertama dalam idealisasi elemen-terhingga dari setiap struktur, meliputi pembagiannnya menjadi jumlah bagian yang tepat, atau elemen-elemen. Ukurannya sembarang, bisa semuanya berukuran sama atau semua berbeda. Pada ujung-ujung bagian dimana mereka saling dihubungkan, disebut titik-titik simpul. Perpindahan titik-titik simpul ini kemudian menjadi koordinat tergeneralisasi dari struktur. Lendutan struktur selengkapnya dapat dinyatakan berkenaan dengan koordinat tergeneralisasi ini dengan menggunakan kumpulan yang sesuai dari fungsi perpindahan yang diasumsikan.
2.7.1 Matrik Kekakuan
Kekakuan atau stiffness pada dasar merupakan kemampuan perubahan bentuk suatu elemen. Gaya luar yang bekerja ini dirubah dari bentuk uniform ke bentuk diskrit pada nodal force dan disebut sebagai equivalent nodal force.
Penyusunan matrik kekakuan secara keseluruhan dalam satu struktur dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 3 Node matriks kekakuan sederhana (Hastanto,2000)
Masing-masing titik simpul mempunyai kekakuan
1
1
1
1
−
−
L
AE
Maka matrik kekakuan dari struktur
dibentuk dengan menjumlahkan suku-suku matrik kekakuan masing-masing simpul yang berorientasi
pada titik simpul yang sama. Akan lebih mudah dipahami sebagai berikut:
Elemen 1 2 1 2 1
*
f
f
x
x
K
=
...(6) Elemen 2 3 2 3 2*
f
f
x
x
K
=
………...(7)Terlihat bahwa ada suku kekakuan yang berorientasi pada titik yang sama yaitu ke titik 2. Suku matrik yang berorientasi ke titik 2 harus dijumlahkan sehingga matrik kekakuan struktur secara menyeluruh adalah: 3 2 1 3 2 1
*
.
1
1
0
1
2
1
0
1
1
f
f
f
x
x
x
L
AE
=
−
−
−
−
...(8) 2.8 Mekanikal ClampMekanikal clamp adalah sebuah sistem clamp dimana begian luarnya dibentuk dari dua atau lebih segmen yang ditempatkan mengelilingi tubular join. Untuk menyatukannya digunakan baut panjang (Harwood et al 1988).
Aplikasi
Aplikasi dari mekanikal clamp dibuat berdasarkan 2 kategori utama :
1. Strengthening atau penguatan untuk satu atau lebih brace member pada sambungan tubular yang diakibatkan beban statis maupun fatigue.
2. Menghubungkan satu atau lebih member baru pada struktur atau sambungan tubular yang sudah ada.
Gambar 4 Aplikasi Mekanikal Clamp (Harwood et al, 1988)
3. PERMODELAN
Pemodelan struktur jacket LC platform menggunakan software SACS. Data gambar struktur yang digunakan untuk pemodelan adalah dari technical drawing LC Platform. Dimana data gambar tersebut meliputi dimensi jacket dan jenis material. Dalam pemodelan geometri struktur, semua struktur dimodelkan termasuk dek-dek, kaki jacket, dan boat landing.
Gambar 5. Model LC Platform
Desain modifikasi boatlanding yang dibuat pada penelitian ini adalah dengan mengubah beberapa parameter yang telah ditentukan pada sebuah boatlanding, yakni parameter modifikasi bentuk, perubahan attachment boatlanding dengan menggunakan sistem clamp, serta letak elevasi (ketinggian) boatlanding terhadap pasang -surut.
Gambar 6. Model Modifikasi Boatlanding
Desain Clamp mengacu pada code OTH 88 283 Grouted and Mechanical Strengthening and Repair of Tubular Steel Offshore Structures, konfigurasi bolt mengacu pada AISC 9th edition, dan bolt
diasumsikan union pada clamp.
Gambar 7. Model Clamp
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa Ship Impact
Analisa ship impact dilakukan dengan bantuan software SACS 5.2 untuk mengetahui besarnya energi yang mampu diserap oleh struktur boatlanding modifikasi akibat beban tubrukan kapal dan mengetahui besarnya deformasi yang terjadi.
Analisa dilakukan dengan mengkalkulasikan kecepatan crewboat yang merapat dengan massa crewboat dan added massnya. Dengan asumsi kecepatan operational 0.5 m/s dan kecepatan accidental 1.5 m/s (Jorgen Amdahl, 1980), kapal akan ditubrukkan dengan joint member boatlanding pada tiap-tiap elevasi pasang surut (HHWL, MSL, LLWL) dan kondisi tabrakan untuk Bow Impact dan Side Impact.
Analisa ship impact dilakukan pada 3 elevasi pasang surut pada daerah North West Java yaitu :
HHWL = 1.2 m MSL = 0.6 m LLWL. = 0.05 m
Kondisi Operasi
Untuk jenis tabrakan Bow Impact, energi maksimal yang bekerja pada struktur boatlanding adalah sebesar 6.56 KJ pada elevasi LLWL.
Gambar 9. Kurva Absorbed Energy Operational Bow Impact
Untuk jenis tabrakan Side Impact, energi maksimal yang bekerja pada struktur boatlanding adalah sebesar 8.11 KJ pada elevasi LLWL.
Gambar 10. Kurva Absorbed Energy Operational Side Impact
Kondisi Accidental
Untuk jenis tabrakan Bow Impact, energi maksimal yang bekerja pada struktur boatlanding adalah sebesar 58.07 KJ pada elevasi LLWL.
Gambar 11. Kurva Absorbed Energy Accidental Bow Impact
Untuk jenis tabrakan Side Impact, energi maksimal yang bekerja pada struktur boatlanding adalah sebesar 74.84 KJ pada elevasi LLWL.
Gambar 12. Kurva Absorbed Energy Accidental Side Impact
Dari analisa ship impact yang telah dilakukan, didapatkan bahwa energi terbesar yang bekerja pada struktur boatlanding terjadi pada saat kondisi accidental side impact pada elevasi LLWL.
4.2 Analisa Lokal Sistem Clamp
Dari analisa ship impact yang telah dilakukan, telah didapatkan energi dan deformasi maksimal pada
struktur boatlanding yang selanjutnya digunakan untuk mengkalkulasikan stress pada sistem landing dan clamp dengan menggunakan metode elemen hingga dengan bantuan software ANSYS.
Kondisi Operasi
Untuk jenis tabrakan Bow Impact, stress maksimal yang bekerja pada struktur boatlanding dan clamp adalah sebesar 83.8 Mpa, pada elevasi LLWL.
max stress (Mpa) 83.80 74.50 65.20 55.90 46.60 37.30 28.05 18.80 9.47 0.18
Gambar 13. Stress yang Bekerja Pada Boatlanding dan Clam, kondisi operational Bow Impact
Untuk jenis tabrakan Side Impact, stress maksimal yang bekerja pada struktur boatlanding dan clamp adalah sebesar 201.1 Mpa, pada elevasi LLWL.
Gambar 14. Stress yang Bekerja Pada Boatlanding dan Clam, kondisi operational Side Impact
Kondisi Accidental
Untuk jenis tabrakan Bow Impact, stress maksimal yang bekerja pada struktur boatlanding dan clamp adalah sebesar 419.33 Mpa, pada elevasi LLWL.
max stress (Mpa) 419.33 372.7 326.2 279 233 186 139 93.3 46.7 0.19
Gambar 15. Stress yang Bekerja Pada Boatlanding dan Clam, kondisi accidental Bow Impact
Untuk jenis tabrakan Side Impact, stress maksimal yang bekerja pada struktur boatlanding dan clamp adalah sebesar 3340 Mpa, pada elevasi LLWL.
max stress (Mpa) 3340 2970 2590 2227 1850 1480 1110 443 372 16.1
Gambar 16. Stress yang Bekerja Pada Boatlanding dan Clam, kondisi accidental Side Impact max stress (Mpa) 201.1 178.9 156.58 134.3 112 89.7 67.4 45.2 22.9 0.63
5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil perhitungan dan analisa dapat diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut,
1. Desain Modifikasi Boatlanding memungkinkan untuk diaplikasikan jika mengingat parameter kekuatan yang telah dihasilkan
2. Struktur Modifikasi dapat menyerap energi maksimal sebesar 8.11 KJ pada kondisi operasi, dan 74.84 KJ pada kondisi accidental 3. Stress maksimal yang bekerja pada struktur
Modifikasi adalah sebesar 83.8 Mpa untuk bow impact dan 201.1 Mpa untuk side impact pada kondisi operasi. Hal ini memungkinkan struktur masih berada pada kondisi elastisnya, dan layak untuk beroperasi.
Sedangkan pada kondisi accidental, member boatlanding sudah batas yielding dan berada pada kondisi plastis.
5.2 Saran
Saran yang dapat diberikan untuk penelitian selanjutnya yaitu :
1. Model boatlanding dimodelkan dengan substructure modelling sehingga dapat diketahui dent yang terjadi
2. Model Bolt pada clamp didetailkan dengan menggunakan contact region tersendiri 3. Menghitung kelelahan struktur/ bolt.
DAFTAR PUSTAKA
Amdahl, J. and Johansen, A. 2001, “High-Energy Ship Collision With Jacket Legs”,
Proceedings of the Eleventh (2001) International Offshore and Polar Engineering Conference, June 2001, Pages 373-377.
American Petroleum Institute, 2002, Recommended Practice For Planning and
Constructing Fixed Offshore Platform – Working Stress Design , API Recommended Practice 2A (RP 2A) WSD Gjerde, P., Parsons S.J., Igbenabor, S.C., 1999,
“Assessment of jack-up boat impact analysis methodology”, Marine Structures 12 (1991), Pages371-401.
Kenny, J.P., 1988, “Protection of Offshore Installations Against Impact”,
Offshore Technology Information, OTI 88 535.
Sumiwi, A. D., 2009, Respon Dinamis Akibat Benturan Kapal Pada Anjungan Jacket, Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan; ITS, Surabaya. Popov, E. P., 1993, Mekanika Teknik, Penerbit
Erlangga, Jakarta.
Rahawarin, A.K.,2009, Analisa Keruntuhan Jacket Fixed Platform Akibat Tubrukan Supply Vessel, ITS, Surabaya.
Rosyid, D.M., 2009, Optimasi, ITS Press, Surabaya. Sumiwi, A. D., 2009, Respon Dinamis Akibat
Benturan Kapal Pada Anjungan Jacket,
Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan; ITS, Surabaya.
Visser, W., 2004, Ship collision and capacity of brace member of fixed steel offshore platform, HSEResearch report, Netherlands.
