A
NALISIS
R
ESIKO
P
ERAMBATAN
R
ETAK
P
ADA
B
OTTOM
P
LATE
FPSO
DENGAN PENDEKATAN
E
LASTIC
P
LASTIC
F
RACTURE
M
ECHANICS
Oleh:
Yuangga Yanuar R (4306 100 016)
Dosen Pembimbing :
Ir. Murdjito, M.Sc.Eng
Dr. Eng. Rudi Walujo Prastianto, ST., MT
L
ATAR
B
ELAKANG
|
Penggunan FPSO semakin meningkat seiring
perkembangan industri migas.
|
Modifikasi tanker menjadi FPSO merupakan
alternatif strategis pengadaan armada FPSO.
|
Kegagalan akibat kepecahan merupakan salah satu
moda kegagalan terpenting struktur bangunan apung,
khususnya yang berbentuk kapal (ship shaped
structure)
|
Materil bersifat ductile lebih sering digunakan
dibanding material bersifat britle pada konstruksi
bangunan apung.
|
Analisa keretakan berbasis EPFM lebih dapat
mewakili karakteristik material ductile.
Latar Belakang (lanjutan)
|
Kegagalan struktur (plat alas) akibat terjadinya
keretakan mengakibatkan kebocoran.
|
Untuk itu perlu dilakukan penelitian berbasis resiko
pada kasus tersebut.
Latar Belakang (lanjutan)
P
ERUMUSAN
M
ASALAH
|
Berapa besar
Stress Intensity Factor
(SIF
) bottom
plate
FPSO yang memiliki
surface crack
?
|
Bagaimana perambatan retak (
crack
propagation
)
bottom plate
FPSO yang
memiliki
surface crack
?
|
Bagaimana matriks resiko dari kegagalan akibat
kepecahan pada
bottom plate
FPSO?
T
UJUAN
|
Mengetahui besar
Stress Intensity Factor
(SIF
)
bottom plate
FPSO yang memiliki
surface crack
.
|
Mengetahui besar perambatan retak (
crack
propagation
)
bottom plate
FPSO yang
memiliki
surface crack
|
Mengetahui model matriks resiko dari kegagalan
akibat kepecahan pada
bottom plate
FPSO
M
ANFAAT
P
ENELITIAN
|
Dari penelitian ini diharapkan dapat diketahui
perilaku retak yang berkaitan terhadap besaran
perambatan retak struktur, serta dapat
ditentukan perkiraan level resiko yang dibuat,
sehingga dapat dilakukan usaha-usaha preventif
penyelamatan untuk mengurangi akibat
kegagalan
B
ATASAN
M
ASALAH
|
Struktur yang dikaji merupakan tanker dengan code
Germanischer
Lloyd
|
Perhitungan tegangan pada
bottom plate
mempertimbangkan
self
weight
dan beban lingkungan.
|
Beban lingkungan ditinjau ialah beban gelombang (dua puncak
gelombang pada kedua ujung struktur, dan satu puncak gelombang
pada midship)
|
Tebal plat dianggap tetap, tidak ada pengurangan tebal akibat
korosi.
|
Crack
diasumsikan
elliptical surface crack
dengan
crack initial
berdasarkan code ABS
.
|
Mode retak yang digunakan pada analisa adalah mode opening
yang hanya memperhitungkan gaya aksial (Mode I) dengan kondisi
plane stress
.
|
Analisis
fracture mechanics
menggunakan pendekatan
elastic-plastic fracture mechanics dengan J-Integral Analysis.
|
Kegagalan diasumsikan jika kedalaman
surface crack
sama dengan
tebal plat
|
Analisis resiko dilakukan untuk mendapatkan matriks resiko
M
ETODOLOGI
P
ENELITIAN
1 1M
ETODOLOGI
P
ENELITIAN
(L
ANJUTAN
)
2
2
M
ETODOLOGI
P
ENELITIAN
(L
ANJUTAN
)
Data Struktur
Description Symbol Unit Quantity
Vessel Size Kdwt 30
Displacement Δ Ton 38144
Length Overall LOA m 180
Length Between Perpendicular LPP m 173
Breadth B m 30.5
Depth D m 15.6
Draft Design T m 9
Max Speed in calm water Vo kn 14
Block Coefficient CB 0.8 Sumber Data: PT.PAL Indonesia, 2009
T
ANKTOPC
ONSTRUCTION, M
IDSHIPS
ECTION MODEL, S
TEELP
LANM
AINM
ODEL,
BHD & TRANS S
ECTIONM
ODELData gambar
Sumber Data: PT PAL Indonesia, 2009
POSEIDON ND
Perhitungan Scantlings
criteria yang mengacu
pada:
*Germanischer Lloyd Rules for Classification and Construction (Ship Technology Part 1, Chapter 1)
*Prosedur perhitungan langsung (finite element
analysis)
Principal Dimension, Hull Structure design
termasuk stiffener, holes & cutout
PEMODELAN MENGGUNAKAN
POSEIDON
POSEIDO
N Start
Input
Principal
Dimension
Input
Functional
Element
Input Plate and
Stiffener
Arrangement
Calculation of
Scantling acc, to
GL Rules
Input Design
Criteria, Loads
Acceptance of
Scantling acc, to
GL Rules
Alur Pemodelan POSEIDON
O
UTPUT RUNNING
POSEIDON
Grafik shear force & bending moment
O
UTPUT RUNNING
POSEIDON
Tabel tegangan pada bottom plate
LOKASI ANALISA LOKAL…
Pemodelan
crack
dengan ANSYS
Data model : Material jenis A-36
Tegangan Luluh (σy) = 250 MPa
Modulus Young (E) = 2.005x1010kg/m2 Shear Modulus (G) = 74.376 kg/m2 Poisson’s Ratio = 0.32
Tebal plat alas = 12 mm Tebal Longitudinal girder = 12 mm
Tebal frame = 14 mm
Variasi kedalaman retak = 0.5mm,1mm,1.5mm, 2.04mm, 2.5mm,3.5mm, 5mm, 6.5mm, 8mm, dan 10mm.
Element : 20node solid 95 Mesh size: 0.4
O
UTPUT MODELLING
ANSYS
. Distribusi tegangan pada crack tip
Hasil Pemodelan crack pada ANSYS 1 MX .00389836.865 73.726 110.587 147.448 184.309 221.17 258.031 294.893 331.754 JUL 25 2010 16:45:13 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.039837 SMN =.003898 SMX =331.754 1 MX .003898 36.865 73.726 110.587 147.448 184.309 221.17 258.031 294.893 331.754 JUL 25 2010 16:45:46 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.039837 SMN =.003898 SMX =331.754
S
TRESS
I
NTENSITY
F
ACTOR
(SIF)
kedalaman SIF (Δ K)
retak Δ K analitis Δ K ANSYS Error (m) (MPa√m) (MPa√m) (%) 0.0005 0.5497 0.5669 3.0337 0.001 0.6575 0.6407 2.6115 0.0015 0.7328 0.7351 0.3192 0.00204 0.8335 0.8651 3.6575 0.0025 0.9056 0.9284 2.4577 0.0035 1.1299 1.1304 0.0442 0.005 1.3395 1.3044 2.6903 0.0065 1.4188 1.4261 0.5133 0.008 1.5078 1.4753 2.2013 0.01 1.5464 1.5025 2.9226
Perhitungan manual SIF berdasarkan persamaan
elliptical surface crack :
Q
a
K
I=
σ
π
Dengan :
σ= tegangan lokal daerah crack baik minimum atau maksimum (Mpa) a= variasi kedalaman crack(m) Π = 3.14
Q =parameter bentuk, dari grafik 2.11 bernilai 1,1
Stress Intensity Factor (SIF)
–lanjutan-y = 0.000e2.638x R² = 0.956 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 1.2000 1.4000 1.6000 Re ta k A w a l ( m )
SIF ANSYS (MPa√m)
SIF vs Retak Awal
•ΔK dipengaruhi oleh rentang tegangan dan ukuran retak awal
•Trendline pola eksponensial
P
ARAMETER
J-I
NTEGRAL
kedalaman J‐Integral
retak ΔJ analitis ΔJ ANSYS Error (m) (Mpa.m) (Mpa.m) (%) 0.0005 4.27E‐05 4.20E‐05 1.6183 0.001 8.46E‐05 8.55E‐05 0.9776 0.0015 1.04E‐04 1.05E‐04 0.7630 0.00204 1.57E‐04 1.59E‐04 0.9249 0.0025 1.74E‐04 1.72E‐04 1.0340 0.0035 2.54E‐04 2.52E‐04 0.8215 0.005 3.26E‐04 3.26E‐04 0.0103 0.0065 4.24E‐04 4.04E‐04 4.9906 0.008 4.62E‐04 4.79E‐04 3.5322 0.01 6.26E‐04 6.03E‐04 3.8046 Perhitungan manual parameter J berdasarkan persamaan : Dengan :
K= faktor intensitas tegangan daerah crack baik minimum atau maksimum (MPa√m)
E= modulus young (MPa)
Parameter J-Integral
–lanjutan-y = -2E+07x3+ 27024x2+ 8.616x + 0.000 R² = 0.998 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012
0.00E+00 1.00E‐04 2.00E‐04 3.00E‐04 4.00E‐04 5.00E‐04 6.00E‐04 7.00E‐04
Re ta k A w a l ( m ) ∆ J (Mpa.m)
∆J vs Retak Awal
•Trendline pola polinomial orde 3
P
ERAMBATAN RETAK
a0 af da/dN N m m m/cycle cycle 0.0005 0.012 1.2483E-15 9.2126E+12 0.001 0.012 1.0524E-14 1.0453E+12 0.0015 0.012 1.9393E-14 5.4142E+11 0.00204 0.012 6.7561E-14 1.4742E+11 0.0025 0.012 8.5929E-14 1.1056E+11 0.0035 0.012 2.7079E-13 3.1390E+10 0.005 0.012 5.8584E-13 1.1949E+10 0.0065 0.012 1.1116E-12 4.9479E+09 0.008 0.012 1.8539E-12 2.1576E+09 0.01 0.012 3.6988E-12 5.4071E+08Perhitungan crack propagation dari rumus empiris Paris-Erdogan untuk J-integral analysis :
Perhitungan jumlah siklus pembebanan didapat dengan mengintegralkan persamaan laju keretakan:
Dengan :
a0= kedalaman crack awal (m) acr= kedalaman kritis (m) = 12mm
C&m = konstanta material = 6.9 x 10-3 & 3 R=parameter rasio tegangan rata-rata =0.59
y = 4E-06x3- 1E-08x2+ 8E-11x - 7E-14
R² = 0.999 -5.00E-13 0.00E+00 5.00E-13 1.00E-12 1.50E-12 2.00E-12 2.50E-12 3.00E-12 3.50E-12 4.00E-12 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 P era mb a ta n ret a k , d a /d N (m /c y cl e) Retak Awal (m)
Perambatan Retak vs Retak Awal
y = 628.8x-3.11 R² = 0.988 0.00E+00 2.00E+12 4.00E+12 6.00E+12 8.00E+12 1.00E+13 1.20E+13 1.40E+13 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 Ju m la h s ik lu s (c y cl e) Retak awal (m)
Jumlah siklus tegangan vs Retak awal
P
ERAMBATAN RETAK
–
LANJUTAN
-•Laju perambatan retak dipengaruhi oleh ukuran retak awal & ΔJ
• Makin besar ΔJ , siklus semakin kecil •Trendline pola polinomial orde 3
•Trendline pola power
ANALISA
RESIKO
| Identifikasi Hazard > Crack (ABS 2003 – Risk Evaluations For The
Classification of Marine Related Facilities)
| Prakiraan PoF > Montecarlo (iterasi 10000 kali)
a o (m) Keandalan(K) PoF
0.0005 0.967 0.030 0.001 0.909 0.091 0.0015 0.768 0.232 0.00204 0.753 0.247 0.0025 0.582 0.416 0.0035 0.511 0.489 0.005 0.479 0.521 0.0065 0.428 0.572 0.008 0.391 0.609 0.01 0.385 0.615 PoF Peringkat 0.6000 – 1.000 High 0.3000 – 0.5999 Medium High 0.1000 – 0.2999 Medium Low 0.0000 – 0.0999 Low
PoF dihitung dengan menggunakan simulasi
Monte Carlo dibantu dengan software minitab
untuk menentukan distribusi Stress, menentukan
parameter-parameter dari distribusi yang
digunakan serta mengenerate random variable. Data Stress di sekitar crack tip menunjukkan
distribusi Weibull. Struktur dinilai keandalan
berdasarkan design umur operasi 25 tahun.
Berikut mode kegagalan :
Dengan : Nf = 4.825 x 107
untuk design life 25 tahun.
Analisa Resiko
-lanjutan-| Prakiraan Konsekuensi > (Lee .dkk & ABS)
Location Personnel Environment Asset Total (P) (E) (A) (T)
Plat Alas Minor Significant Critical Significant
Parameter konsekuensi di atas dihubungkan dengan laju perambatan retak dan ketebalan plat minimum yang diijinkan oleh code Germanischer Lloyd sebesar
t min= 6.5 + 0.02L (mm),sehingga konsekuensi menjadi dua yakni: a0 (mm) Consequence
0.5mm – 2.04mm Minor 2.05mm‐10mm Significant
A
NALISAR
ESIKO–
LANJUTAN-Mitigasi :
Menekan PoF dengan cara melakukan inspeksi berkala sesuai rules & standard
ID Crack depth Component Criteria
A 0.0005
PoF 0.030 Low 0.033 Consequence Minor Low Low
B 0.001
PoF 0.091 Low 0.091 Consequence Minor Low Low C 0.0015
PoF 0.232 Medium Low 0.232 Consequence Minor Low Low
D 0.00204
PoF 0.247 Medium Low 0.247 Consequence Minor Low Low
E 0.025
PoF 0.416 Medium High 0.418 Consequence Significant Medium Low 0.033
F 0.0035
PoF 0.489 Medium High P3C2 Consequence Significant Medium Low
G 0.005
PoF 0.521 Medium High P3C2 Consequence Significant Medium Low H 0.0065
PoF 0.572 Medium High P3C2 Consequence Significant Medium Low
I 0.008
PoF 0.609 High
P4C2 Consequence Significant Medium Low
J 0.01
PoF 0.615 High
P4C2 Consequence Significant Medium Low y Evaluasi Resiko > Matrik (ABS 2003)
K
ESIMPULAN
| Harga stress intensity factor (ΔK) meningkat bertahap
membentuk kurva non linier mengikuti pola eksponensial. Pada kedalaman retak awal 0.0005 m (ΔK) bernilai 0.05669 MPa√m, sedangkan pada retak terdalam yakni 0.01 m harga (ΔK) mencapai 1.5025 MPa√m. Adapun harga parameter (ΔJ) juga menunjukkan pola peningkatan dengan nilai 4.20×10-5 MPa.m pada retak awal hingga 6.03× 10-4MPa.m pada kedalaman retak maksimum mengikuti pola polynomial orde 3.
| Retak awal yang divariasikan dalam analisa ini menunjukkan
bahwa semakin dalam retak awal semakin cepat laju perambatan retak. Pada retak awal terkecil yaitu 0.0005 meter memiliki laju perambatan retak 1.2483× 10-15m/cycle sedangkan pada retak terbesar yakni 0.01 m laju perambatan retak meningkat drastis mengikuti pola polynomial orde 3 hingga mencapai laju 3.6988× 10-12m/cycle.
| Peluang kegagalan struktur bernilai 0.030 pada kedalaman retak terkecil
hingga mencapai 0.615 pada kedalam retak maksimum, termasuk pada level resikolow hingga high, meningkat sesuai pertambahan kedalaman retak. Konsekuensi kegagalan diidentifikasi pada tiap bagian struktur padabottom plate dengan resiko kegagalan adalah terjadinya kebocoran pada plat alas dan didapatkan hasil konsekuensi kegagalan berada pada tingkat resikolow hingga medium low. Sehingga level resiko kegagalan akibat kepecahan padabottom plate adalah low risk hingga medium risk.
| Perambatan retak dipengaruhi beberapa faktor yaitu retak awal (a0),
rentang tegangan (Δσ) dan material yang digunakan. Rentang tegangan dan retak awal akan mempengaruhi selisihstress intensity factor (ΔK) yang berkaitan langsung pada hargaΔJ. Material yang digunakan mempengaruhi konstanta material (C dan m) yang digunakan dalam perhitungan laju perambatan retak. NilaiΔJ menentukan jumlah siklus tegangan (N) yang diperlukan untuk mencapai retak kritis, semakin besar N maka laju perambatn retak semakin kecil begitu juga sebaliknya.
K
ESIMPULAN
(L
ANJUTAN
)
S
ARAN
:
| Analisis perambatan retak bottom platehanya dilakukan pada
mode I (opening crack). Untuk itu perlu dilakukan analisa
perambatan retak pada mode II maupun mode III, karena retak pada struktur bisa diakibatkan oleh kombinasi ketiga mode pembebanan pada struktur.
| Analisa perambatan retak dapat dikembangkan dengan retak
asimetris, karena retak dapat terjadi di berbagai lokasi.
| Analisis lokal perambatan retak dilakukan pada bagian kritis
lain pada struktur, misalkan side shell, dan deck.
| Software yang digunakan merupakan software trial versionyang
hanya bisa memakai fitur GL rules, sedangkan analisa lebih komperhensif membutuhkan fitur lengkap CSR-OT yang memang
di khususkan untuk pemodelan oil tanker yang bisa diperoleh
pada POSEIDONfull version.
