OPTIMASI JACKET STRUKTUR LEPAS PANTAI

(1)

PROSIDING 2012© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK

Arsitektur Elektro Geologi Mesin Perkapalan Sipil

OPTIMASI JACKET STRUKTUR LEPAS PANTAI

Juswan, Hamzah & Novi Sari

Jurusan Perkapalan Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea – Makassar, 90245

Telp./Fax: (0411) 585637 e-mail: [email protected]

Abstrak

Struktur jacket merupakan struktur rangka baja yang terdiri dari beberapa kaki struktur dan rangka penunjang (brace) yang dikonfigurasikan dengan beberapa jenis perangkaan. Untuk mengoptimalkan pengoperasian dari struktur bangunan lepas pantai diperlukan suatu konfigurasi rangka struktur dengan model tata letak brace sedemikian rupa sehingga penggunaan material pada struktur lebih ekonomis. Penelitian ini bertujuan mengetahui tata letak brace yang paling optimum dengan menggunakan data Struktur Satellite Wellhead Platform yang berlokasi penelitian di Selat Makassar pada posisi 01⁰20’07.23” LS dan 116⁰41’07.12” BT. Untuk memperoleh tata letak yang optimal, dilakukan analisis pada berbagai variasi model tata letak yaitu konfigurasi tipe K terbalik sebagai data awal, kemudian variasi brace horisontal, variasi panjang tingkatan, variasi brace K, variasi brace sekunder, serta variasi gabungan. Tata letak yang paling optimal dipilih berdasarkan nilai Interaction Ratio (IR) lebih kecil dari 1 (satu) dengan berat total minimum. Hasil penelitian menunjukkan bahwa model tata letak yang optimal adalah model tata letak 33 (variasi brace K) dengan ukuran optimal dimensi brace pada diameter luar yaitu 40 inci dan ketebalan 0,4 inci serta nilai IR terbesar yaitu 0,626 dan berat total material sebesar 151,099 ton.

Kata Kunci: jacket, optimasi, tata Letak, IR

PENDAHULUAN

Saat ini Indonesia telah memasuki era deep-water technology dalam bidang industri lepas pantai telah dikembangkan untuk menunjang pertumbuhan industri gas dan minyak, khususnya di bidang eksplorasi dan eksploitasi gas dan minyak di lepas pantai. Di Indonesia sendiri diperkirakan terdapat lebih dari 50 cekungan potensial yang dapat menghasilkan minyak dan gas bumi.

Untuk mengeksplorasi dan mengeksploitasi sumber daya tersebut dibutuhkan sarana yang memadai berupa struktur bangunan lepas pantai. Dalam perencanaan dan perancangan sistem perpipaan bawah laut yang kompleks selain mampu mengatasi kondisi dasar laut yang memiliki beban lingkungan seperti gelombang, arus laut, gempa bumi, ketidakstabilan tanah, dan kondisi-kondisi lainnya, juga harus mampu lebih teliti dalam memilih dan menggunakan bahan material yang di anggap lebih efektif, sehingga penggunaan material lebih ekonomis.

Struktur jacket merupakan struktur rangka baja. Semakin tinggi atau banyak jumlah tingkat bangunan lepas pantai maka kestabilan lateral ini semakin menurun walaupun desain kekuatan elemen struktur sudah memenuhi kriteria perancangan. Hal ini dapat dilihat dari besarnya perpindahan lateral maksimum yang meningkat yang dapat melebihi indeks simpangan lateral yang ditentukan.

Oleh karena banyaknya penataan elemen struktural yang dapat lebih efektif menyederhanakan perilaku dinamik struktur terhadap beban gelombang, dan tidak merusak keterpaduan antara rancangan arsitektural dengan rancangan struktural, maka untuk mengoptimalkan pengoperasian dari struktur bangunan lepas pantai diperlukan analisa tata letak yang sedemikian rupa sehingga struktur menjadi kuat, kaku dan stabil terhadap pembebanan yang timbul tetapi ekonomis dalam hal penggunaan material. Penelitian ini bertujuan mengetahui tata letak brace yang paling optimum.

(2)

Optimasi Jacket Struktur Lepas… Juswan, Hamzah & Novi Sari

KAJIAN PUSTAKA

Pengenalan Bangunan Lepas Pantai

Semakin canggihnya teknologi yang dimiliki manusia membuat manusia selalu merasa tidak puas akan keberhasilannya dan semakin sempit lapangan di daratan semakin tipis pula cadangan-cadangan sumber energi di daratan membuat manusia melakukan ekspansi ke arah laut. Untuk itu dibuatlah suatu bangunan struktur yang dapat berdiri kokoh di laut, sebagai contoh anjungan lepas pantai tipe jacket untuk melakukan kegiatan operasi minyak dan gas di laut.

Gambar 1. Jacket atau Template (Dawson, T.H, 1983)

Tipe Bangunan Lepas Pantai

Dari sekian banyak tipe-tipe platform yang ada, salah satu yang membedakan adalah daerah dimana platform tersebut beroperasi. Gambar 2 menjelaskan pembagian platform berdasarkan daerah pengoperasiannya.

Gambar 2. Tipe-Tipe Bangunan Lepas Pantai

(3)

Pembebanan Struktur

Adapun beban-beban yang harus dipertimbangkan dalam perancangan bangunan lepas pantai adalah sebagai berikut:

1. Beban gravitasi (gravity load); beban mati (dead load), beban hidup (live load).

2. Beban lingkungan (environmental load); beban angin (wind load), beban gelombang (wave load) dan beban gempa (earthquake load).

Gelombang

Dalam perhitungan beban gelombang, maka teori gelombang yang digunakan disesuaikan dengan grafik validitas teori gelombang berdasarkan parameter H/gT² dan d/gT² (Chakrabarti, 1987) seperti terlihat pada Gambar 3. Perhitungan panjang gelombang pada perairan tertentu secara teoritis dapat dihitung dengan formula berikut,

𝜆 =𝑔𝑇²

2𝜋 tan 𝑘𝑑 (1)

Analisa gelombang menggunakan persamaan Morrison sebagai berikut yang berlaku apabila d/λ < 0.2 (Dawson T H, 1983),

𝐹 = 𝐹_𝑖+ 𝐹_𝑑 (2)

𝐹 = 𝐶𝑚𝜌𝐴𝑢̇ +1

2𝐶𝑑𝜌𝐷𝑢|𝑢| (3)

Teori gelombang yang sering digunakan dalam analisa struktur offshore adalah teori linier airy dan teori gelombang non-linier stokes orde 5.

Gambar 3. Grafik Region of Validity (API RP2A, 2000)

(4)

Teori Optimasi

Suatu perencanaan terdiri atas empat langkah yaitu (Kirsch, 1981):

1. Perumusan syarat-syarat fungsional, yaitu mencari dan merumuskan syarat-syarat fungsional yang dalam beberapa kasus tidak terlihat secara nyata.

2. Perencanaan dasar, misalnya pemilihan topologi, tipe struktur dan material.

3. Proses optimasi, yaitu untuk memperoleh kemungkinan perencanaan terbaik dengan kriteria, pertimbangan dan batas-batas yang ada.

4. Pendetailan, setelah seluruh penyajian optimasi, hasil yang didapat harus diperiksa dan dimodifikasi jika perlu.

Secara Umum masalah optimasi ada tiga jenis, yaitu:

a. Optimasi bentuk.

Optimasi bentuk adalah masalah optimasi untuk mendapatkan bentuk dan ukuran serta tata letak penampang.

b. Optimasi topologi.

Optimasi topologi adalah masalah optimasi yang bersangkutan dengan tata ruang yang tidak berubah dalam deformasi dwikontinu (yaitu ruang yang dapat ditekuk, dilipat, disusut, direntangkan, dan dipilin tetapi tidak diperkenankan untuk dipotong, dirobek, ditusuk atau dilekatkan).

c. Optimasi geometri.

Optimasi geometri adalah masalah optimasi untuk menghasilkan energi terendah.

Dalam metode optimasi terdapat tiga besaran utama, yaitu:

a. Variabel desain.

b. Fungsi kendala.

c. Fungsi sasaran

Penyelesaian masalah optimasi dapat dipakai dua cara yaitu:

1. Metode analisis

Metoda ini menggunakan dasar teori matematika yang dibuat oleh Maxwell pada tahun 1890 dan Michell tahun pada 1904 dan memberikan hasil eksak namun hanya dapat digunakan untuk masalah optimasi yang sederhana saja karena pada beberapa masalah yang lebih kompleks pengolahan matematikanya sangat tidak sederhana.

2. Metoda Numerik

Metoda optimasi numerik berkembang sejak ditemukannya komputer sebagai alat bantu hitung. Dynamic programming, integer programming, steepest descent, sequential unconstraint minimization technique, gradient projection, dan penalty function merupakan metoda optimasi numerik yang sering dipakai untuk menyelesaikan masalah optimasi di bidang sipil. Dalam metoda ini nilai yang akan dicari didekati dengan cara iterasi dan proses iterasi dihentikan apabila nilai yang dicari sudah cukup dekat dengan titik optimal yang sesungguhnya (Kirsch, 1981).

Variabel Desain

Dalam metode optimasi variable desain untuk satu struktur yang dimaksud ialah panjang batang (l) setiap model brace, sedangkan untuk keseluruhan struktur jacket objek optimasinya terdiri atas;

1. Kaki jacket, dan 2. Brace jacket

(5)

Constrain Optimizatioan

Adapun yang termasuk dalam constrain desain dalam penulisan ini adalah:

1) Nilai Interaction Ratio (IR) 2) Pemodelan beberapa tata letak

Analisis Struktur

1. Output Gaya-gaya Dalam

Gaya-gaya dalam pada elemen frame merupakan gaya dan momen yang dihasilkan dari penjumlahan tegangan pada potongan penampang elemen. Gaya-gaya dalam tersebut antara lain;

1. P, gaya aksial

2. V2, gaya geser pada bidang 1-2 3. V3, gaya geser pada bidang 1-3 4. T, momen torsi aksial

5. M2, momen pada bidang 1-3 (momen terhadap sumbu -2) 6. M3, momen pada bidang 1-2 (momen terhadap sumbu -3)

Gambar 4. Gaya dan Momen Internal Elemen Frame

2. Tegangan Pada Struktur Tegangan Kerja pada Struktur 1. Tegangan Aksial

𝜎_𝑎=𝑃𝑚𝑎𝑥

𝐴 (4)

(6)

2. Tegangan Geser

𝜏_𝑎=𝐹

𝐴 (5)

3. Tegangan Lentur (bending stress)

𝜎𝑏 =𝑀_𝑐

𝐼 (6)

Tegangan Izin

1. Tegangan izin aksial (allowable axial compressive stress)

𝐹_𝑡= 0,6 𝐹_𝑦 (7)

2. Tegangan izin lentur (allowable bending stress)

𝐹_𝑏= 0,75 𝐹_𝑦 (8)

3. Tegangan izin geser (allowable shear stress)

𝐹𝑣= 0,4 𝐹𝑦 (9)

Interaction Ratio

𝐼𝑅 =𝑓_𝑎 𝐹𝑎

+𝐶_𝑚(𝑓_𝑏1−2² 𝑓_𝑏1−3² )^0,5

(1 − 𝑓_𝑎/𝐹𝑒)𝐹_𝑏 ≤ 1 (10)

METODOLOGI PENELITIAN

Adapun langkah langkah-langkah yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah:

1. Menghitung beban gelombang dilakukan dengan menggunakan persamaan Morison dengan syarat h/λ <

0,05 (air dangkal) dan h/λ > 0,5 (air dalam).

2. Memodelkan struktur dengan metode Elemen Hingga.

3. Menggambar layout struktur dengan beberapa model tata letak struktur.

4. Memasukkan data beban lateral dan beban aksial yang bekerja pada struktur sesuai dengan karakteristik gelombang dan dimensi geladak.

5. Menghitung tegangan yang terjadi akibat beban lateral dan beban aksial pada struktur offshore sampai menghasilkan IR<1 (IR mendekati satu) dan struktur yang aman terhadap pembebanan yang terjadi.

6. Mereview perhitungan pada point 2 untuk tata letak yang lain, langkah ini terus dilakukan sampai diperoleh tata letak yang direncanakan menghasilkan IR<1 (IR mendekati satu) serta memiliki berat minimum.

7. Memaparkan ulasan-ulasan dari hasil analisis tersebut.

8. Menarik kesimpulan dengan merujuk kepada tujuan bahwa struktur terpilih adalah struktur paling ringan dengan IR < 1.

HASIL DAN BAHASAN

Data yang digunakan adalah hasil optimasi dimensi brace dan tipe perangkaan yang telah di analisis sebelumnya oleh Muhammad Suhardianto (2011). Hasil optimasi tersebut merupakan tipe perangkaan K terbalik, dengan berat total 155,43 ton dengan interaction ratio 0,889 kemudian menjadi data awal analisa dengan mengubah jarak brace secara horisontal dan vertikal yang berbeda pada Satellite Wellhead Struktur dan menjadi acuan dalam penelitian.

(7)

Beban Gelombang

Data gelombang yang digunakan dalam analisis ini diperoleh dari standar yang digunakan oleh PT. NISCONI untuk perencanaan struktur di selat Makassar, dimana data gelombang tersebut adalah sebagai berikut:

Tinggi Gelombang : 5,2 meter Panjang Gelombang : 126 meter Kedalaman Peraiaran : 50,381 meter Periode (T) : 10 detik

Perhitungan Optimasi Struktur 1. Variasi tata letak struktur

Optimasi tata letak struktur dengan dimensi yang sama dilakukan sebanyak dua belas kali yang terbagi menjadi beberapa variasi tata letak yaitu:

a. Variasi tata letak brace horisontal terdiri dari dua model tata letak struktur seperti pada Gambar 5.

Gambar 5. Variasi Tata Letak Brace Horisontal

 Tata letak 1.1 merupakan tata letak struktur yang terdiri dari dua tingkatan, memiliki tiga brace horisontal, dan masing-masing brace horisontal diberi nama A11, A12, dan A13 dari brace horisontal paling atas.

 Tata letak 1.2 merupakan tata letak struktur yang terdiri dari tiga tingkat, memiliki lima brace horisontal dan masing-masing brace horisontal diberi nama A21, A22 , A23, A24, dan A25 dari brace horisontal paling atas.

b. Variasi tata letak panjang tingkatan terdiri dari dua model tata letak struktur seperti pada Gambar 6.

Gambar 6. Variasi Tata Letak Panjang Tingkatan

 Tata letak 2.1 merupakan tata letak yang pada tingkat kedua jarak antara brace horisontal semakin menjauh dimana tiap tingkatan diberi nama B31, B32, dan B33.

Tata letak 1.1 Tata letak 1.2

(8)

 Tata letak 2.2 merupakan tata letak yang pada tingkat kedua jarak antara brace horisontal semakin mendekat dimana tiap tingkatan diberi nama B41, B42, dan B43.

c. Variasi brace K terdiri dari tiga model tata letak struktur seperti pada Gambar 7.

Gambar 7. Variasi Brace K

 Tata letak 3.1 merupakan model tata letak struktur yang memodifikasi brace K dimana ujung brace K yang menumpu pada brace horisontal tidak saling bertemu dan jarak tiap spasi diberi nama C51,C52, dan C53.

 Tata letak 3.2 merupakan model tata letak struktur yang memodifikasi brace K dimana ujung brace K yang menumpu pada brace horisontal tidak saling bertemu, jarak antara ujung Brace K dua kali lipat dari jarak antara ujung brace K pada tata letak 5 dan jarak tiap spasi diberi nama C61, C62, dan C63.

 Tata letak 3.3 merupakan model tata letak struktur yang memodifikasi brace K dimana ujung brace K yang menumpu pada brace horisontal tidak saling bertemu, jarak antara ujung brace K tiga kali lipat dari jarak antara ujung brace K pada tata letak 5 dan jarak tiap spasi diberi nama C71, C72, dan C73.

d. Variasi tata letak brace sekunder terdiri dari 2 model tata letak struktur seperti pada Gambar 8.

Gambar 8. Variasi Tata Letak Brace Sekunder

 Tata letak 4.1 merupakan model tata letak struktur yang memodifikasi brace sekunder dimana ujung brace sekunder yang menumpu pada brace horisontal tidak saling bertemu dan jarak tiap spasi diberi nama D81, D82, dan D83.

 Tata letak 4.2 merupakan model tata letak struktur yang memodifikasi brace sekunder dimana ujung brace sekunder yang menumpu pada brace horisontal tidak saling bertemu, jarak antara ujung brace sekunder dua kali lipat dari jarak antara ujung brace sekunder pada tata letak 8 dan jarak tiap spasi diberi nama D91, D92, dan D93.

e. Variasi tata letak gabungan terdiri dari tiga model tata letak struktur seperti pada Gambar 9.

 Tata letak 5.1 merupakan gabungan antara model tata letak 2.1 dan model tata letak 3.1.

 Tata letak 5.2 merupakan gabungan antara model tata letak 2.1 dan model tata letak 3.2.

Tata letak 3.1 Tata letak 3.2 Tata letak 3.3

(9)

 Tata letak 5.3 merupakan gabungan antara model tata letak 2.1, model tata letak 3.2, dan model tata letak 4.1.

Gambar 9. Variasi Tata Letak Gabungan

HASIL ANALISIS

Dari ke 12 (dua belas) tata letak struktur tersebut masing-masing dilakukan analisis struktur dengan menghitung interaction ratio dan berat total. Hasil analisis yang diperoleh seperti Tabel 1.

Tabel 1. Hasil Analisis Struktur

No Variasi Tata Letak Nilai yang berbeda Berat Total

(Ton) IR<1 (m)

1 Brace Horisontal

Tata letak 11 A11 A12 A13

140,71525 1,1542 14,4 19,9 25,4

Tata letak 12 A21 A22 A23 A24 A25

169,79501 0,6116 14,4 17,2 19,9 22,67 25,42

2 Panjang Tingkatan

Tata letak 21 B31 B32 B33

154,68204 0.7004 16,7 21,9 16,7

Tata letak 22 B41 B42 B43

157,49042 0.6954 18,8 17,8 18,8

3 Brace K

Tata letak 31 C51 C52 C53

153,49981 0.7826 9,9 2,2 9,9

152,42935 0.7087 8,9 4,4 8,9

151,09869 0.626 7,7 6,6 7,7

4 Brace Sekunder

Tata letak 41 D81 D82 D83

155,25007 0,8884 9,5 2,2 9,5

Tata letak 42 D91 D92 D93

155,01360 0,6494 8,4 4,2 8,4

5 Gabungan

Tata letak 51 B31 B32 B33 C51 C52 C53

153,52713 0,9773 16,7 21,9 16,7 9,9 2,2 9,9

Tata letak 52 B31 B32 B33 C61 C62 C63

152,41558 0,9045 16,7 21,9 16,7 8,9 4,4 8,9

Tata letak 53 B31 B32 B33 C61 C62 C63 D81 D82 D83

152,23547 0,9019 16,7 21,9 16,7 8,9 4,4 8,9 9,5 2,2 9,5

Pemilihan Model Tata Letak Struktur yang Optimal

Berdasarkan Tabel 1 dengan variasi brace horisontal, variasi panjang tingkatan, variasi brace K, variasi brace sekunder, dan variasi gabungan yaitu 12 model tata letak yang berbeda dengan diameter yang sama. Optimasi struktur tata letak 1.1 dengan berat struktur 140,715 ton dan IR 1,154199 merupakan struktur terjelek. Optimasi struktur tata letak 1.2 dengan berat struktur 169,795 ton dan IR 0,611604. Optimasi tata letak 2.1 dengan berat struktur 154,682 ton dan IR 70038. Optimasi struktur tata letak 2.2 dengan berat struktur 157,490 ton dan IR 0,695436. Optimasi tata letak 3.1 dengan berat struktur 153,4998 ton dan IR 0,782613. Optimasi tata letak 3.2

Tata letak 5.1 Tata letak 5.2 Tata letak 5.3

(10)

dengan berat struktur 152,429 ton dan IR 0,708735. Optimasi struktur tata letak 3.3 dengan berat struktur 151,099 ton dan IR 0,626047. Optimasi tata letak 4.1 dengan berat struktur 155,250 ton dan IR 0,888437.

Optimasi tata letak 4.2 dengan berat struktur 155,0136 ton dan IR 0,649356. Optimasi tata letak 5.1 dengan berat struktur 153,527 ton dan IR 0,977311. Optimasi tata letak 5.2 dengan berat struktur 152,416 ton dan IR 0,904459. Optimasi tata letak 5.3 dengan berat struktur 152,235 ton dan IR 0,901855.

Dari hasil analisis, hanya tata letak 1.1 yang tidak memenuhi dari segi kekuatan, sedangkan tata letak 1.2 sampai 5.3 memenuhi dari segi kekuatan. Dari tabel optimasi di atas struktur yang paling optimum adalah variasi brace K (tata letak 3.3) dengan hasil IR 0,626 dengan berat total struktur 151,099 ton, sehingga aman akan pembebanan dan penggunaan material yang paling ekonomis.

Diskusi

Dari penelitian sebelumnya oleh Muhammad Suhardianto (2011) diperoleh berat total 155,43 ton dan IR 0,889, dimana penelitian kali ini diperoleh berat total 151,099 ton dan IR 0,626. Hasil ini menunjukkan bahwa optimasi di atas lebih baik, dimana struktur yang diperoleh lebih ringan 4,331 ton, demikian pula kekuatannya yang ditunjukkan oleh IR 0,626 yang lebih kecil dari penelitian sebelumnya.

SIMPULAN

Dari analisis optimasi tata letak struktur Satellite Wellhead disimpulkan bahwa model tata letak struktur yang paling optimum adalah model tata letak 3.3 (variasi brace K) yang mempunyai berat total struktur 151,099 ton dengan IR 0,626.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim, (1991), Buku Pedoman Rancangan Bangunan Lepas Pantai di Perairan Indonesia, Biro Klasifikasi Indonesia, Surabaya.

Api Recommended Practice 2A-WSD (RP 2A-WSD), (2000), Recommended Practice for Planning Designing and Construction Fixed Offshore Platform-Working Stress Design, American Petroleum Institute (API), USA.

Djabbar, M., Alham, (2002), Simulasi Gaya Hidrodinamika pada Silinder Vertikal berukuran kecil oleh Gelombang Acak Multiarah, Disertasi Institut Teknologi Bandung, Bandung.

Dawson, T.,H., (1983), Offshore Struktural Engineering, New Jersey.

Djatmiko, E.,B., (1994), Struktur Bangunan Laut, Teknik Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

Graft, W.,J., & Murdito, (1981), Introduction to Offshore Structure, Gulf, Publisher, London.

Hsu, T.,H., (1981), Applied Offshore Structural Engineering, Gulf, Publisher, London.

Husain, Syahrir, Juswan, & Hamzah, (2011), Analisa Perbandingan Umur Struktur Offshore Sistem EBF dan Sistem CBF Tipe Jacket, Makassar.

Juswan, (1999), Pengantar Rekayasa Lepas Pantai, Program Kerjasama Segitiga Biru, Makassar.

Kirsch, U., (1981), Optimum Structural Design, McGraw-Hill Company.

Suhardianto, Muhammad, (2011), Optimasi Dimensi Brace Bangunan Lepas Pantai, Makassar.

Vanderplaats, Garret, N., (1984), Numerical Optimization Techniques for Design with Application, McGraw- Hill Book Company.