Prediksi beban gelombang laut pada struktur Jacket Platform
Bab 1
Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
Beban gelombang hidrodinamik pada struktur lepas pantai menjadi hal yang sangat diperhitungkan untuk industri minyak dan gas lepas pantai. Desain dan konstruksi struktur lepas pantai merupakan salah satu tugas yang menuntut analisis menyeluruh terhadap berbagai kemungkinan resiko yang mungkin terjadi. Atas kondisi tersebut struktur lepas pantai memiliki komplikasi tambahan yang ditempatkan di lingkungan laut di mana efek interaksi hidrodinamik dan respon dinamik menjadi pertimbangan utama dalam desain. Keberadaan gelombang dan arus dan interaksinya memainkan peran penting dalam banyak proses dinamis laut dan penting untuk diperhitungkan. Berbagai kemungkinan desain struktur menimbulkan tuntutan tersendiri dalam hal efek beban hidrodinamik, kondisi respon dinamis tidak hanya pada struktur itu sendiri tetapi juga dari sistem riser untuk ekstraksi minyak.
Struktur lepas pantai bisa saja terpancang ataupun terapung. Keduanya sama- sama bisa dipergunakan sebagai tempat penyimpanan, produksi, maupun pemindahan muatan minyak dan gas. Hal itu dilakukan untuk mendukung suatu proses eksplorasi.
Salah satu contoh struktur lepas pantai terpancang adalah jacket platform.
Banyak persyaratan dan kriteria yang harus dipertimbangkan dalam sebuah instalasi struktur lepas pantai terpancang. Selain kemampuan struktur lepas pantai dalam menerima beban sendiri maupun beban lingkungan, daya dukung tanah juga merupakan salah satu faktor terpenting. Kecelakaan pada saat operasi juga sangat menentukan umur struktur lepas pantai.
Salah satu jenis struktur bangunan lepas pantai yang sering digunakan adalah jacket. Jacket dikembangkan untuk operasi di laut dangkal dan laut sedang yang dasarnya tebal, lunak dan berlumpur. Setelah jacket ditempatkan di posisi yang
diinginkan, pile dimasukkan melalui kaki bangunan dan dipancang dengan hammer sampai menembus lapisan tanah keras kemudian deck dipasang dan dilas.
Berdasar jenis konstruksi, maka struktur anjungan lepas pantai (offshore platform) dapat dibedakan atas:
1. Struktur Terpancang 2. Struktur Terapung 3. Struktur Lentur
Dalam tugas ini yang akan dibahas tentang struktur terpancang dalam cakupan ilmu konstruksi anjungan lepas pantai (offshore structure).
Jenis struktur lepas pantai yang digunakan sekarang ini sangat banyak, namun sebagian besar struktur lepas pantai yang ada pada saat ini digunakan untuk eksplorasi dan eksploitasi minyak bumi dan gas alam. Di Indonesia, jenis struktur lepas pantai didominasi oleh tipe jacket platform. Sebagai contoh struktur anjungan lepas pantai terpancang ialah jacket steel platform, gravity platform, monopod, triangle. dll. Struktur anjungan terpancang sebagian besar digunakan sebagai fasilitas produksi/pengolahan minyak/gas maupun sebagai fasilitas anjungan pendukung produksi (supporting structure).
Jacket merupakan suatu struktur yang digunakan pada bangunan lepas pantai. Di dalam perhitungannya, analisa inplace merupakan salah satu aspek penting yang harus diperhatikan didalam merencanakan stuktur jacket.
Jacket berfungsi untuk melindungi pile agar tetap pada posisinya, menyokong deck dan melindungi konduktor serta menyokong sub-struktur lainnya seperti boat landing, barge bumper dan lain-lain.
Jacket dikembangkan untuk operasi di laut dangkal dan laut sedang yang dasarnya tebal, lunak dan berlumpur. Setelah jacket ditempatkan di posisi yang diinginkan, pile dimasukkan melalui kaki bangunan dan dipancang dengan hammer sampai menembus lapisan tanah keras kemudian dek dipasang dan dilas.
Bahan baku atau material utama struktur jacket yang digunakan adalah baja. Baja memiliki sifat-sifat yang menguntungkan untuk dipakai sebagai bahan struktur yang mampu memikul beban statik maupun beban dinamik.
Pembebanan akibat gelombang laut pada struktur-struktur lepas pantai dipengaruhi oleh faktor-faktor internal struktur dan kondisi eksternal yang mengikutinya.
Gelombang laut, angin, gempa bumi, pergerakan tanah, benturan dengan kapal, korosi, badai, pertumbuhan organik adalah faktor eksternal yang sangat acak di alam dan sulit untuk dimodelkan.
F. Van den Abeele dan J. Vande Voorde (2011), menyatakan bahwa untuk pengetahui stabilitas struktur terhadap beban gelombang digunakan persamaan :
Euler Lagrangian (CEL) pendekatan ditunjukkan untuk menggabungkan efek dari aliran fluida pada respon struktural struktur lepas pantai. Pendekatan ini digunakan untuk memprediksi aliran fluida di sekitar platform.
Fluid Dynamics (CFD) analisis Komputasi dilakukan untuk menghitung turbulensi Von Karman dari struktur. Pada bilangan Reynolds yang lebih tinggi, aliran turbulen ini dapat menimbulkan Vortex Shedding dan Cyclic Loading.
Interaksi struktur dan fluida diselidiki untuk mengevaluasi kerentanan terhadap vortex induced vibrations. Pengaruh gelombang, dampak dan gerakan tanah akan dipertimbangkan dalam analisis dinamis dari struktur lepas pantai.
Struktur-struktur yang dibebani oleh gelombang laut perlu dilakukan analisa dengan cermat, terutama pada saat terjadinya respons struktur yang didominasi oleh interaksi antara struktur dengan fluida di sekelilingnya. Interaksi struktur dengan fluida tersebut dimanifestasikan oleh munculnya massa tambahan (added mass) dalam dinamika responsnya.
Menurut Shehata E. Abdel Raheem, (2013) persyaratan desain struktural platform lepas pantai dalam mengalami beban gelombang memainkan peran utama dalam desain struktur lepas pantai. Estimasi yang baik dari beban gelombang sangat penting. Analisis respon nonlinier dari platform lepas pantai menggunakan Finite Element. Perhitungan kecepatan partikel dan percepatannya didapat menggunakan teori ke 5 Stoke dan intensitas gelombang dari persamaan Morison. Beban hidrodinamika horisontal dan vertikal dan respon dinamik dari struktur lepas pantai bersama-sama dengan distribusi perpindahan, gaya aksial dan momen lentur pada struktur diselidiki untuk kondisi biasa dan ekstrim, di mana struktur harus mampu menahan beban dengan kondisi pengulangan gelombang laut 1 – 100 tahun. Beban dari arus dan dan beban dari angin juga merupakan elemen yang harus diperhitungkan.
Interaksi antara struktur dengan fluida dalam pembebanan gelombang dapat dirumuskan melalui persamaan Gaya Morison, yaitu dalam bentuk penjumlahan gaya inersia dan gaya seret.
N. Haritos (2007), menyatakan beban gelombang yang dialami oleh elemen struktur lepas pantai tergantung pada geometri struktur, elemen-elemen ini relatif terhadap panjang gelombang dan propagasi gelombang, kondisi hidrodinamik dan sistem struktur kompatibel atau tetap. Simulasi diinstrumentasikan pada silinder uji berbentuk horisontal tabung U dengan kolom air berosilasi yang dikendalikan. Persamaan Morison digunakan untuk membentuk dasar untuk desain dari sebagian besar platform lepas pantai secara umum. Respon struktur terhadap gelombang yang diukur adalah Inertia Force dan Drag Force.
Menurut Aliyu Baba (2014), struktur bangunan laut mendapat beban tambahan yang ada di lingkungan laut di mana efek interaksi hidrodinamika dan respon dinamik menjadi pertimbangan utama dalam desain struktur. Secara umum, gelombang dan arus dapat diketahui dalam bentuk yang berbeda di laut. Keberadaan gelombang dan arus dan interaksinya memainkan peran penting dalam banyak proses dinamis laut. Teori yang digunakan dalam mengukur beban gelombang terhadap struktur yaitu Wave Theories, Airy Wave, Stoke’s Second Order Wave TheoryTheories.
Menurut Anis A. Mohamad Ali, Ahmed Al-Kadhimi and Majed Shaker, (2012),untuk platform lepas pantai, beban yang paling penting adalah beban hidrodinamik dan beban dampak. Beban hidrodinamik disebabkan oleh gelombang laut, sementara beban dampak biasanya terjadi selama berlabuh kapal. Pendekatan yang paling banyak digunakan untuk menentukan beban hidrodinamik yang bekerja pada struktur biasanya menggunakan persamaan semi-empiris Morison.
Penelitian dititikberatkan kepada pengaruh gelombang dan respons dari jacket steel platform. Analisa dan perhitungan dibuat untuk memperoleh riwayat waktu perpindahan, yaitu yang searah dengan gelombang dimana bekerja Gaya Morison. Pola pergerakan di ujung atas anjungan dibuat dengan riwayat waktu tersebut.
1.2. Tujuan
Tujuan penelitian ini adalah :
1. Mengenal struktur jacket pada bangunan lepas pantai khususnya struktur jacket 2. Suatu struktur jacket harus didesain kuat, artinya mampu menahan semua
gaya yang dikenakan pada struktur. Baik gaya akibat beban mati, beban hidup, beban akibat gelombang air laut, beban gempa, maupun pada kondisi paling ekstrim saat terjadi badai. Sehingga, besarnya simpangan yang terjadi akibat pembebanan tersebut sesuai dengan simpangan yang telah direncanakan.
3. Menghasilkan perencanaan struktur jacket yang memenuhi syarat-syarat keamanan struktur berdasarkan peraturan API RP2A- WSD dan AISC.
4. Mampu untuk merencanakan dan menganalisa kekuatan struktur jacket tipe triangle dengan menggunakan program bantu SACS 5.2.
5. Penggunaan secara maksimal persamaan Wave Theories, Airy Wave, Stoke’s Second Order Wave TheoryTheories, Morison, Euler Lagrangian, Fluid Dynamics dan teori ke 5 Stoke dalam merancang dan analisis struktur bangunan lepas pantai serta menemukan kelebihan dan kekurangan masing-masing persamaan dalam penggunaannya.
1.3. Ruang Lingkup
Analisa dalam domain waktu mengacu kepada penyelesaian langsung persamaan kesetimbangan dinamik sebuah struktur, di mana dalam persamaan kesetimbangan tersebut sudah termasuk komponen gaya titik (point load) sebagai representasi beban Gaya Morison. Persamaan kesetimbangan dinamik akan diselesaikan dengan metoda numerik. Metoda yang dipilih untuk dipergunakan pada masalah ini adalah metoda integrasi Newmark. Alasan pemilihan metoda ini karena integrasi Newmark menyediakan kondisi stabil tanpa syarat yang dapat diatur melalui konstanta integrasinya. Demikian juga hasil integrasi ini memiliki tingkat akurasi yang lebih baik dibandingkan dengan metoda lain. Struktur lepas pantai yang dipilih adalah Jacket Steel Platform, karena struktur lepas pantai ini banyak dijumpai di perairan Indonesia, khususnya pada laut dangkal.
Berdasarkan A.A. Khalifa, S.Y. Aboul Haggag, dan M.N. Fayed (2014). Fatigue telah lama dikenal sebagai pertimbangan penting untuk merancang struktur lepas pantai
dan penelitian. Penilaian umur fatigue untuk platform secara numerik dinilai sebagai bagian dari penentuan umur dan antisipasi bencana pada Platform. Prosedur analisis untuk mengetahui nilaian fatigue menggunakan metode Simplified Fatigue Analysis dan Spectral Fatigue Analysis dengan parameter fatigue Stress Concentration Factor (SCF) untuk Simple Tubular dan S-N Curve untuk sambungan las pada struktur. Penentuan dari spektrum energi gelombang dilakukan untuk mengetahui beban terhadap struktur menggunakan persamaan Pierson Maskovitz dan JONSWAP.
Pemodelan struktur dari Steel Jacket Platform dibebani oleh gaya arah horisontal berupa Gaya Morison akibat gelombang acak. Persamaan gelombang dibangun berdasarkan teori dasar gelombang Airy dan spektrum gelombang yang digunakan adalah spektrum JONSWAP. Spektrum ini ditranformasikan ke riwayat waktu dengan menggunakan fasilitas FFT (Fast Fourier Transform)
Analisa non-linier seperti yang pernah dilakukan oleh Patel dan Jesudasen pada tahun 1986 untuk sebuah riser, didasarkan pada Metoda Elemen Hingga dalam pemodelan strukturnya. Penyelesaian persamaan dinamik strukturnya juga dilaksanakan dalam domain waktu. Dalam penyelesaian persamaan dinamik digunakan iterasi sesuai dengan metoda Newmark dan program yang digunakan menggunakan MATLAB.
Pemodelan struktur yang dibahas dalam dilakukan dengan Metoda Elemen Hingga. Penyusunan gaya yang merepresentasikan Gaya Morison dilakukan dengan cara yang serupa dengan yang dilakukan oleh Patel, yaitu dengan menggunakan vektor fungsi bentuk (shape function) dan mengintegralkannya bersamaan dengan Gaya Morison.
