Analisa Tegangan Skirt Pile pada Kondisi Beban Operasional ... · dirancang untuk kegiatan...

1

Analisa Tegangan Skirt Pile pada Kondisi Beban Operasional dan Ekstrem

Anggoronadhi D.1, Dr. Eng. Rudi W. Prastianto, ST., MT.

2 & Ir. Handayanu, M.Sc, Ph.D 2

1 Mahasiswa Teknik Kelautan

2,3 Staf Pengajar Teknik Kelautan

ABSTRAK

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. Untuk meningkatkan daya dukung tanah diperlukan penetrasi yang dalam dan lebih banyak pile.

Penetrasi yang dalam dan banyak optimal dilakukan jika pile bermediakan skirt pile. Skirt pile adalah struktur tambahan

berbentuk tubular, meletak di dasar laut, menyatu dengan kaki jacket. Pada umumnya dihubungkan ke kaki jacket dengan yoke

plate, main shear plate, dan external shear plate. Skirt pile berfungsi sebagai media untuk menggabungkan beberapa pile sebagai

pondasi satu kaki jacket. Analisa yang dilakukan adalah analisa statis, untuk kondisi beban operasional dan ekstrem. Untuk

analisa global digunakan software MicroSAS II sehingga didapatkan nilai reaksi pada pile head joint. Nilai reaksi terbesar

digunakan sebagai acuan dalam pemilihan skirt pile yang akan dianalisa. Dipilih empat load case untuk nilai reaksi terbesar,

yaitu dua untuk kondisi beban operasional dan dua untuk kondisi beban ekstrem. Dari empat load case tersebut, didapatkan

displacement brace joint terdekat dengan skirt pile dari analisa global. Selanjutnya nilai displacement tersebut digunakan sebagai

input dalam pemodelan lokal pada software ANSYS Multiphysics. Dari hasil analisa lokal tersebut didapatkan nilai tegangan

kritis pada external shear plate dengan nilai tegangan 310 MPa, dimana tegangan ijinya sebesar 310.5 MPa. Sedangkan resultan

displacement maksimum sebesar 0.023 meter terletak pada bottom yoke plate. Keduanya diakibatkan oleh kondisi beban ekstrem.

Kata kunci: Skirt pile; yoke plate; main shear plate; external shear plate.

1. PENDAHULUAN

Struktur lepas pantai bisa saja terpancang ataupun

terapung (Chakrabarti, 2005). 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.

Banyak persyaratan dan kriteria yang harus dipenuhi

untuk 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.

Untuk meningkatkan daya dukung tanah diperlukan

penetrasi yang dalam dan lebih banyak pile yang

dipancangkan. Penetrasi yang dalam optimal

dilakukan jika pile bermediakan skirt pile. Skirt pile

berfungsi sebagai media untuk menggabungkan

beberapa pile sebagai pondasi satu kaki jacket.

Sehingga struktur lepas pantai tersebut berada pada

kondisi yang aman. Namun tidak semua struktur

lepas pantai menggunakan skirt pile. Pada umumnya

letak skirt pile berada pada kaki jacket bagian bawah,

meletak pada dasar laut. Karena posisinya yang

melekat pada kaki jacket bagian bawah itu, proses

instalasi pile pada skirt pile harus dibantu dengan

underwater hammer. Hanya bisa terpasang pada

batter dengan nilai antara satu sampai enam

(Gerwick Jr, 2000). Yoke plates, main shear plates,

dan external shear plates adalah beberapa bagian

yang memperkuat kemampuan skirt pile pada kaki

jacket dalam menerima beban. Dalam hal ini, ketiga

bagian tersebut adalah bagian terpenting. Skirt pile

mendapat distribusi gaya dari jacket, melalui yoke

plates, main shear plates, dan external shear plates.

Stress yang cukup besar pada bagian-bagian tersebut,

akibat distribusi gaya tadi, akan terjadi jika beban

yang diterima juga cukup besar.

Gambar 1 Detail skirt pile

Analisa finite element merupakan salah satu cara

optimal dalam mengidentifikasi kemampuan struktur

lepas pantai dalam menerima beban (Barltrop, 1998).

Metode ini berdasar pada sifat-sifat matriks yang

akurat. Sehingga pola distribusi tegangan yang terjadi

2

dan perilaku material yang terkena gaya dapat

digambarkan dengan baik.

Gambar 2 Pemodelan skirt pile dengan metode finite

elemen

Berdasarkan latar belakang di atas, maka pada tugas

akhir ini akan dilakukan analisa tegangan dan

displacement pada skirt pile akibat beban operasional

dan ekstrem.

2. DASAR TEORI

Dari penelitian sebelumnya, didapatkan beberapa

teori yang akan menjadi dasar penulis dalam

melakukan analisa. Rangkaian sambungan plate

mentransferkan gaya-gaya struktur platform dari

jacket ke skirt pile pada sambungan antara jacket

dengan skirt pile (Will, 1987). Beban ekstrem lateral

ditransferkan kepada lapisan pondasi kemudian

ditahan hanya dengan beban aksial pile (pogonowski,

1972). Kondisi ekstrem menyebabkan tegangan yang

besar pada yoke plate, external shear plate, dan

stiffener plate (Nor, 1996).

2.1 Komponen Utama Struktur Jacket

Struktur jacket dibedakan menjadi 3 (tiga) komponen

utama, dimana masing-masing komponen

mempunyai fungsi yang berbeda-beda. Tiga

komponen utama tersebut adalah deck, jacket, dan

pondasi.

2.2 Perencanaan Beban pada Struktur

Platform atau anjungan adalah struktur yang khusus

dirancang untuk kegiatan eksplorasi dan eksploitasi

minyak dan gas bumi di lepas pantai. Struktur ini

menjadi subjek terhadap berbagai macam

pembebanan, dimana menurut API RP 2A WSD

beban yang dapat diterima oleh struktur anjungan

lepas pantai adalah sebagai berikut:

2.2.1 Beban Mati

Beban mati struktur adalah berat struktur itu sendiri,

semua perlengkapan yang permanen dan

perlengkapan struktur yang tidak berubah selama

beroperasinya struktur. Beban mati terdiri dari:

• Beban platform di udara

• Beban perlengkapan yang permanen

2.2.2 Beban Hidup

Beban hidup adalah beban yang mengenai struktur

dan berubah selama operasi platform berlangsung.

Beban hidup terdiri dari:

• Beban perlengkapan pengeboran dan

perlengkapan produksi yang bisa dipasang

dan dipindahkan dari platform.

• Berat dari tempat tinggal (living quarter),

heliport, dan perlengkapan penunjang

lainnya yang bisa dipasang dan dipindahkan

dari platform.

• Berat dari suplai kebutuhan dan benda cair

lainnya yang mengisi tangki penyimpanan.

• Gaya yang mengenai struktur selama operasi

seperti pengeboran, penambatan kapal, dan

beban helikopter.

2.2.3 Beban Lingkungan

Beban lingkungan yang mengenai struktur

dikarenakan fenomena alam seperti angin, arus,

gelombang, gempa bumi, salju, es, dan pergerakan

kerak bumi. Variasi tekanan hidrostatik dan gaya

angkat pada setiap elemen karena perubahan tinggi

air yang disebabkan oleh perubahan gelombang dan

pasang surut juga merupakan bagian dari beban

lingkungan.

Gambar 3 Beban–beban yang bekerja pada struktur

anjungan lepas pantai (McClelland, 1986).

2.2.4 Penentuan Teori Gelombang

Chakrabarti (1987) menyatakan bahwa teori

gelombang yang akan digunakan dalam perancangan

dapat ditentukan dengan menggunakan formulasi

matematika dari teori gelombang linier sebagai

berikut:

dan (1)

H = tinggi gelombang dari lembah ke puncak

g = percepatan gravitasi

Jacket

leg

Top yoke plate

Bottom yoke

plate

External

Shear plate

Skirt

Sleeve

Main Shear

plate

Guide

plate

3

T = periode gelombang

Hasil dari formulasi matematika tersebut kemudian

disesuaikan dengan grafik Daerah Aplikasi Teori

Gelombang “Regions of Applicability of Stream

Function, Stokes V and Linear Wave Theory” pada

API RP 2A WSD, sehingga dapat diketahui teori

gelombang yang akan digunakan.

Grafik 1 Grafik regions of applicability of stream function,

stokes v, and linear wave theory (api rp-2a wsd, 2000).

2.2.5 Teori Gelombang Stream Function

Teori gelombang stream function adalah teori

gelombang non-linear yang dikembangkan oleh Dean

(1965). Bentuk linier dari stream function untuk

gelombang sampai orde ke-N dapat ditulis sebagai

berikut:

1

( , ) ( )sinh{ ( )}cosN

n

x z Cz X n nk h z nkxψ=

= + +∑ (2)

C = Kecepatan gelombang

h = profil permukaan gelombang

k = bilangan gelombang

x = perpindahan arah horizontal

z = perpindahan arah vertical

2.2.6 Gaya Gelombang

Gaya hidrodinamika akibat gelombang pada tiang

silinder bergantung pada pola aliran di sekitar tiang

yang dipengaruhi oleh derajat kebergantungan aliran

oleh adanya tiang. Derajat kebergantungan aliran

ditentukan oleh perbandingan diameter tiang silinder

terhadapa panjang gelombang (D/L). Apabila D/L ≤

0.2, maka pola aliran fluida tidak akan terganggu dan

gaya gelombang dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan Morison. Sebaliknya, bila D/L > 0.2,

maka pola aliran akan mengalami difraksi dan gaya

gelombang dihitung dengan menggunakan teori

difraksi.

Persamaan Morison (O’Brien and Morison, 1952)

menyatakan bahwa gaya gelombang dapat

diekspresikan sebagai penjumlahan dari gaya seret

(drag force, FD), yang muncul akibat kecepatan

partikel air saat melewati struktur, dan gaya inersia

(inertia force, FI) akibat percepatan partikel air.

(3)

(4)

F = gaya hidrodinamika per satuan panjang,

lb/ft (N/m)

FD = gaya drag per satuan panjang, lb/ft (N/m)

FI = gaya inertia per satuan panjang, lb/ft

(N/m)

w = berat jenis air lb/ft3 (N/m

3)

g = percepatan gravitasi, ft/sec2 (m/sec

2)

A = Area proyeksi yang menghadap arah

gelombang per satuan panjang, ft, (m)

V = Volume per satuan panjang ft2 (m

2)

D = Diameter, termasuk marine growth, ft (m)

U = kecepatan (karena gelombang dan atau

arus), ft/sec (m/sec)

|U| = nilai absolut dari U, ft/sec (m/sec)

Cd = koefisien drag

Cm = koefisien inersia

= percepatan local, ft/sec2 (m/sec

2)

Tabel 1 Koefisien drag dan inersia

Cd Cm

Smooth 0.65 1.6

Rough 1.05 1.2

2.2.7 Beban arus

Arus di laut biasanya terjadi akibat adanya pasang

surut dan gesekan angin pada permukaan air (wind-

drift current). Kecepatan arus dianggap pada arah

horizontal dan bervariasi menurut kedalaman. Besar

dan arah arus pasang surut di permukaan biasanya

ditentukan berdasarkan pengukuran di lokasi.

2.2.8 Beban Angin

Gaya angin yang mengenai struktur adalah fungsi

dari kecepatan angin, orientasi struktur, dan

karakteristik aerodinamik dari struktur dan setiap

elemennya adalah sebagai berikut:

21

2w s

F v C Aρ= (5)

F = Gaya angin

ρ = massa jenis udara 1.226 kg/m3

Cs = koefisien bentuk.

vw = kecepatan angin pada ketinggian 33 ft di

atas permukaan air.

A = luas tegak lurus arah angin.

Koreksi kecepatan angin apabila tidak sama dengan

ketinggian referensi adalah sebagai berikut:

4

R

m

wZ wZ

R

zv v

z

=

(6)

RzV = kecepatan angin pada ketinggian referensi.

z = ketinggian yang diinginkan.

zR = ketinggian referensi (33 ft).

m = 1/8

Tabel 2 Koefisien bentuk

Bentuk Cs

Beams 1.5

Sides of building 1.5

Cylindrical 0.5

Overall platform projected area 1

2.2.9 Marine Growth

Struktur yang terbenam di dalam air akan mengalami

peningkatan luas area melintang akibat adanya

marine growth. Marine growth ditimbulkan oleh

organisme laut yang menempel pada struktur.

Peningkatan luas melintang ini mengakibatkan gaya

gelombang yang diterima oleh struktur menjadi lebih

besar.

Gambar 4 Marine growth

2.2.10 Gaya Apung

Tekanan air pada struktur yang terendam terjadi

akibat berat air di atas struktur tersebut, dan akibat

gerakan air karena gelombang di sekitar struktur.

Tekanan air pada bagian struktur yang terendam

dapat menimbulkan tambahan tegangan pada bagian

tersebut. Gaya yang timbul akibat gerakan air karena

gelombang sudah diperhitungkan dalam persamaan

Morison.

VF fh γ= (7)

fγ = berat jenis air.

V = volume struktur yang terendam.

2.2.11 Desain Pondasi Pile dan Kapasitas

Dukung Ultimate Tanah

Untuk menahan pembebanan dari struktur jacket

diperlukan pondasi dengan memperhitungkan daya

dukung tanah untuk melihat kemampuan tanah saat

dilakukan pemancangan tiang pancang (pile).

2.2.11.1 Reaksi Tanah Akibat Beban Aksial pada

Pile

Pondasi-pile harus dirancang utnuk menahan beban

axial statis dan siklis. Tahanan tanah ditimbulkan

oleh kelekatan dari tanah dan pile atau transfer beban

sepanjang sisi luar dari pile dan tahanan dari end

bearing pada ujung pile. Hubungan antara transfer

soil-pile shear dan defleksi lokal pile di setiap

kedalaman digambarkan pada kurva t-z.

Bermacam-macam teori dan metode untuk

mengembangkan kurva untuk transfer beban axial

dan pile displacement, kurva (t-z). Teori kurva

digagas oleh Kraft, et al. (1981). Empiris kurva t-z

berdasarkan hasil dari model dan tes beban pada pile

dengan skala penuh mengacu pada prosedur untuk

tanah clay yang digambarkan oleh Cole dan Reese

(1966) atau tanah granular oleh Coyle, H.M. dan

Suliaman, I.H. Kurva tambahan untuk tanah clay dan

pasir dijelaskan oleh Vijayvergia, V.N. Pada

umumnya, kurva t-z berikut direkomendasikan untuk

tanah non-carbonate. Tabel 3 Kurva t-z untuk tanah non-carbonate

Clay

Pasir

Z/D t/tmax

Z(in) t/tmax

0.0016 0.3

0 0

0.0031 0.5

0.1 1

0.0057 0.75

∞ 1

0.008 0.9

0.01 1

0.02 0.70 - 0.90

∞ 0.70 - 0.91

Bentuk dari kurva t-z pada saat displacement lebih

besar daripada zmax (gambar 2.10), harus

dipertimbangkan. Nilai dari perbandingan tres/tmax

pada axial displacement pada pile adalah fungsi dari

perilaku stress-strain tanah, stress yang terjadi

sebelumnya, metode instalasi pipa, rangkaian beban

pile, dan faktor-faktor lain. Nilai dari tres/tmax berkisar

antara 0.70 sampai 0.90.

Grafik 2 Grafik (t-z) untuk transfer beban axial pada pile-

displacement (API RP-2A WSD,2000)

5

2.2.11.2 Reaksi Tanah untuk Beban Lateral pada

Pile

Pondasi pile perlu dirancang untuk menopang beban-

beban lateral, baik statis maupun siklis. Perancang

harus memperhatikan kasus beban berlebih dimana

beban lateral yang diprediksikan pada pondasi

platform meningkat menurut safety factor. Perancang

perlu memastikan bahwa keseluruhan sistem pondasi

struktur tidak akan gagal akibat beban berlebih. Daya

tahan lateral dari tanah yang berdekatan dengan

permukaan sangat signifikan terhadap rancangan pile,

dan akibatnya adalah scour dan struktur tanah yang

tidak baik selama instalasi pile. Pada umumnya,

karena pengaruh beban lateral, tanah clay berperilaku

seperti material plastik yang mana membuat

fenomena ini sangat perlu untuk dihubungkan antara

deformasi pile-tanah dengan tahanan oleh tanah.

Untuk memfasilitasi prosedur ini, defleksi tahanan

lateral tanah, kurva p-y, harus dikonsep

menggunakan data stress-strain dari laboratorium

tanah. Tahanan tanah, p, sebagai sumbu x dan sumbu

y adalah defleksi tanah.

Hubungan tahanan lateral tanah dengan defleksi

untuk pile pada tanah clay umumnya adalah non-

linear. Kurva p-y untuk rentang waktu pendek pada

kasus beban statis didapatkan dari tabel berikut.

Tabel 4 Kurva p-y untuk rentang waktu pendek

p/pu y/yc

0 0

0.5 1

0.72 3

1 8

1 ∞

2.2.12 Tegangan Von Mises

Teori tegangan Von Mises yang akan dibandingkan

dengan tegangan ijin maksimum dari yield strength

suatu material:

(2.13)

Dengan:

ΣHVM = tegangan von mises, Pa

σX = Tegangan normal sumbu-x , Pa

σY = Tegangan normal sumbu-y, Pa

τXY = Tegangan geser, Pa

Jika menggunakan Tegangan utama, σ1 dan σ2:

(2.14)

3. METODOLOGI

Dilakukan studi literatur dan pengumpulan data yang

meliputi mempelajari buku, diktat, jurnal, dan

laporan tugas akhir yang membahas pokok

permasalahan yang sama dnegan penelitian ini.

Selanjutnya dilakukan pemodelan global pada

MicroSAS II. Ada beberapa tahap dalam pemodelan,

yaitu pemodelan geometri dan pemodelan beban.

3.1 Pemodelan Struktur Global

Pemodelan struktur menggunakan software

MicroSAS II vers 1.1.1. Data gambar struktur yang

digunakan untuk pemodelan adalah data gambar dari

technical drawing Marlin B platform. Dimana data

tersebut meliputi dimensi jacket dan top side serta

jenis material yang digunakan. Setelah properties

didefinisikan dari tiap-tiap member, akan diketahui

berat struktur (self weight).

3.2 Pemodelan Beban

Beban mati struktur meliputi berat seluruh kaki

jacket, jacket bracing, piles, joint cans, jacket

appurtenances, deck plate, grating, deck beams,

girders, dan trusses. Faktor contingency

dimungkinkan untuk mewakili berat stiffeners,

padeyes, equipment support dan las.

Beban Equipment dan muatan juga merupakan beban

untuk piping, electrical, instrumentation dan alat

keselamatan. Pada dasarnya yang perlu diperhatiakan

adalah pada saat perancangan keseluruhan, dimana

dimungkinkan kondisi disaat:

• Beban equipment dan muatan dalam kondisi

kosong.

• Beban equipment dan muatan penuh atau

dalam kondisi operasi

Beban keseluruhan architectural, yaitu termasuk

dinding, pintu, jendela, furniture, lantai, dan juga

perangkat di ruangan kontrol.

Beban crane pada platform dan moment diberikan

pada bagian paling atas crane pedestal.

Tabel 5 Beban crane

Axial Load OTM

kN kNm

Platform Crane

Crane Dead Load 1370

Crane pedestal weight 334

Maximum Crane Live Load

Case 1: with Maximum Dynamic Moment 1769 35600

Case 2: with Maximum Dynamic Axial Load 1985 23004

Crane Design Load

Crane Loads

Beban hidup diberikan pada daerah dengan deck

terbuka atau deck yang tak terdapat sesuatu di

atasnya, dimana dimungkinkan adanya beban yang

akan diterima. Beban yang terjadi bervariasi,

bergantung pada penggunaan area tersebut.

Beban Marlin B Platform dirancang untuk menopang

beban drilling rig, yang diberikan pada skid beam di

main deck.

6

Tabel 6 Beban rig

Rig - 175 Drill Module (DM) loadsInplace

Analysis

Rig Self weight, 937 kips 425 MT

Total substructure weight, 1016 kips 461 MT

Mud Tank, 510 kips 231 MT

Hook Pull, 750 kips 341 MT

Set Back, 600 kips 272 MT

Upper skidding package LL, 50 kips 23 MT

TOTAL 1752 MT

Langkah awal dalam melakukan pemodelan beban

gelombang adalah dengan menentukan teori

gelombang yang akan digunakan dalam pemodelan.

Teori gelombang yang akan dipakai dapat ditentukan

dengan menggunakan grafik Regions of Applicability

of Stream Function, Stokes V and Linear Wave

Theory API RP 2A WSD. Berdasarkan data yang

ada, yaitu kedalaman perairan dan data gelombang,

maka teori yang digunakan adalah teori gelombang

Stream Function.

Sedangkan untuk arah pembebanan menggunakan

sepuluh arah, dimana dua arah (1130 dan 338

0)

merupakan arah dimana dimungkinkan terjadiya nilai

kritis karena parameter gelombang dan arus yang

besar. Pada umumnya, arah pembebanan dilakukan

berdasarkan delapan arah pembebanan. Namun tidak

menutup kemungkinan untuk ditambahkan menjadi

lebih dari delapan arah pembebanan. Orientasi arah

pembebanan dapat dilihat pada gambar di bawah.

Beban arus dan beban angin disesuaikan dengan data

yang ada. Untuk beban angin, diasumsikan searah

(concurrently) dengan beban gelombang.

3.3 Beban Kombinasi

a. Kondisi operasi:

• Beban mati dan hidup (kecuali untuk

pengeboran dan beban crane).

• Beban pengeboran dengan beberapa variasi

posisi.

• Beban crane dengan beban hidup.

b. Kondisi ekstrem dengan pengeboran:

• Beban mati dan hidup (kecuali untuk

pengeboran dan beban crane)

• Beban rig dengan beberapa variasi posisi.

c. Kondisi ekstrem tanpa pengeboran:

• Beban mati dan hidup (kecuali beban crane).

• Tidak ada beban rig.

Gambar 5 Pemodelan struktur global

3.4 Pemodelan Struktur Lokal

Pemodelan ini berdasarkan nilai reaksi pile head

terbesar yang didapatkan dari analisa global. Nilai

reaksi terbesar digunakan sebagai acuan dalam

pemilihan skirt pile yang akan dianalisa. Dipilih

empat load case untuk nilai reaksi terbesar, yaitu dua

untuk kondisi beban operasional dan dua untuk

kondisi beban ekstrem. Dari empat load case

tersebut, didapatkan nilai displacement brace joint

terdekat dengan skirt pile dari analisa global.

Selanjutnya nilai displacement tersebut digunakan

sebagai input dalam pemodelan lokal pada software

ANSYS Multiphysics.

Pada pemodelan Finite Element dengan software

ANSYS Multiphysics, dipilih elemen SHELL 93

dengan delapan simpul untuk pemodelan skirt sleeve,

top yoke plate, bottom yoke plate, main shear plates,

dan external shear plates. Sedangkan brace yang

terhubung dengan jacket leg dimodelkan dengan

elemen PIPE16. Namun tidak seluruh bagian brace

dimodelkan dengan PIPE16, brace yang melekat

pada jacket leg dimodelkan dengan elemen

SHELL93 sampai dengan kira-kira tiga kali diameter,

dimana dimungkinkan pengaruh konsentrasi

tegangan tidak begitu besar atau minimum dari

pertemuan antara jacket leg dengan brace.

Pemodelan perilaku skirt pile dalakukan dengan

bantuan software ANSYS Multiphysics 12 dengan

material properties sebagai berikut:

• Young’s modulus, E = 2.0 x 105 N/mm

2

• Shear modulus, G = 8.0 x 104 N/mm2

• Poisson’s ratio, µ = 0.30

7

• Density of steel = 7.850 kg/mm3

• Yield strength, Fy (t<65mm) = 345 N/mm2

• Yield strength, Fy (t≥65mm) = 324 N/mm2

Syarat batas untuk pemodelan Finite Element berada

pada pile head seperti yang dilakukan pada analisa

global, dimana seluruh gerakan translasi maupun

rotasi pada daerah ini tidak akan terjadi (fix).

Pile yang berada di dalam skirt sleeve dimodelkan

dengan PIPE16. Diameter luar sebesar 2650mm dan

ketebalan 91,02mm.

Gambar 6 Pemodelan struktur lokal

Skirt Pile pada Platform Marlin B menggunakan

grouting untuk memberikan kekauan pada bagian

skirt pile. Grout pada bagian antara pile dan skirt

sleeve diasumsikan sebagai rigid region.

Gambar 7 Rigid region

3.5 Pembebanan

Pembebanan pada pemodelan lokal didapatkan dari

reaksi analisa global. Dimana terletak pada pile head,

yaitu ujung atas dari pile di bawah mudline.

Berdasarkan analisa global, dipilih kondisi yang

paling kritis saat kondisi operasi maupun kondisi

ekstrem.

a. Load Case JR18O-270MX (operasional)

b. Load Case JR18O-315MX (operasional)

c. Load Case JR03E-045MN (ekstrem)

d. Load Case JR18E-315MN (ekstrem)

3.6 Mesh Sensitivity Analysis

Meshing pada elemen dilakukan setelah hasil dari

mesh sensitivity analysis didapatkan. Analisa ini

memberikan nilai yang dibutuhkan untuk melakukan

mesh pada suatu elemen. Digambarkan pada suatu

grafik, dimana sumbu x terdefinisi sebagai

banyaknya elemen mesh dan sumbu y adalah output

tegangan pada titik tertentu. Beban yang diberikan

terhadap titik tersebut adalah tetap. Luasan mesh

didapatkan ketika angka tegangan sudah

menunjukkan nilai yang mulai konstan.

Grafik 3 Grafik perbandingan nilai displacement dengan

jumlah elemen

51148

136446230

2567

1604

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Displacement

Jumlah Elemen

Mesh Sensitivity Analysis

Grafik 4 Grafik perbandingan nilai stress dengan jumlah

elemen

51148

136446230

2567

1604

0

50

100

150

200

250

300

350

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Stress

Jumlah Elemen

Mesh Sensitivity Analysis

4. ANALISA DAN PEMBAHASAN

Dari empat load case paling kritis yang telah

didapatkan pada analisa global menggunakan

software MicroSAS II, yang selanjutnya diteruskan

dengan analisa lokal yang menggunakan software

ANSYS Multiphysics 12, telah didapatkan hasil yang

akan ditampilkan berupa tegangan von mises dan

displacement. Sehingga tujuan kajian sudah tercapai.

Digunakan dua standarisasi atau code untuk menilai

kemampuan struktur dalam menerima beban, yaitu:

1. ASME B31.4-2006, Pipeline Transportation

Systems for Liquid Hydrocarbons and other

Liquids.

Max. Allowable Von Mises Stress ≤ 0.9

Specified Minimum Yield Stregth

Rigid Region

Shell Sleeve

Pile node

8

2. ABS Safehull-Dynamic Loading Approach’

for Floating Production, Storage and

Offloading (Fpso) Systems 2001, for the

‘SH-DLA’ Classification Notation.

Max. Allowable Von Mises Stress ≤ 0.9

Specified Minimum Yield Stregth

3. ABS Mobile Offshore Drilling Units 2001,

Part 3: Hull Construction and Equipment.

Von Mises Stress = Yield Stregth / Factor

Safety

Factor Safety ≤ 1.11 untuk beban kombinasi

4. Modern Structural Analysis: Modelling

Process and Guidance.

Max. Deflection ≤ plate depth

Ada dua cara dalam pemodelan hubungan antara pile

dan sleeve, yaitu dengan grouting dan tanpa grouting.

Pada kondisi sebenarnya, grouting menggunakan

material concrete untuk mengisi ruang kosong antara

pile dan sleeve. Grouting tersebut menyebabkan

struktur menjadi lebih kaku sehingga nilai tegangan

yang terjadi tidak terlalu tinggi.

Sedangkan jika dilakukan tanpa grouting, ruang

kosong antara pile dan sleeve akan diisi dengan

udara. Kondisi tersebut menyebabkan nilai tegangan

yang terjadi relatif menjadi lebih besar.

Seperti yang sudah dijelaskan pada bab sebelumnya,

pada penelitian ini asumsi grouting yaitu

menggunakan rigid region. Sehingga bagian tersebut

sangat kaku, yang menyebabkan tegangan yang

terjadi tidak terlampau tinggi.

Tabel 7 Tegangan Von Mises akibat load case JR18O-

270MX Thickness Displacement

Von Mises Yield ASME ¹ ABS² ABS³ meter meter

Jacket Leg 160 324 291.6 291.6 291.9 0.10 0.005 PASS

Top Yoke Plate 210 345 310.5 310.5 310.8 0.06 0.007 PASS

Flange Plate 22.8 345 310.5 310.5 310.8 0.03 0.006 PASS

Bottom Yoke Plate 121 324 291.6 291.6 291.9 0.05 0.007 PASS

Main Shear Plate 171 345 310.5 310.5 310.8 0.06 0.007 PASS

External Shear Plate 174 345 310.5 310.5 310.8 0.05 0.007 PASS

Skirt Sleeve 163 345 310.5 310.5 310.8 0.06 0.008 PASS

RemarkComponentStress (Mpa) Allowable Stress (Mpa)

Tabel 8 Tegangan Von Mises akibat load case JR18O-

315MX Thickness Displacement

Von Mises Yield ASME ABS² ABS³ meter meter

Jacket Leg 171 324 291.6 291.6 291.9 0.10 0.006 PASS







Component RemarkAllowable Stress (Mpa)Stress (Mpa)

Tabel 9 Tegangan Von Mises akibat load case JR03E-

045MN Thickness Displacement


Jacket Leg 236 324 291.6 291.6 291.9 0.10 0.012 PASS






Skirt Sleeve 89.7 345 310.5 310.5 310.8 0.06 0.022 PASS

Component RemarkAllowable Stress (Mpa)Stress (Mpa)

Tabel 10 Tegangan Von Mises akibat load case JR18E-

315MN Thickness Displacement


Jacket Leg 180 324 291.6 291.6 291.9 0.10 0.007 PASS







RemarkAllowable Stress (Mpa)Stress (Mpa)

Component

5. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Beberapa kesimpulan yang dapat disampaikan dari

kajian ini antara lain:

1. Nilai Tegangan von mises terbesar terdapat

pada bagian external shear plate untuk

kondisi pembebanan JR03E-045MN, yaitu

dengan nilai 310 MPa. Sehingga masih

diperbolehkan karena tidak melibihi dari

nilai tegangan ijin sebesar 310.5 dan 310.8

MPa pada code ASME dan ABS.

2. Nilai displacement terbesar terdapat pada

bagian bottom yoke plate untuk kondisi

pembebanan JR03E-045MN, yaitu dengan

nilai 0.023 meter. Menurut buku Modern

Structural Analysis: Modelling Process and

Guidance, nilai displacement tersebut masih

memenuhi kriteria karena tindak melebihi

dari ketebalan pelat.

5.2 Saran

Saran yang dapat diberikan untuk kajian lebih lanjut

mengenai tugas akhir ini antara lain:

1. Syarat batas tidak seharusnya fix karena

dimungkinkan adanya sifat pegas dan redam

dari bagian jacket yang tidak dimodelkan

sehingga didapatkan hasil yang mendekati

kondisi lapangan.

2. Hasil yang diperoleh akan lebih mendekati

nilai yang sebenarnya jika karakteristik

grout diterapkan pada pemodelan local

dengan menggunakan elemen dan parameter

yang dapat mewakili sifat grout.

3. Mesh yang lebih kecil lebih dianjurkan

untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat

tentunya dengan melakukan Mesh sensitivity

Analysis terlebih dahulu.

4. Menggunakan pendekatan substructure pada

bagian skirt pile.

9

DAFTAR PUSTAKA

ABS, 2001, Mobile Offshore Drilling Units, Part 3:

Hull Construction and Equipment.

ABS, 2001, Safehull-Dynamic Loading Approach’

for Floating Production, Storage and

Offloading (Fpso) Systems, for the ‘SH-

DLA’ Classification Notation.

American Institute of Steel Construction, 1989,

Allowable Stress Design Manual 9th

Edition.

American Petroleum Institute, 2002, Recommended

Practice For Planning and Constructing

Fixed Offshore Platform - Working Stress

Design, API Recommended Practice 2A

(RP 2A) WSD.

ANSYS Multiphysics 12, 2009, User Manual

Guide, Ansys Inc.

ASME B31.4, 2006, Pipeline Transportation

Systems for Liquid Hydrocarbons and other Liquids.

Barltrop, N. D. P., 1988, Floating Structures: a

guide for design analysis Volume One, Ledbury. England: The Centre for Marine

and Petroleum Technology.

Chakrabarti, S. K., 1987, Hydrodynamics of

Offshore Structure, Southampton, Boston

USA: Computational Mechanics

Publications.

Chakrabarti S. K., 2005, Handbook of Offshore

Engineering, Plainfield, Illinois, USA:

Elsevier.

Coyle, H. M., et al, 1966, Soil Mechanics and

Foundations Division for Load Transfer

for Axially Loaded Piles in Clay, ASCE

Journal, Vol. 92, No. 1052.

Coyle, H. M., et al, 1967, Skin Friction for Steel

Piles in Sand, Journal of the Soil Mechanics

and Foundation Division, Proceedings of the

American Society of Civil Engineers, Vol.

93, No. SM6, November, 1967, p. 261–278.

Dean, R. G., 1965, Stream Function

Representation of Non-Linear Ocean

Waves, Journal of Geophysical Research,

Vol. 70. pp. 4561-4572.

Gerwick,Ben C. Jr., 2000, Construction of Marine

and Offshore Structures Second Edition,

Washington, D. C: CRC press.

Hastanto, E. S., 2005, Analisa Ultimate Strenght

Struktur Jacket LE Berbasis Keandalan,

Jurusan Teknik Kelautan, FTK-ITS,

Surabaya.

http://www.me.mtu.edu/~bettig/MEEM4405/Lecture

12.pdf, 7 Februari 2011.

http://www.naturalgas.org/naturalgas/extraction_offs

hore.asp, 11 januari 2011.

Kraft, et al, 1981, Lateral Pile Response During

Earthquakes, Journal of the Geotechnical

Engineering Division, ASCE, Vol. 109, No.

GT12, Paper No. 16735, December 1981.

Macleod, Iain, 2005, Modern Structural Analysis:

Modelling Process and Guidance, London:

Thomas Telford Limited.

McClelland, 1986, Planning and Design of Fixed

Offshore Platforms, Van Nostrand

Reinhold Company: New York.

McDermott, 2008, Structural Basis of Design,

Document No.: R2312-22-ST-BOD-00001.

MicroSAS, 2007, User Manual Guide, McDermott

Inc. USA.

Mohd Nor, NK, 1996, FE Analysis of an Integrated

Plate Connection between Jacket

Structure and Skirt-Pile Sleeve, Report

96:9, Master Thesis, Department of

Structural Mechanics, Chalmers University

of Technology, Sweden.

Morison, J. R., et al, 1950, The Force Exerted by

Surface Waves on Piles, Petroleum

Transactions, American Institute of Mining

and Metal Engineering, Vol. 4, pp. 11-22.

Pogonowski, 1972, Reversed Slope Skirt Pile

Marine Platform Anchoring, United states

Patent, Texaco Inc., New York.

Popov, E. P., 1993, Mekanika Teknik, Jakarta:

Penerbit Erlangga.

Vijayvergia, V.N., 1977, Load Movement

Characteristics of Piles, Proceedings of the

Ports‘77 Conference, American Society of

Civil Engineers, Vol. II, p. 269–284.

Will, 1987, Composite Leg Platform, United States

Patent, McDermott Inc., New Orleans.

Analisa Tegangan Skirt Pile pada Kondisi Beban Operasional ... · dirancang untuk kegiatan...

Documents

Transcript of Analisa Tegangan Skirt Pile pada Kondisi Beban Operasional ... · dirancang untuk kegiatan...