BAB 2 DASAR TEORI 2.1 SENSITIVITY...
Transcript of BAB 2 DASAR TEORI 2.1 SENSITIVITY...
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
BAB 2
DASAR TEORI
2.1 SENSITIVITY ANALYSIS
Sensitivty Analysis adalah suatu analisis untuk menghitung dan memeriksa suatu
konstruksi terhadap perubahan dari lingkungan sekitarnya. Dalam laporan ini,
suatu platform akan dianalisis sensivitasnya akibat perubahan ketinggian muka air
laut yang terjadi. Sensitivitas yang dimaksud adalah perubahan ketahanan
strukturnya yang meliputi kemampuan layan, usia layan fatigue, dan ketahanan
terhadap gempa bumi.
2.2 FAKTOR DALAM PERENCANAAN ANJUNGAN LEPAS PANTAI
2.2.1 Faktor Fungsional Salah satu kriteria dalam menganalisis suatu anjungan adalah mengetahui fungsi
anjungan, misalnya untuk produksi, penyimpanan, material handling, jumlah
sumur bor, tipe pemboran, dan lain-lain. Konfigurasi anjungan yang dikehendaki
juga harus dapat difabrikasi dengan perlengkapan pemasangan yang tersedia.
2.2.2 Kondisi Lingkungan Tahap ini merupakan analisis terhadap faktor-faktor lingkungan yang akan
menyebabkan terjadinya gaya pada anjungan. Faktor tersebut diantaranya
kedalaman air, kondisi air pasang, tinggi gelombang badai, kecepatan angin badai,
gempa bumi, kondisi es, kecepatan arus, dan lainnya.
2.2.3 Faktor Pondasi Karakteristik tanah dan dasar laut merupakan faktor penting yang harus
diperhatikan. Data lain yang perlu diketahui misalnya sejarah geologi, data
2 - 1
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
pemboran tanah, hasil eksperimen pemancangan pile, dan lain-lain. Diperlukan
interpretasi data yang tepat dari hasil eksperimen untuk mengetahui pengaruhnya
terhadap struktur di atas pondasi.
2.2.4 Faktor Struktural Tahap selanjutnya adalah analisis dari strukturnya. Jumlah dek dan konfigurasi
struktur perlu ditentukan agar dapat memikul beban operasional dan ekstrim yang
bekerja. Pada tahap ini, keamanan dan kelayakan penggunaan anjungan harus
sudah pasti. Pengolahan interpretasi data diolah pada tahap ini juga.
2.2.5 Fabrikasi dan Instalasi Pola dan urutan penempatan komponen struktur dalam proses pembangunan, pola
instalasi, transportasi dek, jaket dan perlatan harus menjadi criteria dalam
perencanaan dan desain struktur. Pertimbangan ekonomoi dan kemudahan
pelaksanaan juga menjadi dasar pemikiran struktur pada tahap ini.
2.3 PERENCANAAN PEMBEBANAN
Anjungan harus dapat menopang beban yang bekeja. Beban-beban dalam
perhitungan bergantung pada analisis yang dilakukan. Desain sebuah anjungan
memperhitungkan semua beban dari saat konstruksi hingga masa layan dalam
analisis. Namun, dalam proses pengujian kelayakan, beban-beban yang
dimasukkan hanya pembebanan yang terjadi setelah pemasangan platform.
Hal pertama yang perlu dilakukan dalam mendesain suatu struktur adalah
menentukan beban-beban yang bekerja pada struktur tersebut. Suatu struktur
umumnya dimuati oleh beberapa tipe beban.
2.3.1 Definisi Pembebanan Beberapa macam pembebanan yang akan dialami oleh platform, yaitu:
2 - 2
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
1. Beban Mati
Beban mati adalah berat sendiri dari struktur platform dan semua peralatan
permanen dan struktur pelengkap yang tetap keberadaannya. Beban mati harus
memasukkan:
a. Berat dari struktur anjungan di udara, semen pengisi (grouted) dan ballast
jika ada.
b. Berat dari peralatan dan struktur pelengkap yang dipasang permanen pada
platform.
c. Gaya hidrostatik yang bekerja pada struktur di bawah permukaan laut
termasuk tekanan dan daya apung.
2. Beban Hidup
Beban hidup adalah beban yang bekerja pada platform selama pemakaian
yang bersifat tidak permanen selama masa operasi.
Beban hidup harus memasukkan:
a. Berat dari peralatan pengeboran dan produksi yang dapat ditambahkan
atau dipindahkan dari platform.
b. Berat dari persediaan dan cairan dalam tangki penyimpanan.
c. Gaya yang dikenakan pada struktur akibat operasi seperti pengeboran,
penanganan bahan-bahan, dan beban helikopter.
3. Beban Lingkungan
Sebelum melakukan analisis terhadap respon dari anjungan lepas pantai, perlu
dilakukan estimasi kuantitatif terhadap semua beban yang mempengaruhi
platform, terutama yang penting diperhitungkan adalah kondisi lingkungan.
Kondisi lingkungan yang menjadi pertimbangan antara lain:
a. Kondisi di atas permukaan laut, yaitu angin.
b. Kondisi di permukaan laut, yaitu gelombang.
c. Kondisi di bawah permukaan laut, yaitu arus.
Beban lingkungan juga turut memasukkan perubahan tekanan hidrostatik dan
gaya apung pada elemen yang diakibatkan oleh adanya perubahan permukaan
laut karena gelombang dan pasang surut. Beban lingkungan harus diantisipasi
2 - 3
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
dari segala arah kecuali diketahui hal tertentu yang membuat asumsi lain
masuk akal.
Beban kondisi ekstrem adalah beban pada kondisi dimana suatu hal yang sangat
jarang terjadi, contohnya 100 tahun badai. Sedangkan beban kondisi operasional
ditinjau pada masa 1 tahun operasi.
2.3.2 Angin Pengaruh angin dalam kondisi ekstrem sangat signifikan pengaruhnya terhadap
desain anjungan lepas pantai karena besarnya beban yang diakibatkan akan
mempengaruhi kekuatan platform di atas permukaan laut. Gaya angin pada
struktur terjadi karena friction udara pada permukaan struktur dan karena adanya
perbedaan tekanan di depan dan di belakang struktur.
Pengaruh besarnya beban angin bergantung pada:
a. Ukuran dan bentuk elemen struktur
b. Besar kecepatan angin
Besarnya kecepatan angin maksimum didapat dari estimasi analisis dari rekaman
kondisi cuaca harian selama beberapa waktu.
2.3.2.1 Gaya Angin Gaya angin dapat diperhitungkan dengan menggunakan persamaan sebagai
berikut:
21
=F Cs A V2 (2.1)
dimana: = berat jenis udara
Cs = koefisien bentuk
A = luas obyek (ft2)
V = kecepatan angin (mph)
biasanya dianggap konstan terhadap perubahan tekanan dan suhu. Untuk suhu
60 F dan tekanan 14,7 lb/in2, sehingga persamaannya menjadi:
2 - 4
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
F = 0,00256 Cs A V2 (2.2)
dimana: Cs = koefisien bentuk
A = luas obyek (ft2)
V = kecepatan angin (mph)
Cs = koefisien bentuk
Koefisien bentuk sebagaimana direkomendasikan oleh API RP2A adalah:
Area proyeksi anjungan keseluruhan 1,0
Bagian silinder 0,5
Balok 1,5
Sisi bangunan 1,5
Koreksi kecepatan angin apabila tidak sama dengan ketinggian referensi dalam
meter disajikan dengan persamaan: x
zyVV
=1010
(2.3)
dimana: V10 = kecepatan angin pada ketinggian 10 meter
y = ketinggian yang diinginkan (m)
10 = ketinggian referensi (m)
x = eksponensial biasanya 1/8 atau 1/13 tergantung durasi hembusan
angin rekomendasi dari API RP 2A
x = 1/13 untuk angin yang berhembus keras
x = 1/8 untuk angin yang berhembus terus-menerus
2.3.2.2 Gaya Angin pada Bidang Miring Gaya pada permukaan datar dianggap tegak lurus permukaan untuk angin dari
segala arah. Sedangkan untuk permukaan yang tidak tegak lurus terhadap arah
angin, gaya angin harus diperhitungkan dengan menggunakan persamaan berikut:
21
=F C A V2 cos2 (2.4)
dimana: = sudut arah angin dan arah normal dari permukaan elemen
2 - 5
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
A = luas area pada arah normal elemen
Kecepatan angin pada arah normal elemen menjadi V cos.
Untuk circular cylinder dengan panjang L dan diameter D atau untuk pelat datar
dengan panjang L dan lebar D, maka A = LD.
Setelah F didapat, besar beban diproyeksikan kepada arah x dan y, sehingga
Fx = F cos dan Fy = F sin.
2.3.3 Gelombang Gelombang adalah manifestasi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Tiupan angin
pada permukaan air dapat menimbulkan gelombang. Ketika gelombang terbentuk,
gaya gravitasi dan tegangan permukaan akan bereaksi untuk menimbulkan
rambatan gelombang.
Pengaruh gelombang di permukaan laut ditinjau dalam kondisi ekstrem menjadi
pertimbangan penting dalam pengkajian kelayakan platform karena besarnya
beban yang dihasilkan akan berpengaruh terhadap platform yang terendam air.
Terdaopat 3 jenis gelombang: gelombang sinusoidal, gelombang enidal,
gelombang solitary. Pada umumnya teori gelombang sinusoidal biasa digunakan
untuk laut dalam dan teori gelombang enidal untuk laut dangkal. Untuk laut yang
sangat dangkal, teori gelombang solitary lebih direkomendasikan.
Karakteristik gelombang 2 dimensi yang merambat dalam arah x dapat dilihat
pada Gambar 2.1 berikut:
2 - 6
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
Gambar 2.1 Kinematika Gelombang 2 Dimensi (API)
Keterangan gambar:
L = Panjang gelombang
H = Tinggi gelombang
A = Amplitudo gelombang (= H)
C = Cepat rambat gelombang
u = Kecepatan horizontal partikel air
w = Kecepatan vertikal partikel air
MWL = Elevasi rata-rata kedalaman laut
(x,t) = Elevasi muka air di lokasi x pada saat t
h = Kedalaman perairan
2.3.3.1 Pemilihan Teori Gelombang Dalam perencanaan desain gelombang suatu struktur anjungan lepas pantai perlu
ditentukan teori gelombang yang sesuai. Batrop el al (1990) menawarkan suatu
diagram yang diperoleh dari hasil membandingkan kecepatan partikel air,
percepatan, tinggi gelombang, dan panjang gelombang yang dihitung dari teori
gelombang yang sering digunakan.
Tahap pemilihan gelombang:
1. Input data yang diperlukan:
d = kedalaman air (ft)
2 - 7
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
g = gaya gravitasi (ft/s2)
T = periode maksimum gelombang (s)
V = kecepatan arus pada permukaan laut (ft/s)
H = tinggi gelombang maksimum (ft)
2. Untuk menghasilkan kombinasi beban yang maksimal, maka gelombang dan
arus akan dihitung dengan arah yang sejajar.
3. Berdasarkan pertimbangan di atas, maka ada syarat yang harus dipenuhi agar
grafik penentuan apparent wave period bisa digunakan. Syaratnya adalah
kedalaman relatif
2gT
d harus lebih besar dari 0,01.
4. Hitung
gTV , kemudian plot grafik apparent wave period, sehingga didapat
nilai Tapp / T, sehingga besar Tapp bisa diketahui.
Gambar 2.2 Grafik Penentuan Tapp (API)
5. Hitung nilai
2
appgTd dan
2
appgTH .
2 - 8
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
6. Plot nilai
2
appgTd dan
2
appgTH pada grafik validasi teori gelombang,
sehingga akan diketahui teori gelombang yang akan dipakai.
Gambar 2.3 Grafik Pemilihan Teori Gelombang (API)
2.3.3.2 Teori Gelombang Stokes Stokes mengembangkan Teori Gelombang Airy dengan melanjutkan analisis
sampai orde ketiga untuk mendapatkan ketelitian yang lebih baik dalam
kecuraman maka gelombang (H/L). Pengembangan lebih jauh dilakukan oleh
Skjelbreia dan Hendrickson (1961) sampai orde kelima. Hasil pengembangan
tersebut dikenal sebagai Teori Gelombang Stokes orde kelima yang sampai saat
ini banyak digunakan dalam perhitungan desain untuk gelombang dengan
amplitudo kecil.
Teori Gelombang Stokes orde kelima dianggap valid untuk kondisi perairan
dimana rasio kedalaman H/L lebih besar dari 1/10. Kondisi ini umumnya sesuai
2 - 9
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
dengan gelombang badai (storm wave) yang biasanya diperhitungkan dalam
perencanaan bangunan lepas pantai.
2.3.3.3 Gaya Gelombang pada Tiang Silinder Tegak
Gambar 2.4 Gaya Gelombang pada Silinder Tegak (API)
Gaya pada tiang silinder tegak akibat gelombang pertama kali diperkenalkan oleh
Morison dengan batasan diameter tiang relatif kecil dibandingkan panjang
gelombang yang menerpa tiang. 2
112 4D x
Df C u u C a = + . (2.5)
dimana:
f = gaya per satuan panjang
= kerapatan massa fluida
u = kecepatan partikel air pada kedalaman tertentu, tegak lurus terhadap tiang
ax = kecepatan partikel air pada kedalaman tertentu, tegak lurus terhadap tiang
D = diameter tiang
C1 = koefisien inersia
CD = koefisien drag
Suku pertama dari ruas kanan persamaan Morison merupakan komponen gaya
seret (drag force) yang besarnya sebanding dengan kuadrat kecepatan partikel.
Tanda harga absolut digunakan untuk memastikan arah (dan tanda) komponen
2 - 10
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
gaya seret sesuai dengan arah kecepatan partikel. Suku kedua dari ruas kanan
merupakan komponen gaya inersia yang sebanding dengan percepatan partikel air.
Unuk keperluan praktis perencanaan struktur anjungan lepas pantai, dapat
digunakan nilai koesfien drag dan inersia yang direkomendasikan dalam API
RP2A sebagai berikut:
Smooth CD = 0.65, CM = 1.6
Rough CD = 1.05, CM = 1.2
Modifikasi nilai koefisien drag dan inersia diperlukan apabila pada batang tubular
tersebut terdapat tambahan struktur/komponen lain, misalnya anode. Modifikasi
koefisien drag dan inersia tersebut ditentukan dengan rumus sebagai berikut:
' 1 1 2 2
1
dd
dA C nA CCA+
= .. (2.6)
' 1 1 2 2
1
mm
V C nV CCV+
= m .. (2.7)
dengan:
A1 = luas drag batang tubular
Cd1 = koefisien drag batang tubular
A2 = luas drag komponen/anode
Cd2 = koefisien drag komponen/anode
V1 = volume batang tubular
Cm1 = koefisien massa batang tubular
V2 = volume komponen/anode
Cm2 = koefisien massa komponen/anode
n = jumlah komponen/anode
Gaya total F diperoleh dengan cara mengintegrasikan persamaan Morisson
sepanjang elemen struktur. Pada gambar silinder tegak di atas, gaya total dihitung
dengan mengintegrasikan persamaan Morisson dari z = 0 sampai z = z.
2 - 11
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
0
( )z
F f z dz= .. (2.8)
Dengan cara yang sama, momen total M pada z = 0 (sea floor) akibat gaya
gelombang yang bekerja sepanjang z = 0 samapai dengan z = z adalah:
0
( )z
M zf z dz= (2.9)
Titik tangkap resultan gaya gelombang yang bekerja pada tiang silinder tegak
dihitung dengan persamaan:
MzF
= .. (2.10)
dimana z dihitung dari dasar tiang (sea floor).
2.3.3.4 Gaya Akibat Gelombang Stokes Dalam melakukan perhitungan gaya dan momen maksimum, dilakukan dengan
menggunakan metode numerik dimana tiang silinder dibagi menjadi N segmen
dan menghitung gaya pada setiap segmen dengan menggunakan persamaan:
F(z) = FD (z) + F1 (z) pada saat (t) gaya maksimum terjadi dan menganggap gaya
yang terjadi merata sepanjang tiap segmen. Momen pada dasar tiang bisa didapat
dengan menjumlahkan momen dari setiap segmen. Dari gambar 2.5, dapat dilihat
bahwa tiang dibagi dalam dua segmen, dimana segmen terbawah memiliki
panjang z1 dan segmen atas memiliki panjang z2 z1.
Gambar 2.5 Pembagian Segmen Gaya Gelombang (API)
Gaya yang terjadi pada segmen bawah adalah F(z1) dan gaya yang terjadi pada
segmen atas adalah F(z2) F(z1). Dengan menganggap gaya tersebut terdistribusi
2 - 12
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
secara merata, titik tangkap gaya resultan akan terletak di tengah setiap segmen
sehingga momen pada tiang di dasar perairan dapat dituliskan sebagai berikut:
1 1 2 1 2 11 1 ( )(2 2
)M F z F F z z= + .. (2.11)
Harga t harus dicari dimana gaya yang terjadi maksimum. Secara umum, momen
yang terjadi pada dasar tiang bila kita membagi tiang menjadi N segmen adalah:
11
1 ( )(2
N
n n n nn
1)M F F z z=
= + . (2.12)
dimana F0 = 0 dan z0 = 0.
2.3.3.5 Apparent Wave Period Arus yang searah dengan gelombang cenderung memperbesar panjang, sedangkan
arus yang berlawanan memperkecil panjang gelombang. Apparent wave period
(Tapp) adalah periode gelombang relatif terhadap arus sejajar efektif. Untuk
gelombang yang merambat pada suatu profil arus, penentuan apparent wave
period dilakukan dengan menyelesaikan persamaan di bawah ini secara
bersamaan.
1app
VT T = + (2.13)
2 2tanh(2 / )app
Tg d
= . (2.14)
0
14 / 4 ( )( ) cosh
sinh(4 / ) cdhV U zd
+z d dz = ... (2.15)
dimana:
= panjang gelombang
d = kedalaman laut badai
Uc(z) = komponen profil arus untuk kondisi tetap pada arah gelombang z
g = percepatan gravitasi
V1 = kecepatan arus sejajar efektif
T = periode gelombang relatif terhadap obyek tetap
2 - 13
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
2.3.3.6 Faktor Kinematika Gelombang Kinematika gelombang umum dua dimensi dari teori gelombang Stream Function
atau Stokes 5 tidak memperhitungkan penyebaran arah gelombang atau
ketidakseragaman dalam bentuk profil gelombang. Karakteristik nyata ini
dimodelkan dalam analisis gelombang deterministik dengan mengalikan
kecepatan dan percepatan mendatar dari penyelesaian gelombang dua dimensi
umum dengan faktor kinematika gelombang. Pengukuran kinematika gelombang
memiliki faktor berkisar antara 0.85 sampai 0.95 untuk badai tropis dan 0.95
sampai 1.00 untuk badai bukan tropis.
2.3.3.7 Marine Growth Semua bagian dari struktur (member, conductor, riser, struktur tambahan, dan
lain-lain) yang terbenam, luas penampangnya diperbesar dikarenakan adanya
marine growth. Diameter efektif dari elemen adalah D = Dc +2t, dimana Dc adalah
diameter luar dan t adalah ketebalan marine growth rata-rata yang dapat diperoleh
dari pengukuran keliling dengan pita pengukur 1 sampai 4 inci.
Pertambahan luas melintang ini mengakibatkan gaya gelombang yang diterima
oleh struktur menjadi lebih besar.
2.3.4 Arus Arus memiliki pergerakan yang konstan. Arus di laut biasanya terjadi akibat
adanya pasang surut dan gesekan angin pada permukaan air (wind-drift current).
Kecepatan arus bekerja pada arah horizontal dan bervariasi menurut kedalaman.
Besar dan arah arus pasang surut di permukaan biasanya diasumsikan sekitar 1%
dari kecepatan angin pada ketinggian 30 ft di atas permukaan air. Untuk
kebutuhan rekayasa, variasi arus pasang surut terhadap kedalaman biasanya
diasumsikan mengikuti profil pangkat 1/7 dan variasi arus akibat gesekan angin
diasumsikan linier terhadap kedalaman. Variasi arus ditunjukkan pada Gambar 2.6
berikut:
2 - 14
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
Gambar 2.6 Distribusi Beban Arus (API)
Dalam kondisi badai, arus terjadi bersamaan dengan gerakan air akibat
gelombang. Arah arus pasang surut bisa tidak sama dengan arah rambat
gelombang, tetapi wind-drift current biasanya diasumsikan searah dengan gerakan
gelombang. Arus yang terjadi bersamaan dengan gelombang akan mempengaruhi
karakteristik gelombang. Akan tetapi, pengaruh arus bisa diabaikan untuk kondisi
gelombang saat badai, sehingga kebutuhan desain, dalam perhitungan gaya akibat
arus dan gelombang yang bekerja pada struktur dilakukan dengan menambahkan
kecepatan arus dengan kecepatan horizontal akibat gelombang. Metoda ini sesuai
dengan rekomendasi API yang ditunjukan pada Gambar 2.7 berikut:
Gambar 2.7 Diagram Perhitungan Arus dan Gelombang (API)
2 - 15
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
2.3.4.1 Current Blockage Factor
Kecepatan arus di sekitar anjungan berkurang dari kondisi mengalir bebas oleh
faktor hambatan. Dengan kata lain, kehadiran struktur mengakibatkan arus
menyebar, sebagian arus mengelilingi struktur dan tidak melaluinya, dan
kecepatan arus di sekitar berkurang. Current blockage factor dihitung dengan
persamaan sebagai berikut:
( ) 1
41
+ W
DC id (2.16)
Dimana (CdD)i adalah penjumlahan dari drag diameter dari seluruh elemen yang
terpotong oleh suatu bidang mendatar tertentu dan W adalah lebar keseluruhan
dari anjungan tegak lurus terhadap arus pada elevasi tersebut.
2.3.4.2 Kinematika Gelombang dan Arus Gabungan
Kinematika gelombang yang telah disesuaikan dengan penyebaran arah dan
ketidakseragaman harus digabungkan dengan profil arus yang telah disesuaikan
dengan faktor hambatan, karena profil arus hanya ditentukan untuk kedalaman air
rata-rata pada kriteria desain, harus digunakan beberapa cara untuk
memperpanjang atau memperpendek profil arus tersebut terhadap ketinggian
gelombang lokal.
Untuk profil arus dimana perpanjangan linear merupakan pendekatan yang dapat
diterima, Vz arus pada jarak z di atas kedalaman laut rata-rata, dapat
diperhitungkan dari profil arus yang telah ditentukan pada elevasi z dengan
menggunakan persamaan sebagai berikut:
2 - 16
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
)()'()('
+++
=d
ddzdzVV zx . (2.17)
dimana: Vz = arus tertentu pada elevasi z
d = kedalaman air pada saat badai
= jarak antara permukaan gelombang dengan keadaan laut rata-rata
( dan z positif di atas kedalaman laut rata-rata dan sebaliknya)
Penelitian telah menunjukkan bahwa sebuah profil arus yang diperpanjang secara
non-linear cocok digabungkan dengan kinematika gelombang yang telah
terpengaruh Doppler. Perpanjangan non-linear memperhitungkan arus yang telah
dipanjangkan (Vz) untuk sebuah partikel yang berada pada elevasi z, berdasarkan
kecepatan Vz yang telah ditentukan di profil arus pada elevasi z sebagai berikut:
++=
)/2sinh(/)'(2sinh(''
n
nzz d
dzz
zVV
(2.18)
dimana n adalah panjang gelombang untuk ketinggian H dan periode Tapp
tertentu.
2.3.5 Gaya Apung Tekanan air pada struktur yang tenggelam, timbul karena berat air di atasnya dan
pergerakan fluida di sekitar struktur yang diakibatkan oleh gelombang. Tekanan
air pada struktur yang tenggelam dapat memperbesar tegangannys. Gaya yang
diakibatkan oleh gelombang telah dihitung dalam persamaan Morison. Besar gaya
apung yang bekerja pada struktur terendam dalam fluida:
F = f V (2.19)
dimana: f = berat jenis air
2 - 17
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
V = volume benda yang tenggelam
2.3.6 Ketinggian Aman Dek Gelombang yang mengenai dek terbawah dari duatu anjungan dapat menimbulkan
gaya yang besar dan momen guling. Kecuali jika anjungan memang didesain
untuk dapat menahan gaya-gaya ini, ketinggian dari dek harus cukup untuk
menyediakan ruang bebas di atas puncak dari gelombang desain. Sebagai
tambahan, suatu air gap harus disediakan untuk mengantisipasi geombang yang
lebih besar dari gelombang desain.
API RP2A bagian 2.3.4g menyatakan bahwa untuk menghindari gaya tersebut,
ketinggian dari dek terbawah harus berada pada elevasi di atas puncak gelombang
desain ditambah dengan daerah aman. Suatu kisaran aman atau air gap sebesar 5
ft ditambahkan ke ketinggian puncak gelombang untuk mengantisipasi penurunan
anjungan, ketidakpastian kedalaman laut, dan untuk kemungkinan terjadinya
gelombang yang sangat besar untuk menentukan elevasi minimum dari dek
terbawah anjungan yang diperlukan untuk menghindari terpaan gelombang pada
dek.
2.4 KOMBINASI PEMBEBANAN
Anjungan harus didesain dengan kombinasi pembebanan yang akan menghasilkan
pengaruh yang paling membahayakan terhadap struktur. Kombinasi pembebanan
ini terdiri dari beban lingkungan, beban mati dan beban hidup yang sesuai.
Pembagian beban yang dikombinasikan:
1. Beban gravitasi
Beban gravitasi terdiri dari:
a. Berat sendiri platform
b. Beban peralatan
c. Beban lainnya
2 - 18
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
Kombinasi dari ketiganya diperhitungkan sebagai beban mati nominal.
2. Beban angin
Beban angin dianalisis untuk kondisi operasional dan kondisi ekstrem. Beban
ini bekerja pada 12 mata angin dimana setiap arahnya diproyeksikan pada arah
utara dan arah timur. Koefisien beban angin dibedakan atas arah angin yang
sedang ditinjau. Hal ini dilakukan agar desain yang dihasilkan lebih akurat dan
menyerupai kondisi sebenarnya.
3. Beban gelombang dan arus
Beban ini diperlukan untuk analisis kondisi operasional dan kondisi ekstrim.
Penganalisisannya berdasarkan 12 mata angin. Koefisien untuk gelombang
dan arus diperoleh dari besarnya dinamik amplifikasi faktor (DAF). Besarnya
DAF untuk kondisi operasional dan ekstrim memiliki nilai yang berbeda.
Tiap elemen platform harus didesain dengan kombinasi pembebanan yang
mengakibatkan tegangan terbesar dengan turut mempertimbangkan tegangan izin
pada kondisi pembebanan yang sedang ditinjau.
Komponen penyusun dari kombinasi pembebanan adalah:
a. Beban mati, yang digunakan adalah beban mati nominal.
b. Beban angin yang diproyeksikan pada arah x dan y.
c. Beban gelombang dan arus pada arah mata angin yang sedang ditinjau.
2.5 PERENCANAAN STRUKTUR BAJA TUBULAR
2.5.1 Baja Struktur Baja struktur dikenal dengan ASTM (American Society for Testing and
Materials). Pada desain struktur, tegangan leleh dan tarik menjadi kuantitas acuan
yang digunakan oleh spesifikasi-spesifikasi seperti AISC (American Society for
Steel Construction)., sebagai variable sifat untuk menentukan kekuatan atau
2 - 19
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
tegangan ijinnya. Persyaratan umum untuk jenis baja tercakup antara lain dalam
spesifikasi ANSI/ASTM.
Platform harus didesain sedemikian rupa sehingga seluruh elemen dapat
memenuhi tegangan ijin yang telah ditentukan oleh AISC Specification for the
Design, Fabrication and Erection of Structural Steel for Bulidings. Seluruh
persyaratan tegangan ijin pada baja tubular ini dibuat berdasarkan API RP2A edisi
21 WSD Recommended Practice for Planning, Designing and Construction Fixed
Offshore Platform.
2.5.2 Kriteria Tegangan Struktur lepas pantai biasanya menggunakan baja struktur biasa. Material baja
akan tetap bersifat elastis selama tegangan yang terjadi tidak melampaui tegangan
leleh. Tujuan utama dari desain adalah memiliki ukuran komponen yang sesuai
sehingga kondisi elastis tetap dipenuhi selama dibebani beban rencana (design-
level loading). Faktor keamanan (safety factor) biasanya diterapkan untuk
mendapatkan tegangan ijin (allowable stress = yield stress / safety factor) yang
kemudian dijadikan kriteria tegangan yang tidak boleh dilewati selama struktur
dibebani gaya rencana.
Peraturan yang digunakan pada analisis berikut adalah API RP2A edisi 21 adalah
Working Stress Design (WSD). Metode ini sesuai dengan spesifikasi AISC yang
disebut Allowable Stress Design (desain tegangan ijin).
2.5.3 Batang Tarik Keadaan batas kekuatan yang berpengaruh bagi suatu batang tarik dapat berupa
pelelehan penampang lintang bruto batang pada tempat yang jauh dari titik
sambungan atau retakan dari suatu bersih efektif (melalui lubang) pada
sambungan.
2 - 20
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
API RP 2A edisi 21-WSD memberikan batas kekuatan tarik ijin (Ft) untuk batang
tubular yang dikenai beban sebagai berikut:
yt FF 6,0= ....................................................................................................... (2.20)
Tegangan batas tersebut merupakan pelelehan umum dari penampang lintang
bruto atas panjang bruto. Batas tegangan ijin tersebut menerapkan angka
keamanan sebesar 1,67.
2.5.4 Batang Tekan Pada umumnya batang tekan akan mengalami tekuk atau lenturan tiba-tiba akibat
ketidakstabilan sebelum mencapai kekuatan penuh material baja yang
bersangkutan. Hanya batang yang pendek saja yang dapat dibebani sampai ke
tegangan lelehnya. Oleh karena itu, tekuk merupakan hal utama dalam
pembahasan batang tekan.
2.5.4.1 Tekuk Global Berdasarkan API RP 2A edisi 21-WSD, untuk elemen dengan rasio D/t kurang
dari atau sama dengan 60, tegangan tekan ijin (Fa) harus dihitung menggunakan
persamaan sebagai berikut:
( )
( ) ( )3
3
2
2
8/
8/33/5
2/1
cc
ye
a
CrKl
CrKl
FC
rKl
F+
= untuk Kl / r Cc ............................... (2.21)
( )22
/2312
rKlEFa
= untuk Kl / r Cc .......................................................(2.22)
dimana: Cc = 21
22
yFE
E = Modulus Elastisitas Young, ksi (MPa)
K = Faktor panjang efektif
l = panjang batang tak tersokong, in (m)
r = radius girasi, in (m)
2 - 21
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
2.5.4.2 Tekuk Lokal Untuk elemen dengan rasio 60 < D/t 300 dan tebal silinder t 0,25 in (6 mm),
ganti tegangan tekuk lokal kritis (nilai minimum dari Fxe atau Fxc) untuk Fy dalam
menentukan Cc dan Fa. Rumus Fxe atau Fxc diberikan sebagai berikut:
Tegangan Tekuk Lokal Elastis (Fxe)
Fxe = 2 CE t/D ...................................................................................... (2.23)
Secara teoretis, nilai C = 0,6, tetapi reduksi nilai C = 0,3 diijinkan untuk
memperhitungkan pengaruh ketidaksempurnaan geometrik.
Tegangan Tekuk Lokal Inelastis
Fxc = Fy [1,64 0,23 (D/t) 1/4 ] Fxe ................................................. (2.24)
2.5.4.3 Panjang Efektif Analisis yang rasional untuk menentukan faktor panjang efektif harus
mempertimbangkan kekakuan dan pergerakan sambungan. Penilaian secara tepat
mengenai derajat kekekangan momen pada struktur umumnya sangat sulit.
Kekekangan momen tersebut dipengaruhi oleh batang-batang yang tidak
berdekatan yang mengikat ke kolom tekan. Untuk kebutuhan praktis, API RP 2A
edisi 21-WSD memberikan rekomendasi faktor panjang efektif sebagai berikut:
Tabel 2.1 Faktor Panjang Efektif
Situasi
Faktor Panjang Efektif
(K)
Faktor Reduksi
(Cm)
Kaki Struktur Atas Terkekang 1.0 (a) Portal (tak terkekang) K (a) (2) Tiang dan Kaki Jacket Penampang Komposit 1.0 (c) Kaki Jacket Ungrouted 1.0 (c) Tiang Pancang Ungrouted 1.0 (b) Elemen Web Penopang Dek
2 - 22
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
Aksi In-plane 0.8 (b) Aksi Out-of-plane 1.0 (a) atau (b) (4) Penguat Brace
0.8 (a) atau (b) Panjang Face-to-face dari Diagonal Utama (4) Untuk K Brace 0.8 (c) Segmen Lebih Panjang dari X Brace 0.9 (c) Secondary Horizontal 0.7 (c) Elemen Penghubung Penopang Dek 1.0 (a), (b)
atau (c) (4)
Nilai faktor reduksi Cm ditujukan untuk tabel di atas, adapun penjelasan konotasi
pada tabel di atas adalah:
(a) 0.85
(b) 12
0.6 0.4 MM
, tetapi tidak boleh kurang dari 0.4 dan tidak boleh lebih dari
0.85
(c) 11 0.4a
e
fF
, atau 0.85, yang manapun lebih kecil
2.5.5 Batang Lentur Tegangan lentur ijin (Fb) harus dihitung dengan menggunakan persamaan:
untuk yb FF 75,0=yFt
D 1500
yFtD 340.10 (SI)
yt
yb FE
DFF
= 74,184,0 untuk
yy FtD
F30001500
<
yy FtD
F680.20340.10
< (SI)
2 - 23
-
Sensitivity Analysis Struktur Anjungan Lepas Pantai Terhadap Penurunan Dasar Laut
yt
yb FE
DFF
= 58,1072,0 untuk 3003000