-
1
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Jacket merupakan suatu struktur bawah yang terletak di bawah
platform / rig / deck dari suatu bangunan lepas pantai. 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.
Didalam analisa perhitungannya, gaya gempa merupakan salah satu
aspek penting yang harus diperhatikan didalam perencanaan struktur
jacket. Didalam merencanakan gaya gempa yang diperhitungkan
nantinya, metode yang digunakan adalah CQC (Complete Quadratic
Combination) dan SRSS (Square root of sum of square).
Pada Tugas Akhir ini, saya melakukan analisis dinamis dari segi
seismik dan kelelahan (fatigue) terhadap struktur jacket
berdasarkan data seismik yang diberikan. Analisis dinamis dilakukan
agar Jacket struktur yang dapat memenuhi tiga factor yang
diperlukan yaitu : keamanan (safety), fungsi (performance),
ketahanan (rability). Adapun tujuan dari analisis dinamis terhadap
suatu struktur adalah untuk mengetahui besarnya respon dinamis
struktur terhadap pembebanan yang merupakan fungsi waktu seperti
displacement, atau perilaku dinamis struktur seperti frekuensi
natural struktur atau periode natural struktur.
Hal pertama yang dilakukan pada analisis dinamis adalah analisis
seismik/beban gempa. Perlu tidaknya analisis seismik dilakukan
sangat tergantung dimana struktur jacket yang dibuat ditempatkan.
Analisis seismik sangat perlu dilakukan bila jacket struktur
ditempatkan pada daerah rawan gempa, akan tetapi biarpun tidak
ditempatkan pada daerah yang rawan gempa analisis seismik ini perlu
juga dilakukan untuk menambah keamanan struktur jacket yang telah
dibuat. Eksperimen yang dilakukan oleh Youchi Hattori (Hattori et.
Al., 1981) menyebutkan bahwa penting kiranya untuk melakukan
investigasi karakteristik getaran (vibrasi) dari jacket untuk
menjamin keberhasilan dalam desain. Finite element adalah sangat
cocok untuk perhitungan
frekuensi natural, tetapi ada beberapa aspek yang belum
diketahui yang perlu dipelajari yaitu seperti massa semu kaki dalam
air, dan kondisi tumpuan dari tanah dasar laut.
Walaupun beban dinamis yang bekerja pada sistem struktur bisa
diabaikan oleh salah satu dari mekanisme sumber yang berbeda,
termasuk angin atau ombak dan gerak kendaraan, tipe masukan dinamis
yang paling penting bagi ahli struktur yang tidak dapat diragukan
lagi adalah yang ditimbulkan oleh gempa bumi. Ahli struktur
terutama memperhatikan efek lokal gempa terbesar dimana gerak tanah
cukup kuat untuk menyebabkan kerusakan struktur (Clough, Ray and
Penzien, J, 1998).
Struktur bangunan laut selama beroperasi tidak boleh mengalami
kerusakan. Ini karena kerusakan bangunan laut akan meningkatkan
downtime operational yang akan berdampak pada menurunnya keuntungan
yang didapat karena operasi yang terhenti karena struktur mengalami
kerusakan. Kerusakan struktur bangunan laut selama beroperasi
banyak disebabkan oleh kelelahan (fatigue). Peluang kerusakan
karena fatigue ini bertambah besar seiring dengan kualitas
fabrikasi yang jelek, umur bangunan laut yang semakin tua, dan
korosi terjadi pada bangunan laut tersebut. Oleh karena itu biaya
untuk menangani kerusakan bangunan laut banyak difokuskan pada
fatigue. Kelelahan (fatigue) adalah gejala dimana bagian (member)
dari struktur mengalami kegagalan/kerusakan setelah mengalami
pembebanan yang dinamis, meskipun besar tegangan yang diakibatkan
oleh beban ini masih berada di bawah tegangan ijin. Beban dinamis
adalah beban yang besarnya berubah-ubah dan terjadi berulang-ulang
pada struktur anjungan lepas pantai. Beban-beban dinamis berupa
beban lateral seperti beban gelombang, gempa bumi, angin, dan arus.
Keberadaan fenomena fatigue ini pada akhirnya akan menentukan umur
operasi dari sebuah struktur anjungan lepas pantai.
-
2
I.2 Permasalahan
Adapun permasalahan yang dibahas dalam Tugas Akhir ini adalah
:
1. Bagaimana perilaku dan kemampuan struktur jacket dalam
menerima beban dinamik (gempa) dan beban operasional termasuk
kondisi kemampuan fatigue (kelelahan).
2. Berapa besar respon struktur terhadap beban gempa (seismic)
dengan SACS 5.2 yaitu dengan mengetahui unity checknya.
3. Berapakah umur kelelahan (Fatigue Life) dari struktur (dalam
N cycles pembebanan dan dalam tahun).
I.3 Batasan Masalah
Dalam Tugas Akhir ini ruang lingkupnya adalah sebagai berikut
:
1. Pada analisis seismik tipe tanah yang digunakan adalah Tipe
A, effective ground acceleration terhadap g adalah 0.125, damping
ratio adalah 2%, CQC dynamic loading X,Y,Z adalah 1, 1, 0.5.
2. Pada analisis fatigue, umur kelelahan dihitung menggunakan
metode full spectral analysis pada 3 joint paling kritis.
I.4 Tujuan
Adapun tujuan yang ingin diperoleh dalam mengerjakan Tugas Akhir
ini adalah :
1. Dapat memodelkan struktur jacket dengan menggunakan program
SACS 5.2.
2. Dapat menghitung berapa besar respon struktur terhadap beban
gempa (seismic) dengan SACS 5.2 yaitu dengan mengetahui unity
check-nya.
3. Dapat menghitung berapa umur kelelahan (Fatigue Life) dari
struktur.
I.5 Manfaat
Penyusunan Tugas Akhir ini diharapkan dapat memberikan manfaat
dalam bidang ketekniksipilan, terutama dalam menambah wawasan
tentang ilmu bangunan lepas pantai. Output yang dihasilkan dalam
Tugas Akhir ini diharapkan dapat memberi kemudahan bagi para
mahasiswa Teknik Sipil ITS yang ingin merancang jacket stucture
pada bangunan lepas pantai dengan memperhitungkan gaya gempa
(seismic analysis) dan fatigue life dari suatu struktur dengan
menggunakan program bantu SACS 5.2.
Dengan penyusunan Tugas Akhir ini diharapkan dapat menjadi
referensi untuk mengembangkan wawasan keilmuan tentang bangunan
lepas pantai yang lebih kompleks di Jurusan Teknik Sipil ITS di
masa yang akan datang, sehingga dapat menambah wacana baru dalam
bidang structural engineering.
BAB II DASAR TEORI
(Sengaja tidak dicantumkan)
Gambar 1.1 Foto contoh bangunan lepas pantai
PLATFORM / RIG / DECK
JACKET
-
3
BAB III METODOLOGI
III.1 Metodologi Analisis Seismik
Adapun metodelogi analisis seismik adalah sebagai berikut :
1. Analisis diawali dengan pemodelan struktur berdasarkan data
struktur yang telah ditetapkan.
2. Melakukan perhitungan untuk memperoleh eigen value dimana
hasil yang diperoleh berupa periode natural dari struktur.
3. Pemodelan dilanjutkan dengan analisis seismik dengan
menggunakan data periode natural dan data seismik yang dialami oleh
desain awal struktur.
4. Melakukan pemeriksaan terhadap keamanan struktur.
5. Bila hasil pemeriksaan dapat diterima maka analisis selesai,
jika tidak maka dilakukan analisis ulang pada pemodelan
struktur.
III.2 Metodologi Analisis Fatigue (Kelelahan) Metodologi yang
digunakan dalam
analisis fatigue / kelelahan dapat digambarkan dalam bagan alir
analisis kelelahan di bawah ini :
Adapun penjelasan dari bagan alir analisis fatigue / kelelahan
di atas adalah sebagai berikut : 1. Melakukan analisis beban
gelombang
reguler untuk menghasilkan RAO respons struktur (Bending Moment,
Shear Force); dilakukan untuk berbagai arah gelombang yang sesuai
(0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 dan 315).
Gambar 3.1 Flow chart analisis seismik
Model struktur jacket
Input beban gelombang pada sea state
Tegangan Stress dari hasil running SACS 5.2
Perhitungan Spektra Gelombang dan RAO
Perhitungan Spektra Tegangan
S T O P
Penentuan Siklus Tegangan Kurun Waktu Panjang (Distribusi
Rayleigh dan Weibull)
Umur Kelelahan (Fatigue Life)
S T A R T
Gambar 3.2 Flow chart analisis fatigue
Seismic Analysis
Code Check (Member Unity Check)
Acceptabl
List Output: Base Shear Force Support Reaction Stress Ratio
Member Stress Member Displacement
Struktur Data
Environmental
Modelling structure with Dummy pile
Compute
Seismic Environmental Data (Response Spectrum)
Natural Period
E N D
S T A R T
-
4
2. Mentransformasikan RAO respons struktur menjadi RAO tegangan
(stress analysis).
3. Menentukan mode operasi bangunan laut dengan mempertimbangkan
data sebaran gelombang (wave scatter diagram), peluang kejadian
arah gelombang, kombinasi H & T gelombang, variasi spektra
gelombang (bila ada), kecepatan (untuk kapal yang melaju).
4. Menghitung spektra respons tegangan sesuai dengan mode
operasi dalam butir 3.
5. Menentukan jumlah siklus tegangan dan sebaran siklus tegangan
dalam kurun waktu pendek sesuai dengan distribusi Rayleigh untuk
tiap-tiap mode operasi dalam butir 3.
6. Menghitung sebaran siklus tegangan dalam kurun waktu panjang
(yang merupakan penjumlahan siklus tegangan dalam kurun waktu
pendek) dengan mempertimbangkan umur operasi T (tahun detik) dan
peluang kejadian elemen-elemen dalam mode operasi dalam butir 3),
dan menyelesaikan persamaan distribusi sebaran beban kelelahan akan
mengikuti distribusi Weibull.
7. Mengkorelasikan hasil analisis dan perhitungan sebaran siklus
tegangan dalam kurun waktu panjang dari butir 6 dengan data
kelelahan kurva S-N memakai hukum Palmgren-Miner untuk menentukan
umur kelelahan sambungan struktur yang ditinjau.
BAB IV PEMODELAN STRUKTUR
IV.1 Data Struktur
Pemodelan dilakukan dengan bantuan software SACS 5.2. Dengan
data profil member sebagai berikut:
Tabel 4.1 Dimensi dan profil member struktur
Data kedalaman perairan dan dimensi struktur : Lowest Water
Level (LWL) : 131 feet Tinggi chord di atas permukaan laut : 13
feet Tinggi chord di bawah permukaah laut : 131 feet Kedalaman
jacket leg dari dasar laut : 16 feet Dimensi horizontal brace
lantai atas : 62 x 48 feet Dimensi horizontal brace lantai 2 : 67 x
53 feet Dimensi horizontal brace lantai 3 : 72 x 58 feet Dimensi
horizontal brace lantai 4 : 77 x 63 feet Dimensi horizontal brace
lantai dasar : 82 x 68 feet Dimensi conductor guide (tipikal) : 6 x
6 feet Tinggi riser dari lantai atas-bawah : 144 feet Panjang
jacket leg penumpu beban deck : 7 feet
Untuk panjang struktur seperti center brace dan diagonal brace,
disesuaiakan dengan panjang dan tinggi struktur chord dan
horizontal brace.
Untuk perletakan pada joint, hanya jacket leg yang menembus
dasar laut hingga 16 feet tersebut di atas dan riser yang bertemu
dengan condudtor guide pada masing-masing lantai yang diasumsikan
mempunyai perletakan FIXED, dan joint yang lainnya bukan FIXED.
Keterangan :
- Data struktur dan data lingkungan merupakan data fiktif.
Keterangan Profil Member Jacket : Horizontal brace 1 (HB)
Diagonal brace 1 (DB) Center Brace (CB) Conductor Guide (CG) Riser
(RI) Chord (JL) Jacket leg (BJL) Batter / kemiringan
OD 22 in; t 0,5 in OD 22 in; t 0,5 in OD 22 in; t 0,5 in W 14 x
53 OD 18 in; t 0,25 in OD 40 in; t 1,0 in OD 45 in; t 3,5 in 1 :
10
-
5
Gambar 4.1 Dimensi ketinggian struktur jacket (feet)
IV.2 Pemodelan Joint dan Member Struktur Jacket
Pemodelan joint dan member struktur dilakukan dengan menggunakan
bantuan software SACS 5.2 dengan memberikan simbol/nama pada
masing-masing joint dan member struktur yang membentuk struktur
jacket tersebut, sesuai dengan ukuran dan karakteristiknya.
IV.2.1 Pemodelan Joint Struktur Jacket
Gambar 4.2 Contoh penamaan joint struktur jacket
Detail dari joint tersebut adalah :
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 , 18,
19, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 40, 60, 61, 62, 63
A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R, S, T, U,
V, W, X, Y, Z
1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H, 1I, 1J, 1K, 1L, 1M, 1N, 1O, 1P,
1Q, 1R, 1S, 1T, 1U, 1V
2A, 2B, 2U, 2V, 2W, 2X, 2Y, 2Z 3E, 3F, 3G, 3H, 3I, 3J, 3K, 3L,
3M, 3Q,
3R, 3S, 3X, 3Y, 3Z 4D, 4E, 4F, 4G, 4H, 4I, 4J, 4K, 4L, 4P,
4Q, 4R 5J, 5K, 5L, 5M, 5N, 5O, 5P, 5Q, 5R, 5S,
5T, 5U, 5Y, 5Z
IV.2.2 Pemodelan member struktur jacket
Gambar 4.3 Detail member struktur jacket
1
2
3
4
11
12 10
18
19
9
O 1B
C
F
+ 20.00 + 13.00 (LANTAI ATAS) + 0.00 (LWL)
- 23.00 (LANTAI 2)
- 59.00 (LANTAI 3)
- 95.00 (LANTAI 4)
- 131.00 (LANTAI DASAR/ DASAR LAUT)
- 147.00 CG
DB
JL
RI
CB
HB
BJ
-
6
Detail dari member tersebut adalah : 1. HB
Adalah Horizontal Barce yang memiliki ukuran dan karakteristik
sebagai berikut : - Outer Diameter (OD) : 22 inch - Web Thickness
(WT) : 0.5 inch - E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus : 11.600 ksi -
Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft
2. DB Adalah Diagonal Barce yang memiliki ukuran dan
karakteristik sebagai berikut : - Outer Diameter (OD) : 22 inch -
Web Thickness (WT) : 0.5 inch - E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus
: 11.600 ksi - Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft
3. CB Adalah Center Barce yang memiliki ukuran dan karakteristik
sebagai berikut : - Outer Diameter (OD) : 22 inch - Web Thickness
(WT) : 0.5 inch - E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus : 11.600 ksi -
Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft
4. CG Adalah Conductor Guide atau bisa juga disebut sebagai
Riser Guide yang memiliki ukuran dan karakteristik sebagai berikut
: - W 14 x 53 - E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus : 11.600 ksi -
Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft
5. RI Adalah Riser yang memiliki ukuran dan karakteristik
sebagai berikut : - Outer Diameter (OD) : 18 inch - Web Thickness
(WT) : 0.25 inch - E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus : 11.600 ksi
- Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft
6. JL Adalah Jacket Leg yang merupakan kaki jacket atau bisa
disebut juga sebagai chord yang memiliki ukuran dan karakteristik
sebagai berikut :
- Outer Diameter (OD) : 40 inch - Web Thickness (WT) : 1 inch -
E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus : 11.600 ksi - Yield Strength :
36 ksi - Density : 490 lb/cu ft
7. BJL Adalah Bottom Jacket Leg yang merupakan sambungan dari
jacket leg pada bagian dasar laut yang memiliki ukuran dan
karakteristik sebagai berikut : - Outer Diameter (OD) : 45 inch -
Web Thickness (WT) : 3.5 inch - E Modulus : 29.000 ksi - G Modulus
: 11.600 ksi - Yield Strength : 36 ksi - Density : 490 lb/cu ft
IV.2.3 Offseting Offseting dilakukan setelah setiap
member pembentuk struktur jacket diberi nama sesuai dengan
ukuran dan karakteristiknya.
Offsetting, adalah upaya memindahkan ujung-ujung setiap member
dengan mengutak-atik koordinat sumbu X, Y, dan Z pada ujung-ujung
setiap member yang bertemu pada joint pembentuk jacket pada posisi
sedemikian hingga setiap member yang bertemu pada joint tidak
mengalami over stress akibat penumpukan ujung member pada joint.
Karena hal ini akan berpengaruh kepada UC (Unity Check) pada setiap
joint. Semakin rapi offsetting, maka semakin baik pula
pemodelannya. Dalam offsetting, sumbu yang digunakan adalah sumbu
lokal struktur.
Berikut ini akan ditampilkan pemodelan member yang sebelum dan
sesudah dilakukan offsetting pada beberapa joint :
JOINT 9 :
Gambar 4.4 Sebelum dan sesudah dilakukan offsetting pada joint
9
-
7
JOINT 10 :
Gambar 4.5 Sebelum dan sesudah dilakukan offsetting pada joint
10
JOINT 12 :
Gambar 4.6 Sebelum dan sesudah dilakukan offsetting pada joint
12
JOINT O :
Gambar 4.7 Sebelum dan sesudah dilakukan offsetting pada joint
O
IV.2.4 Pemodelan akhir jacket dengan program SACS 5.2
Gambar 4.8 Tampak isometri dan tampak atas jacket
Gambar 4.9 Tampak jacket pada tengah bentang
Gambar 4.10 Tampak depan Gambar 4.11 Tampak Samping kanan
Gambar 4.12 Tampak belakang Gambar 4.13 Tampak Samping kiri
-
8
IV.3 Pemodelan Seismik
Beberapa asumsi yang dipakai dalam pemodelan diantaranya adalah
sebagai berikut :
a. Satuan (Unit) yang dipakai dalam pemodelan SACS 5,2 analisis
seismik adalah dalam satuan US. Orientasi Platform adalah 450
terhadap Sumbu Global.
b. Dalam pemodelan seismik, struktur yang dipakai adalah
berdasarkan data yang telah ditetapkan.
IV.3.1 Data Perhitungan Seismik Pada pelaksanaan analisis
seismik data
yang dibutuhkan adalah sebagai berikut : Tabel 4.2 Data
Seismik
Keterangan : - Data struktur dan data lingkungan
merupakan data fiktif.
Dalam analisa dinamis akibat pengaruh gempa ini tergantung pada
faktor-faktor :
1. Frekuensi natural dari struktur 2. Tipe tanah
Frekuensi natural diperoleh dari hasil pemodelan struktur
menggunakan bantuan perangkat lunak SACS 5.2, menghasilkan data
berupa frekuensi dan periode natural dari struktur.
Setelah mengetahui tipe tanah dan periode natural, maka dapat
dihitung Spectral velocity, Spectral displacement dan Spectral
acceleration.
Perhitungan dilakukan dengan bantuan grafik Normalized respons
spectrum API RP 2A.
Dimana , SA = Spectral Acceleration SV = T/2pi SA (Spectral
Velocity) SD = T2/4 pi2 SA (Spectral Displacement)
Dengan mengetahui respon spektrum maka dapat diketahui gerakan
tanah untuk memperoleh respon secara umum dari struktur. Respon
kemudian akan dianalisa dengan model analitis.
Perhitungan atau analisa dinamis akibat gempa pada tiap model
dilakukan secara otomatis menggunakan perangkat lunak SACS 5.2
dengan metode CQC (Complete Quadratic Combination) Response
Spectrum. Dari data seismik di atas dan dengan mengacu pada kurva
Elastic Response Spectrum API RP 2A tahun 2002, maka dibuat kurva
spektrum respon yang baru baik untuk Horizontal maupun Vertical
Effective Ground Motion. Struktur jacket dianalisa dengan
menggunakan perangkat lunak SACS 5.2 dengan pembebanan gempa bumi
berdasarkan catatan gerak dari gempa bumi (akselerogram), maka akan
menyebabkan tegangan dan lendutan yang lebih besar pada berbagai
komponen kritis struktur daripada semua beban gabungan lainnya.
Aspek yang paling penting dari gerak bumi akibat gempa bumi adalah
pengaruh yang akan ditimbulkannya terhadap struktur, yaitu tegangan
dan deformasi atau jumlah kerusakan yang akan terjadi.
Di dalam pembebanan ini yang terpenting adalah menetapkan
karakteristik gerak tanah dari gempa bumi rancangan gempa bumi
maksimum yang mungkin terjadi, untuk tugas rancang ini berdasarkan
data yang telah ditentukan, dengan acuan spectrum rancangan API-RP
2A tahun 2002.
Dengan menggunakan data seismik yang telah ada (Tabel 4.2 Data
Seismik) maka dapat dicari nilai spectrum rancangan dengan acuan
dari respons spektra pada Normalized respons spectrum API RP 2A .
Dari data rancangan seismik dan dengan memasukkan harga damping
ratio 2 % dan jumlah mode shape sebanyak 10 serta memasukkan tipe
tanah yang mempengaruhi struktur yaitu tipe A maka dihasilkan
spektrum rancangan yang nantinya dimasukkan ke dalam perangkat
lunak SACS 5.2 sebagai beban gempa yang dapat berupa spectrum
percepatan (SA) , kecepatan (SV) dan Displacement (SD) dengan
effective 0.125 sebagai berikut ini :
-
9
Dengan tipe tanah A dan besar periode natural dari struktur,
maka dapat dihitung spectral acceleration (Kurva Response
Spectra-API RP2A).
IV.4 Pemodelan Fatigue (Kelelahan) IV.4.1 Gelombang Kedalaman
perairan (LWL) = 131 ft Kondisi Operasi
Hmax = 16 ft T = 21detik
Kondisi Badai Hmax = 20 ft T = 10 detik
Dalam desain digunakan gelombang kondisi badai dimana kondisi
maksimum terjadi. Selain itu juga digunakan kondisi gelombang
operasional.
Teori gelombang ditentukan dari grafik Region of Validity API RP
2A-WSD dengan parameter-parameter berikut :
028,02
=
gTd
008,02
=
gTH
Dari parameter tersebut didapat bahwa teori gelombang yang
digunakan adalah Stokes Orde 5.
IV.4.2 Arus Kondisi Operasi Kecepatan Arus (permukaan) = 1.2
knot Kecepatan Arus (dasar laut) = 0.2 knot Kondisi Badai Kecepatan
Arus (permukaan) = 2.1 knot Kecepatan Arus (dasar laut) = 1.6
knot
Dari data jacket dan lingkungan serta beban deck yang te;ah
ditentukan, dimasukkan ke dalam software SACS 5.2. Data lingkungan
beserta data beban perlu diperhitungkan, karena pemodelan SACS 5.2
dimaksudkan untuk mewakili gambaran kondisi sesungguhnya di
lapangan. Dimana kondisi pada lapangan, beban yang bekerja adalah
berat sendiri beserta dengan seluruh beban ruangan dan beban
gelombang dimana struktur tersebut diletakkan.
Setelah semua data di atas dimasukkan, maka ditambahkan pula
data berupa beban gelombang berulang yang didapat dari data yang
telah ditentukan. Berikut ini adalah data gelombang berulang :
Tabel 4.3 Tabel Number of Wave Occurrances
Keterangan : - Data struktur dan data lingkungan
merupakan data fiktif. Setelah data beban gelombang berulang
tersebut dimasukkan ke dalam software, maka langkah selanjutnya
adalah menganalisis kondisi struktur jika dikenai beban kombinasi
yang berasal dari beban sendiri yaitu berat jacket, deck beserta
beban lingkungan dan beban gelombang yang berulang.
BAB V ANALISIS STRUKTUR
V.1 Analisis Seismik V.1.1 Urutan Analisis Seismik SACS 5.2 1.
Masukkan input data seismik : (dalam satu folder) - dyninp - DYRINP
- DYNMOD - DYNMAS Masukkan Data struktur :
- Jacket (Edit notepad/wordpad, dan pastikan beban yang bekerja
hanya beban Deck).
2. Running Static Analysis, Analysys Static Linear dari data
struktur yang telah dibuat, Jacket.
sehingga muncul file : - SACCF.DEMO05B
-
10
- SEAOCI.DEMO05B, dll. 3. Running Dynamic Analysis, Earthquake :
- Masukkan data lingkungan, DYRINP - Masukkan data Mode Shape,
DYNMOD - Masukkan data Mass, DYNMAS - Masukkan file
SACCF.DEMO05B
4. FINISH
Dalam analisis dinamis akibat pengaruh gempa ini tergantung pada
faktor-faktor :
1. Frekuensi natural dari struktur 2. Tipe tanah
Frekuensi natural diperoleh dari hasil pemodelan struktur
menggunakan bantuan perangkat lunak SACS 5.2, menghasilkan data
berupa frekuensi dan periode natural dari struktur.
Tabel 5.1 Output analisis seismik (Periode dan frekuensi
natural)
Mode No Periode (sec) Frekuensi (Cyc/Sec) 1 0.14039 7.12290 2
0.14407 6.94100 3 0.15548 6.43150 4 0.17348 5.76420 5 0.19001
5.26300 6 0.23629 4.23200 7 0.30361 3.29370 8 0.32423 3.08420 9
0.75460 1.32520 10 0.78272 1.27760
Hasil dari analisis seismik berupa frekuensi natural dapat
dilihat secara lengkap pada lampiran 2 (Seismic analysis Running)
pada bagian responses for CQC method in X, Y, atau Z direction.
Setelah mengetahui tipe tanah dan periode natural, maka dapat
dihitung Spectral velocity, Spectral displacement dan Spectral
acceleration.
Perhitungan dilakukan dengan bantuan grafik Normalized respons
spectrum API RP 2A
Dengan, SA = Spectral Acceleration SV = T/2pi SA (Spectral
Velocity) SD = T2/4 pi2SA (Spectral Displacement)
Dengan mengetahui respon Spektrum maka dapat diketahui gerakan
tanah untuk memperoleh respon secara umum dari struktur. Respon
kemudian akan dianalisis dengan model analitis.
Perhitungan atau analisis dinamis akibat gempa pada tiap model
dilakukan secara otomatis menggunakan perangkat lunak SACS 5.2
dengan metode CQC (Complete Quadratic Combination) Response
Spectrum. Dari data seismik di atas dan dengan mengacu pada kurva
Elastic Response Spectrum API RP 2A tahun 2002, maka dibuat kurva
spektrum respon yang baru baik untuk Horizontal maupun Vertical
Effective Ground Motion.
Struktur jacket dianalisis dengan menggunakan perangkat lunak
SACS dengan pembebanan gempa bumi berdasarkan catatan gerak dari
gempa bumi (akselerogram), maka akan menyebabkan tegangan dan
lendutan yang lebih besar pada berbagai komponen kritis struktur
daripada semua beban gabungan lainnya. Aspek yang paling penting
dari gerak bumi akibat gempa bumi adalah pengaruh yang akan
ditimbulkannya terhadap struktur, yaitu tegangan dan deformasi atau
jumlah kerusakan yang akan terjadi.
Di dalam pembebanan ini yang terpenting adalah menetapkan
karakteristik gerak tanah dari gempa bumi rancangan gempa bumi
maksimum yang mungkin terjadi, untuk tugas rancang ini berdasarkan
data yang telah ditentukan, dengan acuan spectrum rancangan API-RP
2A tahun 2002.
Dengan menggunakan data seismik yang telah ada (Tabel 4.1 Data
Seismik) maka dapat dicari nilai spectrum rancangan dengan acuan
dari respons spektra pada Normalized respons spectrum API RP 2A .
Dari data rancangan seismik dan dengan memasukkan harga damping
ratio 2 % dan jumlah mode shape sebanyak 10 serta memasukkan tipe
tanah yang mempengaruhi struktur yaitu tipe A maka dihasilkan
spectrum rancangan yang nantinya dimasukkan ke dalam perangkat
lunak SACS sebagai beban gempa yang dapat berupa spectrum
percepatan (SA) , kecepatan (SV) dan displacement (SD) dengan
effective groundnya 0.125 g sebagai berikut ini :
Dengan tipe tanah A dan besar periode natural dari struktur,
maka dapat dihitung spectral acceleration (Kurva Respons
Spectra-API RP 2A).
-
11
Gambar 5.1 Output analisis seismik (Periode dan Normalized
Acceleration)
Gambar 5.1 di atas merupakan hasil dari analisa seismik yang
berupa periode natural dan normalize acceleration. Dimana,
normalize acceleration = SA/G.
Untuk mencari nilai spectral acceleration (SA), maka periode
pada Tabel 5.1 dipotongkan dengan kurva normalize spectra di atas
untuk ditarik garis menuju normalize acceleration (SA/G). Setelah
nilai SA/G didapatkan, maka untuk perhitungan selanjutnya, nilai
SA/G dikalikan dengan besarnya 0.125 g yang merupakan data seismik
yang telah diberikan pada perencanaan struktur jacket.
Tabel 5.2 Plotting periode natural dan normalize
acceleration
T SA/G 0.78272 1.03333 0.75460 1.09200 0.32423 2.56000 0.30361
2.56000 0.23629 2.56000 0.19001 2.56000 0.17348 2.56000 0.15548
2.56000 0.14407 2.56000 0.14039 2.56000
Tabel 5.3 Periode natural dan spectral acceleration
T SA 0.78272 1.26712 0.75460 1.33907 0.32423 3.13920 0.30361
3.13920 0.23629 3.13920 0.19001 3.13920 0.17348 3.13920 0.15548
3.13920 0.14407 3.13920 0.14039 3.13920
Kurva respon spektra tersebut digunakan untuk struktur dengan
modal damping sebesar 2%. Hal ini didasarkan atas data yang telah
ditetapkan sebelumnya.
Tabel 5.4 Nilai Accelaration, Velocity, Displacement dari
spectra curve
No. T SA SV SD 1 0.78272 1.26712 0.15785 0.01966 2 0.75460
1.33907 0.16082 0.01931 3 0.32423 3.13920 0.16199 0.00836 4 0.30361
3.13920 0.15169 0.00733 5 0.23629 3.13920 0.11806 0.00444 6 0.19001
3.13920 0.09493 0.00287 7 0.17348 3.13920 0.08668 0.00239 8 0.15548
3.13920 0.07768 0.00192 9 0.14407 3.13920 0.07198 0.00165
10 0.14039 3.13920 0.07014 0.00157
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Sp
ect
ral
Acc
ele
rati
on
(SA)
Periode (T)
Grafik Spectra Acceleration
Terhadap Periode
-
12
Gambar 5.2 Kurva Spektrum Respons
Perhitungan atau analisis dinamis akibat gempa pada model
dilakukan secara otomatis menggunakan perangkat lunak SACS dengan
metode CQC (Complete Quadratic Combination) Response Spectrum.
Kemudian analisis seismik (CQC) dikombinasikan dengan beban static
sebagai berikut:
a. Kondisi pembebanan 1 : merupakan kombinasi antara beban
statik (live + dead load) dengan beban dinamis, yang mana beban
aksial diasumsikan sebagai tensile.
b. Kondisi pembebanan 2 : merupakan kombinasi antara beban
statik (live + dead load) dengan beban dinamis, yang mana beban
aksial diasumsikan sebagai compresive.
V.1.2 Hasil Perhitungan Analisis Seismik SACS 5.2
Hasil perhitungan SACS untuk analisis Seismik adalah sebagai
berukut :
1. Massa total struktur Dari hasil pemodelan dapat diketahui
massa
struktur secara keseluruhan (massa total) seperti terlihat dalam
tabel berikut :
Tabel 5.5 Massa total
Keterangan FORCE (Lb)
X Y Z
Massa total 8497.907 8647.271 8310.334
Keterangan : Massa total = Massa struktur Massa total struktur
didapatkan dari
hasil analisis seismik yang secara lengkap dapat dilihat pada
lampiran 2 (Seismic Analysis Running) pada bagian total mass.
2. Reaksi Tumpuan (Support Reaction) Reaksi tumpuan yang terjadi
pada struktur jacket akibat beban kombinasi adalah sebagai berikut
:
Tabel 5.6 Reaksi tumpuan
Dari data diatas dapat diketahui bahwa reaksi tumpuan terbesar
terdapat pada joint 6A pada arah Z sebesar 717,545 Kips. Untuk
perhtiungan momen maksimim, terdapat pada joint 6B pada arah X
sebesar -166,462 Ft-Kips.
Untuk dapat melihat hasil secara lengkap perhitungan reaksi dan
momen pada masing-masing joint, dapat dilihat pada lampiran 2
(Seismic Analysis Running) pada bagian reaction forces and
moments
3. Joint Displacement Maksimum : Joint displacement maksimum
untuk struktur Jacket adalah sebagai berikut :
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Sp
ect
ra V
elo
city
(S
V)
Periode (T)
Grafik Spectra Velocity Terhadap
Periode
0.00
0.03
0.06
0.09
0.12
0.15
0.0 0.5 1.0
Sp
ect
ra D
isp
lace
me
nt
(SD)
Periode (T)
Grafik Spectra Displacement
Terhadap Periode
Joint Force (Kips) Moment (Ft-Kips)
X Y Z X Y Z
6A 50,750 54,261 717,545 160,53 21,695 -6,889
6B -48,540 60,691 707,819 -166,462 23,112 -4,025
6C -46,912 -36,154 618,195 -89,630 -47,496 -13,198
6D 42,204 -43,419 659,688 95,606 -63,352 -13,708
-
13
Tabel 5.7 Maximum joint displacement
Dari hasil analisa di atas, didapatkan maximum joint
displacement pada masing-masing arah X, Y, dan Z. Untuk hasil
analisisnya yang lebih lengkap, dapat dilihat pada lampiran 2
(Seismic Analysis Running) pada bagian joint deflections and
rotations.
4. Unity check Maksimum : Unity check adalah Critical condition
stress dibagi Maximum condition stress. Menurut API RP 2A WSD suatu
struktur dikatakan aman jika struktur tersebut mempunyai unity
check < 1.0. Unity check maksimum struktur Jacket adalah sebagai
berikut :
Tabel 5.8 Maximum Unity Check
JOINT MEMBER UNITY CHECK LC
1G 2-3H (HB) 0.918 1 1J 3-3J (HB) 0.847 1 3I 1H-1I (HB) 0.792
1
Dari hasil analisis di atas, dapat diketahui 3 joint paling
kritis, yaitu joint IG, IJ, dan 3I, dengan detail perhitungan
sebagai berikut :
Joint IG adalah titik pertermuan antara member 2 dan 3H yang
merupakan horizontal brace dengan unity check 0.918. - Critical
condition stress
: 19.82 ksi - Allowable stress
: 21.6 ksi - UC (Unity check)
: 0.918
Joint IJ adalah titik pertermuan antara member 3 dan 3J yang
merupakan horizontal brace dengan unity check 0.847. - Critical
condition stress
: 18.29 ksi
- Allowable stress : 21.6 ksi
- UC (Unity check) : 0.847
Joint 3I adalah titik pertermuan antara member 1H dan 1I yang
merupakan horizontal brace dengan unity check 0.792. - Critical
condition stress
: 17.11 ksi - Allowable stress
: 21.6 ksi - UC (Unity check)
: 0.792
Gambar 5.3 Letak 3 joint kritis
Untuk perhitungan lebih lengkap dan detail mengenai UC (Unity
check) masing-masing joint pada struktur jacket, dapat dilihat pada
lampiran 2 (Seismic Analysis Running) pada bagian Load through
chord report.
1G 1J 3I
-
14
5. Member Stress Control Untuk contoh perhitungan kontrol
tegangan pada member, maka diambil contoh perhitungan pada member 2
1G, dimana joint 1G mempunyai unity check terbesar, yaitu
0.918.
- Joint : 1G - Member : 2 3H - Panjang : 13.33 feet
= 159.96 inch - OD (Outer Diameter) : 22 inch - Tebal Member (t)
: 0.5 inch - Fy : 36 ksi - E (Modulus Elastisitas) : 29,000 ksi - K
(Faktor panjang efektif) : 1
- A (Luas permukaan) : * pi * (22 - 21) : 33.372 inch member :
490 lb/ft : 0.28356 lb/in
Mencari momen inersia - Jari-jari luar (R1) : 11 inch -
Jari-jari dalam (R2) : 10.5 inch - = member : 0.28356 lb/in - tebal
: 0.5 inch - dm : .dV : .2pir.dr.t : .2pit.r.dt - m : pi. . t (R1 -
R2) : 3.14*0.28356*0.5(11-10.5) : 4.7882 lb
I (Momen Inersia) :
: 2. pi. . t
: * pi. . t (R14-R24)
: * pi. . t (R12-R22)( R12+R22) : * m * ( R12+R22) : * 4.7882 *
(112 + 10.52) : 553.637 in4
r (jari-jari girasi) : / : 10.75 inch
Dari API RP 2A WSD 2000 Axial tension stress : Berdasarkan hasil
perhitungan SACS 5.2, nilai axial tension stress pada member 2-1G
adalah, ft = 19.82 ksi Berdasarkan API RP 2A WSD 2000 pasal 3.2.1,
besar tegangan aksial tarik ijin adalah, Ft = 0.6 fy Ft = 0.6 * 36
Ft = 21.6 ksi Sehingga, ft < Ft .........................
(memenuhi) Unity Check (ft / Ft) = 0.918
Axial compression stress : Berdasarkan hasil perhitungan SACS
5.2, nilai axial compression stress pada member 2-1G adalah, fa =
0.92 ksi
Berdasarkan API RP 2A WSD 2000 pasal 3.2.1, besar tegangan
aksial tekan ijin adalah,
Cc = 308.88
1
2
dm R
R
r
1
2
dr R
R
r
5.022
=
FyECc pi
5.02
36000,292
=
piCc
75.10)96.159(1x
RKL
=
88.14=R
KL
( )
3
3
2
2
88
3
35
21
Ccr
Kl
Ccr
Kl
FyCc
rKl
Fa
+
=
makaCcR
KL,
-
15
Fa = 21.343 ksi Sehingga, fa < Fa
...............................(memenuhi) Unity Check (fa / Fa) =
0.043
Bending Stress: Berdasarkan hasil perhitungan SACS 5.2,
didapatkan nilai bending stress terbesar terdapat pada member 2-1G,
yaitu : fb = 11.42 ksi
Tegangan bending ijin (API RP 2A WSD 2000 pasal 3.2.3),
Fb = 26.81865 ksi fb < Fb .(memenuhi)
Unity Check (fb / Fb) = 0.426
Dari perhitungan manual di atas, dapat disimpulkan bahwa pada
member 2-1G mengalami unity check maksimum pada tegangan tarik
aksial.
V.2 Analisis Fatigue (Kelelahan) V.2.1 Urutan Analisis Fatigue
SACS 5.2 1. Masukkan data Input Fatigue, ftginp. pada 1
folder. 2. Buat Notepad struktur + data lingkungan pada
8 arah. 3. Running Static Analysis, Linear Static
Analysis, pada masing-masing arah, sehingga muncul file :
- SACCF., dll
4. Buat folder baru untuk memindahkan hasil running static
analysis (SACCF) dan Input Fatigue (ftginp).
5. Running Post Processing, Fatigue Damage, dan masukkan secara
berurutan data ftginp, SACCF1, SACCF2, SACCF3, SACCF4, SACCF5,
SACCF6, SACCF7, SACCF8.
6. FINISH
Berdasarkan hasil perhitungan SACS 5.2, maka kita bisa dapatkan
3 joint paling kritis, yaitu :
Joint 1G Joint 1J Joint 3I
Dari hasil perhitungan SACS 5.2, kita mendapatkan data output
berupa tegangan aksial, Y-bending, dan Z-bending pada 3 joint
kritis tersebut. Dari gaya-gaya nominal tersebut, kita masukkan ke
dalam perhitungan HSS (Hot Spot Stress) yang didapatkan dari
perkalian gaya nominal dengan SCF. Nilai HSS adalah nilai tegangan
maksimum yang bekerja pada joint. Dari nilai HSS tersebut, kita
masukkan ke dalam kurva S-N untuk mendapatkan nilai N (cyclic).
Dari nilai N, dengan hukum Palmgren-Miner dapat ditentukan besarnya
kerusakan (D) dari tiap-tiap joint sehingga dapat ditentukan umur
kelelahan (tahun) dengan formulasi 1/D untuk masing-masing variasi
tinggi dan periode gelombang serta arah pembebanan. V.2.2 Hasil
Perhitungan Analisis Fatigue
SACS 5.2 Berikut ini adalah hasil akhir
perhitungan umur kelelahan pada 3 joint kritis untuk setiap arah
pembebanan dengan menggunakan program bantu SACS 5.2 :
Design Life : 10 tahun Safety Factor : 2 Total Life Ratio :
1,744
Dari hasil perhitungsn di atas, maka dapat diketahui bahwa umur
dari struktur jacket akibat fatigue adalah : : Design Life * Toatl
Life Ratio : 10 * 1,744 : 17,44 tahun. Untuk perhitungan
fatigue/kelelahan yang lebih lengkap dan detail, dapat dilihat pada
lampiran 3 (Fatigue Analysis Running).
( )
( ) ( )3
3
2
2
88.308888.14
88.308888.143
35
3688.3082
88.141
xx
xFa
+
=
445.0
22==
t
D
667.4136
15001500==fy
33.8336
30003000==fy
makafytD
fy ,30001500