ANALISA KEHANDALAN STRUKTUR JACK UP DI SELAT MAKASSAR

ANALISA KEHANDALAN STRUKTUR JACK UP DI SELAT MAKASSAR Endang Wahyuni 1 , Ricky Lukman Tawekal 2 dan Paramashanti 2 Program Studi Teknik Kelautan Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung, Jl Ganesha 10 Bandung 40132 1 [email protected] , [email protected] dan [email protected] Abstrak: Jack up drilling rigs adalah salah satu MODU ( Mobile Operation Drilling Unit) yang banyak digunakan untuk eksplorasi minyak dan gas pada instalasi jacket di perairan dangkal yang tidak memiliki kelengkapan fasilitas drilling. Faktor keamanan merupakan salah satu hal penting yang perlu dipertimbangan dalam perancangan struktur sebagai upaya untuk mengantisipasi terjadinya kegagalan selama umur layannya. Penelitian ini bertujuan untuk menghitung besarnya nilai kehandalan () struktur jack up dengan pendekatan LRFD , dimana analisanya dibatasi pada analisa statis dimana struktur akan menerima beban gravitasi dan beban lingkungan yang berupa beban gelombang. Dengan mengasumsikan bahwa jack up dalam kondisi elevated mode memiliki kekakuan yang sama dengan jacket maka untuk analisa kekuatannya akan didasarkan pada aturan API RP2A LRFD. Metode simulasi Monte Carlo dipilih sebagai metode untuk menentukan besarnya nilai kehandalan. Dari hasil analisa perhitungan dan simulasi didapatkan nilai Unity Check(UC) yang hanya dipengaruhi oleh kapasitas dan beban gravitasinya saja. Diperoleh besarnya nilai kehandalan() komponen jack up yaitu sebesar 21,4 . Hal ini menunjukkan bahwa jack up yang beroperasi selat Makassar memiliki kapasitas yang sangat besar dan sangat aman untuk bertahan di perairan tersebut. Kata kunci: jack up , LRFD, Unity Check, nilai kehandalan, simulasi monte carlo.

PENDAHULUAN Jack up drilling rigs adalah salah satu perangkat yang banyak digunakan untuk eksplorasi minyak dan gas pada instalasi jacket di perairan dangkal yang tidak memiliki fasilitas drilling yang memadai. Jack up merupakan salah satu jenis dari MODU ( Mobile Operation Drilling Unit) yang memiliki keunggulan mudah berpindah – pindah dari satu lokasi ke lokasi operasi yang lain (mobile) dan mampu mengatur posisi dan ketinggian badan serta kaki kakinya sesuai dengan moda operasinya, karena sifatnya tersebut jack up disebut juga sebagai Self Elevating Unit. Kedalaman operasi jack-up rig menjangkau dari 5m sampai dengan +200m dari dasar laut.

Hull

Gambar 1. Struktur jack up 3 kaki dan bagian- bagianya (sumber : BV self elevating unit strength 2014)

1

Unit jack up memiliki empat komponen utama yaitu badan ( hull), kaki – kaki ( legs ) yang menopang hull pada saat beroperasi, Jacking sistem dan pondasi. Salah satu jenis jack up yang digunakan pada eksplorasi minyak dan gas di Mahakam adalah tipe pacific Clas 375 dimana hull berbentuk menyerupai segitiga, legs yang terbuat dari sambungan pipa – pipa tubular dan pondasi dengan tipe spudcan. Seperti yang terlihat pada gambar 1. Dalam perancangan struktur ada beberapa faktor yang harus dipertimbangkan yaitu faktor keamanan dan faktor ekonomi. Karenanya analisa kehandalan terhadap struktur jack up perlu dilakukan untuk mendapatkan informasi yang akurat sebagai langkah antisipasi terjadinya kegagalan selama umur layannya. Pada proses desain dikenal dua metode yaitu metode Working Stress Design (WSD) dan Load Resistance Factor Design (LRFD). WSD adalah suatu metode penerapan faktor keamanan yang klasik, dimana faktor keamanan diterapkan pada sisi bebannya saja tanpa mempertimbangkan keragaman dalam tahanan dan efek bebannya. Sedangkan LRFD adalah suatu metode dimana faktor keamanan yang mengandung variabel keragamaman diterapkan dalam tahananan dan efek bebannya. Karenanya perancangan struktur yang menggunakan metode WSD akan memiliki nilai kehandalan yang tinggi apabila dibandingkan dengan LRFD. LRFD dianggap sebagai metode yang lebih konvensional apabila dibandingkan dengan WSD. Perhitungan dengan pendekatan LRFD merupakan salah satu metode dari penilaian resiko berbasis desain (Risk base design). Suatu stuktur dan sistemnya dianggap handal apabila mampu menjalankan fungsinya (tidak mengalami kegagalan) selama umur layannya. Nilai yang digunakan untuk mengukur besarnya kehandalan suatu struktur dan sistemnya disebut sebagai nilai kehandalan (). Dalam penilaian kehandalan dikenal konsep ”limit state” yaitu suatu keadaan batas yang menunjukkan performansi struktur antara yang diharapkan dan yang tidak diharapkan , hal ini dapat digunakan untuk menunjukkan pengertian kegagalan dalam analisa reliabilitas struktur. Penelitian terhadap nilai kehandalan dengan pendekatan LRFD terhadap struktur jacket dan jack up telah dilakukan oleh beberapa peneliti salah satunya adalah, A.C. Morandi, P.A. Frieze, M. Birkinshaw,D. Smith, A. Dixon yang meneliti tentang perbandingan sistem kekuatan dan kehandalan struktur jack-up dan jacket platforms yang beroperasi di North Sea. Hasil dari penelitian tersebut seperti yang terlihat pada tabel 3 dibawah ini akan dijadikan acuan untuk melakukan analisa kehandalan dalam penelitian ini Tabel 1 . Nilai Kehandalan struktur jack up dan jacket

sumber : jurnal A.C. Morandi, P.A. Frieze, M. Birkinshaw,D. Smith, A. Dixon

2

METODOLOGI Metodologi analisis dalam penelitian ini ditunjukkan pada diagram alir yang terlihat pada gambar 2 , MULAI

Data Gelombang

Data Geometri

Data Kapasitas Material

Data Beban Hidup

Data Beban Mati

Penentuan Parameter Statistik & Bentuk Distribusi Parameter Statistik & Bentuk Distribusi (ISO 19902)

Generate Data Gelombang

Analisis Ekstrim Gelombang Generate Data Acak

Permodelan Struktur

Analisa Kekuatan Struktur Deterministik

tidak UC < 1

Ubah Profil

ya

Analisa Kehandalan

Reability Index

SELESAI

Gambar 2. Diagram Alir Penelitian Langkah pertama yang dilakukan adalah mendefinisikan beban – beban yang bekerja pada struktur jack up. Dengan mengasumsikan bahwa pada jack up dalam kondisi elevated mode memiliki kekakuan yang sama dengan jacket sehingga untuk perhitungan kehandalannya akan didasarkan pada aturan API RP 2A LRFD. Beban yang dapat diterima oleh struktur anjungan lepas pantai menurut API RP 2A adalah sebagai berikut: beban mati ( dead load ) adalah berat struktur itu sendiri, semua perlengkapan yang permanen dan perlengkapan struktur yang tidak

3

berubah selama beroperasinya struktur tersebut , beban hidup ( live load) adalah beban yang mengenai struktur dan berubah selama operasi berlangsung, beban lingkungan yang mengenai struktur dikarenakan pengaruh lingkungan dimana struktur beroperasi seperti angin, arus, gelombang, gempa bumi, juga termasuk variasi tekanan hidrostatik dan gaya angkat pada setiap elemen karena perubahan tinggi air yang disebabkan oleh perubahan gelombang dan pasang surut, beban konstruksi dihasilkan dari beban-beban selama masa fabrikasi, loadout, ransportasi, dan instalasi, beban dinamik disebabkan oleh adanya gaya yang berulang-ulang seperti gelombang, angin, gempa bumi, getaran mesin, juga akibat gaya benturan kapal pada struktur dan pengeboran

Gambar 3.

Ilustrasi beban pada struktur jack up

sumber : MSL Engineering report for the Health and Safety Executive 2003

Langkah kedua melakukan pengecekan kekuatan struktur dengan melakukan analisa statis. Analisa statik ini dilakukan untuk mengetahui kekuatan struktur ketika menerima gaya-gaya yang diterima seperti dead load, live load, environmental load, appurtenances. Analisa statis inplace akan dilakukan dengan bantuan perangkat lunak SACS dimana besaran yang menjadi acuan dalam peninjauan kekuatan struktur pada analisis statik dan dinamik adalah besaran yang dikenal dengan sebutan unity check. Unity check (UC) pada analisis statik diambil sebagai perbandingan antara tegangan yang terjadi pada member akibat pembebanan, dengan nilai tegangan yang diijinkan sesuai aturan desain (allowable stress). Berdasarkan API RP 2A LRFD, desain kekuatan member harus memenuhi persyaratan sebagai berikut : a) Tarik aksial dimana : Fy = kuat leleh nominal ft = tegangan tarik aksial akibat beban terfaktor t = faktor tahanan untuk kuat tarik aksial = 0.85 b) Kolom bukling

4

(2) (3) (4) dimana :  = parameter kelangsingan kolom E = Modulus elastisitas K = faktor panjang efektif L = panjang r = radius girasi = c) Bending dimana : fb = M/S, tegangan lentur beban layan akibat beban terfaktor, M < Mp. Jika M >My, fb ekuivalen dengan tegangan tekuk lateral elastis. S = modulus penampang elastis M = momen lentur Mp = momen plastis My = momen leleh elastis b = faktor tahanan untuk kuat tekuk lateral = 0.85 Fbn = kekuatan bending nominal Z = modulus plastis penampang Untuk :

Untuk :

Untuk :

5

Perbedaan pembebanan untuk masing-masing kondisi disajikan sebagai berikut: kondisi operasi dead load + 100% live load + beban lingkungan kondisi operasi sedangkan untuk kondisi storm: Dead load + 75% live load + beban lingkungan kondisi storm Penilaian kekuatan struktur didasarkan pada metode LRFD, menurut API RP2A- LRFD 93, kombinasi beban-beban terfaktor adalah sebagai berikut : Beban Gravitasi Terfaktor Setiap member, sambungan dan komponen pondasi harus dicek kekuatannya berdasarkan gaya dalam (Q) yang disebabkan oleh faktor berikut : Q = 1.3D1 + 1.3D2 + 1.5L1 + 1.5L2 (9) Beban gelombang, angin, dan arus : a) Kondisi Ekstrim Setiap batang, sambungan, dan komponen pondasi harus dicek kekuatannya berdasarkan gaya dalam Q yang dirumuskan sebagai berikut : Q = 1.1D1 + 1.1D2 + 1.1L1 + 1.35 We (10) Apabila gaya dalam akibat beban gravitasi melawan gaya yang disebabkan oleh angin, gelombang, dan arus maka persamaan di atas dapat dituliskan kembali sebagai berikut: Q = 0.9D1 + 0.9D2 + 0.8L1 + 1.35 We (11) b) Kondisi Operasional Pada kondisi operasional gaya dalam Q dapat dihitung melalui persamaan berikut: Q = 1.3D1+1.3D2+1.5L1+1.5L2+1.2 Wo (12) Dimana : D1 = dead load , berat struktur sendiri meliputi berat dari struktur, solid balast,berat dari peralatan yang permanen, gaya hidrostatik pada struktur dibawah garis air termasuk tekanan dari dalam/luar dan gaya buoyancy. D2 = dead load , berat dari peralatan dan lainnya yang mungkin berubah pada tiap moda operasinya tetapi tetap konstan dalam periode yang lama. Seperti berat dari peralatan drilling & produksi,berat dari living quarter dan peralatan penyuportnya. L1 = live load, berat comsumable dan berat cairan dalam pipa & tangki L2 = live load, berat sementara yang diakibatkan karena pengoperasian,seperti lifting drill string, crane, mooring , pendaratan helicopter dll. Wo = beban yang dikenakan pada struktur akibat gaya kombinasi dari gelombang ekstrim (periode ulang 100th) , arus dan angin. We = beban akibat gelombang , arus dan angin pada saat moda operasi Langkah selanjutnya adalah menentukan besarnya nilai kehandalan dengan menggunakan metode simulasi monte carlo. Simulasi monte carlo dipilih karena dianggap paling sederhana untuk menyelesaikan masalah pada data acak yang tidak memiliki bentuk distribusi yang tidak sama. Simulasi ini akan dilakukan dengan 8 skenario berdasarkan 8 arah mata angin dan pada tiap scenario akan mensimulasikan 50 data acak dari beban dan kapasitas sehingga didapatnya 50 nilai UC, kemudian dicari total kegagalan yang terjadi (Pf). HASIL DAN PEMBAHASAN Data lingkungan ekstrim untuk perairan di selat Makasar ini diperoleh dari data medocean pada perairan di Sisi Nubi, adalah lokasi dimana struktur jack up yang akan dianalisa berada.

6

Tabel 2. Data Gelombang Seastate

H max (m) TH max (s) Hs (m) Ts (s)

100 years

Return Period 10 years

1 year

6.6 8.7 3.5 6.5

5.1 7.9 2.7 6.0

3.3 6.8 1.8 5.1

Prevailing Direction S S

Data geometri dan parameter desain dari Unit jack up rig tersebut adalah : Tabel 3 Data Ukuran Utama Principal particulars Hull length (m) Hull breath (m) Hull depth (m) Leg length (m) Accomodatin (man) Drilling depth (ft)

69.82 67.66 9.65 156 120 30

Struktur Jack up dimodelkan dengan bantuan software SACS , untuk global analisys , dalam penelitian ini jack up digunakan Equivalent 3–stick model , merujuk pada aturan SNAME T&R 5-5A dimana : ekivalen model untuk legs dan koneksi pada hull/legs , hull dimodelkan dengan balok yang memiliki kekakuan yang setara dan spudcan dimodelkan dengan sebagai sambungan yang rigid pada legs. Spudcan diasumsikan sebagai pin joint. Arah pembebanan untuk platform tiga kaki ( tripod) menurut API RP 2A adalah pada 12 arah

Load Label 1 2 - 13 WY WX ST LG SC EQ LT LL

Tabel 4. Jenis pembebanan untuk model jack up Keterangan Jenis Beban berat struktur beban gelombang (0o - 330o) beban angin Y beban angin X outfitting,pipa, listrik dan HVAC beban di legs beban di spuncan beban peralatan beban di tangki - tangki work over rig

D1 Wo / We Wo / We Wo / We D1 D1 D1 D2 L1 L2

7

Dalam penelitian ini hanya diperoleh data prosentase kejadian tinggi gelombang (H) sehingga perlu dilakukan suatu perhitungan untuk mendapatkan data gelombang deterministik. Dengan cara dari data prosentase kejadian gelombang perarah dicari jumlah kejadiannya per-arah, kemudian mengenerate data acak sebanyak jumlah kejadian tersebut, selanjutnya dilakukan fitting distribusi dengan pengujian Kolmogorov Sminorv( K-S Test) untuk menentukan bentuk teoritisnya. Dari hasil pengujian KS ini menunjukkan bahwa masing – masing arah memiliki distribusi yang berlainan. Dan distribusi yang dominan yaitu mengikuti bentuk distribusi lognormal. Sehingga untuk simulasi monte carlo tinggi gelombang akan digenerate dengan menggunakan bentuk distribusi lognormal. Sedangkan besarnya parameter statistik untuk tahanan dan gravity load merujuk pada parameter yang terdapat pada ISO 19902 Tabel.5 Parameter statistik untuk distribusi log Normal dalam Math Lab bound lower Upper

bound lower Upper

0.596

-0.552

-0.483

0.573

0.622

-1.165

0.498

-1.199

-1.131

0.475

0.523

E

-0.821

0.712

-0.861

-0.778

0.684

0.743

SE

-1.267

0.603

-1.324

-1.222

0.562

0.634

S

-0.691

0.668

-0.718

-0.663

0.649

0.688

SW

-1.142

0.522

-1.173

-1.111

0.501

0.545

W

-1.257

0.580

-1.322

-1.192

0.538

0.629

NW

-1.136

0.054

-1.218

-1.055

0.488

0.605

Arah

Log Normal

N

 -0.518

NE

σ

Tabel 6. Parameter statistik tahanan (resistance), ISO 19902 Parameter MC COV Distribution Yield strength ( fy )

1.1193

0.05

normal

Tabel.7 Parameter statistik beban gravitasi (gravity load ), ISO 19902 Load type Bias COV Distribution Dead load of structure ( D1)

1.0

0.06

normal

Dead load of fixed facility ( D2)

1.0

0.06

normal

Long-term live load (L1)

1.0

0.10

normal

Short-term live load (L2)

1.0

0.10

normal

Tabel 8. Parameter statistik resistance untuk mengenerate random data . MC COV   bound bound lower Upper lower Upper   1.1193 36 0.05 1.8 40.29 32.16 2.01 1.61

8

Tabel 9 Parameter statistik beban untuk mengenerate random data Beban

 (KN)

ST LEG SC EQ LL _operation LL _storm LT

34749 655 263 22946 33352 28910 14925

Jenis Pembebanan D1 D1 D1 D2 L2 L2 L1

COV

(KN)

0.06 0.06 0.06 0.06 0.10 0.10 0.10

2085 39 16 1377 3335 2891 1493

Dengan menggunakan parameter statistik yang ditampilkan pada tabel diatas dilakukan generate data acak sebanyak 50 data dengan menggunakan bantuan perangkat lunak MathLab. Simulasi monte carlo akan dijalankan oleh perangkat lunak SACS dan akan meninjau pada satu member yang memiliki nilai UC maksimum berdasarkan analisa inplace yang telah dilakukan sebelumnya, yaitu member CI1 (24J-7Y) yang merupakan bagian dari struktur leg. Dari hasil analisa inplace tersebut didapatkan 50 sebaran data UC untuk masing – masing arah yang ternyata untuk tiap arah yang berbeda memiliki sebaran data UC yang sama, sehingga keacakan gelombang untuk masing – masing arah tidak memberikan perubahan yang signifikan terhadap besarnya nilai UC. Dari hasil uji K-S Test sebaran nilai UC memiliki bentuk distribusi lognormal.

Gambar 4.6. Grafik PDF nilai UC Tabel 10. Parameter statistik populasi data nilai UC Data parameter statistic dari populasi nilai UC jumlah data (n) 50 0.4004 nilai rata – rata  0.0171 standard deviasi  0.0428 COV(X) = X 2 0.0018 X -0.9162 X 9

Suatu sistem dianggap gagal apabila (R,S) < 0 , dan probabilitas kegagalan (Pf) untuk distribusi lognormal didefinisikan sebagai berikut :

Menghitung besarnya probabilitas kegagalan (Pf) dari populasi nilai UC. Struktur dianggap gagal apabila memiliki nilai UC  1. Maka persamaan untuk probabilitas kegagalannya adalah :

Dimana :

= Cumulative Distribution Function (CDF) standard normal varibel

Dan besarnya nilai kehandalan untuk tiap – tiap arah untuk member CI1 akan sama yaitu sebesar 21.4

KESIMPULAN DAN SARAN Jack up adalah struktur yang mobile yang tidak didesain khusus untuk suatu lokasi tertentu, karena hanya bekerja untuk sementara waktu pada lokasi operasi. Jack up didesain dengan kondisi lingkungan yang paling ekstrim. Dari penelitian ini dapat diambil kesimpulan bahwa besarnya nilai UC hanya dipengaruhi oleh keacakan beban gravitasinya sedangkan keacakan beban gelombangtidak memberikan perubahan nilai UC yang signifikan. Besarnya nilai kehandalan yang didapat sangat besar sekali yaitu, () komponen CI1 = 21.4 apabila dibandingkan dengan penelitian [4] yang menunjukkan besarnya nilai kehandalan ( ) untuk komponen = 3.29 . Nilai kehandalan yang diperoleh dalam tesis ini menunjukkan bahwa jack up yang beroperasi di Indonesia memiliki kapasitas yang sangat besar dan sangat aman untuk bertahan di perairan selat Makassar. Perlu adanya penelitian lebih lanjut untuk mendapatkan hasil analisa kehandalan yang lebih akurat dengan menggunakan model dengan ukuran dan data lingkungan yang detail. Dapat dicoba dengan metoda perhitungan analisa kehandalan yang lain seperti metode FORM , FOSM , SORM .

10

DAFTAR PUSTAKA SNAME. T&R Bulletin 5-5A. Site Specific Assessment of Mobile Jack-up Units. TheSociety of Naval Architects and Marine Engineers. 2002. American Petroleum Institute. API RP 2A LRFD, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms –Load Resistance Factor Design. 1993 American Petroleum Institute. API RP 2A WSD, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms -Working Stress Design. 2000 Nelson J. Cossa, Narayanan S. Potty, Arazi B. Idrus, Mohd Foad Abdul Hamid and Zafarullah Nizamani. Reliability Analysis of Jacket Platforms in Malaysia-Environmental Load Factors. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology 4(19): 3544-3551, 2012 ISSN: 2040-7467 © Maxwell Scientific Organization, 2012 A.C. Morandi, P.A. Frieze, M. Birkinshaw,D. Smith, A. Dixon. Jack-up and jacket platforms: a comparison of system strength and reliability. Marine Structures 12 : 311-325. Elsevier, 2001. Ricky L. Tawekal. Studi Perbandingan Metoda WSD dan LRFD Dalam Analisa Struktur Anjungan Lepas pantai. Media Komunikasi Teknik Sipil, Volume 12, Edisi XXIX Juli 2004. Ricky L. Tawekal.Perhitungan Faktor Beabn Gaya Lingkungan Untuk Analisa Struktur Anjungan Lepas Pantai Dengan Metoda LRFD. Media Komunikasi Teknik Sipil, Volume 12, Edisi XXX Oktober 2004. A.C. Morandi, P.A. Frieze, M. Birkinshaw,D. Smith, A. Dixon. Fixed and Jack-up Platforms: Basis for Reliability Assessment. Marine Structures 12 : 263-284. Elsevier, 1997. Idrus, A.B., N.S. Potty, M.F. Hamid, N.J. Cossa and Z. Nizamani, Resistance Parameters Statistics for Jacket Platforms in Offshore Malaysia. International Offshore and Polar Engineering Conference Maui, ISOPE, Hawai, pp: 226-232. 2011. Achintya Haldar, Sankaran Mahadeva. Probability Reability and Statistical Methods in Engineering Design. John Wiley&Son Inc.2000 Chakrabarti, S.K., Hydrodynamics of Offshore Structures. WIT Press, ISBN: 9780905451664. 1987.

11