49

BAB III PROSEDUR PEMODELAN

DAN ANALISA DENGAN ORCAFLEX

Analisis terhadap sebuah struktur bangunan dengan menggunakan perangkat

lunak (software) memerlukan pemahaman atas perangkat lunak tersebut. Dimana

kita perlu memahami teori dasar yang dipakai dan parameter data yang diperlukan

sebagai input data pada software tersebut. Analisis sebuah struktur terapung

diawali dengan pengumpulan parameter data yang diperlukan, kemudian

melakukan pemodelan terhadap konstruksi yang direncanakan. Pemodelan

terhadap struktur terapung dengan mengunaan Orcaflex dilakukan dengan

melakukan :

Pemodelan struktur

Pemodelan terhadap struktur yang akan dianalisa dilakukan dengan

membuat suatu model sesuai tipe struktur yang direncanakan.

Struktur terapung bagian atas dapat berupa FPSO, Semi submersible

atau lainnya. Sedangkan struktur penopang dapat berupa mooring

line berikut riser. Pemodelan dapat dilakukan secara dicoupled

dimana struktur mooring dan riser dianalisis secara terpisah atau

secara coupled dimana pemodelan dibuat secara keseluruhan dan

lebih kompleks.

Pemodelan kondisi lingkungan

Pemodelan kondisi lingkungan dilakukan dengan memodelkan

kondisi lingkungan laut sekitar struktur dengan menetapkan

parameter –parameter lingkungannya seperti batas permukaan, batas

dasar laut (seabed), data gelombang, arus dan sebagainya.

Jika kedua pemodelan tersebut diatas telah dilakukan maka kita dapat menetapkan

tipe analisa struktur terhadap model yang telah dibuat. Analisa terhadap perilaku

bangunan lepas pantai dalam menerima pengaruh dari beban bekerja pada

struktur. Analisa dapat dapat dilakukan melalui cara :

50

XY

Z20 mOrcaFlex 8.4a9: A06 Steep S Riser.dat (modified 2:00 PM on 3/22/2000 by OrcaFlex 8.0a7) (azimuth=280; elevation=-10) Reset

a. Analisis statis merupakan analisis terhadap kemampulayanan model

dalam menerima beban statis yang bekerja. Untuk mengevaluasi

kemampulayanan struktur tersebut dapat dilihat dengan memeriksa

tegangan pads elemen-elemen platform dibandingkan dengan tegangan

yang diizinkan.

b. Analisis dinamis adalah analisis yang dilakukan berdasarkan pergerakan

model dalam kurun waktu tertentu. Analisa ini dilakukan untuk

mengetahui kekuatan struktur dalam menerima gaya dari berbagai arch

dan besar gaya. Seperti halnya analisa statis, analisa dinamis juga

memeriksa tegangan yang terjadi pada elemen-elemen struktur.

Berikut adalah ilustrasi sebuah pemodelan struktur dengan menggunakan

Orcaflex

Gambar III.1. Ilustrasi pemodelan struktur dalam Orcaflex

III.1. Pendahuluan mengenai Program Orcaflex

Orcaflex merupakan sebuah program pemodelan dinamis untuk analisa

statis maupun dinamis flexible pipeline/riser maupun cable system pada

konstruksi terapung di laut. Orcaflex biasanya digunakan pada industri

offshore untuk analisa riser di unit produksi maupun tanker loading

buoys, pemasangan kabel bawah laut, instalasi alat-alat di dasar laut,

mooring untuk penelitian oseanografi dan lain-lain.

51

Pada dasarnya orcaflex merupakan program berdasarkan 3D non-linear finite

element, sehingga program ini dapat menganalisa perpindahan yang besar

pada struktur fleksibel seperti riser pun kabel mooring.

III.1.1 Sistem Koordinat

ORCAFLEX menggunakan suatu sistem koordinat GXYZ, dimana

G adalah titik pusat global dan GX,GY dan GZ adalah arah

koordinat global. Selain itu, terdapat pula sistem koordinat lokal

yang terdapat pada setiap objek yang terdapat pada model. Semua

sistem koordinat pada orcaflex menggunakan aturan tangan

kanan seperti yang terdapat pada gambar berikut:

Gambar III.2. Koordinat sistem (sumber: Orcaflex User

Manual. Ver.9.0a)

III.1.2 Konvensi Arah

Arah gelombang, arus maupun angin yang ditentukan dalam

ORCAFLEX mengikuti arah yang terdapat pads diagram

Cartesius, dimana arah positif mengikuti arah x dan y dari

koordinat global.

52

Gambar III .3 I lustrasi arah global

(sumber: Orcaflex User Manual. Ver.9.0a)

III.2. Analisa Static pada Orcaflex

Analisa statis dengan menggunakan Orcaflex memiliki dua tujuan, yaitu:

Untuk menentukan konfigurasi kesetimbangan dari sistem

berdasarkan berat sendiri, gaya apung, hydrodynamics drag dan lain-

lain.

Untuk menyediakan konfigurasi awal model untuk simulasi dinamis.

Pada umumnya, konfigurasi kesetimbangan statis adalah titik awal terbaik

untuk simulasi dinamis.

Kesetimbangan statis ditentukan dari satu atau lebih perhitungan iterasi

yang saling terkait. Pada permulaan perhitungan posisi awal vessel atau

3D-6D-buoy ditentukan dari data yang lalu menjadi data awal untuk posisi

akhir dari line yang berhubungan dengan vessel atau buoy tersebut.

Konfigurasi kesetimbangan setiap l ine yang diperhitungkan

menentukan gaya yang bekerja pada struktur lainnya. Output kesetimbangan

gaya-gaya yang bekerja pada vessel lalu dihitung dalam matriks kekakuan.dan

posisi baru untuk Vessel atau 6D-buoy dengan menggunakan metode Newton

Rhapson. Perhitungan ini berulang hingga mendapatkan konfigurasi vektor

gaya yang bernilai nol.

53

III.2.1 Analisa Statis Pada Line

Analisa statis pada line dianalisa dengan dua tahapan. Tahapan-tahapan

tersebut adalah:

Tahap 1

Tahap pertama pada analisa statis adalah menghitung konfigurasi line

yaitu posisi semua titik pada line. Tahap ini dapat dilakukan dengan

menggunakan beberapa metode yaitu: Catenary, Spline, Quick, atau

Prescribed.

a. Catenary Statics

Analisa dengan metode catenary adalah menghitung posisi

kesetimbangan pada line namun mengabaikan efek akibat lentur dan

kekakuan torsi pada line atau pada kedua ujungnya. Pada metode

catenary juga mengabaikan gaya kontak antara line dengan solid

shapes dalam model. Selain hal tersebut, metode catenary

menghitung semua efek lainnya seperti berat, gaya apung,

elastisitas aksial, drag, seabed touchdown dan friksi.

Karena efek kekakuan lentur tidak termasuk dalam metode

catenary posisi akhir yang didapatkan dari metode ini bukanlah

posisi kesetimbangan. Bila analisa full static disertakan dalam

penghitungan berikutnya efek lentur dan torsi tidak berpengaruh

secara signifikan pada struktur. Walaupun begitu posisi akhir

yang didapat dari metode catenary cukup mendekati posisi

kesetimbangan,. terutama jika kekakuan lentur bukan merupaka

faktor utama yang mempengaruhi struktur.

Algoritma metode Catenary merupakan algoritma yang baik dan

efisien jira digunakan pada kasus nyata, namun tidak dapat

menangani kasus pada line yang mengalami tekanan. Hal ini

disebabkan oleh kekakuan lentur yang diabaikan, sehingga tekanan

54

akan menyebabkan line mengalami tekuk (snack) dan ini bukan

merupakan solusi yang baik.

b. Spline Statics

Metode spline memberikan bentuk awal berdasarkan kurva spline

Bezier. Namun hasil ini bukanlah posisi kesetimbangan, oleh karena itu

penghitungan full statics perlu disertakan dalam analisa ini jika posisi

kesetimbangan perlu diketahui.

Kurva Bezier berfungsi sebagai titik-titik kontrol sehingga line akan

berusaha untuk mengikuti bentukan dari kurva Bezier.

c. Quick Statics

Metode ini mengabaikan banyak efek, diantaranya gaya apung, drag,

kelenturan, kekakuan torsi dan interaksi dengan seabed dan solid

shapes. Kenyataannya metode ini hanya diperbolehkan dalam kalkulasi

berat rata-rata line dan elastisitas aksial. Oleh karena itu untuk

mendapatkan posisi kesetimbangan harus disertai dengan penghitungan

full statics.

d. Prescribed Statics

Metode ini dibutuhkan dalam analisa instalasi tepatnya penegangan

riser. Metode ini menyediakan cara yang balk dalam menciptakan

line yang terbaring padaseabed sebagai posisi awal.

Tahap 2

Tahap kedua analisa adalah Full Statics yang merupakan tahap opsional

artinya bisa disertakan ataupun tidak. Bila analisa Full Statics disertakan

maka pada akhir penghitungan akan mendapatkan posisi kesetimbangan dari

line yang sebenarnya. Perhitungan dilakukan dengan cara iterasi, oleh

karena itu dibutuhkan titik awal yang mana titik awalnya ditentukan dari titik

yang didapatkan dari hasil analisa tahap 1. Namun jika analisa Full Statics

55

tidak disertakan maka pada line hanya akan didapatkan posisi yang

merupakam hasil analisa statis tahap1 dimana posisi ini belum tentu

merupakan posisi kesetimbangan yang sebenarnya.

Metode full statics melibatkan semua gaya yang bekerja pada

model struktur dalam Orcaflex, termasuk efek akibat kekakuan

lentur dan interaksi dengan shapes. Berbeda dengan catenary statics yang

mengalami beban kejut akibat diabaikannya kekakuan lentur dan interaksi

dengan shapes, adanya kedua efek ini dalam full statics menjadikan analisa

statik tidak mengalami beban kejut.

Full statics membutuhkan bentukan awal dari line, hal ini hanya

dapat didapatkan dari analisa statik pada tahap 1. Untuk kasus yang

memiliki interaksi dengan seabed atau dengan bagian line yang

memiliki gaya apung sebaiknya menggunakan metode catenary,

apabila line tidak memilikinya sebaiknya menggunakan metode quick.

Untuk line yang berinteraksi dengan shape metode spline merupakan analisa

yang paling tepat.

III.2.2 Analisa Statis Pada Buoy dan Vessel

Dalam analisa statis untuk penghitungan buoy atau vessel, terdapat dua opsi

yaitu:

Buoy dan vessel disertakan dalam analisa statis.

Dalam analisa ini buoy dan vessel ditentukan oleh Orcaflex posisi

kesetimbangannya dalam kesuluruhan sistem.

Buoy dan vessel tidak disertakan dalam analisa statis.

Dalam analisa ini posisi inisial buoy dan vessel merupakan posisi yang

digunakan untuk konfigurasi kestimbangan sistem.

56

III.2.3 Analisa Dinamis

Analisa dinamik menggunakan Orcaflex adalah analisa dengan menggunakan

simulasi model struktur untuk perioda waktu tertentu, yang dimulai dari posisi

kesetimbangan yang telah dianalisa pada analisa statis.

Perioda simulasi ditentukan dalam beberapa tahapan yang ditentukan dalam data.

Beragam aspek pengontrol dapat di set dalam setiap tahapan. Sebelum

tahapan utama Orcaflex menyediakan tahap build-up yaitu saat gelombang dan

pergerakan vessel dikembangkan dari kondisi nol menuju kondisi sebenarnya.

Cara ini memberikan awal yang balk di permulaan dan mengurangi perpindahan

(transient) yang dihasilkan pada analisa statis.

Analisa dinamis pads Orcaflex adalah simulasi pada domain waktu

yang menggunakan integrasi eksplisit euler dengan tahapan waktu yang

konstan yang ditentukan pada masukan data. Pada awal simulasi, posisi awal dan

orientasi seluruh objek pada model didapatkan dari hasil analisa statis. Gaya dan

momen yang bekerja pada setiap freebody dan node berasal dari:

berat sendiri

gaya apung

hydrodynamics drag

hydrodynamics added mass effect

Tegangan and gaya geser

Kelenturan dan torsi

Gaya kontak benda lain

Gaya akibat link dan winch

Persamaan gerak yang digunakan adalah persamaan Newton orde dua. Persamaan

ini berlaku pada setiap freebody dan setiap line node.

Mx” = F – Cx’ - Kx (3.1)

57

Dimana

M adalah matriks massa untuk benda tersebut

C adalah matriks redaman (damping)

K adalah matriks kekakuan

F adalah vektor gaya eksternal

x,x’,x” adalah posisi, kecepatan dan percepatan

Tahapan waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan integrasi yang stabil

haruslah sangat pendek. Gaya hidrodinamik umumnya sedikit berubah pada

interval waktu yang pendek. Waktu simulasi ditentukan berdasarkan built up time

pada awal simulasi. Selama built up time, amplitude gelombang dan

pergerakan vessel meningkat dari nol menuju amplitude penuh sesuai dengan

data yang disajikan.

III.2.4 Pemodelan Sistem

Untuk melakukan analisa terhadap suatu marine system, sebagai pemulaan kita

harus membuat suatu model matematis dari struktur dan kondisi lingkungan

sebenarnya.

III.2.4.1 Object Connections

Lines, links, winches, vessel, 3D buoy, 6D buoy dan shapes adalah objek

yang terdapat pada program ORCAFLEX untuk memodelkan suatu

struktur. Objek-objek diatas dapat dihubungkan antara satu dengan

lainnya. Pertama-tama yang perlu diperhatikan adalah

menghubungkan sebuah line dengan objek lain. Line memiliki dua

bush joint, masingmasing di kedua ujungnya, yang digambarkan

dengan segitiga pads ujuna A dan segi empat untuk ujung B.

Masing-masing joint ini dapat diset free atau dihubungkan dengan

vessel, 3D buoy, 6D buoy ataupun seabed. Ketika joint dihubungkan

dengan objek lain, maka ujung line akan mengikuti pergerakan dari objek

yang dihubungkan. Seperti halnya line, link dan winch jugs memiliki joint

58

di kedua ujungnya (winch dapat memilki joint tambahan di antara

kedua joint ujung) dan dapat dihubungkan dengan objek lainnya, namun

dengan beberapa pengecualian berikut:

Link dan winch tidak dapat diset free, harus selalu dihubungkan

dengan objek lain.

Joint pada link dan winch dapat dihubungkan dengan line seperti

menghubungkan dengan objek lainnya.

Shape memiliki satu bush joint yang dapat dihubungkan dengan vessel,

3D buoy, 6D buoy ataupun seabed.

III.2.4.2 Pemodelan Vessel

Vessel biasanya digunakan untuk memodelkan kapal, anjungan

terapung, FPSO, atau rigid body lainnya. Setiap vessel memiliki tipe

vessel yang mempunyai data RAO dan gambar yang spesifik. Setiap

vessel menggunakan aturan tangan kanan untuk sumbu lokal Vxyz.

dimana:

V adalah pusat sumbu lokal vessel

Vx, Vy dan Vz adalah arah untuk surge, sway dan heave.

Gambar III. 4 Sumbu Lokal Vessel (sumber: Orcaflex

UseManual.Ver.9.0a)

59

Titik-titik pada vessel seperti pada sambungan kabel atau riser

ditentukan relatif terhadap sumbu lokal vessel. Titik-titik ini akan

berpindah mengacu kepada sumbu lokal sedangkan rotasi mengacu ke

sumbu global.

a. Data Vessel

Pada bagian atas data vessel terdapat data untuk menentukan tipe

vessel, geometri, dan posisi awal. Selain itu juga terdapat tombol untuk

mengakses hasil respon vessel.

Gambar III. 5 Interface data Vessel (sumber: Orcaflex User

Manual.Ver.9.0a)

Sedangkan pada bagian bawah menampilkan beberapa bagian yang

menampilkan data-data lainnya. Pada bagian Calculation

terdapat beberapa metode analisa vessel yang dapat dipilih.

Berdasarkan metode analisa tadi barulah bagian lain pada data

dibawah ini ditentukan.

• Prescribed Motion

• Harmonic motion

• Time History

60

• Applied Loads

• Multiple statics

• Drawing

Vessel dapat disertakan dalam analisa statis untuk menghitung posisi

kesetimbangan namun dapat pula tidak disertakan sehingga menjadi

boundary condition untuk analisa statis sistem secara keseluruhan.

Analisa dinamis

Pergerakan vessel selama analisa dinamis dapat ditentukan melalui

berbagai cara. ORCAFLEX membedakan pergerakan motion

menjadi dua bagian yaitu primary motions dan superimposed

motions. Primary motions digunakan untuk steady atau

pergerakan dengan frekuensi rendah yang dialami vessel.

Sedangkan superimposed motions digunakan untuk pergerakan

dengan frekuensi yang lebih tinggi pada vessel.

Primary motions

Pergerakan ini menentukan primary position dari vessel. Hal ini dapat

dilakukan dengan beberapa cara di bawah ini:

None. Jika opsi ini yang dipilih maka tidak ada selama

analisa dinamis vessel akan tetap berada di posisi yang

ditentukan dalam analisa statik.

Prescribed. Jika opsi ini yang dipilih, vessel dapat bergerak ke

mana saja selama di permukaan air. Arah pergerakan maupun

kecepatan dari vessel dapat ditentukan.

Calculated. Dalam opsi ini ORCAFLEX menghitung beban

wave drift yang diakibatkan oleh beban lainnya.

Time History. Pads opsi ini pergerakan vessel diatur dalam data

pergerakan berdasarkan waktu.

61

Superimposed Motion

Pergerakan ini merupakan offset dari posisi yang dihasilkan dari

primary motions. Hal ini dapat dilakukan dengan beberapa cara di

bawah ini:

• None. Dalam opsi ini tidak terdapat offset sehingga posisi

vessel sama dengan posisi yang dihasilkan oleh primary

option.

• RAOs + Harmonic. Pada opsi ini vessel berosilasi

secara harmonik pada primary position. Gerakan harmonik

ini diakibatkan oleh dua hal. Pertama jika terdapat

gelombang dan vessel memiliki RAO, maka offset akan

terjadi akibat gerakan harmonik RAO yang ditimbulkan oleh

gelombang. Kedua, superimposed motion jugs dapat

ditentukan langsung melalui data.

• Time History. Pada opsi ini offset vessel diatur dalam

data pergerakan berdasarkan waktu.

b. Tipe Vessel

Setiap tipe vessel memiliki berbagai data yang

mendefinisikan karakteristik vessel tersebut. Dalam sebuah

pemodelan mungkin terdapat lebih dari satu vessel, oleh karena itu

faktor penamaan vessel menjadi penting. Ada kalanya vessel-vessel

tersebut memiliki karakteristik yang sama, sehingga data tipe vessel

yang digunakan cukup satu saja.

Data Tipe Vessel

Untuk setiap tipe vessel dapat dimasukkan beberpa draught

yang berbeda, hanya saja penamaannya perlu dibedakan.

Setiap modal vessel harus mencantumkan draught yang mans

yang digunakan. Beberapa data vessel berlaku untuk semua

draught namun sebagian besar data lainnya bergantung pada

62

draught. Berikut ini data-data yang terdapat dalam tipe vessel:

Geometri dan data gambar. Berlaku untuk semua draught.

Konvensi yang berlaku untuk arch RAO dan wave

drift. Berlaku untuk semua draught.

Data RAO. Berlaku secara terpisah untuk setiap draught.

Hidrodinamika dan wind drag. Berlaku secara terpisah untuk

setiap draught.

Data Wave drift. Berlaku secara terpisah untuk setiap

draught.

Data Inertia dan damping. Berlaku secara terpisah

untuk setiap draught.

Input data pada interface Type Vessel dan Geometri

Name :Melakukan penamaan pada vessel

Type :Menentukan tipe, vessel yang digunakan

Length :Menentukan panjang vessel

Initial position and orientation

:Data ini untuk menentukan posisi awal dan sudut vessel

terhadap sumbu global

Calculation data : Data ini untuk menentukan peghitungan

untuk analisa statis maupun dinamis

c. Pemodelan RAO dalam Orcaflex

Pergerakan vessel/ FPSO pada gelombang didefenisikan dengan

perpindahan Response Amplitude Operators (RAOs), dimana satu

derajat kebebasan tertentu untuk satu arah periode dan arah gelombang

tertentu. Dua nilai yaitu satu amplitude yang berhubungan dengan

63

amplitude gerakan vessel menjadi amplitude gelombang, dan fasa yang

didefinisikan sebagai waktu gerakan vessel yang berkaitan dengan

gelombang.

Terdapat beberapa konvensi berbeda untuk mendefenisikan RAOs.

Telah dicoba distandarisasikan tetapi tidak berhasil karena ada sedikit

perbedaan antara program computer dan model basin, beberapa pernah

dibuat konvensi yang berbeda untuk melaporkan model dan data

computer.

Konvensi yang digunakan Orcina adalah memakai amplitude respons

(dalam unit panjang untuk surge, sway, heave dan dalam derajat untuk

roll, pitc, yaw) per unit amplitude gelombang dan untuk memakai fasa

lag dari waktu puncak gelombang melewati titik awal RAO sampai

ekskursi positif maksimum dicapai (dalam kata lain titik awal fasa

berada pada titik origin RAO). Persamaan matematiknya :

( )φω −= taRx cos. (3.2)

dimana

x adalah perpindahan vessel

a, ω adalah amplitude gelombang ( dalam unit panjang) dan frekuensi (

rad/s)

t adalah waktu (detik)

R,φ adalah amplitudo RAO dan fasa

Dalam ORCAFLEX penentuan RAO menggunakan grafik amplitudo

dan fasa terhadap periods tertentu.

64

GambarIII.6 Contoh Kurva RAO amplitude(R) vs phase(φ) (sumber:

Orcaflex User Manual. Ver.9.0 a)

Grafik RAO menggunakan amplitudo pada sumbu-y dan periode pada

sumbu-x.

III.2.4.3 Pemodelan Line

Line adalah elemen linier yang fleksibel biasanya digunakan

untuk memodelkan kabel, hose, chain, Riser ataupun objek lain yang

menyerupainya. Line direpresentasikan dalam Orcaflex dengan

menggunakan model lumped mass. Oleh karena itu line terdiri dari

kumpulan segment dan titik nodal.

Karakteristik sebuah line dapat berbeda-beda, untuk line kontinu yang

memiliki karakteristik yang sama dapat dikelompokkan ke dalam

satu seksi.

65

Gambar I II .7 Line Model (sumber: Orcaflex User Manual. Ver. 9.0 a)

Data Line

Name : Melakukan penamaan pada Link

Include Torsion : Efek torsi pada line dapat disertakan ataupun

ditiadakan

Connections :Menentukan hubungan l ink dengan objek

la in

Object relative positon

: Menentukan posisi relatif line terhadap objek yang

dihubungkan.

Bending and Twisting Stiffness

: Menentukan kekakuan line terhadap bending

maupun twisting

Content : Menentukan berat jenis dan tekanan fluida yang

berada di dalam line

Section Length : Menentukan panjang line per seksi

Diameter : Menentukan diameter dalam dan luar line

66

III.2.4.4 Pemodelan Link

Link merupakan model tahanan berupa pegas sederhana atau

pegas/peredam yang menghubungkan dua titik pada mode l ,

misa lnya menghubungkan l ine dengan v esse l a tau

menghubungkan buoy dengan anchor. Link menahan kedua titik

tersebut dengan tegangan yang ditentukan.

Link tidak memiliki massa ataupun beban hidrodinamik. Link

sangat berguna untuk memodelkan wire dimana efek akibat massa dan

beban hidrodinamik sangat kecil sehingga dapat diabaikan

Gambar III. 8 Tipe Link (sumber: Orcaflex User Manual. Ver.9.0.a)

Tipe link ada dua yaitu:

Tethers

Ikatan elastis sederhana yang dapat menahan tarik namun tidak

dapat menahan tekan. Panjang dan kekakuan tether dapat

ditentukan. Tether tidak dapat menahan gaya-gaya yang bekerja

jika tether lebih panjang dari jarak kedua titik yang dihubungkan.

67

Spring/Dampers

Merupakan unit yang terdiri kombinasi pegas (spring) dan

peredam.(damper). Spring dapat menahan tekan maupun tarik dan

antara gaya – panjang merupakan hubungan linear.

Data Link

Name Melakukan penamaan pada Link

Type Menentukan jenis link (tethers atau spring)

Connections Menentukan hubungan link dengan objek lain

Unstretched Menentukan panjang Link Length

Stiffness Menentukan kekakuan link

Damping Menentukan besarnya damping pada link

III.2.5 Pemodelan Kondisi Lingkungan

III.2.5.1 Pemodelan Kondisi Perairan

Hal-hal yang perlu dimodelkan adalah:

Elevasi muka air

Viskositas kinematik fluida

Temperatur fluida

Variasi massa jenis air horizontal

Variasi massa jenis air vertikal

Massa jenis air

III.2.5.2 Pemodelan Kondisi Dasar Laut (Seabed)

Hal-hal yang perlu dimodelkan adalah:

Tipe permukaan dasar laut

68

Kedalaman

Kemiringan

Stifness

Damping

III.2.5.3 Pemodelan Kondisi Arus

Hal-hal yang perlu dimodelkan adalah:

Variasi arus secara horizontal

Variasi arus secara vertikal

Kecepatan arus

Arah arus

Kedalaman kerja arus

Koefisien kedalaman

III.2.5.4 Pemodelan Kondisi Angin

Hal-hal yang perlu dimodelkan adalah:

Massa jenis udara

Tipe kecepatan angin

Kecepatan angin

Arah angin

III.5.5 Pemodelan Kondisi Gelombang

Hal-hal yang perlu dimodelkan adalah:

Tipe analisa gelombang

Amplitude gelombang

Periode gelombang

Arah gelombang

69

III.2.6 Hasil pehitungan (Result)

III.2.6.1 Tipe Result

Hasil perhitungan analisa dengan Orcaflex dapat disajikan dalam bentuk tabel

teks (summary table, full result, offset tabele, statistic, linked statistic atau line

clashing repots) atau dalam bentuk grafik ( time histories, range garaph, XY

graphs atau spectral response graph).

III.2.6.2 Obyek (Object)

Yang dimaksud adalah obyek yang diinginkan untuk didapat hasil

perhitungannya.

Untuk lingkungan harus dispesifikasikan kordinat global X,Y,Z pada

titik yang diinginkan.

Untuk 6D Buoy yang dipasang wing, hasil hitungan untuk buoy dan

untuk ke.cepatan dan percepatan tiap wing dapat dipisah.

Untuk posisi hasil hitungan 6D buoy dan vessel, dilaporkan pada titik

di obyek . titik ini dispesifikasikan dalam koordinat lokal obyek.

Untuk line harus dispesifikasikan arc length sepanjang line.

III.2.6.3 Perioda

Untuk time histories, grafik X, Y dan range grafik dispesifikasikan periode

simulasi untuk dimasukan. Berikut ini satu tahapan simulasi, the Whole

Simulation, Specified period atau latest Wave ( hanya dijinkan jika gelombang

adalah regular). Nilai spesifikasi perioda dapat di set menjadi ‘∼’ (tak hingga)

yang diinterprestasikan sebagai waktu mulai simulasi dan waktu akhir

simulasi secara berturut – turut.

Untuk range graph peroida dapat merupakan static state atau instantaneous

value . Static state Period hanya diijinkan stelah perhitungan statics dan grafik

70

diperlihatkan sebgai suatu kurva nilai konfigurasi statik. Instantaneous value

periode diijinkan ketika simulasi telah dilakukan. Ini akan memperlihatkan

sebuah kurva nilai waktu simulasi instantaneous.

III2.6.4 Line result

Pada line result dibukukan effective tension, torque, clash force, solid contact

force, end force result dan vortex fortex result. Variable yang ada adalah wall

tension, Normalised tension, mean axial strain, max axial starin, Direct tensile

stress, von Mises Stress, ZZ stress.

Gambar III.9 Time history, Effective tension graph

(sumber: Orcaflex User Manual. Ver.9.0.a)

III.2.6.5 Statistik

Pelapotan statisitik (statistics report) menyediakan, untuk setiap variabel

statistik.

Nilai minimum dan maksimum dan waktu simulasi yang erjadi.

Nilai rata-rata dan standar deviasi.

Statistics ini dilaporkan untuk setiap periode simulasi. Jika Statistics by wave

period dipilih kemudian periodenya adalah periode gelombang berurutan.

71

III.2.6.6 Statistik Link

Tabel statistik Link berhubungan dengan sejumlah grup variable pada obyek.

Untuk variable grup tertentu dan periode tertentu dari simulasi, dengan

Orcaflex akan didapatkan nilai minimum dan maksimum tiap variable dan

dilaporkan angka ekstrim, waktu ketika terjadi dan nilai variable lainnya pada

waktu tersebut.

III.2.6.7 Lembar kerja (spreadsheets)

Hasil perhitungan numerik ditampilkan dalam format spreadsheet yang

kompatibel dan dapat dikspor kedalam file MS Excel.

III.3. Analisa Fatigue

III.3.1 Analisa fatigue

Analisa Kelelahan struktur (fatigue) dengan menggunakan Orcaflex

didasarkan pada simulasi gelombang regular atau irregular. Dengan

menggunakan result dari pre run-simulation files sebelumnya, kemudian

dihitung tegangan yang terjadi pada pipa dan kerusakan akibat kelelahan

struktur.(fatigue damage).

Ada tiga analisa fatigue dengan menggunakan orcaflex yaitu :

Analisa fatigue dengan menghitung gelombang regular

Analisa fatigue dengan menghitung gelombang

irregular dan menggunakan metoda penghitungan

rainflow cycle.

Analisa fatigue stochastic gelombang irregular dengan

metoda spectral.

72

Tahapan dalam melakukan analisa fatigue dengan Orcaflex

adalah

1. Melakukan set up dan menjalankan simulasi terhadap model struktur

dengan kasus pembebanan dari line yang akan dianalisa.

2. Buka fatigue analysis tool dan lakukan set up data . kemudian simpan

sebagai file analisa fatigue dengan ekstensi .ftg.

3. Check terhadap data yang error

4. Hitung tegangan dan damage pada pipa (line).

Ada tiga tipe analisa yang disajikan dalam Orcaflex yaitu :

Analisa Regular

Analisa regular didasarkan pada simulasi gelombang regular yang

mewakili kasus pembebanan yang terjadi. Untuk setiap kasus pembebanan

nilai damage yang terjadi dihitung berdasarkan pada siklus gelombang

terakhir dalam simulasi. Nilai damage diskalakan dalam spesifikasi

jumlah siklus yang terjadi selama umur struktur dan hal ini memberikan

nilai damage akibat kasus pembebanan secara keseluruhan.

Analisa Rainflow

Analisa rainflow didasarkan pada simulasi gelombang acak. Analisa ini

menggunakan teknik perhitungan berulang untuk memperinci setiap kasus

gelombang acak dalam suatu rangkaian sebagian siklus, kemudian hasil

damage dihitung menurut aturan Palmgren – Miner.

Analisa spectral

Analisa spectral menghitung damage dalam domain frekuensi dengan

metoda statistik. Metoda ini membutuhkan suatu fungsi kerapatan

spektrum daya (PSD) untuk variabel tegangan yang terinci. PSD ini

diperoleh dari simulasi perhitungan respon struktur. Simulasi ini

menghitung RAO untuk variabel tegangan kemudian dikombinasikan

dengan spectrum kasus pembebanan sehingga mengasilkan PSD untuk

73

tegangan. PSD ini dipakai untuk menghitung damage dengan memakai

formula Dirlik atau distribusi Rayleigh.

III.3.2 Data Kasus Beban (Load Case Data)

a. Load case data untuk analisa Regular

Number of Cycles : Jumlah siklus gelombang dari kondisi beban

sebenarnya yang akan terjadi pada line.

b. Load case data untuk analisa Rainflow

Simulation Period : Perioda dari pre run simulation file yang

mendefinisikan kasus beban.

Exposure Time : Jumlah total waktu dari sistem pada kasus

pembebanan

III.3.3 Analisa data

Pada bagian analisa data dalam Orcaflex berisi item diisi datanya, untuk

bagian yang akan dianalisa

Critical Damage.

Adalah suatu batasan kritis. Jika total kerusakan pada titik fatigue melampaui

batas kritis maka pada figure damage akan ditandai pada hasil perhitungan.

Number of Thetas

adalah jumlah theta (N) pada sekeliling lingkaran pipa pada bagian yang akan

dihitung analisa fatiguenya. Nilai N dapat dibagikan secara merata dengan

nilai 360° / N pada keliling pipa.

Arch Length Intervals

Pada line yang akan dianalisa, kita lakukan pembagian menjadi beberapa

bagian yang memiliki panjang tertentu. Dalam interface Orcaflex panjang

bagian tersebut adalah Arc Length Interval yang mana panjang bagian

74

ditentukan dengan From yaitu dari titik mana bagian tersebut dimulai dan To

yaitu bagian line tersebut berakhir.

Faktor Konsentrasi Tegangan (Stress Concentration Factor)

Saat maximum stress range dipakai dengan kurva S-N untuk menghitung

damage, maximum stress range tersebut diskalakan dulu dengan Stress

Concentration Factor. Jika tidak ada konsentrasi tegangan yang ditetapkan

dalam input maka SCF akan di set dalam Orcaflex dengan nilai 1.

Factor ini dapat dipakai pada situasi khusus, dimana asumsi line adalah

sebagai pipa sederhana dari material homogen tidak digunakan. Sebagai

contoh pada titik las tegangan yang terjadi akan lebih terkonsentrasi dari pada

bagian pipa lainnya dan kegagalan fatigue akan lebih mungkin terjadi pada

area seperti itu. Nilai SCF ditentukan 1.

III.3.4 Kurva S - N

S-N Curve adalah kurva yang menunjukan angka siklik menuju kegagalan,

N(S), ketika suatu material mengalami siklik berulang hingga menghasilkan

suatu stress range S. Orcaflex menggunakan S-N curve untuk menghitung

damage dalam analisa fatigue.

Jika dibutuhkan kita dapat mendefinisikan sejumlah kurva S-N yang berbeda

dan menggunakannya pada arc length yang berbeda sepanjang line. Hal ini

akan mempermudah dalam menangani kasus dimana line dibuat dari bagian-

bagian dengan material yang berbeda.

Pada tiap Kurva S-N harus dispesifikasikan batas tegangan fatigue, FL, yang

mana stress range dibawahnya tidak terjadi. Hal ini terkadang menjadi

referensi sebagai batas ketahanan .

Kurva S-N tersebut dalam Orcaflex daoat dispesifikasikan dalam bentuk

parameter atau tabel.

75

Ketika kurva S-N didefenisikan dalam bentuk parameter, maka dispesifikasika

dua parameter , A dan b dan kurva akan dibentuk dengan persamaan :

b

A

SN 10= (3.3)

Log 10(N) = A – b. Log10(S)

Ketika kurva dispesifikasikan sebagai sebua tabel kita akan diberikan sebuah

tabel hubungan nilai S dan N. Untuk nilai s dipakai interpolasi linear atau

extrapolasi untuk mendapatkan nilai N.

S-N Curve Unit

Parameter kurva S-N yang dimasukkan harus konsisten dengan unit analisa

fatigue. Parameter tersebut yang berhubungan dengan tegangan dalam Mpa,

atau dengan unit tegangan lainnya.

Changing Unit

Dalam merubah unit kurva S-N kita harus memperhatikan persamaan

sebelumnya yaitu :

Log 10(N) = A – b. Log10(S) (3.4)

Kemudian nilai tegangan S dirubah menjadi S’ = c . S dimana S’ adalah unit

tegangan baru maka persamaan (1) menjadi :

Log 10(N) = A’ – b’. Log10(S’)

Kemudian didapatkan

Log 10(N) = A’ – b’. Log10(c.S) =[A’ - b’Log10(c)] – b’. Log10(S)

(3.5)

Dari persaman (1) dan (2) kita lihat bahwa b’ = b dan A’ = [A +b.Log10(c)]

III.3.5 Titik fatigue (Fatigue Points)

Fatigue dianalisa pada sejumlah line atau segmen di pertengahan penampang

melintang sepanjang arc length interval line. Bagian archlength didiskritisasi

dalam polar koordinat (R, theta) dan dispesifikasikan angka sudut theta, dan

76

menggunakan dua nilai ‘r ‘ satu pada sisi dalam tegangan ,ID, dan satu pada

sisi luar tegangan OD. Theta diukur dari sumbu lokal axis x kearah axis y ,

yang dapat dilihat pada gambar dibawah ini, dimana diperlihatkan titik fatigue

akan dianalisa ketika angka sudut theta diset 8, memberikan titik fatigue pada

theta = 0, 45,90, 135, 180, 225, 270dan 315

Gambar III.10 Fatigue Points pada arc length cross section

(sumber: Orcaflex User Manual. 2005)

Pada akhirnya akan didapatkan jumlah keseluruhan fatigue points = (jumlah

arch length ) x (jumlah sudut theta) x 2 dimana damage akan dianalisa.

III.3.6 Kalkulasi Kerusakan (Damage )

Untuk tiap titik fatigue, Orcaflex menghitung nilai kerusakan dan

melaporkannya dalam hasil perhitungan fatigue (fatigue result). Berikut

adalah tahapan bagaimana perhitungan dilakukan :

Untuk tiap 3 arah tegangan utama (aksial, radial, circumferensial),

Orcaflex menghitung time history dari komponen tegangan yang

terjadi dalam arah utama, pada titik fatigue pada suatu kasus beban.

Orcaflex kemudian menghitung nilai kerusakan yang berhubungan

dengan time history tiga komponen tegangan utama.

77

Orcaflex kemudian memilih tiga nilai kerusakan utama paling besar

dan menentukan sebagai nilai kerusakan pada titik fatigue pada satu

kasus beban. Worksheet kasus beban pda hasil perhitungan fatigue

adalah nilai kerusakan tiap kasus beban pada tiap titik fatigue. Nilai

kerusakan akibat kasus beban dilaporkan sebagai kerusakan per jam.

Kerusakan terburuk umumnya terjadi pada tegangan ZZ

Orcaflex kemudian menskalakan nilai kerusakan tersebut untuk

memungkinkan hubungan dengan kasus beban tersebut.

Langkah tersebut memberikan total exposure damage value dari kasus

beban pada titik fatigue. Nilai keseluruhan kerusakan kasus beban

nampak dalam Damage Table worksheet pada hasil perhitungan

fatigue.

Pada akhirnya , Orcaflex kemudian menyimpulkan nilai total

kerusakan kasus beban untuk memperoleh Nilai total kerusakan pada

titik fatigue. Nilai ini dibuat dalam bentuk Damage Table worksheet

dalam hasil perhitungan fatigue.

III.3.7 Hasil Perhitungan (Result)

Hasil perhitungan analisa fatigue disajikan dalam satu Damage Table Worksheet,

berikut satu Load case worksheet untuk setiap kasus beban. Ini juga merupakan

sebuah Worksheet yang berisikan data kurva S-N.

Lembar Kasus Beban (Load Case Worksheet)

Load case worksheet berisi hasil perhitungan tegangan yang disdapat untuk setiap

titik fatigue yang dianalisa berikut informasi seperti data lingkungan yang

diaplkasikan pada kasus beban.

Sebuah tabel perhitungan tegangan untuk setiap arc length termasuk interval arc

length. Setiap tabel berisi baris hasil perhtungan tiap titik fatigue dalam potongan

melintang arc length. Hasil perhitungan adalah stress range (untuk setiap

78

komponen tegangan), Maximum stress range dan nilai kerusakan hasil

perhitungan suatu kasus pembebanan.

Tegangan maksimum von Mises juga dilaporkan (jika dipilih), tetapi sebagai

catatan nilai ini tidak mempengaruhi perhitungan damage.

Load case reports juga termasuk detail dimana pada line terjadi kerusakan paling

buruk.

Lembar Tabel Kerusakan (Damage Table Worksheet)

Damage table worksheet mulai dengan table kerusakan yang berlebihan, yang

menampilkan titik fatigue pada keseluruhan kerusakan yang melampaui nilai

kerusakan kritis ( yang ditampilkan dalam table title). Detail dimana pada line

mengalami kerusakan paling buruk terjadi juga dilaporkan.

Kemudian terdapat tabel Other Stress yang ,melaporkan tegangan langsung

(Direct stress) maksimum dan minimum serta tegangan geser maksimum dan

minimum pada titik fatigue. Pada tabel ini juga dilaporkan tegangan von Mises

maksimum.

Akhirnya, lembar tabel kerusakan (Damage table worksheet) menyediakan tabel

kerusakan untuk tiap arc lengt cross section yang dianalisa. Laporan ini untuk

setiap titik fatigue pada cross section , Nilai kerusakan yang terjadi keseluruhan

untuk tiap kasus beban dan total kerusakan yang berlebihan.

Dalam semua tabel damage, nilai total kerusakan yang melebihi nilai kerusakan

kritis yang ditentukan ditandai dengan warna merah.