BAB 2 DASAR TEORI DESAIN - Perpustakaan Digital...

BAB 2 DASAR TEORI DESAIN

LAPORAN TUGAS AKHIR DESAIN DAN ANALISIS STRUKTUR PIPA BAWAH LAUT 2‐1

DASAR TEORI DESAIN

2.1 Umum

Dalam mengerjakan desain suatu jalur pipa bawah laut, langkah pertama yang harus

diperhatikan adalah pemilihan rute yang akan dilalui oleh jalur pipa (routing). Ada

berbagai faktor yang menjadi pertimbangan dalam menentukan rute pipa agar

nantinya diperoleh rute yang paling tepat. Faktor‐faktor tersebut diantaranya adalah

faktor kondisi batimetri dari dasar laut (seabed), lokasi dari existing platforms dan

risers, jalur pipa lainnya yang telah ada, kedalaman perairan, kondisi sosial‐politik,

dan juga penggunaan area untuk kepentingan publik lainnya. Pada akhirnya, rute

pipa yang dipilih haruslah rute yang paling aman, paling mudah untuk instalasi, serta

diusahakan memiliki jarak yang paling pendek.

Setelah langkah awal mengenai pemilihan rute pipa tercapai, maka selanjutnya

adalah menentukan tebalnya dinding pipa yang akan digunakan. Penentuan

ketebalan pipa merupakan hal yang paling mendasar dalam structural engineering

agar struktur (pipa) tersebut dapat cukup kuat untuk menahan berbagai beban yang

bekerja pada struktur (pipa) tersebut, beban‐beban yang bekerja pada pipa

diantaranya adalah internal pressure yang disebabkan oleh tekanan dari fluida yang

mengalir di dalam pipa, external pressure yang disebabkan oleh beban lingkungan

yang timbul akibat adanya gaya‐gaya hidrostatik dan hidrodinamik, perbedaan

temperatur, tekanan lengkung (bending stress), kelelahan struktur (fatigue), dan

sebagainya.

2



Pada bagian luar dari pipa bawah laut, umumnya dilapisi oleh beberapa lapisan

pelindung yang berfungsi untuk mencegah terjadinya korosi pada baja pipa. Selain

terdapat lapisan pelindung terhadap korosi, pada beberapa kasus terdapat juga

lapisan penghalang panas (thermal insulator) yang berfungsi untuk menjaga fluida

dalam pipa agar berada pada suhu tertentu. Pada kasus‐kasus tertentu juga, pipa

dilapisi oleh internal coating untuk mencegah terjadinya korosi pada bagian dalam

pipa yang disebabkan oleh aliran fluida yang bersifat korosif pada pipa. Umumnya

pipa bawah laut dilapisi oleh beton pemberat (concrete coating) pada bagian luar

pipa yang berfungsi sebagai pemberat agar pipa memenuhi kestabilan vertikal

maupun horizontal (on‐bottom stability).

Seperti yang telah diketahui, kondisi dasar laut (seabed) tidak mulus seperti sebuah

lapangan sepak bola, tetapi berkontur‐kontur, diantaranya memiliki gunung, bukit,

lembah, dan juga jurang dasar laut. Hal ini tidak dapat dihindari dalam pemasangan

jalur pipa bawah laut, oleh karena itu diperlukan juga analisis mengenai bentang

bebas (free span analysis) agar tidak terjadi bentang bebas (free span) yang

berlebihan. Apabila bentang bebas (free span) yang panjang tidak dapat dihindari

lagi, maka diperlukan mediasi ulang (span remediation) pada bentangan tersebut.

Mediasi ulang tersebut bertujuan untuk memperpendek bentangan yang terjadi agar

dapat memenuhi kriteria analisis bentangan bebas (free span analysis).

Pada Gambar 2.1 berikut ini, terdapat diagram alir mengenai tahapan‐tahapan yang

diperlukan dalam proses desain suatu struktur pipa bawah laut.



Gambar 2.1 Diagram alir proses desain pipa bawah laut



2.2 Keamanan Pipa

Keamanan menjadi hal yang paling utama dalam proses pendesainan suatu struktur

pipa bawah laut, keamanan harus diperhatikan baik pada tahap instalasi, hidrotes,

maupun pada saat pipa dioperasikan. Dalam proses desain struktur pipa bawah laut,

struktur harus dijamin terbebas dari kegagalan‐kegagalan yang dapat mengancam

keselamatan manusia, lingkungan, serta kerugian dari pihak manapun.

Dalam laporan Tugas Akhir ini, analisis desain yang digunakan mengacu pada standar

kode DNV 2000, keamanan pipa secara struktural diatur dalam suatu format desain

keamanan. Format tersebut terdiri atas jenis fluida yang dialirkan, lokasi pipa berada,

serta klasifikasi keamanan.

2.2.1 Jenis-jenis Fluida

Fluida yang dialirkan dalam sebuah steruktur pipa bawah laut jenisnya dapat

berbagai macam tergantung kebutuhan dan tujuan, setiap fluida ini memiliki potensi

bahayanya masing‐masing apabila terjadi kegagalan pada sistem pipa bawah lautnya.

Oleh karena itu, maka fluida diklasifikasikan dalam beberapa kategori seperti terlihat

pada Tabel 2.1 berikut ini.

Tabel 2.1 Klasifikasi Fluida Kategori Keterangan

A Fluida yang tidak dapat terbakar, fluida berbasis air.

B Fluida yang dapat terbakar dan beracun yang berbentuk cair pada suhu kamar dan kondisi tekanan atmosfer.

C Fluida yang tidak terbakar dan tidak beracun pada suhu kamar dan kondisi tekanan atmosfer.

D Gas berfasa satu, tidak beracun.

E Fluida dapat terbakar dan beracun yang berbentuk gas pada suhu kamar dan kondisi tekanan atmosfer.

2.2.2 Lokasi Pipa

Kondisi dasar laut sangat berpengaruh terhadap keamanan suatu jalur pipa, oleh

karena itu, lokasi pipa di bawah laut sangat berpengaruh terhadap keamanan dari

pipa yang akan dipasang. Pipa bawah laut tidak akan terlihat dari atas permukaan air



laut, terlebih lagi apabila pipa terletak di perairan yang cukup dalam. Karena tidak

terlihat dari atas, maka pipa bawah laut harus terhindar dari ancaman‐ancaman yang

timbul akibat aktivitas manusia di permukaan laut. Lokasi dari pipa bawah laut

sendiri dapat diklasifikasikan seperti yang terlihat dalam Tabel 2.2 di bawah ini.

Tabel 2.2 Klasifikasi Keamanan Kelas Keamanan

(Safety Class) Definisi

Rendah Kegagalan pada kelas area ini menyebabkan resiko yang sangat kecil terhadap manusia dan lingkungan. Klasfikasi ini biasanya diterapkan pada saat instalasi.

Normal

Pada kelas ini, kegagalan pada pipa dapat menyebabkan resiko yang cukup besar terhadap manusia dan kerusakan yang signifikan pada lingkungan atau konsekuensi politik dan ekonomi yang besar. Klasifikasi ini biasanya diterapkan pada kondisi operasi pada pipa yang jauh dari platform.

Tinggi

Kondisi operasi dimana kegagalan pada struktur pipa dapat menyebabkan resiko yang sangat besar terhadap manusia, kerusakan lingkungan signifikan, serta kerugian besar secara politik dan ekonomi. Klasifikasi ini biasanya diterapkan pada pipa pada saat beroperasi di lokasi kelas 2.

2.3 Struktur Pipa

Struktur dari pipa harus kuat menahan beban‐beban yang bekerja pada saat pipa

diinstal, hidrotes, dan juga pada saat pipa beroperasi. Selama masa instalasi, pipa

akan mengalami pelengkungan, penarikan, gaya gelombang, dan juga tekanan dari

air laut. Sedangkan pada masa hidrotes dan operasi, pipa akan mengalami tekanan

internal yang berasal dari fluida yang mengalir di dalamnya, tekanan eksternal dari

air laut, gaya gelombang, perubahan temperatur, dan sebagainya.

2.3.1 Tekanan Internal (Hoop Stress)

Sejak awal tahap desain suatu jaringan pipa, beberapa parameter penting dari pipa

haruslah ditentukan terlebih dahulu. Diantaranya, yang paling penting adalah

diameter dan ketebalan dinding dari pipa tersebut. Diameter pipa pada dasarnya

telah ditetapkan terlebih dahulu oleh pemilik proyek, diameter tersebut dipilih

dengan pertimbangan mampu mengalirkan fluida dengan kapasitas yang diinginkan

serta memiliki tinjauan biaya yang paling ekonomis. Selain itu, pemilihan diameter

LAPORADESAIN

pipa ha

pasara

Keteba

beban,

interna

interna

yang m

arah ta

akibat

dimana

σh = H

Pi = T

Po = T

Do = D

t = K

AN TUGAS AKDAN ANALIS

arus memp

n, hal ini d

alan dari di

, gaya, ser

al yang te

al atau yan

mengalir di

angensial

tekanan in

a:

Hoop Stres

Tekanan in

Tekanan ek

Diameter te

Ketebalan n

KHIR SIS STRUKTU

pertimban

imaksudka

inding pipa

ta tekanan

erjadi tida

ng biasa d

i bagian d

terhadap

nternal ada

ss

ternal

ksternal

erluar pipa

nominal di

R PIPA BAWA

gkan keter

an agar dap

a dihitung

n yang bek

k melamp

disebut seb

alam pipa

dinding d

alah sebaga

a

inding pipa

Gamb

AH LAUT

rsediaan d

pat menek

agar nant

kerja pada

paui tekan

bagai hoop

(lihat Gam

ari pipa.

ai berikut:

a

bar 2.2 Hoop

ari spesifik

kan biaya p

inya pipa d

pipa. Hal

nan izin (a

p stress te

mbar 2.2),

Persamaan

p stress

BAB 2 D

kasi pipa y

produksi pip

dapat men

ini bertuju

allowable

erjadi akiba

tekanan i

n hoop st

DASAR TEORI

yang diingi

pa.

nahan sega

uan agar t

stress). T

at tekanan

ini bekerja

ress yang

Per

DESAIN

2‐6

nkan di

ala jenis

tekanan

Tekanan

n fluida

a dalam

timbul

rs. 2‐1

LAPORADESAIN

Persam

interna

dengan

dikena

tekana

dari ga

Sehing

berikut

Dengan

dipero

dimana

σh = H

P = T


maan untu

al tersebut

n jari‐jari r

i beban te

n dalam (P

mbar di at

ga teganga

t:

n mensubt

leh persam

a:

Hoop Stress

Tekanan Ya

KHIR SIS STRUKTU

k menghit

, diperoleh

dan keteb

kanan sebe

Pi), dimana

Gamb

tas, maka r

an dalam a

titusikan pe

maan tegan

s (psi)

ang Terjadi

R PIPA BAWA

tung tegan

h dari anal

balan pipa t

esar P yan

P = Po ‐ Pi.

bar 2.3 Beba

resultan ke

arah tange

ersamaan

ngan tange

i Pada Silin

AH LAUT

ngan tange

isis gaya pa

t, pada Ga

g merupak

.

an tekanan p

eseimbanga

ensial serta

2‐3 dan pe

ensial (Hoop

nder (psi)

ensial yang

ada silinde

mbar 2.3 b

kan resulta

ada silinder

an gaya ve

a jari‐jariny

ersamaan 2

p Stress) se

BAB 2 D

g diakibatk

er bebas. P

berikut ini.

an dari teka

bebas

rtikal yang

ya, dapat d

2‐5 ke pers

ebagai ber

DASAR TEORI

kan oleh t

Perhatikan

. Silinder te

anan luar (

g terjadi ad

Per

Per

Per

dituliskan

Per

Per

samaan 2‐4

ikut:

Per

DESAIN

2‐7

tekanan

silinder

ersebut

(Po) dan

dalah:

rs. 2‐2

rs. 2‐3

rs. 2‐4

sebagai

rs. 2‐5

rs. 2‐6

4, maka

rs. 2‐7



D = Diameter Terluar Pipa (inch)

t = Ketebalan Nominal Dinding Pipa (inch)

Sesuai dengan standar kode DNV OS‐F101 Submarine Pipeline System, maka besar

tegangan tangensial (Hoop Stress) tidak diizinkan melebihi fraksi tertentu dari

Specified Minimum Yield Stress (SMYS).

. . Pers. 2‐8

dimana:

η = Faktor desain yang nilainya tergantung pada jenis kelas keamanan (safety class)

Kt = Temperature Derating Factor Material

2.3.2 Tekanan Eksternal

Struktur pipa bawah laut akan mengalami tekanan hidrostatik dari air laut di atasnya,

semakin dalam perairan dimana pipa berada, maka semakin besar pula tekanan

eksternal yang bekerja pada pipa tersebut. Pada kedalaman tertentu dimana tekanan

eksternal jauh lebih besar dari tekanan internal yang bekerja di dalam pipa, maka

semakin besar pula kemungkinan akan terjadinya kegagalan (collapse) pada pipa.

Kegagalan pada dinding pipa tergantung pada berbagai faktor penentu, diantaranya

adalah rasio antara diameter terhadap ketebalan dinding pipa (D/t), karakteristik

tegangan dan regangan material, perubahan bentuk penampang melintang pipa

(cross section), tekanan hidrostatik, serta momen bending yang terjadi pada pipa.

Untuk mencegah terjadinya kegagalan, maka besarnya tekanan eksternal yng bekerja

pada pipa harus memenuhi persamaan berikut ini:

, . . Pers. 2‐9

dimana:

Pe = Tekanan Eksternal (psi); Pe ρsw.g.d

ρsw = massa jenis air laut (lb/ft3)

g = percepatan gravitasi (ft/s2)

LAPORADESAIN

d = ke

Pc = Ka

γm = fa

γsc = fa

2.3.3

Longitu

Longitu

Effect.

• The

The

yan

dim

E

αT

ΔT


edalaman

arakteristik

aktor ketah

aktor ketah

Tekanan L

udinal stres

udinal stre

ermal Stres

ermal stres

ng terjadi p

mana:

= modulus

= koefisien

T = perbeda

KHIR SIS STRUKTU

perairan (f

k tekanan

hanan mate

hanan safe

Longitudina

ss merupa

Gambar

ess sendiri

ss

ss adalah t

pada pipa. P

s elastisitas

n ekspansi

an temper

R PIPA BAWA

ft)

collapse (p

erial

ty class

al

kan tegang

2.4 Cross sec

i adalah p

tegangan y

Persamaan

s baja (3,0

thermal

ratur antar

AH LAUT

psi)

gan aksial y

ction pipa da

pejumlaha

yang terjad

n tegangan

x 107 psi)

ra kondisi i

yang beker

an longitudi

n dari the

di akibat a

n pemuaian

nstalasi da

BAB 2 D

rja pada pe

inal stress

ermal stre

danya eks

n adalah se

an operasio

DASAR TEORI

enampang

ess dan Po

spansi (pem

ebagai beri

Per

onal

DESAIN

2‐9

pipa.

oisson’s

muaian)

ikut.

rs. 2‐10



• Poisson’s Effect

Poisson’s effect merupakan tegangan yang terjadi akibat adanya tegangan

residual pada saat fabrikasi pipa, sehingga pipa harus kembali ke keadaan semula.

Kembalinya pipa ke keadaan semula menyebabkan terjadinya gaya aksial yang

menyebabkan kontraksi pada dinding pipa. Persamaan Poisson’s effect adalah

sebagai berikut.

. Pers. 2‐11

dimana:

v = Poisson’s ratio (0,3 untuk carbon steel)

Pi = Tekanan internal

Pe = Tekanan eksternal

ID = Diameter dalam

D = Diameter luar

t = Tebal dinding pipa

Sedangkan persamaan longitudinal stress adalah penjumlahan Pers. 2‐10 dan Pers. 2‐

11 sebelumnya di atas.

Pers. 2‐12

2.3.4 Equivalent Stress (von Mises Equivalent Stress)

Equivalent stress merupakan resultan seluruh komponen tegangan yang terjadi pada

pipa. Persamaan tegangan ekuivalen dirumuskan sebagai tegangan von mises berikut

ini.

. 3 Pers. 2‐13

Besaran tegangan geser tangensial xτ diabaikan dalam perhitungan tegangan

ekuivalen ini karena besarnya tidak dominan dibanding komponen tegangan lainnya.



Untuk perhitungan konservatif maka perkalian antara tegangan tangensial dan

longitudinal diabaikan.

2.3.5 Analisis Desain Ketebalan Pipa

Dalam laporan Tugas Akhir ini, analisis desain ketebalan dinding pipa dilakukan

dengan menggunakan standar kode DNV 1981 dan ASME B31.8.

• DNV 1981

.. . .

Pers. 2‐14

dimana:

t = Nominal wall thickness

Pd = Pressure design

Pe = External pressure

D = Outer diameter

η = Usage factor

= 0,5 (pipa dan riser berjarak radius 500 m dari platform)

= 0,72 (berjarak lebih dari radius 500 m dari platform)

Kt = Temperatur derating factor

σF = SMYS

• ASME B31.8

.

. Pers. 2‐15

dimana:

S 0,72.E.σF E = Longitudinal joint factor

= 1 (untuk submerged arc welded pipe)

t Nominal wall thickness

P Pressure design

σF = SMYS

LAPORADESAIN

Perhitu

dilakuk

corrosi

minima

Kedala

Semak

dapat

collaps

dengan

dangka

stress.

collaps

2.3.6

Peneku

(ovalin

Apabila

apabila


ungan kete

kan untuk

ion allowan

alnya adala

man perai

in dalam p

menyeba

se pada pi

n kriteria h

al, maka y

Sebaliknya

se pressure

Penekuka

ukan (buck

g) pada p

a tidak dise

a ditemuka

KHIR SIS STRUKTU

ebalan din

kondisi op

nce disesua

ah 0,125 in

iran perlu

perairan, m

bkan colla

ipa. Keteb

hoop stress

yang lebih

a pada pe

e.

n (Buckling

kling) pada

penampang

ertai denga

an retakan

Gamb

R PIPA BAWA

nding pipa

eration de

aikan deng

n.

diperhatik

maka tekan

apse. Unt

balan dind

s dan kriter

berpenga

rairan yan

g).

a pipa dap

g pipa yan

an retakny

pada pipa

bar 2.5 Prose

AH LAUT

a berdasar

ngan men

gan tingkat

kan dalam

nan ekstern

uk mengh

ing pipa y

ria collapse

ruh pada

ng relatif d

pat didefin

ng terjadi

ya pipa, ma

, disebut b

es ovalisasi ak

rkan pada

ambahkan

t korosif da

menentuk

nal pada p

hindarinya

yang dipili

e pressure.

ketebalan

dalam yang

nisikan seb

pada satu

aka disebut

buckling ba

kibat local bu

BAB 2 D

analisis h

n corrosion

ari fluida co

kan keteba

ipa semak

, maka d

h didasark

Untuk per

dinding p

g lebih ber

bagai peru

atau selu

t buckling k

sah.

uckling

DASAR TEORI

hoop stres

allowance

ontent yan

alan dindin

kin besar p

dilakukan

kan pada

rairan yang

pipa adala

rpengaruh

ubahan/def

uruh bagia

kering, seb

DESAIN

2‐12

ss yang

e. Besar

ng besar

ng pipa.

ula dan

analisis

analisis

g relatif

h hoop

adalah

formasi

an pipa.

baliknya



2.3.6.1 Local Buckling

Local buckling merupakan suatu kondisi dimana terjadi deformasi bentuk pada

penampang melintang suatu pipa. Analisis local buckling dilakukan untuk kondisi

instalasi, hal ini disebabkan karena pada proses instalasi merupakan kondisi paling

kritis terjadinya local buckling akibat tidak adanya tekanan internal.

Berdasarkan referensi dari standar kode DNV 1981 Appendix B, kombinasi kritis yang

terjadi antara longitudinal stress dan hoop stress dapat dirumuskan sebagai berikut

ini.

1 Pers. 2‐16

dimana:

Pers. 2‐17

Pers. 2‐18

Pers. 2‐19

N = Axial force

A = Cross sectional area

= π(D‐t)t

M = Bending moment

W = Elastic section modulus

= .

D = Nominal outer diameter of pipe

t = Nominal wall thickness of pipe

Pers. 2‐20

dimana:

σNxcr = Longitudinal stress maksimum saat hanya gaya aksial N yang bekerja,

P&M=0



= SMYS (untuk 20)

= SMYS 1 0,001 20 (untuk 20 100

σMxcr = Longitudinal stress maksimum saat hanya moment bending M yang bekerja,

P&N=0

= SMYS 1,35 0,0045

P = = eksternal

= Overpressure

α = 1 .

σy = ;(hoop stress)

σycr = Hoop stress maksimum pada saat hanya tekanan P yang bekerja, M&N=0

= σyE

= untuk σyE ≤ SMYS

= SMYS 1 untuk σyE > SMYS

σyE = Critical comprehensive hoop stress untuk buckling elastis sempurna ketika

hanya σy yang bekerja.

E = Koefisien elastisitas bahan.

= 3,01 x 107 untuk baja karbon

Kombinasi nilai σx dan σy yang diizinkan ditentukan dengan memasukkan faktor

yang diizinkan ke dalam rumusan local buckling untuk kombinasi kritis. Maka

persamaan local buckling menjadi sebagai berikut.

1 Pers. 2‐21

dimana:

ηxp = Faktor desain; nilai yang diizinkan dari untuk σy = 0

ηyp = Faktor desain; nilai yang diizinkan dari untuk σx = 0



Penggunaan faktor desain didasarkan pada tegangan kritis (berada pada range plastis

dan elastis). Pada umumnya buckling pada pipa berdasarkan σx akan mendekati

plastis, sementara buckling yang berdasarkan σy akan mendekati elastis. Biasanya

nilai ηyp lebih kecil dari nilai ηxp.

Besarnya faktor desain yang berlaku untuk pipa dan riser selama operasi tercantum

dalam Tabel 2.3 berikut ini.

Tabel 2.3 Faktor Desain (General case)

dimana:

σE = Tegangan kritis jika material elastis sempurna

σF = SMYS

σxE = 0,42 .

σyE =

Untuk pipa selama masa operasi, faktor tersebut dikali dengan 1,2. Sedangkan untuk

pipa dan riser selama instalasi, faktor tersebut dikali dengan 1,44. Sementara itu,

untuk kondisi apapun nilai faktor desain tidak boleh melebihi 1,0.

Sementara untuk pipa dengan rasio tipikal, faktor desain yang berlaku adalah

faktor desain dalam Tabel 2.4 berikut ini.

Tabel 2.4 Faktor Desain ( tipikal)

LAPORADESAIN

2.3.6.2

Propag

melinta

menye

diseba

propag

Prinsip

propag

yang d

collaps

menim

tekana

untuk

Tetapi

apabila

jenis‐je


2 Propaga

gation buc

ang pipa y

babkan t

bkan oleh

gasi buckle

dari prop

gating buck

diperlukan

se). Apabil

mbulkan pe

n eksterna

pipa yang

prinsip ya

a tidak ada

enis propag

KHIR SIS STRUKTU

ation Buckl

ckling ada

yang mem

erjadinya

h tekanan

pipa yang

pagation bu

kle (tekana

untuk me

a kondisi

erambatan

al bernilai

g mempun

ang paling

a local buc

gation buc

Gamba

R PIPA BAWA

ling

alah peram

manjang d

perambat

eksternal

berperan

uckling ad

an inisiasi

encegah te

ini terjadi,

n buckle d

sama atau

yai proper

g dasar ad

ckling yang

kling yang

r 2.6 Jenis‐je

AH LAUT

mbatan d

an meram

tan ini a

(hidrosta

sebagai pe

alah adany

buckle) ya

erjadinya p

, maka tek

dan menye

u kurang d

rti pipa ya

dalah prop

g terjadi. P

umum ter

enis umum p

deformasi

mbat di se

dalah tek

atik) yang

enahan.

ya tekanan

ang nilainy

perambata

kanan inis

ebabkan c

ari tekana

ang seraga

pagation b

Pada Gamb

rjadi.

propagation b

BAB 2 D

bentuk p

epanjang p

kanan hid

lebih bes

n yang dap

ya lebih be

n buckle t

iasi buckle

collapse pa

n propaga

am di sepa

buckling ti

bar 2.6 be

buckling

DASAR TEORI

pada pena

pipa. Energ

drostatik,

sar dari t

pat menim

esar dari t

tersebut (t

e pada pip

ada pipa

si. Hal ini

anjang jalu

idak akan

erikut ini te

DESAIN

2‐16

ampang

gi yang

hal ini

tekanan

mbulkan

tekanan

tekanan

pa akan

sampai

berlaku

ur pipa.

terjadi

erdapat



Berbagai studi secara teoretis dan eksperimental telah dilakukan untuk mempelajari

fenomena ini. Adapun tekanan propagation untuk pipa bawah laut dinyatakan dalam

persamaan berikut ini.

1,15. . Pers. 2‐22

Ppr Pe dimana:

Ppr = Tekanan propagasi


Apabila tekanan propagasi nilainya lebih kecil daripada tekanan eksternal, maka

perlu dilakukan pemilihan ulang terhadap ketebalan pipa. Ketebalan pipa minimum

berdasarkan tekanan propagasi adalah sebagai berikut.

. Pers. 2‐23

, . . Pers. 2‐24

2.4 Stabilitas Pipa Di Dasar Laut (On‐Bottom Stability)

Kestabilan pipa pada saat berada di dasar laut menjadi hal yang penting pada

struktur pipa bawah laut. Ada beberapa cara untuk mempertahankan kestabilan pipa

di dasar laut, diantaranya adalah dengan cara mengurangi gaya‐gaya yang bekerja

pada pipa seperti dengan melakukan penguburan pipa (burial), penggalian parit atau

saluran untuk pipa (trenching), serta pembangunan tanggul pelindung dari batu (rock

berm). Selain mengurangi gaya‐gaya yang bekerja pada pipa, cara lain untuk

mempertahankan kestabilan pipa adalah dengan cara memasang lapisan beton

(concrete coating) sehingga berat pipa bertambah dan kestabilan pipa dapat dicapai.

Dengan bertambahnya berat pipa, maka kestabilan pipa di dasar laut baik dalam arah

vertikal maupun horizontal akan bertambah pula. Adapun gaya‐gaya lingkungan yang

termasuk ke dalam analisis kestabilan pipa terdiri dari gaya‐gaya hidrodinamika,

LAPORADESAIN

seperti

resiste

permu

Analisis

kondisi

saat in

kestab

menge

2.4.1

Perhitu

laut be

penyed

tersebu


i gaya sere

nsi tanah

kaan pipa

s kestabila

i yang aka

stalasi, hid

ilan arah

enai konsep

Gaya Hidr

ungan gaya

elum dapa

derhanaan

ut.

KHIR SIS STRUKTU

et (drag fo

dasar lau

dengan pe

n pipa di d

an dialami

drotes, sert

vertikal se

p kestabila

Gambar 2.

odinamika

a‐gaya hid

t dihitung

untuk me

R PIPA BAWA

rce), gaya

ut merupa

ermukaan t

dasar laut y

oleh pipa

ta kondisi

erta arah

n ini, perh

7 Gaya‐gaya

a

rodinamik

secara ek

ndekati pe

AH LAUT

inersia, da

akan gaya

tanah dasa

yang dilaku

a. Kondisi‐k

operasi. Ke

horizontal

atikan ilust

a yang bekerj

k yang bek

ksak. Oleh

erhitungan

an gaya an

gesek (fr

ar laut terse

ukan harus

kondisi ter

estabilan p

. Untuk m

trasi pada

ja pada pipa

kerja pada

karena itu

gaya hidro

BAB 2 D

ngkat (lift f

riction) yan

ebut.

dapat me

rsebut ada

pipa di das

mempermu

Gambar 2

bawah laut

suatu stru

u, maka d

odinamik p

DASAR TEORI

force). Sed

ng terjadi

menuhi be

alah kondi

ar laut me

udah pema

.7 berikut

uktur pipa

igunakan m

pada strukt

DESAIN

2‐18

dangkan

antara

eberapa

si pada

encakup

ahaman

ini.

bawah

metoda

tur pipa



2.4.1.1 Gaya Gelombang

Salah satu metoda pendekatan perhitungan gaya hidrodinamik adalah dengan

metoda Morrison. Metoda ini menghitung gaya gelombang yang terjadi pada suatu

struktur akibat gelombang laut di permukaan. Metoda ini cocok untuk diterapkan

pada struktur pipa bawah laut, hal ini dikarenakan perbandingan antara dimensi

struktur terhadap panjang gelombang relatif kecil. Kriteria batas dapat digunakannya

metoda Morrison adalah D/L ≤ 0.2, dimana D adalah diameter struktur dan L adalah

panjang gelombang. Pada kasus suatu gaya gelombang mengenai suatu struktur pipa

bawah laut, maka diasumsikan diameter terluar dari pipa tersebut masih jauh lebih

kecil dari panjang gelombang laut sehingga gelombang tersebut melewati struktur

tanpa mengalami gangguan yang berarti. Gelombang yang bergerak melewati

struktur tersebut tidak terganggu, akan tetapi pengaruh terhadap struktur terjadi

akibat adanya vortex (wake formation) yang terbentuk di belakang struktur dan flow

separation. Gaya gelombang yang terjadi pada struktur adalah gaya inersia dan gaya

seret.

Pada teori gaya gelombang Morrison ini, gaya gelombang yang terjadi diturunkan

dari pergerakan partikel air akibat aktivitas gelombang laut pada lokasi tersebut.

Adanya gelombang laut yang merambat di permukaan menyebabkan arus pada

perairan tersebut. Arus yang terjadi akibat gelombang ini disebut dengan wave

induced current.

Arus ini terjadi akibat pergerakan partikel air di bawah gelombang pada trayektori

elips atau lingkaran (lihat Gambar 2.8). Oleh karena itu, arus akibat gelombang ini

hanya bersifat lokal dan memiliki fasa tertentu dimana besarnya dapat bernilai

maksimum atau minimum.

LAPORADESAIN

Gaya g

gaya in

terjadi

belaka

oleh p

Peruba

Pada in

sedang


Gambar

gelombang

nersia dan

antara fl

ng struktu

perubahan

ahan perpi

ntinya, fak

gkan faktor

KHIR SIS STRUKTU

r 2.8 Klasifika

Morrison

gaya seret

uida dan

r (lihat Ga

perpindah

indahan m

ktor yang m

r yang mem

G

R PIPA BAWA

asi perairan

yang terja

t. Gaya ser

dinding p

ambar 2.9)

han massa

massa diaki

mempenga

mpengaruh

Gambar 2.9 V

AH LAUT

menurut pan

di pada su

ret (drag fo

pipa (skin f

). Gaya ine

a air yang

ibatkan ole

aruhi gaya

hi gaya ine

Vortex dan fl

njang gelom

uatu strukt

orce) terjad

friction), d

ersia terjad

g disebabk

eh adanya

a seret ada

rsia adalah

ow separatio

BAB 2 D

bang dan ke

ur adalah

di akibat g

dan vortex

di pada str

kan oleh k

fluktuasi

alah kecep

h percepata

on

DASAR TEORI

dalaman

penjumlah

aya geseka

x yang te

uktur akib

keberadaa

percepata

patan part

an partikel

DESAIN

2‐20

han dari

an yang

rjadi di

at gaya

n pipa.

an arus.

ikel air,

l air.



Gaya Seret (Drag Force)

Nilai gaya seret yang terjadi pada suatu struktur silinder dapat dituliskan dengan

persamaan berikut ini:

0,5. . . . | | Pers. 2‐25

dimana:

FD = Gaya seret per satuan panjang

ρ = Massa jenis fluida

CD = Koefisien seret

D = Diameter struktur

U = Kecepatan arus air total

Tanda absolut pada notasi U menyatakan bahwa arah gaya harus searah dengan arah

arusnya. Kecepatan arus total adalah jumlah atau superposisi dari kecepatan arus

akibat gelombang (wave induced current) dan kecepatan arus akibat pasut (tidal

current). Besar kecepatan partikel air akibat wave induced current ini dapat diperoleh

dari penurunan berdasarkan teori gelombang linear, teori Stokes orde‐5, teori

gelombang Solitary, teori gelombang Cnoidal, stream function dan sebagainya.

Pemilihan teori gelombang yang akan digunakan bergantung pada karakteristik

kondisi laut yang dimodelkan atau dilakukan analisis. Untuk penyederhanaan, dalam

memperoleh besar kecepatan partikel air pada laporan Tugas Akhir ini digunakan

teori gelombang linear.

Gaya Inersia (Inertia Force)

Gaya inersia terjadi pada struktur akibat gaya oleh perubahan perpindahan massa air

yang disebabkan oleh keberadaan pipa. Faktor yang mempengaruhi gaya inersia

adalah percepatan partikel air. Perubahan perpindahan massa diakibatkan oleh

adanya fluktuasi percepatan arus. Nilai gaya inersia yang terjadi pada suatu struktur

silinder dapat dituliskan dengan persamaan berikut ini:

. . . Pers. 2‐26



dimana:

FI = Gaya inersia per satuan panjang

ρ = Massa jenis fluida

CI = Koefisien inersia

= 1

CM = Koefisien added mass

A = Luas penampang struktur

= Percepatan arus

Gaya Morrison Total

Gaya morrison total per satuan panjang yang terjadi pada pipa adalah jumlah dari

gaya seret dan gaya inersia. Gaya morrison total per satuan panjang dituliskan oleh

persamaan berikut ini.

0,5. . . . | | . . . Pers. 2‐27

Untuk suatu kasus tertentu dimana diameter struktur cukup besar bila dibanding

dengan panjang gelombang hingga mencapai D/L > 0.2, maka pengaruh gaya seret

akibat gelombang akan menjadi tidak signifikan akibat vortex yang tidak terbentuk.

Dalam kasus ini gaya inersia akan lebih dominan akibat besar volume atau massa air

yang terpindahkan akibat adanya struktur tersebut.

2.4.1.2 Gaya Angkat (Lift Force)

Gaya hidrodinamika lainnya adalah gaya angkat (lift force). Gaya ini bekerja dalam

arah tegak lurus arah rambatan gelombang/arus. Gaya angkat ini terjadi akibat

adanya perbedaan konsentrasi streamline pada bagian atas dan bawah pipa. Pada

Gambar 2.10, terlihat bahwa terdapat konsentrasi streamline di atas pipa.

Konsentrasi streamline pada bagian atas pipa membuat kecepatan arus pada bagian

atas pipa tersebut menjadi lebih besar sehingga tekanan hidrodinamik mengecil dan

pipa terangkat. Pada saat terdapat celah antara pipa dan seabed akibat pipa yang

terangkat, maka konsentrasi streamline akan terjadi pada bagian bawah pipa

LAPORADESAIN

sehingg

gaya an

Persam

dimana

CL = ko

Kesulit

penent

hidrod

pada b

Berikut


ga dengan

ngkat yang

Ga

maan gaya

a:

oefisien gay

an utama

tuan koefi

inamika. U

esarnya bi

t ini adalah

KHIR SIS STRUKTU

n proses ya

g terjadi be

ambar 2.10 I

angkat (lift

ya angkat (

a dalam

sien‐koefis

Untuk kond

langan Rey

h persamaa

R PIPA BAWA

ang sama

ernilai nega

Ilustrasi kons

t force) yan

(lift force c

perhitung

sien yang

disi steady

ynolds (Re)

an untuk b

AH LAUT

pipa akan

atif.

sentrasi stre

ng terjadi a

coefficient)

gan gaya‐

akan digu

y flow, koe

) dan nilai k

bilangan Re

jatuh kem

amline yang

adalah seb

gaya hidr

unakan dal

efisien sere

kekasaran

eynolds (Re

BAB 2 D

mbali atau

melewati pi

agai beriku

rodinamika

lam perhit

et (CD) bes

permukaa

):

DASAR TEORI

dengan ka

ipa

ut:

Per

a adalah

tungan gay

arnya terg

n pipa.

Per

DESAIN

2‐23

ata lain

rs. 2‐28

dalam

ya‐gaya

gantung

rs. 2‐29

LAPORADESAIN

dimana

Re = B

V = K

ν = V

Koefisi

dimana

e = ting

Walaup

steady

terdiri

(drag c

Reynol

koefisie

adalah

Dimana


a:

Bilangan Re

Kecepatan

Viskositas k

en kekasar

a:

ggi kekasar

pun koefis

flow, nila

dari komb

coefficients

ds (lihat G

en seret ju

persamaa

a T = Perio

KHIR SIS STRUKTU

eynolds

aliran tota

kinematik a

ran pipa (k

ran

sien seret

ai koefisie

binasi arus

s) bervaria

Gambar 2.

uga tergan

an untuk bi

oda gelomb

Gamba

R PIPA BAWA

al

air laut (pa

k), didefinis

yang ada

n ini juga

s akibat ge

si mulai da

11). Selain

ntung pada

langan Keu

bang

ar 2.11 Drag

AH LAUT

ada suhu 60

sikan sebag

a, diturunk

dapat dig

elombang

ari 0,6 hing

n tergantun

a bilangan

ulegan‐Car

g coefficient v

0°F = 1,2 x

gai berikut

kan untuk

gunakan u

dan arus

gga 2,0 ter

ng pada n

n Keulegan

rpenter (KC

vs Reynolds n

BAB 2 D

10‐5 ft2/se

ini:

perhitung

untuk oscil

biasa. Nila

rgantung p

ilai bilanga

n‐Carpente

C):

number

DASAR TEORI

ec)

Per

gan pada

llatory flo

ai koefisie

ada nilai b

an Reynold

r (KC). Ber

Per

DESAIN

2‐24

rs. 2‐30

kondisi

w yang

n seret

bilangan

ds, nilai

rikut ini

rs. 2‐31

LAPORADESAIN

Pada G

seret y

Carpen

untuk

juga da

Ga

Besarn

bilanga

terhad


Gambar 2.

yang didas

nter (KC). W

mendesain

apat diguna

ambar 2.12

ya nilai ko

an Reynold

ap bilanga

KHIR SIS STRUKTU

.12 berikut

sarkan pad

Walaupun g

n semua ja

akan.

Drag coeffici

efisien ang

ds dan koe

n Reynolds

Gamb

R PIPA BAWA

t ini diber

da nilai b

grafik koef

alur pipa b

ient untuk b

gkat (CL) da

efisien kek

s dapat dil

bar 2.13 Lift c

AH LAUT

rikan grafi

ilangan Re

fisien seret

bawah laut

ilangan Keul

an koefisie

kasaran pi

ihat pada G

coefficient vs

k untuk m

eynolds (R

t pada Gam

, grafik pa

egan‐Carpen

en inersia (C

pa. Varias

Gambar 2.

s Reynolds n

BAB 2 D

mendapatk

Re) dan bil

mbar 2.11

da Gamba

nter dan bila

CI) juga dit

i nilai koe

13 berikut

umber

DASAR TEORI

an nilai ko

langan Ke

dapat dig

ar 2.12 ber

ngan Reyno

tentukan d

fisien ang

t ini.

DESAIN

2‐25

oefisien

ulegan‐

gunakan

rikut ini

lds

ari nilai

kat (CL)



Sementara itu, besarnya nilai koefisien inersia (CI) bervariasi antara 1,5 hingga 2,5

tergantung pada besarnya bilangan Reynolds. Untuk keperluan praktis, berdasarkan

bilangan Reynolds untuk pipa terekspos pada aliran steady, maka koefisien

hidrodinamika dapat diambil dari Tabel 2.5 berikut ini.

Tabel 2.5 Recommended Coefficients for Pipe Design

Tabel koefisien hidrodinamika di atas hanya berlaku untuk pendesainan pipa bawah

laut di mana pipa terekspos dan memiliki tingkat kekasaran permukaan yang rendah.

2.4.1.3 Gaya Gesek

Benda yang terletak pada suatu permukaan apabila diberi gaya pada arah horizontal

benda tersebut, maka pada benda tersebut akan timbul gaya reaksi pada bidang

sentuh antara benda dengan permukaan dimana benda tersebut terletak. Gaya

reaksi tersebut memiliki arah yang berlawanan dengan arah gaya yang diberikan

pada benda tersebut. Gaya reaksi yang timbul itu umumnya disebut gaya gesek

(friction force). Struktur pipa bawah laut juga mengalami gaya gesek akibat berat

pipa itu sendiri dan gaya‐gaya yang bekerja pada struktur pipa tersebut.

Pada struktur pipa bawah laut, gaya gesek berperan penting dalam menjaga

kestabilan pipa di dasar laut. Gaya gesek ini besarnya dipengaruhi oleh suatu nilai

koefisien gesek (μ) antara permukaan luar pipa dengan permukaan dasar laut,

sementara itu besarnya nilai koefisien gesek (μ) tersebut dipengaruhi oleh jenis

LAPORADESAIN

materi

pada p

berikut

dimana

F = To

FR = G

W = Be

N = G

Besar g

Sepert

permu


al pipa dan

pipa bawah

t ini.

a:

otal gaya y

aya gesek

erat pipa

aya norma

gaya gesek

i yang tel

kaan luar p

KHIR SIS STRUKTU

n jenis tana

h laut akiba

Gambar 2.1

yang bekerj

yang terbe

al (total gay

k dapat dih

ah dijelas

pipa denga

R PIPA BAWA

ah di dasa

at gaya ges

14 Gaya gese

ja pada pip

entuk

ya arah ve

itung deng

kan sebelu

an permuka

AH LAUT

r laut terse

sek yang te

ek yang terja

pa

rtikal struk

gan mengg

umnya, μ

aan dasar

ebut. Diagr

erjadi dapa

adi pada pipa

ktur)

gunakan pe

adalah ko

laut.

BAB 2 D

ram gaya g

at dilihat p

a bawah laut

ersamaan d

oefisien ga

DASAR TEORI

gesek yang

pada Gamb

t

di bawah in

Per

aya gesek

DESAIN

2‐27

g terjadi

bar 2.14

ni.

rs. 2‐32

antara

LAPORADESAIN

2.4.1.4

Sepert

dalam

adalah

“Ben

Untuk

ilustras

Karena

dari flu

benda

horizon

benda

rata‐ra

permu

arah b


4 Gaya Ap

i yang tela

air akan m

:

nda yang t

besarnya

Ga

memperm

si suatu be

a tekanan p

uida dan ke

tersebut

ntal, ΣFX =

arah atas

ta permu

kaan bagia

bawah me

KHIR SIS STRUKTU

pung (Buoy

ah dibahas

mengalami

tercelup k

setara de

ambar 2.15 G

mudah pe

nda yang t

pada setia

edalaman,

menjadi

0). Sedang

dan bawa

ukaan bag

an bawah

njadi lebih

R PIPA BAWA

yancy)

s pada Huk

gaya apun

ke dalam z

engan ber

Gaya apung

mahaman

tercelup pa

p titik di p

maka tota

sama dan

gkan untuk

h tidak sam

gian atas

benda. Ha

h kecil dar

AH LAUT

kum Archi

g (buoyanc

zat cair ak

rat volume

pada benda

mengena

ada zat cai

permukaan

al gaya yan

n dapat d

k arah vert

ma besar,

benda le

al ini meny

ripada bes

medes, se

cy). Adapu

kan meng

e zat cair

yang tercelu

ai Hukum

r pada Gam

n benda se

ng bekerja

iabaikan (

ikal, besar

hal ini dis

bih kecil

yebabkan b

sar gaya y

BAB 2 D

mua bend

n bunyi Hu

alami gay

yang dipi

up pada zat c

Archimed

mbar 2.15

tara denga

pada bagi

(kesetimba

nya gaya y

ebabkan k

dari keda

besar gaya

yang beke

DASAR TEORI

da yang be

ukum Arch

ya angkat

indahkan”

cair

des, maka

di atas.

an specific

ian kiri dan

angan gay

yang beker

karena ked

alaman ra

a yang bek

rja ke ara

DESAIN

2‐28

erada di

himedes

t yang

”

a tinjau

weight

n kanan

ya arah

rja pada

alaman

ata‐rata

kerja ke

ah atas,

LAPORADESAIN

perbed

terhad

atas ak

dapat d

dimana

FB = G

ρ = M

g = Pe

V = Vo

2.4.2

Struktu

melipu

coating

serius.

pipa ak

ilustras


daan besar

ap benda.

kan sama d

diambil rum

a:

aya angkat

Massa jenis

ercepatan

olume ben

Perhitung

ur pipa ba

uti lapisan b

g). Pemilih

Apabila la

kan menja

si potongan

KHIR SIS STRUKTU

r gaya terse

Apabila be

dengan ber

musan seb

t (buoyanc

zat cair

gravitasi

nda yang te

an Propert

awah laut

beton pem

han keteba

apisan beto

di terlalu

n melintan

Gamba

R PIPA BAWA

ebut umum

enda dalam

rat benda

bagai beriku

cy)

ercelup

ti Pipa

umumnya

mberat (con

alan lapisa

on terlalu

berat dan

ng dari pipa

ar 2.16 Poton

AH LAUT

mnya diken

m keadaan

ke arah ba

ut:

a memiliki

ncrete coat

an beton p

tebal mak

sulit dipas

a yang tela

ngan melinta

nal sebaga

setimbang

awah. Dari

i dua lapis

ting) dan la

pemberat

a selain m

sang. Gam

h dilapisi.

ang pipa baw

BAB 2 D

ai buoyancy

g, maka ga

pernyataa

san pelind

apisan anti

harus dipe

mengakibat

mbar 2.16 b

wah laut

DASAR TEORI

y (FB) dari

ya angkat

an tersebut

Per

dung utam

i korosi (co

erhatikan

kan pemb

berikut ini

DESAIN

2‐29

zat cair

ke arah

t, maka

rs. 2‐33

ma yang

orrosion

dengan

orosan,

adalah



dimana:

ID = Diameter bagian dalam pipa (Internal Diameter)

OD (DS)= Diameter bagian luar pipa baja = ID + 2.tS

tS = Ketebalan dinding pipa baja

tcorr = Ketebalan lapisan anti korosi (corrosion coating)

tcc = Ketebalan lapisan beton (concrete coating)

Dalam perhitungan beban yang akan diterima pipa, berat dari pipa itu sendiri juga

diperhitungkan sebagai berat pipa terdistribusi merata per satuan panjang. Dalam

analisis, perhitungan berat sendiri pipa dilakukan untuk tiga fase yaitu fase instalasi

(pipa kosong), fase hidrotes (pipa dengan fluida air), dan fase operasi (pipa dengan

fluida isi). Berikut ini adalah formula perhitungan berat untuk tiap properti pipa.

• Berat baja di udara (WS)

. . Pers. 2‐34

• Berat lapisan anti korosi di udara (Wcorr)

2 . . Pers. 2‐35

• Berat lapisan beton di udara (Wcc)

2 2 2 . . Pers. 2‐36

• Berat fluida isi pipa di udara (Wcont)

. . Pers. 2‐37

• Berat/gaya apung pipa (Wbuoy)

2 2 . . Pers. 2‐38

• Berat total pipa di udara (Wtot)

Pers. 2‐39

• Berat pipa efektif (Weff)

Pers. 2‐40



• Berat pipa di dalam air (Wsub)

Pers. 2‐41

2

dimana:

WS = Berat pipa baja di udara

Wcorr = Berat lapisan anti korosi di udara

Wcc = Berat lapisan beton di udara

Wcont = Berat content (isi pipa) di udara

Wbuoy = Berat/gaya apung (buoyancy)

Wsub = Berat pipa di dalam air (terendam)

Wtot = Berat total pipa di udara

Weff = Berat pipa efektif

ρs = Massa jenis baja

ρcorr = Massa jenis lapisan anti korosi

ρcc = Massa jenis lapisan beton

ρsw = Massa jenis air laut

ρcont = Massa jenis fluida isi (content)

g = Percepatan gravitasi

Selain seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa lapisan beton berguna untuk

menjaga stabilitas pipa di dasar laut, lapisan beton juga berguna sebagai pelindung

pipa dari benturan, maupun aktivitas manusia lainnya yang bersifat merusak.

Selain itu, untuk melindungi pipa dari kerusakan akibat banyaknya aktivitas maritim

yang dilakukan manusia di perairan dangkal, pemerintah mengeluarkan regulasi yang

mengatur keselamatan operasi pipa bawah laut, yaitu: SKEP Mentamben no. 300

K/38/M.PE/1997, yang isinya adalah pipa yang berada pada area shore approach

dengan kedalaman perairan kurang dari ‐14 m LAT, harus dikubur pada trench

dengan kedalaman minimum 2 m dari TOP (top of pipe).



2.4.3 Parameter Kestabilan Pipa

Mengacu pada standar kode DNV RP E305 On‐Bottom Stability Design of Submarine

Pipelines, terdapat tiga jenis analisis yang digunakan dalam menganalisis kestabilan

pipa di bawah laut adalah: analisis dinamik, analisis kestabilan umum, serta analisis

kestabilan statik sederhana. Pemilihan jenis analisis yang digunakan tergantung pada

tingkat ketelitian hasil analisis yang diinginkan. Berikut ini penjelasan mengenai

masing‐masing analisis.

Analisis Dinamik

Analisis ini melibatkan simulasi dinamik secara menyeluruh terhadap pipa di dasar

laut, mencakup pemodelan soil resistance, gaya‐gaya hidrodinamika, kondisi batas,

dan respon dinamik. Analisis dinamik dapat dipakai untuk menganalisis secara detail

pada area kritis sepanjang jalur pipa seperti pada perlintasan jalur pipa,

penyambungan riser, dan lokasi‐lokasi lainnya yang membutuhkan desain detail

respon pipa dengan level tinggi atau untuk menganalisis ulang jalur kritis yang sudah

ada.

Analisis Kestabilan Umum

Analisis ini didasarkan pada suatu set kurva kestabilan non‐dimensional yang telah

diturunkan dari suatu deret hasil respons dinamik. Analisis kestabilan umum dapat

digunakan dalam perhitungan desain detail maupun dalam preliminary design.

Analisis ini digunakan pada bagian pipa dimana potensial pergerakan dan regangan

pipa cukup penting.

Analisis Kestabilan Statik Sederhana

Analisis ini didasarkan pada keseimbangan statik dari gaya‐gaya yang bekerja pada

pipa dan telah dikalibrasikan dengan analisis kestabilan sederhana. Analisis

kestabilan statik sederhana dapat digunakan pada hampir semua perhitungan

kestabilan, dimana berat pipa dalam air menjadi perhatian utamanya. Analisis ini



menggunakan model yang disederhanakan, sehingga sebagai konsekuensinya, pada

saat melakukan perhitungan, dianjurkan untuk tidak melakukan modifikasi apapun

tanpa pertimbangan terhadap semua faktor secara menyeluruh seperti melakukan

pengecekan kembali hasil perhitungan dengan menggunakan dua analisis kestabilan

yang lainnya. Kondisi pipa di dasar laut dan gaya‐gaya yang bekerja telah

diilustrasikan pada Gambar 2.7 sebelumnya. Agar kedudukan pipa tetap stabil pada

saat berada di dasar laut, maka keseimbangan gaya‐gaya di bawah ini harus dapat

dipenuhi.

• Arah Horizontal (x)

sin 0 Pers. 2‐42

• Arah Vertikal (z)

cos 0 Pers. 2‐43

Apabila persamaan 2‐53 dan persamaan 2‐54 dikombinasikan, maka diperoleh


sin cos Pers. 2‐44

atau

..

Pers. 2‐45

apabila θ = 0, maka persamaan 2‐72 di atas akan menjadi:

Pers. 2‐46

Persaman 2‐57 di atas merupakan persamaan untuk parameter kestabilan arah

horizontal untuk struktur pipa bawah laut. Sedangkan persamaan untuk parameter

kestabilan arah vertikal pipa dinyatakan dalam persamaan berikut ini:

1,1 Pers. 2‐47

dimana:

Wsub = Berat pipa di dalam air (terendam)

Wbuoy = Berat/gaya apung (buoyancy)

Syarat kestabilan arah vertikal ini menunjukkan bahwa berat total pipa di udara

harus lebih besar 10% dibandingkan dengan gaya angkatnya (buoyancy).

LAPORADESAIN

Pada la

Kestab

2.5

Fenom

tidak d

atau k

telah t

proses

mewuj

Selain

dapat

sehingg

bawah

terpasa

menga

yang te


aporan Tug

ilan Statik

Bentang B

mena benta

apat dihin

arena dise

erpasang s

perlindun

udkannya

karena kon

disebabka

ga terbent

ini, dapat

ang di lap

lami perub

erus berub

KHIR SIS STRUKTU

gas Akhir in

Sederhana

Bebas Pada

ng bebas (

dari, hal in

ebabkan o

sebelumny

ngan untu

diperlukan

ndisi‐kond

an oleh pr

tuk celah (g

dilihat con

angan unt

bahan pan

ah karena

Gambar 2

R PIPA BAWA

ni, jenis an

a.

a Pipa (Free

(free span)

ni disebabk

oleh adany

ya. Perenca

k menghin

n biaya yan

isi yang te

roses peng

gap) antar

ntoh dari fe

tuk jangka

jang benta

gaya‐gaya

2.17 Free spa

AH LAUT

nalisis kest

e Span)

) pipa pada

kan karena

ya crossing

anaan jarin

ndari terja

ng besar se

lah disebut

ggerusan

ra pipa den

enomena b

a waktu ya

ang bebas.

a lingkunga

an akibat das

abilan yan

a jaringan p

a ketidak‐ra

g dengan

ngan pipa

adinya ben

ehingga tid

tkan sebel

(scouring)

ngan dasar

bentang be

ang cukup

. Hal ini dia

an yang bek

sar laut yang

BAB 2 D

g digunaka

pipa bawah

ataan perm

jaringan p

tidak selal

ntang beb

ak ekonom

umnya, be

dasar lau

r laut. Pad

ebas. Siste

lama, pad

akibatkan

kerja pada

g tidak rata

DASAR TEORI

an adalah

h laut sam

mukaan da

pipa lainny

u disertai

bas karena

mis.

entang beb

ut oleh ar

a Gambar

m pipa yan

da akhirny

karena da

dasar laut

DESAIN

2‐34

Analisis

a sekali

sar laut

ya yang

dengan

a untuk

bas juga

rus laut

2.17 di

ng telah

ya akan

sar laut

t.



Bentang bebas pada pipa akan menimbulkan defleksi pada pipa. Apabila bentang

bebas yang terjadi terlampau panjang, maka dapat menimbulkan kerusakan pada

pipa. Panjang bentang pipa mempengaruhi frekuensi natural, kekakuan, serta

kekuatan dari struktur pipa terhadap gaya‐gaya yang bekerja pada pipa tersebut.

Selain dapat menyebabkan kerusakan pada struktur pipa, adanya bentang bebas juga

dapat memungkinkan struktur pipa mengalami vibrasi yang diakibatkan oleh vortex

(vortex induced vibration). Apabila vibrasi terjadi, maka pipa akan rentan terhadap

fatigue yang pada akhirnya dapat menyebabkan kegagalan pada struktur pipa

tersebut.

Perhitugan yang tepat diperlukan dalam menentukan panjang maksimum dari

bentang bebas sehingga aman dari kemungkinan terjadinya kegagalan pada struktur.

Perhitungan bentang bebas pipa bawah laut pada laporan Tugas Akhir ini mengacu

pada DNV RP F105 Free Spanning Pipelines. Adapun panjang maksimum dari bentang

bebas ditentukan berdasarkan dua kondisi di bawah ini:

• Kondisi Dinamik Akibat Vortex Induced Vibration (vortex shedding requirement)

• Kondisi Statik Akibat Berat Struktur Tersebut (yielding requirement)

2.5.1 Bentang Bebas Kondisi Dinamik (Dynamic Free Span Analysis)

Ketika sebuah aliran arus melewati sebuah struktur (pipa), maka akan terbentuk

vortex pada bagian belakang pipa (lihat Gambar 2.18). Vortex ini timbul karena

disebabkan oleh adanya turbulensi serta ketidak‐stabilan aliran di bagian belakang

pipa, pembentukan vortex (vortex shedding) ini dapat menyebabkan perubahan

tekanan hidrodinamika secara periodik dan bergantian pada bagian belakang pipa

sehingga dapat mengakibatkan bervibrasinya bentang bebas pada pipa apabila

ternyata bentang bebas tersebut memiliki frekuensi natural struktur yang nilainya

mendekati nilai frekuensi vortex tersebut. Fenomena bervibrasinya bentang bebas

pada pipa tersebut umumnya disebut fenomena Vortex Induced Vibration (VIV).

LAPORADESAIN

Frekue

pipa se

yang t

bentan

Resona

dengan

Osilasi

dalam

flow o

mengh

panjan

maksim

sheddin

bentan

dengan


ensi vortex

erta kecep

terjadi me

ng bebas pa

ansi yang t

n pola keru

akibat re

dua arah (

oscillation)

hindari ke

g maksim

mum terse

ng (yang

ng bebas p

n mengacu

KHIR SIS STRUKTU

Gam

shedding

patan alira

miliki nila

ada pipa, m

terjadi dap

untuhan le

esonansi ya

(lihat Gam

) dan se

mungkinan

mum dari

ebut, maka

terbentuk

pipa. Analis

u pada stan

R PIPA BAWA

mbar 2.18 Fe

yang terja

an yang m

i yang me

maka akan

at mengak

leh (yieldin

ang terjad

bar 2.19),

arah den

n terjadin

bentang

a dilakuka

karena k

sis mengen

ndar kode D

AH LAUT

nomena terb

adi umumn

melalui pipa

endekati a

terjadi res

kibatkan ke

ng) dan po

di pada be

yaitu dala

gan arah

nya osilasi

bebas p

n pemban

kondisi ling

nai bentan

DNV 1981

bentuknya vo

nya tergant

a. Apabila

atau sama

sonansi pa

egagalan (c

la keruntu

entang be

am arah teg

aliran (

i tersebut

pipa. Untu

ndingan an

gkungan)

g bebas ko

Rules for S

BAB 2 D

ortex

tung pada

frekuensi

a dengan f

ada bentan

collapse) p

han kelela

bas pipa

gak lurus a

(in‐line os

t, maka p

uk menda

ntara freku

dan freku

ondisi dina

Submarine

DASAR TEORI

ukuran/di

vortex sh

frekuensi

ng bebas te

pada strukt

han (fatigu

umumnya

arah aliran

scillation).

perlu dite

apatkan p

uensi dari

ensi natur

amik ini dil

Pipeline Sy

DESAIN

2‐36

iameter

hedding

natural

ersebut.

tur pipa

ue).

terjadi

n (cross‐

Untuk

entukan

panjang

vortex

ral dari

lakukan

ystems.

LAPORADESAIN

Besar

Pipelin

dimana

fv = F

St = B

Dtot = D

V = K

= U

Uc = A

Uw = A

Bilanga

sheddin

itu, bila

kode D

Gamba


frekuensi

e Systems,

a:

Frekuensi v

Bilangan St

Diameter te

Kecepatan

Uc + Uw

Arus laut

Arus akibat

an Strouh

ng. Bilang

angan Rey

DNV 1981

ar 2.20 ber

KHIR SIS STRUKTU

Gambar 2

vortex she

, dapat dih

vortex shed

trouhal

erluar pipa

aliran tota

t gelomban

al merup

an tersebu

ynolds mer

1 menganj

rikut ini.

R PIPA BAWA

2.19 Arah os

edding be

itung deng

dding

a

al

ng

akan bila

ut merupa

rupakan ra

urkan nila

AH LAUT

silasi yang um

rdasarkan

gan mengg

ngan non

akan fungs

asio dari ga

ai bilangan

mum terjadi

standar k

gunakan pe

n‐dimensio

si dari bila

aya inersia

n Strouha

BAB 2 D

pada pipa

kode DNV

ersamaan b

nal dari

angan Reyn

a dan gaya

l diambil

DASAR TEORI

1981 Sub

berikut ini:

Per

frekuensi

nolds. Sem

a viscous, s

dari grafi

DESAIN

2‐37

bmarine

rs. 2‐48

vortex

mentara

standar

k pada



Gambar 2.20 Bilangan Strouhal untuk silinder bundar sebagai fungsi dari bilangan Reynolds

. Pers. 2‐49

dimana:

Re = Bilangan Reynolds

V = Kecepatan aliran total

ν = Viskositas kinematik air laut (pada suhu 60°F = 1,2 x 10‐5 ft2/sec)

Sedangkan besar frekuensi natural bentang bebas pada pipa tergantung pada

beberapa faktor, diantaranya adalah kekakuan pipa, panjang bentang, kondisi ujung‐

ujung bentang, serta massa efektif dari pipa. Frekuensi natural dari bentang bebas

pada pipa yang diberikan oleh buku Offshore Pipeline Design, Analysis, and Method

oleh A.H Mouselli adalah sebagai berikut:

. Pers. 2‐50

dimana:

fn = Frekuensi natural bentang bebas pada pipa

EI = Kekakuan pipa



Me = Massa efektif pipa

=

Mp = Massa pipa di udara

Mc = Massa fluida isi pipa (content mass)

= . . Pers. 2‐51

Ma = Added Mass

= . . (untuk struktur silinder) Pers. 2‐52

L = Panjang bentang bebas

Ce = Konstanta perletakan ujung bentang

Untuk konstanta perletakan ujung bentang (Ce), nilainya berbeda‐beda untuk setiap

jenis perletakan. Pada Tabel 2.6 berikut ini, terdapat nilai Ce untuk setiap jenis

perletakan.

Tabel 2.6 Konstanta Perletakan Ujung Bentang Bebas Pada Analisis Dinamik

Dari parameter‐parameter yang telah disebutkan sebelumnya, besar frekuensi vortex

shedding dan frekuensi natural bentang bebas dapat dihitung. Faktor ini menjadi

acuan desain keamanan pipa terhadap fenomena VIV. Desain pipa yang aman

terhadap VIV adalah desain yang memiliki nilai frekuensi natural pada panjang

maksimum bentang bebas yang tidak mirip dengan nilai frekuensi vortex shedding

dengan batasan sebagai berikut:

, .

Selain itu, terdapat dua parameter lainnya yang menentukan tipe osilasi pada

bentang bebas pipa, yaitu:

Jenis Perletakan Ujung Bentang Cepinned ‐ pinned 9,87fixed ‐ pinned 15,5fixed ‐ fixed 22,2

Analisis Bentang Bebas Dinamik



• Reduced velocity (Vr), parameter ini digunakan untuk penentuan range

kecepatan aliran yang dapat menyebabkan vortex shedding.

. Pers. 2‐53

dimana:

Vr = Kecepatan tereduksi (reduced velocity)

fn = Frekuensi natural bentang bebas

Selain itu, nilai Vr juga dapat dicari dengan menggunakan grafik pada Gambar 2.21

dan Gambar 2.22 berikut ini apabila telah diketahui jenis osilasinya.

Gambar 2.21 Reduced velocity for cross‐flow oscillations based on the Reynolds Number

Gambar 2.22 Reduced velocity for in‐line oscillations based on the stability parameter



• Koefisien stabilitas (Ks), adalah parameter stabilitas yang akan menentukan jenis

gerakan osilasi. Dari buku Offshore Pipelines oleh Dr. Boyun Guo (2005), koefisien

stabilitas dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut ini.

. ..

Pers. 2‐54

dimana:

Me = Massa efektif pipa

ρsw = Massa jenis air laut

δ = Logarithmic decrement of structural damping (= 0,125)

Dari parameter‐parameter penentu jenis osilasi di atas, Tabel 2.7 di bawah ini akan

menjelaskan kriteria osilasinya.

Tabel 2.7 Kriteria Jenis Osilasi

Panjang bentang bebas kritis dimana osilasi pada pipa terjadi untuk spesifikasi arus

tertentu, didasarkan pada hubungan antara frekuensi natural dari bentang bebas

tersebut dengan kecepatan tereduksi (reduced velocity).

Panjang bentang bebas kritis untuk kondisi osilasi cross‐flow didasarkan pada


_. .. .

. Pers. 2‐55

Sementara itu, panjang bentang bebas kritis untuk kondisi osilasi in‐line didasarkan

pada persamaan berikut ini:

Parameter Tipe Shedding Tipe Osilasi1,0 < Vr < 3,5

Ks < 1,8Vr > 2,2 Asimetris In‐lineKs < 16 Asimetris Cross‐flow

Simetris In‐line



_... Pers. 2‐56

Setelah melakukan perhitungan panjang bentang bebas kritis untuk kedua jenis

osilasi, maka diambil nilai paling kecil dari kedua panjang bentang bebas kritis

tersebut. Pada umumnya panjang bentang bebas kritis untuk kondisi in‐line lebih

pendek bila dibandingkan dengan panjang bentang bebas kritis pada kondisi cross‐

flow. Tetapi dengan pertimbangan faktor ekonomi, pada pelaksanaan di lapangan

mayoritas panjang bentang bebas kritis yang digunakan adalah panjang bentang

bebas kritis untuk kondisi cross‐flow.

2.5.2 Bentang Bebas Kondisi Statik (Static Free Span Analysis)

Perhitungan panjang maksimum bentang bebas pipa pada kondisi statik dilakukan

dengan mengasumsikan kedua ujung pipa yang menggantung, bertumpu pada

perletakan sederhana sehingga dapat dianalisis secara konservatif. Panjang

maksimum dari bentang bebas pada kondisi statik dapat dihitung berdasarkan


. . ..

Pers. 2‐57

dimana:

La = Allowable static free span length

Ce = End restrained constant

I = Moment of inertia

σe = Equivalent stress

=

Dtot = Diameter total dari pipa

W = Beban merata per satuan panjang

=



Ws = Berat pipa terendam (submerged weight)

= 2.

FD = Gaya seret (drag force)

FI = Gaya inersia (inertia force)

Untuk konstanta perletakan ujung bentang (Ce), nilainya berbeda‐beda untuk setiap

jenis perletakan. Pada Tabel 2.8 berikut ini, terdapat nilai Ce untuk setiap jenis

perletakan.

Tabel 2.8 Konstanta Perletakan Ujung Bentang Bebas Pada Analisis Statik

Kekuatan pipa yang ditentukan berdasarkan equivalent stress (Von Mises) yang

terdiri dari hoop stress dan bending stress yang terjadi, dihitung berdasarkan

persamaaan dari standar kode API PR 1111 adalah:

. . , . ..

..

Pers. 2‐58

dimana:

Ws = Submerged Weight

L = Panjang maksimum bentang bebas

Dtot = Diameter terluar pipa

Ds = Diameter luar baja

I = Inersia

Po = Tekanan internal


ts = tebal pipa

Jenis Perletakan Ujung Bentang Cepinned ‐ pinned 8,0fixed ‐ pinned 10,0fixed ‐ fixed 12,0

Analisis Bentang Bebas Statik



Untuk mendapatkan panjang bentang bebas maksimum (L) untuk kondisi statik,

maka perlu dilakukan iterasi dengan batasan‐batasan tertentu. Adapun batasan yang

digunakan pada analisis bentang bebas kondisi statik adalah:

• Longitudinal stress = 0,8 SMYS

• Von Mises stress = 0,9 SMYS

BAB 2 DASAR TEORI DESAIN - Perpustakaan Digital...

Documents

Transcript of BAB 2 DASAR TEORI DESAIN - Perpustakaan Digital...