Bab IV Perencanaan Expansion Spool dan Anchor · PDF file... (Single Point Mooring). ... Total...

BAB 4 PERENCANAAN EXPANSION SPOOL DAN ANCHOR BLOCK

LAPORAN TUGAS AKHIR 4 1

BAB IV PERENCANAAN EXPANSION SPOOL DAN

ANCHOR BLOCK PERENCANAAN PIPA DAN EXPANSION SPOOL PADA PIPA PENYALUR SPM

4.1. UMUM

Temperatur dan efek tekanan akan menyebabkan jalur pipa mengalami pemuaian panjang

sampai dengan batas tertentu. Pada suatu jaringan pipa, pada saat dalam tahapan operasi, pipa

akan langsung dialiri oleh fluida hasil produksi yang pada umumnya masih bersuhu tinggi,

tingginya suhu ini dapat menyebabkan pipa memanjang. Perpanjangan ini dapat menyebabkan

terdesaknya jaringan struktur pipa penyalur SPM (Single Point Mooring).

Untuk mengatasi pertambahan panjang yang dialami oleh pipa penyalur, agar tidak mendesak

PLEM (Pipe Line End Manifold), maka direncanakan suatu konfigurasi pipa yang dinamakan

expansion spool. Dengan adanya expansion spool ini, maka pertambahan panjang yang dialami

oleh pipa penyalur tidak akan mendesak PLEM. Selain expansion spool, perlu didesainkan pula

anchor block di darat agar jaringan pipa di darat stabil dan tidak menganggu fasilitas yang

terdapat di ujung pipa. Untuk merencanakan expansion spool dan anchor block, perlu diketahui

pertambahan panjang pipa yang akan terjadi nantinya. Untuk memodelkan pertambahan

panjang pipa ini, dapat dengan menggunakan PC‐Based Pipe Stress Analysis Software Program.

Pada umumnya, program yang digunakan ini biasa digunakan untuk Mechanical Design. Menu

yang dapat dilakukan antara lain thermal strain yang dapat diserap oleh pipa, supports, dan

komponen yang digunakan pada sistem perpipaan (Attached equipment). Akan tetapi

perangkat lunak ini tidak hanya dibatasi untuk analisis thermal dari sistem perpipaan. Program

ini juga mampu membuat dan menganalisa model untuk kondisi pembebanan statik dan

dinamik yang bekerja pada sistem perpipaan.



Untuk analisis desainnya, program ini dibatasi oleh aturan yang ditetapkan oleh Komite ASME

B31 untuk sistem perpipaan, Komite ASME Section VIII untuk bejana tekan, dan Badan Research

Pengelasan yang memproduksi pipa dan peralatan yang berhubungan yaitu API , NEMA, dan

EJMA. Pemodelan yang dilakukan akan menghasilkan gambaran tingkat tegangan dan

fleksibilitas dari pipa dalam menanggung beban yang ditimpakan kepadanya.

Pada bab ini pemodelan sistem jaringan pipa akan difokuskan untuk melihat pertambahan

panjang yang diakibatkan oleh suhu operasional, yang kemudian akan menyebabkan perubahan

tegangan pada material pipa baja. Jika tegangan yang terjadi melebihi tegangan ijin yang

diperbolehkan, maka dilakukan perencanaan pipa expansion spool yang berguna untuk

mereduksi kelebihan beban tegangan pada sistem jaringan pipa. Terdapat dua kondisi yang

akan ditampilkan dalam proses pemodelan ini, yaitu keadaan operation dan sustained. Dalam

perangkat lunak ini tekanan akibat aliran fluida diabaikan, hanya tekanan operational, suhu dan

berat dari fluida yang diperhitungkan.

4.2. EXPANSION SPOOL

4.2.1. UMUM

Seperti telah dibahas sebelumnya bahwa pipa baja yang bekerja dalam suhu operasional yang

tinggi akan mengalami pertambahan panjang akibat pemuaian. Oleh sebab itu maka sebelum

disambungkan pada jalur pipa, perlu dilakukan investigasi mengenai dampak pertambahan

panjang (muai) terhadap sistem perpipaan.

Investigasi dilakukan dengan cara mengiterasi nilai displacement pada sistem jaringan pipa yang

menyebabkan tegangan pada sistem jaringan pipa tersebut melebihi tegangan yang diijinkan

oleh kode. Nilai displacement yang menyebabkan sistem jaringan tersebut mengalami kondisi

kritis kemudian digunakan sebagai input data dalam perhitungan perencanaan expansion spool.

Metode yang dilakukan dalam perencanaan expansion spool ini dapat dilihat pada Gambar 4.1.



Gambar 4. 1 Metode pemodelan dan perencanaan Expansion Spool.

Terdapat beberapa faktor internal yang mempengaruhi besar displacement yang terjadi pada

sistem perpipaan, antara lain:

Berat material pipa dan fluida

Tekanan operasional

Suhu operasional

Sedangkan faktor external yang bekerja pada sistem perpipaan adalah:

Beban gelombang

Beban arus

Beban angin

Kombinasi pembebanan yang digunakan dalam pemodelan sistem jaringan pipa ini dapat dilihat

pada Tabel 4.1.

LAPORA

Pada per

hasil per

Tegan

pada

defle

bend

bend

Tegan

Fakto

tegan

Tegan

berda

Pada

Tegan

N TUGAS AK

rangkat luna

modelan, ya

ngan bendin

kolom atau

ksi dengan

ing berban

ing pada m

ngan torsi (t

or intensifika

ngan pada sa

ngan kode

asarkan inp

kasus ini me

ngan ijin (all

B

KHIR

Jenis P

Su

Op

Note: W = BeP1 = TeT1 = Su

ak ini terda

aitu;

ng (bending

u balok yang

arah tegak

ding lurus

aterial.

tortion stress

asi tegangan

ambungan.

(code stre

ut data dan

enggunakan

owable stre

Tabel 4. 2 Fak

BAB 4 PEREN

Tabel 4. 1 Ko

Pembebanan

ustained

peration

erat material pipekanan Operasiouhu Operasional

apat bebera

stress), pada

g terkena be

k lurus kolo

dengan be

s), gaya akib

n (stress int

ess), merup

n mengguna

n kode ASME

ess), merupa

ktor Desain Pad

NCANAAN EX

ombinasi Pemb

KombinaW+P1 W+P1 +WW+P1+T1W+P1+T1

pa dan fluidaonal l

pa jenis teg

a pipa yang

eban aksial p

om. Sehingg

esar tegang

bat momen p

tensification

pakan tega

akan kode t

E B31.8, anta

kan teganga

da Pipa Offsho

XPANSION S

bebanan

asi Pembeba

WAV1 +WAV2

WAV1 =WAV2 =

gangan yang

terkena beb

pada kedua

ga dapat di

an aksial y

puntir.

factor), me

angan maks

tertentu yan

ara lain:

an iijin yang

re ( ASME B 31

SPOOL DAN

nan

Beban gelomba Beban gelomba

g dapat dike

ban aksial pa

ujungnya m

simpulkan b

yang mengh

erupakan fak

simum pad

ng ditujukan

diperbolehk

1.8, 1995)

ANCHOR BL

ang (1 years) ang (100 years)

eluarkan seb

ada kedua u

maka akan te

bahwa tega

hasilkan mo

ktor peningk

da tiap seg

n sebagai ac

kan oleh kod

LOCK

4 4

bagai

ujung,

erjadi

angan

omen

katan

gmen

cuan.

de.



Selain itu, perangkat lunak ini juga dapat mengeluarkan output lain berupa:

Displacement yang terjadi pada sistem perpipaan

Gaya‐gaya yang terjadi pada sistem perletakan pipa

4.2.2. PEMODELAN SISTEM PIPA DAN EXPANSION SPOOL

Input dari program ini dapat dilihat pada Gambar 4.2 dan 4.3. Input dari program ini

merupakan parameter‐parameter perhitungan yang telah dijabarkan pada BAB 3.

Gambar 4. 2 Piping Input



Gambar 4. 3 Wave Load and Load Cases

Gambar 4. 4 Plot Input dari Program CAESAR II sebelum ada expansion spool.



Output dari program ini dapat dilihat pada Gambar 4.5 dan 4.6.

Gambar 4. 5 Displacement Output (Before Expansion Spool, Operation Phase)

Gambar 4. 6 Stresses Output (Before Expansion Spool, Operation Phase)

Dengan adanya pertambahan panjang pada sistem perpipaan, maka akan muncul tekanan

aksial pada arah longitudinal akibat muai panjang. Pada ujung yang terhubung dengan jalur

pipa yang tergelar di bawah laut akibat pergerakannya tertahan.

LAPORA

Total dis

in. Sedan

spool dap

Dengan m

Kemudia

tegangan

ditentuka

N TUGAS AK

placement y

ngkan diame

pat di hitung

mengasums

n dilakukan

n yang terja

an.

B

KHIR

yang akan d

eter dari pip

g berdasarka

Gambar 4.

ikan nilai H d

n pemodela

adi pada pip

BAB 4 PEREN

di akomodas

pa nya adal

an diagram p

. 7 Nomograf u

dan W sama

an ulang te

pa. Teganga

NCANAAN EX

si oleh sistem

ah 32 in. M

pada Gamba

untuk Menentu

a, maka L2 =

rhadap sist

an ini tidak

XPANSION S

m jaringan e

Maka, besarn

ar 4.7.

ukan Ukuran L

2H + W = 10

tem perpipa

boleh mele

SPOOL DAN

expansion sp

nya tekukan

oop.10

00 ft, maka

aan. Lalu, d

ebihi batas‐b

ANCHOR BL

pool adalah

pada expan

H = W = 33.

dihitung kem

batas yang

LOCK

4 8

8.23

nsion

33 ft.

mbali

telah



Plot input dari sistem perpipaan setelah ada expansion spool dapat dilihat pada Gambar 4.8

dan 4.9.

Gambar 4. 8 Plot Input dari Program CAESAR II setelah ada expansion spool.

Gambar 4. 9 Expansion Spool close up.



Output dari hasil pemodelan ulang dapat dilihat pada Gambar 4.10.

Gambar 4. 10 Konfigurasi expansion spool yang terdefleksi

Stress (tegangan) yang terjadi pada pipa dapat dilihat pada Gambar 4.11 dan 4.12.

Gambar 4. 11 Stress yang terjadi pada pipa (Node 10 – 13140).

0

20000

40000

60000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Stress

Node

Stress SMYS 0.9 * SMYS



Gambar 4. 12 Stress yang terjadi pada pipa (Fokus pada Node 10 – 690).

Dapat dilihat pada grafik di atas, stress yang terjadi pada pipa tidak melebihi stress yang

diizinkan, yaitu 0.9 SMYS.

4.3. ANCHOR BLOCK

Anchor block direncanakan dengan memperhatikan beberapa aspek, yaitu kekuatan anchor

block tersebut dalam menahan beban yang diberikan oleh pipa dan kestabilan anchor block

tersebut di atas tanah.

4.3.1. PONDASI ANCHOR BLOCK

Jenis pondasi yang digunakan adalah pondasi telapak. Pondasi telapak adalah suatu pondasi

yang mendukung bangunan secara langsung pada tanah pondasi, bilamana terdapat lapisan

tanah yang cukup tebal dengan kualitas yang baik yang mampu mendukung bangunan itu pada

permukaan tanah atau sedikit di bawah permukaan tanah.

Pondasi telapak harus direncanakan sedemikian rupa sehingga keadaan‐kedaan berikut ini

tercapai:

1. Struktur stabil secara keseluruhan, yaitu stabil dalam arah vertical, arah horizontal dan

terhadap guling (overtunning).

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Stress

Node

Stress SMYS 0.9 * SMYS



2. Pergeseran bangunan (besarnya penurunan, sudut kemiringan dan pergeseran mendatar),

harus lebih kecil dari nilai yang diizinkan. Untuk pondasi telapak biasa, perhitungan

pergeseran ini tidak perlu dilakukan.

3. Bagian‐bagian pondasi harus memiliki kekuatan yang dibutuhkan.

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 4.13.

Dalam merancang struktur‐struktur kadangkala diperlukan perhitungan tekanan tanah yang

bekerja pada struktur. Pada kenyataanya sangatlah sulit menentukan perubahan tekanan yang

disebabkan oleh tanah isian, akibatnya tekanan tanah statis yang berhubungan dengan

perubahan tidak dapat ditentukan dengan jelas. Sehingga dipakailah perhitungan tekanan

tanah aktif dan pasif dalam perencanaan praktis. Rumus yang digunakan dalam perhitungan

tekanan tanah pasif dapat dilihat pada persamaan 4‐1.

. · · · (4‐ 1)

Dimana:

Fp = Passive earth pressure

γ = Massa jenis tanah

H = Tinggi bidang kerja tekanan pasif

= Angle of friction

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, bahwa struktur pondasi ini harus stabil secara

vertical. Oleh karena itu, gaya vertical yang bekerja pada dasar pondasi tidak boleh melebihi

daya dukung (bearing capacity) tanah pondasi yang diizinkan. Daya dukung tanah pondasi yang

diizinkan, dihitung dengan persamaan berikut ini.

(4‐ 2)

Dimana:

Qu = daya dukung ultimate tanah pondasi

n = factor keamanan



Gambar 4. 13 Prosedur perencanaan anchor block8



Selain dari perhitungan bearing capacity‐nya, harus di check pula terhadap gaya uplift dari pipa.

Total berat dari anchor block harus lebih besar dari total gaya uplift dari pipa. Perhitungan yang

dapat digunakan adalah sebagai berikut:

(4‐3)

Dimana:

W = Berat total Anchor Block

V = Volume Anchor Block

ρconc = Massa jenis beton

(4‐4)

Dimana:

Fv = Vertical uplift dari pipa

Fy = Gaya arah y dari pipa

Mx = Momen arah x dari pipa

Mz = Momen arah z dari pipa

B = Lebar anchor block

L = Panjang anchor block

Safety factor terhadap uplift force hendaknya lebih besar dari 2.0.

Selain stabil secara vertical, pondasi juga harus stabil terhadap guling (overtunning). Kestabilan

terhadap guling diperiksa berdasarkan besarnya kedudukan kerja (eksintrisitas) gaya resultante

yang ditimbulkan oleh beban‐beban yang bekerja. Dengan istilah lain, kedudukan kerja gaya

resultante pada dasar pondasi, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.14 Harus selalu

diusahakan agar terletak di dalam batas 1/3 lebar dasar pondasi tersebut, diukur dari kedua

sisinya. Jika keadaan ini tidak terpenuhi, perlu dilakukan perencanaan kembali dengan

mengubah lebar pondasi, sehingga keadaan tersebut dapat dipenuhi. Safety factor untuk

kestabilan terhadap guling hendaknya lebih besar dari 2.0.



Gambar 4. 14 Kedudukan kerja dari gaya resultante8

Kestabilan yang perlu di‐check berikutnya adalah kestabilan dalam arah mendatar. Gaya

mendatar yang bekerja pada dasar pondasi tidak boleh melebihi daya dukung mendatar yang

diizinkan dari tanah pondasi. Daya dukung mendatar yang diizinkan dari tanah pondasi tersebut

dihitung dengan persamaan berikut:

(4‐5)

Dimana:

Ha = daya dukung mendatar yang diizinkan

Hu = daya dukung mendatar batas

n = factor keamanan

Sedangkan Hu dihitung dengan persamaan berikut:

· · (4‐6)

Dimana:

Hu = daya dukung mendatar batas

CB = kohesi antara dasar pondasi dan tanah pondasi (tabel 4.3)

= sudut geser antara dasar pondasi dan tanah pondasi (tabel 4.3)

A’ = luas pembebanan efektif

V = beban vertical



Tabel 4. 3 Susut geser serta kohesi antara dasar pondasi dan tanah pondasi8

Kondisi Sudut Geser Kohesi

Tanah dengan beton 23

0

Batuan dengan beton tan 0.6 0

Tanah dengan tanah atau C

Batuan dengan batuan

Dan besarnya gaya yang menyebabkan sliding dihitung dengan persamaan berikut:

(4‐7)

Dimana:

Fs = Gaya Sliding

Fp = Passive earth pressure

Fx = Gaya arah x dari pipa

Fz = Gaya arah z dari pipa

Safety factor serhadap sliding hendaknya lebih besar dari 1.5.

Karena pada pondasi telapak, beban disalurkan langsung dari dasar pondasi ke tanah pondasi,

maka permukaan dasar harus dibuat rata sehingga beban dapat disalurkan secara merata pula.

Setelah penggalian selesai dilakukan, biasanya tanah pondasi ditutup dengan batu pasang

(coble stones) atau bahan hancuran yang dihasilkan oleh mesin pemecah batu, lalu dipadatkan

baik‐baik. Tinggi lapisan penutup yang telah dipadatkan ini biasanya antara 10 sampai 30 cm.

Selanjutnya, untuk mempersiapkan agar besi‐besi penulangan tetap pada tempatnya, serta

untuk mejaga agar pondasi tepat letaknya, suatu lapisan beton setebal kira‐kira 10 cm dipasang

diatas pasangan batu tersebut. Gagasan secara umum untuk pelaksanaan ini dapat dilihat pada

Gambar 4.15. pada prisnsipnya, pekerjaan konstruksi untuk pondasi telapak ini harus dilakukan

dalam keadaan kering.



Gambar 4. 15 Bangunan pondasi, untuk tanah pondasi biasa (atas), untuk batuan dasar (tengah) dan bila

digunakan rusuk (bawah).8

4.3.2. BETON ANCHOR BLOCK

Material beton dipilih karena memiliki beberapa keuntungan, diantaranya yaitu:

1. Tahan terhadap api



Bangunan beton memiliki ketahanan terhadap api selama 1 – 3 jam tanpa harus dilindungi

bahan tahan api (bangunan kayu dan baja harus dilindungi bahan tahan api untuk

mencapai tingkat ketahanan yang sama).

2. Kekakuan

Kekakuan dan massa yang lebih besar sehingga dapat mengurangi goyangan akibat angin

dan getaran lantai (akibat pengaruh orang berjalan).

3. Biaya perawatan yang rendah

4. Ketersediaan material

Pasir, kerikil, semen, air dan fasilitas pencampuran beton mudah diperoleh.

Baja tulangan lebih mudah dibawa ke lokasi konstruksi dibandingkan profil baja.

5. Ekonomis

Pada dasarnya, terdapat beberapa tahap dalam pendesainan suatu struktur beton, yaitu:

1. Tahap 1: Pendefinisian kebutuhan dan prioritas klien.

• Tinjauan fungsi

• Tinjauan keindahan/ estetika

• Tinjauan pendanaan/ budget

2. Tahap 2: Pengembangan konsep desain

• Pengembangan alternatif layout struktur

• Memperkirakan ukuran awal komponen struktur dan biaya untuk masing2 alternatif

• Memilih sistem struktur yang paling optimal

3. Tahap 3: Desain sistem struktur

• Analisis struktural ( berdasarkan desain awal)

• Desain elemen/ komponen struktur

Anchor block ini didesain kuat terhadap kegagalan lentur dan kegagalan geser.

Algoritma penentuan tulangan lentur diuraikan secara ringkas sebagai berikut di bawah ini:

1. Menentukan Mu (momen ultimit) baik positif maupun negatif. Mu diperoleh dari

perhitungan analisis struktur berdasarkan beban kerja (applied load).



2. Menghitung Mn perlu,

Mn perlu = b

uMφ

, dimana Øb = 0,85 – 0,90

3. Tentukan preliminary desain penampang balok

)]59,01('[2

ωωφ −=

cfM

bd u

4. Usahakan nilai d/b berkisar antara 1,5 – 2,0

5. Menghitung jd asumsi,

jd asumsi untuk balok adalah 0,85d.

6. Dari jd asumsi dihitung As asumsi,

As asumsi = jdf

M

y

n

7. Check jd asumsi dengan melakukan perhitungan:

a = bf

fA

c

ys

'**85,0

2adjd −=

8. Hitung As yang dibutuhkan,

dy

ns jf

MA =

9. Check As terhadap As minimum dan As maksimum

As miminum = dbfy

cfw4

' atau As minimum = db

fy w4,1

As maksimum dibatasi oleh kondisi balanced reinforced

c1

y y

0.85f ' 600b = bf 600+ f

ρ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

(SNI 2002)

Syarat tulangan maksimum desain: bρρ 75,0≤

Adapun algoritma dalam perencanaan tulangan geser adalah:

1. Menentukan harga gaya geser ultimate untuk balok, Vu

2. Menghitung harga kuat geser nominal yang menahan gaya geser ultimate, Vn



Vn = v

nVϕ

; dimana φv = 0,75

3. Menghitung kuat geser beton, Vc

Vc = dbcf

w6'

4. Menghitung harga kuat geser dari baja yang diperlukan, Vs

Vs = Vn ‐ Vc

5. Mengasumsikan besar tulangan geser ,d yang akan digunakan untuk perencanaan geser, Av

asumsi.

Dimana Av asumsi = 2 * 0.25 * π * d2

6. Hitung jarak antar tulangan transversal/ spasi, s

Vs = sfydAv

7. Bandingkan spasi yang diperoleh dengan spasi maksimum, s maks

S maks = 2d

8. Bandingkan Av asumsi dengan Av minimum

Av minimum = fysbw

31

9. Bandingkan spasi yang diperoleh dengan spasi maksimum, s maks

S maks = 2d

10. Bandingkan Av asumsi dengan Av minimum

Av minimum = fysbw

31

Pembatasan :

1. Vs > '[ ]

3fc

bw d ; Smax = 4d ≤ 600 mm



2. Vs ≤ '[ ]

3fc

bw d ; Smax = 2d ≤ 600 mm

3. Vs > 2 '[ ]

3fc

bw d PERBESAR PENAMPANG

4. As minimum = 3bwS

Fy supaya tidak terjadi “Splitting Concrete” (Brittle Failure)

4.3.3. PERENCANAAN ANCHOR BLOCK

Tabel 4. 4 Design Data

Parameter Value Units

Pipe OD , d 32.00 inches Concrete grade 175 kg/cm2 Tensile strength of steel, fy 4200 kg/cm2 Density of concrete 2400 kg/m3 Density of soil, γ 1800 kg/m3 Angle of friction, φ (Backfill material) 35.0 0

Angle of friction, φo (Original Soil) 30.0 0

Cohession of soil, 20 kg/m2 Fx 4957 kgFy 0 kgFz 0 kgMx 20 kgm My 0 kgm Mz 0 kgm Depth of pipe from top of concrete, db 0.40 mDepth of pipe from top of soil, hp 1.00 m



Gambar 4. 16 Sketsa Anchor block

Setelah dilakukan perhitungan, didapatkan dimensi anchor block:

Pipe Diameter VOL L1 L2 B H1 H2 db hp ( m3 ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) ( m )

32" 2.31 0.80 2.40 2.00 0.80 1.10 0.40 1.00

Dengan tulangan D16mm – 150mm pada concrete block dan tulangan D16mm – 200mm pada

footing slab (pondasi dangkal). Perhitungan lengkap anchor block dapat dilihat pada Lampiran

dari Laporan Tugas Akhir ini.

Bab IV Perencanaan Expansion Spool dan Anchor · PDF file... (Single Point Mooring). ... Total...

Documents

Transcript of Bab IV Perencanaan Expansion Spool dan Anchor · PDF file... (Single Point Mooring). ... Total...