Analisa Kepecahan Tubular Joint Offshore Struktur

1. Pendahuluan

Perkembangan teknologi lepas pantai saat ini sangatlah pesat, mulai dari struktur terpancang seperti jacket sampai stuktur yang bersifat mobile seperrti FPSO. Hal tersebut tidak lepas dari peranan metode elemen hinga yang mampu memecahkan banyak persoalan di bidang teknik khususnya pada bidang struktur. Banyak kita temukan dilapangan bahwa analisa kepecahan (fracture mechanics) menjadi hal yang sangat penting dan lazim digunakan pada stuktur-struktur yang mengalami pembebanan secara siklis (dinamis) khususnya diakibatkan oleh beban arus dan gelombang, beban ini menyebabkan terjadinya akumulasi tegangan yang sangat besar pada daerah tertentu. Daerah ini adalah daerah batas antara ujung ujung sambungan, yaitu sambungan-sambungan antara brace dan struktur utama.

Jika suatu struktur telah melewati umur kelelehannya maka akan terjadi sebuah keretakan (crack) yang nantinya dapat menyebabkan adanya kegagalan (failure) pada struktur. Dengan penemuan besar ladang minyak dan gas di perairan lepas pantai di seluruh dunia pada 1960-an dan 1970-an, ada kebutuhan mendesak dalam memperoleh data bagi pengembangan desain jaket struktur bahkan aturan-aturan yang terkait. Akibatnya, banyak program-program penelitian pada sambungan tubular dan sebagian besar aktivitas ini melibatkan pengujian laboratorium atas tubular joint statis kelelahan akibat beban.

Saat ini penggunaan perangkat lunak tersedia secara luas dan mampu membantu dalam proses perhitungan yang lebih rumit sekalipun. Proses pengerjaanpun menjadi lebih cepat. Hal ini berkembang sejalan dengan pneggunaan metode elemen hingga (Finite Element Method) dalam perhitungan numerik. Didalam peper ini akan membahas peranan metode elemen hingga dalam menyelesaikan masalah-masalah secara numerik yang terkait dengan struktur tubular joint.

2. Static strength analysis

Simulasi numerik dengan menggunakan metode elemen hingga dan dengan proses kalibrasi percobaan akan mendapatkan hasil percobaan yang lebih akurat. Hal ini akan dapat memperoleh atau mendapatkan nilai dari initial stiffness, mode (s) kegagalan, ultimate load dan load-deformasi respon secara komplit didalam model tubular joint. Penelitian-penelitian sebelumnya teleh mendapatkan hasil dari studi parametric trhadap tipe-tipe tubular join, antara lain sambungan T atau T Join (Van der Valk), kombinasi T dan X joint (Van der Vegte), KK Joint (Lee and Wilmshurst).

3. Model and Mesh Generation

Beberapa paket perangkat lunak komersial, termasuk PATRAN, FEMGEN, ANSYS dan ABAQUS / PRA, memiliki kemampuan untuk menghasilkan mesh yang kompleks pada struktur tubular member. Dexter, dalam studinya mengalami overlap dan gap K-joint, hal ini telah membuat evaluasi pada PATRAN, FEMGEN dan ANSYS.Dari ketiganya diperoleh bahwa penggunaan ANSYS relatif lebih fleksibel dan mudah digunakan, sedangkan PATRAN dan FEGMEN tampak lebik kompleks. Meskipun PATRAN pada meshing menawarkan pilihan lebih fleksibel, tetapi menuntut jumlah memori yang lebih tinggi kinerjanya sebagai persyaratannya.

Finite Elemen discretisation adalah hal yang harus dilakukan yang bertujuan untuk memperoleh mesh yang cukup baik sehingga menghasilkan solusi yang lebih akurat, sementara meminimalkan waktu komputasi. Dalam kasus parametrik di mana model yang dihasilkan akan digunakan untuk sejumlah besar data dalam analisis. Studi konvergensi harus dilakukan untuk menentukan elemen kepadatan, dan tata letak, diperlukan untuk menangkap gradien tegangan tinggi di intersection. Hal ini dapat dicapai baik dengan meningkatkan jumlah elemen, h-refinement, atau menggunakan elemen yang lebih tinggi, p-refinement. Elemen shell, yang terakhir ini biasanya berarti menggunakan delapan noded kuadrat bukan empat elemen-elemen linier noded.

4. Dasar analisis

Secara umum, setiap program yang menggunakan bantuan Finite Element (FE) dalam penyelesaiannya mengacu pada elemen yang telah shell dan solid, model merupakan geometrik dan bahan (baja) berperilaku non-linear dapat digunakan untuk analisis kekuatan (strength analysis). Berbagai masukan data yang diperlukan untuk analisis FE antara lain: (a) the model geometry and material properties, (b) the boundary and the loading conditions, (c) the solution methods and controls, dan (d) hasil yang diinginkan untuk menjadi outputnya. Perilaku bahan linear didefinisikan oleh Young's modulus elastisitas E dan Rasio Poisson (v). Untuk baja, umumnya diasumsikan bahwa materi akan mematuhi von Mises 'menghasilkan kriteria yang terkait dengan aliran Reuss Prandtl-aturan.

5. Pendekatan model

Walaupun metode FE telah terbukti menjadi handal dan metode ini termasuk dalam kategori hemat biaya dalam memperoleh pemahaman dan menghasilkan data, ada keterbatasan dalam penggunaannya. Belum adanya mayoritas kode analisis yang digunakan tidak memungkinkan untuk material cracking dan mode kegagalan fracture-related. Beberapa peneliti telah berusaha untuk memasukkan fracture ke analisis code tersebut. Ilmuan pemula yang bekerja dalam hal ini yaitu Jubran dan Cofer yang menganalisa dari Kompleksitas dan biaya fracture dan termasuk efek pada kekuatan statis analisis. Pendekatan umum yang lain dari analisis numerik, sebagai lawan dari pengujian eksperimental, adalah bahwa kontak permukaan terdapat deformasi yang berlebihan. Dalam tes joint, kontak antara bagian joint yang berbeda akan mengakibatkan buckling / large deformation.

6. Stress Analysis

Meskipun analisis kekuatan dan stres serupa dalam banyak hal, ada juga daerah-daerah yang jelas-jelas berbeda. Tujuan utama melakukan analisis stress dari struktur tubular joint ini adalah untuk memperoleh informasi mengenai hot-spot stres (HSS) da hal ini memungkinkan konsentrasi tegangan di sekitar persimpangan sehingga daerah ini sering digunakan untuk analisis kelelahan. HSS adalah stres di wilayah penekanan paling tinggi dalam sebuah struktur dan diperkirakan mencirikan kelelahan pada struktur tubular joint tersebut. HSS umumnya terjadi pada suatu diskontinuitas, seperti daerah dibawah daerah pengelasan (weld), di mana inisial kelelahan retak diharapkan mulai dari daerah ini. Saat ini ada dua definisi yang menginterpretasikan untuk HSS:

1. HSS Lokal: didefinisikan sebagai puncak mengelas stres di kaki,. Definisi ini menggabungkan efek stres nominal, geometrik stres dan stres lokal. Hal penting untuk dicatat bahwa HSS lokal adalah tergantung pada geometri weld lokal.

2. Geometris HSS: ini didefinisikan sebagai geometris puncak stres pada kaki weld.

6.1 Kalkulasi HSS menggunakan Finite Element

6.1.1 Pemilihan dri pada elemen dan mesh density

Pada umumnya shell element yang digunakan adalah tubular joint. Pilihan jenis elemen, tebal atau tipis, adalah hal yang digunakan untuk analisis kekuatan (strength analysis). Morgan membandingkan hasil yang diperoleh (HSS) UNTUK dua K-Joint geometri dengan β = 0.5, Г = 0.7, ζ = 0.2, θ = 45º dan γ = 10 dan 25. Aturan umumnya bahwa mesh density diperlukan untuk analisis tegangan secara signifikan lebih tinggi dari pada yang diperlukan untuk analisis kekuatan. Jumlah elemen yang dibutuhkan untuk hasil yang akurat mungkin lebih dari dua kali lipat dan, sekali lagi, penting untuk menentukan tingkat perbaikan oleh studi konvergensi.

6.1.2 Extraction of HSS in shell models

Dalam analisis numerik solid weld tidak secara eksplisit dimodelkan seperti menggunakan shell element yang tipis, penentuan HSS telah dipelajari secara mendalam. Mid-surface pemodelan menggunakan shell elemen tidak dapat secara akurat menggambarkan ketidaksinambungan geometris di weld toe untuk kompleksitas tiga dimensi stres state, dan karena itu akan memberikan distribusi stres yang berbeda dari situasi aktual. Karena tidak ada model lokal pada pertengahan permukaan model, hal ini masuk akal untuk pendapat bahwa tidak ada lokal stress akan dihapus oleh ekstrapolasi.

Meskipun stres komponen tegak lurus pada persimpangan umumnya dianggap memiliki pengaruh langsung pada pertumbuhan fatigue crack, Burdekin telah menunjukkan validitas memperoleh HSS menggunakan Absolute maksimum Principal Stress (MAPS). Morgan, ketika menyelidiki stress pada struktur K-joint dan menemukan bahwa principel stress pada daerah dalam dan permukaan luar joint berubah dengan geometri dan lokasi di sekitar persimpangan.

6.2 Kalkulasi HSS menggunakan tehnik sub-modelling finite element

6.2.1 Shell to soil

Sub-pemodelan (sub-modelling) adalah teknik analisis bagian lokal dari suatu model, berdasarkan interpolasi dari solusi model secara global ke batas yang sesuai node dari sub-model. Metode ini sangat sesuai untuk tubular model gabungan dimana tegangan hanya diperlukan dalam proximity of the intersection. Oleh karena itu, mungkin untuk menggunakan model global yang terdiri dari mesh kasar pada thin-shell element tanpa weld modelling untuk menggerakkan lebih kompleks model lokal dengan eksplisit weld modelling, menggunakan solid elements.

6.2.2 Weld modeling

Weld geometri di persimpangan antar dua tubular member sangat rumit dan sulit untuk model yang akurat. Hal ini terutama karena profil mengelas adalah fungsi dari sudut dihedral (ψ), yang bervariasi dengan posisi di sekitar persimpangan. Sebuah pendekatan yang lebih aktual pada pengelasan profil dapat diperoleh dengan menggunakan silinder konsentris untuk model weld volume, materi geometri yang disederhanakan. Penting untuk memastikan bahwa profil mengelas yang diharapkan hot-spot stres sesuai dengan spesifikasi desain.

7. Fracture Analysis

Untuk offshore tubular struktur, meskipun kekuatan utama adalah kinerja utama kriteria pada tahap desain, kelelahan menjadi penilaian terhadap service life pada struktur tersebut. Ketika fatigue crack terdeteksi oleh in-service inspeksi, analisa fracture mechanics pada joint menjadi sangat penting dilakukan dalam hal ini membutuhkan solusi faktor intensitas tegangan sebagai input parameter. Intensitas tegangan faktor dapat dihitung dari rumus empiris seperti formula dari Rhee. keandalan tersebut belum terbukti. Satu-satunya alternatif saat ini adalah untuk melaksanakan analisis FE.

(By: Sholihin Alfansuri. Teknik kelautan - ITS)