Kalau dilihat dari perubahan perioda (3.66-3.47)/3.47x 100% = 5,5% atau perubahan natural frek (1/3.47-1/3.66)/(1/3.47) =5.2% dapat meningkatkan fatigue life sampai puluhan atau ratusan kali lipat ‘kelihatannya’ aneh. Namun grafik magnification factor untuk struktur baja dengan rasio redaman (damping ratio) yang kecil (biasanya kira2 0.005) sangatlah terjal dan kurus (apalagi kalau redamannya dianggap nol). Pada kondisi seperti ini maka penggeseran sedikit saja pada frek pribadi dapat menurunkan getaran secara signifikan.

Tanya – Iqbal M

Rekan-rekan sekalian,

Mohon advice rekan2 sekalian terkait analisa fatigue di offshore platform. Case sbg berikut:

1. Platform empat kaki

2. kedalaman air sekitar 60m

dengan adanya bbrp perubahan di topside maka dilakukan analisa ulang thd fatigue di Jacket. Jacket tetap sama, hanya topside yg berubah

Muncul pertanyaan, mengapa hasil analisa ulang mnunjukkan fatigue life naik hampir 2 kali lipat di joint2 jacket. padahal member di jacket tsb tetap sama size dan thicknessnya?

sbg info tambahan:

1. Analisa awal. converted load for modal analysis = 3290 mton. periode natural = 3.47 secs

2. Analisa ulang. converted load for modal analysis = 3565 mton. periode natural = 3.66 secs

Mohon advice rekan-rekan. mengapa hal ini bisa terjadi? Saya masih awam terkait fatigue.

Trm ksh sebelumnya.

Tanggapan 1 – aryo.seto

Mas iqbal, itu bisa saja terjadi

Itu disebabkan karena periode natural analisis yg pertama mungkin lebih dekat ke periode gelombangnya. Coba di cek, periode gelombangnya, kemungkinan dekat dengan periode naturalnya.
Kalo pake stochastic method, coba liat center of damagenya kemungkinan dekat sama periode natural strukturnya.

Tanggapan 2 – Galih Heru Prasetyo

Pak Iqbal,

Menurut saya, kalau yang berubah hanya massa (sehingga mempengaruhi Natural Period), bisa di check data gelombangnya (scatter diagram), mungkin pada Periode ‘yg mendekati 3.47 s’ dan wave height besar memiliki occurance yg lebih tinggi . CMIIW..

Tanggapan 3 – budi setyo

Pak Igbal,

Dari Rumus Frekuensi natural dari SDOF sederhana spt dibawah (asumsi, damping tidak ada dan lokasi penambahan masa tidak diperhitungkan)

f_n = frac{1}{2pi} sqrt{frac{k}{m}} ,

maka variabelnya hanya k (stiffness) dan m (mass).

Dimensi, ukuran dan tebal dari material kaki kaki jacket tidak berubah, sehingga dianggap stifness (k) tidak berubah. Karena ada penambahan berat di deck, yang artinya adanya penambahan massa (m), maka natural frekuensi menjadi lebih kecil (pendek) atau periode natural menjadi lebih besar.

Dalam analisa struktur dengan beban periodik (cyclic loads) yang salah satunya bisa dari beban gelombang, maka yang paling diperhatikan dalam analisa dinamik adalah kedekatan periode natural stuktur dengan periode bebabncyclic (dalam hal ini periode gelombang) itu sendiri. Karena jika berdekatan akan terjadi resonansi, sehingga faktor dynamic DAF (Dynamic Amplification Factor) juga akan meloncat tinggi juga.

Hal ini yang mendasari struktur fixed (spt jacket) didesain cukup rigid, agar periode naturalnya jauh dari periode gelombang utama, sehingga DAF nya juga tidak terlalu berakibat significant ke struktur integritas (CMIIW). Jadi mohon hati hati untuk menambah massa (berat) pada desain bangunan laut, baik fixed, maupun floating.

Tanggapan 4 – Iqbal M

Rekan-rekan sekalian,

terima kasih byk atas sharenya. mudah2an ilmu-pengalamannya terus bermanfaat.

Tanggapan 5 – zaitbpau

Pak Iqbal Yth,

Kalau dilihat dari perubahan perioda (3.66-3.47)/3.47x 100% = 5,5% atau perubahan natural frek (1/3.47-1/3.66)/(1/3.47) =5.2% dapat meningkatkan fatique life sampai puluhan atau ratusan kali lipat ‘kelihatannya’ aneh. Namun grafik magnification factor untuk struktur baja dengan rasio redaman (damping ratio) yang kecil (biasanya kira2 0.005) sangatlah terjal dan kurus (apalagi kalau redamannya dianggap nol). Pada kondisi spt ini maka penggeseran sedikit saja pada frek pribadi dapat menurunkan getaran secara signifikan.

Agar mudah dipahami bayangkan grafik tsb berupa gunung yang sangat terjal dan menjulang tinggi. Mula2 bayangkan kt berdiri di dekat puncak gunung tersebut dan diikat pada helikopter yang ‘mengapung di atas kita’. Selanjutnya bayangkan gunung terjal tsb digeser menjauh sedikit saja tapi krn kt digantung di helikopter maka posisi horizontal kt tdk bs pindah tapi kedudukan vertikal kt akan turun jauh kalau kaki kita tetap harus menginjak tebing (jadi tali dari helikopter harus diulur banyak secara vertikal). Jadi dengan menggeser frekuensi pribadi sedikit saya, getaran platforn turunnya luar biasa shg fatique life naik secara mentakjubkan.

Spekrum frekuensi ombak, seingat saya seperti gunung yg tdk curam dan tersebar dari 0 sd 0.3 Hz jadi pergeseran natural frekuensi sebesar 5% tdk akan banyak menurunkan getaran dilihat dari spektrum ombak. Karena spektrum ombak tersebar landai (hampir merata) di bawah 0,33 Hz (perioda > 3 detik) maka bila natural frekuensi platform > 0.33 Hz (atau perioda natura > 3 Hz) maka standard mensyaratkan perhitungan fatigue life.

Jadi alasan utama kenapa pergeseran frek pribadi 5% dapat meningkatkan fatique life puluhan (ratusan) kali ya karena redaman struktur dianggap kecil sekali (untuk struktur yg tercelup dlm fluida apa valid? Perlu cfd rasanya krn tergantung luas dan panjang kaki). Jadi fatique life meningkat bukan karena pergeseran natural frekuensi menjauhi frekuensi eksitasi ombak krn spektrum ombak walau spt gunung tapi gunungnya tidak terjal.

Smoga dpt membantu.

Tanggapan 6 – zaitbpau

Ralat sedikit:

bila natural frekuensi platform < 0.33 Hz (atau perioda natural > 3 detik) maka standard mensyaratkan perhitungan fatigue life.

Tanggapan 7 – ‘Yose’ yoswill2001

Pak ZA,

Maaf, boleh tau dari standard mana syarat tersebut? Kebetulan saya sedang mengkaji masalah fatigue life dalam tugas saat ini.

Karena yang disyaratkan tersebut adalah natural frequency, maka bagaimana hubungan nya dengan frequency yang terjadi? Dalam pemikiran saya, natural freq. ini ada benda yang diam kemudian kerusakan akibat kelelahan material yang terjadi pada struktur benda tersebut akibat freq. yg terjadi menimpa benda tersebut. CMIIW.

Tanggapan 8 – zaitbpau

Pak Yose Yth,

Ntar ya Pak sy carikan krn pekerjaan tsb udah 8 thn yl. Maklum udah oversek (over seket = umur lbh dari lima puluh :-D).

Mungkin teman2 dari struktur yg masih fresh. Rasanya DNV atau API tp sy akan carikan.

Tanggapan 9 – Jerry Mintaredja

Pak Iqbal,

Periode natural dari platform yang sedang anda kaji > 3 detik. Perubahan significant dari fatigue life wajar terjadi apabila berada dalam periode dominan dari gelombang yang berimpact ke dynamic amplification factor (DAF), dan platform anda memiliki periode natural lebih dari 3 detik dimana menurut API RP2A seluruh analisa harus dilakukan secara dynamic; karena dynamic loading akan mendominasi pengecekan kekuatan struktur.
Yang jadi pertanyaan saya, apa Pak Iqbal akan membiarkan design platform dengan natural period di atas 3 detik? ini unmanned platform? sementara sudah 4 kaki, jika untuk kasus STS dan monopod sy pikir ada kewajaran. Ini perkiraan saya CMIIW, jacket Pak Iqbal ini 4 kaki tapi kurang kaku, tidak seimbang antara massa di topside dengan kekakuan struktur, apakah Bapak punya masalah dengan strength di pile? dan jacket bracing karena strength check dan fatigue?

Pak ZA,

Saya berbeda persepsi dengan Bapak mengenai pernyataan Bapak mengenai fatigue life hanya diintroduce ketika periode natural > 3 detik. Tolong diconfirm apabila Bapak memiliki code and standard yang mendukung pernyataan Bapak.

Tanggapan 10 – zaitbpau

Pak Jerry yth,

Terima kasih telah mengingatkan sy. Fatique life tetap dihitung baik natural frek di atas atau di bwh 0,3 Hz. Bila natural frek di bwh 0,3 Hz maka dynamic magnifikacion perlu diperhitungkan dlm analysis fatique.

Tanggapan 11 – Iqbal M

Rekan2 sekalian, trm ksh byk atas segala inputnya.

Pak Jerry, platform ini tmasuk manned platform dan blm lama terinstall di offshore. Dari hasil analisa inplace, sejauh ini tdk ada masalah di pile.

Sy mcoba mbanding hasil bbrp studi fatigue yg dilakukn di platform tsb dan mngambil case 1 joint.

1. pada saat natural periode Tp = 3.76 sec, fatigue life FL= 55 tahun

2. Tp = 3.47 sec, FL = 22 tahun

3. Tp = 3.66 sec, FL = 51 tahun

Sy mcoba mbuat kesimpulan. CMIIW.

– Periode beban gelombang mdekati 3.4 sec. dekat dg periode platform, shg DAF akan besar dan mningkatkan stress (dg suatu siklus ttentu) di member jacket. Hal ini mnyebabkan turunnya fatigue life.

– dg asumsi periode gelombang yg digunakan di semua studi ini sama, maka semakin jauh dari periode natural maka DAF akibat beban gelombang akan berkurang. Hal ini bisa terlihat dari studi 1 dan 3. dan bdampak pd turunnya stress dan umur fatigue jadi lebah besar.

Sbgmn rekan2 ketahui, analisa fatigue ini mgunakn analisa spektral. Hanya saja, saya blm mngetahui bgmn mnemukan periode gelombang yg digunakn dlm analisa tsb. Sy hanya berasumsi sptnya dekat dg 3.4 sec. Mohon bantuan rekan2 sekalian. Sy msh awam dlm analisa spektral ini.

Trm ksh sblmnya.

Tanggapan 12 – Jerry Mintaredja

Pak Iqbal,

Analisa fatigue untuk natural period > 3 dan terdapatnya ketersediaan data gelombang yang mendukung dan dimana faktor dynamic menjadi hal yang mandatory sudah tepat metode yang digunakan adalah spectral analysis. Secara garis besarnya seperti penjelasan di bawah ini: 1. Calculated “center of damage” seastate for use in derivation of linearized foundation springs and wave steepnees.

2. From the structural model and linearized foundation springs, perform dynamic analysis to obtain structure natural periods and modal shape.

3. Select wave natural period based on the structure natural period and appropriate wave steepness for development of Transfer Function.

4. Perform dynamic wave response analysis for all the eight/twelve directions.

5. Compute hotspot stress transfer function for each by multiplying the nominal member stress transfer function with its appropriate stress concentration factor (SCF). The wave spectrum of each sea state in the wave scatter diagram is calculated using JONSWAP (JS) spectrum. Using the square of the hot spot stress transfer function and the seastate spectra, short term stress response statistic are derived for each hot spot, for every seastate and each wave approach angle.

The stress statistic are then combined with the probability of occurrence of the seastate and the probability of occurrence of each wave approach angle, to determine the total number of stress cycles experienced in a particular seastate for a selected wave approach angle.

6. Calculate the short term damage per seastate per direction. The cumulative annual fatigue damage is calculated as the sum of the damage from every individual seastate and direction. Cumulative fatigue damage effect calculations based on Miner’s rule linear accumulation with the assumed S-N curve. The fatigue damage calculation performed takes into account the probability distribution of hot spot stress range, the probability of occurrence of 8 or 12 sectors of wave directions, and the severity of individual seastate of the wave scatter diagram.

Semuanya yang terdapat pada list di atas adalah mandatory dan diperhatikan tiap step nya dilakukan dengan benar atau tidak. Karena untuk case dibawah, kok saya agak ragu dengan hasilnya. Coba diperhatikan transfer function yang digenerated, apakah ‘peak’conditionnya sudah meng-capture period-period dominan seperti period dari center of damage wave dan 1st to 5th (at least) natural period of platform.

Tanggapan 13 – zaitbpau

API RECOMMENDED PRACTICE 2A-WSD (RP 2A-WSD)

TWENTY-FIRST EDITION, DECEMBER 2000

ERRATA AND SUPPLEMENT 1, DECEMBER 2002

Recommended Practice for

Planning, Designing and Constructing

Fixed Offshore Platforms—Working

Stress Design

Natural Period

For structural natural periods above three seconds, dynamic amplification is important, particularly for the lower sea states which may contribute the most to long term fatigue damage. Several authors have shown the desirability of retaining the detailed information available from a full static analysis and adding the inertial forces due to dynamic amplification of the first few modes (mode acceleration or static back-substitution method, Ref. 24). A pure modal analysis using a limited number of modes misses the essentially static response of some modes.

Since the natural period of a platform can vary considerably depending upon design assumptions and operational deck mass, a theoretical period should be viewed critically if it falls in a valley in the platform base shear transfer function.
The period should be shifted by as much as 5 to 10% to a more conservative location with respect to the transfer function.
This should be accomplished by adjusting mass or stiffness within reasonable limits. The choice of which parameter to modify is platform specific and depends upon deck mass, soil conditions and structural configuration. It should be recognized that adjusting the foundation stiffness will alter the member loads in the base of the structure which can be fatigue.

5 Fatigue

5.1 FATIGUE DESIGN

In the design of tubular connections, due consideration should be given to fatigue problems as related to local cyclic stresses.

A detailed fatigue analysis should be performed for template type structures. It is recommended that a spectral analysis technique be used. Other rational methods may be used provided adequate representation of the forces and member responses can be shown.
In lieu of detailed fatigue analysis, simplified fatigue analyses, which have been calibrated for the design wave climate, may be applied to tubular joints in template type platforms that:

1. Are in less than 400 feet (122 m) of water.

2. Are constructed of ductile steels.

3. Have redundant structural framing.

4. Have natural periods less than 3 seconds.

5.2 FATIGUE ANALYSIS

A detailed analysis of cumulative fatigue damage, when required, should be performed as follows:

5.2.1 The wave climate should be derived as the aggregate of all sea states to be expected over the long term. This may be condensed for purposes of structural analysis into representative sea states characterized by wave energy spectra and physical parameters together with a probability of occurrence.

Figure 4.3.4-1—Definition of Effective Cord Length

5.2.2 A space frame analysis should be performed to obtain the structural response in terms of nominal member stress for given wave forces applied to the structure. In general, wave force calculations should follow the procedures described in Section 2.3.1. However, current may be neglected and, therefore, considerations for apparent wave period and current blockage are not required. In addition, wave kinematics factor equal to 1.0 and conductor shielding factor equal to 1.0 should be applied for fatigue waves. The drag and inertia coefficients depend on the sea state level, as parameterized by the Keulegan-Carpenter Number K (see Commentary C2.3.1b7). For small waves (1.0 < K < 6.0 for platform legs at mean water level), values of Cm = 2.0, Cd = 0.8 for rough members and Cd = 0.5 for smooth members should be used. Guidelines for considering directionality, spreading, tides and marine growth are provided in the commentary for this section.

A spectral analysis technique should be used to determine the stress response for each sea state. Dynamic effects should be considered for sea states having significant energy near a
platform’s natural period.

5.2.3 Local stresses that occur within tubular connections should be considered in terms of hot spot stresses located immediately adjacent to the joint intersection using suitable stress concentration factors. The microscale effects occurring at the toe of the weld are reflected in the appropriate choice of the S-N curve.

5.2.4 For each location around each member intersection of interest in the structure, the stress response for each sea state should be computed, giving adequate consideration to both global and local stress effects.
The stress responses should be combined into the long term stress distribution, which should then be used to calculate the cumulative fatigue damage ratio, D, where D = S (n/N) (5.2.4-1) and n = number of cycles applied at a given stress range, N = number of cycles for which the given stress range would be allowed by the appropriate S-N curve.
Alternatively, the damage ratio may be computed for each sea state and combined to obtain the cumulative damage ratio.

5.2.5 In general the design fatigue life of each joint and member should be at least twice the intended service life of the structure (i.e., Safety Factor = 2.0). For the design fatigue life, D should not exceed unity. For critical elements whose sole failure could be catastrophic, use of a larger safety factor should be considered.

When fatigue damage can occur due to other cyclic loadings, such as transportation, the following equation should be satisfied:

SFiDi < 1.0 (5.2.5-1)

Where Di is the fatigue damage ratio for each type of loading and SFi is the associated safety factor. For transportation where long term wave distributions are used to predict short term damage a larger safety factor should be c

Tanggapan 14 – Fery Simbolon

Yose,

Kalau utk menghitung fatigue life time piping biasanya refer ke BS PD5500.
Di DNV RP-D101 diterangkan dengan jelas. Silahkan download di http://exchange.dnv.com/Publishing/Codes/ToC_edition.asp#Recommended%20Practices
Kalau mau spreadsheetnya, saya bisa kirim japri karena pernah menghitung fatigue life time pipework yg terkoneksi di X-mas tree dimana X-mas tree ini terbebani cyclic loading akibat wave dari salah satu platform di North Sea.