Optimasi Topologi Berbasis Keandalan Pada Struktur Jaket

Anwar, Anwar (2026) Optimasi Topologi Berbasis Keandalan Pada Struktur Jaket. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 7018211002-Doctoral.pdf Restricted to Repository staff only Download (13MB) | Request a copy

Abstract

Struktur jaket merupakan bangunan lepas pantai yang banyak digunakan untuk mendukung kegiatan produksi minyak dan gas bumi maupun turbin angin. Pada perairan yang lebih dalam, struktur jaket harus mampu menahan tingkat pembebanan ekstrem yang lebih tinggi akibat kombinasi beban gelombang, arus, dan beban operasional. Pendekatan desain konvensional cenderung menghasilkan struktur yang berat karena penambahan material untuk memenuhi persyaratan kekuatan dan keandalan. Oleh karena itu, diperlukan metode optimasi yang mampu menghasilkan struktur yang lebih ringan namun tetap memenuhi syarat serviceability limit state. Penelitian ini bertujuan mengoptimalkan struktur bangunan lepas pantai tipe jaket untuk memperoleh model yang paling ringan namun tetap memenuhi kriteria serviceability limit state. Metode yang digunakan merupakan kombinasi optimasi topologi, optimasi bentuk, dan optimasi ukuran berbasis keandalan (RBDO). Optimasi topologi diterapkan pada tahap awal pemodelan dengan fungsi tujuan meminimalkan strain energy untuk memperoleh konfigurasi struktur yang efisien. Selanjutnya, optimasi bentuk dan ukuran dilakukan menggunakan konsep RBDO berbasis surrogate model dengan fungsi tujuan meminimalkan berat struktur serta mempertimbangkan ketidakpastian parameter desain dan pembebanan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa optimasi topologi menghasilkan konfigurasi struktur yang berbeda dibandingkan dengan model jaket referensi. Integrasi optimasi topologi, bentuk, dan ukuran berbasis keandalan (RBDO) menghasilkan struktur dengan pengurangan berat sebesar 53.71% terhadap struktur jaket referensi. Model jaket hasil optimasi memiliki berat akhir sebesar 1826.1 kN, unity check maksimum sebesar 0.77, serta indeks keandalan (β) sebesar 3.11 yang memenuhi persyaratan desain. Hasil verifikasi menunjukkan bahwa struktur tersebut memiliki umur kelelahan minimum sebesar 67.86 tahun. Selain itu, struktur hasil optimasi mampu menahan pembebanan gempa hingga PGA sebesar 0.30g dengan nilai Reserve Strength Ratio (RSR) sebesar 3.91, serta memiliki nilai RSR sebesar 8.87 terhadap pembebanan gelombang. Sebagai pembanding, rekonstruksi jaket hasil optimasi topologi berbasis RBDO juga dikembangkan dalam penelitian ini. Model rekonstruksi menghasilkan pengurangan berat sebesar 48.68% dibandingkan struktur referensi, dengan berat akhir sebesar 2024.50 kN, unity check maksimum sebesar 0.62, dan indeks keandalan (β) sebesar 3.53. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa model rekonstruksi RBDO memiliki RSR sebesar 3.92 pada pembebanan gempa dengan PGA 0.30g dan RSR sebesar 8.87 pada pembebanan gelombang, serta umur kelelahan minimum mencapai 71.61 tahun. Penelitian ini memberikan kontribusi dalam pengembangan metode perancangan struktur jaket lepas pantai melalui integrasi optimasi topologi, optimasi bentuk dan ukuran berbasis keandalan (RBDO). Pendekatan yang diusulkan mampu menghasilkan struktur yang lebih ringan tanpa mengurangi tingkat keandalan, kapasitas terhadap beban gempa dan gelombang, maupun kinerja kelelahan. Penelitian ini memperkenalkan parameter pembebanan ekstrem sebagai parameter desain dalam penentuan model topologi optimum struktur jaket berdasarkan kedalaman laut, serta merumuskan persamaan matematis untuk menemukan model konfigurasi topologi yang optimal pada tahap perencanaan desain jaket platform. Peningkatan intensitas pembebanan ekstrem memerlukan konfigurasi topologi yang lebih kompleks melalui penambahan jumlah elevasi/panel dan sistem brace untuk mempertahankan kekakuan dan stabilitas struktur. Namun, jika dimensi penampang anggota struktur tidak dioptimalkan, perubahan topologi saja tidak cukup untuk mengimbangi peningkatan tuntutan pembebanan. Akibatnya, tingkat tegangan pada struktur mengalami peningkatan, probabilitas kegagalan bertambah, dan indeks keandalan struktur cenderung menurun. Oleh karena itu, optimasi topologi terhadap pembebanan ekstrem perlu diintegrasikan dengan optimasi dimensi penampang, sehingga struktur yang dihasilkan tetap ringan namun mampu mempertahankan kekuatan, kekakuan, stabilitas, dan tingkat keandalan sesuai target desain pada berbagai tingkat pembebanan ekstrem.
==================================================================================================================================
Jacket structures are widely used offshore platforms that support oil and gas production activities as well as offshore wind turbines. In deeper waters, jacket structures are required to withstand higher levels of loading severity resulting from the combined effects of waves, currents, and operational loads. Conventional design approaches often lead to heavier structures due to the addition of material to satisfy strength and reliability requirements. Therefore, an optimization method is needed to achieve lighter structures while maintaining compliance with serviceability limit state criteria. This study aims to optimize an offshore jacket platform structure to obtain the lightest possible design while satisfying serviceability limit state requirements. The proposed methodology integrates topology optimization, shape optimization, and Reliability-Based Design Optimization (RBDO). Topology optimization is applied during the initial design stage with the objective of minimizing strain energy to obtain an efficient structural configuration. Subsequently, shape and size optimization are performed using a surrogate model-based RBDO approach, where the objective is to minimize structural weight while accounting for uncertainties in design parameters and loading conditions. The results demonstrate that topology optimization generates a structural configuration that differs from the reference jacket model. The integration of topology, shape, and member sizing optimization within the RBDO framework achieved a 53.71% reduction in structural weight relative to the reference jacket. The optimized jacket model has a final weight of 1,826.1 kN, a maximum unity check of 0.77, and a reliability index (β) of 3.11, satisfying the prescribed design requirements. Structural verification further confirms a minimum fatigue life of 67.86 years. Moreover, the optimized jacket can withstand seismic loading corresponding to a Peak Ground Acceleration (PGA) of 0.30 g, with a Reserve Strength Ratio (RSR) of 3.91, while maintaining an RSR of 8.87 under extreme wave loading. For comparison, an RBDO-based reconstructed jacket model was also developed. The reconstructed model achieved a 48.68% reduction in structural weight relative to the reference jacket, with a final weight of 2,024.50 kN, a maximum unity check of 0.62, and a reliability index (β) of 3.53. Performance evaluation indicates that the reconstructed model attains an RSR of 3.92 under seismic loading with a PGA of 0.30 g, an RSR of 8.87 under extreme wave loading, and a minimum fatigue life of 71.61 years. This study contributes to the advancement of offshore jacket platform design by integrating topology, shape, and member sizing optimization within the RBDO framework. The proposed methodology enables substantial structural weight reduction while satisfying the required reliability level, structural strength, resistance to seismic and wave loading, and fatigue performance. In addition, this study introduces an extreme loading parameter as a design indicator for determining the optimum jacket topology according to water depth and develops predictive mathematical formulations for identifying the optimum topology configuration during the preliminary design stage of offshore jacket platforms. The results demonstrate that increasing extreme loading intensity requires a more complex structural topology, characterized by an increased number of panel levels and brace members, to maintain adequate global stiffness and structural stability. However, when member diameters and wall thicknesses remain unchanged, topology optimization alone is insufficient to accommodate the increased loading demand. Consequently, stress levels increase, the probability of failure becomes higher, and the structural reliability index decreases. Therefore, topology optimization under extreme loading conditions should be integrated with member sizing optimization to ensure that the resulting jacket structure remains lightweight while satisfying the required strength, stiffness, stability, and reliability criteria under various levels of extreme environmental loading.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	Kata Kunci :Struktur Jaket, Optimasi Topologi, Keandalan Struktur, RBDO, Pembebanan Ekstrem.
Subjects:	T Technology > TC Hydraulic engineering. Ocean engineering > TC1665 Offshore structures--Materials.
Divisions:	Faculty of Marine Technology (MARTECH) > Ocean Engineering > 38001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Anwar Anwar
Date Deposited:	10 Jul 2026 06:01
Last Modified:	10 Jul 2026 06:01
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/134238

Actions (login required)

View Item