Vortex Induced Vibration (VIV)

Vortex Induced Vibration (VIV) merupakan fenomena getaran yang terjadi bila suatu benda berbentuk silinder dimasukkan ke dalam air, kemudian diberi arus terhadap benda tersebut. Akibat air yang menghantam benda tersebut timbullah vortex, yaitu semacam getaran-getaran acak di balik benda. Bila frekuensi vortex menyamai frekuensi alami benda, maka akan terjadi resonansi. Resonansi inilah yang menyebabkan benda tersebut bergetar.

Pada fenomena VIV, bukan gaya air yang menumbuk pipa yang menjadi permasalahan, melainkan getaran pada benda akibat resonansi. Mengapa demikian? Meskipun getaran tidak terlalu hebat, namun bila berlangsung terus-menerus dalam durasi waktu yang cukup lama, maka benda akan mengalami kelelahan, atau biasa disebutfatigue. Benda yang dibiarkan mengalami fatigue terlalu lama akan mengakibatkan kegagalan/failure pada benda tersebut.

Pada industry lepas pantai, benda yang rawan mengalami VIV adalah pipa bawah laut yang tidak tertopang (free span) dan riser pada platform.

Frekuensi vortex dapat dihitung menggunakan:

             [Boyun Guo, 2005]

         dengan:           f_v         = frekuensi vortex

                                S          = bilangan Strouhal

                                 U         = kecepatan arus air

                                 D         = diameter pipa terluar

Sedangkan frekuensi alami benda, dalam hal ini adalah pipa, dapat dihitung menggunakan:

              [Boyun Guo, 2005]

         dengan:           f_n         = frekuensi natural (alami) pipa

                                  C         = konstanta tumpuan

                                              = 9.87 untuk tumpuan pin-pin

                                              = 15.5 untuk tumpuan pin-jepit

                                              = 22.3 untuk tumpuan jepit-jepit

                                  E          = modulus etlastisitas pipa

                                   I           = momen inersia pipa

                                   Me       = massa efektif pipa

                                               = Mp + Mc + Ma

                                   Mp       = massa pipa, termasuk selimut per satuan panjang

                                   Mc       = massa isi/konten pipa per satuan panjang

                                   Ma       = massa tambahan per satuan panjang

                                                = 

Terdapat beberapa hal penting mengenai VIV yang perlu diketahui pula:

• Reduced Velocity (Ur)

Kecepatan arus akan berkurang pada lokasi terjadinya VIV.

            [Boyun Guo, 2005]

• Stability Parameter (Ks)

Parameter yang mengendalikan respon/gerakan pada pipa akibat vortex dapat didefinisikan menggunakan suatu konstanta (Ks).

          [Boyun Guo, 2005]

        dengan:           δ          = logarithmic decreament of structural damping

                                            = 0.125

Berdasarkan arah getarannya, terdapat 2 jenis arah getar pada benda silinder, yaitu:

1. In-line Oscillation

Arah getaran ini sejajar/segaris dengan arah datangnya gaya. Besar ampitudo getaranin-line tidak sampai 10% dari amplitude getaran cross-flow (akan dibahas berikutnya). Berdasarkan DNV RP-F105, jenis osilasi ini umumnya memiliki amplitude mendekati 0.2 D.

Ilustrasi in-line oscillation.

Sumber: : Introduction to Offshore Pipeline and Risers (Jaeyoung Lee, 2007)

Hubungan antara amplitudo dengan Ur pada in-line oscillation.

Sumber: : Introduction to Offshore Pipeline and Risers (Jaeyoung Lee, 2007)

2. Cross-flow Oscillation

Arah getaran ini tegak lurus dengan arah datangnya gaya. Getaran ini lebih berbahaya dibanding getaran in-line karena memiliki amplitude yang jauh lebih besar, yaitu mendekati 1.4 D, berdasarkan DNV RP-F105.

Ilustrasi cross-flow oscillation.

Sumber: DNV RP-F105

Hubungan antara amplitude dengan Ur pada cross-flow oscillation

Sumber: DNV RP-F105

Sumber:

Introduction to Offshore Pipeline and Risers (Jaeyoung Lee, 2007)

Offshore Pipelines (Boyun Guo, 2005)

DnV RP-F105