ANALISA TEGANGAN STATIK SISTEM PERPIPAAN PADA POMPA AIR UMPAN ( FEED WATER PUMP ) DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE
CAESAR II versi. 5.10
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
nnnn
MUHAMMAD ASARI SIREGAR NIM. 070401017
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
ABSTRAK
Salah satu cara untuk mengantisipasi terjadinya kegagalan dalam suatu system perpipaan adalah dengan cara menganalisa tegangan yang terjadi disepanjang pipa, yang meliputi tegangan static dan dinamik. Tegangan yang terjadi disepanjang pipa adalah tegagan yang terjadi yang diakibatkan oleh beban yang terbawa oleh pssipa yakni beban yang diperoleh dari berat pipa, komponen, fluida yang mengalir didalamnya serta hal lain yang melekat pada system pipa, sedangkan beban dinamis yang diperoleh oleh pipa yakni beban angin, beban gempa dan beban operasional. Jenis beban yang dialami oleh pipa adalah beragam sesuai dengan kondisi kerja dari system perpipaan. Jika system bekerja pada kondisi temperature yang tinggi maka akan terdapat beban dari temperature yang disebut dengan Thermal Stress. Dalam situasi seperti ini maka system perpipaan yang akan dibangun terlebih dahulu dianalisa keadaanya melalui sebuah alat yang telah disesuaikan dengan standart yang digunakan didalam dunia piping. Software Caesar IIv.5.10 adalah software yang berfunngsi untuk mengetahui tegangan yang terjadi di sepanjang pipa dengan kondisi pembebanan yang beragam. Software Caesar IIv.5.10 adalah software yang dikeluarkan oleh suatu organisasi internasional yang bergerak dibidang piping system
oleh COADE. Pada system perpipaan yang menggunakan bahan pipa Carbon Stell
dengan Type pipa A53B yang memiliki Modulus Elastisitas 2.0340E+008KPa memiliki batasan Allowable Stress 137895.1KPa.Dengan jenis pembebana yang dibatasi pada kondisi pembebanan static maka akan dianalisa denga menggunakan software maka akan terlihat nilai –nilai tegangan yang bekerja pada tiap titik yang ditentukan disepanjang pipa.
Kata kunci:Tegangan Statik, Fluida, Von Misses, Sistem perpipaan, Mekanika
ABSTRACT
In designing a plant system, we will not be released from the piping system. Pipingsystem serves as a medium for a working fluid flowing from one system component toother components. This piping system must be able to withstand all loads that work, namely the magnitude of the burden remains at all times (static load) and load that varies according to the function of time (dynamic load). Piping system's ability to withstand the work load so as not to cause the failure known as the flexibility of the piping system. Failure in the piping system may interfere with the piping system needs to be done to ensure that the piping system in a safe condition when operated. Piping system must have sufficient flexibility, so that in the event of thermal expansion and contraction, movement of the brace and the junction point in the piping system will not cause piping system failure due to excessive stress (overstress), leakage at the connection, excessive nozzle load (overload ) on the equipment (eg: pumps and turbines) is generated due to a force and moment on the piping system during the running.
Keywords: Static stress, Dynamic stress,Von mises, Piping Systems, Mechanic of Material
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, berkat rahmat dan karunia-Nya sehingga penyusunan skripsi ini dapat di selesaikan. Skripsi ini merupakan salah satu syarat bagi mahasiswa Teknik Mesin dalam menyelesaikan studi di Universitas Sumatera Utara.
Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Kedua orang tua Ibunda Yusniar Hasibuan dan Ayahanda Agus Salim Siregar seta keluarga besar penulis, yang telah banyak memberikan materi dan moril serta dukungan kepada penulis hingga dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. 2. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri sebagai ketua Departemen Teknik
Mesin FT-USU. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
3. Bapak Ir. Tugiman ,MT selaku dosen pembimbing penulis dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
4. Teman Satu Team (Fadhillah Putra, Alfis Syahri, Amin Nawar) yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
5. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin khususnya (Masniarman) yang banyak memberi motivasi serta teman-teman angkatan 2007.
6. Abang dan adik-adik ( Efrizal, Israma Dani, Aditya, Anggi) dan keluarga besar penulis yang banyak memberi dukungan kepada penulis untuk menyelesaikan kuliah dan hingga tugas sarjana ini selesai.
7. Feni Lestari yang selalu memberi semangat bagi penulis untuk menyelesaikan Skripsi ini.
8. Kepada Indra Printer saya ucapkan terima kasih karena telah membantu penulis untuk mencetak laporan skripsi ini.
Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai pengembangan ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila terdapat kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang tidak tepat dalam skripsi ini sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi seluruh kalangan yang membacanya.
Medan, April 2012 Penulis,
NIM : 070401017
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR...ix
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR NOTASI ... xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Pemipaan ... 5
2.2 Teori Tegangan ... 6
2.2.1 Tegangan Satu Arah (Uniaxial ) ... 6
2.2.1.1 Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Unaxial………..13
2.2.2 Tegangan Dua Arah ( Biaxial )………....16
2.2.1.1 Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Biaxial ... 20
2.2.3 Tegangan Utama (Principal Stress) ... 22
2.3 Sistem Penumpu... 28
2.3.1 Momen Lentur ( Bending Momen ) ... 28
2.3.2 Gaya Geser ... 28
2.3.3 Gaya dan Momen Pada Tumpuan ... 29
2.4 Klasifikasi Tegangan ... 34
2.4.1 Tegangan Longitudunal ( Longitudinal Stress ) ... 34
2.4.1.1Tegangan Aksial ... 35
2.4.1.2 Tegangan Lentur ( Bending Stress ) ... 36
2.4.2 Tegangan Geser ... 37
2.4.2.1 Tegangan Geser Akibat Gaya Geser ... 37
2.4.2.2 Tegangan Geser Akibat Momen Puntir ... 38
2.4.3 Tegangan Torsi ... 38
2.4.3.1 Momen Inersia ( Polar ) ... 39
2.4.3.2 Regangan Geser ... 39
2.5 Persamaan Tegangan Pada Sistem Pemipaan ... 40
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Pendahuluan ... 43
3.2 Studi Kasus ... 43
3.2.1 Spesifikasi Pipa ... 43
3.2.2 Spesifikasi Fluida ... 44
3.4.1 Pembuatan Data Awal ... 46
3.4.2 Studi Literatur ... 46
3.4.3 Metode Pengerjaan ... 46
3.4.3.1 Pemodelan Sistem Pemipaan ... 46
3.4.3.2 Mengecek Error Pada Pemodelan ... 47
3.4.3.3 Pemodelan Tumpuan ... 47
3.4.3.4 Analisis Nilai Kekakuan Tumpuan ... 47
3.4.3.5 Analisis Besarnya Tegangan Pipa ... 48
3.4.4 Pembahasan ... 48
3.5 Identifikasi Masalah ... 51
3.5.1 Kondisi Pipa Mendatar ... 52
3.5.2 Kondisi Pipa Tegak ( Vertikal ) ... 58
3.6 Pengenalan Software. ... 61
3.6.1 Penggunaan CAESAR II dan Prosedur Simulasi…………..61
3.6.1.1 Memasukkan Data Input Pipa ...……...….63
3.6.1.2 Memeriksa Pemodelan ...……….….65
3.6.1.3 Analisis Statik ...……….…66
BAB IV ANALISA, HASIL SIMULASI DAN DISKUSI 4.1 Pemodelan Sistem Pemipaan Pada Isometrik dan Caesar II ... 68
4.2 Hasil Analisa Dengan Menggunakan Software Caesar II v5.10 .... 78
4.3 Perhitungan Pembebanan Pipa ...……….…87
4.3.2 Pembebanan Oleh Fluida (Air) ... ….88 4.4 Validasi Perhitungan Tegangan Pipa Pada Tiap Kondisi ... ….89 4.4.1 Validasi PerhitunganTegangan Pada Pipa Dianchor ... ….90 4.4.1.1 Perhitungan Tegangan Dengan Menggunakan Teori………..90 4.4.1.2 Perhitungan Tegangan Dengan Menggunakan Software…....92 4.4.2.3 Validasi Perhitungan Teoritis Dengan Sotfware………...94 4.4.2 Validasi PerhitunganTegangan Pada Pipa Mendatar Ditumpu..94 4.4.2.1 Perhitungan Tegangan Dengan Menggunakan Teori....…...94 4.4.2.2 Perhitungan Tegangan Dengan Menggunakan Software……97 4.4.2.3 Validasi Perhitungan Teoritis Dengan Sotfware…………...99 4.4.3 Validasi PerhitunganTegangan Pada Pipa Tegak…………...99 4.4.3.1 Perhitungan Tegangan Dengan Menggunakan Teori………..99 4.4.3.2 Perhitungan Tegangan Dengan Menggunakan Software…..101 4.4.3.3 Validasi Perhitungan Teoritis Dengan Sotfware…….…...103 4.5 Tabulasi Hasil Simulasi dan Perhitungan Teoritis ... 103
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan... 105 5.2 Saran ... 105
DAFTAR
DAFTAR GAMBAR
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 45
Gambar 3.2 Diagram Alir Simulasi ... 50
Gambar 3.3 Sisem Pemipaaan Sederhana ... 51
Gambar 3.4 Kondisi Pipa Sederhana Mendatar ... 52
Gambar 3.5 Diagram Benda Bebas ... 53
Gambar 3.6 Potongan Diagram Benda Bebas untuk 0 ≤ x ≤𝐿𝐿 2 ... 54
Gambar 3.7 Diagram Momen Dan Gaya Geser ... 56
Gambar 3.8 Kondisi Pipa Mendatar ... 58
Gambar 3.9 Penampang Pipa ... 58
Gambar 3.10 Tampilan Awal CAESAR II ... 62
Gambar 3.12 Piping Input Pada CAESAR II ... 63
Gambar 3.11 Data Satuan Yang Digunakan Dalam Pemodelan ... 62
Gambar 3.13 Input Panjang Awal Pemotongan ... 63
Gambar 3.14 Input Properties Pipa ...64
Gambar 3.15 Error dan warning pada Pengecekan bila terjadi kesalahan .... 65
Gambar 3.16 Error dan warning bila tidak ada kesalahan pada pemodelan . 65 Gambar 3.17 Pemilihan jenis beban pada pemodelan ... 66
Gambar 4.1 Bentuk Isometrik Sistem Perpipaan Water Tower System ... 69
Gambar 4.2 Pembuatan File Baru ...70
Gambar 4.3 Kotak Standard Satuan yang digunakan di CAESAR II…...70
Gambar 4.4 Kotak Penulisan Node dan Panjang Pipa ……….71
Gambar 4.5 Pemodelan Pipa Lurus serta Data Sifat Karakteristik Material Pipa ...72
Gambar 4.6 Kotak Penulisan Data Code yang digunakan...72
Gambar 4.7 Pemodelan Tumpuan Jenis Anchor ...73
Gambar 4.8 Pemodelan Flange ...74
Gambar 4.9 Pemodelan Gate Valve...74
Gambar 4.10 Pemodelan pembuatan elbow ...75
Gambar 4.12 Hasil Keseluruhan Model Input Data Di CAESAR II...77
Gambar 4.13 Input Error Checking Pada Menu Bar ………..78
Gambar 4.14 Hasil Outpu Error Checking ...78
Gambar 4.15 Analisa Pada Benda Keadaan Statis………..79
Gambar 4.16 Grafik Tegangan Hasil Simulasi ………...93
Gambar 4.17 Kondisi Pipa Tegak Yang Ditumpu ...97
Gambar 4.18 Sket Kondisi Pipa Tegak ...99
Gambar 4.19 Pipa Mendatar dengan Kondisi di Anchor ...101
Gambar 4.20 Sket Pipa dengan Kondisi di Anchor ……….103
Gambar 4.21 Kondisi pipa yang diberi tumpuan ………..105
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi Pipa ... 43
Tabel 3.2 Spesifikasi Fluida ... 44
Tabel 4.1 Hasil Simulasi Tegangan Pipa Mendatar (Anchor) ... 93
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Tegangan Pipa Mendatar ( Ditumpu )...98
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Tegangan Pipa Tegak ( Vertical )...102
DAFTAR NOTASI
Simbol Arti Satuan
P Beban N D Diameter mm σ Tegangan N/m ε Regangan _ 2 E Modulus Elastisitas N/m Lf Panjang Akhir mm 2 Lo Panjang Awal mm ∆L Pertambahan Panjang mm A Luas Penampang mm Z Modulus Section (mm) 2 R Gaya Reaksi N 3 V Gaya Geser N M Momen Nm I Moment Inertia ( m )4
J Moment Inertia Polar ( m )
τ
Tegangan Geser N/ m4
W Gaya Berat N
2
