Table of Contents
1. INTRODUCTION ... 2
1.1 Philosophy ... 2
1.2 Tentang Caesar II ... 3
2. MENU UTAMA PADA CAESAR ... 4
2.1 New File ... 4
2.2 Input Menu... 5
2.3 Analysis Menu ... 5
2.4 Output Menu ... 7
2.5 Tools Menu ... 7
3. PIPE STRESS REQUIREMENT ... 11
3.1 Tegangan Pada Pipa ... 11
3.2 Code & Standard yang digunakan CAESAR II v. 5.1 ... 12
4. INPUT PIPING ... 13
4.1 Spreadsheet Overview ... 13
4.2 Data Field ... 14
4.2.1 Nomor Node... 14
4.2.2 Elements Length ... 14
4.2.3 Pipe Section Properties ... 14
4.2.4 Operating Conditions ... 15
4.2.5 Special Element Information ... 16
4.2.6 Boundary & Loading Condition ... 16
4.2.7 Piping Material, Density & Elastic Properties ... 17
5. APLIKASI KHUSUS ... 18
5.1 Bend, Valve, Expansion joint, Reducer dan Tee ... 18
5.2 Restrain, Hanger, Noozle dan Displacement ... 26
1. INTRODUCTION
1.1 Philosophy
Untuk merancang/modifikasi sistem perpipaan, engineer harus memahami perilaku sistem dibawah pembebanan dan juga persyaratan Code yang harus dipenuhi
Parameter fisik yang dapat digunakan untuk quantifikasi perilaku suatu “mechanical system” antara lain : percepatan, kecepatan, temperatur, gaya dalam & momen, stress, strain, perpindahan, reaksi tumpuan, dll
Nilai batas yang diijinkan untuk setiap parameter ditetapkan untuk mencegah kegagalan system
WHY DO WE PERFORM STRESS ANALYSIS ???
Untuk menjaga tegangan di dalam pipa dan fitings tetap dalam range yang diijinkan Code
Untuk menghitung ‘design load’ yang diperlukan untuk menentukan support dan restraints
Untuk menentukan perpindahan pipa interference checks Untuk mengatasi problem getaran pada sistem perpipaan Untuk membantu optimasi design sistem perpipaan
1.2 Tentang Caesar II
CAESAR II adalah program computer untuk perhitungan Stress Analysis yang mampu mengakomodasi kebutuhan perhitungan Stress Analysis seperti tersebut dalam par. 1.1. Software ini sangat membantu dalam Engineering terutama di dalam desain Mechanical dan system perpipaan. Pengguna Caesar II dapat membuat permodelan system perpipaan dengan menggunakan “simple beam element” kemudian menentukan kondisi
pembebanan sesuai dengan kondisi yang dikehendaki. Dengan
memberikan/membuat inputan tersebut, Caesar II mampu menghasilkan hasil analisa berupa stress yang terjadi, beban, dan pergeseran terhadap system yang kita analisa.
CAESAR STRESS DOCUMENTATION
Data masukan :
dimensi dan jenis material
parameter operasi : temperatur, tekanan, fluida
parameter beban : berat isolasi, perpindahan, angin, gempa, dll Code yang digunakan
Pemodelan : Node, elemen, tumpuan Aturan penempatan node:
definisi geometri : system start, interseksi, perubahan arah, end perubahan parameter operasi : perubahan temp, tekanan, isolasi definisi parameter kekakuan elemen : perubahan ukuran pipa,
posisi kondisi batas : restrain, anchor
aplikasi pembebanan : aplikasi gaya, berat isolasi, gempa, dll pengambilan informasi dari hasil analisis : gaya dalam, stress,
displacement, reaksi tumpuan, dll
2. MENU UTAMA PADA CAESAR
2.1 New File
Untuk memulai program Caesar II, kita pilih “File - New”
Ketika memilih “new” kita harus memilih apakah pekerjaan yang akan kita buat adalah “piping input” atau “structural input” .
Dalam hal ini kita akan melakukan pemodelan piping sehingga kita pilih “piping input” Kemudian klik ”OK”
2.2 Input Menu
Di dalam Input Menu ada 3 pilihan yang dapat kita pilih yaitu :
• Piping - adalah input Caesar II untuk pemodelan piping
• Underground – adalah input Caesar Ii untuk pemodelan “Burried Pipe”
• Structural Steel – adalah input Caesar II iuntuk pemodelan Struktur.
2.3 Analysis Menu
Di dalam analysis menu memberikan kita pilihan untuk melakukan perhitungan yang kita inginkan sesuai dengan permasalahan yang kita simulasikan, yaitu sebagai berikut :
• Static – Analisa ini digunakan untuk analisa pemodelan pipa / struktur dengan beban statis / tetap..
• Dynamics – Analisa ini digunakan untuk analisa pemodelan pipa / struktur dengan beban yang dinamis
• SIFs – Digunakan untuk menghitung Stress Intensification Factor pada Intersection dan Bend.
• WRC 107/297 – Untuk menghitung stress pada vessel akibat dari sambungan dengan pipa.
• Flanges – Melakukan perhitungan stress dan kebocoran pada flange.
• B 31.G – Memperkirakan ketahanan / umur pipeline
• Expansion Joint Rating – Mengevaluasi expansion joint dengan menggunakan persamaan EJMA.
• AISC – Melakukan pengecekan kode AISI pada elemen structural steel.
• NEMA SM23 – Mengevalusi beban pipa pada steam turbin noozle
• API 610 – Mengevaluasi beban pipa pada pompa centrifugal
• API 617 – Mengevalusi beban pipa pada compressor.
• HEI Standard – Mengevalusi beban pipa pada feedwater heater
2.4 Output Menu
2.5 Tools Menu
Tools menu merupakan salah satu fungsi yang penting dalam Caesar dimana didalamnya terdapat berbagai macam fungsi,penting antara lain :
Konfigurasi - Pada menu ini kita dapat membuat setup yang berbeda tentang berbagai macam hal seperti interval node, min. tebal pipa yg ditoleransi, dll. Sesuai dengan project data atau kehendak klien.
Kalkulator – Menjalankan fungsi kalkulator pada layar Make Unit Files – Membuat unit file sesuai yg kita butuhkan
Setting default CAESAR II adalah menggunakan unit “English”, oleh karena itu jika kita menginginkan untuk menggunakan unit yang lain misalnya ke dalam SI unit, maka kita harus membuat unit yang baru.
Cara untuk membuat unit file tersebut adalah seperti di bawah ini :
Kita klik review existing unit file (unit fie yang aktif saat ini), kemudian kita create unit file dengan nama yang dikehendaki dan selanjtnya klik view/edit file.
Setelah kita sesuaikan dengan unit file yang diinginkan, klik OK/save dan kemudian pada menu “Tools” kita pilih convert input to new unit seperti terlihat di bawah ini :
Browse file yang ingin kita ubah unit filenya, kemudian kita cari nama unit yang telah kita buat dan selanjtnya kita pilih “OK”.
Material Data Base – Melakukan editing atau menambahkan material baru pada data base Caesar II.
Edit Material
Kita pilih Edit material pada slah satu tools yang terdapat di dalam spreadsheet di atas, kemudial akan muncul :
Selanjtnya kita tinggal pilih material apa yang ingin kita edit propertisnya, kemudian kita simpan (save), spt contoh di bawah:
Menambahkan Material
Dengan langkah-langkah yang sama seperti tersebut di atas kita dapat
menambahkan jenis material yang ingin kita tambahkan apabila material yang kita inginkan tidak terdapat di dalam data base Caesar II ini.
3. PIPE STRESS REQUIREMENT
3.1 Tegangan Pada Pipa
Secara umum tegangan pada pipa dapat dibagi menjadi dua : tegangan normal dan tegangan geser
Tegangan normal
1. Tegangan arah longitudinal longitudinal stress 2. Tegangan arah tangensial hoop stress
Tegangan geser
1. Tegangan akibat gaya geser shear stress 2. Tegangan akibat momen puntir torsional stress
3.2 Code & Standard yang digunakan CAESAR II v. 5.1
PIPING CODE PUBLICATION REVISION
ANSI B31.1 (2004) August 16, 2004
ANSI B31.3 (2004) April 29, 2005
ANSI B31.4 (2002) October 4, 2002
ANSI B31.4 Chapter IX (2002) October 4, 2002
ANSI B31.5 (2001) May 30, 2005
ANSI B31.8 (2003) February 6, 2004
ANSI B31.8 Chapter VIII (2003) February 6, 2004
ANSI B31.11 (2002) May 30, 2003
ASME SECT III CLASS 2 (2004) July 1, 2005 ASME SECT III CLASS 3 (2004) July 1, 2005
U.S. NAVY 505 (1984) N/A
CANADIAN Z662 (9/95) N/A
CANADIAN Z662 Ch 11 (9/95) N/A
BS 806 1993, ISSUE 1, SEPTEMBER 1993 N/A SWEDISH METHOD 1 2ND EDITION STOCKHOLM 1979 N/A SWEDISH METHOD 2 2ND EDITION STOCKHOLM 1979 N/A
ANSI B31.1 (1967) N/A STOOMWEZEN (1989) N/A RCC-M C (1988) N/A RCC-M D (1988) N/A CODETI (2001) June 2004 NORWEGIAN (1999) N/A FDBR (1995) N/A BS7159 (1989) N/A UKOOA (1994) N/A IGE/TD/12 (2003) N/A DnV (1996) N/A EN-13480 (3/2002) N/A GPTC/192 (1998) N/A
4. INPUT PIPING
4.1 Spreadsheet Overview
Spreadsheet di atas adalah fungsi utama yang akan menjelaskan elemen demi elemen tentang desain piping yang kita buat. Di dalamnya terdapat data field yang berguna untuk memasukkan berbagai informasi tentang masing-masing kondisi elemen piping dan beberapa menu perintah dan toolbars yang mana dapat digunakan untuk menjalankan perintah yg kita inginkan.
Disebelah samping piping input adalah tampilan gambar dari input yang kita buat/masukkan.
Pada contoh diatas kita masukkan panjang ke arah sumbu X dengan nilai 100 in (unit default menggunakan English) maka secara langsung hasil inpu akan ditampilkan pada gambar di samping piping input tsb.
Untuk membuat input berikutnya kita pilih continue pada navigation tools seperti di bawah ini :
4.2 Data Field
4.2.1
Nomor Node
Dalam desain piping Caesar, masing-masing elemen pipa akan diidentifikasikan dengan nomor node. Setting default pada CAESAR II memberikan nilai interval node sebesar 10. Jika anda ingin mengubah interval tersebut dapat dilakukan dengan mengganti setting interval pada
4.2.2
Elements Length
Panjang elemen yang kita masukkan dalam CAESAR adalah dalam bentuk 3 dimensi dimana memilii koordinat (X, Y, dan Z). Sumbu Y adalah sebagai sumbu vertical. DX,DY,DZ adalah mendeskribsikan pengukuran terhadap X,Y,Z antara node awal (from node) dan node tujuan ( To node).
Sebelum kita melanjutkan untuk membuat modelling kita harus mengisi properties pipa sesuai dengan kondisi yang diinginkan.
4.2.4
Operating Conditions
Caesar II memiliki 9 kondisi temperature dan tekanan serta tekanan hydrotest yang dapat diberikan untuk masing-masing elemen pipa. Caesar II mempergunakan data temperature tersebut untuk mendapatkan thermal strain/regangan akibat temperature dan allowable stress/tegangan yang diijinkan dari suatu elemen dari material data base. Input temperature dan takanan ini juga berfungsi untuk mensimulasikan kondisi pembebanan ketika kita akan melakukan analysis.
Caesar II menggunakan parameter standard untuk temperature sebesar 70 deg. F, jika kita ingin merubahnya sesuai dengan kondisi lingkungan dapat dilakukan dengan menggunakan Special Execution
Parameters Option pada box yg terdapat di spreadsheet sheet input
piping. .
4.2.5
Special Element Information
Komponen khusus seperti bend, rigid, expansion joint, reducer dan Tee diberikan di dalam check box di atas. Jika akhir node elemen pada spreadsheet adalah bend, elbow, atau mitered joint, maka bend checkbox harus dipilih dengan meng-klik 2 kali.
Untuk Rigid checkbox digunakan untuk valve dan flange. Untuk penerapannya akan kita bahas dalam Bab 5
4.2.6
Boundary & Loading Condition
Checkbox di atas memiliki fungsi untuk membatasi pergerakan pipa. Pembahasan lebih lanjut tantang restrain akan diberikan pada Bab 5.
Checkbox diatas mengijinkan pengguna untuk menentukan beban dari luar yang terjadi pada pipa. Pembebanan ini kemungkinan adalah sebuah gaya atau moment yang terjadi pada point tertentu, sebuah beban seragam/merata (yang dapat di spesifikasikan dalam
gaya per satuan panjang), atau beban akibat tekanan angin ( beban angin di spesifikasikan sebagai wind shape factor).
4.2.7
Piping Material, Density & Elastic Properties
Caesar II membutuhkan spesifikasi material pipa, elastic modulus, poisons ratio, density,dll. Sebagai parameter dasar yang akan digunakan untuk perhitungan. Caesar II telah memiliki berbagai data base tentang material dimana kita dapat memilih sesuai dengan spesisifasi yang dikehendaki, dan atau kita dapat
merubah/membuat material data base sendiri dengan
menggunakan Caesar II material data base editor.
Nilai Elastic Modulus dalam CAESAR II 5.1 akan diberikan dengan 4 nilai dimana nilainya akan diberikan secara otomatis oleh CAESAR II.
5. APLIKASI KHUSUS
5.1 Bend, Valve, Expansion joint, Reducer dan Tee
5.1.1 Bend
Dalam program ini terdapat 2 macam bend yang biasa di aplikasikan, yaitu :
Elbow
Elbow banyak digunakan jika kita mendesain piping di dalam suatu pabrik/plant dimana system perpipaannya berada above ground ( di atas tanah).
Contoh di bawah ini menunjukkan cara membuat elbow dalam spreadsheet :
Pada node 20 to 30 kita klik 2 kali pada toolbox “bend” pada spreadsheet di atas. Artinya pada akhir node (yaitu node 30) Caesar II membaca akan diberikannya elbow/bend oleh pengguna. Kemudian pada node selanjutnya (node 30 to 40) kita berikan panjang sebesar 100 in sehingga akan ditampilkan seperti gambar di atas.
Ketika kita memilih bend pada spreadsheet di atas, maka Caesar II akan secara otomatis memberikan nilai radius pada kolom “radius” di atas dengan anggapan “elbow 900”.
Dalam contoh di atas kita menggunakan pipa dengan diameter 12” sehingga radius akan secara otomatis diberikan oleh Caesar II sebesar 18 in (elbow 90 deg.).
Jika kita ingin membuat elbow dengan besaran selain 900 (misalnya 450), maka kita harus terlebih dahulu mengerti tentang besaran radius sesuai dengan diameter pipa yang kita masukkan, atau kita sebaiknya memiliki “piping standard drawing” sebagai acuan dalam menetukan radius elbow tersebut
Bend
Di dalam pekerjaan pipa terutama pipeline seringkali kita harus melakukan bending terhadap pipa dimana biasanya sudut yang diperlukan di bawah 900, maka kita harus mendesain radius bending tersebut sesuai dengan besaran yang kita inginkan/klien inginkan.
Ada 3 jenis bending yang digunakan dalam pipeline yaitu : - Hot Bend : memiliki besaran radius max 5D (5 kali
diameter pipa); dan
- Cold Bend : memiliki besaran radius max 40D (40 kali diameter pipa)
Jika kita ingin membuat bending dengan derajat tertentu (selain 90 deg.) kita memerlukan phytagoras untuk menentukan posisi titik tujuan (to node) di dalam koordinat X,Y,Z Caesar II.
R
∆X
∆Y
α
Tampilan berikut memperlihatkan bending sebesar 22.50
5.1.2 Valve / Flange
Untuk membuat / memberikan valve / flange pada piping dapat kita lakukan dengan langkah-langlah berikut :
Jika kita ingin memasukkan valve/fitting dalam spreadsheet harus pada node yang kosong/baru dengan memilih valve flange
database seperti terlihat pada gambar di atas. Kemudian akan tampil sheet berikut :
Kita pilih type valve / flange pada box di atas sesuai yang dikehendaki kemudian “OK” maka pada node 50 – 60 akan diberikan valve/flange seperti berikut ini :
5.1.3 Expansion Joint
Expansion joint digunakan untuk sambungan pipa dimana biasanya terletak pada pipa yang dekat dengan sumber getaran seperti pompa atau compressor.
Ada 2 cara yang bisa kita pergunakan untuk membuat pemodelan expansion joint pada piping system yaitu dengan :
Pilih expansion joint modeler pada icon di seperti tampak atas, kemudian kita akan diberikan pilihan yang telah tersedia di dalam data base CAESAR II sbb:
Kemudian pada spreadsheet akan ditampilkan model expansion joint yang telah kita buat seperti di bawa ini :
Kemudian cara kedua yang dapat kita lakukan yaitu dengan klik 2 kali expansion joint pada check box seperti terlihat di bawah ini :
Pemodelan cara ke-2 ini kita lakukan jika kita telah mengetahui terlebih dahulu nilai axial, translation, bending, dan torsi stiffnessnya sehingga kita masukkan nilai tersebut di dalam kotak yang tersedia. 5.1.4 Reducer
Pemodelan reducer pada piping dapat kita lakukan dengan cara sebagai berikut :
Klik reducer pada spreadsheet kemudian kita isikan diameter 2 dan tebal pipa dan memberikan panjang reducer tersebut.
5.1.5 SIF / Tee
Jika kita ingin membuat tee, klik SIFs & Tees pada node yang ingin kita beri tee kemudian isi type tee yang diinginkan dan SIF (jika ada).
Untuk tee reducer kita dapat memodelkan dengan menggunakan langkah yang sama namun pada elemen yang tereduksi kita ubah diameter pipa pada spreadsheet sesuai dengan yang diinginkan.
5.2 Restrain, Hanger, Noozle dan Displacement
5.2.1 Restrain
Untuk memberikan restrain pada piping kita dilakukan dengan cara memilih restrain pada check box di atas dan memasukkan type restrain di dalam kotak sebelah kanan yang telah tersedia.
Ada berbagai macam type restrain yang dapat di aplikasikan di dalam Caesar II sesuai dengan fungsi yang diinginkan, yaitu :
Restraint Type Abbreviation
1 - Anchor ...ANC 2 - Translational Double Acting ... X, Y, or Z 3 - Rotational Double Acting ... RX, RY, or RZ 4 - Guide, Double Acting ... GUI 5 - Double Acting Limit Stop ... LIM 6 - Translational Double Acting Snubber ...XSNB,YSNB, ZSNB 7 - Translational Directional ... +X, -X, +Y, -Y, +Z, -Z 8 - Rotational Directional ... +RX, -RX, +RY, etc. 9 - Directional Limit Stop ... +LIM, -LIM 10 - Large Rotation Rod ...XROD, YROD, ZROD 11 - Translational Double Acting Bilinear ... X2, Y2, Z2
12 - Rotational Double Acting Bilinear ... RX2, RY2, RZ2 13 - Translational Directional Bilinear ... -X2, +X2, -Y2, etc. 14 - Rotational Directional Bilinear ... +RX2, -RX2, +RY2, etc. 15 - Bottom Out Spring ... XSPR, YSPR, ZSPR 16 - Directional Snubber ...+XSNB, -XSNB, +YSNB, etc
5.2.2 Hanger
Dengan cara klik 2 kali Hanger checkbox pada pipe spreadsheet untuk memasukkan hanger spring data untuk node-node khusus. Untuk modeling hanger sederhana tidak memerlukan input tambahan karena Caesar akan secara otomatis memberikan nilainya dengan memilih salah satu “hanger table” yang telah disediakan seperti contoh berikut :
(simple hanger design) 5.2.3 Flexible Nozzle
Funsi tampilan di atas adalah sebagai pelengkap untuk mendeskripsikan koneksi fleksibel nozzle pada pipa. Jika memasukkan fungsi ini, CAESAR II akan menghitung secara otomatis fleksibilities-nya dan menempatkannya di lokasi yang dikehendaki. CAESAR II melakukan perhitungan nozze load berdasarkan kriteria WRC 297, API 650 atau BS 5500.
5.2.4 Displacement
Tampilan di atas berfungsi untuk memberikan nilai pergeseran (displacement) hingga 2 node untuk tiap-tiap spreadsheet. Jika nilai pergeseran dimasukkan dengan nilai “0.0” maka system akan dianggap “fully restrain” pada arah tersebut.
5.3 Latihan
Perintah :
1. Buatlah Pemodelan di atas dengan panjang seperti diketahui dengan beberapa ketentuan sebagai berikut :
- Di awal node (node 5) adalah discharge pompa - Di akhir node (40) adalah nozzle dan vessel
