Analisa Tegangan Statik pada Sistem Perpipaan Tower Air (Water Tower System) Dengan Menggunakan Software Caesar II v. 5.10
ANALISA TEGANGAN STATIK PADA SISTEM PERPIPAAN TOWER AIR ( WATER TOWER SYSTEM ) DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CAESAR II v. 5.10 SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Dalam merancang suatu sistem plant, kita tidak akan terlepas dari sistem perpipaan. Sistem perpipaan berfungsi sebagai media untuk mengalirkan suatu fluida kerja dari suatu sistem komponen ke komponen lainya. Sistem perpipaan ini harus mampu menahan semua beban yang bekerja,yaitu beban yang besarnya tetap sepanjang waktu (beban statik) maupun beban yang berubah-ubah menurut fungsi waktu (beban dinamik). Kemampuan system perpipaan untuk menahan beban yang bekerja sehingga tidak menimbulkan kegagalan dikenal sebagai fleksibilitas sistem perpipaan. Kegagalan pada sistem perpipaan ini dapat mengganggu sistem perpipaan perlu dilakukan untuk memastikan bahwa sistem perpipaan pada kondisi aman saat di operasikan. Sistem perpipaan harus mempunyai fleksibilitas yang cukup, agar pada saat terjadi ekspansi termal dan kontraksi, pergerakan dari penyangga dan titik persambungan pada system perpipaan tidak akan menyababkan Kegagalan sistem perpipaan akibat tegangan yang berlebihan (overstress), Kebocoran pada sambungan, beban nozzle yang berlebihan (overload ) pada equipment (contohnya : pompa dan turbin ) yang dihasilkan akibat gaya dan momen pada sistem perpipaan selama di operasikan.
Kata kunci : Tegangan Statik, Tegangan Dinamik, Sistem Perpipaan
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 therunning.Keywords: Static stress, Dynamic stress, Piping Systems.
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.
Adapun judul dari skripsi ini adalah “Analisa Tegangan Statik pada Sistem
Perpipaan Tower Air ( Water Tower System) Dengan Menggunakan Software
Caesar II v. 5.10”.Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Kedua orang tua Ibunda Nursiati dan Ayahanda Abdul Rahman, 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 ( Putra Cacad,Alfis Jakarte,Gacok Asari ) yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
5. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin khususnya (Arifin Fauzi Lubis) yang banyak memberi motivasi serta teman-teman angkatan 2007.
6. Fadhilah Arqamiyah yang selalu memberi semangat untuk menyelesaikan tugas sarjana ini.
7. Abang (Salman Alfarisi), adik-adik (Siti Aminah, Syauki Abdillah) dan keluarga besar penulis yang banyak memberi dukungan kepada penulis untuk menyelesaikan kuliah dan hingga tugas sarjana ini selesai. 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,
AMIN NAWAR NIM : 070401067
ABSTRAK ........................................................................................................... i KATA PENGANTAR ......................................................................................... iii DAFTAR ISI ....................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... viii
DAFTAR TABEL .............................................................................................. x DAFTAR NOTASI ............................................................................................. xi2.2.1.1 Lingkaran Mohr UntukTegangan Unaxial .......................... 14
2.3.2 Gaya Geser .............................................................................. 29
2.3.1 Momen Lentur (Bending Momen) .......................................... 29
2.3 Sistem Penumpu................................................................................ 29
2.2.3.1 Lingkaran Mohr Tegangan Utama ....................................... 28
2.2.3 Tegangan Utama (Principal Stress) ........................................ 23
2.2.1.1 Lingkaran Mohr UntukTegangan Unaxial .......................... 21
2.2 Tegangan Dua Arah (Biaxial) .................................................... 17
2.2.1 Tegangan Satu Arah ................................................................ 8
BAB I PENDAHULUAN
2.2 Teori Tegangan ................................................................................ 7
2.1 Sistem Pemipaan .............................................................................. 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
1.4 Sistematika Penulisan ......................................................................... 4
1.3 Batasan Masalah ................................................................................. 3
1.2 Tujuan Penelitian ................................................................................ 2
1.1 Latar Belakang ................................................................................... 1
2.3.3 Gaya dan Momen Pada Tumpuan ........................................... 29
2.4.1Tegangan Longitudunal (Longitudinal Stress) ........................ 35
3.2.2 Spesifikasi Fluida ................................................................ 44
3.4.3.5 Analisis Besarnya Tegangan Pipa ..................................... 47
3.4.3.4 Analisis Nilai Kekakuan Tumpuan ................................... 47
3.4.3.3 Pemodelan Tumpuan ......................................................... 47
3.4.3.2 Mengecek Error Pada Pemodelan .................................... 47
3.4.3.1 Pemodelan Sistem Pemipaan ............................................. 46
3.4.3 Metode Pengerjaan .............................................................. 46
3.4.2 Studi Literatur ....................................................................... 46
3.4.1 Pembuatan Data Awal ......................................................... 46
3.4 Urutan Proses Analisis .................................................................. 46
3.3 Diagram Alir Penelitian .................................................................. 45
3.2.1 Spesifikasi Pipa .................................................................... 43
2.4.1.1 Tegangan Aksial ................................................................. 35
3.2 Studi Kasus ..................................................................................... 43
3.1 Pendahuluan ................................................................................... 43
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
2.5 Persamaan Tegangan Pada Sistem Pemipaan ................................... 40
2.4.3.2 Regangan Geser ................................................................... 40
2.4.3.1 Momen Inersia (Polar) ........................................................ 39
2.4.3 Tegangan Torsi ....................................................................... 39
2.4.2.2 Tegangan Geser Akibat Momen Puntir ............................... 38
2.4.2.1 Tegangan Geser Akibat Gaya Geser .................................... 38
2.4.2 Tegangan Geser ...................................................................... 37
2.4.1.2 Tegangan Lentur (Bending Stress) ...................................... 36
3.4.4 Pembahasan .......................................................................... 48
3.5.1 Kondisi Pipa Mendatar ......................................................... 52
3.5.2 Kondisi Pipa Tegak (Vertikal) ............................................. 58
3.6 Pengenalan Software ...................................................................... 59
3.6.1 Penggunaan CAESAR II dan Prosedur Simulasi ……….…61
3.6.1.1 Memasukkan Data Input Pipa ..........................…………62
3.6.1.2 Memeriksa Pemodelan .....................................……….…64
3.6.1.3 Analisis Statik ...................................................……….…65
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 CaesarII v5.10 ..... 80
4.3 Perhitungan Pembebanan Pipa ......................................…..............86
4.3.1 Pembebanan Pada Pipa .......................................................... 86
4.3.2 Pembebanan Oleh Fluida (Air) ............................................ 87
4.4 Validasi Perhitungan Tegangan Pipa Pada Tiap Kondisi ............. 88
4.4.1 Validasi PerhitunganTegangan Pada Pipa Tegak ................. 89
4.4.1.1 Perhitungan Tegangan Pipa Menggunakan Software Pada Pipa Tegak ................................................................ 89
4.4.1.2 Perhitungan Tegangan Secara Teoritis Pada Kondisi Pipa Tegak ......................................................................... 91
4.4.2 Validasi PerhitunganTegangan Pada Pipa Mendatar .......... 93
4.4.2.1 Perhitungan Dengan Menggunakan Software ( Kondisi di Anchor) .........................................................................93
4.4.2.2 Perhitungan Tegangan Secara Teoritis (Kondisi di Anchor)............................................................................ 95
4.4.2.3 Perhitungan Dengan Menggunakan Software (Kondisi Di Tumpu) ....................................................................... 97
Tumpu) ........................................................................... 99
4.5 Tabulasi Hasil Simulasi dan Perhitungan Teoritis ......................... 102
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan .................................................................................... 103
5.2 Saran ............................................................................................. 104
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................ 45Error dan Warning
Gambar 4.9 Pemodelan Gate Valve...............................................................74Gambar 4.8 Pemodelan Flange. ...................................................................74Gambar 4.7 Pemodelan Tumpuan Jenis Anchor ...........................................73Gambar 4.6 Kotak Penulisan Data Kode yang Digunakan............................72Material Pipa .............................................................................72
Gambar 4.5 Pemodelan Pipa Lurus Serta Data Sifat KarakteristikGambar 4.4 Kotak Penulisan Node dan Panjang Pipa …………………….71Gambar 4.3 Kotak Standar Satuan yang Digunakan di CAESAR II……...70Gambar 4.2 Pembuatan File Baru ................................................................70Gambar 4.1 Bentuk Isometrik Sistem Perpipaan Water Tower System ...... 69Gambar 3.17 Pemilihan Jenis Beban Pada Pemodelan .................................. 66Pemodelan ................................................................................. 65
Gambar 3.16 Error dan Warning Bila Tidak Ada Kesalahan PadaPada Pengecekan Bila Terjadi Kesalahan. 65
Gambar 3.15
Gambar 3.2 Diagram Alir Simulasi ............................................................. 50..................... 54
Gambar 3.3 Sisem Pemipaaan Sederhana .................................................... 51Gambar 3.4 Kondisi Pipa Sederhana Mendatar ............................................ 52Gambar 3.5 Diagram Benda Bebas .............................................................. 53Gambar 3.6 Potongan Diagram Benda Bebas untuk 0≤ x ≤
2
Gambar 3.7 Diagram Momen Dan Gaya Geser .......................................... 56Gambar 3.14 Input Properties Pipa ................................................................64Gambar 3.8 Kondisi Pipa Mendatar ............................................................. 58Gambar 3.9 Penampang Pipa ........................................................................ 58Gambar 3.10 Tampilan Awal CAESAR II ..................................................... 62Gambar 3.12 Piping Input Pada CAESAR II ................................................. 63Gambar 3.11 Data Satuan yang Digunakan Dalam Pemodelan ..................... 62Gambar 3.13 Input Panjang Awal Pemotongan ............................................. 63Gambar 4.10 Pemodelan Pembuatan Elbow ...................................................75Gambar 4.12 Hasil Keseluruhan Model Input Data Di CAESAR II...............77Gambar 4.13 Input Error Checking Pada Menu Bar ………………………..78Gambar 4.14 Hasil Output Error Checking ....................................................78Gambar 4.15 Analisa Pada Benda Keadaan Statis…………………………..79Gambar 4.16 Grafik Tegangan Hasil Simulasi ……………………………...85Gambar 4.17 Kondisi Pipa Tegak yang Ditumpu ...........................................89Gambar 4.18 Sket Kondisi Pipa Tegak ...........................................................91Gambar 4.19 Pipa Mendatar Dengan Kondisi di Anchor ...............................93Gambar 4.20 Sket Pipa Dengan Kondisi di Anchor .......................................95Gambar 4.21 Kondisi Pipa yang Diberi Tumpuan .........................................97Gambar 4.22 Sket Kondisi Pipa yang Diberi Tumpuan .................................99Tabel 3.1 Spesifikasi Pipa ......................................................................... 43Tabel 3.2 Spesifikasi Fluida ...................................................................... 44Tabel 4.1 Hasil Simulasi Tegangan Pipa Mendatar (Anchor) .................. 90Tabel 4.2 Hasil Simulasi Tegangan Pipa Mendatar (Anchor)...................94Tabel 4.3 Hasil Simulasi Tegangan Pipa Mendatar (Anchor)...................98Tabel 4.4 Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Perhitungan Teoritis ...102Simbol Arti Satuan
3 V Gaya Geser N
2 SudutPembentuk
4 W Gaya Berat N
TeganganGeser N/ m
4 τ
I Moment Inertia ( m ) J Moment Inertia Polar ( m )
M Momen Nm
2 R Gaya Reaksi N
P Beban N D Diameter mm σ
A LuasPenampang mm Z Modulus Section (mm)
∆L PertambahanPanjang mm
2 Lo PanjangAwal mm
Lf Panjang Akhir mm
2 E Modulus Elastisitas N/m
Regangan _
Tegangan N/m ε
⁰ C Centroid mm Di Diameter Dalam mm