HIDRAN GEDUNG PUSAT ADMINISTRASI KAMPUS IU TNTYERSITAS

  

ANALISIS KONSTRUKSI SISTEM PERPIPAAN HIDRAN

GEDUNG PUSAT ADMINISTRASI KAMPUS III

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

MENGGUNAKAN CAE

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat

memperoleh gelar Sarjana Teknik

  

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh :

Yohanes Acep Nanang Kardana

  

NIM : 055214024

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2009

  

THE ANALYSIS OF HYDRANT CONSTRUCTION IN THE

ADMINISTRATION CENTRE BUILDING OF THE 3 rd CAMPUS OF

  

SANATA DHARMA UNIVERSITY USING CAE

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

To Obtain the Sarjana Teknik Degree

  

In Mechanical Engineering

by :

Yohanes Acep Nanang Kardana

Student Number : 055214024

  

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

TECHNOLOGY AND SCIENCE FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY0

YOGYAKARTA

2009

   

  

INTISARI

  Hidran merupakan sarana pemadam kebakaran gedung yang harus selalu siap digunakan sehingga diperlukan jaminan keamanan untuk konstruksinya. Analisis kekuatan konstruksi hidran dilakukan dengan metode element hingga pada sebuah model tiga dimensi dengan bantuan komputer sehingga dapat diketahui penyebaran besarnya tegangan dan angka keamanan pada setiap titik dari model.

  Pada analisis ini akan dibuat model tiga dimensi dari sistem perpipaan hidran dengan perbandingan dimensi 1 : 1 dengan menggunakan software SOLIDWork. Pada model tersebut kemudian dilakukan analisis aliran fluida menggunakan COSMOSFloWork untuk mengetahui besarnya tekanan fluida pada dinding bagian dalam pipa. Tekanan pada dinding dalam pipa merupakan beban kerja konstruksi sistem perpipaan yang mengakibatkan terjadinya tegangan pada konstruksi, untuk mengetahui besarnya tegangan yang tersebar pada elemen konstruksi perpipaan dilakukan analisis kekuatan konstruksi dengan metode elemen hingga (Finite Element Methode) menggunakan COSMOSWork.

  Analisis konstruksi sistem perpipaan hidran dilakukan saat hidran beroperasi, yang menghasilkan tekanan fluida terbesar 719 kPa dan tegangan terbesarnya adalah 24 Mpa. Tekanan fluida dan tekanan terbesar terjadi pada konstruksi hidran di lantai basement ketika air mengalir keluar dari hidran di lantai empat. Pada posisi yang sama, angka keamanan yang terjadi adalah terkecil sebesar 14.

  Kata kunci : Hidran, SOLIDWork, COSMOSFloWork, COSMOSWork, Finite

  Element Methode  

  DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL ....................................................................................... i TITLE PAGE .................................................................................................. ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ............................................. iii HALAMAN PENGESAHAN ......................................................................... iv PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ......................................................... v

  INTISARI ........................................................................................................ vi HALAMAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ............................................... vii HALAMAN PERSEMBAHAN ..................................................................... viii KATA PENGANTAR .................................................................................... ix DAFTAR ISI ................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xiii BAB I. PENDAHULUAN ..............................................................................

  1 1.l Latar Belakang Masalah...................................................................

  1 1.2 Perumusan Masalah ........................................................................

  2 1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian .......................................................

  3 BAB II. DASAR TEORI ................................................................................

  4 2.1 Sistem Hidran .................................................................................

  4 2.1.1 Sistem Perpipaan ...................................................................

  4 2.1.2 Pompa dan Hydrophore .........................................................

  11 2.1.3 Sistem Penjernih Air ..............................................................

  14 2.1.4 Bak Penampungan .................................................................

  14

  2.3 Sifat Material ..................................................................................

  18 2.3.1 Modulus Elastisitas Bahan .....................................................

  18 2.3.2 Angka Poisson Ratio .............................................................

  18 2.3.3 Modulus Geser .......................................................................

  19 2.3.4 Massa Jenis ............................................................................

  19 2.3.5 Tensile Strenght .....................................................................

  20 2.3.6 ........................................................................

  20 Yield Strenght 2.4 Computer Aided Engineering (CAE) .............................................

  21 2.4.1 Finite Element Analysis (FEA) .............................................

  21 2.4.2 Computational Fluid Dynamic (CFD) ...................................

  24 BAB III. LANGKAH ANALISIS ..................................................................

  25 3.1 Spesifikasi Pipa Hidran dan Perangkat Analisis ............................

  25 3.1.1 Pipa Hidran ............................................................................

  25 3.1.2 Perangkat Analisis ................................................................

  25 3.2 Metode dan Tata Kerja ....................................................................

  26 3.2.1 Pengambilan data lapangan ...................................................

  26 3.2.2 Membuat model tiga dimensi ................................................

  27 3.2.3 Menjalankan analisis aliran fluida .........................................

  29 3.2.4 Analisis konstruksi dengan FEA ...........................................

  32 3.2.5 Melakukan analisis dengan beberapa asumsi .......................

  35 BAB IV. ANALISIS DATA ...........................................................................

  37 4.1 Data Hasil Analisis .........................................................................

  37 4.2 Kesesuaian Data Hasil Analisis Dengan Teori ...............................

  42 4.2.1 Tekanan .................................................................................

  42

  4.2.3 Faktor Keamanan (FOS) ........................................................

  43 4.2.4 Tekanan Pecah Dinding Pipa .................................................

  44 BAB V. KESIMPULAN ................................................................................

  45 5.1 Kesimpulan .....................................................................................

  45 DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................

  46 DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR

  Halaman Gambar 2.1. Reducing Tee ..............................................................................

  7 Gambar 2.2 Elbow (belokan) ..........................................................................

  8 Gambar 2.3 Cross ...........................................................................................

  8 Gambar 2.4 Concentric Reducer dan Ecentric Reducer .................................

  9 Gambar 2.5 Udara tertekan karena bertambahnya volume air ........................

  13 Gambar 2.6 Kurva Tegangan dan Regangan ..................................................

  20 Gambar 2.7 Node pada element tetrahedral ...................................................

  22 Gambar 2.8 Model dan model setelah meshing ..............................................

  22 Gambar 2.9 Arah normal, shear dan principal stress ....................................

  23 Gambar 3.1 bagian yang tertanam di tembok gedung (kuning) ......................

  28 Gambar 3.2 Tekanan pada lid bawah (dilambangkan panah warna biru) .......

  30 Gambar 3.3 Tekanan pada lid atas ..................................................................

  31 Gambar 3.4 Kumpulan fluid cell hasil meshing ..............................................

  32 Gambar 3.5 Pipa di lantai basement ................................................................

  34 Gambar 4.1 Grafik perbandingan tegangan ....................................................

  37

Gambar 4.2 Grafik perbandingan FOS ...........................................................

  39 Gambar 4.3a Posisi tegangan terbesar ............................................................

  40 Gambar 4.3b Posisi FOS terkecil ....................................................................

  40 Gambar 4.4 Gambaran peningkatan tekanan dari lantai empat hingga basement ....................................................................................

  41

   

BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Masalah Sistem perpipaan digunakan secara luas oleh masyarakat, hampir di setiap

  konstruksi mesin dan bangunan yang digunakan oleh masyarakat memiliki sistem perpipaan, atau dengan kata lain sistem perpipaan sangat dekat dengan masyarakat. Hal ini menyebabkan perlunya analisis kekuatan konstruksi yang teliti terhadap sistem perpipaan yang telah dibangun sehingga benar-benar aman ketika digunakan. Analisis tersebut perlu dilakukan di sistem hidran karena hidran merupakan sarana yang harus selalu siap digunakan setiap waktu dan tidak berfungsinya hidran pada saat dibutuhkan bisa menjadi sebuah bencana.

  Analisis yang seringkali dilakukan adalah dengan metode pengujian langsung di laboratorium untuk mendapatkan data-data yang diperlukan, kemudian dari data-data yang didapat tersebut dilakukan perhitungan secara manual dengan mengasumsikan bahwa besarnya tekanan internal yang bekerja pada semua bagian sistem adalah sama untuk mendapatkan angka keamanannya. Namun metode ini memerlukan biaya besar dan hanya dapat dilakukan sebelum sistem perpipaan tersebut dibangun karena tidak mungkin untuk merusak sistem perpipaan yang sudah jadi. Selain itu metode ini tidak benar-benar teliti karena pada kenyataannya beban yang diterima pipa tidaklah seragam, misalnya pada belokan atau lengkungan pipa yang menerima beban lebih oleh karena tumbukan air. Selain itu metode ini juga sulit dilakukan pada komponen perpipaan yang

  2    

  memiliki dimensi sangat besar karena sulit untuk diuji. Metode lain yang bisa digunakan adalah dengan menggunakan komputer, yaitu dengan membuat model kemudian menganalisisnya dengan perangkat lunak CAE (Computer Aided

  Engineering)

  CAE (Computer Aided Engineering) adalah suatu perangkat lunak komputer yang digunakan untuk membantu menganalisis rancangan teknik dengan cara memperhitungkan model dari rancangan tersebut. CAE yang digunakan untuk analisis hidran ini adalah ”Cosmos Work”, dengan menggunakan analisis bisa dilakukan tanpa melakukan pengujian di laboratorium,

  Cosmos Work

  tetapi dapat dilakukan dengan membuat model rancangan 3 dimensi kemudian menjalankan program analisisnya.

I.2. Perumusan Masalah

  Pada penelitian ini akan dibuat model 3 dimensi dari kostruksi hidran di Gedung Administrasi Pusat Kampus III Sanata Dharma dengan skala 1 : 1 dari pipa hidran paling atas (di lantai 4) hingga pipa paling bawah dengan batas sambungan lasnya. Untuk mendapatkan titik-titik kritis dan juga FOS (Factor Of

  

Safety) dari konstruksi, pada model tersebut akan dilakukan analisis aliran fluida

  dengan tekanan maksimum dari hydrophore sebagai tekanan sisi masuk untuk

  

boundary conditionnya dan tekanan 1 ATM sebagai tekanan sisi keluarnya untuk

mendapatkan gambaran penyebaran tekanan dan variasi kecepatan yang terjadi.

  Analisis kekuatan struktur konstruksi dijalankan dengan bebannya adalah data penyebaran tekanan dari analisis aliran, berat konstruksi dan fluida kerja karena

  3    

  gravitasi pada suhu kamar. Sifat-sifat material yang dimasukkan untuk analisis disesuaikan dengan material yang digunakan pada konstruksi asli.

I.3 Tujuan Dan Manfaat Penelitian

  Tujuan penelitian, yaitu

  1. Mengetahui penyebaran tekanan pada permukaan pipa dalam sistem hidran.

  2. Mengetahui penyebaran tegangan von mises yang terjadi pada konstruksi kerena beban-beban yang diterima.

  3. Mengetahui FOS (Factor Of Safety) dari konstruksi yang dianalisis. Manfaat penelitian, yaitu 1. Mendapatkan jaminan keamanan kostruksi hidran yang dianalisis.

  2. Mengetahui bagian-bagian konstruksi hidran yang mengalami beban besar sehingga dapat diutamakan perawatannya.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Sistem Hidran

   Hidran merupakan sarana pemadam kebakaran yang menggunakan media

  air untuk mematikan api. Air dari bak penampungan di alirkan melalui pipa-pipa penyalur menggunakan pompa. Sistem hidran yang bekerja di Kampus 3 Universitas Sanata Dharma tediri atas : 1. Sistem perpipaan.

  2. Pompa dan Hydrophore.

  3. Sistem penjernih air.

  4. Bak penampungan (reservoir).

2.3.1 Sistem Perpipaan

  Sistem perpipaan pada hidran merupakan jalur utama distribusi air dari lokasi sumber air (sumur) menuju reservoir dan juga dari reservoir menuju titik penempatan kotak pemadam kebakaran di tiap lantai gedung. Tanpa pipa maka tidak dapat disebut sebagai sistem hidran, tetapi hanya alat penyemprot air.

  5 Sistem perpipaan terdiri dari berbagai komponen yang menjadi pendukung, sehingga dapat bekerja sesuai dengan fungsinya. Komponen- komponen dari sistem perpipaan adalah pipa, sambungan, flanges, serta komponen lain yang digunakan untuk mendistribusikan fluida.

  a. Pipa Pada dasarnya pipa merupakan tabung dengan bentuk silinder yang panjang, di dalam tabung inilah fluida mengalir. Pada setiap perancangan sistem perpipaan digunakan pipa dengan spesifikasi tertentu disesuaikan dengan kondisi perancangannya, kondisi perancangan ini meliputi :

  1. Tekanan rancang (design pressure).

  2. Temperatur rancang (design temperature).

  3. Dampak lingkungan (ambient effects).

  4. Beban Dinamik (dynamic effects).

  5. Beban berat (weight effects).

  6. Beban termal (thermal expansion and contraction effects).

  7. Dampak pergerakan tumpuan (effects of support, anchor and terminal movement).

  8. Dampak penurunan ductility (reduced ductility effects).

  9. Beban yang berubah secara siklik (cyclic effect).

  10. Dampak kondensasi udara (air Condensation effects).

  6 Standard spesifikasi untuk setiap komponen sistem perpipaan dikeluarkan oleh ASTM (American Society of Testing Materials) dan ASME (The American Society of Mechanical Engineers).

  Dalam spesifikasi pipa, terdapat istilah schedule, yang merupakan istilah untuk pembagian kelas dalam pipa. Schedule ditulis dalam bentuk penomoran untuk membedakan spesifikasi pipa, karena masing-masing

  

schedule memiliki spesifikasi tersendiri. Misal pada pipa dengan ukuran

  nominal sebesar 1/8 NPS (Nominal Pipe Size), memilki ketebalan pipa yang berbeda untuk masing-masing schedule.

  Perbedaan schedule ini berguna untuk penggunaan pipa yang berbeda pada ukuran nominal pipa yang sama. Perbedaan antara schedule yang satu dengan schedule yang lain, terletak pada ketebalan pipa, dihitung dari diameter luar (outside diameter). Semakin tebal sebuah pipa, maka semakin kuat pipa tersebut.

  Untuk keperluan dunia industri, berdasarkan kondisi tekanan kerja yang digunakan dalam perancangan pipa dikenal pipa standard (STD) untuk tekanan paling rendah. Kemudian Extra Strong (XS) untuk tekanan yang lebih tinggi. Dan selanjutnya pipa untuk keperluan tekanan yang lebih tinggi lagi dikenal Double Extra Strong (XXS).

  b. Sambungan Sambungan pipa merupakan bagian dari sistem perpipaan, yang berfungsi menyambung sebuah pipa dengan pipa yang lain untuk

  7 keperluan tertentu. Sambungan perpipaan dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu : 1. Sambungan dengan menggunakan pengelasan.

  2. Sambungan dengan menggunakan ulir.

  3. Sambungan menggunakan flens (flange). Penggunaan jenis sambungan ini bergantung pada besar diameter pipa serta besarnya tekanan. Untuk pipa dengan tekanan rendah dan diameter dibawah 2 inci digunakan sambungan ulir.

  Dari kedua kelompok jenis sambungan di atas, sambungan pipa masih dibagi lagi dalam bentuk-bentuk tertentu, sesuai dengan kebutuhan sistem perpipaan. Jenis-jenis sambungan tersebut adalah tee, elbow, cross, dan reducer.

1. Tee (Sambungan Tee)

  Sambungan Tee merupakan sambungan yang menghubungkan pipa dengan pipa, sehingga menghasilkan percabangan pipa. Gambar 2.1 memperlihatkan salah satu contoh sambungan Tee.

Gambar 2.1 Reducing Tee

  8

  2. Elbow (belokan) Elbow adalah sambungan yang menghubungkan satu pipa

  dengan pipa yang lain, untuk mengubah arah pipa dalam sudut tertentu. Kebanyakan sudut yang digunakan adalah sebesar 90 , namun terdapat juga elbow dengan sudut 45 untuk keperluan tertentu. Gambar 2.2 memperlihatkan contoh belokan pipa.

Gambar 2.2. Elbow 45 dan 90

  3. Cross Cross adalah sambungan antar satu pipa dengan pipa yang

  lain sehingga menghasilkan empat percabangan pipa. Contoh dari

  cross diperlihatkan pada Gambar 2.4

Gambar 2.3. Cross

  9

  4. Reducer Reducer adalah bagian dari sistem perpipaan yang

  menghubungkan sebuah pipa dengan pipa yang berdiameter lebih kecil. Hal ini bertujuan mengubah kecepatan aliran fluida yang mengalir dalam pipa menjadi lebih tinggi dengan memanfaatkan penyempitan luas pipa. Gambar 2.5 mempelihatkan contoh

  Reducer.

Gambar 2.4. Consentric Reducer (kiri) dan Ecentric Reducer

  (kanan)

  c. Perhitungan Pada Pipa

  1. Tebal dinding pipa Pipa yang digunakan dalam konstruksi hidran di Kampus 3

  Universitas Sanata Dharma memiliki bahan AISI 1020. Pada sambungan percabangan pipa menggunakan tipe reducer tee dan pada ujung pipa yang terhubung pada lemari selang menggunakan

  Consentric Reducer. Untuk menentukan ketebalan dinding pipa digunakan Persamaan 2.1 ( Sam Kannappan, P.E, Hal 22 ).

  10 P × D

  t = ......................................... (2.1)

• 2 ( SE PY )

  Keterangan : t = tebal pipa (inchi) P = tekanan di dalam pipa ( psi ) D = diameter luar pipa ( inchi ) S = tegangan tarik yang diijinkan ( psi ) E = faktor kualitas Y = koefisien yang tergabung dalam suhu dan bahan

  2. Tekanan Pecah Pipa (Burst Pressure) Pipa yang digunakan adalah jenis tube (pipa tabung) percabangan dilakukan dengan cara pemasangan tee 90 kemudian di las dengan pipa saluran atau dengan penambahan flanges pada setiap ujung tee, adapun hal yang perlu diperhitungkan dalam memilih ukuran tube adalah tekanan pecah (burst pressure), hal ini bertujuan untuk menentukan kualitas bahan dari tube itu sendiri.

  Pada umumnya untuk menentukan tekanan pecah pada pipa dapat dicari dengan Persamaan 2.2 (www.Hydraulic.com). _{2 2} S × ( D − d ) P = ........................................(2.2) ^{2 2}

• D d

  ( )

  Keterangan :

  11 P = Tekanan pecah (psi) S = Minimum Ultimate Tensile Strength dari material (psi) D = Diameter luar ( in ) d = Diameter dalam dari tube ( in )

2.3.2 Pompa dan Hydrophore

  a. Pompa Pompa hidrolis adalah sebuah mesin yang berfungsi mengubah energi mekanis menjadi energi tekanan fluida (modul praktikum pompa seri/parallel, Ir. YB. Lukiyanto). Pada sistem hidran pompa berfungsi untuk mengalirkan air dari sumber air (sumur) ke bak penampungan

  (reservoir) dan dari bak penampungan kedalam instalasi pipa hirant.

  Pada sistem hidran di Kampus 3 Universitas Sanata Dharma digunakan dua buah pompa centrifugal untuk mengalirkan air dari bak penampungan ke instalasi pipa hidrant yaitu :

  1. Pompa hidran utama Merupakan pompa centrifugal yang memiliki daya 30 kW dan beroperasi secara otomatis jika sistem hidran memerlukan debit air yang besar. Pada saat beroperasi, pompa secara otomatis mati

  2

  12 menyala kembali ketika tekanan di dalam hydrophore turun hingga

  2 4,5 kg/cm karena air mengalir ke keluar dari sistem hidran.

  2. Pompa Jockey Merupakan pompa centrifugal yang memiliki daya 5 kW dan beroperasi untuk memenuhi kebutuhan air dengan debit kecil seperti penyiraman taman (sistem hidran terintegrasi juga dengan saluran pipa kecil untuk kebutuhan taman). Pada saat beroperasi, pompa secara otomatis mati bila tekanan pada hydrophore

  2

  mencapai 6,8 kg/cm dan akan menyala kembali ketika tekanan di

  2

  dalam hydrophore turun hingga 4,5 kg/cm karena air mengalir ke keluar dari sistem hidran.

  Pompa jockey dan pompa hidran utama bekerja bergantian diatur oleh panel kontrol otomatis. Jika debit air yang keluar kecil maka yang bekerja hanya pompa jockey, dan pada limit tertentu ketika ketika debit air yang keluar dibutuhkan besar maka pompa hidran utama akan menyala dan pompa jockey akan mati.

  Pompa hidran harus dapat bekerja setiap saat ketika dibutuhkan karena merupakan sarana penanggulangan bencana yang tak terduga. Penggerak pompa yang digunakan untuk hidran adalah motor listrik, maka disediakan genset untuk menyuplai daya listrik ke motor pompa bilamana listrik dari jaringan mati sehingga sistem hidran dapat selalu bekerja.

  13

  b. Hydrophore

  Hydrophore merupakan suatu bejana/tabung yang berfungsi untuk

  mempertahankan atau menstabilkan kebutuhan tekanan fluida pada suatu jaringan perpipaan.

  Hydrophore bekerja berdasarkan Hukum Boyle yang menyatakan

  bahwa jika temperatur (T) sejumlah gas yang diberikan dipertahankan konstan, maka volume (V) gas akan berubah berbanding terbalik dengan tekanan (P) absolut gas. Hukum Boyle dijelaskan dalam Persamaan 2.3 dan diilustrasikan dalam hydrophore pada Gambar 2.6. ₁ P ₂ V = ..............................................(2.3)

  V P _{2 1} Udara termampatkan

  V Udara T

  2

  1 T 1 dengan temperatur

  konstan

  V

1 Udara

  AIR

  P

  1

  1

  1 P P < P

  2 T = T

  1

  2 AIR V > V

  1

  2 Gambar 2.5 Udara tertekan karena bertambahnya volume air.

  Pada rumah pompa di Kampus III Universitas Sanata Dharma,

  

hidrophore yang digunakan untuk hidaran berkapasitas 500 liter dengan

  2

  memiliki tekanan ijin 15 kg/cm , namun tekanan kerja maksimum hirant

  2 hanya 7,2 kg/cm .

  14

  2.3.3 Sistem Penjernih Air

  Penjernihan air yang digunakan untuk hidran dilakukan sebelum air masuk ke bak penampungan. Penjernihan dilakukan 3 tahap yaitu pengendapan kotoran di bak pengendapan, penyaringan air dengan saringan pasir dan yang ketiga adalah penyaringan air dengan saringan karbon. Air yang telah bersih ditampung di reservoir yang terdapat di bawah rumah pompa.

  2.3.4 Bak Penampungan (Reservoir) Reservoir merupakan tempat penampungan air yang akan

  digunakan untuk menampung air guna keperluan hidran dan juga air bersih. Reservoir ini berupa bak yang berdimensi 3,6 x 1 x 1 meter dan berada di dalam tanah di bawah rumah pompa sehingga memudahkan pengaliran air ke pompa-pompa. Bak ini didalamnya terbagi menjadi dua ruang yang dipisahkan oleh gerbang air dimana salah satu ruang digunakan untuk keperluan penampungan air bersih dan ruang lainnya untuk penampungan air hidran. Gerbang air memungkinkan pemindahan air bersih ke ruang hidran, namun tidak untuk sebaliknya.

  Pemindahan air bersih ke bak hidran dimungkinkan untuk mengantisipasi kondisi darurat bila air hidran habis ketika masih diperlukan sehingga proses pemadaman tidak terganggu. Tetapi air hidran tidak dapat digunakan untuk keperluan air bersih karena pada saat

  15 penyaringannya air untuk hidran tidak diutamakan kebersihannya.

2.2 Dinamika Fluida

  Dalam sistem perpipaan, gesekan yang diakibatkan oleh fluida dan pipa atau house menyebabkan penurunan tekanan (preassure drop), ini harus diperhitungkan pada saat perancangan perpipaan. Hal ini dikarenakan apabila penurunan tekanan terjadi sangat besar maka kecepatan pada ujung nozle penyemburan akan menjadi kecil sehingga jarak pemadaman kebakaran akan menjadi kecil. Untuk mencari penurunan tekanan pada pipa lurus terlebih dahulu harus diketahi kecepatan fluida (v), angka reynold (Re), faktor gesekan (ƒ) dan penurunan head karena gesekan ( h ) yang dijabarkan pada Persamaan 2.4 – 2.10 _f

  1. Perhitungan kecepatan fluida ........................................... (2.4) v = kecepatan aliran (ft/sec)

  Q = Debit (L/sec) d = Diameter dalam pipa

  i

  2. Perhitungan Reynold Number (Re) ........................................... (2.5)

  Re = Bilangan Reynold d = diameter dalam pipa (mm)

  i

  16 v = kecepatan aliran rata-rata (m/sec)

  2

  ) ρ = kerapatan fluida (kg/m

  µ = viskositas dinamik (Pa detik) Berdasarkan percobaan klasifikasi aliran fluida dalam pipa, ditetapkan bahwa bilangan Reynold (Re) untuk :

• Lebih kecil dari 2000, aliran fluida disebut laminer.

  Antara 2000 s/d 4000, aliran fluida disebut transisi. - Lebih besar dari 4000, aliran fluida disebut turbulen. -

  Sedangkan klasifikasi untuk aliran fluida di saluran terbuka berdasarkan bilangan Reynold (Re) adalah : Re < 500, disebut aliran laminer. - - 500 < Re < 12500, disebut aliran transisi.

• Re > 12500, disebut aliran turbulen.

  3. Perhitungan faktor gesekan Rumus berikut berlaku untuk aliran laminer

  64 ( FaktorGese kan ) f = ………………….............…….. (2.6)

  Re Untuk aliran turbulen

• 0.25

  ƒ = 0.3164 . Re ………………………………......…… (2.7)

  17

  4. Perhitungan kehilangan head gesekan (rumus Darcy) ₂ L

  V h = f . . ……………………..….… (2.8) _f d _i 2 . g h = Penurunan head karena gesekan (m) _f

  L = Panjang pipa (m) d = Diameter dalam pipa

  i

  g = Percepatan gravitasi

  5. Persamaan Kontinuitas g V = g V ……………………….………… (2.9) ρ 1 . 1 .

  1 ρ 2 . 2 .

  2

  6. Persamaan Bernaulli pada fluida nyata _{2 2} P ₁ V P _{1 2} V ₂

  Z = Z h h ………… (2.10) _{1 2 e f} ∑ ∑

  . g 2 . g . g 2 . g ρ ρ

  Z = energi potensial (ketinggian) (m)

  P

  = energi tekanan (m) . g

  ρ ₂ V

  = energi kinetik (m) 2 . g

  h _e = kehilangan head karena belokan atau pengecilan pipa

  18

2.3 Sifat Material

  2.3.1 Modulus Elastis Bahan

  Pada kurva tegangan regangan hasil pengujian bahan, deformasi (regangan) di daerah elastik menunjukan sifat proporsional atau sebanding lurus dengan tegangan. Hubungan lurus ini disebut modulus elastik, dan dalam hal deformasi tarik disebut modulus elastik memanjang atau modulus young yang dinyatakan dengan E pada Persamaan 2.11.

  τ E = ............................................ ( 2.11 )

  ε

  Keterangan :

  2 E = Modulus Elastisitas ( N/m )

  τ = Tegangan ( Mpa ) ε regangan =

  2.3.2 Angka Poisson Ratio

  Pada pengujian tarik, selain terjadi deformasi memanjang (searah gaya yang bekerja) terjadi juga deformasi melintang (tegak lurus arah gaya). Perbandingan regangan ini disebut perbandingan poisson atau

  poisson ratio yang dinyatakan dengan υ pada Persamaan 2.12.

  ε _r ............................................ (2.12)

  v =

  ε _l

  19

  2.3.3 Modulus Geser (Shear modulus)

  Modulus geser adalah modulus karena tegangan geser, digunakan Persamaan 2.13 untuk menentukannya.

  ....................................... (2.13) Keterangan :

  2

  µ = Modulus geser ( N/m )

  

2

E = Modulus elastisitas ( N/m ) υ = Poisson ratio

  2.3.4 Massa Jenis (Mass Density)

  Massa jenis merupakan massa material tiap satuan volumenya, untuk menghitung massa jenis dicari dengan menggunakan Persamaam

  2.14.

  m ρ = .................................................(2.14)

  V Keterangan :

  3

  ) ρ = Massa jenis ( kg/m m = Massa ( kg )

3 V = Volume ( m )

  20

  2

  )

  2.3.5 Tensile Strenght ( N/m

  Dalam menentukan harga dari Tensile Strenght dapat ditentukan dari data – data yang telah ada. Besaran tergantung pada pemilihan bahan material. Pemilihan bahan material diambil dari Machine Design Data Book Bab I Properti of Engineering Material.

  2

  )

  2.3.6 Yield Strength (N/m Yield Strenght adalah ketahanan suatu bahan terhadap deformasi

  plastik , nilai besaran ini adalah besar gaya pada saat luluh dibagi luas penampang.

Gambar 2.6 Kurva Tegangan dan Regangan

  Untuk analisis dengan menggunakan Cosmos Works sebagian bahan material sudah tersedia pada library program tersebut, selain itu

  21 dapat menggunakan data-data pengujian yang telah ada dengan mengacu pada Machine Design Data Book Bab 1 Properti of Engineering Material.

2.4 Computer Aided Engineering (CAE)

  Computer Aided Engineering merupakan alat bantu kerja bagi para

  

engineer dalam hal analisis, simulasi, desain, manufaktur, perencanaan, diagnosis

dan perbaikan yang terintegrasi dengan komputer ( WWW.Wikipedia.Com ).

  Dalam analisis konstruksi hidran digunakan dua jenis analisis CAE yaitu analisis tegangan dengan menggunakan Finite Element Methode (FEM) dan analisis aliran fluida dengan Computational Fluid Dynamic (CFD).

2.4.1 Finite Element Analysis (FEA)

  Finite Element Analysis mengunakan metode elemen hingga atau Finite Element Methode (FEM) untuk menyelesaikan permasalahan dalam

  analisa tegangan pada konstruksi perancangan. Secara umum metode yang digunakan FEM adalah dengan membagi (me’meshing) suatu model yang dianalisis menjadi bagian-bagian kecil dengan bentuk sederhana yang disebut element. Selanjutnya permasalahan yang kompleks pada model yang rumit dijadikan sederhana pada tiap element yang kemudian diselesaikan secara simultan.

  Setiap element memiliki bentuk dan dimensi berbeda tegantung bentuk model dan pengaturan pengguna, bentuk yang digunakan pada model solid adalah bentuk tetrahedral. Element terdiri dari beberapa titik

  22 perhitungan yang saling mempengaruhi pada tepinya disebut node. Pada dasarya (default) tiap node memiliki enam (6) derajat kebebasan yaitu tiga arah translasi dan tiga arah rotasi. Gambar 2.8 merupakan gambaran sebuah element dengan sejumlah node yang berwarna merah dan gambar 2.8 adalah gambaran penyebaran element pada model tee

Gambar 2.7 Node pada element tetrahedralGambar 2.8 Mode (kiri) dan model setelah meshing (kanan)

  Hasil yang diharapkan adalah gambaran tegangan Von Mises yaitu kuantitas besarnya tegangan setiap arah dari satu titik node (tegangan von

  

mises tidak memiliki arah). Perhitungan tegangan von mises ada pada

  23

  2

  2

  2 VON = {0.5 [(SX -SY) + (SX-SZ) + (SY-SZ) ] +

  2

  2 2 (1/2)

  3(TXY + TXZ + TYZ )} ............................... (2.13.a)

  2

  2 2 (1/2)

  VON = {0.5 [(P1 - P2) + (P1 - P3) + (P2 - P3) ]} .… (2.13.b)

Gambar 2.9 Arah normal,shear, dan principal stress

  SX = Tegangan normal searah X SY = Tegangan normal searah Y SZ = Tegangan normal searah Z TXY = Geseran di arah Y pada bidang YZ TXZ = Geseran di arah Z pada bidang YZ TYZ = Geseran di arah Z pada bidang XZ P = Principal stress

  24

2.4.2 Computational Fluid Dynamic (CFD)

  Computational Fluid Dynamic atau sering disingkat CFD adalah

  salah satu cabang mekanika fluida yang menggunakan algoritma dan metode numerik untuk memecahkan dan meneliti permasalahan aliran fluida. Komputer digunakan untuk mengerjakan jutaan kalkulasi yang dibutuhkan untuk mensimulasikan interaksi antara fluida dengan permukaan (wall) yang ditentukan oleh syarat batasnya (boundary

  

condition). Daerah perhitungan fluida yang dibatasi syarat batasnya

dinamakan computational domain.

  Metode yang digunakan adalah Finite Volume Methode (FVM), hampir sama dengan FEM yaitu dengan memecah (meshing)

  

computational domain menjadi bagian-bagian kecil yang disebut cell.

  Hasil yang didapatkan adalah gambaran penyebaran takanan dan kecapatan pada permukaan pipa yang berinteraksi dengan fluida.

BAB III LANGKAH ANALISIS

3.1 Spesifikasi Pipa Hidran dan Perangkat Analisis

  3.1.1 Pipa Hidran

  Pipa Hidran yang akan dianalisis mempunyai spesifikasi sebagai berikut :

• Bahan pipa AISI 1020.
• Pipa besar diameter nominal 4”, schedule 40, tebal 0,207”.
• Pipa kecil diameter nominal 2,5” schedule 40, tebal 0,203”.

  1

  3 - Tee 4” ke 2,5”, ukuran c = 4 / ”, m = 3 / ”.

  8

  4 - Ellbow diameter 4” jari –jari kelengkungan 6”.

  3 - Ellbow diameter 2.5” jari –jari kelengkungan 3 / ”.

  4

• Reducer 2,5” ke 1,5” panjang H = 3.5”
• Sambungan las temu pada pipa memiliki tegangan luluh 62 ksi, lebih besar dari bahan pipa yaitu 50,991 ksi sehingga pada model dapat diasumsikan tanpa sambungan las

  3.1.2 Perangkat Analisis

  a. Modeling Perangkat lunak yang digunakan untuk membuat model adalah

    ® ®

  dalam system operasi yang dibuat Microsoft Windows . SolidWork berguna untuk membuat model berupa part dan juga assembly dari

  part dalam bentuk tiga dimensi.

  b. COSMOSWork.

  COSMOSWork sp0.0 merupakan salah satu software CAE yang

  ®

  terintegrasi dengan SolidWorks . COSMOSWork berfungsi untuk menganalisis model strktur mekanik baik part atau hasil assembly dengan menggunakan metode element hingga (Finite Element Method) .

  c. COSMOSFloWork.

  COSMOSFloWork merupakan software yang berfungsi untuk melakukan analisis aliran fluida (CFD). COSMOSFloWork juga

  ®

  terintegrasi dengan SolidWorks sehingga dapat secara langsung dilakukan analisa pada model.

3.2 Metode dan Tata Kerja

  Secata umum pengerjaan analisis adalah sebagai berikut :

3.2.1 Pengambilan data lapangan

  Data-data yang telah diambil secara langsung si lapangan adalah sebagai berikut:

   

  a. Sistem kerja rumah pompa yang menggunakan Hydrophore

  2

  dengan tekanan kerja maksimum 7,2 kg/cm . Tekanan kerja ini menjadi tekanan maksimum yang bekerja pada sistem hidran dan menjadi data input untuk analisa CFD

  b. Dimensi pipa-pipa hidran yang diambil dengan cara melakukan pengukuran langsung dan melihat data tinggi gedung dari biro perawatan gedung. Tebal pipa didapat dari pipa hidran yang tidak dipakai

3.2.2 Membuat model 3 dimensi

  Model dibuat menggunakan software SolidWorks berdasarkan data dimensi pipa yang telah diambil dengan perbandingan 1 : 1. Urutan pembuatan model adalah sebagai berikut : a. Membuat part.

  Membuat komponen (part) solid dan menyimpan tiap satu komponen kedalam satu dokumen part. Komponen yang dibuat ditampilkan dlam dalam Table 3.1.

  Bagian pipa yang pada konstruksi asli berada di dalam tembok gedung, pada model dibuat dengan diameter 0.1mm lebih besar dari diameter luar pipanya. Ketebalan yang lebih ini berguna untuk menempatkan restrain pada analisis, namun karena tebalnya sangat kecil maka dianggap tidak berpengaruh pada analisis.

   

Tabel 3.1 Part yang dibuat Nama Komponen Dimensi Keterangan Ø Luar Tebal Tinggi

  Big Elbow 4,5" 0,207" r 6" Elbow sudut 90 Small elbow 2,875" 0,203" r 3,25" Elbow sudut 90 Duct - - H 3,5" Reducer 2,5" ke 1,5" Tee - C 4

  1

  /

  8

  ” m 3

  3

  /

  4

  ” Tee 4" ke 2,5"

  Part 2 8,08 cm - 1 cm Lid aliran keluar Part 3 1,082 cm - 1 cm Lid aliran masuk Pipa 50cm 4,5" 0,207" 50 cm Pipa STD Pipa 75m 4,5" 0,207" 75 cm Pipa STD Pipa 990cm 4,5" 0,207" 990 cm Pipa STD Pipa 4285cm 4,5" 0,207" 4285 cm Pipa STD Pipa 4785cm 4,5" 0,207" 4785 cm Pipa STD Pipa Kecil 4,5cm 2,875" 0,203" 4,5 cm Pipa STD Pipa Kecil 8cm 2,875" 0,203" 8 cm Pipa STD Pipa Kecil 15cm 2,875" 0,203" 15 cm Pipa STD Pipa Kecil 33,5cm 2,875" 0,203" 33,5cm Pipa STD Pipa Kecil 33cm 2,875" 0,203" 33 cm Pipa STD Pipa Kecil75cm 2,875" 0,203" 75 cm Pipa STD Pipa Kecil188cm 2,875" 0,203" 188 cm Pipa STD

    b. Membuat assembly.

  Membuat assembly dari tiap komponen sehingga menjadi satu model dengan derajat kebebasan nol (0) untuk tiap mate komponen yang digabung. Salah satu komponen assembly harus dibuat mate antara setiap plane part dengan plane assembly, ini berguna agar model dengan plane pada assembly menjadi satu region untuk analisis aliran fluidanya. (gambar model terlampir).

3.2.3 Menjalankan analisis aliran fluida.

  Langkah pelaksanaan analisis aliran fluida menggunakan COSMOSFloWork adalah sebagai berikut : a. Membuat COSMOSFloWork Project baru.

  Data input yang dimasukkan pada saat pembuatan project baru adalah :

• System Unit adalah SI (Standard Internasional) - Tipe analisis internal dengan pengaruh gravitasi.
• Fuida yang digunakan adalah water SP (Liquid) - Wall Condition digunakan default.
• Initial Condition digunakan default.
• Manual specification of minimum gap size diisi 0.02m
• Manual specification of minimum wall thickness diisi

  0.014m

    specification of minimum gap size adalah ukuran celah terkecil

  pada model dan specification of minimum wall thickness adalah ukuran dinding solid terkecil pada model.

  b. Menentukan boundary condition (syarat batas)

  Boundary condition diatur sebagai berikut :

• Fluida masuk dari lid bawah dengan tekanan total 706078.8

  Pascal (7.2 kg/cm

  2

  )

Gambar 3.2 Tekanan pada lid bawah (dilambangkan

  panahwarna biru)

• Fluida keluar dari lid atas karena tekanan di lid atas ditentukan sebagai environment preassure sebesar 101325 Pascal.

    Gambar 3.3 Tekanan pada lid atas.

  c. Menentukan Goals.

  Goals yang ditntukan adalah :

• SG Av Static Pressure - SG Av Total Pressure - SG Av Dynsmic Pressure - SG Mass Flow Rate - SG Volume Flow Rate - SG Av Velocity Dengan menentukan goals penulis dapat memonitor perubahan yang terjadi tiap iterasi pada bagian yang dipilih. Semua Goals diambil dari face lid masuk yang berada di bagian bawah.

  d. Melakukan meshing Besar cell yang dibuat harus dapat dicakup oleh bagian yang memiliki dimensi paling kecil, sehingga bagian tersebut dapat

   

  kumpulan cell dasar yang akan terpecah lagi pada saat dilakukan

  meshing menjadi cell yang lebih kecil mengacu pada dimensi model

  yang dibuat. (mesh adalah kumpulan dari cell)

Gambar 3.4 kumpulan fluid cell hasil meshing e.

   Menjalankan analisis aliran fluida f. Menampilkan hasil berupa gambaran penyebaran tekanan pada

  permukaan yang mengalami kontak dengan fluida.(hasil selengkapnya terlampir)

  g.

   Menganalisa hasil.

  h.

   Meng’export hasil analisis ke COSMOSWork sehingga dapat digunakan di COSMOSWork sebagai beban konstruksi.

3.2.4 Analisis konstruksi dengan FEA.

  Karena sarana yang terbatas maka analisis keseluruhan tidak dapat dilakukan secara langsung atau sekali jalan. Oleh karena itu maka model