No Slide TitleHal di atas dapat dilakukan dengan melakukan
perhitungan & perbandingan parameter berikut terhadap
harga-harga yang diijinkan :
- tegangan yang terjadi pada dinding pipa
- perpindahan akibat ekspansi pipa
3.1. Pendahuluan
I. Overall system design :
II. Detailed component design :
beban tumpuan.
I. Hot system , design temp. 1500F (660C)
II. Cold system, design temp. < 1500F (660C)
Hot system pipelines memerlukan analisis fleksibilitas yang teliti
untuk menentukan gaya-gaya thermal, tegangan dan perpindahan.
Klasifikasi sistem perpipaan juga dilakukan berdasarkan fungsinya
(dijelaskan dalam code).
*
*
1. Sustained Load :
operasi normal (contoh : berat, tekanan, dll)
2. Occasional Load :
operasi normal (contoh : angin, gempa, dll)
3. Expansion Load :
(contoh : thermal expansion, diff.anchor
displacement, dll).
*
*
Semua sistem perpipaan haruslah dirancang mampu menahan beban berat
fluida, isolasi, komponen, dan struktur pipa itu sendiri.
Semua beban berat tsb kemudian diteruskan ke komponen tumpuan
(support) juga harus dirancang mampu menahan beban-beban tsb.
Metode sederhana untuk menghitung tegangan dan beban tumpuan adalah
dengan memodelkan pipa sebagai beam dengan terdistribusi
merata.
3.2. SUSTAINED LOADS
Dalam kenyataan, kondisi tumpuan umumnya adalah antara simply
supported dengan fixed-end, sehingga tegangan maksimum biasanya
dihitung dengan persamaan :
Jadi untuk pipa horizontal lurus, jarak antar tumpuan dapat
dihitung :
dimana :
L = jarak tumpuan maksimum
S = tegangan yang diijinkan (tergantung dari jenis material pipa,
temperatur dan code)
atau lebih konservatif
*
*
Support dan Pipa
*
*
Tumpuan harus diletakkan sedekat mungkin dengan beban
terkonsentrasi seperti valves, flanges, dll
Dari segi tegangan; tumpuan terbaik diletakkan pada peralatan, hal
ini sulit dilakukan.
Peralatan atau equipment tersebut dimodelkan sebagai beban
terkonsentrasi.
*
*
*
Standar pada SP-69 tidak berlaku untuk pipa vertikal (riser).
Tumpuan biasanya ditentukan berdasarkan panjang pipa dan distribusi
beban pada struktur bangunan penumpu.
Direkomendasikan tumpuan diletakkan pada ½ bagian atas riser untuk
mencegah buckling dan instability.
Guide dapat ditempatkan disepanjang riser untuk mencegah defleksi
pipa. Jarak guide pipa biasanya 2 kali jarak tabel SP-69, dan tidak
menahan beban berat.
*
*
Contoh Soal 1
*
*
Penyelesaian contoh 1
Titik pusat gravitasi
Valve: 1170 lb (5206 N), 1.5 ft (0.46 m) dari titik A
Pipe: 6.5 x 119 =774 lb (3444 N), 6.25 ft (1.91 m) dari titik
A
Elbow: 299 lb (1322 N), 10.5 ft (3.2 m) dari titik A, 6 in (0.15 m)
di sebelah titik C
*
*
Sistem perpipaan umumnya mendapat beban tekanan internal dari
fluida yang dialirkan
*
*
Gambar 5.4
Am = luas penampang pipa
*
Jika penampang pipa tidak ‘continuous” maka beban tekanan tidak
dapat ditahan oleh tegangan pada dinding pipa, sehingga harus
ditahan oleh restrain-restrain dan anchor
Contoh : - slip type expansion joint
- bellows expansion joint
*
Beban tekanan pada expansion joint adalah sama dengan tekanan
dikalikan luas penampang
Gambar 5.5
*
*
Contoh soal 2
*
*
P = 250 psi (1724 kPa)
atau
Maka:
Bila: P = 31,919 lb (124.005 N) a = 50 ft (15.25 m)
b = 15 ft (4.58 m)
*
*
3.1 Occasional Loads
Beban yang dikategorikan occasional loads pada sistem dalam periode
yang sebagian saja dari total periode operasi sistem ( 1 – 10 % ).
Contoh : snow, fenomena alam (hurricane, gempa, dll), unusual plant
operation (relief value discharge), postulated plant accident (pipe
rupture, dll)
Posisi tumpuan yang optimal untuk menahan occasional loads tidak
selalu sama dengan posisi tumpuan untuk sustained load
- Dalam perancangan perlu dilakukan kompromi sehingga
tumpuan dapat menahan kedua jenis beban tersebut
- Contoh : beban dinamik paling baik ditahan dengan rigid
support. Tapi rigid support akan menurunkan fleksibilitas
* Snubber mungkin dapat digunakan
Tentukan posisi awal yang sesuai untuk beban ‘sustained’
(berat)
Tentukan jarak tumpuan (span) optimum untuk ‘occasional load’.
Reduksi span yang didapat sampai coincides dengan kelipatan span
tahap 1
Pada sistem pipa dingin,gunakan rigid support di semua
tumpuan
Pada sistem pipa panas, tentukan dulu dimana lokasi rigid support
dapat ditempatkan. Pada tempat tumpuan lain mungkin perlu dipasang
snubber
(software : NPS OPTIM, HANGIT, QUICK PIPE)
*
*
3.1.1 Beban Angin
Sistem pipa yang terletak outdoor harus dirancang mampu menahan
beban angin maksimum yang terjadi sepanjang umur operasional pipa
tertsebut.
*
*
*
Besaran utama dari beban angin adalah diakibatkan oleh momentum
angin yang menganai pipa.
Beban angin dimodelkan sebagai gaya uniform yang searah dengan arah
angin sepanjang pipa
Gaya angin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
Bernoulli
*
*
D = diameter luar pipa (termasuk isolasi) (m)
= massa jenis udara (kg/m3)
V = kecepatan udara (m/s)
*
Harga koefisien drag adalah merupakan fungsi dari bentuk struktur
dan bilangan Reynold.
Bilangan Reynold (dimensionless) adalah parameter yang menunjukkan
derajat ke’turbulenan’ aliran fluida
*
*
*
*
Contoh soal 3
*
*
V = 75 mph = 110 ft/s (33.55m/s)
rudara = 0.0748 lbm/ft3 (1.198 kg/m3) pada 29.92 in Hg dan 700F
(210C)
mudara = 39.16 x 10-8 lbf.s/ft2 [1.87 x 10-5 kg/(m.s)]
D = 8.625 (pipa) + 2 x 2 (insulasi) = 12.625 in (320.7 mm)
Bilangan Reynolds:
atau
*
*
atau
atau
atau
Untuk segmen E-H:
*
*
Relief valve digunakan dalam sistem perpipaan sebagai ‘pembuangan
tekanan’ dari sistem jika tekanan meningkat di atas operasi yang
aman.
*
*
P = static gauge pressure from discharge (N/m2)
A = discharge flow area (mm2)
Gaya discharge dapat dihitung dengan (B 31.1):
*
*
*
*
*
Dynamic load factor (DLF) digunakan untuk menghitung kenaikan beban
akibat aplikasi yang tiba-tiba dari gaya discharge. Faktor ini
bervariasi dari 1.1 sampai 2.0 tergantung dari kekakuan instalasi
valve dan waktu pembukaan.
Perhitungan DLF dapat dimulai dengan menghitung periode natural
instalasi valve:
dimana :
E = modulus elastisitas pipa
*
*
*
Step berikutnya adalah menentukan ratio to/T, dimana to adalah
waktu pembukaan valve.
DLF akhirnya dapat ditentukan dari grafik berikut:
Gambar 5.14
Contoh soal 4
*
*
Kriteria seismic dalam perancangan dapat dimulai dengan
mengestimasi potensial gempa dalam daerah dimana pipa akan
dipasang
didapat dari literatur search
*
*
Time history analysis
Data percepatan, kecepatan dan perpindahan tanah dijadikan input
untuk menganalisis model dinamik struktur pipa.
*
*
Alternatif lain untuk mendapatkan respon struktur terhadap gempa
adalah modal analysis
Model dinamik dari sistem pipa dibagi menjadi sejumlah model single
dof yang secara keseluruhan dapat mewakili karakteristik dinamik
sistem pipa
*
*
3.4 Expansion Load
Restraint diperlukan untuk menahan beban ‘sustained’ dan beban
occasional. Tetapi jika terjadi kenaikan temperatur pada saat pipa
beroperasi, maka pipa akan ekspansi sehingga timbul tegangan yang
tinggi
Kondisi restraint dari sudut pandang ‘thermal’, maka tidak ada
restraint
perlu dirancang restraint yang optimum
*
*
dimana :
*
*
Metode sederhana menghitung beban termal pada tumpuan digunakan
‘metode guided cantilever’
pada setiap tumpuan akan timbul:
dimana :
Gambar 5.20
Contoh soal 5
Sistem yang terlihat pada Gambar 5.26 terbuat dari baja karbon dan
beroperasi pada 3500F (1770C). Sistem tersebut menggunakan pipa
berdiameter 12 in (300 mm) schedule standar dengan I = 279 in4
(1.16 x 108 mm4) dan E = 27.7 x 106 psi (1.91 x 1011 N/m2). Sistem
diberi tumpuan jangkar (anchors) pada titik a dan G, dan dua
tumpuan vertikal pada titik D dan E.
Tentukan :
Pergeseran yang diserap oleh segmen A-B, B-C, dan E-F
Gaya dan momen yang diterima oleh segmen A-B, B-C, dan E-F
Gaya dan momen pada tumpuan A
*
*
Fy = 3210 lb (14,285 N) My = 114,493 in.lb (1290 m.N)
Fz = 1272 lb (5661 N) Mz = 289,096 in.lb (32,697 m.N)
*
*
Gaya Total pada titik D dan E:
*
*
*
*
*
*
Gambar 5.28 menunjukkan semua perpindahan vertikal pada sistem,
seperti perpindhan nosel dari keadaan dingin ke keadaan
panas.
Titik A : 2 in (50.8 mm) ke atas, dingin (cold) ke panas
(hot)
Titik C : 0 in
Titik F : 4 in (101.6 mm) ke bawah, dingin ke panas
Titik K : 1 in (25.4 mm) ke atas, dingin ke panas
Titik L : 0 in
Titik M : 0 in
Material pipa adalah intermediate alloy steel, dan sistem
beroperasi pada temperatur 9000F (4820C)
Tentukan
Pertambahan panjang pegas H1 dan H2
Besar perpindahan titik E, J, dan I
*
*
LB-C = (0.0707)(15) = 1.06 in (26.9 mm) ke atas
LC-D = (0.0707)(30) = 2.12 in (53.8 mm) ke bawah
LI-J = (0.0707)(10) = 0.707 in (18.0 mm)
H1 = 1.06 +4/28(2-1.06)=1.19 in (30.2 mm) ke atas
Perpindahan di titik E:
H2 = 2.12 + 4/21 (2.55-2.12) = 2.2 in (55.9 mm) ke bawah
K = 1 – 0.707 = 0.273 in (6.9 mm)
J = 1 – 6/94 (0.273) = 0.983 in (25.0 mm)
I = 0.983 – 0.707 = 0.276 in (7.0 mm)
)