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
AMIN NAWAR NIM.070401067
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
ABSTRAK 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
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
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 therunning. Keywords: Static stress, Dynamic stress, Piping Systems.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
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. 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.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
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,
AMIN NAWAR NIM : 070401067
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
DAFTAR ISI
ABSTRAK ........................................................................................................... i KATA PENGANTAR ......................................................................................... iii DAFTAR ISI ....................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... viii DAFTAR TABEL .............................................................................................. x DAFTAR NOTASI ............................................................................................. xi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ................................................................................... 1 1.2 Tujuan Penelitian ................................................................................ 2 1.3 Batasan Masalah ................................................................................. 3 1.4 Sistematika Penulisan ......................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Pemipaan .............................................................................. 6 2.2 Teori Tegangan ................................................................................ 7 2.2.1 Tegangan Satu Arah................................................................ 8 2.2.1.1 Lingkaran Mohr UntukTegangan Unaxial .......................... 14 2.2 Tegangan Dua Arah (Biaxial) .................................................... 17 2.2.1.1 Lingkaran Mohr UntukTegangan Unaxial .......................... 21 2.2.3 Tegangan Utama (Principal Stress) ........................................ 23 2.2.3.1 Lingkaran Mohr Tegangan Utama ....................................... 28 2.3 Sistem Penumpu................................................................................ 29 2.3.1 Momen Lentur (Bending Momen) .......................................... 29 2.3.2 Gaya Geser .............................................................................. 29 2.3.3 Gaya dan Momen Pada Tumpuan ........................................... 29
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2.4 Klasifikasi Tegangan ....................................................................... 34 2.4.1Tegangan Longitudunal (Longitudinal Stress) ........................ 35 2.4.1.1 Tegangan 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 .................................... 38 2.4.2.2 Tegangan Geser Akibat Momen Puntir ............................... 38 2.4.3 Tegangan Torsi ....................................................................... 39 2.4.3.1 Momen Inersia (Polar) ........................................................ 39 2.4.3.2 Regangan Geser ................................................................... 40 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 3.3 Diagram Alir Penelitian .................................................................. 45 3.4 Urutan Proses Analisis .................................................................. 46 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 ..................................... 47 3.4.4 Pembahasan .......................................................................... 48
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
3.5 Identifikasi Masalah ...................................................................... 50 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
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
4.4.2.4 Perhitungan Tegangan Secara Teortis (Kondisi Di 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
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
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 Gambar 3.7
Potongan Diagram Benda Bebas untuk 0 ≤ x ≤ 2 ..................... 54
Gambar 3.8
Kondisi Pipa Mendatar ............................................................. 58
Gambar 3.9
Penampang Pipa........................................................................ 58
Gambar 3.10
Tampilan Awal CAESAR II ..................................................... 62
Gambar 3.11
Data Satuan yang Digunakan Dalam Pemodelan ..................... 62
Gambar 3.12
Piping Input Pada CAESAR II ................................................. 63
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
𝐿𝐿
Diagram Momen Dan Gaya Geser .......................................... 56
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 Standar 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 Kode 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
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Gambar 4.11
Pemodelan Penumpu (support) ................................................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 Output Error Checking ....................................................78
Gambar 4.15
Analisa Pada Benda Keadaan Statis…………………………..79
Gambar 4.16
Grafik Tegangan Hasil Simulasi ……………………………...85
Gambar 4.17
Kondisi Pipa Tegak yang Ditumpu ...........................................89
Gambar 4.18
Sket Kondisi Pipa Tegak ...........................................................91
Gambar 4.19
Pipa Mendatar Dengan Kondisi di Anchor ...............................93
Gambar 4.20
Sket Pipa Dengan Kondisi di Anchor .......................................95
Gambar 4.21
Kondisi Pipa yang Diberi Tumpuan .........................................97
Gambar 4.22
Sket Kondisi Pipa yang Diberi Tumpuan .................................99
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1
Spesifikasi Pipa ......................................................................... 43
Tabel 3.2
Spesifikasi Fluida...................................................................... 44
Tabel 4.1
Hasil Simulasi Tegangan Pipa Mendatar (Anchor) .................. 90
Tabel 4.2
Hasil Simulasi Tegangan Pipa Mendatar (Anchor)...................94
Tabel 4.3
Hasil Simulasi Tegangan Pipa Mendatar (Anchor)...................98
Tabel 4.4
Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Perhitungan Teoritis ...102
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
DAFTAR NOTASI
Simbol
Arti
P
Beban
N
D
Diameter
mm
σ
Tegangan
N/m2
ε
Regangan
_
E
Modulus Elastisitas
N/m2
Lf
Panjang Akhir
mm
Lo
PanjangAwal
mm
∆L
PertambahanPanjang
mm
A
LuasPenampang
mm2
Z
Modulus Section
(mm)3
R
Gaya Reaksi
N
V
Gaya Geser
N
M
Momen
Nm
I
Moment Inertia
( m )4
J
Moment Inertia Polar
( m )4
TeganganGeser
N/ m2
W
Gaya Berat
N
𝜃𝜃
SudutPembentuk
⁰
C
Centroid
mm
Di
Diameter Dalam
mm
τ
Satuan
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
