Transcript of Bab 06 Piping Design Loads
No Slide TitleDesain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem
Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Hal 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
6.1. Pendahuluan
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
sistem perpipaan. Contoh : ANSI & ASME.
Piping Design
I. Overall system design :
II. Detailed component design :
beban tumpuan.
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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).
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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).
Beban yang bekerja pada sistem perpipaan harus diteruskan ke
struktur penumpu melalui peralatan-peralatan penumpu &
restraints.
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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.
6.2. SUSTAINED LOADS
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Support dan Pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Dalam kasus dimana pipa tidak hanya lurus horisontal, beban-beban
yang ditimbulkan pada tumpuan dapat dihitung dengan metode “Weight
Balancing”.
Karena umumnya sistem perpipaan tidak horisontal lurus maka dalam
menentukan posisi tumpuan perlu mempertimbangkan hal-hal berikut
:
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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.
Jika arah pipa mengalami perubahan (belokan) disarankan jarak
tumpuan ¾ dari tabel SMS, untuk menjaga stabilitas dan untuk
mengakomodasi beban eksentrik.
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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.
Lokasi tumpuan diusahakan sedekat mungkin dengan bagunan baja yang
ada, sehingga tidak diperlukan bangunan tambahan untuk menopang
struktur pipa.
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Contoh Soal 1
Gambar 6.1. Menunjukkan pipeline yang menghubungkan dua buah nozle
(A & H). Pipa mempunyai diameter nominal 12 in, berisi air dan
mempunyai tebal isolasi 4,5 in, belokannya long radius dan semua
valvenya 150 psi pressure rating gate valve. Tentukan letak-letak
penumpu dan hitunglah bebannya.
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Pipe: 8.5 x 119 = 1012 lb (4503 N), 5.75 ft (1.75 m) di sebelah
titik C
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Sistem perpipaan umumnya mendapat beban tekanan internal dari
fluida yang dialirkan
Beban tekanan lebih berpengaruh pada tegangan yang ditimbulkan pada
dinding pipa dibandingkan dengan menimbulkan beban pada tumpuan.
Hal ini diakibatkan beban tekan di”netralize” oleh tegangan pada
dinding pipa
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Gambar 6.2
Am = luas penampang pipa
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Beban tekanan pada expansion joint adalah sama dengan tekanan
dikalikan luas penampang
Gambar 6.3
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Contoh soal 2
Gambar 6.4 menunjukkan pipeline dengan diameter pipa 12 in
mengalami beban tekanan internal gauge 250 psi dan mempunyai slip
joint di titik C. Pipa direstrain oleh anchor di titik A dan E, dan
oleh vertikal restrain di titik B dan D
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
P = 250 psi (1724 kPa)
atau
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Maka:
Bila: P = 31,919 lb (124.005 N) a = 50 ft (15.25 m)
b = 15 ft (4.58 m)
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
6.3 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
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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)
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
6.3.1 Beban Angin
Sistem pipa yang terletak outdoor harus dirancang mampu menahan
beban angin maksimum yang terjadi sepanjang umur operasional pipa
tertsebut.
Kecepatan angin tergantung pada kondisi lokal, dan biasanya
bervariasi terhadap elevasi
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Besaran utama dari beban angin adalah diakibatkan oleh momentum
angin yang mengenai pipa.
Beban angin dimodelkan sebagai gaya uniform yang searah dengan arah
angin sepanjang pipa
Gaya angin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
Bernoulli
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
D = diameter luar pipa (termasuk isolasi) (m)
= massa jenis udara (kg/m3)
V = kecepatan udara (m/s)
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Harga koefisien drag adalah merupakan fungsi dari bentuk struktur
dan bilangan Reynold.
Bilangan Reynold (dimensionless) adalah parameter yang menunjukkan
derajat ke’turbulenan’ aliran fluida
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Pada kondisi tertentu, perlu dimasukkan faktor keamanan tambahan
yang disebut dengan Gust factor (biasanya berharga 1.0 – 1.3)
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Contoh soal 3
Gambar 5.11 menunjukkan sistem pipa dengan diameter nominal pipa 8
in dan tebal isolasi 2 in. Sistem pipa tersebut terkena angin
dengan kecepatan maksimum 75 mph arah utara-selatan. Tentukan beban
yang diterima oleh restrain C, E, dan H pada arah x.
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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:
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
atau
l = panjang proyeksi, tegak lurus terhadap beban angin, ft
(m)
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
atau
atau
atau
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Untuk segmen E-H:
Beban total pada restrain E adalah jumlah dari beban pada setiap
sisi, atau
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Relief valve digunakan dalam sistem perpipaan sebagai ‘pembuangan
tekanan’ dari sistem jika tekanan meningkat di atas operasi yang
aman.
Saat relief valve discharge, fluida akan menginitiate ‘jet force’
yang ditransfer ke sistem pipa.
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
P = static gauge pressure from discharge (N/m2)
A = discharge flow area (mm2)
Gaya discharge dapat dihitung dengan (B 31.1):
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Step berikutnya adalah menentukan ratio to/T, dimana to adalah
waktu pembukaan valve.
DLF akhirnya dapat ditentukan dari grafik berikut:
Gambar 6.9
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Contoh soal 4
Diketahui gaya relief discharge dengan 1500 lb (Gambar 5.15). Run
pipe pada tee akibat gaya 1500 lb menerima momen 3000 lb ft.
Tentukan resultan reaksi di restraint.
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Kriteria seismic dalam perancangan dapat dimulai dengan
mengestimasi potensial gempa dalam daerah dimana pipa akan
dipasang
didapat dari literatur search
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Time history analysis
Data percepatan, kecepatan dan perpindahan tanah dijadikan input
untuk menganalisis model dinamik struktur pipa.
Output hasil analisis adalah dalam bentuk perpindahan , tegangan
dan gaya-gaya tumpuan
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Spektrum gempa kemudian diaplikasikan pada model untuk mendapatkan
respon sistem secara keseluruhan
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
6.4 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
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
dimana :
Ekspansi pipa untuk beberapa jenis material diberikan pada Tabel
5.4
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Metode sederhana menghitung beban termal pada tumpuan digunakan
‘metode guided cantilever’ pada setiap tumpuan akan timbul:
dimana :
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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)
Dengan cara yang sama, beban-beban pada titik D dan E dapat
dihitung:
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Gaya Total pada titik D dan E:
Perhitungan gaya dan momen pada anchor di titik G juga dilakukan
dengan cara yang sama
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
ITT Grinnel menabelkan perhitungan beban akibat termal seperti
dicantumkan pada tabel 5.6
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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
Bab 6 Piping Design Loads
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
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)
N
977