BAB VI PIPING DESIGN LOADS

Bab 6 Piping Design LoadsBab 6 Piping Design Loads

Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan 1

BAB VIPIPING DESIGN LOADS

BAB VIPIPING DESIGN LOADS



• Bertujuan untuk menjamin keamanan operasi sistem perpipaan dengan verifikasi integritas struktur yang mendapat berbagai kondisi pembebanan.

• 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- beban-beban pada nozle- frekuensi pribadi sistem

• Stress analysis juga bertanggung jawab pada penentuan beban-beban tumpuan (support) sehingga sistem dapat direstrain dengan baik.

• Bertujuan untuk menjamin keamanan operasi sistem perpipaan dengan verifikasi integritas struktur yang mendapat berbagai kondisi pembebanan.

• 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- beban-beban pada nozle- frekuensi pribadi sistem

• Stress analysis juga bertanggung jawab pada penentuan beban-beban tumpuan (support) sehingga sistem dapat direstrain dengan baik.

6.1. Pendahuluan6.1. Pendahuluan

Pipe Stress AnalysisPipe Stress Analysis



Piping codes :

Mengandung batasan-batasan dan aturan-aturan stress analysis, setting standard, konstruksi & operasi sistem perpipaan. Contoh : ANSI & ASME.

Piping codes :

Mengandung batasan-batasan dan aturan-aturan stress analysis, setting standard, konstruksi & operasi sistem perpipaan. Contoh : ANSI & ASME.

Piping Design

Dibagi menjadi 2 bagian besar :I. Overall system design :

- Fluid distribution system- All in line equipment (vessels, pumps, valves)

II. Detailed component design :- Component- Piping support.

Analisis sistem memberikan input ke analisis komponen dalam bentuk beban-beban komponen dari sistem perpipaan dan beban beban tumpuan.

Piping Design

Dibagi menjadi 2 bagian besar :I. Overall system design :

- Fluid distribution system- All in line equipment (vessels, pumps, valves)

II. Detailed component design :- Component- Piping support.

Analisis sistem memberikan input ke analisis komponen dalam bentuk beban-beban komponen dari sistem perpipaan dan beban beban tumpuan.



Sistem Perpipaan.

Typically dibagi menjadi 2 kategori.

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).

Sistem Perpipaan.

Typically dibagi menjadi 2 kategori.

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).



Piping LoadsJenis-jenis beban pada sistem perpipaan dapat

diklasifikasikan menjadi 3 :1. Sustained Load : Beban yang bekerja terus-menerus selama operasi normal (contoh : berat, tekanan, dll)2. Occasional Load : Beban yang terjadi “ kadang-kadang “ selama operasi normal (contoh : angin, gempa, dll)3. Expansion Load : Beban akibat perpindahan pada struktur pipa (contoh : thermal expansion, diff.anchor displacement, dll).

Beban yang bekerja pada sistem perpipaan harus diteruskan ke struktur penumpu melalui peralatan-peralatan penumpu & restraints.

Piping LoadsJenis-jenis beban pada sistem perpipaan dapat

diklasifikasikan menjadi 3 :1. Sustained Load : Beban yang bekerja terus-menerus selama operasi normal (contoh : berat, tekanan, dll)2. Occasional Load : Beban yang terjadi “ kadang-kadang “ selama operasi normal (contoh : angin, gempa, dll)3. Expansion Load : Beban akibat perpindahan pada struktur pipa (contoh : thermal expansion, diff.anchor displacement, dll).

Beban yang bekerja pada sistem perpipaan harus diteruskan ke struktur penumpu melalui peralatan-peralatan penumpu & restraints.



6.2.1 Berat

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.

6.2.1 Berat

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 LOADS6.2. SUSTAINED LOADS



Model tumpuan simply supported :

Tegangan maksimum :

Gaya tumpuan :

Model tumpuan fixed end :

Tegangan maksimum :

Gaya tumpuan :

Model tumpuan simply supported :

Tegangan maksimum :

Gaya tumpuan :

Model tumpuan fixed end :

Tegangan maksimum :

Gaya tumpuan :

Z8

WL2

Z8

WL2

2

WLF

2

WLF

Z12

WL2

Z12

WL2

2

WLF

2

WLF



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 maksimumS = tegangan yang diijinkan (tergantung dari jenis material pipa, temperatur dan code)

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 maksimumS = tegangan yang diijinkan (tergantung dari jenis material pipa, temperatur dan code)

Z10

WL2

Z10

WL2

atau lebih konservatifZ8

WL2

Z8

WL2

W

ZS10L

W

ZS10L



Gaya-gaya tumpuan adalah :

Standard :Untuk menyederhanakan perhitungan, MSS (Manufacturers Standardization Society) memberikan rekomendasi jarak antar tumpuan dalam SP-69

Gaya-gaya tumpuan adalah :

Standard :Untuk menyederhanakan perhitungan, MSS (Manufacturers Standardization Society) memberikan rekomendasi jarak antar tumpuan dalam SP-69

2

)WZS10(F

2/1

2

)WZS10(F

2/1



Tabel 6.1 Span Maksimum yang Dianjurkan antara

Support dan Pipa

Tabel 6.1 Span Maksimum yang Dianjurkan antara

Support dan Pipa



Rekomendasi pada SP-69 telah mempertimbangkan ukuran pipa, jenis fluida, isolasi, s = 1500 psi (1110,3 Mpa) dan defleksi maksimum 0,1 in (2,5 mm)

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 :

Rekomendasi pada SP-69 telah mempertimbangkan ukuran pipa, jenis fluida, isolasi, s = 1500 psi (1110,3 Mpa) dan defleksi maksimum 0,1 in (2,5 mm)

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 :



1. 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.

2. Jika arah pipa mengalami perubahan (belokan) disarankan jarak tumpuan ¾ dari tabel SMS, untuk menjaga stabilitas dan untuk mengakomodasi beban eksentrik.

1. 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.

2. Jika arah pipa mengalami perubahan (belokan) disarankan jarak tumpuan ¾ dari tabel SMS, untuk menjaga stabilitas dan untuk mengakomodasi beban eksentrik.



3. 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.

4. Lokasi tumpuan diusahakan sedekat mungkin dengan bagunan baja yang ada, sehingga tidak diperlukan bangunan tambahan untuk menopang struktur pipa.

3. 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.

4. Lokasi tumpuan diusahakan sedekat mungkin dengan bagunan baja yang ada, sehingga tidak diperlukan bangunan tambahan untuk menopang struktur pipa.



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.

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.



Gambar 6.1Gambar 6.1



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

Pipe: 8.5 x 119 = 1012 lb (4503 N), 5.75 ft (1.75 m) di sebelah titik C


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

0X

M

C10)75.5(1012)5.0(2990 ataskeNlbC )2649(597

0Z

M

)11(597)11(1012)5.10(299)25.6(7744)5.1(11700 B

ataskeNlbB )955,15(3574



0y

F

5971012299774357411700 AbawahkeNlbA )4119(916

0X

M Terhadap titik C

)25.4(1012)5.9(299)10(160705.30 D

ataskeNlbD )334,10(2321

2321101229916070 CataskeNlbC )2648(597

0y

F



Tabel 6.2 Tabel 6.2



6.2.2 Tekanan6.2.2 Tekanan

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

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



P ( AP ) - { PAP/Am }Am = 0P ( AP ) - { PAP/Am }Am = 0


dimana :

P = tekanan internal

Ap = luas penampang rongga bagian dalam pipa

Am = luas penampang pipa

dimana :

P = tekanan internal

Ap = luas penampang rongga bagian dalam pipa

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

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

Beban tekanan pada expansion joint adalah sama dengan tekanan dikalikan luas penampang




Slip joint : Slip joint : 4

DA

2o

Do = diameter luar pipa Do = diameter luar pipa

Bellows : Bellows :

4

DA

2b

Db = diameter dalam maksimum bellows

Db = diameter dalam maksimum bellows



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

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



Gambar 6.4 Gambar 6.4



Penyelesaian contoh 2Penyelesaian contoh 2

Pipa: Dnominal = 12 in (300 mm)

P = 250 psi (1724 kPa)

Pipa: Dnominal = 12 in (300 mm)

P = 250 psi (1724 kPa)

lbDP

F 919,314

)75.12()250(4

2

0 lbDP

F 919,314

)75.12()250(4

2

0

2Pb

MA

2Pb

MA

NF 005,1424

)32385.0()1724( 2

NF 005,1424

)32385.0()1724( 2

atauatau

Dari teori batangDari teori batang

aPb

FA 2

3aPb

FA 2

3a

PbPaF

b 232

aPbPa

Fb 2

32



Maka:

lbftanchorpadaM .939,2392

)15)(919,31(

Nm.191,3252

)58.4)(005,142(

lbanchorpadaF 364,14)50(2

)15)(919,31)(3(

N972,63)25.15(2

)58.4)(005,142)(3(

lbrestrainpadaF 283,46)50(2

)15)(919,31)(3()50)(919,31)(2(

N977,205)25.15(2

)58.4)(005,142)(3()25.15)(005,142)(2(

Bila: P = 31,919 lb (124.005 N) a = 50 ft (15.25 m)

b = 15 ft (4.58 m)



• 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

• 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

6.3 Occasional Loads6.3 Occasional Loads



• Rekomendasi untuk menentukan posisi tumpuan untuk beban occasional:

• Rekomendasi untuk menentukan posisi tumpuan untuk beban occasional:

1. Tentukan posisi awal yang sesuai untuk beban ‘sustained’ (berat)

2. Tentukan jarak tumpuan (span) optimum untuk ‘occasional load’. Reduksi span yang didapat sampai coincides dengan kelipatan span tahap 1

3. Pada sistem pipa dingin,gunakan rigid support di semua tumpuan

4. 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)

1. Tentukan posisi awal yang sesuai untuk beban ‘sustained’ (berat)

2. Tentukan jarak tumpuan (span) optimum untuk ‘occasional load’. Reduksi span yang didapat sampai coincides dengan kelipatan span tahap 1

3. Pada sistem pipa dingin,gunakan rigid support di semua tumpuan

4. 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)



• 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

• 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

6.3.1 Beban Angin6.3.1 Beban Angin


Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan 34Gambar 6.5Gambar 6.5



• 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

• 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



)USCS( 4.386

q DCF d )USCS(

4.386

q DCF d

)SI(1000

qDCF d

)SI(

1000

qDCF d

dimana :

F = beban angin (N/m)

Cd = koefisien drag

q = tekanan dinamik (N/m2) = V2/2

D = diameter luar pipa (termasuk isolasi) (m)

= massa jenis udara (kg/m3)

V = kecepatan udara (m/s)

dimana :

F = beban angin (N/m)

Cd = koefisien drag

q = tekanan dinamik (N/m2) = V2/2

D = diameter luar pipa (termasuk isolasi) (m)


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

• Harga koefisien drag adalah merupakan fungsi dari bentuk struktur dan bilangan Reynold.

• Bilangan Reynold (dimensionless) adalah parameter yang menunjukkan derajat ke’turbulenan’ aliran fluida



)USCS( 4.386

V D Rn

)USCS( 4.386

V D Rn


V = kecepatan angin (m/s)

D = diameter pipa (m)

= viskositas dinamik udara (kg/m s)


V = kecepatan angin (m/s)

D = diameter pipa (m)

= viskositas dinamik udara (kg/m s)

)SI( 1000

V D Rn

)SI( 1000

V D Rn

• Pada kondisi tertentu, perlu dimasukkan faktor keamanan tambahan yang disebut dengan Gust factor (biasanya berharga 1.0 – 1.3)

• Pada kondisi tertentu, perlu dimasukkan faktor keamanan tambahan yang disebut dengan Gust factor (biasanya berharga 1.0 – 1.3)



Contoh soal 3Gambar 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.

Contoh soal 3Gambar 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.




Menentukan beban angin per panjang proyeksi pipa:

V = 75 mph = 110 ft/s (33.55m/s)

udara = 0.0748 lbm/ft3 (1.198 kg/m3) pada 29.92 in Hg dan 700F (210C)

udara = 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)

Menentukan beban angin per panjang proyeksi pipa:

V = 75 mph = 110 ft/s (33.55m/s)

udara = 0.0748 lbm/ft3 (1.198 kg/m3) pada 29.92 in Hg dan 700F (210C)

udara = 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:Bilangan Reynolds:

55

109.6)1016.39)(4.386(

)110)(625.12)(0748.0(

R 5

5109.6

)1016.39)(4.386(

)110)(625.12)(0748.0(

R

55

109.6)1087.1)(1000(

)55.33)(7.320)(198.1(

R 5

5109.6

)1087.1)(1000(

)55.33)(7.320)(198.1(

R

atauatau



ftlbF /5.114.386

)625.12)(1100748.05.0)(6.0)(3.1( 2

ftlbF /5.114.386

)625.12)(1100748.05.0)(6.0)(3.1( 2

Gaya drag dapat dihitung dengan menggunakan faktor gust 1.3:Gaya drag dapat dihitung dengan menggunakan faktor gust 1.3:

mNF /1701000

)7.320)(55.33198.15.0)(6.0)(3.1( 2

mNF /1701000

)7.320)(55.33198.15.0)(6.0)(3.1( 2

atauatau

ftlbL

Wl/1.8

2020)20(5.11

22

ftlb

LWl

/1.82020

)20(5.1122

Actual loadActual load

Dimana

W = beban angin, lb/ft (N/m)

L = panjang sesungguhnya, ft (m)

l = panjang proyeksi, tegak lurus terhadap beban angin, ft (m)

Dimana

W = beban angin, lb/ft (N/m)

L = panjang sesungguhnya, ft (m)

l = panjang proyeksi, tegak lurus terhadap beban angin, ft (m)



Dengan penjumlahan momen terhadap titik A, diperoleh:0

yM

)10)(230(200 ElbE 115

)05.3)(1037(1.60 EatauNE 519

0z

M

C15)5.22(518)45(230)45(1150

lbC 1122

C6.4)9.6(2346)8.13(1037)8.13(5190

NC 5073

05182301122115 AFx

lbA 489

0234610375073519 AFx

NA 2209

atau

atau



Untuk segmen E-H:0)5.7(5.172)25(22935 HM

y

)892(5.200 NlbH

05.1722295.200 EFx

)894(201 NlbE

Beban total pada restrain E adalah jumlah dari beban pada setiap sisi, atau

lbEtot

316201115 N1413894519



6.3.2 Beban Relief Valve Discharge6.3.2 Beban Relief Valve Discharge

• 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.

• 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.



dimana :

F = gaya discharge

DLF = dynamic load factor

m = mass flow rate valve x1.11, lbms (kg/s)

P = static gauge pressure from discharge (N/m2)

A = discharge flow area (mm2)

dimana :

F = gaya discharge

DLF = dynamic load factor

m = mass flow rate valve x1.11, lbms (kg/s)

P = static gauge pressure from discharge (N/m2)

A = discharge flow area (mm2)

• Gaya discharge dapat dihitung dengan (B 31.1):• Gaya discharge dapat dihitung dengan (B 31.1):

)USCS( PA2.32

mVDLFF

)USCS( PA

2.32

mVDLFF

)SI(

101

PAmVDLFF

6

)SI(

101

PAmVDLFF

6



JugaJuga

)USCS( 1b2

)ah(50113V 0

)USCS( 1b2

)ah(50113V 0

)SI( 1b2

)ah(0085.2V 0

)SI( 1b2

)ah(0085.2V 0

ho = enthalpy stagnasi fluidaho = enthalpy stagnasi fluida

Harga a dan b diberikan pada tabel berikutHarga a dan b diberikan pada tabel berikut



)USCS( P - 1b2

)ah(33.48

b

1b

a

mP A

0

)USCS( P - 1b2

)ah(33.48

b

1b

a

mP A

0

)SI( P - 1b2

)ah(10995.1

b

1b

a

mP A

012

)SI( P - 1b2

)ah(10995.1

b

1b

a

mP A

012

DanDan

PA = tekanan atmosferPA = tekanan atmosfer



• 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:

• 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:

)USCS( EI

WH1846.0T

3

)USCS( EI

WH1846.0T

3

)SI( EI

WH59.114T

3

)SI( EI

WH59.114T

3

dimana :

W = massa valve

H = jarak pipa utama ke pipa outlet (mm), in

E = modulus elastisitas pipa

I = momen inersia pipa inlet (mm4), in4

dimana :

W = massa valve

H = jarak pipa utama ke pipa outlet (mm), in

E = modulus elastisitas pipa

I = momen inersia pipa inlet (mm4), in4



• Step berikutnya adalah menentukan ratio to/T, dimana to adalah waktu pembukaan valve.

• DLF akhirnya dapat ditentukan dari grafik berikut:

• Step berikutnya adalah menentukan ratio to/T, dimana to adalah waktu pembukaan valve.

• DLF akhirnya dapat ditentukan dari grafik berikut:




Contoh soal 4Diketahui 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.

Contoh soal 4Diketahui 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.




Reaksi pada restrainReaksi pada restrain

lbFa

37520

3000317

)3(1500

lbFa

37520

3000317

)3(1500

lbFb

112520

3000317

)17(1500

lbFb

112520

3000317

)17(1500

NFa

167211.6

470292.019.5

)92.0(6675

NFa

167211.6

470292.019.5

)92.0(6675

NFb

500311.6

470292.019.5

)19.5(6675

NFb

500311.6

470292.019.5

)19.5(6675

atauatau



• Sistem perpipaan haruslah didesain mampu menahan beban gempa

• Kriteria seismic dalam perancangan dapat dimulai dengan mengestimasi potensial gempa dalam daerah dimana pipa akan dipasang

• Sistem perpipaan haruslah didesain mampu menahan beban gempa

• Kriteria seismic dalam perancangan dapat dimulai dengan mengestimasi potensial gempa dalam daerah dimana pipa akan dipasang

6.3.3 Beban Gempa6.3.3 Beban Gempa

didapat dari literatur search contoh akibat gempa dalam Mercelli Scale

didapat dari literatur search contoh akibat gempa dalam Mercelli Scale



• Contoh gempa di US• Contoh gempa di US




• Analisis yang perlu dilakukan adalah:• Analisis yang perlu dilakukan adalah:

1. Time history analysis

• Dilakukan berdasarkan catatan gempa terhadap waktu

• 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

1. Time history analysis

• Dilakukan berdasarkan catatan gempa terhadap waktu

• 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



2. Modal Analysis

• 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

2. Modal Analysis

• 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



• 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

• 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

6.4 Expansion Load6.4 Expansion Load



• Ekspansi termal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

• Ekspansi termal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

6.4.1 Perhitungan Beban Termal6.4.1 Perhitungan Beban Termal

Thot

TcolddT L

Thot

TcolddT L

dimana :

=ekspansi termal (mm)

L = panjang pipa (mm)

= koefisien ekspansi termal (mm/mm0C)

T = temperatur pipa (0C)

dimana :

=ekspansi termal (mm)

L = panjang pipa (mm)

= koefisien ekspansi termal (mm/mm0C)

T = temperatur pipa (0C)

Ekspansi pipa untuk beberapa jenis material diberikan pada Tabel 5.4Ekspansi pipa untuk beberapa jenis material diberikan pada Tabel 5.4



Tabel 5.4Tabel 5.4



• Metode sederhana menghitung beban termal pada tumpuan digunakan ‘metode guided cantilever’ pada setiap tumpuan akan timbul:

• Metode sederhana menghitung beban termal pada tumpuan digunakan ‘metode guided cantilever’ pada setiap tumpuan akan timbul:

2L

I E 6M

2L

I E 6M

3L

I E 12P

3L

I E 12P

dimana :

P = gaya-gaya pada tumpuan

M = momen pada tumpuan

E = modulus elastisitas

dimana :

P = gaya-gaya pada tumpuan

M = momen pada tumpuan

E = modulus elastisitas

I = momen inersia

= pertambahan panjang

L = panjang pipa

• Penggunaan expansion loop adalah alternatif untuk dapat mengatasi ekspansi termal yang besar

• Penggunaan expansion loop adalah alternatif untuk dapat mengatasi ekspansi termal yang besar



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 :1. Pergeseran yang diserap oleh segmen A-B, B-C, dan E-F2. Gaya dan momen yang diterima oleh segmen A-B, B-C,

dan E-F3. Gaya dan momen pada tumpuan A

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 :1. Pergeseran yang diserap oleh segmen A-B, B-C, dan E-F2. Gaya dan momen yang diterima oleh segmen A-B, B-C,

dan E-F3. Gaya dan momen pada tumpuan A




T

i

n

n LL

3

3

T

i

n

n LL

3

3

)864.0(034.0306030

)30(34.0333

3

mminCBolehdiserapyangx

)864.0(034.0306030

)30(34.0333

3

mminCBolehdiserapyangx

)300(66360

)034.0)(279)(107.27(123

6

NlbCBsepanjangFx

)300(66360

)034.0)(279)(107.27(123

6

NlbCBsepanjangFx

)1.5(202.02015

)15(65.033

3

mminBAsepanjangy

)1.5(202.02015

)15(65.033

3

mminBAsepanjangy

)285,14(3210180

)202.0)(279)(107.27(123

6

NlbBAsepanjangFy

)285,14(3210180

)202.0)(279)(107.27(123

6

NlbBAsepanjangFy



From segment Direction Magnitude Resisted by

A-B X 0.34 in (8.6 mm) B-C, C-F, F-G

B-C Y 0.68 in (17.3 mm) A-B, C-D

C-F Z 1.36 in (34.5 mm) A-B, B-C, F-G

F-G Y 0.68 in (17.3 mm) E-F

Pergerakan PipaPergerakan Pipa



Untuk segemen A-BUntuk segemen A-B

).697,32(.096,289180

)202.0)(279)(107.27(62

6

NmlbinMZ

)03.2(08.0303015

)15(36.1333

3

mminZ

)5661(1272180

)08.0)(279)(107.27(123

6

NlbFZ

).950,12(.493,114180

)08.0)(279)(107.27(62

6

NmlbinMY

2

6

333

3

,@)( 360)279)(107.27(6

303015)30(36.1

CBXAtorsionXMM

).899,25(.987,228 Nmlbin



Fx = 66 lb (300N) Mx = 228,987 in.lb (25,899 m.N)

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)

Fx = 66 lb (300N) Mx = 228,987 in.lb (25,899 m.N)

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:Dengan cara yang sama, beban-beban pada titik D dan E dapat dihitung:

)1.12(478.02015

)20(68.033

3

, mminDCY

)1.12(478.0

2015

)20(68.033

3

, mminDCY

)285,14(3210240

)478.0)(279)(107.27(123

6

, NlbF DCY

)285,14(3210

240

)478.0)(279)(107.27(123

6

, NlbF DCY

).523,43(.804,384240

)478.0)(279)(107.27(62

6

, NmlbinM DCZ

).523,43(.804,384

240

)478.0)(279)(107.27(62

6

, NmlbinM DCZ



)3.17(68.0,

mminFEY

)3.17(68.0

,mmin

FEY

)321,20(4567240

)68.0)(279)(107.27(123

6

,NlbF

FEY

)321,20(4567

240)68.0)(279)(107.27(12

3

6

,NlbF

FEY

).916,61(.421,547240

)68.0)(279)(107.27(62

6

,NmlbinM

FEZ

).916,61(.421,547

240)68.0)(279)(107.27(6

2

6

,NmlbinM

FEZ

Gaya Total pada titik D dan E:Gaya Total pada titik D dan E:

)570,31(7094240

421,547240

805,3843210

,NlbF

DY )570,31(7094

240421,547

240805,384

3210,

NlbFDY

)608,37(8451240

421,547240

805,3844567

,NlbF

EY )608,37(8451

240421,547

240805,384

4567,

NlbFEY

Perhitungan gaya dan momen pada anchor di titik G juga dilakukan dengan cara yang samaPerhitungan gaya dan momen pada anchor di titik G juga dilakukan dengan cara yang sama



• ITT Grinnel menabelkan perhitungan beban akibat termal seperti dicantumkan pada tabel 5.6

• ITT Grinnel menabelkan perhitungan beban akibat termal seperti dicantumkan pada tabel 5.6



• Perpindahan pipa akibat beban termal dapat diestimasi pada titik intermediate dengan mengasumsikan variasi linier antara titik-titik yang diketahui perpindahannya.

• Perpindahan pipa akibat beban termal dapat diestimasi pada titik intermediate dengan mengasumsikan variasi linier antara titik-titik yang diketahui perpindahannya.

6.4.2 Perhitungan Perpindahan Termal6.4.2 Perhitungan Perpindahan Termal



Contoh soal 6Gambar 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 inTitik F : 4 in (101.6 mm) ke bawah, dingin ke panasTitik K : 1 in (25.4 mm) ke atas, dingin ke panasTitik L : 0 inTitik M : 0 inMaterial pipa adalah intermediate alloy steel, dan sistem beroperasi

pada temperatur 9000F (4820C)Tentukana. Pertambahan panjang segmen B-C, C-D, dan I-J b. Pertambahan panjang pegas H1 dan H2c. Besar perpindahan titik E, J, dan I

Contoh soal 6Gambar 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 inTitik F : 4 in (101.6 mm) ke bawah, dingin ke panasTitik K : 1 in (25.4 mm) ke atas, dingin ke panasTitik L : 0 inTitik M : 0 inMaterial pipa adalah intermediate alloy steel, dan sistem beroperasi

pada temperatur 9000F (4820C)Tentukana. Pertambahan panjang segmen B-C, C-D, dan I-J b. Pertambahan panjang pegas H1 dan H2c. Besar perpindahan titik E, J, dan I




Dari tabel 5.4: ekspansi = 0.0707 in/ft (0.0059 mm/m), sehingga:

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:

E = 28/44 (4) = 2.55 in (64.8 mm) ke bawah

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)


Dari tabel 5.4: ekspansi = 0.0707 in/ft (0.0059 mm/m), sehingga:

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:

E = 28/44 (4) = 2.55 in (64.8 mm) ke bawah

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)

BAB VI PIPING DESIGN LOADS

Documents

Transcript of BAB VI PIPING DESIGN LOADS