Bab 05 Piping Design Loads

Bab 5 Piping Design LoadsBab 5 Piping Design Loads

BAB 5PIPING DESIGN LOADS

BAB 5PIPING DESIGN LOADS

Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem PerpipaanDesain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan1


• Bertujuan untuk menjamin keamanan operasi sistem perpipaan dengan verifikasi integritas struktur yang mendapat berbagai k di i b b

• Bertujuan untuk menjamin keamanan operasi sistem perpipaan dengan verifikasi integritas struktur yang mendapat berbagai k di i b b

5.1. Pendahuluan5.1. PendahuluanPipe Stress AnalysisPipe Stress Analysis

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

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.

- beban-beban pada nozle- frekuensi pribadi sistem

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


Piping codes :Mengandung batasan-batasan dan aturan-aturan stress analysis, setting standard, konstruksi & operasisistem perpipaan. Contoh : ANSI & ASME.

Piping codes :Mengandung batasan-batasan dan aturan-aturan stress analysis, setting standard, konstruksi & operasisistem perpipaan. Contoh : ANSI & ASME.

Piping DesignPiping DesignPiping Design

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

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

II. Detailed component design :

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 dalambentuk beban-beban komponen dari sistem perpipaan dan bebanbeban tumpuan.

- Component- Piping support.

Analisis sistem memberikan input ke analisis komponen dalambentuk beban-beban komponen dari sistem perpipaan dan bebanbeban tumpuan.


Sistem Perpipaan.

Typically dibagi menjadi 2 kategori.

I Hot system design temp ≥ 1500F (660C)

Sistem Perpipaan.

Typically dibagi menjadi 2 kategori.

I Hot system design temp ≥ 1500F (660C)I. Hot system , design temp. ≥ 150 F (66 C)II. Cold system, design temp. < 1500F (660C)

Hot system pipelines memerlukan analisis fleksibilitas yang teliti untuk menentukan gaya-gaya thermal, tegangan dan perpindahan.

I. Hot system , design temp. ≥ 150 F (66 C)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).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

Piping LoadsJenis-jenis beban pada sistem perpipaan dapat diklasifikasikan menjadi 3 :1. Sustained Load :

Beban yang bekerja terus-menerus selamaoperasi normal (contoh : berat, tekanan, dll)

2. Occasional Load :Beban yang terjadi “ kadang-kadang “ selamaoperasi normal (contoh : angin, gempa, dll)

3. Expansion Load :Beban akibat perpindahan pada struktur pipa (contoh : thermal expansion diff anchor

operasi normal (contoh : berat, tekanan, dll)2. Occasional Load :

Beban yang terjadi “ kadang-kadang “ selamaoperasi normal (contoh : angin, gempa, dll)

3. Expansion Load :Beban akibat perpindahan pada struktur pipa (contoh : thermal expansion diff anchor


(contoh : thermal expansion, diff.anchordisplacement, dll).

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

(contoh : thermal expansion, diff.anchordisplacement, dll).

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


5.2.1 Berat

Semua sistem perpipaan haruslah dirancang

5.2.1 Berat

Semua sistem perpipaan haruslah dirancang

5.2. SUSTAINED LOADS5.2. SUSTAINED LOADS

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

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


Metode sederhana untuk menghitung tegangan dan beban tumpuan adalah dengan memodelkan pipa sebagai beam dengan terdistribusi merata.

Metode sederhana untuk menghitung tegangan dan beban tumpuan adalah dengan memodelkan pipa sebagai beam dengan terdistribusi merata.


Model tumpuan simply supported :

Tegangan maksimum :

Model tumpuan simply supported :

Tegangan maksimum :Z8

WL2=σ

Gaya tumpuan :

Model tumpuan fixed end :

Gaya tumpuan :

Model tumpuan fixed end :

2WLF =

WL2


Tegangan maksimum :

Gaya tumpuan :

Tegangan maksimum :

Gaya tumpuan :

Z12WL2

=σ

2WLF =


Dalam kenyataan, kondisi tumpuan umumnya adalah antara simply supported dengan fixed-end, sehingga tegangan maksimum biasanya dihitung dengan persamaan :

Dalam kenyataan, kondisi tumpuan umumnya adalah antara simply supported dengan fixed-end, sehingga tegangan maksimum biasanya dihitung dengan persamaan :

WL2 WL2

Jadi untuk pipa horizontal lurus, jarak antar tumpuan dapat dihitung : Jadi untuk pipa horizontal lurus, jarak antar tumpuan dapat dihitung :

Z10WL2

=σ atau lebih konservatifZ8

WL2=σ

ZS10L =


dimana :L = jarak tumpuan maksimumS = tegangan yang diijinkan (tergantung dari jenis

material pipa, temperatur dan code)

dimana :L = jarak tumpuan maksimumS = tegangan yang diijinkan (tergantung dari jenis

material pipa, temperatur dan code)

WL =


Gaya-gaya tumpuan adalah :Gaya-gaya tumpuan adalah :

)WZS10(F2/1

=

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

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

2F =


memberikan rekomendasi jarak antar tumpuan dalam SP-69memberikan rekomendasi jarak antar tumpuan dalam SP-69


Tabel 5.1 Span Maksimum yang Dianjurkan antara

Support dan Pipa

Tabel 5.1 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)

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”.

i i i i

Dalam kasus dimana pipa tidak hanya lurus horisontal, beban-beban yang ditimbulkan pada tumpuan dapat dihitung dengan metode “Weight Balancing”.

i i i i


Karena umumnya sistem perpipaan tidak horisontal lurus maka dalam menentukan posisi tumpuan perlu mempertimbangkan hal-hal berikut :

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

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.

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.

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

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 p pbagian 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

p pbagian 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


berat.

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

berat.

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


Contoh Soal 1Contoh 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

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


gate valve. Tentukan letak-letak penumpu dan hitunglah bebannya.gate valve. Tentukan letak-letak penumpu dan hitunglah bebannya.



Gambar 6.1Gambar 6.1


Penyelesaian contoh 1Titik 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

Penyelesaian contoh 1Titik 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

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

0=ΣX

MC10)75.5(1012)5.0(2990 +−−=

ataskeNlbC )2649(597=


ataskeNlbC )2649(597

0=ΣZ

M)11(597)11(1012)5.10(299)25.6(7744)5.1(11700 +−−−+−= B

ataskeNlbB )955,15(3574=


0=Σy

F5971012299774357411700 +−−−+−= A

bawahkeNlbA )4119(916= bawahkeNlbA )4119(916=

0=ΣX

M Terhadap titik C)25.4(1012)5.9(299)10(160705.30 −−−= D

ataskeNlbD )334,10(2321=

0=Σy

F


2321101229916070 +−−−=CataskeNlbC )2648(597=

y


Tabel 5.2 Tabel 5.2





5.2.2 Tekanan5.2.2 Tekanan

Sistem perpipaan umumnya mendapat bebanSistem perpipaan umumnya mendapat bebanSistem perpipaan umumnya mendapat beban tekanan internal dari fluida yang dialirkanBeban tekanan lebih berpengaruh pada tegangan yang ditimbulkan pada dinding pipa dibandingkan dengan menimbulkan beban pada tumpuan. Hal ini diakibatkan beban tekan di”netralize” oleh

Sistem perpipaan umumnya mendapat beban tekanan internal dari fluida yang dialirkanBeban tekanan lebih berpengaruh pada tegangan yang ditimbulkan pada dinding pipa dibandingkan dengan menimbulkan beban pada tumpuan. Hal ini diakibatkan beban tekan di”netralize” oleh


diakibatkan beban tekan di netralize oleh tegangan pada dinding pipa diakibatkan beban tekan di netralize oleh tegangan pada dinding pipa


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


dimana :dimana :


P = tekanan internal

Ap = luas penampang rongga bagian dalam pipa

Am = luas penampang pipa

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 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

pada dinding pipa, sehingga harus ditahan oleh restrain-restrain dan anchor

Contoh : - slip type expansion joint- bellows expansion joint


p jp j


B b t k d i j i t d l hB b t k d i j i t d l h



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 :DA

2oπ

= D diameter luar pipaD diameter luar pipaSlip joint : Slip joint : 4

A = Do = diameter luar pipa Do = diameter luar pipa

Bellows : Bellows : 4

DA2

bπ= Db = diameter dalam

maksimum bellowsDb = diameter dalam maksimum bellows


4


Contoh soal 2Gambar 6 4 menunjukkan pipeline dengan

Contoh soal 2Gambar 6 4 menunjukkan pipeline denganGambar 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

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 DB dan D





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)

lbDPF 919,314

)75.12()250(4

2

0 === ππ

NF 005,1424

)32385.0()1724( 2

== πatauatau


2PbM

A=

Dari teori batangDari teori batang

aPbF

A 23−

=a

PbPaFb 2

32 +=


Maka:

lbftanchorpadaM .939,2392

)15)(919,31(==

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

b = 15 ft (4.58 m)

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(=

+=


• Beban yang dikategorikan occasional loads pada sistem dalam periode yang sebagian saja dari total periode operasi sistem ( 1 – 10 % ). Contoh : snow, fenomena alam

• Beban yang dikategorikan occasional loads pada sistem dalam periode yang sebagian saja dari total periode operasi sistem ( 1 – 10 % ). Contoh : snow, fenomena alam

5.3 Occasional Loads5.3 Occasional Loads

( ) ,(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

( ) ,(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 sehinggatumpuan dapat menahan kedua jenis beban tersebut

- Contoh : beban dinamik paling baik ditahan dengan rigidsupport. Tapi rigid support akan menurunkan fleksibilitas* Snubber mungkin dapat digunakan

- Dalam perancangan perlu dilakukan kompromi sehinggatumpuan dapat menahan kedua jenis beban tersebut

- Contoh : beban dinamik paling baik ditahan dengan rigidsupport. Tapi rigid support akan menurunkan fleksibilitas* Snubber mungkin dapat digunakan


• 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)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

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


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)

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• Sistem pipa yang terletak outdoor harus

5.3.1 Beban Angin5.3.1 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

• 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 elevasilokal, dan biasanya bervariasi terhadap elevasi


Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem PerpipaanDesain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan34Gambar 6.5Gambar 6.5


• Besaran utama dari beban angin adalah diakibatkan oleh momentum angin yang

• Besaran utama dari beban angin adalah diakibatkan oleh momentum angin yangdiakibatkan oleh momentum angin yang mengenai pipa.

• Beban angin dimodelkan sebagai gaya uniform yang searah dengan arah angin sepanjang pipaG i d t dihit d

diakibatkan oleh momentum angin yang mengenai pipa.

• Beban angin dimodelkan sebagai gaya uniform yang searah dengan arah angin sepanjang pipaG i d t dihit d


• Gaya angin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Bernoulli

• Gaya angin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Bernoulli


)USCS( 4.386q DCF d=

)SI(qDCF d = )(

1000dimana :

F = beban angin (N/m)

Cd = koefisien drag

dimana :

F = beban angin (N/m)

Cd = koefisien drag


q = tekanan dinamik (N/m2) = ρV2/2

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

ρ= massa jenis udara (kg/m3)

V = kecepatan udara (m/s)

q = tekanan dinamik (N/m2) = ρV2/2

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


V = kecepatan udara (m/s)





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

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

merupakan fungsi dari bentuk struktur dan bilangan Reynold.

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


derajat ke’turbulenan’ aliran fluidaderajat ke’turbulenan’ aliran fluida


)USCS( 4.386V D Rnμ

ρ=

)SI(V D Rn ρ=


V = kecepatan angin (m/s)

D = diameter pipa (m)


V = kecepatan angin (m/s)

D = diameter pipa (m)

)SI( 1000

Rnμ


μ = viskositas dinamik udara (kg/m s)μ = viskositas dinamik udara (kg/m s)

• 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 denganContoh soal 3Gambar 5 11 menunjukkan sistem pipa denganGambar 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.

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.







Menentukan beban angin per panjang proyeksi pipa:

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

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

Menentukan beban angin per panjang proyeksi pipa:

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

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

μudara = 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)

ρudara ( g ) p g ( )

μudara = 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


))((

55 109.6)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

=××

=

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

atauatau

mNF /1701000

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

=××

=

ftlbL

Wl /1.82020

)20(5.1122=

+=

Actual loadActual load


L 2020 +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=Σ

yM

)10)(230(200 −= ElbE 115=

)05.3)(1037(1.60 −= EatauNE 519=

0=Σz

MC15)5.22(518)45(230)45(1150 +−−=

lbC 1122=

C6.4)9.6(2346)8.13(1037)8.13(5190 +−−=

NC 5073=

atau


05182301122115 =+−−+=Σ AFx

lbA 489−=

0234610375073519 =+−−+=Σ AFx

NA 2209−=

atau


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

y

)892(5.200 NlbH =

05.1722295.200 =+−−=Σ EFx

)894(201 NlbE =

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

lbE 316201115 =+=Σ


lbEtot

316201115 =+=ΣN1413894519 =+=


5.3.2 Beban Relief Valve Discharge5.3.2 Beban Relief Valve Discharge

• Relief valve digunakan dalam sistem• Relief valve digunakan dalam sistem• 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

• 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.menginitiate ‘jet force’ yang ditransfer ke sistem pipa.


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

)USCS( PA2.32

mVDLFF⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ += )SI(

101PAmVDLFF 6 ⎭

⎬⎫

⎩⎨⎧

⋅+=

dimana :

F = gaya discharge

DLF = dynamic load factor

fl t l 1 11 lb (k / )

dimana :

F = gaya discharge

DLF = dynamic load factor

fl t l 1 11 lb (k / )


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

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

A = discharge flow area (mm2)

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

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

A = discharge flow area (mm2)


JugaJuga

)USCS( 1b2

)ah(50113V 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(33.48b

1bmP A0 −−

=

DanDan

)(1b2ba A−

)SI( P - 1b2

)ah(10995.1b

1bamP A

012

−−⋅−

=


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.

• 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.instalasi valve dan waktu pembukaan.

• Perhitungan DLF dapat dimulai dengan menghitung periode natural instalasi valve:

instalasi valve dan waktu pembukaan.• Perhitungan DLF dapat dimulai dengan

menghitung periode natural instalasi valve:

)USCS( EI

WH1846.0T3

= )SI( EI

WH59.114T3

=


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:berikut: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=+

+=

20317 +

lbFb

112520

3000317

)17(1500=−

+=

NF 16724702)92.0(6675=+=

atauatau


NFa

167211.692.019.5

=++

=

NFb

500311.6

470292.019.5

)19.5(6675=−

+=


• Sistem perpipaan haruslah didesain mampu h b b

• Sistem perpipaan haruslah didesain mampu h b b

5.3.3 Beban Gempa5.3.3 Beban Gempa

menahan beban gempa• Kriteria seismic dalam perancangan dapat

dimulai dengan mengestimasi potensial gempa dalam daerah dimana pipa akan dipasang

menahan beban gempa• Kriteria seismic dalam perancangan dapat

dimulai dengan mengestimasi potensial gempa dalam daerah dimana pipa akan dipasang


⇒ 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 analysis1. Time history analysis• Dilakukan berdasarkan catatan gempa

terhadap waktu• Data percepatan, kecepatan dan

perpindahan tanah dijadikan input untuk menganalisis model dinamik struktur pipa

• Dilakukan berdasarkan catatan gempa terhadap waktu

• Data percepatan, kecepatan dan perpindahan tanah dijadikan input untuk menganalisis model dinamik struktur pipa


menganalisis model dinamik struktur pipa.• Output hasil analisis adalah dalam bentuk

perpindahan , tegangan dan gaya-gaya tumpuan

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

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

analysis• Model dinamik dari sistem pipa dibagi

menjadi sejumlah model single dof yang secara keseluruhan dapat mewakili karakteristik dinamik sistem pipa


karakteristik dinamik sistem pipa• Spektrum gempa kemudian diaplikasikan

pada model untuk mendapatkan respon sistem secara keseluruhan

karakteristik dinamik sistem pipa• Spektrum gempa kemudian diaplikasikan

pada model untuk mendapatkan respon sistem secara keseluruhan





• Restraint diperlukan untuk menahan beban• Restraint diperlukan untuk menahan beban

5.4 Expansion Load5.4 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

• 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


• Kondisi restraint dari sudut pandang ‘thermal’, maka tidak ada restraintperlu dirancang restraint yang optimum

• Kondisi restraint dari sudut pandang ‘thermal’, maka tidak ada restraintperlu dirancang restraint yang optimum


• Ekspansi termal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

• Ekspansi termal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

5.4.1 Perhitungan Beban Termal5.4.1 Perhitungan Beban Termal

∫ α=ΔThot

TcolddT L

dimana :

Δ =ekspansi termal (mm)

L = panjang pipa (mm)

dimana :

Δ =ekspansi termal (mm)

L = panjang pipa (mm)


α = koefisien ekspansi termal (mm/mm0C)

T = temperatur pipa (0C)

α = 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:

IE12 Δ2L I E 6M Δ

= 3LIE12P Δ

=

dimana :

P = gaya-gaya pada tumpuan

M = momen pada tumpuan

dimana :

P = gaya-gaya pada tumpuan

M = momen pada tumpuan

I = momen inersia

Δ = pertambahan panjang


E = modulus elastisitasE = modulus elastisitas 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 5Sistem yang terlihat pada Gambar 5.26 terbuat dari baja karbon dan beroperasi pada 3500F (1770C). Sistem tersebut menggunakan pipa berdiameter 12 in (300 mm)

Contoh soal 5Sistem yang terlihat pada Gambar 5.26 terbuat dari baja karbon dan beroperasi pada 3500F (1770C). Sistem tersebut menggunakan pipa berdiameter 12 in (300 mm) 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 P di l h A B B C d E F

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 P di l h A B B C d E F


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

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

ΔΣ

=Δ3

3

)30(340 3

)864.0(034.0306030

)30(34.0333

mminCBolehdiserapyangx

=++

=−Δ

)300(66360

)034.0)(279)(107.27(123

6

NlbCBsepanjangFx

=×

=−

)1.5(202.0)15(65.0 3

mminBAsepanjang ==−Δ


).5(0.02015 33

mminsepanjangy +

)285,14(3210180

)202.0)(279)(107.27(123

6

NlbBAsepanjangFy

=×

=−


From segment Direction Magnitude Resisted by

Pergerakan PipaPergerakan Pipa

g g y

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



Untuk segemen A-BUntuk segemen A-B

).697,32(.096,289180

)202.0)(279)(107.27(62

6

NmlbinMZ

=×

=

)15(361 3

)03.2(08.0303015

)15(36.1333

3

mminZ

=++

=Δ

)5661(1272180

)08.0)(279)(107.27(123

6

NlbFZ

=×

=

).950,12(.493,114180

)08.0)(279)(107.27(62

6

NmlbinMY

=×

=


180

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 =+

=Δ −

6


)285,14(3210240

)478.0)(279)(107.27(123

6

, NlbF DCY =×

=−

).523,43(.804,384240

)478.0)(279)(107.27(62

6

, NmlbinM DCZ =×

=−


)3.17(68.0,

mminFEY=Δ

−

)321,20(4567240

)68.0)(279)(107.27(123

6

,NlbF

FEY=

×=

−

)91661(421547)68.0)(279)(107.27(6 6

NlbiM × ).916,61(.421,547240

))()((2,

NmlbinMFEZ

==−

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

)570,31(7094240

421,547240

805,3843210,

NlbFDY

−=−−−=

421547805384


)608,37(8451240

421,547240

805,3844567,

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





5.4.2 Perhitungan Perpindahan Termal5.4.2 Perhitungan Perpindahan Termal

• 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


titik yang diketahui perpindahannya.titik yang diketahui perpindahannya.


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)Ti ik C 0 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)Ti ik C 0 iTitik 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

d t t 9000F (4820C)

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

d t t 9000F (4820C)


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

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





Penyelesaian contoh 6

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

Penyelesaian contoh 6

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 bawahC D

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

C D

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)

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 05 Piping Design Loads

Documents

Transcript of Bab 05 Piping Design Loads