BAB VI
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 87

BAB VI PIPING DESIGN LOADS PowerPoint PPT Presentation


  • 211 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

BAB VI PIPING DESIGN LOADS. 6.1. Pendahuluan. Pipe Stress Analysis. Bertujuan untuk menjamin keamanan operasi sistem perpipaan dengan verifikasi integritas struktur yang mendapat berbagai kondisi pembebanan.

Download Presentation

BAB VI PIPING DESIGN LOADS

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Bab vi piping design loads

BAB VI

PIPING DESIGN LOADS


Bab vi piping design loads

6.1. Pendahuluan

Pipe Stress Analysis

  • 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.


Bab vi piping design loads

  • 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.


Bab vi piping design loads

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).


Bab vi piping design loads

Piping Loads

  • Jenis-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.


Bab vi piping design loads

6.2. SUSTAINED LOADS

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.


Bab vi piping design loads

  • Model tumpuan simply supported :Tegangan maksimum :Gaya tumpuan :

  • Model tumpuan fixed end :Tegangan maksimum :Gaya tumpuan :


Bab vi piping design loads

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

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

    dimana :L = jarak tumpuan maksimumS = tegangan yang diijinkan (tergantung dari jenis material pipa, temperatur dan code)

atau lebih konservatif


Bab vi piping design loads

  • vGaya-gaya tumpuan adalah :

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


Bab vi piping design loads

Tabel 6.1 Span Maksimum yang Dianjurkan antara

Support dan Pipa


Bab vi piping design loads

  • 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 :


Bab vi piping design loads

Tumpuan harus diletakkan sedekat mungkin dengan beban terkonsentrasi seperti valves, flanges, dllDari 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 vi piping design loads

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 vi piping design loads

  • Contoh Soal 1Gambar 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 vi piping design loads

Gambar 6.1


Bab vi piping design loads

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 vi piping design loads

Terhadap titik C


Bab vi piping design loads

Tabel 6.2


6 2 2 tekanan

6.2.2 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


Bab vi piping design loads

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

Gambar 6.2

dimana :

P = tekanan internal

Ap = luas penampang rongga bagian dalam pipa

Am = luas penampang pipa


Bab vi piping design loads

  • 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


Bab vi piping design loads

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

Gambar 6.3


Bab vi piping design loads

Slip joint :

Do = diameter luar pipa

Bellows :

Db = diameter dalam maksimum bellows


Bab vi piping design loads

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 vi piping design loads

Gambar 6.4


Bab vi piping design loads

Penyelesaian contoh 2

Pipa: Dnominal = 12 in (300 mm)

P = 250 psi (1724 kPa)

atau

Dari teori batang


Bab vi piping design loads

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

b = 15 ft (4.58 m)

Maka:


6 3 occasional loads

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


Bab vi piping design loads

  • 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)

  • Rekomendasi untuk menentukan posisi tumpuan untuk beban occasional:


6 3 1 beban angin

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 vi piping design loads

Gambar 6.5


Bab vi piping design loads

  • 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 vi piping design loads

  • 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)


Bab vi piping design loads

Gambar 6.6


Bab vi piping design loads

  • 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 vi piping design loads

  • = massa jenis udara (kg/m3)

    V = kecepatan angin (m/s)

    D = diameter pipa (m)

     = 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)


Bab vi piping design loads

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 vi piping design loads

Gambar 6.7


Bab vi piping design loads

Penyelesaian contoh 3

Menentukan beban angin per panjang proyeksi pipa:

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

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

mudara = 39.16 x 10-8 lbf.s/ft2 [1.87 x 10-5 kg/(m.s)]

D = 8.625 (pipa) + 2 x 2 (insulasi) = 12.625 in (320.7 mm)

Bilangan Reynolds:

atau


Bab vi piping design loads

Gaya drag dapat dihitung dengan menggunakan faktor gust 1.3:

atau

Actual load

Dimana

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

L = panjang sesungguhnya, ft (m)

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


Bab vi piping design loads

Dengan penjumlahan momen terhadap titik A, diperoleh:

atau

atau

atau


Bab vi piping design loads

Untuk segmen E-H:

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


6 3 2 beban relief valve discharge

6.3.2 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.


Bab vi piping design loads

  • Gaya discharge dapat dihitung dengan (B 31.1):

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)


Bab vi piping design loads

Juga

ho = enthalpy stagnasi fluida

Harga a dan b diberikan pada tabel berikut


Bab vi piping design loads

Dan

PA = tekanan atmosfer


Bab vi piping design loads

Gambar 6.8


Bab vi piping design loads

  • 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 :

W = massa valve

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

E = modulus elastisitas pipa

I = momen inersia pipa inlet (mm4), in4


Bab vi piping design loads

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

  • DLF akhirnya dapat ditentukan dari grafik berikut:

Gambar 6.9


Bab vi piping design loads

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 vi piping design loads

Gambar 6.10


Bab vi piping design loads

Penyelesaian contoh 4

Reaksi pada restrain

atau


6 3 3 beban gempa

6.3.3 Beban Gempa

  • Sistem perpipaan haruslah didesain mampu 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


Bab vi piping design loads

Gambar 6.11


Bab vi piping design loads

  • Contoh gempa di US

Gambar 6.12


Bab vi piping design loads

  • 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

  • Analisis yang perlu dilakukan adalah:


Bab vi piping design loads

Gambar 6.13


Bab vi piping design loads

  • 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


Bab vi piping design loads

Gambar 6.14


6 4 expansion load

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


6 4 1 perhitungan beban termal

6.4.1 Perhitungan Beban Termal

  • Ekspansi termal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

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 5.4


Bab vi piping design loads

Tabel 5.4


Bab vi piping design loads

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

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


Bab vi piping design loads

  • 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 vi piping design loads

Gambar 6.16


Bab vi piping design loads

Penyelesaian contoh 5


Bab vi piping design loads

Pergerakan Pipa


Bab vi piping design loads

Untuk segemen A-B


Bab vi piping design loads

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:


Bab vi piping design loads

Gaya Total pada titik D dan E:

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


Bab vi piping design loads

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


6 4 2 perhitungan perpindahan termal

6.4.2 Perhitungan Perpindahan Termal

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


Bab vi piping design loads

  • Contoh soal 6

  • 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 intermediatealloy steel, dan sistem beroperasi pada temperatur 9000F (4820C)

  • Tentukan

  • Pertambahan panjang segmen B-C, C-D, dan I-J

  • Pertambahan panjang pegas H1 dan H2

  • Besar perpindahan titik E, J, dan I


Bab vi piping design loads

Gambar 6.17


Bab vi piping design loads

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

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)


  • Login