ANALISIS PERCABANGAN PIPA PADA HYDRANT DENGAN …

i

ANALISIS PERCABANGAN PIPA PADA HYDRANT

DENGAN MENGGUNAKAN “PROGRAM CAE”

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagai persyaratan

mencapai derajat Sarjana Teknik Mesin

di Teknik Mesin

Diajukan oleh :

DANIEL PRIYO WIDODO

045214092

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2009

ii

PIPE BRANCHING ANALYSIS IN HYDRANT

WHIT “CAE PROGRAM”

FINAL PROJECT

Presented as partial Fulfillment of the Requirements

To obtain the Sarjana Teknik Degree

In Mechanical Engineering

By :

DANIEL PRIYO WIDODO

045214092

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNYVERSITY

YOGYAKARTA

2009

iii

iv

v

vi

vii

INTISARI

Analisis percabangan pipa hidran bertujuan untuk mengetahui tegangan yang terjadi akibat pembebanan fluida pada tekanan kerja 100 psi. Analisis dilakukan dengan menggunakan program CAE. Pipa cabang yang dianalisis dengan dimensi diameter pipa utama 6 in dan diameter pipa cabang 4 in. Analisis dilakukan dalam empat kondisi, yaitu:

a. Kedua ujung pipa dalam keadaan tertutup b. Ujung pipa utama terbuka dan ujung pipa cabang tertutup c. Ujung pipa utama tertutup dan ujung pipa cabang terbuka d. Ujung pipa utama dan pipa cabang dalam keadaan terbuka.

Hasil analisis pipa dengan bahan AISI 1020 Normalized serta ketebalan pipa utama 0,109 in dan pipa cabang 0,083 in mempunyai tegangan maksimum sebesar 6,597e+007 N/m2 berada pada sambungan percabangan pipa. Terjadi pada kondisi keempat dengan ujung pipa utama terbuka dan ujung pipa cabang terbuka.

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat

dan anugrah-Nya, sehingga Tugas Akhir ini dapat tersusun dan dapat terselesaikan

dengan lancar. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh

untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains

dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapatkan bantuan

yang berupa dorongan, motivasi, doa, sarana, materi sehingga dapat

terselesaikannya Tugas akhir ini. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima

kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuannya, antara lain

1. Dr. Ir. P. Wiryono Priyotamtama, SJ., selaku Rektor Universitas Sanata

Dharma.

2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T selaku Dekan Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Sanata Dharma.

3. Budi Sugiharto, S.T., M.T, selaku ketua Program Studi Teknik Mesin dan juga

Pembimbing Tugas Akhir.

4. Kedua orang tuaku serta saudra-saudaraku yang telah memberikan dorongan

dan motivasi, finansial, serta doa selama ini.

5. Kekasihku Veronika Febriana Dian Pertiwi atas dorongan dan semangat untuk

terus maju.

6. Teman-teman Kost dan teman-teman Teknik Mesin yang telah memberikan

bantuan dan dukungan sehingga segala sesuatu dapat berjalan lancar.

ix

7. Segenap staf pengajar Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata

Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan memberikan ilmu pengetahuan

kepada penulis sehingga sangat berguna dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan yang

perlu diperbaiki dalam penulisan Tugas Akhir ini, untuk itu penulis

mengharapkan masukan dan kritik, serta saran dari berbagai pihak untuk

menyempurnakannya. Semoga penulisan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat, baik

bagi penulis maupun pembaca.

Terima kasih.

Penyusun

Daniel Priyo Widodo

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ........................................................................................ i

LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. iii

LEMBAR PERNYATAAN .............................................................................. v

LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI ...................................................... vi

INTISARI .......................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR ....................................................................................... viii

DAFTAR ISI...................................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xii

DAFTAR TABEL ............................................................................................ xiii

BAB I PENDAHULUAN 1

I.1 Latar Belakang 1

I.2 Perumusan dan Batasan Masalah 2

I.3 Tujuan Analisis 2

BAB II DASAR TEORI 3

II.1 Sistem Perpipaan 3

II.2 Sistem Mekanisme Kerja 4

II.3 Komponen Sistem Perpipaan 4

II.3.1 Pipa 8

II.3.2 Sambungan 9

II.4 Dasar Perhitungan Tebal Pipa 12

II.5 Pemilihan Bahan Pipa 14

xi

BAB III ANALISIS PERHITUNGAN PADA PIPA 19

III.1 Data dan Spesifikasi 19

III.2 Perhitungan Ketebalan Pipa 20

III.3 Metode Tata Kerja 24

III.3.1 Data dan Rangkaian Perpipaan 24

III.3.2 Alur Untuk Menganalisis 25

III.4 Hasil Analisis Dengan Program CAE 30

BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN 34

IV.1 Kesimpulan 34

IV.2 Saran 35

DAFTAR PUSTAKA 36

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Aliran Sistem Hydrant 5

Gambar 2.2 Sambungan Tee 10

Gambar 2.3 Sambungan Elbow 11

Gambar 2.4 Sambungan Cross 11

Gambar 2.5 Sambungan Reducer 12

Gambar 2.6 Kurva Tegangan Regangan 17

Gambar 3.1 Pemberian Meshing dan Kondisi 26

Gambar 3.2 Variasi Kondisi Sistem Pipa 29

Gambar 3.3 Distribusi Tegangan Pada Bahan 32

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Ukuran Tee 18

Tabel 3.1 Ukuran Tebal Pipa 22

Tabel 3.2 Tekanan Pecah 24

Tabel 3.3 Data Sepesifikasi 25

Tabel 3.4 Harga Maksimum dan Minimum dari Setiap Kondisi 33

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Sistem perpipaan adalah sebuah sistem yang terdiri dari pipa dan

perlengkapannya yang saling berhubungan dan banyak digunakan dalam dunia

industri. Sistem perpipaan juga menunjang sistem hidran yang ada dalam dunia

industri ataupun pada bangunan-bangunan bertingkat.

Untuk dapat mengalirkan air bertekanan dari pompa ke rangkaian hidran,

diperlukan sistem perpipaan sebagai penghubung. Sistem perpipaan ini sangat

berpengaruh dalam pendistribusian air bertekanan, sehingga dalam perancangan

sistem perpipaan harus memperhatikan tekanan air yang terdistribusi dari pompa

ke rangkaian sistem hidran.

Banyak faktor yang dapat mempengaruhi perubahan tekanan pada rangkaian

hidran, baik faktor internal maupun eksternal. Diantaranya adalah percabangan

pipa, ukuran pipa, bahan pipa, debit aliran fluida, valve, hambatan aliran, maupun

tata letak dari instalasi perpipaan. Faktor-faktor tersebut merupakan variabel yang

harus diperhitungkan dalam perancangan sistem perpipaan. Air bertekanan yang

melalui pipa akan memberikan gaya yang tentunya dipengaruhi oleh kondisi

desain sistem pipa. Untuk menjamin agar tekanan dari air yang mengalir tersebut

stabil, maka analisis dari percabangan pipa harus baik.

2

1.2 Perumusan dan Batasan Masalah

Perumusan masalah dalam penyusunan tugas akhir ini adalah tentang “

Analisis Percabangan Pipa pada hidran dengan PROGRAM CAE “.

Batasan masalah dalam analisis ini adalah sebagai berikut :

1. Analisis ini dikhususkan pada bagian percabangan sistem perpipaan pada

hidran, dengan sambungan Tee yang dipakai.

2. Program CAE yang dipakai adalah Cosmos Works

Perumusan masalah dan batasan masalah tersebut direalisasikan dalam bentuk:

1. Perhitungan-perhitungan

2. Gambar sistem perpipaan hidran

3. Analisis menggunakan Program CAE

1.3 Tujuan Analisa

Penyusunan tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui kekuatan

percabangan pipa hidran dengan program CAE terhadap pengaruh-pengaruh

pembebanan statis yang terjadi pada percabangan pipa dalam sistem hidran.

3

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Sistem Perpipaan

Sistem perpipaan dalam kehidupan manusia seperti saluran pembuluh

darah yang mengalirkan darah dari jantung ke seluruh organ tubuh. Dengan

gerakan jantung sebagai pemompa darah bersirkulasi, mengalir menuju organ

tubuh dan kemudian kembali lagi ke jantung, sistem perpipaan merupakan sebuah

sistem yang berfungsi sebagai media untuk mengalirkan fluida, baik cair maupun

gas, dari satu tempat ke tempat lain.

Dalam pemanfaatannya, sistem perpipaan digunakan dalam berbagai

bidang. Dalam perencanaan tata kota sistem perpipaan digunakan sebagai saluran

air untuk kebutuhan masyarakat. Selain itu sistem ini digunakan juga sebagai

saluran air pada rangkaian sistem hidran yang berguna untuk memadamkan api

apabila di suatu tempat terjadi kebakaran. Sistem ini bekerja berdasarkan tekanan,

fluida dari pompa dialirkan melalui satu pipa dicabangkan menuju kran – kran

pada setiap terminal akhir melalui pipa bercabang. Pemanfaatan sistem perpipaan

yang lain yaitu dalam bidang industri otomasi. Kerja-kerja yang dilakukan oleh

komponen industri otomasi memerlukan fluida sebagai sumber energi penggerak.

Untuk kerja-kerja yang memerlukan energi yang besar, digunakan fluida cair

sebagai sumber energi. Untuk mendistribusikan sumber energi tersebut yaitu

berupa fluida, diperlukan sebuah sistem perpipaan.

4

Dalam sistem hidran pipa merupakan salah satu peranan terpenting untuk

mendukung transportasi fluida dari pompa menuju komponen – komponen

lainnya. Dalam pemilihan material pipa lebih menggunakan pipa standar. Pada

Gambar 2.1 (www.navkar.com) diperlihatkan potongan skema rangkaian dari

sistem hidran.

2.2 Sistem Mekanisme Kerja

Hidran adalah sistem pemadam api yang menggunakan media air, secara

sistemnya tidak berbeda dengan sistem pompa air yang ada dirumah, dimana

terdiri atas:

1. Tempat penyimpanan air (reservoir)

2. Sistem distribusi

3. Sistem pompa hidran

Gambar 2.1. Aliran Sistem Hidran

5

Sistem hidran terdiri dari:

1. Tempat penyimpanan air (reservoir)

Reservoir merupakan tempat penampungan air yang akan digunakan

dalam proses pemadaman kebakaran. Biasanya reservoir ini berbentuk

satu tangki ataupun beberapa tangki yang terhubung satu dengan yang

lainnya. Reservoir ini bisa berada di atas tanah maupun dalam tanah dan

harus dibuat sedemikian rupa hingga dapat menampung air untuk suplai

air hidran selama minimal 30 menit penggunaan hidran dengan kapasitas

minimum pompa 500 galon per menit.

Selain itu reservoir juga harus dilengkapi dengan mekanisme

pengisian kembali dari sumber-sumber air yang dapat diandalkan untuk

menjaga level air yang tersedia dalam reservoir. Mekanisme pengisian

reservoir ini terdiri dari sistem pompa yang dihubungkan dengan sumber

air yang dapat diandalkan misalnya dengan air tanah, air sungai.

2. Sistem Distribusi

Sistem distribusi untuk mendukung proses dan sistem kerja hidran,

diperlukan sistem distribusi yang menggunakan pipa untuk

menghubungkan sumber air hingga ke titik selang hidran. Dalam

perancangan jaringan pipa hidran, yang terbaik adalah menggunakan

sistem jaringan inter koneksi tertutup contohnya sistem ring atau O. Sistem

ini memberikan beberapa keunggulan, contohnya adalah sebagai berikut:

1) Air tetap dapat didistribusikan ke titik hidran walaupun salah satu

area pipa mengalami kerusakan.

6

2) Semburan air hidran lebih stabil, meskipun seluruh titik hidran

dibuka.

Sistem pipa utama (primary feeders) dari hidran biasanya berukuran

12-16 in. Pipa sambungan kedua (secondary feeders) biasanya berukuran

8-12 in. Sedangkan untuk cabang pipa biasanya berukuran 4,5-6 in. Pada

ujung pipa hidran tersambung dengan pilar hidran. Disamping pilar hidran

terpasang box yang digunakan untuk menyimpan selang hidran (hose).

Selang ini terbuat dari bahan kanvas yang panjangnya berkisar 20-30

meter (Safety Guide Book, Haryono Wisaksono).

Untuk mendukung suplai air hidran, dibuatlah suatu sambungan pipa

yang berinterkoneksi dengan sistem pipa hidran yang disebut sambungan

siamese. Sambungan ini terdiri dari satu atau dua sambungan pipa yang

fungsinya adalah untuk memberikan suplai air tambahan pada sistem

hidran. Sambungan ini sangat berguna bagi petugas pemadam kebakaran

untuk memberikan suplai air tambahan melalui mobil pemadam kebakaran

atau sistem pilar hidran umum.

3. Sistem Pompa Hidran

Sistem ini terdiri atas panel kontrol pompa, motor penggerak, dan

unit pompa. Pompa dikontrol melalui sistem panel kontrol, sehingga dapat

menghidupkan serta mematikan keseluruhan sistem dan juga untuk

mengetahui status dan kondisi pompa. motor penggerak pompa merupakan

sistem mekanik elektrik yang mengaktifkan pompa untuk menyedot dan

menyemburkan air.

7

Unit pompa untuk hidran biasanya terdiri dari:

1) Pompa generator

Digunakan sebagai sumber tenaga cadangan pada saat listrik mati.

2) Pompa utama

Digunakan sebagai penggerak utama untuk menyedot air dari

sumber ke titik hidran.

3) Pompa jockey

Digunakan untuk mempertahankan tekanan air pada sistem hidran.

2.3 Komponen Sistem Perpipaan

Sistem perpipaan terdiri dari berbagai komponen yang menjadi pendukung

sistem, sehingga dapat bekerja sesuai dengan fungsinya. Komponen-komponen

dari sistem perpipaan adalah pipa, sambungan, flanges, serta komponen lain yang

digunakan untuk mendistribusikan fluida.

2.3.1 Pipa

Pipa merupakan tabung dengan bentuk silinder yang menjadi bagian

utama dari sistem perpipaan. Di dalam pipa inilah proses pengaliran fluida terjadi.

Setiap kondisi proses pengaliran fluida, pipa yang digunakan memiliki spesifikasi

masing-masing. Misalkan proses yang terjadi memerlukan tekanan yang tinggi

dan dalam suhu yang tinggi, maka pipa yang diperlukan adalah dengan spesifikasi

tersebut menurut standar yang dikeluarkan oleh ASTM (American Society of

Testing Materials) atau (The American Society of Mechanical Engineers).

8

Dalam standar yang dikeluarkan oleh ASTM, terdapat bagian dari pipa yang telah

diukur sesuai standar yang ditentukan. Bagian-bagian tersebut berupa keterangan

mengenai bahan pipa, diameter, ketebalan pipa, serta schedule pipa.

Dalam spesifikasi pipa, terdapat istilah schedule, yang merupakan istilah

untuk pembagian kelas dalam pipa. Schedule ditulis dalam bentuk penomoran

untuk membedakan spesifikasi pipa, karena masing-masing schedule memiliki

spesifikasi tersendiri. Misal pada pipa dengan ukuran nominal sebesar 1/8 NPS

(Nominal Pipe Size), memilki ketebalan pipa yang berbeda untuk masing-masing

schedule.

Perbedaan schedule ini berguna untuk penggunaan pipa yang berbeda pada

ukuran nominal pipa yang sama. Perbedaan antara schedule yang satu dengan

schedule yang lain, terletak pada ketebalan pipa, dihitung dari diameter luar

(outside diameter). Semakin tebal sebuah pipa, maka semakin kuat pipa tersebut.

Untuk keperluan dunia industri, dengan penggunaan berdasarkan pada

tekanan, dikenal pipa standart (STD) untuk tekanan paling rendah. Kemudian

Extra Strong (XS) untuk tekanan yang lebih tinggi. Dan selanjutnya pipa untuk

keperluan tekanan yang lebih tinggi lagi dikenal Double Extra Strong (XXS).

2.3.2 Sambungan

Sambungan pipa merupakan bagian dari sistem perpipaan, yang berfungsi

menyambung sebuah pipa dengan pipa yang lain untuk keperluan tertentu.

Sambungan perpipaan dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu :

1. Sambungan dengan menggunakan pengelasan.

2. Sambungan dengan menggunakan ulir.

9

3. Sambungan menggunakan flanges.

Penggunaan jenis sambungan ini bergantung pada besar diameter pipa serta

besarnya tekanan. Untuk pipa dengan tekanan rendah dan diameter dibawah 2 inci

digunakan sambungan ulir.

Dari kedua kelompok jenis sambungan di atas, sambungan pipa masih

dibagi lagi dalam bentuk-bentuk tertentu, sesuai dengan kebutuhan sistem

perpipaan. Jenis-jenis sambungan tersebut adalah tee, elbow, cross, reducer.

1. Tee (Sambungan Tee)

Sambungan Tee merupakan sambungan yang menghubungkan pipa

dengan pipa, sehingga menghasilkan percabangan pipa lebih dari satu.

Pada Gambar 2.2 (Navkar Fittings and Forging Pvt.Ltd) memperlihatkan

salah satu contoh sambungan Tee.

Gambar 2.2. Tee

2. Elbow (belokan)

Elbow adalah sambungan yang menghubungkan satu pipa dengan

pipa yang lain, untuk mengubah arah pipa dalam sudut tertentu.

Kebanyakan sudut yang digunakan adalah sebesar 900, namun terdapat

10

juga elbow dengan sudut 450. Pada Gambar 2.3 (Raswari, hal 22)

memperlihatkan Contoh belokan pipa.

Gambar 2.3. Elbow 450 dan 900

3. Cross

Cross adalah sambungan antar satu pipa dengan pipa yang lain

sehingga menghasilkan empat percabangan pipa. Pada Gambar 2.4

(Navkar Fittings and Forging Pvt.Ltd) memperlihatkan contoh dari Cross.

Gambar 2.4. Cross

4. Reducer

Reducer adalah bagian dari sistem perpipaan yang menghubungkan

sebuah pipa dengan pipa yang berdiameter lebih kecil. Hal ini bertujuan

11

mengubah kecepatan aliran fluida yang mengalir dalam pipa menjadi lebih

tinggi dengan memanfaatkan penyempitan luas pipa. Pada Gambar 2.5

(Navkar Fittings and Forging Pvt.Ltd) mempelihatkan contoh Reducer.

Gambar 2.5. Reducer

2.4 Dasar Perhitungan Tebal Pipa

Pipa yang digunakan dalam analisis ini adalah pipa dengan bahan AISI

1020. Pada sambungan percabangan pipa menggunakan tipe tee. Dalam

menentukan pemilihan ketebalan dinding pipa dapat dihitung dengan Persamaan

2.1 ( Sam Kannappan, hal 22 ).

)(2 PYSEDPt+×

= ..............................................................................(2.1)

Keterangan :

t = ketebalan pipa ( in )

P = tekanan di dalam pipa ( psi )

Do =diameter luar pipa ( in )

S = tegangan tarik yang diijinkan ( psi )

E = faktor kualitas

12

Y = koefisien yang tergabung dalam suhu dan bahan

Setelah tebal pipa diketahui maka din dapat ditentukan dengan :

din = diameter dalam pipa = Do – 2t

Dari din yang sudah diketahui maka dapat pula menentukan luas penampang pipa.

Pipa yang digunakan adalah jenis tube (pipa tabung) percabangan dilakukan

dengan cara pemasangan tee 900 kemudian di las dengan pipa saluran dengan

penambahan flanges pada setiap ujung tee, adapun hal yang perlu diperhitungkan

dalam memilih ukuran tube haruslah memperhatikan tekanan pecah (burst

pressure) hal ini bertujuan untuk menentukan kualitas bahan dari tube itu sendiri.

Pada umumnya untuk menentukan tekanan pecah pada pipa dapat dicari dengan

Persamaan 2.2 (www.Hydraulic.com).

( )22

22 )(dD

dDSp+−×

= ................................................................................( 2.2)

Keterangan :

P = Tekanan pecah (psi)

T = Ketebalan minimum diding tube ( in )

S = Minimum Ultimate Tensile Strength dari material (psi)

D = Diameter luar ( in )

d = Diameter dalam dari tube ( in )

13

2.5 Pemilihan Bahan Pipa

Bahan dari pipa pada saat pengambilan data tidak diketahui, sehingga pada

analisa ini bahan yang digunakan pada pipa akan mengacu pada beberapa macam

data-data yang telah ada pada referensi-referensi salah satunya disesuaikan dari

data yang ada dalam program CAE. Dalam bahasan ini akan digunakan analisis

dengan menggunakan 1 jenis bahan dengan ketebalan yang berbeda, hal ini

bertujuan untuk melihat perbedaan yang ditimbulkan karena adanya pembebanan

yang terjadi di dalam pipa yang disebabkan karena adanya pembebanan tekanan

kerja dalam pipa sebesar 100psi.

Hal ini harus diketahui dalam pemilihan bahan material untuk pipa

mengacu pada kebutuhan dalam menganalisis dengan menggunakan program

CAE. Data-data yang perlu diperhatikan dalam memenuhi kebutuhan untuk data

material ini antara lain:

1. Modulus Elastis Bahan

Modulus elastisitas ( Young’s Modulus ) E memiliki harga yang

relatif tinggi untuk bahan yang sangat kaku seperti logam kontruksi.

Sedangkan untuk bahan – bahan yang lebih lentur (flexibel) memiliki

modulus elastik yang lebih rendah. Untuk keadaan tekan ataupun dalam

kedaan tarik harga E sama. Dalam program CAE satuan untuk modulus

elastisitas dinyatakan dalam N/m2, sedangkan pada umumnya dinyatakan

dalam Gpa. Modulus elastisitas merupakan perbandingan antara tegangan

14

dan regangan, sehingga dapat dituliskan kedalam Persamaan 2.3 (Hans

Wospakrik, hal 19).

ετ

=E ............................................................................................ ( 2.3 )

Keterangan :

E = Modulus Elastisitas ( N/m2)

τ = Tegangan ( Mpa )

=ε regangan

2. Modulus Geser (N/m2)

Untuk menentukan modulus geser dapat digunakan Persamaan 2.4.

G = )1(2 ν+×

E ................................................................................(2.4)

Keterangan :

G = Modulus geser ( N/m2 )

E = Modulus elastisitas ( N/m2 )

V = Poission ratio

15

3. Berat Jenis ( Mass Density ( kg/m3 ))

Untuk menghitung berat jenis dari bahan ataupun suatu material

kita dapat mencari dengan menggunakan rumus dasar dimana dapat dilihat

pada persamaan 2.5.

vm

=ρ ..............................................................................................(2.5)

Keterangan :

ρ = Massa jenis ( kg/m3 )

m = Massa ( kg )

v = Volume ( m3 )

4. Tensile Strenght ( N/m2 )

Dalam menentukan harga dari Tensile Strenght dapat ditentukan

dari data – data yang telah ada. Besaran tergantung pada pemilihan bahan

material. Pemilihan bahan material diambil dari Machine Design Data

Book Bab I Properti of Engineering Material.

5. Yield Strength (N/m2)

Yield Strenght adalah ketahanan suatu bahan terhadap deformasi

plastik , nilai besaran ini adalah besar gaya pada saat luluh dibagi luas

penampang. Pada bagian tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.6 kurva

tegangan dan regangan.

16

Gambar 2.6. Kurva Tegangan dan Regangan

Untuk analisis dengan menggunakan program CAE sebagian bahan

material sudah tersedia pada library dari program tersebut ataupun dapat

menggunakan data-data pengujian yang telah ada dengan mengacu pada

Machine Design Data Book Bab 1 Properti of Engineering Material.

6. Sambungan Tee

Dalam analisis ini digunakan sambungan Tee yang ada dalam

pasaran dengan ukuran standart yang telah tersedia, bahan dari sambungan

ini ada beberapa macam diantaranya Alloy Steel, Carbon Steel, Stainless

Steel, Nickel Steel, sedangkan dalam analisis ini digunakan sambungan

Tee dengan bahan AISI 1020 dengan menyesuaikan bahan pipa yang

digunakan dalam analisis ini. Pada bagian sambungan antara pipa utama

17

ke pipa cabang dikondisikan sambungan kedua pipa itu dengan cara di las,

kemudian untuk ukuran Tee dapat dilihat pada Tabel 2.1. (Navkar Fittings

and Forging Pvt.Ltd)

Tabel 2.1. Ukuran Tee yang digunakan

Outside Diameter at Bevel (O/D)S

Center - to - Center Nominal Pipa Size

(NPS)

(in) Run

(mm)

Outlet

(mm)

Run ‘C’

(mm)

Outlet ‘M’

(mm)

6×4 168,3 114,3 143 130

19

BAB III

ANALISA PERHITUNGAN PADA PIPA

3.1 Data dan Spesifikasi

Data spesifikasi yang dipakai dalam analisis:

1. Pipa yang terpasang (Standar)

2. Bahan pipa AISI 1020

3. Diameter luar pipa utama = 168,3 mm

4. Diameter luar pipa cabang = 114,3 mm

5. Cabang pipa dipakai tipe “Tee”.

Pusat aliran air dalam analisis ini dikondisikan bahwa air mengalir dari satu

buah pipa utama kemudian dicabangkan menjadi dua aliran. Pada sistem ini

terpasang sebuah pompa hidran sebagai asumsi debit dan tekanan awal sampai akhir

sama, karena dalam permasalahan ini tidak memperhitungkan penurunan – penurunan

tekanan yang disebabkan oleh adanya faktor gesekan fluida terhadap dinding pipa.

Untuk spesifikasi pipa yang dipakai dengan kondisi pipa bercabang. Tekanan

yang bekerja pada silinder pipa hidran dipakai sebesar 100 psi. Desain kontruksi dari

pipa dipakai dari asumsi suatu rangakaian sistem hidran, desain tersebut akan di

realisasikan dan dianalisis ke dalam program program CAE pada salah satu

percabangan pipa saluran.

20

3.2 Perhitungan Ketebalan Pipa

Dalam memilih bahan pipa atau tube, mengacu pada data-data yang telah ada.

Spesifikasi data yang telah ada tersebut antara lain:

1. Tekanan yang bekerja pada pipa sebesar 100 psi.

2. Bahan material pipa menggunakan baja tipe AISI 1020 dengan perlakuan

Normalized. (K. Langaiah. Tabel 1-1B, 1-8, dan 1-9) dengan ukuran

diameter luar dari pipa 6 inci dan 4 inci. Data pengaruh dari perlakuan

yang telah disebut di atas dapat dilihat dibawah ini:

Perlakuan Normalized (1700 F)

Tensile Yield Strenght (σsyt) = 324,1 Mpa

= 64005,2 psi

Dari data-data yang ada dapat ditentukan diameter dalam pipa, dengan Persamaan 3.1

(Sam Kannappan, hal 22).

)(2 PYSEDPt+×

= .............................................................................( 3.1 )

Keterangan :

t = ketebalan pipa karena adanya tekanan (in)

21

P = tekanan dalam pipa (psi)

D = diameter luar pipa (in)

S = tegangan tarik yang diijinkan (psi)

E = faktor kualitas

Y = koefisien yang tergabung suhu dan bahan

Sehingga untuk perhitungan ketebalan pipa dengan diameter luar 6 inci dengan bahan

1020 dengan perlakuan Normalized.

)(2 PYSEDPt+×

=

)4,010012,64005(26100

×+××

=

= 0,00468 in

Hasil dari perhitungan ketebalan ini terlalu tipis jika di kondisikan dari pipa

yang ada dalam pasaran, maka untuk itu perlu di gunakan standard ketebalan pipa

dengan memakai acuan standar. Untuk pipa utama dengan ukuran 6 in digunakan

schedule 5S, kemudian untuk pipa cabang dengan ukuran 4 in digunakan schedule 5S

(Sam Kannappan, Tabel A4).

22

Untuk menentukan diameter dalam pipa dapat dicari melalui persamaan 3.2

(Sam Kannappan, P.E. hal 23).

tDd ×−= 2 ....................................................................................(3.2)

Keterangan :

(d) = diameter dalam pipa (in)

Bahan dan data pipa ditampilkan pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Ukuran tebal pipa

Dalam menentukan harga S (Allowable Stress) penulis mengambil referensi

dari Machine Design Data Book mengenai sifat-sifat mekanis bahan. Dalam

menentukan harga S (Allowble Stress) pada Pipe Stress Analysis harga SA merupakan

harga tegangan yang diijinkan.

Dalam menentukan tegangan yang diijinkan, diambil harga dari minimum

ultimate tensile. Hasil perhitungan tebal minimum yang didapat sangat tipis, sehingga

BAHAN P

(psi)

S

(psi)

D

(mm) Y Eq

t

(in)

d

(mm)

AISI 1020 100 64005,2 168,3 0,4 1 0,109 162,7

AISI 1020 100 64005,2 114,3 0,4 1 0,083 110,1

23

tidak ada dalam tabel pipa maka dipilih untuk masing-masing pipa dengan tebal

minimum atau sesuai dengan schedule terendah.

Untuk memeriksa maksimum tekanan pecah yang terjadi pada pipa digunakan

Persamaan Lame, sehingga diperoleh:

( )22

22 )(dD

dDSp+−×

=

)8,1623,168(

)8,1623,168(2,6400522

22

+−×

=

1968,9 in

Keterangan :

P = tekanan pecah (psi)

S = Minimum ultimate Tensile Strength dari material tube (psi)

D = diameter luar (in)

d = diameter dalam (in)

24

Tabel 3.2 Tekanan pecah

Bahan S

(psi)

D

(mm)

d

(mm)

P

(psi)

AISI 1020 64005,2 168,3 162,8 1968,9

AISI 1020 64005,2 114,3 110,1 2907,8

3.3 Metode Tata Kerja

3.3.1 Data dan Rangkaian Perpipaan

Rangkaian perpipaan diambil dari salah satu percabangan pipa dari sistem

hidrant Dari data-data perhitungan yang diperoleh pipa dirangkai dengan

menggunakan program Solid Works, dengan memasukan data-data material dari

referensi pada library. Analisis yang digunakan merupakan analisis pembebanan

statis. Hal yang berpengaruh dalam pembebanan statis ini diantaranya adalah

pembebanan tekanan di dalam pipa sebesar 100 Psi dengan mengacu pada kebutuhan

tekanan dari pompa air dan kekuatan bahan pipa terhadap beban yang diterima.

Spesifikasi percabangan pipa yang akan dianalisis ditampilkan pada Tabel

3.3.

25

Tabel 3.3 Data Spesifikasi

Diameter luar pipa 1 168,3 mm

Diameter luar pipa 2 114,3 mm

Tebal pipa 1 0,109 in

Tebal pipa 2 0,083 in

Tekanan fluia dalam pipa 100 Psi

Fluida air

Diameter dalam pipa 1 162,8 mm

Diameter dalam pipa 2 110,1 mm

3.3.2 Alur Untuk Menganalisis

Program CAE ini akan menganalisis dan mensimulasikan faktor-faktor

tegangan, pergeseran dan juga jarak pergeseran akibat dari beban tekanan yang

bekerja didalam pipa. Desain dari pipa akan dibentuk elemen - elemen kecil

(meshing) Dalam menganalisis secara 3 dimensi, pemberian meshing dilakukan di

seluruh permukaan benda secara otomatis. Program akan dapat menganalisis setiap

titik dan syarat batas pada elemen terhadap pengaruh dari pembebanan statis. Hasil

dari pemberian meshing ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Setelah pemberian meshing dan pembebanan pada seluruh permukaan benda,

maka dengan menggunakan metode elemen hingga program CAE akan

mengkalkulasikan setiap elemen-elemen tersebut secara otomatis.

26

Gambar 3.1 Hasil Pemberian Meshing

Hasil dari run program akan menampilkan gambar distribusi tegangan (Von

Mises). Von Mises ini adalah hubungan antara tegangan dan regangan yang

menampilkan besaran.

Analisis yang dilakukan mengacu pada kualitas suatu bahan akan adanya

perlakuan yang diterapkan pada bahan dan faktor perubahan diameter pipa dan

ketebalan karena adanya percabangan. Untuk analisis dengan bahan yang di

normalized. Hasil dari analisis ini akan ditampilkan berupa gambar distribusi-

distribusi dari tegangan, regangan dan pergeseran. Dalam analisis ini dilakukan

dengan empat variasi kondisi dari suatu konstruksi pipa bercabang pada hidran yang

ditunjukan pada Gambar 3.2.

27

1. Kondisi Pertama

Suatu aliran dari sistem perpipaan yang terdiri dari dua buah pipa yaitu pipa

dengan diameter 6 in sebagai pipa utama dan satu pipa dengan diameter 4 in

sebagai pipa cabang. Pada kondisi pertama ini pipa mengalami penutupan

pada bagian ujung masing-masing pipa itu sendiri, namun tidak terjadi pada

bagian bawah pipa utama karna itu sebagai saluran utama untuk aliran air

yang mengalir dari pompa hidran menuju bagian-bagian yang laen. Kondisi

pertama ini diperlihatkan pada Gambar (a).

2. Kondisi Kedua

Dalam kondisi ini hampir mirip dari kondisi sebelumnya, namun telah

mengalami sedikit perubahan yaitu pada bagian ujung pipa cabang dalam

kedaan terbuka namun salah satu ujung dari pipa utama bagian atas masih

dalam keadaan tertutup. Kondisi ini diperlihatkan pada Gambar (b).

3. Kondisi Ketiga

Dalam kondisi ini hampir mirip dari kondisi sebelumnya, namun telah

mengalami sedikit perubahan yaitu pada bagian ujung pipa cabang dalam

kedaan terbuka namun salah satu ujung dari pipa utama bagian atas masih

dalam keadaan tertutup. kondisi ini diperlihatkan pada Gambar (c)

4. Pada kondisi empat semua bagian ujung pipa dalam kedaan terbuka. Kondisi

ini dapat dilihat pada Gambar (d)

28

a) Gambar dua ujung pipa tertutup

b) Gambar ujung pipa cabang terbuka

29

c) Gambar ujung pipa utama terbuka

d) Gambar kedua ujung pipa terbuka

Gambar 3.2 Gambar variasi kondisi sistem pipa

30

3.4 Hasil Analisis Dengan Program CAE

Tekanan yang bekerja di dalam pipa sebesar 100 psi maka tegangan

maksimum yang terjadi pada bahan AISI 1020 masih dibawah kondisi dari tegangan

yield 3,516e+008 N/m2, harga tegangan maksimum yang paling besar terjadi pada

kondisi keempat yaitu semua bagian ujung pipa dalam keadaan terbuka dikarenakan

pada kondisi ini merupakan rangkaian terlemah, kerena pada kondisi ini tidak ada

penambahan meterial lain seperti tiga variasi kondisi yang lain dengan adanya

penutup pada ujung pipa utama ataupun pada pipa cabang, sehingga pada saat pipa

mendapat tekanan tidak ada bagian yang mengait maka tegangan yang dtimbulkan

sangatlah besar dibandingkan dari kondisi yang lain.

Tegangan maksimum terbesar dari hasil analisis yaitu 6,597e+007 N/m2, hal

ini dapat menunjukkan bahwa saat beroprasi pipa masih dalam kondisi elastis,

sehingga pada saat sistem pipa beroperasi cukup lama pipa tidak akan mengalami

kerusakan, kebocoran ataupun pecah karena adanya tekanan yang bekerja di dalam

pipa. Hasil analisis dengan program CAE dapat dilihat pada Gambar 3.3, dari empat

variasi kondisi percabangan pipa, titik kontraksi tegangan maksimum terjadi pada

setiap sambungan percabangan antara pipa utama ke pipa cabang, hal ini di akibatkan

karena adanya sambungan pipa utama terhadap pipa cabang sehingga tegangan yang

diterima oleh pipa berbeda.

31

Perlu diketahui seandainya harga tegangan maksimum yang terjadi pada pipa

telah melebihi kondisi dari tegangan yield, hal itu dapat menyebabkan konstruksi dari

pipa mengalami kerusakan, ataupun kebocoran. Oleh sebab itu ketika melakukan

suatu perancangan pipa bercabang bagian yang perlu diperhatikan adalah bagian

sambungan antara kedua pipa pada sambungan.

a. Analisis Kondisi Pertama

32

b. Analisis Kondisi Kedua

c. Analisis Kondisi Ketiga

33

d. Analisis Kondisi Keempat

Gambar 3.3 Distribusi Tegangan (Von Mises) Pada Bahan

Tabel 3.4 Harga Maksimum Dan Minimum dari setiap kondisi

Name Type Min Max

Kondisi pertama Von Mises Stress 4,053e+004 N/m2 4,790e+007 N/m2

Kondisi kedua Von Mises Stress 7,268e+004 N/m2 5,547e+007 N/m2

Kondisi ketiga Von Mises Stress 5,355e+004 N/m2 5,585e+007 N/m2

Kondisi keempat Von Mises Stress 2,462e+004 N/m2 6,597e+007 N/m2

34

BAB IV

KESIMPULAN DAN SARAN

4.1 Kesimpulan

Dengan analisis menggunakan program CAE tentang pengaruh pembebanan

statis pada percabangan pipa dengan tekanan yang bekerja didalamnya sebesar 100

Psi diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. Dari empat perbedaan kondisi suatu rangkaian pipa tegangan maksimum yang

terbesar terjadi pada kondisi semua ujung pipa dalam keadaan terbuka sebesar

6,597e+007 N/m2. Tegangan maksimum yang terjadi dari kondisi belum

melebihi batas dari tegangan Yield, sehingga kontruksi ini telah memenuhi

syarat.

2. Dari keempat variasi kondisi dari konstruksi tenyata memiliki harga tegangan

maksimum yang berbeda-beda meskipun bahan, ukuran, dan ketebalan pipa

yang digunakan sama.

3. Tegangan maksimum terjadi pada setiap sambungan antara kedua pipa

(sambungan pipa utama dan pipa cabang). Hal itu dikarenakan adanya

perbedaan variasi penutup pada ujung pipa dari masing-masing kondisi

sehingga tegangan yang diterima pada saat sistem bekerja akan berbeda-beda.

Maka pada bagian itulah yang harus diperhatikan kekuatannya saat

melakukan perancangan pipa bercabang.

35

4.2 Saran

Untuk mendapatkan hasil yang lebih tepat dan akurat dalam menganalisis

dengan Program CAE diperlukan data-data penelitian dan perhitungan-perhitungan

lebih lanjut. Selain itu perlu pemahaman program CAE sendiri supaya tidak terjadi

kesalahan pada saat analisis.

DAFTAR PUSTAKA

Hamonangan, D., ANALISIS BENGKOKAN PIPA BOOM ACTUATOR DENGAN

COSMOS WORKS, 2007, Tugas Akhir, Sanata Darma, Yogyakarta.

Kannappan, S., PIPE STRESS ANALISYS, Engineer Tennessee Valley Authority

Knoxville.

Lingaiah, K.,. MACHINE TOOL DESIGN HANBOOK Second Edition, The

McGraw-Hill Companies, 2003, 1994, United States of America

Raswari, TEKNOLOGI dan PERANCANGAN SISTEM PERPIPAAN,

Universitas Indonesia (UI-Press), 1986, Jakarta.

, COSMOS Work Online Manual User Guide

, SOLID WORK 2007 Computer Program

, www. asuransi. astra .co.id, diakses tanggal 2 Desember 2008.

, www.Hydraulic.com, diakses tanggal 9 Agustus 2008.

, www.Navkar.com, diakses tangaal 17 Maret 2008.