AMARTA KARYA NO DOKUMEN : DESAIN PENSTOK Rev.: 0 EXT-TES/200/A/02 NO HAL. HAL. 1 - 34 KLIEN : PT. PLN (Persero) NAMA PEKERJAAN : EKSPANSI PLTA TES (4.4 MW) LOKASI : TES, BENGKULU REV TANGGAL DESKRIPSI PREP’D CHK’D APP’D
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 1/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 1 - 34
KLIEN : PT. PLN (Persero)
NAMA PEKERJAAN : EKSPANSI PLTA TES (4.4 MW)
LOKASI : TES, BENGKULU
REV TANGGAL DESKRIPSI PREP’D CHK’D APP’D
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 2/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 2 - 34
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI......................................................................................................2
1 DATA PENSTOK .............................................................................................. 3
1.1 DIMENSI PENSTOK ................................................................................................................ 3
1.2 PERHITUNGAN DATA............................................................................................................. 5
1.3 PROPERTI MATERIAL.............................................................................................................. 51.4 PERTIMBANGAN DESAIN.......................................................................................................... 6
1.5 K ETEBALAN MINIMUM SHELL.................................................................................................... 6
1.6 ALIRAN DALAM PENSTOK ........................................................................................................ 7
1.7 LUAS BAJA........................................................................................................................ 8
1.8 LUAS AIR......................................................................................................................... 8
1.9 BERAT BAJA...................................................................................................................... 9
1.10 BERAT AIR...................................................................................................................... 9
1.11 ANALISIS WATER HAMMER.................................................................................................. 10
2 TEGANGAN PADA PENSTOK .......................................................................... 12
2.1 HOOP S TRESS.................................................................................................................. 12
2.2 LONGITUDINAL S TRESS......................................................................................................... 13
2.2.1 Exposed ...............................................................................................................14
2.2.2 Embedded ...........................................................................................................20
2.3 SHEAR S TRESS................................................................................................................. 21
3 PENGECEKAN KEKUATAN MATERIAL .............................................................. 22
3.1 WATER FULLY FILLED PADA PENSTOK ....................................................................................... 22
3.2 DURING WATER FILLING....................................................................................................... 24
3.3 EMPTY PIPE..................................................................................................................... 26
4 MISCELLANEOUS PENSTOCK ......................................................................... 30
4.1 SLIDE DISTANCE OF EXPANSION JOINT....................................................................................... 30
4.2 DEFLEKSI ANTARA TUMPUAN.................................................................................................. 31
4.3 MANHOLE....................................................................................................................... 32
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 3/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 3 - 34
1 DATA PENSTOK
1.1 DIMENSI PENSTOK
Penstok untuk Tes terdiri dari satu section dimana aliran air dalam pipa tunggal. Untuk
mendistribusikan aliran ke turbin.
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 4/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 4 - 34
Gambar 1 Long Section Penstok
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 5/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 5 - 34
Tabel 1 Dimensi Section Penstok
Section
1
2 A3 A
45 A
6 A
1.2 PERHITUNGAN DATA
Inlet Muka Air Normal : 559.15 m
Elevasi As Surge Tank Penstok : 534.24 m
Elevasi As Wye Branch : 552.49 m
Turbin Inlet Elevasi As : 508.50 m
Rated Flow (QR) : 9.70 m3/s
Berat Jenis Air (ρw) : 1000 kg/m3
1.3 PROPERTI MATERIAL
Material : JIS SM 400 B
Tensile Strength (σu) : 400 N/mm2
Yield Strength (σy) : 245 N/mm2
Allowable stress
Diambil minimum antara (1/3) * Tensile Strength dan 0.6 *Yield strength
(1/3 x σu) : 1.359 x 107 kg/m2
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 6/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 6 - 34
0.6 x yield strength (t≤16mm) : 1.498 x 107 kg/m2
0.6 x yield strength (t>16mm) : 1.437 x 107 kg/m2
Allowable Stress (σa) : 1.359 x 107 kg/m2
Density of Steel (ρs) : 7850 kg/m3
Modulus of Elasticity (E) : 2,1 10
10
kg/m
2
Poisson Ratio (v) : 0,3
1.4 PERTIMBANGAN DESAIN
Rated Flow (QR ) : 9.70 m3/s
Permitable Max. velocity Penstok : 6.00 m/s
Maximum time for sudden closure : 6 s
Inlet valve closing time (tvc) : 120 s
Inlet valve opening time (tvo) : 60 s
Governor Closing Time (tgc) : 5 s
1.5 KETEBALAN MINIMUM SHELL
Ketebalan Minimum Shell termasuk korosi yang diizinkan untuk diameter yang telah
ditentukan adalah
for section 1-2 :
400
8001
min
+=
d t mm
min
2300 800
400t
+=
tmin = 7.75 mm
for section 3-9 :
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 7/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 7 - 34
400
8002
min
+=
d t mm
min
2000 800
400t
+=
tmin = 7 mm
sebagai standar, ketebalan minimum shell tidak boleh kurang dari 7, 75 mm bahkan
jika diameter pipa kecil dan pengaku digunakan.
Semua ketebalan shell yang dipilih lebih tebal dari ketebalan shell dihitung minimal di
atas, karena itu telah memenuhi syarat minimum dan dilanjutkan untuk perhitungan tegangan.
1.6 ALIRAN DALAM PENSTOK
Section 1-2
2
11
1
4
d
Q
A
QV d d
π
==
1 2
4 12.500
(2.30)V
π
×=
×
V1 = 3.01 m/s
Section 3-9
( ) ( )2 2
2 2
2 2
4d d Q Q
V A d π
= =
2 2
4 9.70
(2)V
π
×=
×
V2 = 3.09 m/s
Kecepatan untuk semua sections Penstok berada di bawah batas dari aliran
maksimum 6m/s dalam Penstok.
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 8/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 8 - 34
1.7 LUAS BAJA
Luas baja dihitung seperti
( )[ ]4
22
d t d A s
−+= π
Tabel 2. Luas Baja
Section
2
3
45
1.8 LUAS AIR
Luas air dihitung seperti
4
2d Aw
π =
Section 1-2
( )2
21
1
2.30
4 4w
d A π π = =
Aw1 = 4.155 m2
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 9/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 9 - 34
Section 3-9
( )22
2
2
2.0
4 4w
d A
π π = =
Aw2 = 3.142 m2
1.9 BERAT BAJA
Dihitung seperti
s s s Aw ρ =
Tabel 3. Berat baja Penstok Per meter
Secti
2
34
1.10 BERAT AIR
Dihitung seperti
wwwAw ρ =
Section 1-2
( ) ( )1 14.155 1000
w w ww A ρ = =
ww1 = 4155 kg/m
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 10/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 10 - 34
Section 3-9
( ) ( )2 23.142 1000
w w ww A ρ = =
ws2 = 3142kg/m
1.11 ANALISIS WATER HAMMER
Analisis Surge dan Water Hammer dilakukan dengan menggunakan Hytran 3.1.2, program
perhitungan fluida.
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 11/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 11 - 34
Gambar 2. Hidrolik Envelope
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 12/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 12 - 34
Tabel 4. Atenuasi Head pada sudden trip
Secti
23
4
56
2 TEGANGAN PADA PENSTOK
2.1 HOOP STRESS
Hoop stress yang terjadi di Penstok untuk tekanan internal dengan ketebalan shell yang dipilih adalah
t
Hd h
ϕ σ 05.0=
Dimana :
H : Hydrostatic head (H a ) + water hammer head (h)
d : diameter bagian dalam Penstok
t : shell thickness
φ : joint coefficient, 0.85
Berikut adalah hoop stress pada beberapa titik kritis yang dipilih, upstream dari
tegangan-tegangan Power House ini digunakan sebagai circumferential stress (σ1) untuk
perhitungan tegangan ekivalen pada pengecekan kekuatan material.
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 13/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 13 - 34
Hoop Stress pada titik sebelum Power House
t
Hd h
ϕ σ 05.0=
Ha = 54.95 m
h = 20.76 m
H = 55.54 + 18.69 = 75.71 m
Maka
( ) ( )
( ) ( )
75.71 2.00.05 1,113.38
0.85 0.008hσ = = kg/cm2
11,133,823.53h
σ = kg/m2
Hoop stresses pada lokasi lainnya dihitung pada Tabel 5. Semua hoop stress dihitung
langsung di upstream dari anchor blocks.
Tabel 5. Hoop stress pada anchor blocks
Lokasi AB1
h (m) 1.
H (m) 6.
d (m) 2.t (m) 0.0
2.2 LONGITUDINAL STRESS
Jumlah longitudinal stress at pada setiap titik kritis digunakan sebagai longitudinal
stress (σ2) untuk perhitungan equivalent stress dalam pengecekan kekuatan material.
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 14/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 14 - 34
2.2.1 Exposed
Longitudinal Stress pada titik sebelum Anchor Block 7
Longitudinal stress utama untuk pipa exposed pada titik sebelum Anchor Block 7 adalah
sebagai berikut :
1. Beam bending stress
( ) β cos12
1 2bwwM w s +=
2
4td S
π =
( )2
2
3
cos
td
bww
S
M w s
π
β σ
+==
Dimana :
ws : berat baja, 396.16 kg/m
ww : berat air, 3142 kg/m
S : section modulus of steel
b : span, 6 m (span dari pipa sebelum wye branch anchor block )
β : slope angle, 410
maka
( ) ( )
( ) ( )
2
2
391.16 3142 6 cos 41318,705.10
3 0.010 2
o
σ π
+= = kg/m2
Tegangan ini adalah tegangan (+) untuk upper chord pipa dan tekanan (-) untuk
lower chord pipa.
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 15/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 15 - 34
Gambar 3. Titik untuk pengecekan Beam Bending Stress
2. Dead weight stress
s A
P 0=σ
Lw P so β sin=
Dimana
Po : dead weight of pipe
ws : berat baja, 396.16 kg/m
L : panjang pipa dari expansion joint ke anchor block selanjutnya, 23.576 m
β : slope angle, 41°
As : Luas baja, 0.050 m2
maka
( ) ( )sin 41 396.16 23.576
121, 417.890.050σ = =
o
kg/m
2
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 16/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 16 - 34
Tegangan ini selalu tekanan (-)
3. Support friction stress, hanya terjadi di sebagian pipa yang terdapat tumpuan
S
P a
A
P f
s
f ∑∑ +=σ
( ) β µ cos Lww P w s f
∑ +=Dimana
Pf : friction force over support
μ : 0.3 – 0.5 untuk steel to steel contact tanpa pelumasan (digunakan 0.3)
β : slope angle, 410
L : panjang pipa yang terdapat tumpuan, 23.576 m
ws : berat baja, 396.16 kg/m
ww : berat air, 3142 kg/m
As : luas baja, 0.050 m2
a : eccentricity of friction force
untuk 1200 tumpuan saddle
( ) ( )0.4135 0.4135 2 0.4135 2.016 0.83a D d t = = + = = m
S : section modulus of steel
( ) ( )22 0.008 2 0.025
4 4S td
π π = = = m3
Maka
( ) ( )0.3 396.16 3142 23.576 cos41 18,884.22 f P = + =∑
o kg
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 17/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 17 - 34
( )0.83 18,884.2218,884.221,000,554.48
0.050 0.025σ = + =
kg/m2
Tegangan ini adalah tegangan (+) ketika pipa kontraksi (cooling ) dan tekanan (-)
ketika pipa expanding (heating ).
4. Expansion joint friction stress
s s
p
Adep
A P π µ
σ 1==
Dimana
Pp : Expansion joint friction force
μ1 : 0.25, friction coefficient dari material packing
e : depth of packing , asumsi 15 cm
As : luas baja, 0.050 m2
p : hydraulic pressure
H p w ρ =
H : hydraulic head, 63.44 m
Maka
p = (1,000)(63.44)= 63440.00 kg/m2
( ) ( ) ( ) ( )2 0.15 0.25 63,440.00 = 14,947.70 p P π = kg
14,947.70 296,190.240.050
σ = = kg/m2
Tegangan ini adalah tegangan (+) ketika pipa kontraksi (cooling ) dan tekanan (-)
ketika pipa ekspansi (heating ).
5. The drag of flowing water
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 18/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 18 - 34
s
w
A
H w ∆=σ
∆H = headloss dari friction antara air dan pipa
=∆
g
V
d
L H
2
2
λ
( ) 314.001,0 d k o=λ
Dimana :
ww : berat air, 3142 kg/m
As : luas baja, 0.050 m2
L : panjang pipa dari anchor block sampai upstream expansion joint , 23.576 m
V : kecepatan aliran air, 3.09 m/s
λ : koefisien Darcy’s friction, 0.0102
263.44 3.090.0102 0.059
2 2 9.81 H
∆ = = ⋅ m
( ) ( )3,142 0.0593,642.54
0.050σ = = kg/m2
Tegangan ini selalu tekanan (-)
6. Direct water pressure stress from expansion joint
H w
ρ σ =
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 19/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 19 - 34
Dimana
H : hydraulic head , 63.44 m
Maka
( ) ( )1, 000 63.44 63, 440.00σ = = kg/m2
Tegangan ini selalu tekanan (-)
Jumlah longitudinal stress berbeda tergantung pada kondisi dan posisi. Pipa ekspansi
ketika peningkatan suhu (heating ) dan kontaksi ketika suhu menurun (cooling ). Orientasi
untuk pengecekan kekuatan material pada upper chord dan lower chord seperti ditunjukkan
pada Gambar 3. Nilai positif menunjukkan tegangan tarik, sedangkan nilai negatif
menunjukkan tegangan tekan. Ringkasan pada Tabel di bawah ini
Tabel 6. Longitudinal Stress pada titik sebelum anchor block 7
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 20/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 20 - 34
2.2.2 Embedded
Longitudinal stress utama untuk Penstok yang embedded pada titik sebelum Inlet adalah
sebagai berikut :
Longitudinal Stress pada titik sebelum Inlet Power House
1. Poisson’s effect stress
3t t σ ν σ = ⋅
Dimana:
3t σ = Stress due to Poisson’s effect (kgf/cm2)
ν = Poisson’s effect ratio baja (0.3)
t σ = Circumferential stress (kgf/cm2)
section 1
σh (kg/m²) 1,107,72σt3 (kg/m²) 332,31
2. Temperature stress
2t E T σ α = ⋅ ⋅ ∆
Dimana:
2t σ = Stress karena perubahan temperatur (kgf/cm2)
α = Coefficient of linear expansion (1.2 x 10-5 /°C)
E = Elastic Modulus baja (2.1 x 106 kgf/cm2)
ΔT = Perubahan Temperatur (20°C)
Temperaturestress :
α = 1.20E-05 /°CE = 2.10E+06 kg/cm²
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 21/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 21 - 34
ΔT= 20 °Cσt2
= 504.00 kg/cm²σt2
= 5,040,000.00 kg/m²
2.3 SHEAR STRESS
Shear stress pada setiap titik kritis digunakan sebagai shear stress (τ) untuk perhitungan
equivalent stress dalam pengecekan kekuatan material.
Shear stress pada titik sebelum Anchor block 7
s A
V =τ
Dimana :
( )β cos
2
bwwV w s +=
Dimana
V : shear force
ws : berat baja, 396.16 kg/m
ww : berat air, 3142 kg/m
b : span, 6 m (span pipa sebelum wye branch anchor block )
β : slope angle, 41°
As : luas baja, 0.050 m2
Maka
( ) ( )396.16 3,142 6cos 41 8,009.93
2
o
V +
= = kg
8,009.93
158,717.680.050τ = = kg/m2
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 22/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 22 - 34
3 PENGECEKAN KEKUATAN MATERIAL
3.1 WATER FULLY FILLED PADA PENSTOK
Equivalent stress harus lebih rendah daripada stress material yang diizinkan.
2
21
2
2
2
1 3τ σ σ σ σ σ +−+= E < σa
Dimana
σa : 13,591,573.225 kg/m2
σ1 : circumferential stress, diambil sebagai hoop stress
σ2 : longitudinal stress, diambil sebagai jumlah dari longitudinal stress
τ : shear stress
Pipa diperiksa untuk heating (ekspansi) dan cooling (kontraksi) mempertimbangkan
perubahan pada arah expansion joint stress dan temperature stress. Untuk penstock
terbuka titik untuk pengecekan stress diambil pada upper chord pipa (arah jam 12) dan
lower chord pipa (arah jam 6) mempertimbangkan perubahan arah pada balok bending
stress. Pada penstock buried equivalent stress terjadi merata, tidak ada pembedaan upper
dan lower chord.
Equivalent stress pada titik sebelum Powerhouse
Pada saat ekspansi
σ1 = 11,133,823.53 kg/m2
σ2 = -1,705,147.06 kg/m2
τ = 0 kg/m2
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 23/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 23 - 34
Maka
2
21
2
2
2
13τ σ σ σ σ σ +−+= E
σE = 12,077,017.82 kg/m2
Pada saat kontraksi
σ1 =11,133,823.53 kg/m2
σ2 = 8,374,852.94 kg/m2
τ = 0 kg/m2
Maka
2
21
2
2
2
1 3τ σ σ σ σ σ +−+= E
σE = 10,042,711.46 kg/m2
Equivalent stress maksimum 12,077,017.82 < 13,591,573.22 kg/m2 → OK
Untuk bagian lainnya, prosesnya serupa seperti diatas, dan digambarkan pada Tabel 7.
Tabel 7. Equivalent stress maksimum
No
1Semua nilai equivalent stress pada Tabel 7 dibawah stress diizinkan 13,591,573.22
kg/m2.
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 24/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 24 - 34
3.2 DURING WATER FILLING
Circumferential bending stress disebabkan oleh water filling tidak boleh melebihi 1.5
kali stress material, stress ini hanya terjadi pada bagian yang didukung oleh saddle.
1.5 x σa = 20,387,359.837 kg/m²
Mengacu pada ”Technical Standards For Gates dan Penstocks”, formula perhitungan dari
circumferential dapat dibagi menjadi 3 bagian, tergantung pada rasio dari panjang span
diameter.
1. L > 13D
3
2
6 1
8
mr
t ϕ
ρ π σ
π
⋅ ⋅ = ± −
Dimana,
+ : pipa bagian dalam
- : pipa bagian luar
σφ : Circumferential bending stress (kg/cm2)
ρ : Berat Jenis Fluida (kg/cm3)
2. 13D < L < 7D
( )( )
2 2
1 22 2
1 2 4 12
2 2 4 12
4 2
1 2
3
s
2
12 ....
....
1
;
where: poisson's ratio = 0.3
m
s
s
n
n n
m
m
r
C C
C
r t
L r
ϕ
ρ σ λ ν π η λ
π ν λ ϕ ϕ ϕ
λ φ φ φ
ϕ η δ
ϕ ϕ
η δ
ν
⋅ ⋅ = ± + ⋅ ⋅ −
= + + +
= + + +
=⋅ + ⋅
= ⋅
= =
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 25/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 25 - 34
Tabel 8. Koefisien Water filling stress.
n
4
1C
n
π =
( )( )
22
2 2
1
12 1 s
nC
ν
−=
− 1 2
2
1C
n=
−2 6.088 0.824 0.667
4 0.381 20.604 0.133
6 0.075 112.179 0.057
8 0.024 363.462 0.032
10 0.010 897.527 0.020
12 0.005 1872.619 0.014
3. 7D > L > 2D
Formula berikut ini hanya dapat digunakan untuk menggantikan φ2 dar iTabel 8.
( )2
2
2 4 2
1 2
2.467 1
C C
η ϕ
η δ
⋅ +=
⋅ + ⋅
Perhitungan seperti pada Tabel 9.
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 26/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 26 - 34
Tabel 9. Bending side stress dengan water half filled
Lok
D (c
b (cb/D
rm(cm)
η
Semua stress dibawah 20,387,359.837 kg/m², maka desain akan mencukupi.
3.3 EMPTY PIPE
Tekuk tidak akan terjadi oleh tekanan eksternal untuk 1,5 kali tekanan desain
eksternal.
Contoh perhitungan di bawah ini untuk setiap tipikal, untuk sisa bagian lainnya lihat
Tabel 10.
Untuk pipa exposed section 8
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 27/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 27 - 34
3
2
0
2
'1k
E t p
Dv
= −
Desain tekanan eksternal adalah 0.2 kgf/cm2
1.5 x 0.2 = 0.3 kg/cm2
Maka
( )
( )
3 6 3
22
0
2 2.1 102 1
1 ' 2001 0.3k
E t p
v D
× = = − −
Pk = 0.560 kg/cm2 > 0.3 kg/cm2 → OK
Untuk pipa yang tertimbun, section 1-2 ,dan 3-7
Stress karena tekanan eksternal dan tekanan tekuk kritis dihitung menggunakan
formula E. Amstutz
2 * *
0
* 2 * * *
11 12 3.36 1
2
N m N m F N m F N
m s s s s
k r r r
r E t E t E t E
σ σ σ σ σ σ − −+ + ⋅ = ⋅ − ⋅ ⋅
*
21
s
s
s
E E
v=
−
*
2
2
1
11.5 0.5
1 0.002
F F
s s
s
F
v v
E
σ σ µ
µ
σ
=− +
= −
+
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 28/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 28 - 34
Dimana
σF = Yield point of material , 2,395.51 kg/cm2
σN = Circumferential direct stress pada deformed pipe shell , iterasi
t = Ketebalan Penstok, 0.8 cm
r m = Radius Penstok, 106.25 cm
ko = Celah antara beton dan permukaan luar pipa, 0 dengan cara
pengisian
2
6 2 6
2 2
6 6
2
0.0004 106.251 12
106.25 2.31 10 0.8 2.31 10
3,864.98 3,864.98106.25 1 106.253.36 1
0.8 2.31 10 2 0.8 2.31 10
1,245.23 kg/cm
N N
N N
N
σ σ
σ σ
σ
+ + ⋅ ⋅ ⋅ − −
= ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
=
Dengan σN yang telah dihitung, pk dapat ditentukan dengan menggunakan
persamaan berikut :
*
*
1,245.236
2
1 0.35
1,245.23
3,864.98106.25 106.251 0.350.8 0.8 2.31 10
11.25 kg/cm
N k
m m F N
s
pr r
t t E
σ
σ σ
σ
= −
+
=
− + ⋅ ⋅ ⋅ =
2
2
11.25
1.5
7.5 kg/cm
74,967.28 kg/m
k all
p p
SF = =
=
=
Berat Jenis Tanah, γ = 1,800 kg/m3
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 29/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 29 - 34
Desain permukaan atas Penstok = +507.35
Elevasi timbunan kembali Powerhouse = +513.15
Kedalaman Penstok embedded , H = 513.15 – 507.35 = 6.65 m
Maka
Stress pembebanan puncak Penstok = γ x H = 11,970.00 kg/m
2
lebih rendahdaripada tekanan tekuk yang diizinkan, pall (63,269.92 kg/cm2)
Tabel 10. Pengecekan tekuk pipa Embeded
Lokasi At (cm)
rm/t 14
Es* 2.31
σN (kg/m2) 10,719,312
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 30/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 30 - 34
4 MISCELLANEOUS PENSTOCK
4.1 SLIDE DISTANCE OF EXPANSION JOINT
Dihitung menggunakan formula berikut :
T Ll α =Dimana :
L : jarak antara anchor blocks
α : koefisien linear expansion = 0.000012/0C
T : perubahan temperatur (0C)
max minT T T = −
Perubahan temperatur maksimum terjadi ketika pipa dalam keadaan kosong,
digunakan untuk perhitungan
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 31/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 31 - 34
Tmax : 80 0C
Tmin : 15 0C
T = 65 0C
Dibawah adalah sebuah perhitungan expansion slide distance untuk nilai
perhitungan tertinggi sebagai contoh perhitungan, sisanya dapat dilihat padaTabel11.
Untuk expansion joint pada titik setelah Surgetank
L = 170.14 (jarak antara anchor block )
170.14 0.000012 20 0.041l L T α = = × × = m
l = 4.1 cm
Slide type expansion joint yang diizinkan harus 5 cm lebih panjang dari nilai yang
dihitung = 4.1 + 5 ≈ 10 cm (pembulatan ke atas untuk keamanan).
Tabel 11. Slide distance expansion joint
Lokasi
L (m)
l (m)
l (cm)
4.2 DEFLEKSI ANTARA TUMPUAN
Dari European Small Hydropower Association, ESHA “Guide on How to Develop a Small
Hydropower Plant” defleksi maksimum harus berada di bawah L/65000, dimana L adalah
span maksimum antara tumpuan,
6 / 65000 = 0.00009230769 meter = 0.09 mm
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 32/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 32 - 34
Dihitung menggunakan formula balok sederhana, belum memasuki sifat Penstok :
EI
wl y
384
cos4
max
β =
Dimana :
( ) ( )( )4 44 4
2 2*0.008 20.02544
64 64
D d I π π + −−= = = m4
1 2396.16 3,141.6 3,537.76 s ww w w= + = + = kg
l = b (jarak antara support, maks span adalah 6 m untuk Tes)
Maka
( ) ( )
( ) ( )
4 0
5
max10
3, 537.76 6 cos 21.93 10
384 2.1 10 0.02544
y −= = ××
m
ymax = 0.0193 mm < 0.09 mm OK!!
Defleksi ini dapat diizinkan untuk span 6 m.
4.3 MANHOLE
Dimensi manhole adalah elips dengan sumbu utama 45 cm & sumbu minor 35 cm, manhole
diposisikan 1,5 m pada downstream of expansion joint . Sebagai contoh, perhitungan untuk
manhole dekat Anchor block 1. Sisanya ditampilkan dalam
Manhole Anchor Block 1
Manhole diposisikan 1.5 m downstream of expansion joint dengan hydraulic head
H = 6.55
Maka hydraulic pressure adalah
1,000 6.55 6,550.00w p H ρ = = × = kg/m2
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 33/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 33 - 34
p = 1.5 kg/cm2
Ketebalan plat manhole dihitung sebagai berikut
c KP
bt a
+=
σ cm
Dimana
a : 1/2 dari sumbu utama, a = 22.5 cm
b : 1/2 dari sumbu minor, b = 17.5 cm
p : internal pressure, p = 1.5 kg/cm2
σa : allowable stress of steel , σa = 1,359 x 103 kg/cm2
c : corrosion allowance, c = 0.2 cm
K : koefisien konsentrasi stress, K = 1.82 for a/b =1.29
Maka
( ) ( )1.82 1.517.5 0.2 0.98
1,359t = + = cm
t ≈ 1 cm (ketebalan plat yang tersedia)
5/10/2018 Desain Penstok Bask 2 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/desain-penstok-bask-2 34/34
AMARTA KARYA
NO DOKUMEN :
DESAIN PENSTOK
Rev.: 0
EXT-TES/200/A/02
NO HAL.
HAL. 34 - 34
Tabel 12. Perhitungan ketebalan Manhole.
Lokasi
Ha (m)
H (m)
P (kg/m²)P (kg/cm²)
a (cm)b cm