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.