Pipe Design Loads
April
2010
Contents
Beban yang bekerja terus-menerus
selama operasi
• Berat
• Tekanan
Beban yang terjadi “kadang-kadang“
selama operasi
• Angin
• Relief Valve Discharge
• Gempa
Beban akibat perpindahan pada
struktur pipa
• Thermal Expansion
Beban Berat
 Beban-beban yang diterima sistem perpipaan berasal
dari berat fluida, isolasi, komponen, dan struktur pipa itu
sendiri.
 Semua beban berat tersebut kemudian diteruskan ke
komponen tumpuan (support). Jadi, support harus
dirancang mampu menahan beban-beban tersebut.
Beban Berat
Tumpuan Simply Supported
 tegangan maksimum :
WL2

8Z
 gaya maksimum :
WL
F
2
Keterangan :
L = jarak tumpuan maksimum
S = tegangan yang diijinkan
(tergantung jenis material,
temperatur , dan code)
Beban Berat
Tumpuan Fixed-end
 tegangan maksimum :
WL2

8Z
 gaya maksimum :
WL
F
2
Keterangan :
L = jarak tumpuan maksimum
S = tegangan yang diijinkan
(tergantung jenis material,
temperatur , dan code)
Beban Berat
Tumpuan umumnya adalah
campuran antara simply
supported dengan fixed-end
Mixed
Fixed
End
Simply
Supported
Beban Berat
sehingga,
 tegangan maksimum :
WL2

10 Z
Keterangan :
L = jarak tumpuan maksimum
S = tegangan yang diijinkan
(tergantung jenis material,
temperatur , dan code)
Beban Berat
Jadi untuk pipa horizontal lurus, jarak antar tumpuan dapat
dihitung :
10 ZS
L
W
Gaya-gaya tumpuan adalah :
(10 WZS)
F
2
1
2
Keterangan :
L = jarak tumpuan maksimum
S = tegangan yang diijinkan
(tergantung jenis material,
temperatur , dan code)
Beban Berat
•
Standard :
MSS (Manufacturers Standardization Society) memberikan rekomendasi
jarak antar tumpuan dalam SP-69 :
Beban Berat
• Hal yang harus dipertimbangkan
dalam menentukan posisi
tumpuan :
 Letakkan tumpuan sedekat mungkin
dengan beban terkonsentrasi (valves,
flanges, dll).
 Tumpuan terbaik diletakkan pada peralatan.
 Peralatan atau equipment tersebut
dimodelkan sebagai beban terkonsentrasi.
 Jika arah pipa mengalami perubahan
(belokan), disarankan jarak tumpuan ¾ dari
tabel SMS untuk menjaga stabilitas dan
untuk mengakomodasi beban eksentrik.
 Standar pada SP-69 tidak berlaku untuk
pipa vertikal (riser). Tumpuan biasanya
ditentukan berdasarkan panjang pipa dan
distribusi beban pada struktur bangunan
penumpu.
Beban Berat
 Direkomendasikan tumpuan
diletakkan pada ½ bagian atas riser
untuk mencegah buckling dan
instability.
 Guide dapat ditempatkan disepanjang
riser untuk mencegah defleksi pipa.
Jarak guide pipa biasanya 2 kali jarak
tabel SP-69, dan tidak menahan
beban berat.
 Lokasi tumpuan diusahakan sedekat
mungkin dengan bagunan baja yang
ada, sehingga tidak diperlukan
bangunan tambahan untuk menopang
struktur pipa.
Beban Berat
Tabel Berat Pipa :
Beban Berat
Tabel Berat Komponen Pipa :
Contoh Soal
Pipeline menghubungkan dua buah nozle (A & H). Pipa mempunyai
diameter nominal 12 in, berisi air dan mempunyai tebal isolasi 4,5
in, belokannya long radius dan semua valvenya 150 psi pressure
rating gate valve. Tentukan letak-letak penumpu dan hitunglah
bebannya.
Contoh Soal
Penyelesaian contoh soal
Titik pusat gravitasi :
Valve : 1170 lb (5206 N), 1.5 ft (0.46 m) dari titik A
Pipe : 6.5 x 119 =774 lb (3444 N), 6.25 ft (1.91 m) dari titik A
Elbow : 299 lb (1322 N), 10.5 ft (3.2 m) dari titik A, 6 in (0.15 m)
di sebelah titik C
Pipe : 8.5 x 119 = 1012 lb (4503 N), 5.75 ft (1.75 m) di sebelah
titik C
M  0
0  299(0.5)  1012(5.75)  10C
C  597 lb (2649 N ) ke atas
X
M  0
0  1170(1.5)  4 B  774(6.25)  299(10.5)  1012(11)  597(11)
B  3574 lb (15,955 N ) ke atas
Z
Contoh Soal
Fy  0
0  A  1170  3574  774  299  1012  597
A  916 lb (4119 N ) ke bawah
M  0 Terhadap titik C
0  3.05 D  1607(10)  299(9.5)  1012(4.25)
D  2321lb (10,334 N ) ke atas
X
F  0
y
0  C  1607  299  1012  2321
C  597 lb (2648 N ) ke atas
Tekanan
 Sistem perpipaan umumnya mendapat beban tekanan
internal dari fluida yang dialirkan
 Beban tekanan lebih berpengatuh pada tegangan di
dinding pipa dibandingkan dengan menimbulkan beban
pada tumpuan
P ( AP ) - { PAP/Am }Am = 0
dimana :
P = tekanan internal
Ap = luas penampang rongga
bagian dalam pipa
Am = luas penampang pipa
Tekanan
 Jika penampang pipa tidak ‘continuous” maka beban
tekanan
tidak dapat ditahan oleh tegangan pada dinding pipa, sehingga
harus ditahan oleh restrain-restrain dan anchor.
Slip type expansion joint
D o
A
4
2
Bellows expansion joint
dimana :
Do = diameter luar pipa
Db = diameter dalam
maksimum bellows
D b
A
4
Beban tekanan pada expansion joint adalah sama dengan
tekanan dikalikan luas penampang
2
Contoh Soal
Pipeline dengan diameter pipa 12 in mengalami beban tekanan
internal gauge 250 psi dan mempunyai slip joint di titik C. Pipa
direstrain oleh anchor di titik A dan E, oleh vertikal restrain di
titik B dan D. Tentukan beban reaksi pada anchor dan restrain!
Contoh Soal
• Pipa : D nominal = 12 in; Tekanan = 250 psi
• P = 31,919 lb; a = 50 ft (15.25 m); b = 15 ft (4.58 m)
PD0 (250) (12.75) 2
F

 31,919 lb
4
4
• Dengan teori batang, maka pada anchor didapat :
Pb
MA 
2
 3Pb
FA 
2a
2 Pa  3Pb
Fb 
2a
MA 
(31,919)(15)
 239,939 ft.lb
2
FA 
(3)(31,919)(15)
 14,364 lb
2(50)
Fb 
(2)(31,919)(50)  (3)(31,919)(15)
 46,283 lb
2(50)
Occasional Load
• Beban yang dikategorikan occasional
loads pada sistem dalam periode yang
sebagian saja dari total periode operasi
sistem ( 1 – 10 % ).
• Contoh :
 snow
 fenomena alam (hurricane, gempa,
dll)
 unusual plant operation (relief value
discharge)
 postulated plant accident (pipe
rupture, dll)
Occasional Load
Rekomendasi Penentuan Letak Support :
 Tentukan posisi awal yang sesuai untuk
beban ‘sustained’ (berat).
 Tentukan jarak tumpuan (span) optimum
untuk ‘occasional load’. Reduksi span
yang didapat sampai coincides dengan
kelipatan span tahap 1.
 Pada sistem pipa dingin,gunakan rigid
support di semua tumpuan.
 Pada sistem pipa panas, tentukan dulu
dimana lokasi rigid support dapat
ditempatkan. Pada tempat tumpuan
lain mungkin perlu dipasang snubber.
Beban Angin
• Sistem pipa yang terletak outdoor harus dirancang mampu menahan beban
angin maksimum yang terjadi sepanjang umur operasional pipa.
• Kecepatan angin tergantung kondisi lokal dan bervariasi terhadap elevasi.
Region
kecepatan
angin di US :
Beban Angin
• Beban angin dimodelkan sebagai gaya uniform yang searah
dengan arah angin sepanjang pipa.
Cd D q
F
(USCS )
386.4
Cd D q
F
( SI )
1000
dimana :
F = beban angin (N/m)
Cd = koefisien drag
q = tekanan dinamik (N/m2) = V2/2
D = diameter luar pipa (termasuk
isolasi) (m)
 = massa jenis udara (kg/m3)
v = kecepatan udara (m/s)
Pada kondisi tertentu, dimasukkan
faktor keamanan yang disebut
dengan Gust factor (biasanya
berharga 1.0 – 1.3)
Beban Angin
Koefisien Drag pada Pipa
• Harga koefisien drag
merupakan fungsi dari
bentuk struktur dan bilangan
Reynold.
• Bilangan Reynold :
 DV
(USCS )
386.4 
 DV
Rn 
( SI )
1000 
Rn 
dimana :
 = massa jenis udara (kg/m3)
V = kecepatan angin (m/s)
D = diameter pipa (m)
 = viskositas dinamik udara (kg/m s)
Contoh Soal
• Pipa dengan diameter nominal pipa 8 in dan tebal isolasi 2 in. Sistem pipa
tersebut terkena angin dengan kecepatan maksimum 75 mph arah utaraselatan. Tentukan beban yang diterima oleh restrain C, E, dan H pada arah x.
Contoh Soal
•
•
•
•
•
Menentukan beban angin per panjang proyeksi pipa:
V
= 75 mph = 110 ft/s
ρudara = 0.0748 lbm/ft3 pada 29.92 in Hg dan 700F (210C)
μudara = 39.16 x 10-8 lbf.s/ft2
D
= 8.625 (pipa) + 2 x 2 (insulasi) = 12.625 in
• Bilangan Reynolds :
Re 
(0.0748)(12.625)(110)
5

6
.
9

10
(386.4)(39.16 10 5 )
• Gaya drag dapat dihitung dengan menggunakan faktor gust 1,3 :
(1.3)(0.6)(0.5  0.0748 110 2 )(12.625)
F
 11.5 lb / ft
386.4
Actual load :
Wl
11.5(20)

 8.1lb / ft
2
2
L
20  20
dimana :
W = beban angin, lb/ft
L = panjang sesungguhnya, ft
l = panjang proyeksi, tegak lurus
beban angin, ft (m)
Contoh Soal
• Dengan penjumlahan momen terhadap titik A, diperoleh :
M  0
0  20 E  (230)(10)
y
E  115 lb
M  0
0  115(45)  230(45)  518(22.5)  15C
z
C  1122 lb
F  115  1122  230  518  A  0
x
A  489 lb
Contoh Soal
• Untuk segmen E-H:
M y  35H  229(25)  172.5(7.5)  0
H  200.5 lb (892 N )
F  200.5  229  172.5  E  0
E  201 lb (894 N )
x
• Beban total pada restrain E adalah jumlah dari beban pada setiap sisi :
E  115  201  316 lb
tot
Beban Relief Valve Discharge
• Relief valve digunakan dalam sistem perpipaan sebagai
‘pembuangan tekanan’ dari sistem jika tekanan meningkat di
atas operasi yang aman.
 mV

F  DLF
 PA  ( USCS)
 32.2

PA 

F  DLFmV 
(SI)
6
1 10 

DLF = dynamic load factor
m = mass flow rate valve x1.11, lbms (kg/s)
P = static gauge pressure from discharge (N/m2)
A = discharge flow area (mm2)
ho = enthalpy stagnasi fluida
Beban Relief Valve Discharge
• Static Gauge Pressure :
m b  1 48.33(h 0  a )
P
- PA ( USCS)
a b
2b  1
50113(h 0  a )
V
( USCS)
2b  1
m b  1 1.995 1012 (h 0  a )
P
- PA (SI)
a b
2b  1
2.0085(h 0  a )
V
(SI)
2b  1
Beban Relief Valve Discharge
• Dynamic load factor (DLF) digunakan untuk menghitung kenaikan beban
yang tiba-tiba dari gaya discharge. Faktor ini bervariasi dari 1,1 – 2,0
tergantung dari kekakuan instalasi valve dan waktu pembukaan.
• Perhitungan DLF dimulai dengan menghitung periode natural instalasi valve:
WH 3
T  0.1846
( USCS)
EI
W = massa valve
H = jarak pipa utama ke pipa outlet (mm), in
E = modulus elastisitas pipa
I = momen inersia pipa inlet (mm4), in4
WH 3
T  114.59
(SI)
EI
Beban Relief Valve Discharge
Step berikutnya adalah menentukan ratio to/T, dimana to
adalah waktu pembukaan valve.
DLF akhirnya dapat ditentukan dari grafik berikut:
Contoh Soal
• Diketahui gaya relief
discharge dengan 1500 lb
(Gambar 5.15). Run pipe
pada tee akibat gaya 1500 lb
menerima momen 3000 lb
ft. Tentukan resultan reaksi
di restraint.
Contoh Soal
• Reaksi pada restrain :
Fa 
1500(3) 3000

 375 lb
17  3
20
1500(17) 3000
F 

 1125 lb
17  3
20
b
• Atau
6675(0.92) 4702
F 

 1672 N
5.19  0.92 6.11
6675(5.19) 4702
F 

 5003 N
5.19  0.92 6.11
a
b
Beban Gempa
• Sistem perpipaan haruslah didesain mampu menahan beban gempa.
• Kriteria seismic dalam perancangan dapat dimulai dengan mengestimasi
potensial gempa dalam daerah dimana pipa akan dipasang.
Zona Seismik
di USA
Beban Gempa
Analisis yang harus dilakukan :
Time History Analysis
• Dilakukan berdasarkan catatan
gempa terhadap waktu
• Data percepatan, kecepatan
dan perpindahan tanah
dijadikan input untuk
menganalisis model dinamik
struktur pipa.
Beban Gempa
Modal Analysis
•
Alternatif lain untuk mendapatkan
respon struktur terhadap gempa
adalah modal analysis.
•
Model dinamik dari sistem pipa
dibagi menjadi sejumlah model
single DOF yang secara keseluruhan
dapat mewakili karakteristik
dinamik sistem pipa.
Beban Ekspansi
 Restraint diperlukan untuk menahan beban ‘sustained’ dan beban
occasional. Tetapi jika terjadi kenaikan temperatur pada saat pipa
beroperasi, maka pipa akan ekspansi sehingga timbul tegangan yang tinggi.
 Kondisi restraint dari sudut pandang ‘thermal’, maka tidak ada restraint.
 Ekspansi termal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Thot
  L   dT
Tcold
dimana :
 =ekspansi termal (mm)
L = panjang pipa (mm)
 = koefisien ekspansi termal (mm/mm0C)
T = temperatur pipa (0C)
Beban Ekspansi
• Penggunaan expansion loop adalah alternatif untuk dapat mengatasi
ekspansi termal yang besar.
• Metode sederhana menghitung beban termal pada tumpuan digunakan
‘metode guided cantilever’. Pada setiap tumpuan akan timbul:
6EI
M
L2
12 E I 
P
L3
I = momen inersia
 = pertambahan panjang
L = panjang pipa
P = gaya-gaya pada tumpuan
M = momen pada tumpuan
E = modulus elastisitas
Beban Ekspansi
• Contoh Ekspansi beberapa material :
Beban Ekspansi
• Contoh Ekspansi beberapa material :
Thank You