DAFTAR ISI
1. STATIC ANALYSIS 1.1 Static dan Dynamic Load ....................................................................... 2 1.2 Basic Refference Data & Formula .......................................................... 7 1.3 Static Output Report ............................................................................... 10 1.4 3D - Plot ................................................................................................. 11 1.5 Stress Result Analyze ............................................................................. 12 2. PIPELNE BURRIED MODELLING 2.1 Soil Modeller .......................................................................................... 14 2.2 Contoh Kasus pada “Burried Pipeline” ................................................... 18 3. LATIHAN PEMODELAN KOMPLEKS 3.1 Desain and Analisa ................................................................................. 19 4. STRUCTURAL STELL MODELLING 4.1 Contoh Pemodelan Stell Structure .......................................................... 22 5. DYNAMIC ANALYSIS 5.1 Analisa Modal ........................................................................................ 30 5.2 Analisa Harmonis ................................................................................... 30 5.3 Analisa Spektrum Responsis .................................................................. 31 5.4 Analisa Spektrum Gaya .......................................................................... 31 5.5 Analisa Transient (Time History) ........................................................... 32
1
1. STATIC ANALYSIS Metode Static Analysis adalah memperhitungkan static load, yang akan menimpa pipa secara perlahan sehingga dengan demikian piping system memiliki cukup waktu untuk menerima, bereaksi dan mendistribusikan load tersebut keseluruh bagian pipa, hingga tercapainya keseimbangan. 1.1 Static dan Dynamic Load Loading yang mempengaruhi sebuah piping system dapat diklasifikasikan sebagai primary dan secondary. Primary loading terjadi dari sustain load seperti berat pipa, sedangkan secondary load dicontohkan sebagai thermal expansion load. Static Loading meliputi : Weight effect (live loads and dead loads). Thermal expansion and contraction effects. Effect of support, anchor movement. Internal or external pressure loading.
Sedangkan yang termasuk Dynamic loading adalah : Impact forces Wind Discharge Load
1.1.1 Load Case pada Caesar II Setelah kita selesai mendesain piping, maka langkah selanjutnya adalah melakukan analisa stress terhadap system piping tersebut. Hal tersebut harus dilakukan untuk mengetahui apakah desain yang telah kita buat dapat memenuhi persyaratan stress atau tidak, sehingga hal ini akan sangat
2
berpengaruh pada kekuatan pipa ketika mengalami pembebanan ketika kondisi operasi. Ada berbagai macam jenis load case yang dapat kita gunakan dalam CAESAR II. Load case ini akan mendefinisikan pembebanan yang terjadi pada pipa, baik beban akibat berat pipa itu sendiri ataupun beban akibat faktor yang lain. Berikut ini definisi load case pada CAESAR II ver 4.2 :
Load
Design Name
Input items which activate this load case
W
Deadweight
Pipe Density, Insulation Density (with insulation thickness), Fluid Density, or Rigid Weight
WNC
Weight
Pipe Density, Insulation Density (with insulation thickness), Rigid Weight
T1
Thermal Set 1
Temperature #1
T2
Thermal Set 2
Temperature #2
T3
Thermal Set 3
Temperature #3
T9
Thermal Set 9
Temperature #9
P1
Pressure Set 1
Pressure #1
P2
Pressure Set 2
Pressure #2
P3
Pressure Set 3
Pressure #3
P9
Pressure Set 9
Pressure #9
D1
Displacements Set 1
Displacements (1st Vector)
D2
Displacements Set 2
Displacements (2nd Vector)
D3
Displacements Set 3
Displacements (3rd Vector)
. ..
3
D9
Displacement Set 9
Displacements (9th Vector)
F1
Force Set 1
Forces/Moments (1st Vector), cold spring (Material # 18 or 19), and spring initial loads
F2
Force Set 2
Forces/Moments (2nd Vector)
F3
Force Set 3
Forces/Moments (3rd Vector)
Force Set 9
Forces/Moments (9th Vector)
… F9 Dsb.
Example : Contoh desain nozzle berikut
Setelah input piping selesai, pilih error checking dan kemudian batch run pada check box yang terdapat dalam piping spreadsheet berikut ini : 4
Box tersebut di atas menjelaskan tentang desain piping yang telah kita buat tadi apakah ada kesalahan (error), peringatan (warning) atau tidak. Jika ditemukan 5
error maka proses run tidak dapat dilanjutkan dan kita harus melakukan revisi pada node yang mengalami “error” tersebut. Selain itu juga diberikan beberapa informasi lain yaitu berat keseluruhan dari piping system yang telah kita buat dan juga menjelaskan letak “center of grafity”. COG berfungsi untuk proses erection pada saat konstruksi. Dan kedua yaitu terdapat informasi nozzle calculation.
Setelah itu anda akan mendapati box jenis load case seperti berikut ini :
Penjelasan Allowable Stress Type dan Load Case : 1. (OPE) Operating : Stress yang terjadi akibat beban kombinasi antara sustain load dan expansion load dimana biasa terjadi pada kondisi operational. 2. (OCC) Occassional : Stress yang terjadi hanya dalam waktu relative singkat akibat beban sustain load + occassional loading (seperti angin, wave, dll.) 3. (SUS) Sustained : Stress yang terjadi secara terus menerus selama umur operasi akibat tekanan dan berat pipa & fluida. 4. (EXP) Expansion : Stress yang terjadi akibat adanya perubahan temperature 5. (HYD) Hydrotest : Stress akibat tekanan air saat dilakukan hydrotest.
6
1.2 Basic Refference Data & Formula Longitudinal Pressure Stress - Slp Slp = PD0/4tn
code approximation
Slp = PDi2/(D02- Di2) code exact equation, CAESAR II default Operating Stress - unless otherwise specified S = Slp + Fax/A + Sb < NA
(OPE)
6.2.1 ASME B31.1 – Power Piping Stress due to Sustained loadings Pressure, weight(live, dead, and under test loads), other mechanical load. Sl = Slp + 0.75 i Ma / Z < Sh
(SUS)
i Mc / Z < f [ 1.25 (Sc+Sh) - Sl ]
(EXP)
Slp + 0.75 i Ma / Z + 0.75 i Mb / Z < k Sh
(OCC)
P = internal design pressure (gauge), psi(kPa) D0 = outside diameter of pipe, in (mm) tn = nominal wall thickness, in (mm) MA = resultan momen pada penampang, in.lb (mm.N) Z = section modulus, in3 (mm3) i = stress intensification factors Sh = Basic material allowable stress pada temp. maksimum, psi (kPa)
6.2.2 ASME B31.3 – Piping for Chemical Plant & Petroleum Refinery Sl = Slp + Fax/A + Sb < Sh
(SUS)
sqrt (Sb2 + 4 St2) < f [ 1.25 (Sc+Sh) - Sl ]
(EXP)
Fax/A + Sb + Slp < k Sh
(OCC)
Sb = [sqrt ( (iiMi)2 + (i0M0)2 )]/Z 7
6.2.3 ASME B31.4 – Pipeline Transportation System for Liquid Hydrocarbon and other Liquid. If FAC = 1.0 (fully restrained pipe) FAC | E a dT - u SHOOP| + SHOOP
< 0.9 (Syield)
(OPE)
If FAC = 0.001 (buried, but soil restraints modeled) Fax/A - n SHOOP + Sb + SHOOP
< 0.9 (Syield)
(OPE)
(If Slp + Fax/A is compressive) If FAC = 0.0 (fully above ground) Slp + Fax/A + Sb + SHOOP
< 0.9 (Syield)
(OPE)
(If Slp + Fax/A is compressive) (Slp + Sb + Fax/A) (1.0 - FAC) < (0.75) (0.72) (Syield) (SUS) sqrt ( Sb2 + 4 St2 )
< 0.72 (Syield)
(EXP)
(Slp + Sb + Fax/A) (1.0 - FAC)
< 0.8 (Syield)
(OCC)
6.2.4 ASME B31.8 – Gas Transmission and Distribution For Restrained Pipe (as defined in Section 833.1): For Straight Pipe: Max(SL, SC)
< 0.9ST
(OPE)
Max(SL, SC)
< 0.9ST
(SUS)
SL
< 0.9ST
(OCC)*
< ST
(OCC) *
and SC
CAESAR II prints the controlling stress of the two SL = SP + SX + SB For All Other Components SL
< 0.9ST
(OPE, SUS, OCC) 8
For Unrestrained Pipe (as defined in Section 833.1): SL
< 0.75ST
(SUS, OCC)
SE
< f[1.25(SC + SH) – SL] (EXP)
Where: SL = SP + SX + SB SP = 0.3SHoop (for restrained pipe) 0.5SHoop (for unrestrained pipe) SX = R/A SB = MB/Z (for straight pipe/bends with SIF = 1.0) MR/Z (for other components) SC = Max (|SHoop – SL|, sqrt[SL2 – SLSHoop + SHoop2]) MR = sqrt[(0.75iiMi)2 + (0.75ioMo)2 + Mt2] SE = ME/Z ME = sqrt[(0.75iiMi)2 + (0.75ioMo)2 + Mt2] S = Specified Minimum Yield Stress T = Temperature Derating Factor SH = 0.33SUT SC = 0.33SU SU = Specified Minimum Ultimate Tensile Stress
B31.8 Chapter VIII Hoop Stress:
Sh £ F1 S T
(OPE, SUS, OCC)
Longitudinal Stress:
|SL| £ 0.8 S
(OPE, SUS, OCC)
Equivalent Stress:
Se £ 0.9 S
(OPE, SUS, OCC)
Where: S = Specified Minimum Yield Strength F1 = Hoop Stress Design Factor 9
(0.50 or 0.72, see Table A842.22 of the B31.8 Code) T = Temperature Derating Factor (see Table 841.116A of the B31.8 Code)
1.3 Static Output Report
Setelah kita RUN desain yang telah kita buat, akan ditampilkan static output processor seperti di atas. Kita dapat memilih load case dan report yang ingin kita tampilkan seperti box di bawah ini :
10
Setelah kita pilih load Case dan report, akan tampil hasil analisa dari Caesar II seperti di bawah ini :
1.4 3D - Plot Caesar II dapat menampilkan stress yang terjadi pada piping system yang telah kita desain dalam bentuk 3D dengan cara memilih 3D Plot pada box di bawah ini : 11
Maka Caesar II akan menampilkan gambar dalam bentuk 3D seperti berikut : (contoh pemodelan nozzle)
1.5 Stress Result Analyze Pada Piping Desain di atas, jika kita memilih load case W+P1 akan menghasilkan nilai stress seperti di bawah ini:
12
(stress report)
(Restrain Report)
13
(Displacement Report)
2. PIPELNE BURRIED MODELLING 2.1 Soil Modeller Untuk pemodelan pipa di bawah tanah (buried pipe / underground), pertama kita pilih Input – Underground pada piping spreadsheet, dan kemudian akan tampil box seperti di bawah ini :
14
Masukkan soil model sesuai dengan data soil yang kita peroleh sebagai berikut :
Masukkan soil model yang telah kita isi di atas kedalam box yang terlihat di bawah ini. Pada bagian yang berada di dalam tanah (burried) kita berikan soil model dengan model no “2” dan kita klik “from end mesh dan to end mesh” yang artinya burried berada di awal dan di akhir node tersebut.
15
Setelah kita isikan section yang ingin di “burried” pada box tersebut di atas, maka selanjutnya kita klik “convert” dan akan ditampilkan box seperti di bawah ini :
Pada spreadsheet akan terjadi perubahan setelah kita memasukkan “buried”, dimana pada bagian pipa yang mengalami “buried” akan memiliki nilai restrain
16
yang secara otomatis diberikan oleh CAESAR II seperti kita lihat box di bawah ini :
Plot preview akan terlihat seperti gambar di bawah :
(Gambar 7.1)
17
2.2 Contoh Kasus pada “Burried Pipeline” Pada sebuah pipeline yang sangat panjang (> 20 km), sebagian besar pipa akan berada di dalam tanah (burried). Dalam jarak yang sangat panjang tersebut, setiap +/- 12 km harus terdapat block valve yang berfungsi untuk menutup aliran fluida jika terjadi hal2 yang berbahaya sehingga kerusakan dapat di minimalisasi. Block valve biasanya dipasang di atas tanah (above ground) Dengan adanya block valve tersebut, maka pipa dari under ground / buried akan naik ke atas (above ground). Pada perubahan ini akan menjadi sangat “critical” bagi sebuah system pipeline terutama jika fluida di dalamnya adalah gas yang memiliki temperature dan tekanan yang relative tinggi jikan dibandingkan dengan “liquid”. Untuk menghindari kerusakan yang terjadi pada system pipa above ground dan block valve, maka diperlukan restrain yang sangat kuat untuk menahan gaya axial dari pipa yang panjang yaitu dengan memberikan “Anchor Block” pada saat sebelum pipa naik ke atas permukaan tanah dan pada saat pipa turun kembali ke dalam tanah.
18
3. LATIHAN PEMODELAN KOMPLEKS 3.1 Desain and Analisa Buatlah dan Analisa system piping dari gambar Desain Isometrik di bawah ini :
19
20
21
4. STRUCTURAL STELL MODELLING 4.1 Contoh Pemodelan Stell Structure Pilih new file dan structural input pada main menu dan klik OK, dan akan muncul tampilan berikut :
Pilih unit parameter yang akan digunakan dalam pemodelan input, dan pilih sumbu vertikan yang diinginkan seperti terlihat di bawah :
22
23
24
Ada 2 metode yang digunakan dalam mendefinisikan model, yaitu element definition dan node/element specification. Setelah kita pilih salah satu dari method di atas, kita akan masuk ke dalam input structural model sebagai berikut :
25
Structural model dapat dijalankan (run) secara terpisah/sendiri atau dapat juga digabungkan dalam pekerjaan piping. Untuk running structural model secara terpisah dapat dilakukan dengan langkahlangkah sebagai berikut : Setelah seluruh input kita masukkan gunakan File – Save untuk keluar dari modeling, dan melakukan error checking. Selanjutnya File – Exit. Kembali ke main menu Caesar II dan pilih static analysis
26
Untuk menggabungkan structural modeling ke dalam piping input dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut : Pada piping spreadsheet kita pilih Environtment – Include Structural Inpu Files Kemudian akan muncul dialog box seperti di bawah ini :
Browse nama file structural yang telah kita buat tadi dan klik OK Untuk melakukan penggabungan structur modeling dengan piping yang telah kita buat diperlukan hal berikut :
27
Diperlukan rigid elemen dengan zeroweight untuk posisi relative pipa terhadap structure Kemudian kita harus menentukan penyambungan antara node pipa dengan node structural menggunakan restrain with connecting node (Cnode). Sebagai contoh pada gambar di bawah ini :
28
Pada node 75 dalam piping model harus diikat/digabungkan dengan node 1055 pada structural model kearah X dan Y, dan juga pada node 85 pipe model digabungkan dengan node 1065 structural model. Kemudian kita dapat run model tersebut seperti halnya run pada piping model.
5. DYNAMIC ANALYSIS Analisa dinamis yang dapat dilakuan dengan CAESAR II adalah: Analisa Modal (Natural Frequency Analysis) Analisa Harmonis Analisa Spektrum Responsis Analisa Spektrum gaya Analisa Transient (Time History)
29
5.1 Analisa Modal menghitung frekuensi natural (pribadi) dan modus getar pribadinya selalu dilaksanakan pada awal semua analisa dinamis setiap modus getar merupakan solusi dari probem dinamis dengan satu derajat kebebasan sistem pipa yang kompleks diuraikan menjadi sejumlah modus getar responsi total merupakan superposisi dari setiap modus getar analisa modal menggunakan proses Eigensolver
Langkah-langkah untuk analisa modal: Merubah distribusi masa dari model static (Lumped Masses) Menambah kekakuan model static (Snubber) Mengontrol parameter analisa dinamik (Control Parameter) Analisa dan melihat hasil perhitungan
5.2 Analisa Harmonis Langkah-langkah untuk Analisa Harmonis : Mendefinisikan frekuensi eksitasi (Exicitation Frequency) Mendefinisikan gaya atau perpindahan dari beban harmonis (Harmonic Forces atau Harmonic Displacement) Merubah distribusi masa dari model static (Lumped Masses) Menambah kekakuan model static (Snubber) Mengontrol parameter analisa dinamik (Control Parameter) Analisa dan melihat hasil perhitungan dengan memilih kombinasi frekuensi dan fase
30
5.3 Analisa Spektrum Responsis Langkah – Langkah Analisa dengan Spektrum Responsis : Mendefinisikan spektrum reponse; CAESARII bulit-in spektrum atau Spectrum Data Points Tools (Spectrum Definition) Menentukan spektrum load cases dengan mendefinisikan arah dan letak dan tipe dari tegangan kode (Spectrum Load Cases) Medefinisikan kombinasi beban dinamik dengan static (Static/Dynamic Combinations) Merubah distribusi masa dari model static (Lumped Masses) Menambah kekakuan model statik (Snubber) Mengontrol parameter analisa dinamik: a.l.metode kombinasi dari modus getar (Control Parameter) Analisa dan melihat hasil perhitungan
5.4 Analisa Spektrum Gaya Langkah-langkah untuk analisa spektrum gaya : Mendefinisikan spektrum reponse: rubah beban impuls menjadi spektrum (Spectrum Definition) Mendenisikan letak dan arah dari beban impluls yang bekerja pada sistem pipa (Force Sets) Menentukan spectrum load cases: mendefinisikan arah dan letak dan tipe dari tegangan kode (Spectrum Load Cases) Medefinisikan kombinasi beban dinamik dengan static (Static/Dynamic Combinations) Merubah distribusi masa dari model static (Lumped Masses) Menambah kekakuan model statik (Snubber)
31
Mengontrol parameter analisa dinamik: a.l metode kombinasi dari modus getar (Control Parameter) Analisa dan melihat hasil perhitungan
5.5 Analisa Transient (Time History) Langkah-langkah untuk analisa spektrum gaya : Mendefinisikan profiel gaya sebagai fungsi waktu: a.l. file eksternal atau spectrum generator (Time Histrory Definition) Mendenisikan letak dan arah dari beban impluls yang bekerja pada sistem pipa (Force Sets) Menentukan spectrum load cases dengan mendefinisikan arah dan letak dan tipe dari tegangan kode (Time History Load Cases) Medefinisikan kombinasi beban dinamik dengan static (Static/Dynamic Combinations) Merubah distribusi masa dari model static (Lumped Masses) Menambah kekakuan model static (Snubber) Mengontrol parameter analisa dinamik, antara lain metode kombinasi dari modus getar (Control Parameter) Analisa dan melihat hasil perhitungan
32
