Analisis Statik Sambungan Pipa Bertekanan Dengan Pendekatan Metoda Elemen Hingga don Eksperimental

(Bambang Rustianto)

ANALISIS STATIK SAMBUNGAN PIPA BERTEKANANDENGAN PENDEKATAN METODA ELEMEN HINGGA

DAN EKSPERIMENTAL

Bambang Rustianto, AnwarUPT-LUK BPP7; Puspiptek, Serpong, Tangerang

ABSTRAK

ANALISIS STATIKSAMBUNGAN PIPA BERTEKANAN DENGAN PENDEKATAN METODAELEMEN HINGGA. Analisis statik dalam perancangan struktur merupakan hal yang venting. Analisiselemen hingga sebagai bagian dari proses perancangan dengan menggunakan simulasi komputer dapatmenghemat waktu clan biaya. Makalah ini mcmbahas tentang analisis statik dengan menggunakan simulasikomputer yang dilakukan terhadap benda uji sambungan pipa- T. Pipa ini dimodelkan sebagai silinderyang pada kedua ujungnya ditahan. FEMAP digunakan untuk membuat pemodelan elemen hingga, dim anaelemen pelat digunakan untuk membuat model viva silinder. Beban yang diberikan pada model ini adalahtekanan yang diberikan pada semua elemennya. Hasil analisis statik ini berupa distribusi tegangan clandeformasi akibat adanya beban yang terjadi pada permukaan viva. Tegangan pada sambungan pipa yangdiperoleh dari perhitungan analisis clan pengujian menunjukkan perbedaan yang kecil. Hal ini berartibahwa data yang diperoleh dari metode analisis cukup baik

-joint T, strain, stress, metoda elemen hinggaKala kunci

ABSTRACT

STATIC ANALYSIS ON T-JOINT PRESSURE PIPE USING FINITE ELEMENT METHODAPROXIMATION AND EXPERIMENTAL. Static analysis is an important matter in the structural design.Finite element analysis as part of design process using computer simulation can save time and cost. This paperdescribes static analysis using computer simualtion which is performed on T -joint pipe. This pipe is modelledas a circular plate which is fixed at each end side. FEMAP is used for creating the finite element modelling, wherethe plate/shell elements are used to model the circular shell. Pressure loads are applied to the entire elements ofthe pipe. The analysis results are the stress distribution and the deformed structure as a result of the forces andloads applied on the pipe surface. The stress at the joint which is obtained from analytical and experimentalmethods showed a little difference. It means that the data which is obtained from the analytical method, is valid.

T -joint pipe, strain, stress, finite element methodKey words

PENDAHULUAN

Perancangan merupakan salah satu bagian dalamproses pengembangan struktur. Perancangan dengankriteria yang diinginkan membutuhkan tahap yangpanjang. Salah satu tahap yang penting adalah perlunyadi lakukan analisis statik terhadap bagian struktur yang

dipilih.

digunakan, memodelkan beban menjadi beban elemendan memodelkan syarat batas. Dan basil ana.lisis modelyang dibuat dapat diketahui tegangan yang dihasilkansetiap elemen serta daerah kritis yang perlu diperhatikan.

Untuk memastikan bahwa model tersebut telahmemenuhi kriteria perancangan perlu dilakukanpengujian. Pengujian dilakukan pada benda uji denganmemberikan beban simulasi. Beban simulasi yangdiberikan sesuai dengan beban yang akan diterima padasaat digunakan.

Hasil analisis model perlu dibandingkan denganbasil pengujian untuk menilai kesesuaian terhadapkriteria yang telah ditetapkan.

Pacta tulisan ini, analisis statik pacta strukturdilakukan dengan menggunakan perangkat lunak yangmerupakan perangkat analisis elemen hingga.Penggunaan analisis elemen hingga dalam perancangandapat mengurangi biaya pembuatan prototipe karenaperancangan dilakukan melalui simulasi komputer.

Analisis statik dilakukan terhadap model sebuahbenda akibat adanya beban luar yang bekerja. Karenaanalisis tersebut menggunakan elemen hingga makamodel benda tersebut harus dijadikan model elemen

lungga.

PEMODELANPIPA-T

Konsep dasar dalam pemodelan geometri suatukomponen struktur adalah pemilihan seperangkat pa-Dalam metoda ini ditentukan model elemen yang

7

Vol 1 No.3, Juni 2000, hal: 7 -10ISSN: 1411-1098

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

rameter yang mendetinisikan bentuk geometri strukturpada dasarnya mempunyai komponen dasar bempa titik-titik simpul, selanjutnya garis-garis tersebut membentukbidang dan kumpulan bidang-bidang menjadi mango Didalam model elemen hingga selain konsep pemodelangeometri suatu struktur juga diperlukan pembentukan

jaringan (mesh generation) yang menghubungkansebuah garis dengan garis yang lainnya dengan aturantertentu sehingga membentuk mesh. Disamping itu perluadanya informasi sifat material dan sifat elemen, kondisisyarat batas dan pembebanan serta kesiapan modeltersebut untuk dianalisis. Model yang digunakan bempadua buah silinder yang bertemu pada sudut 90°, sehinggamenyerupai hurufT.

Model Elemen Hingga Pipa- T

Analisis statik dengan metoda elemen hinggaterlebih dahulu mengubah model yang sebenarnyamenjadi model elemen hingga, yaitu membagi modelmenjadi elemen-elemen yang jurnlahnya berhingga.Pemodelan pip a- T menjadi model elemen hinggadilakukan dengan menggunakan elemen pelat atau shellyang berjumlah tertentu sesuai dengan kebutuhan.Model disain elemen hingga pipa- T dapat dilihat pactaGambar 2.

Model Beban dan Syarat Batas

Beban pacta pipa- T dimodelkan sebagai tekanandaTi bagian dalam ke seluruh permukaannya, sehinggasetiap elemen shell atau pelat mendapat tekanan sebesar10,89 kgicm2 seperti pada Gambar 3.

Model Pipa-T

Pipa-T merupakan 2 (dua) buah viva yangbertemu daD membentukhurufT. Masing-masing vivadimodelkan sebagai velar atau shell yang melingkar yangmenerinm beban berupa tekanan pada setiap permukaandalamnya. Model pipa- T ini dapat dilihat padaGambar I.

VLC

vy

t-xz

Gombar 3. Beban clan konstren

Gambar 1. Model pipa-T

Pipa- T yang dimodelkan dengan elemen hingga

pada setiap bagian ujungnya ditumpu dengan syaratbatas sebagai berikut :-untuk bagian ujung sebelah kanan daD kiri

dikenakan syarat barns simetri X pada setiap nodaldi ujung-ujungnya artinya elemen mengalamideformasi ke arab sumbu Y dan Z

-untuk bagian ujung sebelah alas dikenakan syaratbatas simetri Y pada setiap nodal di u.iung-ujungnyaartinya elemen mengalami deformasi ke arab sumbuX daD Z.

PERCOBAAN DAN BASIL

Pembuatan Model Elemen Hingga [1]

Pembuatan model elemen hingga dilakukandengan menggunakan FE MAP. FE MAP adalahperangkat pemodelan elemen hingga daD postprocessingyang digunakan dalam analisis struktur. Dengan FEMAPsemua tahap dalam analisis dilakukan, yaitu mulai daTi

pembuatan geometri, meshing, pemilihan material,jeniselemen, penentuan syarat batas dan beban.Gambar 2. Model elemen pipa- T

8

Analisis Stank Sambungan Pipa Bertekanan Dengan Pendekatl(Bambang Rustianto)

Material elemen pelat atau she II yaitu :-Tegangan tarik = 37 kg/nun2-Modulus Young =21000kg/nun2-Poison ratio = 0,3

U rutan pembuatan model elemen hingga denganFEMAP pada pipa- T adalah sebagai berikut :

-Pembuatan model geometri-Menentukanjenis material dan sifat material-Membagi model menjadi beberapa elemen dan node

(meshing)-Memodelkan syarat barns-Memodelkan beban-Menyimpan data model

Bila model telah selesai dibuat, datanya diekspor kedalam suatu file yang selanjutnya dieksekusimenggunakan perangkat lunakMsclNastran. Sebelummodel dieksekusi, data input dapat diperiksa terlebihdahulu dimana data input tersebut dapat diganti secaramanual.Pada Gambar 4 terlihat model yang merupakan basiltranslasi total dan distribusi tegangan Van Mi.\'se.\'.

Lokasistraingauge

51i~:~,..~/II'...:~;:"I "' 3 I

Gambar 5. Bentuk benda

Gambar 4. Hasil distribusi tegangan pada sambungan pipa

PENGUJIAN

Pl?ralatan yang digunakan pada pengujian ini antaralain:

-Data logger untuk merekam besarnya beban dan

tegangan-X-Yrecorder-Pompa hidraulik-Strain gauge sebagai sensor regangan-Pressure transducer sebagai sensor tekanan

-AmplifierSetelah benda uji dan peralatan pengujian telah disiapkanmaka pengujian dapat dilaksanakan dengan urutansebagai berikut :

-Benda uji yang telah ditempel strain gauge (padalokasi tertentu) diletakkan di atas lantai uji.

-Pompa dihidupkan. Pemberian tekanan pada pipasecara bertahap hingga tekanan kerjanya tercapai.

-Besarnya tekanan kerja diukur dengan pre.s-.s-uretransducer.

-Pencatatan besarnya regangan yang terjadi padapip a dengan data logge~

Skema pengujian ditunjukkan pada Gambar 6.

Analisis statis struktur pipa dapat dilakukandengan pendekatan eksperimental. Analisis secaraeksperimental merupakan salah satu cara yangdigunakan untuk melakukan validasi terhadap metodayang digunakan dalam perancangan produk pipa. Dalarnmelakukan validasi tersebut biasanya dilakukanpengujian di laboratorium. Di samping untuk tujuantersebut, pengujian bertujuan untuk mendapatkanproduk yang berkualitas baik daTi segi ekonomi mau pundaTi segi kekuatannya.

Pacta pengujian tersebut, beban simulasi diberikanpacta struktur pipa secara bertahap hingga pacta bebanmaksimum tertentu yang diinginkan atau hingga bendauji rusak. Selama pengujian ini besarnya beban yang

diberikan selalu dipantau. Gombar 6. Skema pengujian tekanan pipa. T

BASIL PENGUJIANPELAKSANAANPENGUJIANPacta saat pengujian, pipa diberi tekanan kerja

sebesar 10,89 kg/cm2 sesuai dengan disainnya dalamSebelum dilakukan pengujian perlu disiapkan

benda uji dan peralatan yang digunakan untuk

9

!n Metoda Elemen Hingga don Eksperimental

pengujian.Benda uji yang digunakan dalam pengujian ini

adalah pipa- T dengan ketebalan 6 mm yang terbuat daTimaterial ST 37 dengan sifat mekanis seperti diuraikanpacta bagian model beban dan syarat barns 3.1. Bentukbenda uji seperti pacta Gambar 5 berikut.

,---'

Jumal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

selang waktu tertentu. Pacta daerah sekitar sambunganlas dilakukan pengukuran regangan denganmenggunakan sensor pengukur regangan (straingauge). Mengingat beban yang bekerja di dalam pipatersebut masih di daerah elastis, maka besarnya nilairegangan tersebut dapat secara proporsionaldikonversikan ke dalam nilai tegangan. Perubahan nilairegangan ke dalam besaran tegangan dapat dilakukandengan menggunakan rumus hukum Hookeberikut ini [2]:

E=s/eDimana:

s = tegangan yang terjadiE = regangan yang terjadi pacta titik ukure = modulus elastisitas bahan

Dari perhitungan tegangan tersebut diperoleh basilsebagai berikut.

Tabell. Tegangan pacta pipa hasil pengujian[3]

Besamya regangan(ntn)

9255756-'0 -311

Noftr lokasistrain gauge

I (Y)3 (Y)slZ)7 (Y)

Besarnya tegangan(kg/mnT)

19,446i 12,075

"'" 13,65

.: 6.531

KESIMPULAN

-..Dari ~embahasan perhitungan tegangan yangterJadl pacta plpa sambungan pipa- T yang diuraikan pacta

Lokasi strain gauge yang ditampilkan dalam tabel bagian di atas disimpulkan bahwa :di atas, adalah lokasi strain gauge yang mempunyai Besarnya tegangan yang terjadi pacta model akibat

nilai regangan terbesar. Dari tabel ini ditunjukkan bahwa a~anya tekan~ pada.permukaan bagian dalamnya yangtegangan yang terbesar terjadi pacta lokasi strain gauge dlperoleh .dan ~er~ltun~an, ~enunjukkan perbedaannomor 1 arab sumbu Y di daerab sambungan lag sebesar yang relatlf kecIl bIla dlbandmgkan dengan besarnya19,446 kg/mm2. Nomor lokasi strain gauge pacta benda t~gangan ya~g te~jadi pa.~a benda uji pipa- T yanguji seperti tabel di atas jika dilihat pacta model pipa- T dlperoleh dan. h~sIl penguJlan, dengan tolerasi sebesarmenjadi elemen-lemen berikut : nomor strain gauge I(Y) ~ 3,3%. Hall~1 ber~rti babwa nilai-nilai tegangan yangmenjadi elemen 36(Y), nomor strain gauge 3(Y) menjadi dlperoleh dan ~erhltungan s~cara analitik denganelemen 150(Y), nomor strain gauge 5(Z) menjadi metoda elemen hmgga cukup balk.

elemen 282, nomor strain gauge 7(Y) menjadielemen 18(Y). Nilai-nilai tegangan yang terjadi pacta DAFTAR ACUAN

elemen model pipa- T yang diperoleh dari basil analisisdengan metoda elemen hingga adalah sebagai berikut : [I]. FEMAP Version 4.51, "Introduction to FEA

Using FEM", Enterprise Software Product, Inc.,Exton, PA, 1986-1997.TIMOSHENKO, S., "Strength of Materials Part IElementary", 3'dEdition, Robert E. Krieger Pub-lishing Company, Huntington New York, 1976.ANW AR, "Pengujian Tekanan Dalam (InternalPressure) Pada Tangki", UPT-LUKBPPT, Oktober1998.

Tabel 2. Tegangan pada model pipa- T haJji analisisdengan metoda elemen hingga

Nomer elemen 1--

[2].

Besarnya teganganI (kg/mm1

20,108413,0199

.13,17,03748-- -

[3].

r__===~~~=---

282'18 (Y)

Dari Tabel 2 ditunjukkan bahwa tegangan maksimumterjadi pada elemen no. 36 (arah sumbu Y), yaitu sebesar

20,1 kg/mm2.Dari kedua label di alas terlihat bahwa tegangan

untuk setiap lokasi yang diamati memiliki nilai yangrelatif sarna. Hal ini menunjukkan bahwa basil pengujianpipa- T sesuai dengan basil disain pipa- T. Dari analisis

10

Vol. 1 No.3, Juni 2000, hal.. 7 -10ISSN: 1411-1098

metoda elemen hingga dengan beban kerja sebesar10,89 kg/cm2, tegangan maksimum yang terjadikhususnya pacta sambungan las sebesar 20, I kg/mm2.Sedangkan dari analisis basil pengujian dengan bebankerja yang sarna, tegangan maksimum yang terjadi pactalokasi yang sarna sebesar 19,5 kg/mm2. Besarnyategangan yang terjadi pacta daerah yang diamati baikyang diperoleh dari basil perhitungan anal is is daD basileksperimental/pengujian terdapat perbedaan yang relatifkecil. Hal ini berarti bahwa nilai tegangan-tegangan yangdiperoleh dari perhitungan secara analitik denganmetoda elemen hingga cukup representatif. Kemudian,jika dibandingkan dengan spesifikasi bahan pipa- T yaituST -37 yang memiliki kuat tarik 37 kg/mm2, maka nilaitegangan maksimum yang terjadi pacta sambungan laspipa- T basil analisis metoda elemen hingga dan basilpengujian, yaitu sebesar 19 -20 kg/mm2, masih relatifkecil. Hal ini berarti bahwa tegangan maksimum yangterjadi masih di bawah kekuatan bahan pipa- T, dengankata lain pipa- T mampu menahan beban kerja sebesar

10,89 kg/cm2