i

ANALISIS KONSTRUKSI SISTEM PERPIPAAN HIDRAN GEDUNG PUSAT ADMINISTRASI KAMPUS III

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA MENGGUNAKAN CAE

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh : Yohanes Acep Nanang Kardana

NIM : 055214024

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA 2009

ii

THE ANALYSIS OF HYDRANT CONSTRUCTION IN THE ADMINISTRATION CENTRE BUILDING OF THE 3rd CAMPUS OF

SANATA DHARMA UNIVERSITY USING CAE

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain the Sarjana Teknik Degree

In Mechanical Engineering

by :

Yohanes Acep Nanang Kardana Student Number : 055214024

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

TECHNOLOGY AND SCIENCE FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY0

YOGYAKARTA 2009

SKRIPSI

ANALI$S KONSTRUIGI SISTEM PERPIPAAIY HIDRAN

GEDUNG PUSAT ADMINISTRASI KAMPUS IU

TNTYERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

Tanggal,l I Descmber 20@

Tel*h disetujui oleh:

Pembimbing

MENGGIJNAKA}I CAE

y ffi^"t?' bpd:f.

\ {" 1&.6.-*\\ ^fr\ ol* il -n-",

Budi Sugiharto, S.T.,M.T.

 

PER}TYATAAIY KEASLIAN KARYA

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karyayang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu PergunranTinggr, dan sepanjang pengetahuan sayajuga tidak terdapat karya atau pendapatyang pernah ditulis atau diterbitkan orang lain, kecuali yang secara tertulis diacudalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 24 November 2009,n

4t L--{71// /_I

----J

Yohanes Acep Nanang K.

vi  

INTISARI

Hidran merupakan sarana pemadam kebakaran gedung yang harus selalu siap digunakan sehingga diperlukan jaminan keamanan untuk konstruksinya. Analisis kekuatan konstruksi hidran dilakukan dengan metode element hingga pada sebuah model tiga dimensi dengan bantuan komputer sehingga dapat diketahui penyebaran besarnya tegangan dan angka keamanan pada setiap titik dari model.

Pada analisis ini akan dibuat model tiga dimensi dari sistem perpipaan hidran dengan perbandingan dimensi 1 : 1 dengan menggunakan software SOLIDWork. Pada model tersebut kemudian dilakukan analisis aliran fluida menggunakan COSMOSFloWork untuk mengetahui besarnya tekanan fluida pada dinding bagian dalam pipa. Tekanan pada dinding dalam pipa merupakan beban kerja konstruksi sistem perpipaan yang mengakibatkan terjadinya tegangan pada konstruksi, untuk mengetahui besarnya tegangan yang tersebar pada elemen konstruksi perpipaan dilakukan analisis kekuatan konstruksi dengan metode elemen hingga (Finite Element Methode) menggunakan COSMOSWork.

Analisis konstruksi sistem perpipaan hidran dilakukan saat hidran beroperasi, yang menghasilkan tekanan fluida terbesar 719 kPa dan tegangan terbesarnya adalah 24 Mpa. Tekanan fluida dan tekanan terbesar terjadi pada konstruksi hidran di lantai basement ketika air mengalir keluar dari hidran di lantai empat. Pada posisi yang sama, angka keamanan yang terjadi adalah terkecil sebesar 14.

Kata kunci : Hidran, SOLIDWork, COSMOSFloWork, COSMOSWork, Finite Element Methode

 

PUBLIKASI KARYA ILMIAH T]NTUK KEPENTINGAI{ AKADEMIS

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :

Nama : Yohanes Acep Nanang Kardana

NomorMahasiswa :055214024

Demi Perkembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan

Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

*ANALISIS KONSTRUKSI SISTEM PERPIPAAN HIDRANGEDI]NG PUSAT AI}hIIMSTRASI KAMPUS ilI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTAMENGGUNAKAII CAE''

Beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan

kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan,

mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan

data mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di Internet atau

media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya

maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya

sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta.

Pada Tanggal:24 November 2009

Yang menyatakan.,4, / l

, / l / , / ,"#l t /*a' , 'L ' I

-__ -/(Yohanes Acep Nanang K.)

vll

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas cinta kasihdan segala anugrah yang telah diberikanNya sehingga tugas akhir ini dapatterselesaikan dengan baik.

Penyusunan tugas akhir ini tidak lepas dari peran banyak pihak yangmembantu baik secara fisik maupun moril. Oleh karena itu dengan segalakerendahan hati, penulis ingin menyampaikan ucapan terimakasih kepada :

1. Bunda Maria atas kasih dan penyertaan yang tak kunjung henti padapenulis.

2. Bapak Budi Sugiharto, S.T.,M.T., selaku Ketua Program Studi TeknikMesin dan pembimbing yang telah bersedia meluangkan waktu untukmembimbing penulis.

3. Bapak Yosef Agung Calryant4 S.T.'M.T., selaku Dekan FST-USD.4. Bapak Ir. Rines, M.T., dan D. Dodi Purwadianto, S.T.,M.T., selaku

dosen penguji yang telah memberikan kritik dan saran yang sangatmembangun.

5. Kedua orang fua penulis yang telah membesarkan dan selalumemberikan semangat dan dukungan moral dan materi.

6. Seluruh dosen pengajar, staf laboratorim dan staf administrasi proditeknik mesin atas bimbingan dan bantuan selama penulis menimbailmu di Universitas Sanata Dharma.

7. Serta semua pihak yang tidak mungkin penulis sebutkan satu persatu,yang telah membantu dalam penyusunan tugas akhir ini secaralangsung maupul tidak langsung.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan yang perlu diperbaikidalam penulisan tugas akhir ini, untuk itu penulis mengharapkan masukan dankritik, serta saran dari berbagai pihak untuk menyempurnakannya. Semoga tugasakhir ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca. Tuhan Yesusmemberkati.

Yogyakart4 24 November 2009

4t n_.ftr6t'(

1X

Yohanes AcepNanang K

x 

 

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ....................................................................................... i

TITLE PAGE .................................................................................................. ii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ............................................. iii

HALAMAN PENGESAHAN ......................................................................... iv

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ......................................................... v

INTISARI ........................................................................................................ vi

HALAMAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ............................................... vii

HALAMAN PERSEMBAHAN ..................................................................... viii

KATA PENGANTAR .................................................................................... ix

DAFTAR ISI ................................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xiii

BAB I. PENDAHULUAN .............................................................................. 1

1.l Latar Belakang Masalah................................................................... 1

1.2 Perumusan Masalah ........................................................................ 2

1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian ....................................................... 3

BAB II. DASAR TEORI ................................................................................ 4

2.1 Sistem Hidran ................................................................................. 4

2.1.1 Sistem Perpipaan ................................................................... 4

2.1.2 Pompa dan Hydrophore ......................................................... 11

2.1.3 Sistem Penjernih Air .............................................................. 14

2.1.4 Bak Penampungan ................................................................. 14

2.2 Dinamika Fluida ............................................................................ 15

xi 

 

2.3 Sifat Material .................................................................................. 18

2.3.1 Modulus Elastisitas Bahan ..................................................... 18

2.3.2 Angka Poisson Ratio ............................................................. 18

2.3.3 Modulus Geser ....................................................................... 19

2.3.4 Massa Jenis ............................................................................ 19

2.3.5 Tensile Strenght ..................................................................... 20

2.3.6 Yield Strenght ........................................................................ 20

2.4 Computer Aided Engineering (CAE) ............................................. 21

2.4.1 Finite Element Analysis (FEA) ............................................. 21

2.4.2 Computational Fluid Dynamic (CFD) ................................... 24

BAB III. LANGKAH ANALISIS .................................................................. 25

3.1 Spesifikasi Pipa Hidran dan Perangkat Analisis ............................ 25

3.1.1 Pipa Hidran ............................................................................ 25

3.1.2 Perangkat Analisis ................................................................ 25

3.2 Metode dan Tata Kerja .................................................................... 26

3.2.1 Pengambilan data lapangan ................................................... 26

3.2.2 Membuat model tiga dimensi ................................................ 27

3.2.3 Menjalankan analisis aliran fluida ......................................... 29

3.2.4 Analisis konstruksi dengan FEA ........................................... 32

3.2.5 Melakukan analisis dengan beberapa asumsi ....................... 35

BAB IV. ANALISIS DATA ........................................................................... 37

4.1 Data Hasil Analisis ......................................................................... 37

4.2 Kesesuaian Data Hasil Analisis Dengan Teori ............................... 42

4.2.1 Tekanan ................................................................................. 42

4.2.2 Tegangan ............................................................................... 42

xii 

 

4.2.3 Faktor Keamanan (FOS) ........................................................ 43

4.2.4 Tekanan Pecah Dinding Pipa ................................................. 44

BAB V. KESIMPULAN ................................................................................ 45

5.1 Kesimpulan ..................................................................................... 45

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 46

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN

xiii 

 

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Reducing Tee .............................................................................. 7

Gambar 2.2 Elbow (belokan) .......................................................................... 8

Gambar 2.3 Cross ........................................................................................... 8

Gambar 2.4 Concentric Reducer dan Ecentric Reducer ................................. 9

Gambar 2.5 Udara tertekan karena bertambahnya volume air ........................ 13

Gambar 2.6 Kurva Tegangan dan Regangan .................................................. 20

Gambar 2.7 Node pada element tetrahedral ................................................... 22

Gambar 2.8 Model dan model setelah meshing .............................................. 22

Gambar 2.9 Arah normal, shear dan principal stress .................................... 23

Gambar 3.1 bagian yang tertanam di tembok gedung (kuning) ...................... 28

Gambar 3.2 Tekanan pada lid bawah (dilambangkan panah warna biru) ....... 30

Gambar 3.3 Tekanan pada lid atas .................................................................. 31

Gambar 3.4 Kumpulan fluid cell hasil meshing .............................................. 32

Gambar 3.5 Pipa di lantai basement ................................................................ 34

Gambar 4.1 Grafik perbandingan tegangan .................................................... 37

xiv 

 

Gambar 4.2 Grafik perbandingan FOS ........................................................... 39

Gambar 4.3a Posisi tegangan terbesar ............................................................ 40

Gambar 4.3b Posisi FOS terkecil .................................................................... 40

Gambar 4.4 Gambaran peningkatan tekanan dari lantai empat hingga

basement .................................................................................... 41

 

1 

BAB I

PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang Masalah

Sistem perpipaan digunakan secara luas oleh masyarakat, hampir di setiap

konstruksi mesin dan bangunan yang digunakan oleh masyarakat memiliki sistem

perpipaan, atau dengan kata lain sistem perpipaan sangat dekat dengan

masyarakat. Hal ini menyebabkan perlunya analisis kekuatan konstruksi yang

teliti terhadap sistem perpipaan yang telah dibangun sehingga benar-benar aman

ketika digunakan. Analisis tersebut perlu dilakukan di sistem hidran karena hidran

merupakan sarana yang harus selalu siap digunakan setiap waktu dan tidak

berfungsinya hidran pada saat dibutuhkan bisa menjadi sebuah bencana.

Analisis yang seringkali dilakukan adalah dengan metode pengujian

langsung di laboratorium untuk mendapatkan data-data yang diperlukan,

kemudian dari data-data yang didapat tersebut dilakukan perhitungan secara

manual dengan mengasumsikan bahwa besarnya tekanan internal yang bekerja

pada semua bagian sistem adalah sama untuk mendapatkan angka keamanannya.

Namun metode ini memerlukan biaya besar dan hanya dapat dilakukan sebelum

sistem perpipaan tersebut dibangun karena tidak mungkin untuk merusak sistem

perpipaan yang sudah jadi. Selain itu metode ini tidak benar-benar teliti karena

pada kenyataannya beban yang diterima pipa tidaklah seragam, misalnya pada

belokan atau lengkungan pipa yang menerima beban lebih oleh karena tumbukan

air. Selain itu metode ini juga sulit dilakukan pada komponen perpipaan yang

2  

  

memiliki dimensi sangat besar karena sulit untuk diuji. Metode lain yang bisa

digunakan adalah dengan menggunakan komputer, yaitu dengan membuat model

kemudian menganalisisnya dengan perangkat lunak CAE (Computer Aided

Engineering)

CAE (Computer Aided Engineering) adalah suatu perangkat lunak

komputer yang digunakan untuk membantu menganalisis rancangan teknik

dengan cara memperhitungkan model dari rancangan tersebut. CAE yang

digunakan untuk analisis hidran ini adalah ”Cosmos Work”, dengan menggunakan

Cosmos Work analisis bisa dilakukan tanpa melakukan pengujian di laboratorium,

tetapi dapat dilakukan dengan membuat model rancangan 3 dimensi kemudian

menjalankan program analisisnya.

I.2. Perumusan Masalah

Pada penelitian ini akan dibuat model 3 dimensi dari kostruksi hidran di

Gedung Administrasi Pusat Kampus III Sanata Dharma dengan skala 1 : 1 dari

pipa hidran paling atas (di lantai 4) hingga pipa paling bawah dengan batas

sambungan lasnya. Untuk mendapatkan titik-titik kritis dan juga FOS (Factor Of

Safety) dari konstruksi, pada model tersebut akan dilakukan analisis aliran fluida

dengan tekanan maksimum dari hydrophore sebagai tekanan sisi masuk untuk

boundary conditionnya dan tekanan 1 ATM sebagai tekanan sisi keluarnya untuk

mendapatkan gambaran penyebaran tekanan dan variasi kecepatan yang terjadi.

Analisis kekuatan struktur konstruksi dijalankan dengan bebannya adalah data

penyebaran tekanan dari analisis aliran, berat konstruksi dan fluida kerja karena

3  

  

gravitasi pada suhu kamar. Sifat-sifat material yang dimasukkan untuk analisis

disesuaikan dengan material yang digunakan pada konstruksi asli.

I.3 Tujuan Dan Manfaat Penelitian

Tujuan penelitian, yaitu

1. Mengetahui penyebaran tekanan pada permukaan pipa dalam sistem

hidran.

2. Mengetahui penyebaran tegangan von mises yang terjadi pada

konstruksi kerena beban-beban yang diterima.

3. Mengetahui FOS (Factor Of Safety) dari konstruksi yang dianalisis.

Manfaat penelitian, yaitu

1. Mendapatkan jaminan keamanan kostruksi hidran yang dianalisis.

2. Mengetahui bagian-bagian konstruksi hidran yang mengalami beban

besar sehingga dapat diutamakan perawatannya.

4

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Sistem Hidran

Hidran merupakan sarana pemadam kebakaran yang menggunakan media

air untuk mematikan api. Air dari bak penampungan di alirkan melalui pipa-pipa

penyalur menggunakan pompa. Sistem hidran yang bekerja di Kampus 3

Universitas Sanata Dharma tediri atas :

1. Sistem perpipaan.

2. Pompa dan Hydrophore.

3. Sistem penjernih air.

4. Bak penampungan (reservoir).

2.3.1 Sistem Perpipaan

Sistem perpipaan pada hidran merupakan jalur utama distribusi air

dari lokasi sumber air (sumur) menuju reservoir dan juga dari reservoir

menuju titik penempatan kotak pemadam kebakaran di tiap lantai gedung.

Tanpa pipa maka tidak dapat disebut sebagai sistem hidran, tetapi hanya

alat penyemprot air.

5

Sistem perpipaan terdiri dari berbagai komponen yang menjadi

pendukung, sehingga dapat bekerja sesuai dengan fungsinya. Komponen-

komponen dari sistem perpipaan adalah pipa, sambungan, flanges, serta

komponen lain yang digunakan untuk mendistribusikan fluida.

a. Pipa

Pada dasarnya pipa merupakan tabung dengan bentuk silinder yang

panjang, di dalam tabung inilah fluida mengalir. Pada setiap perancangan

sistem perpipaan digunakan pipa dengan spesifikasi tertentu disesuaikan

dengan kondisi perancangannya, kondisi perancangan ini meliputi :

1. Tekanan rancang (design pressure).

2. Temperatur rancang (design temperature).

3. Dampak lingkungan (ambient effects).

4. Beban Dinamik (dynamic effects).

5. Beban berat (weight effects).

6. Beban termal (thermal expansion and contraction effects).

7. Dampak pergerakan tumpuan (effects of support, anchor and

terminal movement).

8. Dampak penurunan ductility (reduced ductility effects).

9. Beban yang berubah secara siklik (cyclic effect).

10. Dampak kondensasi udara (air Condensation effects).

6

Standard spesifikasi untuk setiap komponen sistem perpipaan

dikeluarkan oleh ASTM (American Society of Testing Materials) dan

ASME (The American Society of Mechanical Engineers).

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, berdasarkan kondisi tekanan kerja

yang digunakan dalam perancangan pipa dikenal pipa standard (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).

b. Sambungan

Sambungan pipa merupakan bagian dari sistem perpipaan, yang

berfungsi menyambung sebuah pipa dengan pipa yang lain untuk

7

keperluan tertentu. Sambungan perpipaan dapat dikelompokkan menjadi

tiga, yaitu :

1. Sambungan dengan menggunakan pengelasan.

2. Sambungan dengan menggunakan ulir.

3. Sambungan menggunakan flens (flange).

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,

dan reducer.

1. Tee (Sambungan Tee)

Sambungan Tee merupakan sambungan yang

menghubungkan pipa dengan pipa, sehingga menghasilkan

percabangan pipa. Gambar 2.1 memperlihatkan salah satu contoh

sambungan Tee.

Gambar 2.1 Reducing Tee

8

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 juga elbow dengan sudut 450 untuk keperluan

tertentu. Gambar 2.2 memperlihatkan contoh belokan pipa.

Gambar 2.2. Elbow 450 dan 900

3. Cross

Cross adalah sambungan antar satu pipa dengan pipa yang

lain sehingga menghasilkan empat percabangan pipa. Contoh dari

cross diperlihatkan pada Gambar 2.4

Gambar 2.3. Cross

9

4. Reducer

Reducer adalah bagian dari sistem perpipaan yang

menghubungkan sebuah pipa dengan pipa yang berdiameter lebih

kecil. Hal ini bertujuan mengubah kecepatan aliran fluida yang

mengalir dalam pipa menjadi lebih tinggi dengan memanfaatkan

penyempitan luas pipa. Gambar 2.5 mempelihatkan contoh

Reducer.

Gambar 2.4. Consentric Reducer (kiri) dan Ecentric Reducer

(kanan)

c. Perhitungan Pada Pipa

1. Tebal dinding pipa

Pipa yang digunakan dalam konstruksi hidran di Kampus 3

Universitas Sanata Dharma memiliki bahan AISI 1020. Pada

sambungan percabangan pipa menggunakan tipe reducer tee dan

pada ujung pipa yang terhubung pada lemari selang menggunakan

Consentric Reducer. Untuk menentukan ketebalan dinding pipa

digunakan Persamaan 2.1 ( Sam Kannappan, P.E, Hal 22 ).

10

)(2 PYSEDPt+×

= ......................................... (2.1)

Keterangan :

t = tebal pipa (inchi)

P = tekanan di dalam pipa ( psi )

D = diameter luar pipa ( inchi )

S = tegangan tarik yang diijinkan ( psi )

E = faktor kualitas

Y = koefisien yang tergabung dalam suhu dan bahan

2. Tekanan Pecah Pipa (Burst Pressure)

Pipa yang digunakan adalah jenis tube (pipa tabung)

percabangan dilakukan dengan cara pemasangan tee 900 kemudian

di las dengan pipa saluran atau dengan penambahan flanges pada

setiap ujung tee, adapun hal yang perlu diperhitungkan dalam

memilih ukuran tube adalah 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 )(PdD

dDS+−×

= ........................................(2.2)

Keterangan :

11

P = Tekanan pecah (psi)

S = Minimum Ultimate Tensile Strength dari material (psi)

D = Diameter luar ( in )

d = Diameter dalam dari tube ( in )

2.3.2 Pompa dan Hydrophore

a. Pompa

Pompa hidrolis adalah sebuah mesin yang berfungsi mengubah

energi mekanis menjadi energi tekanan fluida (modul praktikum pompa

seri/parallel, Ir. YB. Lukiyanto). Pada sistem hidran pompa berfungsi

untuk mengalirkan air dari sumber air (sumur) ke bak penampungan

(reservoir) dan dari bak penampungan kedalam instalasi pipa hirant.

Pada sistem hidran di Kampus 3 Universitas Sanata Dharma

digunakan dua buah pompa centrifugal untuk mengalirkan air dari bak

penampungan ke instalasi pipa hidrant yaitu :

1. Pompa hidran utama

Merupakan pompa centrifugal yang memiliki daya 30 kW

dan beroperasi secara otomatis jika sistem hidran memerlukan debit

air yang besar. Pada saat beroperasi, pompa secara otomatis mati

bila tekanan pada hydrophore mencapai 7,2 kg/cm2 dan akan

12

menyala kembali ketika tekanan di dalam hydrophore turun hingga

4,5 kg/cm2 karena air mengalir ke keluar dari sistem hidran.

2. Pompa Jockey

Merupakan pompa centrifugal yang memiliki daya 5 kW

dan beroperasi untuk memenuhi kebutuhan air dengan debit kecil

seperti penyiraman taman (sistem hidran terintegrasi juga dengan

saluran pipa kecil untuk kebutuhan taman). Pada saat beroperasi,

pompa secara otomatis mati bila tekanan pada hydrophore

mencapai 6,8 kg/cm2 dan akan menyala kembali ketika tekanan di

dalam hydrophore turun hingga 4,5 kg/cm2 karena air mengalir ke

keluar dari sistem hidran.

Pompa jockey dan pompa hidran utama bekerja bergantian

diatur oleh panel kontrol otomatis. Jika debit air yang keluar kecil

maka yang bekerja hanya pompa jockey, dan pada limit tertentu

ketika ketika debit air yang keluar dibutuhkan besar maka pompa

hidran utama akan menyala dan pompa jockey akan mati.

Pompa hidran harus dapat bekerja setiap saat ketika

dibutuhkan karena merupakan sarana penanggulangan bencana

yang tak terduga. Penggerak pompa yang digunakan untuk hidran

adalah motor listrik, maka disediakan genset untuk menyuplai daya

listrik ke motor pompa bilamana listrik dari jaringan mati sehingga

sistem hidran dapat selalu bekerja.

13

b. Hydrophore

Hydrophore merupakan suatu bejana/tabung yang berfungsi untuk

mempertahankan atau menstabilkan kebutuhan tekanan fluida pada suatu

jaringan perpipaan.

Hydrophore bekerja berdasarkan Hukum Boyle yang menyatakan

bahwa jika temperatur (T) sejumlah gas yang diberikan dipertahankan

konstan, maka volume (V) gas akan berubah berbanding terbalik dengan

tekanan (P) absolut gas. Hukum Boyle dijelaskan dalam Persamaan 2.3

dan diilustrasikan dalam hydrophore pada Gambar 2.6.

1

2

2

1

PP

VV

= ..............................................(2.3)

Gambar 2.5 Udara tertekan karena bertambahnya volume air.

Pada rumah pompa di Kampus III Universitas Sanata Dharma,

hidrophore yang digunakan untuk hidaran berkapasitas 500 liter dengan

memiliki tekanan ijin 15 kg/cm2, namun tekanan kerja maksimum hirant

hanya 7,2 kg/cm2.

P1V1 Udara

T1

Udara termampatkan dengan temperatur konstan

P1 < P2T1 = T2V1 > V2AIR

P1

V2 Udara T1

AIR

14

2.3.3 Sistem Penjernih Air

Penjernihan air yang digunakan untuk hidran dilakukan sebelum

air masuk ke bak penampungan. Penjernihan dilakukan 3 tahap yaitu

pengendapan kotoran di bak pengendapan, penyaringan air dengan

saringan pasir dan yang ketiga adalah penyaringan air dengan saringan

karbon. Air yang telah bersih ditampung di reservoir yang terdapat di

bawah rumah pompa.

2.3.4 Bak Penampungan (Reservoir)

Reservoir merupakan tempat penampungan air yang akan

digunakan untuk menampung air guna keperluan hidran dan juga air

bersih. Reservoir ini berupa bak yang berdimensi 3,6 x 1 x 1 meter dan

berada di dalam tanah di bawah rumah pompa sehingga memudahkan

pengaliran air ke pompa-pompa. Bak ini didalamnya terbagi menjadi dua

ruang yang dipisahkan oleh gerbang air dimana salah satu ruang digunakan

untuk keperluan penampungan air bersih dan ruang lainnya untuk

penampungan air hidran. Gerbang air memungkinkan pemindahan air

bersih ke ruang hidran, namun tidak untuk sebaliknya.

Pemindahan air bersih ke bak hidran dimungkinkan untuk

mengantisipasi kondisi darurat bila air hidran habis ketika masih

diperlukan sehingga proses pemadaman tidak terganggu. Tetapi air hidran

tidak dapat digunakan untuk keperluan air bersih karena pada saat

15

penyaringannya air untuk hidran tidak diutamakan kebersihannya.

2.2 Dinamika Fluida

Dalam sistem perpipaan, gesekan yang diakibatkan oleh fluida dan pipa

atau house menyebabkan penurunan tekanan (preassure drop), ini harus

diperhitungkan pada saat perancangan perpipaan. Hal ini dikarenakan apabila

penurunan tekanan terjadi sangat besar maka kecepatan pada ujung nozle

penyemburan akan menjadi kecil sehingga jarak pemadaman kebakaran akan

menjadi kecil. Untuk mencari penurunan tekanan pada pipa lurus terlebih dahulu

harus diketahi kecepatan fluida (v), angka reynold (Re), faktor gesekan (ƒ) dan

penurunan head karena gesekan ( fh ) yang dijabarkan pada Persamaan 2.4 – 2.10

1. Perhitungan kecepatan fluida

........................................... (2.4)

v = kecepatan aliran (ft/sec)

Q = Debit (L/sec)

di = Diameter dalam pipa

2. Perhitungan Reynold Number (Re)

........................................... (2.5)

Re = Bilangan Reynold

di = diameter dalam pipa (mm)

16

v = kecepatan aliran rata-rata (m/sec)

ρ = kerapatan fluida (kg/m2)

µ = viskositas dinamik (Pa detik)

Berdasarkan percobaan klasifikasi aliran fluida dalam pipa,

ditetapkan bahwa bilangan Reynold (Re) untuk :

- Lebih kecil dari 2000, aliran fluida disebut laminer.

- Antara 2000 s/d 4000, aliran fluida disebut transisi.

- Lebih besar dari 4000, aliran fluida disebut turbulen.

Sedangkan klasifikasi untuk aliran fluida di saluran terbuka

berdasarkan bilangan Reynold (Re) adalah :

- Re < 500, disebut aliran laminer.

- 500 < Re < 12500, disebut aliran transisi.

- Re > 12500, disebut aliran turbulen.

3. Perhitungan faktor gesekan

Rumus berikut berlaku untuk aliran laminer

Re64)( =fkanFaktorGese ………………….............…….. (2.6)

Untuk aliran turbulen

ƒ = 0.3164 . Re-0.25 ………………………………......…… (2.7)

17

4. Perhitungan kehilangan head gesekan (rumus Darcy)

gV

dLfh

if .2

..2

= ……………………..….… (2.8)

fh = Penurunan head karena gesekan (m)

L = Panjang pipa (m)

di = Diameter dalam pipa

g = Percepatan gravitasi

5. Persamaan Kontinuitas

ρ1 . g1 . V1 = ρ2 . g2 . V2 ……………………….………… (2.9)

6. Persamaan Bernaulli pada fluida nyata

∑∑ ++++=++ fe hhZg

Vg

PZg

Vg

P2

222

1

211

.2..2. ρρ………… (2.10)

Z = energi potensial (ketinggian) (m)

gP.ρ

= energi tekanan (m)

gV

.2

2

= energi kinetik (m)

eh = kehilangan head karena belokan atau pengecilan pipa

18

2.3 Sifat Material

2.3.1 Modulus Elastis Bahan

Pada kurva tegangan regangan hasil pengujian bahan, deformasi

(regangan) di daerah elastik menunjukan sifat proporsional atau sebanding

lurus dengan tegangan. Hubungan lurus ini disebut modulus elastik, dan

dalam hal deformasi tarik disebut modulus elastik memanjang atau

modulus young yang dinyatakan dengan E pada Persamaan 2.11.

ετ

=E ............................................ ( 2.11 )

Keterangan :

E = Modulus Elastisitas ( N/m2)

τ = Tegangan ( Mpa )

=ε regangan

2.3.2 Angka Poisson Ratio

Pada pengujian tarik, selain terjadi deformasi memanjang (searah

gaya yang bekerja) terjadi juga deformasi melintang (tegak lurus arah

gaya). Perbandingan regangan ini disebut perbandingan poisson atau

poisson ratio yang dinyatakan dengan υ pada Persamaan 2.12.

l

rvεε

= ............................................ (2.12)

19

2.3.3 Modulus Geser (Shear modulus)

Modulus geser adalah modulus karena tegangan geser, digunakan

Persamaan 2.13 untuk menentukannya.

....................................... (2.13)

Keterangan :

µ = Modulus geser ( N/m2 )

E = Modulus elastisitas ( N/m2 )

υ = Poisson ratio

2.3.4 Massa Jenis (Mass Density)

Massa jenis merupakan massa material tiap satuan volumenya,

untuk menghitung massa jenis dicari dengan menggunakan Persamaam

2.14.

Vm

=ρ .................................................(2.14)

Keterangan :

ρ = Massa jenis ( kg/m3 )

m = Massa ( kg )

V = Volume ( m3 )

20

2.3.5 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.

2.3.6 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.

Gambar 2.6 Kurva Tegangan dan Regangan

Untuk analisis dengan menggunakan Cosmos Works sebagian

bahan material sudah tersedia pada library program tersebut, selain itu

21

dapat menggunakan data-data pengujian yang telah ada dengan mengacu

pada Machine Design Data Book Bab 1 Properti of Engineering Material.

2.4 Computer Aided Engineering (CAE)

Computer Aided Engineering merupakan alat bantu kerja bagi para

engineer dalam hal analisis, simulasi, desain, manufaktur, perencanaan, diagnosis

dan perbaikan yang terintegrasi dengan komputer (WWW.Wikipedia.Com).

Dalam analisis konstruksi hidran digunakan dua jenis analisis CAE yaitu analisis

tegangan dengan menggunakan Finite Element Methode (FEM) dan analisis aliran

fluida dengan Computational Fluid Dynamic (CFD).

2.4.1 Finite Element Analysis (FEA)

Finite Element Analysis mengunakan metode elemen hingga atau

Finite Element Methode (FEM) untuk menyelesaikan permasalahan dalam

analisa tegangan pada konstruksi perancangan. Secara umum metode yang

digunakan FEM adalah dengan membagi (me’meshing) suatu model yang

dianalisis menjadi bagian-bagian kecil dengan bentuk sederhana yang

disebut element. Selanjutnya permasalahan yang kompleks pada model

yang rumit dijadikan sederhana pada tiap element yang kemudian

diselesaikan secara simultan.

Setiap element memiliki bentuk dan dimensi berbeda tegantung

bentuk model dan pengaturan pengguna, bentuk yang digunakan pada

model solid adalah bentuk tetrahedral. Element terdiri dari beberapa titik

22

perhitungan yang saling mempengaruhi pada tepinya disebut node. Pada

dasarya (default) tiap node memiliki enam (6) derajat kebebasan yaitu tiga

arah translasi dan tiga arah rotasi. Gambar 2.8 merupakan gambaran

sebuah element dengan sejumlah node yang berwarna merah dan gambar

2.8 adalah gambaran penyebaran element pada model tee

Gambar 2.7 Node pada element tetrahedral

Gambar 2.8 Mode (kiri) dan model setelah meshing (kanan)

Hasil yang diharapkan adalah gambaran tegangan Von Mises yaitu

kuantitas besarnya tegangan setiap arah dari satu titik node (tegangan von

mises tidak memiliki arah). Perhitungan tegangan von mises ada pada

persamaan 2.13

23

VON = {0.5 [(SX -SY)2 + (SX-SZ)2 + (SY-SZ)2] +

3(TXY2 + TXZ2 + TYZ2)}(1/2) ............................... (2.13.a)

VON = {0.5 [(P1 - P2)2 + (P1 - P3)2 + (P2 - P3)2]}(1/2) .… (2.13.b)

Gambar 2.9 Arah normal,shear, dan principal stress

SX = Tegangan normal searah X

SY = Tegangan normal searah Y

SZ = Tegangan normal searah Z

TXY = Geseran di arah Y pada bidang YZ

TXZ = Geseran di arah Z pada bidang YZ

TYZ = Geseran di arah Z pada bidang XZ

P = Principal stress

VON = Tegangan Von Mises

24

2.4.2 Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic atau sering disingkat CFD adalah

salah satu cabang mekanika fluida yang menggunakan algoritma dan

metode numerik untuk memecahkan dan meneliti permasalahan aliran

fluida. Komputer digunakan untuk mengerjakan jutaan kalkulasi yang

dibutuhkan untuk mensimulasikan interaksi antara fluida dengan

permukaan (wall) yang ditentukan oleh syarat batasnya (boundary

condition). Daerah perhitungan fluida yang dibatasi syarat batasnya

dinamakan computational domain.

Metode yang digunakan adalah Finite Volume Methode (FVM),

hampir sama dengan FEM yaitu dengan memecah (meshing)

computational domain menjadi bagian-bagian kecil yang disebut cell.

Hasil yang didapatkan adalah gambaran penyebaran takanan dan

kecapatan pada permukaan pipa yang berinteraksi dengan fluida.

25 

BAB III

LANGKAH ANALISIS

3.1 Spesifikasi Pipa Hidran dan Perangkat Analisis

3.1.1 Pipa Hidran

Pipa Hidran yang akan dianalisis mempunyai spesifikasi sebagai

berikut :

- Bahan pipa AISI 1020.

- Pipa besar diameter nominal 4”, schedule 40, tebal 0,207”.

- Pipa kecil diameter nominal 2,5” schedule 40, tebal 0,203”.

- Tee 4” ke 2,5”, ukuran c = 41/8”, m = 33/4”.

- Ellbow diameter 4” jari –jari kelengkungan 6”.

- Ellbow diameter 2.5” jari –jari kelengkungan 33/4”.

- Reducer 2,5” ke 1,5” panjang H = 3.5”

- Sambungan las temu pada pipa memiliki tegangan luluh 62 ksi,

lebih besar dari bahan pipa yaitu 50,991 ksi sehingga pada model

dapat diasumsikan tanpa sambungan las

3.1.2 Perangkat Analisis

a. Modeling

Perangkat lunak yang digunakan untuk membuat model adalah

SolidWorks® yaitu software desain teknik otomatis yang bekerja

26  

  

 

dalam system operasi yang dibuat Microsoft® Windows®. SolidWork

berguna untuk membuat model berupa part dan juga assembly dari

part dalam bentuk tiga dimensi.

b. COSMOSWork.

COSMOSWork sp0.0 merupakan salah satu software CAE yang

terintegrasi dengan SolidWorks®. COSMOSWork berfungsi untuk

menganalisis model strktur mekanik baik part atau hasil assembly

dengan menggunakan metode element hingga (Finite Element

Method).

c. COSMOSFloWork.

COSMOSFloWork merupakan software yang berfungsi untuk

melakukan analisis aliran fluida (CFD). COSMOSFloWork juga

terintegrasi dengan SolidWorks® sehingga dapat secara langsung

dilakukan analisa pada model.

3.2 Metode dan Tata Kerja

Secata umum pengerjaan analisis adalah sebagai berikut :

3.2.1 Pengambilan data lapangan

Data-data yang telah diambil secara langsung si lapangan adalah

sebagai berikut:

27  

  

 

a. Sistem kerja rumah pompa yang menggunakan Hydrophore

dengan tekanan kerja maksimum 7,2 kg/cm2. Tekanan kerja ini

menjadi tekanan maksimum yang bekerja pada sistem hidran dan

menjadi data input untuk analisa CFD

b. Dimensi pipa-pipa hidran yang diambil dengan cara melakukan

pengukuran langsung dan melihat data tinggi gedung dari biro

perawatan gedung. Tebal pipa didapat dari pipa hidran yang tidak

dipakai

3.2.2 Membuat model 3 dimensi

Model dibuat menggunakan software SolidWorks berdasarkan data

dimensi pipa yang telah diambil dengan perbandingan 1 : 1. Urutan

pembuatan model adalah sebagai berikut :

a. Membuat part.

Membuat komponen (part) solid dan menyimpan tiap satu

komponen kedalam satu dokumen part. Komponen yang dibuat

ditampilkan dlam dalam Table 3.1.

Bagian pipa yang pada konstruksi asli berada di dalam tembok

gedung, pada model dibuat dengan diameter 0.1mm lebih besar dari

diameter luar pipanya. Ketebalan yang lebih ini berguna untuk

menempatkan restrain pada analisis, namun karena tebalnya sangat

kecil maka dianggap tidak berpengaruh pada analisis.

28  

  

 

Tabel 3.1 Part yang dibuat

Gambar 3.1 Bagian yang tertanam di tembok gedung (kuning)

Nama Komponen

Dimensi Keterangan

Ø Luar Tebal Tinggi

Big Elbow 4,5" 0,207" r 6" Elbow sudut 900

Small elbow 2,875" 0,203" r 3,25" Elbow sudut 900

Duct - - H 3,5" Reducer 2,5" ke 1,5"

Tee - C 41/8” m 33/4” Tee 4" ke 2,5" Part 2 8,08 cm - 1 cm Lid aliran keluar

Part 3 1,082 cm - 1 cm Lid aliran masuk Pipa 50cm 4,5" 0,207" 50 cm Pipa STD Pipa 75m 4,5" 0,207" 75 cm Pipa STD Pipa 990cm 4,5" 0,207" 990 cm Pipa STD Pipa 4285cm 4,5" 0,207" 4285 cm Pipa STD Pipa 4785cm 4,5" 0,207" 4785 cm Pipa STD Pipa Kecil 4,5cm 2,875" 0,203" 4,5 cm Pipa STD Pipa Kecil 8cm 2,875" 0,203" 8 cm Pipa STD Pipa Kecil 15cm 2,875" 0,203" 15 cm Pipa STD Pipa Kecil 33,5cm 2,875" 0,203" 33,5cm Pipa STD Pipa Kecil 33cm 2,875" 0,203" 33 cm Pipa STD Pipa Kecil75cm 2,875" 0,203" 75 cm Pipa STD Pipa Kecil188cm 2,875" 0,203" 188 cm Pipa STD

29  

  

 

b. Membuat assembly.

Membuat assembly dari tiap komponen sehingga menjadi satu

model dengan derajat kebebasan nol (0) untuk tiap mate komponen

yang digabung. Salah satu komponen assembly harus dibuat mate

antara setiap plane part dengan plane assembly, ini berguna agar

model dengan plane pada assembly menjadi satu region untuk analisis

aliran fluidanya. (gambar model terlampir).

3.2.3 Menjalankan analisis aliran fluida.

Langkah pelaksanaan analisis aliran fluida menggunakan

COSMOSFloWork adalah sebagai berikut :

a. Membuat COSMOSFloWork Project baru.

Data input yang dimasukkan pada saat pembuatan project baru

adalah :

- System Unit adalah SI (Standard Internasional)

- Tipe analisis internal dengan pengaruh gravitasi.

- Fuida yang digunakan adalah water SP (Liquid)

- Wall Condition digunakan default.

- Initial Condition digunakan default.

- Manual specification of minimum gap size diisi 0.02m

- Manual specification of minimum wall thickness diisi

0.014m

30  

  

 

specification of minimum gap size adalah ukuran celah terkecil

pada model dan specification of minimum wall thickness adalah

ukuran dinding solid terkecil pada model.

b. Menentukan boundary condition (syarat batas)

Boundary condition diatur sebagai berikut :

- Fluida masuk dari lid bawah dengan tekanan total 706078.8

Pascal (7.2 kg/cm2)

Gambar 3.2 Tekanan pada lid bawah (dilambangkan

panahwarna biru)

- Fluida keluar dari lid atas karena tekanan di lid atas

ditentukan sebagai environment preassure sebesar 101325

Pascal.

31  

  

 

Gambar 3.3 Tekanan pada lid atas.

c. Menentukan Goals.

Goals yang ditntukan adalah :

- SG Av Static Pressure

- SG Av Total Pressure

- SG Av Dynsmic Pressure

- SG Mass Flow Rate

- SG Volume Flow Rate

- SG Av Velocity

Dengan menentukan goals penulis dapat memonitor perubahan

yang terjadi tiap iterasi pada bagian yang dipilih. Semua Goals

diambil dari face lid masuk yang berada di bagian bawah.

d. Melakukan meshing

Besar cell yang dibuat harus dapat dicakup oleh bagian yang

memiliki dimensi paling kecil, sehingga bagian tersebut dapat

dianalisis. Pada pengaturan mesh dikenal initial mesh, ini merupakan

32  

  

 

kumpulan cell dasar yang akan terpecah lagi pada saat dilakukan

meshing menjadi cell yang lebih kecil mengacu pada dimensi model

yang dibuat. (mesh adalah kumpulan dari cell)

Gambar 3.4 kumpulan fluid cell hasil meshing

e. Menjalankan analisis aliran fluida

f. Menampilkan hasil berupa gambaran penyebaran tekanan pada

permukaan yang mengalami kontak dengan fluida.(hasil

selengkapnya terlampir)

g. Menganalisa hasil.

h. Meng’export hasil analisis ke COSMOSWork sehingga dapat

digunakan di COSMOSWork sebagai beban konstruksi.

3.2.4 Analisis konstruksi dengan FEA.

Karena sarana yang terbatas maka analisis keseluruhan tidak dapat

dilakukan secara langsung atau sekali jalan. Oleh karena itu maka model

33  

  

 

dibagi menjadi enam (6) bagian sesuai dengan lantai gedung tempat pipa

terpasang. Analisis dilakukan per bagian sehingga kendala kurangnya

memory dapat diatasi. Langkah analisanya adalah sebagai berikut :

a. Membuat konfigurasi

Sebuah dokumen assembly dapat memiliki banyak konfigurasi

sehingga memungkinkan dilakukannya beberapa macam analisis pada

satu dokumen

Konfigurasi pertama (1) adalah analisis aliran fluida, konfigurasi

kedua (2) adalah analisis FEA pada bagian perpipaan yang ada pada

lantai besement. Cara memotongnya adalah dengan melakukan blok

pada part yang tidak termasuk pada lantai basement kemudian

melakukan suppres shingga part tersebut tidak terdefinisikan

(dianggap tidak ada) pada konfigurasi pertama ini. Selanjutnya adalah

melakukan cut extrude pada part yang bagiannya berada pada dua

lantai (dalam hal ini adalah pipa 990cm) sehingga yang menjadi

bagian dari analisis ini hanya seluruh bagian pipa yang berada pada

lantai basement dan juga pipa yang tertanam pada tembok lantai.

Konfigurasi ketiga (3) adalah rangkaian perpipaan pada lantai

groun, cara pembuatannya sama dengan konfigurasi pertama dan

demikian juga konfigurasi ke tiga hingga ke tujuh (7).

34  

  

 

Gambar 3.5 Pipa di lantai basement (bagian berwarna hijau

merupakan bagian yang tertanam di lantai gedung)

b. Membuat study

Study pertama dibuat pada konfigurasi pertama yaitu static analisis

dengan menggunakan solid mesh dengan nama study 1.

c. Mengatur properties study

Pengaturan dilakukan sehingga beban tekanan pada permukaan

dalam pipa dari COSMOSFloWork dapat menjadi beban (load) pada

analisis ini.

d. Menerapkan restrain dan load

Restrain diterapkan pada permukaan luar bagian pipa yang

tertanam di dinding dan juga pada ujung reducer dengan asumsi fix

yaitu bagian-bagian ini dianggap rigid.

35  

  

 

e. Mengatur mesh dan menjalankan meshing

Mesh parameter diatur sedikit lebih ke kanan dari posisi default

dan automatic transition dicentang sehingga ukuran mesh yang akan

dibuat secara otomatis menyesuaikan dengan bentuk model.

f. Menjalankan analisis.

g. Memasukkan design check plot untuk menampilkan penyebaran

FOS pada model.

h. Memunculkan angka maksimum pada tiap result.

i. Menganalisa hasil (result) yang muncul

Hasil yang muncul ada empat (4) yaitu :

- Stress 1 (teganga von mises)

- Displacement 1 (besarnya pergeseran)

- Restrain 1(regangan)

- Design check 1 (menampilkan FOS)

3.2.5 Melakukan analisis dengan beberapa asumsi.

Untuk mengetahui faktor keamanan terkecil yang mungkin terdapat

pada konstruksi, maka analisis dilakukan dengan enam (6) kondisi aliran

yaitu :

a. Kondisi pertama (1) air keluar dari pipa di lantai empat (4)

b. Kondisi kedua (2) air keluar dari pipa di lantai tiga (3)

c. Kondisi ketiga (3) air keluar dari pipa di lantai dua (2)

d. Kondisi keempat (4) air keluar dari pipa di lantai satu (1)

36  

  

 

e. Kondisi kelima (5) air keluar dari pipa di lantai ground

f. Kondisi keenam (6) air keluar dari pipa di lantai basement

Analisis untuk tiap kondisi yang diasumsikan dilakukan dengan

membuat lima (5) salinan file model dari kondisi pertama yaitu air

mengalir dari penghubung pipa utama menuju lantai empat (4). Salinan file

model disimpan pada enam (5) folder dengan nama berbeda sehingga

pada hasil akhir nanti terdapat enam (6) buah folder dengan tiap folder

berisi satu file assembly dan beberapa file analisis dari COSMOSFloWork

dan COSMOSWork.

37

BAB IV

ANALISIS DATA

4.1 Data Hasil Analisis

Data hasil analisis adalah penyebaran besarnya tekanan, tegangan dan

faktor keamanan (FOS) pada model yang diwakili oleh warna-warna yang secara

rinci ditunjukkan pada lampiran. Nilai terbesar dan terkecil dari tiap analisis

dimasukkan kedalam tabel kemudian dibuat kurva sehingga dapat diketahui lokasi

dimana tekanan terbesar, tegangan terbesar dan faktor keamanan terkecil terjadi.

Gambar 4.1 Grafik Perbandingan Tegangan Maksimum

38

Tabel 4.1 Data hasil analisis

Kondisi 1 Kondisi 2 Kondisi 3

min max min max min max Tekanan 10982 Pa 719418 Pa -19320 Pa 717659 Pa -69615 Pa 716900Pa

Tega

ngan

Pa

Lantai 4 1467 1,512 x107 1743 1,511 x107 1245 1,565 x107

Lantai 3 5488 1,537 x107 5544 1,561 x107 5318 1,568 x107

Lantai 2 8779 1,474 x107 8495 1,464 x107 7024 1,560 x107

Lantai 1 8629 2,156 x107 7392 2,392 x107 8895 1,972 x107

Ground 7242 2,059 x107 23,91 2,138 x107 4521 2,087 x107

Basement 7415 2,408 x107 91,87 2,324 x107 13160 2,335 x107

Fakt

or K

eam

anan

Lantai 4 23,25 100 23,26 100 22,46 100

Lantai 3 22,88 100 22,52 100 22,42 100

Lantai 2 23,85 100 24,02 100 22,54 100

Lantai 1 16,31 100 14,7 100 17,83 100

Ground 17,07 100 16,44 100 16,85 100

Basement 14,6 100 15,13 100 15,06 100

Kondisi 4 Kondisi 5 Kondisi 6

min max min max min max Tekanan 75534 Pa 713481Pa -8810 Pa 715498 Pa -45966Pa 702005 Pa

Tega

ngan

Pa

Lantai 4 1824 1,572 x107 1342 1,606 x107 1408 1,618 x107

Lantai 3 5708 1,576 x107 5732 1,595 x107 5645 1,610 x107

Lantai 2 6973 1,562 x107 6681 1,589 x107 6723 1,599 x107

Lantai 1 7901 1,730 x107 9385 1,815 x107 9249 1,826 x107

Ground 4455 2,117 x107 4641 2,079 x107 4408 2,084 x107

Basement 13410 2,331 x107 12430 2,335 x107 12120 2,309 x107

Fakt

or K

eam

anan

Lantai 4 22,36 100 21,89 100 21,72 100 Lantai 3 22,3 100 22,04 100 21,84 100 Lantai 2 22,5 100 22,13 100 21,98 100 Lantai 1 20,32 100 19,37 100 19,25 100 Ground 16,61 100 16,91 100 16,87 100

Basement 15,08 100 15,05 100 15,22 100

39

Gambar 4.2 Grafik Perbandingan FOS Terkecil

Dari pengolahan hasil metode elemen hingga, diketahui tegangan terbesar

dan FOS terkecil pada rangkaian perpipaan terjadi di unit pipa hirdan lantai

basement ketika air keluar dari hidran lantai empat (4) atau terjadi pada kondisi

pertama. Tegangan terbesar adalah 24 MPa dan faktor keamanan (FOS) terkecil

adalah 14. Posisi tegangan terbesar ditampilkan pada Gambar 4.3a dan posisi FOS

terkecil ditampilkan pada Gambar 4.3b, posisinya adalah pada bagian dalam pipa

sehingga gambar ditampilkan berupa irisan.

40

Gambar 4.3a Pisisi tegangan terbesar.

Gambar 4.3b Posisi FOS terkecil.

41

Pada kurva FOS pada gambar 4.2, faktor keamanan dari setiap asumsi

kondisi analisis dari lantai empat (4) hingga lantai basement cenderung mengecil.

Hal ini sesuai dengan penyebaran tekanan pada dinding dalam pipa yang semakin

kebawah tekanannya semakin besar. Gambaran penyebaran tekanan pada model

dapat dilihat pada Gambar 4.4

Kondisi satu (1)

Gambar 4.4 Gambaran peningkatan tekanan dari lantai empat hingga basement

Lantai 4

Lantai 3

Lantai 2

Lantai 1

Ground

Basement

42

4.2 Kesesuaian Data Hasil Analisis Dengan Teori.

4.2.1 Tekanan

Pada fluida nyata yang bergerak, tekanan pada suatu titik

dipengaruhi oleh faktor ketinggian (potensial), kecepatan aliran fluida

(kinetik) dan rugi-rugi aliran. Hubungan antara tekanan, kecepatan aliran

dan ketinggian fluida terdapat pada Persamaan Bernaulli yaitu Persamaan

2.10

Data penyebaran tekanan hasil analisis COSMOSFloWork sesuai

dengan Persamaan Bernaulli karena :

a. Semakin tinggi kedudukan fluida (Z semakin besar), tekanannya

semakin kecil.

b. Pada pipa cabang di lantai 4 tempat keluarnya fluida, semakin kecil

diameter dalam pipa tekanannya semakin kecil (diameter dalam pipa

yang mengecil menyebabkan kecepatan fluida membesar)

4.2.2 Tegangan

Tegangan pada suatu bidang yang terbagi merata dinyatakan dalam

persamaan σ = F/A, begitu juga tekanan dapat didefinisikan sebagai

jumlah gaya tiap satuan luas. Besarnya gaya yang bekerja pada suatu

luasan bidang berbanding lurus dengan tekanan yang terjadi pada bidang

itu. Begitu pula pada tegangan, semakin besar gaya yang bekerja pada

suatu luasan benda maka semakin besar pula tegangan yang terjadi benda

tersebut.

43

Dapat disimpulkan bahwa tegangan (σ) berbanding lurus dengan

tekanan (P) atau semakin besar tekanan yang bekerja pada luasan suatu

benda maka semakin besar pula tegangan yang terjadi pada benda tersebut.

Pada data hasil analisis analisis CAE, besarnya tegangan sebanding

dengan besarnya tekanan yang terjadi pada permukaan dalam pipa. Hal ini

terlihat pada grafik perbandingan tegangan dimana tegangan maksimum

secara umum bertambah besar dari lantai empat hingga basement,

sebanding dengan tekanan yang semakin besar pula dari lantai empat

hingga basement.

4.2.3 Faktor Keamanan (FOS)

Faktor keamanan didapat dari persamaan berikut :

σσ

misesvon

BahanLimit FOS=

Dari persamaan FOS, semakin besar tegangan von mises yang

terjadi maka semakin kecil faktor keamanannya. Grafik perbandingan

tegangan dan grafik perbandingan FOS memiliki kemiringan yang

berkebalikan, ini menyatakan kesesuaian antara hasil analisis tengan teori.

44

4.2.3 Tekanan Pecah Dinding Pipa

Tekanan pecah dinding pipa dapat dihitung dengan Persamaan 2.2

dan diperoleh harga sebesar 1705 Psi. Jika tekanan terbesar pada pipa hasil

analisis CAE yaitu 104 Psi maka didapat angka keamanan sebesar 16.

Besarnya angka keamanan hasil perhitungan menggunakan

Persamaan 2.2 memiliki perbedaan sebesar 10,65 % dengan besarnya

angka keamanan terkecil yang didapat dari analisis menggunakan CAE

yaitu 14.

Perbedaan yang terdapat pada hasil analisis menggunakan

persamaan 2.2 dan hasil analisis CAE disebabkan karena metode

perhitungannya berbeda. Pada analisis menggunakan CAE, angka

keamanan (FOS) terkecil merupakan angka keamanan yang terdapat pada

suatu titik element saja sedangkan pada analisis menggunakan Persamaan

2.2 merupakan angka keamanan menyeluruh untuk pipa berdiameter

nominal 4” sch 40.

45

BAB V

KESIMPULAN

5.1 Kesimpulan.

1. Tekanan fluida maksimum yang menyentuh dinding bagian dalam pipa

adalah 719 kPa atau 104 Psi. Tekanan terjadi di instalasi hidran lantai

basement pada analisis kondisi pertama.

2. Tegangan terbesar yang terjadi pada konstruksi adalah 24 MPa. Tegangan

terjadi pada tee di instalasi hidran lantai basement ketika air mengalir dari

sambungan utama bawah dan keluar melalui instalasi pipa hidran di lantai

empat (4).

3. Tegangan yang besar banyak terjadi pada bagian tee dan reducer.

4. Faktor keamanan terkecil yang terjadi pada konstruksi adalah 14. Terjadi

pada kondisi pertama.

46

DAFTAR PUSTAKA

____________, 2006, COSMOSFloWork Tutorial, COSMOSFloWork 2007/PE

SP0.0 Build 259.

Lukiyanto, Y.B., 2008, Buku Penduan Praktikum Prestasi Mesin, Laboratorium

Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta.

Raswari, 1986, Teknologi dan Perencanaan Sistem Perpipaan, Penerbit

Universitas Indonesia. Jakarta

Rosadi, P.E., 2004, Mekanika Fluida, PT. Hasta Cipta Mandiri. Surabaya.

Shigley, J. E., Mitchell, L.G., 1983, Perencanaan Teknik Mesin Jilid I, Penerbit

Erlangga. Jakarta.

Gambar L.1 Instalasi komponen hidran dalam rumah pompa

Hydrofour

Bak 1 Bak 2

PompaFilter 2

PompaFilter 2

Pompa Hydrant

Pmpa Joky

Ke Instalasi

Bak Aerasi dan Pengendapan

Sand Filter Carbon Active Filter

Safety Valve

Dari Pompa Sub Mersible Sumur Dari Pompa Sub Mersible Sumur

GAMBAR ISTALASI POMPA DAN PENGOLAHAN AIR

Ke Pembuangan

Pompa Jockey 

Gambar L.2 Plot penyebaran tekanan pada kondisi satu

Gambar L.3 Plot penyebaran tekanan pada kondisi dua

Gambar L.4 Plot penyebaran tekanan pada kondisi tiga

Gambar L.5 Plot penyebaran tekanan pada kondisi empat

Gambar L.6 Plot penyebaran tekanan pada kondisi lima

Gambar L.7 Plot penyebaran tekanan pada kondisi enam

Gambar L.58 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai basement pada kondisi lima

Gambar L.59 Posisi FOS terkecil di pipa lantai basement pada kondisi lima

Gambar L.60 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai ground pada kondisi lima

Gambar L.61 Posisi FOS terkecil di pipa lantai ground pada kondisi lima

Gambar L.62 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai satu pada kondisi lima

Gambar L.63 Posisi FOS terkecil di pipa lantai satu pada kondisi lima

Gambar L.64 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai dua pada kondisi lima

Gambar L.65 Posisi FOS terkecil di pipa lantai dua pada kondisi lima

Gambar L.66 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai tiga pada kondisi lima

Gambar L.67 Posisi FOS terkecil di pipa lantai tiga pada kondisi lima

Gambar L.68 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai empat pada kondisi lima

Gambar L.69 Posisi FOS terkecil di pipa lantai empat pada kondisi lima

Gambar L.8 Plot penyebaran tegangan di pipa lantai basement pada kondisi satu

Gambar L.9 Plot penyebaran FOS di pipa lantai basement pada kondisi satu

Gambar L.10 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai basement pada kondisi satu

Gambar L.11 Posisi FOS terkecil di pipa lantai basement pada kondisi satu

Gambar L.12 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai ground pada kondisi satu

Gambar L.13 Posisi FOS terkecil di pipa lantai ground pada kondisi satu

Gambar L.14 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai satu pada kondisi satu.

Gambar L.15 Posisi FOS terkecil di pipa lantai satu pada kondisi satu

Gambar L.16 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai dua pada kondisi satu

Gambar L.17 Posisi FOS terkecil di pipa lantai dua pada kondisi satu

Gambar L.18 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai tiga pada kondisi satu

Gambar L.19 Posisi FOS terkecil di pipa lantai tiga pada kondisi satu

Gambar L.20 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai empat pada kondisi satu

Gambar L.21 Posisi FOS terkecil di pipa lantai empat pada kondisi satu

Gambar L.22 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai basement pada kondisi dua

Gambar L.23 Posisi Fos terkecil di pipa lantai basement pada kondisi dua

Gambar L.24 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai ground pada kondisi dua

Gambar L.25 Posisi FOS terkecil di pipa lantai ground pada kondisi dua

Gambar L.26 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai satu pada kondisi dua

Gambar L.27 Posisi FOS terkecil di pipa lantai satu pada kondisi dua

Gambar L.28 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai dua pada kondisi dua

Gambar L.29 Posisi FOS terkecil di pipa lantai dua pada kondisi dua

Gambar L.30 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai tiga pada kondisi dua

Gambar L.31 Posisi FOS terkecil di pipa lantai tiga pada kondisi dua

Gambar L.32 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai empat pada kondisi dua

Gambar L.33 Posisi FOS terkecil di pipa lantai empat pada kondisi dua

Gambar L.34 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai basement pada kondisi tiga

Gambar L.35 Posisi Fos terkecil di pipa lantai basement pada kondisi tiga

Gambar L.36 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai ground pada kondisi tiga

Gambar L.37 Posisi FOS terkecil di pipa lantai ground pada kondisi tiga

Gambar L.38 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai satu pada kondisi tiga

Gambar L.39 Posisi FOS terkecil di pipa lantai satu pada kondisi tiga

Gambar L.40 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai dua pada kondisi tiga

Gambar L.41 Posisi FOS terkecil di pipa lantai dua pada kondisi tiga

Gambar L.42 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai tiga pada kondisi tiga

Gambar L.43 Posisi FOS terkecil di pipa lantai tiga pada kondisi tiga

Gambar L.44 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai empat pada kondisi tiga

Gambar L.45 Posisi FOS terkecil di pipa lantai empat pada kondisi tiga

Gambar L.46 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai basement pada kondisi empat

Gambar L.47 Posisi FOS terkecil di pipa lantai basement pada kondisi empat

Gambar L.48 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai ground pada kondisi empat

Gambar L.49 Posisi FOS terkecil di pipa lantai ground pada kondisi empat

Gambar L.50 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai satu pada kondisi empat

Gambar L.51 Posisi FOS terkecil di pipa lantai satu pada kondisi empat

Gambar L.52 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai dua pada kondisi empat

Gambar L.53 Posisi FOS terkecil di pipa lantai dua pada kondisi empat

Gambar L.54 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai tiga pada kondisi empat

Gambar L.55 Posisi FOS terkecil di pipa lantai tiga pada kondisi empat

Gambar L.56 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai empat pada kondisi empat

Gambar L.57 Posisi FOS terkecil di pipa lantai empat pada kondisi empat

Gambar L.70 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai basement pada kondisi enam

Gambar L.71 Posisi FOS terkecil di pipa lantai basement pada kondisi enam

Gambar L.72 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai ground pada kondisi enam

Gambar L.73 Posisi FOS terkecil di pipa lantai ground pada kondisi enam

Gambar L.74 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai satu pada kondisi enam

Gambar L.75 Posisi FOS terkecil di pipa lantai satu pada kondisi enam

Gambar L.76 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai dua pada kondisi enam

Gambar L.77 Posisi FOS terkecil di pipa lantai dua pada kondisi enam

Gambar L.78 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai tigapada kondisi enam

Gambar L.79 Posisi FOS terkecil di pipa lantai tiga pada kondisi enam

Gambar L.80 Posisi tegangan terbesar di pipa lantai tigapada kondisi enam

Gambar L.81 Posisi FOS terkecil di pipa lantai empat pada kondisi enam