simulasi pengujian kekuatan mekanik wadah...

PROSIDING SEMINAR

PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 26 September 2012

Dedy Haryanto, dkk. ISSN 1410 – 8178 Buku II hal. 435

SIMULASI PENGUJIAN KEKUATAN MEKANIK WADAH BAHAN

BAKAR PADA BULK SHIELDING REAKTOR KARTINI

MENGGUNAKAN CATIA V5 R20

Dedy Haryanto Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir-BATAN

Email : [email protected]

Tri Nugroho, Umar Sahiful Hidayat, Taxwim, Puradwi I.W Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan

ABSTRAK

SIMULASI PENGUJIAN KEKUATAN MEKANIK WADAH BAHAN BAKAR PADA BULK SHIELDING REAKTOR KARTINI MENGGUNAKAN CATIA V5 R20. Fasilitas wadah bahan bakar pada bulk shielding berfungsi sebagai penyimpan bahan bakar sementara. Wadah bahan bakar tersebut terbuat dari material paduan aluminium (alloy 43) dan strukturnya dari baja karbon atau Carbon Steel ASTM A36. Untuk mengetahui kekuatan wadah tersebut khususnya jika terjadi gaya dari luar seperti gempa bumi/seismik maka perlu dilakukan pengujian kekuatan mekanik. Pengujian dilakukan secara simulasi menggunakan software CATIA V5 R20, meliputi pengujian tegangan mekanik dan pengujian translational displacement. Karena material wadah dan struktur berbeda maka simulasi pengujian dilakukan secara terpisah pada masing-masing bagian. Hasil pengujian didapatkan tegangan mekanik terbesar pada wadah bahan bakar sebesar 2,02 x 104 N/m

2 dan pada struktur wadah bahan bakar

sebesar 6,99 x 106 N/m2. Hasil tersebut masih lebih kecil jika dibandingkan dengan

yield strength masing-masing material yang digunakan dan berada pada daerah elastis material. Hasil pengujian translational displacement terbesar wadah bahan bakar sebesar 1,18 x 10-6 mm dan pada struktur wadah bahan bakar sebesar 0,105 mm tidak mengakibatkan perubahan bentuk. Dengan demikian wadah bahan bakar pada bulk shielding yang terdiri dari wadah dan struktur aman untuk menerima tekanan pengoperasian ketika digunakan. Kata kunci : Wadah bahan bakar, bulk shielding, pengujian kekuatan mekanik

ABSTRACT

SIMULATION OF MECHANICAL STRENGTH TESTING FOR THE FUEL CONTAINERS IN BULK SHIELDING AT KARTINI REACTOR USING CATIA V5R20. Fuel container facility at bulk shielding serves as a temporary fuel storage. The fuel container made of aluminum alloy (alloy 43) material and structure made of carbon steel ASTM A36. To know the strength of the container especially if outside force like an earthquake/seismic occurs, so the testing of mechanical strength need to be done. Testing was carried out by simulations using CATIA V5 R20 software. covers mechanical stress and translational displacement testing. Since the materials for container and structure were different, so simulation of testing performed separately.The test results obtained the greatest mechanical stress on the fuel container is 2.02 x 10

4 N/m

2 and the structure of the fuel container is 6.99 x 10

6 N/m

2.

These results are less than the yield strength values of the container and structure materials, and is in elastic region of the materials. The test results of the largest translational displacement of the fuel container is 1.18 x 10

-6 mm and the structure of

the fuel container is 0.105 mm, and have no changes in shape. Thefore the fuel container on the bulk shielding consist of the container and structure are secure to have the pressure of the operation when used. Key words: fuel containers, bulk shielding, mechanical strength testing

PROSIDING SEMINAR



ISSN 1410 – 8178 Dedy Haryanto, dkk Buku II hal. 436

PENDAHULUAN

eaktor Kartini di Pusat Teknologi Akselerator

dan Proses Bahan mempunyai fasilitas bulk

shielding yang berfungsi sebagai kolam penyimpan

bahan bakar sementara. Sejak pertama di isi air

tahun 1979 s/d Agustus 2008 (29 tahun) belum

pernah dikeringkan. Pada tahun 2008 diambil

kebijakan untuk membuat pemisah antara kolam

penyimpan bahan bakar dengan dinding biological

shielding, caranya dengan membuat wadah bahan

bakar dari material paduan aluminium (Aluminium

alloy 43) dengan ukuran kurang lebih setengah dari

ukuran bulk shielding. Wadah bahan bakar juga

berfungsi sebagai perisai radiasi sumber radiasi dari

teras reaktor sekaligus dipergunakan untuk

penyimpanan bahan bakar bekas di bulk shielding[1]

.

Untuk menyakinkan bahwa wadah bahan

bakar aman bagi pekerja, telah dilakukan kajian

keselamatan radiologi dan telah dilakukan

pengukuran paparan radiasi setiap reaktor

beroperasi. Hasilnya tidak ada batas kondisi operasi

yang dilanggar. Disamping dilakukan kajian

keselamatan radiologi, juga dilakukan pengujian

secara simulasi untuk mengetahui kekuatan

mekanik pada wadah tersebut. Pengujian secara

simulasi tersebut menggunakan software CATIA

V5 R20[2]

. Dengan melakukan simulasi pengujian

dapat diketahui kekuatan mekanik akibat tekanan

operasi reaktor dan kemungkinan gaya dari luar

seperti beban seismik/gempa bumi.

Makalah ini membahas tentang kekuatan

mekanik wadah bahan bakar termasuk strukturnya.

Simulasi pengujian kekuatan mekanik pada wadah

dan struktur bertujuan untuk mengetahui besar

tegangan mekanik dan translational displacement

yang timbul akibat beban tekanan pengoperasian.

Simulasi pengujian meliputi tegangan mekanik dan

translational displacement yang terjadi pada wadah

bahan bakar yang dibuat dari paduan Aluminium

(aluminium alloy 43) dan struktur wadah bahan

bakar pada bulk shielding yang dibuat dari baja

karbon atau ASTM (American Society for Testing

and Materials ) A36 akibat pembebanan berupa

tekanan. Pengujian secara simulasi untuk wadah

dan strukturnya dilakukan secara terpisah karena

material yang digunakan berbeda. Simulasi

pengujian dilakukan melalui pembuatan model 3-

dimensi dengan mengacu pada desain wadah dan

struktur wadah. Hasil simulasi pengujian dapat

diperoleh besar tegangan mekanik dan translational

displacement pada kedua obyek tersebut.

Besarannya tegangan mekanik yang terjadi

diharapkan tidak melebihi yield strength paduan

Aluminium (aluminium alloy 43) dan Carbon Steel

ASTM A36 dan translational displacement yang

terjadi tidak mengakibatkan perubahan bentuk.

DISKRIPSI WADAH BAHAN BAKAR

Wadah bahan bakar pada bulk shielding

merupakan kolam penyimpan bahan bakar

sementara sekaligus sebagai fasilitas iradasi jika

diperlukan (berada dekat dengan thermalizing

coloumn). Wadah bahan bakar ini diperkuat dengan

menggunakan struktur. Fasilitas ini dibuat untuk

tujuan memastikan bahwa biological shielding

kolam reaktor tetap kering dengan melakukan

isolasi air dari bulk shielding terhadap biological

shielding. Desain wadah bahan bakar dibuat dari

paduan aluminium (aluminium alloy 43) dengan

ukuran 1120 mm x 2300 mm x 3740 mm, dan tebal

3 mm ditampilkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Desain wadah bahan bakar[1]

Gambar 2. Desain struktur wadah bahan bakar [1]

Struktur wadah berfungsi untuk

memperkokoh posisi wadah dibuat dari carbon steel

ASTM A36 tipe I beam (besi I) dan UNP (besi U).

R

PROSIDING SEMINAR




Ukuran struktur 2430 mm x 1425 mm x 3800 mm.

Desain struktur wadah ditampilkan pada Gambar 2

dan gabungan antara wadah dan strukturnya

ditampilkan pada Gambar 3.

Wadah bahan bakar dan strukturnya yang

sudah dikonstruksi atau digabungkan menjadi satu

dimasukkan kedalam bulk shielding ditampilkan

pada Gambar 4.

Wadah bahan bakar dibuat dari paduan

aluminium sedangkan struktur wadah dibuat dari

carbon steel ASTM A36 dengan sifat mekanik pada

temperatur 25 °C ditampilkan pada Tabel 1.

Gambar 3. Wadah bahan bakar dan strukturnya

Gambar4. Wadah bahan bakar dan strukturnya

didalam bulk shielding [3]

Tabel 1. Sifat mekanik material

Paduan Aluminium (aluminium alloy 43) [4]

Density (kg/m3) = 2710

Poisson’s Ratio = 0,346

Young Modulus (N/m 2) = 7x10

10

Yield Strength (N/m 2) = 9,5x10

7

Thermal Expansion (/K) = 2,36x10 5

Carbon Steel ASTM A36 [5]

Density (kg/m3) = 7860

Poisson’s Ratio = 0,266

Young Modulus (N/m 2) = 2x10

11

Yield Strength (N/m 2) = 2,5x10

8

Thermal Expansion (/K) = 1,17x10 5

TATA KERJA

Tahapan yang dilakukan dalam melakukan

simulasi pengujian kekuatan mekanik wadah bahan

bakar adalah sebagai berikut :

Pembuatan model 3-dimensi.

Pada tahapan ini model 3-dimensi dibuat

menggunakan software CATIA V5 R20 dengan

mengacu pada disain wadah dan struktur wadah.

Model yang dihasilkan dalam bentuk 3-dimensi

sehingga pengujian dapat dilakukan terhadap model

tersebut. Model wadah dan struktur wadah

dilengkapi dengan sifat-sifat mekanik dari material

yang digunakan sebagai data masukan meliputi

young’s modulus, density, thermal expansion dan

yield strength serta poisson ratio seperti terlihat

pada Gambar 5.

Sifat mekanik paduan aluminium

Sifat mekanik Carbon Steel ASTM A36

Gambar 5. Data masukan berupa sifat mekanik

material

Pembebanan

Data pembebanan berupa tekanan yang

mensimulasikan tekanan hidrostatik diasumsikan

tersebar merata pada dinding bagian dalam wadah.

Sedangkan pembebanan pada struktur adalah

tekanan hidrostatik dan berat wadah bahan bakar.

Masukan data simulasi beban terlihat pada Gambar

6.

PROSIDING SEMINAR




Gambar 6. Data masukan berupa beban tekanan

hidrostatik

Restraint

Restraint mensimulasikan model 3-dimensi

pada kondisi statis sebenarnya. Restraint

ditempatkan pada sisi luar bagian depan, belakang,

samping kanan dan kiri serta bagian bawah dari

wadah. Restraint tersebut mensimulasikan struktur

yang memegang bagian-bagian wadah. Sedangkan

restraint pada struktur pada bagian bawah,

belakang, samping kanan dan kiri yang

mensimulasikan lantai dan dinding-dinding yang

memegang bagian dari struktur. Restraint harus

diberikan pada model karena tanpa adanya restraint

maka pengujian secara simulasi tidak dapat

dilakukan.

Simulasi pengujian kekuatan mekanik

Pengujian kekuatan mekanik meliputi

pengujian tegangan mekanik dan translational

displacement menggunakan model 3-dimensi yang

telah diperoleh. Besaran tersebut dibandingkan

dengan kekuatan material yang digunakan pada

disain wadah dan struktur wadah bahan bakar

sehingga dapat diketahui kekuatan mekanik dan

keamanannya ketika digunakan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Perhitungan

Simulasi pengujian kekuatan mekanik

meliputi pengujian tegangan mekanik dan pengujian

translational displacement. Kedua pengujian

tersebut dilakukan terhadap wadah dan struktur

wadah secara terpisah.

Pengujian kekuatan mekanik wadah bahan bakar

Beban tekanan pada wadah bahan bakar

berupa tekanan hidrostatik yang menekan kesegala

arah. Besar beban tekanan tersebut dapat dihitung

menggunakan persamaan[6]

2mNhgp (1)

dimana;

p= tekanan (N/m2)

ρ= densitas (kg/m3)

g= percepatan gravitasi (m/s2)

h= kedalaman (m)

Dengan menggunakan persamaan diatas, maka

besarnya tekanan maksimal yang mengenai dinding

bagian dalam (diasumsikan merata) pada wadah

dapat dihitung yaitu :

p = 1000 (kg/m3) x 10 (m/s

2) x 3,740 (m) = 37400

(N/m2)

Tekanan hidrostatik sebesar 37400 N/m2

merupakan beban yang harus ditanggung oleh

dinding bagian dalam wadah, sedangkan seluruh

dinding bagian luar ditahan menggunakan struktur

wadah berupa besi U dan besi I. Hasil simulasi

pengujian tegangan mekanik wadah bahan bakar

ditampilkan pada Gambar 7.

Dari Gambar 7 terlihat bahwa hampir

seluruh bagian wadah mengalami tegangan mekanik

sebesar 1,82 x 104 N/m

2 sampai dengan 2,02 x 10

4

N/m2, hal tersebut diperlihatkan dengan warna

merah.

Pengujian translational displacement

bertujuan untuk mengetahui perpindahan elemen

yang terjadi pada wadah bahan bakar akibat adanya

tekanan sebesar 37400 N/m2 pada dinding bagian

dalam wadah bahan bakar dan tumpuan pada

dinding bagian luar yang dilakukan oleh struktur.

Hasil simulasi pengujian menggunakan software

CATIA V5 R20 ditampilkan pada Gambar 8.

Gambar 7. Hasil simulasi pengujian tegangan mekanik pada wadah bahan bakar

PROSIDING SEMINAR




Gambar 8. Hasil simulasi pengujian Translational Displacement pada wadah bahan bakar

Dari Gambar 8 terlihat bahwa besarnya

translational displacement pada seluruh dinding

bagian luar bak sebesar 0 (nol) mm yang

diperlihatkan dengan warna biru. Hal ini terjadi

karena seluruh dinding bagian luar wadah ditahan

oleh struktur besi U dan besi I. Sedangkan pada

dinding bagian dalam translational displacement

besarnya antara 1,07 x 10-6

mm - 1,18 x 10-6

mm

diperlihatkan dengan warna merah. Translational

displacement maksimal yang terjadi masih dapat

diterima karena hal tersebut tidak mengakibatkan

perubahan bentuk pada wadah bahan bakar

Pengujian kekuatan mekanik struktur wadah bahan bakar

Beban yang harus ditanggung oleh struktur

bagian bawah berupa berat air dan berat wadah

bahan bakar dapat dihitung dengan persamaan [6]

:

gmw (2)

gVw (3)

dimana ;

w = tekanan (N/m2)

m = masa (kg)

ρ = densitas (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

V = volume (m3)

Dengan menggunakan software CATIA V5

R20, persamaan diatas dapat dihitung sehingga

besarnya masa dan volume wadah dapat diketahui,

seperti ditampilkan pada Gambar 9

Dengan menggunakan persamaan (2) dan (3) dapat

dihitung berat wadah dan berat air sebagai berikut :

Berat wadah :

N89,205810889,205 gmWb

Berat air

gmWa

N76010076,01000Wa

Berat wadah dan air

Wtot = 2058,89 + 760 = 2818,89 N

.

Gambar 9. Hasil perhitungan masa dan volume

wadah menggunakan software CATIA

V5 R20

Struktur bagian bawah terdiri dari 4 buah

struktur sehingga masing-masing struktur bagian

bawah menerima beban kearah bawah sebesar :

N7225,7044:89,2818Wstruk

Besar tekanan yang mengenai dinding struktur

bagian dalam sebesar tekanan hidrostatik dan di

asumsikan merata sebesar 37400 N/m2. Sedangkan

restraint terjadi pada bagian belakang, samping

kanan dan kiri serta bagian bawah dari bagian sisi

struktur mensimulasikan posisi struktur yang

menempel pada dinding beton pada ketiga sisinya.

Hasil simulasi pengujian tegangan mekanik pada

struktur wadah bahan bakar ditampilkan pada

Gambar 10.

PROSIDING SEMINAR




Gambar 10. Hasil simulasi pengujian tegangan mekanik pada struktur wadah bahan bakar

Gambar 11. Hasil simulasi pengujian translational displacement pada struktur wadah bahan bakar

Hasil tersebut menunjukkan bahwa

tegangan mekanik terbesar terjadi pada bagian

tengah struktur yang tidak menempel pada dinding

beton. Besar tegangan mekanik yang terjadi antara

2,33 x 106 N/m

2 (warna biru muda) sampai dengan

6,99 x 106 N/m

2 (warna kuning). Sedangkan

translational displacement pada struktur yang

terjadi ditampilkan pada Gambar 11.

Hasil perhitungan translational

displacement menggunakan software CATIA V5

R20 menunjukkan translational displacement

terjadi pada bagian tengah struktur yang tidak

menempel pada dinding beton. Besarnya

translational displacement bervariasi (ditunjukkan

dengan warna), displacement terbesar terjadi pada

bagian tengah dari struktur paling atas, yaitu

sebesar 0,105 mm (warna merah).

Pembahasan

Hasil pengujian secara simulasi

menggunakan software CATIA V5 R20 besar

tegangan mekanik yang terjadi pada bak sebesar

1,82 x 104 N/m


4 N/m

2

pada seluruh permukaan. Hal ini disebabkan karena

seluruh permukaan dinding luar ditumpu oleh

struktur akibatnya tegangan mekanik membesar

terjadi pada hampir seluruh permukaan bak. Tetapi

tegangan mekanik terbesar yang terjadi masih jauh

dibawah yield strength paduan aluminium sebesar

9,5 x 107 N/m

2 dan masih berada didaerah elastis

material paduan aluminium. Sedangkan tegangan

mekanik yang terjadi pada struktur bak antara 2,33

x 106 N/m

2 (warna biru muda) sampai dengan 6,99

x 106 N/m

2 (warna kuning) terjadi pada sisi yang

tidak bertumpu (menempel) dinding beton dibagian

PROSIDING SEMINAR




atas. Jika dibandingkan dengan yield strength

material Carbon Steel ASTM A36 yang digunakan

sebesar 2,5 x 108 N/m

2 tegangan mekanik yang

timbul masih lebih kecil dan masih berada didaerah

elatis material. Sehingga jika beban berupa tekanan

dihilangkan maka wadah dan struktur wadah bahan

bakar akan kembali ke bentuk semula.

Hasil pengujian translational displacement

terbesar pada wadah sebesar 1,18 x 10-6

mm terjadi

pada dinding bagian dalam dan relatif sangat kecil.

Dinding bagian luar tidak mengalami displacement

karena bertumpu pada struktur bulk shielding.

Sedangkan pada struktur translational displacement

terbesar sebesar 0,105 mm pada bagian tengah atas,

hal ini menunjukkan bahwa pada bagian tersebut

merupakan bagian terlemah dari struktur.

Translational displacement sebesar 0,105 mm

relatif sangat kecil jika dibandingkan dengan

dimensi struktur sehingga displacement yang terjadi

tidak mengakibatkan perubahan bentuk pada

struktur.

Pada wadah dan struktur bahan bakar tidak

terjadi perubahan bentuk karena tegangan

mekaniknya masih dibawah yield strength dari

masing-masing material yang digunakan dan

translational displacement yang terjadi relatif kecil

sehingga tidak merubah bentuk. Untuk memperjelas

translational displacement yang terjadi pada wadah

dan strukturnya, maka hasil simulasi pengujian

translational displacement diperlihatkan dengan

perbesaran 5000 kali ditampilkan pada Gambar 12.

Gambar 12. Hasil simulasi pengujian translational

displacement dengan perbesaran 5000

kali

Pada perbesaran 5000 kali seperti terlihat

pada Gambar 12 wadah tidak mengalami perubahan

bentuk karena kelima sisi kecuali bagian atas dari

bak ditumpu oleh struktur. Sedangkan pada struktur

wadah terlihat mengalami perubahan bentuk pada

bagian atas sisi yang tidak bertumpu pada dinding

beton. Tetapi translational displacement yang

terjadi pada struktur terbesar 0,105 mm dan hal ini

tidak memberikan risiko yang berarti. Dengan

demikian fasilitas wadah bahan bakar pada bulk

shielding yang terdiri dari wadah bahan bakar dari

material paduan aluminium dan struktur wadah dari

material carbon steel ASTM A36 aman untuk

menerima tekanan pengoperasian ketika digunakan.

KESIMPULAN

Tegangan mekanik terbesar yang timbul

pada wadah sebesar 1,82 x 104 N/m

2 sampai dengan

2,02 x 104 N/m

2 terjadi pada hampir seluruh

permukaan. Sedangkan pada struktur wadah sebesar

2,33 x 106 N/m


6 N/m

2.

Tegangan mekanik tersebut lebih kecil dari yield

strength material paduan aluminium (aluminium

alloy 43) yaitu 9,5 x 107 N/m

2 dan Carbon Steel

ASTM A36 yaitu 2,5 x 108 N/m

2, serta masih

didaerah elastis untuk masing-masing material.

Translational displacement pada wadah sebesar

1,18 x 10-6

mm pada dinding dalam dan pada

struktur wadah sebesar 0,105 mm tidak

mengakibatkan perubahan bentuk pada kedua

bagian wadah bahan bakar pada bulk shielding.

Sehingga fasilitas wadah bahan bakar pada bulk

shielding yang terdiri dari wadah dan struktur aman

untuk menerima tekanan pengoperasian ketika

digunakan.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terimakasih kami sampaikan

kepada para staff Bidang Reaktor di PTAPB-

Yogyakarta yang telah menyampaikan data-data

dan diskusi yang diperlukan untuk menyelesaikan

makalah ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. PURADWI I. W., dkk.,” Aspek Keselamatan

Termalhidarulika Tempat Penyimpanan Bahan

Bakar Di Bulk Shielding”, Dok.Lap.Teknis-

PTAPB No. PTAPB-4.016/2012.

2. Mhd. DAUD PINEM,S.T., “CATIA Si Jago

Desain Tiga Dimensi”, Kawah Media, Jl. H.

Montong No. 57, Ciganjur-Jagakarsa, Jakarta

Selatan 12630, 2009.

3. SRI NITISWATI, Dokumentasi pribadi,

Inspeksi Reaktor Kartini tahun 2009

4. ABDUL HAFIZH dkk, Aluminium Murni dan

Paduannya, Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian

Bogor, 2009

5. http://www.wikipedia.org/wiki/ASTM

A36_steel

PROSIDING SEMINAR




6. F. W. SEARS dan M. W. ZEMANSKY, ”Fisika

Dasar untuk Universitas 1”, Jakarta – New

York, Pebruari 1985.

TANYA JAWAB

Kussigit Apakah simulasi Latia ini mempertimbangkan

faktor usia bahan ?

Deddy Haryanto Simulasi catia ini belum mempertimbangkan

faktor usia bahan namun hal ini dapat diatasi

dengan merubah yield strength yang

diasumsikan menurun/berubah karena usia

atau pengaruh lingkungan

simulasi pengujian kekuatan mekanik wadah...

Documents