Permen PU 01 2014 Standar Pelayanan Minimal Bidang Pekerjaan Umum dan Penataa...
Analisa struktur bangunan air
1. ANALISA STRUKTUR BANGUNAN AIR
PERENCANAAN SALURAN
Bentuk tipe saluran terdiri atas 2 (dua) jenis, yaitu:
1. Saluran terbuka
2. Saluran tertutup
Saluran terbuka
Saluran terbuka adalah bentuk saluran yang sisi bagian atasnya terbuka ke atmosfer. Pergerakan
pada saluran terbuka disebabkan oleh gaya gravitasi dan umumnya mempunyai daya hidrostatis
yang terdistribusi dan selalu turbulen.
Saluran tertutup
Saluran tertutup adalah yang adalah saluran yang seluruh sisinya ditutup tidak ada kontak
langsung dengan tekanan atmosfer tetapi hanya dengan tekanan hidraulik.
Sedangkan berdasarkan material konstruksinya, saluran drainase dapat dibedakan atas beberapa
macam, yaitu:
a. Saluran tanah
b. Saluran pasangan batu
c. Saluran beton
d. Saluran dengan perkuatan kayu
Sesi berikut meperkenalkan konsep dasar dari saluran terbuka dengan aliran dalam saluran
tertutup. Pembahasan tentang rumus-rumus berikut dipergunakan untuk menggambarkan
kondisi aliran stasioner (tetap atau seragam) dan instasioner (tidak tetap atau tidak seragam),
energi aliran dan efek back-water dalam saluran terbuka. (Chow, 1959)
PERSAMAAN ALIRAN DALAM SALURAN TERBUKA
Kecepatan aliran dalam saluran terbuka dalam praktek sehari-harinya, dilakukan dengan
menggunakan persamaan-persamaan empiris hasil percobaan. Persamaan-persamaan yang
penting bagi saluran terbuka ini yaitu:
1. Persamaan Chezy
Oleh seorang insinyur Perancis Antoine Chezy pada tahun 1769 yang dikenal dengan
persamaan persamaan Chezy
1
2. V = C R.S
dimana : C = koefisien resistan Chezy.
Sf = kemiringan dari garis energi gradien (m/m)
Dengan catatan bahwa aliran harus uniform, Sf harus sama dengan kemiringan dasar
saluran.
2. Persamaan Strickler
V = k str .R 1 / 6 . R.S = k str .R 2 / 3 .S 1 / 2
Sehingga C = k str .R 1 / 6
Dimana:
R : jari-jari hidrolis (A/P)
A : luas penampang basah saluran (m2)
P : keliling basah saluran (m)
S : kemiringan dasar saluran
k : koefisien Strickler
3. Persamaan Manning
Persamaan berikut oleh Robert Manning, seorang insinyur Inggris tahun 1889:
1
V = .R 2 / 3 .S 1 / 2
n
Dimana : C = koefisien dari de Chezy
1
kstr = koefisien dari Strickler =
n
Persamaan Manning ini dapat dipecahkan dengan menggunakan nomogram yang
dikenal dengan Manning Nomogram. (Gambar 1)
Persamaan Manning adalah dalam formula metrik, bandingkan persamaan
Manning dengan Chezy sehingga didapat :
1 1/ 6
C= .R
n
2
3. Untuk menghitung kapasitas aliran kalikan persamaan Manning dengan luas
penampang saluran sehingga diperoleh:
1
Q = A ⋅ .R 2 / 3 .S 1 / 2
n
Dimana Q = debit aliran m3/s, A = Luas penampang aliran m2 , n = koefisien
kekasaran manning.
Kecepatan aliran ditentukan oleh radius hidraulik dan tidak tergantung oleh bentuk dari profil
saluran.
PERSAMAAN ALIRAN DALAM SALURAN TERTUTUP
Rumus Hazen William ( dipergunakan untuk pipa diameter ø ≥ 50 mm )
Q = 0,27853 C–0,38 D 2,63 h 0,54 Ll -0,54
Dimana :
Q = debit atau aliran ( m3 /det )
D = diameter pipa ( m)
C = koefisien kecepatan
h = kehilangan tekanan
L = panjang pipa
3
5. Gambar 1. Nomogram n-Manning
Tabel 1. Koefisien Kekasaran Manning
N
Permukaan
Minimum Maksimum
Permukaan yang dilapisi
Permukaan dari acian semen yang rapi 0,010 0,013
Permukaan saluran yang terbuat dari kayu 0,010 0,014
Saluran yang terbuat dari papan halus 0,010 0,017
Pipa air limbah yang terbuat dari besi patri (kasar) 0,010 0,015
Saluran yang terbuat dari metal logam (halus) 0,011 0,013
Beton precast 0,011 0,015
Permukaan dari mortar semen 0,011 0,015
Saluran terbuat dari papan tidak halus 0,011 0,015
Ubin untuk drainase 0,011 0,017
Beton monolit 0,012 0,016
Pelapis besi 0,013 0,017
Permukaan semen yang kasar 0,017 0,030
Kanal
Hasil pengerukan tanah halus 0,025 0,033
Pada batuan yang dipotong halus 0,025 0,035
Dengan dasar dan sisi-sisinya ditumbuhi rumput liar 0,025 0,040
Pada batuan yang dipotong kasar dan tidak rata 0,015 0,045
Saluran Alam
Halus dan lurus 0,025 0,033
Dengan kondisi dipenuhi rumput dan bebatuan 0,045 0,060
Yang dalam dan dipenuhi rumput 0,075 0,150
Dataran
Padang rumput 0,025 0,050
Semak-semak 0,035 0,160
Pepohonan
- Padat 0,011 0,200
- Jarang 0,030 0,050
- Dengan pohon yang besar-besar 0,080 0,120
5
6. Sedangkan saluran berdasarkan material saluran menentukan kecepatan maksimum dan
minimum yang diizinkan yang dipengaruhi oleh proses sedimentasi dan erosi.
BANGUNAN PELENGKAP
Disamping fungsi, bentuk dan jenis material saluran seperti diuraikan di atas, saluran drainase
erat dengan bangunan pelengkap, diantaranya:
a. Gorong-gorong
b. Kolam tandon atau kolam penampungan sementara (kolam retensi)
c. Bangunan terjunan
Persamaan yang umum digunakan antara lain:
KEDALAMAN KRITIS
Kedalaman kritis (yc) untuk satuan aliran q yang konstan dalam saluran segi empat terjadi ketika
energi spesifik minimum.
2
yc = 3 q 2 / g = E c = Vc2 / g
3
Dari persamaan ini didapat;
Vc = gy c atau Vc = gy c = 1 untuk aliran kritis
Dengan demikian, jika Nilai Froude N F = Vc / gy c = 1, terjadi aliran kritis. Jika NF > 1,
terjadi aliran superkritis (aliran yang cepat) dan jika NF < 1, terjadi aliran subkritis.
PERSAMAAN BACK WATER DAN DRAW DOWN
Membentuk persamaan antara jarak – energi – slope untuk aliran non-uniform, dengan
mempergunakan persamaan energi, seksi 1 sampai seksi 2 dalam arah aliran dengan datum
dibawah dari dasar saluran, didapat:
Energi di seksi 1 – head lost = energi di seksi 2
( z1 + y1 + V12/2g ) – hL = ( z2 + y2 + V22/2g)
kemiringan dari garis energi S adalah hL/L, sehingga hL = SL. Kemiringan dari dasar saluran
S0 adalah (z1 – z2)/L, sehingga z1 – z2 = S0 L, sehingga:
S0 L + ( y1 – y2 ) + ( V12/2g – V22/2g ) = S L
6
7. Atau L dalam meter =
(y 1 ) (
+ V12 / 2 g − y2 + V22 / 2 g )
E − E2
= 1
S − S0 S − S0
Dimana S0 = kemiringan dasar dari saluran dan S = kemiringan dari garis energi.
Untuk penghitungan dengan selang interval jarak dengan perubahan kedalaman saluran yang
sama, dapat dihitung kemiringan garis energi S sebagai berikut ;
2
n.V 2
Vrata − rata
S = 2rata − rata
R /3
atau
rata − rata C 2 Rrata − rata
sehingga L dalam meter =
(y
1 ) (
+ V12 / 2 g − y2 + V22 / 2 g )
2
n.Vrata−rata
2/3
R − S0
rata−rata
Profile permukaan untuk kondisi aliran yang secara bertahap berubah pada saluran segi empat
yang lebar dapat dihitung dengan persamaan berikut ini:
dy S0 − S
=
(
dL 1 − V 2 / gy )
Jika dy/dL nilainya positif maka kedalaman saluran bertambah di sebelah hilir.
BACKWATER PADA PILAR / PONDASI JEMBATAN
Rumus Back water dari Rechbock
V2 V
hs = ζB . ( 1 + Fr ) .
2 _____
Fr = _____
2g √ g.h
Koefisien kehilangan energi ζB
ζB = [ δ - α (δ - 1 ) ] ( 0.4 α + α2 + 9 α4 )
7
8. h
b
Keterangan :
ho = kedalaman air bagian atas m
Hu = kedalaman air bagian belakang m
H i = keadaan air pada kondisi aliran meluncur m
H gr = kedalaman kritis m
d = tinggi gorong-gorong bagian dalam m
h = kedalaman air m
hs = back-water m
Q = debit di gorong-gorong m 3/s
GORONG-GORONG PENGURAS
ls.l + d =hs = d+ h E
V2 V2
dengan hs = hE –ls.l hE =∑ ζ1. = ( ζe +ζr +ζa ). _______
______
2.g 2.g
1 V2 1
hE = ( 0,5 + λ . ___
+ 1,0 ). _____
hs = ( 1,5 + λ . ___ + 1,0 ). ls.l
d 2.g d
8
9. A. Standar Perencanaan
Standar perencanaan yang dipakai mengacu kepada standard dan peraturan yang berlaku,
seperti:
a) Peraturan Muatan Indonesia (PMI, 1983)
b) Peraturan Beton Indonesia (PBI, 1973)
c) Peraturan Bangunan Baja Indonesia (PBBI, 1983)
d) Peraturan Konstruksi Kayu Indonesia (PKKI, 1970)
e) Standard dan peraturan lainnya dapat digunakan sebagai referensi dengan penyesuaian
kepada kondisi setempat dan sejauh tidak menyimpang dan dapat diterapkan di
Indonesia.
Perencanaan konstruksi diarahkan kepada perhitungan stabilitas dan kekuatan sendiri, setelah
dimensi hidraulik ditetapkan dengan tujuan mendapatkan bentuk, jenis dan ukuran konstruksi
bangunan air serta pondasi yang aman dan memenuhi persyaratan stabilitas konstruksi.
B. Standar Beban
Kriteria beban terdiri atas:
1. Beban mati (dead load)
2. Beban rencana (design load)
a) Beban Mati, merupakan berat sendiri. Konstruksi tergantung pada volume konstruksi
dan berat jenisnya (PMI)
Bahan Berat Jenis (ton/m3)
Air 1.0
Beton bertulang 2.4-2.5
Beton 2.2-2.3
Pasangan batu 2.2
Lapisan batu bata 1.75
Tanah urug padat 1.80
Kerikil 1.90
Adukan semen 2.15
Baja 7.85
Baja tuang 7.25
Aspal beton 2.20
Sumber: PMI, 1983
9
10. b) Beban Rencana
Beban rencana mengacu pada landasan teknis yang berlaku di Indonesia. Untuk
konstruksi bangunan air, beban rencana terdiri atas:
• Tekanan hidrostatis
• Tekanan ke atas (up lift pressure)
• Tekanan tanah lateral
Kriteria beban rencana sebagai input perhitungan dapat diuraikan sebagai berikut:
1) Tekanan hidrostatis oleh air
• Berlaku untuk bangunan yang terendam sebagian atau seluruhnya dalam air.
• Besaran tekanan hidrostatis adalah 1 ton m2 per meter kedalam vertikal air
dengan arah gaya lurus bidang sasaran.
2) Tekanan ke atas
• Disesuaikan dengan besaran hidraulik gradien dan diperhitungkan efektif
dasar pondasi (daya angkut air tanah)
• Pengaruh uplift diperhitungkan terhadap stabilitas konstruksi, sedangkan
hidraulik gradien terhadap rembesan (piping)
3) Tekanan tanah lateral
• Tekanan tanah diperhitungkan arah horizontal yang bekerja pada dinding
saluran atau bangunan air, baik secara sendiri maupun kombinasi dengan
tekanan oleh pengaruh air tanah, tergantung pada tinjauan setempat.
• Diperhitungkan dengan menggunakan rumus Rankine, sebagai berikut:
Pa = ½ ρ H Ka
Dimana;
Pa : tekanan tanah aktif (t/m2)
Ka : koefisien tekanan tanah aktif (+)
H : tinggi dinding (m)
ρ : berat volume tanah (t/m3)
C. Stabilitas Struktur
a) Stabilitas struktur penahan tanah
Stabilitas struktur penahan tanah akan dikontrol terhadap kekuatan hancur, geser/
gelincir dan guling.
Faktor keamanan tersebut di atas akan dihitung berdasarkan rumus sebagai berikut:
10
11. daya dukung ultimate (batas )
1. F kekuatan pondasi =
tekanan tan ah akibat pembebanan
jumlah daya tahan tan ah
2. F gelincir =
jumlah daya pendorong
jumlah momen untuk tahanan guling
3. F guling =
tekanan tan ah akibat pembebanan
Untuk membuat suatu dinding penahan aman terhadap guling, maka resultan gaya yang
bekerja arah vertikal dan horizontal harus berada di 2/3 dasar.
Jika e < B/6, maka struktur aman terhadap guling.
Safety factor (faktor keamanan) terhadap guling (Fo) adalah perbandingan antara
stabilitas momen dibagi dengan momen penahan terhadap guling yang ditimbulkan
akibat gaya vertikal dengan momen guling akibat gaya horizontal.
Ms
Fo =
Mo
Dimana;
Fo : faktor aman terhadap guling
Ms : total momen penahan (t.m)
Mo : total momen guling (t.m)
b) Tinjauan terhadap geser
Safety factor (angka keamanan) terhadap geser/gelincir (Fs) adalah perbandingan antara
total gaya penahan tanah (total gaya vertikal) dengan total gaya pendorong (total gaya
horizontal)
f ×V
Fs = > 1.5
H
Dimana;
Fs : faktor aman terhadap geser/gelincir
V : total gaya vertikal (ton)
H : total gaya horizontal (ton)
f : koefisien gesekan
11
12. No Material Koefisien kekasaran
1. Tanah bermotif besar dan tidak 0.55
mengandung silt atau clay
2. Coarse – Grained Soil mengandung Silt 0.45
atau Clay
3. Silt atau Clay 0.35
c) Stabilitas terhadap daya dukung
Agar suatu dinding penahan tidak mengalami settlement maka compressive stress dasar
harus lebih kecil daripada bearing capacity of foundation.
V 6e
Fd = (1 ± ) < γ tanah
A B
Dimana;
A : vertical compressive stress
B : lebar dasar (m)
V : total gaya vertikal (ton)
e : eccentricity (m)
12
13. CONTOH-CONTOH PERHITUNGAN
Contoh ke 1. Menghitung kecepatan aliran dalam pipa sewer dan kecepatan aliran
dalam saluran terbuka
Dua jenis saluran beton bagi drainase air hujan akan dibandingkan :
- pipa, diameter 2,0 dengan aliran pipa yang penuh.
- Saluran terbuka, profil persegi-empat dengan lebar 2,0 m dan ketinggian air 1,0 m.
Saluran mempunyai kemiringan dasar sebesar 1 0/00. nilai koefisien Strickler 75 m1/3/det.
a. Hitung kecepatan dari aliran dan debit dari saluran pipa drainase.
b. Hitung kecepatan dari aliran dan debit dari saluran terbuka.
Jawab :
a. D = 2,0 m
S = 0,001 D=200
A = ¼ π D2 = ¼ . π . (2,0)2 = 3,1416 m2
A 1 / 4.π .D 2
R= = = 0,25 D = 0,50 m
P π .D
V = k str .R 2 / 3 .S 1 / 2 = 75 (0,5)2/3 (0,001)1/2 = 1,49 m/det
Q = V A = 1,494 x 3,1416 = 4,69 m3/det
b. h = 1,00 m
b = 2,00 m
A = 2,00 m2
R = A/P = 2/4 = 0,5 m
V = 75 (0,5)2/3 (0,001)1/2 = 1,49 m/det
Q = 2,98 x 2,0 = 2,98 m3/det.
Catatan : radius hidraulik dan kecepatan aliran kedua profile sama, tapi debit berbeda.
13
14. Contoh ke 2 : Menentukan besaran aliran uniform
Saluran berbentuk trapesium dengan lebar dasar sebesar 6096 mm dan mempunyai kemiringan
sisinya 1 : 1, aliran air dengan kedalaman 1219 mm dengan kemiringan saluran sebesar 0,0009.
dengan koefisien kekasaran saluran n = 0,025, berapa besaran aliran uniformnya?
Jawab:
Luas penampang saluran A = [(6096 + 1219)1219]/106 = 8,917 m2
R = 8,917 /[6,096 + 2(1,219 2 )] = 0,934.m
AR 2 / 3 .S 1 / 2
Q=
n
Q = (8,917/0,025)(0,934)2/3(0,03) = 10,22 m3/det
Contoh ke 3 : Menentukan kemiringan dasar pipa
Berapakah kemiringan dasar pipa saluran berdiameter 610 mm yang diperlukan untuk
mengalirkan air sebesar 0,17 m3/det dengan kedalaman aliran setengah penuh? Dan berapa
kemiringan yang dibutuhkan apabila pengaliran dengan aliran penuh? Apabila n = 0,013.
Jawab:
11 2
πd
luas 24 1
Jari-jari hidraulik = = = d = 152,5 mm
keliling.basah 1
(πd ) 4
2
A 2/3 1/2 1 π (0,61) (0,1525)
2 2/3
a. Q = 0,17 = R S = S 1/ 2
n 24 0,013
S = 0,0532 sehingga S = 0,00283
b. R = ¼ d = 152,5 mm dengan cara yang sama A = ¼ π (0,61)2
S = 0,0266 sehingga S = 0,00071
14
15. Contoh Soal ke 4 : Menentukan kedalaman ktitis Y
Saluran berbentuk persegi empat mengalirkan air sebanyak 5,66 m3/det,
Berapakah kedalaman kritis yc dan kecepatan kritisnya pada ;
a. lebar saluran sebesar 3,66 m
b. lebar saluran sebesar 2,74 m
c. berapa kemiringan saluran sehingga terjadi kecepatan kritis pada pertanyaan (a) jika n = 0,02
Jawab :
(a) y c = 3 q 2 / g = 3 (5,66 / 3,66 ) / 9,81 = 0,625 m
2
Vc = gy c = 9,81 × 0,625 = 2,48 m/det.
(b) y c = 3 q 2 / g = 3 (5,66 / 2,74 ) / 9,81 = 0,756 m
2
Vc = gy c = 9,81 × 0,756 = 2,72 m/det.
R 2 / 3S 1/ 2
(c) Vc =
n
2/3
1 3,66 × 0,625
2,48 = S 1/ 2
0,02 4,91
S = 0,0068
Contoh ke 5 : Menentukan energi spesifik dan aliran subkritis dan superkritis
Saluran berbentuk persegi empat dengan lebar 9,14 m, mengalirkan air sebanyak 7,64 m3/det.
Dengan kedalaman aliran sebesar 914 mm, hitung :
a) besar energi spesifiknya.
b) apakah alirannya subkritis atau superkritis?
Jawab :
2 2
V2 1 Q 1 7,64
(a). E = y + =y+ = 0,914 + = 0,957 m.
2g 2g A 19,62 9,14 × 0,914
(b). y c = 3 q 2 / g = 3 (7,64 / 9,14 ) / 9,81 = 0,415 m
2
alirannya adalah subkritis karena kedalamannya lebih besar daripada aliran kritisnya.
15
16. Contoh soal ke 6 :
Saluran segi-empat dengan n = 0,013 dengan lebar 1,83 m dan mengalirkan air sebanyak1,87
m3/det. Pada seksi F kedalaman saluran 975 mm. Jika kemiringan dasar saluran tetap 0,0004,
berapa jarak dari F dimana saluran mempunyai kedalaman 823 mm.
Jawab :
Diandaikan kedalaman 823 mm tersebut terjadi di sebelah hulu seksi F.
A1 = 1,83 (0,823) = 1,506 m2,
V1 = 1,87/1,506 = 1,24 m/det,
R1 = 1,056/3,476 = 0,433 m.
A2 = 1,83 (0,975) = 1,784 m2,
V2 = 1,87/1,784 = 1,05 m/det,
R2 = 1,784/3,78 = 0,472 m.
Sehingga ; Vrata-rata = 1,145 dan Page 16 of 18
Rrata-rata = 0,4525,
kemudian untuk aliran non-uniform :
L=
(V 2
2
) ((
/ 2 g + y 2 − V 12 / 2 g + y 1 )) = (0,056 + 0,975 ) − (0,078 + 0,823 ) = - 5
S0 − S 0 ,013 x1,145
2
0 ,0004 −
(0 , 4525 )2 / 3
Tanda minus menandakan seksi yang diandaikan disebelah hulu F adalah keliru, dan seharusnya
terletak di sebelah hilir seksi F.
Untuk penghitungan back-water jarak antar seksi dibuat beberapa jarak yang kecil-kecil
sehingga akan lebih teliti lagi menggambarkan lengkung kemiringan back-water.
Contoh ke 7 : Menentukan kedalaman aliran
Free board 0.5 m Q = 250 m 3/s
k = 28
B= 16,0m
16
17. b=16 ,0 m
n= 2.5
I + 2 % = 2/1000
K = 28
Rumus –rumus untuk hitungan.
A= b.h +n.h2 U =b+2h √ 1+n 2 R = A/U V =
1
.R 2/3
.S 1 / 2
n
Q = v.A
k.I ½ = 1,252
H (m) A ( m2 ) U(m) R (m ) V (m/s) Q ( m3/s)
0,5 8,63 18,69 0,46 0,75 6,45
1,0 18,50 21,39 0,87 1,14 21.0
2,0 42,00 26,77 1,57 1,69 71,0
3,0 70,50 32,16 2,19 2,11 149
4,0 104,00 37,54 2,77 2,47 257
3,94 101,85 37,22 2,74 2,45 250
Kedalaman (m)
5,0
h dapat dihitung
4,0
3,0
2,0
1,0
0
0 50 100 150 200 250 300
Debit Q ( m3/s)
17
18. DAFTAR PUSTAKA
1. Urban Drainage Guidelines and Technical Design Standards
2. Hidrolika Terapan : Dr. Ing. Ir. Agus Maryaono dkk.
3. Water Treatment Handbook ; Degremont
4. V.T Chow 1959 Open Channel Hydraulics. McGraw-Hill Book Company, Inc
18