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

2

SRCV .=

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

2/13/26/1 ..... SRkSRRkV strstr ==

Sehingga 6/1.RkC str=

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:

2/13/2 ..1

SRn

V =

Dimana : C = koefisien dari de Chezy

kstr = koefisien dari Strickler = n

1

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 :

6/1.1

Rn

C =

3

Untuk menghitung kapasitas aliran kalikan persamaan Manning dengan luas penampang saluran sehingga diperoleh:

2/13/2 ..1

SRn

AQ ⋅=

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

4

5

Gambar 1. Nomogram n-Manning Tabel 1. Koefisien Kekasaran Manning

Permukaan N

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

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.

gVEgqy ccc /3

2/ 23 2 ===

Dari persamaan ini didapat;

cc gyV = atau 1== cc gyV untuk aliran kritis

Dengan demikian, jika Nilai Froude ,1/ == ccF gyVN 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 + V1

2/2g ) – 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 ) + ( V1

2/2g – V22/2g ) = S L

7

Atau ( ) ( )

0

21

0

222

211 2/2/

SS

EE

SS

gVygVymeterdalamL

−−=

−+−+=

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

3/2

.

=

−

−

ratarata

ratarata

R

VnS atau

ratarata

ratarata

RC

V

−

−2

2

sehingga ( ) ( )

0

2

3/2

222

211

.

2/2/

SR

Vn

gVygVymeterdalamL

ratarata

ratarata −

+−+=

−

−

Profile permukaan untuk kondisi aliran yang secara bertahap berubah pada saluran segi empat yang lebar dapat dihitung dengan persamaan berikut ini:

( )gyV

SS

dL

dy

/1 20

−−

=

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 )

8

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

b

h

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 hE

= ( 0,5 + λ . ___ + 1,0 ). _____ d 2.g

1 hs

= ( 1,5 + λ . ___ + 1,0 ). ls.l

d

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

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:

11

1. F kekuatan pondasi = pembebananakibatahtekanan

batasultimatedukungdaya

tan

)(

2. F gelincir = pendorongdayajumlah

ahtahandayajumlah tan

3. F guling = pembebananakibatahtekanan

gulingtahananuntukmomenjumlah

tan

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.

Fo = Mo

Ms

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)

Fs = H

Vf × > 1.5

Dimana; Fs : faktor aman terhadap geser/gelincir V : total gaya vertikal (ton) H : total gaya horizontal (ton) f : koefisien gesekan

12

No Material Koefisien kekasaran 1. Tanah bermotif besar dan tidak

mengandung silt atau clay 0.55

2. Coarse – Grained Soil mengandung Silt atau Clay

0.45

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.

Fd = )6

1(B

e

A

V ± < γ tanah

Dimana; A : vertical compressive stress B : lebar dasar (m) V : total gaya vertikal (ton) e : eccentricity (m)

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 A = ¼ π D2 = ¼ . π . (2,0)2 = 3,1416 m2

R = D

D

P

A

.

..4/1 2

ππ= = 0,25 D = 0,50 m

== 2/13/2 .. SRkV str 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.

D=200

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

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:

Jari-jari hidraulik =

( )d

d

d

basahkeliling

luas

4

1

2

14

1

2

1

.

2

=

=π

π= 152,5 mm

a. Q = 0,17 = n

AR2/3S1/2 =

( ) ( ) 2/13/22

013,0

1525,061,0

42

1S

π

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

mR .934,0)]2219,1(2096,6/[917,8 =+=

n

SARQ

2/13/2 .=

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) ( ) 625,081,9/66,3/66,5/ 3 23 2 === gqyc m

625,081,9 ×== cc gyV = 2,48 m/det.

(b) ( ) 756,081,9/74,2/66,5/ 3 23 2 === gqyc m

756,081,9 ×== cc gyV = 2,72 m/det.

(c) n

SRVc

2/13/2

=

2,48 = 2/1

3/2

91,4

625,066,3

02,0

1S

×

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 :

(a). 957,0914,014,9

64,7

62,19

1914,0

2

1

2

222

=

×+=

+=+=A

Q

gy

g

VyE m.

(b). ( ) 415,081,9/14,9/64,7/ 3 23 2 === gqyc m

alirannya adalah subkritis karena kedalamannya lebih besar daripada aliran kritisnya.

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 :

( ) ( )( ) ( ) ( )

( )

=

−

+−+=−

+−+=

2

3/2

0

12

122

2

4525,0

145,1013,00004,0

823,0078,0975,0056,02/2/

xSS

ygVygVL - 5

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

Q = 250 m 3/s

k = 28

B= 16,0m

Free board 0.5 m

17

b=16 ,0 m n= 2.5 I + 2 % = 2/1000 K = 28 Rumus –rumus untuk hitungan.

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

A= b.h +n.h2 U =b+2h √ 1+n 2 R = A/U 2/13/2 ..1

SRn

V =

Q = v.A

Ked

alam

an (

m)

Debit Q ( m3/s)

0 50 100 150 200 250 300

0

1,0 2,0 3,0

4,0 5,0

h dapat dihitung

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