BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI. Menurut Heru Rusyanto dan M. Khafid dalam penelitianya.efisiensi Distribusi

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Menurut Heru Rusyanto dan M. Khafid dalam penelitianya.efisiensi Distribusi Jaringan Pipa Air Bersih Di Perumahan Puri Hijau Purwokerto, Dari hasil analisis nilai efisiensi yang didapat adalah 76,28 %,dengan jumlah debit terbuang sebesar 23,22 % atau sekitar 0, m 3 /dt. Dari hasil pengamatan dan pembahasan masalah Heru Rusyanto dan M. Khafid dapat disimpulkan bahwa nilai efisiensi dipengaruhi oleh pemakaian pelanggan, bocoran, eksploitasi, kelebihan debit melalui Blow Off dan pipa pengalih. Menurut Dadang Hikayat dan Zaenal Arifin dalam penelitianya.distibusi Debit Air Bersih DI Perumahan Griya Tegal Sari Indah Desa Bojongsari, Dengan debit Input sebesar ltr/det, distribusi pipa air bersih pada Perumahan Griya Sari Desa Bojongsari dengan jumlah sambungan rumah (SR) sebanyak 308 SR memerlukan ltr atau ltr/det. Pemakaian debit untuk 1 sambungan rumah (SR) adalah 900 ltr/det dengan batasan pemakaian minimal 10 m 3 sehingga untuk pemakaian 1 bulan untuk 1 sambungan rumah (SR) adalah 27m 3. Dari hasil pengamatan dan pembahasan masalah Dadang Hikayat dan Zaenal Arifin adalah Mengingat Tegal Sari Indah Desa Bojongsari berjumlah besar namun dalam pelaksanaanya harus bisa seefektif mungkin. Hal ini ditujukan agar air bersih lebih efisien dan tepat guna. 4

2 2.2 Landasan Teori Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran dan digunakan untuk mengaliri Fluida dengan tampang aliran penuh. Fluida yang dialiri pipa biasanya berupa zat atau gas dan tekanan didalamnya biasanya lebih besar atau lebih rendah dari tekanan Atmosfer. Apabila zat cair dalam pipa tidak penuh akan termasuk dalam saluran terbuka karena bebas, tekanan dipermukaan zat cair disepanjang saluran terbuka adalah Tekanan Atmosfer. Yang dimaksud dengan Jaringan Pipa (Perpipaan) adalah Suatu sistem perpipaan pada suatu instalasi atau struktur pada suatu kawasan permukiman dimana digunakan sebagai alat transportasi dari aliran yang berupa gas atau cairan (Raswari, 1986, hal 123). Pemakaian jaringan pipa salah satunya terdapat pada sistem distribusi air minum. Sistem ini merupakan bagian yang paling mahal dari suatu perusahaan air minum oleh karena itu harus dibuat perencanaan yang teliti untuk mendapatkan sistem distribusi debit air standar. Perhitungan,perencanaan,dan pelaksanaan sistem perpipaan akan semakin rumit dan komplek, oleh karena itu pemakaian computer untuk analisis ini akan mengurangi kesulitan. Untuk jaringan kecil pemakaian kalkulator untuk hitungan masih dilakukan,ada beberapa metoda untuk menyelesaikan perhitungan sistem jaringan pipa diantaranya adalah Metode Perhitungan Kontinuitas,Hardy-Cross Karena meluasnya kawasan layanan dan bertambahnya pelanggan pada perencanaan jaringan pipa air bersih PDAM pada Perumahan Sogra Puri Indah Dea Tambak Sogra Banyumas, maka langkah antisipasi terhadap masalah ini PDAM Kab. Banyumas menugaskan sepenuhnya pada bagian perencanaan dan teknik PDAM Kab. Banyumas. 5

3 Pada pelaksanaan pemasangan jaringan di lapangan umumnya bagian yang akan dipasang telah melalui proses pabrikasi terutama pada jaringan-jaringan berdiameter besar dan rumit. Perpisahan akan digunakan untuk sistem sebagai berikut : 1. Air jernih termasuk air hujan, air pembersih,hydrant, yang biasa digunakan, dikumpulkan, serta dipisahkan dari minyak yang mungkin terdapat dalam sistem tersebut atau menuju sistem tersebut (sungai atau kolam). 2. Pembuangan air atau minyak, pembuangan kotoran manusia (rumah tangga, industri), kombinasi dari pembuangan,perkumpulan dari seluruh pembuangan. Dalam sistem jaringan yang begitu luas,penggunaan material untuk kontruksi akan berbeda-berbeda. Untuk perhitungan juga harus diperhatikan aliran apa yang akan melalui jaringan pipa tersebut. Dalam perencanaan struktur juga diperhatikan aliran apa yang akan melalui jaringan pipa tersebut. Dalam perencanaan strutur,perlu dicantumkan jarak elevasi dari permukaan tanah kedalam jalur pipa bawah tanah. Begitu juga ketebalan,anti karat,isolasi,selubung atau perlindungan pipa bawah tanah. Aliran dari Fluida akan ditentukan dari banyak atau sedikitnya Slope atau sistem gravitasi dan hubungan ini timbal balik, perlu dipertimbangkan pula elevasi dari tempat induk input pipa. Pekerjaan pemasangan jaringan perpipaan di lapangan dapat dikelompokkan menjadi tiga bagian yaitu : a. Di atas tanah b. Di bawah tanah c. Di bawah air (dalam air) Untuk pemasangan sistem pada ketiga tempat ini baik pipa proses maupun pipa Utility, mempunyai permalahan tersendiri disini hanya akan membahas pada pipa bawah 6

4 tanah karena proses analisis tertumpu pada jaringan yang menggunaan pamasangan jaringan dibawah tanah Pemasangan Pipa Di Atas tanah Pemasangan pipa ini menggunakan rak pipa diatas penyangga. Penyangga dari baja ataupun beton dapat juga kita jumpai pada daerah jembatan.aquadeck, talang dan lain-lain Pemasangan Pipa Di Bawah tanah Jaringan perpipaan untuk air bersih pada umumya dipasang di bawah tanah. Untuk pipa bawah tanah tanah dapat digunakan untuk pipa prose dan utility. Pada pipa bawah tanah yang lebih sering digunakan adalah pipa Utilitas yang diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu : 1. Pipa aliran yang berdasarkan gravitasi 2. Pipa aliran dengan sistem aliran bertekanan Sistem gravitai tergantung dari pusat gravitasi, oleh karena itu akibat jalur perpipaan harus mempunyai slope, disarankan mempunyai perbandingan Slope 1 : 100 untuk setiap jalur dibawah tanah. Pengetahuan perpipaan merupakan sarana dasar pengetahuan dalam perhitungan perencanaan dan pelaksanaan serta pengontrolan perpipaan berikutnya. Di lapangan kita banyak menemukan berbagai jenis pipa,namun jenis pipa secara umum dikelompokan menjadi dua bagian yaitu : 1. Jenis pipa tanpa sambungan (pembuatan pipa tanpa sambungan pengelasan) 2. Pipa dengan sambungan (baut dan las) Pada jaringan pipa air bersih, jenis pipa yang sering digunakan adalah pipa dengan bahan dari PVC (Polly Vinil Chloid) dan pipa Galvanees (pipa baja dengan lapis timah/seng). 7

5 Komponen Perpipaan Pada pembuatan jaringan pipa banyak terdiri dari komponen-komponen sebagai pembantu dan pelengap. Komponen perpipaan harus dibuat berdasarkan spesifikasi standar yang terdaftar dalam simbol dan kode yang telah dibuat atau dipilih sebelumnya. Komponen perpipaan yang dimaksud disini meliputi : 1. Pipes (pipa-pipa) 2. Flanger (Flen-flens) 3. Fitting (Sambungan) 4. Valves (katup) 5. Bolting (Baut) 6. Gazzket (Perpak) 7. Perial Item (bagian khusus) Dalam memilih bahan haruslah disesuaikan dengan pembuatan teknik perpipaan yang hal ini dapat dilihat dari fungsi penggunaan dan jenis zat mengalir dalam pipa Macam Sambungan dan Tipe Sambungan Sambungan perpipaan dapat dikelompokan sebagai berikut : 1. Sambungan dengan menggunakan pengelasan. 2. Sambungan menggunakan ulir. Selain sambungan seperti diatas,terdapat juga penyambungan khusus dengan pengeleman (perekat), serta pengkleman (untuk pipa plastic dan Vibre Glass). Pada perpiaan untuk air berih umunya digunakan pipa bertekanan rendah dan pipa yang dibawah saja yang menggunakan sambungan ulir. 8

6 berikut : Untuk tipe sambungan cabang (brance Connection) dapat dikelompokan sebagai 1. Sambungan langsung (Stub In) 2. Sambungan dengan menggunakan Fitting (alat penyambung) 3. Sambungan dengan menggunakan Flages (Flens-flen) Untuk tipe ambungan cabang dapat juga ditentukan spesifikasi yang telah dibuat sebelum mendesain atau juga dapat dihitung dengan berdasarkan perhitungan kekuatan, kebutuhan dengan tidak melupakan factor Efektifitas dan efisiensinya Diameter,Ketebalan dan Skedul Spesifikasi umum dapat dilihat pada ASTM (American Standar Of Testing materials) yang menerangkan diameter, skedul, dan ketebalan pipa. Diameter luar (Outside Diameter) ditetapan sama walaupun ketebalan (Thickness) berbeda untuk untuk setiap skedul. Diameter nominal adalah diameter yang dipilih untuk pemasaran dan perdagangan (commodity), ketebalan dan skedul saling terkait,hal ini disebabkan ketebalan pipa tergantung daripada skedul pipa itu sendiri. Skedul pipa dapat dikelompokkan sebagai berikut : 1. Skedul 5,10,30,40,60,80,100,120, Skedul Standard 3. Skedul ekstra Song. XXS. 4. Skedul special 9

7 Fungsi pengelompokan Skedul adalah : 1. Menahan Internal Preasure dari Flow. 2. Kekuatan dari material itu sendiri (Strenght of Materials) 3. Mengatasi karat (korosif) 4. Mengatasi kegetasan pipa Debit Debit adalah volume air yang mengalir melewati sesuatu penampang melintang dalam suatu alur (Chanel), pipa, akuifer, ambang, persatuan waktu dan sebagainya (Teknologi dan Perencanaan Sistem Perpipaan Jilid I, C.D, Soemarto,1999). Dalam hitungan praktis, rumus yang digunakan adalah persamaan kontinuitas, Q = A.V dengan A adalah tampang aliran. Apabila kecepatan dan tampang aliran dapat dihitung maka debit aliran dapat dihitung, demikian pula jika kecepatan dan debit aliran diketahui maka dapat tampang aliran untuk melewatkan debit tersebut, dengan kata lain saluran dapat ditetapkan. Debit aliran ditentukan berdasarkan kebutuhan air dalam suatu proyek (kebutuhan air dalam suatu kota). Dengan demikian besar debit aliran adalah sudah ditentukan, berarti ntuk menghitung tampang aliran harus dihitung terlebih dahulu kecepatan dalam V. Pada jaringan perpipaan pengukuran pengukuran debit biasa dilakukan dengan mengukur kecepatan aliran ditinjau dari elevasi yang ada, jika jenis aliran karena slope atau diukur dari tekanan pompa, kemudian ditinjau dari diameter pipa untuk mengetahui luas penampang pipa. Debit pada aliran melalui sistem pipa adalah hasil antara kecepatan aliran pada pipa dengan luas penampang pipa (Triatmojo bambang, 1993) yang ditulis dengan persamaaan : 10

8 Q = V x A. ( 2.1 ) Dimana : Q = Debit (m 3 /dt ) V = Kecepatan Aliran (m/dt) A = Luas Penampang (m 3 ) Untuk Kecepatan aliran pada pipa ditetapkan sebagai berikut 1. Untuk Pipa Transmisi 0,6 m/det 2. Untuk Pipa Distribusi 0,3 2 m/det Hal ini dikarenakan aliran lebih kecil dari data atas,maka endapan tidak akan terbawa. Begitu pula jika aliran lebih besar dari data diatas akan mempengaruhi gesekan/gerusan terhadap pipa (Pipa cepat aus) Perilaku Zat Cair Secara umum zat cair mempunyai beberapa sifat dan perilaku yaitu : 1. Apabila ruangan lebih besar daripada volume akan terbentuk permukaan bebas horizontal yang berhubungan dengan atsmosfer. 2. Mempunyai rapat massa dan berat jenis. 3. Dapat dianggap tidak termampatkan (Incompresibble). 4. Mempunyai viscositas (Kekentalan) 5. Mempunyai kohesi, adhesi dan tegangan permukaan. Untuk mengetahui debit suatu fluida yang mengalir melalui media pipa (perpipaan) maka perlu diperhatikan sifat-sifat fluida diatas. 11

9 Tekanan Tekanan didefinisikan sebagai jumlah gaya tiap satuan luas, apabila gaya terdistribui secara merata pada suatu luasan maka tekanan dapat ditentukan dengan membagi gaya dengan luas yang diberikan oleh bentuk persamaan berikut : P = F A.. ( 2.2 ) Dimana : P = Tekanan (kg/m 3 atau N/m 2 ) F = Gaya ( N ) A = Luas ( m 3 ) Persamaan Bernoully Pada zat cair diam gaya-gaya yang bekerja dapat dihitung dengan mudah karena dalam Hidrolika hanya gaya gaya sederhana. Pada zat cair yang mengalir permasalahanya dapat menjadi sulit,faktor-faktor yang diperhitungkan tidak hanya kecepatan arah dan partikel tapi juga pengaruh kekentalan yang menyebabkan gesekan antara partikel-partikel zat cair dengan dinding-dinding batas. Gerak zat cair tidak mudah diformulasikan secara matematis sehingga anggapan dan asumsi serta percobaan-percobaan untuk mendukung penyelesaian secara teoritis. Persamaan energi yang menggambarkan gerak partikel diturunan dari persamaan gerak. Persamaan gerak ini juga salah satu persamaan dasar untuk penyelesaian permasalahan yang ada dalam hidrolika, persamaan energi dapat ditujukan oleh persamaan Euler dan persamaan Bernoully. Dalam pembahasan ini hanya akan dipelajari aliran satu dimensi, maka hanya ditinjau pemakaian dari persamaan yang telah di integralkan yaitu persamaan Bernoully. 12

10 Penurunan persamaan Bernoully untuk aliran sepanjang garis arus didasarkan pada Hukum Newton II tentang gerak (F=M.a) persamaan ini dirturunkan berdasarkan asumsi sebagai berikut : 1. Zat cair adalah ideal, jadi tidak mempunyai kekentalan (kehilangan energy akibat gerakan adalah nol) 2. Zat cair adalah homogeny dan tidak termampatkan (rapat masa adalah konstan) 3. Aliran adalah Continui dan sepanjang garis lurus 4. Kecepatan aliran adalah merata dalam suatu penampang 5. Gaya yang bergerak adalah gaya berat dan tekanan. Pada Gambar 2.1. Menunjukan elemen berbentuk silinder dari suatu tabung yang bergerak sepanjang garis arus dengan kecepatan dan percepatan disuatu tempat dan suatu waktu dalah V dan a, panjang tampang lintang dan rapat masa elemen tersebut adalah ds da sehingga besar elemen adalah ds, da, p, g. Oleh karena itu tidak ada gesekan gaya-gaya yang bekerja adalah tekanan pada ujung elemen dan gaya berat. Hasil kali daripada masa elemen dan percepatan harus sama dengan gaya-gaya yang bekerja pada elemen (F=M a). F = M. a da ds ρρ dddd.da da dz γγ dddd dddd Gambar 2.1. Elemen zat cair bergerak sepanjang garis lurus. 13

11 Persamaan 3. Dikenal dengan persamaan Bernoully untuk aliran mantap satu dimensi, zat cair ideal dan tak kompresibel. Persamaan tersebut merupakan bentuk matematis dar kekentalan energi dalam aliran zat cair Kehilangan Tenaga Zat cair yang mengalir pada bidang batas (Pipa) akan terjadi tegangan geser dan gradient kecepatan pada seluruh medan aliran karena adanya vikositas. Tegangan tersebut akan menimbulkan kehilangan tenaga selama pengaliran. Dipandang suatu aliran mantap melalui pipa yang akan ditujukan dalam gambar 2.2. Diameter pipa adalah D dan pipa kemiringan dengan sudut kemiringan α. Dianggap hanya terjadi kehilangan tenaga karena gesekan. Gaya gaya yang bekerja adalah gaya tekan, berat zat cair dan gaya geser. Persamaan Bernoully untuk aliran titik 1dan 2: vv 1 2 2gg hf ρρ 1 γγ vv 2 2 2gg ρρ 2 γγ ΔL W Z 1 Z 2 Gambar 2.2. Sketsa aliran dalam pipa untuk penurunan rumus Darcy-Weishbach 14

12 Kehilangan tenaga sama dengan jumlah dari tekanan dan jumlah tinggi tempat. Tampang lintang aliran melalui pipa adalah konsatan yaitu A, Sehingga percepatan α = 0. Tekanan pada penampang 1 dan tampang 2 adalah p 1 dan p 2. jarak tampang 1 dan 2 adalah ΔL. Gaya-gaya yang bekerja pada zat cair adalah gaya tekanan pada kedua penampang gaya berat dan gaya gesekan Menghitung Distribusi Debit Dianggap bahwa karakteristik pipa dalam aliran yang masuk dan meninggalkan jaringan pipa diketahui dan akan dihitung dalam setiap elemen dari jaringan tersebut. Jika tekanan pada seluruh jaringan juga dihitung maka tinggi tekanan pada suatu titik juga harus diketahui. Pada lay out jaringan tidak semua memenuhi syarat untuk danalisis dengan metode Hardy-Cross sehingga ada beberapa jaringan yang dikategorikan dengan persamaan kentinuitas. Untuk itu perhitungan jaringan dibagi beberapa segmen dengan metode perhitungan disesuaikan dengan jenis jaringanya. Sering suatu sistem pipa menghubungkan tiga titik. Akan dicari aliran tiap-tiap pipa yang menghubungkan tiga buah titik. Tersebut apabila panjang, diameter, macam pipa dirikan rapat masa serta kekentalan zat cair diketahui. Debit aliran pipa ditentukan oleh koefisien gesekan masing-masing pipa, persamaan kentinuitas pada titik cabang yaitu aliran menuju titik cabang lainya dapat dilakukan dengan persamaan keontinuitas seperti berikut : Q 1 = Q 2 + Q 3.. ( 2.3 ) Q = Debit air (m 3 /det) 15

13 gr Pipa seri adalah suatu saluran pipa terdiri dari pipa-pipa dengan ukuran yang berbeda, pipa tersebut adalah dalam hubungan seri. Panjang, Diameter dan koefisien gesekan masing pipa adalah 11,12,13 ; d1,d2,d3 dan f1,f2,f3 jika beda tinggi muka kolam diketahui dicari besar debit aliran Q dengan menggunakan persamaan kontinuitas dan energy (Bernoully) langkah pertama yang haru dilakukan adalah menggambarkan garis tenaga. Kehilangan tenaga pada masing-masing pipa adalah hf1, hf2 dan hf3. Dianggap bahwa kehilangan tenaga skunder kecil sehingga diabaian. Persamaan kontinuitas Q = Q 1 = Q 2 = Q 3. ( 2.4 ) Q = Debit air (m 3 /det) Kadang penyelesiaian pipa dilakukan dengan suatu pipa ekivalen yang mempunyai penampang seragam. Pipa disebut ekivalen apabila kehilangan tekanan pada pengaliran didalam pipa ekivalen sama dengan pipa yang diganti. Sejumlah pipa dengan ber macam-macam nilai f, 1 dan D akan dijadikan menjadi suatu pipa ekivalen. Untuk itu diambil diameter de dan koefisien gesekan fe dari pipa yang terpanjang atau yang telah ditentukan,dan kemudian ditentukan panjang pipa ekivalen. Kehilangan tenaga dalam pipa ekivalen. rumus Pipa seri perhitungan pada tiap segmen dapat diketahui dengan menggunakan Q = hff. g. π2 d 5 ( 2.5 ) 8. ff. ll Dimana : hff = Tinggi kehilangan tenaga (m) = Percepatan gravitasi (9.81 m/dt) 16

14 gr = R... Π = Jari-jari pipa (3.14) d ff ll Q = diameter pipa (m) = Tinggi kekasaran pipa = Panjang pipa tertinjau (m) = debit aliran (m 3 /det) Namun sebelum debit tiap segmen diketahui maka perlu diketahui kehilangan tenaga karena gesekan pada setiap panjang pipa dengan menggunakan rumus Darcy- Weisbach hff = l. ff. VV2 d. 2 g ( 2.6 ) Dimana : hff = Tinggi kehilangan tenaga (m) ll = Panjang pipa tertinjau (m) v = Keceptan aliran (m/dt) d = diameter pipa (m) Percepatan gravitasi (9.81 m/dt) 17

15 Untuk mengetahui jenis aliran dapat digunakan Grafik Moody seperti pada gambar 2.3. Gambar 2.3. Grafik Moody Grafik tersebut mempunytai empat daerah yaitu : 1. Daerah pengaliran laminar 2. Daerah kritis dimana nilainya tidak tetap karena pengaliran mungkin laminar atau turbulen 3. Daerah tarnsisi dimana ff merupakan fungsi dari angka Reynolds dan kekasaran dinding pipa 4. Daerah turbulen sempurna dimana nilai ff tidak tergantung pada angka Reynolds tetapi hanya pada kekerasan relative 18

16 Untuk menggunakan grafik tersebut nilai κ diperoleh dari tabel 2.1 Tabel.2.1 Tinggi kekasaran pipa Jenis Pipa (Baru) Nilai κ (mm) PVC Besi dilapisi aspal Besi Tuang Plester semen Beton Baja Baja dikeling Pasangan batu 0,0015 0,06-0,24 0,18-0,90 0,27-1,20 0,30-3,00 0,03-0,09 0,90-9,00 6 Sumber : Hidrolika II, Bambang Triadmojo, 1996 Untuk pengaliran trubulen sempurna,dimana gesekan berbanding langsung dengan V 2 dan tidak tergantung pada angka Reynolds, nilai ff dapat ditentukan berdasarkan kekasaran relatif. Pada umunya, masalah-masalah yang ada pada pengaliran didalam pipa berada pada daerah transisi, dimana nilai ff ditentukan juga oleh angka Reynolds. Sehingga apabila pipa mempunyai ukuran dan keceptan aliran tertentu,maka kehilangan tenaga akibat gesekan dapat dihitung langung. Rumus yang dugunakan untuk mencari angka Reynold adalah Re = V. d v..... ( 2.7 ) 19

17 Dimana: Re = angka Reynolds V d ν = Kecepatan aliran (m/det) = diameter pipa (m) = Kekentalan kinematik (m 2 /det) Untuk mencari nilai kekasaran relatif digunakan rumus k d dimana : k adalah nilai kekasaran pipa (m), d adalah diameter pipa (m) berikut : Adapun prosedur perhitungan jaringan dengan metode Hardy-Cross dalah sebagai 1. Pilih pembagian debit melalui tiap-tiap Q 2 hingga terpenuhi syarat kontinuitas. 2. Hitung kehilangan pada tiap pipa dengan rumus hff = k. Q 2. l. 3. Jaringan pipa dibagi menjadi sejumlah jaringan tertutup sedemikian sehingga tiap pipa termasuk paling sedikit satu jarring. 4. Hitung jumlah kerugian tenaga sekeliling tiap-tiap jaring yaitu hff. Jika pengaliran seimbang maka hff = 0 5. Hitung nilai 2kkkk untuk setiap jarring 6. Pada tiap jaringan diadakan koreksi debit ΔQ supaya kehilangan tinggi tenaga dalam jarring seimbang. Adapun koreksinya sebagai berikut : ΔQ = Σ kq kQ 0 2. ( 2.8 ) 7. Dengan debit yang telah dikoreki sebesar Q = Q 0 + ΔQ, prosedur dari butir 1 ampai 6 diulangi hingga akhirnya ΔQ = 0,dengan Q adalah debit air sebenarnya, Q 0 adalah yang dimisalkan dan ΔQ adalah debit yang dikoreksi. 20

18 Pada lay out jaringan tidak semua memenuhi syarat untuk dianalisis dengan metode Hardi-Cross sehingga ada beberapa jaringan yang dikategorikan dengan kontinuitas. Untuk itu perhitungan jaringan dibagi menjadi beberapa segmen dengan metode perhitungan disesuaikan dengan jenis jaringanya. 21