Dasar Dasar Epanet

BAB III

HIDROLIKA PERPIPAAN

3.1. DASAR HIDROLIKA PERPIPAAN

Hidrolika adalah ilmu yang mepelajari perilaku air secara fisik dalam arti

perilaku perilaku yang ditelaah harus terukur secara fisik. Perilaku yang

dipelajari meliputi hubungan antara debit air yang mengalir dalam pipa

dikaitkan dengan diameter pipanya sehingga dapat diketahui gejala gejala

yang timbul seperti tekanan, kehilangan energi dan gaya-gaya lainnya.

Hubungan gejala gejala akan dijelaskan dalam formulasi empiris yang

lazim dipakai dalam praktek.

Pada dasarnya dalam menelaah aspek hidrolika dalam pipa kita selalu

beranggapan atau berasumsi bahwa air adalah fluida yang mempunyai sifat

“incompresible” atau diasumsikan tidak mengalami perubahan volume / isi

apabila terjadi tekanan.

Fluida yang bergerak di dalam pipa dianggap dalam kondisi “steady state”

atau air dianggap mempunyai kecepatan yang konstan dari waktu ke waktu

apabila melalui suatu pipa dengan diameter yang sama.

Fluida yang bergerak di dalam pipa juga dianggap dalam kondisi “uniform

flow” atau air dianggap mempunyai kecepatan yang seragam sepanjang

pipa apabila melalui suatu pipa dengan diameter yang sama .

2

Pada kenyataannya dilapangan kondisi yang dijelaskan dalam asumsi ini

tidak selalu tercapai terutama kondisi steady flow dan uniform flow.

Penyimpangan keadaan tersebut disebut keadaan transient yang umum

terjadi pada saat awal pembukaan dan penutupan valve. Efek yang timbul

disebut sebagai water hammer yang terefleksi dengan kejadian

pengempisan pipa, pecahnya pipa atau dalam keadaan yang ringan adalah

terdengarnya suara ketukan ketukan palu dipipa besi.

Setiap aliran air dalam pipa juga harus memenuhi azas kontinuitas dimana

Q1 = Q2

Dimana :

Q1= Debit masuk di sisi 1 (m3/dt)

Q2 = Debit keluar di sisi 2 (m3/dt)

debit aliran yang masuk dalam sisi 1 akan keluar pada sisi 2 dengan debit

yang sama.

Debit air adalah volume air per satuan waktu. Debit air adalah luas

penampang pipa dikalikan dengan kecepatannya. Debit air yang masuk ke

dalam pipa mempunyai kecepatan aliran yang berbeda beda tergantung

dari diameter pipanya.

3

Kalau luas penampang pipa adalah sebanding kuadrat dengan diamaternya,

maka ;

Q = A.v

A = 2

4dπ

Maka,

Q = vd .4

2π

dimana :

v = kecepatan aliran air pipa (m/dt)

A = Luas penampang pipa m2

d = diameter pipa di sisi (m)

π = konstanta phi atau 22/7=3.14

4π =

414.3 = 0,785 atau bila dibulatkan 0.8

Lihat pada gambar 3.1.

hL

z2

muka laut

v2

2

v1

z1

1

H1 H2

gambar 3.1. Model hidrolika pipa

4

Air masuk pipa bergerak dari sisi 1 dan keluar di sisi 2 sesuai dengan azas

kontiuitas energi yang ada di sisi 1 juga harus sama di sisi 2 . Maka Energi

total 1 sama dengan Energi total 2 atau Etot1=Etot2.

Energi yang ada di sisi 1 apabila diuraikan lagi terdiri dari :

1. Energi Potensial

2. Energi Kinetik

3. Kehilangan Energi

Energi secara formal mempunyai satuan joule tetapi untuk sederhananya

kajian dinyatakan dengan tinggi kolom air.

Energi Potensial disini terdiri dari :

z = muka tanah terhadap muka laut (m)

h = beda tinggi dari muka air ke muka tanah (m)

Energi kinetik air yang mengalir dipipa dinyatakan dengan

V = g

v.2

2

dimana v adalah kecepatan aliran air (m/dt) dan g adalah

gravitasi (m/dt2).

z1+H1+ v12/2g =z2+H2+ v2

2/2g+hL ,

Etot1 = Etot2 ,

Sehingga persamaan ini lazim disebut sebagai persamaan Bernaulli.

Di sini dapat disimpulkan untuk menghitung sisa tekanan dalam realita,

faktor faktor penting untuk diketahui adalah:

• Elevasi tanah dimana pipa diletakkan (z)

5

• Tenaga pendorong awal seperti menara air atau pompa (h1)

• Kehilangan Energi atau Kehilangan Tekanan (hL)

Elevasi tanah didapat hari hasil pengukuran tanah yang baik. Tenaga

pendorong adalah kondisi menara atau per pompaan yang diperkirakan

ketinggian tekannya dengan baik sedangkan headloss dihitung berdasarkan

rumusan rumusan empiris.

3.2. KEHILANGAN TEKANAN

Salah satu faktor yang penting dalam perhitungan hidrolis perpipaan

adalah perhitungan kehilangan tekanan. Ada beberapa rumusan yang dapat

dipakai dalam menghitung kehilangan tekanan yaitu :

• Hazen William

• Darcy Weisbach

• De Chezy Manning

3.2.1. Persamaan Hazen William

Persamaan Hazen william adalah yang paling umum dipakai,

persamaan ini lebih cocok untuk menghitung kehilangan tekanan

untuk pipa dengan diameter besar yaitu diatas 100 mm. Selain itu

rumus ini sering dipakai karena mudah dipakai.

6

Persamaan Hazen William secara empiris menyatakan bahwa debit

yang mengalir didalam pipa adalah sebanding dengan diameter

pipa dan kemiringan hidrolis (S) yang di nyatakan sebagai

Kehilangan tekanan (hL) dibagi dengan panjang pipa (L) atau

Lh

S l= .

Disamping itu ada faktor C yang menggambarkan kodisi fisik dari

pipa seperti kehalusan dinding dalam pipa yang menggambarkan

jenis pipa dan umur.

Secara umum rumus Hazen William adalah sebagai berikut:

54.063.2 ...2785.0 SdCQ =

Dimana ;

Lh

S l= .

Dimana

L = adalah panjang pipa dari node 1 ke node 2

Apabila kehilangan tekanan atau hL yang akan dihitung maka :

LdC

Qhl ...2785.0

85.1

63.2 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

C adalah (koefisien Hazen William) berbeda untuk berbagai jenis

pipa sedangkan untuk jenis pipa High Density Poly Ethylene

(HDPE) nilai C (koefisien Hazen William) adalah 130.

7

3.2.2. Persamaan Darcy Weisbach

Persamaan Darcy dapat di ditulis secara matematis :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

gv

dLfhl 2

..2

1 . Kemudian secara empiris di tentukan suatu

faktor f.

Df ε=

Dimana :

HL = headloss (m)

f = faktor gesekan

L = panjang pipa (m)

D = diameter pipa (m)

v = kecepatan aliran (m/s)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

Perumusan koefisien yang paling lazim dipakai adalah dengan

metoda Colebrook , nilai

f

ε untuk koefisien Colebrook pada pipa

jenis HDPE adalah 0,007.

Perumusan ini dipakai untuk aliran yang lebih laminer sehingga

lebih cocok untuk pipa dengan diameter kecil (<50mm). Tetapi

untuk diamater yang lebih besar biasa dipakai perumusan Hazen

William.

8

3.2.3. Persamaan De Chezy dengan koefisien Manning

Persamaan ini umum dipakai di saluran terbuka, tetapi dapat pula

dipakai di jaringan perpipaan.

2/13/2 ...1 SRn

V =

LH

S l= , PAR =

Dimana :

v = kecepatan aliran (m/s)

n = koefisien Manning

R = jari-jari hidrolis (m)

S = slope/kemiringan (m/km)

HL = headloss (m)

L = panjang saluran (m)

A = luas penampang basah saluran (m2)

P = keliling penampang basah saluran (m)

Persamaan ini biasa digunakan untuk saluran terbuka (irigasi /

drainase).

3.3. TEKANAN PENGGERAK AIR

Tekanan penggerak air yang ada di alam adalah gaya gravitasi sehingga

air yang diletakkan didalam suatu penampung atau reservoir pada suatu

ketinggian tertentu, tentunya akan mengalir ke bawah searah dengan gaya

gravitasi. Pada kasus ini tekanan awal penggerak yang biasa disebut

9

sebagai head awal (initial head) atau tekanan awal akan selalu sama

walaupun debit yang dialirkan berubah - ubah.

Selain mengunakan gaya gravitasi air dalam pipa juga dapat digerakkan

oleh mesin penggerak air atau pompa. Karakteristik pengaliran air oleh

pompa sangat berbeda dengan pengaliran dengan gravitasi. Tekanan

pompa akan tidak sama dengan debit air yang dihasilkan.

Misalnya kita tinjau suatu sistem perpipaan yang pada sisi 1 di pasang

pompa dan disisi 2 dipasang valve. Pada suatu Debit rencana (Qr) tekanan

pompa akan tertentu (h1r).

hL

z2

m uka laut

v2

v1

z1

Etot1 Etot2

pom paQrvalve

H2H1

Gambar 3.2. Model hidrolika pipa dengan tekanan pompa

Pada saat valve di putar kecil atau di cek, tekanan pompa akan naik terus

sampai bila valve tertutup dan pompa tetap hidup, maka tekanan pompa

akan berhenti pada tekanan h10.

Tetapi sebaliknya pada saat pompa diputar lebih besar dari debit rencana

(Q>Qr) maka tekanan pompa akan turun (h1< h10).

10

Pada gambar 3.3. ditunjukkan grafik tekanan pompa vs Debit yang

dihasilkan.

p o m p a

v a lv e d ip u ta r k e c il

h 1 0v a lv e d ip u ta r b e s a r

Q

H 1 0

gambar 3.3. Kurva Debit Air (Q) dengan tekanan pompa (h)

Bandingkan kondisi ini dengan apabila menggunakan menara air, yang

menggunakan beda tinggi sebagai pendorong aliran air dalam pipa (lihat

gambar 3.4.). Dari gambar ini dapat dilihat bahwa walaupun valve dibuka

lebih besar hingga debit air yang keluar besar maupun diperkecil hingga

debit yang keluar kecil, tekanan awal akan tetap sama.

valve diputar kecil

valve diputar besar

Q

reservoirH10

gambar 3.4. Kurva Debit Air(Q) dengan Tekanan air (h) di Menara Air

11

Dalam praktek kedua sistem penggerak aliran ini mempunyai kelebihan

dan kekurangan. Untuk dapat memahami perbedaan ini maka pengertian

tentang hidrolika jaringan pipa perlu di telaah.

3.4. HIDROLIKA JARINGAN PERPIPAAN

Jaringan perpipaan merupakan suatu rangkaian pipa yang saling terhubung

satu sama lain secara hidrolis, sehingga apabila di satu pipa mengalami

perubahan debit aliran maka akan terjadi penyebaran pengaruh ke pipa

pipa yang lain. Pengaruh ini dapat di deteksi dari segi perubahan tekanan

yang ada di pipa.

Pipa yang tergabung dalam suatu jaringan pipa dapat dibedakan satu

dengan yang lain dari segi :

• Panjang Pipa

• Diamater Pipa

• Jenis Pipa

• Kedudukan pipa dalam jaringan

Kedudukan pipa dalam suatu jaringan dapat dinyatakan dengan :

• Nomor pipa

• Simpul atau node yang dihubungkan oleh pipa tersebut

Dalam suatu sistem jaringan air yang keluar dari node dikendalikan oleh

sebuah valve yang menghubungkan antara satu bagian jaringan dengan

12

bagian lainnya. Sedangkan secara kolektif air yang keluar dari satu node

jaringan tergantung dari perilaku konsumen atau pemakai air memakai air.

Pemakaian air sendiri secara hidrolis tergantung dari sisa tekanan pada

node tersebut sedangkan faktor lain yang mempengaruhi adalah tingkat

kebutuhan konsumen akan air.

Sebagai asumsi misalnya 1 orang per hari memakai air 200 L/org/hari, bila

sebuah node melayani 500 orang maka satu node itu mengeluarkan air

sebanyak 200 L/org/hari x 500 org = 100.000 L/hari atau 100 m3/hari atau

atau rata rata dalam 1 detik adalah 100.000/3600/24=1,1574 L atau

Q = 1,1574 L/dt. Hal ini berarti debit air yang keluar dari node tersebut

adalah 1,1574 L/dt.

3.5. SOFTWARE EPANET

3.5.1. Tampilan Epanet

Tampilan dasar epanet dapat dilihat pada gambar berikut yang

terdiri dari elemen - elemen :

1. Menu bar

2. 2 buah tool bar

3. Status bar

4. Network map windows

5. Browser window, dan Property Editor window.

13

Penjelasan masing-masing elemen dapat dilihat pada gambar

berikut ini :

Gambar 3.5 Tampilan pada Software Epanet 2.0

Epanet memodelkan sistem distibusi air sebagai kumpulan garis

yang menghubungkan node node. Garis menggambarkan pipa,

pompa dan katub kontrol. Sedangkan node menggambarkan

sambungan (Junction), tangki, dan reservoir. Gambar di bawah

mengilustrasikan bagaimana node - node dan garis dapat

dihubungkan satu dengan lainnya untuk membentuk sebuah

jaringan.

14

Gambar 3.6 Komponen fisik pada sistem distribusi air

Epanet mengandung dua buah objek fisik yang dapat muncul pada

peta jaringan, dan objek non–fisik yang mencakup design dan

informasi operasional.

3.5.2. Objek Fisik

Objek fisik yang muncul pada epanet adalah node dan link , node

tersebut terdiri dari Junction ( Sambungan ), Reservoir, Tanki dan

Link terdiri dari Pipa, Pompa, Valve.

a. Sambungan (junction)

Sambungan (junction) adalah titik pada jaringan dimana

garis-garis bertemu dan dimana air masuk atau meninggalkan

jaringan. informasi yang dibutuhkan bagi sambungan

(junction) adalah:

15

• Junction ID ( Nomor sambungan )

• Coordinate (X,Y)

• Description

• Tag ( Tambahan teks tanpa spasi)

• Elevation

• Base Demand ( Kebutuhan dasar nominal )

• Demand Pattern ( Kebutuhan dengan Pola Waktu )

• Demand Categories

• Emitter Coefficient

• Initial Quality ( Level kualitas air )

• Source Quality

Hasil komputasi ( analisa ) untuk sambungan (junction) pada

seluruh periode waktu simulasi adalah :

• Demand Actual ( total demand )

• Head Hidrolis ( Penjumlahan elevasi dengan head

pressure )

• Tekanan (pressure)

• Kualitas Air

b. Reservoir

Reservoir adalah node yang menggambarkan sumber

eksternal yang terus menerus mengalir ke jaringan.

Diasumsikan untuk menggambarkan seperti danau, sungai,

akuifer air tanah, dan koneksi dari sistem lain. Reservoir juga

dijadikan titik sumber kualitas air. Informasi yang dibutuhkan

Reservoir adalah:

16

• Reservoir ID ( Nomor reservoir )


• Description


• Total Head

• Head Pattern


• Source Quality

Hasil komputasi ( analisa ) pada Reservoir seluruh periode

waktu simulasi adalah Net Inflow , Pressure dan Kualitas Air.

c. Tanki

Tanki membutuhkan node dengan data kapasitas, dimana

volume air yang tersimpan dapat bervariasi berdasar waktu

selama semulasi berlangsung. Informasi yang dibutuhkan

Tanki adalah:

• Tank ID ( Nomor tangki )


• Description


• Elevation

• Initial Level

• Minimum Level

• Maximum Level

• Diameter

• Minimum Volume

17

• Volume Curve

• Mixing Model ( Model Pengadukan )

• Mixing Fraction

• Reaction Coefficient


• Source Quality

Hasil komputasi ( analisa ) pada Reservoir seluruh periode

waktu simulasi adalah Tekanan Hidrolis (elevasi permukaan

air), Kualitas air.

d. Pipa

Pipa adalah penghubung yang membawa air dari satu poin ke

poin lainnya dalam jaringan. epanet mengasumsikan bahwa

semua pipa adalah penuh berisi air setiap waktunya. Arah

aliran adalah dari titik dengan tekanan hidrolik tertinggi

menuju titik dengan tekanan rendah. Informasi yang

dibutuhkan pipa adalah :

• Pipe ID ( Nomor pipa )

• Start Node

• End Node


• Length ( Panjang pipa )

• Diameter

• Roughness ( Koefesien kekasaran pipa )

• Loss Coefficient ( Minor Losses )

• Initial Status

18

• Bulk Coefficient

• Wall Coefficient

Hasil komputasi ( analisa ) Pipa pada periode waktu simulasi

adalah :

• Flow ( Laju aliran )

• Velocity ( Kecepatan )

• Unit Headloss ( Kehilangan Tekanan )

• Faktor friksi Darcy-Weisbach

• Rata-rata Laju reaksi (sepanjang pipa)

• Rata-rata Kualitas air (sepanjang pipa)

• Quality

• Status pipa ( terbuka / tertutup )

e. Pompa

Pompa adalah link yang memberi tenaga ke fluida untuk

menaikkan head hidrolisnya. Informasi yang dibutuhkan

pump ( pompa ) adalah :

• Pump ID ( Nomor pompa )

• Start Node

• End Node


• Pump Curve ( Label ID dari Curve pompa )

• Power ( Tenaga yang disupplay pompa )

• Speed ( Pengaturan kecepatan relatif dari pompa )

• Pattern ( pola waktu )

• Initial Status

• Efficiency Curve ( Label ID dari kurva effiseinsi pompa )

19

• Energy Price

• Price Pattern

Hasil komputasi ( analisa ) Pompa pada periode waktu

simulasi adalah :

• Flow ( Laju aliran )

• Headloss

• Quality

• Status.

f. Valves

Valve adalah sebuah link yang membatasi tekanan atau flow ,

pada suatu node sebuah jaringan. Informasi yang dibutuhkan

Valve adalah :

• Valve ID ( Nomor Valve )

• Start Node

• End Node

• Description


• Diameter

• Type Valve ( PRV, PSV, PBV, FCT, TCV )

• Setting Valve

• Loss Coefficinct

• Fixed Status

20

Hasil komputasi ( analisa ) Valve pada periode waktu

simulasi adalah :

• Flow

• Velocity

• Headloss

• Quality

• Status

3.5.3. Objek Non Fisik.

Objek non–fisik yang mencakup design dan informasi operasional,

yang terdiri dari Time Pattern ( Pola Waktu ), Curve ( Kurva ).

a. Time pattern ( Pola Waktu )

Pola Waktu (time pattern) berupa kumpulan faktor pengali

yang dapat diaplikasikan sebagai kuantitas yang bervariasi

terhadap waktu. Kebutuhan di tiap node, Head Reservoar,

pompa, dan input sumber kualitas air dapat terikat pada pola

waktu. Interval waktu yang digunakan dalam seluruh pola

merukapan nilai yang tetap, diatur dalam Time Options.

Dengan Interval tersebut kuantitas berlangsung secara

konstan, sebanding dengan hasil dari nilai nominal dan faktor

pengali dalam periode waktu. Meskipun pola waktu harus

dilakukan dalam interval waktu yang sama, setiap periode

dapat berupa angka yang berbeda. Ketika periode simulasi

21

melebihi dari jumlah periode dalam pola, maka pola akan

kembali ke periode awal lagi.

Gambar 3.7 Pattren Editor

b. Kurva

Kurva adalah obyek yang mengandung rangkaian data yang

menjelaskan tentang hubungan antara dua besaran, model

dalam epanet dapat menyediakan tipe kurva sebagai berikut :

a) Kurva Pompa

b) Kurva Effisiensi

c) Kurva Volume

d) Kurva Head Loss

22

a) Kurva Pompa

Kurva Pompa mejelaskan hubungan antara head dan laju

aliran yang dapat dialirkan oleh pompa pada pengaturan

kecepatan nominal. Head yang diperoleh air dari pompa

digambarkan pada sumbu vertikal (Y) dengan satuan feet

(meter). Laju Aliran digambarkan pada sumbu Horizontal (X)

dalam unit debit.

Gambar 3.8 Kurva Pompa

b) Kurva Efisiensi

Sebuah kurva Efisiensi menjelaskan efisiensi pompa (Y

dalam persen) sebagai fungsi dari laju aliran pompa (X dalam

satuan debit), kurva ini hanya digunakan untuk perhitungan

energi.

23

c) Kurva Volume

Kurva Volume menjelaskan bagaimana volume tangki

penyimpan ( Y dalam kubik feet atau meter kubik) bervariasi

sebagai fungsi dari tinggi air (X dalam feet atau meters).

Digunakan ketika diperlukan gambaran yang akurat alam

potongan memanjang terhadap tinggi tangki.

d) Kurva Headloss Kurva Headloss digunakan untuk menjelaskan headloss (Y

dalam feet atau meter) yang melalui General Purpose Valve

(GPV) sebagai fungsi dari Laju aliran (X dalam unit Debit).

Menjelaskan tentang kapabilitas dari pemodelan alat dan

situasi, dengan keunikan hubungan headloss-aliran, seperti

pengurangan aliran – katub pencegahan aliran balik, turbin

dan pemompaan sumur dalam.

3.5.4. Analisis Running

Jika data sudah valid, langkah selanjutnya adalah me-running

jaringan dan apabila proses running berlangsung dengan sukses,

maka tidak akan muncul beberapa pesan error atau perhatian, dan

apabila proses running tidak berlangsung dengan sukses, maka

akan muncul beberapa pesan error atau perhatian pada jendela

24

status report, yang mengindikasikan bahwa masih ada yang

bermasalah pada pemasukan data.

3.5.5. Hasil Trouble Shooting.

Epanet akan mengeluarkan pesan Error dan Perhatian ketika

masalah terlihat pada analisis hidrolik. Hal yang sering muncul

adalah Pompa tidak dapat menyalurkan Aliran atau Head (Pump

Cannot Deliver Flow or Head). Sebagai contoh misalnya epanet

akan mengeluarkan pesan error dan peringatan ketika pompa

bekerja diluar kisaran kurva pompa.

Kemunculan Presure Negative (Negative Pressure Exist)

Epanet akan memunculkan pesan peringatan ketika menghasilkan

hitungan tekanan negatif pada junction dengan demand positif.

Biasanya mengindikasikan bahwa terdapat masalah pada jaringan

yang dibuat atau dioperasikan. Tekanan negatif dapat muncul

ketika bagian dari jaringan hanya dapat menerima sebagian air atau

karena jaringan tertutup.

3.5.6. Model Simulasi hidrolis.

Untuk membuat jaringan menjadi lebih realistis, aanalisa dapat

dibuat simulasi hidrolisnya, dengan cara membuat pola waktu

25

( Time Pattern ) yang menggunakan demand bervariasi pada node

dalam satu hari atau lebih.

Documents

Dasar Dasar Epanet