ANALISISPENGARUH FAKTOR KEKASARAN DENGAN
PERSAMAAN HAZEN WILLIAM DAN DARCY
WEISBACH TERHADAP KECEPATAN ALIRAN DAN
KEHILANGAN TENAGA PADA PIPA DENGAN
WATERCAD VERSI 8i
Disusun Oleh :
100404 078
LEO FERNANDO SITANGGANG
Disetujui Oleh :
Ir. SYAHRIZAL M.T.
BIDANG STUDI TEKNIK SUMBER DAYA AIR
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
digunakan untuk mengaliri fluida dengan tampang aliran penuh. Fluida yang dialiri pipa biasanya berupa zat cair atau gas dan tekanan di dalamnya biasanya lebih besar atau lebih rendah dari tekanan atmosfer. Pipa memiliki berbagai jenis bahan atau material penyusun pipa itu sendiri, dimana setiap jenis pipa tersebut memiliki perbedaan kekasaran pada permukaannya yang berbeda-beda.
Data-data yang dipergunakan dalam penyusunan karya tulis ini berasal dari berbagai literatur kepustakaan yang berkaitan dengan permasalahan yang dibahas yaitu perbandingan besar kecepatan dan head loss pada setiap pipa dalam jaringan pipa, dimana pipa yang dibandingkan adalah pipa yang berbahan tembaga dan berbahan beton. Data-data tersebut dikumpulkan untuk menjadi objek studi Tugas Akhir ini yang akan dianalisa dengan metode Hardy-Cross dan software WaterCAD v8i menggunakan persamaan Darcy-Weisbach dan Hazen-William .
Data-data objek studi seperti layout jaringan pipa, debit, diameter, panjang pipa dan jenis pipa yang digunakan pada jaringan pipa dibagi menjadi 8 alternatif perhitungan, dimana masing-masing alternatif mempunyai kondisi tersendiri yang akan dibandingkan untuk menentukan perbedaan kecepatan aliran dan headloss masing-masing alternatif perhitungan.
Dari hasil perhitungan semua alternatif perhitungan yang dibandingkan diperoleh besar kecepatan aliran dan headloss masing-masing alternatif perhitungan
, dimana pipa copper atau tembaga lebih baik daripada pipa concrete atau beton bila digunakan pada sistem jaringan pipa karena headloss pada pipa tembaga lebih kecil sehingga air secara optimal dapat mengalir ke semua titik pada jaringan perpipaan.
Puji dan syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat,
rahmat, dan karunia-Nya, akhirnya penyusunan Tugas Akhir ini dapat saya
selesaikan dengan baik. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus
dipenuhi untuk menyelesaikan Program Sarjana (S1) di Fakultas Teknik,
Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara (USU).
Penulis menyadari bahwa selesainya Tugas Akhir ini tidak terlepas dari
bimbingan, dukungan, motivasi, dan bantuan semua pihak. Untuk itu melalui
tulisan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang tulus dan tidak
terhingga kepada :
1. Kedua orang tua tercinta, yang selalu memberikan yang terbaik serta tiada
henti mengiringi dengan doa dan motivasi yang tidak ternilai.
2. Bapak Ir. Syahrizal, M.T. dan Bapak Ivan Indrawan ST, MT sebagai dosen
pembimbing saya, yang telah meluangkan waktu, tenaga, dan pikiran untuk
memberikan dukungan dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.
3. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku Ketua Departemen Teknik Sipil,
Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. Teruna Jaya, M. Sc. selaku Koordinator Subjurusan Teknik Sumber
Daya Air.
5. Bapak Ir. Syahrizal, M.T. selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil,
kepada penulis terhadap Tugas Akhir ini.
7. Bapak/ Ibu staff pengajar Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera
Utara yang selama ini ikhlas dan sabar mencurahkan ilmunya kepada seluruh
anak didiknya termasuk penulis.
8. Seluruh pegawai administrasi yang telah memberikan bantuan dalam
menyelesaikan Tugas Akhir ini.
9. Kepada keluargaku tersayang Ranita Sitanggang, Ameliana Sitanggang,
Dolly Sitanggang, Dolesman Sitanggang, Boris Sitanggang, Johanes, Alicia,
Regina serta yang lainnya, terima kasih atas semua dukungan, doa, motivasi,
semangat, bimbingan, dan rasa sayangnya untuk penulis.
10.Rekan-rekan mahasiswa Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, sahabat
seperjuangan : Darwinton, Mardi, Uke, Cila, Jernih, Elfridani, Grandson,
Rano, Boston, Haposan, Fadlin, Ahmad Himawan, Cika, Sari, Ikhsan, Fander,
Melli, Dilla, Rendy, Monica, Zefanya, Boby, Welman, Mangasi, Hopnagel,
Anggi, Festus, Putra, Rebekka, Tohap, Alfian, dan seluruh rekan-rekan
seperjuangan di kampus tercinta, atas bantuan, dukungan, dan doa kalian.
Semoga Tuhan Yang Maha Esa membalas dan melimpahkan rahmat dan
karunia-Nya kepada kita semua, dan atas dukungan yang telah diberikan, penulis
ucapkan terima kasih sebesar-besarnya.
Penulis juga menyadari manusia tidak luput dari khilaf dan salah, demikian
juga penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini sehingga Tugas Akhir ini
Akhir ini. Harapan penulis, semoga Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat
bagi kita semua khususnya yang bergerak dalam bidang Teknik Sipil.
Medan, 2015
Hormat Saya
ABSTRAK……….. i
KATA PENGANTAR………. iii
DAFTAR ISI……… vi
DAFTAR GAMBAR………... ix
DAFTAR TABEL……… x
DAFTAR NOTASI……….. xi
BAB I PENDAHULUAN……… 1
1.1.Latar Belakang………. 1
1.2.Perumusan Masalah……… 2
1.3.Tujuan………. 2
1.4.Manfaat………... 3
1.5.Pembatasan Masalah………... 3
1.6.Sistematika Penulisan………. 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA………. 6
2.1. Uraian ……… 6
2.2. Dasar Teori………. 7
2.2.1. Metode Pendistribusian Air pada Pipa………..7
2.2.1.3. Sistem gabungan antara pemompaan dan
gravitasi……… 8
2.3. Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida ………... 8
2.4. Jenis Aliran Fluida ……….. 8
2.5. Energi dan Head ……….. 10
2.6. Kerugian Tinggi Tekan ( Head Loss)………. 11
2.6.1 Kerugian Tinggi Tekan Mayor (Major Losses)…… 12
2.6.1.1. Persamaan Hazen-Williams……….. 12
2.6.1.2. Persamaan Darcy-Weisbach……… 14
2.6.2. Kerugian Head Minor (Minor Losses)……… 17
2.7. Aliran Dalam Sistem Pipa... 17
2.7.1. Aliran Dalam Pipa Seri... 17
2.7.2. Aliran Dalam Pipa Paralel... 19
2.7.3. Aliran dalam jaringan Pipa……… 21
2.8. Pengenalan Tentang Software Watercad V8i……….. 23
BAB III METODOLOGI PENULISAN………...………. 27
3.1. Sumber dan Jenis Data……….. 27
3.2. Pengumpulan Data………. 27
3.3. Analisis Data……….. 27
BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN………...……… 32
BAB V KESIMPULAN ……….. 77
5.1. Kesimpulan………. 77
DAFTAR PUSTAKA……….……….. 80
Gambar 2.1 : Diagram Moody ………... 17
Gambar 2.2 : Pipa Seri ……… 19
Gambar 2.3 : Pipa Paralel………..……….. 20
Gambar 2.4 : Jaringan Pipa ……..……… 23
Gambar 2.5 : Tampilan Penuh Ruang Kerja pada WaterCAD v8i ….. 25
Gambar 2.6 : Tampilan Menubar pada WaterCAD v8i……… 26
Gambar 2.7 : Tampilan Toolbar pada WaterCAD v8i ………. 26
Gambar 2.8 : Tampilan Layout Toolbar pada WaterCAD v8i……… 26
Tabel 2.1 : Nilai Viskositas Kinematik Air………... 10
Tabel 2.2 : Nilai Koefisien Hazen-William………..… 14
Q Debit aliran (m
V Laju aliran rata-rata dalam pipa (m/s) )
Vn Laju aliran rata-rata dalam pipa n (m/s)
D Diameter pipa (m)
L Panjang pipa (m)
Ln Panjang pipa n (m)
e Kekasaran relative (mm)
Re Bilangan Reynold
R Jari-jari hidrolis (m)
f Faktor gesekan pipa Darcy-Weisbach
ν Viskositas Kinematik (m2
C
/s)
HW
h
Koefisien Hazen-William
f
h
Kehilangan tinggi tekan akibat gesekan (m)
fn
W Berat Fluida (N)
Ek Energi Kinetik (Nm)
Ef Energi Tekanan (Nm)
γ Berat jenis air (kg/m2
g Percepatan gravitasi (m/s
)
2
digunakan untuk mengaliri fluida dengan tampang aliran penuh. Fluida yang dialiri pipa biasanya berupa zat cair atau gas dan tekanan di dalamnya biasanya lebih besar atau lebih rendah dari tekanan atmosfer. Pipa memiliki berbagai jenis bahan atau material penyusun pipa itu sendiri, dimana setiap jenis pipa tersebut memiliki perbedaan kekasaran pada permukaannya yang berbeda-beda.
Data-data yang dipergunakan dalam penyusunan karya tulis ini berasal dari berbagai literatur kepustakaan yang berkaitan dengan permasalahan yang dibahas yaitu perbandingan besar kecepatan dan head loss pada setiap pipa dalam jaringan pipa, dimana pipa yang dibandingkan adalah pipa yang berbahan tembaga dan berbahan beton. Data-data tersebut dikumpulkan untuk menjadi objek studi Tugas Akhir ini yang akan dianalisa dengan metode Hardy-Cross dan software WaterCAD v8i menggunakan persamaan Darcy-Weisbach dan Hazen-William .
Data-data objek studi seperti layout jaringan pipa, debit, diameter, panjang pipa dan jenis pipa yang digunakan pada jaringan pipa dibagi menjadi 8 alternatif perhitungan, dimana masing-masing alternatif mempunyai kondisi tersendiri yang akan dibandingkan untuk menentukan perbedaan kecepatan aliran dan headloss masing-masing alternatif perhitungan.
Dari hasil perhitungan semua alternatif perhitungan yang dibandingkan diperoleh besar kecepatan aliran dan headloss masing-masing alternatif perhitungan
, dimana pipa copper atau tembaga lebih baik daripada pipa concrete atau beton bila digunakan pada sistem jaringan pipa karena headloss pada pipa tembaga lebih kecil sehingga air secara optimal dapat mengalir ke semua titik pada jaringan perpipaan.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. LATAR BELAKANG
Meningkatnya jumlah penduduk di Indonesia secara tidak
langsungmengakibatkanbertambahnya permintaan akan kebutuhan air bagi
masyarakat. Dimana air merupakan faktor penting dalam kehidupan
masyarakat.Untuk pengembangan sistem air bersih berbagai kegiatan
pengembangan sarana telah dilakukanseiring dengan kebutuhan yang memenuhi
syarat kualitas dan kuantitas. Secara kualitas air bisa dikatakan memenuhi syarat
bila kondisi fisik air tersebut mempunyai kadar Kimia, bakteriologi yang
kondisinya tidak dapat mengganggu kesehatan yang mengkonsumsinya. Dan
secara kuantitas adalah penyediaan air bersih yang sesuai dengan kebutuhan
penduduk masyarakat kota sesuai dengan perkembangan sosial yang ada.Apabila
ada masalah dalam penyediaan air maka menyebabkan ketidaknyamanan dalam
kehidupan masyarakat. Adapun masalah yang akan dihadapi dalam penyediaan
kebutuhan air bersih yaitu sistem pendistribusian air bersih ke daerah
tempattinggal penduduk, jumlah atau ketersediaan sumber air bersih dan cara
pengolahan airbaku menjadi air bersih agar layak dikonsumsi masyarakat. Oleh
sebab itu dibutuhkan suatu jaringan distribusi air bersih yang baik dan efisien.
Dalam perencanaan sistem pendistrubusian air bersih ditentukan oleh
kebutuhan air dan tekanan aliran yang diperlukan. Dimana dalam penyediaanair
masih banyak menggunakan pipa karena murah dan baik untuk mencegah
Untuk mengatasi masalah pada pendistribusian air maka kita perlu
mengetahui hal-hal apa saja yang berkaitan dengan sistem jaringan pipa seperti
kehilangan tenaga pada sistem jaringan pipa yaitu kehilangan tinggi tekan mayor
dan kehilangan tinggi tekan minor.Kehilangan energi yang berlebihan (terlalu
besar) mengakibatkan penurunan energi tekanan pada air yang mengalir di
sepanjang pipa secara drastis sehingga energi tekanan sisa di hilir saluran menjadi
sangat kecil dan bahkan dapat menjadi negatif. Hal ini dapat menyebabkan sistem
jaringan pipa tidak mampu mendistribusikan air ke semua titik dengan tekanan
yang cukup.
1.2. Perumusan Masalah
Dalam penelitian ini penulis merumuskan masalah sebagai berikut:
1. Apakah terjadi perbedaan kecepatan aliran dan kehilangan tenaga pada
masing- masing jenis pipa yang disebabkan dari faktor kekasaran pipa itu
sendiri?
2. Apakah ada perbedaan antara perhitungan kecepatan aliran dan kehilangan
tenaga pada pipa antara menggunakan metode Hardy- Cross dengan
perhitungan menggunakan software WaterCAD V8i ?
1.3. Tujuan
Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah :
1. Mengetahui arah aliran air pada masing-masing pipayang terdapat di
dalam sistem jaringan pipa.
2. Mengetahui debit aliran air pada masing-masing pipa yang terdapat di
3. Mengetahui kecepatan aliran air pada masing-masing pipa yang terdapat di
dalam sistem jaringan pipa.
4. Menghitung headloss (kehilangan tenaga) mayor pada masing-masing
pipa selama melewati sistem jaringan pipa dengan persamaan
Hazen-William.
5. Menghitung headloss (kehilangan tenaga) mayor pada masing-masing
pipa selama melewati sistem jaringan pipa dengan persamaan Darcy
Weisbach.
6. Membandingkan besar kecepatan aliran dan kehilangan tinggi tekan pada
masing-masing pipa yang terdapat di dalam jaringan pipa antara metode
analisa dan hasil simulasi menggunakan WaterCAD v8i.
1.4. Manfaat
Tugas Akhir ini diharapkan bermanfaat untuk :
1. Memperoleh informasi tentangpengaruh kekasaran pada kehilangan tenaga
pada jaringan pipa.
2. Mengetahui cara penggunaan software WaterCAD v8i.
3. Menjadi referensi khususnya mahasiswa lainnya apabila akan mengambil
topik bahasan yang sama khususnya jaringan pipa.
1.5. PEMBATASAN MASALAH
Masalah yang diangkat dalam skripsi ini terlalu luas jika diteliti secara
meyeluruh. Agar penulisan skripsi lebih fokus dan tidak meluas dari pembahasan
yang dimaksud, dalam skripsi ini penulis membatasinya pada ruang lingkup
1. Membandingkan pengaruh kekasaran dari dua jenis pipa yang berbahan
material berbeda terhadap kecepatan aliran dan kehilangan tenaga pada
sistem perpipaan dengan mengabaikan kehilangan tenaga minor ( akibat
belokan, penyempitan pada pipa, perbesaran pipa, dll).
2. Tidak memperhitungkan adanya pengaruh kavitasi, suhu , ataupun faktor
lainnya yang mempengaruhi pipa selain faktor kekasaran pada pipa itu
sendiri.
1.6. SISTEMATIKA PENULISAN
Rencana sistematika penulisan Tugas Akhir ini terdiri dari 5 ( lima ) bab, yang
diuraikan sebagai berikut :
Bab I: Pendahuluan
Berisi latar belakang penulisan, tujuan dan manfaat, pembatasan
masalah, dan sistematika penulisan.
Bab II: Tinjau Pustaka
Berisi dasar teori, rumus, dan segala sesuatu yang digunakan untuk
menyelesaikan Tugas Akhir ini, yang diperoleh dari buku literatur, tulisan
ilmiah, website / search engine, dan hasil penulisan sebelumnya.
Bab III: Metodologi Penulisan
Berisi metodologi penulisan Tugas Akhir berupa pengumpulan
data dan metode analisisis data.
Bab IV: Analisis dan Perhitungan
Berisi perhitungan mengenai pengaruh faktor kekasaran terhadap
membandingkan dua jenis pipa yang materialnyaberbeda menggunakan
metode Hardy – Cross dan software WaterCAD V8i
Bab V: Kesimpulan dan Saran
Berisi kesimpulan dari hasil analisa dan saran berdasarkan kajian
6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. URAIAN
Dalam menyusun skripsi ini, telah dilakukan tinjauan pustaka oleh penulis
dan ternyata ada beberapa mahasiswa/I sebelumnya menulis dalam masalah yang
hampir sama bahkan menyerupai dengan judul yang akan penulis buat. Oleh
karena itu, untuk menghindari dari hal-hal yang tidak diinginkan seperti
”menduplikat” hasil karya orang lain, maka penulis perlu mempertegas perbedaan
antara masing-masing judul dan masalah yang dibahas, yaitu sebagai berikut :
“ Membandingkan Besar Kecepatan Aliran dan Kehilangan Tenaga antara Pipa
Berbahan Tembaga dengan Berbahan Beton dengan Layout Jaringan Pipa serta
Dimensi yang sama Menggunakan Metode Hardy-Cross dan juga
Mensimulasikannya ke dalam Software WaterCAD V8i ” oleh LEO
FERNANDO SITANGGANG/ NIM 100404078 .
Sedangkan judul skripsi penulis “Analisis Pengaruh Faktor Kekasaran Dengan
Persamaan Hazen William Dan Darcy Weisbach Terhadap Kecepatan Aliran Dan
Kehilangan Tenaga Pada Pipa Dengan Watercad Versi 8i“
Dari beberapa metode yang telah dikembangkan untuk analisis jaringan
pipa, diantaranya adalah metode keseimbangan head. Metode keseimbangan head
adalah metode yang paling awal digunakan untuk analisis jaringan pipa. Metode
keseimbangan head dipakai untuk sistem pipa yang membeniuk loop tertutup.
Dengan metode keseimbangan head laju aliran pipa diasumsikan ,memenuhi
memenuhi kriteria kontinuitas. Laju aliran berturut-turut disesuaikan dari satu
loop dengan loop yang lain, sampai laju aliran tiap-tiap loop dicukupi dalam suatu
toleransi kecil yang telah ditetapkan (Cross, 1936).
2.2. DASAR TEORI
2.2.1. Metode Pendistribusian Air pada Pipa
Di dalam pendistribusian air diperlukan cara untuk mengalirkan air agar
air dapat mengalir dari sumber air ke semua pemakai air. Adapun metode
pendistribusian air terdiri dari tiga tipe sistem yaitu Sistem Gravitasi, Sistem
Pemompaan, dan Sistem Gabungan.
2.2.1.1 Sistem Gravitasi
Metode pendistribusian dengan sistem gravitasi bergantung pada topografi
sumber daya air yang ada dan daerah pendistribusiannya. Biasanya sumber air
ditempatkan pada daerah yang lebih tinggi dari daerah distribusinya, agar air yang
didistribusikan dapat mengalir dengan sendirinya tanpa pompa. Adapun
keuntungan dengan sistem ini yaitu energi yang dipakai tidak membutuhkan biaya
dan sistem pemeliharaannya murah.
2.2.1.2. Sistem Pemompaan
Metode ini menggunakan pompa dalam mendistribusikan air menuju
lokasi pemakaian air. Pompa langsung dihubungkan dengan pipa yang menangani
pendistribusian. Dalam pengoperasiannya pompa terjadwal untuk beroperasi
sehingga dapat menghemat pemakaian energi. Keuntungan dari metode ini yaitu
tekanan pada daerah distribusi dapat terjaga.
Metode ini merupakan gabungan antara metode gravitasi dan pemompaan
yang biasa digunakan untuk daerah distribusi yang berbukit-bukit dan
pendistribusian air di gedung bertingkat.
2.3. Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida
Penentuan kecepatan di sejumlah titik pada suatu penampang
memungkinkan untuk membantu dalam menentukan besarnya kapasitas aliran
sehingga pengukuran kecepatan merupakan fase yang sangat penting dalam
menganalisa suatu aliran fluida. Kecepatan dapat diperoleh dengan melakukan
pengukuran terhadap waktu yang dibutuhkan suatu partikel untuk bergerak
sepanjang jarak yang telah ditentukan.
Kapasitas aliran (Q) untuk fluida yang inkompresibel (Ihwanda,2000). yaitu:
Q = A . v ……….(2.1)
Di mana:
Q= Kapasitas aliran = (m3/s),
A = luas penampang aliran (m2),
v = kecepatan aliran fluida (m/s)
Untuk nilai kecepatan searah gaya gravitasi, maka kecepatan dihitung berdasarkan
tinggi jatuh air atau √(2gh) , maka diperoleh persamaan:
Q = √(2gh)x 0,25 π D2
2.4. Jenis Aliran Fluida
…….………...(2.2)
Aliran fluida dapat dibedakan atas 3 jenis yaitu aliran laminar, aliran transisi,
dan aliran turbulen. Jenis aliran ini didapat dari hasil eksperimen yang dilakukan
oleh Osborne Reynold tahun 1883 yang mengklasifikasikan aliran menjadi 3
rata-rata V maka dapat diketahui jenis aliran yang terjadi. Berdasarkan eksperimen
tersebut maka didapatkan bilangan Reynold di mana bilangan ini tergantung pada
kecepatan fluida, kerapatan, viskositas, dan diameter.
Aliran dikatakan laminar jika partikel-partikel fluida yang bergerak teratur
mengikuti lintasan yang sejajar pipa dan bergerak dengan kecepatan sama. Aliran
ini terjadi apabila kecepatan kecil dan atau kekentalan besar. Aliran disebut
turbulen jika tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di
sepanjang pipa dan hanya gerakan rata-rata saja yang mengikuti sumbu pipa.
Aliran ini terjadi apabila kecepatan besar dan kekentalan zat cair kecil.
Aliran laminar Re < 2000
Aliran Turbulen Re > 4000
Aliran Transisi 2000 < Re < 4000
Bilangan Reynold (Re) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
µ . .
Re= ρDV ………(2.3)
Di mana: ρ = massa jenis fluida (kg/m3), d = diameter pipa (m), V = kecepatan
aliran fluida (m/s), μ = viskositas dinamik fluida (Pa.s)
Karena viskositas dinamik dibagi dengan massa jenis fluida merupakan viskositas
kinematik (v) maka bilangan Reynold dapat juga dinyatakan
v V D.
Re= ………..……..(2.4)
Tabel 2.1. Nilai – nilai Viskositas Kinematik air, ν
Sumber: Kerry J.Howe ,dkk, John Wiley & Sons, Inc. (2012). Principles of Water
Treatment
2.5. Energi dan Head
Energi biasanya didenefisikan sebagai kemampuan untuk melakukan
kerja. Kerja merupakan hasil pemanfaatan tenaga yang dimiliki secara langsung
pada suatu jarak tertentu. Energi dan kerja dinyatakan dalam satuan N.m (Joule).
Setiap fluida yang sedang bergerak selalu mempunyai energi. Dalam
menganalisa masalah aliran fluida yang harus dipertimbangkan adalah mengenai
energi potensial, energi kinetik dan energi tekanan.
Energi potensial menunjukkan energi yang dimiliki oleh suatu aliran fluida
karena adanya perbedaan ketinggian yang dimiliki fluida dengan tempat jatuhnya.
Energi potensial (Ep) (Ihwanda,2000) dirumuskan sebagai:
z W
Ep= . ………....(2.5)
Energi kinetik menunjukkan energi yang dimiliki oleh fluida karena pengaruh
kecepatan yang dimilikinya. Energi kinetik dirumuskan sebagai:
2
Energi tekanan disebut juga dengan energi aliran yaitu jumlah kerja yang
dibutuhkan untuk memaksa elemen fluida bergerak menyilang pada jarak tertentu
dan berlawanan dengan tekanan fluida.
Besarnya energi yang disebabkan tekanan (Ef) dirumuskan sebagai:
γ W P Ef = .
………...…(2.8)
Total energi yang terjadi merupakan penjumlahan dari ketiga macam energi diatas
dirumuskan sebagai:
Persamaan ini dapat dimodifikasi untuk menyatakan total energi dengan head (H)
dengan membagi masing-masing variabel di sebelah kanan persamaan dengan W
(berat fluida) dirumuskan sebagai:
γ
2.6. Kerugian Tinggi Tekan ( Head Loss)
Kerugian tinggi-tekan terdiri atas kerugian tinggi-tekan mayor dan minor,
karena kerugian gesek di dalam pipa-pipa, dan head losses minor disebabkan
karena kerugian di dalam belokan-belokan, reduser, katup-katup, dan sebagainya.
Istilah head loss muncul sejak diawalinya percobaan-percobaan hidrolika
abad ke sembilan belas, yang sama dengan energi persatuan berat fluida. Arti head
loss sendiri adalah hilangnya energi mekanik persatuan massa fluida. Sehingga
satuan Head loss adalah satuan panjang yang setara dengan satu satuan energi
yang dibutuhkan untuk memindahkan satu satuan massa fluida setinggi satu satun
panjang yang bersesuaian.
2.6.1Kerugian Tinggi Tekan Mayor (Major Losses)
Bila fluida mengalir melalui suatu pipa dan tekanan fluida diukur pada dua
tempat sepanjang pipa, akan dijumpai kenyataan bahwa tekanan berkurang dalam
arah aliran. Penurunan tekanan ini disebabkan karena gesekan fluida pada dinding
pipa. Penurunan tekanan (∆p) sepanjang pipa (L).
Dalam kajian ini digunakan persamaan Hazen-Williams dan
Darcy-Weisbach
2.6.1.1. Persamaan Hazen-Williams
hf = S .L , jadi dapat diturunkan sebagai berikut:
L
dengan mensubstitusi A = 0.25 π D
Q = debit aliran pada pipa (m3
0.849 = konstanta,
/det),
Chw = koefisien kekasaran Hazen-Williams,
A = Luas penampang aliran (m2
R = Jari-jari hidrolis (m) =
S = kemiringan garis energi (m/m) =
L hf
hf = kehilangan tinggi tekan mayor (m),
D= Diameter pipa (m),
L = panjang pipa (m)
Tabel 2.2 Harga Koefisien Kekasaran Pipa Hazen- William
2.6.1.2. Persamaan Darcy-Weisbach
Persamaan Darcy berlaku untuk aliran laminer atau turbulen. Faktor gesekan
untuk laminer dapat dihitung secara analisis sedangkan untuk aliran turbulen
harus ditentukan secara empiris.
g
hf = kerugian head karena gesekan (m)
f = faktor gesekan (diperoleh dari diagram Moody)
D = diameter pipa (m)
L = panjang pipa (m)
V = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/det)
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/det2
Q = A.V
Diagram Moody memberikan faktor gesekan pipa. Faktor ini dapat ditentukan
oleh bilangan Reynold dan kekasaran relatif dari pipa.Bila pipa semakin kasar,
maka kemungkinan turbulent akan semakin besar. Kekasaran relatif dapat
didefinisikan sebagai :
e/D………(2.15)
dengan,e = absolute roughness atau kekasaran relatif,( tergantung oleh jenis bahan
material pipa)
Berikut ini tabel dari nilai absolute roughness ,e , untuk setiap jenis bahan
Tabel 2.3. Nilai absolute roughness ,e
Sumber : Houghtalen, Robert J (2010)
D = diameter of pipe
sedangkan bilangan reynold didefinisikan sebagai:
v V D R= .
dengan,
R = Reynolds number
D = diameter
V = velocity
ν = kenimatic viscosity of fluid
NB: Faktor gesekan pada aliran turbulen
• Tergantung pada bilangan Reynold dan kekasaran relative
• Harus ditentukan secara empiris (grafik, tabel, persamaan empiris)
Gambar 2.1. Diagram Moody
Sumber: Bambang Triatmodjo, 2013
Untuk aliran laminar nilai f dapat dicari dengan rumus sebagai berikut :
Re 64
= f
Untuk aliran turbulen dapat digunakan persamaan Swamee-Jain yang
dikembangkan untuk memperoleh faktor gesekan, f selain menggunakan diagram
Moody dimana nilai Re dan e/d sudah diketahui :
2.6.2.Kerugian Head Minor (Minor Losses)
Ada berbagai macam kehilangan tinggi tekan minor sebagai berikut:
1. Kehilangan Tinggi Minor karena Pelebaran Pipa
2. Kehilangan Tinggi Minor karena Penyempitan Mendadak pada Pipa
3. Kehilangan Tinggi Minor karena Mulut
4. Kehilangan Tinggi Minor karena Belokan pada Pipa
5. Kehilangan Tinggi Minor karena Sambungan dan Katup pada Pipa
2.7. ALIRAN DALAM SISTEM PIPA
Sistem jaringan pipa berfungsi untuk mengalirkan zat cair dari satu tempat
ke tempat lain. Aliran terjadi karena adanya perbedaan tinggi tekanan di kedua
tempat, yang bisa terjadi karena adanya perbedaan elevasi muka air atau karena
adanya tambahan energi dari pompa. Sistem jaringan pipa biasanya digunakan
untuk mendistribusikan air di daerah perkotaan (air minum), mengalirkan minyak
dari lokasi pengeboran ke lokasi pengolahan dan lain lain.
Sistem distribusi jaringan pipa pada daerah perkotaan atau kawasan industri yang
besar bisa sangat komplek. Pada bab ini akan dibahas sistem jaringan pipa yang
sederhana, yang dapat dibagi menjadi tiga, yaitu :
1. Aliran dalam pipa seri
2. Aliran dalam pipa paralel
3. Aliran dalam jaringan pipa
2.7.1 Aliran Dalam Pipa Seri
Bila dua buah pipa atau lebih yang mempunyai diameter atau kekasaran
berbeda dihubungkan sehingga zat cair dapat mengalir dalam pipa yang satu ke
8-1. menunjukkan suatu sistem yang terdiri dari dua buah reservoir yang
dihubungkan dengan dua buah pipa yang dihubungkan secara seri.
Persoalan pada pipa seri pada umumnya adalah menentukan besarnya debit aliran
Q bila karakteristik masing-masing pipa, yaitu : panjang : L1, L2; diameter : D1,
D2; koefisien gesekan f1, f2
Gambar 2.2. Pipa Seri
dan beda tinggi elevasi muka air pada kedua reservoir
diketahui atau menentukan perbedaan elevasi muka air H bila debit dan
karakteristik pipa diketahui.
Persamaan yang digunakan untuk menyelesaikan aliran dalam pipa seri adalah :
Persamaan Kontinuitas :
2
1 Q
Q
Q= = ...(2.17)
Persamaan Bernoulli di titik (1) dan titik (2) :
d
Dengan menggunakan persamaan Darcy-Weisbach dan persamaan kehilangan
energi sekunder, maka persamaan (3-2) menjadi :
H v
v Q
2.7.2 Aliran Dalam Pipa Paralel
Kombinasi dari dua atau lebih pipa seperti ditunjukkan pada Gambar 8-3
sehingga aliran terbagi ke masing-masing pipa dan kemudian bergabung kembali,
disebut sebagai susunan pipa paralel. Pada susunan pipa seri, debit aliran pada
semua pipa adalah sama dan kehilangan energi merupakan penjumlahan dari
kehilangan energi pada semua pipa, sedangkan dalam pipa paralel, kehilangan
energi pada setiap pipa adalah sama dan debit aliran merupakan penjumlahan dari
debit pada setiap pipa.
Gambar 2.3. Pipa Paralel
Dalam perhitungan tinggi kecepatan biasanya diabaikan, sehingga garis energi
berimpit dengan garis tekan.
Dari Gambar 2.3 di atas, persamaan untuk menyelesaikan pipa paralel adalah :
Terdapat dua persoalan pada pipa paralel, yaitu :
adalah elevasi titik A dan B, dan Q adalah debit pada pipa utama
2) Diketahui Q, dicari distribusi debit pada setiap pipa dan besarnya kehilangan
energi
Pada kedua persoalan di atas, diameter pipa, sifat zat cair dan kekasaran pipa
diketahui.
Persoalan pertama, sesungguhnya merupakan persoalan pipa sederhana untuk
menentukan debit, karena kehilangan energi sama dengan penurunan garis gradien
hidrolik. Debit pada setiap pipa dijumlahkan untuk mendapatkan debit total.
Persoalan kedua lebih rumit, karena baik kehilangan energi maupun besarnya
debit untuk pipa yang manapun tidak diketahui. Untuk itu bisa digunakan langkah
berikut untuk menyelesaikan masalah yang kedua.
1) Misalnya debit pada pipa 1 adalah Q
2)
2.7.3. Aliran dalam jaringan Pipa
Suatu jaringan pipa terbentuk dari pipa-pipa yang dihubungkan
sedemikian rupa sehingga aliran keluar pada suatu titik bisa berasal dari beberapa
jalur pipa. Sistem jaringan pipa banyak dijumpai pada jaringan suplai air bersih
kota. Suatu jaringan kota sering rumit dan diperlukan suatu desain sistem
distribusi yang efisien dan efektif sehingga kriteria besarnya tekanan dan debit
pada setiap titik dalam jaringan dapat dipenuhi.
Analisis jaringan suatu kota cukup rumit dan memerlukan perhitungan
yang besar, dalam banyak hal perhitungan dengan bantuan kalkulator tidak
mampu, sehingga diperlukan bantuan komputer. Perangkat lunak untuk membantu
kecepatan dan ketelitian perhitungan banyak tersedia di pasar dari yang sederhana
sampai yang sangat rumit dan berharga mahal. Ada beberapa metoda untuk
menyelesaikan perhitungan sistem jaringan pipa, diantaranya adalah metoda
Hardy Cross dan metoda Matriks. Dalam skripsi ini perhitungan sistem jaringan
pipa akan diselesaikan menggunakan metoda Hardy Cross.
Gambar 2.4. Jaringan Pipa
Pada jaringan pipa yang kompleks pemakaian persamaan Hazen williams
sangat mempermudah dibandingkan dengan persamaan lain. Perhitungan jaringan
dan terdapat persyaratan yang harus dipenuhi pada sebuah lokasi serta proses
interasi penentuan head loss pada tiap pipa. Sebuah jaringan yang terdiri dari
beberapa pipa mungkin membentuk beberapa loop dan sebuah pipa mungkin
dipakai secara bersama-sama oleh dua loop. Seperti Hukum Kirchoff pada
rangkaian listrik, maka pada jaringan pipa terdapat dua syarat yang harus dipenuhi
1. Aliran netto ke sebuah titik pertemuan harus sama dengan nol atau laju aliran
ke arah titik pertemuan harus sama dengan laju aliran dari titik pertemuan yang
sama
2. Head loss netto di seputar sebuah loop harus sama dengan nol. Metode iterasi
untuk perhitungan loop jaringan pipa disebut metode Hardy-Cross. Metode ini
memberikan nilai koreksi kapasitas aliran pada tiap pipa dari perbandingan head
loss yang diasumsikan sebelumnya.
Metode Hardy Cross digunakan untuk jaringan pipa loop tertutup. Laju
aliran keluar sistem secara umum diasumsikan untuk setiap percabangan,
pengasumsian ini menentukan laju aliran yang seragam dalam saluran pipa yang
dapat menyederhanakan analisis. Dengan mengetahui laju keluaran pada
percabangan, metode Hardy Cross didasarkan dengan prosedursecara iterasi pada
awal perhitungan laju aliran dalam pipa. Pada setiap percabangan laju aliran
tersebut harus memenuhi kriteria kontinuitas. Setiap pipa dari sistem jaringan
terdapat hubungan antara kehilangan tenaga dan debit.
Langkah perhitungan dengan metode Hardy-Cross adalah sebagai berikut :
1. Mengasumsikan besar dan arah kapasitas aliran pada tiap pipa dengan
berpedoman pada syarat 1, yaitu total aliran pada tiap titik pertemuan
2. Membuat tabel perhitungan untuk analisa tiap loop tertutup.
3. Menghitung head loss dalam setiap pipa
4. Menentukan arah aliran dan head loss, yaitu positif untuk arah aliran yang
searah jarum jam dan negatif untuk arah aliran yang berlawanan dengan
jarum jam
5. Menghitung jumlah aljabar head loss pada setiap loop
6. Menghitung total head loss per laju aliran, hf /Q untuk setiap pipa dan
menentukan jumlah aljabar dari perbandingan tersebut untuk tiap loop.
7. Menentukan koreksi aliran untuk tiap loop dengan rumus
Q
Koreksi ini diberikan pada setiap pipa dalam loop dengan ketentuan
ditambahkan untuk aliran yang searah jarum jam dan di kurangkan untuk
aliran yang berlawanan dengan jarum jam. Untuk pipa yang digunakan
secara bersama dengan loop lain, koreksi aliran untuk pipa tersebut
adalah harga total dari koreksi-koreksi untuk kedua loop.
8. Mengulangi langkah 1 sampai dengan langkah ke 7 sampai nilai koreksi
aliran sekecil mungkin.
2.8. PENGENALAN TENTANG SOFTWARE WATERCAD V8I
Beberapa program komputer di bidang rekayasa dan perencanaan sistem
jaringan distribusi air bersih diantaranya adalah program Loops, Wadiso, Epanet
1.1, Epanet 2.0, WaterCAD, dan WaterNet. Dalam studi ini digunakan program
diketahui dalam fungsinya untuk menganalisis perbedaan kecepatan aliran dan
mayor loss pada masing masing pipa .
Berikut ini pengenalan singkat tentang software WaterCAD v8i:
Gambar 2.5. Tampilan Penuh Ruang Kerja pada WaterCAD v8i
Gambar 2.6. Tampilan Menubar pada WaterCAD v8i
Gambar 2.8. Layout Toolbars pada WaterCAD v8i
Keterangan : Layout toolbar ini berfungsi mendefinisikan objek seperti reservoir,
pipa, tank, junction, pompa pada jaringan pipa sehingga dapat disimulasikan
layaknya sistem jaringan pipa sebenarnya.
Keterangan : Background layers berfungsi menampilkan peta layout jaringan pipa
yang bersumber dari aplikasi lain seperti AutoCAD sehingga dapat diplot kedalam
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Sumber dan Jenis Data
Data-data yang dipergunakan dalam penyusunan karya tulis ini berasal dari
berbagai literatur kepustakaan yang berkaitan dengan permasalahan yang dibahas
yaitu perbandingan besar kecepatan dan head loss pada setiap pipa dalam jaringan
pipa, dimana pipa yang dibandingkan adalah pipa yang berbahan tembaga dan
berbahan beton. Beberapa jenis referensi utama yang digunakan adalah buku
pelajaran teknik sipil, jurnal imiah edisi cetak maupun edisi online, dan artikel
ilmiah yang bersumber dari internet. Jenis data yang diperoleh variatif.
3.2 Pengumpulan Data
Metode penelitian bersifat studi literatur. Informasi didapatkan dari berbagai
literatur dan disusun berdasarkan hasil studi dari informasi yang diperoleh.
Penulisan diupayakan saling terkait antar satu sama lain dan sesuai dengan topik
yang dibahas.
3.3 Analisis Data
Data yang terkumpul diseleksi dan diurutkan sesuai dengan topik kajian.
Kemudian dilakukan penyusunan karya tulis berdasarkan data yang telah
dipersiapkan secara logis dan sistematis. Teknik analisis data bersifat deskriptif
argumentatif.
Untuk mencapai tujuan yang diharapkan maka diperlukan suatu langkah
pengerjaan secara sistematis. Adapun langkah-langkah pengerjaan studi sebagai
berikut:
2. Melakukan pengumpulan data-data sekunder seperti data teknis dan data
pendukung lainnya yang digunakan dalam menganalisa masing – masing
jenis pipa.
3. Menganalisa data dengan dua metode perhitungan, yaitu:
a) Perhitungan jaringan menggunakan Metode Hardy-Cross
b) Perhitungan jaringan menggunakan WaterCAD v8i
A. Perhitungan jaringan menggunakan Metode Hardy-Cross
Untuk perhitungan pada masing-masing jenis pipa pada Metode Hardy-Cross
diperlukan tahapan-tahapan sebagai berikut:
1. Mengasumsikan besar dan arah kapasitas aliran pada tiap pipa dengan
berpedoman pada syarat 1, yaitu total aliran pada tiap titik pertemuan
mempunyai jurnlah aljabar sama dengan nol.
2. Membuat tabel perhitungan untuk analisa tiap loop tertutup.
3. Menghitung head loss dalam setiap pipa
4. Menentukan arah aliran dan head loss, yaitu positif untuk arah aliran yang
searah jarum jam dan negatif untuk arah aliran yang berlawanan dengan
jarum jam
5. Menghitung jumlah aljabar head loss pada setiap loop
6. Menghitung total head loss per laju aliran, hr /Q untuk setiap pipa dan
menentukan jumlah a;jabar dari perbandingan tersebut untuk tiap loop.
7. Menentukan koreksi aliran untuk tiap loop dengan rumus
Q
Koreksi ini diberikan pada setiap pipa dalam loop dengan ketentuan
aliran yang berlawanan dengan jarum jam. Untuk pipa yang digunakan
secara bersama dengan loop lain, koreksi aliran untuk pipa tersebut
adalah harga total dari koreksi-koreksi untuk kedua loop.
8. Mengulangi langkah 1 sampai dengan langkah ke 7 sampai nilai koreksi
aliran sekecil mungkin.
B. Perhitungan jaringan menggunakan WaterCAD v8i
Untuk simulasi pada masing-masing jenis pipa pada WaterCAD ver 8 i
diperlukan tahapan-tahapan sebagai berikut:
a. Membuka dan memberi nama file baru untuk masing-masing pipa dalam
format WaterCAD (xxx.wtg).
b. Mengisi tahap pembuatan file baru dengan cara:
• Memilih Satuan yang digunakan dalam sistem operasi program.
Satuan yang disediakan oleh WaterCAD ver 8 I yaitu Satuan US dan
Satuan Internasional (SI).
• Memilih rumus kehilangan tinggi tekan. Program WaterCAD ver 8 I
menyediakan beberapa pilihan rumus kehilangan tinggi tekan
diantaranya: Darcy-Weisbach,Hazen-Williams dan Manning.
• Penggambaran pipa dapat secara Schematic (skema) dan Schalatic
(sebenarnya sesuai dengan skala).
c. Menggambar elemen elemen dalam perpipaan dengan memodelkan atau
memberi notasikan komponen seperti reservoir, titik simpul, dan pipa.
d. Melakukan simulasi sistem jaringan distribusi air bersih serta menganalisa
dapat dilakukan perbaikan pada komponen sistem jaringan distriusi air bersih
hingga didapatkan hasil yang sesuai.
Komponen-komponen perpipaan mempunyai beberapa kata kunci dalam
pemrogramannya, yaitu:
a) Presure Pipe, data pipa, nomer titik, titik simpul awal dan akhir, panjang,
diameter, koefisien kekasaran serta bahan pipa.
b) Pressure Junction, titik simpul, nomer titik, elevasi debit kebutuhan.
c) Reservoir, data sumber, elevasi, diasumsikan konstan.
d) Compute, melakukan proses simulasi.
BAB IV
ANALISA DAN PEMBAHASAN
4.1. Deskripsi Data
Dalam bab ini akan menyajikan hasil penulisan. Setelah semua data yang
diperlukan dalam analisa perhitungan dalam penulisan ini terkumpul dari
berbagai sumber studi pustaka yang ada, maka dilakukan pengolahan data. Data
yang digunakan sebagai objek studi dalam penulisan ini ada empat (4) yaitu:
skala/ukuran layout jaringan pipa , dimensi pipa, panjang pipa, dan debit yang
tersedia serta debitkeluaran pada tiap titik yang ditentukan. Keempat data
diperoleh berdasarkan studi pustaka yang dilakukan penulis.
Berikut ini data – data serta layout peta jaringan pipa yang merupakan objek studi
untuk digunakan sebagai bahan analisa tugas akhir ini, yaitu:
Bahan pipa : Copper dan Concrete
Panjang dan diameter pipa : Tercantum pada layout jaringan pipa di bawah
Kekasaran relatif pipa (e) : 0.0015 mm ( copper ) dan 0.36 mm ( concrete )
Fluida yang bekerja : air
Jumlah loop : 2 loop
Jumlah pipa : 7 buah pipa
Jumlah sumber air masuk : 1 sumber
Gambar 4.1. Layout Peta Jaringan Pipa
Keterangan gambar :
R1 = Reservoir ( elevasi = 200 m )
J1 = Titik 1
J2 = Titik 2
J3 = Titik 3
J4 = Titik 4
J5 = Titik 5
Data yang diperlukan untuk analisa perhitungan adalah sebagai berikut :
Q1 = 150 L/s
Q2 = 20 L/s
Q3 = 60 L/s
Q4 = 35 L/s
Q5 = 35 L/s
Q1 = Debit yang tersedia berasal dari Reservoir (L/s)
Debit keluaran untuk perhitungan yaitu debit Q2, Q3, Q4, Q5, dimana Q1
merupakan penjumlahan dari debit Q2, Q3, Q4, Q5 sehingga Debit masuk harus
sama dengan debit keluar.
P-1 = Panjang pipa 1 = 400 meter
P-2 = Panjang pipa 2 = 300 meter
P-3 = Panjang pipa 3 = 400 meter
P-4 = Panjang pipa 4 = 300 meter
P-5 = Panjang pipa 5 = 400 meter
P-6 = Panjang pipa 6 = 300 meter
P-7 = Panjang pipa 7 = 400 meter
D-1 = Diameter pipa 1 = 12 inci
D-2 = Diameter pipa 2 = 10 inci
D-3 = Diameter pipa 3 = 10 inci
D-4 = Diameter pipa 4 = 12 inci
D-5 = Diameter pipa 5 = 10 inci
D-6 = Diameter pipa 6 = 10 inci
D-7 = Diameter pipa 7 = 8 inci
Permasalahan yang akan dibahas adalah membandingkan besar kecepatan aliran
dan head loss masing-masing pipa dalam suatu jaringan pipa yaitu dengan
membandingakan analisa perhitungan dengan menggunakan metode Hardy Cross
dan WaterCAD V8i
Berikut ini 8 alternatif perhitungan jaringan pipa yang akan dianalisis dan
dibandingkan sebagai acuan atau bahan dalam mencari perbedaan kecepatan
1) Menghitung besar kecepatan aliran dan headloss pada masing – masing
pipa untuk pipa berbahan copper menggunakan metode Hardy-Cross (
Perhitungan head loss dengan persamaan Darcy – Weisbach ).
2) Menghitung besar kecepatan aliran dan headloss pada masing – masing
pipa untuk pipa berbahan copper dengan metode Hardy-Cross (
Perhitungan head loss dengan persamaan Hazen-William ).
3) Menghitung besar kecepatan aliran dan headloss pada masing – masing
pipa untuk pipa berbahan concrete dengan metode Hardy-Cross (
Perhitungan head loss dengan persamaan Darcy – Weisbach ).
4) Menghitung besar kecepatan aliran dan headloss pada masing – masing
pipa untuk pipa berbahan concrete dengan metode Hardy-Cross (
Perhitungan head loss dengan persamaan Hazen-William).
5) Menghitung besar kecepatan aliran dan headloss pada masing – masing
pipa untuk pipa berbahan copper dengan WaterCAD V8i ( Perhitungan
head loss dengan persamaan Darcy – Weisbach ).
6) Menghitung besar kecepatan aliran dan headloss pada masing – masing
pipa untuk pipa berbahan copper dengan WaterCAD V8i ( Perhitungan
head loss dengan persamaan Hazen-William).
7) Menghitung besar kecepatan aliran dan headloss pada masing – masing
pipa untuk pipa berbahan concrete dengan WaterCAD V8i ( Perhitungan
head loss dengan persamaan Darcy – Weisbach ).
8) Menghitung besar kecepatan aliran dan headloss pada masing – masing
pipa untuk pipa berbahan concrete dengan WaterCAD V8i ( Perhitungan
4.2. Analisa Perhitungan
Dari delapan alternatif yang akan dianalisa di atas , maka akan dijabarkan
pembahasan untuk masing-masing alternatif perhitungan di atas seperti dibawah
ini:
Menghitung besar kecepatan aliran dan headloss pada masing – masing
pipa untuk pipa berbahan copper menggunakan metode Hardy-Cross
(dengan catatan perhitungan head loss persamaan yang digunakan
persamaan Darcy – Weisbach ).
Alternatif pertama
Penyelesaian:
Iterasi percobaan pertama
Dengan mengasumsikan kapasitas aliran pada pipa 1 sampai
dengan pipa 7 dengan berpedoman pada langkah pertama dalam
perhitungan jaringan pipa dengan metode Hardy-Cross yang sudah
diterangkan pada bab sebelumnya, yaitu jumlah aljabar kapasitas pada tiap
titik pertemuan adalah sama dengan nol. Untuk lebih jelasnya lihat pada
gambar di bawah ini:
Pada pipa 1,4 150 = 75 + 75
Menghitung head loss pada tiap pipa, yaitu :
1. Pada pipa 1
Data Pada Pipa 1: ( Dapat dilihat dari gambar )
Q1
Mencari nilai Re dan e/D untuk memperoleh nilai faktor gesekan , f :
v
= , maka persamaannya menjadi :
v
Re > 4000, jadi aliran pada pipa adalah aliran turbulen
b. Mencari nilai e/D
Jadi dengan diperolehnya nilai Re1 dan e/D1
diketahui melalui diagram Moody , untuk mendapatkan besar nilai f yang lebih
akuratnya digunakan persamaan 2.16 seperti di bawah ini:
0143
Sehingga Headloss dapat dihitung sebagai berikut:
g
= , substitusi ke persamaan diatas, jadi:
5
Data Pada Pipa 2: ( Dapat dilihat dari gambar )
Q2
a. Mencari nilai Re
= , maka persamaannya menjadi :
v
Re > 4000, jadi aliran pada pipa adalah aliran turbulen
b. Mencari nilai e/D
e/D2
Jadi dengan diperolehnya nilai Re = 0.0015/250 = 0.000006
2 dan e/D2
diketahui melalui diagram Moody , untuk lebih akuratnya kita bisa menggunakan
dari persamaan 2.16 seperti di bawah ini:
0164
Sehingga Headloss dapat dihitung sebagai berikut:
g
V = = π , substitusi ke persamaan diatas, jadi:
Dengan mempermudah perhitungan digunakan program excel untuk perhitungan
selanjutnya untuk pipa 3, 4, 5, 6, 7 sebagai berikut:
LOOP1
PIPA DIAMETER
(M)
E -0.193047363 0.05911627
∆ Q 1.63
LOOP2
PIPA DIAMETER
(M)
E -0.999453245 0.10186348
∆ Q 4.90
karena ∆Q belum mendekati 0 jadi, perlu diiterasi ulang lagi dengan
mengasumsikan kapasitas aliran dengan debit yang baru, salah satu cara agar
memperoleh hasil ∆Q yang mendekati 0 adalah dengan menambahkan besar ∆Q
pada iterasi percobaan pertama ke dalam Q yang diasumsikan lagi pada percobaan
iterasi yang kedua, sehingga diperoleh besar Q untuk percobaan iterasi yang
Iterasi percobaan kedua
Gambar 4.3. Asumsi Kapasitas aliran untuk iterasi percobaan kedua.
Q1 = 77 L/s
Dari asumsi debit aliran yang baru untuk iterasi kedua yang ada diatas , sehingga
diperoleh hasil iterasi kedua sebagai berikut:
RE1 = 325820.7
LOOP1
PIPA DIAMETER
(M)
PIPA DIAMETER
(M)
mengasumsikan kapasitas aliran dengan besar yang baru, salah satu cara agar
memperoleh hasil ∆Q yang mendekati 0 adalah dengan menambahkan besar ∆Q
pada iterasi percobaan kedua ke dalam Q yang diasumsukan lagi pada percobaan
iterasi yang ketiga, sehingga diperoleh besar Q untuk percobaan iterasi yang
ketiga . Untuk lebih jelas dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Iterasi percobaan ketiga
Gambar 4.4. Asumsi Kapasitas aliran untuk iterasi percobaan ketiga.
Q1 = 78 L/s
Q2 = 27 L/s
Q3 = 37 L/s
Q4 = 72 L/s
Q5 = 51 L/s
Q6 = 31 L/s
Q7 = 29 L/s
Dari asumsi debit aliran yang baru untuk iterasi ketiga, sehingga diperoleh hasil
iterasi ketiga sebagai berikut:
RE1 = 330052.1
RE2 = 137098.6
RE3 = 187875.8
RE4 = 304663.5
RE5 = 258964
RE6 = 157409.5
RE7 = 184067.5
E/D1 = 0.000005
E/D2 = 0.000006
E/D3 = 0.000006
E/D4 = 0.000005
E/D5 = 0.000006
E/D7 = 7.5E-06
PIPA DIAMETER
(M)
PIPA DIAMETER
Setelah melakukan iterasi ketiga diperoleh besar ∆Q yang mendekati 0 , sehingga
debit masing-masing pipa yang diasumsikan adalah debit sebenarnya pada
masing-masing pipa sehingga diperoleh juga besar kecepatan aliran dan headloss
masing-masing pipa seperti yang ada pada perhitungan excel di atas.
Untuk mempermudah perhitungan selanjutnya maka perhitungan untuk
persoalan alternatif 2, 3 dan 4 dapat dikerjakan dengan excel tercantum pada
lampiran Tugas Akhir ini, dimana setelah dilakukan menggukan excel hasil yang
didapat juga setelah melakukan percobaan iterasi 3 maka rekapitulasi hasil
perhitungannya adalah sebagai berikut:
Q1 = 78 D1 = 0.3 M 300 MM L1 = 400 Q2 = 27 D2 = 0.25 M 250 MM L2 = 300 Q3 = 37 D3 = 0.25 M 250 MM L3 = 400 Q4 = 72 D4 = 0.3 M 300 MM L4 = 300 Q5 = 51 D5 = 0.25 M 250 MM L5 = 400 Q6 = 31 D6 = 0.25 M 250 MM L6 = 300 Q7 = 29 D7 = 0.2 M 200 MM L7 = 400
Hasil perhitungan percobaan iterasi 3 untuk alternatif 2
Hasil untuk Alternatif 2
HAZEN WILLIAM
C = 135
HF1 = 1.522963
HF2 = 0.389632
HF3 = 0.930559
HF4 = 0.98501
HF5 = 1.684906
HF6 = 0.503096
LOOP1
PIPA DIAMETER
(M)
PIPA DIAMETER
(M)
Hasil perhitungan percobaan iterasi 3 untuk alternatif 3
Hasil untuk alternatif 3
E/D6 = 0.00144
PIPA DIAMETER
(M)
PIPA DIAMETER
Hasil perhitungan percobaan iterasi 3 untuk alternatif 4
Hasil untuk alternatif 4 HAZEN WILLIAM
PIPA DIAMETER
(M)
PIPA DIAMETER
Setelah didapat hasil perhitungan jaringan dari alternatif 1, 2, 3, 4 dengan
metode Hardy-Cross, maka untuk alternatif 5, 6, 7, 8 perhitungan jaringan pipa
akan dianalisis menggunakan software WaterCAD v 8i.
Di bawah ini perhitungan jaringan pipa untuk persoalan pada alternatif 5.
Menghitung besar kecepatan aliran dan headloss pada setiap pipa dalam
jaringan pipa dengan pipa berbahan copper menggunakan WaterCAD V8i
( Perhitungan head loss menggunakan persamaan Darcy – Weisbach ).
Alternatif kelima
Di dalam perhitungan jaringan pipa menggunakan software WaterCAD ini
diperlukan data-data yang akan di input berdasarkan data objek studi yang sudah
dikumpulkan untuk mencari besar kecepatan dan headloss masing-masing pipa
sebagai berikut :
Q2 = 20 L/s
Q3 = 60 L/s
Q4 = 35 L/s
Q5 = 35 L/s
Q1 = Debit yang tersedia berasal dari Reservoir (L/s)
Q2, Q3, Q4, Q5 = Debit yang diperlukan pada masing-masing titik (L/s)
P-1 = Panjang pipa 1 = 400 meter
P-2 = Panjang pipa 2 = 300 meter
P-3 = Panjang pipa 3 = 400 meter
P-4 = Panjang pipa 4 = 300 meter
P-5 = Panjang pipa 5 = 400 meter
P-7 = Panjang pipa 7 = 400 meter
D-1 = Diameter pipa 1 = 12 inci
D-2 = Diameter pipa 2 = 10 inci
D-3 = Diameter pipa 3 = 10 inci
D-4 = Diameter pipa 4 = 12 inci
D-5 = Diameter pipa 5 = 10 inci
D-6 = Diameter pipa 6 = 10 inci
D-7 = Diameter pipa 7 = 8 inci
Skema gambar AutoCAD dari layout jaringan yang akan dianalisis juga termasuk
data yang diperlukan sebelum menginput data, dimana gambar ini nantinya akan
di plot ke WaterCAD v8i .
Berikut ini prosedur perhitungan jaringan pipa pada alternatif 5 :
1. Membuka aplikasi WaterCAD v8i
3. Pada menubars pilih tools > option.
4. Pada jendela menu option pilih tab Units , setelah itu ubah default units system
for new project menjadi SI , agar semua satuan dalam jaringan pipa menggunakan
5. Pada jendela menu option pilih lagi tab Drawing, lalu drawing scale dan
annotation multipliers diubah seperti di bawah ini .(NB : skala harus disamakan
dengan skala skema jaringan pipa yang ada pada gambar AutoCAD).
6. Pada toolbars pilih calculation option atau menubars pilih analysis > calculation
option
Di bawah ini jendela Calculation Option:
7. Pada jendela calculation option pilih Steady State/EPS Solver > Base
Pada jendela base calculation option ini dapat dilihat friction method adalah
Hazen-William , maka diganti menjadi Darcy-Weisbach sesuai dengan kondisi
pada alternatif 5 yang akan dianalisis.
8. Setelah prosedur di atas selesai, lalu pilih pada menubars view > Prototype, (
Pada jendela prototype klik kanan pipe lalu pilih new
Setelah itu akan muncul tulisan “Pipe prototype-1” seperti di bawah ini:
Setelah itu double click pipe prototype-1 untuk mengubah atau mendefinisikan
dimensi dan material pipa yang akan digunakan.
Cara mengubah material adalah klik symbol yang sudah ditandai pada gambar di
Setelah itu double klik material library > materiallibrary.xml > pilih material pipa
yang akan digunakan .( pada kondisi alternatif 5 menggunakan pipa berbahan
copper ) .Lalu pilih copper dan bisa dilihat disamping kanan dari jendela
engineering libraries diberikan informasi nilai dari koefisien Hazen-William,CHW,
dan kekasaran relatif, e dari material pipa copper.
Setelah selesai mendefenisikan material pipa lalu tutup jendela engineering
libraries lalu simpan file dengan nama file copper darcy.
9. Langkah selanjutnya menyediakan layout jaringan pipa yang sudah ada
ditentukan pada objek studi untuk selanjutnya di plot ke WaterCAD.
Agar bisa diplot ke WaterCAD v8i maka gambar diatas file extension harus
diubah dari jaringan pipa.dwg menjadi jaringan pipa.dxf.
Cara mengubah file extensionnya :
1) Buka file jaringan pipa.dwg
2) Setelah itu save as filenya
3) Lalu pada jendela file save as ada tulisan files of type , pada kotak isiannya
diganti menjadi jaringan pipa.dxf sperti gambar di bawah ini:
10. Setelah file extension diubah , file waterCAD yang diberi nama file copper
Langkah-langkah memplot layout jaringan pipa ke WaterCAD v8i adalah sebagai
berikut:
1) Pada jendela Background Layer , klik kanan background layer > file >
new .
2) Setelah itu akan muncul jendela “ select background “ seperti dibawah ini:
3) Lalu cari file jaringan pipa yang sebelumnya sudah diubah file
extensionnya, lalu klik open. Setelah itu muncul jendela DXF properties >
4) Setelah itu, gambar sudah terplot ke ruang kerja waterCAD seperti di
bawah ini:
11. Klik reservoir pada layout toolbar , lalu letakkan pada gambar jaringan
pipa. Untuk memasukkan elevasi reservoir double klik symbol reservoir yang
12. Untuk junction, dapat dilakukan hal yang sama seperti meletakkan reservoir
13. Untuk meletakkan pipa caranya klik tarik garis dari titik ke titik
selanjutnya mengikuti gambar jaringan pipa . Setelah selesai menarik garis lalu
14. Data – data jaringan pipa diinput, seprti diameter pipa dan water demand pada
titik 2, 3, 4, dan 5.
A. Langkah input diameter pipa :
1) Pilih view > flex table > pipe table ( klik pada toolbar )
2) Karena diameter pipa pada data dalam satuan inci, maka satuan diganti
caranya pada jendela flex table klik kanan kolom diameter > unit and
formating… maka akan muncul jendela set field option- diameter lalu
pada kolom units mm diganti menjadi in .
B. Langkah input water demand sebagai berikut:
1) Klik pada toolbar , lalu lalu pilih initialize demand for all
element pada jendela demand control center.
2) Input data debit pada titik 2, 3, 4, 5 yang merupakan debit yang diterima
pada titik tersebut.
15. Setelah semua data selesai di input, klik validate pada toolbar , ini perlu
suatu kesatuan sistem agar saat dianalisis oleh waterCAD dapat memberikan
report mengenai hasil dari rangkaian sistem jaringan yang direncanakan.
Bila validate tidak mengalami masalah, akan muncul pemberitahuan seperti di
bawah ini.
16. Setelah itu lalu klik coumpute yang ada pada toolbar , lalu akan muncul
17. Untuk melihat hasil atau report dari perhitungan klik flex table pada
toolbar. Dari report bisa dilihat hasil dari report perhitungan dengan software
WaterCAD adalah debit pada masing pipa, headloass pada
Dengan prosedur yang sama seperti perhitungan pada alternatif 5 , maka alternatif
6, 7, dan 8 dapat diselesaikan.
Berikut ini tabel rekapitulasi dari seluruh perhitungan untuk setiap alternatif :
Sebagai tambahan untuk bahan perbandingan dari hasil perhitungan
masing-masing alternatif di atas maka pada tugas akhir ini ditambahkan dua hal terkait
mengetahui pengaruh kekasaran terhadap kecepatan aliran dan headloss pada
jaringan pipa, yaitu:
1. Menambahkankan dua jenis material pipa yaitu galvanized iron dan steel
menggunakan WaterCAD v8i.
2. Mengubah ukuran diameter pipa bertujuan mengetahui perbedaaan hasil
perhitungannya dengan hasil perhitungan alternatif di atas.
Berikut ini tabel rekapitulasi hasil perhitungan jaringan pipa untuk pipa
galvanized iron dan steel menggunakan WaterCAD v8i:
Berikut ini tabel rekapitulasi hasil perhitungan jaringan pipa dengan ukuran
diameter berbeda:
4.3. Pembahasan
Sesuai dengan hasil analisis perhitungan untuk masing-masing alternatif
perhitungan jaringan pipa di atas, diperoleh bahwa perhitungan menggunakan
metode Hardy-Cross dan WaterCAD memberikan hasil yang tidak berbeda jauh
secara signifikan. Hasil pembahasan analisis terhadap masing-masing alternatif
perhitungan jaringan pipa dapat disimpulkan sebagai berikut :
1) Hasil perhitungan untuk setiap alternatif perhitungan jaringan pipa
menunjukkan debit yang relatif sama pada setiap pipa sebagai contoh debit
pada pipa 1 untuk alternatif 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,dan 8. Diakibatkan debit yang
relatif sama itu maka kecepatan aliran pada setiap pipa juga sama karena
kecepatan aliran tergantung pada debit dan luas penampang pipa, dimana
luas penampang untuk setiap alternatif perhitungan jaringan pipa adalah
2) Hasil perhitungan untuk setiap alternatif perhitungan jaringan pipa juga
menunjukkan perbedaan antara alternatif 1 sampai 8, yaitu headloss pada
setiap pipa yang terdapat dalam jaringan pipa untuk masing-masing
alternatif perhitungan jaringan pipa berbeda.
Berikut ini hal-hal yang membuat headloss pada setiap pipa yang terdapat dalam
jaringan pipa berbeda untuk alternatif 1 sampai 8 :
• Besar koefisien kekasaran Hazen-William ( CHW ) yang didapat pada studi
pustaka dengan koefisien kekasaran Hazen- William( CHW
• Kekasaran relatif atau absolute roughness ( e ) yang didapat pada studi
pustaka dengan kekasaran relatif maupun absolute roughness ( e ) yang
sudah ada ditentukan di dalam software WaterCAD pada pipa copper dan
concrete berbeda-beda.
) yang sudah
ada ditentukan pada software WaterCAD pada pipa copper dan concrete
berbeda-beda.
• Karena perhitungan Head loss mayor tergantung oleh panjang pipa ( L ),
maka hal ini juga termasuk faktor yang menyebabkan perbedaan headloss
antara setiap alternatif walaupun sangat kecil. Ini disebabkan saat proses
penggambaran layout pipa pada aplikasi WaterCAD v8i tidak sesuai
dengan ukuran sebenarnya dikarenakan kurang teliti saat penggambaran
layout jaringan pipa pada workspace WaterCAD v8i.
• Setelah dilakukan simulasi pada jaringan pipa untuk jenis pipa galvanized
dan steel dapat disimpulkan pipa copper masih lebih baik daripada kedua
pipa tersebut karena headloss yang terjadi dalam jaringan pipa untuk pipa
• Setelah dilakukan perhitungan jaringan pipa untuk diameter yang lebih
besar diperoleh hasil perhitungan yaitu kecepatan aliran dan headloss pada
pada pipa semakin kecil dan berbanding terbalik dengan debit pada pipa
BAB V KESIMPULAN
5.1 Kesimpulan
Dengan selesainya Tugas Akhir ini, penulis dapat menarik kesimpulan
antara lain :
1. Dalam perhitungan jaringan pipa didapatkan beberapa hasil perhitungan
antara lain arah aliran setiap pipa , debit aliran setiap pipa, kecepatan
aliran setiap pipa, dan headloss setiap pipa.
2. Dalam perhitungan jaringan pipa dari masing-masing alternatif
perhitungan, hasil analisa diperoleh adanya perbedaan hasil antara pipa
tembaga dan pipa beton akibat pengaruh faktor kekasaran masing-masing
jenis pipa tersebut. Sebagai bahan perbandingan dapat ditinjau pada
saluran pipa 1 ( P1 ) adalah:
a) Perbandingan antara pipa berbahan tembaga dan pipa berbahan
beton pada dari hasil perhitungan alternatif 1 dan 3 (dimana kedua
alternatif ini menggunakan metode Hardy-Cross) :
• Pada saluran pipa 1 pada alternatif 1 (menggunakan pipa
tembaga) diperoleh debit Q = 78 L/s , kecepatan aliran V =
1,107 m/s, headloss hf = 1,175 m.
• Pada saluran pipa 1 pada alternatif 3 (menggunakan pipa
beton) diperoleh debit Q = 78 L/s , kecepatan aliran V =
b) Perbandingan antara pipa berbahan tembaga dan pipa berbahan
beton yaitu pada alternatif 5 dan 7 (dimana kedua alternatif ini
disimulasikan dengan WaterCAD v8i) :
• Pada saluran pipa 1 pada alternatif 5 (menggunakan pipa
tembaga) diperoleh debit Q = 78.06 L/s , kecepatan aliran V
= 1.070 m/s, headloss hf = 1,088 m.
• Pada saluran pipa 1 pada alternatif 7 (menggunakan pipa
beton) diperoleh debit Q = 77.93 L/s , kecepatan aliran V =
1.068 m/s, headloss hf = 1,429 m.
3. Dengan membandingkan proses pengerjaan perhitungan jaringan pipa
antara menggunakan analisa perhitungan menggunakan metode Hardy-
Crosss dengan WaterCAD v8i disimpulkan bahwa software ini lebih
mudah dan akurat ditinjau dari waktu pengerjaan perhitungan jaringan
pipa dan keakuratan hasil perhitungan,apabila dibandingkan dengan
metode Hardy-Cross yang memerlukan beberapa kali percobaan iterasi
untuk mengasumsikan debit kebutuhan pada tiap pipa dan keakuratan hasil
perhitungan lebih rendah daripada hasil perhitungan menggunakan
WaterCAD.
4. Dari hasil perhitungan semua alternatif dapat juga disimpulkan bahwa pipa
copper sangat baik digunakan pada suatu jaringan pipa karena headlossnya
lebih kecil dibandingkan dengan jenis pipa lain. Ini disebabkan oleh faktor
kekasaran pipa copper yang kecil.
5. Diameter pipa mempengaruhi besar debit, kecepatan aliran dan headloss
semakin besar, tetapi kecepatan aliran dan headloss pada pipa semakin
DAFTAR PUSTAKA
Bentley Systems, Incorporated, 2011, Building a Network with Fire
Flow
Brater, E. F & King, H. W, 1963, Handbook of Hydraulics,McGraw-Hill Inc, Unites States of America.
Elgamal, Mohamed, 2014, Water Pipe
Network
Houghtalen, J.P., dkk, 2010, Fundamental of Hydraulic
Engineering Systems, Pearson Education, New Jersey
Howe, Kerry J., dkk , 2012, Principles of Water Treatment,John Wiley & Sons Inc, New Jersey.
Jonas M. K. Dake, 1985, Hidrolika Teknik, Terjemahan Tachyan, E. P & Pangaribuan, Y.P Erlangga, Jakarta.
Nurcholis, Lutfi, 2008, Perhitungan Laju Aliran Fluida Pada
Jaringan Pipa, Traksi, Volume 7, No.1.
LAMPIRAN
PERHITUNGAN UNTUK ALTERNATIF 1 :
Percobaan iterasi pertama:
