Hidrolika drainase: Manning, kemiringan, kecepatan gerus, kapasitas, loncatan hidraulik, buangan sesaat mesin, dan air hujan

Saluran buangan dapur sebuah hotel harus dibersihkan dari endapan lemak setiap dua bulan, walaupun diameternya satu ukuran lebih besar daripada gambar rencana. Di sebelahnya, saluran laundry meluap dari pipa tegak terbuka setiap kali dua mesin menguras bersamaan, padahal kapasitas pipa itu menurut kontraktor "cukup untuk enam mesin". Pada musim hujan, talang atap gedung yang sama melimpas ke dinding, dan noda air muncul di plafon lantai teratas.

Tiga gejala itu berasal dari satu jenis aliran: air yang mengalir karena gravitasi di pipa atau talang miring, dengan permukaan bebas. Aliran itu berbeda dari aliran di pipa air bersih yang penuh dan bertekanan. Bab ini menjelaskan cara menghitungnya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas aliran sebagian penuh, rumus Manning, kecepatan gerus, kemiringan, kapasitas, pipa tegak dan loncatan hidraulik, buangan sesaat mesin, dan air hujan atap.

Perangkap, ven, dan zona busa ada di Bab 6 tentang air buangan, perangkap, dan ven; sambungan buangan mesin dan celah udara di Bab 7 tentang fixture dan sambungan peralatan. Perangkap lemak dibahas di Bab 15 tentang pemeliharaan dan diagnosis plumbing, dan pengolahan limbah laundry di Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL. Ukuran pipa buangan, kemiringan minimum, fixture unit buangan, intensitas hujan rencana, dan ukuran talang yang berlaku diatur SNI 8153-2015, peraturan setempat, dan data hujan setempat; angkanya tidak disalin. Angka dari buku Amerika ditulis sebagai contoh dari buku asalnya.

Aliran sebagian penuh di pipa miring

Pipa buangan mendatar dipasang miring dan tidak dirancang mengalir penuh. Pipa buangan gedung untuk air kotor dirancang mengalir setengah penuh pada beban puncak. Ruang udara di atas air memungkinkan udara bergerak bebas ke ven, sehingga tekanan di pipa tetap dekat tekanan atmosfer dan segel perangkap tidak terganggu, seperti dibahas di Bab 6 tentang air buangan, perangkap, dan ven.

Aliran saluran terbuka (open-channel flow) adalah aliran air yang bergerak karena gravitasi dengan permukaan bebas, seperti di pipa buangan dan talang miring. Gaya yang mendorong air adalah komponen berat air sepanjang kemiringan pipa, dan yang menahan adalah gesekan dinding. Aliran seragam (uniform flow) adalah keadaan ketika kedua gaya itu seimbang, sehingga kedalaman dan kecepatan air tetap sepanjang pipa. Sambungan cabang ke separuh atas pipa buangan gedung dianjurkan, sehingga air dari cabang masuk di atas permukaan air dan tidak membendung aliran utama.

Rumus Manning

Kecepatan aliran seragam di saluran terbuka dihitung dengan rumus Manning. Dalam satuan SI:

$v = \frac{1}{n} R^{2/3} S^{1/2}$

dengan $v$ kecepatan rata-rata dalam m/s, $n$ koefisien kekasaran Manning, $R$ jari-jari hidraulik dalam m, yaitu luas penampang basah dibagi keliling basah, dan $S$ kemiringan pipa dalam m/m. Debit adalah $Q = v A$, dengan $A$ luas penampang basah. Koefisien kekasaran Manning (Manning roughness coefficient) adalah angka $n$ yang mewakili kekasaran dinding pipa: pada jari-jari hidraulik dan kemiringan yang sama, $n$ yang lebih besar memberi kecepatan yang lebih kecil.

Untuk pipa bulat berdiameter $D$ yang mengalir penuh atau tepat setengah penuh, $R = D/4$. Akibatnya, kecepatan pada setengah penuh sama dengan kecepatan pada penuh, sedangkan debitnya separuh (Contoh 1). Pada kedalaman yang lebih rendah daripada setengah, kecepatan turun.

Satu buku teknik plumbing Amerika memberi nilai $n$ untuk pipa besi cor dan pipa baja galvanis: 0,012 untuk ukuran 1,25 sampai 1,5 inci, 0,013 untuk 2 sampai 3 inci, 0,014 untuk 4 inci, 0,015 untuk 5 sampai 6 inci, dan 0,016 untuk 8 inci ke atas. Nilai itu naik dengan ukuran pada tabel buku itu; pipa PVC lebih licin, dan nilainya diambil dari data pabrik. Buku yang sama memuat contoh tabel: pipa 4 inci pada kemiringan 1/4 inci per kaki mengalirkan sekitar 114 gpm dengan kecepatan 2,91 ft/s saat penuh, dan pipa 6 inci sekitar 315 gpm.

Rumus Manning memberi angka yang sama. Untuk pipa 4 inci (0,1016 m) dengan $n = 0{,}014$ dan kemiringan 1/4 inci per kaki, yaitu 0,0208, rumus itu memberi $v = 0{,}89$ m/s dan $Q = 7{,}2$ L/s, sedangkan tabel memberi 114 gpm $\times 0{,}06309 = 7{,}2$ L/s dan 2,91 ft/s $= 0{,}89$ m/s. Keduanya cocok, sehingga tabel itu adalah rumus Manning yang ditabelkan.

Rumus Manning memperlihatkan dua sifat yang penting di lapangan:

1. Kemiringan berpengaruh dengan akar kuadrat. Kemiringan dua kali lipat hanya menaikkan kecepatan sekitar 41 persen.
2. Diameter berpengaruh kuat pada debit. Debit penuh sebanding dengan $D^{8/3}$: pipa satu setengah kali lebih besar mengalirkan hampir tiga kali debit pada kemiringan yang sama.

Kecepatan gerus dan kemiringan

Air buangan membawa pasir, sisa makanan, serat, dan lemak. Bila kecepatannya terlalu rendah, padatan mengendap di dasar pipa dan lama-kelamaan menyumbat. Kecepatan gerus (self-cleansing velocity) adalah kecepatan aliran minimum yang menimbulkan efek gerus, sehingga padatan terbawa dan tidak mengendap. Buku teknik plumbing Amerika itu menganjurkan kecepatan 2 ft/s atau 0,61 m/s sebagai minimum untuk menimbulkan efek gerus di pipa yang membawa air kotor. Untuk buangan berlemak dianjurkan minimum sekitar 4 ft/s atau 1,22 m/s, karena lemak mengendap dan mengeras di dinding pipa yang dingin. Keduanya contoh dari buku, bukan ketentuan di Indonesia.

Kecepatan gerus menjelaskan kasus dapur di awal bab. Pipa yang lebih besar dengan debit yang sama mengalir lebih dangkal, dan pada kedalaman rendah kecepatannya turun. Pipa yang terlalu besar justru lebih cepat kotor. Untuk lemak, kecepatan 1,22 m/s memerlukan kemiringan yang jarang dapat dicapai di dalam gedung (Contoh 2), sehingga lemak harus ditahan sebelum masuk ke pipa, yaitu di perangkap lemak.

Kemiringan dipilih di antara dua batas. Batas bawah adalah kecepatan gerus pada debit yang biasa terjadi, bukan hanya pada debit puncak. Batas atas datang dari ruang: pipa yang terlalu miring memerlukan tinggi langit-langit yang besar pada pipa panjang, dan kemiringan yang sangat curam pada pipa pendek membuat air meninggalkan padatan di belakangnya. Cabang pipa air kotor harus dibuat dengan kemiringan yang benar dan lurus. Pipa yang melendut di antara penyangga membentuk cekungan tempat padatan mengendap, sehingga jarak penyangga yang dibahas di Bab 4 tentang material pipa dan alat sambung penting juga untuk drainase.

Beberapa modul pelatihan dasar memakai satu kemiringan 1/4 inci per kaki untuk semua ukuran, sedangkan kode yang lebih rinci membedakannya menurut diameter. Kemiringan minimum yang berlaku di Indonesia diambil dari SNI 8153-2015.

Pipa tegak dan loncatan hidraulik

Di pipa tegak buangan, air jatuh melekat pada dinding dan makin cepat sampai gesekan dinding menahannya. Setelah itu kecepatan tetap ketika aliran turun lebih jauh di pipa tegak. Kecepatan akhir (terminal velocity) adalah kecepatan tetap itu. Buku teknik plumbing Amerika yang sama memberi contoh: untuk pipa tegak 3 inci yang mengalir pada kapasitas praktis yang dianjurkan, kecepatan akhirnya sekitar 10,2 ft/s atau 3,11 m/s. Kecepatan ini tercapai setelah jatuh beberapa meter dan tidak terus naik dengan tinggi gedung.

Di kaki pipa tegak, air yang cepat masuk ke pipa mendatar yang alirannya jauh lebih lambat. Loncatan hidraulik (hydraulic jump) adalah naiknya permukaan air secara tiba-tiba akibat perubahan mendadak itu; permukaan yang naik dapat memenuhi penampang pipa. Loncatan terjadi kira-kira sepuluh kali diameter pipa tegak dari fitting dasar, dan di hilir loncatan, aliran tidak tetap dan bergelombang berlanjut sampai gesekan menurunkan kecepatannya ke kecepatan aliran seragam.

Di daerah ini udara terjebak dan tekanannya naik, sehingga perangkap yang tersambung dekat kaki pipa tegak mengalami tekanan balik dan zona busa, seperti di Bab 6 tentang air buangan, perangkap, dan ven. Karena itu sambungan cabang dihindari di daerah loncatan.

Fixture unit buangan

Seperti pada air bersih di Bab 8 tentang kebutuhan air dan ukuran pipa, beban buangan dari fixture biasa dinyatakan dengan fixture unit buangan. Fixture unit buangan (drainage fixture unit) adalah bobot beban buangan sebuah fixture yang sudah memuat peluang pemakaian bersamaan. Bahan pelatihan plumbing dasar mencatat bahwa satu fixture unit buangan kira-kira setara satu kaki kubik buangan per menit, yaitu 28,3 L/menit atau 0,47 L/s, kira-kira laju buangan puncak satu wastafel. Fixture unit dijumlahkan per ruas, lalu diubah menjadi ukuran pipa dengan tabel dalam ketentuan, yang sudah memperhitungkan aliran setengah penuh dan kemiringan.

Angka 0,47 L/s per unit hanya untuk memberi rasa besaran, bukan untuk menjumlahkan debit, karena peluang pemakaian bersamaan makin kecil bila jumlah fixture makin banyak. Peralatan yang membuang dengan debit tetap dan terjadwal, seperti mesin cuci, dihitung terpisah dengan debit pengurasannya.

Memeriksa saluran di lapangan

Teknisi dapat memeriksa saluran yang bermasalah tanpa membongkar seluruhnya:

1. Kemiringan. Diukur dengan waterpass dan meteran pada bagian pipa yang terlihat, atau dari elevasi dasar pipa di dua lubang pembersih.
2. Uji aliran. Air dengan volume diketahui dituang di hulu, lalu waktu dan cara keluarnya diamati di hilir. Aliran yang tertahan lalu keluar mendadak menunjukkan cekungan atau sumbatan sebagian.
3. Kamera pipa. Kamera yang dimasukkan dari lubang pembersih memperlihatkan endapan, lemak, akar, sambungan bergeser, dan pipa melendut.
4. Catatan kejadian. Waktu meluap dicocokkan dengan jadwal mesin dan pemakaian dapur, karena luapan yang selalu bertepatan dengan pengurasan mesin menunjukkan masalah kapasitas, bukan sumbatan.

Buangan sesaat mesin dan bak penampung

Pipa buangan dari fixture biasa menerima aliran yang singkat dan acak. Mesin cuci industri, mesin pencuci piring, dan pengurasan tangki membuang volume besar dalam waktu singkat, sering dengan suhu tinggi. Bab 7 tentang fixture dan sambungan peralatan menunjukkan bahwa pipa tegak terbuka dapat meluap dalam beberapa detik bila debit masuk melebihi kapasitas keluarnya. Debit yang perlu dibandingkan dengan kapasitas pipa adalah debit puncak gabungan mesin yang dapat menguras bersamaan, bukan debit rata-rata harian.

Ada dua cara menampung debit itu. Pertama, pipa yang cukup besar untuk debit gabungan pada setengah penuh. Kedua, bak penampung atau parit berperangkap yang menerima buangan mesin dengan cepat dan melepaskannya ke saluran gedung dengan debit lebih kecil; volume bak menyimpan selisih keduanya (Contoh 4). Pada kasus pembuka, kapasitas "enam mesin" dihitung dari rata-rata, padahal dua mesin yang menguras bersamaan sudah melampaui kapasitas setengah penuh pipa itu (Contoh 3). Suhu dan zat kimia buangan mesin juga menentukan bahan pipa dan bak, seperti di Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL dan Bab 10 · Dishwashing tentang instalasi dan komisioning mesin pencuci piring.

Air hujan atap

Air hujan dialirkan dari atap melalui talang dan pipa tegak air hujan ke saluran hujan, sumur resapan, atau penampungan. Metode rasional (rational method) adalah cara menghitung debit puncak limpasan dari koefisien limpasan, intensitas hujan, dan luas tangkapan. Untuk atap:

$Q = \frac{C \, i \, A}{3.600}$

dengan $Q$ dalam L/s, $C$ koefisien limpasan (mendekati 1 untuk atap kedap), $i$ intensitas hujan rencana dalam mm/jam, dan $A$ luas atap dalam m². Hujan 1 mm pada 1 m² adalah 1 L air, dan pembagi 3.600 mengubah liter per jam menjadi liter per detik. Intensitas rencana diambil dari data hujan setempat dan ketentuan yang berlaku.

Beberapa pegangan dari buku plumbing:

1. Ukuran tidak boleh mengecil. Ukuran pipa air hujan dan pipa tegak air hujan tidak boleh mengecil searah aliran, dan talang dirancang dengan cara yang mirip sistem pembuang atap.
2. Koordinasi dengan struktur. Lokasi dan ukuran talang harus dikoordinasikan dengan rencana struktur, dan buku plumbing gedung bertingkat memberi contoh jarak maksimum antarpipa tegak air hujan 75 ft atau 22,86 m.
3. Aturan praktis luas penampang. Buku yang sama memuat aturan satu inci persegi luas penampang pipa tegak air hujan untuk setiap 150 ft² atau 13,94 m² atap. Aturan ini berlaku untuk intensitas hujan buku asalnya; di Indonesia intensitasnya sering jauh lebih tinggi, sehingga aturan itu hanya untuk pemeriksaan kasar.
4. Dipisah dari air kotor. Menurut buku plumbing gedung bertingkat itu, air hujan tidak boleh disalurkan bercampur dengan air buangan sanitasi kecuali pada pembuangan paling bawah, dan bila digabung wajib diberi perangkap.

Talang yang melimpas pada kasus pembuka dapat berasal dari pipa tegak yang tersumbat daun, saringan atap yang tertutup, atau kapasitas yang tidak cukup untuk intensitas hujan setempat (Contoh 5 dan 6).

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: kecepatan dan debit pipa 100 mm. Pipa 100 mm, $n = 0{,}014$, kemiringan 2 persen. $R = 0{,}1/4 = 0{,}025$ m, $R^{2/3} = 0{,}0855$, $S^{1/2} = 0{,}141$. Kecepatan $v = (1/0{,}014) \times 0{,}0855 \times 0{,}141 = 0{,}86$ m/s. Luas penuh $0{,}00785$ m², debit penuh $6{,}8$ L/s, dan debit setengah penuh $3{,}4$ L/s dengan kecepatan yang sama, 0,86 m/s.

Contoh 2: kemiringan untuk buangan berlemak. Pada pipa 100 mm Contoh 1, kecepatan sebanding dengan $S^{1/2}$, sehingga kecepatan 1,22 m/s memerlukan $S = 0{,}02 \times (1{,}22/0{,}86)^2 = 0{,}040$, atau 4 persen. Pada pipa 20 m, beda tinggi $20 \times 0{,}04 = 0{,}8$ m, yang jarang tersedia di bawah lantai dapur. Lemak harus ditahan di perangkap lemak sebelum masuk pipa.

Contoh 3: dua mesin menguras bersamaan. Dua mesin masing-masing menguras 2,5 L/s, debit pengurasan yang dihitung di Bab 6 tentang air buangan, perangkap, dan ven. Debit gabungan 5,0 L/s melampaui kapasitas setengah penuh pipa 100 mm pada 2 persen (3,4 L/s) dan mendekati kapasitas penuhnya (6,8 L/s). Pipa 150 mm dengan $n = 0{,}015$ pada 2 persen memberi $v = 1{,}06$ m/s, debit penuh $18{,}7$ L/s, dan setengah penuh $9{,}3$ L/s, sehingga cukup.

Contoh 4: bak penampung buangan mesin. Dua mesin menguras masing-masing 150 L dalam 60 s, total 5,0 L/s, sedangkan saluran keluar bak menyalurkan 3,0 L/s. Selisih 2,0 L/s selama 60 s menumpuk 120 L di bak. Bak dengan volume kerja 120 L ditambah ruang bebas di atasnya menampung pengurasan itu tanpa meluap, lalu kosong dalam $120/3 = 40$ s setelah mesin selesai menguras.

Contoh 5: debit air hujan atap. Atap 500 m², $C = 1{,}0$, intensitas rencana 100 mm/jam: $Q = 1{,}0 \times 100 \times 500 / 3.600 = 13{,}9$ L/s. Bila satu pipa tegak air hujan direncanakan menyalurkan 5 L/s, dibutuhkan tiga pipa tegak.

Contoh 6: aturan praktis luas penampang. Atap 500 m² = 5.382 ft². Menurut aturan satu inci persegi per 150 ft², luas penampang total $5.382/150 = 35{,}9$ in². Dengan empat pipa tegak, tiap pipa sekitar 9 in², atau diameter $\sqrt{4 \times 9/\pi} = 3{,}4$ in. Hasil ini perlu dibandingkan dengan Contoh 5 yang memakai intensitas setempat; bila intensitas setempat lebih tinggi, aturan praktis memberi ukuran yang terlalu kecil.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan panggil perencana bila:

1. Mesin atau peralatan baru berdebit buang besar akan disambung ke pipa buangan yang ada tanpa memeriksa debit puncak gabungan terhadap kapasitas setengah penuh.
2. Pipa buangan akan diganti dengan kemiringan lebih kecil dari yang direncanakan, atau dipasang melendut di antara penyangga.
3. Air buangan meluap dari pipa tegak, saluran lantai, atau lubang pembersih. Hentikan pemakaian peralatan di hulunya.
4. Bak kontrol, sumur, atau saluran akan dimasuki untuk memeriksa endapan. Ikuti prosedur ruang terbatas dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
5. Pipa air hujan akan disambung ke saluran air kotor tanpa perangkap, atau saluran air kotor ke saluran hujan.
6. Talang, saringan atap, atau pipa tegak air hujan tersumbat saat hujan dan air menggenang di atap. Genangan menambah beban atap; jangan naik ke atap yang basah tanpa pengaman jatuh.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 6 tentang air buangan, perangkap, dan ven memberi dasar sistem buangan, tekanan balik, dan zona busa, dan Bab 7 tentang fixture dan sambungan peralatan memberi sambungan buangan mesin. Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL membahas limbah laundry, Bab 4 tentang material pipa dan alat sambung membahas penyangga dan bahan, dan Bab 10 · Dishwashing tentang instalasi dan komisioning mesin pencuci piring membahas buangan mesin pencuci piring. Bab 1 · Fluida & Termal tentang tekanan, debit, dan kontinuitas memberi kontinuitas, Bab 8 tentang kebutuhan air dan ukuran pipa memberi fixture unit air bersih, dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti memberi dasar kondisi berhenti. Bab 15 tentang pemeliharaan dan diagnosis plumbing membahas perangkap lemak dan penyumbatan.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.