Belajar › Konsep dasar

Pra-dimensi struktur beton bak air

Rujukan buku: Buku 3, Bab 8

Coba di simulasi →

Bak IPAL adalah bangunan beton bertulang yang menahan air dari dalam dan tanah dari luar. Hitungan proses hanya memberi ukuran dalam bak. Tebal dinding dan tulangan baru bisa diputuskan setelah beban-beban itu dihitung. Halaman ini menjelaskan pra-dimensi: taksiran awal tebal dan tulangan yang dipakai Studio IPAL di tab Hasil unit (tahap 3) dan lembar gambar S-01 (tahap 5).

Apa saja yang dihitung

Setiap unit diperiksa dalam lima langkah. Dinding dihitung sebagai kantilever vertikal selebar 1 m yang terjepit di pelat dasar.

1. Dinding pada dua kondisi: penuh (air di dalam, luar kosong) dan kosong (tanah dan air tanah di luar, dalam bak kosong). Kondisi yang momennya lebih besar menentukan tebal.
2. Pelat dasar: tebal minimum, melanjutkan tulangan dinding, dan menahan gaya angkat saat bak kosong.
3. Pelat penutup untuk unit bertutup: satu arah, tertumpu sederhana, memikul berat sendiri, tanah di atasnya, dan beban hidup.
4. Cek apung (gaya angkat air tanah) dan tekanan tanah dasar.
5. Ringkasan volume beton dan berat baja per unit.

Beban pada dinding

Tekanan air di dalam bak bertambah lurus terhadap kedalaman. Untuk tinggi air h, per meter lebar dinding:

V = gw h^2 / 2          (gaya geser di dasar dinding, kN/m)
M = gw h^3 / 6          (momen di dasar dinding, kNm/m)

Tekanan tanah di luar dihitung sebagai tanah diam (dinding bak kaku, tidak bergeser):

K0 = 1 - sin(phi)
sigma_v' = q + g z                    di atas muka air tanah
sigma_v' = q + g zw + (g_jenuh - gw)(z - zw)    di bawah muka air tanah
p = K0 sigma_v' + gw (z - zw)         (tekanan air tanah hanya di bawah muka air tanah)

q adalah beban merata di permukaan tanah, z kedalaman dari muka tanah, dan zw kedalaman muka air tanah. Momen dan geser diperoleh dengan mengintegrasikan p sepanjang dinding. Beban dikalikan faktor beban: 1,4 untuk air dan 1,6 untuk tanah, ditambah pengali 1,3 pada sisi tangki air (praktik rekayasa tangki air, bukan ketentuan SNI 2847).

Tebal dinding bak beton

Tebal dinding adalah ukuran beton dari muka dalam ke muka luar. Tebal awal dihitung dari momen terfaktor dengan rasio tulangan rancangan 0,5 persen: d = akar( Mu / (phi rho fy b (1 - 0,59 rho fy / fc')) ). Tebal dinding = d + selimut beton 50 mm + setengah diameter tulangan, dibulatkan ke atas kelipatan 25 mm, dan tidak kurang dari 150 mm. Geser juga diperiksa terhadap kuat geser beton.

Bak yang dalam atau terkena air tanah tinggi menghasilkan dinding lebih tebal, karena momen naik dengan pangkat tiga kedalaman. Kalau status PERIKSA muncul karena geser atau tulangan terlalu padat, tebalkan dinding atau turunkan tinggi air. Tebal ini tidak mengubah ukuran dalam bak dan tidak mengubah RAB di tahap 4; hanya hasil pra-dimensi yang dibandingkan dengan tebal dasar pada BOQ.

Tulangan minimum dan kedap air

Tulangan minimum adalah luas baja terkecil yang tetap dipasang walau hitungan lentur meminta lebih sedikit. Fungsinya menahan retak akibat susut dan perubahan suhu. Bak air menuntut lebih dari gedung biasa: aplikasi memakai rasio susut-suhu 0,30 persen dari luas beton (total dua muka), sedangkan ketentuan gedung pada SNI 2847:2019 lebih kecil, sekitar 0,12 sampai 0,20 persen untuk dinding. Pelat penutup memakai 0,18 persen.

Kedap air dijaga lewat rasio tulangan, selimut 50 mm, dan jarak tulangan tidak lebih dari 250 mm. Lebar retak tidak dihitung; insinyur perlu memeriksanya, terutama pada dinding yang selalu basah. Tulangan ditulis diameter-jarak: D13-175 berarti baja ulir diameter 13 mm tiap 175 mm.

Cek apung (gaya angkat) saat bak kosong

Cek apung memeriksa apakah bak kosong bisa terangkat air tanah, seperti perahu. Bila dasar luar bak berada di bawah muka air tanah, air menekan dasar ke atas. Faktor aman:

SF = (berat pelat + dinding + penutup + sekat) / (gw x kedalaman di bawah muka air tanah x luas dasar)

SF minimum dalam aplikasi 1,1. Tanah di atas bak tidak diandalkan, karena saat pengurasan sebelum penimbunan selesai tanah itu belum ada. Bila SF kurang, status PERIKSA dan aplikasi menyarankan lantai pemberat di dalam bak, tumit pelat yang diurug tanah, atau penjangkaran. Dasar bak di atas muka air tanah tidak punya gaya angkat. Lihat juga gaya angkat air tanah.

Daya dukung izin tanah dasar

Daya dukung izin adalah tekanan terbesar yang boleh diberikan bak ke tanah dasar tanpa penurunan berlebihan. Aplikasi membandingkan tekanan kontak neto (berat bak, air, dan tanah di atasnya dibagi luas dasar, dikurangi tekanan air) dengan nilai asumsi 100 kPa pada kondisi bak penuh dan bak kosong.

Nilai 100 kPa hanya taksiran. Nilai sebenarnya harus berasal dari penyelidikan tanah dan perhitungan geoteknik (acuan umum: SNI 8460:2017). Bila PERIKSA, perlebar pelat dasar, perbaiki tanah dasar, atau kurangi tinggi air; jangan mengubah angka asumsi agar status menjadi OK tanpa data tanah.

Pelat dasar dan pelat penutup

Pelat dasar tidak boleh lebih tipis dari dinding, karena momen dinding harus dilanjutkan ke pelat: tulangan muka dalam dinding menerus ke muka atas pelat, dan tulangan muka luar dinding menekuk menjadi tulangan bawah pelat. Saat bak kosong dan air tanah menekan, pelat dihitung sebagai jalur tertahan penuh pada bentang pendek: Mu(tumpuan) = q L^2/12 dan Mu(lapangan) = q L^2/24.

Pelat penutup dihitung satu arah tertumpu sederhana: Mu = wu L^2/8, tebal awal L/20. Bila muka tanah berada di atas pelat, tanah itu dihitung sebagai beban mati. Bukaan lubang periksa belum diperhitungkan; tepinya perlu tulangan tambahan.

Batas hitungan

• Dinding dihitung kantilever vertikal. Dinding yang lebih sempit daripada tingginya sebenarnya dibantu aksi pelat dua arah dan penutup; hitungan di sini lebih besar (konservatif).
• Tidak dihitung: lebar retak, sambungan sudut, gempa, beban kendaraan berat, penurunan, panjang penyaluran dan lewatan, serta pelaksanaan (penurunan muka air tanah saat menggali).
• Semua nilai asumsi (mutu beton, berat isi tanah, sudut geser, beban merata, daya dukung izin, beban hidup penutup, rasio susut) bernama dan dapat diubah di app/struktur.py.
• Acuan umum, tanpa nomor pasal: SNI 2847:2019 Persyaratan beton struktural untuk bangunan gedung; SNI 1727:2020 Beban desain minimum dan kriteria terkait untuk bangunan gedung dan struktur lain; SNI 8460:2017 Persyaratan perancangan geoteknik.

Kesalahan yang sering terjadi

Studi kasus: Griya Asri, ABR rangkaian R1

Rangkaian R1, ABR satu modul berukuran dalam 7,80 m x 3,30 m, tinggi air 2,00 m, jagaan 0,40 m (tinggi dinding 2,40 m), dasar +3,56 m, muka tanah +7,00 m, muka air tanah +3,00 m. Dasar bak di atas muka air tanah, sehingga tidak ada gaya angkat.

Dinding. Kondisi penuh: M = 9,81 x 2,00^3/6 = 13,08 kNm/m; dikali 1,4 x 1,3 = 1,82 menjadi Mu = 23,81 kNm/m. Kondisi kosong: kedalaman dari muka tanah ke dasar dinding 3,44 m, masih di atas muka air tanah (kedalaman 4,00 m), sehingga tekanan luar di dasar p = 0,5 x (10 + 18 x 3,44) = 35,96 kPa dan di puncak p = 0,5 x (10 + 18 x 1,04) = 14,36 kPa. Integrasi profil menghasilkan M = 62,09 kNm/m dan Mu = 1,6 x 62,09 = 99,35 kNm/m. Kondisi kosong menentukan.

Tebal. d = akar(0,09935 / (0,9 x 0,005 x 420 x (1 - 0,59 x 0,005 x 420/25))) = 0,235 m; ditambah selimut 50 mm dan 8 mm menjadi 293 mm, dibulatkan ke atas 300 mm (d terpasang 242 mm). Geser Vu = 96,6 kN/m terhadap phi Vc = 154,3 kN/m: cukup.

Tulangan. Muka luar perlu 1.139 mm2/m sehingga dipasang D16-175; muka dalam hanya perlu 263 mm2/m, tetapi minimum susut-suhu 450 mm2/m per muka membuatnya D10-150; horizontal D10-150 tiap muka.

Pelat. Pelat dasar 300 mm (sama dengan dinding), bawah D16-175 dan atas D10-150. Pelat penutup bentang 3,60 m dengan tanah 0,92 m di atasnya: wu = 33,63 kPa, Mu = 54,5 kNm/m, tebal 200 mm, utama D16-175.

Seluruh R1. Beton pra-dimensi 202,0 m3 terhadap 146,1 m3 pada BOQ bawaan, baja 15.983 kg terhadap 16.072 kg. Selisih biaya indikatif beton dan pembesian sekitar Rp 90,5 juta, di luar galian dan bekisting; RAB R1 Rp 1.037 juta tidak berubah. Contoh lain: pengendap akhir R4 bertinggi dinding 3,40 m menghasilkan dinding 450 mm, dan bak aerasi R4 (dasar +2,70 m, di bawah muka air tanah +3,00 m) mempunyai SF apung 5,03 sehingga aman; bila muka air tanah naik ke +5,00 m SF turun menjadi 1,34, mendekati batas 1,1.

Lihat juga lembar detail unit dan volume pekerjaan.

Latihan

Soal 1 (mudah). Bak berisi air setinggi 2,5 m. Hitung gaya geser dan momen di dasar dinding per meter lebar, lalu momen terfaktor dengan pengali 1,4 x 1,3.

Soal 2 (sedang). Tanah kering setinggi 2,0 m menekan dinding dari luar (muka air tanah jauh di bawah, tanpa beban merata), berat isi 18 kN/m3, K0 = 0,5. Hitung tekanan di dasar, geser, momen, dan momen terfaktor dengan pengali 1,6.

Soal 3 (menantang). Bak terbuka berukuran dalam 4,0 m x 3,0 m, tebal dinding dan pelat 0,25 m, tinggi dinding 2,5 m, beton 24 kN/m3. Dasar luar pelat berada 1,5 m di bawah muka air tanah. (a) Hitung SF apung. (b) Bila muka air tanah naik menjadi 2,0 m di atas dasar luar, hitung SF dan tebal lantai pemberat tambahan di dalam bak agar SF mencapai 1,1.

Kunci jawaban.

1. V = 9,81 x 2,5^2/2 = 30,66 kN/m; M = 9,81 x 2,5^3/6 = 25,55 kNm/m; Mu = 1,82 x 25,55 = 46,50 kNm/m.
2. p = 0,5 x 18 x 2,0 = 18,0 kPa; V = 18,0 x 2,0/2 = 18,0 kN/m; M = 18,0 x 2,0^2/6 = 12,0 kNm/m; Mu = 1,6 x 12,0 = 19,2 kNm/m.
3. (a) Luas dasar luar = (4,0 + 0,5) x (3,0 + 0,5) = 15,75 m2. Berat pelat = 24 x 0,25 x 15,75 = 94,5 kN; berat dinding = 24 x 0,25 x 2 x (4,0 + 3,0 + 0,5) x 2,5 = 225,0 kN; R = 319,5 kN. Gaya angkat U = 9,81 x 1,5 x 15,75 = 231,8 kN; SF = 319,5/231,8 = 1,38, di atas 1,1: OK. (b) U = 9,81 x 2,0 x 15,75 = 309,0 kN; SF = 1,03, di bawah 1,1: PERIKSA. Kekurangan = 1,1 x 309,0 - 319,5 = 20,4 kN; lantai pemberat setebal 20,4/(24 x 15,75) = 0,054 m (dibulatkan 0,10 m).

Rujukan

• Buku 3, Bab 8.
• SNI 2847:2019 Persyaratan beton struktural untuk bangunan gedung (acuan umum, tanpa nomor pasal).
• SNI 1727:2020 Beban desain minimum dan kriteria terkait untuk bangunan gedung dan struktur lain (acuan umum).
• SNI 8460:2017 Persyaratan perancangan geoteknik (acuan umum).