TEKANAN DAN TEGANGAN GESEK ALIRAN SUPERKRITIK DI DASAR SALURAN CURAM

Transkripsi

1 TEKANAN DAN TEGANGAN GESEK ALIRAN SUPERKRITIK DI DASAR SALURAN CURAM Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik,Universitas Negeri Semarang Abstrak. Tujuan penelitian ini adala: (1) tersedianya asil analisis gesek aliran di dasar saluran curam yang berkemiringan 13 dan 2 ; dan (2) tersedianya asil analisis tekanan aliran di dasar saluran curam yang berkemiringan 13 dan 2.Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 9,5 l/s adala 157,2. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 11,4 l/s adala 157,69. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 2,9 l/s adala 158,7. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 9,5 l/s adala 164,219. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 11,4 l/s adala 171,8636. nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 2,9 l/s adala 235,9513. nilai tekanan p di dasar saluran curam atau mm adala positif, yaitu antara nilai +9,81 sampai dengan =31,2 ; sementara itu, pada posisi di atas dasar yaitu antara +1 mm nilai tekanan adala negatif, yaitu antara nilai -78,48 sampai dengan -198,4. Nilai tekanan uap air atau p pada suu 5 C adala 1177,2, sedangkan pada suu 1 C v adala 2452,5. Dengan demikian semua nilai tekanan di dasar aliran lebi kecil dibandingkan tekanan uap air atau p > p v. Berdasarkan dua kondisi yaitu gesek τ dan tekanan di dasar aliran p, dapat dikatakan bawa erosi di dasar saluran yang mempunyai kemiringan dasar antara 13 sampai dengan 2, serta debit antara 9,5 l/s sampai dengan 2,9 l/s diduga selalu terjadi. Kata kunci: tekanan, gesek, saluran curam PENDAHULUAN Kikisan dan gerusan adala proses gesekan pada permukaan dasar sungai atau saluran yang menyebabkan lapisan itu terkelupas sedikit demi sedikit. Makin tinggi kecepatan aliran, makin besar kikisan atau gerusan yang terjadi. Kecepatan yang tinggi pada aliran menyebabkan terjadinya tekanan renda atau negatif dalam aliran, terutama di dasar saluran atau sungai. 159

2 Gaya yang disebabkan ole tekanan negatif akan menarik unsur-unsur pada struktur bangunan idraulik yang selanjutnya akan mengakibatkan pengelupasan pada permukaan dasar bangunan. Lama kelamaan pengelupasan dasar bangunan idraulik akan membentuk lubang kecil yang selanjutnya menjadi lubang besar yang membaayakan struktur idraulik. Tujuan penelitian ini sebagai berikut: (1) Tersedianya asil analisis gesek aliran di dasar saluran curam yang berkemiringan 13 dan 2 ; dan (2) tersedianya asil analisis tekanan aliran di dasar saluran curam yang berkemiringan 13 dan 2. Gambar 1. Pemasukan udara sepanjang pelimpa Sala satu karakteristik penting dalam aliran di permukaan saluran luncur adala udara masuk dari atmosfir ke dalam aliran dan bercampur dengan air. Falvey (198: 7) mendefinisikan pemasukan udara sebagai proses masuknya udara dari atmosfir ke dalam badan air. Pemasukan udara ditandai dari adanya air puti dalam aliran. Pemasukan udara seperti yang diuraikan di atas dapat juga disebut sebagai self aeration. Persamaan tekanan aliran di dasar saluran curam p diturunkan berdasarkan Wood (1983: 454). Kecepatan aliran percampuran antara air dan udara dijabarkan seperti persamaan di bawa ini. berikut. u = u (1 C) + u C m w a (1) Densitas aliran percampuran antara air dan udara diitung dengan persamaan sebagai ρ = ρ C + ρ ( 1 C ) m a w Berdasarkan persamaan Bernoulli, maka, (2) 16 Vol. 9.2 Desember 211

3 2 2 ( 1/ 2ρaua ) C + 1/ 2( ρwuw)( 1 C) = p p (3) 2 ρ C u 2( p p ) a a 1 2 ( 1 ) w C u + = ρ w ρw(1 C) uw (4) maka, tekanan di dasar saluran curam p dapat diitung dengan persamaan di bawa ini. 2 1/ 2ρw(1 C) uw = p p Keterangan: : Kecepatan air (m/dt) u w u a ρ w ρ a p : Kecepatan udara (m/dt) : Masa jenis air (kg/m 3 ) : Masa jenis udara (kg/m 3 ) : Tekanan atmosfir (N) Metode yang dapat digunakan untuk menentukan kecepatan geser dasar u atau * geser τ pada aliran seragam yaitu: (1) persamaan energi; (2) metode Clauser, yaitu suatu langka yang menerapkan data distribusi kecepatan; dan (3) mengukur secara langsung kecepatan geser dan geser (Kironoto, 27: 254). Kecepatan geser pada suatu dasar saluran dapat diestimasi berdasarkan metode kemiringan garis energi menurut persamaan: u * = gi f Metode ini tela banyak digunakan terutama untuk aliran seragam karena pertimbangan bawa cara peritungannya relatif sederana, namun demikian metode ini memiliki kelemaan dalam al tingkat ketelitian yang renda. Hal ini disebabkan kesulitan dalam menentukan kemiringan garis energy secara teliti (Kironoto, 27: 254). METODE Penelitian ini menggunakan metode eksperimen yang dilaksanakan di Laboratorium Hidraulika Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik UGM. Pada penelitian ini digunakan saluran curam yang mempunyai panjang 1 m, lebar,2 m dengan kemiringan beruba-uba mulai 13, dan 2º, yang menyatu dengan dinding bak air. Penyaluran air ke dalam bak dilakukan dari tangki yang dikendalikan ole katup. Debit divariasikan, yaitu,14 m 3 /dt dan,25 m 3 /dt. Instrumen berupa V-tc digunakan untuk mengkalibrasi asil pengukuran debit. Di titik x=4, m (asil itungan) dianggap X = yang menjadi referensi aliran ulu yang merupakan awal dari posisi developing. Tekanan aliran diukur di zona developing, di tiga c (5) 161

4 titik tenga longitudinal pada x= 6,5; 7,5, semuanya terletak di dasar aliran. Gambar 2. Rencana eksperimen pada model saluran luncur Tekanan uap p tidak diukur dan diitung namun diambil dari dokumentasi yang suda ada v di dalam beberapa buku teks Mekanika Fluida seperti yang tersaji dalam Tabel di atas. Dalam analisis data yang berkaitan dengan erosi di dasar saluran digunakan kriteria perbandingan antara p dan p. Jika v p < p v maka erosi di dasar saluran diduga dapat terjadi (Canson, 1988: 5). Tegangan geser τ dianalisis menggunakan metode kemiringan garis energi yang didekati dengan kemiringan dasar saluran atau talang i b melalui persamaan sebagai berikut: τ = ρgri f Di samping itu, digunakan metode pengukuran langsung menggunakan instrumen yang dikembangkan sendiri. Instrumen ini berupa suatu balok yang diubungkan dengan per. Balok dapat bergerak maju mundur jika mendapatkan dorongan dari aliran. Per diubungkan dengan instrument berupa potensiometer yang lazim digunakan di equalizer. Data yang diperole berupa panjang geseran balok dari tempat semula yang merupakan wujud dari geser τ. 162 Vol. 9.2 Desember 211

5 HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Deskripsi Tegangan Gesek Tabel 1. Tegangan gesek τ pada sudut 13 debit aliran 9,5 l/s L awal S Baru w τ ( 1. 18, , , ,2 Sumber: Hasil penelitian 211 Kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13, serta debit aliran sebesar 9,5 l/s mengakibatkan sudut kemiringan muka air menjadi sebesar , sudut sebesar ini memiliki nilai S w sebesar,2312. Berdasarkan nilai S w =,2312, diperole nilai gesek τ = 157,2. Dengan demikian nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 9,5 l/s adala 157,2. Tabel 2. Tegangan gesek τ pada sudut 13 debit aliran 11,4 l/s z L awal Baru S w τ ( 1. 23,532 23, ,62 16, , ,69 Sumber: Hasil penelitian 211 Kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13, serta debit aliran sebesar 11,4 l/s mengakibatkan sudut kemiringan muka air menjadi sebesar , sudut sebesar ini memiliki nilai S w sebesar,232. Berdasarkan nilai S w =,232, diperole nilai gesek τ = 157,69. Dengan demikian nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 11,4 l/s adala 157,69. Tabel 3 Tegangan gesek τ pada sudut 13 debit aliran 2,9 l/s z L awal Baru S w τ ( , , , ,693 Sumber: Hasil penelitian 211 Kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13, serta debit aliran sebesar 2,5 l/s mengakibatkan sudut kemiringan muka air menjadi sebesar , sudut sebesar ini memiliki nilai S w sebesar,233. Berdasarkan nilai S w =,233, diperole nilai gesek τ =158,7 163

6 . Dengan demikian nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 2,9 l/s adala 158,7. Tabel 4 Tegangan gesek τ pada sudut 2 debit aliran 9,5 l/s z L awal Baru S w τ ( 1. 16,851 17, ,436 15,2882 6, , ,219 Sumber: Hasil penelitian 211 Kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2, serta debit aliran sebesar 9,5 l/s mengakibatkan sudut kemiringan muka air menjadi sebesar , sudut sebesar ini memiliki nilai S w sebesar, Berdasarkan nilai S w =,36875, diperole nilai gesek τ =164,219. Dengan demikian nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 9,5 l/s adala 164,219. Kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2, serta debit aliran sebesar 11,4 l/s mengakibatkan sudut kemiringan muka air menjadi sebesar , sudut sebesar ini memiliki nilai S w sebesar, Berdasarkan nilai S w =,364756, diperole nilai gesek τ =164,219. Dengan demikian nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 11,4 l/s adala 171,8636. Tabel 5 Tegangan gesek τ pada sudut 2 debit aliran 11,4 l/s z L awal Baru S w τ ( 1. 2,532 21, ,62 16,112 6, , ,8636 Sumber: Hasil penelitian 211 Tabel 6 Tegangan gesek τ pada sudut 2 debit aliran 2,9 l/s z L awal Baru S w τ ( 1. 21,61 21, ,421 3,4264 6, ,5,21, ,9513 Sumber: Hasil penelitian 211 Kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2, serta debit aliran sebesar 2,5 l/s mengakibatkan sudut kemiringan muka air menjadi sebesar 2,5,21, sudut sebesar ini memiliki nilai S w sebesar, Berdasarkan nilai S w =,365534, diperole nilai gesek τ =235,9513. Dengan demikian nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 2,9 l/s adala 235,9513. Berdasarkan tabel di atas serta uraian tentang nilai gesek (τ ) maka dapat dikatakan 164 Vol. 9.2 Desember 211

7 Makin besar debit aliran dan makin besar kemiringan aliran maka makin tinggi nilai geser (τ )di dasar saluran curam. Deskripsi Tekanan Di Dasar Aliran Tabel 7. Tekanan pada debit 2,9 l/s dan kemiringan dasar aliran 13 Jarak dari ambang pelimpa (m) Tinggi dari dasar aliran z Tekanan Aliran 6,5 29, ,1 7,5 19, ,2 Sumber: asil penelitian 211 Tabel 8. Tekanan pada debit 11,4 l/s dan kemiringan dasar aliran 13 Jarak dari ambang pelimpa (m) Tinggi dari dasar aliran z Tekanan Aliran 6,5 19, ,48 7,5 9, ,53 Sumber: asil penelitian 211 Tabel 9. Tekanan pada debit 2,9 l/s dan kemiringan dasar aliran 2 Jarak dari ambang pelimpa (m) Tinggi dari dasar aliran z Tekanan Aliran 6,5 31,2 1-1,4 7,5 21, ,4 Sumber: asil penelitian 211 Tabel. Tekanan pada debit 11,4 l/s dan kemiringan dasar aliran 2 Jarak dari ambang pelimpa (m) Tinggi dari dasar aliran z 6,5 22,4 1-81,6 7,5 12,8 1-13,6 Sumber: asil penelitian 211 Tekanan Aliran Berdasarkan tabel di atas nampak bawa di dasar aliran atau tinggi dari dasar aliran (z) mm tekanan cenderung positif. Makin jau dari ambang spillway makin renda tekanannya. Di atas dasar aliran sedikit (z=+ 1mm) tekanan cenderung negative. Makin besar debit yang mengalir, makin tinggi tekanan negatifnya. Di samping itu, makin tinggi kemiringan dasar aliran makin besar tekanan negatifnya. 165

8 Pembaasan Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 9,5 l/s adala 157,2. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 11,4 l/s adala 157,69. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 2,9 l/s adala 158,7. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 9,5 l/s adala 164,219. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 11,4 l/s adala 171,8636. nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 2,5 l/s adala 235,9513. Nilai gesek maksimal saluran untuk dasar tersusun dari pasir alus adala 2, N/ m 2. Nilai gesek maksimal saluran untuk dasar tersusun dari kerikil alus adala 3,7 N/ m 2. Nilai gesek maksimal saluran untuk dasar tersusun dari kerikil kasar adala 14,7. Nilai gesek maksimal saluran untuk dasar tersusun dari kerakal dan batuan bulat adala 44 (Feater Stone dan Nalluri, 1995: 192). Analisis data yang berkaitan dengan erosi di dasar saluran digunakan kriteria perbandingan antara gesek τ dan gesek maksimal τ. Jika τ > τ maks maks maka erosi di dasar saluran diduga dapat terjadi (Cow, 1992: 15). Berdasarkan nilai gesek di atas nampak bawa semua nilai berada di atas atau lebi besar dibandingkan dengan nilai gesek maksimal atau τ > τ maks, dengan demikian erosi di dasar saluran diduga selalu terjadi. Berdasarkan asil penelitian mengenai tekanan di dasar saluran curam diketaui bawa anya posisi di dasar atau mm nilai tekanan p adala positif, yaitu antara nilai +9,81 sampai dengan =31,2 ; sementara itu, pada posisi di atas dasar yaitu antara +1 mm sampai nilai tekanan adala negatif, yaitu antara nilai -78,48 sampai dengan -4198,4. Menurut Munson, Young dan Okiisi (24: 527) bawa nilai tekanan uap air atau p pada suu 5 C adala v 1177,2, sedangkan pada suu 1 C adala 2452,5. Dengan demikian semua nilai tekanan di dasar aliran lebi kecil dibandingkan tekanan uap air atau p < p v. Sementara itu, analisis data yang berkaitan dengan erosi di dasar saluran digunakan kriteria perbandingan antara p dan p. Jika p < p v v maka erosi di dasar saluran diduga dapat terjadi (Canson, 1988: 5). Ole karena itu dapat dikatakan, erosi di dasar saluran diduga selalu terjadi. Berdasarkan dua kondisi yaitu gesek τ dan tekanan p, dapat dikatakan bawa erosi di dasar saluran yang mempunyai kemiringan dasar antara 13 sampai dengan 2, serta debit antara 9,5 l/s sampai dengan 2,9 l/s diduga selalu terjadi. 166 Vol. 9.2 Desember 211

9 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Pertama, nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 9,5 l/s adala 157,2. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 11,4 l/s adala 157,69. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 13 serta debit aliran sebesar 2,9 l/s adala 158,7. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 9,5 l/s adala 164,219. Nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 11,4 l/s adala 171,8636. nilai gesek τ pada sudut kemiringan dasar flum atau talang sebesar 2 serta debit aliran sebesar 2,9 l/s adala 235,9513. Nilai gesek maksimal saluran untuk dasar tersusun dari pasir alus adala 2,. Nilai gesek maksimal saluran untuk dasar tersusun dari kerikil alus adala 3,7. Nilai gesek maksimal saluran untuk dasar tersusun dari kerikil kasar adala 14,7. Nilai gesek maksimal saluran untuk dasar tersusun dari kerakal dan batuan bulat adala 44. Berdasarkan nilai gesek di atas nampak bawa semua nilai berada di atas atau lebi besar dibandingkan dengan nilai gesek maksimal atau τ > erosi di dasar saluran diduga selalu terjadi. τ maks, dengan demikian Kedua, nilai tekanan p di dasar saluran curam atau mm adala positif, yaitu antara nilai +9,81 sampai dengan =31,2 ; sementara itu, pada posisi di atas dasar yaitu antara +1 mm nilai tekanan adala negatif, yaitu antara nilai -78,48 sampai dengan -198,4. Nilai tekanan uap air atau p pada suu 5 C adala 1177,2, sedangkan pada suu 1 C adala 2452,5 N/ v m 2. Dengan demikian semua nilai tekanan di dasar aliran lebi kecil dibandingkan tekanan uap air atau p > p v. Ole karena itu, erosi di dasar saluran diduga selalu terjadi. Saran Berdasarkan simpulan penelitian diketaui bawa nilai gesek τ suda lebi besar dibandingkan dengan gesek maksimal τ yang mempunyai makna bawa maks di saluran itu akan terjadi erosi dasar yang membaayakan stabilitas saluran. Di samping itu, diketaui juga bawa tela terjadi tekanan negatif di dasar saluran, yang mana suda jau lebi besar dibandingkan tekanan uap air p > p v, seingga di saluran itu juga akan terjadi erosi dasar yang membaayakan stabilitas saluran. Ole karena itu, jika di saluran terjadi seperti kondisi 167

10 di atas maka saluran arus di lining atau dibuat pasangan yang solid atau sebaiknya saluran dikonstruksi dengan beton bertulang agar stabilitasnya terjaga seingga aman. DAFTAR PUSTAKA Canson, H., 1988, Study of air entrainment and aeration devices on spillway model, Tesis Doctor of Pilosopy in Civil Engineering, University of Canterbury Cristcurc, New Zealand. Cow, V., T., 1992, Hidrolika Saluran Terbuka, Terjemaan, Nensi Rosalina, Penerbit Erlangga, Jakarta. Falvey, H., T., 198, Air Water Flow Hydraulic Structure, United States Departement of Interior, Water and Power Resources Service. Kironoto, A., B., 27, Penggunaan metode Clauser untuk penentuan kecepatan gesek u, * pada saluran Mataram tampang segi segi empat, Media Teknik. 4, T. XXIX Edisi vember, pp Munson, B., R., Young, D., F., dan Okiisi, T., H., 24, Mekanika Fluida, Terjemaan Harinaldi dan Budiarso, UI, Penerbit Erlangga, Jakarta. Wood, R., I., 1983, Uniform region of self aerated flow, Journal of Hydraulic Engineering, Vol 193,. 3, Maret. Pp Vol. 9.2 Desember 211