Pola Difraksi Gelombang Di Sekitar Breakwater Sejajar Pantai Ditinjau Berdasarkan Studi Numerik Dan Model Fisik

Transkripsi

1 Rekaracana Teknik Sipil Itenas No.x Vol. xx Jurnal Online Institut Teknologi Nasional Agustus 2015 Pola Difraksi Gelombang Di Sekitar Breakwater Sejajar Pantai Ditinjau Berdasarkan Studi Numerik Dan Model Fisik MUHAMMAD IKHSAN¹, YESSI NIRWANA KURNIADI² 1. Mahasiswa, Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional 2. Dosen, Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional ABSTRAK Difraksi gelombang yang terjadi di kolam pelabuhan menyebabkan tinggi gelombang di dalam kolam pelabuhan perlu diperhatikan karena akan berkaitan dengan kemampuan kapal dan kestabilan kapal dalam bersandar. Hal lain yang mempengaruhi tinggi gelombang pada kolam adalah refleksi gelombang. Mengingat kondisi-kondisi tersebut merupakan hal yang perlu diperhatikan, oleh karena itu diperlukan suatu kajian mengenai difraksi gelombang dengan meninjau titik-titik segaris disekitar kolam untuk mengamati tinggi gelombang yang terjadi dengan kondisi penggunaan peredam energi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui perilaku difraksi gelombang yang terjadi di sekitar breakwater dengan melakukan penelitian di laboratorium pantai yang memiliki spesifikasi sesuai dengan kondisi lapangan tertentu dan juga untuk mengetahui seberapa besar pengaruh penggunaan peredam energi pada kolam gelombang. Pada komparasi model fisik penggunaan peredam energi, terjadi penurunan tinggi gelombang sebesar 31.34% dan hasil menunjukkan bahwa pola difraksi gelombang terbentuk lebih baik. Kata kunci: Gelombang, Difraksi, Refleksi, Model Numerik, Model Fisik. ABSTRACT Waves Diffraction that occur in the harbor basin cause high waves in the harbor basin need to be considered because it will relate to the ability of the vessel and the vessel stability in order to lean. The other thing that affects the wave height is a reflection in the basin. Based on these conditions, it is required a study of wave diffraction by reviewing several points in line to observe the wave height in condition of using wave energy absorber. The purpose of this study is to know the behavior of waves diffraction that occur near shore-parallel breakwater by doing research in the laboratory which has the specifications in accordance with the specified field conditions and also to determine how much influence the use of wave energy absorbers in the wave basin. In the comparative model of the physical condition of using wave energy absorbers, wave height decreased by 31.34% and results show that the diffraction pattern formed better after using wave energy absorbers. Keywords: Waves, Diffraction, Reflection, Numerical Model, Physical Model. Rekaracana - 1

2 Ikhsan, M., Kurniadi, Yessi N. 1. PENDAHULUAN Indonesia merupakan negara kepulauan yang sebagian besar dari wilayahnya adalah lautan. Tak hanya Indonesia, bahkan bumi pun sebagian besar terbagi atas lautan sehingga lautan merupakan komponen penting dari kehidupan. Berbicara mengenai lautan, terdapat aspekaspek fisik yang berkaitan dengan lautan yaitu pasang surut, arus, gelombang dan banyak lagi. Dalam dunia teknik sipil, aspek-aspek tersebut sangat menentukan baik untuk perencanaan struktur pesisir meliputi pelabuhan, breakwater, reverment hingga perencanaan bangunan lepas pantai. Oleh karena itu, direkayasakan struktur diantaranya seperti revetment dan breakwater untuk menangani sifat merusak dari gelombang. Selain itu breakwater juga berfungsi sebagai pemecah gelombang khususnya untuk perairan pelabuhan agar gelombang yang terjadi disekitar perairan pelabuhan tidak terlalu besar. Seiring berkembangnya ilmu pengetahuan, segala sesuatu mengenai hal-hal yang bersifat ilmiah seperti kontur daratan hingga lautan dapat dimodelkan dalam skala kecil dengan menggunakan konsep disiplin ilmu tertentu. Hal ini tentu memudahkan manusia dalam memprediksi, mengamati serta menganalisis perilaku dari alam guna untuk forecasting hingga kelancaran perencanaan terutama dalam dunia teknik sipil. Pada laboratorium pantai jurusan teknik sipil Institut Teknologi Nasional terdapat breakwater yang menyebabkan terjadinya difraksi pada gelombang bangkitan dan juga memungkinkan terjadinya refleksi gelombang akibat keterbatasan ruang dan pengaruh dari besarnya bangkitan gelombang. Dengan mengacu pada hal diatas, akan dilakukan studi terhadap pola difraksi gelombang yang terjadi dan hal-hal yang berpengaruh berkenaan dengan diraksi gelombang guna memberikan informasi mengenai gelombang bangkitan yang terjadi pada laboratorium. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengamati pola difraksi gelombang dengan melakukan pembacaan tinggi gelombang di titik-titik tertentu pada kondisi tanpa menggunakan peredam energi dan juga dengan penggunaan peredam energi dengan menggunakan permodelan fisik dan permodelan numerik. Disamping itu, hasil permodelan fisik akan diolah kedalam numerik yang kemudian akan dibandingkan dengan menggunakan bantuan software hidrodinamika 2DH. Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah: 1. Mengetahui akurasi tinggi gelombang yang sesuai dengan spesifikasi kolam dan alat. 2. Mengetahui seberapa besar pengaruh penggunaan peredam energi terhadap pola difraksi gelombang. 3. Mengetahui acuan software terhadap proses difraksi gelombang dengan permodelan dua dimensi. 2.1 Gelombang 2. KAJIAN PUSTAKA Gelombang pada umumnya dapat merambat di berbagai medium diantaranya medium udara, listrik hingga air. Pada pembahasan kali ini, gelombang yang akan ditelaah adalah mengenai gelombang air karena pada pengujian kali ini, hal yang akan diamati adalah pola dari difraksi gelombang air. 2.2 Teori Gelombang Pada umumnya bentuk gelombang di alam adalah sangat kompleks dan sulit digambarkan secara sistematis karena ketidak-linieran, tiga dimensi dan mempunyai bentuk yang acak Rekaracana - 2

3 Pola Difraksi Gelombang Disekitar Breakwater Sejajar Pantai Ditinjau Berdasarkan Studi Numerik dan Model Fisik (suatu deret gelombang mempunyai periode dan tinggi tertentu). Beberapa teori yang ada hanya menggambarkan bentuk gelombang yang sederhana dan merupakan bentuk pendekatan gelombang alam. Ada beberapa teori dengan berbagai derajat kekompleksan dan ketelitian untuk menggambarkan gelombang di alam diantaranya adalah teori airy, Stokes, Gertsner, Mich, Knoidal, dan tunggal. Masing masing teori tersebut mempunyai batasan keberlakuan yang berbeda beda. Teori yang paling sederhana adalah teori gelombang linier yang pertama kali ditemukan oleh Airy pada tahun Teori Gelombang Airy Di dalam teori gelombang amplitudo kecil (Airy) dianggap bahwa tinggi gelombang adalah sangat kecil terhadap panjangnya atau kedalannya. (Triadmodjo. 1999). Teori Airy juga dikenal dengan teori gelombang linear. Gelombang Linear yang sering diidealisasikan sebagai teori gelombang amplitudo kecil (airy) menggunakan 2 parameter non-dimensional, yaitu wave stepness (H/L) dan relative depth (d/l). Wave Stepness atau kecuraman gelombang adalah perbandingan antara tinggi gelombang dibagi dengan panjang gelombang. Harga wave stepness yang besar menyebabkan teori gelombang Airy tidak valid digunakan. Sedangkan relative depth atau kedalaman relatif adalah perbandingan kedalaman dibagi panjang gelombang Teori Gelombang Stokes Stokes mengembangkan formulasi dari teori gelombang Airy yang mengasumsikan tinggi gelombang adalah sangat kecil jika dibandingkan dengan panjangnya atau kedalamannya. Apabila tinggi gelombang relatif besar, maka digunakan teori gelombang yang memiliki orde lebih tinggi, yaitu teori gelombang Stokes atau teori gelombang lain. Teori gelombang stokes dapat bervariasi sesuai tinggi orde yang digunakan. Semakin tinggi orde semakin banyak suku tambahan pada formula besaran gelombang. Teori gelombang stokes orde 2, orde 3, orde 4, orde 5 dan seterusnya. Perbedaan karakteristik masing-masing gelombang dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1. Perbandingan teori gelombang 2.3 Parameter Gelombang Parameter gelombang baik bentuk maupun macamnya sangat bervariasi dan kompleks. Untuk itu para ahli mendesain sebuah model gelombang buatan untuk memudahkan dalam Rekaracana - 3

4 Ikhsan, M., Kurniadi, Yessi N. mempelajarinya, walaupun bentuk gelombang ini kemungkinan tidak akan dijumpai sama seperti gelombang laut yang sebenarnya. Bagian-bagian gelombang gelombang ideal adalah: Crest merupakan titik tertinggi atau puncak sebuah gelombang. Trough merupakan titik terendah atau lembah sebuah gelombang. Wave height (H) merupakan jarak vertikal antara crest dan trough atau disebut juga tinggi gelombang. Wave length (L) merupakan jarak horisontal antara dua puncak gelombang berurutan atau jarak horisontal dua titik yang bersesuaian pada dua gelombang berurutan. (Muliati. 2013) Wave period (T) adalah waktu yang dibutuhkan crest untuk kembali pada titik semula secara berturut-turut, disebut juga periode gelombang. Penjelasan secara visual mengenai susunan gelombang ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2. Detail Parameter Gelombang (Sumber: Shore Protection Manual (1984)) 2.4 Difraksi Gelombang Difraksi adalah penyebaran yang terjadi pada gelombang yang dipancarkan dari sumber melewati celah yang terbatas untuk menyebar membentuk pola ketika merambat. Difraksi gelombang dapat terjadi apabila gelombang terhambat pergerakannya oleh struktur pelindung seperti breakwater yang memiliki celah seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Pada Gambar 3 menunjukkan bahwa terjadi penyebaran gelombang yang datang melewati celah diantara pemecah gelombang. Pada proses difraksi, terjadi proses transfer energi dari gelombang datang ke daerah tenang dibagian dalam breakwater. Perbedaan pada gelombang sebelum dan setelah melewati celah adalah arah dari gelombang tersebut. Mula-mula, gelombang datang pada arah yang sama, namun pada saat melewati celah gelombang terpencah menuju tiga arah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Rekaracana - 4

5 Pola Difraksi Gelombang Disekitar Breakwater Sejajar Pantai Ditinjau Berdasarkan Studi Numerik dan Model Fisik Gambar 3. Difraksi Gelombang akibat adanya celah (Sumber: physics.taskermilward.org.uk) Difraksi gelombang tidak hanya terjadi apabila gelombang melewati celah, namun juga pada saat gelombang yang datang terhalang oleh hambatan. Pada kasus ini, perambatan gelombang berbeda dengan kasus seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4. Difraksi Gelombang akibat penghalang (Sumber: physics.taskermilward.org.uk) 2.5 Refleksi Gelombang Gelombang yang mengenai suatu bangunan akan dipantulkan sebagian atau seluruhnya. Refleksi gelombang yang terjadi di dalam kolam akan menyebabkan ketidak-tenangan di perairan di dalam kolam. Hal ini akan berpengaruh bila dianalogikan pada perairan kolam pelabuhan. Refleksi gelombang ini akan menyebabkan timbulnya tegangan pada tali kapal yang bersandar akan terjadi cukup besar. (Triadmodjo. 2009) Gambaran mengenai pemantulan gelombang ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 5. Refleksi Gelombang Rekaracana - 5

6 Ikhsan, M., Kurniadi, Yessi N. 3.1 Alat Yang Digunakan 3. METODE PENELITIAN Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini adalah: Komputer Pembangkit Gelombang 4 buah Sensor MikroHub Peredam energi material karet 3.2 Penempatan Alat Alat-alat yang telah dipersiapkan sebelumnya ditempatkan ke titik-titik tertentu. Breakwater diletakkan pada kolam gelombang begitu pula dengan sensor yang diletakkan di beberapa titik. Peredam energi diletakkan pada ujung kolam gelombang sementara komputer diletakkan pada suatu ruangan terpisah untuk mengolah data. Kondisi model kolam dan titik letak sensor ditunjukkan pada Gambar 6. Satuan (m) 4 PEMBANGKIT GELOMBANG PEREDAM ENERGI 6.0 Gambar 6. Kondisi Kolam dan Penempatan Sensor Rekaracana - 6

7 Pola Difraksi Gelombang Disekitar Breakwater Sejajar Pantai Ditinjau Berdasarkan Studi Numerik dan Model Fisik 3.3 Pelaksanaan Pengukuran Gelombang Pemecah gelombang yang telah disambungkan dengan listrik kemudian dioperasikan sehingga menghasilkan gelombang pada kolam. Gelombang yang berjalan akan melewati celah dari pemecah gelombang sehingga terjadi pola difraksi pada gelombang. Sensor akan membaca tinggi jarak dari sensor ke muka air, namun data yang akan digunakan bukanlah data output yang diterima dari sensor, tetapi data tersebut harus dikurangi dengan tinggi sensor ke dasar kolam sehingga diperoleh data tinggi muka air. Data tinggi muka air ini lah yang akan dianalisis. Pengujian dilakukan dalam rentang waktu tertentu dan dalam keadaan kondisi suhu ruangan (± 25ºC). Skema dari pengujian akan ditampilkan pada Gambar 7 sebagai berikut. SENSOR 1 SENSOR Tahapan Penelitian Gambar 7. Skema Pengujian Metode kerja/pelaksanaan pengukuran menggunakan metode Time of Flight, yaitu dengan menghitung waktu antara sinyal ultrasonik yang dikirim dan sinyal pantulan kembali. Metode utama yang digunakan dalam mengolah data adalah metode komparasi. Metode ini digunakan karena bertujuan membandingkan dua kondisi pola difraksi gelombang pada sensor satu dengan sensor lainnya yang segaris. Selain membandingkan pola gelombang, hal lain yang akan dibandingkan dalam pengujian kali ini adalah hasil perbandingan antara menggunakan peredam energi dan tanpa menggunakan peredam energi. Pembacaan sensor yang dilakukan hanya pada titik 1, 2 dan titik 3 sementara titik 4 hanya digunakan data input bangkitan gelombang untuk permodelan numerik. 4.1 Perbandingan Analisis Model Fisik 4. ANALISIS DATA Setelah analisis di masing-masing sensor dilakukan, hasil analisis tersebut di bandingkan antara kondisi sebelum dan sesudah menggunakan peredam energi pada model fisik saja. Komparasi tiga sensor ditunjukkan pada Tabel 1. Rekaracana - 7

8 Ikhsan, M., Kurniadi, Yessi N. Tabel 1. Komparasi Tinggi Gelombang Model Fisik dengan dan Tanpa Menggunakan Peredam Energi Keterangan Hmax H 1/3 H 1/10 H mean Hrms Sebelum Sensor 1 Sesudah % perubahan 50.00% 31.34% 50.00% 13.29% 26.18% Sebelum Sensor 2 Sesudah % perubahan 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% -0.91% Sebelum Sensor 3 Sesudah % perubahan % -1.72% -5.56% % % 4.2 Perbandingan Analisis Model Numerik Pada subbab ini, akan ditampilkan perbandingan pola difraksi gelombang pada titik 1 dan 2. Perbandingan akan ditunjukkan dalam bentuk visual dari pola difraksi yang terjadi, perbandingan refleksi gelombang pada saat kondisi sebelum dan sesudah menggunakan peredam energi dan juga perbandingan grafik pada titik 1 dan titik 2. Perbandingan visual pola difraksi gelombang sebelum dan sesudah menggunakan peredam energi ditunjukkan pada Gambar 8 dan perbandingan visual refleksi gelombang yang terjadi pada kondisi sebelum dan sesudah menggunakan peredam energi ditunjukkan pada Gambar 9. Rekaracana - 8

9 Pola Difraksi Gelombang Disekitar Breakwater Sejajar Pantai Ditinjau Berdasarkan Studi Numerik dan Model Fisik (1) (2) Gambar 8. Tampilan Difraksi Gelombang Sebelum (1) dan sesudah menggunakan peredam energi (2) (1) (2) Gambar 9. Tampilan Refleksi Gelombang Sebelum (1) dan sesudah menggunakan peredam energi (2) Rekaracana - 9

10 Ikhsan, M., Kurniadi, Yessi N. Setelah output dari permodelan diperoleh, hasil tersebut kemudian akan dibandingkan antara permodelan numerik sebelum dan setelah menggunakan peredam energi. 4.3 Perbandingan Model Numerik dan Model Fisik Dari hasil analisis model numerik dan model fisik yang telah dilakukan sebelumnya, diperoleh hasil masing-masing kondisi. Berikut akan ditampilkan grafik komparasi Model Fisik dan Model Numerik Sebelum Menggunakan Peredam energi dititik 1 pada Gambar 10, di titik 2 pada Gambar 11 dan di titik 3 pada Gambar 12. Gambar 10. Komparasi Grafik Model Fisik Dan Model Numerik Sebelum Menggunakan Peredam Energi Di Titik 1. Gambar 11. Komparasi Grafik Model Fisik Dan Model Numerik Sebelum Menggunakan Peredam Energi Di Titik 2. Gambar 12. Komparasi Grafik Model Fisik Dan Model Numerik Sebelum Menggunakan Peredam Energi Di Titik 3. Rekaracana - 10

11 Pola Difraksi Gelombang Disekitar Breakwater Sejajar Pantai Ditinjau Berdasarkan Studi Numerik dan Model Fisik Berikut akan ditampilkan grafik komparasi Model Fisik dan Model Numerik Setelah Menggunakan Peredam energi dititik 1 pada Gambar 13, di titik 2 pada Gambar 14 dan di titik 3 pada Gambar 15. Gambar 13. Komparasi Grafik Model Fisik dan Model Numerik setelah menggunakan peredam energi di titik 1 Gambar 14. Komparasi Grafik Model Fisik dan Model Numerik setelah menggunakan peredam energi di titik 2 Gambar 15. Komparasi Grafik Model Fisik dan Model Numerik setelah menggunakan peredam energi di titik 3 5. KESIMPULAN Pola difraksi gelombang yang terjadi disekitar breakwater sejajar pantai pada laboratorium pantai Institut Teknologi Nasional dan studi numerik dapat diamati dengan baik. Pengaruh Shoaling dan Refraksi kecil, sehingga kedua hal tersebut dapat diabaikan. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa pola difraksi dari model fisik dan model numerik baik dan tetap berada pada rentang gelombang yang terjadi. Berdasarkan hasil penelitian, diperoleh kesimpulan bahwa terjadi penurunan tinggi gelombang setelah menggunakan peredam energi, hanya saja perlu ditambah lapis tambah peredam energi bila simulasi yang dilakukan dengan kecepatan lebih dari 70 satuan alat. Persentase penurunan tinggi gelombang sesudah menggunakan Rekaracana - 11

12 Ikhsan, M., Kurniadi, Yessi N. peredam energi di titik 1 sebesar 31.34%, dititik 2 sebesar 0% dan terjadi peningkatan di titik 3 sebesar 1.72%. Peningkatan yang terjadi di titik 3 kemungkinan terjadi akibat pengaruh refleksi di sekitar breakwater dan juga refleksi pada ujung kolam gelombang. Saran untuk peneliti berikutnya agar dapat meneliti lapis tambah peredam energi yang sesuai digunakan untuk masing-masing kecepatan pada pembangkit gelombang dan juga perlu dikaji material dari peredam energi yang sesuai untuk digunakan pada kolam gelombang. DAFTAR RUJUKAN Muliati SN, Y. (2013). Rekayasa Pantai. Institut Teknologi Nasional. Bandung Triatmodjo, B. (2009). Perencanaan Pelabuhan. Yogyakarta: Beta Offset Triatmodjo, B. (1999). Rekayasa Pantai. Yogyakarta: Beta Offset Rekaracana - 12