BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN. A. Data Penelitian

Transkripsi

1 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN A. Data Penelitian Pada penelitian ini dimodelkan dengan menggunakan Software iric: Nays2DH 1.0 yang dibuat oleh Dr. Yasuyuki Shimizu dan Hiroshi Takebayashi di Hokkaido University, Jepang. Nays2DH 1.0 adalah model komputasi untuk mensimulasikan horisontal dua dimensi (2D) alirain, transportasi sedimen, perubahan morfologi dari kedalaman dasar dan erosi di sungai. Selain itu, iric: Nays2DH 1.0 merupakan perangkat yang bisa mensimulasikan gerusan yang terjadi pada sekitar pilar jembatan. Aliran seragam (uniform flow), dimana berbagai varibel aliran seperti kedalaman tampang basah (h), kecepatan (v) dan debit (Q) di sepanjang aliran tidak berubah terhadap waktu. Digunakan debit sebesar m 3 /dtk dengan waktu running 3 menit. Penampang saluran mengadopsi dari model fisik flume dengan lebar saluran 0.46 m dan panjang saluran 5 m seperti Gambar 5.1. Gambar 5.1 Penampang saluran pada simulasi software iric: Nays2DH 1.0 Penampang tersebut memiliki kemiringan dasar saluran (slope) sebesar dan memiliki angka manning sebesar Saluran ini memiliki karakteristik aliran superkritik yang memiliki nilai Froude (Fr) dan pasir yang lolos saringan ASTM no.10 dan tertahan pada no. 200 sebagai bahan dasar dari saluran dengan nilai d50 yang diperoleh dari pengujian gradasi butiran. Aliran superkritik adalah aliran yang memiliki kecepatan yang memiliki kecepatan yang tinggi. 59

2 60 Pada penampang saluran tersebut dibagi menjadi beberapa grid untuk memperkuat data dengan ukuran grid sebesar 0.5 cm. Pada bagian lebar penampang saluran dengan lebar 0.46 m dibagi menjadi 92 grid searah sumbu x (grid i) dan panjang saluran yang ditinjau sebesar 2.5 m dibagi menjadi 500 grid searah sumbu y (grid j). Terdapat halangan di tengah penampang berupa model pilar jembatan yaitu pilar model kapsul dan pilar model belah ketupat seperti Gambar 5.2. Model pilar tersebut memiliki lebar 3 inc dan tinggi pilar 15 cm. (a) (b) Gambar 5.2 Bentuk pilar jembatan pada simulasi software iric: Nays2DH 1.0. bentuk pilar kapsul (a) bentuk pilar belah ketupat (b)

3 61 B. Analisis Kecepatan Aliran Kedalaman gerusan lokal maksimum rata-rata di sekitar pilar sangat tergantung pada nilai relatif kecepatan alur sungai. Kecepatan aliran setelah dilakukan simulasi mempunyai karakteristik berbeda pada setiap bentuk pilar. Pada dasarnya kecepatan aliran akan berubah apabila ada suatu perubahan morfologi. Perubahan kecepatan aliran pada saluran memiliki halangan berupa pilar jembatan. Dengan adanya pilar ditengah sungai maka akan merubah aliran sungai, dan akan ada gerusan lokal yang akan terjadi di sekitar bangunan sungai karena aliran menumbur atau menabrak bangunan tersebut. Pada penelitian ini digunakan dimensi lebar pilar sebesar 3 inc dan tinggi 15 cm dengan menggunakan aliran debris. Setelah dilakukan simulasi dengan software iric Nays2DH 1.0 menggunakan bentuk pilar kapsul dan belah ketupat dapat dilihat terjadi perubahan kecepatan aliran pada Gambar 5.3 dan 5.4. (c) (a) (b) Gambar 5.3 Hasil simulasi software iric Nays2DH 1.0 dengan output velocity (ms-1) (a) analisis kecepatan model fisik (b) skala kecepatan aliran iric(c) skala kecepatan model fisik (d) pada pilar berbentuk kapsul (d)

4 62 (c) (d) (a) (b) Gambar 5.4 Hasil simulasi software iric Nays2DH 1.0 dengan output velocity (ms-1) (a) analisis kecepatan model fisik (b) skala kecepatan aliran iric(c) skala kecepatan model fisik (d) pada pilar berbentuk belah ketupat Terlihat perbedaan karakteristik perubahan kecepatan pada pilar kapsul dan belah ketupat. Perbedaan kecepatan dideskripsikan melalui warna, mulai dari kecepatan yang paling rendah yaitu ms -1 dideskripsikan dengan warna biru sampai kecepatan 1.10 ms-1 dideskripsikan dengan warna merah. Pada pilar jembatan yang berbentuk kapsul terjadi perubahan kecepatan aliran mengarah ke hilir saluran, terlihat dari adanya perubahan warna dari oranye menjadi kuning kehijau yang menandakan kecepatan aliran setelah melewati kapsul perlahan kecepatan aliran menjadi normal kembali pada jarak yang sangat jauh. Sisi kanan dan kiri dari pilar mengalami percepatan terlihat dari warna yang memerah di samping kanan dan kiri pilar, kecepatan yang tinggi ini terjadi akibat perubahan morfologi dari saluran. Sama seperti pilar kapsul pilar jembatan berbentuk belah ketupat terdapat percepatan disamping kanan dan kiri pilar yang dapat dilihat dari adanya perubahan warna dari oranye ke merah. Kemudian terjadi perlambatan kecepatan aliran setelah melewati pilar terlihat warna merah berubah menjadi warna kuning dan hijau pada

5 63 jarak yang sangat jauh. Namun, perubahan kecepatan menuju hilir sungai pilar kapsul lebih pendek dibandingkan dengan pilar belah ketupat. Dibandingkan dengan penelitian model fisik yang di lakukan di Laboratorium Jurusan Teknik Sipil Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, pada pengujian yang sama yaitu mensimulasikan gerusan yang terjadi pada pilar kapsul dan belah ketupat dengan aliran debris yang terjadi di sungai menggunakan flume. Kecepatan aliran yang terjadi pada pilar jembatan berbentuk kapsul dan pilar belah ketupat memiliki pola aliran kecepatan yang sama seperti simulasi yang dilakukan menggunakan pemodelan numerik dapat dilihat pada Gambar 5.3 untuk pilar kapsul dan Gambar 5.4 untuk pilar belah ketupat. Terlihat dari nilai angka kecepatan pada sisi kanan dan kiri pilar mengalami percepatan karena aliran terganggu akibat adanya penyempitan saluran akibat terhalang oleh pilar jembatan. Nilai kecepatan aliran dari model fisik dan model numerik menunjukan kisaran angka yang sama kurang lebih 90 cm/dtk untuk nilai percepatan yang terjadi pada bagian kanan dan kiri pilar kapsul. Sedangkan untuk pilar belah ketupat nilai dari percepatan yang tertinggi yaitu kurang lebih 88 cm/dtk. C. Analisis Pola Aliran Arah kecepatan aliran pada dasarnya dalam keadaan normal mengalir dari hulu saluran menuju hilir saluran. Dalam teori hidrolika air akan mengalir dari daerah yang memiliki tekanan tinggi menuju daerah yang memiliki tekanan yang rendah. Namun, arah aliran dapat berbelok apabila terjadi perubahan morfologi penampang saluran seperti adanya pilar jembatan. Arah kecepatan aliran sangat penting untuk mengetahui jenis belokan aliran setelah menabrak pilar jembatan. Belokan aliran biasanya berhubungan dengan turbulensi aliran yang nantinya akan berpengaruh terhadap kedalaman dan pola gerusan.

6 64 Dalam simulasi software iric : Nays 2DH 1.0 pada output arah kecepatan aliran, dimodelkan dengan menggunakan anak panah (arrow). Model arrow tersebut menggunakan teori vektor yang mempunyai besaran yang berupa nilai kecepatan aliran dan arah aliran. Arah aliran sangat dipengaruhi oleh bentuk pilar jembatan seperti pada Gambar 5.5 untuk bentuk kapsul dan Gambar 5.6 untuk belah ketupat. (a) (b) Gambar 5.5 Arah pola aliran hasil output software iric Nays 2DH 1.0 (a) Arah pola aliran hasil running pemodelan fisik (b) pada pilar bentuk belah ketupat

7 65 (a) (b) Gambar 5.6 Arah pola aliran hasil output software iric Nays 2DH 1.0 (a) Arah pola aliran hasil running pemodelan fisik (b) pada pilar bentuk belah ketupat Pada Gambar 5.5 (a) terlihat arah dan kecepatan aliran (pola aliran) yang dipengaruhi oleh bentuk pilar jembatan dengan lebar yang sama. Ditinjau dari bagian hilir pilar jembatan terlihat bentuk pilar mengalami turbulensi. Turbulensi pada hilir pilar jembatan kapsul terjadi sangat besar dibandingkan dengan pilar berbentuk belah ketupat pada Gambar 5.6 (a). Pilar jembatan berbentuk kapsul terjadi lebih banyak aliran yang menabrak pilar. Ditinjau dari pengaruh perubahan arah kecepatan aliran kembali normal ke arah hilir saluran, terlihat pada pilar jembatan dengan bentuk belah ketupat arah perubahan kecepatan lebih pendek dibandingkan dengan pilar jembatan berbentuk kapsul. Pada kedua pilar jembatan ini bentuk kapsul dan belah ketupat terjadi juga pengaruh ke arah kanan dan kiri saluran. Namun, pilar dengan bentuk kapsul lebih

8 66 besar mempengaruhi arah aliran di samping kanan dan kiri pilar. Bentuk arus yang berbeda juga akan menyebabkan adanya gerusan disekitar pilar. Dalam simulasi model fisik yang dilakukan di Laboratorium Jurusan Teknik Sipil Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, yang dilakukan menggunakan flume. Pola aliran yang dianalisis menggunakan sediment tracking kemudian dapat diamati secara visual, menunjukan pola aliran bagian hulu masih stabil, semakin menuju ke sekitar pilar pola aliran mulai tidak stabil karena terganggu akibat adanya penyempitan saluran akibat terhalang pilar jembatan. Kemudian pola aliran kembali mulai stabil menjauhi daerah pilar kearah hilir. Bentuk pola aliran yang dimodelkan dari model fisik dan model matematis menunjukkan pola aliran yang sama dapat dilihat pada Gambar 5.5 (b) untuk pilar berbentuk kapsul dan Gambar 5.6 (b) untuk pilar yang berbentuk belah ketupat.

9 67 D. Analisis Elevasi Dasar Elevasi dasar saluran pada awalnya bernilai stabil, namun ketika terjadi perubahan morfologi penampang saluran, elevasi dasar akan berubah. Perubahan elevasi dasar saluran dapat berupa penurunan maupun penaikan, untuk penurunan elevasi dasar saluran akan berhubungan dengan pola gerusan. Dalam hal ini, perubahan morfologi penampang saluran diakibatkan oleh pembuatan pilar jembatan dalam bentuk kapsul dan belah ketupat. Dapat diketahui perubahan elevasi dasar tiap pilar akan memiliki karakteristik yang berbeda-beda. (b) (a) (c) Gambar 5.7 Hasil simulasi software iric: Nays 2DH 1.0 dengan output elevation(m) (a) hasil simulasi software sms (b) skala kedalaman gerusan (c) bentuk pilar kapsul

10 68 (b) (a) (c) Gambar 5.8 Hasil simulasi software iric: Nays 2DH 1.0 dengan output elevation(m) (a) hasil simulasi software sms (b) skala kedalaman gerusan (c) bentuk pilar belah ketupat Gambar diatas menggunakan skala warna merah yang mendeskripsikan elevasi terendah sebesar -0.05m untuk pilar kapsul dan untuk pilar tajam sampai dengan warna biru yang mendeskripsikan elevasi tertinggi sebesar 0.005m untuk pilar kapsul dan 0.02m untuk pilar tajam. Elevasi dasar saluran terlihat berubah ketika terdapat halangan berupa pilar jembatan. perubahan tersebut mempunyai karakteristik yang berbeda disetiap bentuk pilar jembatan. Kedua pilar jembatan berbentuk kapsul dan belah ketupat perubahan elevasi terjadi di sisi kanan dan kiri pilar jembatan dan mempengarui tebing saluran. Perubahan terjadi baik berupa penurunan yang ditandai dengan warna kemerahan maupun kenaikan yang ditandai dengan warna hijau. Pola gerusan di sekitar pilar berasal dari aliran yang berasal dari hulu yang terhalang oleh pilar. Hal ini

11 69 menyebabkan aliran air terganggu dan menjadi tidak stabil sehingga menimbulkan pusaran yang terjadi akibat kecepatan aliran yang membentur pilar depan dan menjadi gaya tekan di sekitar pilar. Gaya tekan ini mengakibatkan terjadinya aliran bawah (down flow) yang dapat mengikis dasar saluran, dan akan menimbulkan gerusan di sekitar pilar. Karena perubahan elevasi dasar saluran terlihat kurang jelas baik penurunan maupun kenaikan elevasinya, maka dilakukan tinjauan dari beberapa potongan di sekitar pilar jembatan. peninjauan tersebut dilakukan untuk mengakuratkan analisis mengenai perubahan elevasi dasar saluran terutama analisis mengenai gerusan di sekitar pilar. Peninjauan dilakukan dengan menggunakan grafik yang dibuat dari Microsoft Excel dengan data hasil dari output software iric: Nays 2DH 1.0. Peninjauan ini dilakukan dengan beberapa potongan sebagai berikut. 1. Tinjauan Potongan I Hulu Pilar I I I I (a) (b) Gambar 5.9 Potongan I hulu pilar kapsul dan belah ketupat

12 70 Elevasi Gerusan Potongan I Pada Pilar Kapsul Elevasi (m) Elevasi Awal (m) Elevasi Model Numerik (m) Elevasi Model Fisik (m) Arah Melintang Saluran Pada Sumbu X (i=85) Gambar 5.10 Grafik elevasi gerusan potongan I pada hulu pilar bentuk kapsul dengan simulasi Software iric: Nays 2DH 1.0 dan pemodelan fisik Elevasi Gerusan Potongan I Pada Pilar Belah Ketupat Elevasi (m) Arah Melintang Saluran Pada Sumbu X (i= 85) Elevasi Dasar (m) Elevasi Model Numerik (m) Elevasi Model Fisik (m) Gambar 5.11 Grafik elevasi gerusan potongan I pada hulu pilar bentuk belah ketupat dengan simulasi Software iric: Nays 2DH 1.0 dan pemodelan fisik Grafik ini merupakan grafik potongan melintang pada saluran pangkal hulu pilar jembatan, potongan kedua pilar merupakan potongan pada grid i= 85. Batas nilai elevasi maksimum sebesar 0.005m dan elevasi minimum m untuk grafik

13 71 pilar belah ketupat nilai maksimum 0.01m dan minimum -0.03m. Pada kedua hulu pilar jembatan kapsul dan belah ketupat mengalami sedimentasi. Pada hulu pilar kapsul terjadi sedimentasi setinggi 1.5 cm. Pada pilar berbentuk belah ketupat sedimentasi setinggi 1.4cm pada hulu pilar. Hasil presentasi pengaruh dari ketinggian muka air setinggi m pada pilar kapsul dari model fisik yaitu 57% terjadi gerusan dan model numerik 109% terjadi sedimentasi. Pengaruh dari lebar pilar gerusan yang terjadi di model fisik yaitu 13% pada model numerik sebesar 25%. Pada pilar belah ketupat pengaruh muka air pada model fisik sebesar 34% sedangkan pada model numerik 107%. Di lihat dari pengaruh lebar pilar pada model fisik sebesar 8% dan model numerik 25% Hasil grafik diatas merupakan hasil dari penelitian model matematik dan model fisik pada Gambar 5.10 untuk pilar kapsul dan Gambar 5.11 untuk pilar belah ketupat, menunjukkan hasil grafik elevasi gerusan dalam simulasi di Laboratorium Jurusan Teknik Sipil Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Gerusan yang dihasilkan dari model fisik untuk pilar kapsul sedalam 2cm dan gerusan yang ada pada pilar tajam sedalam 1cm. Jika dibandingkan hasil simulasi dari software iric: Nays2DH 1.0 dengan model fisik tidak melihatkan hasil yang sama. Pada software iric melihatkan terjadinya sedimentasi di hulu pilar sedangkan model fisik menjelaskan terjadinya gerusan pada hulu pilar. 2. Tinjauan Potongan II Tengah Pilar II II II II Gambar 5.12 Potongan II tengah-tengah pilar kapsul dan belah ketupat

14 72 Elevasi Gerusan Potongan II Pada Pilar Kapsul Elevasi (m) ArahMelintang Saluran Pada Sumbu X (i=115) Elevasi Awal (m) Elevasi Model Numerik (m) Elevasi Model Fisik (m) Gambar 5.13 Grafik elevasi gerusan potongan II pada tengah pilar bentuk kapsul dengan simulasi Software iric: Nays 2DH 1.0 dan pemodelan fisik Elevasi Gerusan Potongan II Pada Pilar Belah Ketupat Elevasi (m) Arah Melintang Saluran Pada Sumbu X (i= 115) Elevasi Dasar (m) Elevasi Model Numerik (m) Elevasi Model Fisik (m) Gambar 5.14 Grafik elevasi gerusan potongan II pada tengah pilar bentuk belah ketupat dengan simulasi Software iric: Nays 2DH 1.0 dan pemodelan fisik

15 73 Grafik diatas merupakan grafik potongan melintang saluran pada tengahtengah pilar jembatan, potongan tengah pilar kapsul dan belah ketupat terletak pada grid i= 115. Batas maksimum dari grafik pilar kapsul sebesar 0m dan elevasi minimum sebesar -0.07m dan batas untuk pilar belah ketupat maksimum di 0m dan minimum m. Pada tengah pilar kapsul dan belah ketupat terjadi gerusan di samping kanan dan kiri pilar, kedua pilar mengalami gerusan sedalam 1cm. Dapat dilihat hasil dari penelitian model fisik dan numerik bahwa bagian kanan dan kiri pilar mengalami gerusan, terutama di bagian sisi pilar. Dari hasil penelitian model fisik sisi pilar kapsul mengalami gerusan sedalam 3.2cm kemudian dari pilar belah ketupat di sisi pilar terdapat gerusan sedalam 2.5cm untuk pilar kapsul dan 2.4cm untuk pilar berbentuk belah ketupat. Hasil ini menunjukan perbedaan pada penelitian fisik dengan pemodelan numerik. Hasil presentasi pengaruh dari ketinggian muka air setinggi m pada pilar kapsul dari model fisik yaitu 191% terjadi gerusan dan model numerik 80% terjadi gerusan. Pengaruh dari lebar pilar gerusan yang terjadi di model fisik yaitu 44% pada model numerik sebesar 18%. Pada pilar belah ketupat pengaruh muka air pada model fisik sebesar 34% sedangkan pada model numerik 57%. Di lihat dari pengaruh lebar pilar pada model fisik sebesar 8% dan model numerik 13% 3. Tinjauan Potongan III Hilir Pilar III III III III Gambar 5.15 Potongan III hilir (1) pilar kapsul dan belah ketupat

16 74 0 Elevasi Gerusan Potongan III Pada Pilar Kapsul Elevasi (m) Elevasi Awal (m) Elevasi Model Numerik (m) Elevasi Model Fisik (m) Arah Melintang Saluran Pada Sumbu X (i=200) Gambar 5.16 Grafik elevasi gerusan potongan III pada hilir (1) pilar bentuk kapsul dengan simulasi Software iric: Nays 2DH 1.0 dan pemodelan fisik 0 Elevasi Gerusan Potongan III Pada Pilar Belah Ketupat Elevasi (m) Elevasi Dasar (m) Elevasi Model Numerik (m) Elevasi Model Fisik (m) Arah Melintang Saluran Pada Sumbu X (i= 200) Gambar 5.17 Grafik elevasi gerusan potongan III pada hilir (1) pilar bentuk belah ketupat dengan simulasi Software iric: Nays 2DH 1.0 dan pemodelan fisik

17 75 Grafik diatas merupakan grafik potongan melintang saluran pada hilir (1) pilar jembatan, potongan hilir pilar kapsul dan belah ketupat terletak pada grid i = 200. Batas nilai elevasi pada kedua grafik tersebut sama, pada elevasi maksimum di 0m dan elevasi minimum sebesar -0.08m. Kedua pilar tersebut mengalami sedimentasi dengan ketinggian maksimum yang sama sebesar 1 cm. Hasil dari grafik penelitian model fisik menjelaskan bahwa terjadi gerusan didaerah hilir pilar, dan gerusan terdalam dari pilar kapsul sedalam 3cm dan pilar belah ketupat 2cm. Hasil dari model fisik dan numerik memiliki hasil tidak sama. Karena pada model fisik terjadi gerusan sedangkan pada pemodel numerik terjadi sedimentasi atau timbunan. Hasil presentasi pengaruh dari ketinggian muka air setinggi m pada pilar kapsul dari model fisik yaitu 171% terjadi gerusan dan model numerik 69% terjadi sedimentasi. Pengaruh dari lebar pilar gerusan yang terjadi di model fisik yaitu 39% pada model numerik sebesar 16%. Pada pilar belah ketupat pengaruh muka air pada model fisik sebesar 97% sedangkan pada model numerik 62%. Di lihat dari pengaruh lebar pilar pada model fisik sebesar 22% dan model numerik 14% 4. Tinjauan Potongan IV Hilir (2) pilar IV IV IV IV Gambar 5.18 Potongan IV hilir (2) pilar kapsul dan belah ketupat

18 76 0 Elevasi Gerusan Potongan IV Pada Pilar Kapsul Elevasi (m) Elevasi Awal (m) Elevasi Model Numerik (m) Elevasi Model Fisik (m) Arah Melintang Saluran Pada Sumbu X (i=275) Gambar 5.19 Grafik elevasi gerusan potongan IV pada hilir (2) pilar bentuk kapsul dengan simulasi Software iric: Nays 2DH 1.0 dan penelitian fisik 0 Elevasi Gerusan Potongan IV Pada Pilar Belah Ketupat Elevasi (m) Elevasi Dasar (m) Elevasi Model Numerik (m) Elevasi Model Fisik (m) Arah Melintang Saluran Pada Sumbu X (i= 275) Gambar 5.20 Grafik elevasi gerusan potongan IV pada hilir (2) pilar bentuk belah ketupat dengan simulasi Software iric: Nays 2DH 1.0 dan penelitian fisik Gambar 5.19 dan Gambar 2.20 merupakan grafik potongan melintang saluran pada hilir (2) pilar jembatan, potongan hilir (2) ini merupakan potongan dari keadaan gerusan yang mulai kembali ke-normal, potongan hilir terletak pada grid i= 275. Batas nilai pada grafik tersebut maksimum ada di 0m dan nilai minimum m. Hasil dari penelitian mdoel fisik melihatkan di hilir pilar mulai kembali ke

19 77 elevasi normal. Namun pada pilar berbentuk tajam masih terjadi sedimentasi setinggi 3cm. Jika dibandingkan dengan penelitian model fisik yang dilihat dari grafik pada Gambar 2.19 dan Gambar 2.20, pada hilir pilar masih mengalami gerusan dengan kedalaman gerusan terdalam sebesar 2cm, namun pada pilar tajam gerusan yang dalam hanya ada di sisi kiri saluran. Dapat dilihat pemodelan fisik dan pemodelan numerik dari hasil pengujian menunjukkan hasil yang berbeda. Hasil presentasi pengaruh dari ketinggian muka air setinggi m pada pilar kapsul dari model fisik yaitu 126% terjadi gerusan dan model numerik 57% terjadi sedimentasi. Pengaruh dari lebar pilar gerusan yang terjadi di model fisik yaitu 49% pada model numerik sebesar 13%. Pada pilar belah ketupat pengaruh muka air pada model fisik sebesar 57% sedangkan pada model numerik 114%. Di lihat dari pengaruh lebar pilar pada model fisik sebesar 13% dan model numerik 26%