MEKANISME PERILAKU GERUSAN LOKAL PADA PILAR SEGIEMPAT DENGAN VARIASI DEBIT

MEKANISME PERILAKU GERUSAN LOKAL PADA PILAR SEGIEMPAT DENGAN VARIASI DEBIT TUGAS AKHIR Diajukan untuk melengkapi syarat penyelesaian Pendidikan sarjana teknik sipil ANDY AZIS 09 0404 029 BIDANG STUDI TEKNIK SUMBER DAYA AIR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2015

ABSTRAK Sungai adalah alur air yang terbentuk secara alami di muka bumi yang mengalir dari mata air ke daerah alirannya menurut kondisi permukaan bumi yang akhirnya menuju ke daerah terendah.aliran yang terjadi pada sungai biasanya disertai proses penggerusan/erosi dan endapan sedimen/deposisi. Proses penggerusan yang terjadi dapat diakibatkan karena kondisi morfologi sungai dan adanya bangunan sungai yang menghalangi aliran. Bangunan seperti pilar jembatan dapat merubah pola aliran, sehingga secara umum dapat menyebabkan terjadinya gerusan lokal. Penelitian tentang pola gerusan di sekitar pilar dengan variasi debit aliran dilakukan untuk mempelajari pengaruh debit terhadap pola gerusan dan besarnya kedalaman gerusan. Penelitian gerusan di sekitar pilar dilakukan di Laboratorium Hidraulika Teknik Sipil menggunakan alat flume dengan panjang 8 m, tinggi 0,3 m dan lebar 0,076 m. Penelitian dilakukan dengan pengukuran pola dan kedalaman gerusan disekitar pilar segiempat dengan debit aliran sebesar 0,5 liter/det, 1,0 liter/det, dan 1,5 liter/det. Material yang digunakan berupa pasir yang lolos saringan No.10 dan tertahan saringan No.200 dengan nilai d50 = 0.51 mm. Model diuji selama 250 menit untuk setiap kali running. Penelitian ini dilakukan dengan kondisi aliran clear water scour.dari hasil eksperimen yang telah dilakukan didapat bahwa penambahan kedalaman gerusan pada menit-menit awal terjadi sangat cepat dengan kedalaman gerusan bertambah seiring dengan lama waktu pengamatan dan selanjutnya besanya penambahan kedalaman gerusan semakin kecil setelah mendekati kondisi kesetimbangan (equilibrium scour depth). Hasil penelitian menunjukan gerusan terbesar pada pilar terjadi pada bagian hulu pilar pada titik pengamatan 5. Kedalaman gerusan maksimum dari pilar segiempat terjadi pada debit 1,5 liter/det, sedangkan kedalaman gerusan minimum terjadi pada debit 0,5 liter/det. Kedalaman gerusan yang terjadi semakin bertambah seiring dengan peningkatan nilai debit. Nilai kedalaman gerusan maksimum pada variasi debit aliran 0,5 liter/s, 1,0 liter/det, dan 1,5 liter/det secara berturut-turut adalah 25 mm, 36 mm, 40 mm. Salah satu faktor yang mempengaruhi proses gerusan adalah besarnya debit aliran. Besar debit aliran mempengaruhi waktu yang diperlukan bagi gerusan lokal pada kondisi clear-water scour sampai kedalaman terakhir, sehingga semakin besar debit yang digunakan maka semakin banyak waktu yang diperlukan untuk melakukan penggerusan.

KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Allah SWT yang telah memberikan kesehatan dan kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulisan Tugas Akhir yang berjudul MEKANISME PERILAKU GERUSAN LOKAL PADA PILAR SEGIEMPAT DENGAN VARIASI DEBIT ini dimaksudkan untuk mencapai gelar sarjana Teknik Sipil bidang studi struktur Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis menghadapi berbagai kendala, tetapi karena bantuan dari berbagai pihak, penulisan Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Pada kesempatan ini pula, penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar besarnya kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, sebagai Ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 2. Bapak Ir. Syahrizal, M.T., sebagai Sekretaris Departemen Teknik Sipil. 3. Bapak Ir. Syahrizal, M.T dan Ivan Indrawan, S.T, M.T, sebagai Dosen Pembimbing yang telah banyak memberikan waktu, dukungan, masukan, serta bimbingan kepada penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini. 4. Bapak Ir. Terunajaya, M.Sc, dan Ir. Alferido Malik., sebagai Dosen Pembanding dan Penguji Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 5. Kedua orangtua, H. Nasrin Lubis dan Hj. Sofriani Nasution., yang tak pernah berhenti memberikan doa, dukungan, motivasi, kasih sayang dan

segalanya untuk saya selama ini. serta seluruh keluarga besar saya Bang Indra Husein Lubis ST, Bang Dedi Kurniadi Lubis SH, serta adik saya Muhammad Ikhsan dan Sobihannur yang selalu mendukung dan membantu saya dalam menyelesaikan tugas akhir ini 6. Seluruh Bapak dan Ibu Dosen Pengajar Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik yang telah membimbing dan memberikan pengajaran kepada Penulis selama menempuh masa studi di Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 7. Asisten Laboratorium Hidrolika Fakultas Teknik USU 8. Seluruh staf pegawai kak Lince, Kak Dina, Kak Dewik, Bang Julpan, Bang Jul KP, Bang Edi, Bang Amin dan Mas Bandi dan juga semua pegawai Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 9. Seluruh keluarga saya sipil 2009 yang telah sangat banyak membantu saya mulai dari awal proses pengerjaan tugas akhir :Afriansyah, Cid Ritonga, Septian (Udak), Kirun, Fuad, dan semuanya terkhusus kawan-kawan Sub Jurusan TSA. 10. Teman-teman seperjuangan yang sudah duluan tamat. 11. Semua abang/kakak dan adik-adik angkatan yang telah membantu penulis selama pengerjaan tugas akhir ini: Bang Gejond, Bang Indra, Muis, Lumajun, Suryadi, Acong, Puter, Kembat yang selalu memberi canda dan tawa serta temaan-teman lainya yang tidak bisa dituliskan satu-persatu yang lainya. 12. Dan segenap pihak yang belum penulis sebut disini atas jasa-jasanya dalam mendukung dan membantu penulis dari segi apapun, sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan baik.

Saya menyadari bahwa dalam penyusunan tugas akhir ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu saya menerima kritik dan saran yang bersifat membangun dalam penyempurnaan tugas akhir ini. Akhir kata saya mengucapkan terima kasih dan semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca. Medan, Agustus 2015 Penulis ( Andy Azis )

DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR NOTASI... xi DAFTAR LAMPIRAN... xiv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Pembatasan Masalah... 2 1.4 Tujuan Penelitian... 3 1.5 Manfaat Penelitian... 3 1.6 Sistematika Penulisan...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 6 2.1 Sungai... 7 2.2 Pengertian Gerusan... 8 2.3 Mekanisme Gerusan... 10 2.4 Transpor Sedimen... 17 2.5 Pola Aliran... 17 2.6 Awal Gerak Butiran... 19

2.7 Faktor yang Mempengaruhi Kedalaman Gerusan... 22 2.7.1 Kecepatan Aliran pada Alur Sungai... 22 2.7.2 Gradasi Sedimen... 25 2.7.3 Ukuran Pilar dan Ukuran Butir Material Dasar... 27 2.7.4 Kedalaman Dasar Sungai dari Muka Air... 31 2.7.5 Bentuk Pilar... 32 2.7.6 Posisi Pilar (Sudut Kemiringan Pilar)... 34 2.8 Persamaan Gerusan untuk Aliran Beraturan... 35 BAB III METODE PENELITIAN... 38 3.1 Tempat Penelitian... 38 3.2 Bahan Penelitian... 38 3.3 Alat Penelitian... 39 3.4 Alur Pelaksanaan Penelitian... 44 3.4.1 Persiapan Peralatan... 44 3.4.2 Percobaan Pendahuluan... 45 3.4.3 Pelaksanaan Penelitian... 45 3.4.4 Analisis Hasil Percobaan... 49 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pemeriksaan Material Dasar... 50 4.2 Karakteristik Aliran... 51 4.3 Aplikasi Program Surfer... 53 4.4 Kedalaman Gerusan.....57 4.4.1 Perkembangan Kedalaman Gerusan terhadap Waktu... 57 4.4.2 Perkembangan Kedalaman Gerusan Maksimum

terhadap Waktu pada Pilar Silinder... 62 4.4.3 Pola Gerusan di Sekitar Pilar... 65 4.4.4 Pengaruh Debit Aliran terhadap Kedalaman Gerusan... 73 4.5 Perhitungan Empiris Kedalaman Gerusan Lokal... 75 4.5.1 Karakteristik Aliran... 73 4.5.2 Kedalaman Gerusan Lokal Menurut Persamaan Raudkivi... 87 4.5.3 Kedalaman Gerusan Lokal Menurut Persamaan Melville dan Satherland... 88 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 93 5.1 Kesimpulan... 93 5.2 Saran... 94 DAFTAR PUSTAKA...95

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Koefisien Bentuk Abutmen (Mellvile, 1997)... 27 Tabel 2.2 Koefisien Faktor Bentuk Pilar... 31 Tabel 4.1 Analisa Gradasi Butiran... 48 Tabel 4.2 Karakteristik Aliran... 50 Tabel 4.3 Kedalaman gerusan pada saat waktu puncak... 61 Tabel 4.4 Kedalaman Gerusan Maksimum di Sekitar Pilar Segiempat sebagai Fungsi Debit Aliran... 71 Tabel 4.5 Perbandingan hasil penelitian dengan penelitian sebelumnya... 87

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Skema Klasifikasi Aliran... 7 Gambar 2.2 Mekanisme gerusan akibat pola aliran air disekitar pilar... 11 Gambar 2.3 Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan waktu... 12 Gambar 2.4 Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan kecepatan geser (u*)... 13 Gambar 2.5 Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan kecepatan geser (u*) dan waktu (t)... 15 Gambar 2.6 Pola arus penyebab gerusan lokal pada pilar silinder... 18 Gambar 2.7 Diagram Shield, hubungan tegangan geser kritis dengan Bilangan Reynold... 20 Gambar 2.8 Kedalaman gerusan sebagai fungsi waktu... 22 Gambar 2.9 Kedalaman gerusan lokal maksimum rata -rata untuk pilar silinder...23 Gambar 2.10 Kedalaman gerusan setimbang di sekitar pilar fungsi ukuran butir relatif untuk kondisi aliran air bersih... 24 Gambar 2.11 Koefisien simpangan baku (K ) fungsi standar deviasi geometri ukuran butir... 25 Gambar 2.12 Hubungan kedalaman gerusan seimbang (yse) dengan ukuran butir relatif (b/d50) untuk kondisi aliran air bersih dan bersedimen. 28 Gambar 2.13 Hubungan koefisien reduksi ukuran butir relatif K (b/d50) dengan ukuran butir relatif (b/d50) untuk kondisi aliran air bersih

dan bersedimen... 28 Gambar 2.14 Hubungan koefisien aliran (Kd ) dan kedalaman aliran relatif (y0/b) dengan ukuran relatif (b/d50)... 29 Gambar 2.15 Koefisien arah sudut aliran (K ) pada pilar... 33 Gambar 3.1 Alat Recirculating Sediment Flume... 39 Gambar 3.2 Tampak atas pilar pada flume (tanpa skala)... 39 Gambar 3.3 Hook and Point Gauge... 40 Gambar 3.4 Pintu Air... 40 Gambar 3.5 Stop Watch... 41 Gambar 3.6 Model 3 dimensi pilar silinder... 41 Gambar 3.7 Diagram alur penelitian... 45 Gambar 3.7 Diagram alur uji laboratorium... 46 Gambar 4.1 Gradasi sedimen... 49 Gambar 4.2 Data hasil penelitian dibuat dalam format excel ( *.xls)... 51 Gambar 4.3 Tampilan jendela kerja Surfer... 52 Gambar 4.4 Tampilan menu worksheet... 52 Gambar 4.5 Tampilan penyimpanan data worksheet dalam bentuk *.bln... 52 Gambar 4.6 Tampilan new data grid... 53 Gambar 4.7 Tampilan hasil konversi dalam bentuk *.grid... 53 Gambar 4.8 Tampilan new contour map... 53 Gambar 4.9 Tampilan contour dari data *.grd... 54 Gambar 4.10 Perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu pada pilar segiempat debit Q = 0,5 liter/det... 56

Gambar 4.11 Perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu pada pilar segiempat debit Q = 1,0 liter/det... 51 Gambar 4.12 Perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu pada pilar segiempat debit Q = 1,5 liter/det... 59 Gambar 4.13 Perkembangan kedalaman gerusan maksimum terhadap waktu pada pilar segiempat... 60 Gambar 4.14 Perkembangan kedalaman gerusan maksimum pilar silinder terhadap waktu pada saat t puncak... 61 Gambar 4.15 Kontur Pola Gerusan pada Pilar Segiempat dengan Debit 0,5 liter/det... 64 Gambar 4.16 Isometri Pola Gerusan pada Pilar Segiempat dengan Debit 0,5 liter/det... 65 Gambar 4.17 Kontur Pola Gerusan pada Pilar Segiempat dengan Debit 1,0 liter/det... 67 Gambar 4.18 Isometri Pola Gerusan pada Pilar Segiempat dengan Debit 1,0 liter/det... 67 Gambar 4.19 Kontur Pola Gerusan pada Pilar Segiempat dengan Debit 1,5 liter/det... 69 Gambar 4.20 Isometri Pola Gerusan pada Pilar Segiempat dengan Debit 1,5 liter/det... 70 Gambar 4.21 Kedalaman gerusan maksimum pada pilar segiempat sebagai Fungsi variasi debit... 72

DAFTAR NOTASI A luas penampang aliran m 2 B lebar saluran m b lebar pilar jembatan m C koefisien Chezy m 1/2 /dt Do kedalaman material m Ds kedalaman gerusan maksimum m d diameter butiran m d50 diameter butiran, 50 % material lebih kecil dari d50 m Fr bilangan Froude - f konstanta - g percepatan gravitasi m 2 /dt Gs Spesific Grafity - H kedalaman aliran m ho kedalaman aliran mula-mula m K1 koefisien bentuk pilar - K2 koefisien sudut embankmen terhadap aliran - Ki faktor koreksi - Kd faktor ketinggian aliran - Kdt faktor ukuran pilar - Ks faktor bentuk pilar - Kα faktor posisi pilar - Kσ fungsi dari standar deviasi geometrik ukuran distribusi butiran - ks koefisien kekasaran Nikuradse m

LA diameter pilar m Q debit aliran m 3 /dt R jari-jari hidraulik m Re bilangan Reynolds - S kemiringan memanjang - Sc kemiringan kritis - Sf kemiringan gradien energy - So kemiringan dasar saluran - T waktu total running dt t waktu dt t1 waktu seketika ym=b dt tp waktu pada saat t puncak dt U kecepatan aliran rata-rata m/dt Uc kecepatan kritik m/dt U* kecepatan geser m/dt U*c kecepatan geser kritik m/dt ym kedalaman maksimum gerusan pada saat t m ym,e kedalaman gerusan maksimum pada saat setimbang m Δ rapat massa relatif - ά perbandingan bukaan (B-L)/B - κ konstanta Von Karman - ν viskositas kinematik m 2 /dt γ berat jenis material dasar - ρ massa jenis air kg/m3

α sudut datang aliran - τo tegangan gesek dasar N/m 2 τc tegangan geser kritik N/m 2 θ parameter Shields - η* eksponen, fungsi ukuran sedimen dan geometri halangan -

DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Lampiran Data Gradasi Sedimen Lampiran 2 Lampiran Data Perkembangan Kedalaman Gerusan terhadap waktu pada Pilar Segiempat dengan Debit 0,5 liter/det Lampiran 3 Lampiran Data Perkembangan Kedalaman Gerusan terhadap waktu pada Pilar Segiempat dengan Debit 1,0 liter/det Lampiran 4 Lampiran Data Perkembangan Kedalaman Gerusan terhadap waktu pada Pilar Segiempat dengan Debit 1,5 liter/det Lampiran 5 Dokumentasi