MEKANISME GERUSAN LOKAL PADA PILAR SILINDER TUNGGAL DENGAN VARIASI DEBIT TUGAS AKHIR EKSPERIMENTAL
Disusun Oleh :
SYARVINA 07 0404 031
BIDANG STUDI TEKNIK SUMBER DAYA AIR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSIITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK 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 Universitas Sumatera Utara 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 silinder dengan debit aliran sebesar 1,0 liter/det, 1,5 liter/det, dan 2,0 liter/det. Material yang digunakan berupa pasir yang lolos saringan No.10 dan tertahan saringan No.200 dengan nilai d50 = 0.68 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 semua pilar silinder terjadi pada debit 2,0 liter/det, sedangkan kedalaman gerusan minimum terjadi pada debit 1,0 liter/det. Kedalaman gerusan yang terjadi semakin bertambah seiring dengan peningkatan nilai debit. Nilai kedalaman gerusan maksimum pada variasi debit aliran 1,0 liter/s, 1,5 liter/det, dan 2,0 liter/det secara berturut-turut adalah 25 mm, 51 mm, 96 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 Kunci : Gerusan lokal, pilar silinder dan arah aliran.
i Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR Alhamdulillah, segala puji syukur bagi Allah SWT yang telah memberi karunia kesehatan dan kesempatan kepada penulis untuk
menyelesaikan
Tugas Akhir ini. Shalawat dan salam ke atas Baginda Rasullah Muhammad SAW yang telah memberi keteladanan dalam menjalankan setiap aktifitas sehari-hari, sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan dengan baik. Tugas akhir ini merupakan syarat untuk mencapai gelar sarjana Teknik Sipil bidang Sumber Daya Air Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, dengan judul “MEKANISME GERUSAN LOKAL PADA PILAR SILINDER TUNGGGAL DENGAN VARIASI DEBIT”. Penulis menyadari bahwa dalam menyelesaikan tugas akhir ini tidak terlepas dari dukungan, bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, saya ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada beberapa pihak yang berperan penting yaitu : 1. Bapak Ir. Terunajaya M.Sc selaku pembimbing, yang telah banyak memberikan dukungan, masukan, bimbingan serta meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam membantu saya menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 3. Bapak Ir. Syahrizal, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
ii Universitas Sumatera Utara
4. Bapak Dr.Ir. Ahmad Perwira Mulia, M.Sc, Bapak Ivan Indrawan,ST.MT, selaku Dosen Pembanding, atas saran dan masukan yang diberikan kepada penulis terhadap Tugas Akhir ini. 6. Teristimewa kedua orang tua saya, Ayahanda Ir.Syahrul Abda, M.Sc dan Ibunda Dra.Murniati Syihab, M.Hum serta adik saya Muhammad Azmi yang telah memberikan doa, motivasi, semangat dan nasehat. Terima kasih atas segala pengorbanan, cinta, kasih sayang dan doa yang tiada batas. 7. Bapak/Ibu seluruh staff pengajar Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 8. Seluruh pegawai administrasi Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan bantuan selama ini kepada penulis. (Kak Lince, Kak Dina, Kak Dewi, Bang Zul, Bang Edi, Bang Amin, dan Mas Bandi). 9. Buat sahabat-sahabat angkatan 2007, Dean, Tesa, Putri, Vivi, Dina, Dita, Aulia, Sadikin, Saki, Tomo, Ari Manalu, Dipa, Ari Afrian, Alfry, Alep, Faiz, Dicky, Ajo, Dimas, Fadly, Didi, Ghufran, Irsyad, Iskandar, serta teman-teman mahasiswa/i angkatan 2007 dan mahasiswa sipil lainnya yang tidak dapat disebutkan seluruhnya terima kasih atas semangat dan bantuannya selama ini. 10. Teman-teman seperjuangan di HMI Komisariat FT USU, Toni, Ichwan, Armi, Andika, Ari, Hendra, Daus, Faiz. Abang dan kakak senioran, Kak Wiwid, Kak Rida, Bang Rangga, Kak Dzi, Bang Habibi, Bang Fandi, Kak rora, Kak Ratih, Kak rina, Bang Haikal, Bang Budi. Adik-adikku, Trisnal, Yosi, Marlin, Galih, Robi, Andre, Rafuad, Rohim, Umri, Martin, Icha, Lena, Umay, Tiara, Iwan, iii Universitas Sumatera Utara
Andi, Tami, Wulan, Siti, Dede, Nuri, serta adik-adik stambuk 2008 hingga 2011 yang lain yang namanya tidak dapat disebutkan satu-persatu, semoga perjuangan kita tetap berlanjut dan masa depan yang cerah menjadi tujuan akhir hidup kita. 11. adik-adik angkatan 2008-2011: Yusuf, Imam, Aris, Safi’i, Riza, Muazi, Ibnu, Hafiz Maulana, Rizki, Rahmad, Fauzi, Iqbalsyah, Ijep, Subar, Barli dan lain-lain yang tidak dapat disebutkan seluruhnya terima kasih atas semangat dan bantuannya selama ini. 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. Mengingat
adanya
keterbatasan-keterbatasan
yang
penulis
miliki,
maka penulis menyadari bahwa laporan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca diharapkan untuk penyempurnaan laporan Tugas Akhir ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan semoga laporan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi para pembaca.
Medan, Maret 2013 Penulis
SYARVINA 07 0404 031
iv Universitas Sumatera Utara
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 ......................................................................... 4
1.4
Tujuan Penelitian .............................................................................. 5
1.5
Manfaat Penelitian ............................................................................ 5
1.6
Sistematika Penulisan ....................................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 7 2.1
Sungai ............................................................................................... 7
2.2
Pengertian Gerusan ........................................................................... 8
2.3
Mekanisme Gerusan .......................................................................... 11
2.4
Transpor Sedimen ............................................................................. 18
2.5
Pola Aliran ........................................................................................ 18
2.6
Awal Gerak Butiran .......................................................................... 20
2.7
Faktor yang Mempengaruhi Kedalaman Gerusan ............................. 23 2.7.1 Kecepatan Aliran pada Alur Sungai ........................................ 23 2.7.2 Gradasi Sedimen ...................................................................... 26 2.7.3 Ukuran Pilar dan Ukuran Butir Material Dasar ....................... 28 2.7.4 Kedalaman Dasar Sungai dari Muka Air ................................. 31 2.7.5 Bentuk Pilar ............................................................................. 32
v
Universitas Sumatera Utara
2.7.6 Posisi Pilar (Sudut Kemiringan Pilar) ...................................... 35 2.8 Persamaan Gerusan untuk Aliran Beraturan ..................................... 36
BAB III METODE PENELITIAN .................................................................... 40 3.1
Tempat Penelitian ............................................................................. 40
3.2
Bahan Penelitian ............................................................................... 40
3.3
Alat Penelitian ................................................................................... 41
3.4
Alur Pelaksanaan Penelitian .............................................................. 47 3.4.1 Persiapan Peralatan .................................................................. 47 3.4.2 Percobaan Pendahuluan ........................................................... 48 3.4.3 Pelaksanaan Penelitian ............................................................. 48 3.4.4 Analisis Hasil Percobaan ......................................................... 51
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1
Pemeriksaan Material Dasar ............................................................. 52
4.2
Karakteristik Aliran .......................................................................... 53
4.3
Kedalaman Gerusan .......................................................................... 54 4.3.1 Perkembangan Kedalaman Gerusan terhadap Waktu............... 55 4.3.2 Perkembangan Kedalaman Gerusan Maksimum terhadap Waktu pada Pilar Silinder ........................................ 60 4.3.3 Pola Gerusan di Sekitar Pilar................................................... 63 4.3.4 Pengaruh Debit Aliran terhadap Kedalaman Gerusan............. 72
4.4
Perhitungan Empiris Kedalaman Gerusan Lokal .............................. 73 4.4.1 Karakteristik Aliran ................................................................. 73 4.4.2 Kedalaman Gerusan Lokal Menurut Persamaan Raudkivi....... 82 4.4.3 Kedalaman Gerusan Lokal Menurut Persamaan Melville dan Satherland .......................................................................... 83
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 86 5.1
Kesimpulan ....................................................................................... 86
5.2
Saran ................................................................................................. 87
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 88
vi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1 Koefisien Bentuk Abutmen (Mellvile, 1997) .......................................... 30 Tabel 2 Koefisien Faktor Bentuk Pilar.................................................................. 34 Tabel 3 Analisa Gradasi Butiran .......................................................................... 52 Tabel 4 Karakteristik Aliran ................................................................................. 54 Tabel 5 Kedalaman gerusan pada saat waktu puncak ........................................... 62 Tabel 6 Kedalaman Gerusan Maksimum di Sekitar Pilar Silinder sebagai Fungsi Debit Aliran................................................................................... 72 Tabel 7 Perbandingan hasil penelitian dengan penelitian sebelumnya ................ 84
vii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1 Mekanisme gerusan akibat pola aliran air disekitar pilar .............. 12 Gambar 2.2 Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan waktu ........................... 14 Gambar 2.3 Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan kecepatan geser (u*) ... 14 Gambar 2.4 Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan kecepatan geser (u*) dan waktu (t) .................................................................................... 16 Gambar 2.5 Pola arus penyebab gerusan lokal pada pilar silinder....................... 20 Gambar 2.6 Diagram Shield, hubungan tegangan geser kritis dengan Bilangan Reynold ............................................................................ 22 Gambar 2.7 Kedalaman gerusan sebagai fungsi waktu ....................................... 24 Gambar 2.8 Kedalaman gerusan lokal maksimum rata -rata untuk pilar silinder 26 Gambar 2.9 Kedalaman gerusan setimbang di sekitar pilar fungsi ukuran butir relatif untuk kondisi aliran air bersih ....................................... 27 Gambar 2.10 Koefisien simpangan baku (K ) fungsi standar deviasi geometri ukuran butir ..................................................................................... 27 Gambar 2.11 Hubungan kedalaman gerusan seimbang (yse) dengan ukuran butir relatif (b/d50) untuk kondisi aliran air bersih dan bersedimen 31 Gambar 2.12 Hubungan koefisien reduksi ukuran butir relatif K (b/d50) dengan ukuran butir relatif (b/d50) untuk kondisi aliran air bersih dan bersedimen ................................................................................. 31
viii
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Hubungan koefisien aliran (Kd ) dan kedalaman aliran relatif (y0/b) dengan ukuran relatif (b/d50) ................................................. 32 Gambar 2.14 Koefisien arah sudut aliran (K ) pada pilar ................................. 36 Gambar 3.1
Alat Recirculating Sediment Flume............................................... 42
Gambar 3.2 Tampak atas pilar pada flume (tanpa skala) ................................... 43 Gambar 3.3 Hook and Point Gauge ................................................................... 44 Gambar 3.4 Stop Watch ...................................................................................... 45 Gambar 3.5 Model 3 dimensi pilar silinder ........................................................ 46 Gambar 3.6 Diagram alur penelitian .................................................................. 50 Gambar 3.7 Diagram alur uji laboratorium ....................................................... 51 Gambar 4.1 Gradasi sedimen .............................................................................. 53 Gambar 4.2 Perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu pada pilar silinder debit Q = 1,0 liter/det ......................................................... 56 Gambar 4.3 Perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu pada pilar silinder debit Q = 1,5 liter/det ......................................................... 58 Gambar 4.4 Perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu pada pilar silinder debit Q = 2,0 liter/det ......................................................... 59 Gambar 4.5 Perkembangan kedalaman gerusan maksimum terhadap waktu pada pilar silinder ............................................................................. 61 Gambar 4.6 Perkembangan kedalaman gerusan maksimum pilar silinder
ix
Universitas Sumatera Utara
terhadap waktu pada saat t puncak ................................................... 61 Gambar 4.7 Kontur Pola Gerusan pada Pilar Silinder dengan Debit 1,0 liter/det........................................................................... 64 Gambar 4.8
Isometri Pola Gerusan pada Pilar Silinder dengan Debit 1,0 liter/det .................................................................................... 65
Gambar 4.9
Kontur Pola Gerusan pada Pilar Silinder dengan Debit 1,5 liter/det .......................................................................... 67
Gambar 4.10 Isometri Pola Gerusan pada Pilar Silinder dengan Debit 1,5 liter/det .................................................................................... 67 Gambar 4.11 Kontur Pola Gerusan pada Pilar Silinder dengan Debit 2,0 liter/det ........................................................................... 70 Gambar 4.12 Isometri Pola Gerusan pada Pilar Silinder dengan Debit 2,0 liter/det .................................................................................... 70 Gambar 4.13 Kedalaman gerusan maksimum pada pilar silinder sebagai fungsi variasi debit................................................................................... 72
x
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
2
A
luas penampang aliran
m
B
lebar saluran
m
b
lebar pilar jembatan
m
C
koefisien Chezy
m /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/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
-
1/2
2
xi
Universitas Sumatera Utara
Kσ
fungsi dari standar deviasi geometrik ukuran distribusi butiran
-m
ks
koefisien kekasaran Nikuradse
m
LA
diameter pilar
Q
debit aliran
m3/dt
R
jari-jari hidraulik
m
Re
bilangan Reynolds
-
S
kemiringan memanjang
-
Sc
kemiringan kritis
-
Sf
kemiringan gradien energi
-
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
-
xii
Universitas Sumatera Utara
ν
viskositas kinematik
m2/dt
γ
berat jenis material dasar
-
ρ
massa jenis air
kg/m3
α
sudut datang aliran
-
τo
tegangan gesek dasar
N/m2
τc
tegangan geser kritik
N/m2
θ
parameter Shields
-
η*
eksponen, fungsi ukuran sedimen dan geometri halangan
-
xiii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1
Lampiran Data Perkembangan Kedalaman Gerusan terhadap Waktu pada Pilar Silinder dengan Debit 1,0 liter/det
Lampiran 2
Lampiran Data Perkembangan Kedalaman Gerusan terhadap Waktu pada Pilar Silinder dengan Debit 1,5 liter/det
Lampiran 3
Lampiran Data Perkembangan Kedalaman Gerusan terhadap Waktu pada Pilar Silinder dengan Debit 2,0 liter/det
Lampiran 4
Dokumentasi
xiv Universitas Sumatera Utara
