MODUL V PINTU SORONG DAN AIR LONCAT 6.1. Pendahuluan 6.1.1. Latar Belakang Pintu sorong adalah sekat yang dapat diatur bukaannya. Pada bangunan air, aplikasi pintu sorong adalah pintu pembilas. Fungsinya yaitu mencegah sedimen layang masuk ke dalam pintu pengambilan (intake) dan membilas sedimen yang menghalangi aliran. Aliran setelah pintu sorong mengalami perubahan kondisi dari subkritis ke superkritis. Di lokasi yang lebih hilir terjadi peristiwa yang disebut air loncat/lompatan hidraulik (hydraulic jump). Air loncat memiliki sifat aliran yang menggerus. Adanya pintu sorong mengakibatkan kemungkinan terjadinya gerusan pada saluran di hilir pintu sorong. Oleh karena itu, diperlukan perhitungan untuk desain saluran pada hilir saluran agar tahan terhadap gerusan air akibat adanya pintu sorong.
|\r mm ^ :
Gambar 6. 1 Aliran pada Pintu Sorong Secara fisik profil aliran pada pintu sorong dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 6. 2 Profil Aliran pada Pintu Sorong dan Air Loncat
51
6.1.2. Tujuan Tujuan percobaan ini adalah
Mempelajari sifat aliran yang melalui pintu sorong
Menentukan koefisien kecepatan dan koefisien kontraksi
Menentukan gaya-gaya yang bekerja pada pintu sorong Fg dan Fb
Mengamati profil aliran air loncat
Menghitung besarnya kehilangan energi akibat air loncat
Menghitung kedalaman kritis dan energi minimum
6.2. Landasan Teori Pintu sorong yang akan digunakan dalam percobaan ini adalah pintu air gesek tegak dengan tipe aliran bawah. Pada rancangan pintu sorong jenis ini, hal yang menjadi perhatian utama adalah hubungan antara debit dengan distribusi tekanan pada pintu dan bentuk pinggiran pintu. Namun karena rancangan pinggiran pintu air sangat bervariasi, maka fokus dari modul ini lebih kepada hubungan debit dan distribusi tekanan (seperti disebutkan dalam tujuan praktikum). 6.2.1. Debit Aliran (Q) Debit Berdasarkan Venturimeter Dalam praktikum, pengukuran debit digunakan dengan venturimeter. Dengan menerapkan prinsip kekekalan energi, impuls-momentum, dan kontinuitas (kekekalan massa), serta dengan asumsi terjadi kehilangan energi, dapat diterapkan persamaan Bernoulli untuk menghitung besar debit berdasarkan tinggi muka air sebelum dan pada kontraksi.
Gambar 6. 3 Venturimeter Besarnya debit (Q) dapat diperoleh dengan rumus:
2 1 4 𝑑 4 [( 1 ) −1]𝜌𝑎 𝑑2
(𝜌𝑟−𝜌𝑎)( 𝜋𝑑1 2 ) 2𝑔∆ℎ
𝑄=√
(6.1)
52
dimana: d1
= 3,15 cm
d2
= 2,00 cm
g
= 9,81 m/s2
ρair
= 1,00 gr/cm3 pada suhu
ρHg
= 13,60 gr/cm3
0o C
53
Gambar 6. 4 Profil Aliran pada Pintu Sorong
Besarnya debit teoretis adalah 2𝑔𝑌0 𝑌 (1+ 1 )
𝑄𝑟 = 𝑏𝑌1 √
(6.2)
𝑌0
Dengan memasukkan harga koefisien kecepatan (CV) dan koefisien kontraksi (CC) ke dalam persamaan (5.2) maka dapat diperoleh Debit Aktual (QA) 𝑌
𝐶𝑐 = 𝑌1
𝑔
dan
𝐶𝑣 =
𝑄𝐴 = 𝑏𝐶𝑐 𝐶𝑣 𝑌𝑔 √
(
𝑄𝐴 𝑄𝑇
2𝑔𝑌0 𝐶𝑐 𝑌𝑔 𝑌0
(6.3)
+1)
dimana: g = percepatan gravitasi = 9,81 m/detik2 b = lebar saluran = 8 cm Yo, Y1, dan Yg (lihat gambar 5.4)
6.2.2. Gaya Yang Bekerja Pada Pintu Sorong Faktor penting yang perlu dipertimbangkan dalam desain pintu air adalah gaya yang bekerja, alat pengangkat (mesin atau manusia), sekat kedap air, dan bahan bangunan. Gaya yang berpengaruh adalah gaya akibat tekanan air horizontal bekerja pada plat pintu dan diteruskan ke sponning.
54
Tekanan yang bekerja pada permukaan pintu dapat dianalisis dengan pengukuran langsung pada model. Tekanan normal pada permukaan pintu dapat dinyatakan oleh komponen horisontal FH. Letak dan besarnya gaya-gaya pada pintu dapat ditentukan secara grafis, dengan menggunakan diagram distribusi. Cara yang lebih sederhana dalam menentukan besarnya tekanan adalah dengan menganggap bahwa tekanan horisontal pada permukaan pintu terdistribusi secara hidrostatis. Gaya dorong yang bekerja pada pintu sorong akibat tekanan hidrostatis dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
Gambar 6. 5 Distribusi Gaya yang Bekerja pada Pintu
Fh = 0.5 p g ( Yo - Yg )2
(6.4)
h = Yo - Yg
Sedangkan gaya dorong lainnya yang bekerja pada pintu sorong dapat dihitung dengan rumus: 𝑌2
𝜌𝑄 2
𝑌
𝐹𝑔 = [0,5𝜌𝑔𝑌1 2 (𝑌0 2 − 1)] + [ 𝑏𝑌 (1 − 𝑌1 )] 1
1
(6.5)
0
dimana: g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2 b = lebar saluran = 8 cm Yo, Yi, dan Yg (lihat gambar 2.5)
6.2.3. Air Loncat Aliran pada pintu sorong adalah aliran tak tunak yang berubah tiba-tiba sehingga muncul perubahan tinggi muka air dari subkritis menjadi superkritis. Aliran yang keluar dari pintu biasanya mempunyai semburan kecepatan tinggi yang dapat mengikis dasar saluran ke arah hilir. Peristiwa ini disebut air loncat dan sering terjadi pada saluran di hilir kolam pembilas atau di kaki pelimpah.
55
Bilangan Froude Bilangan Froude adalah bilangan tak berdimensi yang merupakan indeks rasio antara inersia terhadap gaya akibat gravitasi. Energi spesifik dalam suatu penampang saluran dinyatakan sebagai energi air per satuan berat pasa setiap penampang saluran, diperhitungkan terhadap dasar saluran. Untuk saluran dengan kemiringan kecil dan dan tidak ada kemiringan dalam aliran airnya (a=1), maka energi spesifik dapat dihitung dengan persamaan: 𝑉2
𝐸 = 𝑦 + 2𝑔
(6.8)
dimana: E = energi spesifik pada titik tinjauan (m) y = kedalaman air di titik yang ditinjau (m) V = kecepatan air di titik yang ditinjau (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s2) Untuk energi spesifik tertentu terdapat dua kemungkinan kedalaman, misalnya Y a dan Yb. Kedalaman hilir disebut alternate depth dari kedalaman hulu dan begitu juga sebaliknya. Pada keadaan kritis kedua kedalaman tersebut seolah menyatu dan dikenal sebagai kedalaman kritis (Yc). Rumus untuk menghitung kedalaman kritis (Yc) dan energi minimum (Eminimum) adalah sebagai berikut: 𝑄2
𝑦𝑐 = (2𝑔𝑏2 )
1⁄ 3
(6.9) 2
𝐸𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚 = 3 𝑦𝑐
(6.10)
6.3. Alat-Alat Percobaan Alat-alat yang digunakan dalam percobaan ini adalah sebagai berikut: a.
Pintu sorong
b.
Pompa
c.
Alat pengukur kedalaman
d.
Meteran
e.
Manometer
f.
Sekat pengatur hilir
g.
Penampung air
56
Gambar 6. 6 Saluran Terbuka untuk Percobaan Pintu Sorong
6.4. Prosedur Kerja Percobaan pada modul ini dibagi dalam 2 tahapan, yaitu percobaan dengan debit tetap dan percobaan dengan bukaan pintu yang tetap. Prosedurnya adalah sebagai berikut: 6.4.1. Percobaan dengan Debit Tetap 1. Pintu sorong dan flume dikalibrasikan dahulu pada titik nol terhadap dasar saluran 2. Jika menggunakan alat pengukur kedalaman selain penggaris (mistar), alat tersebut perlu dikalibrasikan terlebih dahulu. Jika menggunakan penggaris, gunakan penggaris yang sama untuk setiap percobaan. 3. Periksa keadaan awal pipa manometer pada venturimeter. Jika terdapat selisih ketinggian pada kedua pipa, catat selisihnya, dan gunakan sebagai kalibrasi dalam perhitungan debit menggunakan venturimeter. 4. Alirkan air dengan debit tertentu yang memungkinkan terjadinya jenis aliran yang diinginkan. 5. Atur kedudukan pintu sorong. Tentukan kira-kira pada interval berapa profil air loncat masih cukup baik. 6. Setelah aliran stabil, ukur dan catat Yo, Yg, Yi , Ya, Xa, Yb dan Xb dimana:
Yo = tinggi muka air di hulu pintu sorong
Yg = tinggi bukaan pintu sorong terhadap dasar saluran
Y1 = tinggi muka air terendah di hilir pintu sorong
Y2 = tinggi muka air tertinggi di hilir pintu sorong
Ya = tinggi muka air tepat sebelum air loncat
Yb = tinggi muka air tepat setelah air loncat
Xa = kedudukan horizontal titik Ya dari titik nol saluran
Xb = kedudukan horizontal titik Yb dari titik nol saluran
Parameter di atas dicatat pada formulir pengamatan Percobaan A: Debit Tetap, Yg Berubah 7. Percobaan dilakukan 5 kali dengan mengubah tinggi bukaan pintu sorong. 6.4.2. Percobaan dengan Debit Berubah 1.
Tentukan dan catat kedudukan pintu sorong terhadap dasar saluran (Yg tetap).
2.
Periksa keadaan awal pipa manometer pada venturimeter. Jika terdapat selisih ketinggian pada
57
kedua pipa, catat selisihnya, dan gunakan sebagai kalibrasi dalam setiap perhitungan debit menggunakan venturimeter. 3.
Alirkan air dengan debit minimum yang memungkinkan terjadinya aliran yang diinginkan.
4.
Setelah aliran stabil, ukur dan catat Yo, Yg, Yb , Ya, Xa, Yb dan Xb pada formulir pengamatan Percobaan B : Debit Berubah, Yg Tetap
5.
Percobaan dilakukan 5 kali dengan mengubah debit aliran
Seluruh prosedur kerja secara umum terangkum dalam diagram alir berikut ini:
A. Percobaan dengan Debit Tetap
Gambar 6.7 Diagram alir prosedur kerja praktikum pintu sorong dan air loncat (debit tetap)
58
B. Percobaan dengan Debit Berubah
Gambar 6.8 Diagram alir prosedur kerja praktikum pintu sorong dan air loncat (debit berubah)
59
6.5. Pengambilan Data Untuk mengambil data, gunakan formulir pengamatan yang terdapat pada bagian akhir modul dan gunakan panduan tabel di bawah ini: Tabel 6. 1 Spesifikasi Data yang Diambil Selama Percobaan No
Lembar Data
Data yang Diambil
Simbol
Tinggi kedua pipa manometer h1 untuk menghitung debit
h2
Sat.
Jumlah Data Total
Keterangan
cm
1
Debit yang
cm
1
digunakan hanya 1 nilai saja
Tinggi muka air di hulu pintu sorong Tinggi bukaan pintu sorong
1
Debit Tetap, Yg Berubah
cm
1 X jumlah perubahan
Untuk lebih jelas
hilir pintu sorong Tinggi muka air tertinggi di hilir Y2
Yg = 5 1 X jumlah perubahan
dalam
cm cm
Yg = 5 1 X jumlah perubahan
cm
Yg = 5 1 X jumlah perubahan
pintu sorong Tinggi muka air tepat sebelum Ya
Yg = 5 1 X jumlah perubahan
pengambilan data, praktikan hendaknya mempelajari Gambar 2.3
Yg = 5 1 X jumlah perubahan
cm
Tinggi kedua pipa manometer h1
cm
5
Mengambil 5 nilai
untuk menghitung debit
h2
cm
5
debit baru.
Tinggi muka air di hulu pintu
Yo
cm
1 X jumlah perubahan
sorong Tinggi bukaan pintu sorong terhadap dasar saluran
Yg Tetap
cm
Yg = 5
Xb
dari titik nol saluran
Debit Berubah,
Yg = 5 1 X jumlah perubahan
Y1
Tinggi muka air terendah di
Kedudukan horizontal titik Yb
2
1 X jumlah perubahan
cm
air loncat Tinggi muka air tepat setelah Yb air loncat Kedudukan horizontal titik Ya Xa dari titik nol saluran
Percobaan B:
cm
Yg
terhadap dasar saluran Percobaan A:
Yo
Yg = 5
debit = 5 Yg
cm
1 (kondisi Yg tetap) Untuk lebih jelas
Y1
cm
1 X jumlah perubahan
dalam
hilir pintu sorong Tinggi muka air tertinggi di hilir Y2
debit = 5 1 X jumlah perubahan
pengambilan
cm
pintu sorong Tinggi muka air tepat sebelum Ya
debit = 5 1 X jumlah perubahan
hendaknya
cm cm
debit = 5 1 X jumlah perubahan
Gambar 2.3
Tinggi muka air terendah di
air loncat Tinggi muka air tepat setelah Yb air loncat Kedudukan horizontal titik Ya Xa dari titik nol saluran
cm
data, praktikan
mempelajari
debit = 5 1 X jumlah perubahan debit = 5
60
Kedudukan horizontal titik Yb dari titik nol saluran
Xb
cm
1 X jumlah perubahan debit = 5
6.6. Pengolahan Data
Pengolahan data dilakukan dengan membuat tabel perhitungan pada program Microsoft Excel agar proses perhitungan yang dilakukan menjadi lebih mudah. Pengolahan data dilakukan melalui langkah-langkah berikut. Pintu Sorong Tabel 6. 2 Langkah-langkah Pengolahan Data Pintu Sorong No.
Langkah
1
Hitung Qt dan QA untuk
Formulir Pengamatan Acuan
Keterangan
masing- masing
Gunakan persamaan 2.2
pengukuran tinggi pipa
dan 2.3
venturimeter.
Qt dan Qa digunakan
Nama Gambar/Grafik
untuk menghitung koefisien kecepatan(CV) 2
Hitunglah koefisien
Gunakan data pada tabel
kontraksi (CC) dan
Percobaan A (pintu sorong).
Grafik ini menjadi Grafik 2.1 Cv vs Yg/Yo
koefisien kecepatan
debit tetap dan
(CV). Grafik 2.2 Cc vs Yg/Yo debit berubah. 3
Ulangi perhitungan
Gunakan data pada tabel
seperti pada no. 1.
Percobaan B (pintu sorong).
Grafik ini menjadi Grafik 2.3 Cv vs Yg/Yo debit berubah dan Grafik 2.4 Cv vs Yg/Yo debit berubah.
4
Hitung Fg dan Fh
Gunakan data pada tabel
Gunakan persamaan 2.4 Grafik ini menjadi
Percobaan A dan Percobaan dan 2.5, B (pintu sorong).
Grafik 2.5 Fg/Fh vs Yg/Yo untuk debit tetap dan Grafik 2.6 Fg/Fh vs Yg/Yo untuk debit berubah.
61
Tabel 6. 3 Langkah-langkah Pengolahan Data Air Loncat No.
Langkah
Formulir Pengamatan Acuan
Keterangan
1
Hitung debit yang
Gunakan persamaan 2.1
mengalir
dan persamaan 2.6.
Nama Gambar/Grafik
(Q) Hitung bilangan Froude pada bagian hulu air 2
loncat (Fra) Hitung Yb/Ya pengukuran Gunakan data pada tabel Hitung Yb/Ya teoretis
Bilangan Froude pada
Percobaan A dan Percobaan bagian hulu air loncat B (air loncat)
Grafik ini menjadi Grafik 2.7 Yb/Ya
(Fra) didapat dari perhitungan pada no.1.
pengukuran vs Yb/Ya teoretis untuk
Gunakan persamaan 2.7
debit tetap dan
untuk Grafik 2.8 Yb/Ya menghitungan Yb/Ya teoretis
pengukuran vs Yb/Ya teoretis untuk debit berubah.
3
Hitungan L
Gunakan data pada tabel Percobaan A dan Percobaan Bilangan Froude pada B (air loncat)
Grafik ini menjadi
bagian hulu air loncat
Grafik 2.9 L/Yb vs
(Fra) didapat dari
Fra untuk debit tetap
perhitungan pada no.1.
dan
L adalah panjang loncatan Grafik 2.10 L/Yb vs
4
Hitung kedalaman kritis
Gunakan nilai Y yang
(Yc) dan energi minimum tersedia pada tabel
yang diperoleh dari
Fra untuk debit
perhitungan (Xb-Xa)
berubah.
Gunakan persamaan 2.9 Grafik ini menjadi untuk menghitug Energi
(E^mum) untuk masing-
Percobaan A dan Percobaan spesifik (E)
masing nilai debit.
B (air loncat).
Grafik 2.11 Y vs E untuk debit tetap dan Grafik 2.12 Y vs E untuk debit berubah
62
6.7. Analisis Data Dari hasil perhitungan sebelumnya, lihatlah kembali grafik-grafik yang telah dibuat dan lakukanlah analisis berdasarkan masing-masing grafik, sebagai berikut: Pintu Sorong Tabel 6. 4 Grafik dan Analisis Pintu Sorong No.
Grafik
1
Grafik 2.1 Cc vs Yg/Yo debit tetap Tujuan pembuatan grafik tersebut. dan Grafik 2.2 Cc vs Yg/Yo debit
Hal-hal yang Perlu Dianalisis
Hubungan antara perbandingan Yg/Yo dan nilai Cc.
berubah. Perbandingan grafik dengan debit tetap dan berbeda. Penggunaan trendline tertentu dalam penggambaran kurva. 2
Grafik 2.3 Cv vs Yg/Yo debit berubah dan Grafik 2.4 Cv vs
Tujuan pembuatan grafik aplikasi. tersebut. Cari kegunaan Cc dalam Hubungan antara perbandingan Yg/Yo dan nilai Cv.
Yg/Yo debit berubah. Perbandingan grafik dengan debit tetap dan berbeda. Penggunaan trendline tertentu dalam penggambaran kurva. 3
Grafik 2.5 Fg/Fh vs Yg/Yo untuk debit tetap dan Grafik 2.6 Fg/Fh vs Yg/Yo untuk debit berubah.
Tujuan pembuatan grafik aplikasi. tersebut. Cari kegunaan Cv dalam Pengaruh bukaan pintu sorong dan faktor ketahanan pintu (perbandingan gaya). Hubungan antara ketahanan pintu sorong (Fg)dan gaya hidrostatis yang bekerja (Fh).
Air Loncat Tabel 6. 5 Grafik dan Analisis Air Loncat No.
Grafik
Hal-hal yang Perlu Dianalisis
1
Grafik 2.7 Yb/Ya pengukuran vs
Tujuan pembuatan grafik tersebut.
Yb/Ya teoretis untuk debit tetap dan Grafik 2.8 Yb/Ya pengukuran vs
Hubungan Yb/Ya pengukuran vs Yb/Ya teoretis untuk 2 kondisi debit tetap dan berubah. Penggunaan intercept dalam penggambaran grafik
Yb/Ya teoretis untuk debit 2
Bentuk ideal hubungan Yb/Ya pengukuran dan Yb/Ya teoretis. berubah. Grafik 2.9 L/Yb vs Fra untuk debit Tujuan pembuatan grafik tersebut.
3
tetap dan Grafik 2.10 L/Yb vs Fra Cari alasan mengapa harus dibuat grafik L/Yb vs Fra untuk debit berubah. Bandingkan kedua kondisi debit, berubah dan tetap. Grafik 2.11Y vs E untuk debit Tujuan pembuatan grafik tersebut. Cari kegunaan grafik ini dalam aplikasi di lapangan. tetap dan Grafik 2.12 Y vs E untuk Hubungan antara Y dan E. debit berubah. Bandingkan kedua kondisi debit, debit tetap dan debit berubah. Buktikan persamaan 2.10 dan 2.11 Hubungan persamaan tersebut dengan grafik Y vs E.
63
6.8. Kesimpulan Buatlah kesimpulan yang mengacu pada tujuan praktikum, garis besar hasil analisis dari data yang sudah didapatkan, dan perbandingannya dengan keadaan ideal (sesuai atau belum). Berikan juga penilaian singkat jika hasil percobaan kurang sesuai dengan kondisi ideal. Dari kesimpulan yang telah didapat, buatlah saran-saran yang dapat berguna untuk percobaan selanjutnya, adanya temuan lain yang didapat selama percobaan berlangsung dan mungkin dapat diteliti lebih lanjut, serta perbaikan praktikum secara keseluruhan di masa mendatang.
6.9. Daftar Pustaka Chow, Ven Te, Ph.D. 1959. Open-Channel Hydraulics. Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, Ltd.
64
FORMULIR PENGAMATAN Modul V: PINTU SORONG DAN AIR LONCAT Praktikan: Mahasiswa Program Studi Teknik Sipil No. Kelompok: No
Lembar 1/1 Nama
NIM
Paraf
TANGGAL PRAKTIKUM
1 Assiten :
2 3 4 5
( ............................... )
TANGGAL TERAKHIR PEMASUKAN LAPORAN: Data alat • Lebar Saluran = ( ................... ..........cm)
Data Pengamatan Percobaan A: Debit Tetap, Yg Berubah Bacaan Manometer Hi = ( ........................... cm), H2 = (cm), .............................................................................. cm)
Ah
=
(
Percobaan B: Debit Berubah, Yg Tetap Yg = ( ......................... cm)
Percobaan A: Debit Tetap, Yg Berubah Praktikum Pintu Sorong (cm) No. Yg Y0 Y1 1 2 3 4 5
Xa
Praktikum Air Loncat (cm) Ya Xb Yb
Percobaan B: Debit Berubah, Yg Tetap Bacaan Manometer
Praktikum Air Loncat (cm) Praktikum Pintu Sorong (cm)
No. H1 (cm)
H2 (cm)
Ah (cm)
Y2
Y0
Y1
Xa
Ya
Xb
Yb
1 2 3 4 5
65
