PENGARUH PENEMPATAN BAFFLE BLOCKS TIPE CEKUNG SETENGAH LINGKARAN DAN PARABOLIK PADA BENDUNG DENGAN KOLAM OLAK TIPE SOLID ROLLER BUCKET TERHADAP PANJANG LONCAT AIR DAN KEHILANGAN ENERGI
Tugas Akhir
untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1 Teknik Sipil
diajukan oleh
diajukan oleh :
DWI SETYO NURRIZAL NIM : D100110053 NIRM : 11.6.106.03010.50053
kepada
PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2015
LEMBAR PENGESAHAN PENGARUH PENEMPATAN BAFFLE BLOCKS TIPE CEKUNG SETENGAH LINGKARAN DAN PARABOLIK PADA BENDUNG DENGAN KOLAM OLAK TIPE SOLID ROLLER BUCKET TERHADAP PANJANG LONCAT AIR DAN KEHILANGAN ENERGI Tugas Akhir diajukan dan dipertahankan pada Ujian Pendadaran Tugas Akhir dihadapan Dewan Penguji pada tanggal ……………………. diajukan oleh : DWI SETYO NURRIZAL NIM : D100110053 NIRM : 11.6.106.03010.50053 Susunan Dewan Penguji Pembimbing Utama
Pembimbing Pendamping
Jaji Abdurrosyid, S.T., M.T. NIK. 691
Gurawan Djati W., S.T., M.Eng. NIK. 782 Anggota,
Ir. Hermono S.B., M.Eng. NIP : 110 032 522 Tugas Akhir ini diterima sebagai salah satu persyaratan untuk mencapai derajat Sarjana S-1 Teknik Sipil Surakarta, ………………………….. Dekan Fakultas Teknik,
Ketua Progdi Teknik Sipil
Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D. NIK. 682
Mochamad Solikin,S.T., M.T., Ph.D. NIK. 792
ii
LEMBAR PERNYATAAN ﻪﺕﺎﮔﺭﺒﻮﷲﺍﺔﻣﺤﺮﻮﻢﮑﻴﻟﻋﻢﻼﺳﻠﺍ Yang bertandatangan dibawah ini : Nama : Dwi Setyo Nurrizal NIM : D100110053 Fakultas/Progdi : Teknik / Teknik Sipil Judul Tugas Akhir : Pengaruh Penempatan Baffle Blocks Tipe Cekung Setengah Lingkaran dan Parabolik Pada Bendung dengan Kolam Olak Tipe Solid Roller Bucket Terhadap Panjang Loncat Air dan Kehilangan Energi Dengan ini menyatakan sebenar-benarnya bahwa : 1. Tugas Akhir dengan judul tersebut di atas adalah hasil penelitian kolaborasi antara dosen pembimbing (Gurawan Djati Wibowo, S.T., M.Eng.) sebagai peneliti utama dengan penulis (Dwi Setyo Nurrizal) sebagai peneliti pendamping, dan dalam naskah ini tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik di suatu Perguruan Tinggi, dan tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain baik sebagian atau keseluruhan, kecuali secara tertulis dikutip dalam naskah ini dan diterbitkan dalam sumber kutipan atau daftar pustaka. 2. Apabila ternyata dalam naskah skripsi ini dapat dibuktikan terdapat unsurunsur plagiat, saya bersedia skripsi ini digugurkan dan gelar akademik yang saya peroleh dibatalkan, serta diproses dengan ketentuan hukum yang berlaku. 3. Skripsi ini dapat dijadikan sumber pustaka yang merupakan hak bebas royalti non ekslusif. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya untuk dipergunakan sebagaimana mestinya. ﻪﺕﺎﮐﺮﺑﻮﷲﺍﺔﻤﺣﺮﻮﻡﻜﻳﺎﻋﻢﻼﺳﻠﺍﻮ yang menyatakan, Pembimbing Utama Mahasiswa
Jaji Abdurrosyid, S.T., M.T. NIK. 691
Dwi Setyo Nurrizal NIM. D100110053
iii
MOTTO Katakanlah: “Dialah Allah, yang Maha Esa”. (Surat Al-Ikhlas : 1).
Dan jika kamu menghitung-hitung nikmat Allah, niscaya kamu tak dapat menentukan jumlahnya. Sesungguhnya Allah benar-benar Maha Pengampun lagi Maha Penyayang. (An-Nahl : 18). “Senyumanmu ketika bertemu saudaramu adalah sedekah.” (H.R. Tirmidzi).
Wahai orang-orang yang beriman, Rukuklah kamu, sujudlah kamu dan sembahlah Tuhanmu, dan berbuatlah kebaikan, supaya kamu mendapat kemenangan. (Surat Al-Haj : 77).
Dan orang-orang yang berjihad untuk (mencari keridhaan) Kami, benar-benar akan Kami tunjukkan kepada mereka jalan-jalan Kami. Dan Sesungguhnya Allah benar-benar beserta orang-orang yang berbuat baik. (Al-Ankabut : 69). Raihlah Mimpimu dengan segala perjuanganmu, do’a dan usahamu. Jangan mudah menyerah apapun itu adalah proses menuju sukses. (Dwi Setyo Nurrizal).
iv
PERSEMBAHAN
Bismillahirrohmanirrohim, Untuk Ibu terimakasih untuk semuannya, atas segala perjuangan, do’a buat anakanaknya. Allah SWT selalu bersama orang-orang yang bertaqwa dan tawakkal di jalan-Nya.
“ Surga Di Bawah Telapak Kaki Ibu”. Muliakan Ibu dan bahagiakan ibu.
Semoga Almarhum Bapak, Senantiasa mendapatkan ampunan atas segala dosa dan kesalahan, dan mendapatkan tempat yang mulia di Sisi Allah SWT di Surga. Amin Yarobbalalamin.
almamater UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
v
PRAKATA ﻪﺕﺎﮔﺭﺒﻮﷲﺍﺔﻣﺤﺮﻮﻢﮑﻴﻟﻋﻢﻼﺳﻠﺍ
Alhamdulilah, segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat, taufik dan hidayah-Nya sehingga penyusunan laporan Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Tugas Akhir ini disusun guna melengkapi persyaratan untuk menyelesaikan program studi S-1 pada Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Bersama ini penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah banyak memberikan dukungan sehingga penyusun dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Kemudian dengan selesainya Tugas Akhir ini penulis juga mengucapkan terima kasih kepada : 1). Bapak Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2). Bapak Mochamad Solikin, S.T., M.T., Ph.D., selaku Ketua Program Studi Teknik Sipil Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3). Bapak Jaji Abdurrosyid, S.T., M.T., selaku Pembimbing Utama sekaligus sebagai Ketua Tim Penguji. 4). Bapak Gurawan Djati Wibowo, S.T., M.Eng., selaku Pembimbing Pendamping sekaligus sebagai Sekertaris Tim Penguji. 5). Bapak Ir. Hermono S.B., M.Eng., selaku Anggota Tim Penguji. 6). Bapak Drs. Gotot Slamet Mulyono, M.T., selaku Dosen Pembimbing Akademik. 7). Ibu dan kakak, adik serta semua keluarga dirumah, terimakasih untuk doa dan kasih sayangnya. 8). Mbah Ruji, yang selalu mendoakan semua cucu-cucunya. 9). Teman-teman yang selalu memberi waktu, tenaga dan perhatiannya. 10). Pihak-pihak lain yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu.
vi
Semoga segala bantuan yang diberikan, senantiasa mendapatkan ridho dari Allah SWT dan semoga Laporan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Amin ﻪﺕﺎﮐﺮﺑﻮﷲﺍﺔﻤﺣﺮﻮﻡﻜﻳﺎﻋﻢﻼﺳﻠﺍﻮ
Surakarta,
Maret 2015
Penyusun
vii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ..............................................................................................
i
LEMBAR PENGESAHAN ....................................................................................
ii
LEMBAR PERNYATAAN .................................................................................... iii MOTTO ................................................................................................................... iv PERSEMBAHAN ....................................................................................................
v
PRAKATA .............................................................................................................. vi DAFTAR ISI ............................................................................................................ viii DAFTAR TABEL....................................................................................................
x
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................... xi DAFTAR NOTASI .................................................................................................. xiv DAFTAR ISTILAH ................................................................................................ xv DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................... xvii ABSTRAKSI ............................................................................................................ xviii BAB
I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang ............................................................................... 1 B. Rumusan Masalah ........................................................................... 2 C. Tujuan Penelitian ............................................................................ 2 D. Batasan Masalah.............................................................................. 2 E. Manfaat Penelitian .......................................................................... 3
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................ 4 BAB III. LANDASAN TEORI A. Tipe Aliran Pada Bendung .............................................................. 7 B. Debit Aliran..................................................................................... 8 C. Persamaan Energi Saluran Terbuka ................................................ 10 D. Bilangan Reynolds........................................................................... 11 E. Bilangan Froude.............................................................................. 12 F. Mercu Pelimpah .............................................................................. 13 G. Peredam Energi Tipe Roller Bucket ................................................ 15 H. Loncat Air ....................................................................................... 23 viii
BAB IV. METODOLOGI PENELITIAN A. Lokasi Penelitian ............................................................................. 26 B. Bahan dan Peralatan ........................................................................ 26 C. Pengamatan ..................................................................................... 31 D. Perencanaan Model ......................................................................... 31 E. Running Penelitian .......................................................................... 35 F. Pelaksanaan Penelitian .................................................................... 38 G. Bagan Alur Penelitian ..................................................................... 40 BAB V. HASIL ANALISIS DAN PEMBAHASAN A. Hasil Pengujian ............................................................................... 41 B. Analisis Data dan Pembahasan ....................................................... 41 BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan ..................................................................................... 61 B. Saran................................................................................................ 61 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
ix
DAFTAR TABEL
Tabel IV.1
Running Penelitian ......................................................................
35
Tabel V.1
Kecepatan Aliran ........................................................................
43
Tabel V.2
Koreksi Unjuk Kerja Loncat Air dengan Kehilangan Energi .....
58
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar III.1
Vnotch : Triangular Thin-Plate Weir .........................................
8
Gambar III.2
Vnotch : Nilai Ce dan Kv .............................................................
9
Gambar III.3
Energi Dalam Aliran Saluran Terbuka Berubah Beraturan ........
10
Gambar III.4
Pola Penjalaran Gelombang di Saluran Terbuka.. ......................
13
Gambar III.5
Bentuk Mercu Tipe Ogee dan Tipe Bulat.. .................................
14
Gambar III.6
Bentuk-bentuk Bendung Mercu Ogee.........................................
14
Gambar III.7
Grafik Perencanaan Mercu Ogee ................................................
15
Gambar III.8
Kolam Olak Tipe Roller Bucket ..................................................
16
Gambar III.9
Pusaran Air pada Kolam Olak Tipe Solid Roller Bucket ............
17
Gambar III.10 Radius Minimum Lengkung Bucket............................................
19
Gambar III.11 Kedalaman Minimum Air di Hilir Bucket .................................
20
Gambar III.12 Kedalaman Maksimum Air di Hilir Bucket ..............................
21
Gambar III.13 Kedalaman Minimum Air yang Dapat Menyebabkan Pusaran Terjadi di Luar Bucket ...............................................................
22
Gambar III.14 Loncatan Berombak ....................................................................
23
Gambar III.15 Loncatan Lemah ..........................................................................
23
Gambar III.16 Loncatan Berosilasi .....................................................................
24
Gambar III.17 Loncatan Tetap ............................................................................
24
Gambar III.18 Loncatan Kuat .............................................................................
24
Gambar IV.1
Air yang Digunakan Dalam Penelitian .......................................
26
Gambar IV.2
Kayu, Lem, Malam dan Meteran ................................................
27
Gambar IV.3
Saluran/Open Flume 30x60x1000 cm.........................................
27
Gambar IV.4
Bak Penampung Air ....................................................................
28
Gambar IV.5
Pompa Air ...................................................................................
28
Gambar IV.6
Kran Pengatur Debit....................................................................
29
Gambar IV.7
Tail Gate......................................................................................
29
Gambar IV.8
Pelimpah Ogee, Kolam Olak Solid Roller Bucket dan Baffle
Gambar IV.9
Blocks ..........................................................................................
30
Mistar Ukur pada Open Flume....................................................
30
xi
Gambar IV.10 Grafik Koefisien Peluapan Mercu Ogee Hubungan Antara p/hd
32
Gambar IV.11 Tampang Lintang Bendung Tipe Ogee dan Kolam Olak Tipe Solid Roller Bucket .........................................
34
Gambar IV.12 Baffle Block Tipe Cekung Setengah Lingkaran ..........................
34
Gambar IV.13 Baffle Block Tipe Cekung Parabolik ...........................................
35
Gambar IV.14 Bagan Alur Penelitian .................................................................
40
Gambar V.1
Letak Kecepatan di Hulu Bendung (v1), di Atas Bendung (vcr) dan di Hilir Kolam Olak (v2) ...................
Gambar V.2
Hubungan Antara Variasi Debit Q (cm3/dt) dengan Kedalaman Aliran h (m) .................................................................................
Gambar V.3
42
44
Hubungan Antara Variasi Debit Q (cm3/dt) dengan Kecepatan Aliran v (cm/dt) .........................................................
44
Gambar V.4
Tekanan pada Puncak Mercu Bendung .......................................
46
Gambar V.5
Profil Muka Air yang Melintasi Tubuh Bendung dengan Data Kedalaman Aliran h (cm) ...................................................
Gambar V.6
Profil Muka Air yang Melintasi Tubuh Bendung dengan Data Kecepatan Aliran v (cm/dt) ................................................
Gambar V.7
47
Hubungan Antara Posisi Horisontal (x) (cm) Bendung dengan Kedalaman Aliran h2 trial (cm) ...................................................
Gambar V.8
47
48
Hubungan Antara Posisi Horisontal (x) (cm) Bendung dengan Kecepatan Aliran v (cm/dt) .........................................................
48
Gambar V.9
Penempatan Baffle Blocks pada Kolam Olak ..............................
49
Gambar V.10
Arah Aliran pada Baffle Blocks ½ Lingkaran .............................
51
Gambar V.11
Arah Aliran pada Baffle Blocks Parabolik ..................................
51
3
Gambar V.12
Hubungan Variasi Debit (cm /dt) dengan Bilangan Reynolds ...
Gambar V.13
Hubungan Variasi Debit (cm3/dt) dengan Kehilangan Energi (cm)..................................................................................
Gambar V.14
54
Hubungan Perbandingan Kehilangan Energi Terhadap Energi Awal (hf/E1) dengan Angka Reynolds Awal (Re1) .....................
Gambar V.15
52
54
3
Hubungan Variasi Debit (cm /dt) dengan Panjang Loncat Air (cm) ........................................................................... xii
57
Gambar V.16
Hubungan Perbandingan Panjang Loncat Air Terhadap Tinggi Bendung (Lj/P) dengan Angka Reynolds Awal (Re1) .................
xiii
57
DAFTAR NOTASI
Notasi III.1
Debit melalui Vnotch Weir (m3/dt) .............................................
9
Notasi III.2
Nilai Kv (ft) .................................................................................
9
Notasi III.3
Persamaan energi aliran sejajar atau berubah beraturan .............
11
Notasi III.4
Persamaan Energi (energy equation) ..........................................
11
Notasi III.5
Bilangan Reynolds.......................................................................
11
Notasi III.6
Bilangan Froude..........................................................................
12
Notasi III.7
Persamaan loncat air ...................................................................
25
Notasi III.8
Selisih kehilangan energi ............................................................
25
Notasi III.9
Selisih kehilangan energi ............................................................
25
Notasi V.1
Persamaan debit aliran ................................................................
42
Notasi V.2
Persamaan konservasi momentum ..............................................
45
Notasi V.3
Persamaan gaya yang ditahan baffle blocks ................................
50
Notasi V.4
Persamaan efisiensi energi ..........................................................
53
Notasi V.5
Persamaan Hubungan Perbandingan Kehilangan Energi Terhadap Energi Awal (hf/E1) dengan Angka Reynolds Awal (Re1)..........
Notasi V.6
55
Persamaan Hubungan Perbandingan Panjang Loncat Air Terhadap Tinggi Bendung (Lj/P) dengan Angka Reynolds Awal (Re1) ............................................................................................
xiv
58
DAFTAR ISTILAH
A
: luas penampang aliran (m2)
b
: lebar saluran (m)
B
: lebar bendung (cm)
Cd
: koefisien debit
Ce
: koefisien tampang saluran
E
: energi (m)
E1
: energi di hulu mercu (m)
E2
: energi setelah pusaran (m)
Fr
: angka Froude
F1
: gaya hidrostatis pias 1 (dyne)
F2
: gaya hidrostatis pias 2 (dyne)
g
: percepatan gravitasi (m/dt2)
h1
: kedalaman air di hulu mercu (m)
h2
: kedalaman muka air hilir setelah pusaran (m)
hcr
: kedalaman air di atas mercu (m)
hf
: kehilangan energi (m)
Lj
: panjang pusaran air (m)
M
: momentum (dyne)
Q
: debit aliran (m3/dt)
R
: jari-jari hidraulik (m)
Re
: bilangan Reynolds
V
: kecepatan rata-rata aliran (m/dt)
Vcr
: kecepatan awal aliran di atas mercu (m/dt)
V1
: kecepatan di hulu mercu (m/dt)
V2
: kecepatan setelah pusaran (m/dt)
Vcr
: kecepatan kritis di mercu bendung (m/dt)
W
: berat air pada volume kontrol (dyne)
υ
: kekentalan kinematik (m2/dt)
xv
θ1
: sudut antar gaya hidrostatik dengan kemiringan tubung bendung pada pias 1 ( o )
θ2
: sudut antar gaya hidrostatik dengan kemiringan tubung bendung pada pias 2 ( o )
θt
: sudut kemiringan punggung bendung ( o )
w
: berat jenis air (dyne/cm3)
: rapat masa dari air (1 gr/cm3)
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran I
Penentuan Debit Rencana
Lampiran II
Tabel Rencana Debit
Lampiran III
Hasil Pengamatan Penelitian
Lampiran IV
Tabel Kecepatan Aliran dan Bilangan Reynolds
Lampiran V
Tabel Kehilangan Energi
Lampiran VI
Tabel Analisis Muka Air di atas Tubuh Bendung Dengan Konservasi Momentum
Lampiran VII Gambar Model Bendung Lampiran VIII Gambar Penempatan Baffle Blocks Lampiran IX
Tabel Kekentalan Viskositas
Lampiran X
Lembar Konsultasi
xvii
ABSTRAKSI Beberapa rekayasa yang dilakukan manusia untuk memenuhi kebutuhan air adalah dengan teknologi penyimpan air (dengan dibangunnya bendungan dan embung), sedangkan untuk dapat mengalirkan dari sungai ke sawah dapat dilakukan dengan pembangunan bendung dan saluran irigasi. Peninggian muka air karena bendung akan mengakibatkan adanya aliran yang deras di bagian hilir bendung. Jika dalam suatu aliran terjadi perubahan jenis aliran dari superkritis ke subkritis, maka akan terjadi loncatan air (hydraulic jump). Untuk mereduksi energi yang terdapat di dalam aliran tersebut, maka pada kolam olak bendung biasanya dipasang baffle blocks. Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui pengaruh penempatan baffle blocks tipe cekung setengah lingkaran dan parabolik terhadap panjang loncat air dan kehilangan energi. Penelitian dilakukan di Laboratorium Hidraulika Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik UMS. Penelitian ini menggunakan open flume berukuran 30x60x1000 cm dengan kemiringan dasar saluran 0,005. Menggunakan pelimpah ogee dengan kemiringan tubuh bendung 0,6:1, dan menggunakan kolam olak tipe solid roller bucket dengan baffle blocks tipe cekung setengah lingkaran dan parabolik ukuran 5/12 R. Penelitian dilakukan dengan 11 seri, masing-masing seri dilakukan empat tahap running dengan empat macam variasi debit, sehingga total running yang dilakukan sebanyak 44 running. Pada setiap debitnya kemudian dilakukan pengujian panjang loncat air dan kehilangan energi. Hasil penelitian menunjukkan beberapa kesimpulan, pertama, susunan baffle blocks yang paling baik untuk meredam energi aliran adalah baffle blocks tipe cekung parabolik dengan posisi pada awal radius lengkung kolam olak, berlaku untuk semua nilai debit (seri P2.Q). Kedua, posisi baffle blocks yang paling efektif untuk mereduksi panjang loncat air adalah baffle blocks tipe cekung parabolik dengan posisi di antara awal dan tengah lengkung kolam olak, berlaku untuk semua nilai debit (seri P3.Q). Ketiga, Unjuk kerja dari bentuk dan posisi baffle blocks yang paling efektif untuk meredam energi aliran dan mereduksi panjang loncat air adalah baffle blocks tipe cekung parabolik dengan posisi di antara awal dan tengah lengkung kolam olak, berlaku untuk semua nilai debit (seri P3.Q). Kata kunci : pelimpah ogee, solid roller bucket, baffle blocks tipe cekung setengah lingkaran dan parabolik, panjang loncat air, kehilangan energi.
xviii
