Handout CIV 108 Modul 5 Aliran Melalui Ambang

(1)

35

MODUL

V

ALIRAN

MELALUI

AMBANG

TAJAM

DAN

LEBAR

5.1. Pendahuluan

5.1.1. Latar Belakang

Ambang adalah salah satu jenis bangunan air yang dapat digunakan untuk menaikkan tinggi muka air serta

menentukan debit aliran air. Dalam merancang bangunan air, perlu diketahui sifat-sifat atau karakteristik

aliran air yang melewatinya. Pengetahuan ini diperlukan dalam perencanaan bangunan air untuk

pendistribusian air maupun pengaturan sungai.

Dalam percobaan ini akan ditinjau aliran pada ambang yang merupakan aliran berubah tiba- tiba. Selain itu,

dengan memperhatikan aliran pada ambang dapat dipelajari karakteristik dan sifat aliran secara garis besar.

Ambang yang akan digunakan adalah ambang lebar dan ambang tajam.

Fungsi penggunaan ambang lebar dan ambang tajam adalah:

1. Ambang tersebut menjadi model untuk diaplikasikan dalam perancangan bangunan pelimpah pada

waduk dan sebagainya.

2. Bentuk ambang ini adalah bentuk yang sederhana untuk meninggikan muka air. Sebagai contoh aplikasi,

air yang melewati ambang lebar akan memiliki energi potensial yang lebih besar sehingga dapat dialirkan

ke tempat yang lebih jauh dan dapat mengairi daerah yang lebih luas.

(2)

36

Terdapat perbedaan bentuk fisik antara ambang lebar dan ambang tajam, sehingga mempengaruhi jatuhnya

aliran. Pada ambang lebar air akan jatuh lebih lunak dari ambang tajam, meskipun tinggi dan lebar ambang

sama. Perbedaan bentuk fisik antara ambang lebar dan ambang tajam dapat dilihat pada di bawah ini.

Gambar 5. 2 Aliran pada Ambang Tajam

Gambar 5. 3 Ambang Tajam

(3)

37

Dalam percobaan ini akan diamati karakteristik aliran yang melalui ambang dengan tipe karakteristik sebagai

berikut:

1. Keadaan loncat

Keadaan loncat adalah keadaan ketika tinggi muka air di hulu saluran tidak dipengaruhi oleh tinggi muka

air di hilir saluran.

2. Keadaan peralihan

Keadaan peralihan adalah keadaan ketika tinggi muka air di hulu saluran mulai dipengaruhi oleh tinggi

muka air di hilir saluran.

3. Keadaan tenggelam

Keadaan tenggelam adalah keadaan ketika tinggi muka air di hulu saluran dipengaruhi oleh tinggi muka

air di hilir saluran.

Dari percobaan ini dapat diperoleh gambaran mengenai sifat aliran, berupa bentuk atau profil aliran melalui

analisis model fisik dari sifat aliran yang diamati. Dalam kondisi nyata di lapangan, ambang ini berguna untuk

meninggikan muka air di sungai atau pada saluran irigasi sehingga dapat mengairi area persawahan yang

luas. Selain itu, ambang juga dapat digunakan untuk menentukan debit air yang mengalir pada saluran

terbuka.

5.1.2. Tujuan

Tujuan percobaan ini adalah:

1. Mempelajari karakteristik aliran yang melalui ambang lebar dan ambang tajam.

2. Menentukan pengaruh perubahan keadaan tinggi muka air di hilir terhadap muka air di hulu saluran.

3. Menentukan hubungan tinggi muka air di atas ambang terhadap debit air yang melimpah di atas

ambang.

5.2. Landasan Teori

Aliran pada ambang atau pelimpah (spillway) adalah salah satu jenis aliran pada saluran terbuka. Profil

pelimpah akan menentukan bentuk tirai luapan (flow nappe) yang akan terjadi di atas ambang tersebut. Tirai

luapan ini dianggap mengalami pengudaraan, yaitu keadaan saat permukaan atas dan bawah tirai luapan

tersebut memiliki tekanan udara luar sepenuhnya. Namun, pengudaraan di bawah tirai luapan kurang

sempurana. Hal ini berarti terjadi pengurangan tekanan di bawah tirai luapan akibat udara yang tergantikan

(4)

38

- Perbedaan tekanan meningkat di ambang

- Perubahan bentuk tirai luapan sesuai dengan ambang yang digunakan

- Peningkatan debit, disertai fluktuasi

- Bentuk hidrolik yang tidak stabil.

Hal-hal ini menyebabkan timbulnya koefisien pengaliran (C) yang berbeda-beda pada setiap ambang, yang

akan dijelaskan lebih lanjut pada poin selanjutnya.

5.2.1. Debit Aliran

Debit Berdasarkan Venturimeter

Dalam percobaan, digunakan venturimeter untuk mengetahui debit yang sebenarnya mengalir dari pompa.

Debit yang melalui ambang dapat dihitung dengan prinsip kekekalan energi, impuls - momentum, dan

kontinuitas (kekekalan massa), sehingga dapat diterapkan persamaan Bernoulli untuk menghitung besar

debit berdasarkan tinggi muka air sebelum dan pada saat kontraksi pada venturimeter:

Gambar 5. 5 Venturimeter

Besar debit dapat diketahui melalui rumus:

� = √

�− � 4 � �∆ℎ

[ �_� 4− ] � (5.1)

Dengan:

d1

= 3,15 cm

ρair

= 1,00 gr/cm

3

pada suhu 0 ̊C

d2

= 2,00 cm

ρHg

= 13,60 gr/cm

3

(5)

39

Debit Pelimpah

Debit aliran yang melalui ambang dengan tipe WES dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:

� = �� / _(5.2)

di mana:

C = koefisien pengaliran

L = lebar saluran

He = tinggi aliran di atas ambang

5.2.2. Koefisien Pengaliran (C)

Kecepatan aliran yang lewat diatas pelimpah adalah

V = ( g.Y )1/2_{= ( g.He )}1/2 _(5.3)

He = Y - t (5.4)

di mana :

g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2 _{t = tinggi ambang = 12 cm}

Karena debit aliran yang melalui pelimpah tersebut relatif kecil, maka diperlukan koefisien reduksi bagi debit

(Q) maka:

Q = c. g1/2_{. L . He}3/2 _(5.5)

Dengan mensubstitusi C = c.g1/2 ke persamaan (1.4) maka diperoleh persamaan debit sebagai berikut:

Q = C . L . He3/2 _(5.6)

(6)

40

Apabila debit yang mengalir sudah diketahui nilainya, maka nilai koefisien pengaliran (C) dapat diperoleh

dengan menggunakan rumus:

C = Q /(L . He3/2₎ _(5.7)

di mana :

L = lebar saluran = 8 cm

5.3. Alat-alat Percobaan

a. Ambang tajam dan lebar

b. Alat pengukur kedalaman

c. Alat pengukur panjang

d. Venturimeter dan pipa manometer

e. Sekat pengatur hilir

f. Bak penampung air

g. Pompa air

Gambar 5. 7 Model penampang aliran pada ambang tajam

5.4. Prosedur Kerja

1. Pastikan ambang telah terpasang dalam model saluran terbuka pada posisi yang tepat sesuai gambar

pada modul.

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. Catat dimensi ambang dengan menggunakan alat ukur yang tersedia.

4. Periksa keadaan awal pipa manometer pada venturimeter. Jika terdapat selisih ketinggian pada kedua

pipa, catat selisihnya dan gunakan sebagai kalibrasi dalam setiap perhitungan debit menggunakan

(7)

41

5. Nyalakan pompa air dengan debit tertentu sesuai keinginan, tetapi tidak sampai meluap.

6. Aturlah sedemikian rupa sehingga diperoleh keadaan sebagai berikut:

- Loncat pertama

- Loncat kedua

- Peralihan

- Tenggelam pertama

- Tenggelam kedua

Untuk keadaan selain loncat pertama, pasangkanlah sekat di hilir saluran dan aturlah sedemikian rupa

sehingga tercipta keadaan-keadaan tersebut.

7. Catatlah 8 (delapan) koordinat titik penting dari setiap keadaan di atas untuk menggambar profil aliran.

Titik-titik tersebut umumnya adalah titik awal, titik akhir, setiap titik belok aliran, dan titik-titik saat

terdapat fenomena air loncat. Sebaiknya, titik awal dimulai dari sebelum ambang dan titik terakhir yang

dicatat adalah titik terjauh dari ambang di mana sudah tidak terdapat perubahan aliran lagi.

8. Catat ketinggian raksa pada pipa manometer dan cari selisihnya untuk menghitung debit aliran.

9. Ulang langkah ke 6 dan 8 untuk empat debit yang berbeda. Namun, yang dicatat hanya permukaan air

di hulu (y1) dan kedalaman air di hilir (y2) saja.

10. Setelah selesai langkah ke-9, kosongkan sekat di hilir.

11. Atur debit aliran mulai dari yang terbesar (tetapi air tidak meluap).

12. Catat tinggi muka air sebelum ambang (y1) dan tinggi raksa pada manometer.

13. Ulang langkah 11 dan 12 dengan mengatur debit aliran dengan cara mengecilkannya sampai

didapatkan debit minimum saat air masih dapat mengalir sampai didapat lima debit yang berbeda.

14. Masukkan data koordinat profil aliran beserta besar debit pertama pada Formulir Pengamatan Lembar

1 Data untuk Membuat Profil Aliran. Masukkan data yi, y2, dan besar debit pertama beserta data y1,

y2, dan besar debit lainnya (4 nilai debit selanjutnya) pada Lembar 2 Data Untuk Membuat Grafik He1

vs He2 dan He1 vs Q. Masukkan data y1 dan besar debit dari lima debit pertama tadi beserta data y1

dan besar debit lainnya (5 nilai debit selanjutnya/ terakhir) pada Lembar 3 Data Untuk Membuat

Grafik He1 vs C.

15. Cara-cara di atas diulang kembali dengan menggunakan ambang yang berbeda.

(8)

42

! Jika menggunakan mistar,

gunakan mistar yang sama untuk setiap percobaan.

! Jika terdapat selisih ketinggian pada kedua pipa, catat selisihnya, dan gunakan sebagai kalibrasi

__ P?

! Pastikan orientasi ambang

benar

! Pastikan air tidak meluap

! Pastikan aliran telah stabil

! Jumlah pengambilan data masing-masing keadaan aliran:

• Lompat 2 kali • Peralihan 1 kali • Tenggelam 2 kali

(9)

(10)

44

5.5. Pengambilan Data

Untuk mengambil data, gunakan formulir pengamatan yang terdapat pada bagian akhir modul dan gunakan

panduan tabel di bawah ini:

Tabel 5. 1 Spesifikasi Data yang Diambil Selama Percobaan

Jumlah keadaan aliran = 5 (loncat 1, loncat 2, peralihan, tenggelam 1, tenggelam 2)

Lembar Data

No. Data yang Diambil Simbol Sat. Jumlah Data Total Keterangan

1 Lembar 1

Koordinat titik-titik untuk membuat profil

aliran

(x,y) cm 8 x Jumlah Keadaan Aliran = 40 titik

Debit yang sama digunakan juga untuk Lembar 2 dan 3

2 Lembar 2

Tinggi kedua pipa manometer untuk menghitung debit

hi cm 5

Debit pertama diambil sama dengan debit untuk

Lembar 1, jadihanya mengambil 4 nilai debit yang baru.

h2 cm 5

Tinggi air sebelum ambang

y1 cm 5 x Jumlah Keadaan Aliran = 25

he1 = y1 - t

Tinggi air sesudah ambang manometer untuk menghitung debit

h1 cm 10 Debit pertama

sampai kelima diambil sama dengan debit untuk

Lembar 2, jadi hanya mengambil 5 nilai debit yang baru.

h2 cm 10

Tinggi air sebelum

ambang y1 cm 10

Data yang diambil

hanya pada keadaan loncat pertama. he1 = y1 - t

(11)

45

5.6. Pengolahan Data

Pengolahan data dilakukan melalui langkah-langkah berikut ini:

Tabel 5. 2 Langkah-langkah Pengolahan Data

No. Langkah Formulir Pengamatan Keterangan Nama

Acuan Gambar/Grafik

1 _{Menggambar profil}

muka aliran.

Lembar 1 Data untuk

Membuat Profil Aliran Menggunakan fungsi chart tipe scatter pada program Microsoft Excel atau sejenis.

Gambar ini menjadi Grafik 1.1 Profil Aliran.

2 _{Menghitung besarnya}

seluruh debit yang mengalir (Q).

• Lembar 2 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs He2 dan He1 vs Q

• Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs C

Gunakan rumus 1.1.

3 _• _Menghitung

besarnya He1 dan He2.

• Membuat grafik He1 vs He2.

• Membuat Grafik He1 vs Q. tiap debit dan He1 yang telah dihitung.

• Membuat grafik He1 vs C.

• Membuat grafik Q vs C.

Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik He1 vs C

Gunakan rumus 1.7. _• _{Grafik pertama}

menjadi Grafik

• Menentukan nilai koefisien desain (Cd) dan

ketinggian desain

aliran (Hd) dari ambang model

• Buatlah grafik He1/Hd vs C/Cd

Lembar 3 Data Untuk Membuat Grafik Hei vs C

• Gunakan Grafik 1.4 He1 vs C.

• Untuk membuat grafik, gunakan nilai He1 dan C

(12)

46

5.7. Analisis Data

Dari hasil perhitungan sebelumnya, lihatlah kembali grafik-grafik yang telah dibuat dan lakukanlah analisis

sebagai berikut:

Tabel 5. 3 Grafik dan Analisis

5.8. Kesimpulan

Buatlah kesimpulan yang mengacu pada tujuan praktikum dan saran untuk perbaikan di masa mendatang.

5.9. Daftar Pustaka

Chow, Ven Te, Ph.D. 1959. Open-Channel Hydraulics. Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, Ltd.

No. Grafik Hal-hal yang Perlu Dianalisis

1 Grafik 1.1 Profil Aliran _• _{Beberapa fenomena yang terjadi pada tiap keadaan}

profil aliran.

• Penyebab terjadinya fenomena tersebut.

• Perbedaan tiap keadaan (loncat, peralihan, tenggelam).

• Perkiraan letak ambang pada sumbu koordinat 2 Grafik 1.2 Hei vs He2

• Tujuan pembuatan grafik tersebut.

• Hubungan He1 dan He2.

• Pengaruh perubahan debit terhadap He1 dan He2. 3 Grafik 1.3 He1 vs Q • _{Tujuan pembuatan grafik tersebut.}

• Hubungan He1 dan Q.

• Kecenderungan regresi dari rumus perbandingan He1 dan Q.

4 Grafik 1.4 He1 vs C • _{Tujuan pembuatan grafik tersebut.}

• Hubungan He1 dan C.

• Persebaran titik-titik pada grafik.

• Mencari Cd dan Hd.

5 Grafik 1.5 Q vs C _• _{Tujuan pembuatan grafik tersebut.}

• Hubungan Q dan C.

• Kaitan nilai Cd dengan nilai C pada grafik ini. 6 Grafik 1.6 He1/Hd vs C/Cd • _{Tujuan pembuatan grafik tersebut.}

(13)

47 FORMULIR PENGAMATAN

Modul IV: ALIRAN MELALUI AMBANG LEBAR

Praktikan: Mahasiswa Program Studi Teknik Sipil

No Nama NIM Paraf TANGGAL PRAKTIKUM

1

No. Kelompok: Lembar 1/2

Data alat

• Tinggi Ambang = ( ... ... cm)

• Lebar Saluran = ( ... ... cm)

Data Pengamatan

Keadaan Awal (Kalibrasi)

Bacaan Manometer H1 = (... ... cm), H2 = ( ...

... cm), Ah =

( ...

... cm)

Lembar 1 Data Untuk Membuat Profil Aliran Titik Loncat 1 (cm) Loncat 2 (cm)

(14)

(15)

49

FORMULIR PENGAMATAN

Modul IV: ALIRAN MELALUI AMBANG TAJAM

Praktikan: Mahasiswa Program Studi Teknik Sipil

No. Kelompok : ... Lembar -

TANGGAL TERAKHIR PEMASUKAN LAPORAN :

Data alat

• Tinggi Ambang = ( ... ...cm) • Lebar Saluran = ( ... ... cm)

Data Pengamatan

Keadaan Awal (Kalibrasi)

Bacaan Manometer H1 = ( ... ... cm), H2 = ( ...

... cm), Ah = ( ...

... cm)

Lembar 1 Data Untuk Membuat Profil Aliran

(16)