1
Analisa Numerik Pengaruh Konfigurasi V-Curved Dan I-Shaped
Pada Koefisien Transmisi Yang Dibangkitkan Oleh Gelombang
Ireguler Pada Light Weight Concrete Breakwater
Arif Marsetyo Putro
*, Imam Rochani
1, Suntoyo
1*
Mahasiswa Teknik Kelautan, 1Staf Pengajar Teknik Kelautan Jurusan Teknik Kelautan - Fakultas Teknologi Kelautan
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Abstrak
Rusaknya pesisir pantai, terutama di Indonesia semakin memprihatinkan. Kondisi lebih parah terjadi di Pulau-pulau kecil yang menjadi tapal batas perbatasan NKRI. Oleh sebab itu, diperlukan perlindungan pesisir yang handal. Salah satunya menggunakan Floating Concrete Breakwater. Konsep inovatif struktur peredam gelombang laut.
Dalam penelitian ini dilakukan pengujian terhadap efektifitas struktur dalam meredam gelombang dengan variasi geometri V-Curved dan I-Shaped. Metode yang dilakukan adalah dengan mengkombinasikan formulasi Macagno dan hasil uji fisik model di Laboratorium Flume Tank, Jurusan Teknik Kelautan ITS. Kefektifitasan dalam peredaman gelombang ditunjukkan dengan nilai koefisien transmisinya. Selain itu, juga sedikit dibahas terkait Heaving Motion Response-nya sehingga kita mengetahui respon gerakan struktur secara vertikal.
Dari hasil penelitian terlihat bahwa kedua variasi bentuk mempunyai efektifitas peredaman gelombang lebih dari 20%. Hal ini membuktikan bahwa meskipun struktur tidak tertancap (fixed structure) namun tetap bisa meredam gelombang datang selayaknya breakwater pada umumnya. Bentuk V-Curved mempunyai efektifitas peredaman lebih besar daripada I-Shaped. Selain itu dari grafik RAO terlihat bahwa struktur ini memiliki rentang amplitudo yang tidak terlampau besar.
Kata kunci : Floating Concrete Breakwater, Koefisien Transmisi, Heaving Response
1. Pendahuluan
Fungsi pelindung pantai adalah melindungi pelabuhan terhadap pergerakan gelombang saat keadaan normal dan badai memberikan kenyamanan dan kemudahan akses untuk kapal keluar dan masuk pelabuhan. Perlindungan pada instalasi pelabuhan, kapal yang berlabuh, dan pesisir juga meminimalisir resiko kerusakan (damage) akibat pengaruh gelombang yang kuat.
Akan tetapi, kebanyakan pelabuhan dan pesisir masih belum terlindungi. Seringkali akibat terlalu tingginya biaya pembangunan breakwater yang permanen, dan sering juga karena pertimbangan secara teknis yang terlalu komplek jika membangun bangunan breakwater yang permanen, misalnya kedalaman air yang terlalu dalam.
Breakwater terapung (floating breakwater) menjadi alternatif solusi yang tepat untuk mengatasi permasalahan tersebut. floating breakwater dapat dibangun cepat, mudah dan biaya yang efektif. floating breakwater juga berefek minimal mendekati nihil (zero impact) terhadap lingkungan laut sekitarnya dan dapat berfungsi baik di laut dalam maupun dangkal. floating breakwater juga dapat dipindah dan diperpanjang ataupun diperpendek sesuai ukuran panjang dan konfigurasi susunan yang dibutuhkan. floating breakwater dengan ukuran tertentu juga dapat berfungsi sebagai pelabuhan, marina, parking deck atau promenade.
Pemecah gelombang Terapung (Floating Breakwater) memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan pemecah gelombang yang tetap, misalnya dapat mereduksi energi gelombang, memiliki desain yang fleksible
2 sehingga mudah dipindahkan dan dirakit kembali
dengan layouts yang berbeda (Fousert, 2006), biaya lebih rendah serta instalasi yang mudah (Hales, 1981). Sebagai hasil dari semua efek positif, banyak jenis pemecah gelombang terapung yang telah diindentifikasi oleh (McCartney, 1985), diantaranya box, pontoon, mat dan tipe tethered float.
Tugas akhir ini akan melakukan penelitian lebih lanjut tentang floating concrete breakwater dengan variasi layout atau penempatan floating
concrete breakwater. Floating breakwater dengan
berbahan dasar beton akan dibentuk berdasarkan acuan bentuk dan konfigurasi floating breakwater yang telah diteliti sebelumnya. Beberapa macam konfigurasi ini akan diuji dengan variasi tinggi gelombang. Dari penelitian ini diharapkan akan diketahui konfigurasi layout yang paling efektif dalam meredam beban gelombang, sehingga diharapkan penelitian ini dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan teknologi struktur pelindung pesisir pantai.
2. Dasar Teori
2.1. Karakteristik Gelombang
Salah satu penyebab terbentuknya gelombang dilaut adalah karena hembusan angin yang berhembus secara kontinu. Apabila angin berhembus dalam waktu yang cukup lama dan meliputi jarak permukaan laut atau fetch yang cukup besar maka riak air akan tumbuh menjadi gelombang yang pada saat bersamaan riak baru akan terbentuk diatas gelombang yang sudah terbentuk sebelumnya dan selanjutnya akan berkembang menjadi gelombang baru tersendiri. Proses demikian akan berjalan terus sehingga yang diamati pada waktu dan tempat tertentu akan terlihat sebagai kombinasi perubahan-perubahan panjang gelombang dan tinggi gelombang yang saling bertautan
Parameter gelombang yang paling penting adalah panjang dan tinggi gelombang serta kedalaman perairan. Pada gambar dibawah ini adalah skema dua dimensi karakteristik gelombang pada arah sumbu x
Gambar 2.1 Karakteristik Gelombang
(Dean and Dalrymple, 1991) 2.2 Gelombang Acak (Irreguler Wave)
Menurut Bhattacharyya (1972), gelombang
irregular ditandai sebagai berikut :
Permukaan gelombang merupakan
permukaan yang tidak beraturan, sangat kompleks dan sulit untuk digambarkan secara matematis karena ketidak linierannya, tiga dimensi dan mempunyai bentuk yang acak, dimana suatu deret gelombang mempunyai tinggi dan periode yang berbeda. Permukaan gelombang yang tidak beraturan
selalu berubah dari waktu ke waktu dan bervariasi dari tempat ke tempat, tergantung dari kecepatan angin.
2.3 Prediksi Gelombang Transmisi
Gelombang Transmisi adalah salah satu bahasan fundamental yang harus dianalisa pada pendisainan Breakwater. Besar kecilnya gelombang transmisi menunjukkan seberapa efektif pelindung pantai dalam mengurangi dampak gelombang datang. Perhitungan besar nilai karakteristik gelombang transmisi diketahui dari perhitungan koefisien transmisinya:
𝐾𝐾𝑡𝑡=𝐻𝐻𝑡𝑡
𝐻𝐻𝑖𝑖 (2.1)
Dimana:
Kt = koefisien Transmisi gelombang
Hi = Tinggi gelombang datang
Ht = Tinggi gelombang transmisi
Koefisien transmisi gelombang sangat dipengaruhi oleh periode gelombang datang Ti,
2.4 Perhitungan Gelombang Transmisi
Beberapa penelitian telah mengembangkan metode penyederhanaan untuk menentukan karakteristik gelombang transmisi untuk berbagai variasi struktur berakwater. Metode ini dapat digunakan sebagai perkiraan pendekaatn untuk menentukan koefisien transmisi floating
breakwater. Metode ini lebih efektif pada bentuk
Floating Breakwater persegi panjang dan kaku. Metode ini juga cukup akurat jika kondisi mooring
Floating Breakwater kaku dan kuat.
Macagno (1953) memberikan formula analitik untuk menentukan besaran koefisien transmisi untuk Floating Breakwater berbentuk persegi panjang.
3
𝐾𝐾
𝑡𝑡=
1 �1+� 𝜋𝜋𝜋𝜋 𝑠𝑠𝑖𝑖𝑠𝑠 ℎ�ℎ𝐿𝐿� 𝐿𝐿 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠 ℎ�2𝜋𝜋(ℎ−𝑑𝑑)𝐿𝐿 �� 2 (2.2) Dimana B = lebar H = kedalaman air L = panjang gelombang D = draftCarr (1952) juga menemukan formula untuk menentukan koefisien transmisi yang dikhususkan untuk kondisi shallow water (H/L < 0,04).
𝐾𝐾𝑡𝑡= 1
�1+[(𝜋𝜋𝜋𝜋𝐿𝐿)(1+ℎ−𝐷𝐷𝐷𝐷)]2 (2.3)
3. Metodologi
Pada penelitian ini dilakukan perhitungan numerik dengan membandingkan hasil dari uji fisik di laboratorium Flume Tank, Jurusan Teknik Kelautan. Secara garis besar, tahapan pengerjaan adalah:
• Studi Literatur. • Persiapan percobaan.
• Metode Pengujian Heaving Respon.
• Metode Perolehan Tinggi Gelombang Datang.
• Perhitungan Tinggi Gelombang Transmisi dan Koefisiennya.
3.1 Persiapan percobaan
Pada penelitian ini, selain bertujuan untuk mengetahui efektifitas konfigurasi floating breakwater, juga untuk memvalidasi hasil dari uji fisik di Laboratorium Flume Tank, Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Oleh sebab itu, bentuk geometri menyesuaikan dengan model yang diujikan pada uji fisik tersebut.
Sebelum pengujian, dibuat terlebih dahulu desain model floating breakwater pada software Autocad, bentuk model memodifikasi dari penelitian Luca Martinelli 2008, yaitu V-curved dan I-shaped.
Setting dari kondisi lingkungan berupa tinggi gelombang datang adalah 3 cm, 4 cm dan 5 cm dan periode 1,1 sekon, 1,2 sekon, 1,3 sekon. Pengacuan pengujian ini adalah pada kapasitas dan kemampuan wave generator pada laboratorium flumetank.
4. Hasil dan Pembahasan
Pada penelitian ini, sebagaimana disebutkan sebelumnya bahwa data gelombang datang (Hs) adalah diambil dari uji coba fisik yang berupa bacaan dari waveprobe di depan struktur.
Setelah bacaan dari waveprobe diperoleh (masih bersatuan voltase) maka dengan macros revana dan bantuan software Matlab diperoleh inputan tinggi gelombang datang (Hs) sebagai berikut:
Tabel 4.1 Input Data Hs untuk Bentuk V-Curved VARIASI UNTUK BENTUK V-CURVED
H input 3 cm H input 4 cm H input 5 cm
Variasi (cm) Hs T (s) Variasi (cm) Hs T (s) Variasi (cm) Hs T (s)
T 1,1 8.51 0.96 T 1,1 11.18 1.08 T 1,1 13.62 1.08 T 1,2 8.66 1.05 T 1,2 11.13 1.15 T 1,2 13.58 1.08 T 1,3 8.83 1.00 T 1,3 11.91 1.19 T 1,3 14.78 1.13
Tabel 4.2 Input Data Hs untuk Bentuk I-Shaped VARIASI UNTUK BENTUK I-SHAPED
H input 3 cm H input 4 cm H input 5 cm Variasi (cm) Hs T (s) Variasi (cm) Hs T (s) Variasi (cm) Hs T (s)
T 1,1 8.27 0.96 T 1,1 12.18 1.09 T 1,1 13.58 1.09 T 1,2 8.27 1.05 T 1,2 11.84 1.15 T 1,2 13.29 1.08 T 1,3 9.27 1.00 T 1,3 12.38 1.19 T 1,3 14.59 1.13
Dengan menggunakan formulasi dari Macagno, kita bisa menghitung besaran nilai dari koefisien transmisinya. Berikut adalah nilai koefisien transmisi untuk bentuk V-Curved dan I-Shaped:
Tabel 4.3 Nilai Kt dan Ht untuk V-Curved Konfigurasi input H (cm) Hi (m) T (s) h (depth) meter L (m) Kt Ht (m) V-Cu rve d 3 0.851 0.966 7.8 0.207 0.645 0.549 0.866 1.051 7.8 0.305 0.545 0.472 0.884 1.007 7.8 0.251 0.582 0.515 4 1.119 1.114 1.089 1.152 7.8 7.8 0.358 0.461 0.532 0.542 0.595 0.603 1.192 1.198 7.8 0.548 0.566 0.674 5 1.363 1.359 1.089 1.080 7.8 7.8 0.358 0.345 0.532 0.534 0.725 0.725 1.479 1.131 7.8 0.424 0.535 0.791
4 Tabel 4.4 Nilai Kt dan Ht untuk I-Shaped
Konfigurasi input H (cm) Hi (m) T (s) h (depth) meter L (m) Kt Ht (m) I-S ha pe d 3 0.851 0.866 0.96 1.05 7.8 7.8 0.20 0.30 0.68 0.58 0.583 0.511 0.884 1.00 7.8 0.25 0.62 0.553 4 1.119 1.08 7.8 0.35 0.57 0.645 1.114 1.15 7.8 0.46 0.58 0.653 1.192 1.19 7.8 0.54 0.61 0.727 5 1.363 1.08 7.8 0.35 0.57 0.786 1.359 1.08 7.8 0.34 0.57 0.786 1.479 1.13 7.8 0.42 0.58 0.857 Perbedaan output pada V-Curved dan I-Shaped sangat dipengaruhi oleh dimensi geometrinya, khususnya lebar geometri Floating
Breakwater. Dengan parameter lain yang sama,
lebar geometri Floating Breakwater mempengaruhi nilai dari koefisien transmisinya. Hal ini tampak pada grafik non-dimensional parameter dengan absis x adalah lebar (b) per panjang gelombang (L) dan ordinat y adalah koefisien transmisi di bawah ini.
Tabel 4.5 Koefisien Transmisi berbanding b/L. Konfigurasi L (m) Kt b/L V-Cu rv ed 0.207 0.645 5.802 0.305 0.545 3.939 0.251 0.582 4.790 0.358 0.532 3.353 0.461 0.542 2.605 0.548 0.566 2.190 0.358 0.532 3.353 0.345 0.534 3.481 0.424 0.535 2.828 I-S ha pe d 0.207 0.685 4.835 0.305 0.589 3.283 0.251 0.626 3.992 0.358 0.577 2.794 0.461 0.586 2.171 0.548 0.610 1.825 0.358 0.577 2.794 0.345 0.579 2.901 0.424 0.580 2.357
Gambar 4.7 Grafik Koefisien Transmisi berbanding dengan B/L.
Tampak pada grafik di atas, bahwa dengan nilai B/L yang variatif pada konfigurasi V-Curved maupun I-shaped ternyata mempunyai nilai koefisien transmisi yang berbeda. Sedang nilai panjang gelombang (L) pada gelombang datang yang mengenai Floating Breakwater baik pada V-Curved maupun I-Shaped adalah sama. Sehingga faktor yang berpengaruh pada konfigurasi V-Curved maupun I-Shaped adalah pada lebar (B) geometri Floating Breakwater itu sendiri. Grafik diatas menunjukkan efektifitas peredaman gelombang pada V-curved lebih besar daripada efektifitas peredaman gelombang pada I-Shaped. Hal ini ditunjukkan pada besaran nilai koefisien transmisi yang cenderung lebih besar pada I-Shaped daripada V-curved. Dapat kita lihat juga bahwa pada rentang B/L sebesar 2 hingga 6 menunjukkan hasil koefisien transmisi dalam rentang 0.68 hingga 0.53.
Pada penelitian ini juga ditampilkan hasil perolehan tinggi gelombang transmisi yang diperoleh dari bacaan waveprobe2 (yang terletak di belakang struktur Floating Breakwater). Hasil tersebut merupakan output dari uji fisik yang telah dilaksanakan pada laboratorium Flumetank Jurusan Teknik Kelautan ITS.
Gambar 4.8 Perbandingan Nilai Ct pada Perhitungan Numerik dan Uji Fisik
5 Tampak pada gambar di atas bahwa pada
konfigurasi V-Curved terjadi perbedaan nilai koefisien transmisi. Dimana absis merupakan tinggi gelombang datang (Hs) dan ordinat berupa koefisien transmisi (Ct).
Gambar 4.8 Perbandingan Nilai Ct pada Perhitungan Numerik dan Uji Fisik
(Konfigurasi I-SHAPED).
Sama halnya pada gambar sebelumnya, pada konfigurasi I-Shaped pun terjadi perbedaan nilai koefisien transmisinya. Sehingga berpengaruh pada tinggi gelombang transmisi yang dihitung.
Berdasarkan analisa, beberapa hal yang menyebabkan margin perbedaan nilai koefisien transmisi tersebut diantara:
• Banyaknya asumsi yang dipakai pada kedua metode pencarian nilai koefisien transmisi.
• Batasan fasilitas laboratorium dan human
error saat pengujian fisik dilaksanakan.
Namun, baik dari uji fisik maupun perhitungan numerik memperlihatkan kecenderungan struktur
Floating Breakwater yang mampu meredam
gelombang.
Pada Tugas Akhir ini, digunakan software
Moses 6 untuk mensimulasikan bentuk geometri Floating Breakwater dan penginputan kondisi
lingkungannya. Hal itu dilakukan agar diperoleh
Response Amplitude Operations khususnya untuk Heaving Response.
Pada Moses, heading gelombang datang disetting pada arah 900 dan 1050 terhadap struktur terapung. Dengan draft setinggi ½ dari tinggi struktur terapung (0,5 m).
Gambar 4.8 Grafik RAO untuk heaving response pada V-Curved heading 900 dan 1050
Tampak pada grafik diatas dengan sumbu x adalah periode (sekon) dan sumbu y adalah amplitudo perubahan (meter/meter). Pada RAO heaving respon V-Curved tersebut terlihat struktur mengalami perubahan (kenaikan) amplitudo pada periode gelombang pendek (< 3 sekon) dan pada saat periode > 6,6 sekon rentang amplitudonya pada 0.9 – 1.1 meter.
Gambar 4.9 Grafik RAO untuk heaving response pada I-Shaped heading 900 dan 1050
Tampak pada grafik diatas dengan sumbu x adalah periode (sekon) dan sumbu y adalah amplitudo perubahan (meter/meter). Pada RAO heaving respon I-shaped tersebut terlihat struktur mengalami perubahan (kenaikan) amplitudo pada periode gelombang pendek (< 3 sekon) dan pada saat periode > 6,6 sekon rentang amplitudonya 0.91 – 1.2 meter.
5. KESIMPULAN
Dari penelitian di atas diperoleh beberapa kesimpulan diantaranya: Konfigurasi bentuk Floating Breakwater ternyata memberi pengaruh terhadap efektifitasnya meredam gelombang. Hal
6 ini ditunjukkan oleh besaran nilai koefisien
transmisinya. Bentuk V-Curved cenderung memiliki nilai koefisien transmisi yang lebih kecil daripada bentuk I-Shaped.
Bentuk V-Curved mempunyai kemampuan peredaman lebih besar daripada bentuk I-Shaped. Sehingga tinggi gelombang transmisi setelah terkena struktur Floating Breakwater berbentuk V-Curved lebih kecil dibandingkan tinggi gelombang transmisi pada bentuk I-Shaped. Untuk tinggi gelombang datang 0.8 – 1.5 meter bentuk V-Curved mempunyai nilai koefisien transmisi 0.532 – 0.645. Sedangkan untuk I-Shaped untuk tinggi gelombang datang 0.8 – 1.5 meter menunjukkan nilai koefisiean transmisi 0.58 – 0.68.
Melalui simulasi numerik menggunakan moses, diketahui bahwa motion response, khususnya untuk heaving response baik pada V-Curved dan I-Shaped adalah stabil. Struktur breakwater dikenai gelombang pada heading 900
dan 1050. Struktur Floating Breakwater
mengalami perubahan heaving pada saat periode dibawah 3 sekon. Namun untuk selebihnya grafik RAO untuk heaving menunjukkan bahwa Floating Breakwater stabil.
baik dari uji fisik maupun perhitungan numerik memperlihatkan kecenderungan struktur Floating Breakwater yang mampu meredam gelombang. Dengan nilai koefisien dibawah 0,8 atau efektifitas peredaman gelombang datang terhadap gelombang transmisi sebesar lebih dari 20% (ditunjukkan dari nilai koefisien transmisi diatas 0.7).
DAFTAR PUSTAKA
Bhattacharyya, 1972, Dynamic of Marine Vehicles, a Wiley Interscience Publication, John Wiley & Sons, New York
Rochani, Imam, 2007, Kajian Numerik
Perancangan Struktur Bangunan Peredam Gelombang Terapung, Jurusan Teknik
Kelautan, FTK-ITS
Carr, J.H., 1952. “Mobile Breakwater,” Proceedings of the Second Conference on Coastal Engineering, Berkeley, California, USA.
Macagno, E.O., 1953. “Fluid mechanics Experimental Study of Effect of The Passage of a Wave Beneath on Obstacle,” Proceedings of the Academic des Sciences, Paris, France.
Tsinker G., 1994. “Marine structure engineering: specialized application,” Chapman & Hall, International Thomson Publishing Inc.
