UJI MODEL FISIK FLOATING BREAKWATER : PENGARUH SUBMERGENCE PADA KOEFISIEN TRANSMISI DAN REFLEKSI
Bagus Teguh. , Haryo Dwito A. & Sujantoko
Abstract
Perkembangan floating breakwater telah meningkat secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Floating breakwater memberikan penyelesaian yang positif terhadap perkembangan breakwater konvensional. Dibandingkan dengan fixed breakwater, floating breakwater memiliki berbagai kelebihan karena lebih efektif, efisien dan fleksibel, sehingga floating breakwater banyak dikembangkan sebagai struktur peredam gelombang. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa pengaruh variasi submergence pada koefisien transmisi dan refleksi gelombang sebelum dan sesudah mengenai floating breakwater. Penelitian ini dimulai dengan pengujian fisik di laboratorium bawah air dan dasar laut, dengan parameter-parameter percobaan yang berbeda, yaitu tinggi gelombang, periode gelombang, dan tentunya dengan variasi submergence pada floating breakwater. Variasi submergence yang dilakukan dengan menenggelamkan rangkaian floating breakwater 0.25 ; 0.5 ; 0.75 bagian. Dari analisa yang telah dilakukan, floating breakwater terendam 0.75 bagian yang paling optimum dalam menahan gelombang, hal ini dapat dilihat dari koefisien transmisi (Kt) rata-rata sebesar 0.71, dan koefisien refleksi (Kr) rata-rata sebesar 0.607.
.
1. Pendahuluan
Perkembangan floating breakwater telah meningkat secara sigfnifikan dalam beberapa tahun terakhir. Floating breakwater dapat digunakan secara efektif pada area pantai dengan kondisi gelombang yang relatif ringan. Banyak penelitian yang mempelajari tentang floating breakwater (Dong, 2008; Neelamani, 2001; Gunaydin, 2007, etc). Menurut McCartney (1985) floating breakwater dapat diidentifikasikan dalam banyak jenis, diantaranya box, pontoon, mat, dan tethered float. Floating breakwater memiliki banyak keunggulan jika dibandingkan dengan fixed breakwater, diantaranya lebih ekonomis, efektif, efisien, simpel, mempunyai desain yang fleksibel sehingga mudah dipindah-pindahkan (Fousert, 2006). Tetapi floating breakwater ini memiliki keterbatasan juga dalam kinerjanya, akibat dipengaruhi oleh besarnya karakteristik gelombang datang yaitu periode dan panjang gelombang.
Penelitian ini akan melakukan penelitian lebih lanjut tentang floating breakwater berbentuk belah ketupat yang disusun berdasarkan enam konfigurasi yang akan diteliti dan akan diuji dengan berbagai variasi jarak dan beban gelombang (tinggi gelombang dan periode gelombang). Model ini akan diuji dalam wave flume pada Laboraturium Rekayasa Bawah Air dan Dasar Laut. Dari penelitian ini diharapkan akan diketahui konfigurasi jarak yang optimum dalam meredam beban gelombang dengan acuan nilai koefisien transmisi.
2. Transmisi gelombang
Transmisi adalah penerusan gelombang melalui suatu bangunan yang parameternya dinyatakan sebagai perbandingan antara tinggi gelombang yang ditansmisikan (Ht) dengan tinggi gelombang datang (Hi) atau akar dari energi gelombang transmisi (Et) dengan energi gelombang dating (Ei).
𝐾𝑡 = 𝐻𝑡𝐻𝑖 = �𝐸𝑡𝐸𝑖 (2.1)
dengan :
Hi = tinggi gelombang datang Ht = tinggi gelombang transmisi Ei = energi gelombang datang Et = energi gelombang transmisi
Perhitungan transmisi gelombang pada sebuah penghalang terapung bebas yang terendam hampir seluruhnya ke dalam air telah dirumaskan oleh Carr J.H. dalam Ippen, A.T (1966). Perhitungan koefisien transmisi dihasilkan berdasarkan hukum kekekalan energi tanpa memperhitungkan loss energy. Nilai koefisien transmisi dinyatakan dalam bentuk formula sebgai berikut :
𝐾𝑡 = 1 �1+�𝛾𝑤.𝐿.𝑑𝜋.𝑤 �2
(2.2)
dengan :
W = berat struktur tiap satun puncak gelombang γw = berat spesifik air (m)
L = panjang gelombang (m) d = kedalaman air (m)
3. Pemodelan Fisik
Dasar dari permodelan fisik adalah model yang akan diuji harus disesuaikan dengan prototype-nya, sehingga perilaku model akan mirip dengan keadaan prototype-nya. Meskipun dalam aplikasi di laboraturium kemungkinan tidak sama persis dengan kondisi di lapangan namun diusahankan dengan memperhatikan efek penyekalaan dan meminimalisir efek laboratorium. Keserupaan antara protoptype dengan model fisik dapat diperoleh jika semua faktor yang mempengaruhi reaksi, berada pada porsi yang sesuai antara kondisi sebenarnya dengan model. Untuk model pant, tiga kondisi umum dibawah ini harus dipenuhi untuk memperoleh kesamaan model (model similitude) (Hughes, Cohen, dan Acuff, 2008)
3.1. Sebangun Geometrik
Sebangun geometrik dipenuhi apabila bentuk model dan prototipe sebangun. Hal ini menyatakan ukuran panjang antara model dan prototype harus sebanding, jika skala model diberi notasi nL maka persamaan akan menjadi sebagai berikut (Hughes, 1993)
𝑛𝐿 = 𝐿𝑝 𝐿𝑚 (3.1) Dengan: nL = Skala panjang Lp = Panjang prototipe (m) Lm = Panjang model (m)
3.2. Sebangun Kinematik
Sebangun kinematik dipenuhi apabila aliran pada model dan prototipe sebangun. Menendakan bahwa kecepatan aliran di titik-titik yang sama pada model dan prototipe mempunyai arah yang sama dan sebanding. Berdasarkan kesebangunan kinematik dapat diberikan nilai-nilai skala :
• Skala Waktu : 𝑛𝑇=𝑇𝑝 𝑇𝑀 (3.2) • Skala Kecepatan : 𝑛𝑈 =𝑈𝑈𝑝 𝑚= 𝑙𝑝 𝑇𝑝 𝑙𝑚 𝑇𝑚 = 𝑛𝐿 𝑛𝑇 (3.3) • Skala Percepatan : 𝑛𝑎 = 𝑎𝑎𝑚𝑝 = 𝑙𝑝 𝑇𝑝2 𝑙𝑚 𝑇𝑚2 =𝑛𝐿 𝑛𝑇 (3.4) 3.3. Sebangun Dinamik
Sebangun dinamik sangat diperlukan dalam permodelan fisik. Hughes (1993), menyatakan bahwa pada bangunan pantai proses fisik yang terjadi dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Gaya-gaya tersebut meliputi gaya inersia, gaya tekan, gaya berat, gaya gesek dan gaya tegangan permukaan. Dalam penelitian ini kriteria kesebangunan yang harus dipenuhi adalah kriteria sebangun dinamik menurut kondisi bilangan froude. Bilangan froude dapat diekspresikan dengan ratio antara gaya inersia dengan gaya gravitasi.
Gaya inersia : Fi = ρl2v2 Gaya berat : Fg = ρl3g Gaya gesek : Fμ = μvl
Gaya tegangan permukaan : Fσ = σl Dimana: ρ = densitas fluida
L = panjang v = kecepatan
g = percepatan gravitasi µ = viskositas dinamik σ = tegangan permukaan
E = modulus Elastisitas
Sebangunan dinamik diekspresikan sebagai perbandingan gaya-gaya tersebut diatas sebagai bilangan tek berdimensi dan dinyatakan dalam kriteria-kriteria
a. Froude Number � 𝑣 �𝑔𝐿�𝑝 = � 𝑣 �𝑔𝐿�𝑚 (3.5) b. Reynold Number �𝜌𝑣𝐿 𝜇 �𝑝 = � 𝜌𝑣𝐿 𝜇 �𝑚 (3.6) c. Euler Number � 𝑃 𝜎𝑣2�𝑝 = � 𝑃 𝜎𝑣2�𝑚 (3.7) d. Weber Number �𝜌𝑣2𝐿 𝜎 �𝑝 = � 𝜌𝑣2𝐿 𝜎 �𝑚 (3.8) e. Cauchy Number �𝜌𝑣2 𝐸 �𝑝= � 𝜌𝑣2 𝐸 �𝑚 (3.9)
Rasio antara gaya gravitasi dan gaya inersia pada model dan prototipe harus sama, karena kedua gaya tersebut memiliki peranan yang penting didalam pemodelan, yang dinyatakan sebagai berikut:
𝑛𝐹𝑟 =(𝑛𝑛𝐿𝑢)0,5= 1 (3.10)
4. Model Percobaan
Untuk mendapatkan model yang memiliki keserupaan geometrik, maka penyekalaan prototipe harus sebaik mungkin dilakukan agar model benar-benar memiliki rasio semua dimensi linier yang sama. Dimensi linier yang dimaksud adalah panjang, lebar, tinggi, dan kedalaman air dengan rasio perbandingan Sehingga, diperoleh skala panjang 1:10
Tab el 2. Dimensi Model
5. Pelaksanaan Percobaan
Berikut adalah desain permodelan yang akan di ujikan di laboratorium wave floomtank jurusan Teknik Kelautan FTK-ITS.
Gambar 3 : model pengujian
Setelah model sudah terpasang atau tersusun di wave flume maka pengujian (running) dapat segera dilakukan sesuai desain pengujian yang telah dibuat, yakni dengan memasukkan data tinggi gelombang dan periode gelombang di komputer kendali. Gelombang yang dibangkitkan merupakan gelombang irrreguler. Desain pengujian model fisik floating breakwaterdapat terlihat pada tabel berikut
6. Analisa Data
Dari enam percobaan yang telah dilakukan setelah proses running dan dari parameter-parameter gelombang , didapatkan hasil koefisien gelombang refleksi yang telah diperoleh dari masing-masing model dengan tinggi dan periode gelombang tertentu. Data yang dihasilkan merupakan file hasil bacaan dari wavan probe yang memiliki besaran volt. Data volt tersebut berupa file *.TMH. Data tersebut yang nantinya akan menjadi data input untuk menganalisa lanjut kinerja floating breakwater. Data voltase dibaca dengan bantuan macro Refana Microsoft Excel, setelah dirubah menjadi besaran panjang (cm) dengan menggunakan persamaan kalibrasi wave probe. Setelah dirubah ke (cm) maka dirubah kembali ke satuan panjang (m) dengan cara hasil besaran panjang (cm) dibagi 100. Proses konversi data voltase menjadi data satuan panjang. Langkah berikutnya dari data yang sudah dalam bentuk satuan panjang (m) adalah mencari panjang gelombang signifikan (Hs) dan periode rata-rata (Taverage). Langkah ini dilakukan dengan menggunakan bantuan program wavan (Wave Analysis). Setelah mendapatkan hasil running dari program wavan yaitu Hs dan Tave langkah berikutnya, dapat dihitung koefisien transmisi (Kt) menggunakan program MATLAB.
4.2 Nilai Koefisien Transmisi dan Refleksi Pada Model
Dari percobaan yang di laksanakan, di dapatkan nilai-nilai transmisi dan bermacam-macam dari berbagai model yang ada. Pada percobaan model di wave flume digunakan beberapa parameter tinggi gelombang dan periode gelombang uji dimana rentang pengujian tinggi gelombang. Berikut tabel yang menunjukkan nilai-nilai transmisi yang di dapat selama hasil percobaan.
Gambar 4.3 Pengaruh kecuraman gelombang pada koefisien transmisi 2 floating breakwater.
Gambar 4.4 Pengaruh kecuraman gelombang pada koefisien transmisi 3 floating breakwater.
Gambar 4.5 Pengaruh kecuraman gelombang pada pada koefisien refleksi 2 floating breakwater
Gambar 4.6 Pengaruh kecuraman gelombang pada pada koefisien refleksi 3 floating breakwater
Pengaruh Lebar pada Model Terhadap Koefisien Transmisi dan Refleksi.
Adanya perbedaan yang timbul pada tinggi gelombang datang (Hi), tinggian gelombang transmisi (Ht) dan koefisien refleksi (Kr) serta koefisien transmisi (Kt), juga disebabkan oleh perbedaan lebar model yang diujikan. Dengan menggunakan 2 rangkaian dan 3 rangkaian floating breakwater, maka terdapat perbedaan dari hasil yang didapat. Berikut adalah grafik yang menunjukkan adanya pengaruh lebar model terhadap koefisien transmisi dan refleksi :
Gambar 4.7 Pengaruh lebar model terhadap koefisien transmisi 2 rangkaian floating breakwater
Gambar 4.8 Pengaruh lebar model terhadap koefisien transmisi 3 rangkaian floating breakwater
Sedangkan hubungan antara pengaruh lebar model (B/L) terhadap koefisien refleksi (Kr) dari masing-masing kedalaman dapat ditentukan dengan menggunakan parameter lebar model (B) dan panjang gelombang yang datang (L), seperti yang terlihat pada grafik dibawah ini.
Gambar 4.9 Pengaruh kecuraman gelombang pada pada koefisien refleksi 2 floating breakwater.
Gambar 4.10 Pengaruh kecuraman gelombang pada pada koefisien refleksi 3 floating breakwater.
Dari gambar diatas dapat dilihat untuk koefisien transmisi, semakin model memiliki lebar yang panjang, maka koefisien transmisi semakin kecil, yang berarti semakin baik dalam meredam gelombang. Sebaliknya untuk koefisien refleksi, semakin model memiliki lebar yang panjang, maka semakin besar koefisien refleksinya.
Pengaruh Kedalaman Terhadap Koefisien Transmisi dan Refleksi.
Adanya perbedaan yang timbul pada tinggi gelombang datang (Hi), tinggian gelombang transmisi (Ht) dan koefisien refleksi (Kr) serta koefisien transmisi (Kt), juga disebabkan oleh kedalaman yang diujikan. Dengan menggunakan 2 rangkaian dan 3 rangkaian floating breakwater, maka hasil yang didapat adalah sebagai berikut.
Gambar 4.11 Pengaruh submergence model terhadap koefisien transmisi 2 floating breakwater
Gambar 4.12 Pengaruh submergence model terhadap koefisien transmisi 3 floating breakwater
Gambar 4.13 Pengaruh submergence model terhadap koefisien refleksi 2 floating breakwater
Gambar 4.14 Pengaruh submergence model terhadap koefisien refleksi 2 floating breakwater
Dari gambar diatas dapat dilihat untuk koefisien transmisi, besar kedalaman perairan, maka koefisien transmisi semakin kecil, yang berarti semakin baik dalam meredam gelombang. Sebaliknya untuk koefisien refleksi, semakin rendah kedalaman, maka semakin besar koefisien refleksinya.
7. Kesimpulan
1. Berdasarkan hasil pengujian diperoleh nilai Kt pada konfigurasi 1 adalah (0.556-0.968) dengan rata-rata 0.802. Nilai Kt pada konfigurasi 2 (0.631-0.926) dengan rata-rata 0.836. Nilai Kt pada konfigurasi 3 (0.223-0.834) dengan rata-rata 0.7. Nilai Kt konfigurasi 4 (0.761-0.953) dengan rata-rata 0.858. Nilai Kt pada konfigurasi 5 (0.687-0.894) dengan rata-rata 0.803. Nilai Kt pada konfigurasi 6 (0.636-0.898) dengan rata-rata 0.748.
Untuk nilai Kr diperoleh pada konfigurasi 1 yaitu (0.299-0.889) dengan rata-rata 0.564. Nilai Kr pada konfigurasi 2 (0.126-0.870) dengan rata-rata 0.493. Nilai Kr pada konfigurasi 3 (0.182-0.969) dengan rata-rata 0.607. Nilai Kr konfigurasi 4 (0.218-0.871) dengan rata-rata 0.458. Nilai Kr pada konfigurasi 5 (0.201-0.868) dengan rata-rata 0.501. Nilai Kr pada konfigurasi 6 (0.242-0.923) dengan rata-rata 0.573.
2. Konfigurasi yang paling optimum pada pengujian kali ini adalah, konfigurasi 3, dimana pada konfigurasi ini mempunyai nilai koefisien transmisi (Kt) yang terkecil, yaitu dengan rata-rata 0.7, terbesar 0.833 dan terkecil 0.223. sedangkan untuk nilai koefisien refleksi (Kr) rata-rata 0.607, terbesar 0.969 dan terkecil 0.182.
Daftar Pustaka
Bhattacharyya, 1972, Dynamic of Marine Vehicles, a Wiley IntersciencePublication, John Wiley&Sons, New York.
Carr, J. H., 1966, Estuari and Coastel Line Hidrodinamik, McGraw-Hill Book Company, USA.
Dong, G. H., 2008, Experiments on wave transmission coefficient of floating breakwater, Ocean Engineering 35, 931–938, 2008.
Fousert, M. W., 2006, Floating breakwater: a Theoretical Study of a Dynamic Wave Attenuating System, Section of Hidraulic Engineering, Faculty of Civil Engineering and Geosciences, Delft University of Technology, Netherland Hales, Lyndell Z., 1981, Floating breakwater: State-of-the-Art, Literature Preview, TR
81-1, U.S. Army Coastal Engineering Research Center, CE, Fort Belvoir, Va. Hughes, S.A., 1993, Physical Models and Laboratory Techniques in Coastal Engineering,
Coastal Engineering Research Center, USA.
Kurniawidhi, Dimas, 2011, Refleksi Oleh Floaton Floating Breakwater Tipe Zig-Zag,
Ocean Engineering, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Indonesia.
Mani, J. S., 1991, Design of Y-Frame Floating Breakwater, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, Vol. 117, No.2
McCartney, Bruce, L., 1985, Floating breakwater Design, this paper is part of the
Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, Vol. 111, No. 2 Neelamani, S., 2001, Wave Interaction with ┴-type Breakwaters, Ocean Engineering 29
(2002) 561–589
PIANC, 1994, Floatings Breakwater A Practical Guide for Design and
Construction, Report of Working Group No.13 of The Permanent Technical Comitte II : Brussel, Belgium.
Ridwan, Abdullah, M., 2011, Perangkat Lunak Terpadu pada Analisa Model Gelombang Acak pada Saluran Gelombang Jurusan Teknik Kelautan ITS, Ocean Engineering, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Indonesia.
