IV-1 IV.1 Perhitungan Beban Benda Uji
Langkah awal dalam perhitungan benda uji adalah mengetahui kekakuan pada pegas, ∆L pada pegas pada waktu di darat = 50cm. Adapun massa foil 1 = 0,423kg, foil 2 = 0,387kg, foil 3 = 0,436kg, sedangkan pipa 1 = 1,102kg dan pipa 2 = 1,104kg. Sehingga massa total pipa yang telah dipasangkan adalah 3,452kg.
Maka didapatkan kekakuan (K) pegas pada waktu di darat = 67,998 kg/s2.
Sedangkan pada waktu di air ∆L = 21cm dan dari kekakuan pegas yang didapatkan pada waktu di darat, sehingga didapatkan pula berat benda uji (W) pada waktu di air adalah 14,27kgm/s2.
Sedangkan tekanan yang ditimbulkan dari benda uji adalah : P = A
W
= , , 14,27, , = 3521,718N/m2.
IV.2 Perhitungan Gaya Gelombang
Perhitungan beban gelombang pada benda uji menggunakan persamaan 2.11. variable-variabel yang harus diketahui adalah nilai ω (frekuensi sudut gelombang), k (bilangan gelombang), kecepatan partikel air arah vertikal, percepatan partikel air arah vertikal (ay) dan gaya gelombang persatuan luas arah sumbu y (fy), sehingga diperoleh gaya gelombang (Fy).
Nilai dari (Frekuensi sudut gelombang) dan k (angka gelombang) dapat terlebih dahulu dihitung. Pada perhitungan gaya gelombang, hanya ditinjau pada empat tititk dimana merupakan gaya dari variasi peletakan foil yaitu (0,65m, 0,60m dan 0,55m) untuk T = 1,2s selengkapnya dapat dilihat pada lampiran.
k = λ π
2 = 2 x 3,14
2,22 = 2,828rad/s
ω = T π 2 =
2 , 1
14 , 3 2
= 5,233rad/s
a. Kecepatan Partikel air arah horizontal (u) dan vertical (v).
u =ωH 2
cosh ky
sinh kh cos ( )
= 5,233 x 0,078
2
x
cosh (2,8sinh (2,828 x 0,7)28 x 0,65) cos (5,233 x 1,2)= 1,3467m/s v = ωH
2
sinh ky
sinh kh sin ( )
= 5,233 x 0,078
2
x
sinh (2,8sinh (2,828 x 0,65)28 x 0,7) sin (5,233 x 1,2)
= 0,0047m/s
Dengan perhitungan yang sama maka diperoleh nilai u dan v untuk titik tinjauan berikut :
Tabel 4.1 Nilai u dan v
titik y (m) u (m/s) v (m/s) 0,65 1,3467 0,0047 0,60 1,3466 0,0044 0,55 1,3465 0,0040
b. Percepatan partikel air untuk arah horizontal (ax) dan vertical (ay).
̇
x =
sin( )
= 5,233
2x 0,07 2
cosh (2,828 x 0,65)
sinh (2,828 x 0,78)sin (5,233 x 1,2)
= 0,465325m/s2
̇
y = cos( )
= 5,233
2x 0,07 2
sinh (2,889 x0,65)
sinh (2,889 x 0,7) cos (5,233 x 1,2)
= 0,135633m/s2
Dengan perhitungan yang sama maka diperoleh nilai ax dan ay untuk titik tinjauan berikut :
Tabel 4.2 Nilai ̇xdan ̇y
c. Gaya gelombang persatuan luas pada sumbu x dan y adalah:
fx1=
̇( ) + ( )| ( )|
= 3,14
4 1000 x 1,6 x 0,05082 x 0,465325+121000 x 0,65 x 0,0508 x 1,3467|1,3467|
= 31,44732N/m
fx2=
̇( ) + ( )| ( )|
= 3,14
4 1000 x 1,6 x 0,05082 x 0,465325+121000 x 0,65 x 0,0508 x 1,3467|1,3467|
= 31,44732N/m
Σfx= fx1 + fx2 = 62,895N/m
titik y (m) ̇x(m/s2) ̇y(m/s2) 0,65 0,465325 0,135633 0,60 0,465289 0,125196 0,55 0,465257 0114761
fy1= ̇( ) + ( )| ( )|
= 3,144 1000 x 1,6 x 0,05082(0,135633)+121000 x 0,65 x 0,0508 x 0,047|0,047|
= 0,4399N/m
fy2= ̇( ) + ( )| ( )|
= 3,14
4 1000 x 1,6 x 0,05082(0,135633)+121000 x 0,65 x 0,0508 x 0,047|0,047|
= 0,4399N/m
Σfy= fy1 + fy2 = 0,880N/m
Dengan perhitungan yang sama maka diperoleh nilai gaya gelombang per satuan luas pada sumbu x dan y untuk titik tinjauan berikut
Tabel 4.3 Nilai fxdan fy
titik y (m) fx(N/m) fy(N/m)
0,65 62,895 0,880
0,60 62,885 0,812
0,55 62,877 0,744
d. Gaya gelombang keseluruhan adalah:
Fx= fxx l
= 62,895 x 0,01 = 0,62895N
Fy= fyx l
= 0,880 x 0,01
= 0,0088N
Dengan perhitungan yang sama maka diperoleh nilai gaya gelombang keseluruhan untuk titik tinjauan berikut
Tabel 4.4 Nilai Fxdan Fy
Nilai dari l adalah jarak antara setiap titik sumbu yaitu 0,01m.
Jadi total keseluruhan untuk gaya gelombang pada titik (0;0,65) adalah : F = +
= 0,062895 + 0,0088 = 0,6290N
Dengan perhitungan yang sama maka diperoleh nilai total gaya gelombang untuk titik tinjauan berikut :
Tabel 4.5 Nilai F
titik y (m) Ftotal(N)
0,65 0,6290
0,60 0,6289
0,55 0,6288
titik y (m) Fx(N) Fy(N) 0,65 0,62895 0,0088 0,60 0,62885 0,0081 0,55 0,62877 0,0074
IV.3 Perhitungan Gaya Foil
Gaya yang ditimbulkan foil diakibatkan karena adanya kecepatan partikel air yang disebabkan gelombang. Adapun luas dari permukaan foil adalah :
Luas penampang foil:
(A) = b x l
= 0.065 x 1.15
= 0,075m2
Ada dua gaya yang yang dihasilkan pada foil akibat dari kecepatan partikel air, Gaya lift dan gaya drags. Letak foil pada pipa berada pada ketinggian 0,65m, 0,60m, dan 0,65m. Untuk posisi foil 65 cm :
A Cl u Fl . . . .
2
1 2
= 1
2 x 1000 x (1,3467)2x 0,4 x 0,075 = 27,201N
A Cd u Fd . . . .
2
1 2
= 1
2 x 1000 x (1,3467)2x 0,06 x 0,0,75 = 0,4080N
Dengan perhitungan yang sama didapatkan FL dan Fd untuk masing-masing posisi foil yaitu :
Tabel 4.6 Nilai Fl dan Fd Posisi (m) Fl (N) Fd (N)
0,65 27,201 4,080
0,60 27,197 4,0795
0,55 27,193 4,0789
4,0788 4,079 4,0792 4,0794 4,0796 4,0798 4,08 4,0802
54 56 58 60 62 64 66
Hubungan foil dan Fd
Gambar 4.1 Grafik hubungan posisi foil dengan gaya lifting(FL)
Gambar 4.2 Grafik hubungan posisi foil dengan gaya Drag(Fd)
Sedangkan gaya vertikal keseluruhan yang dihasilkan pipa dengan foil pada saat gelombang menerpa pipa adalah jumlah gaya lift dengan berat pipa itu sendiri.
27,192 27,193 27,194 27,195 27,196 27,197 27,198 27,199 27,2 27,201 27,202
54 56 58 60 62 64 66
Hubungan foil dan Fl
Posisi foil pada pipa (cm)
Posisi foil pada pipa (cm)
Fd (N)Fl (N)
Untuk posisi foil 0,65 m dan sudut kemiringan 175°
FLW = Fl + W + Fxsin α°
= 27,201 + 14,21 + 0,62895 sin 175°
= 41,526N
Total gaya horizontal yang menerpa pipa dengan foil adalah jumlah gaya gelombang ditambah dengan gaya drag yang ditimbulkan foil:
FGD = Fx+ Fd + Fxcos α°
= 32,061 + 4,080 + 0,48319 cos 175°
= 36,768N
Dengan perhitungan yang sama maka akan diperoleh total gaya yang menerpa pipa dan foil pada masing-masing posisi foil yaitu :
Tabel 4.7 Total gaya yang bekerja pada pipa dan foil
Posisi
(m) sudut
kemiringan FLW(N) FGD(N)
0,65 180° 41,47085 36,77022
0,65 175° 41,52567 36,76782
0,65 170° 41,58007 36,76066
0,65 160° 41,68596 36,73229
0,65 185° 41,41603 36,76782
0,65 190° 41,36163 36,76066
0,65 200° 41,25574 36,73229
0,6 180° 41,46671 36,7695
0,6 175° 41,52152 36,76711
0,6 170° 41,57591 36,75995
0,6 160° 41,68179 36,73158
0,6 185° 41,4119 36,76711
0,6 190° 41,35751 36,75995
0,6 200° 41,25163 36,73158
0,55 180° 41,4629 36,76884
0,55 175° 41,5177 36,76645
0,55 170° 41,57208 36,75929
0,55 160° 41,67795 36,73092
0,55 185° 41,40883 36,76645
0,55 190° 41,35371 36,75929
0,55 200° 41,24785 36,73092
IV.4 Perhitungan dengan menggunakan vektor gaya
Ada empat gaya yang bekerja pada benda uji, yaitu gaya gelombang, gaya drag, gaya lift dan berat benda seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 4.3 Vektor Gaya pada foil
FΣx
Fd Fl
W
Dimana nilai dari Gaya gelombang, Gaya drag dan Gaya lift telah diketehui, tetapi untuk menentukan resultan gaya pada foil digunakan gaya lift, gaya drag dan gaya gelombang, yang posisinya tepat menerpa foil (dengan titik koordinat x = 0m dan y = 0,65m dan sudut kemiringan foil sebesar 175°) :
FΣx= 32,0614N Fd = 4,080N Fl = 27,201N W = 14,27N
Seperti terlihat pada gambar dibawah bahwa dua gaya atau lebih yang terdapat pada garis kerja gaya yang sama (segaris) dapat langsung dijumlahkan (jika arah sama/searah) atau dikurangkan (jika arahnya berlawanan).
Gambar 4.4 Vektor dan resultan gaya
Sehingga dapat dilakukan perhitungan vektor dengan rumus : FR = (FLW2 + FGD2 )
= (41,5256)2+ (36,7638)2
= 55,4571N
Jadi resultan gaya yang dihasilkan oleh semua gaya yang bekerja pada benda adalah FR= 55,4571N
Sedangkan untuk nilai sudut α dan β adalah : cos β = FGD
FR cos β =36,7638
55,4571
cos β = 0,6629 → α = 48,48°
Gaya yang dihasilkan foil pada saat percobaan adalah gaya lift dan gaya drag serta resultan gaya lift dan drag. Arah serta sudut dan nilai gaya foil dapat dilihat seperti pada gambar di bawah ini :
cos α = FLW
FR
cos α = 41,5256
55,4571
cos α = 0,8570 → β = 36,61°
Gambar 4.5 Nilai Vektor Gaya pada Foil
Gaya keseluruhan yang bekerja pada benda uji adalah gaya gelombang, gaya lift, gaya drag, resultan gaya lift dan drag, dan berat benda uji sendiri. Gaya- gaya tersebut dapat dilihat seperti pada gambar di bawah ini :
FLW = 41,5256N FGD= 36,7638N
FR = 55,4517N β = 48,48°
α = 36,61°
Gambar 4.6 Gaya Keseluruhan yang bekerja pada Benda Uji
Adapun tekanan yang terjadi pada pipa dengan foil pada saat gelombang menerpa adalah:
P = A F
=61,1467
0,10925 = 362,7359N/m2.
Fl = 27,1929
Fd = 4,0789N
FR = 61,2826N W = 14,27N
IV.5 Pembahasan Hasil Penelitian
Perpindahan pada struktur dapat diukur pada saat eksperimen berlangsung maupun melalui perhitungan dengan menggunakan persamaan 2.16. Perpindahan yang terjadi dapat berupa perpindahan arah horizontal (x) maupun perpindahan arah vertikal (y).
IV.5.1 Perpindahan Pipa dengan Pengamatan Langsung
Perpindahan struktur arah horizontal (x) terbesar pada model melalui pengamatan langsung pada setiap percobaan adalah sebagai berikut:
Percobaan pada kedalaman 65 kemiringan 175° adalah :
Tabel.4.8 percobaan posisi 65 kemiringan 175° pada pile A Multifoil Kedalaman 65 cm kemiringan 175° pile A
Detik I II III IV V Rata-rata
0 0 0 0 0 0 0
0,1 2,5 2,8 2,5 4,2 2,2 2,84
0,2 4,6 6,6 4,6 7,2 3,8 5,36
0,3 6,2 9,1 7,3 9,2 5,4 7,44
0,4 6,8 10,2 9,2 10,3 6 8,5
0,5 6,5 8,4 10 9 5,6 7,9
0,6 4,4 4,6 9,2 5,8 4,3 5,66
0,7 1,5 -0,8 5,1 1,2 2,2 1,84
0,8 -1,6 -5,8 -0,8 -4,4 -0,8 -2,68
0,9 -5,4 -9,8 -5,6 -8,9 -2,8 -6,5
1 -6,4 -11,8 -9,8 -10,8 -5,8 -8,92
1,1 -7 -10,5 -11,2 -10,4 -6,8 -9,18
1,2 -5,5 -6,8 -9,8 -6,8 -6,5 -7,08
1,3 -2,5 -3,6 -5,6 -2,2 -3,8 -3,54
1,4 1,6 2,2 -0,4 3,2 -0,5 1,22
1,5 5,6 7,8 4,2 7,8 3,5 5,78
1,6 9,2 10,8 8,6 11,2 7 9,36
1,7 10,7 12,8 11,8 12,8 9,6 11,54
1,8 10,5 11,8 13,4 12,4 11,2 11,86
1,9 7,6 7,5 12,4 8,8 10,6 9,38
2 1,6 1,2 8,6 3,4 8 4,56
2,1 -4,2 -4 1,2 -2,6 3,2 -1,28
2,2 -9,2 -7,8 -3,5 -7,2 -2,6 -6,06
2,3 -12 -9,2 -6,5 -9,2 -7,8 -8,94
2,4 -11,5 -8,2 -9,4 -8,6 -10,9 -9,72
Gambar 4.7 Grafik percobaan kedalaman 65
Adapun grafik percobaan selanjutnya dapat dilihat pada lampiran.
Tabel 4.9 Perpindahan
Posisi Foil (cm) Tanpa Foil
65 60 55 65 65 65 65 66 65 60 60 60 60 60 60 55 55 55 55 55 55
Gambar 4.7 Grafik percobaan kedalaman 65° kemiringan 175
Adapun grafik percobaan selanjutnya dapat dilihat pada lampiran.
Perpindahan struktur melalui pengamatan langsung Pile A dan pile B
sudut
kemiringan Gerak Rolling A
(cm) Gerak Rolling (cm)
180° 10,22 10,16
180° 11,58 10,7
180° 9,16 9,14
180° 10,66 10,44
175° 12,18 11,68
170° 12,2 11,88
160° 11,04 10,7
185° 10,02 9,92
190° 9,34 9,2
200° 7,58 7,7
175° 11,68 11,42
170° 11,64 11,24
160° 8,42 8,66
185° 10,94 10,92
190° 9,76 9,8
200° 9,84 9,94
175° 10,52 10,82
170° 11,84 11,62
160° 9,88 9,8
185° 11,42 10,94
190° 10,26 10,18
200° 9,18 9,36
kemiringan 175°
Adapun grafik percobaan selanjutnya dapat dilihat pada lampiran.
Pile A dan pile B
Gerak Rolling B (cm) 10,16 10,7 9,14 10,44 11,68 11,88 10,7 9,92 9,2 7,7 11,42 11,24 8,66 10,92
9,8 9,94 10,82 11,62 9,8 10,94 10,18 9,36
Dari hasil pengamatan langsung maka dapat diketahui gerak rolling terbesar terjadi pada posisi foil di kedalaman 65 dan bersudut 175° dengan besar simpangan 12,18cm untuk pile A dan 11,68cm untuk pile B. Sedangkan utuk gerak rolling terkecil terjadi pada posisi foil di kedalaman 65 dan bersudut 200°
dengan besar simpangan 7,58cm untuk pile A dan 7,7cm pada pile B. (data selanjutnya dapat dilihat pada lampiran)
IV.5.2 Analisa Gerak Foil dan Pile IV.5.2.1 Gerak Rolling
Selain dengan mengukur langsung melalui eksperimen, simpangan yang terjadi pada struktur arah horizontal juga dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.15. Variabel-variabel yang harus diketahui adalah total gaya arah horizontal dan total gaya vertikal.
Adapun simpangan yang terjadi pada kedalaman 0,65m dan sudut kemiringan foil 175° adalah:
tan = ℎ ℎ
ℎ tan = 36,7638
41,5256 tan = 0,8854
= atan 0,8854
= 41,52°
Dengan jarak simpangan (x) : tan =
tan 41,52° = 0,8
= 0,53219952
y adalah panjang pegas pengikat pipa dalam satuan meter.
Dengan perhitungan yang sama maka diperoleh nilai dari besar sudut dan jarak simpangan yang terjadi pada titik tinjauan berikut :
Tabel 4.10 Besar simpangan yang terjadi pada struktur
Posisi
(m) sudut
kemiringan Jarak Simpangan Y
(m) besar sudut
simpangan Jarak Simpangan X (m)
0,65 180° 0,8 41,541 0,531599195
0,65 175° 0,8 41,508 0,530984528
0,65 170° 0,8 41,476 0,530387274
0,65 160° 0,8 41,380 0,528599043
0,65 185° 0,8 41,573 0,53219952
0,65 190° 0,8 41,605 0,532798568
0,65 200° 0,8 41,669 0,533998449
0,6 180° 0,8 41,540 0,531582372
0,6 175° 0,8 41,508 0,530984528
0,6 170° 0,8 41,477 0,530405929
0,6 160° 0,8 41,380 0,528599043
0,6 185° 0,8 41,573 0,53219952
0,6 190° 0,8 41,605 0,532798568
0,6 200° 0,8 41,669 0,533998449
0,55 180° 0,8 41,541 0,531599195
0,55 175° 0,8 41,508 0,530984528
0,55 170° 0,8 41,476 0,530387274
0,55 160° 0,8 41,380 0,528599043
0,55 185° 0,8 41,573 0,53219952
0,55 190° 0,8 41,605 0,532798568
0,55 200° 0,8 41,669 0,533998449
IV.5.3 Pipa Dengan Foil Tanpa Sudut Kemiringan
Dari analisa perhitungan gerak rolling, untuk model foil 65cm tanpa sudut kemiringan diperoleh besar sudut simpangan 41,541° dan jarak simpangan 53,15cm sedangkan model dengan foil 65cm dan sudut kemiringan 160° diperoleh besar sudut simpangan 40,380° dan jarak simpangan 52,85cm. Dari hasil tersebut terlihat bahwa gerak rolling model yang dilengkapi foil bersudut kemiringan lebih kecil dari pada model foil tanpa kemiringan. Hal ini disebabkan karena adanya sudut terpaan gelombang pada foil yang memberikan gaya lifting negatif (ke bawah) sehingga mengurangi gerak rolling.
IV.5.4 Pipa Dengan Foil Bersudut Miring
Dari analisa perhitungan gaya lift dan drag, pada model untuk 3 variasi peletakan foil pada pipa yaitu 65cm, 60cm, dan 55cm serta 6 variasi sudut kemiringan foil yaitu 175°, 170°, 180°, 185°, 190°, dan 200° didapatkan gerak rolling terbesar dihasilkan oleh model dengan posisi foil kedalaman 65cm dengan sudut kemiringan foil 200° yaitu besar sudut simpangan 41,669° dan jarak simpangan 53,39cm , dan gerak rolling terkecil dihasilkan oleh model dengan posisi 65 cm dengan sudut kemiringan foil 160° yaitu besar sudut simpangan 41,380° dan jarak simpangan 52,85cm. Dari hasil tersebut terlihat bahwa model dengan posisi foil 65cm dengan sudut kemiringan foil 160° menghasilkan gerak rolling yang paling kecil sehingga dapat memberikan daya tahan yang terbesar terhadap model.
IV.5.5 Diskusi Hasil Penelitian
Dari hasil percobaan yang dilakukan timbul kasus yang belum diketahui sebelumnya, sehingga dilakukan diskusi yang menghasilkan:
a. Kasus pertama, dari hasil percobaan benda uji yang diujikan adalah apabila dibandingkan dengan percobaan sebelumnya yang menggunakan 1 foil dengan menggunakan sudut kemiringan pada 1 pile yang berdiameter 3inc maka didapatkan gerak rolling yang lebih kecil. Tetapi terdapat batasan masalah (benda uji) yang berbeda dari percobaan ini dengan percobaan sebelumnya yaitu diameter pile yang digunakan sebesar 2inc dan dimensi foil lebih kecil sesuai dengan perbandingan pile yang digunakan.
b. Kasus kedua, dari ketiga jarak antara pipa yang diujikan, didapatkan jarak pipa yang paling baik adalah 41,33cm, sehingga pada jarak inilah yang menjadi acuan dari perhitungan pada penelitian ini.
c. Kasus ketiga, posisi foil yang semakin dalam dengan sudut tertentu akan mendapatkan perbedaan gerakan pada pile A dan pile B walaupun dalam kondisi yang sama seperti panjang gelombang, periode gelombang, dan waktu yang sama. Hal ini disebabkan ketika gelombang bergerak naik dan turun. Partikel air berada dalam satu tempat, bergerak di suatu lingkaran, naik dan turun dengan suatu gerakan kecil dari sisi satu kembali ke sisi semula. Gerakan ini memberi gambaran suatu bentuk gelombang. Pile
yang mengapung di air pindah ke pola yang sama, naik turun di suatu lingkaran yang lambat, yang dibawa oleh pergerakan air. Tetapi di bawah permukaan, gerakan berputar gelombang itu semakin mengecil. Ada gerak orbital yang mengecil seiring dengan kedalaman air, sehingga kemudian di dasar hanya akan meninggalkan suatu gerakan kecil apalagi disebabkan oleh adanya posisi foil bersudut.
d. Kasus keempat, dengan hasil dari percobaan yang menyatakan posisi gerak rolling terkecil pada kedalaman 65 sudut 200° yang dihubungkan dengan gerak heaving terkecil pada kedalaman 60 sudut 175°. Hal ini merupakan masalah yang harus diperhatikan pada penilitian selanjutnya, ada baiknya posisi di atas dilakukan pada percobaan secara bersamaan.
e. Kasus kelima, adanya perbedaan hasil dari pengamatan langsung dan analisa data, ini terjadi karena pada analisa data terdapat asumsi-asumsi yang digunakan yang sebenarnya tidak sesuai dengan asumsi yang kita gunakan. Sehingga dalam kasus ini kami menggunakan hasil dari pengamatan langsung tanpa mengacuhkan hasil dari analisa data.
Dari hasil-hasil diskusi di atas, diharapkan dapat menjadi refrensi serta acuan pada percobaan lain yang menggunakan multifoil.
