LAPORAN AKHIR PENELITIAN KEMITRAAN DANA ITS 2020

(1)

LAPORAN AKHIR

PENELITIAN KEMITRAAN

DANA ITS 2020

Tim Peneliti :

Haryo Dwito Armono, ST., MEng., PhD (Teknik Kelautan/FTK)

Dr. Ir. Wahyudi Citrosiswoyo, MSc (Teknik Kelautan/FTK)

Dr. Ir. I Ketut Suastika, MSc (Teknik Perkapalan/FTK)

Andi Kurniawan (PT. Rekabhumi Segarayasa Bestari)

Rancang Bangun Struktur Komposit Rangka Beton dan Batu Alam untuk

Bangunan Pelindung Pantai

DIREKTORAT RISET DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

(2)

LEMBAR PENGESAHAN LAPORAN AKHIR

1. Judul Penelitian : Rancang Bangun Struktur Komposit Rangka Beton dan Batu Alam untuk Bangunan Pelindung Pantai

2. Ketua Tim

a. Nama : Haryo Dwito Armono, ST.,MEng., PhD b. Jenis Kelamin : Laki-laki

c. NIP : 19681008 199512 001

d. Jabatan Fungsional : Lektor Kepala e. Pangkat/Gol. : Pembina IV/a

f. Fakultas / Jurusan : Fakultas Teknologi Kelautan / Departemen Teknik Kelautan

g. Laboratorium : Infrastruktur Pantai dan Pelabuhan

h. Tim :

No Nama Lengkap Peran dalam

Tim Fakultas/Jurusan/Unit

Instansi/Perguruan Tinggi

1 Dr. Ir. I Ketut

Suastika M.Sc Anggota

Fakultas Teknologi Kelautan/ Departemen Teknik Perkapalan

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

2 Dr. Ir. Wahyudi

M.Sc Anggota

Fakultas Teknologi Kelautan/ Departemen Teknik Kelautan

Institut Teknologi Sepuluh Nopember 3 DONY KUSUMA NUGROHO Mahasiswa Institut Teknologi Sepuluh Nopember

4 WIDDI UMARI Mahasiswa Institut Teknologi

Sepuluh Nopember

5 Andi Kurniawan Anggota Luar ITS PT. Rekabhumi

Segarayasa Bestari 3. Dana dan Waktu :

i. Jangka waktu program yang diusulkan : 3 tahun

j. Biaya yang diusulkan : Rp 180.000.000,- k. Biaya yang disetujui tahun 2020 : Rp 60.000.000,-

Surabaya, 27 September 2020

Mengetahui

Kepala Pusat Penelitian Sains dan Teknologi Kelautan – Kebumian

Ketua Tim Peneliti

Prof. Ir. I Ketut Aria Pria Utama, M.Sc. Ph.D NIP. 196704061992031001

Haryo Dwito Armono, ST, MEng, PhD NIP. 19680810 1995121001

Mengesahkan Direktur DRPM ITS

Agus Muhamad Hatta S.T, M.Si, Ph.D. NIP. 197809022003121002

(3)

Daftar Isi

Daftar Isi ... i

Daftar Tabel ... ii

Daftar Gambar ... iii

Daftar Lampiran ... iv

BAB I RINGKASAN ... 1

BAB II HASIL PENELITIAN... 2

II.1 Pendahuluan ... 2

II.1.1 Latar Belakang ... 2

II.1.2 Tujuan dan sasaran ... 3

II.2 Tinjauan Pustaka ... 3

II.3 Metodologi Penelitian ... 5

II.3.1 Tahapan Penelitian ... 5

II.3.2 Tahap 1 - Tahun I ... 6

II.4 Hasil Penelitian Tahun I ... 8

II.4.1 Smoothed Particle Hydrodynamics ... 8

II.4.2 Metodologi ... 9

BAB III STATUS LUARAN ... 15

BAB IV KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN ... 16

BAB V RENCANA TINDAK LANJUT PENELITIAN ... 17

BAB VI DAFTAR PUSTAKA ... 18

(4)

Daftar Tabel

Tabel II.1. Jenis Batu Pelindung dan Tahun Pemakaiannya untuk pertama kalinya ... 3

Tabel II.2. Pengelompokan Batu Pelindung berdasarkan bentuknya (Bakker, dkk 2003) ... 4

Tabel II.3. Pengelompokan Batu menurut penempatan dan stabilitasnya (Bakker, dkk 2003) ... 5

Tabel II.4. Konfigurasi Pengujian ... 11

Tabel IV.1. Jadwal kegiatan penelitian. ... 16

(5)

Daftar Gambar

Gambar II.1. Pemecah Gelombang Ambang Rendah (PeGAR) ... 2 Gambar II.2. Berbagai jenis batu pelindung (USACE,2000) ... 2 Gambar II.3. Sejarah Perkembangan Batu Pelindung dengan Penempatan Acak (Redijk dkk, 2005) .... 4

(6)

Daftar Lampiran

1. Ringkasan Luaran Penelitian

2. Artikel terpublikasi dalam Seminar Internasional ISOCEEN 2020 3. Pernyataan Kesanggupan Mitra Penelitian

(7)

BAB I RINGKASAN

Salah satu cara untuk mereduksi energi gelombang yang datang mendekati pantai yang berpotensi menggerus pantai dan sekaligus merehabilitasi kerusakan ekosistem adalah dengan membuat struktur pelindung pantai berupa Rubblemound Breakwater atau Revetment (Rip-rap) apabila terletak di garis pantai. Struktur ini umumnya terdiri dari tumpukan batu alam sebagai batu pelindung (armour unit) yang disusun hingga dengan sudut kemiringan tertentu. Terkadang struktur tersebut dibuat dengan ambang (puncak) yang terletak di bawah elevasi muka air laut atau lazim disebut PeGAR(pemecah gelombang ambang rendah)

Demi menjaga kelestarian lingkungan, pemakaian batu alam sebagai batu pelindung struktur rubblemound perlu dibatasi. Untuk itu, batu-batu pelindung struktur breakwater sebaiknya terbuat dari kombinasi beton dan batu alam dengan stabilitas hidraulik yang cukup. Tetrapod, Dolos, A-Jack, adalah contoh batu pelindung buatan struktur pantai yang dipakai secara luas di Indonesia. Hak Cipta batu-batu buatan sebagian besar dimiliki oleh

pihak asing / luar, sehingga dalam setiap konstruksi bangunan pantai yang menggunakan

batu-batu buatan tersebut, pemerintah harus membayar royalti untuk pemakaian batu-batu tersebut. Selain itu pemakaian dan penggunaan batu-batu pelindung tersebut harus menggunakan teknologi dan peralatan yang memadai, sehingga untuk daerah-daerah yang terpencil agak sulit dilaksanakan.

Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan inovasi baru batu pelindung buatan

komposit, rangka beton dan batu alam, yang memiliki kinerja cukup baik dan mudah

untuk dikerjakan dilapangan. Batu pelindung akan didesain agar menghasilkan struktur pantai yang ramah lingkungan, memiliki stabilitas hidraulik yang baik, sehingga memiliki koefisien stabilitas yang cukup tinggi, serta mudah dalam proses produksi dan

pemasangannya dilapangan. Hasil-hasil penelitian juga akan dipublikasikan pada Jurnal

dan Seminar Internasional bereputasi dan terindeks scopus.

Keyword : Batu pelindung komposit; Rubblemound Breakwater; Ramah Lingkungan, Stabilitas hidraulik

(8)

BAB II HASIL PENELITIAN

II.1 Pendahuluan

II.1.1 Latar Belakang

Salah satu cara untuk mereduksi energi gelombang yang datang mendekati pantai yang berpotensi mengerosi pantai dan sekaligus merehabilitasi kerusakan Terumbu Karang adalah dengan membuat struktur pelindung pantai sebagai Terumbu Buatan. Struktur yang dimaksud berupa breakwater dengan ambang (puncak) yang terletak di bawah elevasi muka air laut atau lazim disebut PeGAR(pemecah gelombang ambang rendah) (Sulaiman, 2016). Struktur terdiri dari tumpukan batu (alam atau buatan) sebagai batu pelindung (armour unit) yang disusun hingga mencapai ketinggian sedikit di bawah muka air saat surut. Struktur ini dipandang sebagai struktur yang ramah lingkungan, karena memungkinkan sirkulasi arus perairan dan memfasilitasi peningkatan biodiversitas perairan. Gambar II.1 berikut menunjukkan tipikal struktur Pemecah Gelombang Ambang Rendah (PeGAR)

Gambar II.1. Pemecah Gelombang Ambang Rendah (PeGAR)

Demi menjaga kelestarian lingkungan, pemakaian batu pecah dari alam sebagai batu pelindung struktur PeGAR sangat tidak disarankan. Untuk itu, batu-batu pelindung struktur PeGAR sebaiknya terbuat dari beton dengan berbagai bentuk dan kemampuan interlocking yang bervariasi. Tetrapod, Dolos, A-Jack, adalah contoh batu pelindung buatan struktur pantai yang dipakai secara luas di Indonesia. Gambar II.2 di bawah ini menunjukkan berbagai jenis dan tipe Batu Pelindung yang sering digunakan dalam struktur pelindung pantai di Indonesia.

(9)

Seluruh Hak Cipta batu-batu buatan di Error! Reference source not found. di atas d imiliki oleh pihak asing / luar Indonesia. Sehingga, dalam setiap konstruksi bangunan pelindung pantai yang menggunakan batu-batu buatan tersebut, pemerintah atau pemilik

pekerjaan di Indonesia harus membayar royalti untuk pemakaian batu-batu tersebut dalam konstruksi struktur pantainya. Hal ini tentunya sangat tidak mendukung upaya pemerintah untuk meningkatkan persentase pemakaian komponen dalam negeri (TKDN) dalam setiap kegiatan perlindungan pantai di Indonesia.

II.1.2 Tujuan dan sasaran

Secara umum penelitian ini bertujuan :

• Mengkaji kelebihan dan kekurangan berbagai batu pelindung struktur pantai terdahulu. • Mengusulkan bentuk batu pelindung struktur pelindung pantai yang memiliki kinerja

yang lebih baik dari batu pelindung yang sudah ada.

• Mengetahui koefisien stabilitas (KD) dan kemampuan dalam meredam gelombang dari batu pelindung yang diusulkan.

• Mengetahui kekuatan struktur batu pelindung yang diusulkan dengan uji fisik skala penuh (uji purwarupa).

Sasaran yang akan dicapai berdasarkan tujuan penelitian di atas adalah:

• Menghasilkan bentuk batu pelindung yang memiliki kinerja lebih baik serta mudah dalam proses produksi dan penggunaannya di lapangan.

• Memperoleh nilai koefisien stabilitas (KD) batu pelindung yang diusulkan yang dan kinerjanya lebih baik dalam meredam gelombang dari batu pelindung yang sudah ada.. • Menghasilkan purwarupa (prototype) batu pelindung struktur pantai yang siap untuk

dipatenkan.

II.2 Tinjauan Pustaka

Stabilitas individu Batu Buatan sangat menentukan kinerja struktur pantai yang dilindunginya. Batu yang memiliki massa besar, tentunya akan lebih stabil dalam menahan gempuran gelombang, namun mahal dalam biaya pembuatan. Untuk mengurangi biaya pembuatan batu pelindung, maka interlocking batu harus bagus, sehingga dengan material minimum diperoleh stabilitas yang cukup dalam menahan gelombang. Stabilitas batu dinyatakan dalam koefisien Stabilitas KD atau angka Stabilitas (H/Dn) (USACE, 1984; USACE, 2000). Semakin tinggi nilai KD atau angka stabilitas suatu batu pelindung, semakin baik kinerjanya dalam menahan gempuran gelombang.

Tabel II.1 di bawah ini menunjukkan sejarah penggunaan Batu Pelindung untuk pertama kalinya dan lokasi negara dimana Batu Pelindung tersebut ditemukan.

Tabel II.1. Jenis Batu Pelindung dan Tahun Pemakaiannya untuk pertama kalinya

Jenis Negara Tahun Jenis Negara Tahun

Kubus - - Accropode Perancis 1980

Tetrapod Perancis 1950 Shed UK 1982

Tribar AS 1958 Haro Belgia 1984

(10)

Jenis Negara Tahun Jenis Negara Tahun

Stabit Inggris 1961 Core-Loc AS 1996

Akmon Belanda 1962 A-Jack AS 1998

Tripod Belanda 1962 Diahitis Irlandia 1998

Dolos Afrika Selatan 1963 Samoa Block AS 2002

Cob UK 1969 X-Block Belanda 2003

Antifer Cube Perancis 1973 BPPT-Loc Indonesia 2009

Seabee Australia 1978 Starbloc France 2018

Batu–batu Pelindung di atas diklasifikasikan menurut bentuknya atau cara pereletakannya (Bakker dkk, 2003). Cara meletakkan batu pelindung ada dua: secara teratur atau secara acak. Perletakan secara acak memudahkan pelaksanaan di lapangan di banding penempatan yang diatur. Waktu pelaksanaan penempatan secara acak juga lebih singkat sehingga menghemat biaya konstruksi. Namun penempatan secara teratur, pada umumnya menghasilkan stabilitas kontruksi yanglebih baik dibanding penempatan batu buatan secara acak. Gambar II.3 menunjukkan sejarah perkembangan batu pelindung yang ditempatkan secara acak. Terlihat dalam gambar tersebut nilai ekonomis batu yang semakin baik, karena terjadi peningkatan stabilitas batu seiring dengan penurunan kebutuhan matrial penyususun batu pelindung.

Gambar II.3. Sejarah Perkembangan Batu Pelindung dengan Penempatan Acak (Redijk dkk, 2005)

Tabel 2.2 dan 2.3 berikut menunjukkan pengelompokan Batu pelindung berdasarkan bentuk, cara perletakan dan stabilitasnya.

Tabel II.2. Pengelompokan Batu Pelindung berdasarkan bentuknya (Bakker, dkk 2003)

Bentuk Nama

Kubus Kubus, Antifer Cube, Kubus Modifikasi, Grobbelar, Cob, Shed, Kubus berongga

Double Anchor Dolos, Akmon, Toskane

(11)

Bentuk Nama

Kombinasi batang 2D: Accropode, Gasho, Core-Loc 3D: Hexapod, Hexaleg, A-Jack Blok berbentuk L Bipod

Tipe Slab Tribar, Tri long, N Shape Block, Hollow Square Lain-lain Stabit, Seabee

Tabel II.3. Pengelompokan Batu menurut penempatan dan stabilitasnya (Bakker, dkk 2003)

Penempatan Lapisan Bentuk Stabilitas

Berat Interlocking Gesekan

Acak 2 lapis Sederhana Kubus, Antifer, Kubus Modifikasi

Rumit Tetrapod, Akmon, Tribar, Tripod

1 lapis

Sederhana Kubus A-Jack, Accropod, Core-Loc, X Block Rumit

Teratur 1 lapis Sederhana

Seabee. Kubus berongga, Diahitis

Rumit Cob, Shed

Dalam penelitian ini akan dihasilkan batu pelindung yang memiliki kinerja lebih baik dari batu-batu yang telah ada serta lebih ekonomis dan mudah dalam proses produksi dan penggunaannya di lapangan. Proses pengujian dan formulasi bentuk batu yang diusulkan dilakukan secara numerik untuk optimasinya, dan selanjutnya diuji secara fisik untuk stabilitas hidraulis dan kekuatan mekaniknya. Secara lengkap tahapan penelitian dijelaskan dalam bab berikutnya. Prosedur pengujian yang dilakukan sama dengan penelitian-penelitian terdahulu tentang pengujian kinerja hidraulik dan stabilitas batu pelindung yang terdahulu. Hanya saja dengan perkembangan teknologi informasi dan model numerik, dan untuk meminimalisir biaya pengujian secara fisik, proses desain bentuk batu pelindung dilakukan secara numerik dengan software FLOW3D yang baru pertama kali digunakan untuk uji hidraulik batu pelindung struktur pantai (Dentale, dkk, 2014)

II.3 Metodologi Penelitian

II.3.1 Tahapan Penelitian

Penelitian ini dilakukan dalam tiga tahapan. Masing-masing tahap akan memakan waktu selama satu tahun. Tahap 1 di lakukan di Laboratorium Komputasi pada tahun I dan dan

(12)

Tahap II pada tahun II dilakukan Laboratorium Lingkungan Laut dan Energi di Jurusan Teknik Kelautan dan Laboratorium Beton Jurusan Teknik Sipil. Tahap III dilakukan di lapangan pada tahun III. Adapun tahapan-tahapan sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar II.4 terdiri dari kegiatan-kegiatan berikut ini:

1. Studi literatur berbagai batu pelindung yang telah ada sebelumnya

2. Melakukan pengujian numerik untuk mendapatkan optimasi bentuk batu pelindung 3. Melakukan pengujian numerik untuk melihat kinerja batu pelindung secara

mekanik dan hidraulik.

4. Mempersiapkan model dan fasilitas untuk uji di kolam gelombang. 5. Melakukan pengujian di kolam gelombang dan menyimpulkan hasilnya . 6. Mempersiapkan prototipe untuk diuji kekuatannya dengan skala penuh 7. Merumuskan hasil-hasil pengujian model dan prototipe.

II.3.2 Tahap 1 - Tahun I

Penelitian dimulai dengan melakukan studi awal berdasarkan beberapa penelitian pendahuluan oleh ketua peneliti ditunjang dengan hasil-hasil penelitian sejenis yang telah dilakukan sebelumnya oleh peneliti yang lain. Dari studi pendahuluan ini akan dirumuskan rancangan penelitian dan metode pelaksanaan penelitian yang akan dilakukan.

Gambar II.4. Bagan Alir Penelitian Secara Keseluruhan

Pada Tahap I ini dilakukan perumusan bentuk Batu Pelindung. Dalam kegiatan ini, akan digunakan pendekatan dengan pemodelan Batu Pelindung secara numerik. Analisa kekuatan mekanis batu pelindung serta kinerja hidrauliknya akan disimulasikan secara numerik. Pada tahap ini juga akan dilakukan eksplorasi model dengan memodifikasi bentuk, susunan dan input gelombang, kedalaman air, dan berbagai parameter lain. Pengujian dengan model numerik yang terkalibrasi akan sangat menghemat waktu dan biaya pengujian model fisik pada tahap berikutnya. Untuk pengujian model numerik ini

(13)

akan digunakan perangkat lunak FLOW3D® yang memiliki kemampuan memodelkan gelombang pecah (Hirt and Nichols, 1981) yang terjadi di sekitar Batu Pelindung. Perangkat lunak ini telah digunakan untuk memodelkan Terumbu Buatan berbentuk kubah berongga (Armono, 1999). FLOW3D juga sudah digunakan untuk memodelkan berbagai bentuk Batu Pelindung seperti seperti Accopode, Dolos, X-Block (Dentale dkk,2014).

Error! Reference source not found.Gambar II.5 di bawah menunjukkan salah contoh

hasil pemodelan numerik batu pelindung untuk struktur pantai.

(14)

II.4 Hasil Penelitian Tahun I

Berdasarkan analisis pemilihan awal, software yang akan digunakan dalampenelitian ini adalah softare DualSPHysics, mengingat beberapa keunggulan dari software ini bila dibandingkan dengan FLOW3D yang direncanakan sebelumnya. Yang jelas software DualSPHysics merupakan software opensource, sehingga dana penelitian bisa dihemat dan di alokasikan untuk menyewa software Delf3D yang diperlukan untuk memodelkan penjalaran gelombang dari laut lepas ke tepi pantai. Sedangkan untuk menguji model batu pelindung akan digunakan software DualSPHysics yang cukup handal seperti FLOW3D bahkan memiliki keunggulan karena model fluida berupa partikel dan tidak diperlukan meshing / grid dalam pemodelan, sehingga lebih mudah dalam memodelkan bentuk batu pelindung yang tidak beraturan dan berlekuk-lekuk. Tampilan DualSPHysics menggunakan fasilitas “macro: dapat dilihat pada Gambar II.6 di bawah ini.

Gambar II.6. Tampilan DualSPHysics pad FreeCAD 0.18

Untuk itu, dalam tahapan ini akan dilakukan pemodelan awal bentuk breakwater sederhana berupa tiang vertikal yang lebih mudah dikalibrasi dan dibandingkan dengan penelitian sebelumnya. Mengingat uji model fisik untuk kalibrasi hasil model numerik belum memungkinan untuk dilakukan pada masa pandemi Covid ini. Sehingga dalam kegitan penelitian tahun ini, akan difokuskanpada penggunaan DualSPHysics untuk pemodelan redaman disekitar breakwater taing pancang bambu. Jika hasil pengujian software ini cukp memuaskan, maka bentuk breakwater vertikal tiang bambu dapat dilanjuitkan untuk memodelkan batu pelindung komposit

II.4.1 Smoothed Particle Hydrodynamics

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) adalah metode Langrangian berbasis nonmesh. Metode ini umum digunakan untuk mensimulasi mekanika pada media continuum seperti, pada hal ini, dinamika fluida. Ketika masuk untuk pensimulasian dinamika fluida, diskretisasi dari persaman Navier-Stokes secara lokal diterapkan pada lokasi tiap partikel tersebut, menurut properti fisik dari partikel di sekitaarnya (Crespo et al. 2015).Persamaan mendasar pada metode SPH direpresentasikan melalui fungsi F(r) didefinisikan dalam r’ oleh perkiraan integral seperti pada:

(15)

... 1 II.4.1.1 DualSPHysics

DualSPHysics adalah software berbasis open source yang menggunakan metode SPH dalam penjalanannya. Pada penelitian ini program ini menjadi program utama yang digunakan untuk merunning program. Terlepas dari software DualSPHysics yang belum memiliki Graphic User Interface (GUI) sendiri, pengguna bisa menggunakan fasilitas “Macro” pada software FreeCAD untuk mempermudah pembuatan model yang terintegrasi dengan penjalanan program DualSPHYsics.

II.4.2 Metodologi

II.4.2.1 Numerical Flume Tank

Pada penelitian ini, struktur breakwater akan dimodelkan dalam sebuah numerical flume tank. Pembuatan model flume tank didesain menggunakan ope- source-software, FreeCAD 0.18. Model flume tank memiliki dimensi panjang 22 meter, lebar 0.585 meter, dan tinggi 0.7 meter seperti pada Gambar II.7. Dimensi ditentukan setelah melakukan proses kalibrasi, untuk proses kalibrasi dan prosesnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Gambar II.7. Dimensi Numerical Flume Tank

Software FreeCAD 0.18 memiliki fasilitas untuk menambahkan user interface dari software lain melalui fasilitas “macro”. Fasilitas “macro” yang digunakan berasal dari software DualSPHysics 5.0. Dengan menggunakan user interface ini, maka FreeCAD 0.18 dapat digunakan untuk mengatur gerak piston pada model flume tank ini. Gerakkan piston ini digunakan untuk menggenerasi gelombang, dimana kita mampu mengubah properti gelombang sesuai dengan data yang diuji diantaranya gelombang reguler dan gelombang ireguler, tinggi gelombang, periode gelombang, viskositas, massa jenis air, dll.

Pemodelan secara numerik akan dilakukan dengan membangkitkan gelombang reguler. Jenis gelombang ini dipilih untuk pemodelan awal karena lebih stabil dan mudah dibandingkan dengan teori yang ada.

(16)

II.4.2.2 Kalibrasi Model

Untuk kalibrasi numerical flume tank, akan digunakan hasil pengujian model fisik. Proses kalibrasi pada penelitian ini digunakan untuk menentukan properti numerical flume tank sebelum akhirnya kita dapat melanjutkan proses uji fisik. Secara garis besar, kalibrasi ini digunakan untuk mengecek apakah properti numerical flume tank yang kita gunakan telah sesuai dengan kondisi fisik maupun teoritis. Perbandingan dengan gelombang teoritis dilakukan dengan membuat sebuah numerical flume tank dengan dimensi panjang 22 m, lebar 58.5 m, dan tinggi 78 cm. ditunjukkan dalam gambar di bawah inil;

Gambar II.8. Perbandingan Model Numerik dengan Teori

Perbandingan di atas menunjukkan kesesuian elevasi muka air atau gelombang yang terjadi antara teori dengan model numerik. Kesalahan hasil pemodelan ini sebesar 1,3%.

II.4.2.3 Eksplorasi Model

Setelah wave flume terkali brasi dengan baik, untuk selanjutnya akan dilakukan eksplorasi model dan beberapa titikp engamatan di sekitar benda uji breakwater akan diamati perubahan elevasi muka airnya. Gambar berikut menunjukkan definisi dimensi yang akan digunakan dalam eksplorasi model.

(17)

Notasi S menunjukkan jarak antar titik tengah tiang (centre to centre spacing), e menunjukkan jarak celah antar tiang, dan D menunjukkan diameter tiang. Seluruh tiang memiliki ketinggian yang sama sebesar 0,6m.

Ada tiga variasi bentuk model / konfigurasi breakwater bambo yang akan dimodelkan diberikan dalam gambar Gambar II.10. VO menunjukkanmodel breakwater dari tiang vertikal, VH kombinasi tiang horizontal dan vertikal sedangkan VD kombinasi vertikan dengan tiang diagonal.

Gambar II.10. Konfigurasi breakwater bambu

Dengan memvariasikan variable-variabel diatas secara keselutuhan rancangan yang akan di modelkan diberikan dalam tabel berikut ini:

Tabel II.4. Konfigurasi Pengujian

Secara total terdapat 45 skenario yang akan di uji dan dimodelkan dengan DualSPHysics. Untuk itu, dilakukan berbagai setting pada software DualSPHysics untuk melaksanakan rancangan pemodelan di atas. Gambar II.11 di bawah ini menunjukkan contoh setting DualSPHysics untuk meodelkan gelombang dan perode tertentu.

(18)

Gambar II.11. Contoh Setting DualSPHysics

Tipikal hasil pemodelan perubahan elevasi muka air ditunjukkan dalam Gambar II.12. dalam setiap skenario pemodelan, akan di amati perubahan gelombang di beberapa titik untuk koefisien transmisi dan refleksi gelombang. Koefisien transmisi di definiskan sebagai perbandingan antara gelombang datang dan gelombang yang melewati struktur breakwater. Koefisien refleksi didefiniskian sebagai perbandingan gelombang yang dipantulkan dari struktur terhadap gelombang yang datang (WG3/WG1). Karena gelombang yang digunakan dalam model adalah gelombang reguler, maka koefisien refleksi di analisis berdasarkan formula dalam Kamphuis (Kamphuis 2000). Adapun titik-titik lokasi pengamatan gelombang ditunjukkan dalam Gambar II.13 di bawah ini.

(19)

Gambar II.13. Penempatan Wave Probe II.4.3 Analisis Hasil Pemodelan

Dalam sub bab berikut akan ditampilkan hasil-hasil pengujian model gelombang terkait perubahan koefisien Transmisi dan Refleksi akibat pengaruh variable-variabel yang telah diberikan dalam tabel rencana eksplorasi model sebelumnya.

Pengaruh Kemiringan Gelombang

Untuk semua rentang kemiringan gelombang (wave steepness), seiring dengan penambahan wave Steepness bertambah, nilai koefisien refleksi (KR) juga meningkat, namung koefisien transmisi (KT) berkurang. Gambar II.14 di bawah ini menunjukkan pengaruh kemiringan gelombang terhadap koefisien transmisi (KT) di baris atas, dan koefisien refleksi (KR) di baris bawah berdasarkan variasi penempatan tiang.

Gambar II.14. Pengaruh Kemiringan Gelombang

Pengaruh Kerapatan Formasi Bambu

Jika ditinjau dari kerapatan formasi bambu, jika nilai e/S semakin tinggi, maka koefisien transmisi (KT) akan bertambah. Pada e/S senilai 0.5 dan 0.6, koefisien transmisi memiliki hasil yang hampir serupa baik koefisien transmisi dan refleksi. Sedangkan untuk e/S = 0.7 nilai KT dan KR sangat berbeda secara signifikan. Diameter atau jarak antar diameter tiang berpengaruh terhadap kefisin maupun refleksi.

Untuk tiang dengan diameter 0.048 m dan 0.06 m memberikan hasil koefisien transmisi yang hampir serupa. Namun diameter 0.06m memiliki efisiensi yang lebih baik yaitu peningkatan koefisien refleksi KR, dan penurunan koefisien transmisi (KT). Jarak antar pusat bambu (S) antara 0.12 m dan 0.16 m. berpengaruh signifikan terhadap koefisien transmisi dan refleksi. Semakin tinggi nilai S, maka efisiensi berkurang, koefisien refleksi (KR) menurun dan koefisien transmisi (KT) meningkat. Semakin rapat jarak antar tiang,

(20)

nilai koefisien semakin baik. Diameter tiang tidak terlalu berpengaruh. Untuk mendapatkan koefisien bagus pastikan jarak antar tiang tidak terlalu renggang. Luasan struktur yang terkena gelombang yang paling banyak mempengaruhi transmisi. e/S semakin kecil semakin baik.

Gambar II.15. Pengaruh Formasi Bambu II.4.4 Kesimpulan

Pada Tahun I ini belum bisa langsung dilakukan pengujian model breakwater dengan batu pelindung komposit karena perlu dilakukan uji software terleih dahulu.

Berbagai skenario pemodelan di atas dimaksudkan untuk menguji kemampuan DualSPHysics untuk memodelkan brekwater dalam bentuk yang sederhana, sebelum dilakukan pemodelan breakwater dengan blok beton komposit.

Hasil pengujian model breakwater berupa tiang vertikal menunjukkan kemampuan pemodelan DualSPHysics yang cukup baik. Sehingga bisa dilanjutkan dengan mengganti breakwater tiang dengan breakwater konvensional yang dilindungi dengan blok-blok beton komposit sesuai rencana penelitian awal.

(21)

BAB III STATUS LUARAN

Penelitian ini memiliki jangka waktu selama 3 tahun. Luaran utama pada penelitian ini berupa publikasi pada Jurnal bereputasi dan luaran tambahan artikel ilmiah :

1. Artikel / Presentasi pada Seminar Internasional ISOCEEN 2020 yang akan diselenggarakan di Surabaya dan artikel terplih akan dipublikasikan dalam Prosiding terindeks scopus.

2. Artikel pada Journal of Engineering Science and Technology 3. HKI rancangan struktur komposit pelindung pantai

Pada saat laporan ini dibuat, luaran yang sudah dilaksanakan adalah Artikel yang dipresentasikan dalam semnar Internasional ISOCEEN 2020. Luaran yang juga sedang di persiapkan dalam penelitian ini adalah HKI merk dan bentuk untuk Blok Beton Komposit. Peran Mitra (PT. Rekabhumi Segarayasa Bestari) dalam penelitian ini masih baru sebatas diskusi untuk perancangan bentuk batu pelindung breakwater. Peran lebih besar akan dilaksanakan pada tahun ketiga dimana batu pelindung akan mulai diperkenalkan ke masyarakat dan dimulai pemasarannya.

(22)

BAB IV KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN

Kegiatan penelitian ini dijadwalkan dan direncakan akan berlangsung selama 8 bulan dari bulan April sampai Nopember 2020 dengan rencana kegiatan dan alokasi waktu sebagaimana ditunjukkan dalam Tabel IV.1 berikut ini:

Tabel IV.1. Jadwal kegiatan penelitian.

Namun dalam penelitian ini yang sedianya akan dilakukan pengujian model fisik di Laboratorium terpaksa di tunda karena wabah virus Covid-19. Sehingga beberapa rencana kegiatan pengujian model fisik di laboratorium terpaksa ditunda dan digantikan dengan pengujian model numerik dengan komputer. Sebagian hasil pemodelan telah disampaikan dalam laporan ini

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 Penyusunan Program Kerja & Koordinasi Penelitian X

2 Studi Literatur X X X X X X X X

3 Penyusunan Rencana Pengujian Batu Pelindung X X

4 Persiapan Pengujian, Formulasi Model X X X

5 Pengujian Model Batu Pelindung secara numerik X X X X X

6 Evaluasi Hasil Pengujian Model Numerik X X X X

7 Modifikasi Bentuk Batu Pelindung X X X X

8 Rapat Rutin X X X X X X X X

9 Pembuatan Laporan Tahunan X X

(23)

BAB V RENCANA TINDAK LANJUT PENELITIAN

Berdasarkan bagan alir penelitian ini yang telah dijelaskan sebelumnya, sebagian kegiatan sudah terlaksana. Namun, ada beberapa kendala yang harus diperbaiki yang telah jelaskan pada bab 4. Adapun rencana tahapan selanjutnya diberikan dalam Tabel V.1 di bawah ini:.

Tabel V.1. Rencana Tahap Berikutnya

No Kegiatan Status Tahun I

1 Pembuatan Model dengan DualSPHysics On Progress

2 Simulasi model Gelombang Ekstrim dengan DualSPHysics

Proses kalibrasi model sudah selesai lanjut ke eksplorasi model

3 Analisis Stabilitas Struktur dengan DualSPHysics

On Progress, saat ini telah selesai dimodelkan untuk breakwater tiang bambu.

4 Pembuatan Draft HKI Sedang Proses. Direncakan akan selesai akhir Nopember.

6 Menyusun Publikasi untuk

Seminar ISOCEEN 2020 Sudah di presentasikan

7 Pembuatan Laporan Akhir Laporan Akhir selesai.

Tahun II

8 Pembuatan Model Fisik dengan beton

komposit atau gipsum Persiapan

9 Uji Model Secara Fisik di Saluran Uji

Gelombang – Flume Tank DTK FTK ITS Persiapan

10 Pelaporan dan Publikasi Persiapan

Peran Mitra (PT. Rekabhumi Segarayasa Bestari) dalam penelitian ini masih baru sebatas diskusi untuk perancangan bentuk batu pelindung breakwater. Peran lebih besar akan dilaksanakan pada tahun ketiga dimana batu pelindung akan mulai diperkenalkan ke masyarakat dan dimulai pemasarannya.

(24)

BAB VI DAFTAR PUSTAKA

.

• Sulaiman, Dede M (2016), “PeGAR ; Pemecah Gelombang Ambang Rendah berbahan Karung Geotekstil”, Trim Komunikata Bandung, xxx,98

• Armono, HD (1999a), “Flow Field Around Single And Multi Hollow Hemispherical Ball Artificial Reefs used for Fish Habitats”, Proceedings of 18th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering (OMAE99), St. Johns, Newfoundland, Canada

• Armono, HD (1999b), Flow Field around Single and Multiple Hollow Hemispherical Artificial Reefs used for Fish Habitat, Thesis, Memorial University of Newfoundland, Canada 1999

• Armono, HD (2003), “Hemisherical Shape Artificial Reefs” Ph.D Disertasi, Queen University, Ontario Canada.

• Bakker, Pieter., van den Berge,Arnould., Hakenberg, Ronald., Klabbers, Martijn., Muttray, Markus., Reedijk, and Rovers, Ineke., (2003). “Development Of Concrete Breakwater Armour Units”, 1st Coastal, Estuary and Offshore Engineering Specialty Conference of the Canadian Society for Civil Engineering. • F. Dentale, S. D. Russo, E. Pugliese Carratelli. (2014) ” Innovative Numerical Simulation To Study The Fluid Motion Within Rubble Mound Breakwaters And The Armour Stability” https://www.flow3d.com/wp-content/uploads/2014/08/innovative-numerical-simulation-to-study-the-fluid-motion-within-rubble-mound-breakwaters-and-the-armour-stability-01-10.pdf

• Hatta, A. M., Taufany, F., & Jaelani, L. M. (2020). Panduan Penelitian Dana ITS Tahun 2020. Retrieved from https://www.its.ac.id/drpm/wp-content/uploads/sites/71/2020/03/Panduan-Penelitian-Dana-ITS-2020-040320.pdf

• Hirt, C.W., and Nichols, B.D., (1981). "Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries", Journal of Computational Physics Vol. 39, pp. 201-225.

• Neelamani, R. Rajendran, 2002a, “Wave interaction with T-type breawaters” Coastal Engineering 29, pp 151-175.

• Neelamani, M. Vedagiri, 2002b, “Wave interaction with partielly immersed twin vertical barries” Technical Note, Coastal Engineering 29, pp 215-238

• J.S. Reedijk, P. Bakker,C.\V.A. van der Vorm-Hoek, I. Vos-Rovers, (2005). “Development and Application of an Innovative Breakwater Armour Unit” 1st International Conference On Coastal Zone Management and Engineering In The Middle East.

• US Army Corps of Engineers., (1984), “Shore Protection Manual” • US Army Corps of Engineers., (2000), “Coastal Engineering Manual”

• Vidal, C., Losada, M.A., Medina, R., Mansard, E.P.D. and Gomez-Pina, G., 1992, “An Universal Analysis for The Stability of Both Low-Crested and Submerged Breakwaters”, 23rd Coastal Engineering,

(25)

LAMPIRAN

Program

: Penelitian Kemitraan

Nama Ketua Tim

: Haryo Dwito Armono, ST.,MEng., PhD

Judul

: Rancang Bangun Struktur Komposit Rangka Beton dan Batu

Alam untuk Bangunan Pelindung Pantai

1.Artikel Jurnal

No Judul Artikel

Nama Jurnal

**Status Kemajuan*)**

-

Concrete Armour Unit for Coastal

Structure in Java Seas -

-

*) Status kemajuan: Persiapan, submitted, under review, accepted, published

2. Artikel Konferensi

No Judul Artikel

Nama Konferensi

(Nama Penyelenggara,

Tempat, Tanggal)

**Status Kemajuan*)**

1 Monte Carlo Simulation for

Reliability Hydraulic Stability of

Rubble Mound Breakwater Armour

ISOCEEN 2020

Presented

*) Status kemajuan: Persiapan, submitted, under review, accepted, presented

3. Paten

No Judul Usulan Paten

Status Kemajuan

1 Tudung Situplang - Batu Pelindung Komposit untuk

Pemecah Gelombang

Persiapan/ draft

*) Status kemajuan: Persiapan, submitted, under review

4. Buku

No Judul Buku

(Rencana) Penerbit

**Status Kemajuan*)**

-

*) Status kemajuan: Persiapan, under review, published

5. Hasil Lain

No Nama Output

Detail Output

**Status Kemajuan*)**

-

*) Status kemajuan: cantumkan status kemajuan sesuai kondisi saat ini

6. Disertasi/Tesis/Tugas Akhir/PKM yang dihasilkan

No Nama

Mahasiswa

NRP

Judul

**Status*)**

1 Baharuddin

Fahmi

3518121806920001

Kinerja Blok Beton Komposit sebagai batu

Pelindung Kepala Breakwater

in

progress

2 Cuimbra

Salestiano

04311958007001

Stabilitas Blok Beton Komposit sebagai

Batu pelindung Lengan Breakwater

in

progress

(26)

No Nama

Mahasiswa

NRP

Judul

**Status*)**

3 Sholihin

41117100600021

Stabilitas dan Run Up Gelombang Pada

Struktur Komposit Rangka Beton dan Batu

Alam Sebagai Bangunan Pelindung Pantai

lulus

4 Dony

Kusuma

Nugroho

04311640000113 Simulasi Monte Carlo untuk Keandalan

Stabilitas Hidrolik Batu Pelindung Struktur

Breakwater

lulus

5 Briangga

Herswastio

Bromo

04311740000040 Kriteria Breakwater Tiang Bambu Pada

Gelombang Reguler Menggunakan

Software Dualsphysics

in

progress

*) Status kemajuan: cantumkan lulus dan tahun kelulusan atau in progress

(27)

Monte Carlo Simulation for Reliability Hydraulic Stability of

Rubble Mound Breakwater Armour

H D Armono1_{, D K Nugroho}1_{, Mukhtasor}1_{, Wahyudi}1_{, I K Suastika}2

1_{Ocean Engineering Department, Faculty of Marine Technology, Sepuluh Nopember} Institute of Technology, Indonesia

2_{Naval Architecture Department, Faculty of Marine Technology, Sepuluh Nopember} Institute of Technology, Indonesia

Email: [email protected]

Abstract. In the breakwater design, the conventional deterministic methods are commonly used.

This method based on the concept of load, where the design load should not exceed the carrying capacity of the structure. However, the design load itself can be identified using statistics analysis, such as the average value of a 60-years return period of wave. Most of the available design formulas only provide a link between wave characteristics and some structural responses, such as run up, overtopping, or armor layer damage. In this paper, a reliability analysis of the breakwater hydraulic stability of Sudimoro Power Plant, Pacitan is performed with Monte Carlo simulation. The formulas used in hydraulic stability calculations were Hudson and Van der Meer formulas. The analysis shows that the breakwater structure in Pacitan Power Plant already meets the hydraulic stability design with reliability of 98,8% for Hudson and 95,12% for Van der

Meer formula. This paper also presents the reliability of breakwater armour units proposed by

authors.

Introduction

The study was performed on the breakwater of Sudimoro Coal power plant, located in Sukorejo village, Sudimoro sub-district, about 30 km east of Pacitan, East Java, Indonesia. The Sudimoro Power Plant support the energy diversification program for power generation to non-fuel oil by using low-calorie coal to produce steam to drive the turbines in this power plant. To protect the coal unloading processes in the jetty, a breakwater as shown in figure 1 were constructed using Dolos as armour unit.

The common method in breakwater design was the conventional deterministic method. A design method based on the concept of a design load that must not exceed the carrying capacity of the structure. The design load can be identified using a probabilistic method, for example finding the average value of the 60-year wave return period. In most cases, resistance is defined in terms of the load causing a particular design impact or damage and is not given as a major force or deformation.

A reliability-based risk assessment is needed on a coastal structure based on probabilistic methods, where the uncertainty (stochastic) of the load is involved and the strength variables are taken into account [1] The risk that the system is unable to meet demand is defined as the probability of failure over a specified period based on the specific system operating conditions. Whereas the reliability is defined as a probabilistic assessment of the likelihood that the system will perform adequately for a

(28)

specified period under known operating conditions. System risk and reliability are defined as the probability of failure and non-failure over the period determined by the system.

A monte carlo simulation will be used to analyze the reliability of the rubble mound breakwater armour unit at Sudimoro Power Plant. The reliability of Dolos, BPPT Loc and Tetrapod as breakwater armour unit were invstigated. In previous study [2] the stability of armour unit, was evaluated using Hudson method. In this study the Van Der Meer method were applied and compared to previous study.

Figure 1. Sudimoro Power Plant and Waverose Diagram 1999-2019.

Materials and Methods

The Sudimoro Power Plant, Pacitan is located on the southern coast of Java islands which is famous for the ferocity of the waves. As shown in figure 1, the prevailing waves come from South East direction. The breakwater at Sudimoro Power Plant seems not properly designed due to frequent structural damages. The wave overtopping occurs frequently, results in unsettled waters in harbour basin.

The breakwater was designed to provide calm water for safety of coal unloading in Sudimoro Power Plant. The design load was usually defined statistically as the characteristic value of the wave as the main load. Designing with this method is usually known as conventional methods.[2]. The weakness of this method is that the design load is determined without any consideration of the uncertainties [3].

Due to the uncertainties, it is necessary to carry out a risk assessment analysis based on the reliability of the coastal structure. By using the application of probabilistic methods or reliability and risk analysis (risk & reliability analysis), one can produce an engineering system that is more efficient and also meets the expected quality standards [4].

Long Term Wave Analysis

For long term wave analysis, the Weibull distribution were used in this study. In this method, the significant wave heights with various return periods were estimated. As the Weibul distribution using arbritrary  parameter, the approach taken is to try several of  value for available data and then choose the one that gives the best fit results in the regression line. The wave data were sorted from the largest data to the smallest data. The analysis of the extreme values of the wave data set used two relationships with the statistical set analyzed by linear regression to determine the most suitable line [5]. The following equation shows the probability distribution (P) of Weibull:

𝑃 = 1 − exp (− (𝐻 − 𝛾

𝛽 ) 𝛼

) (1)

where H is the wave height,   and  are parameter in Weibull distribution  and  were obtained form the regression line equation in Weibull distribution analysis.

(29)

Hydraulic Stability in Breakwater Design

The rubblemound type breakwater were built in Sudimoro Power Plant. This type of structure is commonly built in Indonesia. Rubble mound breakwater is a breakwater where the core material is relatively small which is covered by one or more secondary layers and on the exposed side is protected by a larger armour unit or concrete armout unit. The design process of the breakwater structure has major implications for the benefit of functional design and facility costs. Therefore numerical wave modeling needs to be carried out from the early stages of planning to determine and optimize the appropriate layout.

Hudson formula. The required armor unit size for concrete armor units in a double layer can be assessed by a stability formula such as Hudson formula [6]. For concrete armor units the Hudson formula can be rewritten to a form of Stability Number (Ns) using the significant wave height, Hs (m), and the nominal diameter of the unit, Dn (m) as presented in equation (2),

𝐻_𝑠

∆𝐷𝑛= (𝐾𝐷cot 𝜃)

1 3⁄ ₍₂₎

where ∆ is the spesific density ratio defined as : 𝛾𝑎⁄_𝛾_𝑤− 1. (𝛾_𝑐 is specific density of armour unit and 𝛾_𝑤 is specific density of water), KD is stability coefficient of armour unit, and  is the slope of breakwater.

Van der Meer formula. The formula on equation (2) above can be extended by including damage level as proposed by Van der Meer [7]. Equation (3) below shows as the expression for the stability number Ns.

𝐻𝑠

∆𝐷_𝑛50= 0.7(𝐾𝐷cot𝜃) 1 3⁄ _𝑆

𝑑0.15 (3)

where Sd is the damage level parameter (-), Sd = Ae / Dn502 and Ae is the eroded area in a cross-section (m2_{). 2 for minor damage level and 12 for heavy damage.}

Failure Function

The failure mode of hydraulic stability for the rubble mound breakwater structure is obtained from the Van der Meer and Hudson stability equations expressed inequation(2) and (3) above. Furthermore, the performance function of the breakwater based on Hudson equation:

𝐷_𝑛= 𝐻𝑑

∆( √𝐾3 𝐷𝑐𝑜𝑡𝜃) (4)

and the structure performance function is based on the .Van der Meer equation:

𝐷_𝑛= 𝐻𝑑

0.7 ∆( √𝐾3 𝐷𝑐𝑜𝑡𝜃) 𝑠𝑑0.15

(5)

Reliability. In the evaluation of structural engineering systems safety, one must evaluate the capabilities of the structural systems designed to respond to project requirements. Structural systems can fail in carrying out their functions due to several factors. Failure can occur due to the failure of the main structure. To analyze the risk of system failure, one must clearly identify the inputs to the system and their consequent responses.

A structural safety depends on the maximum load that can be imposed during the life of the structure, and also on its strength or components. Since the prediction of the maximum load and the true strength of a structure is based on uncertainty, one cannot guarantee absolute safety, and engineers must rely on several probabilistic concepts to demonstrate the probability that sufficient available force will withstand the maximum load over the life of the structure.

(30)

Monte Carlo Simulation. One of the methods for reliability analysis in engineering and economics is the Monte Carlo simulation. The main characteristic in this simulation is that by inputting the random value of each random variable the system is simulated according to its probability distribution. This method is generally applied to systems that contain random variables or parameters [8].

Random Number Generator or random number generation is the basic principle in this method. This simulation is carried out by taking samples of random variables based on their probability distribution which are then used as input in the performance function (X). If the performance function value (X) < 0 and the sample is N, then the system under review is considered a crow n times [8]. Therefore, the probability of failure (Pf) is the ratio between the number of failures and the number of samples. This simulation is carried out until the failure / success probability graph shows convergence.

𝑃_𝑓 = 𝑛 𝑁⁄ (6)

with n is number of failed occurrences, N is number of iterations and Pf is the chance of failure. Furthermore, the reliability (K) can be calculated by the following expression:

𝐾 = 1 − 𝑃_𝑓 (7)

Results and Discussion

The analysis is focused on the part of breakwater at points A, B and C in figure 1. Initially the armour unit were Dolos. Currently, the existing breakwater has a quite severe damage at point B and the Dolos are replaced by BPPT Loc. There is no information on the weight of installed Dolos in the location. Owever, the dimensional data for the designed breakwater structure can be seen in Table 1 [9]:

Table 1. Dimensions of Designed Breakwater.

Parameter Value Unit

Top Elevation (Elv.) 8,564 m

Crest Width (B) 16.2 m

Main Guard Dolos Weight (W1) 12 ton

Weight of Second Layer Stone (W10) 1.2 ton

Core Stone Weight (W200) 0.06 ton

Main Protection Layer Thickness (t1) 4,163 m

Thickness of Second Armour Layer (t2) 1.4 m

In this study, several environmental data, namely wave data, tidal data and bathymetry data were used for analysis. The wave data was taken from ECMWF at coordinate 111.375 E and 8.375 S. The parameters obtained from the ECMWF are significant wave height, wave direction and significant wave period from September 1999 to August 2019.

Bathymetry of the study area is obtained from the reports of the Study on Strengthening the Permanent Jetty and Temporary Jetty Breakwater of PT. PJB Pacitan” [10] and also from the map obtained from Indonesian Navy Hydrographic Center.

The Weibull Distribution were employed to calculate the wave height for each return period of 1 year, 20 years, 30 years, 60 years and 100 years as can be seen in Table 2. To calculate the wave period, the following expression we applied [5]:

𝑇 = 3,54𝐻𝑇𝑟0,6

(31)

Return Period Tr ( Year) Hs (m) Ts (s) 1 2,54 6,26 20 3,92 8,14 30 4,10 8,38 60 4,42 8,77 100 4,66 9,05

The Delft3D [11] software were used to model the wave transformation from deep water to the location of breakwater. The 60-years retrun period of waves from three direction (Southwest, South and Southeast) will be used as the input of the Delft3D model. The input parameters in the Delft 3D model listed in Table 3.

Table 3. Parameters input in Delft 3D wave model.

Input parameter Hs (m) 4,42 Ts (s) 8,77 Maximum iteration 1000 Incoming wave direction 225° (Southwest) 180° (South) 135° (Southeast)

Figure 2 shows the results of Delft3D wave model for three differenct wave direction. The gradation of color shows the height of the wave: yellow to red shows high waves, while green to blue shows the small waves.

(a) (b) (c)

Figure 2. Significant wave height from (a) Southeast, (b) South, and (c) Southwest.

Based on the wave models above, the incoming wave from South East affect the location A, B and C on the breakwater significantly. The highest wave occurs at the point A (4,86m) when the wave coming from the Southwest. The following Table 4 shows the results of the wave model using Delft3D.

Table 4. Wave heigt at points A, B, and C,

from three incoming wavedirection.

Incoming wave direction

Hs (m)

A B C

(32)

South 4,19 3,33 3,29

Southwest 4,86 3,57 3,76

The weight of breakwater armour unit and layers were estimated based on the wave height that occurs on the breakwater, as shown in Tabel 4 above. The results of the weight of breakwater armour unit based on the highest incoming waves (4,86m) were listed in Table 5 below. The spesific density of concrete aand water were assumed as 2,4 ton/m3 and 1,025 ton/m3. The slope of breakwater were 1: 1,5 and the weight of primary armour unit, secondary armour unit and breakwater core listed in column W, W10 and W200. The cross-section of the breakwater for various armour unit design are shown in figure 3.

Table 5. The Weight of Armour Units.

No. Armour Unit

H

KD γa γw Sr cot θ W W10 W200

m ton.m-3 _ton.m-3 _ton _ton _ton

1 Dolos 4,857 15 2,4 1,025 2,341 1,5 5,06 0,51 0,03 2 BPPT Loc 4,857 17 2,4 1,025 2,341 1,5 4,47 0,45 0,02 3 Tetrapod 4,857 8 2,4 1,025 2,341 1,5 9,49 0,95 0,05 (a) (b) (c) (d)

Figure 3. (a) Author proposed Dolos Design, (b) Planning Dolos Design, (c) Author's BPPT Loc

Design, and (d) Author's Tetrapod Design.

To simplify the simulation of reliability analysis, the process of using the software must be simplified by creating a transformation function. The transformation function is developed using Response Surface Method in the theory of the Design of Experiment [12]. Observations were made at three points (A, B, and C) and with 3 angles of waves incidence, namely Southwest (225o_{), South (180}o_{) and Southeast} (135o_{). With Minitab, 9 transformation equations for each condition were obtained. There are two input} variables, namely the significant wave height (Hs) of the deep sea and the significant wave period (Ts), for that the suitable method is the First Order Response Surface Model for two variables. The response output from the wave load variable with the coming Southwest direction (225o_{) can be seen in Table 6.} The result for South and South east direction were not presented due to limited space in this paper. Furthermore, a regression equation can be obtained for the three-observation points Ha, Hb, Hc.

Table 6. Response Surface Model for the direction of the incoming wave Southwest (225o_).

Exp Variable Basic Variable

Delft3D Response (m) Transformation Function (m) Error (%) x1 x2 Hs(m) Ts(s) Ha Hb Hc Ha Hb Hc Ha Hb Hc 1 1 1 3,8 12,2 4,41 3,51 3,79 4,41 3,51 3,79 0,003 0,004 0,004 2 1 -1 3,8 6,96 4,18 3,19 3,34 4,18 3,19 3,34 0,003 0,004 0,004

(33)

Exp Variable Basic Variable Delft3D Response (m) Transformation Function (m) Error (%) x1 x2 Hs(m) Ts(s) Ha Hb Hc Ha Hb Hc Ha Hb Hc 3 -1 1 1,3 12,2 1,52 1,16 1,27 1,52 1,16 1,27 0,001 0,003 0,006 4 -1 -1 1,3 6,96 1,18 0,97 1,01 1,18 0,97 1,01 0,001 0,005 0,005 5 0 0 2,25 9,58 2,36 1,18 1,99 2,36 1,88 1,99 0,003 0,004 0,004 6 0 0 2,25 9,58 2,36 1,18 1,99 2,36 1,88 1,99 0,003 0,004 0,004 7 0 0 2,25 9,58 2,36 1,18 1,99 2,36 1,88 1,99 0,003 0,004 0,004 8 0 0 2,25 9,58 2,36 1,18 1,99 2,36 1,88 1,99 0,003 0,004 0,004 9 0 0 2,25 9,58 2,36 1,18 1,99 2,36 1,88 1,99 0,003 0,004 0,004

In Table 6 above, nine running wave transformations were performed, with different variables, the results of different responses are also obtained.

(a) (b) (c)

Figure 4. Response Surface Plot for southwest incident wave (225o) for points (a) Ha, (b) Hb and (c) Hc.

Figure 4 above shows a contour shape of the model where Hs and Ts are input variables and Ha, Hb, and Hc are the outputs of the three equations. These three equations is presented in equations (8), (9), and (10) as follows:

Ha = 0,07400 Hs2_{– 0,008389 HsTs + 0,8810 Hs + 0,07573 Ts – 0,5412} ₍₈₎ Hb= 0,03612 Hs2_{+ 0,009914 HsTs + 0,6348 Hs + 0,02334 Ts – 0,1683} ₍₉₎ Hc= 0,04845 Hs2_{+ 0,014490 HsTs + 0,5841 Hs + 0,03073 Ts – 0,1760} ₍₁₀₎ Using Microsoft Excel, a simulation is performed using random numbers as a large combination of load variables in the design. The result of the transformation equation will be a significant wave height at three observation points. The wave height which is taken as the design wave height is the highest wave height of the three observation points. The simulation results of the design wave height are then entered into the performance function in equation (4) and (5) to obtain the 𝐷𝑛-magnitude. If the system fails, it will be marked with "0", otherwise if the system is success, it will be marked with "1". Iteration is performed in several times to get a stable probability of success. Table 7 shows the failure limit of various armour unit based on Hudson Formula.

Table 7. Failure limits of various type of armour stone (based on Hudson formula). Armour Units Dn (m)

Existing Dolos 1,71 Author proposed Dolos 1,28

BPPT Loc 1,23

Tetrapod 1,58

The reliability value of hydraulic stability from the design of the breakwater with the author proposed Dolos protection stone is 94.00% for the Hudson equation, 79.28% for the Van Der Meer equation with

(34)

minor damage, and 94.44% for the heavy damage. After 12000 simulations, the probability of success of the system will be checked for stability by using a graph comparing the probability of success with the number of iterations as shown in typically in figure. 5 above. A complete result of the reliability analysis for each armour unit listed in Table 8 below

Figure 5. Convergence graph of the probability of success for the author proposed Dolos armour unit. Table 8. Reliability of concrete armour unit at Sudimoro Power Plant.

Armour Units Hudson VdM minor damage VdM heavy damage

Designed Dolos 98,8% 95,12% 98,88%

Author proposed Dolos 94% 79,28% 94,44%

BPPT Loc 94,03% 79,11% 94,54%

Tetrapod 94,1% 78,94% 94,73%

It is seen from Table 8 above, that the reliability analysis of breakwater armour unit using Van der Meer formula for heavy damage analysis have higher reliability compared to Hudson formula, while Hudson formula has higher reliability than Van der Meer formula for minor damage.The lower the reliability percentage result in greater degree of rigidity in the armour unit design.

Conclusion

Based on the Monte Carlo simulation for Reliability Hydraulic Stability of Rubble Mound Breakwater armour unit at Sudimoro Power Plant, Pacitan, the following conclusions can be drawn:

1. The design of the Dolos’ weight for breakwater armour unit at Sudimoro Power Plant was 12 tons The design weight of the Dolos has met the design criteria for hydraulic stability with a 237% better than the author proposed Dolos design, which only need 5.06 tons based on 4,857m incoming wave height. There is no information on the weight of installed Dolos in the location.

2. The reliability of existing breakwater armour unit in Sudimoro Power Plant has been presented. Based on the comparison of reliability results, the Van der Meer formula with minor damage has a greater degree of design rigidity than the Hudson formula.

Acknowledgement

The authors would like to thank the plant Manager and stafs in Sudimoro Power Plant for providing information of the designed breakwater. This study is also supported by Partnership Research grant from Institut Teknologi Sepuluh Nopember under contract No: 844/PKS/ITS/2020.

References

[1] M. L. Koç and C. E. Balas 2012 “Genetic algorithms based logic-driven fuzzy neural networks for stability assessment of rubble-mound breakwaters,” Appl. Ocean Res. 37 211–19.

(35)