MEKANISME GERUSAN LOKAL DENGAN VARIASI BENTUK PILAR (EKSPERIMEN)

MEKANISME GERUSAN LOKAL DENGAN

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk melengkapi syarat penyelesaian Pendidikan Sarjana Teknik Disusun Oleh:

SARRA RAHMADANI 090404048

BIDANG STUDI TEKNIK SUMBER DAYA AIR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2014

ABSTRAK

Pilar merupakan bagian dari struktur bawah jembatan. Keberadaan pilar pada aliran sungai menyebabkan perubahan pola aliran sungai. Perubahan pola aliran tersebut akan mengakibatkan terjadinya gerusan lokal di sekitar pilar. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh bentuk pilar terhadap potensi gerusan lokal yang terjadi di sekitar pilar tersebut. Penelitian ini dilakukan pada kondisi aliran seragam permanen dengan variasi bentuk pilar. Model fisik pilar yang digunakan adalah bentuk pilar persegi (rectangular) dan bentuk persegi dengan sisi depang miring (rectangular with wedge shape nose).

Penelitian gerusan di sekitar pilar dilakukan di Laboratorium Hidraulika Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara menggunakan alat flume dengan panjang 8 m, tinggi 0.3 m dan lebar 0.076 m. Penelitian dilakukan dengan pengukuran pola dan kedalaman gerusan disekitar pilar dengan debit aliran sebesar 1,0 lt/det. Material yang digunakan berupa pasir yang lolos saringan No.8 dan tertahan saringan No.100 dengan nilai d

50 = 0.45 mm. Model diuji selama 250 menit untuk setiap kali berlangsung (running).

Dari hasil eksperimen yang telah dilakukan didapat bahwa penambahan kedalaman gerusan pada menit-menit awal terjadi sangat cepat dengan kedalaman gerusan bertambah seiring dengan lama waktu pengamatan dan selanjutnya besanya penambahan kedalaman gerusan semakin kecil setelah mendekati kondisi kesetimbangan (equilibrium scour depth). Hasil penelitian menunjukan gerusan terbesar pada ke dua bentuk pilar terjadi pada bagian hulu pilar yaitu pada titik pengamatan 1. Nilai kedalaman gerusan maksimum pada pilar persegi (rectangular) adalah 30 mm, dan Nilai kedalaman gerusan maksimum pada pilar persegi dengan sisi depan miring (rectangular widge shape nose) adalah 39 mm

Bentuk pilar merupakan faktor yang mempengaruhi kedalaman gerusan. Maka Dalam perencanaan konstruksi disarankan agar bentuk pilar dirancang sebaik mungkin untuk memaksimalkan fungsi dan kemampuannya.

Kata Kunci : Gerusan lokal, bentuk pilar dan arah aliran.

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, segala puji syukur bagi Allah SWT yang telah memberikan karunia kesehatan dan kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Shalawat dan salam keatas Baginda Rasullah Muhammad SAW yang telah memberi keteladanan dalam menjalankan setiap aktifitas sehari-hari, sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan dengan baik.

Tugas akhir ini merupakan syarat untuk mencapai gelar sarjana Teknik Sipil bidang Sumber Daya Air Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, dengan judul “MEKANISME GERUSAN LOKAL DENGAN VARIASI BENTUK PILAR”.

Penulis menyadari bahwa dalam menyelesaikan tugas akhir ini tidak terlepas dari dukungan, bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, saya ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada beberapa pihak yang berperan penting yaitu :

1. Bapak Ir. Terunajaya M.Sc selaku pembimbing, yang telah banyak memberikan dukungan, masukan, bimbingan serta meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam membantu saya menyelesaikan tugas akhir ini.

2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir. Syahrizal, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

, ST, M. Eng

Bapak Ivan Indrawan, ST, MT, dan Ibu Emma Patricia Bangun selaku Dosen Pembanding, atas saran dan masukan yang diberikan kepada penulis terhadap Tugas Akhir ini.

5. Teristimewa keluarga saya, Ayahanda H. Rahmad dan Ibunda Hj. Siti Syamsiani, M.Pd, kakak saya beserta suami, Siti Sari Rahmadani ST dan Alpian ST, abang saya dan pasangannya Muharram ,Rhea Cyinthia yang telah memberikan doa, motivasi, semangat dan nasehat. Terima kasih atas segala pengorbanan, cinta, kasih sayang dan doa yang tiada batas.

6. Terkhusus buat pasangan saya yang terkasih Dodi Hasyir S yang memberikan dukungan, bantuan, doa serta semangat untuk menyelesaikan skripsi.

Terimakasih atas semua yang telah diberikan dengan penuh kasih dan kesabaran.

7. Bapak/Ibu seluruh staff pengajar Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik UniversitasSumateraUtara.

8. Seluruh pegawai administrasi Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan bantuan selama ini kepada penulis. (Kak Lince, Kak Dina, Kak Dewi, Bang Zul, Bang Edi dan Bang Amin).

9. Buat sahabat-sahabat angkatan 2009, Atina Rezki, Nora Usrina, Gustina Arifin, Sri WS, Benny Pradana, Nita F, Putri NH, Hannawiyah H, Feri PH, Merni DS, Gustara Iqbal, Khairun Nazli, Hisbulloh Nst, Afriansyah, Rizki, Yusuf A Lbs, M. Reza. Serta teman-teman mahasiswa/i angkatan 2009 sipil lainnya yang tidak dapat disebutkan seluruhnya terima kasih atas semangat dan bantuannya selama ini.

10. Terkhusus buat kak Sarvina angkatan 2007, terimakasih atas seluruh bantuan dan waktu yang telah diluangkan untuk memberikan masukan dan tambahan serta bimbingan dan semangat.

11. Abang-abang asisten Lab. Hidrolika USU yang turut membantu dan memberikan izin, bg Yusuf, Rozi, Muazi, serta Adik-adik angkatan 2012 yang membantu eksperimen Wahyu, Muis dan Embas terimakasih atas kerjasamanya.

12. Dan segenap pihak yang belum penulis sebut disini atas jasa-jasanya dalam mendukung dan membantu penulis dari segi apapun, sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan baik.

Mengingat adanya keterbatasan yang dimiliki penulis, maka penulis menyadari bahwa laporan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca diharapkan untuk penyempurnaan laporan Tugas Akhir ini.

Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan semoga laporan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi para pembaca.

Medan, Desember 2013 Penulis

SARRA RAHMADANI 09 0404 048

DAFTAR ISI ABSTRAK ................................................................................................................ i

KATA PENGANTAR .............................................................................................. ii

DAFTAR ISI ............................................................................................................. v

DAFTAR TABEL .................................................................................................... vii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ viii

DAFTAR NOTASI ................................................................................................... xi

DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................ xiv

BAB I PENDAHULUAN

2.2.1 Pengertian Gerusan ................................................................. 9

2.5 Transpor Sedimen .................................................................................... 33

2.4 Kecepatan Dan Pola Aliran ...................................................................... 30

2.3 Persamaan Gerusan Untuk Aliran Beraturan ........................................... 28

2.2.4 Faktor Yang Mempengaruhi Kedalaman Gerusan ................. 17

2.2.3 Mekanisme Gerusan ............................................................... 13

2.2.2 Jenis Gerusan .......................................................................... 10

2.2 Penggerusan ............................................................................................. 9

1.1 Latar belakang .......................................................................................... 1

2.1 Sungai ....................................................................................................... 7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

1.6 Sistematika Penelitian .............................................................................. 6

1.5 Manfaat penelitian .................................................................................... 5

1.4 Tujuan Penelitian ..................................................................................... 5

1.3 Batasan Penelitian .................................................................................... 4

1.2 Perumusan Masalah ................................................................................. 4

2.6 Awal Gerak Butiran ................................................................................. 35

BAB III METODE PENELITIAN

4.4.1 Perkembangan Kedalaman Gerusan Terhadap Waktu ........... 58

5.2 Saran ......................................................................................................... 82

5.1 Kesimpulan ............................................................................................... 81

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

4.5.3 Kedalaman Gerusan Lokal Menurut Persamaan Melville Satherland (1998) ..................................................... 77

4.5.2 Kedalaman Gerusan Lokal Menurut Persamaan Raudkivi (1991) ...................................................................... 76

4.5.1 Karakteristik Aliran ................................................................ 73

4.5 Perhitungan Empiris Kedalaman Gerusan Lokal ..................................... 73

4.4.4 Pengaruh Bentuk Pilar Terhadap Kedalaman Gerusan .......... 71

4.4.3 Pola Gerusan Disekitar Pilar .................................................. 64

4.4.2 Perkembangan Kedalaman Gerusan Maksimum .................... 62

4.4 Kedalaman Gerusan ................................................................................. 57

3.1 Tempat Penelitian ..................................................................................... 37

4.3 Aplikasi Program Surfer ........................................................................... 53

4.2 Karakteristik Aliran .................................................................................. 51

4.1 Pemeriksaan Material ............................................................................... 50

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

3.4.4 Analisis Hasil Percobaan ........................................................ 49

3.4.3 Pelaksanaan Penelitian ........................................................... 45

3.4.2 Percobaan Pendahuluan .......................................................... 45

3.4.1 Persiapan Peralatan ................................................................. 44

3.4 Alur Pelaksanaan Penelitian ..................................................................... 44

3.3 Alat Penelitian .......................................................................................... 38

3.2 Bahan Penelitian ....................................................................................... 37

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... 83

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Koefisien bentuk Abutmen (Mellvile 1997) .............................................. 22

Tabel 2. Koefisien bentuk pilar ................................................................................. 27

Tabel 3. Analisa gradasi butiran ................................................................................ 49

Tabel 4. Karakteristik aliran ...................................................................................... 52

Tabel 5. Kedalaman gerusan pada saat waktu puncak .............................................. 62

Tabel 6. Kedalaman gerusan maksimum disekitar pilar sebagai fungsi

variasi bentuk pilar ....................................................................................... 69

Tabel 7. Perbandingan hasil penelitian dengan penelitian sebelumnya ................. 79

DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Skema Klasifikasi Aliran ................................................................... 9 Gambar 2. Mekanisme gerusan akibat pola aliran air disekitar pilar .................. 14 Gambar 3. Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan waktu ............................. 15 Gambar 4. Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan kecepatan geser (v*) ..... 16 Gambar 5 (a). Kedalaman gerusan sebagai fungsi waktu (v < vc) ..................... 18 Gambar 5 (b). Kedalaman gerusan sebagai fungsi waktu (v > vc) .................... 18

Gambar 6. Kedalaman gerusan setimbang di sekitar pilar fungsi ukuran butir

relatif untuk kondisi aliran air bersih ............................................... 19

Gambar 7. Koefisien simpangan baku (K σ) fungsi standar deviasi Geometri ukuran

butir .................................................................................................. 20

Gambar 8. Hubungan kedalaman gerusan seimbang (y ) dengan ukuran butir se

relatif (b/d ) untuk kondisi aliran air bersih dan bersedimen ......... 23

50 Gambar 9. Hubungan koefisien reduksi ukuran butir relatif K(b/d )

dengan ukuran butir relatif (b/d ) untuk kondisi aliran

air bersih dan bersedimen .................................................................. 23

Gambar 10. Hubungan koefisien aliran (K )

dα) dan kedalaman aliran relatif (y

dengan ukuran relatif (b/d ). ........................................................... 24

50 Gambar 11. Koefisien arah sudut aliran (K α) pada pilar ..................................... 26

Gambar 12. Pola arus penyebab gerusan lokal .................................................... 31 Gambar 13. Kedalaman gerusan lokal maksimum rata-rata ................................ 32 Gambar 14. Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan kecepatan geser (v*)

dan waktu (t). ....................................................................................... 33

Gambar 15. Distribusi kecepatan dan pergerakan sedimen pada

tikungan saluran ............................................................................. 34

Gambar 16. Alat Recirculating Sediment Flume ................................................. 39 Gambar 17 (a). Tampak atas pilar pada flume Pilar Persegi .............................. 40 Gambar 17 (b). Tampak atas pilar pada flume Pilar Persegi dengan sisi depan

miring ........................................................................................ 40

Gambar 18. Hook and Point gauge ..................................................................... 41 Gambar 19. Pintu Air .......................................................................................... 41 Gambar 20. Stop watch ........................................................................................ 42 Gambar 21. Model Pilar Tampak Atas ................................................................ 42 Gambar 22. Model Pilar 3 Dimensi .................................................................... 43 Gambar 23. Diagram alur penelitian ................................................................... 47 Gambar 24. Diagram alur uji laboraturium ........................................................ 48 Gambar 25. Gradasi sedimen ............................................................................... 51 Gambar 26. Tampilan jendela kerja surfer ......................................................... 54 Gambar 27. Worksheet data koordinat ................................................................ 54 Gambar 28. Tampilan New plot dan Grid data ................................................... 55 Gambar 29. Tampilan Data Bentuk .grd............................................................. 55 Gambar 30. New contur map dan new 3D wireframe ........................................ 56 Gambar 31. Hasil contur map dan 3D wireframe ............................................... 56 Gambar 32. Perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu

pada pilar persegi (rectangular) dengan debit (Q) = 1.0 lt/s ...... 58

Gambar 33. Posisi titik pengamatan pada pilar persegi (rectangular). ............... 59

Gambar 34. Perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu pada Pilar

Sisi Depan Miring (Rectangular Widge Shape Nose) ..................... 60

Gambar 35. Posisi titik pengamatan pada pilar Sisi Depan

Miring (Rectangular Widge Shape Nose) ...................................... 61

Gambar 36. Perkembangan kedalaman gerusan maksimum terhadap

waktu pada pilar persegi (rectangular) dan persegi dengan sisi depan miring (rectangular widge shape nose) ........................ 62

Gambar 37. Perkembangan kedalaman gerusan maksimum pada pilar

persegi (rectangular) dan persegi dengan sisi depan miring (rectangular widge shape nose) terhadap waktu pada saat t puncak .......................................................................... 63

Gambar 38. Pola koordinat kontur ...................................................................... 65 Gambar 39. Titik Pengamatan untuk pembentuk kontur disekitar pilar

Untuk bentuk pilar persegi ............... .............................................. 66

Gambar 40. Titik Pengamatan untuk pembentuk kontur disekitar pilar

Untuk bentuk pilar persegi dengan sisi depan miring .................... 66

Gambar 41. Kontur Pola Gerusan pada Pilar Persegi Persegi (Rectangular) ..... 67 Gambar 42. Isometri pola gerusan pada pilar persegi (rectangular) .................. 68 Gambar 43. Kontur Pola Gerusan pada Pilar Persegi Dengan Sisi

Depan Miring (Rectangular Widge Shape Nose) .......................... 69

Gambar 44. Isometri Pola Gerusan pada Pilar Persegi dengan

Sisi Depan Miring (Rectangular Widge Shape Nose) ................... 70

Gambar 45. Kedalaman gerusan maksimum disekitar pilar sebagai

fungsi variasi bentuk pilar ............................................................. 72

DAFTAR NOTASI

2 A Luas penampang aliran

m B

Lebar saluran m b

Lebar pilar jembatan m

1/2

C Koefisien Chezy m /dt

Kedalaman material m

Do Kedalaman gerusan maksimum m

Ds d Diameter butiran m m d50 Diameter butiran, 50 % material lebih kecil dari d50

Fr Bilangan Froude
f Konstanta

g Percepatan gravitasi m/dt

Gs Spesific Grafity h Kedalaman aliran

M Kedalaman aliran mula-mula M ho Kemiringan dasar

Koefisien bentuk pilar K1

Koefisien sudut embankmen terhadap aliran - K2

Faktor koreksi Ki
Faktor ketinggian aliran Kd Faktor ukuran pilar
Faktor bentuk pilar

Kdt

Ks K Faktor posisi pilar

S Kemiringan memanjang - Sc Kemiringan kritis
Sf Kemiringan gradient energi -

U Kecepatan aliran rata-rata m/dt Uc

Perbandingan bukaan (B-L)/B - κ

Δ Rapat massa relatif

Kedalaman maksimum gerusan pada saat t m ym,e Kedalaman gerusan maksimum pada saat setimbang m

Kecepatan geser kritik Kedalaman aliran m/dt m ym

U*c

U* Kecepatan geser m/dt

Kecepatan kritik m/dt

T Waktu total running dt t Waktu dt t1 Waktu seketika ym=b dt t p Waktu pada saat puncak dt

So Kemiringan dasar saluran -

Re Bilangan Reynolds

R Jari-jari hidraulik m

3 /dt

Q Debit aliran m

Diameter pilar

LA Fungsi dari standar deviasi geometrik ukuran distribusi butiran Koefisien kekasaran Nikuradse

K σ ks

Konstanta Von Karman

ν γ

Viskositas kinematik Berat jenis material dasar m

2 /dt

Massa jenis air kg/m

3 α τo τc

Sudut datang aliran Tegangan gesek dasar Tegangan geser kritik

2 N/m

2 θ

Parameter Shields

Eksponen, fungsi ukuran sedimen dan geometri halangan - Lp Sisi panjang bentuk pilar σg

Standar deviasi geometrik

MEKANISME GERUSAN LOKAL DENGAN VARIASI BENTUK PILAR (EKSPERIMEN)