1. uji model fisik untuk memantapkan design bangunan hidraulik

RIWR

UJI MODEL FISIK UNTUK MEMANTAPKAN DESIGN BANGUNAN HIDRAULIK

Pusat Litbang Sumber Daya Air

Disampaikan Dalam Seminar Nasional Sumber Daya Air Yang Berjudul “Menuju Bendungan Yang Aman Dan Lestari”

Penyelenggara Program Studi Magister Teknik Sipil Universitas Diponegoro

Semarang, 18 November 2014

RIWR

2

Lab. Hidraulik (Model Fisik) Balai BHGK, Puslitbang SDA

Pusat Litbang Sumber Daya Air

RIWR

3

Pendahuluan

Usaha pemanfaatan sumber daya air – bangunan keairan Setiap upaya pemanfaatan sumber daya sungai, harus dilakukan

dengan dasar pengertian yang mendalam mengenai respon morfologi sungai terhadap upaya pengelolaan sungai.

Perlu dipelajari dampak respon sungai terhadap: Fungsi dan kestabilan bangunan air Lingkungan sungai

Dikembangkan suatu model yang mampu memprediksi perubahan morfologi sungai, mencakup:

besaran tingkat, dan variasi waktu

RIWR

4

PermasalahanPermasalahan

Mendapatkan tingkat keyakinan yang tinggi atas keberhasilan suatu perencanaan bangunan air

Meramalkan kemungkinan-kemungkinan yang akan terjadi setelah bangunan dibuat

Mengetahui dan meramalkan sifat-sifat bangunan serta pengaruhnya terhadap lingkungan dan bangunan air lain

Menanggulangi permasalahan bangunan air yang telah dibangun apabila bangunan tersebut mengalami kerusakan atau tidak berfungsi dengan baik.

Usaha memantapkan perencanaan yang optimal:

Model hidraulik yang dikembangkan: Model numerik/matematik Model fisik

RIWR

5

Permasalahan

Kerusakan bangunan air di sepanjang sungai Cipamingkis (Tipe Sabo Dam, tanpa melalui uji model fisik)

RIWR

6

Pemodelan Numerik

Unggul untuk mempelajari permasalahan fisik sungai yang panjang dengan perioda waktu yang lama.

Diterapkan beberapa persamaan dasar: Persamaan kontinuitas air Persamaan momentum untuk sedimen-air Persamaan keseimbangan massa sedimen Untuk melengkapi persamaan, perlu beberapa hubungan/pemisalan:

Asumsi kekasaran dasar saluran/sungai Persamaan untuk menentukan angkutan sedimen dasar, dan Persamaan untuk menentukan konsentrasi angkutan sedimen layang.

RIWR

7

Ilustrasi Pemodelan Numerik

0.0 2000.0 4000.0 6000.0 8000.0 10000.0 12000.0 14000.0 16000.0[m]

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

55.0

60.0

65.0

70.0

75.0

80.0

85.0

90.0

95.0

100.0

105.0

110.0

115.0

120.0

125.0

130.0

135.0

140.0

[meter] 1-12-2000 00:00:00

CIPAMINGKIS 0 - 17431

023

325

035

047

455

663

972

191

611

8514

1616

1318

0519

0219

9920

9621

9323

8825

8627

9330

0831

97

4061

4651

4747

4844

4940

5036

5251

6688

6883

7395

7780

7901

8228

8637

9220

9883

1007

810

300

1047

310

588

1081

911

021

1142

6 1162

511

814

1202

712

227

1235

212

561

1274

912

962

1317

7

1376

213

982

1413

914

341

1450

814

644

1487

115

074

1526

815

457

1568

115

818

1599

016

104

1630

516

502

1667

116

875

1698

317

171

1736

017

431

BK 1

BK 5

BK 4

BK3

Jembatan Cibarusah

BK 6

BK 7

BK 8

BK Usulan III

BK Usulan II

BK Usulan I

RIWR

8

Pemodelan Fisik

Unggul untuk mempelajari masalah detil dan lokal, antara lain: gerusan lokal, longsoran tebing, kinerja bangunan air.

Untuk dapat menirukan kondisi nyata di lapangan pada model, perlu pengetahuan yang mendasar terhadap phenomena alam terkait.

Untuk dapat mengintrepetasikan permasalahan di model terhadap kondisi nyata di lapangan, perlu kemampuan dan pengalaman khusus.

RIWR

9

Penggunaan ModelPenggunaan Model

Persamaan yang harus dipecahkan dengan model sangat komplek dan sulit dijabarkan.

Pembuat model salah dalam menjabarkan arti fisik dari proses hidraulik dan struktur

Model terlalu komprehensif, sehingga pengujian dan modifikasi menimbulkan banyak kesulitan/tenaga

Model salah dalam mengsimulasikan kondisi lapangan yang sangat penting.

Model hidraulik sulit dan mahal diterapkan pada kondisi:

Harus dilakukan diskusi yang terbuka antara pembuat model dan pengguna (Client)

RIWR

10

Maksud & Tujuan

Memeriksa dan memantapkan desain hidraulik suatu bangunan Mendapatkan dimensi dan tata letak bangunan yang relatif paling

baik ditinjau dari segi hidraulik Mendapatkan alternatif desain Mengurangi dan mengoptimumkan biaya pelaksanaan Memprediksi kemungkinan-kemungkinan yang akan terjadi saat dan

setelah bangunan dibuat. Mengurangi / meminimalkan dampak negatif terhadap bangunan lain

dan lingkungan di sekitarnya. Mendapatkan panduan operasi dan pemeliharaan bangunan

RIWR

11

Cakupan Layanan Model Test

Bendung Tetap Bendung Gerak Bendung Karet Bangunan Pelimpah Bendungan Bangunan Pengambil dan Pembilas Bendung Bangunan Penangkap Sedimen Bangunan Pengendali Dasar Sungai Bangunan Pelindung Tebing Tak Langsung (Krib) Bangunan Pelindung Pantai

RIWR

12

Lingkup Kegiatan

Pengumpulan data:

Situasi sungai, Desain/dimensi bangunan, Hidrologi, Geoteknik dll Perencanaan dan pembuatan model fisik Pengujian model

Desain awal (kondisi bangunan yang ada) Desain perubahan dan usulan

Gambar Usulan Hidraulik Penyusunan Laporan

RIWR

13

Sasaran Uji Model Hidraulik Fisik

o Mendapatkan bentuk/desain hidraulik bangunan air berikut bangunan pelengkap lainnya yang mendukung ditinjau dari kinerja, keamanan, biaya dan

o Meminimalkan dampak negatif dari bangunan air (bendung/ bendungan dll) dan bagian-bagiannya terhadap lingkungan

RIWR

14

Data Pendukung yang Diperlukan

Data Sungai Geometri sungai

Situasi dengan skala 1 : 500 Sepanjang 2 km

Material dasar sungai Pra Rencana Hidraulik

Desain Hidraulik Bangunan

RIWR

15


RIWR

16


Hidrologi (Qdesain)

Q100

Q1000

QPMF

Peta Desain hidraulik bangunan air dan bagian-bagiannya dengan

skala 1 : 100 Geoteknik

Lapisan di poros bangunan & hilir peredam energi

RIWR

17

Prinsip/Logika Dasar Pemodelan

Analisis Dimensi Cara untuk membentuk bilangan tak berdimensi pembuatan model

hidraulik Dipergunakan dalam:

Menentukan skala model Menggambarkan hasil penelitian bersifat umum

Besaran pokok: Massa (M) Panjang (L) Waktu (T)

Balai Bangunan Hidraulik dan Geoteknik Keairan

RIWR

18


Analisis Dimensi Skala dari berbagai parameter yang diamati dalam penelitian -

ditentukan dari hubungan antara parameter bilangan tak berdimensi parameter fisiknya diketahui.

Bilangan Tak Berdimensi Bilangan Reynolds : perbandingan antara gaya inersia dengan gaya kekentalan.

( L 3) ( V 2 L –1) V L V L --------------------- = -------- = ---- = Re ( V L –1) L 2)

Bilangan Froude : perbandingan antara gaya inersia dengan gaya gravitasi atau gaya berat. L 3) ( V 2 L –1) V 2 --------------------- = ----- = Fr 2

( g L 3) g L

RIWR

19


Prinsip Keserupaan/Similaritas antara model danprototipe mencakup: Similaritas geometri, akan terpenuhi jika antara model

dan lapangan mempunyai keterkaitan melalui skala Similaritas kinematik, akan terpenuhi jika antara model

dan prototipe mempunyai keterkaitan melalui garis-garis aliran

Similaritas dinamik, akan terpenuhi jika antara model dan prototipe mempunyai keterkaitan melalui gaya-gaya yang bekerja.

RIWR

20


Keserupaan/Similaritas geometri (Geometric similarity) panjang di prototip L p n L = -------------------------- = ------, nL = skala panjang

panjang di model L m Keserupaan/Similaritas kinematik (Kinematic similarity)

kecepatan di prototip v p n v = -------------------------- = ------, nv = skala kecepatan

kecepatan di model v m Keserupaan/Similaritas dinamik (Dynamic similarity)

gaya di prototip F p n F = -------------------------- = ------, nF = skala gaya

gaya di model F m

RIWR

21


Permasalahan lapangan Pemecahan Lapangan

Permasalahan Model Pemecahan di Model

Pemodelan

Pemecahan

Interpretasi

RIWR

22

Pembuatan Model

Model fisik dua dimensidibuat pada saluran kaca berukuran 1 x 15 m

Potongan memanjang bendung/bangunan pelimpah sampai peredam energi Memeriksa kondisi aliran Memeriksa gerusan lokal

Saluran kaca dan saluran jungkit

RIWR

23

Pembuatan Model

Model fisik tiga dimensidibuat pada lahan di laboratorium

Sebagian sungai/waduk di udik bangunan Bagian-bagian bangunan air secara menyeluruh Sebagian sungai di hilir bangunan

Laboratorium tertutupLaboratorium terbuka

RIWR

24

Pembuatan Model

Model tanpa distorsi adalah model yang mempunyai skala horizontal dan vertikal yang sama. Skala parameter aliran ditentukan berdasarkan skala geometri, nh = nv

Contoh : Model bendung, pelimpah dll. Model dengan distorsi adalah model yang didesain dengan skala

horizontal dan vertikal yang berbeda. Pada umumnya model ini digunakan jika cakupan kondisi lapangan yang harus dimodelkan sangat luas.

Contoh: Model sungai atau pantai dengan cakupan yang panjang dan luas

RIWR

25

Pembuatan Model

Batas ModelHarus mencakup seluruh area yang mempengaruhi kinerja spillway, dam dan bangunan pelengkap lainnya

Geometri Sungai dan BangunanHarus sesuai dengan geometri sungai dan bangunan yang akan ditirukan dengan skala yang telah ditentukan

KekasaranMemerlukan proses kalibrasi sesuai dengan kondisi lapangan

Pembuatan Inlet / Outlet ModelUntuk menstabilkan aliran air yang mengarah ke model dan meninggalkan model

RIWR

26

Pembuatan Model

Pemasangan Alat-alat Ukur Debit di Udik dan Hilir ModelUntuk mengukur debit masuk yang harus sama dengan debit keluar, dan untuk mengidentifikasi kemungkinan terjadinya kebocoran

Bagian-bagian / Komponen Bangunan LainnyaHarus ditirukan sesuai dengan skala dan menghasilkan kinerja yang baik ditinjau dari segi hidraulis

Pemilihan MaterialMudah didapat, sesuai dengan perilaku material di lapangan

Pekerjaan WorkshopPintu-pintu, pilar, mal untuk penampang tertentu, sayap, tunnel, peredam energi.

RIWR

27

Skala Model

Skala adalah ratio atau perbandingan antara besaran yang ada di lapangan dan di model, yaitu paramater, n

Faktor-faktor yang mempengaruhi Tujuan dan apa yang ingin dihasilkan Dimensi hidraulik sistem yang disimulasikan Kemampuan laboratorium dan peralatan yang digunakan Ketelitian pemodelan minimum yang harus dihasilkan agar

interpretasi dan pemecahan masalah di model menjadi pemecahan masalah di lapangan dapat dilakukan dengan mudah dan benar

odelbesaran

ediprototipbesarann

dim

RIWR

28

Skala Model

Beberapa Prinsip Dasar yang Harus Dipenuhi Teori Model Hidraulik Kriteria kesesuaian kondisi aliran Kriteria kesesuaian dinamika pergerakan partikel air dan

sedimen Kriteria kesesuaian kekasaran hidraulik Kriteria kesesuaian gaya seret dan gaya seret kritis Kriteria kesesuaian angkutan muatan sedimen

RIWR

29

Skala Kecepatan Aliran, nv

Kondisi aliran ditentukan oleh bilangan Froude, Fr

Untuk mendapatkan kesamaan kondisi aliran antara model dan lapangan, perlu dipenuhi kesamaan harga bilangan Froude, Fr :

Persyaratan ini akan memberikan hubungan sebagai berikut:

gh

vrF

1

mghv

pghv

mFrpFr

Frn

1/2

mh

ph

mg

pg

mv

pv

karena ng = 1, maka 1/2

hnvn

RIWR

30

Skala waktu, nt

Waktu dapat dijabarkan sebagai:

Hubungan tersebut dapat dijabarkan lebih lanjut menjadi:

vkecepa

Ljarakt

tan

2/1

2/12/1

ht

h

Lt

hv

v

Lt

nnataun

nn

nn

nn

n

RIWR

31

Skala Debit Aliran, nQ

Debit aliran dapat dinyatakan dengan hubungan berikut:

Hubungan tersebut dapat dijabarkan lebih lanjut menjadi:

aliranbasahpenampangluasAdenganAvQ .

252/32/1

hQLhQ

hLA

hv

AvQ

nnataunnn

nnn

nn

nnn

RIWR

32

Fasilitas Laboratorium Hidraulik

Faktor Dominan dalam Menentukan Skala Model Area (luas tempat yg tersedia di Laboratorium Hidraulik) Q (kapasitas pompa) harus memenuhi Qmodel

Persyaratan ketelitian dalam pemodelan

RIWR

33

Fasilitas Laboratorium Hidraulik

Peralatan / Instrumentasi : Alat ukur Theodolit Alat ukur debit (Rechbok atau Thomson) Pengukur kecepatan aliran (Current meter) Pengukur tekanan (Piezometer) Pengukur tinggi muka air/meteran taraf (water level recorder) Bed level changes follower Automatic discharge controller Sediment supply controller Water level regulator and Wave Generator

RIWR

34

Pengujian Model Fisik

Program Pengujian Menyelidiki kesempurnaan pra desain hidraulik, Menyelidiki kerusakan/masalah hidraulik bangunan air yang

ada di lapangan Mempelajari arah, kecepatan dan distribusi aliran Mempelajari gejala parameter angkutan sedimen Mempelajari dampak perubahan morfologi sungai Mempelajari pengaruh degradasi dasar sungai

RIWR

35

Pengujian Model Fisik

Kondisi Model Model Dasar Tetap (Fixed bed model) Model Dasar Berubah (Movable bed model)

Skenario Pengujian Model Desain Awal (Seri 0) Model Seri-Seri perubahan (Seri 1,2,3 dst) Model Seri Usulan Hidraulik (Seri Usul)

RIWR

36

Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki

Aliran menuju bangunan (Approach Flow)

Distribusi arah dan kecepatan aliran menuju dan meninggalkan bangunan perlu diupayakan agar: Terdistribusi dengan baik dan garis aliran berubah dengan

serasi

Tidak terjadi garis-garis aliran yang saling menyilang

Tidak terjadi pusaran-pusaran aliran yang membahayakan

RIWR

37


Profil Muka Air (Water Profile )

Dengan mempelajari profil muka air dari udik, pada, hingga hilir bangunan dapat ditentukan: Tinggi tembok pengiring udik, tembok pangkal, tembok

peredam energi dan tembok sayap hilir yang memadai

Kondisi aliran dan efektivitas peredam energi

RIWR

38


Lengkung Debit Lengkung debit di udik bangunan diperlukan untuk

mengevaluasi kapasitas pelimpahan dan pada saat bangunan dioperasikan, data ini dapat dipergunakan untuk memperkirakan besar debit yang mengalir melalui bangunan

Lengkung debit ruas sungai di hilir bangunan dapat digu-nakan untuk memperkirakan dampak negatif degradasi dasar sungai

RIWR

39


115.00

116.00

117.00

118.00

119.00

120.00

121.00

122.00

123.00

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750

Debit [m3/detik]

Elev

asi M

uka

Air

Udi

k [m

]

Semua pintu buka penuh

Pintu rebah + radial dng a = 0.5 m

Pintu rebah + radial dng a = 1 m





RIWR

40


Vortex (Pusaran Air) Pusaran aliran dapat terjadi akibat :

Ketidak sempurnaan tembok pengiring udik dan hilir dan peredam energi

Adanya bocoran yang cukup besar pada suatu bagian bangunan

Dampak negatif pusaran air : Memicu ketidakstabilan aliran dan gerusan lokal, misalnya

pada tubuh tanggul/bendungan dan dasar sungai di hilir peredam energi

RIWR

41


Menurunkan efektivitas bangunan dan peredam energi

Menambah besar dimensi lubang bocoran

RIWR

42


Aliran Menyilang (Cross waves) Aliran menyilang dapat timbul akibat ketidaksempurnaan tata

letak bangunan dan tembok-tembok pengiring Mengakibatkan aliran tidak stabil dan penurunan efektivitas

peredam energi Dapat dihindari dengan

penyempurnaan tata letak pelimpah dan tembok-tembok pengiring serta menambah kolam dan mercu penenang

RIWR

43


Kecepatan Diusahakan agar terdistribusi “merata” saat menuju, pada dan

meninggalkan bangunan Dibatasi sesuai dengan jenis material yang digunakan sebagai

struktur bagian-bagian bendungan Kavitasi

Tekanan negatif pada struktur yang diakibatkan oleh kondisi aliran yang tidak baik

Dapat terjadi akibat hal-hal sebagai berikut : Transisi yang tidak mulus antar bagian-bagian struktur

pelimpah dan saluran peluncur

RIWR

44


Bentuk mercu yang tidak mengikuti garis arus Kecepatan aliran yang terlalu tinggi dan gelembung udara

yang terperangkap Dampak negatif :

Aliran menjadi tidak stabil Kerusakan pada lapisan permukaan struktur

RIWR

45


Penggerusan Terjadi akibat gaya seret aliran yang melebihi gaya seret kritis

material Dapat terjadi pada tubuh bendung, dasar dan tebing sungai Dapat dihindarkan dengan jalan :

Menghindarkan aliran menyusur tubuh bendungan dan melindungi dengan rip-rap

Membangun peredam energi yang efisien dan menambah rip-rap pada tempat-tempat tertentu

Membangun perlindungan tebing sungai langsung atau tidak langsung

Mempertahankan muka air hilir sesuai desain

RIWR

46


Pengaruh Degradasi Dasar Sungai : Menurunkan efektivitas peredam energi Memicu erosi buluh

Pengujian Degradasi Sungai Cipamingkis

RIWR

47

Pengujian Bangunan Pelimpah

Pengujian Bangunan Pelimpah Bendung Ponre-Ponre

RIWR

48

Pengujian Bangunan Pelimpah

Seri Usul Bangunan Pelimpah Bendung Ponre-Ponre

RIWR

49

Bangunan Penangkap Sedimen di Lapangan

Penangkap Pasir Pamarayan

RIWR

50

Pengujian Model Sungai (Krib)

Kondisi aliran sungai (Flow pattern): arah dan distribusi kecepatan

Lengkung debit (Rating curve): pada beberapa lokasi pengamatan yang strategis

Profil muka air (Water profile): pada potongan memanjang dan melintang (yang diperlukan – contoh pada tikungan sungai)

Penggerusan setempat (Local scouring): pada lokasi tikungan Distribusi endapan: prediksi sebaran endapan (dengan

menaburkan endapan dari udik)

RIWR

51

Pengujian Model Sungai (Krib)

Pengujian Model Sungai (Krib) di sungai Serayu udik jembatan Cindaga

RIWR

52

Perubahan/Perbaikan Hasil Penyelidikan

Merekomendasikan perbaikan atau penyempurnaan terhadap hal-hal yang kurang baik yang teramati pada model desain awal

Desain Awal Usulan Penyempurnaan

RIWR

53

PENUTUP

Uji Model Hidraulik Fisik diperlukan untuk menunjang detil desain, rehabilitasi bangunan, pelaksanaan konstruksi dll

Merupakan alat bantu dinamik untuk: Menyempurnakan dan memantapkan pra desain bangunan Mempelajari respon sungai dan meminimalkan dampak

negatif terhadap bangunan air lain dan lingkungan sungai Dilakukan oleh tim ahli hidraulik maupun lapangan (survei,

investigasi, desain, operasi dan pengamanan) Faktor utama adalah validasi data dan pengalaman modeler.

TERIMA KASIH – SEMOGA BERMANFAAT

1. uji model fisik untuk memantapkan design bangunan hidraulik

Engineering

Transcript of 1. uji model fisik untuk memantapkan design bangunan hidraulik