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
53
Embed
1. uji model fisik untuk memantapkan design bangunan hidraulik
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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
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.
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
Data Pendukung yang Diperlukan
RIWR
16
Data Pendukung yang Diperlukan
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
Prinsip/Logika Dasar Pemodelan
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/Logika Dasar Pemodelan
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
Prinsip/Logika Dasar Pemodelan
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
Prinsip/Logika Dasar Pemodelan
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
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
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
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
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