modul v pintu sorong dan air loncat - ocw.upj.ac.id · 2. jika menggunakan alat pengukur kedalaman...
TRANSCRIPT
51
MODUL V
PINTU SORONG DAN AIR LONCAT
6.1. Pendahuluan
6.1.1. Latar Belakang
Pintu sorong adalah sekat yang dapat diatur bukaannya. Pada bangunan air, aplikasi pintu sorong adalah
pintu pembilas. Fungsinya yaitu mencegah sedimen layang masuk ke dalam pintu pengambilan (intake) dan
membilas sedimen yang menghalangi aliran.
Aliran setelah pintu sorong mengalami perubahan kondisi dari subkritis ke superkritis. Di lokasi yang lebih
hilir terjadi peristiwa yang disebut air loncat/lompatan hidraulik (hydraulic jump). Air loncat memiliki sifat
aliran yang menggerus. Adanya pintu sorong mengakibatkan kemungkinan terjadinya gerusan pada saluran
di hilir pintu sorong. Oleh karena itu, diperlukan perhitungan untuk desain saluran pada hilir saluran agar
tahan terhadap gerusan air akibat adanya pintu sorong.
| \ r
mm ^ :
Gambar 6. 1 Aliran pada Pintu Sorong
Secara fisik profil aliran pada pintu sorong dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 6. 2 Profil Aliran pada Pintu Sorong dan Air Loncat
52
6.1.2. Tujuan
Tujuan percobaan ini adalah
Mempelajari sifat aliran yang melalui pintu sorong
Menentukan koefisien kecepatan dan koefisien kontraksi
Menentukan gaya-gaya yang bekerja pada pintu sorong Fg dan Fb
Mengamati profil aliran air loncat
Menghitung besarnya kehilangan energi akibat air loncat
Menghitung kedalaman kritis dan energi minimum
6.2. Landasan Teori
Pintu sorong yang akan digunakan dalam percobaan ini adalah pintu air gesek tegak dengan tipe aliran bawah.
Pada rancangan pintu sorong jenis ini, hal yang menjadi perhatian utama adalah hubungan antara debit dengan
distribusi tekanan pada pintu dan bentuk pinggiran pintu. Namun karena rancangan pinggiran pintu air sangat
bervariasi, maka fokus dari modul ini lebih kepada hubungan debit dan distribusi tekanan (seperti disebutkan
dalam tujuan praktikum).
6.2.1. Debit Aliran (Q)
Debit Berdasarkan Venturimeter
Dalam praktikum, pengukuran debit digunakan dengan venturimeter. Dengan menerapkan prinsip
kekekalan energi, impuls-momentum, dan kontinuitas (kekekalan massa), serta dengan asumsi terjadi
kehilangan energi, dapat diterapkan persamaan Bernoulli untuk menghitung besar debit berdasarkan tinggi
muka air sebelum dan pada kontraksi.
Gambar 6. 3 Venturimeter
Besarnya debit (Q) dapat diperoleh dengan rumus:
𝑄 = √(𝜌𝑟−𝜌𝑎)(
1
4𝜋𝑑1
2)22𝑔∆ℎ
[(𝑑1𝑑2)4−1]𝜌𝑎
(6.1)
53
dimana:
d1 = 3,15 cm
d2 = 2,00 cm
g = 9,81 m/s2
ρair = 1,00 gr/cm3 pada suhu 0oC
ρHg = 13,60 gr/cm3
54
Gambar 6. 4 Profil Aliran pada Pintu Sorong
Besarnya debit teoretis adalah
𝑄𝑟 = 𝑏𝑌1√2𝑔𝑌0
(1+𝑌1𝑌0) (6.2)
Dengan memasukkan harga koefisien kecepatan (CV) dan koefisien kontraksi (CC) ke dalam persamaan
(5.2) maka dapat diperoleh Debit Aktual (QA)
𝐶𝑐 =𝑌1
𝑌𝑔 dan 𝐶𝑣 =
𝑄𝐴
𝑄𝑇
𝑄𝐴 = 𝑏𝐶𝑐𝐶𝑣𝑌𝑔√2𝑔𝑌0
(𝐶𝑐𝑌𝑔
𝑌0+1)
(6.3)
dimana:
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/detik2
b = lebar saluran = 8 cm
Yo, Y1, dan Yg (lihat gambar 5.4)
6.2.2. Gaya Yang Bekerja Pada Pintu Sorong
Faktor penting yang perlu dipertimbangkan dalam desain pintu air adalah gaya yang bekerja, alat
pengangkat (mesin atau manusia), sekat kedap air, dan bahan bangunan. Gaya yang berpengaruh adalah
gaya akibat tekanan air horizontal bekerja pada plat pintu dan diteruskan ke sponning.
55
Tekanan yang bekerja pada permukaan pintu dapat dianalisis dengan pengukuran langsung pada model.
Tekanan normal pada permukaan pintu dapat dinyatakan oleh komponen horisontal FH. Letak dan besarnya
gaya-gaya pada pintu dapat ditentukan secara grafis, dengan menggunakan diagram distribusi. Cara yang
lebih sederhana dalam menentukan besarnya tekanan adalah dengan menganggap bahwa tekanan
horisontal pada permukaan pintu terdistribusi secara hidrostatis.
Gaya dorong yang bekerja pada pintu sorong akibat tekanan hidrostatis dapat dihitung dengan
menggunakan rumus:
Fh = 0.5 p g ( Yo - Yg )2 (6.4)
h = Yo - Yg
Sedangkan gaya dorong lainnya yang bekerja pada pintu sorong dapat dihitung dengan rumus:
𝐹𝑔 = [0,5𝜌𝑔𝑌12 (
𝑌02
𝑌12 − 1)] + [
𝜌𝑄2
𝑏𝑌1(1 −
𝑌1
𝑌0)] (6.5)
dimana:
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2
b = lebar saluran = 8 cm
Yo, Yi, dan Yg (lihat gambar 2.5)
6.2.3. Air Loncat
Aliran pada pintu sorong adalah aliran tak tunak yang berubah tiba-tiba sehingga muncul perubahan tinggi
muka air dari subkritis menjadi superkritis. Aliran yang keluar dari pintu biasanya mempunyai semburan
kecepatan tinggi yang dapat mengikis dasar saluran ke arah hilir. Peristiwa ini disebut air loncat dan sering
terjadi pada saluran di hilir kolam pembilas atau di kaki pelimpah.
Gambar 6. 5 Distribusi Gaya yang Bekerja pada Pintu
56
Bilangan Froude
Bilangan Froude adalah bilangan tak berdimensi yang merupakan indeks rasio antara inersia terhadap gaya
akibat gravitasi.
Energi spesifik dalam suatu penampang saluran dinyatakan sebagai energi air per satuan berat pasa setiap
penampang saluran, diperhitungkan terhadap dasar saluran. Untuk saluran dengan kemiringan kecil dan
dan tidak ada kemiringan dalam aliran airnya (a=1), maka energi spesifik dapat dihitung dengan persamaan:
𝐸 = 𝑦 +𝑉2
2𝑔 (6.8)
dimana:
E = energi spesifik pada titik tinjauan (m)
y = kedalaman air di titik yang ditinjau (m)
V = kecepatan air di titik yang ditinjau (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
Untuk energi spesifik tertentu terdapat dua kemungkinan kedalaman, misalnya Ya dan Yb. Kedalaman hilir
disebut alternate depth dari kedalaman hulu dan begitu juga sebaliknya. Pada keadaan kritis kedua
kedalaman tersebut seolah menyatu dan dikenal sebagai kedalaman kritis (Yc). Rumus untuk menghitung
kedalaman kritis (Yc) dan energi minimum (Eminimum) adalah sebagai berikut:
𝑦𝑐 = (𝑄2
2𝑔𝑏2)13⁄
(6.9)
𝐸𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚 =2
3𝑦𝑐 (6.10)
6.3. Alat-Alat Percobaan
Alat-alat yang digunakan dalam percobaan ini adalah sebagai berikut:
a. Pintu sorong
b. Pompa
c. Alat pengukur kedalaman
d. Meteran
e. Manometer
f. Sekat pengatur hilir
g. Penampung air
57
Gambar 6. 6 Saluran Terbuka untuk Percobaan Pintu Sorong
6.4. Prosedur Kerja
Percobaan pada modul ini dibagi dalam 2 tahapan, yaitu percobaan dengan debit tetap dan percobaan dengan
bukaan pintu yang tetap. Prosedurnya adalah sebagai berikut:
6.4.1. Percobaan dengan Debit Tetap
1. Pintu sorong dan flume dikalibrasikan dahulu pada titik nol terhadap dasar saluran
2. Jika menggunakan alat pengukur kedalaman selain penggaris (mistar), alat tersebut perlu
dikalibrasikan terlebih dahulu. Jika menggunakan penggaris, gunakan penggaris yang sama
untuk setiap percobaan.
3. Periksa keadaan awal pipa manometer pada venturimeter. Jika terdapat selisih ketinggian pada
kedua pipa, catat selisihnya, dan gunakan sebagai kalibrasi dalam perhitungan debit
menggunakan venturimeter.
4. Alirkan air dengan debit tertentu yang memungkinkan terjadinya jenis aliran yang diinginkan.
5. Atur kedudukan pintu sorong. Tentukan kira-kira pada interval berapa profil air loncat masih cukup
baik.
6. Setelah aliran stabil, ukur dan catat Yo, Yg, Yi , Ya, Xa, Yb dan Xb dimana:
Yo = tinggi muka air di hulu pintu sorong
Yg = tinggi bukaan pintu sorong terhadap dasar saluran
Y1 = tinggi muka air terendah di hilir pintu sorong
Y2 = tinggi muka air tertinggi di hilir pintu sorong
Ya = tinggi muka air tepat sebelum air loncat
Yb = tinggi muka air tepat setelah air loncat
Xa = kedudukan horizontal titik Ya dari titik nol saluran
Xb = kedudukan horizontal titik Yb dari titik nol saluran
Parameter di atas dicatat pada formulir pengamatan Percobaan A: Debit Tetap, Yg Berubah
7. Percobaan dilakukan 5 kali dengan mengubah tinggi bukaan pintu sorong.
6.4.2. Percobaan dengan Debit Berubah
1. Tentukan dan catat kedudukan pintu sorong terhadap dasar saluran (Yg tetap).
2. Periksa keadaan awal pipa manometer pada venturimeter. Jika terdapat selisih ketinggian pada
58
kedua pipa, catat selisihnya, dan gunakan sebagai kalibrasi dalam setiap perhitungan debit
menggunakan venturimeter.
3. Alirkan air dengan debit minimum yang memungkinkan terjadinya aliran yang diinginkan.
4. Setelah aliran stabil, ukur dan catat Yo, Yg, Yb , Ya, Xa, Yb dan Xb pada formulir pengamatan
Percobaan B : Debit Berubah, Yg Tetap
5. Percobaan dilakukan 5 kali dengan mengubah debit aliran
Seluruh prosedur kerja secara umum terangkum dalam diagram alir berikut ini:
A. Percobaan dengan Debit Tetap
Gambar 6.7 Diagram alir prosedur kerja praktikum pintu sorong dan air loncat (debit tetap)
59
B. Percobaan dengan Debit Berubah
Gambar 6.8 Diagram alir prosedur kerja praktikum pintu sorong dan air loncat (debit berubah)
60
6.5. Pengambilan Data
Untuk mengambil data, gunakan formulir pengamatan yang terdapat pada bagian akhir modul dan gunakan panduan
tabel di bawah ini:
Tabel 6. 1 Spesifikasi Data yang Diambil Selama Percobaan
No Lembar Data Data yang Diambil Simbol Sat. Jumlah Data Total Keterangan
1
Percobaan A:
Debit Tetap, Yg
Berubah
Tinggi kedua pipa manometer
untuk menghitung debit
h1 cm 1 Debit yang
digunakan hanya
1 nilai saja h2 cm 1
Tinggi muka air di hulu pintu
sorong
Yo cm 1 X jumlah perubahan
Yg = 5
Untuk lebih jelas
dalam
pengambilan
data, praktikan
hendaknya
mempelajari
Gambar 2.3
Tinggi bukaan pintu sorong
terhadap dasar saluran Yg cm
1 X jumlah perubahan
Yg = 5
Tinggi muka air terendah di
hilir pintu sorong
Y1 cm 1 X jumlah perubahan
Yg = 5
Tinggi muka air tertinggi di hilir
pintu sorong
Y2 cm 1 X jumlah perubahan
Yg = 5
Tinggi muka air tepat sebelum
air loncat
Ya cm 1 X jumlah perubahan
Yg = 5
Tinggi muka air tepat setelah
air loncat
Yb cm 1 X jumlah perubahan
Yg = 5
Kedudukan horizontal titik Ya
dari titik nol saluran Xa cm
1 X jumlah perubahan
Yg = 5
Kedudukan horizontal titik Yb
dari titik nol saluran Xb cm
1 X jumlah perubahan
Yg = 5
2
Percobaan B:
Debit Berubah,
Yg Tetap
Tinggi kedua pipa manometer
untuk menghitung debit
h1 cm 5 Mengambil 5 nilai
debit baru. h2 cm 5
Tinggi muka air di hulu pintu
sorong
Yo cm 1 X jumlah perubahan
debit = 5
Untuk lebih jelas
dalam
pengambilan
data, praktikan
hendaknya
mempelajari
Gambar 2.3
Tinggi bukaan pintu sorong
terhadap dasar saluran Yg cm 1 (kondisi Yg tetap)
Tinggi muka air terendah di
hilir pintu sorong
Y1 cm 1 X jumlah perubahan
debit = 5
Tinggi muka air tertinggi di hilir
pintu sorong
Y2 cm 1 X jumlah perubahan
debit = 5
Tinggi muka air tepat sebelum
air loncat
Ya cm 1 X jumlah perubahan
debit = 5
Tinggi muka air tepat setelah
air loncat
Yb cm 1 X jumlah perubahan
debit = 5
Kedudukan horizontal titik Ya
dari titik nol saluran Xa cm
1 X jumlah perubahan
debit = 5
61
Kedudukan horizontal titik Yb
dari titik nol saluran Xb cm
1 X jumlah perubahan
debit = 5
6.6. Pengolahan Data
Pengolahan data dilakukan dengan membuat tabel perhitungan pada program Microsoft Excel agar proses
perhitungan yang dilakukan menjadi lebih mudah. Pengolahan data dilakukan melalui langkah-langkah berikut.
Pintu Sorong
Tabel 6. 2 Langkah-langkah Pengolahan Data Pintu Sorong
No. Langkah Formulir Pengamatan Keterangan Nama
Acuan Gambar/Grafik
1 Hitung Qt dan QA untuk
masing- masing
pengukuran tinggi pipa
venturimeter.
Gunakan persamaan 2.2
dan 2.3
Qt dan Qa digunakan
untuk menghitung
koefisien kecepatan(CV)
2 Hitunglah koefisien
kontraksi (CC) dan
koefisien kecepatan
(CV).
Gunakan data pada tabel
Percobaan A (pintu sorong).
Grafik ini menjadi
Grafik 2.1 Cv vs Yg/Yo
debit tetap dan
Grafik 2.2 Cc vs Yg/Yo
debit berubah.
3 Ulangi perhitungan
seperti pada no. 1.
Gunakan data pada tabel
Percobaan B (pintu sorong).
Grafik ini menjadi
Grafik 2.3 Cv vs Yg/Yo
debit berubah dan
Grafik 2.4 Cv vs Yg/Yo
debit berubah.
4 Hitung Fg dan Fh Gunakan data pada tabel
Percobaan A dan Percobaan
B (pintu sorong).
Gunakan persamaan 2.4
dan 2.5,
Grafik ini menjadi
Grafik 2.5 Fg/Fh vs
Yg/Yo untuk debit tetap
dan
Grafik 2.6 Fg/Fh vs
Yg/Yo untuk debit
berubah.
62
Tabel 6. 3 Langkah-langkah Pengolahan Data Air Loncat
No. Langkah Formulir Pengamatan Keterangan Nama
Acuan Gambar/Grafik
1 Hitung debit yang
mengalir
(Q)
Hitung bilangan Froude
pada bagian hulu air
loncat (Fra)
Gunakan persamaan 2.1
dan persamaan 2.6.
2 Hitung Yb/Ya pengukuran
Hitung Yb/Ya teoretis
Gunakan data pada tabel
Percobaan A dan Percobaan
B (air loncat)
Bilangan Froude pada
bagian hulu air loncat
(Fra) didapat dari
perhitungan pada no.1.
Gunakan persamaan 2.7
untuk
menghitungan Yb/Ya
teoretis
Grafik ini menjadi
Grafik 2.7 Yb/Ya
pengukuran vs
Yb/Ya teoretis untuk
debit tetap dan
Grafik 2.8 Yb/Ya
pengukuran vs
Yb/Ya teoretis untuk
debit berubah.
3 Hitungan L Gunakan data pada tabel
Percobaan A dan Percobaan
B (air loncat)
Bilangan Froude pada
bagian hulu air loncat
(Fra) didapat dari
perhitungan pada no.1.
L adalah panjang loncatan
yang diperoleh dari
perhitungan (Xb-Xa)
Grafik ini menjadi
Grafik 2.9 L/Yb vs
Fra untuk debit tetap
dan
Grafik 2.10 L/Yb vs
Fra untuk debit
berubah.
4 Hitung kedalaman kritis
(Yc) dan energi minimum
(E^mum) untuk masing-
masing nilai debit.
Gunakan nilai Y yang
tersedia pada tabel
Percobaan A dan Percobaan
B (air loncat).
Gunakan persamaan 2.9
untuk menghitug Energi
spesifik (E)
Grafik ini menjadi
Grafik 2.11 Y vs E
untuk debit tetap dan
Grafik 2.12 Y vs E
untuk debit berubah
63
6.7. Analisis Data
Dari hasil perhitungan sebelumnya, lihatlah kembali grafik-grafik yang telah dibuat dan lakukanlah analisis
berdasarkan masing-masing grafik, sebagai berikut:
Pintu Sorong
Tabel 6. 4 Grafik dan Analisis Pintu Sorong
No. Grafik Hal-hal yang Perlu Dianalisis
1 Grafik 2.1 Cc vs Yg/Yo debit tetap
dan Grafik 2.2 Cc vs Yg/Yo debit
berubah.
Tujuan pembuatan grafik tersebut.
Hubungan antara perbandingan Yg/Yo dan nilai Cc.
Perbandingan grafik dengan debit tetap dan berbeda.
Penggunaan trendline tertentu dalam penggambaran kurva.
Cari kegunaan Cc dalam aplikasi. 2 Grafik 2.3 Cv vs Yg/Yo debit
berubah dan Grafik 2.4 Cv vs
Yg/Yo debit berubah.
Tujuan pembuatan grafik tersebut.
Hubungan antara perbandingan Yg/Yo dan nilai Cv.
Perbandingan grafik dengan debit tetap dan berbeda.
Penggunaan trendline tertentu dalam penggambaran kurva.
Cari kegunaan Cv dalam aplikasi. 3 Grafik 2.5 Fg/Fh vs Yg/Yo untuk
debit tetap dan Grafik 2.6 Fg/Fh vs
Yg/Yo untuk debit berubah.
Tujuan pembuatan grafik tersebut.
Pengaruh bukaan pintu sorong dan faktor ketahanan pintu
(perbandingan gaya).
Hubungan antara ketahanan pintu sorong (Fg)dan gaya hidrostatis
yang bekerja (Fh).
Air Loncat
Tabel 6. 5 Grafik dan Analisis Air Loncat
No. Grafik Hal-hal yang Perlu Dianalisis
1 Grafik 2.7 Yb/Ya pengukuran vs
Yb/Ya teoretis untuk debit tetap
dan
Grafik 2.8 Yb/Ya pengukuran vs
Yb/Ya teoretis untuk debit
berubah.
Tujuan pembuatan grafik tersebut.
Hubungan Yb/Ya pengukuran vs Yb/Ya teoretis untuk 2 kondisi debit
tetap dan berubah.
Penggunaan intercept dalam penggambaran grafik
Bentuk ideal hubungan Yb/Ya pengukuran dan Yb/Ya teoretis. 2 Grafik 2.9 L/Yb vs Fra untuk debit
tetap dan Grafik 2.10 L/Yb vs Fra
untuk debit berubah.
Tujuan pembuatan grafik tersebut.
Cari alasan mengapa harus dibuat grafik L/Yb vs Fra
Bandingkan kedua kondisi debit, berubah dan tetap.
Cari kegunaan grafik ini dalam aplikasi di lapangan. 3 Grafik 2.11Y vs E untuk debit
tetap dan Grafik 2.12 Y vs E untuk
debit berubah.
Tujuan pembuatan grafik tersebut.
Hubungan antara Y dan E.
Bandingkan kedua kondisi debit, debit tetap dan debit berubah.
Buktikan persamaan 2.10 dan 2.11
Hubungan persamaan tersebut dengan grafik Y vs E.
64
6.8. Kesimpulan
Buatlah kesimpulan yang mengacu pada tujuan praktikum, garis besar hasil analisis dari data yang sudah
didapatkan, dan perbandingannya dengan keadaan ideal (sesuai atau belum). Berikan juga penilaian singkat jika
hasil percobaan kurang sesuai dengan kondisi ideal.
Dari kesimpulan yang telah didapat, buatlah saran-saran yang dapat berguna untuk percobaan selanjutnya, adanya
temuan lain yang didapat selama percobaan berlangsung dan mungkin dapat diteliti lebih lanjut, serta perbaikan
praktikum secara keseluruhan di masa mendatang.
6.9. Daftar Pustaka
Chow, Ven Te, Ph.D. 1959. Open-Channel Hydraulics. Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, Ltd.
65
FORMULIR PENGAMATAN Modul V: PINTU SORONG DAN AIR LONCAT
Praktikan: Mahasiswa Program Studi Teknik Sipil
No Nama NIM Paraf TANGGAL PRAKTIKUM
1
2 Assiten :
( ............................... )
3
4
5
No. Kelompok: Lembar 1/1
TANGGAL TERAKHIR PEMASUKAN LAPORAN:
Data alat
• Lebar Saluran = ( ................... .......... cm)
Data Pengamatan
Percobaan A: Debit Tetap, Yg Berubah
Bacaan Manometer Hi = ( ........................... cm), H2 = (cm), Ah = (
.............................................................................. cm)
Percobaan B: Debit Berubah, Yg Tetap Yg = ( ......................... cm)
Percobaan A: Debit Tetap, Yg Berubah
No. Praktikum Pintu Sorong (cm) Praktikum Air Loncat (cm)
Yg Y0 Y1 Xa Ya Xb Yb
1
2
3
4
5
Percobaan B: Debit Berubah, Yg Tetap
Praktikum Pintu Sorong (cm)
Bacaan Manometer Praktikum Air Loncat (cm)
No.
H1 (cm) H2 (cm) Ah
(cm) Y2 Y0 Y1 Xa Ya Xb Yb
1
2
3
4
5