1. Pendahuluan
Dalam pembuatan bangunan pengaman pantai seperti breakwater atau bangunan di laut lainnya, diperlukan berbagai jenis armor, yaitu suatu benda cetak dari beton. Dalam penggunaannya, diperlukan sifat-sifat armor tersebut, seperti koefisien stabilitas \(K_D\), porositas breakwater yang dibentuknya, dan lain-lain. Untuk itu para ahli telah mengembangkan berbagai jenis armor, seperti kubus, tetrapod, dolos, tribar, heksapod, A-jack dan lain-lain. Namun penelitian kearah sifat-sifat armor tersebut masih terbatas. Saat ini besaran koefisien stabilitas \(K_D\) yang dipakai
umumnya berdasarkan konsep Hudson (1959), dengan rumus:
\[K_D = \frac{\gamma_a H^3}{W_a (\frac{\gamma_a}{\gamma_w} - 1) \cot \alpha}\] (1.1)
yang ditetapkan hanya dengan parameter tinggi gelombang H. Beberapa penelitian belakangan seperti Ahren (1987), Van der Meer (1988) dan Losada (1992) memang telah melibatkan parameter gelombang T disamping H, tapi umumnya armor yang digunakan hanya batu pecah, tanpa meninjau bentuk armor dan tanpa meninjau posisi armor terhadap permukaan air.
- 1. Mahasiswa S-3 Departemen Teknik Sipil FTSP-ITB.
- Guru Besar Departemen Teknik Sipil FTSP-ITB.
- 3. Staf Pengajar Departemen Teknik Sipil FTSP-ITB.
Penelitian ini berusaha mendapatkan koefisien stabilitas \(K_D\), untuk berbagai bentuk artificial armor, serta posisinya terhadap permukaan air.
Dalam penelitian ini, penetapan \(K_D\) ditinjau pada kondisi kritis, dimana akibat interaksi antara gelombang dengan breakwater, armor yang digunakan sebagai bahan konstruksi breakwater, mulai mengalami perpindahan akibat gelombang.
Dari percobaan kritis yang dilakukan dengan memperbesar tinggi gelombang H secara bertahap pada periode T yang sama, ternyata setelah H mencapai tinggi tertentu, armor mulai berpindah tempat sehingga bentuk penampang breakwaterpun berubah. Setelah perubahan bentuk mencapai kondisi tertentu, armor kemudian menata diri dan menjadi stabil kembali, dan perpindahan akan terjadi lagi bila H diperbesar lagi. Berdasarkan hal ini, kondisi kritis didefinisikan pada perpindahan armor sekitar 3-5 persen dari seluruh armor yang membentuk konstruksi tersebut.
Hasil stabilitas armor yang diharapkan adalah berupa hubungan antara parameter kecuraman gelombang \(H/gT^2\) dengan koefisien stabilitas \(K_D\).
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat, khususnya perencanaan pengamanan pantai yang ramah lingkungan berupa breakwater tenggelam, karena pada pantai yang merupakan obyek wisata, breakwater tidak tenggelam dianggap menghilangkan kesan alamiah pantai tersebut oleh wisatawan.
Metode penelitian yang digunakan adalah model fisik, yang dilakukan pada saluran gelombang. Model armor dan model breakwater disesuaikan dengan kemampuan saluran gelombang.
Untuk model test dilaboratorium, digunakan model rubble-mound (Hughes, 1993). Dari perhitungan skala model didapat skala model = 24, yang menghasilkan model armor A-jack, tetrapod dan kubus masingmasing dengan ukuran 6.25 cm, 8 cm dan 4 cm.
Dalam penentuan parameter penelitian digunakan parameter gelombang dan breakwater seperti Gambar 2.
Analisis dimensional dengan Buckingham Pi Theorem (Hughes, 1993) menghasilkan persamaan parameter stabilitas armor:
\[\frac{\gamma_a H_i^3}{W_a} = f(\frac{H_i}{gT^2}, \frac{d}{h}, \cot \alpha)\] (1.2)
yang dapat dibuat grafik 2-D, dengan menetapkan harga tertentu untuk parameter d/h, yaitu seperti Gambar 3.
Gambar 1. Artificial armor pada submerged breakwater
Gambar 2. Parameter breakwater dan gelombang
Gambar 3. Perkiraan grafik stabilitas
Percobaan yang dilakukan dituiukan untuk mendapatkan grafik seperti Gambar 3, untuk tiap jenis armor. Rentang harga d/h, diambil 0.7 - 0.95.
2. Stabilitas Armor
Studi mengenai stabilitas armor yang berarti dimulai oleh Hudson (1959), dengan hasil berupa rumus koefisien stabilitas \(K_D\) dimana:
\[\boldsymbol{K}_{D} = \frac{\boldsymbol{\gamma}_{a} \boldsymbol{H}^{3}}{\boldsymbol{W}_{a} (\frac{\boldsymbol{\gamma}_{a}}{\boldsymbol{\gamma}_{w}} - 1)^{3} \cot \boldsymbol{\alpha}}\](2.1)
dimana:
- \(\gamma_a\) dan \(\gamma_w\) masing-masing berat jenis bahan armor dan air.
- \(W_a\) berat armor
- \(\alpha\) sudut talud breakwater
Kemudian Markle et al. (1985), dan Ahrens (1987) melakukan studi stabilitas dengan armor quarrystone. Tapi hasilnya kurang bersifat aplikatif.
Van der Meer (1988) meneliti masalah rock slopes dan gravel beach akibat serangan gelombang, dengan model fisik menggunakan batu pecah dengan. Hasilnya berupa rumus stabilitas untuk plunging wave
\[\frac{\boldsymbol{H}_{s}\sqrt{\boldsymbol{\xi}_{m}}}{\boldsymbol{\Delta D}_{n50}} = 6.2\boldsymbol{P}^{0.18}(\frac{\boldsymbol{S}}{\sqrt{\boldsymbol{N}}})^{0.2}\] (2.2)
Dimana:
- H<sub>s</sub> tinggi gelombang significant.
- \(\xi_m\) koefisien kecuraman gelombang.
- \(\Delta = \frac{\rho_a \rho}{\rho}\) dimana \(\rho_a\) dan \(\rho\) masing-masing masa jenis batu dan air.
- D diameter nominal batu pecah
- koefisien permeabilitas struktur (breakwater)
\[\bullet S = \frac{A}{D_{n50}^2}\]
• N jumlah gelombang ( N < 8500)
Carver et al. (1987, 1989, 1991 dan 1994), meneliti stabilitas armor batu dan dolos pada ujung breakwater tanpa overtopping akibat gelombang tidak pecah/ gelombang pecah, variasi keacakan dan pengaruh group gelombang. Hasilnya bersifat kualitatif.
Kemudian Losada et al. (1992) menguji stabilitas armor quarrystone pada breakwater tenggelam, yang menghasilkan hubungan antara berat armor yang dibutuhkan W dengan suatu fungsi \(\Phi_s\) dengan rumus:
\[\boldsymbol{W} = \frac{\boldsymbol{w_r} \boldsymbol{H}^3 \boldsymbol{\varPhi_s}}{\left(\boldsymbol{S_r} - 1\right)^3} \tag{2.3}\]
dimana.
- H adalah tinggi gelombang datang.
- Sr adalah specific gravity dari unit armor.
- \(w_r\) berat jenis (unit weight) unit armor.
- \(\Phi_s\) adalah fungsi dari S/H dimana S=(h-d)
3. Pelaksanaan Penelitian
Penelitian ini didahului dengan persiapan-persiapan, antara lain:
Pencetakan model armor, berupa A-jack, tetrapod dan kubus. Jumlahnya sedemikian rupa sehingga
Gambar 4. Grafik \(\phi_s\) sebagai adalah fungsi dari S/H (Losada et al., 1992)
dapat memenuhi volume model breakwater yang akan dibuat. Dalam hal ini telah dibuat 2500 buah armor A-jack, 2000 buah tetrapod dan 1500 buah kubus.
Set up laboratorium, yang berupa saluran gelombang milik Pusat Penelitian Pengembangan Sumberdaya Air Balitbang Kimpraswil Departemen Pemukiman dan Prasarana Wilayah, di Bandung, yang berukuran panjang 40 m, lebar 0,6 m, tinggi 1,1 m, dilengkapi dengan pembangkit gelombang tipe piston. Penggerak piston adalah motor listrik. Bentang gerakan piston dapat diubah secara manual. Tinggi gelombang maksimum yang dapat dihasilkan adalah 0,3 m. Pengatur frekuensi berupa sistem tahanan listrik, yang juga dapat diatur secara manual. Frekuensi yang dapat dibangkitkan adalah 0,33 - 1,0 hertz, atau periode gelombang T = 1 - 3 detik. Di ujung saluran gelombang dibuat pantai dengan kemiringan 1:10.
Persiapan alat ukur gelombang, yang dalam hal ini digunakan alat ultrasonic distance sensor merk Senix, dengan model Ultra-SP. Tujuan pengukuran adalah mendapatkan data hubungan antara waktu t dengan posisi permukaan gelombang y. Prinsip kerja alat ukur Senix ini adalah mengirim gelombang ultrasonic ke permukaan air (gelombang) yang kemudian dipantulkan. Pantulan tersebut ditangkap lagi oleh sensor Senix. Selisih waktu pengiriman dan penangkapan pantulan gelombang menyatakan jarak antara sensor Senix dengan permukaan gelombang dan direkam sebagai data dalam bentuk arus listrik (satuan mA), yang selanjutnya dengan mengkalibrasi alat tersebut dengan dengan jarak yang telah diketahui, maka data yang didapat dapat diubah menjadi data jarak. Perekaman data dilakukan dengan komputer, yang dijalankan dengan software Winspan.
Percobaan yang dilakukan pada dasarnya untuk perhitungan tinggi gelombang datang \(H_i\) dan periode
Gambar 5. Saluran gelombang
T, untuk harga d dan h yang ditentukan, yang akan dihitung dari data gelombang (data hubungan antara waktu t dengan posisi permukaan gelombang y). Gelombang datang diukur dengan 2 buah Senix yang ditempatkan di depan breakwater, karena gelombang tersebut merupakan kombinasi dari gelombang datang dan gelombang pantul (oleh breakwater), dan untuk memisahkannya diperlukan data pengukuran pada 2 posisi (Goda & Suzuki 1976). Pada penelitian ini, dilakukan 80 percobaan, yang menghasilkan 80 x 2 = 168 file data.
Karena rekaman data berupa besaran arus (dalam mA), maka diperlukan kalibrasi, yang dilakukan sekali setiap hari percobaan, untuk mendapatkan jarak antara Senix dan permukaan gelombang.
4. Analisis Hasil Percobaan
Percobaan yang dilakukan menghasilkan data berupa rekaman data permukaan gelombang. Rinciannya dapat dilihat pada Tabel 1.
Analisis data yang dilakukan berupa perbaikan data dan perhitungan H dan T. Perbaikan data perlu dilakukan karena data yang terekam kadang-kadang mengandung lost (ada data yang tidak terekam) atau error (data yang terekam tidak benar). Konsep perbaikan data adalah menghilangkan rekaman data yang salah dan menggantinya dengan interpolasi data yang benar disebelahnya. Gelombang yang landai umumnya dapat direkam dengan sempurna. Tapi gelombang curam dan pecah, sebagian rekaman mengalami lost atau error, yang umumnya terjadi pada bagian permukaan yang miring dan gelombang pecah. Hal ini disebabkan pada kondisi tersebut pantulan gelombang ultrasonik tidak sempurna, sehingga tidak tertangkap dengan baik oleh sensor Senix.
H dan T dihitung dengan metode zero-upcrossing (Goda, 1985). Untuk mengerjakan proses perbaikan data dan penggunaan metode zero-upcrossing dibuatkan sebuah program komputer yang disebut prodata. Untuk input data digunakan rekaman data minimal 10 gelombang berturut-turut (SPM 1984). Output program prodata adalah data hasil perbaikan, harga H dan T, dan spektrum gelombang yang bersangkutan. Berikut ini contoh gelombang yang masih mengandung error, yang sudah diperbaiki dan spektrumnya:
5. Diskusi
Data yang sudah diperbaiki dan dihitung harga H dan T nya, digunakan untuk perhitungan parameter KD dan H/gT2 , (Tabel 2), sehingga dapat dibuat curva stabilitas armor (Gambar 8). Tabel 2 dan curva gambar 8 adalah hasil perhitungan 1 kelompok data. Karena ada ada 10 kelompok data untuk A-jack, 3 kelompok data untuk tetrapod dan 3 kelompok data untuk kubus, maka dihasilkan 10 curva armor A-jack, 3 curva armor tetrapod dan 3 curva untuk armor kubus untuk harga d/h yang berbeda. Untuk penyajian yang lebih komprehensif, kelompok-kelompok tersebut di gabungkan (Gambar 9 sampai 11).
Untuk melihat perbandingan harga KD antar jenis armor, dibuatkan curva gabungan untuk armor A-jack, tetrapod dan kubus untuk harga d/h yang sama (Gambar 12). Dari Gambar 12 terlihat, bahwa KD untuk armor A-jack > KD untuk armor tetrapod > KD untuk armor kubus, yang berarti armor A-jack adalah yang paling stabil.
Tabel 1. Daftar file hasil percobaan stabilitas armor
| Jenis armor | Harga d/h | H (m) | Talud | Jumlah Percobaan | Jumlah File | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A-jack | 0,67 | 0,46 | 1 | 5 | 10 | |
| 0,72 | 0,60 | 2 | 3 | 6 | ||
| 0,76 | 0,50 | 1 | 8 | 16 | ||
| 0,83 | 0,48 | 2 | 4 | 8 | ||
| 0,86 | 0,50 | 1 | 4 | 8 | ||
| 0,95 | 0,31 | 1 | 6 | 12 | ||
| 0,95 | 0,41 | 1,5 | 6 | 12 | ||
| 0,95 | 0,39 | 2 | 6 | 12 | ||
| 0,98 | 0,51 | 1 | 4 | 8 | ||
| 0,98 | 0,45 | 2 | 4 | 8 | ||
| Tetrapod | 0,77 | 0,53 | 1 | 6 | 12 | |
| 0,83 | 0,58 | 1,5 | 4 | 8 | ||
| 0,95 | 0,53 | 2 | 5 | 10 | ||
| Kubus | 0,77 | 0,37 | 1 | 7 | 14 | |
| 0,83 | 0,49 | 1,5 | 3 | 6 | ||
| 0,95 | 0,45 | 2 | 5 | 10 | ||
| Jumlah | 80 | 160 | ||||
Gambar 6. Contoh grafik data gelombang asli (belum diperbaiki)
Gambar 7. Contoh gelombang yang telah diperbaiki dan spektrumnya
Tabel 2. Contoh tabel perhitungan stabilitas untuk d/h = 0,95
| Kelompok Asdh095m15 | data | T | H | γa | Wa | H/gT2 | 3 KD =γaHi /Wa |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| d385-1-2310 | 1.35 | 9 | 2256 | 29430 | 0.005034 | 18.80 | |
| d385-2-2310 | 1.59 | 8.8 | 2256 | 29430 | 0.003548 | 17.58 | |
| d385-3-2310 | 1.80 | 8.8 | 2256 | 29430 | 0.002769 | 17.58 | |
| d385-5-2310 | 2.27 | 9.3 | 2256 | 29430 | 0.00184 | 20.75 | |
| d385-6-2310 | 2.59 | 9.70 | 2256 | 29430 | 0.001474 | 23.54 |
Gambar 8. Contoh grafik stabilitas untuk d/h = 0,95
Gambar 9. Grafik stabilitas gelombang gabungan untuk A-jack
Gambar 10. Grafik stabilitas armor gabungan untuk armor tetrapod
Gambar 11. Grafik stabilitas armod gabungan untuk armor kubus
Gambar 12. Perbandingan harga KD armor A-jack, tetrapod dan kubus untuk d/h=0,95
6. Kesimpulan
- Harga stability coefficient KD berubah bersama dengan perubahan dimensionless wave steepness . Grafik yang dihasilkan pada penelitian ini, sejalan dengan hasil penelitian Van der Meer (1988), tapi karena jenis armor yang digunakan berbeda, maka harga KD yang dihasilkan berbeda.berbeda besarnya.
- Harga KD dipengaruhi oleh harga relative breakwater height, dimana makin besar, maka makin kecil harga stability coefficient KD. Penelitian Van der Meer (1988) atau penelitian lain sebelumnya belum meninjau pengaruh parameter ini.