prinsip dasar hidrolika

7/23/2019 Prinsip Dasar Hidrolika

http://slidepdf.com/reader/full/prinsip-dasar-hidrolika 1/24

BAB I

1.1 Saluran Terbuka

Hidrolika adalah bagian dari hidromekanika (hydro mechanics) yang

berhubungan dengan gerak air. Untuk mempelajari aliran saluran terbuka

mahasiswa harus menempuh mata kuliah kalkulus dan mekanika fluida lebih dulu.

Dengan bekal mata kuliah kalkulus dan mekanika fluida mahasiswa akan mampu

memehami penurunan persamaan-persamaan dasar dan fenomena aliran yang

pada prinsipnya merupakan fungsi dari tempat (x,y,) dan waktu (t).

!aluran terbuka adalah saluran dimana air mengalir dengan muka air

bebas. "ada semua titik disepanjang saluran, tekanan dipermukaan air adalah

sama. "ada saluran terbuka, misalnya sungai (saluran alam), "arameter saluran

sangat tidak teratur baik terhadap ruang dan waktu. "arameter tersebut adalah

tampang lintang saluran, kekasaran, kemiringan dasar, belokan, pembendungan,

debit aliran dan sebagainya. #etidakteraturan tersebut mengakibatkan analisis

aliran sangat sulit untuk diselesaikan se$ara analitis. "embendungan pada saluran

merupakan suatu peralihan yang berfungsi untuk mengetahui tinggi permukaan air

di sepanjang saluran, sifat-sifat aliran yang dalam hal ini adalah aliran yang

$enderung berubah se$ara beraturan. Hal ini mendorong penulis untuk mengamati

dan meneliti perilaku aliran berubah beraturan sesuai dengan teori-teori dalam

ilmu hidrolika. Dari eksperimen aliran pada saluran yang diran$ang, selanjutnya

dirumuskan permasalahan yaitu, bagaimana kesesuaian hasil analisis data

berdasarkan pengukuran debit aliran pada saluran terbuka malalui pembendungan

dengan hasil hitungan analitis teoritis.

%liran saluran terbuka dapat terjadi dalam bentuk yang ber&ariasi

$ukup besar, mulai dari aliran di atas permukaan tanah yang terjadi pada waktu

hujan, sampai aliran dengan kedalaman air konstan dalam saluran prismatis.

'asalah aliran saluran terbuka banyak dijumpai dalam aliran sungai, aliran



saluran-saluran irigasi, aliran saluran pembuangan dan saluran-saluran lain yang

bentuk dan kondisi geometrinya berma$am-ma$am.

'ekanika aliran saluran terbuka lebih sulit dibanding dengan mekanika

saluran tertutup. "ada aliran saluran tertutup tidak terdapat permukaan bebas

sehingga tidak terdapat pengaruh langsung dari tekanan atmosfer, pengaruh yang

ada hanyalah tekanan hidraulik yang besarnya dapat lebih besar atau lebih ke$il

daripada tekanan atmosfer. !edangkan pada aliran saluran terbuka terdapat

permukaan bebas yang berhubungan dengan atmosfer dimana permukaan bebas

tersebut merupakan suatu batas antara dua fluida yang berbeda kerapatannya yaitu

$airan dan udara, dan pada permukaan ini terdapat tekanan atmosfer. Dalam hal

ini hubungannya dengan atmosfer perlu adanya pertimbangan bahwa kerapatan

udara jauh lebih rendah daripada kerapatan air.

%liran saluran terbuka mempunyai permukaan yang berhubungan dengan

atmosfer, sedang aliran saluran tertutup tidak mempunyai hubungan langsung

dengan tekanan atmosfer. Di dalam modul ini yang dibahas adalah aliran saluran

terbuka (open channel flow) yang sangat erat hubungannya dengan teknik sipil.

Dengan demikian aliran saluran terbuka mempunyai permukaan yang

berhubungan dengan atmosfer, sedang aliran saluran tertutup tidak mempunyai

hubungan langsung dengan tekanan atmosfer.

Gambar 1.1 "enampang !aluran erbuka.



Gambar 1.2 "enampang !aluran erbuka.

1.2 Jenis – Jenis Saluran Terbuka

!aluran terbuka memiliki beberapa jenis saluran, berdasarkan klasifikasinya

yaitu

a. *enis saluran terbuka berdasarkan pembuatannya

+. !aluran alam natular $hannel.

ontoh sungai sungai ke$il, sungai sungai besar.



/. !aluran buatan artifi$ial $hannel.

ontoh drainase jalan raya, irigasi untuk mengairi persawahan.

b. *enis saluran terbuka berdasarkan konsistensi bentuk penampang dan

kemiringan dasar

+. !aluran prismatik prismati$ $hannel , yaitu bentuk penampang

melintang dan kemiringan dasarnya tetap.

ontoh saluran drainase, saluran irigasi

/. !aluran non prismatik non prismati$ $hannel , yaitu bentuk

penampang melintang dan kemiringan dasarnya berubah ubah.ontoh sungai

$. *enis saluran terbuka berdasarkan geometri penampang melintang

+. !aluran berpenampang persegi panjang.

/. !aluran berpenampang trapesiam.

0. !aluran berpenampang segi tiga.

1. !aluran berpenampang lingkaran.

2. !aluran berpenampang para bola.

3. !aluran berpenampang persegi panjang sisi dibulatkan.

4. !aluran berpenampang segi tiga dasar dibulatkan.

Tabel 1.1



1.3 Perhitungan Aliran Saluran Terbuka

Gambar 1.3 "enampang rapesium

#edalaman aliran (y) jarak &ertikal titik terendah dasar saluran hingga

permukaan

(depth of flow) air.



araf (stage) ele&asi dari muka air terhadap bidang persamaan.

5ebar dasar ( 6 ) lebar penampang melintang bagian bawah (dasar).

(bed width)

#emiringan dinding ( m ) angka penyebut pada perbandingan antar sisi

&ertikal terhadap

(side slope) sisi horiontal.

5ebar pun$ak ( ) lebar penampang saluran pada permukaan air.

(top width)

5uas basah ( % ) luas penampang ,elintang yang tegak lurus

saluran.

(water area)

#eliling 6asah ( " ) panjang garis perpotongan dari permukaan basah

saluran

(wetted perimeter) dengan bidang penampang melintang yang tegak

lurus arah

aliran.

*ari jari hidraulik ( 7 ) perbandingan antara luas basah dengan keliling

basah.

(hydraulic radius)

#edalaman hidraulik ( D ) perbandingan antara luas basah dengan keliling

lebar pun$ak.(hydraulic depth)

8aktor penampang ( 9 ) perkalian antara luas basah dengan akar kuadrat

dari

(section factor) kedalaman hidraulik.

ontoh perhitungan

Gambar 1.4 "enampang rapesium



BAB II

1.2 Pengertian Aliran Seragam dan Tak Seragam

%liran seragam merupakan aliran dengan ke$epatan rata-rata sepanjang

alur aliran adalah sama sepanjang waktu. %liran dikatakan seragam, jika

kedalaman aliran sama pada setiap penampang saluran. Di dalam aliran seragam,

dianggap bahwa aliran adalah mantap dan satu dimensi yang berarti ke$epatan

aliran di setiap titik pada tampang lintang tidak berubah, misalnya aliran melalui

saluran irigasi yang sangat panjang dan tidak ada perubahan penampang. "ada

umumnya aliran seragam pada saluran terbuka dengan tampang lintang prismatik

adalah aliran dengan ke$epatan konstan dan kedalaman air konstan. Di samping



itu permukaan aliran sejajar dengan permukaan dasar saluran, sehingga ke$epatan

dan kedalaman aliran disebut dalam kondisi seimbang (kondisi equilibrium).

a. "rinsip %liran !eragam

+. #edalaman aliran adalah konstan dalam waktu dan ruang.

/. :aya gra&itasi yang ada di imbangi oleh gaya friksi yang ada.

0. %liran yang benar-benar seragam jarang ditemukan dalam kenyataan

dan ada beberapa aliran yang diasumsikan sebagai aliran seragam.

b. "embentukan aliran seragam

+. %liran air dalam saluran terbuka akan mengalami hambatan saat

mengalir ke hilir.

/. Hambatan akan dilawan oleh komponen gaya berat yang bekerja dalam

arah geraknya.

0. 6ila hambatan seimbang dengan gaya berat maka aliran yang terjadi

adalah aliran seragam.

$. #lasifikasi aliran seragam

+. #edalaman aliran 5uas penampang, penampang basah, dan debit

aliran pada setiap penampang dari suatu panjang aliran dalaah tetap.

/. :aris ;nergi :aris permukaan aliran, dan sasar saluran sejajar, dan

ini berarti bahwa kemiringan garis energi (if ), garis permukaan air (iw)

dan dasar saluran (ib) adalah sama atau if < iw < ib Ditinjau dari

perubahan terhadap waktu maka aliran dapat berupa aliran tetap

dimana

%liran seragam (uniform flow) merupakan jenis aliran yang lain= kata

>seragam? menunjukkan bahwa ke$epatan aliran disepanjang saluran adalah tetap,

dalam hal ke$epatan aliran tidak tergantung pada tempat atau tidak berubah

menurut tempatnya. %liran seragam merupakan aliran yang tidak berubah menurut

tempat. #onsep aliran seragam dan aliran kritis sangat diperlukan dalam

peninjauan aliran berubah dengan $epat atau berubah lambat laun. "erhitungan

kedalaman kritis dan kedalaman normal sangat penting untuk menentukan

perubahan permukaan aliran akibat gangguan pada aliran.



%liran tak seragam adalah kedalaman dan ke$epatan aliran disepanjang

saluran tidak konstan, garis tenaga tidak sejajar dengan garis muka air dan dasar

saluran. %nalisis aliran tak seragam biasanya bertujuan untuk mengetahui profil

aliran di sepanjang saluran atau sungai. %nalisis ini banyak dilakukan dalam

peren$anaan perbaikan sungai atau penanggulangan banjir, ele&asi jembatan dan

sebagainya. Dalam hal ini analisis aliran menjadi jauh lebih mudah dan hasil

hitungan akan lebih aman, karena debit yang diperhitungkan adalah debit pun$ak

yang sebenarnya terjadi sesaat, tetapi dalam analisis ini dianggap terjadi dalam

waktu yang lama.

Dalam aliran tak seragam terdapat juga

a. %liran berubah beraturan (gradually varied flow), terjadi jika

parameter hidraulis (ke$epatan, tampang basah) berubah se$ara

progresif dari satu tampang ke tampang yang lain. %pabila di ujung

hilir saluran terdapat bendung maka akan terjadi profil muka air

pembendungan dimana ke$epatan aliran akan berkurang (diperlambat),

sedangkan apabila terdapat terjunan maka profil aliran akan menurun

dan ke$epatan akan bertambah (diper$epat) $ontoh aliran pada sungai.

b. %liran berubah $epat (rapidly varied flow), terjadi jika parameter

hidraulis berubah se$ara mendadak (saluran transisi), lon$at air,

terjunan, aliran melalui bangunan pelimpah dan pintu air.

2.2 Perhitungan Aliran Seragam dan Tak Seragam

7umus rumus yang biasa di pakai dalam perhitungan aliran seragam dan

tak seragam adalah

:ambar /.+



#eseimbangan gaya gaya yang bekerja pada bagian ke$il aliran

sepanjang @x dapat dinyatakan sebagai berikut

#arena kedalaman air ( y ) tetap maka besarnya gaya gaya

hidrotastik P

1 - P

2 < hanya berlawanan arah maka gaya

gaya tersebut saling menghapus satu sama lain, sehingga persamaan ( 0.0 )

menjadi

#arena , maka persamaan ( / ) menjadi

%pabila dibagi @x @y persamaan ( 0 ) menjadi

atau (0.1)

dimana

< tegangan geser pada ele&asi ( y ) dari permukaan air.

%pabila dapa ele&asi ( y ) besarnya tegangan geser ,

maka tegangan geser pada dasar saluran dapat di $ari dengan menggunakan

persamaan tersebut untuk harga < A, sehingga



Untuk aliran di dalam saluran lebar sekali ( wide channel ), dimana 7 < h,

maka tegangan geser dapa dasar saluran dapat dinyatakan sebagai persamaan

berikut

Untuk aliran seragam dimana persamaam dapat di ubah menjadi

(0.4)

%tau

#e$epatan aliran seragam , #e$epatan rata-rata aliran seragam turbulen

dalam saluran terbuka biasanya dinyatakan dengna rumus aliran seragam

B < 7 x !y

Dimana

B < ke$epatan rata rata

7 < jari jari hidrolik

! < kemiringan energi

< faktor tahanan aliran

C"ada awal tahun +43 seorang insinyur "eran$is bernama %ntonius hey

mengembangkan mungkin untuk pertama kali perumusan ke$epatan aliran yang

kemudian dikeanl dengan rumus hey yaitu

Dimana =

B < ke$epatan rata rata




! < kemiringan energi

< faktor tahanan aliran hey

Harga tergantung pada kekasaran dasar saluran dan kedalaman aliran atau jari

jari hidrolik. 6erbagai rumus di kembangkan untuk mendapatkan harga antara

lain

a. :angguitlef %unt #utter (+E3)

dimana

n < koefisien kekasaran dasar dan dinding saluran


b. 6ain melalui penelitiannya menetapkan harga (+E4)

dimana

m < koefisien 6ain7 < jari jari hidrolik

7umus 'anning pada pengaliran di saluran terbuka dan untuk

salurantertutup (pipa), dapat dirumuskan dalam bentuk

dimana


! < kemiringan garis energi

n < koefisien kekasaran

#oefisien kekasaran 'anning

abel /.+



%pabila dihubungkan dengan rumus hey dan persamaan 'anning akan

diperoleh hubungan antara koefisien hey () dan koefisien manning (n) sebagai

berikut

8aktor faktor yang mempengaruhi harga kekasaran manning n adalah

+. #ekasaran permukaan dasar dan dinding saluran

/. umbuh tumbuhan

0. #etidak teraturan bentuk penampang

1. %lignment dari saluran

2. !edimentasi dan erosi

3. "enyempitan

4. 6entuk dan ukuran saluran

E. ;le&asi permukaan air dan debir aliran

Dari hasil penelitian 'anning membuat suatu tabel anggka kekasaran n untuk

berbagai jenis bahan yang membentuk saluran antara lain sebagai berikut

abel /.0



BAB III



3.1 Aliran Berubah Lambat Laun dan Aliran ritis

%liran berubah lambat laun banyak terjadi akibat pasang surut di muara

saluran atau akibat adanya bangunan-bangunan air atau pasang surut air laut

terutama pada saat banjir akan berpengaruh sampai ke hulu dan atau ke hilir.

%liran berubah lambat laun yang terjadi akibat perubahan ele&asi hilirnya ini

sangat tergantung pada kedalaman kritis dan kedalaman normal.

"erilaku dasar berubah lambat

a. #edalaman hidrolis berubah se$ara lambat pada arah longitudinal

b. pengendali aliran ada di kombinasi di hulu F hilir

$. %nalisis G menentukan struktur saluran yang aman dan optimal

Dengan pengertian

+. steady flow dan distribusi tekanan ditentukan oleh gaya hidrostatis.

/. kehilangan tekanan didekati G aliran seragam

0. slope ke$il

1. tidak terjadi re-aerasi

2. koefisien $oriolis tidak berubah

3. koefisien gesek tidak ber&ariasi thd kedalaman

4. !aluran prismatik

%liran !ubkritis pada umumnya dikendalikan dari hilir untuk melihat

gejala tersebut, perhatikan penampang kontrol dimanan ele&asi permukaan airnya

diketahui sedang ke arah hulu menuju ke batas aliran di tak berhingga. Dibawah

ini diuraikan dengan gambar profil permukaan aliran yang dikendalikan dari hilir.

6eberapa $ontoh profil permukaan air karena perubahan ele&asi

permukaan air di hilir akibat pembendungan atau fluktasipasang surut di ujung

hilirnya

a. !uatu aliran dalam saluran dengan kemiringan negarif (menanjak di arah

aliran). Di ujung hilirnya di pasang suatu bendung sehingga permukaan air



naik dan menyebabkan air balik (ba$k water). "rofil air balik ini

bentuknya dikendalikan oleh kedalaman air di penampang , yaitu

penampang pengendali atau penampang kontrol. "rofil permukaan air

diberi notasi %/ (%d&erse !lope dan letaknya diatas y$). Dalam hal ini yn

tidak ada (yn imaginer) karena ib negatif.

b. suatu aliran dalam saluran dengan dasar horiontal yang hilirnya

mengalami terjunan. Dalam hal ini profil aliran yang terbentuk bukan air

balik tetapi terjunan. alaupun demikian profil aliran tetap dikendalikan

oleh kedalaman air di penampang kontrol . "rofil permukaan air

diberi notasi H/ (Horiontal dan letaknya diatas y$ dan yn). Dalam hal ini

harga yn < I karena ib < A.

$. suatu aliran dalam saluran dengan kemiringan dasar positif landai yang di

hilirnya terdapat terjunan ke danau atau ke laut. Jleh karena kemiringan

dasar lebih ke$il daripada kemiringan kritis maka y$ K yn. %pabila

permukaan air dihilir lebih tinggi daripada yn maka akan terjadi air balik

(ba$kwater). 6entuk profil air balik ini dikendalikan oleh kedalaman air di

penampang kontrol . "rofil ini diberi notasi '+ ('ild !lope dan

letaknya diatas yn atau y L yn).



d. suatu aliran dalam suatu saluran dengan kemiringan dasar positif landai

yang di hilirnya terdapat terjunan ke danau atau ke laut. Jleh karena

kemiringan dasar lebih ke$il daripada kemiringan kritis maka y$ K yn .

%pabila permukaan air dihilir lebih rendahm daripada yn tetapi masihlebih tinggi daripada y$ maka akan terjadi terjunan yang landai. 6entuk

profil ini tergantung pada ele&asi permukaan air di penampang kontrol

. "rofil ini diberi notasi '/ ('ild !lope dan letaknya diantara yn dan

y$n atau yn L y L y$).

e. suatu aliran dalam saluran dengan kemiringan dasar positif landai yang di

hilirnya terdapat terjunan ke danau atau ke laut. Jleh karena kemiringan

dasar lebih ke$il daripada kemiringan kritis maka y$ K yn . %pabila

permukaan air dihilir berada dibawah y$ maka profil aliran lebih $uram

daripada profil aliran di $ontoh (d). "rofil ini bentuknya dikendalikan oleh

kedalaman kritis di penampang kontrol . "rofil ini akan tetap

bertahan dalam bentuk ini walaupun permukaan aliran di hilir terus

menurun. "rofil ini juga diberi notasi '/. Hal ini dapat digunakan untuk

memberi $ontoh bahwa apabila aliran di hilir dipompa (untuk penurunan

permukaan air di danau) profil '/ di saluran akan tetap bertahan seperti

pada gambar karena permukaan air di penampang kontrol tepat pada

kedalaman y$ yang berarti debit aliran di saluran men$apai maksimum.

%pabila kapasitas pompa di tambah akan mubadir.



"ada laminar super kritis aliran dikendalikan dari hulu yaitu dari suatu

penampang kontrol yang sudah mempunyai ele&asi tertentu, atau dari kedalaman

kritis. 6eberapa $ontoh pengendalian aliran air dari hulu

a. suatu reser&oir (waduk) ke suatu saluran dengan kemiringan negatif

(%d&erse slope). "ada saat memasuki saluran aliran merupakan aliran

superkritis (y+ K y$). Jleh karena pada kemiringan dasar negatif yn <

imaginer maka kedalaman air di hilir akan merupakan aliran kritis.

etapi apabila di ujung hilir terdapat bendung sehingga permukaan air

naik sampai melebihi y$ maka akan terjadi lon$atan air. 5on$atan air

ini diawali oleh profil aliran yang dikendalikan dari hulu yaitu dari

penampang kontraksi di bawah pintu. "rofil ini diberi notasi %0 (%

karena kemiringan >ad&erse? dan notasi 0 karena y K y$ K yn).

b. suatu danau ke saluran dengan kemiringan horiontal. "ada saat

memasuki saluran aliran merupakan aliran superkritis (y+Ky$). Jleh

karena pada kemiringan dasar horiontal yn < I maka kedalaman air

di hilir akan merupakan aliran kritis. !elanjutnya seperti dijelaskan

pada :b (a).



$. suatu danau ke dalam saluran dengan emiringan positif landai (ib K i$).

m g p f (b $) "ada saat memasuki saluran aliran akan merupakan aliran

subkritis (y L y$), tetapi karena aliran ini dibawah pintu merupakan

aliran superkritis maka akan terjadi lon$atan air yang diawali oleh

profil '0 (' karena mild slope dan angka 0 karena berada dalam

aliran superkritis yaitu y K y$ K yn). "rofil '0 ini dikendalikan oleh

penampang kontrol di hulu di penampang kontraksi dibawah pintu.

d. danau (reser&oir) ke suatu saluran dengan kemiringan positif $uram (ib

L i$). "ada saat memasuki saluran, aliran akan merupakan aliran

superkritis. %pabila bukaan pintu berada dibawah kedalaman normal

maka akan terjadi lon$atan air yang membentuk profil !0 (! karena

steep slope dan angka 0 karena berada didalam daerah aliran

superkritis dimana y K yn K y$). "rofil ini dikendalikan dari hulu yaitu

dari tinggi bukaan pintu.

prinsip dasar hidrolika

Documents