HIDRODINAMIKA SEDIMEN“INITIATION OF MOTION”

Oleh:

EDWIN HEHAMAHWAP23012 14 013

 PROGRAM PASCA SARJANA

JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS HASANUDDIN

2014

TUGASDOSEN : Dr. Eng. Ir. Farouk Maricar, MT.

4. AWAL MULA GERAK DAN TERANGKAT4.1 Awal mula gerak oleh arus

Gerakan partikel akan terjadi ketika gaya fluida pada partikel lebih besar dari kekuatan menolak yang berkaitan dengan berat partikel dan koefisien gesek.

Kekuatan penggerak terkait dengan kecepatan lokal material dasar, ukuran partikel, bentuk dan posisi partikel.

Penelitian awal mula gerak pertama dilakukan oleh Brahms (1753), dimana mengusulkan enam hubungan antara kecepatan aliran dan berat yang diperlukan batu untuk menjadi stabil.

Kemudian oleh Dubuat (1786) memperkenalkan konsep penting tegangan geser material dasar.

4.1.2 Tegangan Geser Dasar Kritis

Kekuatan fluida yang bekerja pada partikel sedimen berhenti pada dasar horizontal (lihat Gambar. 4.1.1) terdiri dari gaya gesek dan kekuatan tekanan. Gaya gesek yang bekerja pada permukaan partikel dengan gesekan oleh cairan. Kekuatan tekanan yang terdiri dari gaya seret (FD) dan gaya angkat (FL) yang dihasilkan oleh perbedaan tekanan di sepanjang permukaan partikel.

Gaya yang bekerja pada partikel sedimen beristirahat pada permukaan tidur horizontal digambarkan dalam Gambar. 4.1.1.

Sudut istirahat (ϕ) didefinisikan sebagai sudut antara garis melalui pusat partikel dan titik kontak dan garis melalui pusat partikel ke dasar permukaan. Gerakan partikel akan terjadi ketika tekanan cairan FD dan FL sehubungan dengan titik kontak lebih besar dari stabilitas momen dari berat partikel G, menghasilkan (lihat Gambar 4.1.1.):

Gambar 4.1.1 Kekuatan pada partikel sedimen (horisontal dasar)

Gambar 4.1.2 Tingkat Transport pada tegangan geser dasar rendah

Pengaruh gaya gesek dan gaya tekanan, dinyatakan sebagai:

Dimana:

FD = kekuatan tarik

CD = koefisien drag

d = diameter partikel

𝜌 = massa jenis fluida

uf = kecepatan fluida di pusat partikel

Koefisien drag (CD) yang dikenal sebagai fungsi dari bilangan Reynolds lokal (u*d / v).

Faktor θcr tergantung pada kondisi hidrolik dekat dasar, bentuk partikel dan posisi partikel terhadap partikel lain. Kondisi hidrolik dekat tempat tidur dapat dinyatakan dengan bilangan Reynolds Re* = u* d / v. Jadi θcr = f (Re*).

Banyak percobaan telah dilakukan untuk menentukan θcr sebagai fungsi Re*. Hasil percobaan Shields (1936) terkait dengan permukaan dasar yang datar paling banyak digunakan untuk mewakili kondisi kritis untuk inisiasi awal gerak. Di sini, diameter partikel rata-rata (d50) digunakan sebagai karakteristik diameter partikel dalam kasus material sedimen non-seragam.

Gambar 4.1.3 menunjukkan kurva Shields dalam hal θ dan Re*. Shields (1936) diukur tingkat transportasi pada tegangan geser dasar lebih besar dari tegangan geser dasar kritis ((τcr)). Sebagai definisi tentang tegangan geser dasar kritis untuk inisiasi awal gerak ((τcr)) Shields menggunakan nilai tegangan geser dasar di mana untuk meramalkan tingkat transport dari nol (Gambar. 4.1.2). Rincian metode ekstrapolasi tidak diberikan oleh Shields (1936).

Kisaran eksperimental Shields kasar adalah:

θcr ≥ 0.035 for Re* ≤ 5, bagian hidrolik halus

0.03 ≤ θcr ≤ 0.04 for 5 < Re* ≤ 70, bagian transisi

0.04 < θcr ≤ 0.06 for Re* ≥ 70, bagian hidrolik kasar

Bonnefille (1963) dan Yalin (1972) menunjukkan bahwa kurva Shields dapat dinyatakan dalam parameter mobilitas berdimensi θ dan berdimensi diameter partikel D* (lihat Gambar 4.1.4).

Gambar 4.1.4 Inisiasi awal gerak dan suspensi untuk saat ini di atas dasar, θ = f (D*), Van Rijn (1989)

Kurva Shields dapat direpresentasikan sebagai:

Dimana:

Gambar 4.1.5 inisiasi gerak saat di atas dasar, τb,cr = f (d) Shields (1936)

diukur dengan:

1. Gerakan partikel sesekali di beberapa lokasi

2. Gerakan partikel sering di beberapa lokasi

3. Gerakan partikel sering di banyak lokasi

4. Gerakan partikel sering di hampir semua lokasi

5. Gerakan partikel sering sekali di semua lokasi

6. Gerakan partikel permanen di semua lokasi

7. transport umum (inisiasi reaksi)

1. Pengaruh kriteria

Kompleksitas mendefinisikan tegangan geser dasar kritis untuk inisiasi awal gerak terutama disebabkan oleh stokastik karakter dari kekuatan penggerak fluida dan kekuatan stabilitas

Definisi yang paling umum digunakan (kriteria) untuk tegangan geser dasar kritis adalah:

• Tingkat transport nol setelah perhitungan tingkat transport terukur (Shields, 1936), lihat Gambar. 4.1.2,

• jumlah partikel berpindah per satuan luas dan waktu (Neill dan Yalin, 1969; Graf dan Pazis, 1977), lihat Gambar. 4.1.7,

• tahap transport kualitatif berdasarkan pengamatan visual (Kramer, 1932; Delft Hydraulics, 1972), lihat Gambar. 4.1.6.

Grass (1970) memperkenalkan pendekatan stokastik untuk menentukan inisiasi gerak. Gerakan partikel akan terjadi ketika kemungkinan dari dua yaitu tegangan geser penggerak dan tekanan penolak saling tumpang tindih (lihat Gambar. 4.1.8).

Sebuah wilayah tumpang tindih minimum harus ada sebelum inisiasi awal gerakan yang dihasilkan. Grass (1970) mendefinisikan wilayah tumpang tindih minimum dengan cara n faktor perkalian untuk deviasi standar dari tegangan geser: 𝛕b + nσb = 𝛕c + nσc,

dengan 𝛕c = ruang dan waktu rata-rata tegangan geser dasar kritis (konstan untuk masing-masing jenis bahan sedimen) dan σc = standar deviasi tegangan geser dasar kritis.

Menggunakan σ/𝛕 = 0,4 dan σc/𝛕c = 0.3, Grass menemukan n = 0,625 untuk nilai-nilai kritis yang sesuai kurva Shields, yang berarti bahwa 𝛕cr, shields = 0,65 𝛕c.

Gambar 4.1.8 Inisiasi gerak saat di atas dasar sesuai dengan pendekatan stokastik (Grass, 1970)

2. Pengaruh bentuk, gradasi dan ukuran

Percobaan dengan partikel dari berbagai bentuk menunjukkan bahwa parameter θcr tidak banyak terpengaruh oleh bentuk partikel ketika diameter nominal (diameter yang menghasilkan volume yang sama) digunakan sebagai parameter karakteristik. Partikel sangat datar memiliki nilai θcr lebih besar. (faktor 1,5 sampai 2).

Gradasi memiliki efek ketika berbagai ukuran agak lebar (d90 / d50 > 3), karena partikel yang lebih besar akan lebih terbuka, sementara partikel yang lebih kecil terlindung oleh partikel yang lebih besar. Egiazaroff (1965) mengusulkan sebuah metode untuk menentukan tegangan geser dasar kritis masing-masing bahan dasar

3. Pengaruh kemiringan dasar

a. Kemiringan longitudinal β

Sebuah partikel sedimen beristirahat di dasar miring membujur, ketika jumlah tenaga fluida kritis (dengan asumsi 𝛂l = 1, persamaan 4.1.4) dan komponen gaya gravitasi hanya sama dengan kekuatan stabilisasi (= N tanϕ), menghasilkan:

Gaya cairan kritis untuk dasar horisontal (FD,cr,o) diberikan oleh Persamaan. (4.1.4), memberikan (𝛂1 = 1):

Menggabungkan pers. gaya cairan kritis (FD,cr) di dasar miring dapat dikaitkan dengan gaya cairan penting di dasar horizontal (FD,cr,o), sebagai berikut:

atau

Dimana:

Gambar 4.1.9 Kekuatan pada partikel sedimen (dasar kemiringan longitudinal)

4. Pengaruh bentuk dasar

Tegangan geser (𝛕b) dasar pengaruh bentuk dasar terdiri dari bagian ( '𝛕 b) terkait dengan gesekan permukaan dasar permukaan ( '𝛕 b) dan bagian lainterkait dengan fluktuasi turbulen akibat bentuk puncak dasar ()

Ini berarti bahwa tegangan geser dasar kritis (τb,cr) selalu lebih besar ketika ada bentuk pada dasar daripada ketika dasar dalam keadaan datar.

5. Pengaruh bahan yang kohesif

Ketika dasar terdiri dari material lumpur dan bahan keruh, kekuatan kohesif antara

partikel sedimen sangat penting untuk peningkatan kekuatan tanah terhadap erosi.

Aktivitas biologis di dasar dapat mempengaruhi nilai-nilai untuk inisiasi gerak,

terutama di lingkungan berlumpur dan berdebu.

Salah satu faktor penting yang mengatur erosi tanah adalah penguatan dengan

kepadatan. Pada Endapan lumpur yang memiliki tekstur yang longgar/ kepadatan

rendah dalam kisaran 1.050-1.100 kg / m3 yang 95% atau lebih terdiri dari air, erosi

dapat terjadi dengan mudah.

Hasil percobaan Paintal (1971) digunakan untuk menghitung tingkat transport

material dasar (dalam kg per lebar m per hari) dan jumlah batu bergerak (per lebar m

per hari)

Tabel 4.1 Transport Bed load dengan awal mula gerak (Paintal, 1971)

Penampang saluran yang paling praktis adalah penampang trapesium. Analisis tegangan geser dasar dihitung dan diukur sepanjang penampang saluran trapesium (dengan rasio lebar permukaan dan kedalaman lebih besar dari 5) menunjukkan sebagai berikut (Olsen dan Florey, 1952; Lane 1955):

Dimana:

Dasar materi akan stabil ketika tegangan geser dasar maksimum yang berlaku lebih kecil dari tegangan geser dasar kritis. Dengan demikian:

Dimana:

4.2.2 Tegangan geser dasar kritis dalam gelombang

Data eksperimen yang disajikan dalam bagian 4.2.1 juga dapat dinyatakan dalam parameter Perisai menggunakan tegangan geser dasar waktu rata-rata (Ȏ,cr, menghasilkan (Van Rijn, 1989):

Dimana: 𝛕 b,w,cr = 0,25 f𝜌 w (ÛȎ,cr)2 = tegangan geser dasar gelombang waktu rata-rata (selama setengah periode)

𝜌s = massa jenis sedimen

𝜌 = massa jenis fluida

g = gaya gravitasi

Untuk menentukan tegangan geser dasar gelombang, faktor gesekan harus

diketahui, yang berarti bahwa kekasaran butir (ks), dan viskositas kinematik (ν). Nilai

ks diasumsikan sama dengan d𝛂 90 dengan di kisaran 1 sampai 3. Dalam beberapa 𝛂kasus d90 tidak diketahui maka dapat diasumsikan nilainya sama dengan d90 = 1,5 d50.

Ketika suhu air tidak diketahui, diasumsikan nilai 20°.

faktor gesekan untuk aliran transisi (dalam analogi dengan aliran searah) :

Diagram Shield menunjukkan tegangan geser dasar kritis berdimensi sebagai fungsi

dari parameter D* berdimensi untuk data yang dipilih/diketahui.

Adanya variasi antara hasil peneliti yang berbeda terutama disebabkan oleh masalah

definisi untuk inisiasi gerak. Sebagai contoh:

Rance dan Warren (1968) mendefinisikan tahap kritis yaitu tahap ketika satu atau

dua partikel copot dan pindah dengan jarak kecil

Bosman (1981) mendefinisikan tahap kritis ketika sekitar 10% dari partikel

permukaan bergerak menghasilkan tegangan geser dasar kritis relatif besar

Gambar 4.2.2 Awal gerak gelombang di atas dasar berdasarkan tegangan geser dasar kritis

4.4 Awal suspensi dalam arus 

Awal suspensi dalam arus, ketika nilai kecepatan geser dasar menjadi sebanding dengan kecepatan jatuh partikel, partikel sedimen dapat tersuspensi.

Bagnold (1966) menyatakan bahwa partikel hanya tetap dalam suspensi ketika pusaran turbulen dominan memiliki kecepatan vertikal yang melebihi kecepatan partikel jatuh (ws).

Dimana:

w ׳ = kecepatan vertikal dari pusaran

= intensitas turbulensi vertikal

ws = kecepatan partikel jatuh

Untuk menentukan kondisi aliran dengan inisiasi suspensi didefinisikan sebagai

tahap aliran di mana partikel-partikel melakukan lompatan panjang lebih besar dari

sekitar 100 diameter partikel. (Delft Hydraulics, 1982)

Menurut hasil penelitian, pengamatan visual pada waktu kondisi aliran (kritis)

menunjukkan ketika gerakan partikel ke atas (aliran turbulen) dengan ketinggian

melompat di kisaran 0 hingga 100 diameter partikel di berbagai lokasi dari dasar.

TERIMA KASIH