## ANALISIS SIFAT MEKANIK MODIFIKASI KEMIRINGAN MERCU SPILLWAY TIPE OGEE BENDUNGAN MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA SOFTWARE ELMER
San Arnolus Kain, Ali Warsito, Minsyahril Bukit, Albert Zicko Johannes Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Nusa Cendana, Jln. Adisucipto- Penfui Email: sanarnolus@gmail.com

## Abstrak
Penelitian  tentang  analisis  sifat  mekanik  modifikasi  kemiringan  mercu  Spillway  Tipe  Ogee menggunakan  metode  elemen  hingga  software  ELMER  telah  dilakukan.  Tujuan  penelitian  ini adalah  menganalisis  besar  tegangan,  regangan  dan  deformasi  pada  mercu  spillway  bendungan tipe  ogee  dengan  metode  elemen  hingga.  Struktur  bendungan  dimodelkan  dengan  bantuan software  FreeCAD,  kemudian  perhitungan  metode  elemen  hingga  dengan  software  Elmer  dan dilanjutkan  analisis  dengan  software  ParaView.  Berdasarkan  hasil  analisis  mercu  Spillway  tipe Ogee  dengan  modifikasi  kemiringan  41.18 o ,  45 o dan  48.36 o menunjukkan  tegangan  maksimum pada  kemiringan  41.18 o terjadi  pada  bagian  dinding  mercu  spillway  pada  arah  sumbu  z  dengan nilai 2.2 x 10 5 N/m 2 , sedangkan tegangan maksimum pada kemiringan 45 o dan 48.36 o terjadi pada bagian segmen dasar mercu spillway pada arah sumbu xy dengan nilai secara berurutan  2.5 x 10 5 N/m 2 dan  3.0    x  10 5 N/m 2 .  Regangan  yang  terjadi  pada  ketiga  modifikasi  kemiringan  berurutan sebesar  35  x  10 -8 ,  47.5  x  10 -8 ,  dan  65  x  10 -8 .  Deformasi  yang  terjadi  pada  ketiga  modifikasi berurutan sebesar 1.4 x 10 -5 m, 1.9 x 10 -5 m dan 2.6x10 -5 m. Dari analisis sifat mekanik modifikasi kemiringan  mercu  Spillway  Tipe  Ogee  dapat  disimpulkan  bahwa  perubahan  nilai  regangan  dan deformasi  semakin  besar  jika  kemiringan  mercu  Spillway  bertambah.  Sedangkan  nilai  tegangan maksimum terjadi pada bagian dinding dan bagian segmen dasar mercu  spillway.
Kata Kunci : Metode Elemen Hingga, Spillway ogee, tegangan, regangan, deformasi.

## Abstract
Research  on  the  mechanical  properties  of  the  modification  of  the  ogee  spillway  dam  with  slope variations has been caried out using the finite element method ELMER software. The purposes of this  study  were  to  analyze  the  magnitude  of  stress,  strain  and  deformation  on  the  ogee  spillway. The structure of the dam was modeled with a FreeCAD software, then the calculation of the finite element  method  with  an  Elmer  software  and  the  analysis  used  ParaView  software.  Based  on  the analysis of the ogee spillway type with slopes of 41.18 o , 45 o and 48.36 o , the maximum stress at the slope of 41.18 o occurs in the wall section of the crest spillway in the z axis direction with a value of 2.2 x 10 5 N/m 2 , while the maximum stress at the slope of 45 o and 48.36 o occurs in the base segment of  the  crest  spillway  in  the  xy  axis  direction  with  values  of  2.5  x  10 5 N/m 2 and  3.0  x  10 5 N/m 2 respectively. The strains that occurs in the three sequential tilt modifications were 35 x 10 -8 , 47.5 x 10 -8 , and 65 x 10 -8 . The deformation  occurs in  the three sequential  modifications of  1.4 x 10 -5 m, 1.9 x 10 -5 m and 2.6 x 10 -5 m. From the analysis of the mechanical properties of the modification of the crest spillway ogee Type it can be concluded that the change in strain and deformation values is greater if the slopes of the crest spillway increases. While, the maximum stress value occurs in the wall and the base segment of the mercu spillway.
Keywords : Finite element method, spillway ogee, stress, strain, deformation.

## PENDAHULUAN
Musim  kemarau  dan  musim  penghujan merupakan  dua  musim  berbeda  di  Indonesia yang  beriklim  tropik  basah  yang  dipengaruhi angin  monsoon.  Untuk  berbagai  kawasan  - rata  curah  hujan  tahunan  ada  yang  mulai kurang  dari  1000  mm/tahun  untuk  kawasan semi-arid  tropik,  1780  s/d  3175  mm/tahun untuk  kawasan  dataran  rendah,  sampai dengan  6100  mm/tahun  untuk  kawasan pegunungan [1].
Iklim Nusa Tenggara Timur tergolong daerah tropis kering (semi-arid) dengan  curah  hujan  rata-rata  1200 mm/tahun .  Musim  hujan  biasanya  memiliki periode  curah  hujan  yang  pendek  dengan intensitas  yang  tinggi  dari  pertengahan Desember hingga Maret dan sering menyebabkan  banjir.  Selama  8  bulan  lainnya adalah  musim  kemarau,  debit    air  sangat berkurang,  daerah  pertanian  mengalami kekeringan,  pasokan  sumber  air  baku  tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan masyarakat perkotaan dan pedesaan [2]. Salah satu  upaya  untuk  memenuhi  kebutuhan  air baku  di  wilayah  Kupang  NTT  adalah membangun bendungan-bendungan salah satunya  adalah  bendungan  Raknamo.  Lokasi bendungan  Raknamo  terletak  pada  koordinat 10 0 07 ’ 08 ’’ LS  dan  123 0 55 ’ 54 ’’ [3].
Bendungan  Raknamo  dibangun  pada  tanah selas  147  Ha  dan  mempunyai  kapasitas tampung sebanyak 14,09 juta m 3 air [4].
Bendungan  sendiri  harus  memenuhi berbagai  persyaratan,  salah  satunya  adalah bendungan  harus  mampu  menampung  cukup air  yang  kemudian  akan  digunakan  ketika musim  kemarau  datang.  Saat  musim  hujan tiba,  bendungan  harus  mampu  mengalirkan kelebihan  air  luapan  yang  diserap  oleh bendungan  Berlebihnya  air  yang  di  tampung oleh  bendungan  akan  mengakibatkan  tinggi muka  air  bendungan  naik.  Kenaikan  tersebut dapat  membahayakan  bendungan  bila  tidak dilimpaskan  untuk  mengurangi  tinggi  muka air bendung [5].
Kapasitas  luapan  yang  tepat  diperlukan untuk  mencegah  kerusakan  pada  struktur tubuh  bendungan. Spillway adalah  bangunan pelengkap  bendungan yang digunakan untuk mengalihkan  air  luapan  agar  tidak  merusak bendungan.  Pada  tahun  2015  Haslindar  [5]
telah melakukan penelitian dengan memodifikasi mercu spillway bendungan tipe ogee  menjadi  tipe  trapesoid.  Modifikasi mercu spillway tersebut mempengaruhi perubahan  tegangan  pada  segmen  dasar mercu  pada  kedua  model  mercu  dimana segmen tersebut berhubungan langsung dengan  mercu spillway yaitu  segmen  dasar mercu.  Dari  referensi  tersebut  salah  satu metode  yang  digunakan  untuk  menganalisis suatu  struktur  bendungan  ialah  Metode Elemen  Hinnga.  Metode  Elemen  Hingga merupakan  metode  pendekatan  yang  dapat digunakan pada banyak permasalahan berbagai  bidang  ilmu  pegetahuan[5–10] . Metode  ini  dapat  menghasilkan  perhitungan yang  lebih  teliti  karena  dapat  memodelkan dengan elemen kecil yang dapat meyesuaikan bentuk benda, dan bisa memberikan distribusi besarnya  tegangan  pada  masing-masing  titik dalam komponen.

## MATERI DAN METODE

## Spillway Mercu Ogee
Mercu  Ogee Spillway adalah  mercu jalan  lintas  yang  berbentuk  seperti  tirai  yang meluap  dengan  ambang  yang  tajam.  Oleh karena  itu,  ketika  bendungan  mengalirkan  air di  saluran  yang  dirancang,  punggungan  ini tidak memberikan tekanan sub-atmosfer pada permukaan  punggungan.  Ketika  laju  aliran rendah,  air    memberikan  tekanan  ke  bawah pada mercu [11].

## Gambar 1: Mercu Ogee [12]

## Metode Elemen Hingga
Metode  elemen  hingga  adalah  suatu metode  pendekatan  yang  digunakan  untuk memecahkan permasalahan berupa persamaan dengan  menggunakan  rumus  intergral  dalam sistem  aljabar  linear  dan  non  linear  dengan ketelitian  yang  cukup  akurat.  Metode  ini sangat  fleksibel  karena  bentuk  struktur  yang
rumit  dan  kompleks  selalu  di  sederhanakan menjadi  elemen–elemen  kecil  yang  lebih sederhana.  Penyederhanaan  ini  memungkin- kan  suatu  permasalahan  struktur  yang kompleks  dapat  diselesaikan  dengan  hasil yang dapat dipertanggungjawabkan.
Keunggulan  dari  penggunaan  metode  elemen hingga adalah elemen–elemen yang terbentuk akan mendekati nilai elemen sebenarnya.
Dalam  perhitungannya  dalam  tiap elemen  dimodelkan  oleh  matriks  persamaan (1) dan (2).
𝑘 = 𝐴𝐸 𝐿 [ 𝑘 𝑖𝑖 −𝑘 𝑖𝑗 −𝑘 𝑗𝑖 𝑘 𝑗𝑗 ] (1)
{𝐹} =
[ 𝑘 11 𝑘 21 ∙ ∙ ∙ 𝑘 1𝑛 𝑘 21 ∙ ∙ ∙ 𝑘 𝑛1 𝑘 22 ∙ ∙. 𝑘 𝑛2 ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 𝑘 2𝑛 . ∙ ∙ 𝑘 𝑛𝑛 ] [ 𝑑 1 𝑑 2 ∙ ∙ ∙ 𝑑 𝑛 ] (2)
Dimana : 𝑘 = konstanta pegas pada satu elemen (N/m), 𝑘 𝑖𝑗 = konstanta pegas local antara nodal i  dan j (N/m),
𝐸 = Modulus Young (Pa) 𝐴 = Luas elemen (m 2 ), 𝐿 = Panjang awal elemen (m) 𝐹 = Vektor Gaya Global (N) 𝑑 𝑖 = Vekor pergeseran elemen ke-i (m),

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dimulai  dengan  beberpa Langkah  yaitu  :  melakukan  pengumpulan  data parameter,  pembentukan  model  CAD,  proses perhitungan  dengan  metode  elemen  hingga, kemudian analisis hasil.
Data-data  parameter  yang  dibutuhkan dalam memodelkan diambil dari data bendungan  Raknamo,  dapat  dilihat  pada  tabel 1,2, dan 3.
Tabel 1. Data teknis mercu Spillway Tipe Ogee bendungan Raknamo Jenis bangunan Mercu Spilway Tipe Ogee Tinggi mercu 4 m Lebar 4 m Panjang mercu 40 m Massa jenis air 1000 kg/m 3 Elevasi muka air maksimum 8 m Sumber :[13] Tabel 2. Data standar parameter material beton Side Variable  value and coefficients Young`s modulus E 0 42 Gpa Modulus of elasticity E 20 Gpa Poisson`s coeffient V 0.2 Density P 2300 kg/m 3 Sumber : [14] Tabel 3 Variasi modifikasi spillway mercu ogee Kemiringan Mercu lebar (m)  Tinggi (m) 4:3.4 (41.18 ° ) 4,0 3,5 4:4,0 (45 ° ) 4,0 4,0 4:4,5 (48.36 ° ) 4,0 4,5 Sumber : dokumen pribadi Pada  proses  pemodelan  Mercu Spillway (pelimpah) digunakan perangkat lunak FreeCAD [15] yang kemudian akan diekspor ke software  elemen  hingga  yaitu Elmer [16] (elemen  volume  yang  digunakan  berbentuk tetrahedral)  dan  dianalisis  dengan  software ParaView [17].

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Software  ParaView  digunakan  untuk melihat  dan  menganalisis  hasil  modifikasi kemiringan  41.18 o ,  45 o dan  48.36 o mercu spillway bendungan  tipe  ogee.  Dari  hasil analisis  tersebut  dapat  diketahui  bahwa  mercu spillway dari  ketiga  modifikasi  kemiringan tersebut mengalami tegangan pada arah sumbu tertentu.
Gambar 2. Tegangan mercu spillway pada arah sumbu z
Gambar 3.  Tegangan mercu spillway pada arah sumbu xy
Gambar 4. Tegangan mercu spillway pada arah sumbu xy.
Tampak depan
Tampak depan Tegangan maksimum pada dinding mercu spillway Tampak
depan
tampak belakang
Tegangan maksimum pada Dasar mercu spillway
Berdasarkan  Gambar  2,3,  dan  4.  maka data  tegangan  maksimum  dari  modifikasi mercu spillway dapat dilihat pada tabel 4.
Tabel 4 Nilai tegangan terbesar pada modifikasi mercu spillway . Modifikasi Mercu spillway Tegangan (σ) Arah vektor 4 : 3.5 (41.18 o ) 2.2 x10 5 N/m 2 zz
4 : 4.0 (45 o ) 2.5 x10 5 N/m 2 xy
4 : 4.5 (48.36 o ) 3.0 x10 5 N/m 2 xy
Berdasarkan  gambar  dan  data  hasil tegangan  pada  modifikasi  mercu spillway tersebut  diatas  terlihat  bahwa  terjadi  variasi data tegangan maksimum dari ketiga modifikasi  mercu spillway tersebut.  Pada modifikasi kemiringan mercu spillway 41.18 o tegangan  maksimum  terjadi  pada  bagian dinding mercu spillway terhadap σ zz Tegangan arah normal arah z ( zz ) dengan nilai 2.2 x 10 5
N/m 2 .  Pada  modifikasi  kemiringan  mercu spillway 45 o ,  dimana  tegangan  maksimum terjadi  pada  segmen  dasar  mercu spillway terhadap σ xy tegangan  geser  arah  sumbu  xy dengan nilai 2.5 x 10 5 N/m 2 . Pada modifikasi kemiringan  mercu spillway 48.36 o ,  tegangan maksimum  terjadi  pada  segmen  dasar  mercu terhadap σ xy tegangan  geser  arah  sumbu xy sebesar  3.0  x  10 5 N/m 2 .  Dari  ketiga modifikasi  terlihat  tegangan  maksimum terjadi  pada  dinding  dan  bagian  bawah  atau segmen  dasar  mercu spillway .  Perubahan tegangan maksimum terjadi sesuai luasan dan ketinggian  dari  analisis  modifikasi  mercu spillway . Secara umum semakin tinggi mercu spillway ,  maka  semakin  besar  nilai  tegangan terhadap masa jenis air yang diberikan. Sesuai dengan  teori  tekanan  hidrostatis,  dimana tekanan  berbanding  lurus  dengan  ketinggian. Semakin  tinggi  struktur  tersebut  maka tekanannya semakin besar .
Pada  variasi  modifikasi  kemiringan 41.18 o 45 o dan  48.36 o dapat  dilihat  bahwa terjadi  juga  deformasi  pada  mercu spillway tersebut.
Dari hasil yang diperoleh pada modifikasi  kemiringan  41.18 o ,  45 o dan 48.36 o mercu spillway tipe  ogee  terhadap  deformasi yang ditunjukan pada tabel 5 berikut.
Tabel 5. Nilai deformasi pada modifikasi mercu spillway Modifikasi struktur Deformasi 4 : 3.5 (41.18 o ) 1.4 x 10 -5 m 4 : 4.0 (45 o ) 1.9 x 10 -5 m 4 : 4.5 (48.36 o ) 2.6 x 10 -5 m
Pada  tabel  diatas  dapat  dijelaskan  bahwa perubahan  struktur  (deformasi)  tergantung pada  ketinggian  struktur  mercu spillway . Semakin tinggi mercu spillway , maka semakin besar deformasi yang terjadi.
Untuk menentukan nilai regangan digunakan  nilai  deformasi  pada  tabel  5  untuk ketiga  modifikasi  tersebut  dan  diperoleh  nilai pada tabel 6.
Tabel 6.  Nilai regangan pada modifikasi mercu spillway Modifikasi struktur Regangan (ε) 4 : 3.5 (41.18 o ) 35 x 10 -8 4 : 4.0 (45 o ) 47.5 x 10 -8 4 : 4.5 (48.36 o ) 65 x 10 -8
Berdasarkan  tabel  6.  hasil  analisis perhitungan  nilai  regangan  pada  tabel  diatas dapat dijelaskan bahwa terjadi perubahan pada regangan  yang  terjadi  pada  ketiga  modifikasi mercu spillway tersebut.  Dimana  semakin tinggi mercu spillway , maka regangan terhadap struktur tersebut semakin besar.

## KESIMPULAN
Dengan menggunakan bantuan perangkat lunak dalam memodelkan, mensimulasikan dan menganalisis, khususnya software  FreeCAD , Elmer dan ParaView mempermudah  dan  menghemat waktu  dalam  menganalisis  permasalahan suatu  struktur.  Berdasarkan  Hasil  analisis menunjukkan bahwa terjadi tegangan, regangan  dan  deformasi  pada  modifikasi mercu spillway, dimana hasil yang diperoleh adalah  sebagai  berikut:  Tegangan  yang terjadi  pada  ketiga  modifikasi  kemiringan mercu spillway tersebut, yaitu pada modifikasi  kemiringan  41.18 o tegangan maksimum  terjadi  pada  tegangan  normal arah  z  dengan  nilai  2.2  x10 5 N/m 2 , pada modifikasi terhadap kemiringan 45 o tegangan  maksimum  trejadi  pada  segmen dasar  mercu spillway pada  tegangan  geser
arah  xy  dengan  nilai  2.5  x10 5 N/m 2 ,  pada modifikasi  kemiringan  48.36 o tegangan maksimum terjadi pada segmen dasar mercu spillway tegangan geser arah xy dengan nilai 3.0 x10 5 N/m 2 . Regangan yang terjadi pada modifikasi  41.18 o ,  45 o dan  48.36 o secara berurutan, yaitu sebesar 35 x 10 -8 , 47.5 x 10 - 8 dan 65 x 10 -8 .Deformasi yang terjadi pada modifikasi kemiringan mercu spllway 41.18 o ,  45 o dan  48.36 o secara  berurutan, yaitu sebesar 1.4 x 10 -5 m, 1.9 x 10 -5 m dan 2.6x10 -5 m  yang  terjadi  pada  puncak  mercu pada  ketiga  modifikasi  mercu spillway tersebut.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Suciantini,  Impron,  dan  Rizaldi  Boer.  2008. Penilaian  Risiko  Iklim  Pada  Sistem  Pertanian Ekosistem  Lahan  Rawa  Pasang  Surut  (Studi kasus  di  Delta  Telang  I,  Delta  Telang  II  dan Delta  Air  Saleh,  Banyuasin,  Sumatera Selatan). J.Agromet. 22 (2): 118.
2. Epu H. 2019. Progres Pembangunan Bendungan Napun Gete Mengalami Kemajuan Luar Biasa. rri.co.id.
https://rri.co.id/ende/daerah/691557/progres- pembangunan-bendungan-napun-gete- mengalami-kemajuan-luar-biasa.
3. Google.  2021.  Bendungan  Raknamo.  Google Maps.
https://www.google.com/maps/place/Bendung an+Raknamo/@-
10.1192817,123.9318357,15z/data=!4m5!3m 4!1s0x0:0x20e2ef9965844d93!8m2!3d- 10.1192817!4d123.9318357 .
4. Tempo. 2014.  Bendungan Raknamo  Hasilkan 0,216 MW Listrik. Tempo.
https://nasional.tempo.co/read/630192/bendun gan-raknamo-hasilkan-0216-mw- listrik/full&view=ok .
5. Haslindar  YS,  Supriyadi  A,  Muttaqien  AY. 2015.  Analisis  Tegangan  dengan  Metode Elemen  Hingga  pada  Spillway  Bendungan Dengan  Penggantian  Bentuk  Mercu.  e-Jurnal MATRIKS TEKNIK SIPIL. 224.
6. Isworo  H,  Ansyah PR.  2018. Metode  Elemen Hingga,  Buku  Ajar,  Program  Studi  Fakultas Teknik Universitas Lambung Mangkurat.
7. Arief  TM.  2014.  Analisis  Kekuatan  Struktur Pallet  Menggunakan  Metode Elemen  Hingga.
Jurnal  Energi  dan  Manufaktur  Vol.7,  No.1,
April 2014: 1-118. 7 (1): 63.
8. Sutrasno,.  2004.  Aplikasi  Metode  Elemen
Hingga Pada Masalah Gelombang Elektromagnet. Widyanuklida. 5 (2): 34.
9. Dapas  S.  2011.  Aplikasi  Metode  Elemen Hingga  Pada  Analisis  Struktur  Rangka Batang.  Jurnal  Ilmiah  Media  Engineering. 1 (2): 98491.
10. J,  Rahardjo  AP.  2012.  Penyusunan  Model Elemen  Hingga  Interaksi  Persamaan  Aliran dengan  Persamaan  Sebaran  Udara.  Jurnal Ilmiah Semesta Teknika. 15 (1): 14.
11. Nurhabibah.  Studi  Perencanaan  Bangunan Pelimpah  (Spillway)  Bendungan  Bendo, Kabupaten  Ponorogo,  Jawa  Timur.  Skripsi, Jurusan  Teknik  Sipil,  Fakultas  Teknik, Universitas Muhammadiyah Malang, Malang.
12. Nisaiyah.  Peningkatan  Kapasitas  Spillway Dengan perubahan Bentuk Puncak Tipe Deret Sinusoida.  Skripsi,  Jurusan  Teknik  Sipil, Fakultas  Teknik,  Universitas  Sebelas  Maret, Surakarta.
13. Balai Wilayah Sungai Nusa Tenggara II. Data teknis  Bendungan  Raknamo.  Bws  ntt2, Kupang. 2019.
14. Goldgruber  M,  Lampert  R.  2017.  Thermal Cracking of a Concrete Arch Dam. dynardo.de. www.dynardo.de/en/library .
15. FreeCAD:  Your  own  3D  parametricmodeler https://www.freecadweb.org/.
16. CSC  IT  CENTER  FOR  SCIENCE  LTD. Elmer  -  Elmer  -  CSC  Company  Site. https://www.csc.fi/web/elmer.
17. Kitware.ParaView.https://www.paraview.org/.