Rancang Bangun Volume 04 Nomor 2 (2018) Halaman Artikel (37-43)

## JURNAL RANCANG BANGUN
Website: http://ejournal.um-sorong.ac.id/index.php/rancangbangun
Pemodelan Respon Struktur Pemecah Gelombang Tipe Terapung dengan Peredam Tambahan (Heave Plate)
Muh. Akhsan Samaila 1 , Marina Abriani Butudoka 2
1,2 Program Studi Teknik Sipil Universitas Muhammadiyah Sorong

## Abstrak
Salah  satu  cara  untuk  meningkatkan  efektifitas  sebuah  pemecah  gelombang  terapung  adalah  dengan  memperbesar hydrodynamic damping atau viscous dampin g. Redaman  hidrodinamik bergantung pada bentuk dan  frekuensi  gerakan dari struktur.  Penelitian ini bertujuan meninjau pengaruh penambahan redaman pada struktur terapung dengan variasi sudut yaitu 90 o , 150 o dan 180 o yang membatasi respon gerak struktur terapung hanya arah vertikal ( heave motion ) dimana sistem pengikat berupa pile untuk menjaga struktur terapung hanya bergerak secara vertikal. Model uji struktur terapung memiliki dimensi panjang 1.1 m, lebar 0.6 m dan tinggi 0.4 m. Gelombang yang digunakan pada model adalah gelombang regular  dimana  gelombang  dicatat  menggunakan  alat wave  gauge sedangkan  pencatatan  respon  gerak  struktur menggunakan alat accelerometer . Gerak translasi arah vertical ( heave motion ) diperoleh dari hasil integrasi numerik data kecepatan hasil pencatatan accelerometer . Berdasarkan hasil pengujian diperoleh nilai rasio redaman yang paling besar (ζ) yaitu redaman tambahan dengan variasi sudut 90 o sebesar 0.418 sedangkan redaman tambahan dengan sudut 180 o dan 150 o masing-masing sebesar  0.344 dan 0.326. Untuk respon gerak  struktur terapung (gerak translasi), sistem redaman tambahan yang memiliki sudut 90 o paling besar mengurangi simpangan gerak translasi sebesar 0.1 m.
Kata kunci : struktur terapung, hydrodynamic damping, heave motion, integrasi numerik

## 1. Pendahuluan
Pemecah  gelombang  merupakan  struktur  yang berfungsi  untuk  melindungi  sebuah  perairan  yang mempunyai fungsi dan aktivitas tertentu didalamnya dari  serangan  gelombang  laut.  Pemecah  gelombang (PG) yang umum dipakai adalah tipe rouble-mound, yang  dibuat  dari  susunan  tumpukan  batu,  baik  batu alam  maupun  buatan.  PG  tipe  ini  umumnya  sangat efektif dalam meredam gelombang secara signifikan jika  kita  meninjau  dari  parameter  yang  telah disebutkan  sebelumnya.  Jika  dilakukan  peninjauan dari kedalaman perairan, maka PG tipe rouble-mound akan  semakin  berkurang  effisiensinya  dengan semakin  bertambahnya  kedalaman.  Selain  itu,  PG tipe  ini  juga  dapat  mengganggu  arus  di  sekitar perairan, yang jika tidak dianalisis dengan baik dapat mengakibatkan bahkan memperburuk proses erosi di perairan  sekitarnya.  PG  tipe  ini  juga  sangat bergantung pada kondisi tanah yang ada dibawahnya. Salah  satu  solusi  yang  dapat  ditawarkan  untuk permasalahan  yang  telah  dijelaskan  sebelumnya adalah  tipe pemecah gelombang terapung. Penerapan pemecah  gelombang  terapung  sudah  banyak dilakukan  seperti  rumah  terapung  di  vietnam  dan kanada, floating bridges di jepang dan sarana publik di  Marina  Bay,  Singapura  (C.M.  Wang,  2015). Namun penerapan struktur terapung butuh perhatian lebih dalam penerapannya.
Pemecah  gelombang  terapung  tidak  secara langsung  dapat  mereduksi  tinggi  gelombang  secara keseluruhan  namun  sebagian  gelombang  ada  yang
ditransmisikan, dipantulkan dan terdisipasi. Efektifitas dari pemecah gelombang terapung dilihat dari seberapa besar gelombang datang yang berhasil direduksinya.  Gelombang  hasil  reduksi  ini  disebut gelombang  transmisi.  Biasanya,  efektifitas  ini diwakilkan  oleh  suatu  koefisien  yang  disebut koefisien  transmisi,  yang  merupakan  perbandingan antara  gelombang  transmisi  dan  gelombang  datang. Salah  satu  cara  untuk  meningkatkan  efektifitas sebuah pemecah gelombang terapung adalah dengan memperbesar  hydrodynamic  damping  atau  viscous damping. Hydrodynamic damping adalah pengurangan  amplitudo  dari  osilasi  sebuah  struktur pada  setiap  siklus  (Turgut  'Sarp'  Sarpkaya,  2010). Definisi  lain  dari  Hydrodynamic  damping  adalah sebuah  koefisien  yang  menjelaskan  tentang  tahanan yang  didapat  dari  sebuah  struktur  terapung  ketika bergerak  secara  siklus  (Foussert,  2006).  Akibat  dari redaman hidrodinamik ini, osilasi dari struktur akan menyebabkan  disipasi  energi.  Disipasi  energi  ini berupa energi yang diradiasikan keluar dari struktur akibat  gelombang  yang  terbentuk  dari  gerakan struktur. Redaman hidrodinamik ini bergantung pada bentuk dan frekuensi gerakan dari struktur.
Parameter fisik yang berkaitan dengan redaman suatu  struktur  akibat  adanya  gaya  eksternal  yaitu massa,  damping  dan  kekakuan  (stiffness).  Sehingga dalam  penelitian  ini  akan  dilakukan  penelitian mengenai  pengaruh  penambahan  damping  pada struktur terapung.
1.5 m 40 m Wave absorber Dinding wave flume
Pengaruh damping pada  respon  gerak  struktur terapung  akan  ditinjau  hanya  arah  vertikal  ( heave motion) . Respon arah gerak struktur terapung terdiri atas  enam  derajat  kebebasan,  sehingga  untuk mereduksi  arah  gerak  yang  lain  akan  digunakan sistem  pengikat  berupa  pile  untuk  menjaga  struktur terapung hanya bergerak vertikal saja.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1. Instrumentasi Pengujian
Pengujian  model  dilakukan  di  Laboratorium Gelombang  Teknik  Kelautan  Institut  Teknologi Bandung. Dimensi saluran gelombang (wave flume) memiliki panjang 40 m, lebar 1.2 m dan tinggi 1.5 m (gambar  1).  Sedangkan  model  uji  memiliki  dimensi panjang  1.1  m,  lebar  0.6  m  dan  tinggi  0,4  m. Gelombang dibangkitkan menggunakan wave generator  dengan  tipe  piston  yang  menghasilkan gelombang regular. Untuk merekam data gelombang terdapat  4  wave  gauge  di  sepanjang  saluran. Pengujian  model  dilakukan  dalam  sistem  koordinat YZ.  Dimana  sumbu  Y  pada  sistem  koordinat  ejajar dengan  muka  air  diam  dan  sumbu  Z  tegak  lurus terhadap sumbu Y (gambar 2). Pada proses pengujian model kedalaman perairan (d) 0.8 m dan draft struktur terapung (D) 0.16 m.
Model uji struktur terapung dibuat dari lembaran baja  yang  dibentuk  sesuai  model  yang  telah ditentukan  (gambar  3a).  Pemodelan  fisik  memiliki banyak  variabel  dari  parameter  fisik  yang  saling berkaitan  sehingga  harus  disederhanakan  menjadi variabel  tak  berdimensi.  Hal  ini  bertujuan  untuk memperoleh hubungan antara beberapa variabel yang dapat menggambarkan karakter fisik yang dimodelkan.
Selama  proses  pengujian  berlangsung,  respon gerak  vertikal  model  uji  dicatat  secara  otomatis menggunakan  alat accelerometer  (gambar  3b).  Pada penelitian  ini  tipe  accelerometer  yang  digunakan adalah  tipe  ARK-A  dengan  kapasitas  percepatan maksimum  yang  bisa  dicatat  mencapai  1000  m/s2. Hasil pencatatan dari alat tersebut adalah berupa data percepatan berbentuk time series. Untuk mendapatkan  gerak  translasi  dari  model  uji,  data percepatan  dari  accelerometer  akan  diintegrasikan dua  kali  untuk  memperoleh  perpindahan/translasi. Data  perpindahan  yang  diperoleh  akan  lebih  halus karena  frekuensi  yang  tinggi  dari  data  percepatan disaring dalam proses integrasi ganda (Slifka, 2004). Proses  integrasi  ganda  diselesaikan  secara  numerik dengan  metode  trapezoidal  menggunakan  cumtrapz pada Matlab (Modifikasi coding dari Luong, 2015).
Gambar 1. Sketsa wave flume dengan model uji struktur terapung
Gambar 2. Sistem koordinat pengujian struktur terapung dengan peredam tambahan

## (a) (b)
Gambar 3. (a) Sketsa Model struktur terapung dan (b) Sensor pengukur percepatan ( accelerometer )

## 2.2. Kalibrasi Data Accelerometer
Data  respon  gerak  translasi  struktur  terapung diperoleh  dari  pencatatan  alat  accelerometer  berupa data  percepatan  dalam  bentuk  time  series.  Data  ini akan di validasi terhadap pengukuran manual sebagai kalibrasi awal.
Dengan menggunakan integrasi numerik diperoleh  grafik  translasi  dalam  rentang  periode pengukuran seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Setelah mendapatkan grafik translasi, akan dibandingkan  terhadap  hasil  pengukuran  manual. Gerak  translasi  struktur  terapung  nilainya  bersifat mutlak.  Sehingga  total  gerak  tranlasi  selalu  bernilai positif. Pengukuran manual dilakukan dengan 2 cara yaitu pertama diukur langsung total gerak
translasinya  dan  kedua  dengan  menggunakan  alat perekam  secara  visual (video).   Pengukuran  manual hanya mengukur total perpindahan struktur terapung saat  berosilasi  terhadap  beban  gelombang  (lihat gambar 4). Diambil satu contoh data kalibrasi  dimana diperoleh total perpindahan struktur terapung sebesar 0.12  meter  untuk  tinggi  gelombang  sebesar  0.138 meter.  Sedangkan  dari  hasil  integrasi  numerik  data percepatan diperoleh total perpindahan sebesar 0.123 meter.  Terdapat  selisih  sebesar  0.003  meter    atau sebesar  2.44%.  Dengan  nilai  error  yng  cukup  kecil, dapat  disimpulkan  bahwa  menggunakan  metode integrasi  numerik  untuk  menghitung  gerak  translasi struktur terapung dapat dilakukan.
Gambar 4. Respon gerak translasi struktur terapung

## 2.3. Prosedur  Pengujian  Model  Uji  Struktur Terapung
Untuk mengetahui pengaruh redaman tambahan maka  dilakukan  pengujian  awal  untuk  memperoleh rasio redaman ( damping ratio ). Pengujian dilakukan
terhadap model uji tanpa beban gelombang. Struktur diberi  simpangan  awal  dan  dibiarkan  bergerak sehingga berhenti pada durasi tertentu. Respon gerak struktur  diukur  menggunakan accelerometer untuk memperoleh  percepatan.  Gerak heave diperoleh
setelah merubah respon percepatan struktur menggunakan  integrasi  numerik.  Dari  grafik persamaan  gerak  tersebut  rasio  redaman  akan dihitung  menggunakan  teori logarithmic  decrement (Paz dan Leigh, 2004) menggunakan persamaan (1)
2 2 1    = −
(1)
Untuk nilai rasio redaman yang kecil (  < 0.2), persamaan logarithmic  decrement ditunjukkan  oleh persamaan (2)
2   = (2)
Setelah  melakukan  pengujian  awal  untuk  rasio damping, akan diuji efektifitas dari struktur terapung. Dalam  hal  ini  struktur  terapung  akan  diberi gelombang  dan  dicatat  tinggi  gelombang  transmisi menggunakan wave  gauge .  Pengujian  dilakukan dengan empat variasi untuk semua pengujian struktur tanpa  peredam  dan  pengujian  struktur  dengan peredam tambahan dengan variasi sudut peredam 90 0 , 150 o dan 180 o (gambar 5).
Gambar 5. Sketsa model uji dengan sudut peredam (a) 90 0 , (b) 150 0 dan (c) 180 0

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pengujian  respon  struktur  untuk  memperoleh gerak translasi heave juga telah dilakukan di Marina Bay, Singapura, dimana diperoleh grafik percepatan dan gerak translasi dalam satu kali osilasi, yaitu gerak struktur ke bawah dan ke atas masing-masing 1 kali (Koh dan Lim, 2006). Untuk memproleh nilai critical damping terlebih  dahulu  dilakukan  pengujian  untuk memproleh  nilai  rasio  redaman  (ζ)  seperti  yang dilakukan pada penelitian ini.
3.1. Analisa Respon Percepatan Struktur Terapung
Pada  gambar  6  disajikan  data  respon percepatan    yang  merupakan output dari pencatatan otomatis accelerometer . Dimana nilai positif  (+)  pada  data  percepatan  menandakan bahwa  struktur  bergerak  ke  bawah  dan sebaliknya bila bertanda negatif (-) menandakan bahwa  struktur  bergerak  keatas  (Wang,  M.C., Wang,  T.B  : Large  floating  structures ).  Data percepatan  yang  diperoleh  kemudian  akan    di filtering (dapat  dilihat  pada  gambar  7)  sebelum dilakukan  integrasi numerik untuk memperoleh gerak translasi arah vertikal ( heave ).
Gambar 6. Data respon percepatan tanpa peredam sebelum filtering
Proses filtering bertujuan  untuk  memperoleh signal percepatan yang sebenarnya dari respon gerak struktur.  Dimana  proses filtering itu    sendiri berhubungan  dengan  jumlah  pengambilan  data ( sampling rate ). Semakin banyak pengambilan data, maka data percepatan struktur dapat diperoleh seperti pada  gambar  6.  Semakin  sedikit sampling  rate , kemungkinan akan menambah presentase kehilangan data sebenarnya dari struktur yang diuji karena hilang saat proses filtering .
Gambar 7. Respon percepatan tanpa peredam setelah filtering
Data percepatan setelah filtering yang digunakan dalam  proses  integrasi  numerik  untuk  mendapatkan grafik pelemahan gerak heave stuktur terapung yang disajikan pada gambar 8.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 8. Grafik pelemahan gerak heave stuktur terapung
Dengan  menggunakan  metode logarithmic decrement untuk suatu sistem gerak satu derajat kebebasan  maka  diperoleh  nilai  koefisien redaman ( ζ) untuk masing-masing variasi sudut redaman seperti yang disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Nilai rasio redaman ( damping ratio )
Hasil  pengujian  awal  untuk  model  uji struktur terapung menunjukkan peredam tambahan  dengan  variasi  sudut  redaman  90 0 memiliki  nilai  rasio  redaman  ( ζ )  paling  besar sebesar 0.418.
3.2. Analisa  Respon  Gerak  Vertikal  (Heave Motion) Struktur Terapung Respon gerak heave struktur terapung dilakukan dengan tiga kombinasi beban lingkungan yang terdiri dari  periode  (T)  dan  tinggi  gelombang  (H).  Pada Tabel  2  ditunjukkan  kombinasi  beban  lingkungan untuk memperoleh time series dari struktur pemecah gelombang  tipe  terapung  yang  diberikan  redaman tambahan.  Jenis  gelombang  yang  diujikan  pada struktur  terapung  memiliki  ketinggian  dan  periode yang berbeda untuk masing-masing kombinasi.
Jenis Redaman Logaritma Natural (δ) Damping Ratio (ζ) Tanpa Peredam 1.129 0.1796 Redaman dengan sudut 180 o 2.159 0.3436 Redaman dengan sudut 150 o 2.051 0.3264 Redaman dengan sudut 90 o 2.628 0.4182
Tanpa peredam 180 0 150 0 90 0
Tabel 2. Kombinasi beban lingkungan pengujian struktur terapung
Jenis Redaman Kombinasi I (H,T) Kombinasi II (H,T) Kombinasi III (H,T) Tanpa Peredam (0.289 m, 1.81 s) (0.134 m, 2.24 s) (0.157 m, 2.77 s) Redaman dengan sudut 180 o (0.289 m, 1.81 s) (0.134 m, 2.24 s) (0.157 m, 2.77 s) Redaman dengan sudut 150 o (0.289 m, 1.81 s) (0.134 m, 2.24 s) (0.157 m, 2.77 s) Redaman dengan sudut 90 o (0.289 m, 1.81 s) (0.134 m, 2.24 s) (0.157 m, 2.77 s)
Penambahan sistem redaman dengan heave plate memberikan hasil yang cukup baik dalam mengurangi  gerak  struktur  terapung  arah  vertikal ( heave ).  Seperti  yang  disajikan  pada  gambar  9-11 menunjukkan  pengurangan  gerak  translasi  setelah diberi redaman. Kombinasi  pertama  rata-rata  sistem redaman dapat mengurangi gerak translasi lebih dari 0.05  m.  Sistem  redaman  tambahan  yang  memiliki sudut 90 o paling besar mengurangi simpangan gerak sebesar 0.1 m. Salah satu yang menyebabkan adalah massa  dari  peredam  dengan  sudut heave  plate 90 o lebih  besar  dibanding  dengan  peredam  yang  lain
(gambar  9).  Untuk  kombinasi  kedua  dengan  tinggi gelombang  sebesar  0.134 m  dan  periode  2.24  detik, rata-rata  pengurangan  gerak  translasi  dari  struktur terapung  akibat  penambahan  redaman  sebesar  0.06. Dimana  sistem  redaman  dengan  sudut    90 o masih memberikan  hasil  yang  lebih  baik  dibanding  yang lain.  Dimana  total  penngurangan  gerak  translasi sebesar 0.0625 dibandingkan dengan gerak translasi struktur  sebelum  diberi  redaman.  Sedangkan  pada kombinasi ketiga hasil yang sama dengan kombinasi pertama dan kedua, sistem redaman dengan sudut 90 0 masih memberikan hasil yang lebih baik.
Gambar 9. Overlay gerak heave struktur terapung dengan sistem peredam 90 o dan tanpa peredam
Gambar 10. Overlay gerak heave struktur terapung dengan sistem peredam 150 o dan tanpa peredam
Gambar 11. Overlay gerak heave struktur terapung dengan sistem peredam 180 o dan tanpa peredam
4. Kesimpulan a. Dari hasil integrasi numerik data percepatan untuk  memperoleh time  series dari  simpangan diperoleh  persentase error yang  cukup  kecil  yaitu sebesar  2.44%.  Sehingga  integrasi  numerik  dengan metode trapezoidal dapat digunakan untuk memperoleh nilai simpangan terhadap data percepatan dari data accelerometer . b. Dari  hasil  penelitian  diperoleh  nilai  rasio redaman yang paling besar yaitu redaman tambahan dengan  sudut  90 o sebesar  0.4182.  Untuk  redaman dengan  sudut  180 o dan  150 o masing-masing  sebesar 0.344 dan 0.326.
c. Faktor geometrik dari redaman mempengaruhi  nilai  dari  rasio  redaman.  Sistem redaman  yang  ditambahkan  pada  struktur  terapung sangat terlihat. Hal ini ditunjukkan pada hasil respon gerak heave struktur. Struktur terapung akan semakin efektif  dalam  meredam  gelombang  jika  nilai  rasio redamanya dapat ditingkatkan.

## 5. Ucapan Terima Kasih
Terima  kasih  disampaikan  kepada  Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat, Direktorat Jendral Penguatan  Riset  dan  Pengembangan  Kementrian Riset,  Teknologi  dan  Pendidikan  Tinggi  yang  telah membiayai penelitian ini melalui skema pembiayaan Penelitian  Dosen  Pemula  (PDP)  tahun  anggaran 2018.

## 6. Referensi
Althen, Strain Gauge Accelerometer ARK-A, dikases dari http://www.altheris.com/p/Strain-gauge- accelerometer-ARK-A/A064-10804-009, Fousert,  M.W.,  2006,  Floating  Breakwater  : Theoretical  Study  of  a  Dynamic  Wave Attenuating System, Thesis, Delft University Of Technology, Netherlands.
Koh,  H.S.,  Lim,  Y.B.,  2015,  Floating  Performance Stage  at  the  Marina  Bay,  Large  Floating Structure, Springer, Singapore, Vol 3, Hal 37-54. Luong, J., 2015, Acceleration to Displacement Using Cumtrapz  and  not  Getting  The  Anticipated Amplitudes,
diakses dari
https://www.mathworks.com/matlabcentral/ans wers/234326-acceleration-to-displacement- using-cumtrapz-and-not-getting-the-anticipated- amplitudes.
Sarpkaya,  T.S.,  2010,  Wave  Forces  on  Offshore Structures.
Slifka, D.S., 2004, An accelerometer based approach to  measuring  displacement  of  a  vehicle  body, Thesis, University of Michigan, USA.
Paz,  M.,  Leigh,  W.,  2004,  Structural  Dynamics  :
Theory  and  Computation,  Kluwer  Academic Publishers, USA, Edisi 5, Hal 37-39.
Wang,  M.C.,  Wang,  T.B.  (2015)  :  Large  floating structures, Singapore, Springer.