JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
1
Integrasi Perangkat Lunak Untuk Analisa Gelombang Acak dan Gaya Gelombang di Laboratorium Lingkungan dan Energi Laut, Jurusan Teknik Kelautan, FTK – ITS Arief Nur Y, Haryo D. Armono, dan Sujantoko Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 6011 Abstrak- Perencanaan merupakan suatu proses yang sangat penting di dalam merancang konstruksi. Laboratorium Lingkungan dan Energi Laut, Jurusan Teknik Kelautan, FTK-ITS sering digunakan untuk merencanakan konstruksi bangunan laut, namun belum memiliki perangkat lunak yang terintegrasi untuk meproses dan menganalisa data hasil pengujian. Ketersediaan perangkat lunak dalam pengujian fisik suatu model struktur mempunyai peran yang sangat penting dikarenakan nilai dari output data nantinya akan menentukan langkah lebih lanjut dalam membangun suatu struktur. Peneletian ini bertujuan untuk mengembangkan perangkat lunak dengan metode mengintegrasikan langkah pengkalibrasian dan validasi input dan output dari percobaan yang dilakukan di kolam uji. Penyusunan perangkat lunak ini dilakukan dengan menggunakan MATLAB 2010a. Kemampuan dari perangkat lunak ini telah diuji dengan memproses beberapa data hasil running yang telah dilakukan peneliti lain dan menghasilkan kesimpulan bahwa semakin besar gaya gelombang yang terjadi maka semakin besar pula tegangan yang terjadi pada tali. Kata Kunci – Perangkat lunak, proses, gaya I. PENDAHULUAN erencanaan merupakan suatu proses yang penting di dalam merancang suatu konstruksi di daratan maupun di laut. Dalam melakukan suatu perencanaan untuk konstruksi, perlu adanya percobaan yang nantinya data dari percobaan itu mewakili dari keadaan sebenarnya. Sebelum melakukan percobaan perlu dilakukan perencanaan terlebih dahulu, dimana tujuan dari perencanaan untuk percobaan ini adalah untuk memperoleh sebanyak mungkin keterangan atau fakta yang diperlukan untuk memecahkan suatu masalah. Dalam melakukan suatu perencanaan percobaan itu haruslah bersifat efektif, efisien, dan sederhana. Faktor penting dalam mendeskripsikan karakteristik laut itu adalah faktor hidrodinamika, faktor ini sangat penting dalam hal mensimulasikan pola pergerakan air laut secara global, di dalam hidrodinamika terdapat elemen – elemen yang saling berkaitan, diantaranya yaitu pasang surut, arus, gelombang, dan sedimentasi. Melihat pentingnya proses percobaan yang dilakukan tidak mungkin dilaksanakan tanpa bantuan laboratorium uji, sehingga dengan adanya peralatan – peralatan penunjang di laboratorium mempermudah percobaan yang akan dilakukan. Penggunaan model dalam analisa faktor hidrodinamika yang dilakukan di laboratorium uji tidak
P
lepas dari perhitungan, proses melakukan perhitungan ini tidak lepas dari perangkat – perangkat yang berada di laboratorium seperti software atau perangkat lunak sebagai alat untuk menterjemahkan ke dalam bentuk grafik – grafik ataupun angka – angka numerik. Penggunaan perangkat lunak untuk analisa percobaan model di laboratorium uji Jurusan Teknik Kelautan masih dilakukan secara manual, jadi operator harus menggunakan beberapa aplikasi dan persamaan – persamaan yang rumit untuk mengkalibrasi alat dan hasil output yang tercatat oleh load cell. Sehingga perangkat lunak yang terintegrasikan secara langsung untuk pemrosesan data hidrodinamika dalam hal analisa gelombang acak dan gaya gelombang sangat diperlukan. II. URAIAN PENELITIAN
I.
Alat Uji Fisik
Penggunaan pemodelan fisik tidak lepas dari adanya sensor yang berfungsi sebagai alat ukur, sensor yang digunakan berjenis Load cell dimana gaya yang bekerja berdasarkan prinsip deformasi sebuah material akibat adanya tegangan mekanis yang bekerja. Penggunaan perangkat uji pada gelombang acak dan gaya gelombang ini adalah sebagai alat yang digunakan untuk mengkorelasi hubungan antara arus listrik dengan elevasi muka air maupun gaya. Cara kerja alat ini dengan menghasilkan tegangan yang nantinya di catat oleh komputer pada tingkatan sampling yang dibutuhkan, pada saat posisi gelombang melewati model fisik maka komputer akan mencatat kondisi arus pada model.
Gambar 1. Alat uji fisik sensor load cell Kyowa LUB-B 5 to 50 KB
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
2
dalam bentuk grafik pencar. [1] Diagram pencar adalah diagram yang menunjukkan tingkat hubungan korelasi antara 2 faktor dengan nilai kuantitatif.
Gambar 3. Diagram pencar Linear positif
Gambar 2. Rangkaian ADC Sensor load cell ini tidak bekerja secara mandiri, masih diperlukan lagi alat yang berfungsi untuk menguatkan tegangan (voltase) yang dihasikan sensor, tegangan yang dibaca menghasilkan data analog yang kemudian diubah oleh rangkaian ADC (Analog To Digital Converter) menjadi data digital. II.
Regresi Linear dan Korelasi
Regresi merupakan suatu alat ukur ynag digunakan untuk mengkorelasi antar variabel. Analisa regresi mempelajari tentang hubungan yang diperoleh sehingga dikeluarkan dalam bentuk hasil persamaan matematika yang menyatakan hubungan fungsional antara variabel – variabel. [1] Dalam analisa regresi, suatu persamaan regresi hendak ditentukan dan digunakan untuk menggambarkan pola atau fungsi hubungan yang terdapat antar variabel, variabel yang akan diestimasi nilainya disebut variabel terikat (dependent variable atau response variable) dan biasanya di plot pada sumbu tegak (sumbu – y). Sedangkan variable bebas (independent variable atau explanatory variable) adalah variabel yang diasumsikan memberikan pengaruh terhadap variasi variabel terikat dan biasanya diplot pada sumbu datar (sumbu – x). (1) (2)
(3) Penilaian regresi linear lebih akurat apabila dilakukan analisa korelasi, dengan analisa korelasi tingkat perubahan suatu variabel dapat ditentukan. (4)
Selain menapilkan hasil perhitungan berupa angka, perhitungan regresi dan korelasi juga dapat ditampilkan
Gambar 4. Diagram pencar Linear negatif III.
Gelombang Acak
[2] gelombang laut mempunyai bentuk dan arah gerakan tak beraturan/acak (random) dan tidak pernah berulang urutan kejadiannya, sehingga teori gelombang reguler tidak dapat secara langsung (deterministik) menjelaskannya. [3] secara matematis gelombang laut dapat dijelaskan sebagaimana halnya dengan sinyal acak pada bidang elektronika ataupun getaran sistem periodik dalam sistem mekanika. Dibawah ini merupakan persamaan elevasi gelombang yang merupakan gabungan dari fungsi periodik.
(5a) (5b) [4] gelombang acak dapat dilihat sebagai superposisi dari banyak komponen gelombang reguler harmonis sederhana, yang masing-masing punya amplitudo, panjang, periode atau frekuensi dan arah propagasi sendiri. Pengkarakteran ombak dalam rekaman gelombang didasarkan pada rata-rata semua ketinggian gelombang individu dan periode dalam catatan perekaman data. Hal ini membutuhkan durasi rekaman yang akan cukup pendek
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) untuk diam tetapi juga cukup lama untuk mendapatkan ratarata cukup handal. Zero crossing period adalah metode yang dilakukan dalam menganalisa gelombang kurun waktu pendek, dianalogikan sebagai permukaan laut yang terdiri dari satu puncak dan satu lembah. Dalam penggunaannya zero crossing period dibagi menjadi dua, yaitu zero upcrossing dan zero downcrossing. Dalam metode zero upcrossing dilakukan pengukuran yang dimulai dari titik potong elevasi terhadap garis datum, kemudian naik menuju puncak diikuti dengan elevasi menurun sampai lembah gelombang dan naik lagi hingga titik potong datum. Untuk zero downcrossing sama halnya dengan zero upcrossing hanya kebalikannya saja.
3
setara dengan luas area di bawah kurva spektrum gelombang, yang merupakan varian dari riwayat waktu gelombang. (8) Periode rata – rata dapat ditentukan dengan persamaan (9)
Periode awal merupakan periode gelombang di mana energi gelombang maksimum terjadi, untuk spektrum dengan model matematika daat ditentukan dengan diferensiasi. Hal ini menunjukkan periode puncak gelombang. (10a)
Dengan mean zero crossing period (Tz) (10b)
Untuk gelombang signifikan, dapat dicari dengan bergantung pada bandwith sepktrum, sehingga tinggi gelombang signifikan dapat diperoleh dengan persamaan : (11a) (11b) (11c) Gambar 5. Ilustrasi zero down crossing dan zero up Crossing IV.
(11d)
Spektrum Energi
Dalam suatu pencatatan elevasi tinggi muka air biasa disajikan dalam bentuk time domain. Namun penyajian ini masih merupakan data yang sulit dibaca sehingga orang lebih suka menyajikan data tersebut menjadi frekuensi domain. Pengolahan data dari time domain menjadi frekuensi domain dapat dilakukan dengan menggunakan Fast Fourier Transform. Amplitudo untuk gelombang acak dapat ditunjukkan dengan menggunakan spektrum gelombang. (6) Unutk perhitungan momen spektra dapat menggunakan persamaan:
(11e) Maka untuk frekuensi rata – rata yang merupakan pusat spektra dan tinggi muka air dapat diperoleh dengan persamaan :
(12) Varian merupakan rata – rata hitung dari deviasi kuadrat setiap data terhadap rata – rata perhitungan, standar deviasi berguna untuk menunjukkan penyimpangan data terhadap nilai rata – rata. (13)
(7)
Dengan n merupakan nilai positif (n = 0,1,2,...), sehingga yang terpenting pada saat n=0 maka
untuk penggunaan model spektra P-M menggambarkan laut secara keseluruhan dan ditentukan oleh satu parameter, yaitu kecepatan angin. Berdasarkan penggunaan parameter ini pemodelan spektra P-M dapat digunakan untuk
(14)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) mempresentasikan bentukan gelombang perencanaan bangunan lepas pantai.
badai
pada
Sedangkan pada penggunaan spektra JONSWAP terdapat 5 parameter yang digunakan Hs (tinggi gelombang signifikan), γ (parameter ketinggian), ωο (frekuensi dimensi puncak spektra), τa (parameter bentuk a), τb (parameter bentuk b). (15) V.
4
Hukum Newton
Penggunaan hukum Newton di sini berguna untuk menganalisa proses pengkalibrasi sensor tegangan. Hukum Newton yang digunakan adalah hukum Newton I yang resultan gayanya bekerja pada benda sama dengan nol, maka benda yang diam akan tetap diam atau benda yang bergerak lurus beraturan akan tetap bergerak lurus beraturan. Berdasarkan hukum I Newton gaya – gaya yang bekerja pada sensor kalibrasi ditulis sebagai berikut. ΣF = 0
(16a)
T–w=0
(16b)
T = w = mg
(16c)
Dapat diselesaikan dengan ekspansi kofaktor pada kolom j atau i. (18a) (18b)
VII.
Pemrograman MATLAB
MATLAB banyak digunakan untuk melakukan penyelesaian berbagai macam masalah yang memerlukan komputasi dalam berbagai bidang. Bahasa pemrograman dalam MATLAB menggunakan C, C++, Java, dan MATLAB. Pada MATLAB file yang digunakan adalah berbentuk GUI ( Graphical User Interface), GUI merupakan sebuah program yang dibangun dengan obyek grafik seperti tombol, kotak teks, slider, menu dan lain – lain. Dalam pembuatan suatu program diperlukan langkah – langkah sistemtis yang secara logis digunakan untuk penyelesaian permasalahan. Langkah – langkah penyelesaian ini dikenal dengan algoritma pemrograman. Penulisan ini dapat disajikan dengan tulisan atau dengan gambar, Hal – hal yang perlu diperhatikan dalam pengerjaan algoritma pemrograman diantaranya : 1. 2. 3. 4. 5.
Algoritma mempunyai awal dan akhir. Setiap langkah harus didefinisikan dengan tepat sehingga tidak memiliki arti ganda. Memiliki masukan (input) atau kondisi awal. Memiliki keluaran (output) atau kondisi akhir. Algoritma harus efektif, bila digunakan benar-benar menyelesaikan persoalan.
Setelah dilakukan penyusunan algoritma pemrograman proses selanjutnya adalah mengerjakan desain GUI dan listing program. III. METODOLOGI PENELITIAN
Gambar 9. Gaya – gaya yang bekerja pada sensor
VI.
Determinan Matriks
[5] determinan suatu matriks adalah suatu fungsi skalar dengan domain matriks bujur sangkar, dengan kata lain determinan merupakan pemetaan dengan domain berupa matriks bujur sangkar, sementara kodomain berupa suatu nilai skalar. Untuk determinan dari matriks A. (17) Matriks n x n penyelesaian menggunakan kofaktor
Tahapan dalam penulisan tugas akhir ini dimulai dengan melakukan uji di kolam uji untuk mendapatkan data elevasi gelombang dan tegangan yang dihasilkan. Pemberian beban pada pemodelan untuk mendapatkan data voltase, Tegangan tali yang terjadi juga merupakan gaya gelombang yang terjadi, dimana besar tegangan yang terjadi pada tali juga merupakan besar gaya gelombang yang terjadi. Karena hubungan antara massa dengan voltase berbanding lurus, maka semakin besar gaya gelombang yang terjadi, semakin besar pula tegangan yang terjadi pada tali. Hasil yang diperoleh digunkan untuk menentukan persamaan regresi linier yang menkorelasikan antara tegangan yang terjadi, elevasi muka air, dan massa. Tahapan selanjutnya adalah membuat perangkat lunak untuk analisa data. Adapun diagram alir dari proses awal hingga akhir dapat dilihat pada Gambar 10. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
(18)
Perangkat lunak terintegrasi ini dibuat dengan menggunakan software MATLAB 2010. Pada MATLAB
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) disediakan fitur untuk penampilan gambar grafik. MATLAB didukung oleh beberapa toolbox yang memiliki fungsi sesuai dengan kebutuhan. Selain kemudahan dari penulisan persamaan dan logika, MATLAB juga telah didukung bentuk compiler sehingga nantinya akan keluar program dengan bentuk executable file, dimana bentuk format ini memungkinkan untuk dijalankan tanpa harus menginstal software MATLAB itu sendiri. Nama dari perangkat lunak terintegrasi ini adalah IWWF, Iregular Wave Wave Force. Dalam penggunaan perangkat lunak terintegrasi ini, terdapat asumsi yang digunakan antara lain nilai – nilai pada file yang diinputkan sudah benar. Hal ini bertujuan agar pemrosesan pada perangkat lunak berjalan dengan semestinya. Perhitungan analisa menggunakan perangkat lunak terintegrasi IWWF (Iregular Wave Wave Force), dibagi menjadi tiga proses yaitu persiapan, pengkalibrasian dan proses perhitungan analisa.
MULAI
Input data dari sensor dan pengamatan elevasi
Pemrosesan data dari sensor menggunakan akusisi data QCM dan excel untuk data elvasi
5
menunjukkan bahwa percobaan yang dilakukan tidak valid, hasil persamaan regresi yang digunakan untuk kalibrasi ditunjukkan dengan nilai korelasi R2 = 0,999 dan arah grafik dari hasil regresi, selain itu pengujian kinerja pada pemrosesan analisa baik itu analisa gelombang acak dan gaya gelombang. Pada percobaan yang dilakukan dengan konfigurasi bentuk model seperti pada gambar 11.
Gambar 11. Konfigurasi model pada wave tank Setelah dilakukan analisa dengan menggunakan IWWF didapatkan hasil regresi untuk gelombang acak y = 2,0431x + 2,4901 dan korelasi R2 = 0,97602 sedangkan untuk grafik menunjukkan arah linear negatif seperti pada gambar 11. Setelah dilakukan proses analisa pada input gelombang signifikan rencana mengalami kenaikan dari 2 cm menjadi 2,399 cm sedangkan untuk nilai periode mengalami kenaikan dari 2 detik menjadi 4,942 detik.
Menghasilkan rata—rata data voltase dan elevasi
Proses menggunakan perangkat lunak IWWF
Menghasilkan analisa data gaya gelombang dan spektrum gelombang acak
SELESAI
Gambar 10. Diagram alir metodologi penelitian A.
Aplikasi penggunaan perangkat lunak
Kinerja dari perangkat lunak ini telah dicoba pada percobaan yang dilakukan di Laboratorium Lingkungan dan Energi Laut, Jurusan Teknik Kelautan. Pengujian kinerja pada perangkat lunak dilakukan pada proses kalibrasi dimana pada proses ini dapat terjadi nilai error yang
Gambar Grafik regresi acak Pada 11. hasil regresi untukgelombang gaya gelombang y = 11,1934x + -3,8279 dan korelasi R2 = 0,9914 untuk grafik menunjukkan arah linear positif, seperti pada gambar 12.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
Selanjutnya dilakukan proes analisa untuk gaya gelombang yang hasil akhirnya dapat dilihat pada gambar 12, pada gambar menunjukkan korelasi hubungan antara gaya gelombang dengan elevasi gelombang. Berdasarkan data yang diperoleh dari proses analisa digunakan untuk menghitung gaya gelombang yang terjadi, pada anlisa gaya gelombang besaran tegangan tali pada model juga merupakan gaya gelombang.
Gambar 12. Grafik Korelasi gaya gelombang dengan elevasi gelombang Hasil dari analisa gaya gelombang ini juga dapat digunakan untuk kepentingan penelitian mengenai mooring pada floating breakwater. Berdasarkan uji kinerja yang telah dilakukan, perangkat lunak ini sudah dapat bekerja secara maksimal dengan menampilkan hasil analisa yang telah memenuhi syarat. V. KESIMPULAN DAN SARAN Setelah dilakukan pembahasan analisa dan langkah – langkah penggunaan perangkat lunak terintegrasi ini maka dapat diambil kesimpulan. 1. Sensor yang cocok untuk digunakan dengan perangkat lunak ini adalah sensor load cell LUB 5 to 50 KB yang terdapat di Laboratorium Energi dan Lingkungan Laut, Jurusan Teknik Kelautan, FTK-ITS. 2. Proses penggunaan perangkat lunak terintegrasi ini dimulai dari persiapan, proses kalibrasi, dan dilanjutkan dengan proses analisa. 3. Kinerja dari perangkat lunak yang telah dibuat dan telah diuji terbukti berjalan cukup baik. Hal ini dibuktikan dengan telah dilakukannya analisa yang menggunakan data berdasarkan percobaan. Dari pengamatan dan analisa yang telah dilakukan maka saran yang dapat diberikan 1. Perlu dilakukan pengembangan terus menerus terhadap perangkat lunak untuk mecapai keakuratan yang sebenarnya. 2. Pengambilan data gelombang belum sempat dilakukan karena wave tank yang masih dalam proses perbaikan, sehingga kedepannya perlu dilakukan pengembilan data real guna meningkatkan hasil dari analisa ada perangkat lunak. 3. Perlu adanya uji tera alat percobaan sebelum melakukan penelitian guna mendapatkan hasil analisa yang lebih mendekati dengan keadaan sebenarnya.
UCAPAN TERIMAKASIH
6
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Haryo Dwito Armono, S.T., M.Eng., Ph.D. dan Bapak Sujantoko, ST. MT. selaku dosen pembimbing atas arahan dan bimbingannya. Terima kasih kepada seluruh pihak yang telah membantu baik secara langsung maupun tidak langsung.
DAFTAR PUSTAKA [1] Weisberg, Sanford. 2005. Aplied Linear Regression. New Jersey: John Wiley & Sons Inc. [2] Djatmiko, E.B. Analisis Gelombang Acak, Materi kuliah Hidrodinamika II, Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya, 2012. [3] Zhang, Jun., Introduction to Ocean and Coastal Engineering – Ocean Environment and Waves, OCEAN 201,2009. [4] St. Denis, M. And Pierson, W. J., On the Motion of Ships in Confused Seas, Transactions SNAME, 61:1-53, 1953. [5] Harinaldi. Prinsip – Prinsip Statistika untuk Teknik dan Sains, Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
