KAJIAN DESAIN KAPAL FERRY CEPAT UNTUK SARANA TRANSPORTASI SEBAGAI BIS AIR UNTUK DAERAH SUNGAI MUSI HINGGA PULAU BANGKA Ahmad SM 1, Sahlan 1, Wibowo HN 1 , Samudro 2 1)
Perekayasa Teknologi Kelautan UPT – BPPH, BPPT 2) Peneliti PTIST, BPPT aaf2k7@gmail. com Abstract
Activities of passenger and goods transport between islands by boat in Indonesia have lasted long. Similar activities are also run on the island of Sumatra as a commuter transportation of the city of Palembang (Port of Boom Baru) to Port Muntok, the Bangka Island. The merchants from Palembang are frequently trading with traders from Bangka island and vice versa. By using the ship transportation, ticket prices are low and the distance is also not too long and certainly appropriate when used as a mean of a regular transportation. The problems that often arises are the limited number of ships to transport passengers and goods to the destination and also the existing ship transportations are less secure and comfortable. This problem hopefully will be solved by designing a fast ferry ship. This ferry is designed to suit the water condition so that the passenger will be safe and comfortable while the ticket prices are still affordable. This paper presents the results of hydrodynamic tests of both resistance and sea keeping aspects of the design of a fast ferry to transport passengers and goods. This aspects of marine hydrodynamics certainly will be applicable to maritime industry in the design of fast ferry. Keywords: Fast Ferry Ship; Resistance;Seakeeping; Hydrodynamic Test.
1. PENDAHULUAN Sumatera Selatan merupakan salah satu propinsi di Indonesia yang juga sedang mengalami kemajuan ekonomi yang pesat saat ini. Hal ini diperlihatkan dari beberapa kegiatan yang dilaksanakan di sana baik yang berskala nasional maupun internasional. Hal ini menyebabkan terjadinya juga arus penumpang dan barang yang keluar masuk ke propinsi tersebut. Salah satu moda transportasi yang unggul untuk melayani arus keluar masuk penumpang dan barang tersebut adalah kapal laut karena selain harga ticket yang terjangkau, penumpang dan barang dapat diangkut dalam jumlah yang besar. Salah satu indikator dari besarnya arus keluar masuk barang dan penumpang diperlihatkan dari aktifitas yang berjalan dari Kota Palembang (Pelabuhan Boom Baru) ke Pelabuhan Muntok, Bangka Belitung atau sebaliknya. Para pedagang hasil pertanian serta sandang dari Palembang sering melakukan kegiatan jual-beli dengan pedagang di pulau Bangka Belitung dan juga sarana transportasi laut ini selain digunakan para pedagang dari kedua kota, juga digunakan arus penumpang baik dari Palembang maupun dari Bangka, karena di Bangka Belitung terkenal dengan adanya PT. Tambang Timah, yang tentunya sarana kapal cepat penyebrangan ini dapat dipergunakan mereka selain harga tiketnya murah dan waktu tempuhnya juga tidak terlalu lama dan ini tentunya sesuai jika dipergunakan sebagai sarana transportasi rutin dari Bangka tujuan Palembang atau sebaliknya. Berkembangnya aktifitas ekonomi seperti yang disebutkan sebelumnya belum ditunjang dengan armada angkutan laut yang memadai dari segi jumlah maupun aspek keamanan dan kenyamanannya. Hal ini menyebabkan kebutuhan akan kapal penyebrangan angkut penumpang dan barang sangat mendesak. Pada saat ini sarana transportasi yang telah digunakan untuk angkutan penyebrangan adalah kapal cepat penumpang dan barang baik kapal yang terbuat dari fibreglass maupun dari aluminium. Dengan adanya desain melalui rekayasa hidrodinamika dari suatu kapal cepat angkut barang tentunya akan didapat sarana transportasi kapal untuk angkutan penyebrangan yang benar-benar sesuai kondisi perairan yang dilaluinya, aman, nyaman serta dengan harga tiket yang terjangkau. Paper ini melaporkan tentang kajian teknis hidrodinamika khususnya pengujian hidrodinamika berupa tahanan kapal dan gerak kapal atau seakeeping. Model uji hidrodinamika didasarkan pada bentuk rencana garisnya diperlihatkan pada Gambar 1. Dengan ukuran utama Length Over All (LOA ) 36,5m, Breafth (B) = 7,5 m, Draught (T) = 1,5m dan Height( H) = 2,5m.
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
I - 131
Gambar 1. Rencana Garis kapal untuk kajian hidrodinamika penelitian ini
2. DASAR TEORI Dibawah ini dijelaskan secara singkat dasar teori yang akan dipakai sebagai acuan untuk menyelesaikan permasalahan rekayasa di bidang hidrodinamika pada penelitian ini yaitu (A) tahanan kapal (b) gerak kapal 2.1. Tahanan Kapal (Ship Resistance) Tahanan kapal dipertimbangkan sebagai gaya steadi yang bekerja pada kapal dapat dihitung dari persamaan empiris sebagai berikut:
Fi (1/ 2) V 2 SiCdi
(1)
dimana, V Si Cd
= spesifik densiti air laut = kecepatan kapal = luasan permukaan basah = koefisien drag
Koefisien drag diperoleh dari kurva drag hasil model eksperimen. Pada eksperimen di kolam tarik (TT ) hasil dari pengukuran resistance yang ditampilkan merupakan besaran skala penuh yang terjadi pada kapal sebenarnya dengan menggunakan persamaan berikut:
Fs Fm3 .
s m
(2)
dimana subkrip s adalah untuk kapal sebenarnya dan m untuk model sedangkan adalah skala model. 2.2. Gerak Kapal (Sea Keeping) Sebuah kapal yang bergerak di laut bebas hampir selalu mengalami gerakan osilasi. Gerakan osilasi yang dialami kapal diperlihatkan pada Gambar 5 yang mana memperlihatkan 6 jenis gerakan yang mana terdiri dari 3 gerakan dilatasi dan 3 gerakan rotasi terhadap sumbu x, y, z.
Gambar 2. Enam gerakan kapal di laut lepas
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
I - 132
Mengacu pada Gambar 2 terlihat; a adalah gerakan surging yaitu gerak osilasi maju mundurnya kapal, b adalah gerakan swaying yaitu gerak osilasi kesamping kiri dan kanan kapal, c adalah gerakan heaving yaitu gerak osilasi naik turun kapal, d adalah gerakan rolling yaitu gerak osilasi angular badan kapal terhadap sumbu longitudinal kapal dari sisi kiri ke kanan, e adalah gerakan pitching yaitu gerak osilasi angular pada sumbu melintang kapal ( gerak angguk), f adalah gerakan yawing yaitu gerak osilasi angular badan kapal terhadap sumbu tegaknya. Pada penelitian ini gerakan yang dibahas adalah gerakan rolling karena beberapa sifat gerakan yang merugikan sepert yang dinyatakan pada bagian pendahuluan. Pada Gambar 2 terlihat bahwa gerakan rolling merupakan gerak osilasi angular badan kapal terhadap sumbu longitudinal. Gerakan rolling secara linear mempunyai persamaan umum sebagai berikut:
I e b c M et 1
xx
(3)
Dimana besarnya sudut rolling ditulis dengan notasi dan turunan pertama terhadap waktu atau kecepatan sudutnya mempunyai notasi
dan percepatan sudutnya atau turunan kedua
terhadap waktu bernotasi , selanjutnya notasi a dipakai untuk menyatakan momen inersia massa total kapal yang mana merupakan fungsi dari frekuensi eksitasi, dan notasi b 1 merupakan koefisien peredam (damping). Notasi c dipakai untuk menyatakan momen pengembali. Penentuan koefisien yang terakhir pada persamaan(3) adalah untuk momen eksitasi dimana pada penelitian ini penyebabnya adalah gelombang. Gerakan rolling kapal pada kondisi ini dihitung dalam arah gelombang (00 < μ < 1800 ) terhadap arah kapal. Karena pada arah 00 dan 1800 dapat dipandang sebagai kasus khusus dimana tak ada momen eksitasi tetapi gerakan rolling bisa tak stabil karena persamaan differensialnya tak ada solusi umum dan diselesaikan melalui uji model. Gerakan rolling kapal pada gelombang beraturan besaran momen eksitasi yang bekerja pada badan kapal disebabkan karena perubahan gaya apung ketika kapal terkena gelombang dan frekuensi eksitasi yang bekerja dihitung berdasarkan arah kapal terhadap gelombang yang menerpanya. Momen eksitasi tersebut dihitung dengan mengintegrasi bagian – bagian badan kapal yang berbeda gaya apungnya. Potongan badan kapal tersebut diasumsikan berupa segitiga seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Maka untuk dua segitiga tersebut momen rolling- nya :
M
2 gy 3 dx 3 y y 0
(4)
2 (5) gy 3k a sin coskx cos dx coset 3 Dimana ; a sin kx cos ky sin et , dan; kemiringan(slope) gelombang dua y y 0 Atau
M
dimensi , dan ς merupakan persamaan tinggi gelombang,
a merupakan amplitude gelombang,
serta μ adalah arah gelombang menerpa kapal, sehingga momen eksitasi pada keseluruhan badan kapal adalah: L2 2 M gk a sin cos kx cos y 3dx cos et 3 L 2
(6)
Maka amplitudo dari momen M0 adalah : L2 2 M gk a sin coskx cos y 3dx 3 L 2
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
(7)
I - 133
Gambar 3. Segitiga momen eksitasi gelombang
Frekuensi eksitasi dari momen akibat adanya gelombang dengan arah tertentu ( dominan ) dapat diperoleh dengan memperhatikan Gambar 3. Dari gambar tersebut komponen kecepatan kapal v yang searah dengan gelombang adalah vcosμ dan kecepatan relatip kapal terhadap gelombang adalah kecepatan gelombang ( vw ) - vcosμ . Sehingga waktu yang ditempuh oleh kapal dari puncak gelombang ke puncak berikutnya atau periode gelombangnya (Te) adalah:
Te
Tw 1 v v w cos
(8)
Gambar 4. Arah kapal terhadap gelombang yang menerpa
Dimana Tw adalah pembagian panjang gelombang L w oleh kecepatan gelombang , perlu diingat bahwa apabila kapal berlayar berlawanan arah dengan gelombang maka harga cosμ adalah negatip. Dari persamaan (8) di atas maka kecepatan sudut eksitasi momen dapat ditulis:
e w 1 w
v cos g
(9)
Dimana kecepatan gelombang vw adalah pembagian percepatan grafitasi g oleh kecepatan sudut gelombang ωw. Dengan lengkapnya cara mendapatkan koefisien – koefisien dari persamaan ( 3 ), selanjutnya persamaan tersebut tentunya dapat diselesaikan dengan bantuan uji model. 2. Pengujian Model Kapal Ferry Cepat Pada bagian ini akan dijelaskan tentang uji hidrodinamika yang dilakukan untuk menganalisa perilaku hidrodinamika dari linesplan pada Gambar1. Faktor skala (λ) untuk pengujian ini sebesar 10. Uji hidrodinamika ini dilaksanakan menggunakan fasilitas UPT – BPPH, BPPT di tangki tarik (Towing Tank) untuk uji tahanan kapal dan paint smear untuk penentuan lokasi bilge dan tanki gelombang (Manoevring & Ocean Engineering Basin) untuk pengujian gerak kapal (seakeeping). 2.1. Uji Tahanan Kapal Data hasil pengukuran ini nantinya akan dianalisa dan kemudian jika diperlukan dilakukan modifikasi desain dan uji hidrodinamika ulang sehingga diperoleh suatu desain bentuk badan kapal ferry cepat yang aman dan nyaman bagi penumpang. Berdasarkan hasil pengukuran di Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
I - 134
atas modifikasi hull dilakukan melalui pengujian paint smear. Dimana hal ini dimaksudkan untuk untuk mendapatkan lokasi bilge keel yang tepat sesuai dengan arah aliran (stream line) dan aplikasi bilge keel ini dimaksudkan untuk mendapatkan koefisien redaman kapal saat berlayar di laut sehingga gerak kapal lebih nyaman bagi penumpang. Pelaksanaan uji paint smear mendapatkan posisi bilgekeel yang diperlihatkan pada Gambar 5 dan 6 di atas. Dari hasil uji paint smear tersebut maka dilakukan penentuan posisi bilga yang akan dipasang agar sesuai dengan garis air (flow lines). Gambar 7 merupakan body plan dengan posisi bilganya sedangkan untuk sheer plan ditunjukkan pada Gambar 8 dimana untuk aplikasi praktis di lapangan dilakukan pemilihan dengan posisi bilga no 2. Selanjutnya dilakukan pengujian Resistance dimana hal ini untuk mendapatkan kapal bisa mencapai kecepatan optimal. Gambar 9 atas menunjukkan bahwa pada kondisi even keel dengan sarat 2 m untuk kecepatan tinggi terdapat tahanan gelombang yang buruk dan berbahaya pada kapal karena air bisa masuk melalui ramp door. Namun pada Gambar 10 dengan melakukan trim belakang sebesar 2 cm skala model, tahanan gelombang menjadi kecil dan lebih baik untuk kecepatan yang sama pada kondisi even keel. Hasil dari uji resistance ini pada posisi evenkeel terjadi kenaikan resistance yang tidak diharapkan terlihat pada Gambar 11, dimana pada Gambar 12 diperlihatkan bahwa kondisi trim belakang 20mm mendekati prediksi (pretest) sehingga merupakan kondisi optimal. Perubahan mendasar dilakukan pada linesplan berdasarkan pengujian resistance pada bagian depan kapal (bow part) dimana hal ini diperlihatkan pada Gambar 13 dan 14 yang berupa perubahan pada body plan(garis hijau terhadap hitam) dan pada sheer plan . Dari modifikasi bentuk kapal ini dibuatlah model kapal cepat ferry ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15 dan selanjutnya dilakukan kembali uji resistance kembali beserta uji gerak luruh di kolam, seperti diperlihatkan pada Gambar 16 dan 17.
Gambar 5. Uji paint smear di TT
Gambar 6. Hasil uji paint smear
Gambar 7. Body Plan dengan posisi bilgenya
Gambar 8. Sheer Plan
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
I - 135
Gambar 9. Kondisi even keel tanpa modifikasi
Gambar 13. Body Plan bagian depan
Gambar 10. Kondisi dengan trim belakang
Kurva Resistance kondisi Evenkeel
40.000
Gambar 14. Sheer plan hasil modifikasi
35.000
Resistance (gN)
30.000
25.000 pretest
20.000
evenkeel
15.000
10.000
5.000
0.000 0
5
10
15
20
25
30
Kecepatan (knot)
Gambar 11. Hasil uji resistance pada kondisi evenkeel tanpa modifikasi Kurva Resistance kondisi aft trim
40.000
35.000
Resistance (g N)
30.000
25.000 pretest 20.000
aft_trim50 aft_trim20
15.000
10.000
Gambar 15. Model kapal ferry cepat hasil modifikasi yang dilengkapi dengan bilge keelnya
5.000
0.000 0
5
10
15
20
25
30
Kecepatan kapal (knot)
Gambar 12. Hasil uji resistance pada kondisi trim belakang 0.2 m
Gambar 16. Kinerja model kapal ferry cepat hasil modifikasi pada kecepatan 25 knot
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
I - 136
CONTOH
WAVE SPECTRUM Measured
;
Theoretical ( P–M ) ;
4
m
4
m
= 1.31 m; T z
= 9.80 s
= 1.35 m; T z
= 10.00 s
0.3
SPECTRAL DENSITY IN M
2
.S
0.24
Gambar 17. Uji seakeeping Kapal RIT kondisi
0.18
0.12
0.06
beam sea dengan KG - 2,03 m 0 0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
WAVE FREQUENCY IN RAD/S
Gambar 22. Spektrum gelombang PiersonMozkowitz, Hs = 1.35 m, Tp = 10 sec RESPONSE OF ROLL KG = 2.03 m KG = 3.63 m KG = 3.73 m
AMPLITUDE / WAVE AMPLITUDE IN DEG / M
50
Gambar 18. Uji seakeeping Kapal RIT kondisi beam sea dengan KG - 3,63 m
40
30
20
10
0 0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
WAVE FREQUENCY IN RAD / SEC
Gambar 19. Uji seakeeping Kapal RIT kondisi
Gambar 23. Response Amplitude Operator (RAO) gerak oleng (Roll) dari Kapal Ferry
beam sea dengan KG - 3,73m
RESPONSE OF PITCH KG = 2.03 m KG = 3.63 m
ROLL DECAY TEST
KG = 3.73 m 50
10
T = 2.532 sec
KG = 2.03 m
0
5
10
AMPLITUDE / WAVE AMPLITUDE IN DEG / M
Roll (deg) 15 t (sec)
–10 10
T = 3.184 sec
KG = 3.63 m
Roll (deg) 0
5
10
15 t (sec)
40
30
20
10
–10 10
T = 3.245 sec
KG = 3.73 m
Roll (deg)
0 0
0
5
10
15 t (sec)
–10
0.4
0.8
1.2
1.6
2
WAVE FREQUENCY IN RAD / SEC
Gambar 24. Response Amplitude Operator (RAO) gerak angguk (Pitch) dari Kapal Ferry
Gambar 20. Hasil uji luruh gerak kapal (motion decay test) untuk oleng (roll)
RESPONSE OF YAW KG = 2.03 m KG = 3.63 m KG = 3.73 m
PITCH DECAY TEST KG = 2.03 m
T = 0.988 sec
Pitch (deg) 0
5
10 t (sec)
–2 2
KG = 3.63 m
T = 1.046 sec
Pitch (deg) 0
5
10 t (sec)
–2 2
KG = 3.73 m
T = 1.031 sec
Pitch (deg) 0
AMPLITUDE / WAVE AMPLITUDE IN DEG / M
2
50
40
30
20
10 5
10 t (sec)
–2
0 0
Gambar 21. Hasil uji luruh gerak kapal (motion decay test) untuk angguk (pitch)
0.4
0.8
1.2
1.6
2
WAVE FREQUENCY IN RAD / SEC
Gambar 25. Response Amplitude Operator (RAO) gerak goyang (Yaw) dari Kapal Ferry
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
I - 137
2.2 Uji Gerak Kapal Ferry ( Seakeeping Test) Pengujian kapal ferry terpilih dari studi numerik tahun anggaran sebelumnya dilakukan di kolam gelombang UPT – BPPH. Gambar 17 , 18 dan 19 memperlihatkan kondisi model kapal saat di kolam uji gelombang. Hasil pengujian model kapal Sabang – Marindo diperlihatkan pada gambar - gambar di bawah ini. Ada 3 (tiga ) kondisi pengujian serta 1(satu) arah gelombang (heading) yang dilakukan pada pengujian model ini. Kondisi tersebut dimana titik berat vertikal kapal (KG) terdiri dari 2,03 m, 3,63 m dan 3,73m. Hal ini menunjukkan kemungkinan adanya perpindahan titik berat kapal karena muatan kapal yang berubah. Kondisi arah gelombang dipilih pada posisi 90 (sembilan puluh) derajat atau beam sea, karena diasumsikan kondisi gerak oleng (roll) akan maksimum terjadi hingga kapal akan mengalami gerak oleng yang cukup berbahaya. Untuk mendapatkan koefisien redaman dilakukan pengujian luruh gerak kapal. Pada pengujian ini uji luruh gerak kapal dilakukan untuk 2(dua) jenis gerak, yaitu oleng (roll) dan angguk (pitch). Hasil – hasil pengujian ini ditunjukan pada Gambar 20 dan 21. Gambar 20 menunjukkan hasil dari uji luruh gerak kapal (motion decay test) untuk gerak oleng (roll) dari gambar ini terlihat bahwa dengan kondisi titik berat vertikal yang tinggi mengakibatkan periode luruh semakin panjang. Kondisi dengan KG yang tinggi tidak direkomendasikan bagi kapal – kapal yang sedang beroperasi di laut. Gambar 21 menunjukkan hasil dari uji luruh gerak angguk (pitch). Sebelum model kapal di letakkan di dalam kolam dilakukan terlebih dahulu pengaturan gelombang ( wave adjustment) sesuai dengan yang diminta mewakili kondisi laut operasional dalam hal ini tinggi gelombang (Hs) sekitar 1,5 meter dengan periode puncak (Tp) sebesar 10 detik. Hasil pengaturan gelombang ini dibandingkan dengan perhitungan teoritis yang diperlihatkan pada Gambar 22. Dari gambar ini terlihat bahwa kondisi gelombang cukup untuk menampilkan kondisi laut operasional. Hasil dari uji gerak model kapal ini berupa response amplitude operator (RAO) untuk gerakan oleng (roll), angguk (pitch) dan goyang (yaw) diperlihatkan pada Gambar 23, 24 dan 25. Dari gambar – gambar tersebut dapat ditarik kesimpulan bahwa untuk secara umum untuk kapal ini frekuensi gelombang antara 1,2 dan 1,6 (rad/detik) adalah kondisi yang harus dihindari kapal saat berlayar. Proses ini semakin berbahaya bagi kapal apabila titik berat vertikal (KG) yang semakin tinggi. Dimana respon yang diperlihatkan oleh RAO pada masing – masing kondisi KG menunjukkan bahwa dengan semakin tingginya titik berat muatan kapal semakin besar pula respon yang dialami oleh kapal. Hal ini bisa sering terjadi apabila muatan barang dan penumpang terkonsentrasi pada daerah dek atas dimana hal ini sebaiknya dihindari sehingga keselamatan pelayaran dapat terjamin. Dari hasil uji di kolam ini juga menunjukkan perlunya perhitungan RAO dari setiap kapal penumpang atau barang untuk daerah pelayaran yang akan dilalui oleh kapal tersebut. Hal ini untuk menghindari kondisi resonansi karena periode gelombang di daerah pelayaran yang dilalui oleh kapal. 3. KESIMPULAN Hasil kajian teknis hidrodinamika berupa tahanan dan gerak kapal ferry cepat melalui uji
model kapal di tangki tarik dan gelombang sangat diperlukan agar didapatkan kinerja yang baik saat berlayar di laut lepas. Data hasil pengujian yang diperoleh untuk keperluan modifikasi desain sehingga diperoleh suatu desain bentuk badan kapal ferry cepat yang aman dan nyaman bagi penumpang. REFERENSI Bhattacharya, R,” Dynamics of Marine Vehicles”, John Wiley & Sons Inc(1978) Lewis V. E,” Resistance, Propulsion and Vibration of Ship”, PNA Vol II,” SNAME 1988 Lewis V. E,” Motions in Waves and Controlability”, PNA Vol III,” SNAME 1988 Nugroho, Wibowo. H,” Gerakan Non – Linear Rolling Kapal pada Gelombang Beraturan,” Pengkajian Industri (Industri Transportasi) 28/04/06 Samudro, Sahlan, Nugroho, Wibowo H,” Laporan Akhir RIT Aplikasi Penyempurnaan Desain Kapal Cepat Angkut Penumpang dan Barang”, UPT – BPPH, BPPT (2010)
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 15 Desember 2011
I - 138
