0455: Sahlan dkk.
TR-81
KAJIAN DISAIN KAPAL CEPAT BERBAHAN ALUMINIUM SEBAGAI SARANA TRANSPORTASI SUNGAI DAN LAUT YANG AMAN, NYAMAN DAN RAMAH LINGKUNGAN Sahlan∗ , Samudro, Wibowo H.N., Arifin, dan Ahmad S.M. UPT. BPPH BPP Teknologi Jl. Hidrodinamika, Kompleks ITS, Sukolilo - Surabaya Telepon (031) 5948060, 5947915 ∗
e-Mail:
[email protected]
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK Dengan semakin pesatnya program pembangunan di Propinsi Sumatera Selatan dan Bangka serta telah dimulainya era perdagangan global telah mendorong kemajuan ekonomi yang berdampak pada tuntutan sarana transportasi laut berupa kapal cepat yang aman, nyaman dan ramah lingkungan. Suatu kajian berupa rekayasa rancang bangun kapal cepat berbahan aluminium dilakukan dengan metode pendekatan numerik dan percobaan model. Beberapa aspek desain dikaji seperti desain lines plan, hidrostatik, propeller, seakeeping, manoeuvring, wake dan analisa struktur dilakukan guna memenuhi konsep desain kapal cepat agar layak dioperasikan. Secara umum dapat dikatakan, kapal cepat yang direncanakan mempunyai karakteristik yang baik dan berada dalam batas kriteria keselamatan dan kenyamanan yang ditetapkan oleh IMO. Akan tetapi, masih ada beberapa aspek yang masih memerlukan kajian lebih lanjut seperti analisa kekuatan struktur, sistem perpipaan dan kelistrikan. Kata Kunci: Kapal cepat, pendekatan numerik, pengujian model, lines plan, hidrostatik, seakeeping, manoeuvring, wake
I.
PENDAHULUAN
Sumatera Selatan merupakan salah satu provinsi di Indonesia yang juga sedang mengalami kemajuan ekonomi yang pesat saat ini. Hal ini menyebabkan terjadinya arus penumpang dan barang yang keluar masuk ke provinsi tersebut. Salah satu moda transportasi yang unggul untuk melayani arus penumpang dan barang tersebut adalah kapal karena selain harga tiket yang terjangkau (murah), 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 Tanjung Kalian, Pulau Bangka atau sebaliknya. Selain itu dengan keberadaan PT.Tambang Timah di Pulau Bangka, moda transportasi kapal juga dibutuhkan oleh penumpang baik dari Palembang maupun dari Bangka Berkembangnya aktifitas ekonomi seperti yang disebutkan sebelumnya belum ditunjang dengan armada angkutan laut yang memadai dari segi jumlah, waktu tempuh singkat maupun aspek keamanan dan kenyamanannya. Hal ini menyebabkan kebutuhan akan kapal cepat penyeberangan angkut penumpang dan barang sangat mendesak. Pada saat ini sarana transportasi yang telah digu-
nakan untuk angkutan penyeberangan adalah kapal cepat penumpang dan barang baik kapal yang terbuat dari baja, aluminium, kayu, maupun fiber. Satu rekayasa kapal cepat berbahan aluminium dilakukan guna meningkatkan kualitas sarana transportasi yang telah ada. Dengan kapal berbahan aluminium ini diharapkan akan diperoleh nilai ekonomis yang tinggi karena biaya perawatan dan operasional kapal yang jauh lebih rendah dari kapal lainnya. Selain itu, kapal berbahan aluminium juga memiliki konstruksi yang ringan hal ini tentunya kapasitas beban muatan dapat jauh lebih banyak sehingga dapat menambah keuntungan bagi pemilik kapal dan bagi masyarakat pengguna jasa transportasi sungai dan laut Dengan adanya desain melalui rekayasa kapal aluminium ini tentunya akan didapat sarana transportasi kapal aluminium untuk angkutan penyeberangan yang benar-benar sesuai kondisi perairan yang dilaluinya, aman, nyaman dan ramah lingkungan. Diharapkan dengan pemanfaatan hasil desain teknologi kapal aluminium dalam negeri ini, akan membuat pihak galangan kapal dapat melakukan konsultasi rancang bangun dengan cepat sehingga waktu pembangunan kapal lebih singkat, dengan kata lain produktivitas meningkat. Langkah awal untuk memulai riset rekayasa kapal Prosiding InSINas 2012
0455: Sahlan dkk.
TR-82 aluminium ini telah dilakukan semacam studi pustaka mengenai desain badan kapal secara komprehensif yang dimulai dari perhitungan stabilitas, resistansi dan propulsi serta gerakan kapal dengan memakai acuan Principle of Naval Architecture (PNA1988) volume I, II, III [2,3,4]. Untuk segi gerak kapal secara detail dalam riset ini diaplikasikan persamaan persamaan gerak kapal terpakai dari Bhattacharya, R (1978) [1] serta penelitian lanjutan yang dilakukan oleh Sahlan [5] dimana lebih menitikberatkan pada tata letak ruangan atau rencana umum kapal ferry. Untuk mendapatkan hasil rancangan kapal cepat yang aman, nyaman dan ramah lingkungan maka telah dilakukan kajian numerik dan didukung oleh survey lapangan yang meliputi optimalisasi desain lambung kapal, pemilihan mesin penggerak utama serta baling - balingnya, karakteristik gerakan kapal (seakeeping) dan olah gerak kapal (manouvering), pengukuran gerakan kapal pada saat berlayar serta pengamatan pola gelombang yang terbentuk akibat gerakan kapal cepat terutama saat melintas di sungai. Penelitian dilanjutkan dengan melakukan uji model hidrodinamika terhadap hasil optimalisasi lambung kapal aluminium yang dilanjutkan dengan perencanaan umum (General Arrangement) berupa tata letak mesin bantu, pengaturan ruang, kemudian dilanjutkan perhitungan kekuatan struktur kapal aluminium, dimana direncanakan kapal ini dapat beroperasi secara handal pada kondisi perairan operasionalnya.
II.
G AMBAR 1: Kondisi Kapal Oleng
dan kapal akan mendapat momen couple, S. S =P ×h
di mana, P (berat kapal (ton))= ∂∇ : displacement kapal (ton), h (lengan kopel (m)) = GQ = M g sin φ, dan M g disebut sebagai tinggi metasentra. B.
Tahanan Kapal Tahanan kapal dipertimbangkan sebagai gaya steady yang bekerja pada kapal dapat dihitung dari persamaan empiris sebagai berikut: Fi =
METODOLOGI
A. Stabilitas Kapal Pada peninjauan stabilitas suatu kapal, pertamatama harus kita perhatikan tiga buah titik yang memegang peranan penting, yaitu ; (a)Titik G (Gravity) adalah titik berat dari pada kapal, (b) Titik B adalah titik tekan ke atas dari volume air yang dipindahkan oleh bagian kapal yang ada dalam air dan (c), Titik M (Metacenter) ialah titik perpotongan vektor gaya tekanan pada keadaan tetap dengan vektor gaya tekanan keatas pada sudut oleng yang kecil (delta φ). Untuk kapal-kapal yang mengalami kemiringan baik oleng maupun trim yang disebabkan oleh gaya-gaya dari luar dengan anggapan bahwa titik G tidak mengalami perubahan (muatan kapal tidak bergeser/ ditambah/dikurangi); maka tititk B akan berpindah letaknya hal ini disebabkan karena bentuk bagian bawah kapal yang ada dalam air akan mengalami perubahan seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1 di bawah ini. Untuk kapal yang oleng, B akan berubah menjadi Bφ pada bidang melintang kapal, sedangkan untuk trim B akan berpindah menjadi Bφ pada bidang memanjang kapal. Sebagai contoh untuk kapal yang mengalami oleng (lihat gambar) titik G dan Bφ tidak terletak pada satu garis vertikal lagi terhadap garis air yang baru W’L’
(10)
1 2 ρV Si Cdi 2
(11)
d imana, ρ adalah spesifik densiti air laut, V adalah kecepatan kapal, Si adalah luasan permukaan basah, sedang Cd adalah 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 = Fm λ3
ρs ρm
(12)
di mana subkrip s adalah untuk kapal sebenarnya dan m untuk model sedangkan λ adalah skala model. C.
Gerak Kapal Sebuah kapal yang bergerak di laut bebas hampir selalu mengalami gerakan osilasi. Gerakan osilasi yang dialami kapal diperlihatkan pada G AMBAR 2 yang mana memperlihatkan 6 jenis gerakan yang mana terdiri dari 3 gerakan translasi (surge, sway dan yaw) dan 3 gerakan rotasi (roll, pitch, yaw) terhadap sumbu x, y, z. Pada penelitian ini gerakan yang akan dikaji adalah gerakan heave, roll, dan pitch karena beberapa sifat gerakan ini yang merugikan atara lain dari segi keamanan Prosiding InSINas 2012
0455: Sahlan dkk.
TR-83 di mana kecepatan gelombang vw adalah pembagian percepatan gravitasi g oleh kecepatan sudut gelombang ωw selanjutnya persamaan tersebut tentunya dapat diselesaikan dengan bantuan metoda numerik/uji model.
G AMBAR 2: Enam gerakan kapal di laut.
dan kenyamanan penumpang dan struktur kapal pada umumnya. Selain itu, frekuensi eksitasi dari gerakan dan momen kapal akibat adanya gelombang dengan arah tertentu (dominan) dapat diperoleh dengan memperhatikan G AMBAR 3. Dari gambar tersebut komponen kecepatan kapal v yang searah dengan gelombang adalah v cos(µ) dan kecepatan relatip kapal terhadap gelombang adalah kecepatan gelombang (vw ) − v cos(µ). Sehingga waktu yang ditempuh oleh kapal dari puncak gelombang ke puncak berikutnya atau periode gelombangnya (T ) adalah:
G AMBAR 3: Arah kapal terhadap gelombang yang menerpa.
T =
Tw 1 − (v/vw ) cos µ
(13)
di mana Tw adalah pembagian panjang gelombang Lw oleh kecepatan gelombang , perlu diingat bahwa apabila kapal berlayar berlawanan arah dengan gelombang maka harga cos(µ) adalah negatif. Dari P ERS . (13) di atas maka kecepatan sudut eksitasi momen dapat ditulis: v ω = ωw 1 − ωw cos µ (14) g
D. Kekuatan Kapal Aluminium Material utama konstruksi badan kapal adalah aluminium dengan memakai persyaratan ketat aturan BKI 2010. Analisa kekuatan struktur kapal aluminium diperlukan dengan melakukan perhitungan tegangan maksimum yang terjadi, dalam hal ini perhitungan tegangan langsung primer pada struktur kapal aluminium dapat didekati dengan cukup realistis dengan konsep balok equivalent. Penurunan persamaanpersamaan tegangan dan lendutan dengan teori balok elementer (balok Bernoulli-Euler) dapat diperoleh dari banyak buku mengenai kekuatan bahan, dan di sini akan dibahas secara ringkas. Hasil terpenting dalam kerangka perhitungan kekuatan adalah hubungan antara tegangan memanjang kapal aluminium yang bekerja di bidang pelat dengan momen lengkung yang bekerja di sebuah titik (x,z) pada panjang kapal aluminiumM (x): σx = −
M (x)z I
(15)
di mana z adalah jarak meninggi titik yang ditinjau pada x, dan Iadalah momen inersia keseluruhan penampang melintang struktur kapal aluminium di titik xdihitung terhadap sumbu netral melintang kapal tempat titik berat keseluruhan penampang melintang kapal aluminium tersebut berada. Jelas bahwa tegangan-tegangan ekstrem terjadi pada serat teratas atau terbawah pada balok, yaitu saat zmemiliki hargaharganya yang terbesarzmax . Besaran I/zmax disebut modulus penampang balok di titik x (tepatnya bidang melintang yang melalui titik x). Pada kasus kapal aluminium ini tegangan maksimum yang terjadi tidak boleh melebihi dari tegangan material aluminium yang telah dipersyaratkan. Perencanaan & Perhitungan kekuatan kapal aluminium ini dilakukan berdasarkan aturan biro klasifikasi Indonesia 2010, dengan pertimbangan bahwa struktur kapal aluminium harus dapat bertahan terhadap beban – beban lingkungan di laut lepas seperti gelombang, arus dan angin, kemudian seperti layaknya bangunan kelautan lainnya faktor keamanan dari struktur juga ditambahkan. Selain itu sebagai bahan perbandingan dilakukan juga analisa dengan menggunakan metode elemen hingga, dimana hasil yang didapat mendukung hasil perhitungan dengan menggunakan aturan klasifikasi bangunan laut. Kajian nantinya akan diperiksa kelayakannya secara teknis untuk disetujui oleh pihak Biro Klasifikasi Indonesia sebagai standarisasi kelayakan pembangunan kapal di Indonesia. Prosiding InSINas 2012
0455: Sahlan dkk.
TR-84
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk membangun sebuah kapal, sesuatu yang dibutuhkan terlebih dahulu adalah gambar rancangannya. Dalam perencanaannya yang harus diperhatikan adalah permintaan dari pemesan kapal (Design Requirement) yang biasanya disebut juga dengan data teknis. Data teknis yang dibutuhkan ini biasanya terdiri dari lima komponen utama yaitu tipe dan jenis kapal, muatan ( jenis dan kapasitas muat ), kecepatan, rute pelayaran dan sarat batas kapal. Dari data ini baru bisa dirancang sebuah kapal dengan terlebih dahulu mencari ukuran utama kapal tersebut dengan metode yang sudah ada. A. Lines Plan Dari hasil modifikasi desain, diperoleh ukuran utama dan lines plan sebagaimana ditunjukkan oleh gambar berikut.
tahanan total dan daya kapal cepat berbahan aluminium yaitu sebesar 128.26 kN dan 1121.73 Watt bersesuaian dengan kecepatan dinasnya yaitu 17 knots. B.
Hasil Desain Propeller Diantara sejumlah seri submerged propeller yang tersedia, Wageningen B-series merupakan seri yang terlengkap, baik dalam jumlah variasi tipe model yang diuji maupun karakteristiknya. Seri ini memang lebih ditujukan untuk propeller kapal komersil, namun dalam beberapa rancangan sistem propulsi kapal cepat, seri propeller ini masih dapat diaplikasikan dengan memperhatikan faktor pembebanan daun propeller dan kondisi kavitasi (Allison, 1978 dan Blount, 1997). Adapun hasil perancangan propeller untuk kapal cepat berbahan aluminium sebagaimana ditunjukkan oleh G AMBAR 6 berikut.
G AMBAR 6: Propeller Right Hand Kapal Aluminium. G AMBAR 4: Lines Plan Kapal.
Adapun data hidrostatik yang diperoleh dari perhitungan sesuai data ukuran utamanya adalah sebagaimana ditunjukkan oleh grafik pada G AMBAR 5 berikut.
Adapun besaran efisiensi hasil perhitungan numerik pada kecepatan operasional kapal adalah sebagai mana ditunjukkan pada TABEL 1. TABEL 1: Efisiensi hasil perhitungan numerik pada kecepatan operasional kapal.
Vs knot 17
w 0.127
t 0.131
ηR 0.975
η0 0.454
ηD 0.441
C.
G AMBAR 5: Grafik Hidrostatik.
Berdasarkan simulasi numerik diperoleh besarnya
Seakeeping Berdasarkan perhitungan numerik yang dilakukan maka diberoleh Response Amplitude Operator (RAO) beberapa gerakan vertikal yang dianggap berpengaruh secara signifikan terhadap keamanan dan kenyamanan kapal maupun penumpang yaitu RAO gerakan heave, roll dan pitch pada beberapa sudut heading. Grafikgrafik tersebut sebagaimana ditunjukkan oleh G AM BAR 7 , G AMBAR 8 dan G AMBAR 9 . Prosiding InSINas 2012
0455: Sahlan dkk.
TR-85
G AMBAR 7: RAO pada kondisi sudut heading ψ =90◦
G AMBAR 10: Perbandingan RAO gerakan roll. G AMBAR 8: RAO pada kondisi sudut heading ψ =135◦
G AMBAR 9: RAO pada kondisi sudut heading ψ =180◦
Berdasarkan data keluaran simulasi numerik, diketahui bahwa RAO sudut roll dan pitch yang terjadi tidak lebih dari 3 deg/m. Hal ini berarti bahwa pada kondisi tinggi gelombang 3m, sudut yang terjadi adalah kurang dari 9◦ yang masih di bawah kriteria keselamatan yang ditentukan oleh IMO yaitu 12 ◦ . Berdasarkan hasil survey di lokasi operasional terhadap kapal yang ada, telah dilakukan pengukuran besaran gerakan roll dan pitch dengan alat ukur gyroscope. Data-data hasil pengukuran tersebut lalu dianalisa spektrum respon gerakannya dan diturunkan besaran RAO untuk kedua mode gerakan tersebut. Selanjutnya dilakukan analisa perbandingan antara kedua RAO gerakan roll dan pitch terutama untuk sudut heading 135◦ (bow quartering) pada kondisi gelombang Hs = 2m dan Tp = 6s. Adapun hasil perbandingan tersebut sebagaimana ditunjukkan oleh G AMBAR 10 (gerakan roll) dan G AMBAR 11 (gerakan pitch) sebagai berikut. Dari G AMBAR 10 terlihat bahwa pada kondisi ope-
G AMBAR 11: Perbandingan RAO gerakan pitch
rasional kapal yaitu pada frekuensi encounter sebesar 0.35, gerakan roll pada kapal yang ada, gerakan roll yang terjadi cenderung cukup besar. Adapun pada desain kapal cepat yang baru RAO sebesar 0.7 deg/m. Demikian halnya dengan gerakan pitch sebagaimana terlihat pada G AMBAR 11, terlihat bahwa gerakan pitch pada encounter frekuensi 0.35, RAO pitch untuk kapal yang ada cenderung lebih besar, dan untuk desain yang baru RAO berkisar 0.5 deg/m. Prosiding InSINas 2012
0455: Sahlan dkk.
TR-86 Dengan demikian, kapal cepat desain baru mempunyai kelebihan dalam hal mengurangi gerakan roll dan pitch yang erat kaitannya dengan keamanan dan kenyamanan kapal pada saat beroperasi. D. Manoeuvring Berdasarkan perhitungan numerik dengan program SURSIM untuk gerakan turning pada sudut kemudi 35◦ dan zig-zag 20/20◦ , dan diperoleh hasil sebagaimana ditunjukkan oleh G AMBAR 12 dan G AMBAR 13 berikut.
G AMBAR 14: Pola Wake Kapal Cepat.
bangunan maupun aktifitas yang berada di daerah perlintasannya.
IV.
KESIMPULAN
Modifikasi desain kapal cepat yang dilakukan dengan memperhatikan aspek-aspek desain, mempunyai karakteristik yang cukup baik dan memenuhi kriteria keselamatan dan keamanan yang ditetapkan oleh International Maritime Organization (IMO) serta ramah lingkungan. G AMBAR 12: Gerakan Turning Circle 35◦
DAFTAR PUSTAKA [1] Bhatacharya, R,(1978), Dynamics of Marine Vehicles, John Wiley & Sons Inc. [2] Lewis V. E, (1988), Stability and Strength, PNA Vol I” SNAME [3] Lewis V.E, (1988), Resistance, Propulsion , Ship Vibration, PNA Vol II, SNAME [4] Lewis V. E (1988), Motions in Waves and Controlability, PNA Vol III,” SNAME. [5] Sahlan (2011), Desain Final Kapal Ferry Cepat Untuk Angkutan Antar Pulau Di Sumatra, Laporan Akhir PKPP
G AMBAR 13: Gerakan Zig-Zag 20/20◦
Dari hasil simulasi diketahui bahwa besarnya Tactical Diameter (TD) = 2 kali panjang kapal (2L), dan Advance (Ad)= 1.68L. Hal ini berarti memenuhi kriteria IMO TD<5L dan Ad<1.68L. E.
Wake Dari hasil simulasi numerik kemudian diplotkan dalam bentuk pressure contour sebagaimana ditunjukkan oleh G AMBAR 14 berikut. Dari gambar di atas diketahui bahwa pressure pada gelombang tranversal sudah cukup rendah sehingga dapat dikatakan tidak begitu membahayakan terhadap Prosiding InSINas 2012
