REKAYASA GARIS LAMBUNG (HULL LINES) KAPAL UNTUK TRANSPORTASI SUNGAI DAN LAUT YANG HANDAL, AMAN DAN NYAMAN SEBAGAI ANGKUTAN PENUMPANG/BARANG

Transkripsi

1 REKAYASA GARIS LAMBUNG (HULL LINES) KAPAL UNTUK TRANSPORTASI SUNGAI DAN LAUT YANG HANDAL, AMAN DAN NYAMAN SEBAGAI ANGKUTAN PENUMPANG/BARANG Sahlan 1), Wibowo HN 1), A. Jamaluddin 1) 1 Unit Pelaksana Teknis Balai Pengkajian dan Penelitian Hidrodinamika (UPT BPPH) Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT) Telepon (031) Sahlan1203@yahoo.com Jakarta, 7-8 November 2013 ABSTRAK Rekayasa desain garis lambung kapal muat barang (U Form) dan kapal cepat (V Form) dengan ukuran utama Lpp = 35,715 m, B = 7,5m, D = 2,5 m serta T = 1.5 m, dipresentasikan pada makalah ini. Penelitian ini bertujuan untuk mengambil segi positip dari kedua bentuk lambung kapal ini. Yaitu pertama berupa kemampuan dari U form untuk mengangkut barang yang besar dan stabilitas serta seakeeping yang baik dan selanjutnya kemampuan kecepatan kapal yang tergolong tinggi dengan angka Froude > 0.4 serta manuverabilitas yang lincah bisa didapat dari bentuk yang kedua. Kajian hidrodinamika yang terdiri dari perhitungan numerik dan uji model di kolam uji tarik UPT BPPH akan ditampilkan pada paper ini. Dari hasil pengujian model di kolam tarik menunjukkan kemampuan kapal desain baru ini untuk melaju dengan kecepatan operasional hingga 19, 5 knot dengan baik dengan melakukan beberapa modifikasi desain untuk mengurangi efek wash dan spray kapal saat berada di daerah perairan sungai dan laut. Desain garis badan kapal hasil rekayasa setelah dimodifikasi berdasar hasil penguian model tersebut ditampilkan juga pada paper ini. Perilaku kapal melalui pendekatan numerik juga menunjukkan kemampuan seakeeping serta maneuvering kapal yang memenuhi syarat keamanan yang diijinkan. Kata Kunci : kapal ferry, hambatan & propulsi, seakeeping, maneuvering. 7

2 I. PENDAHULUAN Kegiatan transportasi sungai dan laut untuk angkutan penumpang dan barang tujuan Palembang atau Bangka sebagai penghubung antar pulau dengan menggunakan kapal telah berlangsung lama. Permasalahan yang sering muncul adalah terbatasnya jumlah armada kapal untuk mengangkut penumpang dan barang dan juga kurang aman serta nyaman untuk kondisi perairan yang dilaluinya. Sarana transportasi saat ini yang digunakan untuk angkutan penyeberangan adalah kapal cepat penumpang dan barang baik kapal yang terbuat dari bahan fibreglass maupun dari aluminium. Pemakaian kapal berbahan aluminum sangat dianjurkan karena peraturan pemerintah tentang pembatasan pemakaian kapal berbahan fibreglass. Dengan adanya desain melalui rekayasa kapal aluminium ini tentunya akan didapat sarana transportasi untuk transportasi penghubung antar pulau yang benar-benar sesuai kondisi perairan yang dilaluinya serta aman dan nyaman. Paper ini membahas kajian teknis yang komprehensif tentang kapal aluminium dimulai dari aspek desain awalnya berupa bentuk rencana garisnya berasal dari kajian hidrodinamika penelitian-penelitian sebelumnya. Kajian rencana garis ini berdasarkan penyesuaian dari hasil survei lapangan yang dilengkapi uji hidrodinamika terhadap aspek resistance kapal, olah gerak hingga seakeepingnya. Dari hasil penelitian ini akan didapatkan suatu desain yang optimal dan rasional. Secara umum hasil penelitian ini dapat dimanfaatkan oleh masyarakat banyak dan menjadi sumbangsih bagi bangsa dalam bidang teknologi kelautan. II. DESAIN/DIMENSI KAPAL PENYEBRANGAN Untuk membangun sebuah kapal, sesuatu yang dibutuhkan terlebih dahulu adalah gambar rancangannya. Dalam perencanaan, 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 tersebut dapat dirancang sebuah kapal dengan terlebih dahulu mencari ukuran utama kapal tersebut dengan metode yang sudah ada. Rencana garis (lines plan) adalah suatu gambar proyeksi kapal pada suatu bidang gambar dengan bantuan garis-garis. Gambar tersebut berisi kurva-kurva yang menggambarkan bentuk sebuah kapal. Lines plan ini terdiri atas beberapa gambar proyeksi yaitu pandangan depan (body plan), pandangan samping (sheer plan) dan pandangan tampak atas (half breadth plan), seperti terlihat pada Gambar 1. Desain kapal tersebut dibuatkan suatu model fisik (lihat Gambar 2) untuk pengujian hidrodinamika di kolam uji guna mengetahui performansi hidrodinamikanya yang meliputi aspek hambatan, karakteristik aliran disekitar lambung dan olah gerak serta kehandalan gerakan kapal diatas gelombang. Adapun ukuran utama kapal adalah : Panjang kapal ( Lpp ) = 35,715 m Lebar ( B ) = 7,5 m Tinggi ( H ) geladak utama = 2,5 m Sarat ( T ) = 1,5 m. Vs (Service Speed) = 19.5 KNOT ABK = 10 Orang Penumpang = 75 Orang Eksekutif, 200 Orang Ekonomi Sepeda Motor = 15 unit Gambar 1. Lines Plan Kapal Penyeberangan Aluminium 8

3 Gambar 2. Model Desain Kapal Penyeberangan Aluminium Model kapal No. LHI 0139 kegiatan SINas 19 KFC dibuat dari material kayu dengan laminasi fiberglass, dengan skala dari ukuran kapal sebenarnya. III. Hasil dan Diskusi Kajian Eksperimen & Uji Model Hidrodinamika Kapal 1. Hambatan, Propulsi dan Aliran Air pada Lambung Kapal Pengujian hambatan (resistance test) dan paint smear test pada model kapal dilakukan di kolam tarik (towing tank) Laboratorium Hidrodinamika Indonesia. Selanjutnya untuk mengetahui besar power yang diperlukan, maka dilakukan perhitungan numerik. Dalam uji hambatan, model kapal ditarik oleh carriage (kereta tarik) dan pengukuran total gaya longitudinal pada model dilakukan dalam beberapa variasi kecepatan. Stimulator turbulen terdapat di halauan model kapal untuk menstimulasi transisi dari aliran laminer menjadi turbulen dalam lapisan batas. Selama menjalankan pengukuran, model kapal dapat bergerak bebas untuk gerakan heave dan pitch. Model kapal ditarik pada kondisi beban penuh (full load condition). untuk mengukur besarnya hambatan kapal dengan variasi kecepatan model m/det yang mewakili kecepatan prototype knot. Hasil pengujian pada skala model di-ekstrapolasi untuk mengetahui hambatan total kapal. Disamping itu, model kapal diberikan paint smear untuk mengetahui (secara visualisasi) karakteristik aliran (flow pattern) disekitar lambung kapal. Pada pengujian hambatan model kapal, digunakan hipotesis Froude,. Hambatan kapal atau model dapat dibagi menjadi dua komponen bebas yaitu komponen viskos yang sebanding dengan tahanan gesek dari plat datar yang sama panjang dan permukaan basah saat ditarik dengan kecepatan yang sama dan komponen lainnya termasuk komponen gelombang (R W ). Pada umumnya, hambatan kapal dapat dihitung dengan persamaan (ITTC, 2002; Molland, 2008, 2011) sebagai berikut : R S (R m R Fm ( )) R FS ( ) R (1) R S (R m F D ) (2) Dimana : 2 S m ( )(C Fm C FS ) m F D R atau (3) F D m 2 S m {( )(C Fm C FS ) C } (4) Pada prosedur ekstrapolasi, hambatan total kapal dapat ditentukan dengan menggunakan koefisien penambahan hambatan korelasi model kapal (C A ) dan faktor bentuk (1+k) sesuai dengan formula ITTC 1957 : C A for the extrapolation to ideal trial condition : The form factor (1+k) kondisi muatan penuh : Hasil pengujian hambatan dan power model kapal diperlihatkan pada Gambar 3. Sedangkan Gambar 4 mempresentasikan besar effective power dan shaft power pada variasi kecepatan. Gambar 3. Hambatan dan Power Efektif (PE) 9

4 Gambar 5. Aliran Air dibagian Tengah (Mid) Lambung Kapal Gambar 4. Effective (PE) dan Shaft Power (PS) Dengan membandingkan data statistik hasil pengujian hambatan dari kapal-kapal serupa, maka bentuk lambung kapal ini dianggap sangat baik dari aspek hambatan kapal. Dari data hasil extrapolasi pengujian hambatan model kapal pada kecepatan 19.5 Knot, di dapat harga Hambatan (Resistance) pada kondisi muatan penuh sebesar 188 KN dan harga Power Efektif (PE) sebesar 1891 KW Adapun profil gelombang yang diamati sepanjang sisi lambung model kapal selama pengujian paint smear dianggap normal untuk jenis kapal ini. Paint smear test merupakan flow pattern visualization Analysis. Pengujian ini dilakukan di towing tank untuk melihat lebih jauh tentang karakteristik aliran air disekitar lambung kapal (daerah fore, mid dan aft body) pada kecepatan dinas kapal. Karakteristik aliran air disekitar lambung kapal dapat dijelaskan sebagai berikut: Aliran air pada daerah tengah (mid) dan belakang (aft) lambung kapal menampakkan karakteristik aliran, lihat Gambar 5 dan 6. Sedangkan karakteristik aliran air pada daerah depan (fore) lambung kapal menampakkan kearah atas (lihat diatas garis air). Hal ini menjelaskan bahwa semburan air (water spray) cukup siknifikan terjadi didaerah tersebut. Sedangkan arah aliran air pada daerah depan lambung kapal (lihat dibawah garis air).menampakkan arah aliran yang normal, sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 7. Gambar 6. Aliran Air dibagian Belakang (Aft) Lambung Kapal Gambar 7. Aliran Air dibagian Depan (Fore) Lambung Kapal 2. Kehandalan Kapal Diatas Gelombang (Seakeeping) Seakeeping performance adalah kemampuan kapal dalam operasionalnya terhadap kondisi gelombang (Lewis, 1989), diprediksi dengan menggunakan program naval engineering software ship dynamic motion. Perhitungan numerik dilakukan untuk mengetahui karakteristik dan kinerja stabilitas dinamis (seakeeping) kapal diatas gelombang laut. 10

5 Parameter gerakan kapal yang dianalisa adalah gerakan kapal yang paling siknifikan yakni gerakan rolling, pitching & heaving. Adapun parameter gelombang adalah pada kondisi characteristic wave height 4 meter dan modal wave period 9.99 detik, dengan arah gelombang 0 o (following seas), gelombang 45 o (stern quartering seas), 90 o (beam seas), 135 o (bow quartering seas ) & 180 o (head seas), seperti yang dipresentasikan pada Tabel 1. Sedangkan parameter kecepatan kapal yang disimulasikan adalah 20 knots. Tabel 1. Kondisi Gelombang dan Arah Gelombang Characteristic Wave High [meter] Modal Wave Period [second] Wave Heading [degree] 0, 45, 90, 135, 180 Spektrum gelombang tipe P-M (Pierson and Moskowitz, 1963) diformulasikan sebagai berikut: 5 S ( ) A.. e B. 4 (5) dimana: S () = spectral density of wave heights. = circular frequency (rad/sec). A = * ( w1/3 ) 2 * (T) -4 B = 691 * (T) -4 w1/3 = significant wave height (meter). T = average wave period (second). Performansi seakeeping dari hasil analisa simulasi numerik gerakan kapal dipresentasikan dalam nilai RAO (Response Amplitude Operators). RAO atau Transfer Function adalah nilai rasio antara amplitudo gelombang (wave amplitude) dan amplitudo gerakan kapal (motion amplitude) untuk setiap frekwensi gelombang (Maxsurf-User Manual, 2006). ua e Suu e H (6) u dimana: a e S e H u = response function of a signal u U a ( e ) = amplitude of frequency e of signal u 11 a ( e ) = amplitude of frequency e of wave elevation S uu ( e ) = spectral density of signal u S ( e ) = spectral density of wave elevation Karakteristik RAO gerakan rolling, pitching & heaving dapat dilihat pada Gambar 8 10 dan dijelaskan sebagai berikut: Gerakan Pitch Salah satu gerakan yang sangat dominan dimana terjadi anggukan naik dan turunnya haluan maupun buritan kapal. Gerakan tersebut sangat tergantung pada kondisi gelombang dan arah kecepatan kapal terhadap gelombang. Hasil simulasi memperlihatkan bahwa "pitch motion" yang extreme terjadi pada arah gelombang datang dari belakang (following seas, 0 o ) dengan nilai RAO= 3.0 dan pada arah gelombang dari samping belakang (stern quartering seas, 45 o ) dengan nilai RAO= 2.5. Gerakan Heave Gerakan naik dan turunnya lambung kapal dimana gerakan ini berkaitan erat dengan pitch motion. Maksimum "heave motion" terjadi pada stern quartering seas (45 o ) dengan nilai RAO= 3.1 dan pada following seas (0 o ) dengan nilai RAO= Gerakan Roll Gerakan ini harus mendapat perhatian karena dapat menimbulkan sudut dinamis yang besar dimana energi atau gaya gelombang akan menimbulkan eksitasi rolling yang ekstrim pada frekuensi resonansi. Hasil simulasi memperlihatkan bahwa "roll motion" yang extreme terjadi pada arah gelombang datang dari samping (beam seas, 90 o ) dengan nilai RAO= 3.4. Kemudian menurun pada kondisi stern quartering seas (45 o ) dan bow quartering seas (135 o ) dengan nilai RAO= 2.4. Dengan analisa di atas dapat disimpulkan bahwa untuk satu hasil rancangan bentuk badan kapal yang direncanakan, arah sudut datang gelombang (wave heading) sangat mempengaruhi besarnya RAO gerakan yang terjadi pada kapal. Dengan demikian, maka diharapkan hasil analisa ini perlu diketahui oleh Nahkoda kapal untuk dapat menentukan heading kapal yang tepat relatif terhadap gelombang datang agar gerakan kapal yang terjadi bisa sekecil mungkin.

6 RAO (Transfer Function) RAO (Transfer Function) RAO (Transfer Function) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4-0,5 Wave Freq (rad/s) Gambar 8. RAO Heave sebagai fungsi wave heading 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 V=20 knots 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Wave Freq (rad/s) 0 deg 45 deg 90 deg 135 deg 180 deg 0 deg 45 deg 90 deg 135 deg 180 deg Kapal harus dapat merespon secara akurat untuk beragam pola manuver di laut atau di pelabuhan, termasuk menghindari kapal lain, merapat di dermaga, dll. Kinerja manuver kapal biasanya di periksa dalam tahapan desain, dan khususnya pada tahap kapal selesai dibangun yakni pada pelaksanaan seatrial. Kaidah-kaidah kestabilan dan olah gerak kapal disajikan dalam peraturanperaturan yang ada, baik nasional maupun internasional. Perihal kaidah maneuvering kapal, regulasi IMO (International Maritime Organization) yang disebut Standard for Ship Maneuverabilty (IMO, 2002). Hendaknya dipenuhi pada saat perancangan dan operasional kapal. Karakteristik turning circle kapal diprediksi berdasarkan perhitungan numerik dengan menggunakan software Maneuvering Prediction Program. Parameter ukur gerakan turning circle diperlihatkan pada Gambar 11. Gambar 9. RAO Roll sebagai fungsi wave heading 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 deg 45 deg 90 deg 135 deg 180 deg 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4-0,5 Wave Freq (rad/s) Gambar 10. RAO Pitch sebagai fungsi wave heading 3. Olah Gerak Kapal (Maneuvering) Kemampuan manuver kapal (ship maneuverability) merupakan salah satu hal yang esensi dan penting untuk diperhatikan karena menentukan keselamatan kapal di perairan (laut), terutama di daerah pelayaran yang sempit seperti di area pelabuhan. Karakteristik manuver kapal sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu faktor eksternal (kondisi lingkungan): angin, arus laut, kedalaman air dll, dan faktor internal (kapal): kondisi muatan kapal, mesin (propeller), dan kemudi (Jonk and Rem, 1989; Journee, 2002; IMO, 2002). Kemudi sangat berperan pada kapal dalam melakukan manuver (olah gerak) di perairan. Gambar 11. Parameter Ukur Gerakan Turning Circle Hubungan antara diameter lintasan putar (turning diameter) dan sudut kemudi (10 deg 35 deg) kapal dipresentasikan pada Tabel 2. Perbandingkan dengan standar kriteria manuver kapal yang disyaratkan oleh IMO, Interim Standard for Ship Maneuvrability- Resolution A 751 (IMO, 1993) dipresentasikan pada Tabel 3. Hasil simulasi menunjukkan bahwa terjadi perubahan diameter lintasan putar (turning diameter) dengan perubahan sudut kemudi, dimana semakin besar sudut kemudi kapal maka semakin kecil diameter lintasan putar (turning diameter) kapal. Hal yang sama juga 12

7 diperlihatkan pada parameter ukur lainnya seperti nilai lintasan Advance, Transfer dan Steady Speed in Turn. Tabel 2. Kinerja Turning Circle pada Variasi Sudut Kemudi Parameter Rudder angles (degree) Steady turning diameter / Lpp Tactical diameter/ Lpp Advance/ Lpp Transfer/ Lpp Steady Speed in Turn/ Approach Speed Tabel 3. Komparasi Turning Circle pada Sudut Kemudi 35 derajat dan Kriteria IMO Dari hasil kajian eksperimen dan simulasi numerik terhadap rekayasa desain kapal penyeberangan cepat dengan Lpp 35,715 meter ini dapat disimpulkan bahwa secara umum kapal cepat penyebrangan ini telah memenuhi syarat kehandalan dan keamanan bagi penumpang dan barang yang diangkutnya. Tetapi perhatian khusus dilakukan terutama setelah dilakukannya pengujian model dilakukan di Tangki Tarik ( Towing Tank) dimana profil gelombang yang diamati sepanjang sisi lambung model kapal selama pengujian paint smear dianggap normal untuk jenis kapal ini. Aliran air pada daerah tengah (mid) dan belakang (aft) lambung kapal menampakkan karakteristik aliran yang normal. Sedangkan karakteristik aliran air pada daerah depan (fore) lambung kapal menampakkan kearah atas (diatas garis air). Hal ini menjelaskan bahwa semburan air (water spray) terjadi didaerah tersebut. Untuk menghindari semburan yang berlebihan pada daerah ini maka beberapa modifikasi dilakukan pada desain lambung kapal dimana ditunjukkan pada Gambar modifikasi hull line di atas. Sehingga desain garis lambung kapal (Hull Lines) ini merupakan hasil akhir dari penelitian ini. Paramet er Advance/ Lpp Tactical diameter/ Lpp Predicti on IMO criteri a Remar k Pass Pass Hasil performansi maneuver Kapal Ferry (sudut kemudi 35 derajat) tersebut diatas adalah telah memenuhi persyaratan IMO, dimana IMO resolution.751 (18) Interim Standards for Ship Maneuvering untuk Turning Ability pada maksimum sudut kemudi 35 derajat mensyaratkan bahwa nilai lintasan advance tidak boleh lebih dari 4.5 x panjang kapal (Lpp) dan nilai lintasan tactical diameter tidak boleh lebih dari 5.0 x panjang kapal (Lpp). IV. KESIMPULAN 13

8 User Manual, Seakeeper-Maxsurf Formation Design Systems Pty Ltd Gambar 12. Hasil Final Desain Rencana Garis (Lines Plan) Kapal Cepat Penyebrangan V. DAFTAR PUSTAKA [1] IMO, Standards for Ship Manoeuvrabilty, Resolution SMC 137, 2002 [2] IMO, Interim Standard for Ship Maneuvrability, Resolution A 751, [3] ITTC, Recommended Procedures General Information, ITTC , [4] ITTC, Recommended Procedures and Guidelines, Testing and Extrapolation Methodsin Resistance Towing Tank Tests, ITTC 7, , [5] Jonk, A. and Rem, A., Hydrodynamics Optimization in Ship Design with Regard to Manoeuvrability, MARIN, Wageningen, Netherlands, [6] Journee, JMJ. and Pinkster, J, Introduction in Ship Hydromechanics, Lecture Notes, Delf University of Technology, Netherlands, [7] Lewis, E.V., Principles of Naval Architecture, Vol. III: Motions in Waves and Controllabity, The Society of Naval architects and Marine Engineers, USA, [8] Molland, A.F., A Guide to Ship Design, Construction and Operation, The Maritime Engineering Reference Book, Butterworth- Heinemann, Elsevier, [9] Molland, A.F., Turnock, S.R., dan Hudson, D.A., Ship Resistance and Propulsion: Practical Estimation of Ship Propulsive Power, Cambridge University Press, New York, USA, [10] Pierson, W.J. and Moskowitz, L., A proposed spectral form for fully developed wind seas based on similarity theory of S.A. Kitaigorodskii,Technical Report AD , New York Univ Bronx Dept of Meteorology and Oceanography,