ANALISA NUMERIK GERAKAN DAN KEKUATAN KAPAL AKIBAT BEBAN SLAMMING PADA KAPAL PERANG TIPE CORVETTE

Transkripsi

1 ANALISA NUMERIK GERAKAN DAN KEKUATAN KAPAL AKIBAT BEBAN SLAMMING PADA KAPAL PERANG TIPE CORVETTE Teguh Putranto 1, Arie Sulietyono 1,) Juruan Teknik Perkapalan, Intitut Teknologi Sepuluh Nopember theorie@na.it.ac.id 1 Abtrak Pengawaan umber daya laut terhadap tindakan pencurian menjadi alah atu tolok ukur bahwa negara dapat mempertahankan kedaulatan wilayah maritimnya. Kebutuhan kapal perang tentunya dapat mendukung kinerja TNI untuk menjalankan operai militernya. Kendala tekni utama pada kapal perang adalah perilaku eakeeping yang relatif kurang tabil. Diii lain perilaku lamming yang ering terjadi pada kapal berkecepatan tinggi berakibat pada kegagalan truktur pada bagian haluan kapal ehingga membahayakan keelamatan. Penelitian ini dimakudkan untuk mengkaji deain lambung kapal perang untuk daerah operaional tertentu dimana perairan terbuka di Indoneia memiliki tinggi rata-rata gelombang ekitar -5 m. Pembahaan dititikberatkan pada analia gerakan kapal (eakeeping) untuk mengetahui tingkat keamanan dan kenyamanan kapal dan kekuatan lambung untuk mengetahui ketahanan truktur dimana diakibat oleh hidroelatiita lamming. Analia dapat dibuktikan dengan metode numerik / komputai dengan metode elemen hingga dan metode panel. Skenario divariaikan berdaarkan kecepatan kapal, udut hadap, dan ea tate. Dari hail imulai didapatkan beban lamming terjadi paling bear adalah 306,893 kpa pada gading ke 147 ketika kapal beroperai pada ea tate 7, udut hadap 180 derajat, dan kecepatan kapal 30 knot. Tegangan yang terjadi pada kontruki kapal maih memenuhi peryaratan tegangan izin peraturan Biro Klaifikai Indoneia (BKI). Kata Kunci : Slamming, Seakeeping, Tegangan, Kapal Perang. 1. PENDAHULUAN Pengawaan umber daya laut terhadap tindakan pencurian menjadi alah atu tolok ukur bahwa negara dapat mempertahankan kedaulatan maritimnya. Kegiatan operai militer yang dilakukan oleh TNI perlu didukung dengan peralatan dan perenjataan yang canggih. Kebutuhan kapal perang tentunya dapat mendukung kinerja TNI untuk menjalankan operai militernya. Kondii perairan dengan ketinggian gelombang tertentu dapat menyebabkan kapal mengalami lamming. Kegagalan truktur pada bagian haluan kapal akibat beban lamming dapat mengakibatkan keruakan kontruki pada bagian haluan kapal. Cabang ilmu hidrodinamika yang membaha tentang interaki antara gelombang laut dengan truktur elati adalah hidroelatiita. Di era modern aat ini, efek hidroelatiita menjadi perhatian khuunya untuk kapal dengan lambung banyak (multihull), kapal kontainer, kapal tanker, kapal muat curah, dan kapal cepat [1]. Keunikan deain lambung dan kontruki ringan menimbulkan flekibilita truktur kapal ketika beroperai di perairan bergelombang. Pertimbangan deain lambung menjadi penting aat melibatkan analia hidroelatiita karena reaki akan lebih bear pada truktur elati daripada truktur kaku []. Oleh karena itu, efek hidroelatiita menjadi fenomena yang angat diperhatikan pada kapal cepat. Dengan kemajuan teknologi di bidang perkapalan, inovai deain dan kontruki kapal berkecepatan tinggi menarik untuk dikaji karakteritik hidroelatiitanya. Penentuan deain lambung dapat mengurangi lokal lamming dan deformai lambung pada kapal [3]. Kapal berarat rendah tentunya mengurangi bear hambatan total dimana elanjutnya berhubungan dengan bearnya mein kapal dan konumi bahan bakar [4]. Fenomena menarik lainnya adalah permaalahan gerakan kapal di perairan bergelombang (eakeeping) yang perlu diperbaiki dan dievaluai kualita eakeeping terutama pada ea tate 1-3 [5]. Perumuan maalah pada penelitian ini adalah (i) bagaimana cara menghitung intenita lamming kapal, (ii) bagaimana cara KAPAL, Vol. 1, No.3 Oktober

2 menghitung bear beban lamming di bagian haluan kapal, (iii) bagaimana cara mengetahui kekuatan truktur haluan kapal akibat beban lamming. Tujuan penelitian ini adalah (i) untuk mengetahui intenita lamming kapal, (ii) untuk mengetahui bear beban lamming di bagian haluan kapal, (iii) untuk mengetahui kekuatan truktur haluan kapal akibat beban lamming.. LANDASAN TEORI.1. Gerakan Kapal Ketika kapal beroperai di perairan bergelombang, gerakan kapal dipengaruhi oleh gelombang yang mengenai badan kapal. Gerakan kapal tentunya juga dipengaruhi oleh pergerakan muatan, angin, aru, baik di perairan dangkal maupun dalam. Lambung kapal diaumikan ebagai rigid body [6]. Gambar 1 menunjukkan gerakan kapal. Peramaan terebut terdiri dari koefiien added ma, dampiing, dan retoring. Pada kondii gelombang regular, gaya gaya yang mengenai badan kapal terdiri dari: (i) Gaya Froude Krylov, beban gelombang yang mengenai badan kapal yang tercelup, (ii) Gaya Difraki, beban yang dipengaruhi oleh gelombang ketika kapal beroperai. Formula RAO dapat dilihat pada Peramaan. RAO x a C F0 () m a ib.3. Spektrum Gelombang Pada gelombang irregular, tinggi dan frekueni gelombang berbeda-beda. Metode tatitik dilakukan untuk mendapatkan pektrum energi atau pektrum gelombang untuk gelombang irregular. Kombinai dari beberapa gelombang regular menghailkan gelombang irregular [6]. Salah atu metode untuk menghitung pektrum gelombang diperkenalkan oleh International Towing Tank Conference (ITTC) dimana formulanya dapat dilihat pada Peramaan 3. S w A 4 B / w e (3) 5 w Gambar 1. Six degree of freedom gerakan kapal Gerakan kapal, 3 (tiga) gerakan tranlai dan 3 (tiga) gerakan rotai, yaitu urge, way, heave, roll, pitch, and yaw dimana biaa diebut ix degree of freedom... Repone Amplitude Operator (RAO) Kurva RAO merupakan raio kuadrat antara gerakan kapal dan amplitudo gelombang. Bearnya RAO ditentukan oleh deain lambung kapal dan perilakunya hanya pada gelombang regular. Perhitungan RAO diaumikan kapal bergerak pada koefiien hidrodinamika yang linier. Formula gerakan kapal dapat dilihat pada Peramaan 1. Dimana, 3 A 8.10x10 g, B 3.11x10 4 / H1/ 3 ignificant wave height mempengaruhi bearnya pektrum gelombang..4. Probabilita Slamming Efek gerakan vertikal kapal yang dipengaruhi oleh gerakan kapal menjadi perhatian ketika menentukan fenomena lamming yang terjadi pada kapal. Slamming didefiniikan ebagai beban hentakan antara fluida dan badan kapal akibat pergerakan kapal yang utama di bagian haluan kapal. Intenita lamming akan mempengaruhi kekuatan kontruki kapal karena dapat menentukan umur kelelahannya. Formula untuk menghitung probabilita kejadian lamming dapat dilihat pada Peramaan 4. T / m0 v0 / m lam e Pr ob (4)... m a x b x cx F (1) dimana, T arat kapal. KAPAL, Vol. 1, No.3 Oktober

3 m 0 pektrum energi untuk diplacement vertikal kapal. m pektrum energi untuk kecepatan vertikal kapal. Peramaan terebut terdiri dari pektrum dari energi yang didapatkan dari perkalian RAO dan pektrum gelombang pada gerakan heaving dan pitching..5. Beban Slamming Gaya lamming utamanya bergantung pada kecepatan bagian halian kapal ketika menghantam permukaan laut. Dari data ekperimen didapatkan hubungan antara tekanan akibat lamming dan jarak vertikalnya dimana dapat dilihat pada Gambar [6]. Penelitian ini ecara keeluruhan dilakukan dengan analia numerik. Hail yang ingin didapatkan dari penelitian ini adalah intenita lamming, bearnya beban lamming, dan pengaruh beban lamming terhadap kontruki haluan kapal. Metodologi penelitian dapat dilihat pada Gambar 3. Setelah deain lambung didapatkan, perhitungan eakeeping di gelombang irregular dapat dilakukan. Model kapal dibagi menjadi ribuan elemen atau panel. Kemudian elemen-elemen terebut diintegrai untuk mendapatkan repon dikarenakan gelombang [7]. Studi Literatur Pemodelan Kapal dengan Metode Panel Intenita dan Beban Slamming Preure Pemodelan Kapal dengan Metode Elemen Hingga Tegangan Kontruki Kapal Gambar. Ditribui tekanan akibat lamming Ditribui tekanan akibat lamming dipengaruhi oleh bentuk lambung kapal, kecepatan dan percepatan gerakan vertikal haluan kapal. Formula untuk menghitung tekanan terebut dapat dilihat pada Peramaan 5. Y Y / b P P0 1 1 Y / b b 1 Y / b Dimana, (5) 1 dz P0 dan dz dt / d z b dt dt dengan, udut kemiringan uatu titik di penampang melintang. Y jarak uatu titik ke centerline pada penampang melintang. 3. METODOLOGI Gambar 3. Diagram alir proe pengerjaan Secara teori, RAO adalah raio kuadrat antara amplitudo gerakan kapal terhadap amplitudo gelombang [8]. Kerena kapal tidak pernah bergerak di gelombang regular, maka data gelombang irregular dibutuhkan. ITTC memberikan formula untuk perhitungan pektrum gelombang berdaarkan pada ignificant wave height. Kapal diaumikan akan beroperai pada ea tate 5-7 dimana ketinggian gelombang antara 3-6 m. Perkalian antara RAO dan pektrum gelombang pada menghailkan repon pektrum gerakan kapal pada kondii gelombang irregular. Repon pektrum ini digunakan untuk menghitung relative bow motion. Intenita dan beban lamming yang terjadi pada badan kapal dapat ditentukan dari hail repon pektrum relative bow motion [9]. Metode elemen hingga digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi akibat beban lamming yang mengenai haluan kapal. Model kapal diberi kondii bata jepit pada ujung model yang berekat. Beban dimaukkan KAPAL, Vol. 1, No.3 Oktober

4 S Pitch S Heave S Heave S Heave ebagai tekanan yang diaplikaikan pada luaan yang mengalami lamming. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Ukuran utama kapal yang dianalia dapat dilihat pada Tabel 1. Gambar 4 menunjukkan model kapal mulai ala ampai dengan geladak. Tabel 1. Ukuran utama kapal Item Nilai Unit Loa m B m T 3.70 m H 8.75 m Gambar 4. Model kapal perang 4.1. Repon Spektrum Gerakan Kapal Untuk mengetahui kondii ektrim kapal beroperai, variai dilakukan berdaarkan udut hadap gelombang dan ea tate. Fenomena lamming cenderung diakibatkan oleh gerakan heaving dan pitching ehingga perlu didapatkan repon pektrum untuk etiap gerakan ini. Repon Spektrum Gerakan Heaving Sudut Hadap Gambar 5. Repon pektrum gerakan heaving pada udut hadap 90 0 Repon Spektrum Gerakan Heaving Sudut Hadap Gambar 6. Repon pektrum gerakan heaving pada udut hadap Gambar 5-7 menunjukkan grafik repon pektrum gerakan heaving pada variai udut hadap dan ea tate. Repon terbear terjadi pada udut hadap 90 0 dengan ea tate 7. Pada udut hadap 180 0, repon gerakan heaving kapal paling kecil Repon Spektrum Gerakan Heaving Sudut Hadap Gambar 7. Repon pektrum gerakan heaving pada udut hadap Gambar 8-10 menunjukkan grafik repon gerakan pitching pada variai udut hadap dan ea tate. Repon terbear terjadi pada udut hadap dengan ea tate 7. Repon pitching terkecil terjadi pada udut hadap 90 0 dengan ea tate 5. Pola grafik repon pektrum gerakan menunjukkan nilai bear ketika encountered frequency antara 0,3-1,0 rad/ dimana nilai terebut dapat dikonverikan dalam panjang gelombang Repon Spektrum Gerakan Pitching Sudut Hadap KAPAL, Vol. 1, No.3 Oktober

5 Impact Load (Pa) S Pitch S Pitch Gambar 8. Repon pektrum gerakan pitching pada udut hadap Repon Spektrum Gerakan Pitching Sudut Hadap Gambar 9. Repon pektrum gerakan pitching pada udut hadap Sea tate 5 menunjukkan ignificant wave height ebear,6 m edangkan ea tate 7 ebear 5,6 m dimana kondii gelombang terebut diambil paling buruk ketika kapal beroperai. Karena kapal tidak elalu beroperai pada kondii tenang, maka analia gerakan kapal untuk kondii buruk perlu dilakukan Repon Spektrum Gerakan Pitching Sudut Hadap Gambar 10. Repon pektrum gerakan pitching pada udut hadap Intenita Slamming Repon pektrum digunakan untuk menghitung energi dalam perhitungan probabilita lamming. Dengan menggunakan metode pektral, pectral denity relative bow motion pada gelombang irregular dapat didapatkan dari pectral denity gerakan heaving dan pitching pada gelombang irregular. Tabel -4 menunjukkan nilai intenita lamming pada variai udut hadap dan ea tate. Kecepatan kapal diambil ebear 30 knot. Tabel. Probabilita dan intenita lamming pada udut hadap Sudut Hadap Sea State m 0 m P N 9,0 150,1 0, ,4 154,85 0, ,55 158,43 0,6 114 Tabel 3. Probabilita dan intenita lamming pada udut hadap Sudut Hadap Sea State m 0 m P N 16,73 191,66 0, ,0 194,30 0, ,5 196,5 0, Intenita lamming terbear terjadi aat kapal beroperai pada ea tate 7 dengan udut hadap yaitu ebanyak 114 kali per jam. Slamming ini terjadi ketika ala kapal di ata permukaan pada kondii gerakan heaving dan pitching. Tabel 3. Probabilita dan intenita lamming pada udut hadap 90 0 Sudut Hadap 90 0 Sea State m 0 m P N,444 8,384 0, ,575 8,759 0, ,004 8,967 0, Beban Slamming Hentakan antara fluida air dan badan kapal menghailkan tekanan eaat dimana bearnya bergantung pada kecepatan dan percepatan vertikal hentakan. Hentakan ini kemudian diebuat dengan impact load. Nilai ini dicari pada etiap gading di bagian haluan kapal. Gambar menunjukkan grafik ditribui impact load dengan variai ea tate. Kecepatan kapal diambil beroperai pada kecepatan makimum yaitu 30 knot Impact Load, Sudut Hadap Poii Vertikal (m) Gambar 11. Ditribui impact load pada ea tate 5 dan udut hadap Fr 14 Fr 19 Fr 134 Fr 139 Fr 144 Fr 147 KAPAL, Vol. 1, No.3 Oktober

6 Impact Load (Pa) Impact Load (Pa) Gambar 1. Ditribui impact load pada ea tate 6 dan udut hadap Impact load terbear terjadi pada ea tate 7 dengan nilai 306,893 kpa. Pola grafik yang menurun tajam (khuunya pada frame 147) menunjukkan bahwa impact load yang bekerja pada poii vertikal terebut ama dengan 0 yang artinya poii vertikal berada di ata permukaan laut. Pada ea tate 7, grafik mulai menurun tajam pada poii vertikal 5,48 m dimana dapat diartikan bahwa linggi haluan yang tercelup makimum. Sedangkan pada ea tate 5, grafik mulai menurun tajam pada poii vertikal 4,05 m Impact Load, Sudut Hadap Poii Vertikal (m) Impact Load, Sudut Hadap Poii Vertikal (m) Gambar 13. Ditribui impact load pada ea tate 7 dan udut hadap Fr 14 Fr 19 Fr 134 Fr 139 Fr 144 Fr 147 Fr 14 Fr 19 Fr 134 Fr 139 Fr 144 Fr 147 Semakin bear ea tate, emakin bear impact load yang diterima kapal. Intenita lamming terbear terjadi pada udut hadap Jadi, kondii lamming terburuk pada kenario ini terjadi pada udut hadap dan ea tate Tegangan Struktur Kapal Impact load yang mengenai badan kapal akan menimbulkan tegangan pada pelat dan profil kapal. Penentuan kekuatan kontruki kapal ini dilakukan dengan analia tati dimana bagian haluan kapal yang dimodelkan diberi impact load makimum. Beban ini diaplikaikan dalam badan kapal berupa tekanan yang mengenai luaan badan kapal. Gambar 14. Pemodelan kapal perang berbai metode elemen hingga Gambar 14 menunjukkan pemodelan kapal perang berbai metode elemen hingga mulai frame Gambar 15. Ditribui tegangan yang terjadi di haluan kapal akibat impact load Gambar 15 menunjukkan ditribui tegangan yang terjadi pada haluan kapal akibat impact load. Tegangan makimal ebear,7 MPa terjadi pada linggi haluan kapal. Hal ini diebabkan karena kecepatan kapal tinggi. Karena ala di haluan kapal memiliki lua penampang kecil, maka impact load yang terjadi pada luaan terebut kecil ehingga tegangan yang dihailkan juga relatif kecil. Bearnya tegangan izin menurut peraturan Biro Klaifikai Indoneia (BKI) ebear 35 MPa untuk jeni baja mild teel. Raio antara tegangan yang terjadi dengan tegangan izin BKI ebear 9,6% dimana maih memenuhi klafikai BKI. KAPAL, Vol. 1, No.3 Oktober

7 5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Keimpulan Keimpulan yang didapatkan dari penelitian ini adalah : 1. Intenita lamming terjadi paling banyak 114 kali per jam pada aat udut hadap 180 0, ea tate 7, dan kecepatan kapal 30 knot. Sehingga kapal perang yang beroperai ebaiknya menghindari poii operai dengan udut hadap Berdaarkan hail RAO, vertical motion gerakan heaving paling berpengaruh pada udut hadap 90 0 dan gerakan pitching paling berpengaruh pada udut hadap Beban lamming atau impact load paling bear adalah 306,893 kpa pada aat udut hadap 180 0, ea tate 7, dan kecepatan 30 knot. 4. Semakin ke depan haluan kapal, bear impact load emakin bear. Hal ini diebabkan karena kecepatan dan percepatan vertikal adalah fungi dari jarak antara umbu rotai (untuk gerakan pitching) terhadap titik atau poii di bgaian haluan kapal. 5. Tegangan yang terjadi pada kontruki kapal akibat impact load maih memenuhi peryaratan klaifikai. 5.. Saran Penelitian tentang impact load akibat lamming dapat dikembangkan dengan berbagai kapal dengan ukuran bear. Selain itu, efek getaran yang terjadi akibat lamming menjadi topik yang menarik pada kau hidroelatiita. 6. UCAPAN TERIMA KASIH Penuli mengucapkan terima kaih kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian Mayarakat (LPPM) ITS yang telah mendukung dana untuk riet ini dalam kema Penelitian Pemula 015. Gravity Wave, Engineering Analyi with Boundary Element. 33 (6), [3] Qin, Z., Batra, R. C., 009, Local Slamming Impact of Sandwich Compoite Hull, International Journal Solid Structure, 46, [4] Utama, I K. A. P., Molland, A. F., 01, The Powering of Future Ship taking into Conideration Economic Viability and Environmental Iue, International Conference on Ship and Offhore Technology (ICSOT), 7-8 November, Ambon, Indoneia. [5] Murdijanto, Utama, I K. A. P., Jamaluddin, A., 011, An Invetigation into the Reitance/Powering and Seakeeping Characteritic of River Catamaran/Trimaran, MAKARA Seri Teknologi, Vol. 15, No. 1, Univerita Indoneia, Jakarta. [6] Bhattacharyya, R Dynamic of Marine Vehicle. US Naval Academy, Maryland. [7] Sulietyono, A Analytic Solution of the Ordinary Differential Equation of Tranient Green Function for Wave- Body Interaction Problem, International Conference of Applied Mathematic, Bandung, Indoneia. [8] Dei, D., Ciappi, E., 010, Comparative Analyi of Slamming Event and Induced Repone for Different Type of Ship, Proceeding of the 11th International Sympoium on Practical Deign of Ship and other Floating Structure, Rio de Janiero, Brazil [9] Greco,M., Colicchio, G., Faitinen, O.M., 010a, Bottom Slamming for a Very Large Floating Structure: Uncoupled Global and Slamming Analye, Journal Fluid Structure, 5, DAFTAR PUSTAKA [1] Hirdari, S. E., Temarel, P., 009. Hydroelaticity of Ship: Recent Advance and Future Trend, Proceeding Intitute Mechanical Engineering Part M: Engineering Maritime Environmental, 3, [] Da, S., Cheung, K. F., 01, Coupled Boundary Element and Finite Element Model for Fluid-Filled Membrane in KAPAL, Vol. 1, No.3 Oktober