JONSWAP Wave Spectrum
PERFOMANCE OF INDONESIAN FERRY SAIL-ASSISTED CONCEPT Mohammad Nurul MISBAH* 1 , Achmad ZUBAYDI 1 , MURDIJANTO 1 , and Ahmad
4. Analisis dan Pembahasan 1 Pemodelan Bentuk Layar
Bentuk-bentuk layar yang dimodelkan adalah betuk layar segi empat, segi tiga dan trapesium berdasarkan acuan bentuk layar. Acuan bentuk layar yang digunakan adalah bentuk layar segi empat yang telah dihasilkan dari penelitian sebelumnya. Adapun ukuran layar acuan adalah (a) luas 149 m2 , tinggi 16 m dan lebar 9,2 m. Dengan menggunakan acuan luas layar dan lebar layar yang tetap, maka dilakukan variasi layar segitiga dan trapezium
Proses Grid independence dilakukan terhadap layar segi empat dimana hasil ini akan diterapkan pada layar betuk segitiga dan trapesium. Adapun hasil dari grid independence tersebut dapat dilihat pada tabel dan grafik di bawah.
Tabel 1. Grid Independence
No Jumlah Meshing Gaya-gaya (N) Lift Drag 1 621365 10,543 6710,7 2 1053327 1,065 6865,1 3 1341076 0,985 7048,2 4 1474322 0,999 7067,3
Berdasarkan hasil grid independence untuk layar segi empat, maka elemen dengan jumlah lebih dari 1341076 buah tidak mengalami perubahan hasil yang signifikan. Sehingga jumlah elemen dengan jumlah sekitar 1.34 juta tersebut dapat dijadikan sebagai acuan untuk bentuk segitiga dan trapesium.
Dari ketiga bentuk layar tersebut, hasil simulasi CFD (tabel 2, 3, 4) menunjukkan bahwa layar dengan bentuk segitiga memiliki gaya dorong paling besar dibandingkan dengan layar dengan bentuk trapesium maupun segi empat. Perbedaan gaya dorong bentuk segitiga dan trapesium tidak terlalu besar, namun jika dibandingkan dengan layar bentuk segi empat gaya dorong yang dihasilkan oleh layar segitiga jauh lebih besar. Hal ini dapat dilihat pada gambar di bawah
Tabel 2. Nilai driving force,FR dan heeling force,FH Layar Segi empat
NO Angle of Attack DRAG (N) LIFT (N) β FR FH
1 45 3716.94 3761.4 180 3716.94 -3761.4
2 60 6191.11 3512.24 180 6191.11 -3512.2 3 90 7067.32 0.99924 180 7067.32 -0.9992
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 96 Tabel 3. Nilai driving force,FR dan heeling force,FH Layar Segitiga
NO Angle of Attack DRAG (N) LIFT (N) β FR FH 1 45 4147.69 4147.69 180 4147.69 -4147.7 2 60 6959.22 3663.33 180 6959.22 -3663.3
3 90 8318.12 8.193 180 8318.12 -8.193
Tabel 4. Nilai driving force,FR dan heeling force,FH Layar Trapesium
NO Angle of Attack DRAG (N) LIFT (N) β FR FH
1 45 3862.34 3930.05 180 3862.34 -3930.1
2 60 6806.76 3587.27 180 6806.76 -3587.3
3 90 8234.46 2.50989 180 8234.46 -2.5099
Layar dengan bentuk segitiga menghasilkan gaya dorong yang lebih besar dengan bentuk trapesium maupun segi empat diindikasikan karena layar bentuk segitiga menghasilkan aliran penghambat (induce drag) lebih kecil pada ujug atas layar dibandingkan layar bentuk trapesium dan segi empat. Hal ini lebih dikarenakan bentuk segi tiga memiliki ujug atas yang lancip. Semakin tumpul bentuk ujung layar bagian atas, maka induce drag yang dihasilkan akan semakin besar sehingga gaya dorong layar menjadi berkurang. Hal ini sama dengan fenomena yag terjadi pada sayap pesawat terbang.
4.2 Analisis Stabilitas
Perhitungan persyaratan stabilitas utuh (intact stability) untuk kapal ferry dapat mengacu pada persyaratan IMO INTACT STABILITY for All Types of Ships Covered by IMO Instruments Resolution A.749(18).Persyaratan yang ada adalah digunakan untuk persyaratan stabilitas pada kapal-kapal penyebrangan dengan panjang garis muat lebih dari 24 meter.
Tabel 5. Kriteria stabilitas awal kapal
1 2 3 4 5
3.1.2.1 Area under Curve 0 - 30 deg (m.deg) 3.151 27.423 23.425 21.347 28.787 25.366
3.1.2.1 Area under Curve 0 - 40 deg (m.deg) 5.157 39.415 35.911 31.38 43.406 38.564
3.1.2.1 Area under Curve 30 - 40 deg (m.deg) 1.719 11.992 12.486 10.033 14.619 13.198
3.1.2.2 Max GZ at 30 or greater (m) 0.2 1.255 1.254 1.046 1.47 1.327
3.1.2.3 Angle of maximum GZ (deg) 25 25 34 27 33 33
3.1.2.4 Initial GMt (m) 0.15 4.995 3.496 3.419 4.601 3.9
A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to ALL SHIPS
CRITERIA IMO REQ Loadcase Numbers
Dari analisis perhitungan stabilitas awal dari kapal, untuk kapal penyebrangan memenuhi stability persyaratan IMO INTACT STABILITY for All Types of Ships Covered by IMO Instruments Resolution A.749(18). Berikut adalah rekapitulasi hasil dari perhitungan stabilitas awal kapal.
Dari hasil perhitungan stabilitas tersebut, nilai aktual untuk persyaratan stabilitas kapal masih lebih besar jika dibandingkan dengan kriteria persyaratan IMO. Terutama untuk nilai area di bawah kurva GZ, hal ini menandakan bahwa kapal mempunyai momen pengembali yang lebih besar jika dibandingkan dengan yang disyaratkan oleh peraturan IMO. Pada Tabel 9 di atas menunjukkan bahwasanya nilai area di bawah grafik GZ yang paling besar adalah pada kondisi 4 (Kapal pada kondisi muatan kosong, BBM, provision, dan air tawar dalam keadaan penuh). Hal ini disebabkan oleh karena posisi titik berat terhadap keel (KG) kapal pada kondisi ini cenderung lebih rendah.
Sedangkan untuk kondisi kapal yang nilai aktual persyaratan stabilitasnya paling kecil adalah kondisi 3. Pada kondisi ini diasumsikan kapal tiba di home port dengan kondisi BBM, provision, air tawar tinggal 10 % dan muatan penuh. Lengan pengembali kapal (lengan GZ) pada kondisi 3 ini mempunyai harga yang paling kecil untuk setiap sudut oleng kapal. Oleh karena itu para
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 97 awak kapal dan pemilik kapal harus lebih waspada apabila kapal akan mendekati fase – fase kondisi 3.
Akibat adanya pemasangan layar sebagai alat penggerak bantu kapal, maka perhitungan teknis terhadap stabilitas kapal perlu dilakukan kembali. Oleh karena dengan adanya penambahan layar, maka akan terjadi perubahan berat dan titik berat kapal. Sebagai kompensasi dari adanya layar, kapal akan mendapatkan gaya tambahan, yakni gaya aerodinamis yang bekerja melintang kapal (heeling force). Adanya heeling force tersebut dikarenakan kedudukan/ posisi kapal yang membentuk sudut terhadap arah angin (apparent wind angle). Akibatnya komponen gaya aerodinamis dijabarkan menjadi driving force (gaya yang searah dengan arah kapal) dan heeling force (gaya yang tegak lurus dengan arah kapal). Untuk perhitungan kriteria stabilitas dengan penambahan layar dari disajikan pada Lampiran.
Dari grafik lengan stabilitas akibat pengaruh pemasangan layar didapatkan bahwasanya dengan adanya pengaruh heeling force akibat penambahan layar pada kapal, nilai perhitungan stabilitas kapal terdapat weather condition yang tidak memenuhi criteria stabilitas. Kondisi tersebut adalah saat terekstrim dari pemasangan layar dimana layar dipasang dengan angle of attack 00 dengan arah angin dari samping kapal (apparent wind angle, 900). Dengan demikian tidak direkomendasikan untuk pemasangan layar pada kondisi tersebut. Sebaiknya layar digunakan pada saat angle of attack 900 dan angin dari belakang kapal (apparent wind angle, 00).
4.3 Analisis Gerak Kapal
Seakeeping performance diprediksi dengan menggunakan program naval engineering software ‖Maxsurf-Seakeeper‖. Perhitungan numerik dilakukan untuk mengetahui karakteristik dan kinerja stabilitas dinamis kapal diatas gelombang laut.
Input program terdiri dua bagian. Pertama adalah data geometri kapal meliputi ukuran utama kapal, body plan (lines plan), titik berat (CoG), titik apung (CoB), tinggi meta sentrik (MG), jari- jari girasi untuk roll, pitch dan yaw. Kedua adalah data kecepatan kapal dan data kondisi karakteristik gelombang laut.
Tabel 6. Resume Simulasi Perhitungan RMS dan Significant Amplitude Motion
Ship Motion
Seastate - 3
00 450 900 1350 1800
RMS Signf RMS Signf RMS Signf RMS Signf RMS Signf
Heave (m) 0.26 0.51 0.27 0.54 0.29 0.59 0.31 0.61 0.30 0.59
Roll (deg) 0.00 0.00 2.81 2.81 3.82 7.63 2.29 4.58 0.00 0.00
Pitch (deg) 1.33 2.66 2.45 2.45 0.83 1.65 0.94 1.88 1.04 2.08
Heave vel. (m/s) 0.12 0.25 0.15 0.30 0.22 0.44 0.29 0.57 0.29 0.57
Roll vel. (rad/s) 0.00 0.00 0.02 0.03 0.10 0.21 0.06 0.13 0.00 0.00
Pitch vel. (rad/s) 0.01 0.03 0.01 0.03 0.02 0.03 0.02 0.04 0.02 0.04
Heave acc. (m/s²) 0.07 0.14 0.08 0.17 0.21 0.42 0.33 0.66 0.33 0.66
Roll acc. (rad/s²) 0.00 0.00 0.01 0.03 0.18 0.36 0.11 0.23 0.00 0.00
Pitch acc. (rad/s²) 0.01 0.02 0.01 0.02 0.02 0.04 0.04 0.07 0.03 0.07
Gerakan rolling, pitching & heaving merupakan rotational dan translational motions yang sangat dominan pada kapal terhadap gelombang laut. Gerakan kapal tersebut dianalisa pada kondisi seastate-3, dengan arah gelombang 0o (following seas), gelombang 45o (stern quartering seas), 90o (beam seas), 135o (bow quartering seas ) & 180o (head seas). Sedangkan kecepatan kapal adalah 8 knots dan kecepatan angin 4 knots.
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 98 tinggigelombang signifikan di perairan Maluku, yang termasuk dalam seastate 3. Seastate merupakan pengelompokkan gelombang berdasarkan tingginya. Yang dimaksud seastate 3 adalah gelombang dengan tinggi antara 0.5-1.25 meter. Spektrum gelombang yang digunakan adalah tipe JONSWAP.
Gerakan kapal yakni rolling, pitching dan heaving serta kecepatan dan percepatannya dianalisa melalui perhitungan program numerik. Adapun output yang dihasilkan adalah RMS (Root Mean Square) dan Significant Amplitude.
Roll motion kapal maksimum terjadi pada kondisi arah gelombang 900 (beam seas). Untuk pitch
motion terjadi pada kondisi arah gelombang 0o (following seas). Sedang heave motion terjadi pada
kondisi arah gelombang 135o (bow quartering seas).
Roll Acceleration tertinggi terjadi pada kondisi beam seas yaitu sebesar 0.178rad/s² (RMS) atau
sebesar 0.356rad/s² (significant amplitude), sedang pitch acceleration tertinggi pada kondisi quarter
bow seas yaitu sebesar 0.035rad/s² (RMS) atau sebesar 0.070rad/s² (significant amplitude) dan
heave acceleration tertinggi adalah pada kondisi quarter bow seas yaitu sebesar 0.332m/s² (RMS)
atau sebesar 0.664m/s² (significant amplitude). 5. Kesimpulan
Dari simulasi berbagai bentuk layar, didapatkan bahwa untuk luas yang sama bentuk segitiga dapat menghasilkan gaya dorong terbesar dibanding bentuk yang lain. Dengan simulasi perhitungan stabilitas kapal diketahui bahwa kondisi stabilitas kapal tanpa layar memenuhui semua kriteria IMO INTACT STABILITY. Sedangkan untuk kondisi menggunakan layar dengan weather condition tidak memenuhi criteria stabilitas. Kondisi tersebut adalah kondisi paling ekstrim dari pemasangan layar dimana layar dipasang dengan angle of attack 00 dengan arah angin dari samping kapal (apparent wind angle, 900). Dan kondisi ini sebenarnya tidak pernah terjadi karena sudut layar didesain hanya sebatas 450 hingga 1350.
Sedangkan dari hasil perhitungan gerak kapal disimpulkan bahwa untuk gerak heaving significant amplitude terbesar terjadi pada gelombang dari arah 135º yaitu sebesar 0.611 meter, untuk rolling terjadi pada gelombang dari arah 90º yaitu sebesar 7.63º dan untuk pitching pada gelombang dari arah 0º yaitu sebesar 2.66º.
References
Cooke Assosiates, ―Commercial History, Walker Wingsail and the MV Ashington,‖ (1996), issue of Pacific Maritime magazine.
Matsumoto, N., Inoue, M. (1982). ―Operating Performance of a Sail Equipped Tanker in Wave and Wind‖. 2nd
International Conference of Stability of Ships and Ocean Vehicles, p.451-464. McKinney, M.L., Schoch, R.M., ―Enviromental Science: Systems and Solutions‖, Jones and
Bartlett Publisher, 1998
O‘Rourke, R., ―Navy Ship Propulsion Technologies: Options for Reducing Oil Use — Background for Congress‖, CSR Report for Congress, December 2006.
Pike, D., ―Motor Sailing : Cruising Under Sail and Power‖, Adlard Coles Nautical London, 1993. Schenzle, P., ―Wind as an Aid for Ship Propulsion‖, West European Graduate Ed. In Marine
Rechnology, Aug. 1983.
Shin Aitoku Maru [Online], Available: www.marine-marchande.net [1 Agustus 2009]. SkySail [Online], Available: http://www.skysails. info [1 Agustus 2009].
Wiriadidjaja, S., Schenzle, P., ―The Indonesian German Indosail Project‖, Regional Conference on Sail Motor Propulsion‖, Manila, Nov. 1985
Yoshimura, Y., (2002). ―A Prospect of Sail-Assisted Fishing Boats‖. The Japaneses Society Fisheries Science.
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 99 ANALISA LENDUTAN DAN TEGANGAN DENGAN METODE ELEMEN HINGGA PADA
PELAT SISI KAPAL AKIBAT BEBAN SISI DAN VARIASI JARAK GADING