Presentasi Tugas Akhir [Compatibility Mode]

(1)

Bulk Carrier 50,000 DWT

Tugas Akhir

Analisa Getaran Badan Kapal Bulk Carrier

Akibat Eksitasi Mesin Induk dan Baling-Baling

Pada Tahap Sea Trial Dengan Metode Elemen Hingga

Ridwan Arifin

(2)

Pendahuluan

• Tugas Akhir ini merupakan studi kasus kapal Bulk

g

p

Carrier 50,000 DWT.

Kapal diketah i bergetar pada saat sea trial

• Kapal diketahui bergetar pada saat sea trial.

• Getaran yang terjadi melebihi standar ISO 6954.

Getaran yang terjadi melebihi standar ISO 6954.

• Getaran dapat dikurangi setelah top bracing

dilepas.

• Data hasil pengukuran getaran di lapangan

(3)

Latar Belakang

• Getaran yang berlebih dapat mengakibatkan

y

g

p

g

kerusakan kapal.

Getaran ang berlebih dapat disebabkan karena

• Getaran yang berlebih dapat disebabkan karena

eksitasi mesin induk dan baling-baling.

• Untuk mengatasi permasalahan getaran kapal

memerlukan biaya tinggi.

• Untuk mengantisipasi agar getaran dapat

diketahui sebelum tahap pembangunan, maka

perlu dilakukan analisa pada tahap desain awal.

Ridwan Arifin

4102 100 045

November 20th, 2007 @Teknik Perkapalan, FTK, ITS Surabaya.

(4)

Permasalahan

• Berapa besarnya gaya eksitasi pada mesin induk

p

y g y

p

dan baling-baling.

Berapa nilai faktor redaman ang har s diberikan

• Berapa nilai faktor redaman yang harus diberikan

pada model, saat analisa getaran dilakukan pada

tahap desain awal

(5)

Tujuan

• Mencari gaya eksitasi pada mesin induk dan

g y

p

baling-baling.

Memodelkan kapal kedalam bent k elemen

• Memodelkan kapal kedalam bentuk elemen

hingga.

• Mencari respon getaran akibat gaya eksitasi

mesin induk dan baling-baling.

mesin induk dan baling baling.

• Mencari besarnya nilai faktor redaman yang

sesuai dengan data pengkuran.

Ridwan Arifin

4102 100 045

(6)

Batasan Masalah

• Analisa hanya dilakukan pada pelat, profil dan

y

p

massa yang cukup berat.

S mber eksitasi berasal dari mesin ind k dan

• Sumber eksitasi berasal dari mesin induk dan

baling-baling.

• Model elemen hingga di-run dengan tanpa

konstrain (free beam).

(7)

Flow Chart Analisa

Model Elemen Hingga Gambar Konstruksi

Berat Kapal

Berat Peralatan & Perlengakapan

Forced Vibration Analysis (Harmonic Analysis) Mesin Induk Kapal Engine Unbalance Force

& Moment

Alternating Thrust &

Baling-Baling Kapal Perhitungan Gaya Eksitasi Alternating Thrust &

Hull Surface Force

Hasil Perhitungan (Displasemen) Grafik Displasemen Vs Faktor Redaman Hasil Pengukuran di Lapangan (Displasemen) Nilai Faktor Titik Perpotongan Grafik Displasemen Vs Faktor Redaman Ridwan Arifin 4102 100 045 November 20th, 2007 @Teknik Perkapalan, FTK, ITS Surabaya.

No. 7

Nilai Faktor Redaman Kapal

(8)

Pemodelan Elemen Hingga

(9)

Flow Chart Analisa

Berat Kapal Model Elemen Hingga Gambar Konstruksi

Berat Kapal

Berat Peralatan & Perlengakapan Berat Peralatan &

Perlengakapan

& Moment

Forced Vibration Analysis (Harmonic Analysis)

Hull Surface Force

Hasil Perhitungan (Displasemen) Hasil Perhitungan (Displasemen) Grafik Displasemen Vs Faktor Redaman Grafik Displasemen Vs Faktor Redaman Hasil Pengukuran di Lapangan (Displasemen) Nilai Faktor Titik Perpotongan Grafik Displasemen Vs Faktor Redaman Hasil Pengukuran di Lapangan (Displasemen) Nilai Faktor Titik Perpotongan Grafik Displasemen Vs Faktor Redaman Ridwan Arifin 4102 100 045 November 20th, 2007 @Teknik Perkapalan, FTK, ITS Surabaya.

No. 9

Nilai Faktor Redaman Kapal

(10)

Gaya Eksitasi Mesin Induk

Merupakan reaksi vertikal pada piston akibat

1. Gaya dan Momen Eksternal

Merupakan reaksi vertikal pada piston akibat tekanan pembakaran gas.

2. Gaya dan Momen Lateral Tipe-H

Gaya reaksi melintang yang bekerja pada top

bracing terhadap pondasi mesin akibat tekanan g p p pembakaran gas.

3 Gaya dan Momen Lateral Tipe-X

Momen Eksternal Momen Eksternal

3. Gaya dan Momen Lateral Tipe-X

Gaya reaksi melintang yang bekerja pada pondasi mesin akibat massa yang tidak seimbang Momen Lateral Momen Lateral Tipe H Tipe H seimbang. Momen Lateral Momen Lateral Tipe X Tipe X

(11)

Gaya Eksitasi Baling-Baling

• Merupakan reaksi longitudinal akibat

1. Alternating Thrust

• Merupakan reaksi longitudinal akibat baling-baling bekerja di daerah wake. (Hirowatari, 2006)

2 H ll S

f

F

• Merupakan reaksi tekanan pada buritan kapal akibat baling-baling bekerja di

2. Hull Surface Forces

p g g j

daerah wake. (VERITEC,1985)

Ridwan Arifin

4102 100 045

(12)

Flow Chart Analisa

Berat Kapal

Perlengakapan

& Moment

Hull Surface Force

Hasil Perhitungan (Displasemen) Hasil Perhitungan

(13)

Forced Vibration

Analisa Respon Harmonik:

• Getaran yang dianalisa hanyalah getaran steady state.

• Frekuensi Harmonik yang dianalisa adalah 0 ~ 30Hz

Frekuensi Harmonik yang dianalisa adalah 0 30Hz.

• Respon yang diinginkan (Stepped) setiap 0.25 Hz.

• Redaman yang diberikan ke model adalah 0.01, 0.03,

0.05, 0.07 dan 0.09

Ridwan Arifin

4102 100 045

(14)

Analisa & Pembahasan

1. Pengaruh Pemasangan Top

Bracing

Translasi UX dengan faktor redaman 0.05

3 0E-04 3.5E-04

D T B i

Translasi UY dengan faktor redaman 0.05

6 0E-04 7.0E-04 D T B i

Bracing

5 0E-05 1.0E-04 1.5E-04 2.0E-04 2.5E-04 3.0E 04 D isp la se m e n ( m

) Dengan Top Bracing

Tanpa Top Bracing

1 0E 04 2.0E-04 3.0E-04 4.0E-04 5.0E-04 6.0E 04 D isp la se m e n ( m

) Dengan Top Bracing

Tanpa Top Bracing

0.0E+00 5.0E-05 0 5 10 15 20 25 30 Frekuensi (Hz) 0.0E+00 1.0E-04 0 5 10 15 20 25 30 Frekuensi (Hz)

Translasi UZ dengan faktor redaman 0 05 Translasi UZ dengan faktor redaman 0.05

6 0E 06 8.0E-06 1.0E-05 1.2E-05 1.4E-05 e m en ( m )

Dengan Top Bracing Tanpa Top Bracing

0.0E+00 2.0E-06 4.0E-06 6.0E-06 0 5 10 15 20 25 30 Frekuensi (Hz) Di s p la s e

(15)

Analisa & Pembahasan

2. Pengaruh Redaman Terhadap Respon

Respon Getaran, UX 3.0E-04 3.5E-04 4.0E-04 4.5E-04 e n ( m ) 0.01 0.03 0 05 Respon Getaran, UY 2.5E-04 3.0E-04 3.5E-04 4.0E-04 e n ( m ) 0.01 0.03 0.05 0.07 0.0E+00 5.0E-05 1.0E-04 1.5E-04 2.0E-04 2.5E-04 Di sp la s e m e 0.05 0.07 0.09 0.0E+00 5.0E-05 1.0E-04 1.5E-04 2.0E-04 D isp lase m e 0 0 0.09 0 5 10 15 20 25 30 Frekuensi (Hz) 0 5 10 15 20 25 30 Frekuensi (Hz) Respon Getaran, UZ 1.0E-03 4.0E-04 5.0E-04 6.0E-04 7.0E-04 8.0E-04 9.0E-04 p la s e m e n ( m ) 0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 0.0E+00 1.0E-04 2.0E-04 3.0E-04 0 5 10 15 20 25 30 Frekuensi (Hz) Di s p Ridwan Arifin 4102 100 045 November 20th, 2007 @Teknik Perkapalan, FTK, ITS Surabaya.

(16)

Flow Chart Analisa

Berat Kapal

Perlengakapan

& Moment

Hull Surface Force

Hasil Perhitungan (Displasemen) Grafik Displasemen Vs Faktor Redaman Hasil Pengukuran di Lapangan (Displasemen) Nilai Faktor Titik Perpotongan Grafik Displasemen Vs Faktor Redaman Nilai Faktor Redaman Kapal

(17)

Analisa & Pembahasan

3. Nilai Faktor Redaman

Top Deck, UX 8.0E-06 1.0E-05 n t (m ) Top Deck, UY 1 00E 05 1.20E-05 1.40E-05 t ( 0.0E+00 2.0E-06 4.0E-06 6.0E-06 0 ₀₁ ₀₂ ₀₃ ₀₄ ₀₅ ₀₆ ₀₇ ₀₈ ₀₉ 0.1 D is p la cem e n Model Kapal 0.00E+00 2.00E-06 4.00E-06 6.00E-06 8.00E-06 1.00E-05 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 1 0 12 0 14 D isp lcem en t Model Kapal 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0 Damping factor 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 Damping factor Top Deck, UZ 5 0E 06 1.0E-05 1.5E-05 2.0E-05 p lac e m ent ( m ) Model Kapal 0.0E+00 5.0E-06 0 0.01 0.02 0.03 0.0 4 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Damping factor Di s p Ridwan Arifin 4102 100 045 November 20th, 2007 @Teknik Perkapalan, FTK, ITS Surabaya.

(18)

Analisa & Pembahasan

(19)

Kesimpulan

• Nilai faktor redaman berpengaruh pada amplitudo

displasemen

displasemen.

• Faktor redaman pada kapal ini mempunyai nilai yang

b b d b d di

ti

t

hi

f kt

d

berbeda-beda disetiap tempat, sehingga faktor redaman

ini lebih bersifat faktor redaman lokal.

• Besarnya faktor redaman pada kapal ini bervariasi antara

0.00768 sampai 0.1187.

• Besarnya nilai faktor redaman tersebut tergantung pada

struktur konstruksi.

Ridwan Arifin

4102 100 045

(20)

Saran

• Besarnya gaya eksitasi akan lebih tepat dengan melakukan

pengukuran dilapangan

pengukuran dilapangan.

• Asumsi analisa adalah kapal bergetar dalam ruang hampa

(free beam) Pada kenyataannya terdapat elemen fluida

(free beam). Pada kenyataannya terdapat elemen fluida

yang meredam getaran.

• Penambahan massa air yang ikut bergetar pada kapal perlu

dipertimbangkan untuk memperoleh hasil yang lebih

mendekati kondisi di lapangan.

(21)

“Terima Kasih”

(22)

Ukuran Utama Kapal

PRINCIPAL PARTICULARS LENGTH OVERALL bt 189 90 M DESIGN DRAFT 11 00 M DEPTH MOULDED 17.50 M BREADTH MOULDED 30.50 M LENGTH BETWEEN PERPENDICULARS 182.00 M LENGTH OVERALL abt. 189.90 M

Main Engine : MAN B&W 6S50 MC - C

SERVICE SPEED ON 11 M DRAFT abt. 14.5 KNOTS SCANTLING DRAFT 12.80 M DESIGN DRAFT 11.00 M

DEADWEIGHT AT SCANT. DRAFT abt. 50,000 TON DEADWEIGHT AT DESIGN DRAFT abt. 41,000 TON GROSS TONNAGE abt 30 260 TON GROSS TONNAGE abt. 30,260 TON COMPLEMENT 25 PERSONS NETT TONNAGE (at 12,82 M) abt. 17,150 TON

AIR DRAFT :

NETT TONNAGE (at 11,00 M) abt. 12,600 TON

- From B.L to Top of Hatch Coaming (1 - 2) = 20,200 M - From B.L to Top of Mast = 52,000 M AIR DRAFT :

- From B.L to Top of Hatch Coaming (3 - 5) = 19,550 M

(23)

ISO 6954 (Kenyamanan Crew & Penumpang)

Level getaran yang diperbolehkan adalah:

• Untuk frekuensi 1 Hz ~ 5 Hz percepatan yangUntuk frekuensi 1 Hz 5 Hz, percepatan yang

diperbolehkan adalah dibawah 0.013g atau 126 mm/s2.

• Untuk frekuensi diatas 5 Hz~100 Hz kecepatan

• Untuk frekuensi diatas 5 Hz~100 Hz, kecepatan

yang diperbolehkan dibawah 4 mm/s.

L l t tid k di b l hk d l h

Level getaran yang tidak diperbolehkan adalah:

• Untuk frekuensi 1 Hz ~ 5 Hz, percepatanya

melebihi 0.029g atau 285 mm/s2.

• Untuk frekuensi diatas 5 Hz~100 Hz,

kecepatannya melebihi 9 mm/s.

Ridwan Arifin

4102 100 045

No. 23

(24)

ISO 4868 (Struktur Lokal)

Level getaran yang diperbolehkan adalah:

• Untuk frekuensi 1 Hz ~ 5 Hz displasemen yangUntuk frekuensi 1 Hz 5 Hz, displasemen yang

diperbolehkan adalah kurang dari 1 mm.

• Untuk frekuensi diatas 5 Hz~100 Hz, kecepatan

yang diperbolehkan dibawah 30 mm/s yang diperbolehkan dibawah 30 mm/s.

L l t tid k di b l hk d l h

Level getaran yang tidak diperbolehkan adalah:

• Untuk frekuensi 1 Hz ~ 5 Hz, displasemennya

melebihi 2 mm.

• Untuk frekuensi diatas 5 Hz~100 Hz,

kecepatannya melebihi 60 mm/s.

(25)

Pemilihan Elemen

• Untuk pemodelan pelat digunakan elemen SHELL 93.

• Untuk pemodelan penumpu, penegar, gading, balok

geladak dan profile yang lainnya digunakan elemen BEAM

189

189. • Untuk pemodelan mesin, baling-baling dan massa-massa

yang cukup besar lainnya digunakan elemen MASS 21.

Ridwan Arifin

4102 100 045

No. 25

(26)

Material Properties

• Modulus Elastisitas untuk baja diambil 200GPa

• Poisson Ratio untuk baja diambil 0.3

• Density atau massa jenis baja adalah 7850 kg/m3.

(27)

Meshing

• Satu elemen diantara penegar memanjang, panjang elemen memanjang, panjang elemen secara memanjang tidak boleh lebih dari dua kali jarak penegar memanjang

memanjang.

• Satu elemen pada setiap jarak

transversal dan vertical stiffner

pada web frame.

• Paling sedikit ada tiga elemen pada wrang, girder, web frame dan stringer.

A t ti l t

• Aspect ratio element secara

umum tidak boleh lebih dari 3.

Ridwan Arifin

4102 100 045

No. 27

(28)

Sistem Koordinat Model

Y OFFICER'S DECK WHEELHOUSE TOP CAPTAIN'S DECK BRIDGE DECK Z NO. 5 CARGO HOLD CREW'S DECK CARGO HOLD NO. 4 NO. 3 CARGO HOLD

(BALLAST HOLD) CARGO HOLD

NO. 2

CARGO HOLDNO. 1

Z X

(29)

SHELL 93

1.SHELL 93 (8-Node Structural Shell)

– Memiliki 8 node.

– Tiap node memiliki 6 derajat kebebasan, 3 translasi dan 3 rotasi

3 translasi dan 3 rotasi.

Ridwan Arifin

4102 100 045

No. 29

(30)

BEAM 189

2. BEAM 189 (Quadratic Finite Strain Beam)

– Memiliki 3 node.

– Tiap node memiliki 6 derajat kebebasan, 3 translasi dan 3 rotasi

3 translasi dan 3 rotasi.

(31)

Mass 21

3. Mass 21

– Memiliki 1 node (Elemen titik).

– Node tersebut memiliki 6 derajat kebebasan, 3 translasi dan 3 rotasi.

Ridwan Arifin

4102 100 045

No. 31

(32)

Gaya dan Momen Eksternal

• Gaya eksternal tiap silinder didapat dari:

dari:

Konstribusi terbesar dari momen

kN F

F_g  _V 6 1.33

• Konstribusi terbesar dari momen eksternal terletak di piston paling tepi (piston no. 1 dan no.6),

kN L M Force_V  _V _X  151.18 Dengan, Fv = Gaya Eksternal. Mv = Moment Eksternal.

Lx = Jarak piston 1 dengan piston 6. = 5.1 m

(33)

Gaya dan Momen Lateral Tipe-H

• Gaya dan Momen Lateral Tipe-H

Momen lateral tipe-H pada mesin akan

menyebabkan terdapat gaya yang disalurkan

top bracing ke lambung kapal.p g g p

kN L M Force_Z  _H _Z  89.1 Dengan Dengan, MH = X-Moment

LZ = Jarak top bracing ke pondasi mesin [m] = 6 235 m 6.235 m

Ridwan Arifin

4102 100 045

No. 33

(34)

Gaya dan Momen Lateral Tipe-X

• Gaya dan Momen Lateral Tipe-X

Momen lateral tipe-X pada mesin akan menyebabkan reaksi gaya pada pondasi kearah horizontal. kN L M Force_X  _X _X  62.55 Dengan Dengan, Mx = X-Moment

Lx = jarak piston 1 dengan piston 6. = 5 1 m

= 5.1 m

(35)

Alternating Thrust

Alternating thrust merupakan prosentase dari

besarnya steady thrust (To). (Hirowatari, 2006) besarnya steady thrust (To). (Hirowatari, 2006)

Dimana FZ = Alternating thrust [kN]

To

F

_z





Dimana, FZ = Alternating thrust [kN]

To = Steady thrust [kN] Conventional Stern



= Alternating thrust/Steady thrust Besarnya



tergantung bentuk buritan kapal.

Stern Type Alt. Thrust/Steady Thrust

Conventional Stern 0.02 - 0.06

Strut Stern

Strut Stern 0.005 - 0.03 Strut Stern

Ridwan Arifin

4102 100 045

No. 35

(36)

Alternating Thrust

• Sehingga Alternating Thrust-nya adalah 38.215 kN.

adalah 38.215 kN.

• Alternating thrust ini bekerja pada

thrust block pada frame 25, dengan

tinggi 3.65 meter dari baseline.

(37)

Hull Surface Forces

Hull surface forces merupakan resultan dari pressure impuls baling baling berkavitasi dan non baling-baling berkavitasi dan non-kavitasi. (VERITEC,1985) 2 2 P P P    Dimana,

= Resultan pressure impuls [N/m2]

= Pressure impuls baling-baling berkavitasi [N/m2] = Pressure impuls baling-baling non-kavitasi [N/m2]

P  c P  z P  2 2 o c z P P P     k   p g g [ ]

RPM = Putaran baling-baling [Rev/menit] D = Diameter baling-baling [m]

Vs = Kecepatan kapal [m/s]

ha = Tinggi pusat poros ke base line [m] Dengan, o P 



 



kc a e T c R d h w w Vs D x RPM P _           1 4 . 10 160 max 2 gg p p [ ]

r = Jarak pusat keujung daun baling-baling [m] d = Jarak ujung baling-baling ke permukaan

buritan diatas baling-baling [m] R = Jari-jari baling-baling [m]





ko o R d Z D x RPM P _         1 1 70 1,5 2 j g g [ ]

Z = Jumlah daun baling-baling Kc = 1.7 – 0.7(d/R) Ko = 1.8 + 0.4(d/R) wTmax = 0.6 ~ 0.8 R  Ridwan Arifin 4102 100 045 November 20th, 2007 @Teknik Perkapalan, FTK, ITS Surabaya.

No. 37

(38)

Hull Surface Forces

• Dari perhitungan didapatkan harga

H ll S f F 13 75 kN/ 2

Hull Surface Forces 13.75 kN/m2. • Hull surface forces ini bekerja pada

0 8D diatas baling baling dan 0 6D di 0.8D diatas baling-baling dan 0.6D di belakang baling-baling (ITTC, 1999).

(39)

Top Bracing

Pemasangan top bracing dimaksudkan untuk meredam besarnya diplasemen untuk meredam besarnya diplasemen yang terjadi pada ujung atas badan mesin.

Hal ini dikarenakan postur mesin yang tinggi dan ramping, sehingga

memungkinkan terjadi defleksi di ujung g j j g atas badan mesin sangat besar.

Ridwan Arifin

4102 100 045

No. 39

(40)

Gaya Eksitasi Mesin Induk

• Gaya dan Momen Eksternal

G d k t l i i di b bk

Gaya dan momen eksternal ini disebabkan karena gaya reaksi vertikal akibat

pembakaran gas pada piston.

• Gaya dan Momen Internal

Gaya dan momen internal ini disebabkan Gaya dan momen internal ini disebabkan karena adanya ketidak seimbangan massa yang bergerak.

• Gaya dan Momen Lateral

Gaya dan momen lateral ini disebabkan karena ga a reaksi ke arah melintang

Dimana,

Fo = Gaya vertikal akibat pembakaran gas

S = Gaya pada lengan penghubung

karena gaya reaksi ke arah melintang akibat pembakaran gas pada piston. (Ref: Noonan, 1990)

S = Gaya pada lengan penghubung

G = Gaya lateral (Guide Forces)

(Ref: Noonan, 1990)

(41)

Frekuensi Eksitasi

1. Eksitasi Mesin Induk

  Hz RPM N f        60

2 Ek it

i B li

B li

(L

i

1988)

f

= 12 Hz

2. Eksitasi Baling-Baling (Lewis, 1988)

Hz

RPM

x

Z

f



Hz

f

60 

f

= 8 Hz

f

Ridwan Arifin 4102 100 045 November 20th, 2007 @Teknik Perkapalan, FTK, ITS Surabaya.