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: sahlan1203@yahoo.com
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 alu-minium 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 trans-portasi 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 ber-jalan dari Kota Palembang (Pelabuhan Boom Baru) ke Pelabuhan Tanjung Kalian, Pulau Bangka atau se-baliknya. 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 kea-manan dan kenyakea-manannya. 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 ter-buat 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 di-harapkan akan diperoleh nilai ekonomis yang tinggi karena biaya perawatan dan operasional kapal yang jauh lebih rendah dari kapal lainnya. Selain itu, ka-pal berbahan aluminium juga memiliki konstruksi yang ringan hal ini tentunya kapasitas beban muatan dapat jauh lebih banyak sehingga dapat menambah keuntun-gan bagi pemilik kapal dan bagi masyarakat pengguna jasa transportasi sungai dan laut Dengan adanya desain melalui rekayasa kapal aluminium ini tentunya akan di-dapat sarana transportasi kapal aluminium untuk ang-kutan penyeberangan yang benar-benar sesuai kondisi perairan yang dilaluinya, aman, nyaman dan ramah lingkungan. Diharapkan dengan pemanfaatan hasil de-sain teknologi kapal aluminium dalam negeri ini, akan membuat pihak galangan kapal dapat melakukan kon-sultasi rancang bangun dengan cepat sehingga waktu pembangunan kapal lebih singkat, dengan kata lain produktivitas meningkat.
aluminium ini telah dilakukan semacam studi pus-taka 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 ka-pal terpakai dari Bhattacharya, R (1978) [1] serta peneli-tian lanjutan yang dilakukan oleh Sahlan [5] dimana lebih menitikberatkan pada tata letak ruangan atau ren-cana 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 bal-ing - balbal-ingnya, karakteristik gerakan kapal (seakeep-ing) dan olah gerak kapal (manouver(seakeep-ing), pengukuran gerakan kapal pada saat berlayar serta pengamatan pola gelombang yang terbentuk akibat gerakan kapal cepat terutama saat melintas di sungai. Penelitian di-lanjutkan dengan melakukan uji model hidrodinamika terhadap hasil optimalisasi lambung kapal aluminium yang dilanjutkan dengan perencanaan umum (General Arrangement) berupa tata letak mesin bantu, pengat-uran ruang, kemudian dilanjutkan perhitungan keku-atan struktur kapal aluminium, dimana direncanakan kapal ini dapat beroperasi secara handal pada kondisi perairan operasionalnya.
II.
METODOLOGI
A. Stabilitas Kapal
Pada peninjauan stabilitas suatu kapal, pertama-tama harus kita perhatikan tiga buah titik yang memegang peranan penting, yaitu ; (a)Titik G (Grav-ity) adalah titik berat dari pada kapal, (b) Titik B adalah titik tekan ke atas dari volume air yang dipin-dahkan 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 meng-alami perubahan (muatan kapal tidak bergeser/ ditam-bah/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’
GAMBAR1: Kondisi Kapal Oleng
dan kapal akan mendapat momen couple, S.
S = P × h (10)
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=
1 2ρV
2S
iCdi (11)
d imana, ρ adalah spesifik densiti air laut, V adalah kecepatan kapal, Si adalah luasan permukaan basah,
sedang Cdadalah koefisien drag.
Koefisien drag diperoleh dari kurva drag hasil model eksperimen. Pada eksperimen di kolam tarik (TT) hasil dari pengukuran resistance yang ditampilkan meru-pakan besaran skala penuh yang terjadi pada kapal sebenarnya dengan menggunakan persamaan berikut:
Fs= Fmλ3
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 se-lalu mengalami gerakan osilasi. Gerakan osilasi yang dialami kapal diperlihatkan padaGAMBAR2yang mana memperlihatkan 6 jenis gerakan yang mana terdiri dari 3 gerakan translasi (surge, sway dan yaw) dan 3 ger-akan 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 ger-akan ini yang merugikan atara lain dari segi keamanan
GAMBAR2: Enam gerakan kapal di laut.
dan kenyamanan penumpang dan struktur kapal pada umumnya.
Selain itu, frekuensi eksitasi dari gerakan dan mo-men kapal akibat adanya gelombang dengan arah tertentu (dominan) dapat diperoleh dengan memper-hatikanGAMBAR3. Dari gambar tersebut komponen ke-cepatan kapal v yang searah dengan gelombang adalah v cos(µ) dan kecepatan relatip kapal terhadap gelom-bang adalah kecepatan gelomgelom-bang (vw) − v cos(µ).
Se-hingga waktu yang ditempuh oleh kapal dari puncak gelombang ke puncak berikutnya atau periode gelom-bangnya (T) adalah:
GAMBAR3: 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 gelom-bang maka harga cos(µ) adalah negatif. DariPERS. (13)
di atas maka kecepatan sudut eksitasi momen dapat di-tulis: ω= ωw 1 − ωw v gcos µ (14)
di mana kecepatan gelombang vwadalah pembagian
percepatan gravitasi g oleh kecepatan sudut gelombang ωw selanjutnya persamaan tersebut tentunya dapat
di-selesaikan dengan bantuan metoda numerik/uji model. D. Kekuatan Kapal Aluminium
Material utama konstruksi badan kapal adalah alu-minium 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 alu-minium dapat didekati dengan cukup realistis de-ngan konsep balok equivalent. Penurunan persamaan-persamaan 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 an-tara tegangan memanjang kapal aluminium yang bek-erja 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 ditin-jau pada x, dan Iadalah momen inersia keseluruhan penampang melintang struktur kapal aluminium di titik xdihitung terhadap sumbu netral melintang ka-pal tempat titik berat keseluruhan penampang melin-tang kapal aluminium tersebut berada. Jelas bahwa tegangan-tegangan ekstrem terjadi pada serat teratas atau terbawah pada balok, yaitu saat zmemiliki harga-harganya yang terbesarzmax. Besaran I/zmax
dise-but 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 pertim-bangan 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 kea-manan dari struktur juga ditambahkan. Selain itu se-bagai bahan perbandingan dilakukan juga analisa de-ngan menggunakan metode elemen hingga, dimana hasil yang didapat mendukung hasil perhitungan de-ngan menggunakan aturan klasifikasi bangunan laut.
Kajian nantinya akan diperiksa kelayakannya secara teknis untuk disetujui oleh pihak Biro Klasifikasi In-donesia sebagai standarisasi kelayakan pembangunan kapal di Indonesia.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk membangun sebuah kapal, sesuatu yang di-butuhkan terlebih dahulu adalah gambar rancangan-nya. Dalam perencanaannya yang harus diperhatikan adalah permintaan dari pemesan kapal (Design Re-quirement) yang biasanya disebut juga dengan data tek-nis. 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 men-cari 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.
GAMBAR4: Lines Plan Kapal.
Adapun data hidrostatik yang diperoleh dari per-hitungan sesuai data ukuran utamanya adalah se-bagaimana ditunjukkan oleh grafik pada GAMBAR5
berikut.
GAMBAR5: Grafik Hidrostatik.
Berdasarkan simulasi numerik diperoleh besarnya
tahanan total dan daya kapal cepat berbahan alu-minium yaitu sebesar 128.26 kN dan 1121.73 Watt bers-esuaian 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 olehGAMBAR6berikut.
GAMBAR6: Propeller Right Hand Kapal Aluminium.
Adapun besaran efisiensi hasil perhitungan numerik pada kecepatan operasional kapal adalah sebagai mana ditunjukkan padaTABEL1.
TABEL1: Efisiensi hasil perhitungan numerik pada kecepatan
ope-rasional kapal.
Vs w t ηR η0 ηD
knot - - - -
-17 0.127 0.131 0.975 0.454 0.441
C. 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. Grafik-grafik tersebut sebagaimana ditunjukkan oleh GAM
GAMBAR7: RAO pada kondisi sudut heading ψ =90◦
GAMBAR8: RAO pada kondisi sudut heading ψ =135◦
GAMBAR9: RAO pada kondisi sudut heading ψ =180◦
Berdasarkan data keluaran simulasi numerik, dike-tahui 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 kesela-matan yang ditentukan oleh IMO yaitu 12◦.
Berdasarkan hasil survey di lokasi operasional ter-hadap kapal yang ada, telah dilakukan pengukuran be-saran gerakan roll dan pitch dengan alat ukur gyro-scope. Data-data hasil pengukuran tersebut lalu dianal-isa spektrum respon gerakannya dan diturunkan be-saran RAO untuk kedua mode gerakan tersebut.
Selanjutnya dilakukan analisa perbandingan antara kedua RAO gerakan roll dan pitch terutama un-tuk sudut heading 135◦(bow quartering) pada
kon-disi gelombang Hs = 2m dan Tp = 6s. Adapun
hasil perbandingan tersebut sebagaimana ditunjukkan olehGAMBAR10(gerakan roll) danGAMBAR11(gerakan pitch) sebagai berikut.
Dari GAMBAR10 terlihat bahwa pada kondisi
ope-GAMBAR10: Perbandingan RAO gerakan roll.
GAMBAR11: 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 de-sain kapal cepat yang baru RAO sebesar 0.7 deg/m.
Demikian halnya dengan gerakan pitch sebagaimana terlihat padaGAMBAR11, 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.
Dengan demikian, kapal cepat desain baru mempun-yai kelebihan dalam hal mengurangi gerakan roll dan pitch yang erat kaitannya dengan keamanan dan kenya-manan 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
seba-gaimana ditunjukkan oleh GAMBAR12danGAMBAR13
berikut.
GAMBAR12: Gerakan Turning Circle 35◦
GAMBAR13: Gerakan Zig-Zag 20/20◦
Dari hasil simulasi diketahui bahwa besarnya Tacti-cal Diameter (TD) = 2 kali panjang kapal (2L), dan Ad-vance (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 ditunjuk-kan olehGAMBAR14berikut.
Dari gambar di atas diketahui bahwa pressure pada gelombang tranversal sudah cukup rendah sehingga dapat dikatakan tidak begitu membahayakan terhadap
GAMBAR14: Pola Wake Kapal Cepat.
bangunan maupun aktifitas yang berada di daerah per-lintasannya.
IV.
KESIMPULAN
Modifikasi desain kapal cepat yang dilakukan de-ngan memperhatikan aspek-aspek desain, mempunyai karakteristik yang cukup baik dan memenuhi kriteria keselamatan dan keamanan yang ditetapkan oleh In-ternational Maritime Organization (IMO) serta ramah lingkungan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Bhatacharya, R,(1978), Dynamics of Marine Vehi-cles, John Wiley & Sons Inc.
[2] Lewis V. E, (1988), Stability and Strength, PNA Vol I” SNAME
[3] Lewis V.E, (1988), Resistance, Propulsion , Ship Vi-bration, PNA Vol II, SNAME
[4] Lewis V. E (1988), Motions in Waves and Controla-bility, PNA Vol III,” SNAME.
[5] Sahlan (2011), Desain Final Kapal Ferry Cepat Un-tuk Angkutan Antar Pulau Di Sumatra, Laporan Akhir PKPP
