PERANGKAT LUNAK PERHITUNGAN KEKUATAN LONGITUDINAL KAPAL

(1)

PRO S ID IN G 20 1 1© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK

Arsitektur Elektro Geologi Mesin Perkapalan Sipil

PERANGKAT LUNAK PERHITUNGAN KEKUATAN

LONGITUDINAL KAPAL

Ganding Sitepu Andi Muhiddin Rauf

Jurusan Perkapalan Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea - Makassar, 90245

Telp./Fax: (0411) 585637 e-mail: [email protected]

Abstrak

Salah satu tahapan dalam mengevaluasi desain kapal adalah perhitungan kekuatan memanjang kapal. Maka diperlukan suatu alat pendukung yang dapat mempercepat proses perhitungan- Oleh karena itu perlu dilakukan pengembangan program untuk perhitungan, sebagai alternatif untuk mengevaluasi kekuatan memanjang kapal. Studi aplikasi kekuatan memanjang kapal ini bertujuan untuk mengembangkan program komputer dalam perhitungan kekuatan memanjang kapal, menganalisis serta membandingkan hasil perhitungan aplikasi program Delphi dengan hasil perhitungan manual yaitu penggunaan rumus yang sama tetapi seluruh perhitungan dilakukan dengan bantuan Excel. Hasil penelitian ini berupa sebuah program perhitungan kekuatan longitudinal kapal yang dalam pengoperasiaannya masih memerlukan beberapa kalkulasi manual sebelum diinput sebagai masukan pada program. Dengan demikian sangat pas sebagai bahan pembelajaran. Keluaran akhir program ini berupa kurva gaya lintang dan momen pada arah longitudinal kapal.

Kata Kunci: Kekuatan longitudinal, Perangkat lunak

PENDAHULUAN

Perkembangan teknologi informasi berdampak terhadap peningkatan kemampuan komputer yang memungkinkan proses desain kapal dapatdikerjakan dilam waktu yang relatif singkat. Hal ini didukung oleh perkembangm perangkat lunak untuk melakukan analisis numerik yang lengkap seperti DelphiTM, FortranTM, MatlabTM dan lain-lain. Tahapan desain yang berkaitan satu dengan yang lainnya memungkinkan untuk membuat program yang berintegasi sehingga evaluasi desain dapat dilakukan secara bersamaan.

Beberapa sofware untuk menghitung kekuatan memanjang kapal sudah tersedia seperti MaxsurfTM, shipinoTM, dll. Namun software tersebut diperdagangkan dengan harga yang cukup mahal. Oleh karena itu perlu dilakukan pengembangan program untuk perhitungan sebagai alternatif untuk mengevaluasi kekuatan memanjang kapal. Penelitian ini bertujuan mengembangkan program komputer untuk perhitungan kekuatan longitudinal kapal dan mensimulasi perhitungan kekuatan longitudinal kapal general cargo dengan menggunakan program yang dikembangkan dengan basis DelphiTM. Hasil penelitian ini dapat dimanfaatkan sebagai bahan informasi dan perbandingan dengan perangkat lunak lain dalam penyelesaian perhitungan kekuatan memanjang kapal khususnya dalam pengumpulan pengalaman belajar bagi mahasiswa di kampus.

Ada tiga prosedur penting dalam perencaftum stuktur lambung kapal: a. Beban beban yang bekerja diestimasi

b. Respons srtuktur dihitung dengan bekerjanya beban tersebut pada struktur lambung c. Respons struktur dikaji dan dibandingkan dengan nilai-nilai yang diijinkan.

Untuk mendapatkan tingkat keselamtan dan keandalan struktur kapal, sangat penting untuk melakukan ketiga prosedur tersebtu di atas dengan cermat dan teliti. Dalam perencanaan struktur kapal dikenal dua tipe beban, pertama: beban statis yang merupakan selisih tekanan air dan berat kapal. Yang kedua: beban dinamis yaitu beban yang berfluktuasi terutama gaya akibat gelombang air dan percepatan gerak kapal. Beban statis relatif mudah dikalkulasi, sedangkan beban dinamis sangat sulit dikalkulasi karena banyaknya variabel yang berpengaruh.

(2)

Perangkat Lunak Perhitungan Kekuatan… Ganding Sitepu & Andi Muhiddin Rauf

Kalkulasi respons struktur sekarang ini dapat dihitung dengan relatif akurat, terutama dengan bantuan komputer dan metode elemen hingga. Hasil kalkulasi semakin mendekati hasil yang diperoleh dari uji model maupun dari hasil eksperimen skala penuh. Dengan kemajuan teknik kalkulasi, ukuran konstruksi kaapal dapat dioptimasi. Dimensi struktur kapal yang ada sekarang sudah jauh lebih kecil dibanding dengan struktur kapal tahun 1950-an. Gambar 1 memperlihatkan reduksi modulus penampang tengah kapal tanker relative terhadap tahun 1950.

Gambar 1 Reduksi Modulus Penampang Midship Relatif Terhadap Modulus pada Tahun 1950

Secara umum dalam melakukan analisis kekuatan memanjang (ongitudinal strength), kapal diasumsikan sebuah balok yang mendapatkan distribusi beban yang tidak sama akibat resultan berat kapal itu sendiri berikut peralatan beseria muatanya dengan gaya angkat fluida (buoyancy). Perbedaan dari distribusi ini selanjutnya menghasilkan suatu gaya geser (shear force) dan momen lengkung (bending moment), yang bekerja pada lambung kapal.

Mengacu pada persamaan umum suatu balok (beam) diperoleh bahwa tegangan lengkung (bendW stress) yang merupakan rasio dari momen lengkung-dibagi modulus penampang balok dan tegangan geser (shear force) adalah rasio dari gaya geser dan momen pertama penampang terhadap netral mis dibagi momen inersia balok dan lebar balok .

Selanjutnya karena struktur memanjang kapal terdiri dari kumpulan-kumpulan pofil seperti pelat, maka dihitung sebagai suatu kesatuan profil. Hal yang umum bahwa evaluasi modulus penampang kapal dapat dilakukan di lokasi atas (dek) dan bawah (bottom) karena pada lokasi tersebut merupakan daerah yang mengalami tegangan terbesar. Adapun untuk tegangan geser umumnya lokasi tersebut berada di sekitar netral axis.

Tujuan perhitungan kekuatan longitudinal kapal adalah menghitung kekuatan kapal sebagai satu keseluruhan (hull girder) dengan mengasumsikan lambung kapal sebagai satu balok. Kapal dianggap sebagai suatu balok berongga yang terapung di air yang memikul gaya berat yang terdistribusi sepanjang kapal dan gaya tekan air, baik pada saat kapal berada di atas puncak gelombang (hogging condition) atau di lembah gelombrng (sagging condition) selama dalam pelayaran.

Tegangan-tegangan (stress) timbul disebabkan karena gaya berat kapal (LWT + DWT) pada suatu bagian panjang yang arahnya ke bawah dan gaya tekan ke atas (tekanan air) yang bekerja pada tiap-tiap panjang kapal. Hal itu akan menimbulkan tegangan lengkung (bending stress) yang besarnya bergantung pada pemuatan dan panjang serta tinggi gelombang. Gambar 2. memperlihatkan distribusi beban sepanjang kapal dan kondisi tegangan pada saat kondisi hogging dan sugging (Lehmann, 2005).

(3)

Kapal berada di Puncak Gelombang Kapal Berada di l-embah Gelombang Gambar 2 Kapal di Air Bergelombang

(Sumber: Lehmann, 2005).

Konsep Perhitungan Kekuatan Longitudinal Kapal

Dalam perhitungan kekuatan kapal berlaku hukum dasar statika yaitu keseimbangan:

ΣF = 0 dan ΣM = 0

Artinya gaya yang bekerja akan saling meniadakan, demikian juga hal momen.

Integrasi dari diferensiasi gaya berat dan gaya apung adalah gaya lintang, dapat dihitung dengan formula (Lehmann, 2005):

ܳሺݔሻ = _଴௫ (௫)− (௫) ; w adalah gaya berat dan b = gaya apung

Selanjutnya untuk mendapatkan sebaran momen lengkung sepanjang kapal, digunakan formula

ሺݔሻ = ܳ(௫) ௅

଴

Ganbar 3. Skema Perhitungan Momen Longitudinal (Sumber: Lehmann, 2005)

(4)

Momen yang bekerja di penampang tengah kapal dapat dikalkulasi dengan menjumlahkan momen masing-masing komponen gaya yang bekerja sepanjang lambung kapal yang dipandang sebagai balok, seperti dapat dilihat pada Gambar 3, dengan menggunakan formula berikut (Lehmann, 2005):

Secara umum prosedur perhitungan kekuatan memanjang kapal adalah sebagai berikut: a. Penggambaran profil gelombang.

b. Perhitungan gaya tekan ke atas.

c. Perhitungan berat kapal (LWT + DWT). d. Perhitungan gaya lintang dan momen.

Secara tradisi, khususnya pada Jurusan perkapalan unhas, perhitungan kekuatan longitudinal kapal didasarakan atas metode yang dibuat Henschke (1957) dengan menggunakan matriks atau tabel. Cara ini tergolong mudah apalagi dengan bantan kmputer (Microsoft Excel). Menurut Henschke (1957) dan Schultz (1995) perhitungan kekuatan longitudinal saat kapal berada di air yang bergelombang maka tipe gelombang yang cocok dipakai adalah gelombang trochoidal, karena hasil perhitungan mendekati hasil eksperimen.

Untuk penggambaran gelombang trochiodal dapat dipergunakan harga-harga fakfor C sesuai Tabel 2. Ordinat ombak atau gelombang didapat dari Persamaan Y : H x C (Henschke, 1957).

Tabel 2 Nilai C

Kondisi AP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hogging 0 0,019 0,075 0,l68 0,292 0,438 0,594 0,748 0,879 0,968 1 Sagging 1 0,966 0,871 0,735 0,578 0,422 0,280 0,160 0,072 0,018 0 Sumber: Henschke, 1957

Dalam penggambaran gelombang trochidal pada diagram carena (bonjean curve) diperhatikan, hendaknya H, L dalam bonjean cwrye mempunyai skala panjang yang sama. Grafik gaya tekan ke atas didapat dari bonjean curve. Ordinat gaya tekan ke atas merupakan luas penampang melintang kapal pada posisi tersebut, satuanya ton/m untuk mendapatkan displasmen, diperhitungkan massa jenis air dan faktor kulit kapal.

Untuk penggambaran kurva berat yang dihitung terdiri dari berat kapal kosong berat muatan, berat instalasi mesin, berat bahan bakar, air tawar, maupun berat ballas dalam tangki. Perhitungan berat kapal dapat ditentukan dengan menggunakan metode perhitungan berat perkompenen, menggunakan rumus empiris pendekatan. Dalam membuat kurva berat kapal kosong, dapat digunakan metode empiris (Henschke, 1957) dengan distribusi berat seperti Gambar 4 dan Tabel 3.

Gambar 4. Distribusi Berat Kapal Kosong Tabel3 Nilai k

k a b c

Untuk kapal barang langsins 0.653 1.195 0.566

Untuk kapal sedang 0.680 1.185 0.580

Untuk barang gemuk 0.706 1.174 0.596

(5)

Gaya lintang dan momen

Gaya lintang/ gaya geser (shear force) adalah gaya yang ditimbulkan oleh besar pembebanan yang menimbulkan gaya normal atau tegak lurus sumbu balok. Pembebanan adalah gaya yang membebani struktur konstruksi pada kapal dalam hal ini selisih antara distribusi gaya berat kapal dengan distribusi gaya tekan ke atas.

Momen adalah gerakan yang ditimbulkan oleh adanya dua gaya atau lebih pada suatu benda. Dengan kata lain momen adalah besar gaya yang bekerj a pada benda dengan jarak tertentu. Gaya-gaya yang dimaksud dalam perhitungan ini adatah gaya berat kapal dan gaya tekan ke atas.

Di atas telah didapatkan kurva berat g(x) dan kurva gaya tekan ke atas a(x), selanjutnya kedua kurva tersebut digambarkan secara bersamaan. Secara umum persufirilan gaya lintang dan momem adalah:

Q(x) = ∫ (q(x) - a(x))dx

M(x)= ∫ Q(x) dx

Dalam hal ini : Q (x) : gaya lintang q (x) : gaya berat kapal a(x) : gaya apung M (x) : Momen

Dengan pendekatan metode elemen hingga sebenamya sebaran momen lengkung dan gaya lintang yang bekerjapada lambung kapal,yang dalam analisis kekuatan longitudinal dipandang sebagai balok memanjang, dapat dihitung dengan mudah sekali. Lambung kapal dimodelkan sebagai "frame", dengan jumlah nodal 21 sebagaimana lajimnya pembagian section kapal.Lalu diberi beban sesuai dengan selisih tekanan dan berat yang telah diperoleh. Program FE akan menghasilkan momen dan gaya lintang. Secara sekematis pemodelannya adalah seperti Gambar 5.

Gambar 5. Pemodelan Lambung Kapal Sebagai Balok

Pemrograman DelphiTM untuk Perhitungan Kekuatan Kapal

DelphiTM adalah sebuah perangkat lunak (bahasa pemrograman) untuk membuat program aplikasi komputer berbasis windows. DelphiTM merupakan bahasa pemrograman berbasis objek, artinya semua komponen yang ada merupakan objek-objek. Ciri sebuah objek adalah memiliki nama, properti dan method/procedure. DelphiTM disebut juga visual programming artinya komponen yang ada tidak hanya berupa teks (yang sebenarnya program- kecil) tetapi muncul berupa gambar-gambar.

Input Data

Yang termasuk data masukan (input) pada perhitungan kekuatan longitudinal kapal dengan menggunakan progam Borland DelphiTM adalah:

1. Panjang kapal (LBP), 2. Lebar kapal (B), 3. Sarat kapal (T),

(6)

4. Kecepatan kapal (Vs), 5. Sudut fase gelombang ( ),

6. Luasan gading pada air tenang dan bergelombang (deperoleh dari penggambaran profil gelombang pada bonjean curve),

7. Volume tangki-tangki,

8. Dimensi geladak dan bangunan atas,

9. Peralatan, perlengkapan, provision dan barang bawaan ABK. Profil gelombang

Profil gelombang yang terbentuk akan digunakan mementukan luasan gading yang terbenam oleh gelombang. Pada bagian Form ini diberikan pilihan profil glombang yaitu: gelombang sinosoidal dan gelombang trochoidal. Menurut Schultz, 1995 perhitungan kekuatan lngitudinal kapal yang didasarkan atas gelombang sinusoidal menghasilkan tegangan dan deformasi yang tidak sesuai dengan hasil percobaan skala penuh pada kapal sehingga tidak dianjurkan untuk digunakan. Untuk gelombang sinusoidal dihitung sesuai dengan persamaan formasi gelombang. Dengan mengklik tombol curve, maka di layar akan menampilkan profil gelombang yang telah dipilih.

Distribusi gaya tekan ke atas dan Titik Tekan

Perhitungan distribusi gaya tekan ke atas dan LCB kapal bertujuan menentukan besar displasmen kapal baik pada kondisi air tenang maupun pada saat air bergelombang. Proses perhitungan dimulai dengan mengukur luasan gading yang terbenam, bila kapal di air tenang maka luasan gading diukur pada sarat desain kapal pada bonjean curve sedangkan kapal yang berada pada gelombang penentuan tusm gading yang terbenam dilakukan dengan cara sebagai berikut:

a. Meletakkan profil gelombang yang telah didapat sebelumnya pada bonjean curve. Skala panjang dan tinggi gelombang harus sesuai dengan skala panjang dan tinggi kapal pada bonjean curve.

b. Ukur luas masing-masing gading yang terbenam pada bonjean curve.

c. Hasil pengukuran luas masing-masing gading di-input pada tabel. Untuk simpangan displasmen dan simpangan LCB pada saat kapal berada pada air tenang dengan saat berada pada gelombang diberikan rumus sebagai berikut:

1 = (1/3)*1* 1 (formula simpson) 2 = Lpp * B * T * cb * 1,031

Kontrol D = (( 2 - 1 )/ 2)* ( 100%) < 5% LCB1 :( 3 / 2)* l

Kontrol LCB: ((LCB2-LCB I )/LCB2)*(100%) < ±5 %

Kontrol displasmen dan LCB diperlukan agar dipastikan kondisi keseimbangan kapal tetap terjamin, karena analisis ini bersifat analisis elastostatika.

Perhitungan berat kapal kosong

Perhitungan berat kapal kosong meliputi berat peralatan dan perlengkapan lambung, berat geladak dan bangunan atas, dan berat tangki-tangki. Program telah menyiapkan form input interaktif sehingga sangat memudahkan penggunaanya. Perhitungan berat peralatan dan perlengkapan lambung da berat peralatan dan perlengkapan lambung meliputi: berat lambung kapal, berat peralatan pada ujung kapal, berat peralatan bongkar muat, baling-baling dan poros di luar kamar mesin dnn mesin beserta perlengkapanya.

Perhitungan berat geladak dan bangunan atas, untuk mendapatkan berat geladak dan bangunan atas maka di-input lah ukuran (dimensi-dimesi) setiap kompartemen berdasarkan gambar general arrangement. Berat yang termasuk di sini adalah berat forecastle, berat poop deck dan berat deck house (rumah geladak). Demikian juga dengan perhitungan komponen berat lainnya, seperti forecastle, poopdeck, deck house dan lain sebagainya. Perhitungan berat tangki-tangki adalah tangki ceruk haluan, tangki ceruk buritan dan tangki ballas. Untuk mendapatkan berat tangki maka pada form ini di-input volume tangki. Berat tangki-tangki tersebut hanya dihitung jika akan mrenghitung berat air ballast yang digunakan pada kapal. Jika air ballas kapal tidak dimasukan dalam perhitungan maka data input untuk volume tangki dikosongkan. Perhitungan bobot mati kapal meliputi berat oil supply, berat awak kapal dan water supply dan provision dan barang bawaan/kabin awak.

(7)

Perhitungan distribusi berat kapal

Perhitungan disribusi berat kapal terdapat pada sebuah Form tersendiri dalam program. Perhitungan distribusi berat kapal bertujuan untuk menentukan besar sebaran berat kapal tiap section (gading)- Berat dalam hal ini merupakan berat masing-masing bagian kapal baik DWT marrPfrn LWT didistribusikan untuk masing-masing seksi. Seksi yang digunakan dalam perhitungan ini adalah sesuai dengan yang lazimnya dalam gamabr rencana garis yaitu dua puluh seksi. Setiap kompartemen kapal didistribusikan berdasarkan perintah program, artinya berat didistribusikan pada setiap gading yang telah diatur oleh program. Penentuan distribusi berat kapal menggunakan metode empiris, yakni distribusi berbentuk trapesium. Berat forecasrle didistribusikan dalam bentuk segi tiga sepanjang forecastle. Berat poop deck didistribusikan secara linier sepanjang poop deck. Berat deck house didistribusikan merata.

Distribusi berat deck house berbentuk persegi. Distribusi berat peralatan ujung depan dan ujung belakang kapal, terdiri dari jangkar, cable, howser, windlass, capstan, bollard, dan steeing geer. Distibusi beban peralatan di ujung kapal berbentuk segi empat. Penyebaran berat tiap gading didistribusikan dari gading AP sampai dengan gading seksi no 1 untuk peralatan ujung belakang kapal dan dari gading 19 sampai gading 20 untuk peralatan pada ujung depan kapal.

Beban kamar mesin terdiri dari beban permesinan termasuk konstruksi cerobong, dll. Distribusi beban permsinan kapal berbentuk segi empat dan didistribusikan dari gading P sampai gading seksi 4. Distribusi beban baling-baling dan poros di luar kamar mesin berbentuk segi empat. Distribusi berat payload, bagi kapal barang, komponen utama DWT yang paling besar pengaruhnya adalah payload (muatan). Distribusi antara dua gading dapat dihitung dari luas bouyancy yaitu:

Harga rata-rata luas buoyancy stowage.factor muatan

Stowage factor adalah volume ruangan yang dibutuhkan oleh satu ton barang (muatan), luas buoyancy adalah luas gading yang diukur pada geladak dikurangi luas gading pada alas dalam, demikian juga dengan zat cair ataupun ballas. Berat payload didistribusikan dari gading sekai 4 sampai dengan gading seksi 19 atau sepanjang ruang muat.

Sama halnya dengan payload, distribusi berat bahan bakar, minyak pelumas dan air tawar diselesaikan dengan bentuk persegi. Data yang diperlukan untuk mendistribusikan berat tersebut adalah luas alas dalam, data tersebut diinput pada Form2 pada program. Berat bahan bakar, minyak pelumas dan air tawar didistribusikan dari gading seksi 4 sampai13 atau sesuai dengn peletakan tangki.

Distribusi berat ABK diselesaikan dengan berbentuk segi empat. Berat ABK didistribusikan dari gading AP sampai dengan gading seksi 4 dengan distribusi berat dirumuskan sebagai berikut :

Beban merata (QAbk) = Berat ABK 14 x (lbp/20)

Distribusi berat ABK = Beban merata (QAbk). Perhitungan distribusi gaya lintang dan momen

Perhitungan gaya lintang dan momen bertujuan menghitung gaya lintang dan momen lengkung maksimum yang terjadi pada kapal. Gaya lintang atau gaya geser (shear force) adalah gaya yang ditimbulkan oleh pembebanan. Pembebanan adalah gaya yang membebani struktur konstruksi kapal dalam hal ini selisih antara distribusi gaya berat kapal dengan distribusi gaya tekan ke atas. Secara umum rumus yang digunakan untuk menetukan gaya menggunakan prinsip statika.

Momen adalah gaya yang bekerja pada benda yang membuat benda tersebut terputar karena adanya dua gaya atau lebih. Dengan kata lain momen adalah besar gaya yang bekeja pada benda dengan jarak tertentu. Gaya-gaya yang dimaksud dalam perhitungan ini adalah Gaya-gaya berat kapal dan Gaya-gaya tekan ke atas. Gambar 6 menunjukkan hasil perhitungar dari program.

(8)

Gambar 6 Kurva a(x), q(x), p(x), Q(x) dan M(x) (Keluaran Program)

SIMPULAN

Simpulan yang diperoleh dari pembuatan program perhitungan kekuatan longitudinal kapal ini adalah sebagai berikut:

1. Program ini dapat dengan mudah dipahami dan dijalankan sebagai bahan pembelajaran karena langkah perhitungan masih banyak yang harus menggunakan cara hitungan manual.

2. Perhitungan menggunakan program ini akan membuat mahasiswa tertantang untuk berpikir dan menganalisis hasil perhitungan dengan analogi mekanika dan satika sederhana.

3. Ketelitian hasil perhitungan momen maksimum program dengan perhitungan manual untuk digunakan sebagai dasar pengambilan keutusan dalam analisis kekutaan kapal dalam kondisi nyata masih membutuhkan langkah verifikasi.

SARAN

Program ini masih dapat dikembangan lebih lanjut, perbaikan masih mutlak dilakukan. Karena program ini hanya menggunakan 20 gading, kiranya pada pengembangan lebih lanjut dapat dibuat pilihan (option) jumlah gading yang lebih banyak. Program ini masih menginput luasan gading yang dibentuk oleh profil gelombang pada kurva bonjean sehingga penginputan dilakukan lebih dari satu kali untuk mendapatkan nilai simpangan displasmen yang di izinkan. Pengembangan selanjutnya program dapat menghitung/membaca kurva bojean . Pengguna hanya perlu memasukkan nilai penambahan atau pengurangan tinggi sumbu gelombang untuk mendapatkan nilai simpangan displasmen yang diijinkan.

DAFTAR PUSTAKA

Bahri. 2008. Pemrograman Delphi, Panduan Praktis. Andi Offset. Jogyakarta. Henschke, H. (ed). 1957. Schiffstechnisches Handbuch. Band I. VEB Verlag. Berlin.

Lehmann, Eike. 2005. Grundzuege des Schiffbaus. Arbeitsbereich Schiffstechnische Konstruktionen und Berechnungen. TU-HH. Hamburg.

Okumoto, Yasuhisa. et al. 2009. Design of Ship Hull Structures. A Practical Guides for Engineers. Springer. Berlin

Schultz, G. 1995. Schiffsfestigkeit und -Konstruktionen. Institut fuer Schiffbau. Technische Universitaet Achen. Achen.