0455: Sahlan dkk. TR-81

KAJIAN DISAIN KAPAL CEPAT BERBAHAN ALUMINIUM SEBAGAISARANA TRANSPORTASI SUNGAI DAN LAUT YANG AMAN,

NYAMAN DAN RAMAH LINGKUNGAN

Sahlan∗, Samudro, Wibowo H.N., Arifin, dan Ahmad S.M.

UPT. BPPH BPP TeknologiJl. 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 eraperdagangan global telah mendorong kemajuan ekonomi yang berdampak pada tuntutan sarana transportasi laut berupa kapalcepat 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 linesplan, hidrostatik, propeller, seakeeping, manoeuvring, wake dan analisa struktur dilakukan guna memenuhi konsep desain kapalcepat agar layak dioperasikan. Secara umum dapat dikatakan, kapal cepat yang direncanakan mempunyai karakteristik yangbaik dan berada dalam batas kriteria keselamatan dan kenyamanan yang ditetapkan oleh IMO. Akan tetapi, masih ada beberapaaspek 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. PENDAHULUANSumatera Selatan merupakan salah satu provinsi

di Indonesia yang juga sedang mengalami kemajuanekonomi yang pesat saat ini. Hal ini menyebabkanterjadinya arus penumpang dan barang yang keluarmasuk ke provinsi tersebut. Salah satu moda trans-portasi yang unggul untuk melayani arus penumpangdan barang tersebut adalah kapal karena selain hargatiket yang terjangkau (murah), penumpang dan barangdapat diangkut dalam jumlah yang besar. Salah satuindikator dari besarnya arus keluar masuk barangdan 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.TambangTimah di Pulau Bangka, moda transportasi kapal jugadibutuhkan oleh penumpang baik dari Palembangmaupun dari Bangka Berkembangnya aktifitas ekonomiseperti yang disebutkan sebelumnya belum ditunjangdengan armada angkutan laut yang memadai dari segijumlah, waktu tempuh singkat maupun aspek kea-manan dan kenyamanannya. Hal ini menyebabkankebutuhan akan kapal cepat penyeberangan angkutpenumpang dan barang sangat mendesak.

Pada saat ini sarana transportasi yang telah digu-

nakan untuk angkutan penyeberangan adalah kapalcepat penumpang dan barang baik kapal yang ter-buat dari baja, aluminium, kayu, maupun fiber. Saturekayasa kapal cepat berbahan aluminium dilakukanguna meningkatkan kualitas sarana transportasi yangtelah ada. Dengan kapal berbahan aluminium ini di-harapkan akan diperoleh nilai ekonomis yang tinggikarena biaya perawatan dan operasional kapal yangjauh lebih rendah dari kapal lainnya. Selain itu, ka-pal berbahan aluminium juga memiliki konstruksi yangringan hal ini tentunya kapasitas beban muatan dapatjauh lebih banyak sehingga dapat menambah keuntun-gan bagi pemilik kapal dan bagi masyarakat penggunajasa transportasi sungai dan laut Dengan adanya desainmelalui rekayasa kapal aluminium ini tentunya akan di-dapat sarana transportasi kapal aluminium untuk ang-kutan penyeberangan yang benar-benar sesuai kondisiperairan yang dilaluinya, aman, nyaman dan ramahlingkungan. Diharapkan dengan pemanfaatan hasil de-sain teknologi kapal aluminium dalam negeri ini, akanmembuat pihak galangan kapal dapat melakukan kon-sultasi rancang bangun dengan cepat sehingga waktupembangunan kapal lebih singkat, dengan kata lainproduktivitas meningkat.

Langkah awal untuk memulai riset rekayasa kapal

Prosiding InSINas 2012

TR-82 0455: Sahlan dkk.

aluminium ini telah dilakukan semacam studi pus-taka mengenai desain badan kapal secara komprehensifyang dimulai dari perhitungan stabilitas, resistansi danpropulsi serta gerakan kapal dengan memakai acuanPrinciple of Naval Architecture (PNA1988) volume I, II,III [2,3,4]. Untuk segi gerak kapal secara detail dalamriset ini diaplikasikan persamaan persamaan gerak ka-pal terpakai dari Bhattacharya, R (1978) [1] serta peneli-tian lanjutan yang dilakukan oleh Sahlan [5] dimanalebih menitikberatkan pada tata letak ruangan atau ren-cana umum kapal ferry.

Untuk mendapatkan hasil rancangan kapal cepatyang aman, nyaman dan ramah lingkungan maka telahdilakukan kajian numerik dan didukung oleh surveylapangan yang meliputi optimalisasi desain lambungkapal, pemilihan mesin penggerak utama serta bal-ing - balingnya, karakteristik gerakan kapal (seakeep-ing) dan olah gerak kapal (manouvering), pengukurangerakan kapal pada saat berlayar serta pengamatanpola gelombang yang terbentuk akibat gerakan kapalcepat terutama saat melintas di sungai. Penelitian di-lanjutkan dengan melakukan uji model hidrodinamikaterhadap hasil optimalisasi lambung kapal aluminiumyang dilanjutkan dengan perencanaan umum (GeneralArrangement) berupa tata letak mesin bantu, pengat-uran ruang, kemudian dilanjutkan perhitungan keku-atan struktur kapal aluminium, dimana direncanakankapal ini dapat beroperasi secara handal pada kondisiperairan operasionalnya.

II. METODOLOGIA. Stabilitas Kapal

Pada peninjauan stabilitas suatu kapal, pertama-tama harus kita perhatikan tiga buah titik yangmemegang peranan penting, yaitu ; (a)Titik G (Grav-ity) adalah titik berat dari pada kapal, (b) Titik Badalah 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 vektorgaya tekanan pada keadaan tetap dengan vektor gayatekanan keatas pada sudut oleng yang kecil (delta φ).Untuk kapal-kapal yang mengalami kemiringan baikoleng maupun trim yang disebabkan oleh gaya-gayadari luar dengan anggapan bahwa titik G tidak meng-alami perubahan (muatan kapal tidak bergeser/ ditam-bah/dikurangi); maka tititk B akan berpindah letaknyahal ini disebabkan karena bentuk bagian bawah kapalyang ada dalam air akan mengalami perubahan sepertiyang diperlihatkan pada Gambar 1 di bawah ini.

Untuk kapal yang oleng, B akan berubah menjadi Bφpada bidang melintang kapal, sedangkan untuk trim Bakan berpindah menjadi Bφ pada bidang memanjangkapal. Sebagai contoh untuk kapal yang mengalamioleng (lihat gambar) titik G dan Bφ tidak terletak padasatu garis vertikal lagi terhadap garis air yang baru W’L’

GAMBAR 1: 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 = Mg sinφ, dan Mgdisebut sebagai tinggi metasentra.

B. Tahanan KapalTahanan kapal dipertimbangkan sebagai gaya steady

yang bekerja pada kapal dapat dihitung dari persamaanempiris sebagai berikut:

Fi =1

2ρV 2SiCdi (11)

d imana, ρ adalah spesifik densiti air laut, V adalahkecepatan kapal, Si adalah luasan permukaan basah,sedang Cd adalah koefisien drag.

Koefisien drag diperoleh dari kurva drag hasil modeleksperimen. Pada eksperimen di kolam tarik (TT) hasildari pengukuran resistance yang ditampilkan meru-pakan besaran skala penuh yang terjadi pada kapalsebenarnya dengan menggunakan persamaan berikut:

Fs = Fmλ3 ρsρm

(12)

di mana subkrip s adalah untuk kapal sebenarnyadan m untuk model sedangkan λ adalah skala model.

C. Gerak KapalSebuah kapal yang bergerak di laut bebas hampir se-

lalu mengalami gerakan osilasi. Gerakan osilasi yangdialami kapal diperlihatkan pada GAMBAR 2 yang manamemperlihatkan 6 jenis gerakan yang mana terdiri dari3 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 adalahgerakan heave, roll, dan pitch karena beberapa sifat ger-akan ini yang merugikan atara lain dari segi keamanan

Prosiding InSINas 2012

0455: Sahlan dkk. TR-83

GAMBAR 2: Enam gerakan kapal di laut.

dan kenyamanan penumpang dan struktur kapal padaumumnya.

Selain itu, frekuensi eksitasi dari gerakan dan mo-men kapal akibat adanya gelombang dengan arahtertentu (dominan) dapat diperoleh dengan memper-hatikan GAMBAR 3. Dari gambar tersebut komponen ke-cepatan kapal v yang searah dengan gelombang adalahv cos(µ) dan kecepatan relatip kapal terhadap gelom-bang adalah kecepatan gelombang (vw) − v cos(µ). Se-hingga waktu yang ditempuh oleh kapal dari puncakgelombang ke puncak berikutnya atau periode gelom-bangnya (Tε) adalah:

GAMBAR 3: Arah kapal terhadap gelombang yang menerpa.

Tε =Tw

1− (v/vw) cosµ(13)

di mana Tw adalah pembagian panjang gelombangLw oleh kecepatan gelombang , perlu diingat bahwaapabila kapal berlayar berlawanan arah dengan gelom-bang maka harga cos(µ) adalah negatif. Dari PERS. (13)di atas maka kecepatan sudut eksitasi momen dapat di-tulis:

ωε = ωw

(1− ωw

v

gcosµ

)(14)

di mana kecepatan gelombang vwadalah pembagianpercepatan gravitasi g oleh kecepatan sudut gelombangωw selanjutnya persamaan tersebut tentunya dapat di-selesaikan dengan bantuan metoda numerik/uji model.

D. Kekuatan Kapal AluminiumMaterial utama konstruksi badan kapal adalah alu-

minium dengan memakai persyaratan ketat aturan BKI2010. Analisa kekuatan struktur kapal aluminiumdiperlukan dengan melakukan perhitungan teganganmaksimum yang terjadi, dalam hal ini perhitungantegangan 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 balokelementer (balok Bernoulli-Euler) dapat diperoleh daribanyak buku mengenai kekuatan bahan, dan di siniakan dibahas secara ringkas. Hasil terpenting dalamkerangka perhitungan kekuatan adalah hubungan an-tara tegangan memanjang kapal aluminium yang bek-erja di bidang pelat dengan momen lengkung yangbekerja di sebuah titik (x,z) pada panjang kapalaluminiumM(x):

σx = −M(x)z

I(15)

di mana z adalah jarak meninggi titik yang ditin-jau pada x, dan Iadalah momen inersia keseluruhanpenampang melintang struktur kapal aluminium dititik xdihitung terhadap sumbu netral melintang ka-pal tempat titik berat keseluruhan penampang melin-tang kapal aluminium tersebut berada. Jelas bahwategangan-tegangan ekstrem terjadi pada serat teratasatau terbawah pada balok, yaitu saat zmemiliki harga-harganya yang terbesarzmax. Besaran I/zmax dise-but modulus penampang balok di titik x (tepatnyabidang melintang yang melalui titik x). Pada kasuskapal aluminium ini tegangan maksimum yang terjaditidak boleh melebihi dari tegangan material aluminiumyang telah dipersyaratkan. Perencanaan & Perhitungankekuatan kapal aluminium ini dilakukan berdasarkanaturan biro klasifikasi Indonesia 2010, dengan pertim-bangan bahwa struktur kapal aluminium harus dapatbertahan terhadap beban – beban lingkungan di lautlepas seperti gelombang, arus dan angin, kemudianseperti 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, dimanahasil yang didapat mendukung hasil perhitungan de-ngan menggunakan aturan klasifikasi bangunan laut.

Kajian nantinya akan diperiksa kelayakannya secarateknis untuk disetujui oleh pihak Biro Klasifikasi In-donesia sebagai standarisasi kelayakan pembangunankapal di Indonesia.

Prosiding InSINas 2012

TR-84 0455: Sahlan dkk.

III. HASIL DAN PEMBAHASANUntuk membangun sebuah kapal, sesuatu yang di-

butuhkan terlebih dahulu adalah gambar rancangan-nya. Dalam perencanaannya yang harus diperhatikanadalah permintaan dari pemesan kapal (Design Re-quirement) yang biasanya disebut juga dengan data tek-nis. Data teknis yang dibutuhkan ini biasanya terdiridari lima komponen utama yaitu tipe dan jenis kapal,muatan ( jenis dan kapasitas muat ), kecepatan, rutepelayaran dan sarat batas kapal. Dari data ini baru bisadirancang sebuah kapal dengan terlebih dahulu men-cari ukuran utama kapal tersebut dengan metode yangsudah ada.

A. Lines PlanDari hasil modifikasi desain, diperoleh ukuran

utama dan lines plan sebagaimana ditunjukkan olehgambar berikut.

GAMBAR 4: Lines Plan Kapal.

Adapun data hidrostatik yang diperoleh dari per-hitungan sesuai data ukuran utamanya adalah se-bagaimana ditunjukkan oleh grafik pada GAMBAR 5berikut.

GAMBAR 5: 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 PropellerDiantara sejumlah seri submerged propeller yang

tersedia, Wageningen B-series merupakan seri yangterlengkap, baik dalam jumlah variasi tipe modelyang diuji maupun karakteristiknya. Seri ini memanglebih ditujukan untuk propeller kapal komersil, namundalam beberapa rancangan sistem propulsi kapal cepat,seri propeller ini masih dapat diaplikasikan denganmemperhatikan faktor pembebanan daun propeller dankondisi kavitasi (Allison, 1978 dan Blount, 1997).

Adapun hasil perancangan propeller untuk kapalcepat berbahan aluminium sebagaimana ditunjukkanoleh GAMBAR 6 berikut.

GAMBAR 6: Propeller Right Hand Kapal Aluminium.

Adapun besaran efisiensi hasil perhitungan numerikpada kecepatan operasional kapal adalah sebagai manaditunjukkan pada TABEL 1.

TABEL 1: 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. SeakeepingBerdasarkan perhitungan numerik yang dilakukan

maka diberoleh Response Amplitude Operator (RAO)beberapa gerakan vertikal yang dianggap berpengaruhsecara signifikan terhadap keamanan dan kenyamanankapal maupun penumpang yaitu RAO gerakan heave,roll dan pitch pada beberapa sudut heading. Grafik-grafik tersebut sebagaimana ditunjukkan oleh GAM-BAR 7, GAMBAR 8 dan GAMBAR 9.

Prosiding InSINas 2012

0455: Sahlan dkk. TR-85

GAMBAR 7: RAO pada kondisi sudut heading ψ =90◦

GAMBAR 8: RAO pada kondisi sudut heading ψ =135◦

GAMBAR 9: RAO pada kondisi sudut heading ψ =180◦

Berdasarkan data keluaran simulasi numerik, dike-tahui bahwa RAO sudut roll dan pitch yang terjaditidak lebih dari 3 deg/m. Hal ini berarti bahwa padakondisi tinggi gelombang 3m, sudut yang terjadi adalahkurang 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 antarakedua RAO gerakan roll dan pitch terutama un-tuk sudut heading 135◦(bow quartering) pada kon-disi gelombang Hs = 2m dan Tp = 6s. Adapunhasil perbandingan tersebut sebagaimana ditunjukkanoleh GAMBAR 10 (gerakan roll) dan GAMBAR 11 (gerakanpitch) sebagai berikut.

Dari GAMBAR 10 terlihat bahwa pada kondisi ope-

GAMBAR 10: Perbandingan RAO gerakan roll.

GAMBAR 11: Perbandingan RAO gerakan pitch

rasional kapal yaitu pada frekuensi encounter sebesar0.35, gerakan roll pada kapal yang ada, gerakan rollyang terjadi cenderung cukup besar. Adapun pada de-sain kapal cepat yang baru RAO sebesar 0.7 deg/m.

Demikian halnya dengan gerakan pitch sebagaimanaterlihat pada GAMBAR 11, terlihat bahwa gerakan pitchpada encounter frekuensi 0.35, RAO pitch untuk kapalyang ada cenderung lebih besar, dan untuk desain yangbaru RAO berkisar 0.5 deg/m.

Prosiding InSINas 2012

TR-86 0455: Sahlan dkk.

Dengan demikian, kapal cepat desain baru mempun-yai kelebihan dalam hal mengurangi gerakan roll danpitch yang erat kaitannya dengan keamanan dan kenya-manan kapal pada saat beroperasi.

D. ManoeuvringBerdasarkan perhitungan numerik dengan program

SURSIM untuk gerakan turning pada sudut kemudi35◦dan zig-zag 20/20◦, dan diperoleh hasil seba-gaimana ditunjukkan oleh GAMBAR 12 dan GAMBAR 13berikut.

GAMBAR 12: Gerakan Turning Circle 35◦

GAMBAR 13: 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 kriteriaIMO TD<5L dan Ad<1.68L.

E. WakeDari hasil simulasi numerik kemudian diplotkan

dalam bentuk pressure contour sebagaimana ditunjuk-kan oleh GAMBAR 14 berikut.

Dari gambar di atas diketahui bahwa pressure padagelombang tranversal sudah cukup rendah sehinggadapat dikatakan tidak begitu membahayakan terhadap

GAMBAR 14: Pola Wake Kapal Cepat.

bangunan maupun aktifitas yang berada di daerah per-lintasannya.

IV. KESIMPULANModifikasi desain kapal cepat yang dilakukan de-

ngan memperhatikan aspek-aspek desain, mempunyaikarakteristik yang cukup baik dan memenuhi kriteriakeselamatan dan keamanan yang ditetapkan oleh In-ternational Maritime Organization (IMO) serta ramahlingkungan.

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, LaporanAkhir PKPP

Prosiding InSINas 2012