7

REKAYASA GARIS LAMBUNG (HULL LINES) KAPAL

UNTUK TRANSPORTASI SUNGAI DAN LAUT YANG HANDAL, AMAN DAN NYAMAN

SEBAGAI ANGKUTAN PENUMPANG/BARANG

Sahlan1)

, Wibowo HN1)

, A. Jamaluddin1)

1Unit Pelaksana Teknis Balai Pengkajian dan Penelitian Hidrodinamika (UPT BPPH)

Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT)

Telepon (031) 5948060

Email: Sahlan1203@yahoo.com

Jakarta, 7 - 8 November 2013

ABSTRAK

Rekayasa desain garis lambung kapal muat barang (U – Form) dan kapal cepat (V – Form) dengan

ukuran utama Lpp = 35,715 m, B = 7,5m , D = 2,5 m serta T = 1.5 m, dipresentasikan pada makalah ini.

Penelitian ini bertujuan untuk mengambil segi positip dari kedua bentuk lambung kapal ini. Yaitu

pertama berupa kemampuan dari U – form untuk mengangkut barang yang besar dan stabilitas serta

seakeeping yang baik dan selanjutnya kemampuan kecepatan kapal yang tergolong tinggi dengan angka

Froude > 0.4 serta manuverabilitas yang lincah bisa didapat dari bentuk yang kedua. Kajian

hidrodinamika yang terdiri dari perhitungan numerik dan uji model di kolam uji tarik UPT – BPPH akan

ditampilkan pada paper ini. Dari hasil pengujian model di kolam tarik menunjukkan kemampuan kapal

desain baru ini untuk melaju dengan kecepatan operasional hingga 19, 5 knot dengan baik dengan

melakukan beberapa modifikasi desain untuk mengurangi efek “wash” dan spray kapal saat berada di

daerah perairan sungai dan laut. Desain garis badan kapal hasil rekayasa setelah dimodifikasi berdasar

hasil penguian model tersebut ditampilkan juga pada paper ini. Perilaku kapal melalui pendekatan

numerik juga menunjukkan kemampuan seakeeping serta maneuvering kapal yang memenuhi syarat

keamanan yang diijinkan.

Kata Kunci : kapal ferry, hambatan & propulsi, seakeeping, maneuvering.

8

I. PENDAHULUAN

Kegiatan transportasi sungai dan laut untuk

angkutan penumpang dan barang tujuan

Palembang atau Bangka sebagai penghubung

antar pulau dengan menggunakan kapal telah

berlangsung lama. Permasalahan yang sering

muncul adalah terbatasnya jumlah armada kapal

untuk mengangkut penumpang dan barang dan

juga kurang aman serta nyaman untuk kondisi

perairan yang dilaluinya. Sarana transportasi

saat ini yang digunakan untuk angkutan

penyeberangan adalah kapal cepat penumpang

dan barang baik kapal yang terbuat dari bahan

fibreglass maupun dari aluminium. Pemakaian

kapal berbahan aluminum sangat dianjurkan

karena peraturan pemerintah tentang pembatasan

pemakaian kapal berbahan fibreglass. Dengan

adanya desain melalui rekayasa kapal

aluminium ini tentunya akan didapat sarana

transportasi untuk transportasi penghubung antar

pulau yang benar-benar sesuai kondisi perairan

yang dilaluinya serta aman dan nyaman.

Paper ini membahas kajian teknis yang

komprehensif tentang kapal aluminium dimulai

dari aspek desain awalnya berupa bentuk

rencana garisnya berasal dari kajian

hidrodinamika penelitian-penelitian sebelumnya.

Kajian rencana garis ini berdasarkan

penyesuaian dari hasil survei lapangan yang

dilengkapi uji hidrodinamika terhadap aspek

resistance kapal, olah gerak hingga

seakeepingnya. Dari hasil penelitian ini akan

didapatkan suatu desain yang optimal dan

rasional. Secara umum hasil penelitian ini dapat

dimanfaatkan oleh masyarakat banyak dan

menjadi sumbangsih bagi bangsa dalam bidang

teknologi kelautan.

II. DESAIN/DIMENSI KAPAL

PENYEBRANGAN

Untuk membangun sebuah kapal, sesuatu yang

dibutuhkan terlebih dahulu adalah gambar

rancangannya. Dalam perencanaan, yang harus

diperhatikan adalah permintaan dari pemesan

kapal (Design Requirement) yang biasanya

disebut juga dengan data teknis. 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

tersebut dapat dirancang sebuah kapal dengan

terlebih dahulu mencari ukuran utama kapal

tersebut dengan metode yang sudah ada.

Rencana garis (lines plan) adalah suatu gambar

proyeksi kapal pada suatu bidang gambar dengan

bantuan garis-garis. Gambar tersebut berisi

kurva-kurva yang menggambarkan bentuk

sebuah kapal. Lines plan ini terdiri atas

beberapa gambar proyeksi yaitu pandangan

depan (body plan), pandangan samping (sheer

plan) dan pandangan tampak atas (half breadth

plan), seperti terlihat pada Gambar 1. Desain

kapal tersebut dibuatkan suatu model fisik (lihat

Gambar 2) untuk pengujian hidrodinamika di

kolam uji guna mengetahui performansi

hidrodinamikanya yang meliputi aspek

hambatan, karakteristik aliran disekitar lambung

dan olah gerak serta kehandalan gerakan kapal

diatas gelombang.

Adapun ukuran utama kapal adalah :

Panjang kapal ( Lpp ) = 35,715 m

Lebar ( B ) = 7,5 m

Tinggi ( H ) geladak utama = 2,5 m

Sarat ( T ) = 1,5 m.

Vs (Service Speed) = 19.5 KNOT

ABK = 10 Orang

Penumpang = 75 Orang Eksekutif, 200

Orang Ekonomi

Sepeda Motor = 15 unit

Gambar 1. Lines Plan Kapal Penyeberangan

Aluminium

9

Gambar 2. Model Desain Kapal

Penyeberangan Aluminium

Model kapal No. LHI – 0139 kegiatan SINas 19

KFC dibuat dari material kayu dengan laminasi

fiberglass, dengan skala 9.524 dari ukuran kapal

sebenarnya.

III. Hasil dan Diskusi Kajian Eksperimen &

Uji Model Hidrodinamika Kapal

1. Hambatan, Propulsi dan Aliran Air pada

Lambung Kapal

Pengujian hambatan (resistance test) dan paint

smear test pada model kapal dilakukan di kolam

tarik (towing tank) Laboratorium Hidrodinamika

Indonesia. Selanjutnya untuk mengetahui besar

power yang diperlukan, maka dilakukan

perhitungan numerik.

Dalam uji hambatan, model kapal ditarik oleh

carriage (kereta tarik) dan pengukuran total

gaya longitudinal pada model dilakukan dalam

beberapa variasi kecepatan. Stimulator turbulen

terdapat di halauan model kapal untuk

menstimulasi transisi dari aliran laminer menjadi

turbulen dalam lapisan batas. Selama

menjalankan pengukuran, model kapal dapat

bergerak bebas untuk gerakan heave dan pitch.

Model kapal ditarik pada kondisi beban penuh

(full load condition). untuk mengukur besarnya

hambatan kapal dengan variasi kecepatan model

1.667 – 3.334 m/det yang mewakili kecepatan

prototype 10 – 20 knot. Hasil pengujian pada

skala model di-ekstrapolasi untuk mengetahui

hambatan total kapal. Disamping itu, model

kapal diberikan ’paint smear’ untuk mengetahui

(secara visualisasi) karakteristik aliran (flow

pattern) disekitar lambung kapal.

Pada pengujian hambatan model kapal,

digunakan hipotesis Froude,. Hambatan kapal

atau model dapat dibagi menjadi dua komponen

bebas yaitu komponen viskos yang sebanding

dengan tahanan gesek dari plat datar yang sama

panjang dan permukaan basah saat ditarik

dengan kecepatan yang sama dan komponen

lainnya termasuk komponen gelombang (RW).

Pada umumnya, hambatan kapal dapat dihitung

dengan persamaan (ITTC, 2002; Molland, 2008,

2011) sebagai berikut :

RS (Rm RFm( ))

RFS( ) R

(1)

RS (Rm FD)

(2)

Dimana : FD

m2 Sm( )(CFm CFS)

R

atau (3)

FD m2 Sm {( )(CFm CFS)

C }

(4)

Pada prosedur ekstrapolasi, hambatan total kapal

dapat ditentukan dengan menggunakan koefisien

penambahan hambatan korelasi model – kapal

(CA) dan faktor bentuk (1+k) sesuai dengan

formula ITTC–1957 :

CA for the extrapolation to ideal trial condition

: 0.00068

The form factor (1+k) kondisi muatan penuh

: 1.120

Hasil pengujian hambatan dan power model

kapal diperlihatkan pada Gambar 3. Sedangkan

Gambar 4 mempresentasikan besar effective

power dan shaft power pada variasi kecepatan.

Gambar 3. Hambatan dan Power Efektif (PE)

10

Gambar 4. Effective (PE) dan Shaft Power (PS)

Dengan membandingkan data statistik hasil

pengujian hambatan dari kapal-kapal serupa,

maka bentuk lambung kapal ini dianggap sangat

baik dari aspek hambatan kapal. Dari data hasil

extrapolasi pengujian hambatan model kapal

pada kecepatan 19.5 Knot, di dapat harga

Hambatan (Resistance) pada kondisi muatan

penuh sebesar 188 KN dan harga Power Efektif

(PE) sebesar 1891 KW

Adapun profil gelombang yang diamati

sepanjang sisi lambung model kapal selama

pengujian paint smear dianggap normal untuk

jenis kapal ini. Paint smear test merupakan flow

pattern visualization Analysis. Pengujian ini

dilakukan di towing tank untuk melihat lebih

jauh tentang karakteristik aliran air disekitar

lambung kapal (daerah fore, mid dan aft body)

pada kecepatan dinas kapal. Karakteristik aliran

air disekitar lambung kapal dapat dijelaskan

sebagai berikut: Aliran air pada daerah tengah

(mid) dan belakang (aft) lambung kapal

menampakkan karakteristik aliran, lihat Gambar

5 dan 6. Sedangkan karakteristik aliran air pada

daerah depan (fore) lambung kapal

menampakkan kearah atas (lihat diatas garis air).

Hal ini menjelaskan bahwa semburan air (water

spray) cukup siknifikan terjadi didaerah

tersebut. Sedangkan arah aliran air pada daerah

depan lambung kapal (lihat dibawah garis

air).menampakkan arah aliran yang normal,

sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 7.

Gambar 5. Aliran Air dibagian Tengah (Mid)

Lambung Kapal

Gambar 6. Aliran Air dibagian

Belakang (Aft) Lambung Kapal

Gambar 7. Aliran Air dibagian

Depan (Fore) Lambung Kapal

2. Kehandalan Kapal Diatas Gelombang

(Seakeeping)

Seakeeping performance adalah kemampuan

kapal dalam operasionalnya terhadap kondisi

gelombang (Lewis, 1989), diprediksi dengan

menggunakan program naval engineering

software ”ship dynamic motion”. Perhitungan

numerik dilakukan untuk mengetahui

karakteristik dan kinerja stabilitas dinamis

(seakeeping) kapal diatas gelombang laut.

11

Parameter gerakan kapal yang dianalisa adalah

gerakan kapal yang paling siknifikan yakni

gerakan rolling, pitching & heaving. Adapun

parameter gelombang adalah pada kondisi

characteristic wave height 4 meter dan modal

wave period 9.99 detik, dengan arah gelombang

0o

(following seas), gelombang 45o

(stern

quartering seas), 90o

(beam seas), 135 o

(bow

quartering seas ) & 180o (head seas), seperti yang

dipresentasikan pada Tabel 1. Sedangkan

parameter kecepatan kapal yang disimulasikan

adalah 20 knots.

Tabel 1. Kondisi Gelombang dan Arah

Gelombang

Characteristic

Wave High

[meter]

Modal

Wave

Period

[second]

Wave

Heading

[degree]

4.000 9.995 0, 45, 90,

135, 180

Spektrum gelombang tipe P-M (Pierson and

Moskowitz, 1963) diformulasikan sebagai

berikut:

S A e B

( ) . . . 5 4

(5)

dimana:

S() = spectral density of wave heights.

= circular frequency (rad/sec).

A = 172.8 * (w1/3)2 * (T)

-4

B = 691 * (T)-4

w1/3 = significant wave height (meter).

T = average wave period (second).

Performansi seakeeping dari hasil analisa

simulasi numerik gerakan kapal dipresentasikan

dalam nilai RAO (Response Amplitude

Operators). RAO atau Transfer Function adalah

nilai rasio antara amplitudo gelombang (wave

amplitude) dan amplitudo gerakan kapal

(motion amplitude) untuk setiap frekwensi

gelombang (Maxsurf-User Manual, 2006).

(6)

dimana:

Hu =

response function of a signal u

Ua(e) = amplitude of frequency e of signal u

a(e) = amplitude of frequency e of wave

elevation

Suu(e) = spectral density of signal u

S(e) = spectral density of wave elevation

Karakteristik RAO gerakan rolling, pitching &

heaving dapat dilihat pada Gambar 8 – 10 dan

dijelaskan sebagai berikut:

Gerakan Pitch

Salah satu gerakan yang sangat dominan dimana

terjadi anggukan naik dan turunnya haluan

maupun buritan kapal. Gerakan tersebut sangat

tergantung pada kondisi gelombang dan arah

kecepatan kapal terhadap gelombang. Hasil

simulasi memperlihatkan bahwa "pitch motion"

yang extreme terjadi pada arah gelombang datang

dari belakang (following seas, 0o) dengan nilai

RAO= 3.0 dan pada arah gelombang dari samping

belakang (stern quartering seas, 45o) dengan nilai

RAO= 2.5.

Gerakan Heave

Gerakan naik dan turunnya lambung kapal dimana

gerakan ini berkaitan erat dengan pitch motion.

Maksimum "heave motion" terjadi pada stern

quartering seas (45o) dengan nilai RAO= 3.1 dan

pada following seas (0o) dengan nilai RAO= 2.55.

Gerakan Roll

Gerakan ini harus mendapat perhatian karena

dapat menimbulkan sudut dinamis yang besar

dimana energi atau gaya gelombang akan

menimbulkan eksitasi rolling yang ekstrim pada

frekuensi resonansi. Hasil simulasi

memperlihatkan bahwa "roll motion" yang

extreme terjadi pada arah gelombang datang dari

samping (beam seas, 90o) dengan nilai RAO= 3.4.

Kemudian menurun pada kondisi stern

quartering seas (45o) dan bow quartering seas

(135o) dengan nilai RAO= 2.4.

Dengan analisa di atas dapat disimpulkan bahwa

untuk satu hasil rancangan bentuk badan kapal

yang direncanakan, arah sudut datang

gelombang (wave heading) sangat

mempengaruhi besarnya RAO gerakan yang

terjadi pada kapal. Dengan demikian, maka

diharapkan hasil analisa ini perlu diketahui oleh

Nahkoda kapal untuk dapat menentukan heading

kapal yang tepat relatif terhadap gelombang

datang agar gerakan kapal yang terjadi bisa

sekecil mungkin.

e

euu

ea

eau

S

SuH

12

Gambar 8. RAO Heave sebagai fungsi wave

heading

Gambar 9. RAO Roll sebagai fungsi wave

heading

Gambar 10. RAO Pitch sebagai fungsi wave

heading

3. Olah Gerak Kapal (Maneuvering)

Kemampuan manuver kapal (ship

maneuverability) merupakan salah satu hal yang

esensi dan penting untuk diperhatikan karena

menentukan keselamatan kapal di perairan

(laut), terutama di daerah pelayaran yang sempit

seperti di area pelabuhan. Karakteristik manuver

kapal sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor

yaitu faktor eksternal (kondisi lingkungan):

angin, arus laut, kedalaman air dll, dan faktor

internal (kapal): kondisi muatan kapal, mesin

(propeller), dan kemudi (Jonk and Rem, 1989;

Journee, 2002; IMO, 2002). Kemudi sangat

berperan pada kapal dalam melakukan manuver

(olah gerak) di perairan.

Kapal harus dapat merespon secara akurat untuk

beragam pola manuver di laut atau di pelabuhan,

termasuk menghindari kapal lain, merapat di

dermaga, dll. Kinerja manuver kapal biasanya di

periksa dalam tahapan desain, dan khususnya

pada tahap kapal selesai dibangun yakni pada

pelaksanaan seatrial. Kaidah-kaidah kestabilan

dan olah gerak kapal disajikan dalam peraturan-

peraturan yang ada, baik nasional maupun

internasional. Perihal kaidah maneuvering kapal,

regulasi IMO (International Maritime

Organization) yang disebut “Standard for Ship

Maneuverabilty” (IMO, 2002). Hendaknya

dipenuhi pada saat perancangan dan operasional

kapal.

Karakteristik turning circle kapal diprediksi

berdasarkan perhitungan numerik dengan

menggunakan software Maneuvering Prediction

Program. Parameter ukur gerakan turning circle

diperlihatkan pada Gambar 11.

Gambar 11. Parameter Ukur Gerakan Turning

Circle

Hubungan antara diameter lintasan putar

(turning diameter) dan sudut kemudi (10 deg –

35 deg) kapal dipresentasikan pada Tabel 2.

Perbandingkan dengan standar kriteria manuver

kapal yang disyaratkan oleh IMO, Interim

Standard for Ship Maneuvrability- Resolution A

751 (IMO, 1993) dipresentasikan pada Tabel 3.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa terjadi

perubahan diameter lintasan putar (turning

diameter) dengan perubahan sudut kemudi,

dimana semakin besar sudut kemudi kapal maka

semakin kecil diameter lintasan putar (turning

diameter) kapal. Hal yang sama juga

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

RA

O (

Tran

sfe

r Fu

nct

ion

)

Wave Freq (rad/s)

Response Amplitude Operator HEAVEV=20 knots

0 deg

45 deg

90 deg

135 deg

180 deg

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

RA

O (

Tra

nsf

er

Fun

ctio

n)

Wave Freq (rad/s)

Response Amplitude Operator ROLLV=20 knots

0 deg

45 deg

90 deg

135 deg

180 deg

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

RA

O (

Tran

sfe

r Fu

nct

ion

)

Wave Freq (rad/s)

Response Amplitude Operator PITCHV=20 knots

0 deg

45 deg

90 deg

135 deg

180 deg

13

diperlihatkan pada parameter ukur lainnya

seperti nilai lintasan Advance, Transfer dan

Steady Speed in Turn.

Tabel 2. Kinerja Turning Circle

pada Variasi Sudut Kemudi

Parameter Rudder angles (degree)

100

150

250

350

Steady

turning

diameter /

Lpp

10.57 7.84 5.65 4.71

Tactical

diameter/ Lpp 10.71 7.98 5.79 4.85

Advance/

Lpp 6.61 5.20 4.07 3.59

Transfer/ Lpp 5.33 3.88 2.72 2.22

Steady Speed

in Turn/

Approach

Speed

0.84 0.77 0.71 0.68

Tabel 3. Komparasi Turning Circle pada

Sudut Kemudi 35 derajat dan Kriteria IMO

Paramet

er

Predicti

on

IMO

criteri

a

Remar

k

Advance/

Lpp

3.59 4.5 Pass

Tactical

diameter/

Lpp

4.85 5.0 Pass

Hasil performansi maneuver Kapal Ferry (sudut

kemudi 35 derajat) tersebut diatas adalah telah

memenuhi persyaratan IMO, dimana IMO

resolution .751 (18) “Interim Standards for

Ship Maneuvering” untuk Turning Ability pada

maksimum sudut kemudi 35 derajat

mensyaratkan bahwa “nilai lintasan advance

tidak boleh lebih dari 4.5 x panjang kapal (Lpp)

dan nilai lintasan tactical diameter tidak boleh

lebih dari 5.0 x panjang kapal (Lpp)”.

IV. KESIMPULAN

Dari hasil kajian eksperimen dan simulasi

numerik terhadap rekayasa desain kapal

penyeberangan cepat dengan Lpp 35,715 meter

ini dapat disimpulkan bahwa secara umum kapal

cepat penyebrangan ini telah memenuhi syarat

kehandalan dan keamanan bagi penumpang dan

barang yang diangkutnya. Tetapi perhatian

khusus dilakukan terutama setelah dilakukannya

pengujian model dilakukan di Tangki Tarik (

Towing Tank) dimana profil gelombang yang

diamati sepanjang sisi lambung model kapal

selama pengujian paint smear dianggap normal

untuk jenis kapal ini. Aliran air pada daerah

tengah (mid) dan belakang (aft) lambung kapal

menampakkan karakteristik aliran yang normal.

Sedangkan karakteristik aliran air pada daerah

depan (fore) lambung kapal menampakkan

kearah atas (diatas garis air). Hal ini

menjelaskan bahwa semburan air (water spray)

terjadi didaerah tersebut. Untuk menghindari

semburan yang berlebihan pada daerah ini maka

beberapa modifikasi dilakukan pada desain

lambung kapal dimana ditunjukkan pada

Gambar modifikasi hull line di atas. Sehingga

desain garis lambung kapal (Hull Lines) ini

merupakan hasil akhir dari penelitian ini.

14

Gambar 12. Hasil ”Final” Desain Rencana

Garis

(Lines Plan) Kapal Cepat Penyebrangan

V. DAFTAR PUSTAKA

[1] IMO, Standards for Ship Manoeuvrabilty,

Resolution SMC 137, 2002

[2] IMO, Interim Standard for Ship

Maneuvrability, Resolution A 751, 1993.

[3] ITTC, Recommended Procedures –

General Information, ITTC 7.5-02 -03-

01.1, 1957.

[4] ITTC, Recommended Procedures and

Guidelines, Testing and Extrapolation

Methodsin Resistance Towing Tank Tests,

ITTC 7,5-02-02-02, 2002.

[5] Jonk, A. and Rem, A., Hydrodynamics

Optimization in Ship Design with Regard to

Manoeuvrability, MARIN, Wageningen,

Netherlands, 1989.

[6] Journee, JMJ. and Pinkster, J, Introduction

in Ship Hydromechanics, Lecture Notes,

Delf University of Technology,

Netherlands, 2002.

[7] Lewis, E.V., Principles of Naval

Architecture, Vol. III: Motions in Waves

and Controllabity, The Society of Naval

architects and Marine Engineers, USA,

1989.

[8] Molland, A.F., A Guide to Ship Design,

Construction and Operation, The Maritime

Engineering Reference Book, Butterworth-

Heinemann, Elsevier, 2008.

[9] Molland, A.F., Turnock, S.R., dan Hudson,

D.A., Ship Resistance and Propulsion:

Practical Estimation of Ship Propulsive

Power, Cambridge University Press, New

York, USA, 2011.

[10] Pierson, W.J. and Moskowitz, L., A

proposed spectral form for fully developed

wind seas based on similarity theory of S.A.

Kitaigorodskii,Technical Report

AD0421610, New York Univ Bronx Dept

of Meteorology and Oceanography, 1963.

User Manual, Seakeeper-Maxsurf Formation

Design Systems Pty Ltd 1984 – 2006.