Getaran Kapal

BAB III

PEMBAHASAN

GETARAN DAN GELOMBANG

A. Getaran

Getaran adalah gerak bolak-balik secara periodic (berkala) melalui suatu titik seimbang.

Istilah-istilah dalam Getaran.

1. Simpangan , adalah suatu jarak yang dibentuk dari titik seimbang getaran

2. Amplitudo ( A ), adalah simpangan terbesar suatu getaran

3. Periode ( T ), adalah waktu yang diperlukan untuk melakukan 1 getaran penuh.

4. Frekuensi ( f ), adalah getaran yang dilakukan dalam waktu 1 detik..

Macam Macam Getaran

GETARAN DAN GELOMBANG

B. Getaran pegas vertical

Gerak 1 getaran pada pegas :

1. a – d – o – c – b – c – o – d – a

2. o – d – a – d – 0 – c – b – c – o

3. b – c – o – d – a – d – o – c – b

Jarak o – d dan o – c adalah con-toh simpangan, sedangkan o – a dan o – b adalah amplitudo

Periode pegas tidak tergantung pada amplitude tetapi bergantung pada massa beban.

C. Getaran pada ayunan sederhana

Gerak 1 getaran pada ayunan sederhana :

o – a – b – a – o – c – d – c – o

d – c – o – a – b- a – o – c – d

b – a – o – c – d – c – o – a – b

Jarak o – a dan o – c adalah con-toh simpangan, sedangkan o – d dan o – b adalah amplitudo

Periode ayunan tidak tergantung pada amplitude dan massa beban tetapi pada panjang tali.

D. Gelombang

Gelombang adalah getaran yang merambat., yang membawa energi dari tempat satu ke tempat yang lain. Saat getaran merambat, medium tidak ikut berpindah/merambat tetapi hanya bergetar.

Istilah-istilah dalam Gelombang

1. Periode ( T ), adalah waktu yang diperlukan untuk melakukan 1 gelombang

2. Frekuensi ( f ), adalah banyaknya gelombang tiap 1 detik

3. Cepat rambat gelombang ( v ), adalah kecepatan rambatan 1 gelombang

4. panjang gelombang ( λ ), adalah panjang 1 gelombang penuh.

Rumusan dari istilah diatas :

T = 1/ f ; V = λ / T ; V = λ . f

Gelombang dapat dibagi menjadi 2 berdasarkan ada tidaknya medium perambatan, yaitu

Macam Macam Getaran

1. Gelombang mekanik ( memerlukan media perambatan )

Contoh : gelombang laut, gelombang tali dan gelombang bunyi

2. Gelombang electromagnet ( dapat merambat baik ada maupun tidak ada mediumnya )

Gelombang dapat dibagi menjadi 2 berdasarkan acuan arah rambatan terhadap arah getarnya, yaitu

1. Gelombang Transversal ( arah rambatnya tegak lurus terhadap arah getarnya). Rambatan gelombang ini berbentuk bukit dan lembah gelombang sehingga

Contoh ; gelombang tali dan gelombang cahaya

2. Gelombang Longitudinal, ( arah rambatnya sejajar arah getarnya ). Rambatan gelombang ini berbentuk rapatan dan rengangan

Contoh ; gelombang bunyi

Getaran yang dimaksud dalam hal ini merupakan getaran yang relative kecil dari amplitudo osilaso di sekitar titik bearing dimana nilainya adalah nol.
Getaran yang terjadi pada badan kapal mengakibatkan antara lain:
- menciptakan gangguan hingga mengurangi kemampuan operasi atau bahkan menimbulkan kerusakan pada komponen kapal
- objek dari kapal yang bergerak dengan frekwensi tinggi dapat menimbulkan kebisingan
- menjadi gangguan kenyamanan personel di atas kapal.
Persamaan Gerak Dengan Prinsip Keseimbangan

Nilai kekakuan sebuah pegas (k) ditentukan berdasarkan hubungan antara gaya luar yang bekerja dan perpanjangan (Δo) yang dihasilkan.

Apabila massa (w) diberikan gaya (fs) sehingga bergeser dari posisi keseimbangannya sejauh (xo) kemudian dilepaskan, maka massa tersebut akan bergetar.
Bahwa getaran massa tersebut berangsur akan mengecil seiring dengan bertambahnya waktu (t).
Sesuai dengan hukum II Newton:
“Percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja pada sebuah benda, sebanding dan searah dengan resultan gaya, dan berbanding terbalik dengan massa benda”

Getaran kapal merupakan salah satu bagian dari keseluruhan masalah yang tercakup dalam dinamika kapal (ship dynamics). Dalam hal ini terdepat elemen getaran antara lain:
- massa
- pegas
- gaya eksitasi
- peredam

Secara umum ada dua macam getaran, yaitu:
- Free vibration (getaran bebas)
Yaitu jika getaran berosilasi karena bekerjanya gaya yang ada dalam sistem itu sendiri tanpa ada pengaruh gaya dari luar.
- Forced vibration (Getaran paksa)
Yaitu getaran yang terjadi karena rangsangan gaya dari luar (exciting force). Bila rangsangan gaya luar berosilasi, maka sistem tersebut bergetar pada frekwensi rangsangan itu. Jika salah satu dari frekwensi natural tersebut sama dengan frekwensi rangsangan, maka akan terjadi resonansi (bunyi).

Macam-macam Getaran Kapal
Beberapa macam getaran pada kapal dapat didefinisikan sebagai berikut:
- Getaran vertikal (getaran lentur)
Getaran ini menimbulkan getaran 2 node dan mempunyai frekwensi natural yang sanagat rendah (±100 rpm), mendekati frekwensi putaran mesin utama sehingga menyebabkan resonansi yang menimbulkan kebisingan dan rasa tidak nyaman bagi ABK maupun penumpang yang berada di atas kapal.
- Getaran horizontal
Frekwensi getaran ini pada umumnya 2 s/d 3 kali frekwensi getaran vertikal sehingga tidak menimbulkan masalah pada kapal.
- Getaran torsi
Getaran ini terjadi pada saat bagian tengah dianggap tetap sedangkan bagian haluan dan buritan bergetar berlawanan yang mengakibatkan terjadinya moment torsi.
- Getaran lokal
Getaran ini terjadi pada bagian-bagian kapal seperti; geladak, anjugan, frame di ruang mesin, poros propeller, bulkhead, stern frame dll.
- Getaran resonansi
Getaran yang terjadi apabila frekwensi dari exiting force mendekati frekwensi massa sistem tersebut.

Penyebab Getaran Kapal
Kapal merupakan suatu bangunan elastis yang cukup kompleks, dimana getaran yang terjadi pada kapal bisa disebabkan antara lain yang terbesar oleh getaran dari putaran baling-baling atau permesinannya. Sumber penyebab getaran kapal dapat diuraikan sebagai berikut:
Dari dalam kapal itu sendiri
a) Disebabkan karena adanya perbedaan frekwensi dari masing-masing mesin yaitu mesin utama, dan mesin-mesin bantu maka akan timbul unbalanced force yang mengakibatkan terjadinya getaran.
b) Pembuatan daun propeller yang tidak sempurna yang mengakibatkan titik berat dari propeller tersebut tidak tepat pada garis centernya sehingga timbul unbalance force (gaya dorong yang tidak merata) pada putaran propeller.
c) Pembuatan daun propeller sudah sempurna dengan titik berat berada pada centernya tetapi pitch pada masing-masing daunnya tidak sama sehingga gaya dorong terhadap air pada tiap-tiap daun tidak merata.
d) Pembuatan propeller sempurnya baik titik berat maupun pitch-nya tetapi alignment/pemasangannya tidak sempurna sehingga terjadi moment torsi.
e) Pada kapal yang memakai twin screw terjadi getaran apabila aliran fluida pada masing-masing propeller dan hull tidak sama.
f) Terjadi aliran vortex (pusaran air) baik pada daun propeller maupun pada kemudi.
g) Besarnya daun propeller yang tidak seimbang dengan bentuk hull pada bagian buritan yang mengakibatkan tekanan air terlalu besar.

Dari Gelombang (ship motion)
Getaran yang disebabkan oleh gelombang antara lain sebagai berikut:
a) Karena Hempasan
Dapat mengakibatkan terjadinya slamming, bow flare, shipping green (wave impact yang mengakibatkan whipping vibration).
b) Karena Alunan Gelombang (wave induced ship hull vibration)
Gelombang kecil (alunan) yang dialami oleh kapal mengakibatkan terjadinya springing vibration dan dapat menimbulkan resonansi.

Mode Getaran Kapal
Kapal dalam bentuk keseluruhannya dapat mengalami getaran dalam vartikal modes, transverse horizontal modes yang sekarang biasa disebut sebagai transverse modes saja, torsional modes dan longitudinal modes. Secara umum bentuk dari model getaran tersebut digambarkan pada gambar 4.1(a) yang menunjukkan hubungan kurva amplitudeo model 2 noded vertikal. Selanjutnya gambar 4.1(b) adalah 3 noded vertikal dan gambar 4.1(c) 4 noded vertikal. Kesamaan hubungan kurva amplitudo dipakai juga untuk transverse vibration gambar 4.1(d) 1 noded torsional mode atau nodded longitudinal mode.
(a) Getaran 2 noded


(b) Getaran 3 noded


(c) Getaran 4 noded


(d) Getaran 1 noded (torsional only)


Kurva tersebut jika diukur sepanjang sheer strake, disebut sebagai basic model of hull vibration. Amplitudo dari dek, longitudinal bulkhead dan struktur lainnya yang elastis terhadap badal kapal, biasanya lebih besar dibandingkan dengan amplitudo dari sheer strake pada gading yang sama.
Longitudinal motion sebanding dengan jarak dari netral aksis kali sudut penyipangan diasosiasikan dengan getaran vertikal dan tranversal mode. Jika center gravity (titik berat) kapal tidak berhimpit dengan sumbu aksis dari simpul, berarti ada kopel diantara gerakan tranversal dan torsional. Dalam hal ini transverse motion diasosiasikan dengan nilai tertentu dari moment torsi dan sebaliknya. Demikian juga jika center gravity tidak tepat dengan sumbu vertikal bending yang mana terhubung antara vertikal dan gerak longitudinal.
Sebagai tambahan basic hull atau sering disebut sebagai local modes of vibration. Salah satu yang sering terjadi adalah getaran vertikal pada deck. Gambar4.2 menunjukkan bentuk ekstrim di lokasi passenger line, semua deck dan pemisah sekat antara 2 bulkhead yang bergetar. Getaran setempat ada pada deck, bulkhad, mesin, pipa, railing, tiang dan semua perlengkapan. Jika getaran lokal cukup luas dapat mempengaruhi frekwensi basic hull modes. Getaran deck dari gambar 4.2 adalah salah satu contoh. Secara umum salah satu bagian getaran lokal akan mempengaruhi lambung kapal.


Getaran merupakan sesuatu yang tidak menyenangkan di atas kapal, seperti pada kapal ferry yang sangat berpengaruh pada kenyamanan para penumpang pemakai jasa angkutan laut, selanjutnya dapat mempengaruhi reputasi dari perusahaan jasa pelayaran. Pada kapal perang dan juga kapal niaga yang menggunakan peralatan-peralatan khusus seperti radar, sonar, persejataan, peralatan komputer dan electronic lainnya yang memerlukan nilai getaran yang sekecil mungkin untuk dapat beroperasi secara effectiv sebagaimana mestinya. Resiko bahaya dari peralatan dan persenjataan yang dioperasikan.

Metode Mengurangi Getaran
Getaran kapal akan mencapai nilai amplitudo paling besar pada saat poros sebagai penyebab timbulnya getaran pada kapal berputar dengan frekwensi sama atau mendekati frekwensi dari salah satu basic hull atau lokal modes. Sebuah kondisi resonansi dimana selanjutnya disebut sebagai exsisting.
Beberapa metode umum untuk mengurangi getaran dalam kapal dapat dikelompokkan sebagai berikut:
1. Menghindari resonansi dengan cara menentukan jumlah daun propeller, mengatur rpm atau mengatur frekwensi struktur lokal. Kenyatannya tidak mudah untuk merubah frekwensi dadi material kapal secara keseluruhan.
2. Mengurangi timbulnya gaya pada level terendah.
3. menggunakan alat khusus seperti synchronization, counteractive weight dan damper (penyeimbang)
Merupakan suatu kejelasan dalam engineering, bahwa begitu beragamnya ukuran dan type kapal, nilai putaran poros pada saat beroperasi (rpm) tidak lebih dari 50 sampai 150% dari 2 noded frekwensi.
Gaya frekwensi daun baling-baling mempunyai frekwensi mendekati mode yang lebih tinggi, yaitu 3 sampai 6 noded bending, torsional modes dan getaran lokal. Frekwensi dari mode 2 noded dapet dihitung dengan keakurasian (95% atau lebih bagus) untuk jenis-jenis kapal yang mempunyai keterbatasan superstuktur dan kurangnya jaminan keakurasian untuk kapal penumpang dan bangunan atas yang luas.
Karena baling-baling yang tidak benar-benar sempurna dalam pembuatannya dan mungkin mengalami kerusakan pada saat perbaikan; dan mesin diesel yang beroperasi sebagai penggerak dalam kapal keseimbangannya mungkin tidak sempurna, akan diharapkan untuk menyesuaikan putaran poros sehingga resonansi dengan dua nodded tidak terjadi. Hal ini mungkin dan bisa tidak mungkin untuk dilakukan karena untuk putaran (rpm) pada kapal adalah tetap dengan mempertimbangkan efisiensi dari propulsi, beban, biaya dan ketersediaan dari peralatan propulsi. Hanya sedikit diperbolehkan untuk melakukan perubahan pada putaran (rpm). Keakurasian putaran propeller diperlukan untuk mencapai level getaran yang diperbolehkan.
Pada mode frekwensi yang lebih tinggi juga dapat dihitung, tetapi keakurasiannya tidak pasti, hasilnya bergantung pada penentuan putaran (rpm) dan jumlah daun propeller. Kesulitan dalam permasalahan ini dapat diilustrasikan pada Gambar 5.1. Disini menunjukkan hasil survey dari Gopher Marine.
Frekwensi Natural, S.S Gopher Marine

Faktor yang Mempengaruhi Frekwensi
Dengan perubahan pembebanan, frekwensi dari berbagai macam mode bisa saling bersinggungan. Kesimpulannya jika semua resonansi yang timbul selalu dusahakan untuk dihilangkan, maka kapal tidak akan bisa dijalankan. Jika frekwensi-frekwensi ini merupakan frekwensi yang sudah diperhitungkan termasuk juga dengan yang sudah diobservasi, selanjutnya penggabungannya bisa diperluas untuk memberikan toleransi terhadap kemungkinan kesalahan dalam perhitungan.
Berbagai macam percobaan sudah dipublikasikan dalam pengembangan metode dalam memperhitungkan frekwensi kapal dengan tujuan untuk menangkal resonansi.

Frekwensi dan amplitude relatif dari vertikal dan tranfersal mode bending dari sebuah kapal dapat ditentukan dengan factor-faktor sebagai berikut:
a) Distribusi memanjang dari beban kapal.
b) Distribusi memanjang dari tambahan beban air sesungguhnya disekeliling kapal.
c) Distribusi memanjang dari kekakuan terhadap beban bending pada kapal.
d) Distribusi memanjang dari kekakuan terhadap beban tekanan pada kapal.
e) Gerakan memanjang yang berkaitan dengan bending (rotary inertia effect)
f) Pertambahan nilai dari gaya inersia yang dihasilkan dari titik penitikberatan amplitude lokal di atas amplitudo basic hull pada sheer strake.
g) Pelebaran secara tranversal dan vertikal terkait dengan tegangan berdasarkan Poisson’s Ratio.
h) Efek kekakuan karena adanya buoyancy.

Faktor g) dan h) mempengaruhi frekwensi lebih kecil dari 1%, sesuatu faktor yang dapat diabaikan dengan mempertimbangkan ketidakpastian dalam penambahan massa dan penyimpangan yang sesugguhnya.

Gaya Getaran Propeller
Interaksi sebuah propeller dengan jalur ombak tidak beraturan yang posisinya berdekatan dengan permukaan lambung kapal menimbulkan gaya periodik yang bisa memicu terjadinya getaran di dalam lambung kapal dan permesinan. Gaya-gaya vertikal dan tranversal horizontal yang bekerja di buritan kapal membangkitkan getaran dalam badan kapal. Variasi torsi dan gaya dorong membangkitkan getaran pada permesinan dan pondasinya tetapi dalam keadaan lain hanya mempengaruhi badan kapal dalam taraf kecil saja.
Gaya-gaya periodik yang bekerja pada lambung kapal atau poros memiliki komponen-komponen harmonis sederhana dari frekwensi daun propellernya, yaitu revolusi-revolusi per detik kali jumlah daun propeller dan kelipatan 2, 3, 4 dan seterusnya kali frekwensi daun propeller. Sementara getaran kelipatan frekwensi daun propeller terdeteksi pada sejumlah kasus yang umumnya tidak terlalu penting. Pada pembahasan ini, ‘gaya’ berarti subuah gaya harmonis sederhana dari frekwensi daun propeller.
Gaya-gaya yang bekerja pada buritan kapal dibagi menjadi gaya permukaan dan gaya bearing. Gaya permukaan adalah gaya-gaya tekan fluida yang bekerja pada beberapa macam permukaan lambung kapal. Gaya bearing adalah gaya pada baling-baling yang dipindahkan ke badan kapal melalui bantalan propeller. Permukaan badan kapal dimana gaya permukaan bekerja, diklasifikasikan sebagai ‘permukaan tip-clearence’ dan ‘permukaan aksial-clearance’. Permukaan tip-clearance adalah permukaan dari lambung kapal twin-screw yang berdekatan dengan propeller dan permukaan dari lambung kapal single-screw yang berada di atas propeller (the counter surface). Permukaan aksian clearance antara lain: struts, bossing, permukaan bagian belakang dari kapal single-screw yang berada di depan propeller dan daun kemudi dari kapal single-screw. Pada kapal single-screw, permukaan tip-clearance dan aksial clearance berpadu satu dengan yang lain. Perbedaannya diperlukan karena gaya dari dua jenis permukaan ini dihasilkan dari cara yang sama sekali berbeda.
Jika sebuah propeller dioperasikan dalam satu jalur ombak yang seragam dekat dengan sebuah permukaan aksial-clearance, maka akan tercipta gaya-gaya pada permukaan tersebut, dan Interaksi dengan permukaan menghasilkan reaksi pada bantalan-bantalan. Bila permukaan aksial-clearance diidealkan sebagai sebuah bidang yang melewati sumbu, gaya tersebut harus normal terhadapnya. Pengaruh total terhadap bidangnya adalah setara dengan sebuah gaya ditambah dengan momen-momen kira-kira dua sumbu pada right angels. Gaya bearing terdiri dari sebuah gaya yang tegak lurus dengan bidang dan gaya lain yang sejajar dengannya. Pertimbangan-pertimbangan serupa hadir berkaitan dengan permukaan tip-clearence. Gaya dan moment tercipta pada permukaan dan reaksinya dibangkitkan pada propeller menghasilkan gaya bearing.
Perputaran propeller dalam perairan yang jalur ombaknya tidak beraturan cenderung meningkatkan gaya-gaya permukaan di atas level yang gaya-gaya tersebut akan terjadi dengan propeller dalam sebuah arus yang seragam. Peningkatan-peningkatan ini masing-masing dikenal sebagai gaya wake-reflection tip-clearance, dan gaya wake-reflection axial-clearance. Gaya wake bearing merupakan gaya yang bekerja pada baling-baling yang dihasilkan dari interaksi dengan jalur ombak yang tidak beraturan.
Gaya-gaya bearing mempunyai satu titik aplikasi terhingga pada titik tengah poros dan di dalam bidang propeller. Dengan begitu, dalam badan kapal dapat dihasilkan gerakan vertikal, gerakan transversal dan sebuah putaran.
Sebaliknya, pada suatu pencapaian tertentu gaya-gaya permukaan adalah tidak terhingga, karena gaya-gaya tersebut tidak bekerja pada satu titik tetapi tersebar pada sebuah area dengan intensitas yang semakin berkurang pada daerah sekeliling propeller. Efektifitas sebuah gaya permukaan dalam menghasilkan getaran dalam badan kapal melalui sebuah mode khusus, sebanding dengan produk terpadu komponen tekanan dalam arah gerakan kali amplitudo pada poin tersebut dengan mode terkaitnya. Selanjutnya, tekanan-tekanan pada bermacam-macam titik tidaklah dalam fase waktu sehingga integrasi harus menjadi sebuah vektor satu.
Ketidak tetapan ini bisa direduksi dengan konsep sebuah gaya tunggal yang diberlakukan terhadap sumbu propeller dan pada bidang permukaan baling-baling, yang mana akan mempunyai efek yang sama dalam membangkitkan getaran. Konsep ini tidak dapat dijadikan sebagai perbandingan yang teliti, karena gaya permukaan akan mempunyai hasil keduanya berupa sebuah gaya dan momen melalui sumbul vertikal dan horizontal