SENIBINA KAPAL (HIDROSTATIK DAN KESTABILAN KAPAL) Dr. Omar bin Yaakob

SENIBINA KAPAL (HIDROSTATIK DAN KESTABILAN KAPAL) Dr. Omar bin Yaakob

Pendahuluan 2 Pendahuluan Pengenalan Senibina kapal ialah salah satu bidang kejuruteraan yang meliputi teknologi rekabentuk kapal atau objek yang terapung di air. Pada satu ketika ia juga dikaitkan dengan teknologi pembinaan kapal tetapi kini teknologi pembinaan kapal merupakan bidang yang tersendiri. Satu bidang lain yang berkaitan dengan senibina kapal ialah Teknologi Marin dan Kejuruteraan Marin. Teknologi Marin merupakan bidang besar yang meliputi semua bidang kejuruteraan yang berkaitan dengan air seperti senibina kapal, kejuruteraan marin dan kejuruteraan luar pantai manakala Kejuruteraan Marin pula biasanya hanya berkaitan dengan rekabentuk dan operasi enjin pendorong di atas sesebuah kapal. Untuk melakukan pelbagai aktiviti di laut, sungai dan tasik, manusia telah menggunakan pelbagai jenis struktur terapung yang perlu direkabentuk dan dibina; ada yang bersaiz kecil seperti kanu dan bot memancing, dan ada yang berbentuk raksasa seperti kapal tangki dan pelantar minyak terapung. Orang yang mempunyai kepakaran dalam senibina kapal dipanggil arkitek kapal. Bagi membina kapal-kapal dan struktur ini, pembina kapal memerlukan pelan-pelan dan panduan yang disediakan oleh arkitek kapal. Arkitek kapal menggunakan ilmu dan kepakarannya di dalam bidang senibina kapal untuk membuat pengiraanpengiraan yang berkaitan dengan rekabentuk kapal tersebut dan melukiskan pelan dan panduan yang boleh digunakan oleh pembina kapal Walaupun manusia telah menggunakan pengangkutan air sejak sekian lama, tidak semua alat pengangkutan ini direkabentuk berasaskan pengetahuan senibina kapal. Bahkan ilmu mengenai teknologi rekabentuk kapal atau senibina kapal ini sebenarnya hanya mula wujud pada abad ketujuh belas. Sebelum itu, pembinaan kapal tidak diasaskan kepada pengetahuan sains dan teknologi tetapi lebih berdasarkan ketrampilan dan kemahiran pembina bot atau kapal berkenaan. Ini terjadi sejak zaman awal peradaban manusia seperti dalam tamaddun Mesir Kuno, Yunani dan China. Begitu juga kapal-kapal perang dan penjelajah yang dibina oleh tamaddun Rom, Islam dan juga kuasa penjajah Inggeris, Sepanyol, Belanda dan Perancis tidak dibina menggunakan ilmu matematik atau kaedah saintifik. Pada abad ketujuh belas, muncul beberapa saintis dan jurutera yang mula menerapkan ilmu sains dan matematik kepada rekabentuk kapal. Antara yang terawal ialah Sir Anthony Deane yang menulis buku Doctrine of Naval Architecture pada tahun 1670. Antara lain, beliau telah mengutarakan kaedah menganggarkan garis tenggelaman kapal atau drauf bagi kapal yang belum dibina. Sejak itu, beberapa saintis dan jurutera lain telah membuat kajian dalam pelbagai bidang lain yang berkaitan dengan rekabentuk kapal. Pada tahun 1860, sebuah badan profesional yang menggabungkan arkitek-arkitek kapal telah ditubuhkan di London dengan nama Institution of Naval Architects. Pada tahun 1960, badan ini memperolehi gelaran diraja dan dikenali sebagai Royal Institution of Naval Architects. 2

Pendahuluan 3 Arkitek kapal perlu membuat pengiraan untuk menentukan saiz yang sesuai bagi tugas yang bakal dilakukan oleh kapal yang sedang direkabentuk. Di samping itu, arkitek kapal menganggarkan kestabilannya, kuasa pendorongan yang diperlukan, kekuatan dan saiz struktur kapal seperti ketebalan plat, rasuk dan kerangka, kesan ombak ke atas kapal dan seumpamanya. Jenis peralatan yang bakal dipasang, bahan yang bakal digunakan dan susunatur pelbagai ruang dan perlatan juga ditentukan melalui ilmu senibina kapal. Dalam kepesatan perkembangan ekonomi dan pembangunan di negara kita, industri pembinaan kapal juga giat berkembang. Keperluan kapal untuk pengangkutan kargo, keperluan pertahanan dan aktiviti lain memerlukan industri pembinaan yang produktif dan mampu bersaing. Keperluan kepada tenaga terlatih dalam bidang senibina kapal amat perlu. Sejak sekian lama, bidang Senibina Kapal hanya boleh diikuti di luar negara Universiti-universiti di Jepun, United Kingdom, Amerika dan negara-negara Scandinavia biasanya menawarkan kursus Ijazah Sarjana Muda dalam bidang Senibina Kapal dan juga pengajian lanjutan di peringkat Sarjana dan Kedoktoran. Mulai tahun 1981, Universiti Teknologi Malaysia telah menawarkan kursus di bidang Teknologi Marin yang merangkumi Senibina Kapal pada peringkat Ijazah dan Diploma. Kurikulum kursus-kursus ini meliputi mata-matapelajaran asas kejuruteraan seperti Statik, Dinamik, Hidrodinamik dan Mathematik. Matapelajaran Statik mengkaji daya-daya yang perlu bagi mewujudkan keseimbangan pada satu badan manakala Dinamik pula mengkaji pergerakan jirim dan daya-daya menyebabkan pergerakan tersebut. Daya-daya yang bertindak ke atas atau di dalam cecair dikaji di dalam matapelajaran Hidrodinamik. Mata-matapelajaran asas ini dikukuhkan dengan matamatapelajaran pengkhususan Senibina Kapal yang meliputi mata-matapelajaran Hidrostatik dan Kestabilan Kapal, Rintangan dan Pendorongan Kapal, Dinamik Gerakan Kapal, Struktur dan Getaran kapal dan Rekabentuk Kapal. Sesudah tamat pengajian, graduan arkitek kapal boleh berkhidmat dengan syarikatsyarikat pembinaan atau perunding perekabentuk kapal. Di syarikat pembinaan kapal, arkitek kapal bertugas sebagai perekabentuk di bahagian rekabentuk kapal atau sebagai penyelia pembinaan yang memastikan pelan-pelan arkitek kapal difahami dan dipatuhi semasa pembinaan. Di syarikat perunding perekabentuk kapal, arkitek kapal bertugas membuat pengiraan-pengiraan bagi kapal atau bot yang diperlukan oleh pelanggan. Graduan juga boleh bekerja dengan syarikat perkapalan atau agensi-agensi kerajaan yang menggunakan kapal atau bot dalam operasi mereka seperti Jabatan Laut, Polis Marin dan Tentera Laut. Arkitek kapal yang berkhidmat di agensi kerajaan dan syarikat perkapalan biasanya bertugas sebagai penasihat dan perantara yang mampu mengimbangkan kehendak pengguna kapal dan keupayaan syarikat pembinaan. Arkitek kapal menggunakan pelbagai alat dalam tugas mereka. Pada zaman bidang ini mula diperkenalkan, perkakas asas yang digunakan ialah peralatan mengira dan melukis. Kapal-kapal yang direkabentuk diuji dengan membuat model dan 3

Pendahuluan 4 mengujinya di makmal yang mempunyai tangki tunda. Ujian ini akan memastikan kapal yang dibina nanti memenuhi ciri-ciri prestasi yang dikehendaki. Seperti juga bidang teknologi yang lain, bidang senibina kapal juga sedang pesat berkembang. Kini lukisan dan pengiraan dilaksanakan dengan bantuan komputer. Melalui penyelidikan dan ujian di makmal, pelbagai kaedah dan teknik baru ditemui untuk menjadikan kapal dan struktur lain yang terapung di laut lebih selamat, selesa, menjimatkan dan membawa lebih manfaat kepada manusia. Pengiraan Hidrostatik dan Kestabilan Kapal Matapelajaran senibina kapal seperti yang terdapat di UTM lebih menekankan tentang juzuk penting dalam senibina kapal iaitu pengiraan hidrostatik dan kestabilan kapal. Aspek-aspek lain senibina kapal dirangkumi oleh mata-matapelajaran lain. Dalam matapelajaran ini, pelajar-pelajar akan didedahkan kepada pengetahuan asas senibina kapal yang merangkumi simbol-simbol penting kapal, pengiraan-pengiraan asas (seperti pengiraan luas, isipadu, momen dan lain-lain) hidrostatik, kestabilan (stability) dan rekabentuk asas kapal. Sebagai seorang yang bakal bergelar jurutera kapal atau arkitek adalah amat penting untuk mengetahui asas-asas senibina kapal kerana ianya akan digunakan pada setiap peringkat iaitu dari peringkat rekabentuk hinggalah ke peringkat pengendalian kapal laut. Dalam bab-bab seterusnya kita akan mengkaji dengan mendalam aspek-aspek senibina kapal yang berkaitan dengan pengiraan hidrostatik dan kestabilan kapal. Semua ini akn didahului dengan pengenalan kepada simbol dan geometri kapal dalam Bab 1. 4

BAB 1 Simbol dan Geometri Kapal 1 1.1 Definasi dan simbol-simbol penting Definasi dan simbol-simbol ini merangkumi nama bahagian-bahagian penting kapal dan lain-lain. Nota ringkas ini hanya menyentuh bahagian-bahagian penting sahaja. Keterangan yang lebih lanjut bolehlah didapati daripada mana-mana buku senibina kapal (Naval Architecture). AP : Tegakan belakang : garis pugak yang melalui titik persilangan air beban dan bahagian belakang tiang kemudi atau garis tengah batang kemudi jika tidak terdapat tiang kemudi. FP : Tegakan depan : garis pugak yang melalui titik persilangan garis air beban dan bahagian depan kontour stem kapal. : Peminggang, titik tengah di antara dua tegakan iaitu AP dan FP WL : Garis air SW : Air laut (ketumpatan biasanya dianggap 1.025 tonnes/m 3 ) FW : Air tawar (ketumpatan biasanya dianggap 1.000 tonnes/m 3 ) Dimensi-dimensi kapal kebiasaannya dinyatakan dalam dua keadaan iaitu teracu (moulded) dan maksimum (extreme) seperti contoh B ext untuk lebar maksimum iaitu lebar kapal termasuk tebal plat manakala B mld ialah lebar kapal tanpa mengambilkira tebal plat. Dimensi-dimensi utama kapal yang lain adalah seperti berikut: L OA : Panjang keseluruhan L PP atau LBP : Panjang antara dua tegakan L WL : Panjang garis air pada bebanan penuh B : Lebar kapal D : Dalam T : Drauf : Sesaran isipadu 1 Bahagian ini berdasarkan nota awal yang ditulis oleh En. Mohd Pauzi Abdul Ghani

BAB 1 Simbol dan Geometri Kapal 6 : Sesaran jisim ( = ρ ) B : Pusat ketimbulan pusat isipadu bawah air KB atau VCB : Jarak tegak pusat ketimbunan, B di atas lunas (keel), K LCB : Kedudukan pusat ketimbunan membujur, biasanya dirujuk pada peminggang kapal F : Pusat keapungan pusat untuk luas satah air LCF : Kedudukan pusat apungan secara membujur, biasanya dirujuk pada peminggang kapal KG atau VCG : Kedudukan pusat graviti diukur secara menegak. LCG : Kedudukan pusat graviti diukur secara membujur. C B : Pekali blok, C B = L B T C M : Pekali luas keratan peminggang, C M AM = B T CW : AW Pekali luas satah air, CW = L B C PL : Pekali prismatik membujur, CPL = AM L C PV : Pekali prismatic menegak, CPV = A T A TPC : Ketenggelaman tonnes per cm, TPC = ρ 100 MCTC : Momen mengubah trim 1 cm GM L BM L ρi L MCT1cm = = 100L 100L 100L Trim: W W = 1.025 A Perbezaan drauf depan dan drauf belakang. Diukur atau dinyatakan dalam ukuran meter ataupun darjah. Untuk sudut trim yang kecil, pusingan trim adalah berpusat pada LCF. Kapal yang tidak mempunyai trim juga disebut lunas datar. Sendeng: Kecondongan melintang garistengah kapal dengan garis tegak dan kebiasaannya diukur dalam darjah. Kapal menyendeng disebabkan oleh tindakan daya luaran seperti daya hentaman ombak. Manakala satu lagi istilah untuk kecondongan melintang kapal ialah senget. Kecondongan kapal dikatakan senget apabila kecondongan tersebut disebabkan oleh daya dalaman kapal pergerakan melintang 100 W 6

BAB 1 Simbol dan Geometri Kapal 7 kargo ataupun pengagihan berat kargo yang tidak sekata. Walaubagaimanapun, dalam Bahasa Malaysia, istilah ini digunakan secara bertukar-ganti. Tannan Tannan ialah ukuran ruang dalam kapal. Ia biasanya diukur dalam dua bentuk. Tannan Kasar (GT atau GRT) ialah ukuran semua isipadu ruang yang ada dalam kapal. Tannan bersih (NT) pula ialah isipadu ruang yang boleh digunakan untuk kargo atau penumpang. Walaupun ia menngunakan unit tons, ia tidak kena mengena dengan berat. Satu tons tannan bersamaan dengan 1 kaki padu. 1.2 Geometri kapal Adalah merupakan perkara yang paling penting bagi sesebuah kapal. Ini adalah disebabkan geometri atau bentuk badan kapal yang direkabentuk itu akan menentukan kuasa atau saiz enjin yang diperlukan untuk mendorong kapal berkenaan. Apa yang lebih penting ialah bentuk atau geometri sesebuah kapal itu juga menentukan had keselamatan keseimbangan dan pergerakan di lautan. Adalah amat penting memahirkan diri dengan bentuk-bentuk atau geometri kapal sebelum mendalami topik-topik yang lain. Unjuran Geometri Kapal Geometri kapal yang rumit seperti bentuk badan kapal (hull) yang mempunyai 3 dimensa dapat diterangkan dengan jelas dan mudah dalam lukisan dua dimensa yang dipanggil unjuran geometri kapal seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Unjuran geometri kapal di lukis mengikut skala yang tertentu yang bersesuaian dan mengikut piawaian yang telah ditetapkan dan semua bahagian-bahagian penting yang berkaitan dengan kapal tersebut akan ditunjukkan di atasnya. Unjuran ini dikenali sebagai Lukisan Garisan (Lines Plan) dan terdiri daripada tiga pandangan yang penting yang dipanggil Pelan Sisi atau Profil (Sheer Plan or Profile), Pelan Badan (Body Plan) dan Pelan Separuh-Lebar (Half-Breadth Plan). Pelan Badan dan Pelan Separuh-Lebar hanya dilukis atau ditunjukkan separuh kerana kapal biasanya simetri pada garis tengah. Walau bagaimanapun bagi kapal yang tidak simetri pada garis tengah seperti kapal pengangkut kapal terbang (Aircraft Carrier), pelan-pelan ini akan dilukis sepenuhnya. Di dalam pandangan Pelan Separuh-Lebar tertunjuk bentuk-bentuk badan kapal pada setiap garis air yang dikenali juga sebagai satah air (waterplane) dan ianya amatlah diperlukan dalam pengiraan hidrostatik dan kestabilan. Pelan Badan pula mengandungi bentuk-bentuk melintang badan kapal pada setiap keratan rentas pada stesyen (Station) bermula daripada keratan rentas pertama iaitu kebiasaannya stesen 0 atau AP hinggalah ke keratan terakhir iaitu stesyen 10 atau FP. Untuk mengelakkan kekeliruan bahagian hadapan iaitu keratan rentas stesyen 5 hingga 10 ditunjukkan pada sebelah kanan manakala untuk stesyen 0 hingga 5 di 7

BAB 1 Simbol dan Geometri Kapal 8 sebelah kiri. Pandangan Pelan Sisi pula menunjukkan profil kapal yang dipotong membujur pada beberapa garis susuk (buttock & bow lines). Hubungkait Antara Lukisan Pelan Garisan, Data Ofset, Pengiraan Hidrostatik dan Kestabilan Kapal Bentuk badan kapal atau bot merupakan suatu bentuk yang unik dan hanya dapat digambarkan dengan jelas melalui lukisan pelan garisan (lines plan) yang terdiri daripada Pelan badan, Pelan sisi dan Pelan separuh lebar seperti yang biasa terdapat dilimbungan. Secara ringkasnya pelan badan mewakili bentuk keratan rentas pada setiap stesyen, pelan sisi pula mewakili bentuk keratan memanjang pada seitpa garisan susuk sementara pelan separuh lebar menggambarkan bentuk kapal jika dilihat dari atas pada setiap garisan satah air. Melalui pelan garisan ini bentuk badan kapal dapat dibina melalui proses lofting pada setiap stesyennya. Namun demikian hanya dengan lukisan pelan garisan sahaja ciri-ciri kapal tersebut tidak dapat ditentukan dengan tepat dan amatlah merugikan jika berlakunya kesilapan setelah kapal tersebut siap dibina. Justeru itu kaedah untuk menentukan ciri-ciri bentuk badan kapal ciri hidrostatik dan kestabilan perlulah dipelajari untuk memastikan kapal tersebut sesuai dan menepati kehendaknya sebelum proses pembinaan dijalankan. Daripada lukisan pelan garisan, data atau maklumat mengenai bentuk badan kapal boleh diukur dan direkodkan dengan cara yang tepat dan teratur. Data ini biasa dipanggil data ofset iaitu data yang mewakili separuh lebar yang diukur pada setiap garis air di setiap stesyen. Oleh kerana data ofset ini mewakili bentuk badan kapal maka ia boleh digunakan untuk mengira ciri-ciri kapal tersebut. Pengiraan kapal adalah rumit dan memerlukan kefahaman oleh itu proses pengiraan perlulah dijalankan dengan sistematik, biasanya pengiraan secara manual dibuat di atas lampiran sesaran dan hidrostatik dan proses pengiraan dibuat secara berperingkat-peringkat dimulakan dengan pengiraan luas, momen luas, momen kedua luas, isipadu, momen isipadu dan seterusnya. Tugas mengira perlulah ketelitian, kesabaran dan sering kali kerja-kerja ulangan perlu dibuat untuk menghasilkan keputusan yang tepat. Setelah proses pengiraan di atas dibuat dengan sempurna barulah ciri-ciri hidrostatik boleh ditentukan dengan menggunakan formula-formula tertentu. Kemudian ciri-ciri hidrostatik ini diplotkan di atas kertas geraf yang dipanggil Lengkung Hidrostatik (Hydrostatics Curves) yang mana ianya amat diperlukan untuk menentukan keadaan kestabilan kapal dalam pelbagai keadaan laut dan bebanan disepanjang hayat kapal tersebut. 8