http://ejournal.undip.ac.id/index.php/kapal

## KAPAL
pISSN : 1829-8370 eISSN : 2301-9069

## JURNAL ILMU PENGETAHUAN & TEKNOLOGI KELAUTAN

## Investigasi Dampak Insiden Tubrukan Terhadap Respon Struktur Kapal Penumpang Antar Pulau
Aditya Rio Prabowo 1)*) , Teguh Muttaqie 2,3) , Jung Min Sohn 1,2) , Dong Myung Bae 2)
1) Department of Marine Convergence Design, Pukyong National University Nam-gu, Yongso-ro 45, Busan, Korea Selatan 48513
2) Department of Naval Architecture and Marine Systems Engineering, Pukyong National University Nam-gu, Yongso-ro 45, Busan, Korea Selatan 48513
3) Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Jalan MH. Thamrin 8, Jakarta, Indonesia 10340
disubmit pada : 20/04/18          direvisi pada : 07/05/18          diterima pada : 13/07/18

## Abstrak
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menginvestigasi dampak dari tubrukan pada struktur kapal, dan mengkuantifikasi respon yang dihasilkan oleh struktur lambung ganda. Kasus yang diaplikasikan pada penelitian didesain berdasarkan insiden tubrukan antara Roll on-Roll off (Ro-Ro) Marisa Nusantara dengan Reefer Qihang di Selat Sunda pada # Mei 2014.  Analisa  dari  skenario  tubrukan  dilaksanakan  menggunakan  metode  elemen  hingga  (FEM)  untuk  menghasilkan prediksi dari respon kapal Ro-Ro ketika mengalami tubrukan. Untuk mendapatkan konfigurasi dan setting yang akurat, hasil analisa FEM dibandingkan dengan kalkulasi rumus empiris energi tubrukan. Studi dilanjutkan dengan menganalisa respon struktur dengan memvariasikan internal dan eksternal parameter, yaitu lokasi tubrukan dan material lambung. Berdasarkan  karakteristik  energi  pada  lokasi  yang  telah  ditentukan,  beberapa  target  di  wilayah  after-end  dapat disimpulkan  sebagai  titik  kritis  jika  tubrukan  terjadi  di  pada  lokasi  ini.  Di  lain  pihak,  dengan  mentukan  target  pada struktur dan konstruksi yang sama, penggunaan baja karbon menengah dapat memberikan hambatan struktur yang besar kepada striking ship ketika melakukan penetrasi pada lambung struck ship.
Copyright © 2018, KAPAL , pISSN:1829-8370, eISSN : 2301-9069
Kata Kunci : Tubrukan kapal, Ro-Ro penumpang, Lambung ganda, Metode elemen hingga

## 1. PENDAHULAN
Sejak dimulainya sejarah industri perkapalan, fenomena tubrukan sudah menarik perhatian yang luas,  baik  dalam  kasus  kecelakaan  pada  moda transportasi  darat  maupun  transportasi  laut. Besarnya  kemungkinan  kejadian  tubrukan  yang dipengaruhi  berbagai  faktor,  membuat  investigasi dan  riset  di  bidang  ini  terus  dilakukan  dalam  hal aktif (navigasi) maupun pasif (kapabilitas struktur).
Pada moda transportasi laut, sejarah mencatat kecelakaan besar yang melibatkan tubrukan kapal, seperti Titanic pada  saat  pelayaran  perdananya  di tahun 1912. Karena kuantitas kerugian yang begitu besar  dari  kecelakaan  ini,  pihak-pihak  terkait mengadakan  investigasi  dan  penelitian  yang ditujukan  untuk  mengevaluasi  standar  aturan  dan keamanan pada saat melakukan operasional di laut.
Meskipun termasuk kejadian yang kompleks, pada  dasarnya  tubrukan  dibagi  menjadi  bagian, yaitu external  dynamics dan internal  mechanics yang  keduanya  saling  berkaitan.  Instrumen  untuk menganalisa fenomena ini pun turut dikembangkan,  sebagai  contoh  kode  numerik  –
*) Penulis Korespondensi : Email : aditya@pukyong.ac.kr
metode  elemen  hingga  ( finite  element  method  - FEM ) guna meningkatkan ketelitian dan kapabilitas  dalam  memprediksi  berbagai  kriteria struktur baik saat maupun setelah tubrukan. Dalam riset  menggunakan  FEM,  Kitamura  menyatakan bahwa  konfigurasi  pada  analisa  tubrukan  akan akurat  ketika  dimodelkan  menggunakan  asumsi aktual  kecelakaan,  metode  analitik  dan  elemen hingga  [1].  Riset  mengenai  tubrukan  kapal  telah dilakukan oleh beberapa peneliti, seperti Haris dan Amdahl  [2],  Prabowo  [3-7]  dan  Calle  et  al.  [8]. Ketiga  contoh  sebelumnya  menggunakan  FEM dalam  kalkulasi,  dan  validasi  dengan  laboraorium eksperimen.  Meskipun  akurasi  untuk  konfigurasi akan semakin baik, tapi proses riset dengan metode ini akan memakan waktu yang tidak sedikit.
Mempertimbangkan  metode  dalam  verifikasi untuk  konfigurasi  tubrukan  dan  efektifitas  lama waktu  riset,  penelitian  ini  ditujukan  untuk menginvestigasi  perilaku  struktur  kapal  dalam menghadapi  beban  tubrukan.  Skenario  utama dimodelkan  berdasarkan  insiden  tubrukan  kapal menggunakan  FEM.  Hasil  dari  kalkulasi  numerik akan  dibandingkan  lagi  dengan  hasil  kalkulasi menggunakan  metode  empiris.  Analisa  lanjutan akan  ditujukan  untuk  mengkuantifikasi  efek  dari parameter yang termasuk dalam external dynamics dan internal mechanics pada saat tubrukan.

## 2. METODE

## 2.1. Insiden Kecelakaan
Referensi untuk pemodalan kasus kecelakaan diambil  berdasarkan  kasus  kecelakaan  yang melibatkan Ro-Ro Marisa Nusantara dan Reefer Qi Hang  di  Selat  Sunda.  Pada  saat  tubrukan, Ro-Ro bertindak  sebagai struck  ship ,  sedangkan reefer berperan  sebagai striking  ship [9].  Diprediksi, dalam  kecelakaan, striking  ship melaju  dengan kecepatan 12 kts., atau pada kisaran 6.17 m/s. Hasil survey  lapangan,  kerusakan  pada struck  ship diperoleh  dengan  panjang  7  meter,  lebar  5  meter, dan kedalaman 2 meter. Lebih detail, sobekan pada lambung  terdapat  pada  lambung  amping  diantara main deck dan middle deck.

## 2.2. Prosedur Investigasi
Metode nonlinier FEM akan digunakan untuk melakukan  kalkulasi  numerik  berdasakan  aktual skenario  tubrukan,  dengan  target  keluaran  tingkat kerusakan dan energi tubrukan. Hasil dari kalkulasi energi  akan  dibandingkan  dengan  perhitungan yang menggunakan formula empiris. Pada riset ini, rumus  yang  dikembangkan  oleh  Zhang  [10]  akan digunakan  untuk  menghitung  energi  berdasarkan
kerusakan  pada  lambung  samping struck  ship . Persamaan  matematis  dari  rumus  empiris  dibagi berdasarkan  dua  bentuk  kerusakan,  yaitu  lipatan dan  robekan,  sesuai  dengan  yang  ditulis  pada persamaan 1 dan 2.
T R d t E 0 67 . 0 50 . 3         (1) T R l t E 0 6 . 0 21 . 3         (2)
dimana: E  = energi  terserap  dalam  tubrukan, t  = tebal  plat  rata-rata, d =  tebal  plat  rata-rata  pada penampang  subjek  yang  rusak, l =  panjang  kritis kerusakan,  σ 0 = flow  stress dan R t =  volume material yang rusak.
Gambar 1. Illustration of collision process.
Titik  target  pada struck  ship ditentukan  pada lambung  samping  diantara main  deck dan middle deck.  Kecepatan striking  ship saat  kontak  dengan target  ditentukan  sebesar  6.17 m/s,  dimana struck ship diberi batasan olah gerak aksial dan rotasional untuk  pada  semua  arah.  Kedua  kapal  didesain secara numerik menggunakan shell element dengan tipe formulasi Belytschko-Tsay diimplementasikan pada  model  [11].  Ilustrasi  dari  skenario  tubrukan diberikan pada Gambar 1.
(a)
(b)
Gambar 2. Kontur kerusakan pada struck ship : (a) analisa FEM and (b) aktual insiden.
Hasil  kalkulasi  mengenai  bentuk  kerusakan pada struck  ship menggunakan  metode  elemen hingga dibandingkan dengan kerusakan dari aktual insiden  tubrukan  (Gambar  2).  Dari  segi  geometri, kerusakan  yang  dihasilkan  secara  numerik mengindikasikan kesamaan yang baik. Kesimpulan ini  juga  didukung  dengan  tingkat  kerusakan  yang serupa  dengan  insiden  tubrukan,  yaitu  panjang  7 meter, lebar 4.5 m, dan kedalaman 2 meter.
Setelah  verifikasi  dalam  hal  kerusakan diselesaikan,  perbandingan  untuk  energi  tubrukan (Tabel 1) akan dilakukan pada tahap sebelumnya. Dengan  kalkulasi  empiris  menggunakan  formula dari Zhang, didapat bahwa perbedaan dengan FEM sangat kecil, yaitu dibawah 5%.
Tabel 1. Verifikasi Energi Tubrukan. Kasus Energi (MJ) Selisih (%) FEM Empiris Tubrukan kapal 6.91344 6.96731 0.7732

## 2.3. Parameter untuk Analisa Tubrukan
Konfigurasi  metode  elemen  hingga  (FEM)  di analisa sebelumnya akan digunakan untuk simulasi numerik dengan ANSYS LS-DYNA [12] tubrukan kapal  dengan  parameter  berbeda,  yaitu  lokasi tubrukan  dan  material  lambung  kapal.  Variasi dalam  hal  lokasi  akan  ditentukan  pada  arah longitudinal  lambung  kapal,  dan  tiga  material berbeda seperti yang diberikan pada Tabel 2, akan diaplikasikan  pada  geometri  kapal.  Detail setting untuk simulasi diberikan sebagai berikut:
1. Jarak antara dua target ditetapkan pada dua web yang berdekatan dengan l < 2 m.
2. Baja pada lambung kapal diasumsikan  sebagai plastic-kinematic material [13].
3. Waktu  simulasi  dibatasi  sangat  pendek,  yaitu 0.567 s untuk memenuhi kriteria beban impak.
4. Kecepatan striking ship diberikan sebesar 6.17
m/s berdasarkan aktual insiden.
5. Koefisien gesek antara baja diaplikasikan pada konfigurasi kontak.
Tabel 2. Material Kapal pada Simulasi Numerik.
Properties Low- carbon Medium- carbon Alloy Steel Density (kg/m 3 ) 7865 7850 7850 Poisson’s ratio 0.27 0.3 0.29 Yield strength (MPa) 310 440 315 Young’s modulus (MPa) 200000 210000 200000

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Kalkulasi  energi  tubrukan  menggunakan metode  elemen  hingga  akan  dipresentasikan  pada bagian  ini.  Energi  diberikan  berdasarkan  lokasi, yaitu fore-end pada  Gambar  3,  dan midship pada Gambar  4.  Kedua  lokasi  mengindikasikan  bahwa perubahan  lokasi  target  di  arah  longitudinal  tidak menunjukkan perubahan  yang signifikan. Namun, dapat  dilihat  bahwa  perbedaan  antara  di fore-end relative lebih besar dibandingkan dengan di daerah midship . Pola energi seperti ini muncul disebabkan perbedaan geometri kedia lokasi. Penampang pada fore-end saat tubrukan cenderung berbeda di  arah longitudinal dikarenakan membetuk streamline. Di lain pihak, midship memiliki penampang berbentuk konstan  dan  lurus,  sehingga  menghasilkan  energi tubrukan yang mirip. Berdasarkan hasil, direkomendasikan pada saat penentuan konfigurasi tubrukan,  jarak  antara  kedua  target  lebih  besar daripada 2 m untuk mendapatkan perbedaan yang signifikan.  Dalam  hal  kekuatan  struktur  lambung, perbandingan  antara  kedua  lokasi  menunjukan bahwa midship lebih  kuat  daripada fore-end dengan estimasi diatas 30% disaat menerima beban tubrukan dari arah samping.
Gambar 3. Karakteristik energi tubrukan untuk lokasi fore-end .
Gambar 4. Energi tubrukan untuk target lokasi midship .
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 2 4 6 8 C o ll isi o n En erg y ( M J) Displacement (m) Location 1 - Frame 117 Location 2 - Frame 119 Loc. 2: 7.5506 MJ Loc. 1: 7.0377 MJ Difference in the midship: 6.7928%; Fore-end vs. Midship: 34.0686% 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 3 6 9 12 C o ll isi o n En erg y ( M J) Displacement (m) Location 3 - Frame 102 Location 4 - Frame 104 Loc. 3: 10.6742 MJ Loc. 4: 10.2672 MJ Difference in the fore-end: 3.8129%; Fore-end vs. Midship: 34.0686%
Dalam hal tingkat kerusakan setelah tubrukan, persebaran  deformasi  pada  lambung  kapal struck ship menunjukkan  keparahan  hingga  pada main deck untuk lokasi fore-end . Seperti yang diberikan pada  Gambar  5  dan  6,  pada  ujung main  deck , kerusakan  dalam  bentuk  robekan  juga  muncul, bersamaan  dengan  sobekan  pada  bagian  lambung dibawah middle  deck .  Berlawanan  dengan  hasil yang  ditunjukkan fore-end, kerusakan  pada lambung  bagian midship (Gambar  7  dan  8)  tidak mencapai  bagian  atas  ( main  deck )  ataupun  lebih rendah daripada middle deck.
Pererhatian  selanjutnya  ditujukan  pada  efek material  baja  di  lambung  kapal  saat  menghadapi tubrukan.  Hasil  pada  gambar  9  menunjukkan bahwa perbedaan yang signifikan terjadi pada low- carbon dan medium-carbon steel .
Dapat disimpulkan bahwa kenaikan nilai yield strength akan  sebanding  dengan  kemampuan hambatan  struktur  dalam  menghadapi  tubrukan. Hal  ini  sesuai  dengan  teori  material  dimana  baja dengan yield lebih  tinggi  akan  lebih  sulit  dirusak saat  kontak,  yang  lebih  jauh  pengaruh yield ini akan meningkatkan impact resistance. Akan tetapi, anomali terjadi pada low alloy yang menghasilkan energi  lebih  kecil  daripada  baja-karbon  rendah, meskipun low  alloy memiliki  yield  lebih  tinggi. Temuan  mengenai  material  baja  menunjukkan bahwa pada saat perbedaan yield tidak signifikan, atau dibawah 1.587%, density akan mempengaruhi hasil  kalkulasi  energi.  Lebih  jauh,  dapat disimpulkan  bahwa  volume  material  yang  rusak akibat  tubrukan  juga  akan  lebih  kecil  meskipun suatu material memiliki yield lebih tinggi.
Gambar 5. Kerusakan pada lokasi no.1 di bagian struktur fore-end .
Gambar 6. Kerusakan pada lokasi no.2 di bagian struktur fore-end .
Displacement – X axis (m) Displacement – Y axis (m) Displacement – Z axis (m) Displacement – X axis (m) Displacement – Y axis (m) Displacement – Z axis (m)
Gambar 7. Kerusakan pada lokasi no.3 di bagian struktur midship .
Gambar 8. Kerusakan pada lokasi no.4 di bagian struktur midship .
Gambar 9. Pola energi tubrukan untuk ketiga material yang digunakan pada analisa.
Displacement – X axis (m) Displacement – Y axis (m) Displacement – Z axis (m) Displacement – X axis (m) Displacement – Y axis (m) Displacement – Z axis (m) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 2 4 6 8 C o ll isi o n En erg y ( M J) Displacement (m) Low-Carbon Steel Medium-Carbon Steel Alloy Steel Alloy steel menghasilkan lebih besar energy dibandingkan medium-carbon steel. Pertambahan energi sesuai dengan nilai yield strength untuk low dan medium carbon steel .

## 4. KESIMPULAN
Penelitian  ini  menyajikan  sebuah  studi mengenai  investigasi  beberapa  kasus  tubrukan kapal  yang  didesain  agar  mewakili  internal  dan eksternal  parameter  pada  tubrukan  kapal.  Metode elemen hingga digunakan sebagai media kalkulasi skenario  tubrukan.  Konfigurasi  dari  metode  ini berhasil  diverifikasi  dengan  membandingkan dengan kasus tubrukan aktual dan formula empiris. Pada  analisa  kasus  tahap  lanjut,  didapat  bahwa pengaruh  target  lokasi secara  keseluruhan menunjukkan  perbedaan  kapabilitas  yang  cukup signifikan  dalam  menghadapi  beban  impak. Namun perlu diperhatikan bahwa dalam observasi pada target lokasi yang sama (contoh: fore-end atau midship ),  perbedaan  jarak  sangat  mentukan perilaku  energi  tubrukan.  Agar  pengamatan  pada respon  struktur  dapat  dilakukan  dengan  jelas, rekomendasi  diberikan  dalam  hal  penetapan  jarak antar target. Pada lokasi yang sama, jarak ini harus diatas  2  meter.  Mengenai  parameter  baja  kapal, density akan  berpengaruh  pada  energi  tubrukan ketika  perbedaan  pada  aspek yield  strength tidak signifikan. Review pada  studi  yang  membahas mengenai  dampak  properti  baja  terhadap  subjek berbasis  baja  sangat  disarankan  untuk  mendapat referensi  yang  relevan  dalam  mendefinisikan material model pada analisa tubrukan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] O.  Kitamura,  "FEM  Approach  to  the Simulation  of  Collision  and  Grounding Damage," Marine Structures, vol. 15, pp. 403- 428, 2002.
[2] S.  Haris,  J.  Amdahl,  "Analyis  of  Ship-Ship
Collision  Damage  Accounting  For  Bow  and
Side Deformation Interaction," Marine Structures, vol. 32, pp. 18-48, 2013.
[3] A.R.  Prabowo,  D.M.  Bae,  J.M.  Sohn,  A.F. Zakki,  B.  Cao,  J.H.  Cho,  "Effects  of  the Rebounding  of  a  Striking  Ship  on  Structural Crashworthiness during Ship-Ship Collision,"
Thin-Walled  Structures, vol.  115,  pp.  225- 239, 2017.
[4] A.R.  Prabowo,  D.M.  Bae,  J.H.  Cho,  J.M.
Sohn, "Analysis of Structural Crashworthiness and Estimating Safety Limit
Accounting  for  Ship  Collisions  on  Strait Territory," Latin  American  Journal  of  Solids and Structures, vol. 14, pp. 1594-1613, 2017.
[5] D.M. Bae, A.R. Prabowo, B. Cao, J.M. Sohn, A.F. Zakki, Q. Wang, "Numerical Simulation for the Collision Between Side Structure and Level  Ice in Event of Side Impact Scenario," Latin  American  Journal  of  Solids  and Structures, vol. 13, pp. 2991-3004, 2016.
[6] A.R.  Prabowo, B. Cao,  D.M. Bae,  S.Y.  Bae, A.F. Zakki, J.M. Sohn, "Structural Analysis of the  Double  Bottom  Structure  During  Ship Grounding  by  Finite  Element  Approach,"
Latin  American  Journal  of  Solids  and Structures, vol. 14, pp. 1-18, 2017.
[7] A.R.  Prabowo,  S.J.  Baek,  H.J.  Cho,  J.H. Byeon,  D.M.  Bae,  J.M.  Sohn,  "The Effectiveness of Thin-Walled Hull Structures Against  Collision  Impact," Latin  American Journal of Solids and Structures, vol. 14, pp.
1345-1360, 2017.
[8] M.A.G.  Calle,  R.E.  Oshiro,  M.  Alves,  "Ship Collision and Grounding: Scaled Experiments and  Numerical  Analysis," International Journal of Impact Engineering, vol. 103, pp. 195-210, 2017.
[9] A.R.  Prabowo,  D.M.  Bae,  J.M.  Sohn,  J.H. Cho,  "Performance  Assessment  on  a  Variety of  Double  Side  Structure  During  Collision Interaction  with  Other  Ship," Curved  and Layered Structures, vol. 4, pp. 255-271, 2017.
[10] S. Zhang, P.T. Pedersen, "A Method for Ship Collision  Damage  and  Energy  Absorption Analysis  and  Its  Validation," Ships  and Offshore  Structures, vol.  12,  pp.  S11-S20, 2016.
[11] D.M.  Bae,  A.R.  Prabowo,  B.  Cao,  A.F. Zakki,  G.D.  Haryadi,  " Study  on  Collision
Between Two Ships Using Selected
Parameters  in Collision  Simulation," Journal of  Marine  Science  and  Application, vol.  15, pp. 63-72, 2016.
[12] ANSYS,  ANSYS  LS-DYNA  User’s  Guide, Pensylvania: ANSYS, Inc., 2017.
[13] A.R. Prabowo, D.M. Bae, J.M. Sohn, B. Cao, "Energy behavior on side structure in event of ship collision subjected to external parameters," Heliyon, vol. 2, e00192, 2016.