Pengukuran gelombang tegangan impak lewat strain gage: b

Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 diteruskan dan melewati semi conductor strain gage a b adalah sebagai gelombang tegangan tekan kembali.

b. Pengukuran gelombang tegangan impak lewat strain gage: b

Dari impak batang striker yang diberikan ke batang penerus input bar melalui interface, maka timbul gelombang tegangan disepanjang L batang penerus. Dengan cara pembacaan yang sama grafik pada pengukuran strain gage a, Gambar 4.9 a, maka gelombang tagangan yang terjadi pada batang penerus diteruskan ke spesimen adalah dari titik a ´ - b ´ dalam waktu t – t 1 , gelombang tegangan ini tertangkap oleh semi conductor strain gage a b sebagai gelombang tegangan tekan, dan setelah mencapai ujung batas batang penerus gelombang tegangan ini direfleksikan kembali melewati semi conductor strain gage b a dan terekam sebagai gelombang tegangan tarik b ´ - c ´ . Selanjutnya melalui interface spesimen ke batang penerus terjadi penundaan waktu time delay selama waktu c´- d ´ , dan rambat gelombang tegangan ini diteruskan sampai ke ujung batas batang penerus, setelah mencapai ujung batas batang penerus gelombang tegangan ini direfleksikan melalui interface batang impak ke batang penerus, dan kembali melewati semi conductor strain gage a b sebagai gelombang tegangan tekan, dan hal yang sama seterusnya gelombang tegangan berpropagasi secara berulang. c. Pengukuran respon tegangan insiden pada helm Pengukuran kekuatan pada lokasi impak batang input dan helm berdasarkan pada teori rambat gelombang elastis satu dimensi. Pada Gambar 4.9 b menunjukkan Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 tegangan insiden, yaitu tegangan yang berpropagasi ke dalam helm dengan amplitudo sebesar in σ = 24,50 Mpa. Pungukuran tegangan insiden yaitu tegangan yang masuk kedalam helm dengan memasang semi conductor strain gage a pada jarak 15 mm, dan semi conductor strain gege b yang berjarak 30 mm dari titik pengimpakan. Dari pengimpakan batang impak melalui interface batang penerus, rambat gelombang tegangan yang ditransmisikan ke batang penerus dan diteruskan ke spesimen melalui interface spesimen, sehingga gelombang tegangan yang masuk ke spesimen terukur melewati semi conductor strain gage a b yang berjarak 15 mm dari titik impak terpasang pada spesimen, dan dalam waktu t adalah sebesar in σ = 24,50 MPa, sebagai gelombang tegangan tekan satu dimensi a b, setelah mencapai ujung batang penerus, sebagian gelombang tegangan tekan ini diteruskan ke spesimen dan sebagian akan direfleksikan sebagai gelombang tegangan tarik menuju interface batang impak dan batang input dan tertangkap oleh strain gage b dan a sejauh b- c. Pada saat yang sama setelah impak, pada batang impak juga merambat gelombang tagangan tekan dari interface menuju ujung bebasnya. Setelah mencapai ujung bebasnya, gelombang tegangan ini direfleksikan menuju interface dan diteruskan ke batang penerus. Pada saat menuju ujung batang penerus, gelombang tegangan tersebut akan tertangkap oleh strain gage a b sebagai gelombang tegangan tarik satu dimensi sebesar c d. Setelah mencapai ujung batang penerus, gelombang tegangan ini sebagian diteruskan ke spesimen dan sebagian kembali menuju interface batang penerus dan batang impak dan terekam oleh strain gage b dan a sebagai Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 gelombang tegangan tekan sebesar d f. Jadi besar gelombang tegangan tarik yang merambat ke batang impak ditransmisikan kembali ke batang penerus input bar, dan diteruskan ke spesimen. Kondisi ini sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti: sifat-sifat mekanis material batang uji, ukuran panjang batang uji, dan jenis material spesimen yang akan di uji. Ketiga hal tersebut harus dipertimbangankan, agar data hasil pengujian yang didapatkan terukur dengan baik. 4.5.2.3. Respon tegangan impak atas helm tanpa saluran angin TSA, pada ID = 40 mm, dan ID = 120 mm, SG. arah: X Gambar 4.11 Respon Tegangan impak Vs Waktu SG.X:15 mm, Imp.atas,TSA -10.96 -18 -12 -6 6 12 18 1000 2000 3000 4000 Waktu us S tr ess M P a ID 40 ID 120 Input Bar Striker P : 0,4 MPa Impact distance: 40 mm dan 120 Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 Gambar 4.12 Respon Tegangan Impak Vs Waktu SG.X:30 mm, Imp.atas, TSA 4.5.2.4. Respon impak atas helm dengan saluran angin DSA, pada ID = 40 mm dan ID = 120 mm, SG. arah: X Gambar 4.13 Respon Tegangan Impak Vs Waktu SG.X:15 mm, Imp.atas, DSA 5.89 -18 -12 -6 6 12 18 1000 2000 3000 4000 Waktu us S tr ess MP a ID 40 ID 120 -21.61 -25 -15 -5 5 15 25 1000 2000 3000 4000 Waktu us St re s s M Pa ID 40 ID 120 Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 Gambar 4.14 Respon Tegangan Impak Vs Waktu SG.X:30 mm,Imp.atas, DSA 4.5.3. Pengimpakan samping helm TSA dengan Strain gage arah: X 4.5.3.1. Respon impak samping helm tanpa saluran angin TSA, pada ID = 40 mm dan ID = 100 mm, SG.arah: X -6.61 -10 -5 5 10 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Waktu us St re s s M P a ID 40 ID 100 Gambar 4.15 Respon Tegangan Impak Vs Waktu SG.X:15 mm, Imp.samp. TSA -11.02 -25 -15 -5 5 15 25 1000 2000 3000 4000 Waktu us St re s s M Pa ID 120 ID 40 Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 Gambar 4.16 Respon Tegangan Impak Vs Waktu SG.X:30 mm, Imp.samp.TSA 4.5.3.2. Respon impak samping helm dengan saluran angin DSA, pada ID = 40 mm dan ID = 100 mm, SG.arah: X Gambar 4.17 Respon Tegangan Impak Vs Waktu SG.X:15 mm, Imp.samp.DSA 6.00 -10 -5 5 10 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Waktu us Str e s s M Pa ID 40 ID 100 -4.24 -10 -5 5 10 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Waktu us S tr ess M P a ID 40 ID 100 Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 Gambar 4.18 Respon Tegangan Impak Vs Waktu SG.X:30 mm,Imp.samp.DSA 4.5.4. Pengimpakan atas helm TSA dengan strain gage arah: Y Pengimpakan atas pada helm seperti ditunjukkan pada Gambar 4.19 menggunakan metoda dua gage dengan berbagai variasi jarak impak ID. Gambar 4.20,dan 4.21 menunjukkan tegangan impak dan tegangan insiden yaitu tegangan yang masuk ke dalam helm dengan tekanan 0,4 MPa masing-masing pada jarak impak 60 mm dan 140 mm. Sedangkan Gambar 4.22 merupakan grafik gabungan respon tegangan insiden. Dari gabungan kedua grafik tersebut Gambar 4.22 menunjukkan semakin besar jarak impak, maka semakin besar pula respon tegangan impak dan tegangan insiden yang diterima helm. Berikut ini ditunjukkan data-data hasil pengukuran dengan jarak impak yang bervariasi menunjukkan besarnya respon tegangan impak dan tegangan insiden seperti terlihat pada Tabel 4.7. 4.64 -10 -5 5 10 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Waktu us St re s s M Pa ID 40 ID 100 Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 Tabel 4.6 Hasil perhitungan Tegangan Impak dan Tegangan Insiden pada berbagai variasi ID : 60 mm s.d 140 mm ID Tegangan Impak Tegangan Insiden Faktor Transmisi mm MPa MPa α 60 67,77 26,28 38,78 80 73,81 28,76 38,96 100 78,53 31,07 39,56 120 86,37 33,56 38,85 140 91,89 36,80 40,04 Rata-Rata 79,67 31,29 39,24 Sumber: Hasil Penelitian Konfigurasi tegangan insiden dapat ditunjukkan pada Gambar 4.22. Dari bentuk gelombang tegangan tersebut memberikan beberapa informasi penting, antara lain : waktu impak untuk jarak 60 mm dan 140 mm sebesar t i = 300 μs. Waktu impak ini tergantung pada ukuran panjang batang impak yang digunakan. Semakin pendek batang impak yang digunakan waktu impak akan semakin kecil. Gambar 4.19. Impak Atas Helm TSA dengan Strain Gage arah: Y Input Bar Striker 1500 mm 500 mm 200 200 Gage a Gage b Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 Gambar 4.20. Tegangan Impak dan Tegangan Insiden P=0,4 MPa; ID: 60mm, Strain Gage arah: Y Gambar 4.21. Tegangan Impak dan Tegangan Insiden P = 0,4 MPa; ID: 140mm 26.28 -20 -10 10 20 30 40 50 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 Time μ s In si d en S tr ess M P a 67.77099378 -100 -75 -50 -25 25 50 75 100 750 1250 1750 Waktu μs T eg a n g a n i m p a k M P a Impact distance: 60 mm Input Bar Striker P : 0,4 MPa t i 36.80 -20 -10 10 20 30 40 50 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 Time μ s In si d e n Stress M P a t i 91.89524578 -100 -75 -50 -25 25 50 75 100 500 1000 1500 Waktu μs T ega n g an i m p a k M P a Impact distance : 140mm Input Bar Striker P : 0,4 MPa Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 Gambar 4.22. Grafik Gabungan Respon Tegangan Insiden Bentuk grafik Gambar 4.22 di atas, menunjukkan besar respon tegangan insiden dari pengujian model helm TSA, pada jarak impak ID 60 s.d ID 140 mm. Penjalaran gelombang tegangan yang terjadi berbentuk amplitudo dan searah dengan sumbu batang uji. Tegangan impak pada ID = 60 mm sebesar 67,77 MPa, dan tegangan insiden sebesar 26,28 MPa, sedangkan pada ID = 140 mm, diperoleh tegangan impak sebesar 91,89 MPa dan tegangan insiden sebesar 36,80 MPa. Jadi semakin besar jarak impak ID, maka semakin besar pula tegangan impak dan tegangan insiden pada helm. Pada kondisi ini permukaan helm belum menunjukkan kerusakan, tetapi pada bagian dalam helm sudah memperlihatkan perubahan warna whitening zone di bawah lokasi titik impak. Dari hasil perhitungan tegangan impak dan tegangan insiden pada berbagai variasi jarak impak dapat dilihat bahwa rata-rata ID60=26.28 ID140=36.80 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 200 400 600 800 Waktu μ s Te nga ng a n M P a ID=60 ID=140 Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 faktor transmisi sebesar 39,24. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan yang masuk ke helm komposit sangat besar, artinya tegangan impak mampu diredam. 4.5.5. Pengimpakan samping helm TSA, dengan Strain Gage arah: Y Gambar 4.23. Impak Samping Helm TSA dengan Strain Gage Arah: Y Pengukuran respon tegangan impak pada helm dari arah samping ditunjukkan pada Gambar 4.24. Pada pengujian ini, pengukuran yang dilakukan mulai pada jarak impak ID = 60 s.d 120 mm, dengan tekanan 0,4 MPa. Gambar 4.24 dan 4.25 masing-masing memperlihatkan tegangan impak dan tegangan insiden, dan menunjukkan besar respon tegangan impak yang ditransmisikan ke helm sebesar 42,45 MPa, dan tegangan insiden pada helm sebesar 16,15 MPa pada ID = 60 mm, pada ID = 120 mm, respon tegangan impak yang di transmisikan sebesar 65,72, MPa, dan tegangan insiden pada helm sebesar 26,02 MPa. Pada kondisi ini helm sudah menunjukkan whitening zone. Berikut ini data hasil pengukuran yang ditabulasikan pada Tabel 4.8. Faktor transmisi dari berbagai variasi ID sebesar 38,75, hal ini menunjukkan helm komposit lebih besar meredam tegangan yang masuk akibat beban impak kecepatan tinggi. Strain Gage terpasang pada Arah : Y Dan Arah Pengimpakan Samping. Titik Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 Pada pengujian impak bagian atas helm, menunjukkan besar faktor transmisi yang hampir sama, hal ini menunjukkan bahwa semua bagian permukaan helm akan meredam tegangan yang diterima sebesar 60. Respon tegangan insiden yang diperoleh ini, juga menunjukkan kemampuan helm komposit untuk menahan tumbukan beban impak, sehingga pada jarak impak ID sebesar 140 mm, dan strain gage pada 15 mm dari titik pengimpakan, pada permukaan dinding helm yang terkena impak hanya menunjukkan whitening zone. Kondisi ini menunjukkan telah terjadi perambatan gelombang tegangan yang menembus lapisan matrik, dan gelombang tegangan tersebut akan diteruskan ke lapisan serat penguat yang pertama. Tabel 4.7. Hasil perhitungan Tegangan Impak dan Tegangan Insiden pada berbagai variasi ID : 60 mm s.d 120 mm ID Tegangan Impak Tegangan Insiden Faktor Transmisi mm MPa MPa α 60 42,45 16,15 38,04 80 51,82 20,02 38,63 100 59,22 22,93 38,72 120 65,72 26,02 39,59 Rata-Rata 54,8025 21,28 38,75 Sumber: Hasil Penelitian Dari hasil pengujian helm impak atas dan samping dengan strain gage terpasang pada arah: Y menunjukkan besar respon tegangan insiden yang berbeda seperti terlihat pada tabel 4.7 dan tabel 4.8 di atas. Pada impak atas, diperoleh tegangan insiden rata-rata sebesar 31,29 MPa, sedangkan pada impak samping, Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 diperoleh tegangan insiden rata-rata yang lebih kecil yaitu sebesar 21,28 MPa. Hal ini disebabkan adanya pengaruh pada bentuk sambungan antara cangkang dan brim. 42,45 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 500 1000 1500 Waktu μs Te g a n g an i m p ak M P a Impact distance: 60mm Input Bar Striker P : 0,4 MPa 16,15 -30 -20 -10 10 20 30 50 100 150 200 Time μ s In s iden S tr e s s M P a t i Gambar 4.24. Tegangan Impak dan Tegangan Insiden P=0,4 MPa; ID: 60mm, Strain Gage Arah: Y 26,02 -30 -20 -10 10 20 30 50 100 150 200 Time μ s In si den S tr ess M P a 65,72 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 500 1000 1500 Waktu μs T e gan gan i m p a k M P a Input Bar Striker P : 0,4 MPa t i Impact distance: 120 Gambar 4.25. Tegangan Impak dan Tegangan Insiden P = 0,4 MPa; ID: 120mm, Strain Gage Arah: Y Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 Gambar 4.26 Grafik Gabungan Respon Tegangan Insiden Hasil pengujian impak atas dan samping pada helm komposit di atas dilakukan dengan posisi strain gage pada arah: X dan Y, dengan berbagai variasi jarak impak menunjukkan bahwa semakin besar jarak impak, maka semakin besar pula respon tegangan yang terjadi pada helm. Dari beberapa pengalaman para peneliti sebelumnya, berdasarkan data hasil pengukuran dengan pemasangan strain gage arah: Y untuk helm standar menunjukkan respon tegangan impak yang lebih besar dibandingkan dengan posisi strain gage pada arah: X. Jadi berdasarkan pengalaman pada pengujian helm standard ini, maka hasilnya dapat dibandingkan dengan helm komposit yang memiliki bentuk tulangan pada bagian atas dan samping, tentu bentuk konstruksinya lebih kokoh, dan kuat. Pada pengujian helm komposit ini dilakukan dengan menggunakan alat strain gage yang diletakkan pada posisi arah: X dan Y, dari hasil pengujian helm komposit pada impak atas dan samping menunjukkan besar respon tegangan impak dan tegangan insiden yang 16,15 26,02 -60 -40 -20 20 40 60 100 200 300 400 500 waktu s Te g a nga n M P a ID = 60 ID = 120 Hasrin : Desain Dan Pabrikasi Helmet Industri Yang Ergonomik, 2008 USU Repository © 2008 berbeda. Sebagai perbandingan data hasil pengukuran, maka dapat ditunjukkan seperti pada contoh berikut ini: Dari hasil pengukuran pada pengimpakan atas helm komposit, dengan P = 0,4 MPa, ID = 140 mm, diperoleh besar respon tegangan impak . imp σ = 91,89 MPa, tegangan insiden . ins σ = 36,80 MPa, dan faktor transmisi α = 40,04. Sedangkan dari data hasil pengujian helm standard yang dilakukan oleh Iqbal yaitu : pada tekanan 0,4 MPa, dan jarak impak 140 mm, diperoleh tegangan impak hasil pengukuran sebesar 73,41 MPa. Akan tetapi, besarnya tegangan yang dapat ditransmisikan ke dalam helm tegangan insiden hanya sebesar 8,82 MPa, dan faktor transmisi α =12,01. Dari data hasil pengukuran kedua jenis helm tersebut di atas, telah menunjukkan besar respon tegangan berbeda antara jenis material komposit dengan polimer biasa. Dalam hal ini helm komposit jauh lebih baik menerima meredam beban impak dibandingkan dengan jenis helm standard dan non standard.

4.6. Redesain Gambar Model Konstruksi Helm Komposit Hasil Produksi