Studi Eksperimental Struktur Helmet Pengendara Sepeda Akibat Beban Impak Jatuh Bebas Pada Bahan Polimer Busa Komposit Diperkuat Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)

(1)

STUDI EKSPERIMENTAL STRUKTUR HELMET

PENGENDARA SEPEDA AKIBAT BEBAN IMPAK JATUH

BEBAS PADA BAHAN POLIMER BUSA KOMPOSIT

DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT

(TKKS)

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

HOLDANI 070401005

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

(2)

ABSTRAK

Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan tegangan, regangan danenergi potensial yang mampu diserap oleh helmet sepeda dari bahan polimer busa komposit dan helmet komersial yang kemudian dibandingkan dengan hasil uji. Pengujian impak jatuh bebas dilakukan dengan menggunakan alat uji jatuh bebas multiguna. Helmet yang diuji diletakkan pada tes rig yang dapat diatur ketinggian jatuhnya. Perhitungan waktu impak, maka pada alat uji dilengkapi dengan 8 buah sensor proximity jenis induktif. Helmet akan jatuh dan menabrak dudukan alas uji yang disebut dengan istilahanvil. Gaya yang dihasilkan akan diukur dengan menggunakan alat sensor pengukuran beban yang disebut dengan load cell yang diletakkan di bawah anvil. Data akan dipindahkan dari load cell ke suatu sistem data akusisi yang berfungsi untuk merubah sinyal analog ke bentuk sinyal digital. Akhirnya data akan disimpan dalam PC sebagai gaya (N) dan waktu (ms).Hasil pengujian dengan cara eksperimental untuk helmet bahan polimer busa komposit diperkuat serat TKKS pada ketinggian impaktor 1,5 m diperoleh besar gaya rata-rata 42,64 kgf yang berarti sama dengan 418,29 N dan besar tegangan rata-rata-rata-rata yang terjadi adalah 3,58 Mpa. Tegangan yang terjadi ini menyebabkan helmet sepeda pecah yang berarti telah mencapai dan melewati titik break point. Sedangkan untuk helmet komersial pada ketinggian 1,5 m diperoleh besar gaya rata 45,04 kgf yang berarti sama dengan 441,84 N dan besar tegangan rata-rata yang terjadi adalah 3,78 Mpa.

Kata Kunci: helmet sepeda, alat uji jatuh bebas, polimer busa komposit, tegangan impak.

(3)

ABSTRACT

The purpose of this study was to obtain stress, strain and potential energy that can be absorbed by a the bicycle helmet foam composites of polymeric materials and commercial helmet and then compared the results of the test. The impact test on the free fall doing by using multipurpose test equipment. Helmet is tested is placed in a test rig that can set the height of the fall. To find out the time of impact, so the tester is equipped with 8 pieces inductive proximity sensor types. Helmet will fall and hit the test pedestal stand which is called the anvil. The resulting force would be measured by using a tool called a load sensor measurement with load cell placed under the anvil. Data will be transferred from the load cell to the data acquisition system which serves to convert analog signals to digital signals form. Eventually the data will be stored in the PC as a force (N) and time (ms). Results of experimental testing of helmets by polymer foam materials TKKS fiber reinforced composites at a height of 1.5 m obtained impaktor great style average 42.64 kgf meaning equal to 418.29 N and the average voltage magnitude happened was 3.58 MPa. This causes the voltage going broke which means the bike helmet has been reached and passed the point of break points. As for the commercial helmet at a height of 1.5 m obtained great style kgf average of 45.04 which equates to 441.84 N and the average voltage magnitude happened was 3.78Mpa.

Keywords: bicycle helmet, tool free drop test, the foam polymer composites, impact stress.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji syukur saya ucapkan Kehadirat Allah SWT yang telah memberikan nikmat kesehatan dan kesempatan sehingga saya dapat menyelesaikan tugas sarjana ini dengan judul “STUDI EKSPERIMENTAL STRUKTUR HELMET PENGENDARA SEPEDA AKIBAT BEBAN IMPAK JATUH BEBAS PADA BAHAN POLIMER BUSA KOMPOSIT DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS)”. Tugas sarjana ini merupakan sebagai satu diantara syarat untuk menyelesaikan pendidikan Sarjana Teknik Mesin Program Reguler di Departemen Teknik Mesin – Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Selama Pembuatan tugas sarjana ini dimulai dari penelitian sampai penulisan, saya banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini saya menyampaikan ucapan terimakasih sebesar-besarnya kepada ,

1. Kedua orangtua saya, Ayahanda Muhammad Zuhri Siregar dan Ibunda Zubaidah Lubis yang telah memberikan, do’a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, selalu memberi saya semangat dan memberikan motivasi selama pembuatan tugas sarjana ini.

2. Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku dosen pembimbing Tugas sarjana yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan serta motivasi dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

(5)

3. Bapak Ir. Alfian Hamsi, M.Sc selaku dosen penguji 1 saya dan Bapak Dr. Eng. Ir. Indra, MT selaku dosen penguji 2 saya.

4. Bapak Dr. Ing-Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin, yang telah memberikan bantuan selama saya mengikuti pendidikan di Program Strata 1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 6. Seluruh anggota Team IFRC dan teman – teman stambuk 2007, 2008, 2010

dan mahasiswa Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah banyak memberikan bantuan baik selama perkuliahan maupun dalam pembuatan tugas sarjana ini.

Saya menyadari bahwa tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna. Oleh sebab itu, saya sangat mengharapkan saran dan kritik dari pembaca sekalian demi kesempurnaan skrispi ini. Semoga tugas sarjana ini bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan.

Medan, Juni 2013

(6)

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ………... i

ABSTRACT ……… ii

KATA PENGANTAR ………... iii

DAFTAR ISI ……… iv

DAFTAR TABEL ……… v

DAFTAR GAMBAR ………... vi

BAB 1 PENDAHULUAN ……… 1

1.1. Latar Belakang ……….. 1

1.2. Perumusan Masalah ……….. 3

1.3. Tujuan Penelitian ………..… 4

1.3.1. Tujuan umum ………. 4

1.3.2. Tujuan khusus ………. 4

1.4. Manfaat Penelitian ……….. 5

1.5. Sistematika Penelitian ………. 5

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ………... 7

2.1. Helmet sepeda ………... 7

2.2. Bahan Komposit ……… 10

2.2.1.Komposit polymeric foam ………... 10

2.2.1.1. Polyster resin tak jenuh ……….. 12

2.2.1.2. Blowingagent ………. 13

2.2.1.3. Katalis MEKP ………. 15

2.2.1.4. Serat TKKS ………. 16

2.3. Manufaktur Helmet Sepeda ……….. 18

2.4. Pengujian Kekuatan Helmet Sepeda ……… 22

2.4.1. Pengujian impak jatuh bebas ……….. 21

2.4.2. Momentum dan Impuls ………... 25

(7)

2.4.4. Energi Mekanik ………... 27

BAB 3 METODE PENELITIAN ……….. 28

3.1.Tempat dan Waktu ………... 28

3.1.1. Tempat ………... 28

3.1.2. Waktu ………. 28

3.2.Bahan dan Alat ………... 29

3.2.1. Bahan ………. 29

3.2.2. Peralatan ………. 29

3.3.Prosedur pengujian ……….. 30

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ……….. 33

4.1.Pendahuluan ………. 33

4.2.Perhitungan Gaya secara Teoritikal ………. 33

4.3.Pengujian Helmet Sepeda dengan Metode Impak Jatuh Bebas ……….. 34

4.3.1.Pengesetan alat uji impak jatuh bebas …………... 34

4.3.2.Hasil Pengujian impak jatuh bebas ………. 36

4.3.2.1. Pengujian impak jatuh bebas tinggi 0,5 meter ……….. 37

4.3.2.2. Pengujian impak jatuh bebas tinggi 1 meter ………. 39

4.3.2.3. Pengujian impak jatuh bebas tinggi 1,5 meter ……….. 42

4.3.2.4. Pengujian impak jatuh bebas tinggi 1,5 meter pada helmet komersial ………… 44

4.4. Pengamatan makrostrukturpolimer busa komposit diperkuat serat TKKS ……… 46

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ……… 48

5.1.Kesimpulan ………... 48

5.2.Saran ………..… 49 DAFTAR PUSTAKA

(8)

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

2.1. Perbedaan antara helmet full face dengan half face……….. 9 2.2. Variasi komposisi dan berat jenis ………. 11 2.3. Hasil pengujian mechanical properties ………... 11 2.4. Karakteristik mekanik polyster resin tak jenuh …………... 13 2.5. Parameter tipikal TKKS per kg ………. 17 2.6. Perbandingan tensile strength dan tensile modulus

serat alam ……… 18

2.7. Waktu dan kecepatan benda jatuh ………... 23 4.1. Hasil pengujian helmet sepeda dengan impak

jatuh bebas pada 0,5 m ……….. 39 4.2. Hasil pengujian helmet sepeda dengan impak

jatuh bebas pada 1 m ……….. 41 4.3. Hasil pengujian helmet sepeda dengan impak

(9)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

1.1. Helmet (a) half face, (b) fuul face ... 2

1.2. Gambar pembuatan dengan hand lay up ...…. 3

2.1. Kecelakaan yang dialami pengendara sepeda ... 8

2.2. Helmet (a) jenis fuul face, (b) jenis half face ... 8

2.3. Helmet sepeda jenis half face model tomcat ………... 9

2.4. Resin Unsaturated Polyester BQTN-157 EX ………. 12

2.5. Blowing agent ………..…….. 14

2.6. Katalis MEKPO ………. 16

2.7. (a) TKKS, (b) TKKS yang dicacah, (c) serat TKKS ... 17

2.8. Cara hand lay up ... 19

2.9. Cara semprot ... 19

2.10. Cara kantong vakum ( bag vacum ) ... 20

2.11. Cara kantong tekanan ( pressure bag ) ... 20

2.12. (a) dan (b) Cetakan autoklaf ... 21

2.13. Cara cetakan suntikan ( injection moulding ) ... 21

2.14. Proses pultrusi ( pultrusion ) ... 22

2.15. Grafik hubungan v, vs, t ... 23

3.1. Helmet (a) komposit (b) komersial ... 29

3.2. Bagian alat uji impakjatuh bebas ... 29

3.3. Set up alat uji impak jatuh bebas ... 30

3.4. Load cell terpasang ... 31

3.5. Pemasangan helmet sepedapadates rig... 32

4.1. Set up pengujian impak jatuh bebas helmet sepeda: (a) helmet sepedatampak bawah, (b) Pemasangan helmet sepeda pada testrig ... 34

4.2. Orientasi helmet sepeda yang diuji (a) helmet sepeda tampak belakang,(b) helmet sepeda tampak samping ... 35 4.3. Pengukuran area impak jatuh bebas sebelum pembebanan… 35

(10)

4.5. Grafik hasil pengujian impak dan keretakan yang terjadi

padaketinggian 0,5 m ... 37 4.6. Grafik hasil pengujian impak dan keretakan yang terjadi

padaketinggian 1 m ... 40 4.7. Grafik hasil pengujian impak dan keretakan yang terjadi

padaketinggian 1,5 m ... 42 4.8. Grafik gaya vs waktu impak pada helmet sepeda

komersial model tomcat ketinggian uji 1,5 m ... 45 4.9. Sampelhelmetsepedakedua yang mengalami

Bebanimpakjatuhbebaspadaketinggian1m ……… 46 4.10. Makrostruktur helmet sepedabahanpolimerbusakomposit

(11)

ABSTRAK

Kata Kunci: helmet sepeda, alat uji jatuh bebas, polimer busa komposit, tegangan impak.

(12)

ABSTRACT

Keywords: bicycle helmet, tool free drop test, the foam polymer composites, impact stress.

(13)

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Kemunculan helmet telah lahir sejak zaman Yunani kuno. Pada zaman ini helmet merupakan bagian dari teknologi perang yaitu sebagai pelengkap dari baju zirah/baju besi. Melihat perannya yang cukup penting untuk melindungi kepala penggunanya dari ancaman senjata-senjata musuh maka helmet terus berkembang luas.

Sejalan dengan berkembangnya waktu dan teknologi manusia, helmet telah berevolusi. Dari sisi aktivitas helmet tidak lagi hanya dibutuhkan untuk perang, tapi juga dikenakan untuk aktivitas-aktivitas sipil seperti olahraga, pertambangan, berkendara atau kegiatan beresiko lainnya. Dari sisi bahan, bentuk, teknologi dan model helmet juga terus berubah. Salah satu helmet yang terus mengalami perubahan baik perubahan model dan bahan adalah helmet sepeda.

Secara garis besar model helmet sepeda terbagi dua yaitu model half face dan model full face. Model half face digunakan untuk pengguna sepeda yang tidak memiliki rintangan yang berat seperti sepeda santai, balap sepeda seperti pada gambar 1.1a. Sedangkan untuk helmet sepeda full face digunakan pada olah raga balap sepeda yang ekstrim contohnya balap sepeda gunung seperti di tunjukkan pada gambar 1.1b. Adapun tujuan penggunaan helmet bagi pengendara sepeda adalah melindungi bagian-bagian yang vital dari tubuh manusia, adapun bagian yang vital itu adalah kepala.Karena pada bagian kepala terdapat susunan saraf yang mengatur aktivitas manusia dan menjadi pusat berfikir. Untuk

(14)

melindungikepala dari cedera yang fatal helmet sepeda harus dibuat dari material yang kuat dan memenuhi standarisasi.

(a)

(b)

Gambar 1.1 Helmet (a) half face (b) full face

Bahan untuk membuat helmet sepeda terbuat dari bahan plastik, glass fiber, policarbonat dan lain-lain. Selain itu pengembangan material untuk pembuatan helmet sepeda terus dilakukan. Salah satunya adalah pembuatan helmet sepeda bahan polimer busa komposit yang diperkuat serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS), mengingat kebijakan global yang terus menggalakkan penggunaan bahan-bahan alami dalam industri manufaktur.

(15)

Pada industri kecil, metode pembuatan helmet yang umum digunakan adalah hand lay up atau menggunakan ketrampilan tangan, seperti ditunjukkan pada gambar 1.2. Pada penelitian ini metode yang dilakukan adalah metode pembuatan menggunakan keterampilan tangan (hand lay up).

Gambar 1.2. Gambar pembuatan dengan hand lay up

TKKS merupakan limbah dari pengolahan kelapa sawit yang selama ini hanya dibuang begitu saja atau dimanfaatkan sebagai pupuk alam atau dibakar untuk menghasilkan abu gosok. Pemanfaatan limbah TKKS ini menjadi produk yang berdaya guna sudah dilakukan dewasa ini, diantaranya marka kerucut lalu lintas,bumper parking,bumper mobil, bola golf, pipa partikel dan papan partikel. 1.2. Perumusan Masalah

Rumusan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kekuatan struktur helmet sepeda bahan polimer busa komposit yang dikenai beban impak jatuh bebas dan membandingkan dengan helmet sepeda komersil. Komposisi bahan penyusun untuk helmet sepeda berbahan polimer busa komposit yang diperkuat serat TKKS direncanakan berdasarkan fraksi berat masing-masing bahan penyusunnya dengan variasi terhadap resin, blowing agent dan serat TKKS,

(16)

sedangkan katalis hanya berfungsi untuk mempercepat terjadinya proses polimerisasi.

Pada penelitian ini menggunakan metode impak jatuh bebas dengan menggunakan alat uji jatuh bebas multiguna yang ada pada Pusat Riset Impak dan keretakan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.

Lapisan helmet sepeda berbentuk sandwich, dimana pada lapisan pertama dikerjakan dengan metode hand lay up dan lapisan kedua dengan metode cetak tuang. Struktur komposit pada lapisan pertama adalah polyester resin BTQN 157 EX sebagai matrik dan glass fiber sebagai penguat dan pada lapisan kedua polyester resin BTQN 157 sebagai matrik, serat TKKS sebagai penguat dan polyurethane sebagai blowing agent.

1.3. Tujuan Penelitian 1.3.1. Tujuan Umum

Tujuan umum penelitian ini adalah untuk melakukan studi eksperimental struktur helmet sepeda bahan polimer busa komposit akibat beban impak jatuh bebas.

1.3.2. Tujuan Khusus

Tujuan khusus penelitian ini adalah:

1. Menganalisa kekuatan struktur helmet sepeda bahan polimerbusa komposit menggunakan alat impak jatuh bebas.

2. Membandingkanhasil pengujian impak jatuh bebas helmet sepeda bahanpolimer busakomposit dengan helmet sepeda komersil.

(17)

1.4. Manfaat Penelitian

Penelitian ini nantinya merupakan sebuah upaya nyata bagi pihak perguruan tinggi, khususnya bagi lembaga penelitian dalam memberikan informasi. Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Memberikan informasi kepada dunia industri dan pemerintah khususnya Deperindag dan Depnaker dalam memberi masukan kepada dunia kesehatan/medis tentang kekuatan helmet sepeda bahan komposit.

2. Mengembangakan teknologi baru bidang rekayasa dan manufaktur berbahan komposit.

3. Mengolah limbah TKKS dari hasil PKSmenjadi bahan pembuatan helmet sepeda berbahan dasar polimer busa komposit.

1.5. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan disusun sedemikian rupa sehingga konsep penulisan proposal menjadi berurutan dalam kerangka alur pemikiran yang mudah dan prektis. Sistematika tersebut disusun dalam bentuk bab-bab yang saling berkaitan satu sama lain yang terdiri dari 5 bab.

Bab I Pendahuluan, bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai Tugas Akhir yang meliputi, pembahasan tentang latar belakang, perumusan masalah, tujuan, manfaat dan sistematika penulisan.

Bab II Tinjauan Pustaka,berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan untuk menganalisa persoalan.

(18)

Bab III Metodologi Penelitian,berisikan metode pengujian. Berisi juga spesifikasi dari spesimen yang digunakan serta berisi langkah-langkah pengujian yang digunakan dalam pengamatan.

Bab IV Hasil dan Pembahasan, berisikan penyajian hasil yang diperoleh dari uji impak jatuh bebas.

Bab V Kesimpulan dan Saran, berisikan jawaban dari tujuan penelitian. Daftar Pustaka, berisikan literatur yang digunakan sebagai refenrensi dalam penulisan tugas akhir ini. Lampiran, merupakan lampiran data-data yang diperoleh selama penelitian berupa form asli ataupun data yang bersumber dari literatur acuan.

(19)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA 2.1.Helmet Sepeda

Helmet adalah alat perlindungan tubuh yang dikenakan di kepala terbuat dari metal atau bahan keras lainnya seperti kevlar, plastik dan resin bercampur serat. Helmet biasanya digunakan untuk berbagai aktivitas seperti pertempuran (militer), aktivitas olahraga, pertambangan, perbengkelan atau berkendaraan (sipil). Helmet memberi perlindungan pada bagian kepala dari benda jatuh atau benturan berkecepatan tinggi. Di beberapa negara helmet wajib digunakan bagi pengendara sepeda motor seperti Amerika, Inggris dan termasuk juga Indonesia bahkan ada yang mewajibkannya bagi pengendara sepeda.

Helmet sepeda adalah helmet yang dipakai pengendara sepeda untuk melindungi kepala ketika terjatuh dan meminimalkan cedera seperti gangguan penglihatan tepi karena benturan. Kecelakaan yang terjadi pada pengendara sepeda diperlihatkan pada gambar 2.1. Walaupun bagian sampinghelmet pengendara sepeda berbenturan dengan jalan ketika terjatuh, namun kepala pengendara tersebut tidak cedera. Hal ini dikarenakan pengendara sepeda menggunakan helmet sepeda sebagai alat perlindungan dirinya. Mekanisme

perlindungan helmet sepeda adalah penyerapan

(20)

Gambar 2.1 Kecelakaan yang dialami pengendara sepeda

Aktifitas bersepeda adalah aktivitas olahraga yang secara signifikan meningkatkan suhu tubuh dan kepala. Oleh sebab itulah helmet sepeda haruslah mempunyai 2 sifat, yaitu : (1) ringan (2) mempunyai ventilasi. Selain itu pengguna helmet sepeda memilih helmet yang nyaman dan trend. Bentuk dan sepeda di pasaran yaitu: (1) full face, dan (2) half face diperlihatkan pada gambar 2.2.

(a) (b)

Gambar 2.2Helmet(a) jenis full face (b)jenis half face Perbedaaan antara kedua jenis ini diperlihatkan pada tabel 2.1.

(21)

Tabel 2.1. Perbedaan antara helmet full face dengan half face Aspek

Pertimbangan

Full face Half face

Keamanan Lebih aman Aman

Ventilasi Sedikit Banyak

Visibilitas Memandang satu arah ke depan

dapat melihat bagian samping

Massa Ringan Lebih ringan

Kenyamanan Nyaman Lebih nyaman

Bentuk helmet sepeda jenis half face model tomcat diperlihatkan pada gambar 2.3.

Gambar 2.3. Helmet sepeda jenis half face model tomcat Struktur helmet sepeda :

1. Lapisan luar yang keras (hard outer shell)

Lapisan luar yang keras berfungsi untuk dapat pecah jika mengalami benturan dan mengurangi dampa biasanya terbuat dari bahan termoplastik.

2. Lapisan dalam yang tebal (inside shell or liner)

Lapisan dalam yang tebal berfungsi sebagai penyerap energi impak

hard outer shell

Tali pengikat

inside shell or liner comfort padding

(22)

keras, lapisan keras luar dan lapisan dalam helmet sepeda menyebarka ke selur sepeda. Benturan yang kuat mengakibatkan pecahnya helmet sepeda dan membuat lapisan dalam rusak.

Proses pecahnya lapisan keras luar helmet sepeda dan lapisan dalam rusak membutuhkan selang waktu, terjadi menjadi teredam. Bahan lapisan dalam dibuat dari baha. 3. Lapisan dalam yang lunak (comfort padding)

Merupakan bagian dalam yang terdiri dari bahan lunak da menempatkan kepala secara pas dan tepat pada rongga helmet.

4. Tali Pengikat

Bagian penting lainnya dalam helmet sepeda adalah tali pengikat. Helmet sepeda tidak akan berfungsi dengan baik kalau tidak dilengkapi dengan tali pengikatnya.

2.2. Bahan Komposit

2.2.1.Komposit polymeric foam

Bahan komposit terdiri dari dua bagian utama di antaranya: (1) matrik dan (2) penguat (reinforcement). Bahan komposit terbentuk oleh dua jenis fasa, yaitu fasa matrik dan fasa penguat. Fasa matrik adalah bahan fasa kontiniu yang selalu tidak kaku dan lemah, sedangkan fasa penguat selalu lebih kaku dan kuat, akan tetapi fasa penguat ini lebih rapuh. Penggabungan kedua fasa tersebut menghasilkan bahan yang dapat mendistribusikanbeban yang diterima di sepanjang penguat, sehingga bahan menjadi lebih tahan terhadap pengaruh beban tersebut. Penguat umumnya berbentuk serat, rajutan, serpihan, dan partikel, yang

(23)

dibenamkan kedalam fasa matrik, penguat merupakan fasa diskontiniu yang selalu lebih kuat dan kaku dari pada matrik dan merupakan kemampuan utama bahan komposit dalam menahan beban.

Tabel 2.2. Variasi komposisi dan berat jenis. Variasi No Blowing

Agent % Resin % Serat % Katalis % ρ (kg/m3)

1. 20 60 10 10 1096

2. 30 50 10 10 945

3. 40 40 10 10 936

4. 10 80 10 10 1124

2. 1. 20 65 5 10 1108

2. 20 55 15 10 1077

3. 1. 40 35 15 10 872

2. 10 70 10 10 1022

Berdasarkan penelitian sebelumnya diperoleh data massa jenis komposit polymeric foam seperti diperlihatkan pada tabel 2.2. Sementara hasil uji statik tarik dengan berbagai variasi komposisi berdasarkan penelitian sebelumnya diperlihatkan pada tabel 2.3.

Tabel 2.3. Hasil pengujian mechanical properties. Variasi No Kekuatan

Tarik (MPa)

Elongasi( %) Syt (MPa) ε E (MPa)

1. 1. 7,427 2,571 7,427 0,02571 288.8759

2. 8,049 2,363 8,049 0,02363 340,6263

3. 2,531 2,454 2,531 0,02454 103,1377

2. 1. 4,628 3,220 4,628 0,0322 143,7267

2. 1,715 3,589 1,715 0,03589 47,7849

3. 1. 1,871 4,234 1,871 0,04234 44,1898

(24)

adalahpolyoldan isocyanate. Sementara untuk mempercepat proses polymerisasi digunakan katalis jenis MEKPO.

2.2.1.1. Polyester resin tak jenuh

Polyester resin tak jenuh adalah jenis polimer thermoset yang memilikistruktur rantai karbon yang panjang. Matrik yang berjenis ini memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan ketika proses pembentukan. Resin yang dipergunakan diperlihatkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Resin Unsaturated Polyester BQTN-157 EX.

Pada desain struktur dilakukan dengan cara pemilihan matrik dan penguat, hal ini dilakukan untuk memastikan kemampuan bahan sesuai dengan produk yang akan dihasilkan. Dalam desain struktur ini jenis matrik yang akan digunakan adalah polyester resin tak jenuh dan penguat serat TKKS.

Polyester tergolong jenis polimer thermoset yang memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan ketika proses pembentukannya. Struktur bahan yang dihasilkan berbentuk crosslink dengan keunggulan daya tahan yang lebih baik terhadap jenis

(25)

pembebanan statik dan impak. Hal tersebut disebabkan oleh molekul yang dimiliki bahan dalam bentuk rantai molekul raksasa, atom-atom karbon yang saling mengikat satu dengan lainnya mengakibatkan struktur molekulnya menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan. data karakteristik mekanik bahan polyester resin tak jenuh seperti terlihat pada tabel 2.4.

Tabel 2.4. Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh.

Sifat mekanik Satuan Besaran

Berat Jenis (ρ) Mg.m-3 1,2 s/d 1,5

Modulus Young ( E) GPa. 2 s/d 4,5

Kekuatan Tarik (σT) (MPa) 40 s/d 90

Umumnya bahan ini digunakan dalam proses pembentukan dengan cara penuangan antara lain perbaikan bodi kenderaan bermotor, pengisi kayu dan sebagai bahan perekat. Bahan ini memiliki sifat perekat dan tahan aus yang baik, dan dapat digunakan untuk memperbaiki dan mengikat secara bersama beberapa jenis bahan yang berbeda. Bahan ini memiliki umur pakai yang panjang, kestabilan terhadap sinar Ultraviolet (UV), dan daya tahan yang baik terhadap serapan air. Kekuatan bahan ini diperoleh ketika dicetak kedalam bentuk komposit, dimana bahan-bahan penguat, seperti serat kaca, karbon dan lain-lain, akan meningkatkan sifat mekanik bahan tersebut sementara ketika dalam keadaan tunggal bahan ini bersifat rapuh dan kaku.

2.2.1.2. Blowing agent

(26)

adalah polyurethane yang merupakan reaksi antara polyol dan isocyanate. Bentuk polyol dan isocyanate yang dipergunakan dalam penelitian ini diperlihatkan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Blowing agent.

Polyurethane adalah suatu jenis polimer yang mengandung jaringan urethane yaitu -NH-CO-O-. Polyurethane dibentuk oleh reaksi senyawa isosianat yang bereaksi dengan senyawa yang memiliki hydrogen aktif seperti diol (polyol), yang mengandung group hydroksil dengan pemercepat reaksi yaitu katalis. Unsur nitrogen yang bermuatan pada kelompok alkohol (polyol) akan membentuk ikatan urethane antara dua unit monomer dan menghasilkan dimer urethane. Reaksi isosianat ini akan membentuk amina dan gas karbon dioksida (CO2). Gas ini yang

kemudian akan membentuk busa pada bahan polimer yang terbentuk. Bahan yang terbentuk dari campuran blowing agent dan polimer disebut dengan bahan polymeric foam. Bahan polymeric foam banyak ditemukan sebagai busa kaku dan fleksibel yang digunakan sebagai pelapis atau perekat bahan.

(27)

Berdasarkan sifat mekaniknya, bahan ini memiliki 4 (empat) sifat penting di antaranya:

1. Sifat Elastik

Sifat ini berhubungan dengan sifat kekakuan bahan yang terdiri dari geometri, bentuk dan mikrostrukturnya.

2. Sifat Viskoelastik

Sifat peredaman solid bahan, sifat ini merupakan efek dari bentuk geometri bahan tersebut.

3. Sifat Akustik

Sifat ini berhubungan dengan sifat media yang dilewati oleh perambatan suara akibat bentuk struktur yang berongga akan memudahkan gelombang udara masuk kedalam bahan dan terserap atau terperangkap sebagian besar ke dalam struktur tersebut. Dengan demikian suara yang keluar dan atau dipantulkan oleh bahan polymeric foam akan mengalami pelemahan. 4. Sifat Viskoakustik.

Sifat ini berhubungan dengan peredaman fluida yang dihubungkan dengan geometri, bentuk mikrostrukturnya yang sama dengan sifat elastiknya. 2.2.1.3. Katalis MEKP

Katalis merupakan bahan kimia yang digunakan untuk mempercepat proses reaksi polimerisasi struktur komposit pada kondisi suhu kamar dan tekanan atmosfir. Pemberian katalis dapat berfungsi untuk mengatur waktu pembentukan gelembung blowing agent, sehingga tidak mengembang secara berlebihan, atau terlalu cepat mengeras yang dapat mengakibatkan terhambatnya pembentukan

(28)

gelembung.Jenis katalis yang digunakan adalah jenis Methyl Ethyl Keton Peroksida (MEKPO), seperti diperlihatkan pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Katalis MEKPO

2.2.1.4. Serat TKKS

Untuk penguat komposit digunakan serat TKKS yang akan dicampurkan kedalam matrik. Tiap kandungan serat TKKS secara fisik mengandung bahan– bahan serat seperti lignin (16,19 %), selulosa (44,14%) dan hemi selulosa (19,28%) yang mirip dengan bahan kimia penyusun kayu. Penelitian yang dilakukan oleh sebuah institusi komersial terhadap komposisi bahan kimianya diketahui bahwa kandungan serat TKKS merupakan kandungan terbesar seperti terlihat pada tabel 2.5. yang mampu memberikan sifat mekanik yang cukup baik terhadap bahan komposit yang akan dibentuk.

Permasalahan yang dihadapi pada penggunaan limbah dari TKKS adalah terdapat kandungan zat ekstraktif dan asam lemak yang sangat tinggi, sehingga dapat menurunkan sifat mekanik bahan yang dibentuk. TKKS segar dari hasil pabrik kelapa sawit umumnya memiliki komposisi lignoselulose 30,5%, minyak

(29)

2,5% dan air 67%, sedangkan bagian lignoselulose sendiri terdiri dari lignin 16,19%, selulose 44,14% dan hemiselulose 19,28%. Sehingga pada pembuatan bahan ini TKKS terlebih dahulu direndam kedalam larutan 1M NaOH selama sehari, kemudian dicuci dengan air bersih, dan dikeringkan pada suhu kamar selama kurang lebih 3 hari. Gambar 2.7 menunjukkan tahapan perubahan TKKS menjadi serat TKKS.

Tabel 2.5. Parameter tipikal TKKS per kg

No Bahan-Bahan Kandungan Komposisi (%)

1. Uap air 5.40

2. Protein 3.00

3 Serat TKKS 35.00

4. Minyak 3.00

5. Kelarutan air 16.20

6. Kelarutan unsur alkali 1 % 29.30

7. Debu 5.00

8. K 1.71

9. Ca 0.14

10. Mg 0.12

11 P 0.06

12. Mn, Zn, Cu, Fe 1.07

TOTAL 100,00

(30)

Serat TKKS memiliki kekuatan tensile strength yang rendah, sedangkan tensile modulus agak conservative di antara serat alam lainnya seperti terlihat pada tabel 2.6.

Tabel 2.6. Perbandingan tensile strength dan tensile modulus serat alam

Natural Fiber Name Ave. Tensile Strength (MPa)

Ave.Tensile Modulus(GPa)

Bamboo fiber 25 – 35

(EFB) Ǿ= 0.44 mm 253 16

Coir, cocos nucifera 220 6

Sisal, agave sissalan 400-600 38

Jute 430 – 530 10 – 30

Hemp 550 – 900 70

2.3. Manufaktur Helmet Sepeda

Bahan polimer memiliki keunggulan dari pada bahan logam dan keramik yakni lebih liat juga lebih murah tetapi juga memiliki kekurangan antara lain kurang kuat, kurang baik terhadap suhu tinggi juga kurang sesuai digunakan untuk menahan beban tinggi. Oleh sebab itu sifat bahan polymer ini harus diperbaiki lagi. Salah satu metoda yang digunakan adalah dengan mencampurkan bahan serat kedalamnya sehingga menjadi komposit.

Teknik pembuatan produk komposit secara umum diklasifikasikan atas 7 jenis, yaitu:

A. Cara hand lay- up.

Cara ini merupakan metode yang paling mudah dan murah namun lambat dan membutuhkan tenaga kerja yang berpengalaman dan mahir. Prosesnya dilakukan dengan tangan dan peralatan yang sederhana yakni roller dan kuas saja, seperti gambar 2.8. Bahan yang digunakan serat kaca sebagai tulangan dan

(31)

poliester resin sebagai matriknya. Kebanyakan produk yang dihasilkan adalah badan boat, sampan, tangki air dan sebagainya.

Gambar 2.8. Cara hand lay up B. Cara semprotan

Semprotan dilakukan secara serentak antara serat kaca dan resin ke atas permukaan cetakan menggunakan alat penyemprot (spray gun) dengan tekanan yang sesuai. Roller juga dipergunakan untuk meratakan dan mengeluarkan udara yang terperangkap, seperti diperlihatkan pada gambar 2.9.

Gambar 2.9. Cara semprot C. Cara kantong vakum (vacumbag)

Melalui cara ini cairan komposit resin dan cetakan dimasukkan ke dalam

Cetakan

Serat kaca tak beraturan

Cetakan

Produk

(32)

udaranya dengan cara divakum. Ini menyebabkan tekanan atmosfir dari arah luar menekan kantong atau membran secara seragam ke atas resin komposit yang basah ini. Tekanan kerja sekitar 383 kPa, diperlihatkan gambar 2.10.

Gambar 2.10. Cara Kantong vakum (bag vacum) D. Cara kantong tekanan ( pressure bag )

Cara kantong tekanan digunakan apabila dibutuhkan tekanan yang lebih besar dari tekanan kantong vakum. Tekanan yang diberikan dari sebelah luar seperti ditampilkan pada gambar 2.11.

Gambar. 2.11. Cara kantong tekanan ( pressure bag ) E. Cetakan autoklaf

Cara ini dilakukan apabila tekanan kerja melebihi dari kantong bertekanan. Tekanan yang diberikan dapat mencapai 1380 kPa, diperlihatkan pada gambar 2.12. (a) dan (b). Umumnya produk yang dihasilkan dengan standar aeronautikal

produk

(33)

dipergunakan antara lain untuk komponen struktur pesawat terbang (bahagian ekor dan sayap), mobil racing F1 dan raket tenis.

Gambar 2.12.(a) dan (b) Cetakan autoklaf F. Cara cetakan suntikan ( injection moulding )

Cara suntikan sesuai untuk produksi masal tetapi hanya untuk komponen yang kecil. Cara ini dapat menghemat tenaga kerja selain juga lingkungan kerja yang bersih dan terjamin keselamatan kerja. Cara ini merupakan penggabungan antara metoda suntik dan juga dibantu dengan alat vakum (gambar 2.13). Produk yang dihasilkan banyak digunakan untuk komponen otomotif dan tempat duduk kereta api.

Gambar 2.13. Cara cetakan suntik ( injection moulding )

G. Proses pultrusi ( Pultrusion )

Pultrusi merupakan teknik pemrosesan istimewa yang menggabungkan serat penguat dan resin matrik dalam alat yang sesuai untuk menghasilkan profil penguatan dengan ketahanan membujur yang baik. Serat ditarik keluar melalui

Ke vakum pump

(a) (b)

(34)

gambar 2.14. Proses ini merupakan cara yang cepat dan ekonomis dimana kandungan resin dan serat dapat diatur takarannya sesuai yang diinginkan. Sifat struktur juga sangat baik karena profil yang dihasilkan mempunyai serat yang lurus dan pecahan isi paduan serat yang tinggi. Contoh produk yang dihasilkan adalah sambungan yang digunakan dalam struktur jembatan, tangga dan sebagainya .

Gambar. 2.14. Proses pultrusi ( pultrusion )

2.4. Pengujian Kekuatan Helmet Sepeda 2.4.1. Pengujian impak jatuh bebas

Pengujian impak jatuh bebas adalah pengujian dimana benda jatuh bebas dari keadaan mula-mula diam kemudian bergerak dan mengalami pertambahan kecepatan selama benda tersebut jatuh. Jika benda jatuh ke bumi dari ketinggian tertentu relatif kecil dibandingkan jari-jari bumi, maka benda mengalami pertambahan kecepatan ke bawah dengan harga yang sama setiap detik. Hal ini berarti bahwa percepatan benda berkurang dengan harga yang sama jika sebuah benda ditembakkan ke atas kecepatannya berkurang dengan harga yang sama setiap detik dan perlambatan ke atasnya konstan.

(35)

Untuk menentukan kecepatan benda jatuh setiap detik akan diperoleh dengan pendekatan sebagaimana terlihat pada tabel 2.7.

Tabel 2.7. Waktu dan Kecepatan Benda Jatuh Waktu t

(s) 0 1 2 3 4 5

Kecepatan

v (m/s) 0 9,8 19,6 29,4 39,2 49

Grafik v-t yang sesuai dengan tabel 2.7 ditunjukkan pada gambar 2.15 merupakan sebuah garis lurus sehingga percepatan seragam. Jika tahanan udara diabaikan gerakan benda jatuh bebas dapat dihitung dengan percepatan konstan membentuk garis lurus, bila percepatan benda jatuh bebas sama dengan percepatan gravitasi (g) yaitu:

1. Untuk gerakan ke bawah a = + g 2. Untuk gerakan keatas a = - g

percepatan gravitasi (g) dapat dipandang sebagai sebuah vektor dengan arah lurus ke bawah menuju ke pusat bumi.

(36)

Definisi perpindahan adalah perubahan posisi, hal ini merupakan besaran vektor mencakup jarak dan arah. Kecepatan adalah laju perubahan kedudukan terhadap waktu. Hal ini juga merupakan besaran vektor mencakup jarak, arah dan waktu. Kecepatan konstan memiliki partikel yang bergerak dengan kecepatan konstan pada lintasan lurus atau dimiliki partikel yang melintasi perpindahan yang sama dalam selang waktu yang sama secara berturut-turut tanpa peduli berapa selisih selang waktu tersebut. Sedangkan percepatan seragam dimiliki partikel yang mengalami perubahan kecepatan yang sama dalam selang waktu yang sama secara berturut-turut tanpa peduli berapa selisih selang waktu tersebut, seperti ditunjukkan pada persamaan 2.1.

2 (v0 + v ) = s t

s =1₂ (v₀ + v )t (2.1)

Dimana v0 adalah kecepatan awal, v kecepatan akhir, t waktu dan s jarak.

Persamaan (2.2) adalah perbandingan antara perubahan kecepatan dan perubahan waktu.

∆v

∆t = a (2.2)

v = v₀+∆v

∆t t

v = v₀t +1 2 a t

v2 = v₀+ 2 as (2.3)

Dari persamaan (2.3), bila v0= 0, maka : v2= 0 + 2 as, akhirnya v diperoleh

(37)

v = √2as (2.4) bila a = g, dan s = H

Maka :

v = �2gH (2.5)

Maka persamaan (2.5) adalah percepatan benda jatuh bebas tergantung pada jarak atau tinggi benda jatuh dari pusat bumi, ketika sebuah benda padat jatuh dengan kecapatan sedang, dapat dianggap benda mengalami percepatan gravitasi seragam, untuk pengertian umum para ilmuan mengambil harga percepatan gravitiasi g = 9,81 m/s2

Selama ini helmet sepeda diuji menggunakan prosedur pengujian standar menggunakan test rig dengan teknik jatuh bebas. Pengujian standar ini bertujuan untuk melihat sejauh mana kemampuan helmet sepeda dalam menyerap energi impak. Selain itu uji standar juga bertujuan meneliti keparahan rusak helmet sepeda yang memungkinkan merusak lapisan kulit kepala lewat penetrasi.

Memakai uji standar yang ada, baik memakai standar Jepang JIS maupun Standar Nasional Indonesia (SNI) striker hanya dijatuhkan dari ketinggian H=2 - 3 meter, dengan demikian kecepatan striker hanya lebih kurang, v= 2gH = 6.3 m/detik dan masih tergolong kecepatan impak rendah.

2.4.2. Momentum dan impuls

Momentum sebuah benda bergerak dikatakan mempunyai momentum yang dinyatakan dengan hasil kali massa benda dengan kecepatan benda.

(38)

Impuls sebuah benda bergerak dikatakan mempunyai impuls yang dinyatakan dengan hasil kali gaya yang bekerja pada benda dengan waktu yang diberikan.

I = F t ( N s ) (2.7)

2.4.3. Hukum gerakan Newton.

Hukum gerakan pertama:”Jika resultan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol, maka benda yang mula - mula diam akan tetap diam dan benda yang mula - mula bergerak akan tetap bergerak lurus beraturan”.

Secara matematis dirumuskan:

Jika ΣF = 0 (2.8)

maka ψ = 0 atau ψ = konstan

Hukum gerakan kedua: ”Percepatan yang ditimbulkan oleh gaya yang bekerja pada benda berbanding lurus dengan besar gayanya dan berbanding terbalik dengan massa benda”.

Secara matematis dirumuskan:

m F a= ∑

atau

ΣF = m a (2.9)

Hukum gerakan ketiga: ”Jika benda pertama mengerjakan gaya terhadap benda kedua, maka benda kedua pun akan mengerjakan gaya terhadap benda pertama yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan”.

Secara matematis dirumuskan:

(39)

2.4.4. Energi mekanik

Energi mekanik pada suatu benda adalah tetap asalkan tidak ada gaya luar yang bekerja pada benda tersebut. Energi mekanik gabungan energi potensial dan energi kinetik.

Energi potensial merupakan energi yang dimiliki benda karena letaknya. Secara matematis dirumuskan:

Ep = m g h (2.11)

dimana:

Ep = energi potensial (J)

m = massa benda (kg) g = gravitasi bumi (9.8 m/s)

h = tinggi jatuh benda (m)

Energi kinetik merupakan energi yang dimilik benda karena gerak yang bekerja padanya.

Secara sistematis dirumuskan:

Ek = ½ m ψ2 (2.12)

dimana:

Ek = energi kinetik

(40)

BAB 3

METODE PENELITIAN

Bab ini berisikan metode yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan pada skripsi ini. Penelitian ini terdiri dari berberapa tahapan yaitu waktu dan tempat, alat dan bahan, prosedur pengujian dan distribusi tegangan akibat beban dinamik. Pada pengujian eksperimental dengan metode impak jatuh bebas menggunakan software DAQ For Helmet Impact Testing untuk mengelola data akusisi yang diperoleh dari load cell. Untuk mendapatkan data tersebut dilakukan tahapan-tahapan seperti helm dipasang pada test rig lalu diatur ketinggian yang diinginkan kemudian helm dijatuhkan ke bawah menuju anvil. Setelah helmet menyentuh anvil maka gaya yang diterima oleh helm akibat beban impak tersebut terlihat pada layar komputer.

3.1. Tempat dan Waktu 3.1.1. Tempat

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Pusat Riset Impak dan Keretakan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.1.2. Waktu

Waktu penelitian dilaksanakan selama lebih kurang 7 bulan terhitung mulai dari proposal penelitian.

(41)

3.2. Bahan dan Alat 3.2.1. Bahan

Penelitian ini menggunakan bahan helmet sepeda dari bahan polimer busa komposit dan komersil atau yang ada di pasaran dapat dilihat pada gambar 3.1.

(a) (b)

Gambar3.1. Helmet (a) komposit (b) komersil 3.2.2 Peralatan

(42)

3.3 Prosedur pengujian

Menganalisa kekuatan struktur helmet sepeda bahan polimerbusa komposit menggunakan alat impak jatuh bebas.

Alat uji impak yang digunakan adalah alat uji impak jatuh bebas yang bertujuan untuk mengetahui respon tegangan pada helmet sepeda akibat efek rambatan gelombang regangan dengan laju rambatan gelombang yang tinggi. Pengujian dilakukan dengan ketinggian jatuh impaktor adalah : 0,5, 1, 1,5 m dan berat test rig sebesar 6,8 Kg.

Set-up pengujian impak jatuh bebas ialah sebagai berikut:

1.Spesimen uji (helmet sepeda) 2.Anvil

3.Batang penerus 4.Load cell 5.Data aquisition 6.Komputer

(43)

Gambar 3.3. Set up alat uji impak jatuh bebas

1. Hubungkan semua koneksi seperti: load cell, sensor potition, kabel USB dan Power DAQ, Lab-Jack U3-LV.

2. Aktifkan software DAQ For Helmet Impact Testing dari Icon yang ada di dekstop.

3. Persiapkan peralatan uji jatuh bebas dan pastikan bahwa loadcell dan dudukan loadcell sudah terpasang dengan baik begitu juga dengan anvil support seperti gambar 3.4.

Gambar 3.4.Loadcell terpasang

4. Masukkan Anvil pada Anvil Support sesuai dengan kebutuhan pengujian pengambilan data.

5. Siapkan spesimen uji yang akan dilakukan pengujian.

Prosedur pengujian impak dengan menggunakan alat impak jatuh bebas adalah sebagai berikut:

1. Pasangkan helmet sepeda yang akan dilakukan pengujian pada test rig seperti dilihat pada gambar 3.5.

(44)

Gambar 3.5. Pemasangan helmet sepeda pada tes rig

2. Tentukan posisi jarak ketinggian jatuh impaktor yang diinginkan, dan pastikan sensor proximity dalam kondisi aktif.

3. Tekan tombol Start pada software DAQ for Helmet Impact Testing.

4. Setelah jarak ketinggian ditentukan dan memastikan bahwa sensor proximity sudah berfungsi, spesimen uji sudah terpasang, maka impaktor siap untuk dijatuhkan dengan cara melepaskan tali penahan luncuran impaktor.

5. Tekan tombol STOP setelah beberapa saat impaktor menumbuk spesimen pada anvil.

6. Tekan tombol SAVE untuk menyimpan data hasil uji ke dalam file berformat txt, dan akan tersimpan dalam drive C folder DATAEXP (data experiment).

7. Data hasil pengujian tersebut kita olah dengan menggunakan program software MS-EXCEL.

(45)

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Pendahuluan

Pada bab ini dibahas mengenai data-data hasil pengujian impak jatuh bebas dengan objek helmet sepeda dari serat TKKS dan dibandingkan dengan helmet sepeda komersil. Anvil (landasan) yang digunakan adalah anvil jenis plat datar. Hasil penelitian ini diambil dari satu titik pengujian yaitu pada bagian samping helmet. Selanjutnya data-data hasil pengujian yang berupa gaya digunakan untuk menghitung tegangan berdasarkan luas daerah pembebanan.

Tegangan yang terjadi pada setiap pengujian bergantung kepada luas permukaan daerah pembebanan. Energi yang diserap helmet bergantung kepada posisi ketinggian jatuh helmet ke anvil yang diaplikasikan. Teganganyang terjadi akibat beban impak dapat diukur dengan menggunakan alat uji jatuh bebas multiguna yang ada pada Pusat Riset Impak dan keretakan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.

4.2. PerhitunganGaya Secara Teoritikal

Gaya atau beban impak maksimum yang terkandung dalam setiap pengujian diperoleh dengan menggunakan persamaan F = m.a. Karena percepatan dalam jatuh bebas adalah grafitasi bumi, maka variabel a pada persamaan tersebut dapat digantikan dengan konstanta grafitasi bumi (g), yang diasumsikan sebesar 9,81 ms-2. Oleh karena massa benda jatuh yang telah didesain adalah 7,12 kg yaitu `massa dari test rig dan helmet, maka gaya maksimumnya ialah 69,84 N.

(46)

luaspermukaan daerah pembebanan. Energi yang diserap helmet bergantung kepada posisi ketinggian jatuh helmet ke anvil yang diaplikasikan.

4.3 Pengujiian Helmet Sepeda dengan Metode Impak Jatuh Bebas

Menganalisa kekuatan struktur helmet sepeda bahan polimerbusa komposit menggunakan alat impak jatuh bebas. Alat uji impak yang digunakan adalah alat uji impak jatuh bebas yang bertujuan untuk mengetahui respon tegangan pada helmet sepeda akibat efek rambatan gelombang regangan dengan laju rambatan gelombang yang tinggi. Pengujian dilakukan dengan ketinggian jatuh impaktor adalah : 0,5 m;1,0 m; 1,5 mmassatest rig sebesar 6,8 kg dan massa helmet sepeda berkisar antara 0,36 – 0,40 kg.

Pembebanan impak diberikan pada bagian samping samping helmet sepeda dengan alasan pengendara sepeda mengalami kecelakaan paling banyak terjadi pada bagian tersebut, walaupun pada bagian lain juga ada terjadi. Anvil yang digunakan adalah anvil pelat datar, dengan alasan bahwa benturan yang terjadi diasumsikan hanya mengenai jalan dengan permukaan datar.

4.3.1 Pengesetan alat uji impak jatuh bebas

(a) (b)

Gambar 4.1 Setup pengujian impak jatuh bebas helmet sepeda: (a) Helmet sepeda tampak bawah, (b) Pemasangan helmet sepeda pada test rig

(47)

(a) (b)

Gambar 4.2Orientasi helmet sepeda yang diuji (a) helmet sepeda tampak belakang dan (b) helmet sepeda tampak samping

Pada gambar 4.19 menunjukkan area impak yang terjadi pada helmet sepeda saat tidak terjadi deformasi. Area impak ini ditandai dengan cat warna biru, dimana helmet sepeda menyentuh anvil plat datar yang diberikan cat yang masih basah dan disentuhkan helmet sepeda kepadanya dengan asusmsi bahwa tidak adanya beban tekan statik dan dinamik.

(a) Horizontal (b) Vertikal

(48)

Pada gambar 4.20 menunjukkan area impak yang terjadi pada helmet sepeda saat telah mengalami deformasi. Area impak ini ditandai dengan cat warna biru, dimana helmet sepeda menyentuh anvil plat datar yang diberikan cat yang masih basah dan disentuhkan helmet sepeda kepadanya dengan adanya beban impak.

(a) horizontal (b) vertikal

Gambar 4.4 Pengukuran area impak impak jatuh bebas setelah pembebanan

4.3.2 Hasil Pengujian impak jatuh bebas

Pengujian impak jatuh bebas terhadap helmet sepeda dilakukan untuk mendapatkan respon helmet sepeda terhadap pembebanan impak jatuh bebas. Pembebanan impak jatuh bebas ini termasuk dalam pembebanan tekan dinamis. Pada pengujian impak jatuh bebas ini dilakukan 3 variasi ketinggian impaktor. Dengan membuat 3 variasi ketinggian diperoleh batas kekuatan helmet sepeda terbesar menahan beban impak jatuh bebas.

(49)

25,22 0 5 10 15 20 25 30

0 100 200

Be ba n ( k g f) waktu (ms) 25,22 0 5 10 15 20 25 30

0 100 200

Be ba n ( k g f) waktu (ms)

4.3.2.1 Pengujian impak jatuh bebas tinggi 0,5 meter

Hasil pengujian helmet sepeda metode impak jatuh bebas pada ketinggian 0,5 m

(a)

(b)

(c)

Gambar 4.5. Grafik hasil pengujian impak dan keretakan yang terjadi padaketinggian0,5 m (a) spesimen uji 1 (b)spesimen uji 2 dan (c) spesimen uji 3

25,23 0 5 10 15 20 25 30

0 100 200

G a ya (kgf ) waktu (ms)

(50)

Dari hasil pengujian impak jatuh bebas terhadap helmet sepeda diperoleh data bahwa besar gaya adalah rerata 25,22 kgf yang berarti sama dengan 247.41 N. Dengan demikian untuk menghitung besar tegangan yang terjadi pada helmet sepeda pada area impak didasarkan persamaan tegangan yaitu gaya dibagi dengan luas area impak. Luas area impak diperoleh pada saat helmet sepeda pertama sekali menyentuh permukaan anvil datar dari alat uji impak sebagaimana terlihat pada gambar 4.19 (a) dan (b).

Pengukuran luas area impak dapat dilakukan dengan cara manual dan juga dengan bantuan software program autoCAD. Dalam hal ini, software program AutoCad versi 2008 digunakan untuk menghitung luas area impak agar hasil yang diperoleh lebih akurat dan didapatlah luasnya 117 mm2. Sehingga besar tegangan yang terjadi adalah 2,11 MPa. Tegangan yang terjadi ini menyebabkan deformasi plastis pada helmet sepeda dengan bekas retak kecil.

Pada sampel 1 waktu impak adalah 63 ms, sedangkan pada sampel 2 dan 3 adalah 47 ms. Sehingga rerata waktu impak adalah 52,33 ms.Impuls yang terjadi akibat impak adalah perkalian antara gaya dan waktu. Pada ketinggian pengujian helmet sepeda 0,5 meter, maka diperoleh impuls rerata adalah 12,9 N.s.

Energi impak total yang terjadi berdasarkan eksperimental adalah gaya yang terukur dikalikan dengan ketinggian helmet sepeda yaitu 123,70 Joule. Energi impak teoritis yaitu perkalian massa dengan percepatan grafitasi dan ketinggian yaitu 35,12 Joule. Dan energi yang diserap oleh helmet sepeda adalah selisih energi impak total berdasarkan eksperimental dikurangi dengan energi teoritis yaitu 88,58 Joule. Data ketiga sampel tersebut dituliskan dalam table 4.8.

(51)

27,93 0 5 10 15 20 25 30 35

0 100 200

a (

kgf

)

Tabel 4.1 Hasil pengujian helmet sepeda dengan impak jatuh bebas pada 0,5 m No.

Sample

Luas area impak A (mm2)

Gaya Pengujian F (kgf atau N)

Tegangan yang terjadi

σ (MPa)

Keterangan

1 117 25.23 atau 247.51 2.11 Retak kecil

2 117 25.22 atau 247.41 2.11 Retak kecil

3 117 25.22 atau 247.41 2.11 Retak kecil

Tabel 4.1 Lanjutan

4.3.2.2. Pengujian impak jatuh bebas tinggi 1 meter

Hasil pengujian helmetsepeda metode impak jatuh bebas pada ketinggian 1 m No. Sample Tinggi h (m) Massa helmet + test rig (kg) Energi Impak Ei = m.g.h

(Joule)

Energi Impak Eksperimental

Eie = F.h (Joule) Energi yang diserap (Joule) Es=Eie-Ei

1 0,5 7,16 35,12 123,70 88,58

2 0,5 7,16 35,12 123,70 88,58

(52)

28,83 0 5 10 15 20 25 30 35

0 100 200

G ay a ( kgf ) Waktu (ms) 27,03 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

0 100 200

(kgf

)

waktu (ms)

(b)

(c)

Gambar 4.6. Grafik hasil pengujian impak dan keretakan yang terjadi pada ketinggian 1 m (a) spesimen uji 1 (b)spesimen uji 2 dan (c) spesimen uji 3

Pada sampel 1 gaya dan waktu impak adalah 27,93 kgf dan 47 ms, pada sampel 2 adalah 27,03 kgf dan 16 ms dan sampel 3 adalah 28,83 kgf dan 47 ms. Sehingga rerata gaya dan waktu impak adalah 27,93 kgf dan 36,7 ms.

Dari hasil pengujian impak jatuh bebas terhadap helmet sepeda diperoleh data bahwa besar gaya adalah rerata 27,93 kgf yang berarti sama dengan 273,99 N. Sehingga besar tegangan rerata yang terjadi adalah 2,36 MPa. Tegangan yang terjadi ini menyebabkan deformasi plastis pada helmet sepeda dengan bekas retak kecil diperlihatkan gambar 2.23.Impuls yang terjadi akibat impak adalah perkalian

(53)

antara gaya dan waktu. Pada ketinggian pengujian helmet sepeda 1 meter diperoleh impuls rerata adalah 10 N.s.

Energi impak total yang terjadi berdasarkan eksperimental adalah gaya yang terukur dikalikan dengan ketinggian helmet sepeda yaitu 273,99 Joule. Energi impak teoritis yaitu perkalian massa dengan percepatan grafitasi dan ketinggian yaitu 70,24 Joule. Dan energi yang diserap oleh helmet sepeda adalah selisih energi impak total berdasarkan eksperimental dikurangi dengan energi teoritis yaitu 203,75 Joule. Data ketiga sampel tersebut dituliskan dalam table 4.9.

Tabel 4.2 Hasil pengujian helmet sepeda dengan impak jatuh bebas pada 1 m No.

Sample

Luas area impak A (mm2)

Gaya Pengujian F (kgf atau N)

Tegangan yang terjadi

σ (MPa)

Keterangan

1 117 27.93 atau 273.99 2.34 Retak besar

2 117 27.03 atau 265.16 2.27 Retak besar

3 117 28.83 atau 282.82 2.48 Retak besar

Tabel 4.2 Lanjutan No. Sample Tinggi h (meter) Massa helmet + test rig (kg) Energi Impak Eie = m.g.h (Joule) Energi Impak Eksperimental

Et = F.h (Joule) Energi yang diserap Es=Eie-Ei (Joule)

1 1 7,16 70,24 273,99 203.75

(54)

45,04 0 10 20 30 40 50

0 100 200 300

G a ya (kgf ) Waktu (ms)

4.3.2.3. Pengujian impak jatuh bebas tinggi 1,5 meter

Hasil pengujian helmetsepeda metode impak jatuh bebas pada ketinggian 1,5 m

(a)

(b)

(c)

Gambar 4.7. Grafik hasil pengujian impak dan keretakan yang terjadi pada ketinggian uji 1,5 m (a) spesimen uji 1, (b)spesimen uji 2, dan (c) spesimen uji 3

43,24 -10 0 10 20 30 40 50

0 100 200 300

G a ya (kgf ) Waktu (ms) 39,64 0 10 20 30 40 50

0 100 200 300

G a ya (kgf ) Waktu (ms)

(55)

Pada sampel 1 gaya dan waktu impak adalah 39,64 kgf dan 47 ms, pada sampel 2 adalah 43,24 kgf dan 31 ms dan sampel 3 adalah 45,04 kgf dan 31 ms. Sehingga rerata gaya dan waktu impak adalah 27,93 kgf dan 36,7 ms.

Dari hasil pengujian impak jatuh bebas terhadap helmet sepeda diperoleh data bahwa besar gaya adalah rerata 42,64 kgf yang berarti sama dengan 418,29 N. Sehingga besar tegangan rerata yang terjadi adalah 3,58 MPa. Tegangan yang terjadi ini menyebabkan helmet sepeda pecah yang berarti telah mencapai titik break point diperlihatkan gambar 4.25. Impuls yang terjadi akibat impak adalah perkalian antara gaya dan waktu. Pada ketinggian pengujian helmet sepeda 1,5 meter diperoleh impuls rerata adalah 15,4 N.s.

Energi impak rerata yang terjadi berdasarkan eksperimental adalah gaya yang terukur dikalikan dengan ketinggian helmet sepeda yaitu 627,49 Joule. Energi impak teoritis yaitu perkalian massa dengan percepatan grafitasi dan ketinggian yaitu 105,36 Joule. Dan energi rerata yang diserap oleh helmet sepeda adalah selisih energi impak total berdasarkan eksperimental dikurangi dengan energi teoritis yaitu 552,08 Joule. Data ketiga sampel tersebut dituliskan dalam table 4.10

Tabel 4.3 Hasil pengujian helmet sepeda dengan impak jatuh bebas pada 1,5 m No.

Sample

Luas area impak A (mm2)

Gaya Pengujian F (kgf atau N)

Tegangan yang terjadi

σ (MPa)

Keterangan

1 117 45.04 atau 441.84 3.78 Pecah

(56)

Tabel 4.3 Lanjutan No.

Sample

Tinggi h (meter)

Massa helmet +

test rig (kg)

Energi Impak

Eie = m.g.h (Joule)

Energi Impak Eksperimental

Et = F.h (Joule)

Energi yang diserap Es=Eie-Et

(Joule)

1 1,5 7,16 105.36 662.76 557.40

2 1,5 7,16 105.36 636.27 530.91

3 1,5 7,16 105.36 583.30 477.94

4.3.2.4. Pengujian impak jatuh bebas tinggi 1,5 meter pada helmet komersial Hasil pengujian helmetsepeda komersial metode impak jatuh bebas pada ketinggian 1,5 m.

Berikut hasil pengujian helmet sepeda komersial model tomcat xzone dengan standar Inggris BS EN-1070 dengan impak jatuh bebas pada ketinggian 1,5 meter sebagai pembanding terhadap helmet yang diteliti.

(57)

(125, 45.04)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 50 100 150 200 250 300 350

a (

Waktu (ms) Grafik gaya vs waktu impak

Gambar 4.8. Grafik gaya vs waktu impak pada helmet sepeda komersial model tomcat ketinggian uji 1,5 m

Pada pengujian impak jatuh bebas terhadap sepeda komersial pada ketinggian impaktor 1,5 m diperoleh data gaya impak dan waktu impak yang terjadi adalah 45,04 kgf atau 441,84 N dan 125 ms. Tegangan yang terjadi adalah gaya impak dibagi dengan luas area impak, dimana luas area impak helmet sepeda komersial diasumsikan sama dengan helmet sepeda bahan komposit pf diperkuat serat tkks yaitu 117 mm2 dan tegangan impak helmet sepeda komersial 3,78 MPa. Impuls yang terjadi akibat impak adalah perkalian antara gaya dan waktu. Pada

(58)

Energi impak yang terjadi berdasarkan eksperimental adalah gaya yang terukur dikalikan dengan ketinggian helmet sepeda yaitu 662,76 Joule. Energi impak teoritikal yaitu perkalian massa dengan percepatan grafitasi dan ketinggian yaitu 107,12 Joule. Dan energi yang diserap oleh helmet sepeda adalah selisih energi impak total berdasarkan eksperimental dikurangi dengan energi teoritikal yaitu 555,64 Joule.

4.4 Pengamatan makrostruktur polimer busa komposit diperkuat serat TKKS Polimer busa komposit diperkuat serat TKKS dengan komposisi BA 45% yang digunakan pada helmet sepeda sebagai bagian dalam. Komposit tersebut telah mengalami pembebanan impak jatuh bebas dengan ketinggian 1m dan mengalami keretakan diperlihatkan pada gambar 4.6.

Pada gambar 4.9. terlihat adanya keretakan. Keretakan yang terjadi diamati dengan menggunakan mikroskop digital dengan pembesaran 20X diperlihatkan pada gambar 4.10. yang diperbesar sehingga terlihat seperti celah. Matrik komposit penyusunnya adalah resin berbentuk kristal dan serat TKKS seperti garis putih.

Gambar 4.9. Sampel helmet sepeda kedua yang mengalami beban impak jatuh bebas pada ketinggian 1m

Keretakan pada helmet sepeda

(59)

Serat

keretakan

rongga matrik

Gambar 4.10. Makrostruktur helmet sepeda bahan polimer busa komposit diperkuat serat TKKS dengan pembesaran 20X.

(60)

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari data hasil penelitian eksperimental dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Hasil pengujian impak jatuh bebas pada ketinggian impaktor 1,5 m untuk bahan polimer busa komposit diperkuat serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS) diperoleh besar gaya rerata 42,64 kgf yang berarti sama dengan 418,29 N dan besar tegangan rerata yang terjadi adalah 3,58 MPa. hasil pengamatan makrostruktur polimer busa komposit akibat beban impak pada ketinggian 1,5 m, serat TKKS tercabut dari matriknya.

2. Pada pengujian impak jatuh bebas terhadap sepeda komersial pada ketinggian impaktor 1,5 m diperoleh besar gaya impak dan waktu impak yang terjadi adalah 45,04 kgf atau 441,84 N dan 125 ms. Tegangan yang terjadi adalah gaya impak dibagi dengan luas area impak, dimana luas area impak helmet sepeda komersial diasumsikan sama dengan helmet sepeda bahan komposit pf diperkuat serat tkks yaitu 117 mm2 dan tegangan impak helmet sepeda komersial 3,78 MPa.

(61)

5.2. Saran

1. Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat pada saat menggunakan alat uji jatuh bebas, pastikan sensor proximity yang ada pada batang luncur bekerja dengan baik dan dalam kondisi bagus.

2. Helmet sepeda bahan polimer busa komposit yang diperkuat serat TKKS masih perlu dilakukan penelitian lanjut untuk memperbaiki dan meningkatkan kekuatan terhadap beban impak jatuh bebas.

(62)

DAFTAR PUSTAKA

Awaluddin Thayab, Hand Out S2 Teknik Mesin, Pengantar Material Teknik

Bullard, Eksperimen Helm Combat, Perang Dunia I 1915

Bustami S, Aplikasi Teknik Dua Gage Dalam Pengukuran Tegangan Insiden pada Helmet Industri yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, Jurnal Ilmiah SINTEK, Vol.19, no.2, 2003

Gibson, R.F, Principles of Composite Material Mechanics, Mc Graw Hill, New York, 1994

(1)

(125, 45.04) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 50 100 150 200 250 300 350

G ay a ( kg f) Waktu (ms) Grafik gaya vs waktu impak

Gambar 4.8. Grafik gaya vs waktu impak pada helmet sepeda komersial model tomcat ketinggian uji 1,5 m

(2)

Gambar 4.9. Sampel helmet sepeda kedua yang mengalami beban impak jatuh

Keretakan pada helmet sepeda

(3)

Serat

keretakan

rongga matrik

Gambar 4.10. Makrostruktur helmet sepeda bahan polimer busa komposit diperkuat serat TKKS dengan pembesaran 20X.

(4)

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari data hasil penelitian eksperimental dapat disimpulkan sebagai berikut:

(5)

5.2. Saran

1. Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat pada saat menggunakan alat uji jatuh bebas, pastikan sensor proximity yang ada pada batang luncur bekerja dengan baik dan dalam kondisi bagus.

2. Helmet sepeda bahan polimer busa komposit yang diperkuat serat TKKS masih perlu dilakukan penelitian lanjut untuk memperbaiki dan meningkatkan kekuatan terhadap beban impak jatuh bebas.

(6)

DAFTAR PUSTAKA

Awaluddin Thayab, Hand Out S2 Teknik Mesin, Pengantar Material Teknik

Bullard, Eksperimen Helm Combat, Perang Dunia I 1915

Bustami S, Aplikasi Teknik Dua Gage Dalam Pengukuran Tegangan Insiden pada Helmet Industri yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, Jurnal Ilmiah SINTEK, Vol.19, no.2, 2003

Gibson, R.F, Principles of Composite Material Mechanics, Mc Graw Hill, New York, 1994

Studi Eksperimental Struktur Helmet Pengendara Sepeda Akibat Beban Impak Jatuh Bebas Pada Bahan Polimer Busa Komposit Diperkuat Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)