Ketangguhan Retak Dinamik Bahan Komposit GFRP Untuk Helmet Industri Disebabkan Beban Impak Menggunakan MSC/NASTRAN For Windows

KETANGGUHAN RETAK DINAMIK BAHAN KOMPOSIT GFRP

UNTUK HELMET INDUSTRI DISEBABKAN BEBAN IMPAK

MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN FOR WINDOWS

TESIS

Oleh

JUSNITA

037015008/MTM

PROGRAM DOKTOR DAN MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

KETANGGUHAN RETAK DINAMIK BAHAN KOMPOSIT GFRP

UNTUK HELMET INDUSTRI DISEBABKAN BEBAN IMPAK

MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN FOR WINDOWS

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Teknik Mesin

Pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara

OLEH

JUSNITA

037015008/MTM

PROGRAM DOKTOR DAN MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Judul Tesis

:KETANGGUHAN RETAK DINAMIK BAHAN KOMPOSIT GFRP UNTUK HELMET INDUSTRI DISEBABKAN BEBAN IMPAK MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN FOR WINDOWS

Nama Mahasiswa : Jusnita

Nomor Pokok : 037015008

Program Studi : Teknik Mesin

Menyetujui Komisi Pembimbing

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Ketua

(Prof.Dr.Ir. Samsul Rizal, M.Eng) (Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D)

(Anggota) (Anggota)

Ketua Program Studi, Dekan,

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) (Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting, M.Eng)

Tanggal Lulus: 28 Nopember 2008

Telah Diuji pada

Tanggal: 28 Nopember 2008

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME

Anggota : 1. Prof.Dr.Ir. Samsul Rizal, M.Eng

2. Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D

3. Dr.Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri

ABSTRAK

Penelitian ini menyajikan tentang pengujian yang dilakukan menggunakan pendekatan metode elemen hingga dengan spesimen yang berbentuk pelat komposit

glass fiber reinforced plastic (GFRP) untuk mengetahui nilai ketangguhan retak

dinamik disebabkan beban impak. Program simulasi ini dibuat dengan menggunakan perangkat lunak MSC/NASTRAN for Windows dengan sub program FEMAP pembebanan dinamik. Untuk menyederhanakan pada proses simulasi, spesimen digambarkan setengah geometri karena bentuknya yang simetri, demikian pula dalam membuat mesh diatur dengan memperkecil ukuran mesh (fine mesh) pada daerah sekitar ujung retak. Pada pengujian ini beban impak diperoleh dari tegangan yang masuk ke spesimen dengan terlebih dahulu harus mengetahui diameter input bar dan tebal spesimen. Melalui simulasi ini juga diketahui propagasi tegangan yang terjadi; proses simulasi dimulai dengan mendefinisikan sifat material, membuat geometri dan mesh, menentukan kondisi batas, memberi beban, serta melakukan analisa dinamis dengan type analisis adalah transientdynamic/time dan type output displacement and

stress. Hasil simulasi elemen hingga menunjukkan pola distribusi tegangan pada

seluruh permukaan pelat. Besarnya faktor intensitas tegangan pada daerah retak mendekati hasil atau penelitian secara eksperimen. Harga rata-rata faktor intensitas tegangan yang diperoleh secara simulasi juga mendekati harga faktor intensitas tegangan kritis (ketangguhan retak) dari specimen GFRP yang diakibatkan oleh beban impak.

Kata kunci: Ketangguhan retak dinamik, GFRP, beban impak, faktor intensitas tegangan kritis.

ABSTRACT

This research is to study computer simulation of glass fiber reinforced plastic (GFRP) plate specimen, by finite element method. Its goal is to know the stress intensity factor and compared them with the critical intensity factor (fracture toughanes/obtained using experimental method. The simulation utilized MSC MSN/NASTRAN for Window software and FEMAP sub program with impact load model. To simplify the simulation process, specimens were drawn in half because of its symmetric. Small meshes are placed closed to the fracture tip. In this research the impact load propagated into the specimen uzed an experimental load model. The simulation was started by defining material characteristics, creating geometric, meshing, the plate defining boundary condition, applying the load. Analyses the stress intensity factor found form simulation is closed to the one obtained by experimental work, transient dynamic/time and the displacement and stress output type. The result of finite element simulation shows the stress distribution on the plate. The average stress intensity factor calculated in this study are in good agreement with the critical stress intensity facture (fracture toughness) obtained using experiments.

Keywords: Dynamic fracture toughness, GFRP, impact load, critical stress intensity factor.

KATA PENGANTAR

Puji syukur kita panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, dengan berkat limpahan rahmat dan karunianya, penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul:

“ Ketangguhan Retak Dinamik Bahan Komposit GFRP Untuk Helmet industri

Disebabkan Beban Impak Menggunakan MSC/NASTRAN For Windows“.

Penulisan tesis ini terlaksana berkat dorongan dan arahan dari berbagai pihak, terutama para komisi pembimbing, para pembanding yang melalui seminar proposal penelitian telah banyak memberi saran dan masukan demi kesempurnaan penulisan laporan tesis ini.

Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME, Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal,M.Eng, Prof.Dr. Basuki Wirjosentono, MS,Ph.D selaku komisi pembimbing dan juga sebagai Ketua dan anggota yang telah memberikan kesempatan pada penulis untuk melaksanakan salah satu penelitiannya serta memberi petunjuk dan arahan dalam menentukan langkah-langkah pada pelaksanaan penelitian ini.

Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME dan Dr.Ing.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Program Studi dan Sekretaris Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas serta menyetujui penulisan laporan tesis ini, agar penulis dapat melaksanakan tesis ini untuk mendapatkan masukan-masukan demi penyempurnaan dari mulai sistem penulisan dan hal-hal lain yang berkaitan dengan judul penelitian ini.

Direktur Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara, yang telah memberi kesempatan kepada saya untuk menyelesaikan pendidikan S2, Bapak-bapak

Dosen Penguji dan Pembanding yang telah memberikan tanggapan dan saran perbaikan, serta rekan-rekan yang telah berpartisipasi sehingga dapat selesai tesis ini. Suami dan anak-anak tercinta yang telah memberi semangat baik lahir maupun bahtin dan dengan sabar menunggu perjuangan ini.

Penulis menyadari tesis ini masih jauh dari kesempurnaan, kritik dan saran sangat diharapkan untuk perbaikan pada masa-masa mendatang dan semoga tulisan sederhana ini ada manfaatnya,...Amin.

Medan, Februari 2010 Penulis,

J u s n i t a

RIWAYAT HIDUP

Nama : Jusnita

Tempat/Tgl. Lahir : Pekanbaru, 08 Juni 1972

Pekerjaan : Staf Pengajar Fakultas Teknik Mesin Universitas Muhmmadiyah Riau (UMRI)

Alamat Kantor : Kampus Universitas Muhmmadiyah Riau (UMRI) Jl. KH. Ahmad Dahlan No. 88 Sukajadi Pekanbaru-Riau

Pendidikan

Sekolah dasar (SD) Negeri No.0.40 di Pekanbaru Tahun 1978 s/d 1984 Sekolah Menengah Pertama (SMP) Neg. 7 di Sumbar Tahun 1984 s/d 1987 Sekolah Menengah Atas (SMA) Neg. No.2 di Pekanbaru Tahun 1987 s/d 1990 Fakultas Teknik Univ. Islam Riau Tahun 1990 s/d 1996

Riwayat Pekerjaan

PC Epson Batam Center Tahun 1996 s/d 1997

Intruktur Komputer Lembaga PII Koputindo Pekanbaru Tahun 1997 s/d 1999 Intruktur Komputer Lembaga IKPI Pekanbaru Tahun 1999 s/d 2000 Ketua Jurusan Akademi Teknologi Muhammadiyah (ATOM)

Pekanbaru-Riau Tahun 2001 s/d 2003

Pembantu Direktur I Bidang Keuangan ATOM Pekanbaru Tahun 2008 s/d 2010 Ketua Program Studi Fakultas Teknik UMRI Tahun 2008 s/d 2010

Pelatihan-Pelatihan

1. Penyusunan Angka Kredit Dosen PTS

2. Pelatihan assesor kompetensi jurusan otomotif Badan Standarisasi Nasional Kerja Indonesia (BSNI) 20 Nopember s/d 24 Desember 2006 di Pekanbaru

3. Simposium Nasional Hak Kekayaan Intelektural (HKI) Ke III se Indonesia di Pekanbaru 2006

4. Administrasi Akademik dan Sistem Kredit Semester 1 s/d 4 Februari 2006 di Kopertis wilayah x Padang

5. Penyusunan Kurikulum 14 s/d 20 Pebruari 2007 di Koperti Wilayah X Padang 6. Penulisan Buku Ajar 5 Juli s/d 31 Juli 2007 di Pekanbaru.

7. Penyusunan Silabus Berbasis Kompetensi Nasional 23 s/d 25 September 2007 di Padang.

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

ABSTRAK ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

RIWAYAT HIDUP ... v

DAFTAR ISI ... vii

DAFTAR TABEL ... ix

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR ISTILAH ... xii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiii

BAB 1. PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar belakang ………. 1

1.2. Perumusan Masalah ... 4

1.3. Tujuan Penelitihan ... 5

1.3.1. Tujuan Umum ... 5

1.3.2. Tujuan khusus ... 5

1.4. Manfaat Penelitian ... 6

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1. Standarisasi dan Klarifikasi Helemet Industri ... 2.2. Kontruksi Helmet Industri ... 2.2.1. Helmet industri bahan komposit ... 2.3. Material Komposit Polimer ... 2.4. Jenis Bahan Matrik dan Sifat-sifat Mekanik ... 2.5. Klarifikasi Bahan Serat dan Sifat-sifat Mekanik ... 2.6. Mekanisme Retak Komposit ... 2.7. Mekanisme Kegagalan ... 2.8. Ketangguhan Retak (Fracture Toughness) ... 2.9. Teori Propagasi Tegangan ...

2.9.1. Rambatan gelombang tegangan pada batang ... 2.9.2. Impak pada batang ... 2.9.3. Pengukuran kekuatan pelat bahan komposit ...

7 8 9 10 11 12 12 13 14 16 16 19 23

2.10.Metode Elemen Hingga ... 2.11.Tegangan dan Regangan ...

2.11.1. Tegangan ... 2.11.2. Teori regangan normal maksimum ... 2.11.3. Teori tegangan geser maksimum ... 2.11.4. Teori kegagalan (failure theorities) ... 2.11.5. Teori energi distorsi (VonMisses) ... 2.11.6. Fungsi bentuk (shape fucion) ...

25

28

28 31 32 32 33 34 BAB 3. METODE PENELITIAN ... 36

3.1. Tempat dan waktu ... 3.1.1.Tempat ... 3.1.2.Waktu ... 36 36 36 3.2. Bahan ... 36

3.3. Prosedur Pelaksanaan Penelitian... 37

3.3.1. Penelitian secara simulasi komputer ... 37 3.4. Kerangka Konsep ... 39

3.5. Variabel yang diamati ... 40

3.6. Pelaksanaan Simulasi Komputer MSC/NASTRAN ... 40

BAB 4. HASIL DAN DISKUSI ………... 41

4.1. Pendahuluan ……… 41

4.2. Simulasi Elemen Hingga dan Intreprestasi Hasil ……… 42

4.2.1. Simulasi Elemen Hingga ... 42

4.2.2. Interprestasi Hasil ... 46

4.3. Ketangguhan Retak Dinamik ... 51

BAB 5. Kesimpulan ... 54

5.1. Kesimpulan ... 54

5.2. Saran ... 55

DAFTAR PUSTAKA ... 56

DAFTAR TABEL

No. Judul Halaman

2.1. Kemampuan mekanis unsaturated polyester resin ... 11

2.2. Sifat-sifat mekanis serat jenis E-glass ... 12

2.3. Poisson ratio ν untuk sudut α dan θ ... 16

3.1. Sifat mekanis GFRP ... 38

4.1 Harga stress intensity critical factor pada daerah strain gauge ………... 54

DAFTAR GAMBAR

No. Judul Halaman

2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

2.5.

Helmet Industri ... Kontruksi Helmet Industri ... Helmet Industri Bahan Komposit ... Mikro kerusakan laminasi pada matrik, dan terjadi delaminasi pada lampisan matrik ...

Bentuk spesimen type SENB ...

7 8 10

13 14

2.6. Lokasi dari strain gage ... 15

2.7. Prilaku gelombang longitudinal ... 17

2.8. Susunan batang uji ... 19

2.9. Prilaku batang setelah terjadi impak ... 20

2.10. Prilaku tegangan pada interface input bar dan spesimen ... 23

2.11. Teknik dua gage pada setup uji pelat komposit ... 24

2.12. Model struktur (mesh) pada sebuah pelat ... 26

2.13. Elemen tegangan berdimensi tiga ... 29

2.14. Elemen tegangan (a) elemen tegangan pritical (b) lingkaran Mohr triaksial regangan ... 30

2.15. Komponen-komponen regangan εx, εydan γ xy dalam bidang xy ... 30

2.16. Tetrahedon ……….. 34

2.17. 3.1. Hexsahedron ………... Gambar susunan serat pada pelat GFRP lima lapis ……… 35 37 3.2. Set up alat uji impak ……….. 38

3.3. Susunan batang impak, batang penerus dan pelat komposit ... 39

3.4. Lokasi dari strain gage 3 ... 39

3.6. Model simulasi dengan MSC/NASTRAN ... 41

3.7. Diagram alir simulasi MSC/NASTRAN for Windows ... 42

4.1. Pengaturan mesh pada spesimen ……… 45

4.2. Pemberian beban pada spesimen ... 46

4.3. Pemberian beban dan kondisi batas pada spesimen ... 46

4.4. Grafik fungsi waktu vs tegangan pada lokasi strain gauge ... 47

4.5. Grafik fungsi dinamik... 47

4.6. Distribusi tegangan VonMises ... 50

4.7. Grafik distribusi VonMises... 50

4.8. Distribusi VonMisesarah x ... 51

4.9. Grafik distribusi tegangan arah x ... 51

4.10. Distribusi VonMises arah y ... 52

4.11. Grafik distribusi tegangan arah y ... 52

4.12. Grafik regangan vs stress intensity critical factor ... 55

:

DAFTAR ISTILAH

Simbol Besaran Satuan

K Faktor Intensitas Tegangan MPa m

KI in Faktor Intensitas Tegangan Kritis MPa m

σ Tegangan MPa σ_u Tegangan Ultimate MPa σ_Ys Tegangan Mulur Mpa σ_max Tegangan Maksimum MPa σ₀ Tegangan Nominal MPa E Modulus Elastis GPa τ Tegangan Geser MPa ν Poison ratio - δ Elongation % F Gaya KN P Beban N W Lebar spesimen m t Tebal spesimen m α Sudut perletakan strain gauge 0 θ Sudut perletakan strain gauge 0

r Jari-jari mm

DAFTAR LAMPIRAN

No. Judul Halaman

1 Distribusi tegangan ... 58

2 Grafik VonMises ... 64

4 Spesimen uji impak ... 66

3 Setup uji tarik ... 66

ABSTRAK

Penelitian ini menyajikan tentang pengujian yang dilakukan menggunakan pendekatan metode elemen hingga dengan spesimen yang berbentuk pelat komposit

glass fiber reinforced plastic (GFRP) untuk mengetahui nilai ketangguhan retak

dinamik disebabkan beban impak. Program simulasi ini dibuat dengan menggunakan perangkat lunak MSC/NASTRAN for Windows dengan sub program FEMAP pembebanan dinamik. Untuk menyederhanakan pada proses simulasi, spesimen digambarkan setengah geometri karena bentuknya yang simetri, demikian pula dalam membuat mesh diatur dengan memperkecil ukuran mesh (fine mesh) pada daerah sekitar ujung retak. Pada pengujian ini beban impak diperoleh dari tegangan yang masuk ke spesimen dengan terlebih dahulu harus mengetahui diameter input bar dan tebal spesimen. Melalui simulasi ini juga diketahui propagasi tegangan yang terjadi; proses simulasi dimulai dengan mendefinisikan sifat material, membuat geometri dan mesh, menentukan kondisi batas, memberi beban, serta melakukan analisa dinamis dengan type analisis adalah transientdynamic/time dan type output displacement and

stress. Hasil simulasi elemen hingga menunjukkan pola distribusi tegangan pada

seluruh permukaan pelat. Besarnya faktor intensitas tegangan pada daerah retak mendekati hasil atau penelitian secara eksperimen. Harga rata-rata faktor intensitas tegangan yang diperoleh secara simulasi juga mendekati harga faktor intensitas tegangan kritis (ketangguhan retak) dari specimen GFRP yang diakibatkan oleh beban impak.

Kata kunci: Ketangguhan retak dinamik, GFRP, beban impak, faktor intensitas tegangan kritis.

ABSTRACT

This research is to study computer simulation of glass fiber reinforced plastic (GFRP) plate specimen, by finite element method. Its goal is to know the stress intensity factor and compared them with the critical intensity factor (fracture toughanes/obtained using experimental method. The simulation utilized MSC MSN/NASTRAN for Window software and FEMAP sub program with impact load model. To simplify the simulation process, specimens were drawn in half because of its symmetric. Small meshes are placed closed to the fracture tip. In this research the impact load propagated into the specimen uzed an experimental load model. The simulation was started by defining material characteristics, creating geometric, meshing, the plate defining boundary condition, applying the load. Analyses the stress intensity factor found form simulation is closed to the one obtained by experimental work, transient dynamic/time and the displacement and stress output type. The result of finite element simulation shows the stress distribution on the plate. The average stress intensity factor calculated in this study are in good agreement with the critical stress intensity facture (fracture toughness) obtained using experiments.

Keywords: Dynamic fracture toughness, GFRP, impact load, critical stress intensity factor.

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Perkembangan bidang konstruksi dalam dunia industri terhadap kebutuhan material teknik semakin meningkat dewasa ini. Hal ini terlihat dengan meningkatnya permintaan terhadap bahan-bahan teknik yang tergolong memiliki kualitas yang lebih tinggi, misalnya; dalam hal kemampuan (sifat-sifat mekaniknya), harganya lebih murah dan banyak dijual di pasaran. Dalam pengembangan teknologi dan proses seperti; bidang konstruksi, produksi atau manufaktur sangat erat hubungannya dengan sifat-sifat mekanik yang dimiliki oleh suatu material, khususnya dalam bidang teknik material yang semakin hari semakin sulit dipenuhi oleh bahan-bahan yang ada selama ini.

Teknologi material di masa depan perlu dikembangkan lagi sesuai dengan kebutuhan dunia industri saat ini. Para peneliti sebelumnya telah banyak melakukan penelitian terhadap berbagai jenis material misalnya; aluminium, stainless steel, cast iron, polimer, dan komposit polimer untuk berbagai kebutuhan. Guna menjawab tantangan disebabkan dampak dari suatu kemajuan teknologi material yang telah banyak digunakan sebagai bahan dasar dari berbagai sektor industri, maka penulis cenderung untuk melakukan penelitian lanjutan yaitu tentang jenis material komposit polimer yang akan digunakan sebagai bahan dasar untuk pembuatan suatu produk (helmet industri) menggunakan pendekatan elemen hingga.

Kecelakaan kerja sering terjadi di kalangan industri konstruksi dan manufaktur. Aturan hukum yang mengatur tentang Kesehatan, Keselamatan dan Kecelakaan Kerja (K3) telah ditetap [1], namun di lapangan masih banyak industri yang mengabaikan dari ketentuan tersebut. Pada kasus di lapangan sering kali kecelakaan kerja disebabkan oleh jatuhnya atau terlemparnya benda yang mengenai bagian kepala pekerja. Untuk mengurangi atau mencegah tingginya angka kecelakaan kerja di industri konstruksi, para pekerja dilengkapi dengan alat pelindung diri. Salah satu alat pelindung diri yang digunakan adalah helmet. Tujuan memakai helmet adalah untuk mencegah terjadinya kecelakaan pada kepala disebabkan benda jatuh bebas dikalangan industri konstruksi.

Untuk itu helmet merupakan suatu alat pelindung kepala yang harus digunakan oleh si pekerja, hal ini menurut ketentuan dan peraturan dari K3 helmet yang digunakan tentunya juga adalah helmet yang telah lolos uji menggunakan teknik uji yang standard [2]. Kenyataan di lapangan bahwa, masih banyak helmet yang digunakan di industri tidaklah memenuhi uji yang standard. Penyelidikan dan pengujian terhadap kehandalan dan kekuatan helmet telah dilakukan oleh beberapa peneliti dan balai pengujian yang mengkaji beberapa aspek yang berbeda, Thomson, R.D [3] melakukan penyelidikan tentang kekuatan dan ketahanan helmet industri terhadap beban transversal, yang mana penelitian tersebut menghasilkan beban transversal cenderung lebih mempengaruhi kontur/bentuk helmet industri.

Penelitian helmet industri juga telah dilakukan secara simulasi komputer dengan menggunakan pendekatan elemen hingga oleh Nayan [4], dengan menyelidiki

perilaku yang terjadi pada helmet disebabkan benda jatuh dari ketinggian 40 meter. Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa tulangan sangat mempengaruhi kosentrasi tegangan. Penyelidikan dan pengujian tentang cedera pada kepala dan otak yang disebabkan oleh beban impak kecepatan rendah telah dilaporkan oleh para peneliti pada bidang Biomechanics atau Bioengineering. Sedangkan Yu T., etl [5] melakukan

pengujian terhadap kekuatan dan ketahanan helmet dengan pengimpakan terpusat dan pengimpakan penetrasi metode drop-weight.

Helmet industri yang terbuat dari bahan polimer Ethylene Propelene Copolymer (EPM) yang mengalami prilaku mekanik yang berbeda antara pembebanan impak kecepatan rendah dan impak kecepatan tinggi. Besar kecilnya beban impak yang diterima helmet tergantung pada tinggi rendahnya suatu benda yang jatuh. Helmet yang banyak digunakan dikalangan industri Indonesia umumnya masih belum memenuhi syarat keselamatan kerja, artinya helmet tersebut tidak menjamin sipemakai akan aman dari benda jatuh bebas dari ketinggian tertentu.

Ditinjau dari segi kekuatannya masih belum mampu atau tahan terhadap benturan benda keras, sehingga menyebabkan terjadinya cedera kepala [3]. Syam, B [6] melakukan penelitian tentang ketangguhan retak dinamik dan mekanisme kerusakan GFRP berhubungan terhadap intensitas tegangan disebabkan beban impak. Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa ketangguhan retak dinamik untuk bahan komposit GFRP 12 MPa m, untuk statik 10 MPa m . Selain itu juga tingkat kenyamanan suatu helmet industri perlu menjadi perhatian yang spesifik, ini

disebabkan pemakaian helmet yang relatif lama oleh para pekerja. Sehingga perlu kenyamanan, dalam hal ini tidak terasa panas, tidak berat yang menyebabkan ketidak betahan si pemakai [7].

Untuk ini maka perlu dilakukan penelitian terhadap material komposit yang akan digunakan sebagai material helmet. Pengujian yang akan dilakukan dengan menggunakan pendekatan metode elemen hingga dengan spesimen yang berbentuk pelat komposit GFRP untuk mengetahui nilai ketangguhan retak dinamik disebabkan beban impak.

1.2. Perumusan Masalah

Dalam penelitian ini yang menjadi dasar pemikiran di sini adalah penggunaan jenis material helmet non standard yang dibuat dari bahan polimer seperti; Ethylene Propelene Copolymer (EPM). Setelah dilakukan pengujian oleh peneliti terdahulu diketahui material helmet non standard masih belum dapat menjamin kekuatannya atau tidak mampu menahan beban yang disebabkan benturan benda keras [5]. Dengan adanya pengembangan dalam bidang produksi untuk meningkatkan kualitas jenis material helmet yang dibuat dari bahan Ethylene Propelene Copolymer (EPM)

diharapkan mampu menahan benturan benda keras.

Oleh sebab itu dapat dirumuskan beberapa masalah dalam penelitian ini yaitu; bagaimana distribusi tegangan yang terjadi disebabkan beban impak menggunakan simulasi elemen hingga MSC/Nastran for Windows, berapa nilai ketangguhan retak pada pembebanan dinamis, dan bagaimana pola retak yang terjadi disebabkan beban

impak menggunakan simulasi elemen hingga MSC/Nastran for Windows. Atas dasar permasalahan di atas, maka perlu dilakukan penelitian dibidang material teknik untuk pembuatan produk helmet dari jenis material komposit khususnya GFRP. Dari hasil pengujian ini akan dapat diketahui apakah material GFRP akan memiliki ketangguhan yang lebih tinggi dibandingkan dengan jenis material yang terbuat dari polimer. Pengujian eksperimental ketangguhan retak dinamik terhadap bahan material komposit GFRP telah dilakukan oleh Syam B, dkk [6].

Dengan menggambil data eksperimental yang dilakukan oleh peneliti sebelumnya [6] maka penulis tertarik untuk melakukan penelitian tentang ketangguhan retak dinamik bahan komposit GFRP untuk helmet industri disebabkan beban impak dengan metode yang digunakan simulasi MSC/Nastran for Windows dengan pembebanan dinamik dan megklarifikasikan dengan hasil simulasi dengan uji eksperimental.

1.3. Tujuan Penelitian

1.3.1. Tujuan umum

Ketangguhan retak komposit GFRP untuk helmet industri disebabkan beban impak menggunakan MSC/Nastran for Windows.

1.3.2. Tujuan khusus

1. Untuk mengetahui distribusi tegangan yang ditimbulkan pada spesimen disebabkan beban impak dengan menggunakan simulasi elemen hingga MSC/Nastran for Windows dan mengklarifikasi dengan hasil eksperimen.

2. Untuk mengetahui inisiasi dan bentuk keretakan material komposit GFRP dengan simulasi elemen hingga MSC/Nastran for Windows.

3. Untuk mendapatkan nilai factor intensitas tegangan kritis pada pembebanan dinamis dengan menggunakan simulasi elemen hingga MSC/Nastran for Windows dan mengklarifikasikan dengan hasil pengujian eksperimental.

4. Untuk mendapatkan ketangguhan retak (fracture toughness) material

komposit GFRP.

1.4. Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Memberi informasi pada dunia industri yang memproduksi helmet tentang ketangguhan retak (Fracture Toughness) material komposit GFRP

menggunakan simulasi elemen hingga MSC/Nastran for Windows.

2. Memberi masukkan kepada Badan Standrisasi Nasional (BSN) untuk mempertimbangkan beban impak dalam standarisasi nilai ketangguhan retak.

3. Mengetahui tentang respon dan distribusi tegangan yang terjadi pada material komposit GFRP disebabkan beban impak menggunakan simulasi elemen hingga MSC/Nastran for Windows.

4. Memberi masukkan pada institusi untuk pengembangan ilmu pengetahuan dan penelitian selanjutnya.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Standarisasi dan Klasifikasi Helmet Industri

Hasil pengembangan produk helmet di sektor industri manufaktur, pada umumnya jenis helmet yang digunakan oleh masyarakat di negara-negara maju telah mempunyai standard tertentu. Diantara standard-standard helm yang dikenal secara luas dan banyak telah menjadi referensi antara lain;

1. ANSI Z 89.1-1997 (Amirican National Standard Institute) 2. JIS T 8131 (Japan Industrial Standard)

3. SII (Standard Industri Indonesia), hanya mengeluarkan standard untuk helmet pengendara sepeda motor.

4. Australia Standard (EN 397. AS/NZS 1801.SS98)

Untuk masing-masing standar memiliki klasifikasi yang berbeda berdasarkan kegunaan dan material yang digunakan.

2.2. Konstruksi Helmet Industri

Konstruksi helm terdiri atas beberapa bagian. Secara umum bagian-bagian tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2.

1

2

4

3 5

Keterangan gambar : 1. Tempurung

2. Jaring peredam benturan 3. Pelindung sinar matahari 4. Tali cincin

5. Tali dagu

Gambar 2.2. Kontruksi helmet industri

1. Tempurung adalah lapisan keras yang berfungsi melindungi kepala terhadap benturan atau goresan dengan benda keras atau benda tajam. Sifat material yang keras, homogen, liat, lentur, dan tahan terhadap perubahan cuaca.

2. Jaring, berfungsi untuk mengatur dan mengikatkan helm ke kepala dengan baik. Jaring ini bersifat kuat dan tidak mulur. Ukuran jaring helm dapat diatur atau dibuat tetap.

3. Pelindung sinar matahari, berfungsi untuk melindungi mata dari cahaya matahari yang langsung mengenai mata. Syarat bahannya tidak begitu ketat, tapi yang penting bisa menahan sinar matahari yang akan masuk kemata. Pelindung ini ada yang menyatu dengan tempurung helm, dan ada juga yang dipasangkan kemudian (optional)

4. Peredam benturan (absorber), berfungsi meredam energi benturan, sehingga

energi benturan tidak diteruskan ke kepala. Lapisan ini bersifat lunak dan liat, tetapi tidak kenyal.

5. Tali cincin, berfungsi untuk mengikat jaring helmet

6. Bantalan kepala, bersifat lunak dan berfungsi untuk memberikan kenyamanan pada pemakai helm. Bantalan kepala ini bisa juga berbentuk jaringan atau konstruksi lain yang berhubungan langsung dengan kepala.

7. Tali dagu, yang berfungsi agar jaring pengikat helm dapat terpasang di kepala dengan baik dan kuat. Perlengkapan ini merupakan aksesori. Terbuat dari plastik atau bahan-bahan lain yang lembut dan tidak menimbulkan kerusakan kulit. Tali dagu lebarnya minimum 20 mm dan harus benar-benar berfungsi sebagai pengikat helm ketika dikenakan di kepala.

2.2.1. Helmet industri bahan komposit

Geometri helmet disesuaikan dengan antropometri kepala manusia, yang mengikuti geometri helmet standard.

Gambar 2.3. Helmet Industri Bahan Komposit

2.3. Material Komposit Polimer

Material komposit polimer dapat didefinisikan sebagai gabungan dari dua atau lebih material yang berbeda secara makroskopik dan masing-masingnya mempunyai sifat-sifat yang diinginkan, tetapi tidak di dapat dari bahan-bahan penyusun (asal) jika bekerja sendiri-sendiri [8]. Hal ini yang mendorong pengembangan komposit polimer yang diperkuat serat gelas (GFRP). Serat gelas dan plastik dengan sifat fisis dan mekanis yang baik dikombinasikan sehingga memberikan sifat meterial yang baru dengan sifat-sifat unggul material tunggal penyusunnya.

Saat ini FRP banyak digunakan untuk komponen mesin, bangunan dan kadang-kadang juga digunakan dengan beban dinamis pada berbagai tingkat tegangan. Ada beberapa keuntungan dari FRPantara lain; a). memiliki sifat mekanis yang baik, b). ringan dan mudah dibentuk, c). biaya perawatan ringan, d). tidak mengalami korosi [9]. Pengujian material komposit terhadap ketangguhan retak

dinamik telah banyak dilakukan oleh para peneliti sebelumnya. Syam, B [10] meneliti kerusakan mekanik komposit GFRP yang dikenai beban impak.

Syam, B [11] mensimulasi elemen hingga pada pelat yang mengalami beban impak. Syam, B [12] mengklarifikasi inisiasi retak pelat plaster akibat beban impak menggunakan MSC/NASTRAN for windows. Shirley Savetlana [13] melakukan pengujian menggunakan pendekatan terhadap ketangguhan retak dinamik GFRP dari aspek viscoeelastik dan prilaku kerusakan matrik.

Dari beberapa pendapat para peneliti tersebut di atas tentang ketangguhan retak (fracture toughness) material komposit polimer, maka peneliti tertarik untuk

melakukan penyelidikan terhadap material komposit polimer jenis GFRP dengan membentuk spesimen uji yang menggunakan metode elemen hingga (MEH).

2.4. Jenis Bahan Matrik dan Sifat-sifat Mekanik

Menurut Chawla, [14] kemampuan mekanis dari unsaturated poliester resin

adalah seperti Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Kemampuan mekanis unsaturated polyieter resin

Sifat Mekanik Satuan Harga

Density Kg/m3 1120

Tensile strength MPa 55

Elongation % 2

Impact value J 0,5 – 1,0

2.5. Klasifikasi Bahan Serat dan Sifat-sifat Mekanik

Bahan serat yang umum dipakai sebagai penguat pada komposit sangat bervariasi, dimana penggunaannya tergantung pada jenis operasional dari komposit tersebut. Sedangkan menurut Warner [15] serat yang umum digunakan antara lain adalah: a). serat karbon, b). serat kevlar, c). serat E-glass. Untuk pemakaian pada

industri serat E-glass adalah yang paling banyak digunakan, disamping banyak

terdapat di pasaran, juga harganya lebih murah. Menurut Fried [16] sifat mekanik serat jenis E-glass ditunjukkan pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2. Sifat mekanik serat jenis E-glass

Sifat mekanik Satuan harga

Relative density g/cm3 2,55

Tensile strength Gpa 3,5

Modulus Elastisitas GPa 74

2.6. Mekanisme Retak Komposit

Beberapa tipe keretakan atau patahnya material yaitu; patah, rapuh, patah ulet, dan patah akibat faktor kelelahan (fatique). Dengan adanya ilmu mekanika keretakan sehingga dapat dilihat ketangguhan retak bahan, ukuran retak dan tingkat tegangan saling terkait dalam hal untuk memperkirakan keretakan dari struktur yang mengalami patah. Komposit polimer merupakan komponen rekayasa dalam skala makro (engineering macroscale) yang tersusun dari

kombinasi dua atau lebih material yang menghasilkan kemampuan dan sifat-sifat mekanik lebih baik dari pada komponen itu berdiri sendiri.

2.7. Mekanisme Kegagalan

Bahan komposit dinyatakan gagal bila tidak memiliki kemampuan untuk memenuhi fungsi utama dari perencanaan yang dikehendaki. Masing–masing cara dapat saja terjadi pada waktu yang berlainan dan juga dapat terjadi secara bersamaan pada lokasi kegagalan. Pada 2.4 diperlihatkan gambar mikro (micrograph) dari

permukaan interface dari material laminasi yang mengalami kegagalan. Faktor utama bahan mengalami kegagalan adalah beban maksimum yang bekerja melebihi dari kekuatan bahan atau tegangan patah bahan.

Gambar 2.4. Mikro kerusakan laminasi pada matrik, dan terjadi delaminasi pada lapisan matriks

Tidak semua bahan mengalami kegagalan dengan cara yang sama juga ditentukan oleh faktor kekuatan, kemuluran, dan kerapuhan ini merupakan faktor-faktor yang menerangkan perilaku bahan atau mekanisme gagal suatu bahan. Penyebab kegagalan adalah keretakan sebagian atau sepenuhnya, pembengkokan, ukuran yang berubah terhadap waktu, akibat proses pengkaratan, aus atau perubahan sifat dan ciri akibat perubahan waktu, faktor lingkungan dan lain sebagainya.

Model-model kegagalan tergantung pada tegangan atau beban yang terjadi, arah beban, suhu atau temperatur, pengaruh lingkungan atau gabungan dari keadaan tersebut. Faktor yang mempengaruhi kegagalan sangat tergantung pada sifat dasar dan keadaan bahan tersebut, jenis pembebanan, besar pembebanan, suhu dan keadaan lingkungan, pengaruh tumpuan beban, ketidak sempurnaan permukaan atau cacat bahan dan pemerosesan produk.

2.8. Ketangguhan Retak (Fracture Toughness)

Ketangguhan retak merupakan suatu fenomena untuk mengukur ketahanan suatu material terhadap perluasan retak [17]. Berbagai organisasi diseluruh dunia telah mempublikasikan prosedur standard untuk pengukuran ketangguhan ratak, termasuk Amirican Society for Testing and Material (ASTM), British Standard

Institution (BSI), dan Japan Society of Mechanical Engineers (JSME). Untuk

menentukan harga faktor intensitas tegangan kritis (KI) dapat dilihat pada gambar dua

dimensi dengan retak yang melewati single-ended pada gambar 2.5.

Gambar 2.5. Bentuk spesimen type SENB

Dally dan Sanford [18] membuat sebuah metode untuk mengukur dengan tepat sebuah faktor intensitas tegangan dari komponen tegangan dalam arah x’ untuk r < a. Bidang tengangan ujung retak bahan elastik isotropik bisa dirumuskan dengan

suatu rangkaian kekuatan yang tidak terbatas, dimana rangkaian pertama adalah sebuah singularitas 1/√r, yang kedua konstan, yang ketiga √r dan sterusnya.

Y θ

α r

SG 3

Y’ X’

Ujung retak

Gambar 2.6. Lokasi dari strain gage 3

Jika nilai khusus diambil untuk θ dan α, maka yang kedua dan ketiga hilang dan rangkaian yang pertama menjadi seperti persamaan berikut ini:

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ _⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛

= − θ _θ θ _{α θ} θ _α

π

με sin2

2 3 cos sin 2 1 2 cos 2 3 sin sin 2 1 2 cos 2

2 1/2 k r KI

xx (2.1)

Dimana nilai θ dan α dientukan dengan persamaan cos 2α = -k = -(1 - ν) / (1 + ν) dan tan (θ/2) = -cot 2α, dimana ν adalah poisson rasio. Intensitas tegangan bisa dihitung dengan tepat dengan persamaan 2.1 dan tegangan yang diukur εx’x’ pada jarak sedang dari ujung retak. Karena poisson ratio

GFRP adalah 0,33 nilai θ dan α diambil 600 maka persamaan dapat dituli menjadi :

KI = Eε πr

3 8

Dimana :

KI = Faktor intensitas tegangan (MPa m)

E = Modulus Elastisitas (MPa)

ε = Regangan pada posisi strain gauge

R = Jarak ujung retak kepengukuran tegangan (mm)

Pemilihan sudut α dan θ tergantung pada poison rasio seperti yang ditunjukan pada tabel 2.3.

Tabel 2.3. Poisson ratio ν untuk sudut α dan θ [19]

ν θ α

0,25 73,74 63,43

0,30 65,16 61,29

0,33 60,00 60,00

0,400 50,76 57,69

0,500 38,97 54,74

2.9. Teori Propagasi Tegangan

2.9.1. Rambatan gelombang tegangan pada batang

Untuk memahami teori impak terlebih dahulu diberikan penjelasan tentang rambatan gelombang, khususnya rambatan gelombang di dalam medium elastis. Gelombang tegangan adalah gelombang mekanis, yaitu gelombang yang memerlukan suatu medium untuk dapat mentransmisikannya [20]. Kecepatan rambat gelombang sangat ditentukan oleh sifat-sifat medium yang dilaluinya.

Ditinjau dari arah penjalaran, gelombang dibagi atas dua bagian yaitu: 1). gelombang transversal, dan 2). gelombang longitudinal. Pada penelitian ini hanya gelombang longitudinal yang akan dibahas lebih lanjut, karena merupakan dasar dari rambatan gelombang tegangan. Gelombang longitudinal sebagai konsep dasar pembahasan teori kekuatan tarik impak.

Sebagai pembahasan perilaku gelombang longitudinal pada sebuah batang logam seperti gambar 2.7.

Gambar 2.7. Perilaku gelombang longitudinal

Error! Bookmark not defined.

Keseimbangan momentum pada Gambar 2.7 adalah sebagai berikut :

ΔmV = F t mV = F_{0 0} t

(A C t_{0 1} ρ₀) V₀ = σ₀A t₀

σ₀=ρ₀C V_{1 0} (2.3) dimana :

C = Kecepatan gelombang longitudinal merambat pada batang ₀

0,

v t

C

1,

V₀ = Kecepatan partikel σ₀ = Tegangan pada batang

Modulus Elastisitas pada bahan dapat dinyatakan dengan persamaan :

E = C₁2 ρ

E

ρ

C₁ = (2.4)

Substitusi persamaan (2.3) ke persamaan (2.4) akan diperoleh :

σ₀= E₀ρ₀V (2.5) Energi yang dipindahkan batang pada waktu t dapat dibedakan menjadi dua bagian yaitu:

1 2 m V

2

Energi kinetik yang besarnya : E_k =

1 2

E_k = A₀( C t₁ ) 2 (2.6)

0V0

ρ

1. Energi regangan yang dipindahkan sebesar :

2

2E

σ

s

E

= Volume .

2 1

( )

2

A C t E σ s E = 2 0 1 ( 0 1 0)

2

A C t C V

E ρ so E = 2 0 1 0 0

2

A CρV

so

E = (2.7)

Sehingga energi total yang dipindahkan batang pada waktu t adalah: Et = Ek₀ + Es ₀

1 2

1 2 = 2

0( 1 ) 0 0

A C t ρ V + 2

0( 1 ) 0 0

A C t ρ V

Et = 2 0( 1) 0 0

A C t ρ V (2.8)

Dengan demikian terlihat besarnya energi yang dipindahkan pada batang ditentukan oleh harga-harga: A, C, t, ρ, dan kecepatan awal batang.

2.9.2. Impak pada batang

Susunan pada batang yang digunakan pada metode pengujian ini diperlihatkan secara skematis pada Gambar 2.8, yang terdiri dari tiga batang; batang impak (striker), batang penerus (input bar), dan specimen.

Gambar 2.8. Susunan Batang Uji

Spesimen pelat diletakkan bersentuhan secara bersentuhan secara kolonier dengan input bar. Sebelum beban impak diberikan, batang impak mempunyai kecepatan V₁ sedangkan input bar dan batang spesimen mempunyai kecepatan yang sama yaitu: V2 = V3 = 0, seperti yang pada gambar 2.9. Setelah impak, lihat gambar

2.10 (dimana: C01, C02, C03 adalah kecepatan gelombang dalam masing-masing

batang).

Batang Impak Batang Penerus

Spesimen

V₁

Gelombang longitudinal tekan akan merambat dari bidang antar muka impak (impact intirface) batang impak dan batang input bar kedalam masing-masing batang. Akibatnya bidang antar muka impak dan spesimen pada akhirnya akan mempunyai kecepatan yang sama sebesar V. Pada bidang antar muka akan terjadi keseimbangan gaya, atau akan terjadi aksi dan reaksi antar kedua batang, yang dapat dinyatakan dengan hubungan:

(impact intirface) batang impak dan batang input bar kedalam masing-masing batang. Akibatnya bidang antar muka impak dan spesimen pada akhirnya akan mempunyai kecepatan yang sama sebesar V. Pada bidang antar muka akan terjadi keseimbangan gaya, atau akan terjadi aksi dan reaksi antar kedua batang, yang dapat dinyatakan dengan hubungan:

σ₁₁A₁₁ = σ₂A₂ (2.9) dimana : A1 = Luas penampang batang 1

A2 = Luas penampang batang 2

σ₁ = Tegangan pada batang 1 σ₂ = Tegangan pada batang 2

Gambar 2.9. Perilaku batang setelah terjadi impak

Dari hubungan impuls momentum diperoleh hubungan σ = E Vρ , dimana:

σ = tegangan impak, ρ= massa jenis bahan, E = modulus young dan V = kecepatan partikel.

Dengan demikian pada batang impak yang bergerak dengan kecepatan V1

akan timbul tegangan sebesar:

V 2 3

C0,1

V

1

σ σ2 C0,2

σ₁ = ρ₁E V₁( ₁−V')

σ₁ = ρ₁E V_{1 1}− ρ₁E₁V' (2.10) dimana :

V1 = Kecepatan sebelum tumbukan

V’ = Kecepatan setelah tumbukan

1

ρ

= Kerapatan material batang 1

Selanjutnya kita tinjau batang 2, yang bergerak dengan kecepatan V’. melalui gambar 2.9, dapat ditentukan tegangan pada batang 2, yaitu:

' 2E V2

ρ

2

σ =

2 2E2

σ ρ =

'

V (2.11)

Substitusi Persamaan (2.10) ke Persamaan (2.11) akan menghasilkan :

2 1 1 1 1 1

2 2

.

E V E

E

σ

ρ ρ

ρ

−

σ₁ = (2.12)

sehingga dari persamaan (2.12) dapat ditulis :

σ ρ_{1 2}E₂ = ρ ρ₁E₁. ₂E V_{2 1}− ρ₁E₁σ₂

σ ρ_{1 2}E₂+ ρ σ₁E_{1 2} = ρ ρ₁E₁. ₂E₂V₁ (2.13) Dengan mensubstitusikan persamaan (2.12) ke persamaan (2.13) diperoleh :

1 2 2 1 1 1 1 2

(A E E A)

A

ρ + ρ σ

1E1. 2E V2 1

ρ ρ

1 1 2 2 1

1 1 1 2 2 2

.

E E V

A E A E

ρ ρ

ρ + ρ A2

σ₁= (2.14)

dengan cara yang sama akan diperoleh nilai σ₂ yaitu :

1 1 2 2 1

1 1 1 2 2 2

.

E E V

A E A E

ρ ρ

ρ + ρ A1

2

σ = (2.15)

Tegangan impak yang ditransmisikan ke input bar dan batang spesimen tersebut ditentukan oleh kecepatan batang impak dan sifat-sifat mekanisnya. Bila luas kedua penampang sama besar, maka;σ σ σ= =_{1 2}. Selanjutnya tinjau rambatan gelombang tegangan elastis pada input bar dan spesimen seperti pada Gambar 2.10.

Tegangan yang terjadi dari ujung kiri input bar sebesar σ akan ditimbulkan pada interface input bar dan specimen pada saat = 2

0,2

l C

2

t , dimana: adalah panjang

input bar, dan adalah kecepatan gelombang elastis pada input bar. Dalam hal, ada tiga bentuk gelombang yang terlibat, yaitu:

2

l

0,2

C

1. Tegangan yang terjadi, σ

2. Tegangan yang ditransmisikan, σ_T 3. Tegangan yang dibalikkan, σ_R

Gelombang tegangan tersebut dihubungkan oleh persamaan berikut ini :

2 3 0,2 3 3 0,2 2 2 0,3

2A E C

A E C +A E C

T σ

= σ (2.16)

3 3 0,2 2 2 0,3 3 3 0,2 2 2 0,3

A E C A E C

A E C A E C

− −

A3 ρ3

Gambar 2.10. Perilaku tegangan pada interface input bar dan specimen

Bila α adalah faktor transmisi dan β adalah faktor refleksi, maka di peroleh hubungan : σ_T = α.σ (2.18) σ_R = β.σ (2.19) Untuk material yang mempunyai sifat mekanis dan dimensi yang sama, maka denga mensubstitusikan harga: E2 = E3 ; ρ2=ρ3 ; A2 = A3, dan = kedalam

persamaan (2.21) dan (2.22), diperoleh

2

l l₃

T

σ = σ dan σ_R= 0. Ini berarti besar tegangan yang ditransmisikan adalah sama dengan tegangan yang masuk, dan tidak ada tegangan yang direfleksikan.

2.9.3. Pengukuran kekuatan pelat bahan komposit

Pada gambar 2.11. menunjukkan susunan batang impak, batang penerus, dan batang spesimen (c). Batang-batang tersebut disusun koloneir satu sama lain. Perlu diketahui berapa besarnya beban impak yang dibangkitkan pada intirface batang penerus dan spesimen. Dengan cara pengukuran langsung tentu sangat sulit dilakukan. Pengukuran beban impak, yang dibangkitkan pada lokasi impak, dilakukan secara tidak langsung yaitu dengan menggunakan strain gage yang

VT

σT

interface

V ’

V

σ σR

dilengketkan pada dua posisi dibatang penerus (lokasi a dan b). Prinsipnya, gelombang tegangan yang melalui batang penerus ditangkap oleh strain gage a dan b.

Selanjutnya dengan menggunakan sirkit jembatan Wheatstone (bridge box),

dimana perubahan tahanan gage dirubah menjadi voltage out put, dan signal conditioning akan menyesuaikan signal dengan kemampuan transient converter

(osiloskop).

Spesimen

Dalam penelitian ini juga akan dikembangkan suatu perhitungan beban impak dilokasi c (intirface kedua batang yang bertumbukan) menggunakan teori propagasi tegangan dalam batang satu dimensi. Dan program aplikasi excel digunakan untuk membaca data yang dikirim transient converter ke PC dan menghitung besarnya

impak di lokasi c. Menurut teori propagasi tegangan, tegangan dilokasi a, b, dan c

dapat dihitung sebagai berikut :

σ_b( )t =σ_L( )t +σ_R( )t (2.20) σ_a( )t =σ_L(t t− +₁) σ_R(t+t₁) (2.21)

900

800

Batang Impak Batang Penerus

600

700

a b

L

σ _σR

c

1

( ) ( ) ( )

c t L t t R t

σ =σ + +σ −t₁ (2.22)

1 1

( ) ( ) ( ) ( )

c t b t t b t t a t

σ =σ + +σ − −σ

maka : (2.23) dimana :

t = waktu

d = jarak strain gage a dan b atau b dan c

C0 = kecepatan rambat gelombang dalam batang

0

C l

t1 =

Selanjutnya, variasi beban impak dapat dilakukan dengan mengatur jarak impak (jarak antara ujung batang impak dan batang penerus). Dan beban impak juga dapat diperbesar atau diperkecil, dengan mengatur tekanan udara didalam tabung udara (air reservoir).

2.10. Metode Elemen Hingga

Metode Elemen Hingga (MEH) ini merupakan suatu cara pendekatan yang sangat efektif yang memanfaatkan keunggulan tekologi komputer. Menggunakan prinsip metode numerik untuk menyelesaikan suatu permasalahan dari suatu sistem fisik kontinu dan kompleks yang sulit atau tidak dapat diselesaikan secara analitis. Pada awalnya metode elemen hingga dikembangkan untuk menyelesaikan masalah struktur, tetapi metode ini juga dapat diaplikasikan secara luas dalam berbagai bidang ilmu dan rekayasa, seperti dalam masalah perpindahan panas (heat transfer), getaran

(vibration), elektromagnetik, mekanika fluida, dan lain-lain.

Metode elemen hingga yang digunakan pada penelitian ini, yaitu yang menyangkut penyelesaian masalah struktur. Analisa struktur dilakukan dengan

bantuan perangkat lunak MSC/NASTRAN for windows versi 4.5, suatu paket progam

yang dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space Administration (NASA). Dalam metode ini, struktur solid dipandang sebagai rangkaian elemen kecil yang berhubungan pada sejumlah titik pada tiap elemennya.

Rangkaian ini menjadi model struktur yang akan dianalisis dan disebut mesh,

sedangkan titik-titik penghubung dalam elemen tersebut disebut titik nodal atau node.

1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

62

63

64 65 66 ₆₇

68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92

93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118

119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142

143 144 145 146 147 148₁₄₉ 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163

Gambar 2.12. Model struktur (mesh) pada sebuah plat.

Selanjutnya dengan meninjau seluruh elemen didapat sejumah persamaan aljabar tertentu yang kemudian diselesaikan untuk mendapatkan harga-harga pada titik-titik nodal tersebut, sehingga diperoleh solusi untuk seluruh bagian struktur yang dimodelkan.

Untuk menyelesaikan sistem persamaan yang diperoleh, diperlukan kondisi-kondisi batas. Kondisi batas dalam hal ini umumnya berupa gaya luar yang bekerja, perpindahan yang diketahui, atau tumpuan. Semua kondisi batas terus dinyatakan pada titik nodal. Dengan kata lain, titik kerja gaya luar, titik tumpuan, dan titik yang

akan diketahui parameternya harus merupakan titik nodal. Jika beban yang bekerja merupakan beban yang terdistribusi, maka beban tersebut harus diekivalensikan menjadi gaya-gaya pada titik nodal atau berupa tekanan pada elemen-elemen.

Pendekatan yang digunakan pada metode elemen hingga ini, setidaknya mempunyai dua sumber kesalahan. Kesalahan pertama ialah adanya perbedaan asumsi yang diambil dengan kondisi yang sebenarnya, sehingga solusi metoda ini, bukan merupakan solusi eksak. Besarnya kesalahan ini tergantung pada ukuran elemen yang digunakan dalam pemodelan struktur. Sebagian besar formulasi elemen hingga akan menghasilkan solusi yang makin mendekati solusi eksaknya (konvergen), jika ukuran elemen semakin kecil atau jumlah nodal

semakin banyak.

Sedangkan sumber kesalahan yang kedua terletak pada tingkat ketelitian proses numerik dalam menyelesaikan sistem persamaan aljabar. Ini merupakan fungsi dari kecermatan komputer, algoritma pemograman, jumlah persamaan, serta elemen yang dipakai dalam pemodelan. Untuk mengatasi kedua sumber kesalahan diatas, dapat dilakukan dengan melakukan pemodelan yang lebih baik, misalnya dengan memperbanyak jumlah elemen, sampai solusi yang diperoleh cukup konvergen. Metode elemen hingga, walaupun memiliki kelemahan seperti yang disebutkan diatas, namun juga mempunyai banyak kelebihan dan memberi banyak keuntungan yang sangat berarti. Kelebihan metode ini antara lain :

1. Dapat menyelesaikan hampir semua permasalahan fisik yang rumit dengan ketelitian yang memadai.

2. Dapat memberikan distribusi paramaeter yang diinginkan diseluruh bagian struktur yang dianalaisis.

3. Dapat meningkatkan produktivitas dan efisiensi waktu serta biaya, karena dapat mengurangi jumlah pengujian yang diperlukan, dan antara desain dengan analisis dapat dilakukan secara bersamaan.

2.11. Tegangan dan Regangan

2.11.1. Tegangan

Intensitas gaya (gaya persatuan luas) disebut tegangan (stress). Dengan

mengangap bahwa tegangan terdistribusi secara merata pada seluruh bidang batang penghubung. Gambar 2.13 Menampilkan suatu elemen tegangan berdimensi tiga, atau tegangan triaksial (triaxial stress); menunjukkan tiga tegangan normal σ x

,

σy dan

σ z

,

semuanya positif; dan enam tegangan geser τ xy

,

τ xz

,

τ yx

,

τ yz

,

τ zx

,

τ zy

,

juga semuanya positif.

Elemen tersebut berada dalam kesetimbangan statis, sehingga tegangan normal yang arahnya keluar, adalah tegangan tarik yang dinyatakan positif. Orientasi elemen tegangan terjadi dalam ruang dimana semua komponen tegangan geser berharga nol. Bila elemen mempunyai orientasi khusus seperti ini, maka garis normal terhadap setiap permukaan merupakan arah utamanya. Tegangan normal yang terjadi merupakan tegangan utama atau tegangan prinsipal (principal stress) yaitu σ1, σ2,

y σy z x y yx τ xy τ yx τ xy τ

σx σx

σy σy (b) σz σx xy τ Z x τ ZX τ Y Z τ Z y

τ τyx

(a)

x

Gambar 2.13. Elemen tegangan berdimensi tiga

Dengan prinsipal kesetimbangan gaya pada masing-masing arah utama, maka akan didapat persamaan pangkat tiga, yaitu :

σ3-(σx + σy +σz) σ2+(σx σy + σx σz + σy σz - τ 2xy - τ 2yz - τ 2zx ) σ 2

yz - σy 2zx - σz 2xy) = 0

- (σx σy σz + 2τ xyτ yzτ zx - σxτ τ τ

Lingkaran Mohr triaksial terjadi untuk kondisi σ1 > σ2 > σ 3. Berdasarkan teori ini

tegangan geser maksimum adalah, Joseph e. Shigley Larry D. Mitchell, [21]

2

3 1

σ

σ

−

max =

τ persamaan : L δ ε = Dimana :

L = Panjang awal sebelum pembebanan. δ

σ τ

σ2

σ1 σ3

1

σ

2

σ

3

σ

Gambar 2.14. Elemen tegangan (a) elemen tegangan prinsipal (b) lingkaran Morh triaksial regangan

Pertambahan panjang persatuan disebut regangan (ε), ditunjukan oleh Karena regangan normal (ε) adalah perbandingan antara dua ukuran panjang, merupakan besaran yang berdimensi (dimenssion less quantity)tidak memilki satuan.

Dalam pembahasan regangan pada sebuah titik, yang penting diperhatikan adalah pergeseran (displacement) relatif dari titik-titik yang berdekatan.

y _y

y

x o

1

x

ε x

y

ε

o

x o

xy

γ

(a) (b) (c)

1

xy dalam bidang xy.

Melihat bahwa bidang xy dapat terjadi bila ketiga komponen regangan seperti diperlihatkan dalam ketiga bagian Regangan-regangan ini adalah regangan normal ε x

dalam arah x, regangan normal εy dalam arah y dan regangan geser γ xy. Sebuah elemen

bahan yang hanya dikenai regangan-regangan ini dikatakan berada dalam regangan bidang (plane strain). Dari sini diperoleh bahawa elemen yang mengalami regangan

bidang tidak memiliki regangan normal εz dan regangan geser γ xz dan γ yz

berturut-turut dalam bidang xz dan yz. Jadi, regangan bidang didefinisikan oleh persyaratan-persyaratan berikut :

ε z = 0 γ xz = 0 γ yz = 0

Regangan-regangan yang sisa (εx, εy, dan γ xy) dapat memiliki harga-harga yang

tidak nol.

2.11.2. Teori regangan normal maksimum

Teori regangan maksimum disebut juga dengan teori Saint Venant

aplikasinya hanya digunakan dalam selang elastis pada tegangan. Teori ini menyatakan keluluhan akan terjadi ketika regangan terbesar dari tegangan utama menjadi sama dengan regangan yang berhubungan dengan kekuatan luluh. Jika diasumsikan kekuatan luluh dalam tarikan dan tekanan adalah sama, maka regangan pada tegangan dapat disamakan dengan regangan yang berhubungan dengan kekuatan luluh. Kondisi luluh menjadi.

y 3

2

1−v(σ +σ )=± S

σ

y 1

3

1−v(σ +σ )=± S

y 2

1

1−v(σ +σ )=± S

σ

Jika salah satu dari tiga tegangan-tegangan utama adalah nol dan dua tegangan yang bekerja adalah σ_A dan σ_B maka untuk tegangan beraksial kriteria luluh dapat dituliskan sebagai berikut.

y 1− v σB = ± S

σ

y 1− v σA = ± S

σ

2.11.3. Teori tegangan geser maksimum

Teori ini mengatakan bahwa kegagalan yang dimulai ketika tegangan geser maksimum pada setiap elemen menjadi sama dengan tegangan geser dalam uji tarik spesimen tersebut mulai luluh. Jika ditentukan tegangan-tegangan utama seperti,

3 2 1 σ σ

σ > > maka dari teori tegangan geser maksimum menduga senantiasa keluluhan akan terjadi pada :

max ½

τ ≥ σy atau σ1 - σ3 ≥ σy

2.11.4. Teori kegagalan (failure theories)

Dalam merencanakan bagian mesin untuk mencegah kegagalan (kerusakan), perlu diperhatikan bahwa tegangan yang terjadi tidak boleh melebihi dari kekuatan bahan. Kalau bahan yang dipakai adalah liat, maka yang perlu diperhatikan adalah batas yield, karena perubahan permanen akan menimbulkan kegagalan.

2.11.5. Teori energi distorsi (VonMisses)

Dalam teori ini menyatakan bahwa permulaan terjadinya kegagalan bilamana tegangan Von Mises yang terjadi sama dengan kekuatan.

Tegangan Von Misses dinyatakan dalam persamaan berikut :

(

) (

) (

)

_{= C}

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣

⎡ − + − − 2 12

1 3 2 3 2 2 2 1 3 σ σ σ σ σ σ Ekivalen dengan :

(

) (

) (

)

2

1 3 2 3 2 2 2

1 σ σ σ σ σ

σ − + − − = C1

σ

Untuk tarikan uniaksial menggunakan C2 1 = Y saat terjadi kegagalan

dan σ2 = σ2 = 0, konstannya adalah 2Y2, untuk tegangan geser murni dengan σ1

= SSy = - σ2 dan σ1 = 0, C = 2 (Ssy)2 , maka kriteria Von Misses dapat ditampilkan

seperti dibawah ini.

(

) (

) (

)

2

1 3 2 3 2 2 2

1 σ σ σ σ σ

σ − + − − = C2 = 2 Y2 = 6Ssy2

Dalam bentuk umum kriteria Von Misses dapat dituliskan seperti :

(

x y

) (

y z

)

(

z x

)

6

(

xy yz zx

)

2Y 6Ssy

2 2 2 2 2 2 2 2 = = + + + − + − +

−σ σ σ σ σ τ τ τ

σ

Kegagalan untuk kriteria ini menujukan bahwa kriteria tresca dan VonMisses untuk beberapa nilai Y sehingga catatan perbedaan maksimum dalam (batas Yielding

2.11.6. Fungsi bentuk (shape fucion)

Guna membahas tegangan dan regangan dalam elemen terlebih dahulu harus ditentukan fungsi dan bentuknya. Pada simulasi terdapat sebuah elemen dan jumlah node. Perpindahan setiap dalam elamen adalah sebuah fungsi dari lokasinya.

Adapun klasifikasi fungsi bentuk dari elemen adalah tetrahedron dan hexahedron. 1. Fungsi bentuk dari Tetrahedron

Gambar 2.16. Tetrahedon Keterangan gambar :

a. Linier tetrahedron dengan empat node

b.Strainght line quadratik tetrahedron dengan sepuluh node c. Quadratik tetrahedron dengan permukaan kurva

Linier tetrahedron disamakan ddengan empat node dalam bentuk tiga dimensi sehingga terdapat tiga kordinat luasan. Dimana linier tetrahedron menpunyai empat kordinat volume.

2. Fungsi bentuk dari Hexahedron

Delapan node terdapat bentuk Hexahedron adalah kondisi tiga dimensi yang sama dengan quadrilateral. Kordinat kecil alamiah dalam tiga dimensi adalah :

1

ξ ξ

ξ = η =ηη₁ ξ₀ =ξξ₁

Fungsi bentuk diatas dapat ditentukan untuk node individual diilustrasikan sebagai node I = I

Maka : ξ=−1 η=−1 ξ=−1

Gambar 2.17. Hexahedron a. Linier dengan empat node

b. Strainght line quadratik hexahedron dengan sepuluh node c. Quadratik hexahedron dengan permukaan kurva

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

3.1.1. Tempat

Penelitian secara eksperimental berupa pembuatan spesimen, pengujian dan observasi permukaan retak dilaksanakan di laboratorium Pusat Riset Impak dan Keretakan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Klarifikasi secara simulasi akan dilaksanakan di IC-STAR USU menggunakan perangkat lunak MSC/NASTRAN for Windows

3.1.2. Waktu

Simulasi ini dilaksanakan sejak tanggal 15 Januari s/d 16 Juli 2008

3.2. Bahan

Bahan yang digunakan untuk spesimen uji dari bahan komposit terdiri dari dua atau lebih bahan campuran seperti :

Material penyusun pelat komposit GFRP adalah:

a. Bahan matriks adalah Unsaturated Polyester Resin

b. Bahan serat serat E-glass sebagai penguat. c. Bahan pengeras (hardener) atau katalis.

Gambar 3.1. Gambar susunan serat pada pelat GFRP lima lapis.

Spesimen dibuat dalam bentuk pelat komposit GFRP diproduksi dengan metode hand lay-up, yang terdiri dari lima lapisan serat Chopped Strand Mat

(CSM) seperti pada gambar 3.1.

3.3. Prosedur Pelaksaan Penelitian

3.3.1. Penelitian secara simulasi komputer

Simulasi dengan menggunakan komputer dilaksanakan di IC-ATAR USU. Software yang digunakan adalah MSC/NASTRAN for Windows yang berbasis Metode Elemen Hingga (MEH). MSC/NASTRAN mampu menyelesaikan persoalan-persoalan struktur dan material untuk menganalisa tegangan (stress), perpindahan

panas (head transfer) dan (vibration) dengan mengimpor geometri CAD (Computer

Aided Design).

Kajian numerik yang umum digunakan dilakukan dengan dua cara yaitu dengan beda hingga dan elemen hingga. Beda hingga (finite difference) dilakukan

dengan mendiskretisasikan persamaan diferensial. Metode ini memiliki kelemahan utama yaitu syarat-syarat batasnya sangat sulit dipenuhi. Dan kelemahan yang lain adalah akurasi hasil perhitungannya yang relatif rendah.

Kajian elemen hingga adalah analisi pendekatan yang berasumsi peralihan atau asumsi tegangan, berdasarkan kombinasi keduanya pada setiap elemennya. Simulasi komputer untuk mengklarifikasi perilaku mekanik yang terjadi akibat pengujian secara experimental.

Gambar 3.2. Geometri spesimen pelat komposit

Meletakan strain gauge dengan cara menarik sumbu x dan y diujung retak dengan sudut α kemudian diambil jari-jari antara sumbu x dan y, lalu ditarik lagi sumbu x dan y dengan menentukan sudut cos θ, seperti terlihat pada gambar 3.2.

Gambar 3.3. Lokasi dari strain gauge 3 (SG3) 100

4

15

19

4

Y θ

r=7

X

α

SG 3

Tabel 3.1. menunjukkn sifat mekanis GFRP yang diperoleh dari ekperimental peneliti sebelumnya

Tabel 3.1. Sifat mekanis GFRP [6] Properties Unit

Modulus Elastis, E 13,2 Gpa 0,33 Poison ratio, ν

Gambar 3.4. Model simulasi dengan MSC/NASTRAN

3.4. Kerangka Konsep

Prilaku Retak Pengujian simulasi komputer

- Geometri _{- Distribusi tegangan (}σ₎

- Waktu (t) - Regangan (ε) - Inisiasi keretakan - Arah penjalaran retak - Ketangguhan retak - Mesh

- Kondisi batas - Beban

- Fungsi waktu

3.5. Variabel yang Diamati

Variabel yang akan diamati dalam penelitian ini adalah : 1. Distribusi tegangan pada permukaan pelat (σ)

2. Waktu terjadinya beban impak (t) 3. Regangan (ε)

4. Faktor intensitas tegangan kritis (KI)

3.6. Pelaksanaan Simulasi Komputer

Pelaksanaan simulasi ini akan mengikuti diagram alir seperti diperlihatkan pada gambar 3.5. Dari diagram tersebut dapat menjelaskan urut-urutan pelaksanaan mulai dari persiapan sampai pada analisa hasil dan kesimpulan.

Mulai

Sifat Bahan

Ε,ρ,σ,Co Pemodelan Pelat

Analisis Nastran

Distribusi Tegangan

Selesai

BAB 4

HASIL DAN DISKUSI

4.1. Pendahuluan

Masalah propagasi tegangan yang timbul akibat impak pada dasarnya melibatkan waktu sebagai parameter bebas, penentuan harga awal dari variabel terikat, dan kemudian pemilihan kondisi batas. Persoalan dinamik seperti itu biasanya dapat menggunakan rumusan persamaan gerak dan dapat dipecahkan secara numerik dengan beberapa cara, salah satunya dengan metode elemen hingga.

Ketangguhan retak suatu material merupakan salah satu sifat mekanik yang harus diketahui oleh para perancang konstruksi, untuk mengetahui kekuatan suatu material dalam menerima beban dari luar. Prilaku mekanik struktur material yang dikenai pembebanan statik sudah banyak dilakukan dan dilaporkan hasil penelitiannya.

Namun sifat mekanik yang dihasilkan oleh beban yang berlangsung cepat dan tiba-tiba (impak), perlakuannya sangat berbeda dan masih dibutuhkan kajian yang mendalam terhadap penomena ini. Begitu pula prilaku pada material berstruktur liat, seperti baja, aluminium, dan lain sebagainya maupun untuk material struktur yang sifatnya rapuh, seperti keramik, beton, beton kenerja tinggi dan lain-lain.

Dalam penelitian ini, ingin diketahui adalah ketangguhan retak dinamik material komposit yang diperkuat serat gelas (GFRP). Penelitian sejenis sudah pernah

dilakukan oleh Syam B [6]. Dengan bentuk material uji (spesimen) yang sama ingin dibuktikan harga ketangguhan retak melalui proses simulasi elemen hingga.

Pada pengujian ini beban impak diperoleh dari tegangan yang masuk ke spesimen dengan terlebih dahulu harus mengetahui diameter input bar dan tebal spesimen. Melalui simulasi ini juga akan diketahui propagasi tegangan yang terjadi di dalam spesimen.

4.2. Simulasi Elemen Hingga dan Intrepretasi Hasil

Proses simulasi dimulai dengan mendefinisikan sifat material, membuat geometri dan pengaturan mesh, menentukan kondisi batas, memberi beban serta melakukan analisa dinamis. Intrepretasi hasil dapat diperoleh setelah dilakukan proses analisa.

4.2.1. Simulasi elemen hingga

Program simulasi ini dibuat dengan menggunakan software MSC/ NASTRAN for Windows. Hasil yang akan diperoleh dari simulasi tersebut merupakan suatu informasi untuk melihat dan mengklarifikasikan hasil uji impak. Dan yang perlu diperlihatkan dari hasil tersebut adalah penomena timbulnya inisiasi keretakan dan menduga pola retak yang akan terjadi. Distribusi tegangan dan variasi waktu ditampilkan dalam bentuk kontur dan grafik.

Untuk menyederhanakan pada proses simulasi, spesimen digambarkan setengah geometri karena bentuknya yang simetri, dalam hal ini memakai elemen dengan empat node isoparametrik. Demikian pula dalam membuat mesh dapat diatur

dengan memperkecil ukuran mesh (fine mesh) pada daerah sekitar ujung retak

sebagaimana yang ditunjukkan oleh gambar 4.1. Dari proses diskritisasi pada spesimen, menghasilkan 335 elemen jenis isopametrik dan 373 node. Gambar 4.2. menunjukan besarnya beban yang diberikan dapat dihitung berdasarkan tegangan yang masuk spesimen.

Bentuk dan besar beban impak yang diberikan pada simulasi ini adalah beban yang didapat dari hasil uji impak. Beban diberikan pada empat node (jarak tiap node 2,5 mm) karena input bar yang digunakan berdiameter 15 mm. Pemberian kondisi batas (constraint) pada spesimen dilakukan sepanjang garis simetri, yaitu mulai dari

bawah sampai pada batas ujung retak dengan membebaskan arah sumbu X seperti ditunjukkan pada gambar 4.3.

X Y

Z

Dari hasil pengujian yang telah dilakukan peneliti terdahulu [6] diperoleh besarnya tegangan insiden 50 MPa (t = 200 μs), dan dengan mengalikan harga tegangan tersebut dengan luas penampang yang mengalami pengimpakan diperoleh besarnya beban impak 1500 N (t = 200 μs).

Gambar 4.2. Pemberian beban pada spesimen

Penempatan lokasi beban impak pada masing-masing node sejarak setengah dari diameter input bar, dan besar beban pada tiap-tiap node.

156 156

X Y Z

156 156 156 156 156 156 156 156 156

250.500.500.250.

Dari proses simulasi pada gambar 4.3 dapat dijelaskan bahwa, pada kondisi batas bagian yang diikat (fixed) adalah bagian 1,5,6 sedangkan arah X atau bagian

2,3,4 dibebaskan (X simetri). Besar beban 1500 N dapat dibagi pada masing-masing node secara berturutan yaitu (250, 500, 500, 250) N.

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

400 800 1200

Time (micros e c)

St

re

s

s

(

M

p

a

)

Gambar 4.4. Grafik waktu vs tegangan pada lokasi strain gauge 3 [6]

Fungsi dinamik dapat digambarkan melalui grafik fungsi sinus dengan mengetahui waktu rambat gelombang tegangan pada spesimen dengan membuat persamaan fungsi sinus pada sudut 1800 yang merupakan garis lurus. Waktu yang digunakan untuk fungsi grafik t = 200 μs dari hasil pengujian eksperimen [6] dimana

0. 0.0667 0.133 0.2 0.267 0.333 0.4 0.467 0.533 0.6 0.667 0.733 0.8 0.867 0.933 1.

0. 0.0000167 0.0000333 0.00005 0.0000667 0.0000833 0.0001 0.000117 0.000133 0.00015 0.000167 0.000183 0.0002

x = 0, To x = 200 μs seperti gambar 4.5 menunjukkan grafik fungsi dinamik pada arah X (0 – 200 μs) dan arah Y (0 – 1 – 0).

Analisa beban dinamik dapat dilakukan untuk mengetahui waktu perlangkah

(time per step), yaitu dengan membagi panjang setiap elemen dengan kecepatan

rambat gelombang dalam spesimen. Atau dapat ditulis dengan persamaan;

0

l T

C =

Dimana:

T = Time per step

l = Panjang per elemen

C0 = kecepatan rambat gelombang

Jumlah langkah (number of step) dapat diperoleh dengan membagi panjang

diagonal spesimen dengan panjang per elemen dan dapat ditulis dengan persamaan;

d

l N

l =

Dimana:

N = Number of step

Ld = Panjang diagonal spesimen

l = Panjang per elemen

4.2.2. Intrepretasi hasil

Hasil simulasi yang telah dianalisa dengan type analisis adalah transient

gambar 4.6 pada kontur tegangan utama (VonMises) gaya sebesar 1500 N, tegangan

yang terbesar terjadi didaerah yang kritis yaitu diujung retak (pre crack) yang

berwarna merah ditunjukan dengan tanda panah (gambar 4.6) tegangan utama yang terjadi sebesar 50 MPa dan terdapat pada elemen 318 (case 27, t = 21,58 μs).

Di daerah ini spesimen mengalami kegagalan, karena tegangan yang terjadi melebihi dari batas maksimum tegangan yang diizinkan diujung retak (pre crack),

seperti yang diungkapkan oleh Joseph e. Shigley Larry D. Mitchell, tentang teori kegagalan (Failure Theories). Inisiasi retak diperkirakan terjadi pada daerah yang

mempunyai kosentrasi tengangan yang tinggi yaitu diujung retak. Kemudian merambat kekiri dan kanan pelat.

Jika tengangan impak yang masuk relatif tinggi dapat terjadi tambahan retakkan pada pelat komposit GFRP. Jadi keretakan yang ditimbulkan merupakan suatu penomena yang masih perlu diklarifikasikan lebih lanjut. Penyebab terjadinya inisiasi keretakan, penjalaran keretakan dan lokasi terjadinya terjadinya inisiasi keretakan yang dihubungkan dengan bentuk geometri pelat serta bentuk pembebanan. Keretakan ini terjadi akibat tegangan tarik, karena besarnya tegangan tekan yang terjadi pada lokasi terjadinya inisiasi keretakan jauh dibawah tegangan tekan material pelat.

Gambar 4.7. menunjukan grafik tegangan utama vs waktu yang terjadi diujung retak (pre crack). Pada gambar 4.8 dijelaskan distribusi tegangan normal

X Y

Z

Gambar 4.6. Distribusi tegangan VonMises

50386808. 47281114. 44175420. 41069726. 37964032. 34858338. 31752644. 28646950. 25541256. 22435562. 19329868. 16224174. 13118479. 10012785. 6907091. 3801397. 695703. V1 L1 C1

utput Set: Case 27 Time 2.158E-5 Contour: Plate Top VonMises Stress O C7 E317 E318 E319 50386808. 47281114. 44175420. E334 P13 P15 P46 41069726. 37964032. 34858338. 31752644. 28646950. 25541256. 22435562. 19329868. 16224174. 13118479. 10012785. 6907091. 3801397. 695703.

1: Plate Top VonMises Stress, Element 304

0.0000E+0 2.9475E+6 5.8949E+6 8.8424E+6 1.1790E+7 1.4737E+7 1.7685E+7 2.0632E+7 2.3580E+7 2.6527E+7 2.9475E+7 3.2422E+7 3.5370E+7

0. 0.0000018 0.0000036 0.00000539 0.00000719 0.00000899 0.0000108 0.0000126 0.0000144 0.0000162 0.000018 0.0000198 0.0000216 Set Value

X Y Z

Hasilnya juga memperlihatkan daerah kritis yang terjadi pada pelat, yang merupakan suatu informasi untuk menganalisa penjalaran retak yang akan terjadi, dan grafik tegangan normal σx vs waktu arah sumbu x lebih besar terjadi dibandingkan

arah sumbu y, ini menunjukan bahwa keretakan yang terjadi pada lokasi retak jelas disebabkan oleh tegangan tarik normal arah saumbu x sehingga membentuk keretakan kearah sumbu y seperti grafik gambar 4.9.

1: Plate Top X Normal Stress, Element 304

-5.0216E+6 -3.8563E+6 -2.6910E+6 -1.5257E+6 -3.6034E+5 8.0498E+5 1.9703E+6 3.1356E+6 4.3009E+6 5.4663E+6 6.6316E+6 7.7969E+6

0. 0.0000018 0.0000036 0.00000539 0.00000719 0.00000899 0.0000108 0.0000126 0.0000144 0.0000162 0.000018 0.0000198 0.0000216 Set Value 56151580. 52531887. 48912194. 45292500. 41672807. 38053114. 34433421. 30813727. 27194034. 23574341. 19954648. 16334955. 12715261. 9095568. 5475875. 1856182. -1763512. V1 L1 C1

Output Set: Case 27 Time 2.158E-5 Contour: Plate Top X Normal Stress

C7 E317 E318 E319 E322 E323 E334 56151580. 52531887. 48912194. P13 P15 P46 45292500. 41672807. 38053114. 34433421. 30813727. 27194034. 23574341. 19954648. 16334955. 12715261. 9095568. 5475875. 1856182. -1763512.

Gambar 4.8. Distribusi tegangan VonMisses arah sumbu x

Gambar 4.10 menunjukan tegangan normal σy arah sumbu y, tegangan normal

terjadi sebesar 19 MPa, dan grafik gambar 4.11. menunjukan grafik tegangan utama

σy vs waktu arah sumbu y retak yang sejajar arah impak juga disebabkan oleh

tegangan normal arah sumbu y, dimana pada lokasi impak tegangan normal arah sumbu x tidak menunjukan penyebab terjadinya keretakan.

X Y Z 19741538. 19061997. 18382456. 17702915. 17023374. 16343832. 15664291. 14984750. 14305209. 13625668. 12946127. 12266586. 11587045. 10907503. 10227962. 9548421. 8868880. V1 L1 C1

Output Set: Case 27 Time 2.158E-5 Contour: Plate Top Y Normal Stress

C7 C20 E302 E303 E317 E318 E319 E320 E321 E322 E323 E324 E325 19741538. 19061997. 18382456. E326 E327 E329 17702915. E330 E331 E332 E334 E335 P13 P15 P46 17023374. 16343832. 15664291. 14984750. 14305209. 13625668. 12946127. 12266586. 11587045. 10907503. 10227962. 9548421. 8868880.

Gambar 4.10. Distribusi tegangan VonMises arah sumbu y

1: Plate Top Y Normal Stress, Element 304

-3.0741E+7 -2.8179E+7 -2.5617E+7 -2.3055E+7 -2.0494E+7 -1.7932E+7 -1.5370E+7 -1.2809E+7 -1.0247E+7 -7.6851E+6 -5.1234E+6 -2.5617E+6 -3.7253E-9

0. 0.0000018 0.0000036 0.00000539 0.00000719 0.00000899 0.0000108 0.0000126 0.0000144 0.0000162 0.000018 0.0000198 0.0000216 Set Value

Bila diamati dari ketiga grafik tersebut, tegangan terbesar terjadi pada arah

σx karena gaya terpusat pada arah x disebabkan oleh tegangan tarik normal arah

saumbu x sehingga membentuk keretakan kearah sumbu y. Dilihat pada waktu dan elemen yang sama maka dapat diambil kesimpulan, bahwa spesimen mengalami kegagalan apabila melebihi batas maksimum tegangan yang diizinkan diujung retak

(pre crack) yang dikenai beban impak.

4.3. Ketangguhan Retak Dinamik

Ketangguhan retak dinamik sebagaimana dijelaskan pada artikel terdahulu [6], merupakan prilaku mekanik yang harus diketahui untuk diaplikasi pada konstruksi yang mengalami pembebanan secara tiba-tiba. Informasi harga ketangguhan retak dinamik dapat diperoleh dengan mengetahui terlebih dahulu tegangan yang terjadi di sekitar ujung retak (crack tipe).

Dengan mengasumsi perletakkan strain gauge terletak pada elemen 304 (gambar 4.6), akan menghasilkan kontur tegangan utama (VonMises) yang terjadi.

Dengan menggunakan persamaan 2.2 maka harga ketangguhan retak dinamik dapat ditentukan sebagai berikut;

r

K_ID σ μ

3 8 =

007 . 0 . 3 8 25 ,

49 π

=

m

Pada tabel 4.1. dapat dilihat, dengan menvariasikan beban yang diberikan maka akan menghasilkan tegangan, regangan dan faktor intensitas tegangan kritis yang bervariasi. Tegangan yang terjadi pada elemen 304 diambil dari nilai rata-rata tertinggi dari tegangan utama (VonMises). Dapat diambil kesimpulan makin besar

beban yang diberikan makin besar pula tegangan, regangan dan faktor intensitas tegangan kritis.

Tabel. 4.1. Harga faktor intensitas tegangan kritis pada daerah strain gauge Beban Tegangan

(σ)

Fungsi Waktu

Regangan Stress intensity critical factor

(KI)

No. (F) (ε)

N MPa μs

m

MPa

2,88 x 10-3

1,328 x 10-5

1. 1500 38 _9,2

3,4 x 10-3

1,328 x 10-5

2. 1800 45 _10,9

4 x 10-3

1,328 x 10-5

3. 2100 53 _12,8

4,6 x 10-3

1,328 x 10-5

4. 2400 61 _14,8

Nilai rata-rata 49,25 _{3.72 x 10}-3 _11,93

Harga faktor intensitas tegangan kritis dari data hasil simulasi di atas dapat diklarifikasi kembali dengan hasil yang diperoleh secara eksperimen yang telah dilakukan peneliti sebelumnya [6] yaitu sebesar 12 MPa m, dilihat dari hasil

simulasi (tabel 4.1) dengan mengambil nilai rata-rata faktor intensitas tegangan kritis dan tegangan yang terjadi, diperoleh sebesar 11,93 MPa m.

Karena untuk memperoleh nilai faktor intensitas tegangan kritis pada simulasi belum bisa dianlisa secara tepat karena adanya perbedaan asumsi yang diambil

dengan kondisi yang sebenarnya. Dan hasil ketangguhan retak dinamik dari uji simulasi ini, juga dapat dibandingkan dengan hasil uji statik, yaitu sebesar 10 MPa m.

Pada grafik regangan vs stress intensity critical faktor (K1) (gambar 4.12)

dijelaskan bahwa besarnya regangan menyebabkan faktor intensitas tegangan kritis menjadi besar, sehingga regangan mempengaruhi stress intensity critical faktor.

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0.00288 0.00341 0.00402 0.00462

Regangan

S

tre

s

s

I

nt

e

ns

it

y

Fa

c

tor

Regangan Stress Intensity Factor

Gambar 4.12. Grafik regangan vsstress intensity critical factor

Hasil simulasi elemen hingga menunjukkan distribusi tegangan sama dengan hasil eksperimen dimana distribusi tegangan yang terjadi pada eksperimen 50 MPa dengan faktor intensitas tegangan kritis 12 MPa m , pada simulasi 49,25 MPa

dengan harga faktor intensitas tegangan kritis 11,93 MPa m. Adanya perbedaan

besar tegangan adalah akibat konsentrasi tegangan yang terjadi pada ujung retak (pre

crack), dengan demikian cara simulasi juga memberikan tingkat akurasi yang tinggi.

Dari perbandingan di atas juga dapat dijelaskan bahwa ketangguhan retak dinamik akan memberikan respon yang berbeda dengan ketangguhan retak melalui ji statik, di mana harga ketangguhan retak statik lebih rendah dari ketangguhan retak dinamik.

BAB 5 KESIMPULAN

5.1. Kesimpulan

Dari hasil simulasi pelat GFRP dengan menggunakan perangkat lunak MSC/NASTRAN for windows dapat disimpulkan bahwa :

1. Dengan menggunakan simulasi elemen hingga dapat diketahui distribusi tegangan pada sebuah pelat dari bahan GFRP yang diberi beban impak sebesar 49,25 MPa sedangkan pada eksperimental 50 MPa.

2. Inisiasi keretakan terjadi akibat terkonsenterasinya tegangan tarik pada lokasi tertentu didalam pelat, dan bentuk retak ditentukan oleh geometri, arah, dan besarnya pembebanan.

3. Faktor intensitas tegangan kritis untuk Material komposit GFRP dengan menggunakan simulasi elemen hingga MSC/NASTRAN for Windows diperoleh sebesar 11,93 MPa m , pada eksperimental 12 MPa m.

4. Ketangguhan retak (fracture toughness) diperoleh bila harga intensitas

tegangan mencapai harga kritis.

5.2. Saran-saran

1. Kepada para perancang (disigner) yang menggunakan material komposit GPRF

perlu memperhatikan arah pembebanan likasi karena sangat mempengaruhi ketangguhan /kekuatan dan laju penjalaran retak.

2 . Dalam melakukan uji keretakan dengan menggunakan specimen pelat komposit GFRP, perlu pengamatan yang sangat cermat terutama dalam mencatat saat

terjadinya inisiasi retak pada specimen.

3. Dengan kompleksnya masalah aplikasi dilapangan, dimana beban yang bekerja dapat terjadi dalam berbagai arah, diharapkan kepada peneliti lanjut untuk melakukan pengujian pada beban campuran.

X Y Z F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156

300.600.600.300.

19741538. 19061997. 18382456. 17702915. 17023374. 16343832. 15664291. 14984750. 14305209. 13625668. 12946127. 12266586. 11587045. 10907503. 10227962. 9548421. 8868880. V1 L1 C1

Output Set: Case 27 Time 2.158E-5 Contour: Plate Top Y Normal Stress

Gambar 9. Distribusi tegangan arah y

Gambar 9. Distribusi tegangan arah y

X Y Z F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156400.800.800.400.

80618888. 75649778.

Gambar 10. Distribusi tegangan gaya 2400 KN

70680668. 65711557. 60742447. 55773337. 50804227. 45835117. 40866007. 35896896. 30927786. 25958676. 20989566. 16020456. 11051346. 6082235. 1113125. V1 L1 C1

Output Set: Case 27 Time 2.158E-5 Contour: Plate Top VonMises Stress

X Y Z F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156

400.800.800.400.

89842528. 84051019. 78259510. 72468000. 66676491. 60884982. 55093473. 49301964. 43510455. 37718945. 31927436. 26135927. 20344418. 14552909. 8761400. 2969890. -2821619. V1 L1 C1

Output Set: Case 27 Time 2.158E-5 Contour: Plate Top X Normal Stress

Gambar 11. Distribusi tegangan arah x

X Y Z _F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156 F156

400.800.800.400.

31586460. 30499194. 29411929. 28324663. 27237397. 26150131. 25062866. 23975600. 22888334. 21801068. 20713803. 19626537. 18539271. 17452005. 16364740. 15277474. 14190208. V1 L1 C1

Output Set: Case 27 Time 2.158E-5 Contour: Plate Top Y Normal Stress

Gambar 12. Distribusi tegangan arah y Lampiran 2

Grafik tegangan

1: Plate Top VonMises Stress, Element 304 0.0000E+0

2.9475E+6 5.8949E+6 8.8424E+6 1.1790E+7 1.4737E+7 1.7685E+7 2.0632E+7 2.3580E+7 2.6527E+7 2.9475E+7 3.2422E+7 3.5370E+7

0. 0.0000018 0.0000036 0.00000539 0.00000719 0.00000899 0.0000108 0.0000126 0.0000144 0.0000162 0.000018 0.0000198 0.0000216 Set Value

Gambar 13. Distribusi tegangan utama vs waktu

1: Plate Top X Normal Stress, Element 304 -5.0216E+6

-3.8563E+6 -2.6910E+6 -1.5257E+6 -3.6034E+5 8.0498E+5 1.9703E+6 3.1356E+6 4.3009E+6 5.4663E+6 6.6316E+6 7.7969E+6

0. 0.0000018 0.0000036 0.00000539 0.00000719 0.00000899 0.0000108 0.0000126 0.0000144 0.0000162 0.000018 0.0000198 0.0000216 Set Value

Gambar 14. Distribusi tegangan vs waktu

Gambar 15. Distribusi tegangan vs waktu

Gambar 16. Distribusi tegangan vs waktu

1: Plate Top X Normal Stress, Element 304

-5.0216E+6 -3.8563E+6 -2.6910E+6 -1.5257E+6 -3.6034E+5 8.0498E+5 1.9703E+6 3.1356E+6 4.3009E+6 5.4663E+6 6.6316E+6 7.7969E+6

0. 0.0000018 0.0000036 0.00000539 0.00000719 0.00000899 0.0000108 0.0000126 0.0000144 0.0000162 0.000018 0.0000198 0.0000216 Set Value

Gambar 17. Setup alat uji tarik

Lampiran 3

Spesimen dan set up alat

Gamabr 18. Spesimen uji impak

Gamabr 20. Spesimen uji tarik