Studi Eksperimental Dan Analisa Respon Mekanik Helmet Sepeda Dari Bahan Komposit Busa Polimer Diperkuat Serat Tkks Akibat Beban Impak Jatuh Bebas

STUDI EKSPERIMENTAL DAN ANALISA RESPON MEKANIK HELMET
SEPEDA DARI BAHAN KOMPOSIT BUSA POLIMER DIPERKUAT
SERAT TKKS AKIBAT BEBAN IMPAK JATUH BEBAS

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

SUKARDI
090401004

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan semesta alam. Tiada daya dan
kekuatan selain dari-Nya. Shalawat dan salam kepada Rasulullah Muhammad
SAW. Alhamdulillah, atas izin-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana
Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera
Utara. Adapun judul skripsi yang dipilih diambil dari mata kuliah Proses Produksi
Non-Logam, yaitu “STUDI EKSPERIMENTAL DAN ANALISA RESPON

MEKANIK HELMET SEPEDA DARI BAHAN KOMPOSIT BUSA
POLIMER DIPERKUAT SERAT TKKS AKIBAT BEBAN IMPAK JATUH
BEBAS”.
Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bantuan,
motivasi, pengetahuan, dan lain-lain dalam penyelesaian skripsi ini. Penulis telah
berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan
disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur, serta
bimbingan dan arahan dari Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME sebagai
Dosen Pembimbing.
Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada:
1.

Kedua orang tua tercinta, Ayahanda Hasan dan Ibunda Siti Aminah, adik-adik
tersayang (Sri Bani dan Hilmiyanti Maryanti) atas doa, kasih sayang,
pengorbanan, tanggung jawab

yang selalu menyertai penulis, dan

memberikan penulis semangat yang luar biasa sehingga penulis dapat

menyelesaikan skripsi ini.
2.

Bapak Prof.Dr.Ir.Bustami Syam, MSME sebagai Dosen Pembimbing Skripsi
yang banyak memberi arahan, bimbingan, motivasi, nasehat, dan pelajaran
yang sangat berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini.

3.

Bapak Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri dan Ir.Syahril Gultom, MT selaku
Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU.
Bapak Ir.Tugiman, MT selaku Koordinator Skripsi.

4.

Seluruh Staf Pengajar DTM FT USU yang telah memberikan bekal
pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi selesai, dan seluruh pegawai
administrasi DTM FT USU, juga kepada staf Fakultas Teknik.

i

Universitas Sumatera Utara

5.

Teman satu tim (Pradipta Sigit S) yang telah memberikan kesempatan kepada
penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini.

6.

Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin stambuk 2009, yang banyak
memberi motivasi kepada penulis dalam menyusun skripsi ini.

7.

Abang, adik-adik dan keluarga besar penulis yang banyak memberi dukungan
kepada penulis untuk menyelesaikan kuliah dan hingga tugas skripsi ini
selesai.
Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai

pengembangan ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila terdapat

kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang tidak tepat dalam skripsi ini
sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan
dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. Akhir
kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi
seluruh kalangan yang membacanya. Amin Ya Rabbal Alamin.

Medan, 20 Februari 2014
Penulis,

Sukardi
NIM : 090401004

ii
Universitas Sumatera Utara

Abstrak

Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan tegangan, regangan danenergi
impak yang mampu diserap oleh helmet sepeda dari bahan polimerik foam busa
komposit. 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 anvil. 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.Data akan disimpan pada PC sebagai gaya (N) dan waktu (t).Hasil uji
impak dengan cara eksperimental untuk helmet bahan polimerik foam busa
komposit diperkuat serat TKKS, uji impak pada sisi samping dengan ketinggian
impaktor 1 m diperoleh besar gaya rata-rata 275,33 N. Dan Sisi belakang 239,33
N. dan besar tegangan rata-rata yang terjadi pada sisi samping adalah 1,029Mpa.
Pada sisi belakang adalah 0,684Mpa. Tegangan yang terjadi ini menyebabkan
helmet sepeda pecah yang berarti telah mencapai dan melewati titik break point.

Kata Kunci: impak jatuh bebas, komposit PF, metode cetak tuang.

iii
Universitas Sumatera Utara

ABSTRACT

This research is for identified the stress, strain and energy impact than can be
absorbed by the polymeric foam bike helm. The free-fall impact test is tested by
using multifunction free-fall tester. The Helm is placed in the test rig which height
can be adjusted. To identify the impact time that occur in the test, tester is using 8
inductive proximity sensors. Helm will fall and crash the anvil. The force exerted
will be measured by the load cell that under the anvil. The analog signal data will
be transferred from the load cell to the data acquisition system to be converted as
the digital signal. The data will be stored in a PC as a table of Force (N) and time
(s). The experimental test result for the impact that occur on the oil palm empty
bunch fiber reinforced polymeric foam bike helm at the impact Test height of 1m
is 275,33N for the impact on the side and 239,33 N for the impact on the back.
The average stress that occur on the side is 1,029 MPa and on the back is 0,684
MPa. This stress that occur in helm is a factor that make the bike helm crush
which is mean it already reach or passed the ultimate point.

Keyword : Free-fall impact, PF composite, print casting methods.

iv

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ............................................................................................ i
ABSTRAK ............................................................................................................ iii
ABSTRACT .......................................................................................................... iv
DAFTAR ISI ...........................................................................................................v
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... vii
DAFTAR TABEL ................................................................................................ ix
DAFTAR NOTASI .................................................................................................x
BAB I

PENDAHULUAN ....................................................................................1
1.1. Latar Belakang ...................................................................................1
1.2. Rumusan Masalah ..............................................................................2
1.3. Tujuan Penelitian ...............................................................................3
1.3.1. Tujuan Umum ..........................................................................3
1.3.2. Tujuan Kusus ...........................................................................3
1.4. Batasan Masalah.................................................................................3
1.5. Manfaat Penelitian .............................................................................3

1.5.1. Pengembangan Akademis .......................................................3
1.5.2. Pengembangan Industri ............................................................4
1.6. Sistematika Penulisan ........................................................................4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA...........................................................................6
2.1. Alat Transportasi Sepeda ...................................................................6
2.1.1. Desain Helmet Sepeda .............................................................6
2.1.2. Standarisasi Helmet Sepeda .....................................................9
2.2. Komposit ............................................................................................9
2.2.1. Matrial Komposit Penyusun Struktur Helmet Sepeda ...........13
2.3. Peralatan ...........................................................................................26
2.4. Uji Impak Jatuh Bebas .....................................................................26
2.4.1. Gerak jatuh Bebas ..................................................................27
2.4.2. Gerak Lurus ............................................................................29
2.4.3. Momentum Dan Impuls .........................................................30
2.4.4. Gaya Dan Energi impak .........................................................31

v
Universitas Sumatera Utara

2.4.5. Tegangan .............................................................................32
2.4.6. Regangan ..............................................................................33
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ..........................................................34
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ..........................................................34
3.1.1. Waktu Penelitian ....................................................................34
3.1.2. Tempat Penelitian ..................................................................34
3.2. Variabel Penelitian ...........................................................................35
3.3. Prosedur Penelitian...........................................................................35
3.4. Metode Penelitian.............................................................................36
3.4.1. Persiapan TKKS .....................................................................36
3.4.2. Uji Komposisi ........................................................................40
3.4.2.1. Komposisi material komposit busa polimer yang
digunakan....................................................................41
3.4.3. Proses Pembuatan HelmetSepeda ..........................................44
3.5. Pengujian Impak Jatuh Benas ..........................................................48
3.5.1. Alat Uji Impak Jatuh Bebas ...................................................48
3.5.2. Prosedur Pengujian ................................................................49
3.6. Diagram Alir Penelitian ...................................................................51
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................53
4.1. Pendahuluan .....................................................................................53

4.2. Hasil Pengujian Impak Jatuh Bebas .................................................54
4.3. Hasil Penggujian Impak Jatuh Bebas Pada Titik Samping Dengan
Ketingian 1 meter..............................................................................55
4.4. Hasil Penggujian Impak Jatuh Bebas Pada Titik Belakang
Dengan Ketingian 1 meter ...............................................................60
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..............................................................64
5.1. Kesimpulan ......................................................................................64
5.2. Saran.................................................................................................65
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... xi
LAMPIRAN I ..................................................................................................... xiii
LAMPIRAN II ................................................................................................... xvii

vi
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Komponen Helmet Sepeda ..................................................................8
Gambar 2.2. Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit ...................10
Gambar 2.3. Klasifikasi bahan komposit ...............................................................11
Gambar 2.4. PolyesterResin BTN 157-EX ............................................................15
Gambar 2.5. Alat uji impak jatuh bebas .................................................................27
Gambar 2.6. Grafik hubungan v – t........................................................................28
Gambar 2.7. Diagram kecepatan – waktu ..............................................................29
Gambar 2.8. Hubungan Momentum dan Impuls ....................................................30
Gambar 3.1. Spesimen Uji Impak Jatuh Bebas ......................................................36
Gambar 3.2. TKKS Dalam Bentuk Utuh ...............................................................37
Gambar 3.3. TKKS yang Sudah Dihancurkan .......................................................37
Gambar 3.4. Pembuangan Air Rendaman ..............................................................37
Gambar 3.5. DirendamDenganLarutanNaoh 1m Selama 24 Jam ..........................38
Gambar 3.6. Pembersihan Serat Dengan Air Bersih ..............................................38
Gambar 3.7. Proses Penjemuran ............................................................................39
Gambar 3.8. pengguntungan Serat .........................................................................39
Gambar 3.9. Proses Pengilingan Serat ...................................................................40
Gambar 3.10. Serat Halus TKKS ...........................................................................40
Gambar 3.11. Perbandingan densitas .....................................................................42
Gambar 3.12. Perbandingan Modulus Elastisitas Antar Komposisi ......................42
Gambar 3.13. Perbandingan Kekuatan Tarik Antar Komposisi ............................43
Gambar 3.14. Perbandingan Kekuatan Tekan Antar Komposisi ...........................43
Gambar 3.15. Melapisi cetakan dengan aluminumfoil dan diberi mirrorglaze..... 44
Gambar 3.16. Bahan/Komposisi Yang Telah Ditimbang ......................................44
Gambar 3.17. Pencampuran TKKS dan Cuka di aduk 5 menit ............................45
Gambar 3.18. Proses pencampuran resin dengan natrium bikarbonat ...................45
Gambar 3.19. Pemberian Katalis ...........................................................................46
Gambar 3.20. Pemberian panas dengan dryer........................................................46
Gambar 3.21. Pencampuran serat yang telah menyerap cuka ................................47
Gambar 3.22. (a) Penuangan Campuran Ke Cetakan, (b) Pemberian

vii
Universitas Sumatera Utara

MoldCetakan, (c) Pemberian Mold Penekan Pada Cetakan ............47
Gambar 3.23. Helmetsepeda Telah Jadi .................................................................48
Gambar 3.24. Perangkat Alat Uji Impak Jatuh Bebas ...........................................48
Gambar 3.25. Pemasangan loadcell dan anvilsupport ...........................................49
Gambar 3.26. Posisi testrig pada alat uji ...............................................................50
Gambar 3.27. Posisi jarak ketinggian dan sensor proximity ..................................50
Gambar 3.28. Diagram alir penelitian ....................................................................52
Gambar 4.1. Posisi anvil, helmetsepeda dan testrig ..............................................53
Gambar 4.2. (a) Sisi Samping, (b) Sisi Belakang ..................................................54
Gambar 4.3. Grafik hasil pengujian impak pada titik samping ketinggian 1 m
spesimen uji 1 ...................................................................................56
Gambar 4.4. Grafik hasil pengujian impak pada titik samping ketinggian 1 m
spesimen uji 2 ...................................................................................57
Gambar 4.5. Grafik hasil pengujian impak pada titik samping ketinggian 1 m
spesimen uji 3 ...................................................................................58
Gambar 4.6. Grafik gabungan gaya vs waktuimpak ketinggian 1 meter ...............58
Gambar 4.7. Grafik hasil pengujian impak pada titik belakang ketinggian 1 m
spesimen uji 1 ...................................................................................60
Gambar 4.8. Grafik hasil pengujian impak pada titik belakang ketinggian 1 m
spesimen uji 2 ...................................................................................61
Gambar 4.9. Grafik hasil pengujian impak pada titik belakang ketinggian 1 m
spesimen uji 3 ...................................................................................61
Gambar 4.10. Grafik gabungan gaya vs waktu impak ketinggian 1 meter ............62

viii
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Sifat Fisik dan Morfologi Tandan Kosong Kelapa Sawit .....................14
Tabel 2.2. Komposisi dan Sifat Kimia Tandan Kosong Kelapa Sawit ..................14
Tabel 2.3. Karakteristik mekanik polyeter resin BTN 157-EX .............................16
Tabel 2.4. Informasi Umum Senyawa Asam Asetat ..............................................17
Tabel 2.5. Informasi Umum Natrium Bikarbonat ..................................................21
Tabel 2.6. Peralatan yang digunakan pada penelitian ............................................26
Tabel 2.7. Waktu dan kecepatan benda jatuh .........................................................28
Tabel 3.1. Lokasi dan aktivitas penelitian ..............................................................34
Tabel 3.2. Uji Komposisi bahan.............................................................................41
Tabel 3.3. Komposisi spesimen .............................................................................42
Tabel 4.1. Hasil pengujian titik samping helmet sepeda dengan impak
jatuh bebas pada ketinggian 1 m...........................................................59
Tabel 4.2. Hasil pengujian titik belakang helmet sepeda dengan impak
jatuh bebas pada ketinggian 1 m........................................................63

ix
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR NOTASI

Simbol

Keterangan

Satuan

σ

Tegangan

MPa

Ao

Luas penampang

mm2

F

Gaya

Newton

ε

Regangan

MPa

P

Beban

kgf

D

Diameter

mm

d

Diameter lekukan

mm

ρ

Densitas

g/cm3

σf

Tegangan patah

MPa

T

Tebal

mm

W

Lebar

mm

E

Modulus Young

GPa

Ei

Energi Impak

MPa

x
Universitas Sumatera Utara