STUDI KARAKTERISTIK PENGUKURAN TEGANGAN DAN RESPON HELMET INDUSTRI

PKMI-2-14-1

STUDI KARAKTERISTIK PENGUKURAN TEGANGAN DAN
RESPON HELMET INDUSTRI
Jon Heri, Eko Hardiansyah, Chandra.A Siregar, Muhammad Daud
Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara, Medan
ABSTRAK
Pengujian ketahanan helmet terhadap beban impak telah banyak dilakukan dan
terus berkembang, dengan menjatuhkan impaktor dari suatu ketinggian tertentu
(2 sampai dengan 3 m) menggunakan test rig jatuh bebas. Teknik standard ini
dipandang tidak efektif bila diaplikasikan pada helmet yang dipakai untuk
lapangan kerja konstruksi bangunan bertingkat, yang diperkirakan sebuah benda
dapat jatuh dari suatu ketinggian yang melebihi 3 meter. Paper ini
memperkenalkan suatu metode pengukuran respon helmet yang dikenai beban
impak kecepatan tinggi. Teknik pengukuran itu disebut dengan teknik dua gage,
yaitu menggunakan teori propagasi tegangan dalam batang suatu dimensi. Untuk
mendapatkan beban impak kecepatan tinggi impaktor ditempatkan dalam sebuah
barel dan ditembakkan ke lokasi impak helmet yang akan diuji, menggunakan alat
uji Kompresor Impak (KOMPAK). Dari hasil penelitian diperoleh bahwa set-up
teknik dua gage relatif mudah digunakan. Helmet yang diuji memberikan respon
beban dan waktu impak (tegangan insiden) sesuai dengan karakteristik

pembebanan.
Kata kunci : helmet industri, impak kecepatan tinggi, teknik dua gage
PENDAHULUAN
Selama ini helmet diuji menggunakan prosedur pengujian standard
menggunakan test rig dengan teknik jatuh bebas. Pengujian standard ini bertujuan
untuk melihat sejauh mana kemampuan helmet dalam menyerap energi impak.
Selain itu uji standard juga bertujuan meneliti keparahan rusak helmet yang
memungkinkan merusak lapisan kulit kepala lewat penetrasi. Teknik ini telah
banyak digunakan oleh berbagai pusat pengujian helmet, misalnya Sirim Berhad,
Malaysia dan B4T Deperindag, Bandung Indonesia, dan juga Pusat Riset Impak
dan Keretakan, Jurusan Teknik Mesin USU.
Memakai uji standard yang ada, baik memakai standard Jepang (JIS)
maupun Standard Nasional Indonesia (SNI) striker hanya dijatuhkan dari
ketinggian H=2 sampai dengan 3 meter. Dengan demikian kecepatan striker

PKMI-2-14-2

hanya lebih kurang, v = 2gH =6.3 m/detik. Kecepatan striker sebesar ini masih
tergolong kecepatan impak rendah. Padahal kenyataan di lapangan besar
kemungkinan suatu benda jatuh dari suatu ketinggian yang lebih tinggi.

Katakanlah sebuah benda jatuh bebas dari suatu gedung berlantai 10 (H=40m)
yang sedang dibangun dan menimpa pekerja yang menggunakan helmet standard.
Pertanyaannya apakah helmet tersebut akan tahan menerima benda jatuh dari
ketinggian tersebut?. Menggunakan rumus yang sama kita dapat memperkirakan
kecepatan jatuh benda tadi yaitu v=28.2 m/detik, kecepatan sebesar ini sudah
tergolong kecepatan impak tinggi. Dengan demikian menggunakan prosedur
standard yang sudah umum dipakai akan tidak mampu memberi keamanan kepada
sipekerja. Dalam hal ini helmet untuk pekerja konstruksi atau industri seperti itu

seyogianya dibuat dari bahan dan desain yang khusus sehingga akan mampu
menahan beban impak kecepatan tinggi.
Dengan dilandasi pada latar belakang di atas peneliti telah
mengembangkan suatu teknik pengukuran respon helmet menggunakan sebuah
cara baru yang cocok untuk helmet tahan terhadap impak tinggi, yaitu teknik
pengukuran menggunakan set-up pengujian terbaru dari alat uji impak,
Kompresor Impak (KOMPAK) [1,2]. Pada gilirannya, teknik ini dapat digunakan
untuk mengukur kekuatan helmet industri akibat beban impak.
BAHAN DAN METODE
Bahan
Dalam penelitian ini spesimen helmet yang akan diuji adalah helmet

yang non-standard di peroleh dari toko-toko penjualan helmet industri tersebut.
Helmet industri jenis ini (Gambar 1), ternyata masih banyak digunakan
pada beberapa industri di Sumatera Utara, terutama pekerja konstruksi bangunan.
Peneliti mengasumsikan bahwa helmet jenis ini belum memenuhi kategori
standard. Alasannya karena tidak terdapat label dan sticker uji standard yang
ditempel pada helmet.
Untuk pengujian diperkirakan akan menggunakan sebanyak 10 buah
helmet, yang terdiri dari: (1) uji helmet non-standard dengan pengimpakan atas,
(2) hal yang serupa dilakukan dengan variasi jarak pemasangan biaxial strain
gage 15 mm dari titik pengimpakan.

(a)

(b)

(c)

(d)

(a) tampak depan, (b) tampak samping, (c) tampak belakang, dan (d) tampak atas

Gambar 1. Helmet industri non–standard.
Metoda
Set-up peralatan uji
Untuk mendapatkan respon helmet yang dikenai beban impak kecepatan
tinggi dilakukan dengan menggunakan KOMPAK. Beban impak (tegangan
insiden) yang dimaksudkan dalam makalah ini adalah tegangan yang masuk ke
permukaan impak, yaitu bagian atas tempurung helmet. Tegangan insiden pada
lokasi impak tersebut tidak dapat diukur secara langsung; karena itu dalam
penelitian ini tegangan insiden diukur dengan menggunakan set-up KOMPAK
dengan teknik dua gage.
Konstruksi peralatan uji impak secara skematik ditunjukkan pada
Gambar 2. KOMPAK telah dimodifikasi sehingga dapat digunakan secara khusus
untuk pengujian helmet. Helmet industri yang akan diuji (8) ditempatkan
bersentuhan dengan salah satu ujung batang penerus ujung tumpul dengan
panjang 1,5 m (7). Beban impak diperoleh dengan menumbukkan batang impak

(panjang 0,5m) (6) ke batang penerus. Variasi kecepatan batang impak diperoleh
dengan mengatur tekanan udara lepas dan jarak impak, yaitu jarak tumbukan
batang impak dan batang penerus [3].

Pengukuran beban impak yang dibangkitkan pada lokasi impak dan
ditransmisikan ke helmet dilakukan dengan menggunakan teknik strain gage yang
dipasangkan di dua lokasi titik ukur pada batang penerus, yaitu pada a dan b.
Gelombang tegangan yang ditangkap oleh strain gage pada lokasi a dan b
tersebut [4], selanjutnya dengan bantuan bridge box (Kyowa), perubahan tahanan
gage ΔR/R diubah menjadi voltase output Vo pada transient converter, melalui
signal conditioner. Data digital yang direkam transient converter selanjutnya
dikirim ke komputer dengan memakai interface. Channel 1 atau 2 yang terdapat
pada transient converter digunakan untuk mendeteksi gelombang tegangan yang
melewati strain gage (pada lokasi a dan b). Tegangan insiden yang dihasilkan di
atas itulah yang dimaksud dengan respon helmet.

2
3000 mm
4

3

5

4000 mm
6

7

8

9
13

10

1

12

14

11

0001V

1
2
3
4
5
6
7

Kompresor
Tangki Udara
Pressure Regulator
Katup Solenoid
Pipa Barel
Striker
Input bar

8
9

10
11
12
13
14

0001V

Spesimen Helmet dan test rig
Strain Gage
Bridge Head
Signal Conditioner
Transient Converter
Personal Computer
Interface

Gambar 2. Set-up Alat Uji KOMPAK
1500
500
Striker

Spesimen helmet

1300
1100
Input Bar

gage a gage b
Gambar 3. Set-up batang dan helmet

Detail

8

Tabel I. Sifat Mekanik Batang ujung tumpul
Batang impak (Striker)
Batang penerus (input bar)

Material
Al-6061

Al-6061

E (GPa)
68
68

3

ρ (kg/m )
2713
2713

Co (m/s)
5006
5006

Y

biaxial gage
Striker

1500 mm
Input Bar

X
b

500 mm

biaxial gage
Titik Impak

Gambar 4. Set-up pengukuran helmet secara langsung dengan biaxial, (b= 15 mm)
Metoda pengukuran tegangan
Pada Gambar 3 ditunjukkan secara detail susunan batang helmet yang
akan diuji. Perhitungan tegangan insiden tekan pada lokasi impak dari helmet
didasarkan pada teori penjalaran gelombang elastik [5,6]. Berikut ini diberikan
rumus menghitung besarnya gelombang tegangan pada lokasi b:
σb(t) = σR(t) + σL(t)

(1)

dimana σR(t) dan σL(t) adalah tegangan yang berpropagasi ke kiri dan ujung
kanan batang penerus. Ambil t1 = l/Co, di mana l jarak antara gage a dan b, juga c
dan Co adalah kecepatan rambat gelombang elastik dalam batang. Tegangan pada
lokasi a dan c dapat dihubungkan sbb:
dan

σa(t) = σR(t + t1) + σL(t-t1)

(2)

σc(t) = σR(t - t1) + σL(t+t1)

(3)

Jika persamaan (3) disederhanakan dalam σa dan σb, tegangan insiden yang
ditransmisikan ke dalam helmet, pada lokasi c, dapat dihitung, sebagai berikut:
σc(t) = σb(t + t1) + σb(t - t1) - σa (t)

(4)

Di sini, t adalah waktu dan t1 = jarak dari a ke b/c0, dimana c0 adalah kecepatan
rambat gelombang dalam batang yang dihitung dengan rumus C = E . Di sini E ,
0

ρ

Modulus elastisitas dan ρ, masa jenis batang penerus (input bar).
Pengujian dilakukan dengan berbagai variasi beban impak yang diatur
dengan cara merubah jarak impak. Dalam pengujian ini tekanan tangki udara
diatur pada 0,4 MPa, dengan variasi jarak pengimpakan, (Impact distance).

HASIL PENELITIAN

P : 0,4 MPa
Striker

Input Bar

Impact distance: 100mm
Stress vs Time
60

Incide nt Stre ss

48.35
41.33

20

30

15.48

15

Stre ss (M
Pa)

Stress (M
Pa)

10
0
0

400

800

1200

5
0
-5

0

6.82

200

400

600

-10

-30

-15
-20
-60

Time (μ s)
Tim e (μ s)

Gambar 5. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 100mm)
P : 0,4 MPa
Striker

Input Bar

Impact distance: 150mm
Stress vs Time

Incident Stress
20
80
60

50.77

Stre ss (M
Pa)

20
0
0

400

800

1200

Stress (MPa)

10

40

-20

16.61

15

60.12

5
0
-5

0

200

400

600

-10

-40

-15

-60

-20

-80
Time (μ s)

Time (μ s)

Gambar 6. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 150mm)

800

P : 0,4 MPa
Striker

Input Bar

Impact Distance: 200 mm
Stress vs Time

Incident Stress
20
80

69.17

60

10

Stress (MPa)

40
Stre ss (M
Pa)

20
0

-20

13.72

15

62.54

0

0

800

12 00

5
0
-5

0

200

400

600

800

-10

-40

-15

-60

-20

-80

Time (μs)

Time (μ s)

Gambar 7. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 200mm)

2

Y

1,55

1,5
1
0,5
3000

4000

5000

6000

7000

8000

CH1 (arahX) CH2
(arah-Y)

-1

X

15 mm

T e ga ngan
(MP a )

0
2000
,5
-1,5
-2

Biaxial Gage

-2,5

Titik Impak

-2,58

-3

Waktu (μs)

3

2

-2,58

1,55
T e g a n g a n (M P
a)

2

T e g a n g a n (M
Pa )

1

1

0

0

2000

2000

3000

4000

5000

-1

6000

7000

8000

3000

4000

5000

6000

2996
-1

Waktu ( μ s)

Waktu ( μ s)

Gambar 8. Respon helmet pada P=0,4 MPa; ID= 100mm

7000

8000

Tabel II. Variasi tegangan insiden yang masuk ke helmet
Kondisi beban
0,4 MPa; 100mm
0,4 MPa; 150mm
0,4 MPa; 200mm

Tabel III.

Tegangan Impak
(MPa)
48,35
60,12
69,17

Tegangan Insiden
(MPa)
16,48
16,61
13,72

Variasi tegangan dan waktu yang masuk ke helmet dengan metode
pengukuran langsung

Kondisi beban
0,4 MPa; 70mm
0,4 MPa; 80mm
0,4 MPa; 90mm
0,4 MPa; 100mm
0,4 MPa; 110mm

Tegangan (MPa)
Arah -X
Arah -Y
-1,91
1,09
-2,31
1,21
-2,38
1,35
-2,58
1,55
-2,77
1,63

Waktu (μs)
Arah -X
Arah –Y
3299
3009
3568
3267
3631
3270
3906
3329
3989
3594

PEMBAHASAN
Pengukuran Respon Helmet Secara Tidak Langsung
Dalam penelitian ini pengukuran kekuatan impak helmet dilakukan pada
arah impak atasa saja. Set-up uji ditunjukkan pada Gambar 3 untuk mengetahui
respon helmet terhadap beban impak. Respon tersebut dapat diartikan sebagai
resistensi helmet dalam mendukung gelombang tegangan impak yang masuk ke
lokasi impak melewati ujung batang penerus. Respon helmet diperkirakan berbeda
tergantung lokasi impak dan intensitas beban dan juga geometri ujung batang
penerus yang bersentuhan langsung dengan permukaan helmet.
Menggunakan set-up seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan metoda
yang dijelaskan di atas sebanyak 10 buah helmet industri merek X juga dikenakan
berbagai variasi beban impak.
Konfigurasi tegangan insiden akibat ujung tumpul ditunjukkan pada
Gambar 5 sampai dengan Gambar 7, dimana gelombang tersebut memberikan
beberapa informasi penting, yaitu: Waktu impak untuk jarak 100 mm, (ti)=498 μs,
jarak 150 mm, (ti)=462 μs, dan jarak 200 mm, (ti) berkisar antara 300 - 400 μs,;
waktu impak ini tergantung pada ukuran batang impak yang digunakan. Dalam
penelitian ini digunakan batang impak yang panjangnya 500 mm. Tegangan yang
masuk pada helmet dengan tekanan konstan 0,4 MPa dan variasi jarak impak 100,
150, dan 200 mm ditunjukkan pada Tabel II.
Pengukuran Respon Helmet Secara Langsung
Pengukuran respon helmet secara langsung dilakukan adalah untuk
melihat respon helmet pada lokasi tertentu diluar daerah impak. Pada Gambar 3
ditunjukkan set-up pemasangan biaxial gage pada jarak 15 mm dari titik
pengimpakan sebelah atas. Pemasangan pada jarak 15 mm ini bertujuan untuk
mendeteksi tegangan sedekat mungkin dengan beban impak.
Pengujian helmet dengan menggunakan biaxial gage (arah-X dan Y)
yang terpasang 15 mm dari titik impak, dipergunakan tekanan yang diset konstan

PKMI-2-14-8

sebesar 0,4 MPa dan melakukan pengujian impak dengan jarak dari 70 mm
sampai dengan 110 mm pada bagian atas spesimen, seperti yang terlihat pada
Gambar 4 yang merupakan kronologi pengujian spesimen helmet yang memakai
strain gage biaxial. Dari pengujian ini diperoleh karakteristik propagasi tegangan
yang berbentuk impulse. Bentuk karakteristik propagasi tegangan yang dihasilkan
pada permukaan helmet ditunjukan pada Gambar 8.
Dari keterangan di atas, bahwa rambatan gelombang yang besar terjadi pada
spesimen adalah rambatan gelombang yang menuju arah-X dimana waktu yang
diperlukan untuk perambatan membentuk suatu gelombang impulse dengan
pembacaan strain gage arah-X yang berjarak 15 mm dari titik pengimpakan
dengan tekanan 0,4 Mpa dan variasi jarak impak dari 70 mm sampai dengan 110
mm terlihat pada Tabel III.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa Metoda dua gage dan setupnya mudah untuk digunakan; untuk mendapatkan tegangan insiden tidak
disyaratkan diketahui sifat mekanik helmet yang akan diuji. Dimana bentuk dan
intensitas tegangan impak yang timbul tergantung pada laju pembebanan batang
impak, dan dapat pula disimpulkan bahwa karakteristik tegangan dengan
pengukuran langsung pada helmet dengan menggunakan biaxial gage
menunjukkan adanya perbedaan respon yang diterima oleh helmet pada lokasi
tertentu (15 mm dari titik impak), hal ini bergantung kepada besarnya beban
impak yang diberikan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Syam B, etal., “Pembuatan Alat Uji Air Gun Compressor dan Penyelidikan
Perilaku mekanik Beberapa Material Keramik Akibat Beban Impak”,
Laporan Komprehensif Penelitian Hibah Bersaing VI/1 dan VI/2,
Medan, 1999.
[2] Syam B., “A Measuring Method for Impact Tensile Strength and Impact
Fracture Behaviors of Brittle Material”, A Doctoral Dissertation,
Muroran Institute of Tecnology, Muroran, Japan, March 1996, pp.
29-98
[3] Mahadi, B, etal., “Aplikasi Teknik Dua Gage dalam Obserpasi Respon Helmet
Industri yang Dikenai Beban Impak”, Buletin Utama Teknik, Vol.8
No.1, Januari 2004, pp. 29-35.
[4] Sabri, M., “Perilaku Strain Gage sebagai Sensor pada Pengukuran Regangan”,
Jurnal Teknik SIMETRIKA Vol.2 No.2, Agustus 2003, pp.6-13
[5] Yanagihara, N., “Theory of One-Dimensial Elastic Wave for the Measurement
of the Impact Force”, Buletin of JSME, Vol.43, 1977, pp.40-48
[6] Johnson, W., “Impact Strength of Material”, Edward Arnold, London, 1972.

PKMI-2-14-8