ANALISA STRUKTUR HELMET SEPEDA BAHAN POL
ANALISA STRUKTUR HELMET SEPEDA BAHAN POLYMERIC
FOAM DIPERKUAT SERAT TKKS
Mahyunis1], Bustami Syam 2], Indra3]
1]
Mahasiswa Magister Teknik Mesin USU
2]
Dosen Magister Teknik Mesin USU
3]
Dosen Magister Teknik Mesin USU
1. Pendahuluan
Helmet sepeda adalah helmet yang
dipakai saat mengendarai sepeda. Helmet ini
dirancang untuk mengurangi dampak pada
tulang
kepala
(tengkorak)
seorang
pengendara sepeda ketika jatuh dan tertimpa
benda keras. Helmet sepeda di desain
berbeda dari helmet sepeda motor karena
kecepatan sepeda hanya 15 km/jam [1].
Kecelakaan yang terjadi pada
pengendara sepeda
diperlihatkan pada
gambar 1.1a untuk kondisi jatuh dan 1.1b
kerusakan pada helmet sepeda. Secara
visual, kerusakan helmet sepeda akibat
benturan dapat dilihat namun bagaimana
mekanisme terjadinya kerusakan dan besar
beban impak yang terjadi tidak dapat dilihat.
(a)
(b)
Gambar 1. Kondisi helmet sepeda yang
mengalami benturan
Hal inilah yang membuat peneliti
tertarik untuk melakukan penelitian sebagai
solusi yang dapat menjelaskan mekanisme
terjadinya kerusakan helmet sepeda dan
mengetahui besar beban impak yang terjadi,
serta distribusi tegangan dan regangan pada
helmet sepeda dengan melakukan simulasi
software ANSYS 12.
Standart Nasional Indonesia (SNI)
untuk helmet sepeda saat ini belum ada,
sehingga penulis
mengacu kepada
standarisasi Eropa yaitu British Standard BS
EN 1078:1997, (entitled Helmets for pedal
cyclists and for users of skateboards and
roller skates) [2].
Dalam memilih helmet sepeda,
konsumen hanya memperhatikan model,
tren dan harga helmet sepeda yang murah,
hal tersebut belum tentu memenuhi syarat
keselamatan, artinya tidak menjamin
keselamatan tulang kepala (tengkorak)
pengendara sepeda aman dari benturan pada
saat mengendarai sepeda. Selain itu juga
bahan (material) helmet sepada juga
memiliki arti penting yaitu mampu menahan
benturan secara dinamik atau secara statis.
Bahan untuk membuat helmet sepeda
terbuat dari bahan plastic, rubber,
fiberglass, polycarebonat dan lain-lain [3].
Inovasi pengembangan Bahan untuk helmet
sepeda masih terbatas, maka pada penelitian
ini digunakan bahan komposit polymeric
foam yang diperkuat serat Tandan Kosong
Kelapa Sawit (TKKS). Mengingat kebijakan
global
yang
terus
menggalakkan
penggunaan bahan-bahan alami dalam
industri manufaktur.
TKKS merupakan limbah dari
pengolahan kelapa sawit yang selama ini
hanya
dibuang
begitu
saja
atau
dimanfaatkan sebagai pupuk alam atau
dibakar untuk menghasilkan abu gosok.
Pemanfaatan limbah TKKS ini menjadi
produk yang berdaya guna sudah dilakukan
dewasa ini, diantaranya marka kerucut lalu
lintas, bumper parking, bola golf, pipa dan
papan partikel [4].
Benturan yang terjadi pada kepala
dapat menimbulkan cedera pada jaringan
kulit, tulang maupun struktur dikepala dan
otak. Otak merupakan bagian yang paling
vital dari tubuh manusia [5]. Resiko
benturan akibat kecelakaan tersebut diatas
dapat diminimalisir dengan penggunaan
helmet. Beberapa standard dan aturan
hukum telah mewajibkan semua pengendara
kenderaan menggunakan helmet sebagai
alat pelindung diri (APD).
Pada umumnya beban impak yang
dialami pada helmet sepeda terjadi pada sisi
depan, samping, belakang dan pada sisi atas.
Tegangan dan regangan yang diterima
helmet sepeda akan berbeda-beda pada
masing-masing sisi helmet [5]. Untuk
mengetahui besarnya tegangan dan regangan
tersebut perlu dilakukan pengujian impak
jatuh bebas dengan simulasi dan verikasi
simulasi dilakukan dengan eksperimental.
Untuk menjawab permasalahan
tersebut di atas maka perlu dilakukan
simulasi yang dapat memberikan gambaran
terhadap kenyataan di lapangan. Dalam
penelitian ini akan digunakan Software
AutoCAD dan ANSYS Workbench 12,
dengan pendekatan Metode Elemen Hingga
(MEH). Software ANSYS Workbench 12
adalah perangkat lunak untuk menganalisa
tegangan dan regangan dari struktur dan
komponen mekanika. Untuk membuat
modelanya digunakan software AutoCAD
dengan pemodelan yang mendekati bentuk
helmet sepeda sebenarnya. Sehingga
dengan simulasi tersebut dapat diamati
tegangan dan regangan pada seluruh
permukaan helmet sepeda.
Tujuan umum penelitian ini untuk
dapat menganalisa struktur helmet sepeda
bahan polymeric foam diperkuat serat
TKKS.
Tujuan khusus penelitian ini adalah:
(1). Untuk mendapatkan gaya impak helmet
sepeda bahan polymeric foam diperkuat
serat TKKS akibat beban tekan dinamik. (2).
Untuk mendapatkan distribusi tegangan dan
regangan helmet sepeda bahan polymeric
foam diperkuat serat TKKS dengan simulasi
ANSYS
12. (3). Untuk mendapatkan
karakteristik helmet sepeda akibat beban
impak jatuh bebas.
Hasil penelitian ini merupakan suatu
upaya kontribusi pada institusi, khususnya
lembaga penelitian dalam memberikan
informasi
hasil
penelitian
dibidang
manufaktur tentang desain konstruksi,
proses pembuatan helmet sepeda dari bahan
polymeric foam diperkuat serat TKKS
dengan metode tuang, cetak tiup dan hand
lay up. Di samping itu, manfaat dari
penelitian ini adalah: (1). Memberi
informasi kepada konsumen dalam hal
mencegah cedera kepala akibat kecelakaan
pada saat bersepeda, sehingga pada saat
jatuh kepala pengendara terhindar dari
benturan. Dalam hal ini memberitahukan
agar pengendara sepeda berkewajiban
menggunakan alat pelindung diri (APD).
(2). Dengan mengetahui analisa struktur
helmet sepeda bahan polymeric foam
diperkuat serat TKKS maka karakteristik
mekanik helmet tersebut dapat diketahui
sehingga dapat dijadikan pemikiran dasar k
penelitian selanjutnya.
2. Studi Literatur.
Menurut
Khurmi
R.S. [ 8 ] ,
untuk menentukan kecepatan benda
jatuh setiap detik akan diperoleh
harga pendekatan seperti terlihat
pada tabel 1.
Dari data tabel 1
dapat
digambarkan sebuah grafik hubungan
antara kecepatan dan waktu yang juga
merupakan sebuah persamaan garis
lurus seperti pada gambar 2. Jadi
percepatan seragam dapat diperoleh
dengan persamaan (2.1).
Tabel 1. Waktu dan kecepatan benda
jatuh
Waktu
t
(s)
Kecea
ptan
v
(m/s)
0 1
2
3
4
5
0 9,
8
19
,6
29
,4
39
,2
4
9
Percepatan
seragam
yang
dimiliki partikel yang bergerak dengan
kecepatan konstan pada lintasan lurus
atau dimiliki partikel yang melintasi
perpindahan yang sama dalam selang
waktu yang sama berturut-turut
walaupun kecilnya perubahan waktu.
Satuan perpindahan dapat diukur
dengan meter (m), dan kecepatan
dapat diukur dalam meter per detik
(m/s), sedangkan percepatan diukur
dalam meter per detik kuadrat (m/s2).
Persamaan gerak lurus percepatan
seragam
dapat
dijelaskan
pada
gambar 3.
s=v .t
v=
(2.2 )
v−v o 49−0
m
=
=9,8
t
5
s
( )
(2.1) (2.1)
Grafik v - t
KEcepatan v (m/s)
60
50
40
30
Pers. Garis Lurus
20
10
Gambar 3. Diagram kecepatan –
waktu
0
0 1 2 3 4 5 6
Waktu t (s)
Gambar 2. Grafik hubungan v – t
Jika hambatan udara diabaikan
maka gerak benda jatuh bebas
tersebut
dapat
dihitung
dengan
percepatan seragam melintas melalui
sebuah
garis
lurus,
sehingga
percepatan diganti dengan percepatan
gravitasi g. Untuk gerakan ke bawah
nilai percepatan a identik dengan nilai
positif dari gravitasi (+ g; yang berarti
percepatan), dan untuk gerakan ke
atas nilai percepatan a identik dengan
nilai positif dari gravitasi (-g; yang
berarti perlambatan).
Perpindahan
digambarkan
dengan
luas daerah dibawah grafik kecepatan
– waktu.
Δv
Δv
=a ; v=v o+
; v =v o + at
Δt
Δt
Dengan mensubstitusikan (vo+
at) kedalam persamaan s = ½ (vo +
v) . t,
maka diperoleh jarak
perpindahan sebesar
s = (v o.t +
½.at2 ). Dengan mensubstitusi waktu
t=
v−v o
a
kedalam persamaan s =
½(vo + v) . t,
kecepatan v2 = vo
2
diperoleh rumus
+ 2as. Jika vo =
0, maka
v2 =
persamaan menjadi:
(2.3) (2.3)
2.as,
sehingga
v =√2 as
Untuk kasus jatuh bebas maka a = g
dan s = h, sehingga besarnya
kecepatan
diperoleh
dengan
persamaan (2.3).
(2.4)
v =√ 2 g . h
(2.4)
dimana:
v = kecepatan benda jatuh bebas,
(m/s).
g = gaya grafitasi, (m/s 2).
h = ketinggian jatuh
benda, ( m).
Sebuah benda bergerak dikatakan
mempunyai
momentum
yang
dinyatakan dengan hasil kali massa
dengan kecepatan benda tersebut. Hal
ini
dapat
dinyatakan
dengan
persamaan (2.5).
M =m . v
(2.5) (2.5)
dimana:
M = momentum, (kg.m/s).
m = massa, (kg).
v = kecepatan, (m/s).
Impuls sebuah gaya konstan
adalah hasil kali gaya dengan selang
waktu yang diperlukan, ini dapat
dinyatakan dalam persamaan (2.6).
I =F . t
(2.6)
Gaya impak dapat diperoleh
dengan
mensubstitusi
persamaan
(2.5)
dengan
persamaan
(2.6),
sehingga besar nilai gaya dapat
dinyatakan dengan persamaan (2.7).
F=
m. v
t
(2.7)
Energi didefinisikan sebagai
kemampuan
untuk
melakukan
usaha/kerja. Hukum kekekalan energi
menjelaskan bahwa energi tidak dapat
diciptakan dan dimusnahkan. Salah
satu bentuk energi mekanik adalah
energi kinetik dan energi potensial.
Energi kinetik (Ek) adalah energi yang
dimiliki
oleh
benda
berdasarkan
gerakan benda. Nilai energi kinetik
dapat dihitung dari pergerakan awal
benda dari kecepatan awal (v o) ke
kecepatan perubahan benda (v 1), yang
ditentukan dengan persamaan (2.8).
1
Ek = m. v 2
2
(2.8)
dimana:
Ek = energi kinetik (joule).
m = massa benda (kg).
v = kecepatan benda (m/s).
Energi potensial (Ep) adalah
energi yang dimiliki oleh benda
berdasarkan kedudukan (ketinggian).
besarnya energi potensial dapat
dihitung dengan persamaan (2.9).
E p=m. g . H
(2.9)
dimana:
Ep = energi potensial (joule).
m = massa benda (kg).
g = gaya gravitasi benda
(m/s2).
H
=
kedudukan/ketinggian
benda (m).
3. Metodologi
Penelitian
ini
dilaksanakan
dalam beberapa tahapan, seperti
diuraikan
sebagai
berikut:
(1).
Pembuatan
serat KKS, Pembuatan
struktur
helmet
sepeda
bahan
polymeric foam diperkuat serat TKKS
dan
Uji
impak
jatuh
bebas
dilaksanakan di Pusat Riset Impak dan
Keretakan, Dept. Teknik Mesin, FT-USU.
(2). Uji tekan static dilaksanakan
Laboratorium Polymer, Dept. Kimia,
FMIPA-USU. (3). Analisa data/ olah
data
dan
Simulasi
komputer
dilaksanakan di International Center
for Science, Technology, & Art (IC
STAR).
Waktu penelitian dilaksanakan
selama lebih kurang 5 bulan terhitung
mulai bulan Mei s.d Oktober 2012.
Teknik
pembuatan
struktur
helmet sepeda
pada penelitian ini
menggunakan metode penuangan/cor
kedalam cetakan setelah diaduk rata
dengan menggunakan mixer dalam
wadah
pencampuran.
Proses
pengecoran
ini
dilakukan
untuk
menghasilkan
struktur
komposit
berongga (foam) dengan arah serat
acak/random dan tidak kontinyu,
seperti pada gambar 4. sehingga tidak
dapat dilakukan secara hand lay up,
dimana metode ini dipakai pada serat
yang panjang dan kontinyu.
Gambar 4. Proses pembuatan struktur
helmet sepeda
Alat cetak struktur helmet
sepeda dapat dilihat pada gambar 5.
Alat ini memiliki dimensi panjang
22,5mm, lebar 16 mm, tinggi 16 mm.
Alat cetak ini dirancang untuk
menghasilkan helmet sepeda .
Gambar 5. Alat cetak helmet sepeda
Struktur helmet sepeda dibuat
dari serat alam yang berasal dari
limbah TKKS, yang sangat mudah
diperoleh dengan proses perlakuan
yang sederhana. Untuk mendapatkan
struktur komposit yang kuat, serat
TKKS
dicampur
dengan
resin
termoset. Material penyusun lainnya
adalah katalis, blowing agent jenis
polyurethane
untuk
menghasilkan
foam sehingga berat struktur tersebut
menjadi lebih ringan, serta larutan
pembersih serat dan pelumas. Tabel 2.
menjelaskan
material-material
penyusun helmet sepeda.
Tabel 2. Bahan-bahan pembuatan
helmet sepeda
N
Nama
Jenis
Keteran
o. Material Material
gan
1.
Polyester BQTN 157cair
resin tak EX
jenuh.
2.
Tandan
padat
Kosong
Kelapa
Sawit
(TKKS).
3.
Material
Polyuretha
cair
pembuat ne
gelembu
4.
5.
6.
ng
(Blowing
Agent,
BA)
Katalis
Pembersi
h serat
Pelumas
khusus
MEKPO
NaOH, 1M
WAX
cair
cair
padat
Pengolahan
tandan
kosong
kelapa
sawit
dengan
beberapa
tahapan proses. Tahapan tersebut
adalah: (1). . Perendaman TKKS dalam
air yang mengandung larutan NaOH
1%. (2). Pencacahan menjadi bagianbagian kecil (5 s.d. 10 cm). (3).
Pengeringan. (4). Penghalusan serat.
Untuk
menghasilkan struktur
yang berogga digunakan Blowing
Agent (BA). BA ini akan menghasilkan
busa (foam).
Jenis BA yang
dipergunakan dalam penelitian ini
ialah Polyurethane (PU). Material ini
merupakan
hasil
reaksi
antara
isocyanate dan polyol. Bentuk fisik
material
ini
diperlihatkan
pada
Gambar 6.
Pengujian dinamik dimaksudkan
untuk mendapatkan besarnya gaya
impak dan tegangan maksimum yang
dapat diterima spesimen struktur
helmet sepeda diperkuat serat TKKS.
Pada pengujian ini digunakan pengujian
impak benda jatuh bebas dengan
asumsi
bahwa
helmet
sepeda
menerima beban tekan secara tibatiba. Ketinggian benda jatuh bebas (test
rig) dihitung berdasarkan kecepatan
maximum sepeda sebesar 10 km/jam
dan
dengan
persamaan
(2.3),
kecepatan
jatuh
bebas
posisi
ketinggian
2
meter,
disesuaikan
dengan ukuran standard helmet.
Pada penelitian ini digunakan
beberapa peralatan antara lain: (1).
Alat Uji impak Jatuh Bebas, (2). Alat
pengukur energi dan gaya impak
(Load cell) pada gambar 3.4.
Alat pengukur energi dan gaya
impak benda jatuh bebas (loadcell)
adalah sebuah sensor gaya yang
bekerja menggunakan strain gage full
bridge dengan tahanan SG 350 ohm
alat yang dapat merekam beban
impak seperti yang terlihat pada
gambar 7. Kemampuan alat ini dapat
menerima beban dan mengukur gaya
impak hingga 30.000 kg, dan untuk
penggunaan
alat
ini
sudah
mendapatkan sertifikat kalibrasi dari
Komite Akreditasi Nasional untuk
20.000 kg.
Gambar 6. Material BA jenis
polyurethane
Katalis yang digunakan dalam
penelitian ini ialah jenis katalis Metil
Etil Keton Peroksida (MEKPO) atau
dikenal juga dengan istilah Butanone
Peroxide.
Gambar 7. Perangkat Alat Uji
Impak Jatuh Bebas
Gambar 8. Alat pengukur energi dan
gaya impak(Loadcell)
Prosedur
pengujian
pada
penelitian ini dapat dijelaskan sebagai
berikut:
(a).
Hubungkan
semua
koneksi:
loadcell, sensor posisi, kabel USB dan
power DAQ Labjack U3-LV. (b). Aktifkan
software DAQ For Impact Testing dari
icon yang ada di desktop
(c).
Persiapkan peralatan uji jatuh bebas
dan pastikan bahwa load cell dan
dudukan load cell sudah terpasang
dengan baik begitu juga dengan anvil
support pada gambar (9). (d).
Masukkan anvil pada anvil support
sesuai dengan jenis yang kita inginkan
berdasarkan
kebutuhan
pengujian
pengambilan data. (10). (e).Pasangkan
spesimen helmet sepda yang akan
diuji
di atas
anvil seperti pada
gambar. (11). (f).Pasangkan Test rig
pada dudukan lengan test rig seperti
pada gambar 11. (g). Tentukan posisi
jarak keinggian jatuh test rig yang
ingin diuji 0.5m, 1m, 1.5 m, 2m dan
pastikan sensor proximity berfungsi
aktif.
Gambar 9. Pemasangan load cell
dan anvil support
Gambar 10. Posisi test rig
pada alat
Uji jatuh bebas
Gambar 11. Posisi jarak
ketinggian dan sensor
proximity
g. Tekan button START pada
software DAQ For
Impact
Testing
h. Setelah menentukan jarak
ketinggian dan memastikan
bahwa
sensor
proximity
sudah berfungsi, maka test
rig akan kita jatuhkan dengan
melepas
tali
penahan
luncuran test rig.
i. Tekan button STOP setelah
beberapa
saat
test
rig
menumbuk spesimen helmet
sepda yang berada diatas
anvil.
j. Tekan button SAVE untk
menyimpan data hasil uji ke
dalam file berformat txt dan
akan tersimpan dalam Drive
C Folder DATAEXP (data
experiment).
k. Lalu data hasil pengujian
tersebut kita olah dengan
menggunakan
program
software MS-Excel.
Masuk ke ANSYS mechanical
dengan cara double klik pada
“model” pada project schematic.
Untuk memilih data material, pilih
selecting data dari “outline” three
view,
pilih
created solid dan pilih material yang
diinginkan dari
“Detail of solid”
window.
Langkat
selanjutnya,
menentukan
spesifikasi
ukuran
elemen dengan cara pilih Mesh dari
“outline”
tree
view,
lalu klik kanan pada Mesh dan pilih
Generate Mesh. Besar ukuran mesh
akan diukur secara otomatis. Dan jika
ukuran Mesh ingin dirubah pada
bagian-bagian
tertentu,
dapat
dilakukan dengan bantuan Refinement
yang terdapat pada Mesh Control icon
pada tool bar.
Selanjutnya adalah
Generate Mesh dengan cara klik
Generate Mesh
pada
toolbar. Model yang telah di MESH
dapat diihat gambar 3.9.
Langkah
selanjutnya adalah penetuan kondisi
batas atau “Boundary Conditon”. Hal
ini dapat dilakukan dengan klik
kanan
Dinamic
Structural
pada
“outline” tree view
pilih insert, klik pixed support dan
klik pada bidang sisi bawah spesimen
project seperti pada gambar 3.11 . lalu
klik kanan Dinamic Structural pada
“outline” tree view
klik
friction
support dan klik pada bidang sisi
belakang spesimen
pada gambar 12.
project
seperti
Gambar 12. Model yang telah di
MESH
Diagram alir dalam penelitian
ini diperlihatkan pada gambar 13.
Gambar 13. Diagram alir penelitian
Jadwal dan jenis kegiatan yang
akan dilaksanakan pada penelitian ini
diperlihatkan pada tabel 3.
Tabel 3. Jadwal kegiatan penelitian.
4. Daftar Pustaka
[1]. Google, (online), Helm - Wikipedia bahasa
Indonesia, ensiklopedia
bebas
http://id.wikipedia.org/wiki/Helm.tanggal
akses 16 - 6- 2012 jam 16:22.
[2]. Google, (online), EN1078- Wikipedia,
the free encyclopedia
http://en.
wikipedia.org/ wiki/ EN_1078, tanggal
akses 1-6-2012 jam 9:50.
[3] Google, (online), Perancangan Cetakan
Helm Dengan
Proses Injection
Molding.
http: //digilib.its.ac.id,
tanggal akses 8-5-2012 jam 15:12.
[4]. Arif, Zainal, Respon Parking Bumper
Bahan Komposit Polymeric Foam
Diperkuat Serat Tandan Kosong
Kelapa Sawi (TKKS) Akibat Beban
Tekan Statik dan Dinamik, Universitas
Sumatera Utara, 2012.
[ 5] .
Lubis, Izwar Simulasi Distribusi
Tegangan Pada Helm Sepeda Motor
Non-Standard Yang Dikenai Beban
Impak Kecepatan Tinggi, Universitas
Sumetera Utara.2009.
[6].
Google,(online),
Helm
Sepeda
dan
Sejarahnya
http://
bangderra.
blogspot.com/helmsepeda dansejarahnya. html tanggal
akses
16-6-2012 jam 16:26
[7]. Google, (online), Sejara Perkembangan
Helm Sepeda dan
Manfaatnya
http ://www .anneahira.com/hel sepeda
html tanggal akses 16-6-2012 jam 14:3
[8]. Syurkarni Ali, Desain Struktur dan
Pembuatan Parking Bumper dari
Bahan Polymeric Foam Diperkuat
Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit
(TKKS) Terhadap Beban Impak dan
Tekan, USU, 2012.
[ 9 ] . Khurmi R.S, AN ISO 9001: 2000
Company, A Tex Book of Enginnering
Mechanical S. Chand & Company
LTD, Ram Nagar, New Delhi-055.
[ 10 ] . Tailor,Taylor Impact TestBasic
Simulation, ANSYS Explicit Dynamics,
Workshop 1, ANSYS, Inc Proprietary,
2009.
FOAM DIPERKUAT SERAT TKKS
Mahyunis1], Bustami Syam 2], Indra3]
1]
Mahasiswa Magister Teknik Mesin USU
2]
Dosen Magister Teknik Mesin USU
3]
Dosen Magister Teknik Mesin USU
1. Pendahuluan
Helmet sepeda adalah helmet yang
dipakai saat mengendarai sepeda. Helmet ini
dirancang untuk mengurangi dampak pada
tulang
kepala
(tengkorak)
seorang
pengendara sepeda ketika jatuh dan tertimpa
benda keras. Helmet sepeda di desain
berbeda dari helmet sepeda motor karena
kecepatan sepeda hanya 15 km/jam [1].
Kecelakaan yang terjadi pada
pengendara sepeda
diperlihatkan pada
gambar 1.1a untuk kondisi jatuh dan 1.1b
kerusakan pada helmet sepeda. Secara
visual, kerusakan helmet sepeda akibat
benturan dapat dilihat namun bagaimana
mekanisme terjadinya kerusakan dan besar
beban impak yang terjadi tidak dapat dilihat.
(a)
(b)
Gambar 1. Kondisi helmet sepeda yang
mengalami benturan
Hal inilah yang membuat peneliti
tertarik untuk melakukan penelitian sebagai
solusi yang dapat menjelaskan mekanisme
terjadinya kerusakan helmet sepeda dan
mengetahui besar beban impak yang terjadi,
serta distribusi tegangan dan regangan pada
helmet sepeda dengan melakukan simulasi
software ANSYS 12.
Standart Nasional Indonesia (SNI)
untuk helmet sepeda saat ini belum ada,
sehingga penulis
mengacu kepada
standarisasi Eropa yaitu British Standard BS
EN 1078:1997, (entitled Helmets for pedal
cyclists and for users of skateboards and
roller skates) [2].
Dalam memilih helmet sepeda,
konsumen hanya memperhatikan model,
tren dan harga helmet sepeda yang murah,
hal tersebut belum tentu memenuhi syarat
keselamatan, artinya tidak menjamin
keselamatan tulang kepala (tengkorak)
pengendara sepeda aman dari benturan pada
saat mengendarai sepeda. Selain itu juga
bahan (material) helmet sepada juga
memiliki arti penting yaitu mampu menahan
benturan secara dinamik atau secara statis.
Bahan untuk membuat helmet sepeda
terbuat dari bahan plastic, rubber,
fiberglass, polycarebonat dan lain-lain [3].
Inovasi pengembangan Bahan untuk helmet
sepeda masih terbatas, maka pada penelitian
ini digunakan bahan komposit polymeric
foam yang diperkuat serat Tandan Kosong
Kelapa Sawit (TKKS). Mengingat kebijakan
global
yang
terus
menggalakkan
penggunaan bahan-bahan alami dalam
industri manufaktur.
TKKS merupakan limbah dari
pengolahan kelapa sawit yang selama ini
hanya
dibuang
begitu
saja
atau
dimanfaatkan sebagai pupuk alam atau
dibakar untuk menghasilkan abu gosok.
Pemanfaatan limbah TKKS ini menjadi
produk yang berdaya guna sudah dilakukan
dewasa ini, diantaranya marka kerucut lalu
lintas, bumper parking, bola golf, pipa dan
papan partikel [4].
Benturan yang terjadi pada kepala
dapat menimbulkan cedera pada jaringan
kulit, tulang maupun struktur dikepala dan
otak. Otak merupakan bagian yang paling
vital dari tubuh manusia [5]. Resiko
benturan akibat kecelakaan tersebut diatas
dapat diminimalisir dengan penggunaan
helmet. Beberapa standard dan aturan
hukum telah mewajibkan semua pengendara
kenderaan menggunakan helmet sebagai
alat pelindung diri (APD).
Pada umumnya beban impak yang
dialami pada helmet sepeda terjadi pada sisi
depan, samping, belakang dan pada sisi atas.
Tegangan dan regangan yang diterima
helmet sepeda akan berbeda-beda pada
masing-masing sisi helmet [5]. Untuk
mengetahui besarnya tegangan dan regangan
tersebut perlu dilakukan pengujian impak
jatuh bebas dengan simulasi dan verikasi
simulasi dilakukan dengan eksperimental.
Untuk menjawab permasalahan
tersebut di atas maka perlu dilakukan
simulasi yang dapat memberikan gambaran
terhadap kenyataan di lapangan. Dalam
penelitian ini akan digunakan Software
AutoCAD dan ANSYS Workbench 12,
dengan pendekatan Metode Elemen Hingga
(MEH). Software ANSYS Workbench 12
adalah perangkat lunak untuk menganalisa
tegangan dan regangan dari struktur dan
komponen mekanika. Untuk membuat
modelanya digunakan software AutoCAD
dengan pemodelan yang mendekati bentuk
helmet sepeda sebenarnya. Sehingga
dengan simulasi tersebut dapat diamati
tegangan dan regangan pada seluruh
permukaan helmet sepeda.
Tujuan umum penelitian ini untuk
dapat menganalisa struktur helmet sepeda
bahan polymeric foam diperkuat serat
TKKS.
Tujuan khusus penelitian ini adalah:
(1). Untuk mendapatkan gaya impak helmet
sepeda bahan polymeric foam diperkuat
serat TKKS akibat beban tekan dinamik. (2).
Untuk mendapatkan distribusi tegangan dan
regangan helmet sepeda bahan polymeric
foam diperkuat serat TKKS dengan simulasi
ANSYS
12. (3). Untuk mendapatkan
karakteristik helmet sepeda akibat beban
impak jatuh bebas.
Hasil penelitian ini merupakan suatu
upaya kontribusi pada institusi, khususnya
lembaga penelitian dalam memberikan
informasi
hasil
penelitian
dibidang
manufaktur tentang desain konstruksi,
proses pembuatan helmet sepeda dari bahan
polymeric foam diperkuat serat TKKS
dengan metode tuang, cetak tiup dan hand
lay up. Di samping itu, manfaat dari
penelitian ini adalah: (1). Memberi
informasi kepada konsumen dalam hal
mencegah cedera kepala akibat kecelakaan
pada saat bersepeda, sehingga pada saat
jatuh kepala pengendara terhindar dari
benturan. Dalam hal ini memberitahukan
agar pengendara sepeda berkewajiban
menggunakan alat pelindung diri (APD).
(2). Dengan mengetahui analisa struktur
helmet sepeda bahan polymeric foam
diperkuat serat TKKS maka karakteristik
mekanik helmet tersebut dapat diketahui
sehingga dapat dijadikan pemikiran dasar k
penelitian selanjutnya.
2. Studi Literatur.
Menurut
Khurmi
R.S. [ 8 ] ,
untuk menentukan kecepatan benda
jatuh setiap detik akan diperoleh
harga pendekatan seperti terlihat
pada tabel 1.
Dari data tabel 1
dapat
digambarkan sebuah grafik hubungan
antara kecepatan dan waktu yang juga
merupakan sebuah persamaan garis
lurus seperti pada gambar 2. Jadi
percepatan seragam dapat diperoleh
dengan persamaan (2.1).
Tabel 1. Waktu dan kecepatan benda
jatuh
Waktu
t
(s)
Kecea
ptan
v
(m/s)
0 1
2
3
4
5
0 9,
8
19
,6
29
,4
39
,2
4
9
Percepatan
seragam
yang
dimiliki partikel yang bergerak dengan
kecepatan konstan pada lintasan lurus
atau dimiliki partikel yang melintasi
perpindahan yang sama dalam selang
waktu yang sama berturut-turut
walaupun kecilnya perubahan waktu.
Satuan perpindahan dapat diukur
dengan meter (m), dan kecepatan
dapat diukur dalam meter per detik
(m/s), sedangkan percepatan diukur
dalam meter per detik kuadrat (m/s2).
Persamaan gerak lurus percepatan
seragam
dapat
dijelaskan
pada
gambar 3.
s=v .t
v=
(2.2 )
v−v o 49−0
m
=
=9,8
t
5
s
( )
(2.1) (2.1)
Grafik v - t
KEcepatan v (m/s)
60
50
40
30
Pers. Garis Lurus
20
10
Gambar 3. Diagram kecepatan –
waktu
0
0 1 2 3 4 5 6
Waktu t (s)
Gambar 2. Grafik hubungan v – t
Jika hambatan udara diabaikan
maka gerak benda jatuh bebas
tersebut
dapat
dihitung
dengan
percepatan seragam melintas melalui
sebuah
garis
lurus,
sehingga
percepatan diganti dengan percepatan
gravitasi g. Untuk gerakan ke bawah
nilai percepatan a identik dengan nilai
positif dari gravitasi (+ g; yang berarti
percepatan), dan untuk gerakan ke
atas nilai percepatan a identik dengan
nilai positif dari gravitasi (-g; yang
berarti perlambatan).
Perpindahan
digambarkan
dengan
luas daerah dibawah grafik kecepatan
– waktu.
Δv
Δv
=a ; v=v o+
; v =v o + at
Δt
Δt
Dengan mensubstitusikan (vo+
at) kedalam persamaan s = ½ (vo +
v) . t,
maka diperoleh jarak
perpindahan sebesar
s = (v o.t +
½.at2 ). Dengan mensubstitusi waktu
t=
v−v o
a
kedalam persamaan s =
½(vo + v) . t,
kecepatan v2 = vo
2
diperoleh rumus
+ 2as. Jika vo =
0, maka
v2 =
persamaan menjadi:
(2.3) (2.3)
2.as,
sehingga
v =√2 as
Untuk kasus jatuh bebas maka a = g
dan s = h, sehingga besarnya
kecepatan
diperoleh
dengan
persamaan (2.3).
(2.4)
v =√ 2 g . h
(2.4)
dimana:
v = kecepatan benda jatuh bebas,
(m/s).
g = gaya grafitasi, (m/s 2).
h = ketinggian jatuh
benda, ( m).
Sebuah benda bergerak dikatakan
mempunyai
momentum
yang
dinyatakan dengan hasil kali massa
dengan kecepatan benda tersebut. Hal
ini
dapat
dinyatakan
dengan
persamaan (2.5).
M =m . v
(2.5) (2.5)
dimana:
M = momentum, (kg.m/s).
m = massa, (kg).
v = kecepatan, (m/s).
Impuls sebuah gaya konstan
adalah hasil kali gaya dengan selang
waktu yang diperlukan, ini dapat
dinyatakan dalam persamaan (2.6).
I =F . t
(2.6)
Gaya impak dapat diperoleh
dengan
mensubstitusi
persamaan
(2.5)
dengan
persamaan
(2.6),
sehingga besar nilai gaya dapat
dinyatakan dengan persamaan (2.7).
F=
m. v
t
(2.7)
Energi didefinisikan sebagai
kemampuan
untuk
melakukan
usaha/kerja. Hukum kekekalan energi
menjelaskan bahwa energi tidak dapat
diciptakan dan dimusnahkan. Salah
satu bentuk energi mekanik adalah
energi kinetik dan energi potensial.
Energi kinetik (Ek) adalah energi yang
dimiliki
oleh
benda
berdasarkan
gerakan benda. Nilai energi kinetik
dapat dihitung dari pergerakan awal
benda dari kecepatan awal (v o) ke
kecepatan perubahan benda (v 1), yang
ditentukan dengan persamaan (2.8).
1
Ek = m. v 2
2
(2.8)
dimana:
Ek = energi kinetik (joule).
m = massa benda (kg).
v = kecepatan benda (m/s).
Energi potensial (Ep) adalah
energi yang dimiliki oleh benda
berdasarkan kedudukan (ketinggian).
besarnya energi potensial dapat
dihitung dengan persamaan (2.9).
E p=m. g . H
(2.9)
dimana:
Ep = energi potensial (joule).
m = massa benda (kg).
g = gaya gravitasi benda
(m/s2).
H
=
kedudukan/ketinggian
benda (m).
3. Metodologi
Penelitian
ini
dilaksanakan
dalam beberapa tahapan, seperti
diuraikan
sebagai
berikut:
(1).
Pembuatan
serat KKS, Pembuatan
struktur
helmet
sepeda
bahan
polymeric foam diperkuat serat TKKS
dan
Uji
impak
jatuh
bebas
dilaksanakan di Pusat Riset Impak dan
Keretakan, Dept. Teknik Mesin, FT-USU.
(2). Uji tekan static dilaksanakan
Laboratorium Polymer, Dept. Kimia,
FMIPA-USU. (3). Analisa data/ olah
data
dan
Simulasi
komputer
dilaksanakan di International Center
for Science, Technology, & Art (IC
STAR).
Waktu penelitian dilaksanakan
selama lebih kurang 5 bulan terhitung
mulai bulan Mei s.d Oktober 2012.
Teknik
pembuatan
struktur
helmet sepeda
pada penelitian ini
menggunakan metode penuangan/cor
kedalam cetakan setelah diaduk rata
dengan menggunakan mixer dalam
wadah
pencampuran.
Proses
pengecoran
ini
dilakukan
untuk
menghasilkan
struktur
komposit
berongga (foam) dengan arah serat
acak/random dan tidak kontinyu,
seperti pada gambar 4. sehingga tidak
dapat dilakukan secara hand lay up,
dimana metode ini dipakai pada serat
yang panjang dan kontinyu.
Gambar 4. Proses pembuatan struktur
helmet sepeda
Alat cetak struktur helmet
sepeda dapat dilihat pada gambar 5.
Alat ini memiliki dimensi panjang
22,5mm, lebar 16 mm, tinggi 16 mm.
Alat cetak ini dirancang untuk
menghasilkan helmet sepeda .
Gambar 5. Alat cetak helmet sepeda
Struktur helmet sepeda dibuat
dari serat alam yang berasal dari
limbah TKKS, yang sangat mudah
diperoleh dengan proses perlakuan
yang sederhana. Untuk mendapatkan
struktur komposit yang kuat, serat
TKKS
dicampur
dengan
resin
termoset. Material penyusun lainnya
adalah katalis, blowing agent jenis
polyurethane
untuk
menghasilkan
foam sehingga berat struktur tersebut
menjadi lebih ringan, serta larutan
pembersih serat dan pelumas. Tabel 2.
menjelaskan
material-material
penyusun helmet sepeda.
Tabel 2. Bahan-bahan pembuatan
helmet sepeda
N
Nama
Jenis
Keteran
o. Material Material
gan
1.
Polyester BQTN 157cair
resin tak EX
jenuh.
2.
Tandan
padat
Kosong
Kelapa
Sawit
(TKKS).
3.
Material
Polyuretha
cair
pembuat ne
gelembu
4.
5.
6.
ng
(Blowing
Agent,
BA)
Katalis
Pembersi
h serat
Pelumas
khusus
MEKPO
NaOH, 1M
WAX
cair
cair
padat
Pengolahan
tandan
kosong
kelapa
sawit
dengan
beberapa
tahapan proses. Tahapan tersebut
adalah: (1). . Perendaman TKKS dalam
air yang mengandung larutan NaOH
1%. (2). Pencacahan menjadi bagianbagian kecil (5 s.d. 10 cm). (3).
Pengeringan. (4). Penghalusan serat.
Untuk
menghasilkan struktur
yang berogga digunakan Blowing
Agent (BA). BA ini akan menghasilkan
busa (foam).
Jenis BA yang
dipergunakan dalam penelitian ini
ialah Polyurethane (PU). Material ini
merupakan
hasil
reaksi
antara
isocyanate dan polyol. Bentuk fisik
material
ini
diperlihatkan
pada
Gambar 6.
Pengujian dinamik dimaksudkan
untuk mendapatkan besarnya gaya
impak dan tegangan maksimum yang
dapat diterima spesimen struktur
helmet sepeda diperkuat serat TKKS.
Pada pengujian ini digunakan pengujian
impak benda jatuh bebas dengan
asumsi
bahwa
helmet
sepeda
menerima beban tekan secara tibatiba. Ketinggian benda jatuh bebas (test
rig) dihitung berdasarkan kecepatan
maximum sepeda sebesar 10 km/jam
dan
dengan
persamaan
(2.3),
kecepatan
jatuh
bebas
posisi
ketinggian
2
meter,
disesuaikan
dengan ukuran standard helmet.
Pada penelitian ini digunakan
beberapa peralatan antara lain: (1).
Alat Uji impak Jatuh Bebas, (2). Alat
pengukur energi dan gaya impak
(Load cell) pada gambar 3.4.
Alat pengukur energi dan gaya
impak benda jatuh bebas (loadcell)
adalah sebuah sensor gaya yang
bekerja menggunakan strain gage full
bridge dengan tahanan SG 350 ohm
alat yang dapat merekam beban
impak seperti yang terlihat pada
gambar 7. Kemampuan alat ini dapat
menerima beban dan mengukur gaya
impak hingga 30.000 kg, dan untuk
penggunaan
alat
ini
sudah
mendapatkan sertifikat kalibrasi dari
Komite Akreditasi Nasional untuk
20.000 kg.
Gambar 6. Material BA jenis
polyurethane
Katalis yang digunakan dalam
penelitian ini ialah jenis katalis Metil
Etil Keton Peroksida (MEKPO) atau
dikenal juga dengan istilah Butanone
Peroxide.
Gambar 7. Perangkat Alat Uji
Impak Jatuh Bebas
Gambar 8. Alat pengukur energi dan
gaya impak(Loadcell)
Prosedur
pengujian
pada
penelitian ini dapat dijelaskan sebagai
berikut:
(a).
Hubungkan
semua
koneksi:
loadcell, sensor posisi, kabel USB dan
power DAQ Labjack U3-LV. (b). Aktifkan
software DAQ For Impact Testing dari
icon yang ada di desktop
(c).
Persiapkan peralatan uji jatuh bebas
dan pastikan bahwa load cell dan
dudukan load cell sudah terpasang
dengan baik begitu juga dengan anvil
support pada gambar (9). (d).
Masukkan anvil pada anvil support
sesuai dengan jenis yang kita inginkan
berdasarkan
kebutuhan
pengujian
pengambilan data. (10). (e).Pasangkan
spesimen helmet sepda yang akan
diuji
di atas
anvil seperti pada
gambar. (11). (f).Pasangkan Test rig
pada dudukan lengan test rig seperti
pada gambar 11. (g). Tentukan posisi
jarak keinggian jatuh test rig yang
ingin diuji 0.5m, 1m, 1.5 m, 2m dan
pastikan sensor proximity berfungsi
aktif.
Gambar 9. Pemasangan load cell
dan anvil support
Gambar 10. Posisi test rig
pada alat
Uji jatuh bebas
Gambar 11. Posisi jarak
ketinggian dan sensor
proximity
g. Tekan button START pada
software DAQ For
Impact
Testing
h. Setelah menentukan jarak
ketinggian dan memastikan
bahwa
sensor
proximity
sudah berfungsi, maka test
rig akan kita jatuhkan dengan
melepas
tali
penahan
luncuran test rig.
i. Tekan button STOP setelah
beberapa
saat
test
rig
menumbuk spesimen helmet
sepda yang berada diatas
anvil.
j. Tekan button SAVE untk
menyimpan data hasil uji ke
dalam file berformat txt dan
akan tersimpan dalam Drive
C Folder DATAEXP (data
experiment).
k. Lalu data hasil pengujian
tersebut kita olah dengan
menggunakan
program
software MS-Excel.
Masuk ke ANSYS mechanical
dengan cara double klik pada
“model” pada project schematic.
Untuk memilih data material, pilih
selecting data dari “outline” three
view,
pilih
created solid dan pilih material yang
diinginkan dari
“Detail of solid”
window.
Langkat
selanjutnya,
menentukan
spesifikasi
ukuran
elemen dengan cara pilih Mesh dari
“outline”
tree
view,
lalu klik kanan pada Mesh dan pilih
Generate Mesh. Besar ukuran mesh
akan diukur secara otomatis. Dan jika
ukuran Mesh ingin dirubah pada
bagian-bagian
tertentu,
dapat
dilakukan dengan bantuan Refinement
yang terdapat pada Mesh Control icon
pada tool bar.
Selanjutnya adalah
Generate Mesh dengan cara klik
Generate Mesh
pada
toolbar. Model yang telah di MESH
dapat diihat gambar 3.9.
Langkah
selanjutnya adalah penetuan kondisi
batas atau “Boundary Conditon”. Hal
ini dapat dilakukan dengan klik
kanan
Dinamic
Structural
pada
“outline” tree view
pilih insert, klik pixed support dan
klik pada bidang sisi bawah spesimen
project seperti pada gambar 3.11 . lalu
klik kanan Dinamic Structural pada
“outline” tree view
klik
friction
support dan klik pada bidang sisi
belakang spesimen
pada gambar 12.
project
seperti
Gambar 12. Model yang telah di
MESH
Diagram alir dalam penelitian
ini diperlihatkan pada gambar 13.
Gambar 13. Diagram alir penelitian
Jadwal dan jenis kegiatan yang
akan dilaksanakan pada penelitian ini
diperlihatkan pada tabel 3.
Tabel 3. Jadwal kegiatan penelitian.
4. Daftar Pustaka
[1]. Google, (online), Helm - Wikipedia bahasa
Indonesia, ensiklopedia
bebas
http://id.wikipedia.org/wiki/Helm.tanggal
akses 16 - 6- 2012 jam 16:22.
[2]. Google, (online), EN1078- Wikipedia,
the free encyclopedia
http://en.
wikipedia.org/ wiki/ EN_1078, tanggal
akses 1-6-2012 jam 9:50.
[3] Google, (online), Perancangan Cetakan
Helm Dengan
Proses Injection
Molding.
http: //digilib.its.ac.id,
tanggal akses 8-5-2012 jam 15:12.
[4]. Arif, Zainal, Respon Parking Bumper
Bahan Komposit Polymeric Foam
Diperkuat Serat Tandan Kosong
Kelapa Sawi (TKKS) Akibat Beban
Tekan Statik dan Dinamik, Universitas
Sumatera Utara, 2012.
[ 5] .
Lubis, Izwar Simulasi Distribusi
Tegangan Pada Helm Sepeda Motor
Non-Standard Yang Dikenai Beban
Impak Kecepatan Tinggi, Universitas
Sumetera Utara.2009.
[6].
Google,(online),
Helm
Sepeda
dan
Sejarahnya
http://
bangderra.
blogspot.com/helmsepeda dansejarahnya. html tanggal
akses
16-6-2012 jam 16:26
[7]. Google, (online), Sejara Perkembangan
Helm Sepeda dan
Manfaatnya
http ://www .anneahira.com/hel sepeda
html tanggal akses 16-6-2012 jam 14:3
[8]. Syurkarni Ali, Desain Struktur dan
Pembuatan Parking Bumper dari
Bahan Polymeric Foam Diperkuat
Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit
(TKKS) Terhadap Beban Impak dan
Tekan, USU, 2012.
[ 9 ] . Khurmi R.S, AN ISO 9001: 2000
Company, A Tex Book of Enginnering
Mechanical S. Chand & Company
LTD, Ram Nagar, New Delhi-055.
[ 10 ] . Tailor,Taylor Impact TestBasic
Simulation, ANSYS Explicit Dynamics,
Workshop 1, ANSYS, Inc Proprietary,
2009.