Desain Dan Penyelidikan Respon Mekanik Cover Bumper Paduan Bahan Concrete Foam Diperkuat Tandan Kosong Kelapa Sawit Akibat Beban Impak Dengan Menggunakan Ansys
18
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS), sebagai limbah dari Pabrik Kelapa Sawit
(PKS) jumlahnya cukup banyak, yaitu 1,9 juta ton berat kering atau setara 4 juta ton
berat basah per tahun [1] dan sudah terkumpul di industri pengolahan minyak sawit.
Pada banyak PKS yang beroperasi di Indonesia, TKKS dikembalikan ke Kebun
Kelapa Sawit dan ditebarkan di atas permukaan tanah untuk menghasilkan kompos.
USU telah menjalin kerjasama dengan PTPN3 yang dituangkan dalam Nota
Kesepahaman (2012-2017) dalam bidang Pendidikan, pelatihan, penelitian, dan
Pengabdian pada Masyarakat [2].
Berdasarkan kerjasama tersebut penulis dalam 2 tahun terakhir telah
memanfaatkan TKKS untuk produk teknologi. Beberapa di antaranya telah
dimanfaatkan untuk pembuatan kerucut lalu lintas [3,4]. Beberapa hasil penelitian
Penprinas MP3EI tahun pertama dan kedua telah dipublikasikan, a.l.: Simulasi
Parking bumper, desain dan Pembuatan Helmet Sepeda, desain dan Pembuatan Bola
Golf, stake Golf, speed Bump, dan Genteng Ringan [3] [4].
Material yang akan dikembangkan serta produk yang akan dihasilkan akan
menjadi keunggulan dari penelitian ini. Pengembangan material diarahkan pada dua
material yang telah dijalanani pada penelitian MP3EI yaitu: Polymeric Foam
Composite dan Concrete Foam Composite. Material baru tersebut akan digunakan
Universitas Sumatera Utara
19
untuk menghasilkan Cover bump dengan dua tipe yaitu tipe 1 dan 2 dengan ukuran
920 × 200 × 150 mm dengan menggunakan bahan Concrete Foam diperkuat Serat
Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS), yang membedakan tipe pertama dan tipe
kedua adalah desain dan model penutup drainase sekaligus parking bumper, dalam
pengecoran Concrete Foam digunakan tipe B4 pada tabel komposisi Concrete Foam.
Kemudian mendesain 3 dimensi (3D) menggunakan software ANSYS
untuk
mendapatkan distribusi tegangan dan membandingkan kedua tipe yang mana lebih
tangguh. Pada penelitian ini akan dilakukan perbandingan dengan hasil
eksperimental yang dilakukan peneliti terlebih dahulu.
Drainase merupakan salah satu tindakan teknis untuk mengurangi kelebihan air,
baik yang berasal dari air hujan, rembesan, maupun kelebihan air irigasi pada suatu
lahan sehingga lahan tersebut dapat berfungsi secara optimal. Drainase termasuk
dalam salah satu komponen penting infrastruktur perkotaan yang menanggulangi
masalah banjir dan genangan air [5]. Drainase memiliki banyak fungsi, di antaranya
[6]:
1. Mengeringkan daerah genangan air.
2. Mengendalikan akumulasi limpasan air hujan yang berlebihan.
3. Mengendalikan erosi, kerusakan jalan, dan kerusakan infrastruktur.
4. Mengelola kualitas air.
Sebuah komplek kampus merupakan kebutuhan dasar bagi para mahasiswa,
para dosen, dan pegawainya. Menyadari akan hal itu, maka sudah sewajarnya
Universitas Sumatera Utara
20
kampus terencana dalam suatu sistem dan pola pengaturan yang tertata dengan baik.
Pola pengaturan yang direncanakan meliputi tata letak baik geografis maupun
topografis, kualitas dan kuantitas kampus yang dibutuhkan dan kebutuhan
penyediaan sarana dan prasarana fisik dan nonfisik.
Sistem saluran drainase kampus sangat penting untuk menjamin kenyamanan
masyarakat, karena tidak sedikit komplek kampus yang mengalami banjir karena
sistem saluran drainase yang kurang baik. Drainase kampus merupakan sarana atau
prasarana untuk mengalirkan air hujan, dari suatu tempat ke tempat yang lain,
misalnya dari daerah kampus ke daerah pembuang seperti saluran utama, sungai,
danau, laut, dan lain-lain.
Pada dasarnya sistem drainase dibagi menjadi dua macam yaitu sistem
drainase tertutup dan sistem drainase terbuka. Sistem drainase tertutup jarang dipakai
dikampus karena dibutuhkan biaya untuk pembuatan resapannya, sedangkan untuk
sistem drainase terbuka tidak membutuhkan bak resapan. Pada komplek kampus
Universitas Sumatra Utara (USU) menggunakan sistem drainase terbuka, yaitu
saluran drainase terdiri dari saluran sekunder yang mengalir ke saluran primPer
kemudian diteruskan ke sungai sebagai tempat pembuangan akhir. Setelah adanya
normalisasi saluran drainase dan perbaikan infrastruktur jalan pada kampus USU,
genangan yang timbul sudah banyak berkurang [7]. Drainase di lingkungan kampus
Magister Teknik Mesin USU tidak memiliki penutup dan terbuka sehingga dapat
membahayakan parkir mobil. Peneliti membuat Cover bump sebagai objek peneliti
Universitas Sumatera Utara
21
dalam penelitian pengembangan concrete foam beton ringan. Saluran drainase dapat
dilihat pada Gambar 1.1 di bawah ini.
Gambar 1.1 Drainase di Magister Teknik Mesin USU
Spesimen Concrete Foam dibuat dari pencampuran semen, pasir, air, Tandan
Kosong Kelapa Sawit (TKKS) dan serat alam yang berasal dari limbah TKKS yang
sangat mudah diperoleh dengan proses perlakuan yang sederhana. Untuk
mendapatkan struktur komposit yang ringan dan kuat, campuran tersebut dicampur
dengan Foaming Agent untuk menghasilkan Foam dan serat TKKS sehingga berat
struktur tersebut menjadi lebih kuat dan ringan.
1.2.
Rumusan Masalah
Concrete foam adalah salah satu jenis beton ringan yang menggunakan foam sebagai
agregat ringannya. Pada umumnya concrete foam dibuat dengan cara pengadukan campuran
semen, pasir dan air serta foam yang sudah dibuat dengan memanfaatkan foam generator
untuk membuat busa secara terpisah. Setelah busa terbentuk lalu dimasukkan ke dalam
adonan beton dan selanjutnya ke dalam cetakan.
Universitas Sumatera Utara
22
Aplikasi pengembangan Concrete foam dari penelitian sebelumnya
dikembangkan lebih lanjut dengan metode yang sama untuk produk dan geometri
yang berbeda, di manapenggunaanya diperuntukkan khusus untuk parking bumper
dan sebagai alat penutup drainase diberi nama Cover bump.
Pada penelitian ini diperuntukkan untuk parking bump dengan tiga tipe yaitu
Tipe A, B dan C. Khusus untuk tipe A divariasikan ke dalam 3 bentuk berdasarkan
sudut kemiringan Parking bumper sebesar 30o, 45o dan 60o. Sedangkan untuk Cover
bump dibuat dua tipe yaitu tipe 1 dan 2.
Pengembangan bahan campuran untuk membuat beton ringan sudah banyak
dilakukan seperti yang disebutkan sebelumnya. Pada tulisan ini, peneliti ingin
membuat struktur beton ringan. TKKS merupakan limbah akhir dari pengolahan biji
kelapa sawit yang masih kurang dimanfaatkan dan cenderung dibuang begitu saja
sebagai limbah atau dimanfaatkan sebagai pupuk alam dan atau dibakar untuk
menghasilkan abu gosok. Sehingga perlu dikaji kembali pemanfaatan limbah TKKS
ini menjadi salah satu bahan campuran beton ringan untuk meningkatkan daya guna
yang lebih baik.
Berat jenis concrete foam berkisar antara 600-1600 kg/m3. Karena itu
keunggulan utama concrete foam adalah pada beratnya. sehingga apabila digunakan
pada bangunan tinggi (high rise building) akan dapat mengurangi berat bangunan
tersebut secara signifikan.
Universitas Sumatera Utara
23
Untuk mengetahui kekuatan dan perilaku mekanik dari beton ringan tersebut,
dilakukan pengujian lebih lanjut. Adapun metode pengujian yang akan dilakukan
adalah simulasi ANSYS statik dan dinamik serta validasi data dinamik dilakukan
dengan uji impak jatuh bebas.
1.3 Tujuan Penelitian
1.3.1 Tujuan umum
Tujuan umum pada penelitian ini adalah untuk mendesain dan menganalisa
respon mekanik struktur Cover bump paduan bahan Concrete Foam diperkuat serat
TKKS dengan analisa simulasi ANSYS dan membandingkan simulasi parking
bumper dari tipe A, B dan tipe C [8].
1.3.2 Tujuan khusus
Adapun tujuan khusus penelitian ini adalah:
1.
Melakukan desain dan membuat model 3D Cover bump paduan bahan
Concrete Foam diperkuat serat TKKS dengan menggunakan ANSYS.
2.
Mendapatkan respon mekanik dan pola kerusakan produk akibat beban
impak (sebagai fungsi parking bumper), distribusi tegangan dinamik
simulasi menggunakan ANSYS.
3.
Membandingkan
hasil
distribusi
tegangan
yang
diperoleh
uji
eksperimental jatuh bebas yang dilakukan peneliti sebelumnya dengan
hasil simulasi ANSYS.
Universitas Sumatera Utara
24
4.
Mendapatkan nilai kekuatan atau ketangguhan Cover bump bahan
Concrete Foam diperkuat serat TKKS tipe 1 dan tipe 2 dengan simulasi
menggunakan ANSYS.
1.4 Batasan Masalah Penelitian
Adapun batasan masalah penelitian sebagai berikut:
1. Melakukan desain dan menggambar 3D Cover bump paduan bahan
Concrete Foam diperkuat serat TKKS dengan dua tipe menggunakan
ANSYS.
2. Ukuran spesimen cover bump paduan bahan concrete Foam diperkuat
serat TKKS yang
dibuat 920 × 200 × 150 mm. Sesuai dengan
aplikasinya pada saluran drainase di lahan parkir gedung Pasca Sarjana
Magister Teknik Mesin Universitas Sumatra Utara.
3. Simulasi numerik menggunakan software ANSYS untuk mengetahui dan
membandingkan mana yang lebih baik dan tangguh di antara 2 tipe
terhadap distribusi tegangan pada cover bump paduan bahan concrete
foam diperkuat serat TKKS.
Sejalan dengan pemberlakuan otonomi daerah sejak tahun 2000 menurut
Undang-Undang No. 22 Tahun 1999, maka masing-masing daerah otonomi yakni
propinsi dan kabupaten/Kota telah memiliki kewenangan penuh dalam penanganan
prasarana perkotaan didaerahnya masing-masing prasarana perkotaan meliputi
perumahan (houses), Jalan kota (Urban roads), Drainase (Drainage) Air minum
Universitas Sumatera Utara
25
(water supply), air limbah (waste water), persampahan (solid waste) dan pasar
(market).
Menurut SKSNI T-07-1990-F, drainase perkotaan adalah drainase di wilayah kota
yang berfungsi pengendalian kelebihan air permukaan, sehingga tidak mengganggu
masyarakat dan dapat memberikan manfaat bagi kegiatan kehidupan masyarakat
dengan tujuan prasarana drainase kota untuk:
1. Menjamin kesehatan dan kesejahtraan masyarakat
2. Melindungi alam dan lingkungan seperti tanah udara dan kualitas air
3. Menghindari bahaya, kerusakan materil, kerugian dan beban-beban lain yang
disebabkan oleh genangan air.
4. Memperbaiki kualitas lingkungan [9].
Aturan lebih terperinci dan tata cara, konsep dan aturan teknis terkait semua
tersusun dalam Peraturan Menteri Pekerjaan Umum Republik Indonesia Nomor 12
/PRT/M/2014
Universitas Sumatera Utara
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS), sebagai limbah dari Pabrik Kelapa Sawit
(PKS) jumlahnya cukup banyak, yaitu 1,9 juta ton berat kering atau setara 4 juta ton
berat basah per tahun [1] dan sudah terkumpul di industri pengolahan minyak sawit.
Pada banyak PKS yang beroperasi di Indonesia, TKKS dikembalikan ke Kebun
Kelapa Sawit dan ditebarkan di atas permukaan tanah untuk menghasilkan kompos.
USU telah menjalin kerjasama dengan PTPN3 yang dituangkan dalam Nota
Kesepahaman (2012-2017) dalam bidang Pendidikan, pelatihan, penelitian, dan
Pengabdian pada Masyarakat [2].
Berdasarkan kerjasama tersebut penulis dalam 2 tahun terakhir telah
memanfaatkan TKKS untuk produk teknologi. Beberapa di antaranya telah
dimanfaatkan untuk pembuatan kerucut lalu lintas [3,4]. Beberapa hasil penelitian
Penprinas MP3EI tahun pertama dan kedua telah dipublikasikan, a.l.: Simulasi
Parking bumper, desain dan Pembuatan Helmet Sepeda, desain dan Pembuatan Bola
Golf, stake Golf, speed Bump, dan Genteng Ringan [3] [4].
Material yang akan dikembangkan serta produk yang akan dihasilkan akan
menjadi keunggulan dari penelitian ini. Pengembangan material diarahkan pada dua
material yang telah dijalanani pada penelitian MP3EI yaitu: Polymeric Foam
Composite dan Concrete Foam Composite. Material baru tersebut akan digunakan
Universitas Sumatera Utara
19
untuk menghasilkan Cover bump dengan dua tipe yaitu tipe 1 dan 2 dengan ukuran
920 × 200 × 150 mm dengan menggunakan bahan Concrete Foam diperkuat Serat
Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS), yang membedakan tipe pertama dan tipe
kedua adalah desain dan model penutup drainase sekaligus parking bumper, dalam
pengecoran Concrete Foam digunakan tipe B4 pada tabel komposisi Concrete Foam.
Kemudian mendesain 3 dimensi (3D) menggunakan software ANSYS
untuk
mendapatkan distribusi tegangan dan membandingkan kedua tipe yang mana lebih
tangguh. Pada penelitian ini akan dilakukan perbandingan dengan hasil
eksperimental yang dilakukan peneliti terlebih dahulu.
Drainase merupakan salah satu tindakan teknis untuk mengurangi kelebihan air,
baik yang berasal dari air hujan, rembesan, maupun kelebihan air irigasi pada suatu
lahan sehingga lahan tersebut dapat berfungsi secara optimal. Drainase termasuk
dalam salah satu komponen penting infrastruktur perkotaan yang menanggulangi
masalah banjir dan genangan air [5]. Drainase memiliki banyak fungsi, di antaranya
[6]:
1. Mengeringkan daerah genangan air.
2. Mengendalikan akumulasi limpasan air hujan yang berlebihan.
3. Mengendalikan erosi, kerusakan jalan, dan kerusakan infrastruktur.
4. Mengelola kualitas air.
Sebuah komplek kampus merupakan kebutuhan dasar bagi para mahasiswa,
para dosen, dan pegawainya. Menyadari akan hal itu, maka sudah sewajarnya
Universitas Sumatera Utara
20
kampus terencana dalam suatu sistem dan pola pengaturan yang tertata dengan baik.
Pola pengaturan yang direncanakan meliputi tata letak baik geografis maupun
topografis, kualitas dan kuantitas kampus yang dibutuhkan dan kebutuhan
penyediaan sarana dan prasarana fisik dan nonfisik.
Sistem saluran drainase kampus sangat penting untuk menjamin kenyamanan
masyarakat, karena tidak sedikit komplek kampus yang mengalami banjir karena
sistem saluran drainase yang kurang baik. Drainase kampus merupakan sarana atau
prasarana untuk mengalirkan air hujan, dari suatu tempat ke tempat yang lain,
misalnya dari daerah kampus ke daerah pembuang seperti saluran utama, sungai,
danau, laut, dan lain-lain.
Pada dasarnya sistem drainase dibagi menjadi dua macam yaitu sistem
drainase tertutup dan sistem drainase terbuka. Sistem drainase tertutup jarang dipakai
dikampus karena dibutuhkan biaya untuk pembuatan resapannya, sedangkan untuk
sistem drainase terbuka tidak membutuhkan bak resapan. Pada komplek kampus
Universitas Sumatra Utara (USU) menggunakan sistem drainase terbuka, yaitu
saluran drainase terdiri dari saluran sekunder yang mengalir ke saluran primPer
kemudian diteruskan ke sungai sebagai tempat pembuangan akhir. Setelah adanya
normalisasi saluran drainase dan perbaikan infrastruktur jalan pada kampus USU,
genangan yang timbul sudah banyak berkurang [7]. Drainase di lingkungan kampus
Magister Teknik Mesin USU tidak memiliki penutup dan terbuka sehingga dapat
membahayakan parkir mobil. Peneliti membuat Cover bump sebagai objek peneliti
Universitas Sumatera Utara
21
dalam penelitian pengembangan concrete foam beton ringan. Saluran drainase dapat
dilihat pada Gambar 1.1 di bawah ini.
Gambar 1.1 Drainase di Magister Teknik Mesin USU
Spesimen Concrete Foam dibuat dari pencampuran semen, pasir, air, Tandan
Kosong Kelapa Sawit (TKKS) dan serat alam yang berasal dari limbah TKKS yang
sangat mudah diperoleh dengan proses perlakuan yang sederhana. Untuk
mendapatkan struktur komposit yang ringan dan kuat, campuran tersebut dicampur
dengan Foaming Agent untuk menghasilkan Foam dan serat TKKS sehingga berat
struktur tersebut menjadi lebih kuat dan ringan.
1.2.
Rumusan Masalah
Concrete foam adalah salah satu jenis beton ringan yang menggunakan foam sebagai
agregat ringannya. Pada umumnya concrete foam dibuat dengan cara pengadukan campuran
semen, pasir dan air serta foam yang sudah dibuat dengan memanfaatkan foam generator
untuk membuat busa secara terpisah. Setelah busa terbentuk lalu dimasukkan ke dalam
adonan beton dan selanjutnya ke dalam cetakan.
Universitas Sumatera Utara
22
Aplikasi pengembangan Concrete foam dari penelitian sebelumnya
dikembangkan lebih lanjut dengan metode yang sama untuk produk dan geometri
yang berbeda, di manapenggunaanya diperuntukkan khusus untuk parking bumper
dan sebagai alat penutup drainase diberi nama Cover bump.
Pada penelitian ini diperuntukkan untuk parking bump dengan tiga tipe yaitu
Tipe A, B dan C. Khusus untuk tipe A divariasikan ke dalam 3 bentuk berdasarkan
sudut kemiringan Parking bumper sebesar 30o, 45o dan 60o. Sedangkan untuk Cover
bump dibuat dua tipe yaitu tipe 1 dan 2.
Pengembangan bahan campuran untuk membuat beton ringan sudah banyak
dilakukan seperti yang disebutkan sebelumnya. Pada tulisan ini, peneliti ingin
membuat struktur beton ringan. TKKS merupakan limbah akhir dari pengolahan biji
kelapa sawit yang masih kurang dimanfaatkan dan cenderung dibuang begitu saja
sebagai limbah atau dimanfaatkan sebagai pupuk alam dan atau dibakar untuk
menghasilkan abu gosok. Sehingga perlu dikaji kembali pemanfaatan limbah TKKS
ini menjadi salah satu bahan campuran beton ringan untuk meningkatkan daya guna
yang lebih baik.
Berat jenis concrete foam berkisar antara 600-1600 kg/m3. Karena itu
keunggulan utama concrete foam adalah pada beratnya. sehingga apabila digunakan
pada bangunan tinggi (high rise building) akan dapat mengurangi berat bangunan
tersebut secara signifikan.
Universitas Sumatera Utara
23
Untuk mengetahui kekuatan dan perilaku mekanik dari beton ringan tersebut,
dilakukan pengujian lebih lanjut. Adapun metode pengujian yang akan dilakukan
adalah simulasi ANSYS statik dan dinamik serta validasi data dinamik dilakukan
dengan uji impak jatuh bebas.
1.3 Tujuan Penelitian
1.3.1 Tujuan umum
Tujuan umum pada penelitian ini adalah untuk mendesain dan menganalisa
respon mekanik struktur Cover bump paduan bahan Concrete Foam diperkuat serat
TKKS dengan analisa simulasi ANSYS dan membandingkan simulasi parking
bumper dari tipe A, B dan tipe C [8].
1.3.2 Tujuan khusus
Adapun tujuan khusus penelitian ini adalah:
1.
Melakukan desain dan membuat model 3D Cover bump paduan bahan
Concrete Foam diperkuat serat TKKS dengan menggunakan ANSYS.
2.
Mendapatkan respon mekanik dan pola kerusakan produk akibat beban
impak (sebagai fungsi parking bumper), distribusi tegangan dinamik
simulasi menggunakan ANSYS.
3.
Membandingkan
hasil
distribusi
tegangan
yang
diperoleh
uji
eksperimental jatuh bebas yang dilakukan peneliti sebelumnya dengan
hasil simulasi ANSYS.
Universitas Sumatera Utara
24
4.
Mendapatkan nilai kekuatan atau ketangguhan Cover bump bahan
Concrete Foam diperkuat serat TKKS tipe 1 dan tipe 2 dengan simulasi
menggunakan ANSYS.
1.4 Batasan Masalah Penelitian
Adapun batasan masalah penelitian sebagai berikut:
1. Melakukan desain dan menggambar 3D Cover bump paduan bahan
Concrete Foam diperkuat serat TKKS dengan dua tipe menggunakan
ANSYS.
2. Ukuran spesimen cover bump paduan bahan concrete Foam diperkuat
serat TKKS yang
dibuat 920 × 200 × 150 mm. Sesuai dengan
aplikasinya pada saluran drainase di lahan parkir gedung Pasca Sarjana
Magister Teknik Mesin Universitas Sumatra Utara.
3. Simulasi numerik menggunakan software ANSYS untuk mengetahui dan
membandingkan mana yang lebih baik dan tangguh di antara 2 tipe
terhadap distribusi tegangan pada cover bump paduan bahan concrete
foam diperkuat serat TKKS.
Sejalan dengan pemberlakuan otonomi daerah sejak tahun 2000 menurut
Undang-Undang No. 22 Tahun 1999, maka masing-masing daerah otonomi yakni
propinsi dan kabupaten/Kota telah memiliki kewenangan penuh dalam penanganan
prasarana perkotaan didaerahnya masing-masing prasarana perkotaan meliputi
perumahan (houses), Jalan kota (Urban roads), Drainase (Drainage) Air minum
Universitas Sumatera Utara
25
(water supply), air limbah (waste water), persampahan (solid waste) dan pasar
(market).
Menurut SKSNI T-07-1990-F, drainase perkotaan adalah drainase di wilayah kota
yang berfungsi pengendalian kelebihan air permukaan, sehingga tidak mengganggu
masyarakat dan dapat memberikan manfaat bagi kegiatan kehidupan masyarakat
dengan tujuan prasarana drainase kota untuk:
1. Menjamin kesehatan dan kesejahtraan masyarakat
2. Melindungi alam dan lingkungan seperti tanah udara dan kualitas air
3. Menghindari bahaya, kerusakan materil, kerugian dan beban-beban lain yang
disebabkan oleh genangan air.
4. Memperbaiki kualitas lingkungan [9].
Aturan lebih terperinci dan tata cara, konsep dan aturan teknis terkait semua
tersusun dalam Peraturan Menteri Pekerjaan Umum Republik Indonesia Nomor 12
/PRT/M/2014
Universitas Sumatera Utara