BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian empiris pengujian sambungan geser ganda di bengkel kerja dan laboratorium terdiri dari tiga kelompok kegiatan, yaitu
penyiapan bahan,
pembuatan contoh uji dan pengujian. Penyiapan bahan-bahan kayu untuk pembuatan contoh uji sifat fisik dan mekanik kayu serta pembuatan batang sambungan geser ganda dilakukan di workshop pengerjaan kayu pada Bagian Teknologi Peningkatan Mutu Kayu. Pengujian
contoh uji sifat fisik kayu
dilakukan di Laboratorium Kayu Solid Bagian Teknologi Peningkatan Mutu Kayu, sedangkan pembuatan dan pengujian contoh uji sambungan, pengujian lentur paku dan kuat tumpu paku pada batang utama serta pengujian contoh uji sifat mekanik kayu dilakukan di laboratorium Keteknikan Kayu pada Bagian Rekayasa dan Desain Bangunan Kayu, Departemen Hasil Hutan Fakultas Kehutanan IPB, Bogor. Pengujian kuat tarik maksimum paku dilakukan di Bagian Metalurgi Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Serpong. Pengenalan atau identifikasi jenis kayu dilakukan di laboratorium Anatomi Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Departemen Kehutanan RI. Penelitian dilakukan selama kurang lebih 18 bulan mulai bulan Mei 2008 sampai dengan Oktober 2009. Pembagian waktu untuk setiap kegiatan yaitu mulai dari pengadaan bahan kayu dan penyiapan bahan uji dilakukan selama kurang lebih enam bulan sedangkan pembuatan contoh uji, pengujian, pengolahan dan analisa data dilakukan selama dua belas bulan. Bahan dan Alat Bahan penelitian adalah kayu lokal berasal dari daerah disekitar Bogor dan kayu luar Jawa yang memiliki sebaran berat jenis (BJ) atau specific gravity sangat rendah sampai sangat tinggi, antara lain kelompok BJ sangat rendah, yaitu kayu sengon (Paraserianthes falcataria); kelompok BJ sedang terdiri dari 5 jenis kayu, yaitu nangka (Arthocarpus sp), meranti merah (Shorea spp), borneo super, punak (Tetramerista glabra) dan rasamala (Altingia excelsa); kelompok BJ tinggi terdiri dari 3 jenis kayu, yaitu mabang (S.pachyphylla), kempas (Koompassia malaccensis), kapur (Dryobalanops spp) serta kelompok BJ sangat tinggi, yaitu
bangkirai (Shorea laevis). Bagian kayu yang digunakan tidak membedakan antara kayu gubal dengan kayu terasnya. Kayu sengon dan kayu nangka diperoleh dari penggergajian kayu yang berlokasi di Kampung Carangpulang, Desa Cikarawang, Dramaga, sedangkan kayu rasamala dari penggergajian di Desa Leuwiliang, Jasinga, Bogor. Tujuh jenis kayu tropis lainnya di peroleh dari toko bangunan di Bogor dalam bentuk balok kayu berukuran penampang 6 cm (tebal) x 12 cm (lebar) dengan panjang balok 400 cm. Ketujuh jenis kayu tersebut dipilih secara teliti dan cermat serta dipilah secara visual, yaitu pengamatan fisik kayu per individu balok pada keempat permukaan, meliputi keseragaman warna dan bentuk persegi balok, kelurusan balok, bebas dari cacat alami dan ukuran dimensi balok. Kadar air kesepuluh jenis kayu diperkirakan masih di atas 20%, maka sebelum diteliti kayu tersebut harus dikeringkan untuk mendapatkan kadar air kesetimbangan (KAK) atau kadar air kering udara. Bahan penelitian berupa balok kayu ini dipotong sepanjang 50 cm, ditumpuk rapi menggunakan batang-batang ganjal (sticker) dan dikeringkan secara alami di ruangan pada suhu kamar selama 75 hari. Bahan penelitian lainnya adalah paku tampang bulat dengan permukaan halus atau licin (smooth round nails) terdiri dari tiga ukuran diameter, yaitu 4,1 mm (panjangnya 10 cm); 5,2 mm (12 cm); dan 5,5 mm (15 cm). Pemilihan jenis paku bulat ini didasarkan atas pertimbangan bahwa paku tersebut tersedia dalam jumlah yang cukup dan mudah diperoleh di berbagai toko bangungan di seluruh Indonesia. Namun demikian karena keragaman mutu paku bulat di pasaran Indonesia cukup tinggi, maka dalam pemilihan dan penentuan mutu paku dilakukan asas kehati-hatian, yaitu hanya dipilih paku struktural yang mengandung unsur baja di toko besi dan bangunan tertentu di kota Bogor. Jumlah paku yang digunakan sebagai alat sambung untuk masing-masing jenis kayu adalah 252 batang paku. Pelat sambung yang digunakan adalah
pelat baja
berukuran penampang 1,5 cm (tebal) dan 12 cm (lebar) dengan panjang pelat 30 cm sebanyak 12 pasang (24 lempeng). Pada setiap lempeng baja dibuat lubang bor, dimana besar lubang tersebut disesuaikan dengan diameter paku sementara jarak lubang untuk paku disesuaikan dengan ukuran kayu dan pelat sambung (AWC, 2005).
24
Peralatan utama penelitian adalah Universal Testing Machine (UTM) merk Baldwin model 60WHVL- 60.000LB.CAP, seri 60WHVL-1017 kapasitas 30 ton digunakan untuk pengujian kekuatan sambungan geser ganda. UTM merk Instron series IX version 8.27.00 kapasitas 5 ton digunakan untuk pengujian kekuatan tekan maksimum sejajar serat kayu (Maximum Crushing Strength) dan UTM merk LogTech kapasitas 15.000 kgf untuk pengujian kekuatan tarik ultimat paku. Alat-alat penelitian yang digunakan dalam penyiapan dan pembuatan contoh uji adalah gergaji untuk memotong dan membelah kayu, meteran untuk mengukur panjang bahan dan contoh uji, mesin bor untuk melobangi kayu sebelum disambung serta mesin serut (double planner) untuk meratakan sisi tebal dan lebar kayu. Disamping peralatan utama digunakan juga peralatan pendukung penelitian, meliputi alat-alat untuk mengukur kadar air, kerapatan dan berat jenis kayu, yaitu kaliper untuk mengukur dimensi contoh uji, timbangan elektrik untuk mengukur berat contoh uji dan oven digunakan untuk mengeringkan contoh uji hingga kering tanur. Pembuatan contoh uji sambungan dilakukan dengan menggunakan palu untuk memukul atau memasukan (penetrasi) paku kedalam kayu, klem penjepit untuk menjepit kayu saat proses pemakuan kayu dengan pelat baja, dan gergaji besi digunakan untuk memotong paku setelah pengujian agar pelat baja terlepas dari kayu dan dapat digunakan kembali.
Metode Penelitian Metoda pengujian sifat fisik yang meliputi kerapatan, berat jenis dan kadar air didasarkan pada standar Amerika, yaitu American Society for Testing and Materials (ASTM) D-143 tahun 1994. Pengujian sifat mekanik meliputi kekuatan tekan sejajar serat kayu menggunakan standar Inggris BS-373 tahun 1957 dan kekuatan sambungan kayu, kekuatan lentur paku (nail bending yield strength) dan kuat tumpu paku (nail embedding strength) pada batang utama didasarkan pada metoda eksplorasi. Pengujian kuat tarik maksimum paku untuk penentuan kuat tumpu paku pada pelat sisi baja didasarkan pada ASTM 2000 : Test Method of Tension of Methallic Material, Standard E8. Kekuatan tarik sejajar serat kayu
25
diduga dari model atau persamaan empirik yang dikembangkan oleh Tjondro (2007). Dimensi contoh uji tekan sejajar serat kayu adalah 2 cm x 2 cm x 6 cm, dan contoh uji kadar air, kerapatan dan berat jenis dibuat dari contoh dan dimensi yang sama yaitu 5 cm x 5 cm x 5 cm. Contoh uji sambungan geser ganda dibuat dari 2 (dua) batang kayu dari jenis kayu yang sama dan berukuran sama, yaitu masing-masing batang berukuran penampang 6 cm (tebal) x 12 cm (lebar) dengan panjang 40 cm. Penyambungan mekanis antar dua batang dilakukan dengan menggunakan pelat sambung baja berukuran penampang 1,5 cm (tebal) x 12 cm (lebar) dengan panjang 30 cm. Pada setiap pelat sambung baja dibuat lubang sebesar ukuran diameter menurut masing-masing alat sambung paku. Selanjutnya pada setiap ukuran diameter paku per pelat sambung dibuat 4 (empat), 6 (enam), 8 (delapan) dan 10 (sepuluh) buah lubang sambungan. Contoh uji sambungan ini selanjutnya disebut sambungan geser ganda batang kayu dengan paku majemuk berpelat sisi baja atau selanjutnya cukup ditulis sambungan geser ganda. Pengaturan geometrik sambungan geser ganda mengacu pada AWC 2005 dan contoh sketsa gambar geometrik tersebut untuk 10 buah paku disajikan pada Gambar 1. Sketsa gambar contoh uji sambungan geser ganda menurut jumlah paku disajikan pada Gambar 2. Kekuatan contoh uji sambungan geser ganda maupun kekuatan contoh uji tekan sejajar serat kayu pengujian mekaniknya masing-masing dilakukan dengan menggunakan Universal Testing Machine (UTM) merk Baldwin dan UTM merk Instron.
Gambar 1 Geometrik contoh uji sambungan geser ganda untuk jumlah paku 10 buah
26
Gambar 2 Sketsa gambar contoh uji sambungan geser ganda menurut jumlah paku Pengujian Sifat Fisik Pengujian sifat fisik kadar air (KA), kerapatan (ρ) dan berat jenis (BJ) dilakukan sebagai berikut. Contoh uji ditimbang untuk mengetahui berat awal atau berat kering udara (B KU). Volume kering udara (V KU ) dihitung dengan mengalikan dimensi panjang, lebar dan tebal contoh uji. Pengukuran dimensi contoh uji tersebut dilakukan dengan menggunakan kaliper. Contoh uji kemudian dimasukkan kedalam oven bersuhu 103 ± 20C selama 24 jam dan kemudian ditimbang. Selanjutnya contoh uji dimasukkan kembali ke dalam oven dengan suhu yang sama selama 10 menit dan ditimbang kembali. Kegiatan ini dilakukan berulang sampai diperoleh berat konstan atau berat kering oven (B KO ). Berat jenis, kerapatan dan kadar air kayu dihitung dengan rumus berikut:
Dimana KA KU = kadar air kering udara (%)
27
Pengujian sifat mekanik kekuatan tekan maksimum sejajar serat kayu (F c// ) atau maximum crushing strength (MCS) dan kekuatan sambungan geser ganda dengan pembebanan uni-aksial tekan atau pembebanan lateral (ketahanan lateral atau lateral resistance) dilakukan sebagai berikut. Kekuatan Tekan Maksimum Sejajar Serat Kayu Pengujian tekan maksimum sejajar serat kayu dilakukan dengan memberikan beban pada arah sejajar serat kayu dengan kedudukan contoh uji vertikal, dengan pemberian beban perlahan-lahan sampai contoh uji mengalami kerusakan (Gambar 3).
Gambar 3 Pengujian kekuatan tekan maksimum sejajar serat kayu
Beban tersebut merupakan beban maksimum yang dapat diterima oleh contoh uji. Nilai kekuatan tekan maksimum sejajar serat kayu dihitung dengan rumus: F c// = P maks. /A Dimana: F c//
= kekuatan tekan maksimum sejajar serat kayu (kg/cm2)
P maks.
= beban maksimum sampai contoh uji mengalami kerusakan (kg)
A
= luas penampang contoh uji (cm2)
28
Kekuatan Tarik Sejajar Serat Kayu Kekuatan tarik sejajar serat kayu (Ft// ) untuk 10 jenis kayu yang diteliti dihitung dan ditentukan berdasarkan model atau persamaan empirik kuat tarik sejajar serat hasil penelitian Tjondro (2007) sebagai berikut : F t// = 172,5 G1,05 dimana G adalah berat jenis kayu yang dihitung berdasarkan berat kayu kering tanur terhadap volume pada KA kering udara (KA=12-15%). Kekuatan Sambungan Geser Ganda Percobaan I - Pendekatan Toritis Percobaan I dalam penelitian ini merupakan percobaan yang didasarkan atas pendekatan teoritis dalam menentukan kekuatan atau nilai disain lateral Z sambungan geser ganda. Nilai disain lateral Z yang dimaksud dalam penelitian ini adalah notasi yang menggambarkan nilai beban ijin (format ASD-Allowable Stress Design) per paku sambungan geser ganda (double shear connections) yang diperoleh dari persamaan batas leleh (yield limit equations)(AWC, 2005). Pada praktek konstruksi kayu dilapangan nilai disain lateral rujukan Z ini harus dikonversi (digandakan) kedalam nilai disain yang disesuaikan Z’. Faktor-faktor penyesuaian tersebut meliputi faktor lama pembebanan (C D ), faktor layanan basah/penyesuaian kadar air (C M ), faktor suhu (C t ), faktor end grain (C eg ), faktor diafragma (C di ) dan faktor toenail (C tn). Sambungan paku pada bangunan struktural yang digunakan secara cermat dan teliti dibawah kondisi ini, faktorfaktor penyesuaiannya sama semuanya, yaitu nilainya 1 (satu) sehingga Z’=Z dalam format ASD. Penelitian ini membatasi nilai disain lateral rujukan Z sambungan geser ganda batang kayu dengan paku berpelat sisi baja dalam format ASD (bukan LRFD) dimana sambungan didisain sedemikian rupa sehingga semua faktor penyesuaian nilainya = 1. Dengan demikian besar nilai disain lateral rujukan Z = nilai disain lateral yang disesuaikan Z’. Menurut Wiryomartono (1977) untuk aplikasi struktural maka beban ijin per paku “Z” sambungan tampang dua “double shear connections” harus
29
diperhitungkan 2 kali lebih besar dari sambungan tampang satu “single shear connections”. Nilai Z dari sambungan geser ganda dengan pembebanan lateral (lateral resistance), yaitu arah gaya tegak lurus terhadap sumbu memanjang paku dan arah sumbu memanjang paku tegak lurus terhadap serat kayu dianalisis menggunakan teori (persamaan batas kekuatan) yang dikembangkan berdasarkan mekanika teknik yang memperhitungkan geometrik sambungan dan sifat-sifat mekanik bahan. Persamaan batas nilai disain acuan atau lateral Z ini diturunkan melalui serangkaian pengujian kekuatan lentur paku (nail bending yield strength) (Fyb ); kekuatan tumpu paku pada batang utama kayu (main member nail bearing strength) (F em ) dan kekuatan tumpu paku pada pelat sisi baja (side member nail bearing strength) (F es ) dari berbagai ukuran dan mutu. Dalam penelitian ini diasumsikan tumpuan sambungan yang digunakan pada kedua pelat baja adalah tumpuan pin (pinned support), sehingga formula atau rumus umum untuk menghitung Z dari sambungan geser ganda batang kayu-pelat baja dengan alat sambung paku (AWC, 2005) sebagai berikut : a. Z = D(ℓ m )(F em )/R d apabila kerusakan terjadi pada batang utama kayu (main member) sedangkan alat sambung paku masih utuh atau tidak mengalami kerusakan sama sekali, dan b. Z = 2D(ℓ s )(Fes )/R d apabila kerusakan terjadi pada kedua pelat sisi baja dan alat sambung paku masih utuh; c. Z = 2k 3 D(ℓ s )(Fem )/(2+R e )R d apabila alat sambung paku melentur (plastic hinge) dan terjadi kerusakan pada pelat sisi baja; d. Z = (2D2/R d ) √2(F em )(F yb )/3(1+R e ) apabila alat sambung paku melentur (plastic hinge) pada kedua bagian (balok kayu dan pelat sisi baja), dimana : Z D Fyb lm ls Fem Fes Rd
= = = = = = = =
Persamaan batas leleh (lb.) Diameter paku (in.) Kekuatan lentur leleh paku (psi) Penetrasi paku kedalam batang utama kayu (in.) Penetrasi paku kedalam pelat sisi baja (in.) Kekuatan tumpu paku pada batang utama kayu (psi) Kekuatan tumpu paku pada pelat sisi baja (psi) Faktor reduksi
30
k3
=
Re
=
Berdasarkan pendekatan rumus F yb = 130,4 – 213,9D (AWC, 2005) maka nilai F yb untuk ukuran diameter paku 4,1 mm (0,162 in); 5,2 mm (0,207 in); dan 5,5 mm (0,216 in) masing-masing adalah 96 ksi, 86 ksi, dan 84 ksi. Pada aplikasi konstruksi kayu dilapangan nilai Fyb
tersebut pada Tabel NDS dibulatkan
menjadi 90, 80, dan 80 psi. Dalam AWC (2005) dinyatakan bahwa tipe kerusakan untuk sambungan geser ganda dibagi menjadi 4 mode. Mode kerusakan sambungan geser tunggal (single shear connections) dan geser ganda (double shear connections) menurut rumus diatas berturut-turut dikenal dengan nama mode kerusakan I m, I s , III s dan IV (Gambar 4).
(Sumber : Breyer et al. 2007)
Gambar 4
Mode kerusakan sambungan geser tunggal (single shear connections) dan geser ganda (double shear connections)
31
Nilai faktor reduksi R d ditetapkan berdasarkan ketentuan yang tercantum dalam AWC (2005), sebagaimana disajikan pada Tabel 1. Tabel 1 Faktor reduksi R d menurut ukuran alat sambung dan mode kerusakan Ukuran Alat Sambung
Mode Kerusakan
0.25”≤ D ≤1”
Im, Is II IIIm, IIIs, IV Im, Is, II, IIIm, IIIs, IV
D < 0.25”
Faktor Reduksi Rd 4 KӨ KӨ KӨ KD
Sumber : (AWC, 2005) Keterangan : KӨ = 1 + 0.25 (Ө/90) Ө = sudut antara arah beban terhadap serat kayu (0o ≤ sembarang batang kayu dalam sebuah sambungan D = diameter alat sambung (in.) = 2.2 untuk D ≤ 0.17” KD KD = 10 D + 0.5 untuk 0.17” ≤ D ≤ 0.25”
Ө
≤ 90o) untuk
Menurut sifat pengujiannya, kekuatan tumpu paku pada batang kayu atau nail bearing strength for wood member (Fe ) memiliki nilai yang berbeda tergantung jenis kayu (berat jenis) yang digunakan baik sebagai batang utama (main
member)(Fem )
maupun
sebagai
batang
tepi
dalam
bentuk
balok/papan/papan komposit (side member)(Fes ) dari sambungan geser ganda. AWC (2005) menyajikan daftar kekuatan tumpu paku pada batang kayu (Fe ) berdasarkan berat jenis kayu untuk paku berdiameter kurang dari 6,4 mm (D ≤ 0,25”) sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 2. Dengan demikian berdasarkan Tabel 2 tersebut data berat jenis sepuluh jenis kayu pada penelitian ini dapat digunakan untuk menentukan nilai kekuatan tumpu paku pada batang utama kayu (Fem ). Sedangkan pada konteks sambungan paku menggunakan pelat sisi baja, nilai Fes untuk batang utama dan batang tepi juga berbeda. Kekuatan tumpu paku pada pelat sisi baja (F es ) yang dalam proses pembuatannya mendapat perlakuan dingin (cold-rolled steel side member), secara konservatif dapat ditetapkan besarnya, yaitu F es = 1,357 F u dimana Fu adalah kekuatan tarik ultimat pelat sisi baja (ultimate tensile strength of the steel side plate). Pada sisi lain apabila Fes
32
ditetapkan berdasarkan pelat sisi baja yang proses pembuatannya mendapat perlakuan panas (hot-formed steel side member), maka digunakan rumus Fes = 1,5 Fu . Pada penelitian ini digunakan paku dan pelat sisi baja yang diasumsikan dalam proses pembuatannya mendapat perlakuan dingin maka nilai Fes yang dipakai adalah sebesar 61850 psi (AWC, 2005). Tabel 2 Kekuatan tumpu paku (F e ) berdasarkan berat jenis kayu untuk paku berdiameter kurang dari 6,4 mm Berat Jenis, G 0,73 0,72 0,71 0,70 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 0,61 0,60 0,59 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43
F e ( D < ¼” ) (psi) 9.300 9.050 8.850 8.600 8.400 8.150 7.950 7.750 7.500 7.300 7.100 6.900 6.700 6.500 6.300 6.100 5.900 5.700 5.550 5.350 5.150 5.000 4.800 4.650 4.450 4.300 4.150 4.000 3.800 3.650 3.500
Sumber : (AWC, 2005) Nilai-nilai hasil perhitungan kekuatan tumpu paku dibulatkan keangka 50 psi. Dari semua data yang diperoleh selanjutnya dihitung nilai Z. Nilai Z yang 33
digunakan dan dianalisis dalam penelitian ini ditetapkan dari nilai Z minimum yang diperoleh dari perhitungan keempat persamaan batas leleh kekuatan sambungan geser ganda. Apabila nilai berat jenisnya tidak tercantum dalam Tabel 2, maka menurut AWC (2005) dapat digunakan rumus Fe (D < ¼”) = 16600 G1.84, dimana Fe adalah kekuatan tumpu paku (psi), D diameter paku (in) dan G berat jenis kayu yang diukur pada kondisi kering tanur.
Percobaan II - Pendekatan Teoritis dan Empiris Percobaan II dalam penelitian ini merupakan hibrida antara pendekatan teoritis dengan uji empiris. Penentuan nilai disain lateral Z yang dilakukan pada percobaan II dibedakan atas 2 (dua) standar pendekatan, yaitu Amerika Serikat (AWC, 2005) dan Uni Eropa, Eurocode 5 (EC5) (Porteous dan Kermani, 2007). AWC (2005) menggunakan istilah nilai disain lateral rujukan Z dan pendekatan teoritis yang dimaksud pada percobaan II ini adalah tetap menggunakan 4 persamaan batas leleh (Z) sambungan geser ganda batang kayu dengan paku tunggal berpelat sisi baja pada berbagai diameter paku, namun beberapa variabel kunci diuji secara empiris. Variabel kunci yang dimaksud adalah kekuatan lentur paku (Fb ), kekuatan tumpu paku pada batang utama kayu (Fem ) dan kekuatan tumpu paku pada pelat sisi baja (Fes ). Pengujian lentur paku adalah pengujian sifat mekanis atau kekuatan lentur paku yang dilakukan dengan memberikan beban terpusat ditengah bentang pada arah tegak lurus sumbu memanjang paku secara perlahan-lahan sampai contoh uji mengalami kerusakan. Beban tersebut merupakan beban maksimum yang dapat diterima oleh paku. Notasi F yb pada percobaan I yang digunakan untuk menentukan persamaan batas leleh (Z) diasumsikan dapat digantikan oleh Fb pada percobaan II. Hal ini dilakukan dengan pertimbangan bahwa walaupun Fb > Fyb dan Fb diasumsikan dapat digunakan pada persamaan batas leleh, nilai disain lateral rujukan Z yang dihasilkan dari percobaan II ini masih relevan untuk diperbandingkan dengan percobaan I (teoritis) dan III (empiris). Sama seperti percobaan I (teoritis), nilai disain lateral Z pada percobaan II juga harus dikonversi dengan beberapa faktor penyesuaian untuk mendapatkan
34
nilai disain Z’. Pada percobaan II juga sambungan didisain sedemikian rupa sehingga semua faktor penyesuaian nilainya = 1. Dengan demikian besar nilai disain lateral rujukan Z = nilai disain lateral yang disesuaikan Z’. Pengujian hibrida (II) ini dilakukan dengan menggunakan Universal Testing Machine merk Instron series IX version 8.27.00. Gambar 5 memperlihatkan uji sifat mekanik atau kekuatan lentur paku.
Gambar 5 Pengujian kekuatan lentur paku Modulus of Rupture (MOR) atau kekuatan lentur paku (Fb ) dihitung dengan menggunakan rumus F b = P max. L/πr3, dimana P max. = beban maksimum (kg), L = panjang bentang (cm) dan r = jari-jari penampang paku (cm). Nilai F yb menurut AWC (2005) ditetapkan pada batas leleh paku (5% offset diameter), namun dalam penelitian ini lebih mengacu pada beban atau batas maksimum (Fb ). Pengujian kekuatan tumpu paku merupakan pengujian pembenaman paku pada batang utama kayu. Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan Universal Testing Machine merk Instron series IX version 8.27.00. Pengujian kekuatan tumpu paku tersebut dilakukan dengan memberikan beban merata pada arah tegak lurus sepanjang sumbu batang paku secara perlahan-lahan sampai paku terbenam atau tertanam dalam kayu. Beban tersebut merupakan beban maksimum yang dapat diterima oleh kayu. Ukuran penampang contoh uji kekuatan tumpu paku adalah 5,5 cm x 5,0 cm x 20 cm. Pengujian kekuatan tumpu paku pada batang utama kayu (Fem ) dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut : Fem = P maks. /Dt,
35
dimana Pmaks. = beban maksimum benam paku kedalam batang kayu (maximum embedding load)(kg), D = diameter paku (cm) dan t = tebal batang utama kayu (cm). Alat pendukung dan pengujian kekuatan tumpu paku
disajikan pada
Gambar 6.
(a)
(b)
Gambar 6 Disain alat pendukung uji kekuatan tumpu paku (a) dan pengujian kekuatan tumpu paku (b) Pengujian kekuatan tarik ultimat/maksimum paku atau nail ultimate tensile strength (F un ) merupakan pengujian sifat mekanis paku untuk keperluan penentuan kekuatan tumpu paku pada pelat sisi baja (Fes ). Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan Universal Testing Machine merk LogTech kapasitas 15.000 kg. Pengujian kekuatan tarik maksimum paku tersebut dilakukan dengan memberikan beban tarik pada arah sejajar sumbu batang paku secara perlahanlahan sampai paku mengalami kerusakan. Beban tersebut merupakan beban ultimat/maksimum (Pun ) yang dapat diterima oleh paku. Ukuran luas penampang paku berdiameter 4,1 mm; 5,2 mm; dan 5,5 mm masing-masing adalah 0,1321 cm2 ; 0,2125 cm2; dan 0,2377 cm2. Kekuatan tarik maksimum paku dihitung dengan menggunakan rumus Fun = Pun /A, dimana P un = beban atau gaya tarik ultimat/maksimum paku (kg) dan A = luas penampang paku (cm2). Kekuatan tumpu paku pada pelat sisi baja (Fes ) dihitung menurut asumsi bahwa pelat baja dibentuk pada proses dingin (cold-formed steel side members) yang menurut AWC (2005) besarnya Fes = 1,375 F u . Menurut Breyer et al. (2005) sebenarnya
36
yang dimaksud variabel Fu dalam persamaan tersebut adalah kekuatan tarik ultimat dari material pelat bajanya (side member). Namun dalam penelitian ini karena tingkat kesulitan dan kerumitan pembuatan contoh uji tarik maksimum dari material pelat baja sangat tinggi termasuk didalamnya perangkat uji mekaniknya, maka sebagai pengganti digunakan paku sebagai contoh uji. Hal ini dilakukan dengan asumsi bahwa mutu material pelat baja dianggap sama dengan material paku. Mesin pengujian universal (UTM) untuk uji mekanik kekuatan tarik maksimum paku disajikan pada Gambar 7.
Gambar 7 Pengujian kekuatan tarik maksimum paku Pada pendekatan standar Uni Eropa, Eurocode 5 (EC5) (Porteous dan Kermani, 2007) digunakan istilah kapasitas dukung beban karakteristik per paku per bidang geser (characteristic load-carrying capacity per nail per shear plane) (Fd.1 ) sebagai pengganti nilai disain lateral Z sambungan geser ganda batang kayu dengan pelat baja. Rumus yang digunakan untuk menghitung nilai disain lateral Z adalah :
Fd,1 = 2.3 √M y,Rk · fh,2,k · d + (0.25) Fax,Rk , dimana : F d,1
= kapasitas dukung beban karakteristik per paku per bidang geser (N)
M y,Rk = momen leleh paku karakteristik (N/mm) f h,2,k
= kekuatan lekat/benam karakteristik paku kedalam batang kayu (MPa)
d
= diameter paku (mm)
Fax,Rk = kapasitas cabut paku karakteristik (N).
37
Rumus di atas berlaku untuk sambungan geser ganda batang kayu dengan paku tunggal berpelat sisi baja, dimana spesifikasi ukuran pelat baja tergolong pelat tebal. Momen leleh paku karakteristik atau characteristic nail yield moment untuk paku bulat permukaan halus/licin (diameter < 6,00 mm) dihitung dengan rumus M y,Rk = 0,3 f u d2.6, dimana f u adalah kekuatan tarik paku (N/mm2) dan d adalah diameter paku (mm). Pada percobaan II tidak dilakukan pengujian kekuatan cabut paku, sehingga dalam perhitungan nilai F d,1 digunakan pendekatan penentuan F ax,Rk kapasitas cabut paku karakteristik berdasarkan rumus Fax,Rk atau P = 7.850 G5/2DL pada sesaran sambungan 0,015 in., dimana P = beban maksimum (pounds); L = penetrasi paku kedalam kayu (in.); G = kerapatan atau berat jenis kayu berdasarkan berat per volume pada kadar air 12%; D = diameter paku (in.) (FPL, 1999). Berbeda dengan pendekatan standar Amerika (AWC, 2005), dimana pada percobaan II ini nilai kekuatan lentur leleh paku (Fyb ) pada rumus Z digantikan dengan kekuatan lentur paku (Fb ), sedangkan pada pendekatan standar Uni Eropa, EC5 (Porteous dan Kermani, 2007) penghitungan Z atau Fd,1 betulbetul menggunakan momen lentur pada batas leleh (M y,Rk ).
Percobaan III - Pendekatan Empiris Percobaan III dalam penelitian ini merupakan uji empiris (laboratorium) dalam rangka menentukan nilai disain lateral Z sambungan geser ganda pada berbagai diameter dan jumlah paku sepuluh jenis kayu tropis Indonesia. Pada pengujian sambungan tarik sangat sulit menentukan beban maksimumnya.
Dalam pengujian kekuatan kayu sebagai bahan pada saat
mencapai beban maksimum (bahan telah mengalami kerusakan) umumnya tidak akan terjadi peningkatan beban lagi walaupun pengujian terus dilanjutkan. Keadaannya berbeda untuk pengujian sambungan tekan batang kayu, dimana beban akan meningkat terus walaupun telah dicapai beban maksimum atau kerusakan awal dari sambungan. Hal ini disebabkan karena setelah beban maksimum pertama dicapai dan pengujian tetap dilanjutkan terjadi pemadatan selsel kayu yang dapat menyebabkan penambahan beban lagi. Oleh karena itu pada pengujian sambungan geser ganda akibat beban uni-aksial tekan tersebut perlu
38
ditentukan berapa besarnya beban yang terjadi pada
displacement (sesaran)
tertentu. Pada penelitian ini ditentukan nilai Z tersebut pada beberapa sesaran, yaitu pada sesaran 0,38 mm (FPL, 1999); 0,80 mm (Standar Australia); 1,50 mm (PPKI,1961) dan pada sesaran 5,00 mm. Pada tiga sesaran yang disebutkan pertama diasumsikan bahwa beban yang bekerja pada sambungan masih berada di daerah elastis-linier dari kurva gaya-sesaran. Sedangkan pada sesaran yang disebutkan terakhir standar pengujian sambungan geser ganda mengindikasikan bahwa pada sesaran 5,00 mm baik single maupun double shear connections diasumsikan telah mengalami kerusakan/kehancuran/keruntuhan (daerah plastisinlinier). Nilai disain lateral Z kekuatan sambungan geser ganda menurut berbagai sesaran ini diperoleh secara empiris melalui pengujian di laboratorium. Pengujian sambungan geser ganda disajikan pada Gambar 8. Disamping nilai Z menurut berbagai sesaran yang diperoleh secara empiris tersebut
dilakukan pula penentuan beban pada batas proporsional dan batas
maksimum. Pendekatan untuk menetapkan batas proporsional dilakukan dengan cara memotong persamaan regresi linier sederhana pada daerah elastis (garis A) dengan persamaan regresi polynomial pada daerah plastis (garis B) dari kurva gaya-sesaran. Sedangkan beban pada titik ultimat/maksimum diperoleh dengan cara memotong persamaan regresi polynomial daerah plastis (garis B) dengan persamaan regresi linier sederhana daerah inelastis/plastis (garis C) dari kurva gaya-sesaran, sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 9.
(a)
(b)
(c)
Gambar 8 Pengujian sambungan geser ganda dengan pembebanan uni-aksial tekan : (a) UTM Baldwin, (b) contoh uji dengan 6 batang paku dan (c) contoh uji dengan 10 batang paku
39
Beban (N)
Sesaran (mm)
Gambar 9 Batas proporsional dan maksimum pada kurva beban-sesaran
Nilai-nilai disain lateral Z yang diperoleh melalui pendekatan teoritis (percobaan I) dan pendekatan hibrida (percobaan II) diperbandingkan terhadap nilai Z hasil pengujian empiris (percobaan III), terutama yang didasarkan atas standar Amerika Serikat (AWC, 2005), Australia (SAA) dan Indonesia (PKKI 1961). Analisis perbandingan ini dilakukan untuk melihat sampai seberapa jauh deviasi nilai Z yang terjadi baik melalui pendekatan teoritis, hibrida maupun pendekatan empiris. Alur pemikiran penelitian sambungan geser ganda batang kayu dengan paku majemuk berpelat sisi baja disajikan pada Gambar 10. Untuk mengetahui perilaku dan menentukan besar pengaruh diameter dan jumlah paku terhadap kekuatan sambungan geser ganda sepuluh jenis kayu, maka data pengamatan diolah dan dianalisis dengan menggunakan percobaan faktorial dalam rancangan kelompok/blok 3 x 4 x 10. Faktor ukuran diameter paku (A) terdiri dari 3 variasi, yaitu A1 = 4,1 mm, A 2 = 5,2 mm, A 3 = 5,5 mm dan faktor jumlah paku (B) terdiri dari 4 variasi, yaitu B 1 =4 buah, B 2 =6 buah, B 3 =8 buah dan B 4 =10 buah. Sedangkan faktor jenis kayu (C) merupakan kelompok/blok terdiri dari 10 jenis, yaitu C 1 =sengon, C 2 =nangka, C 3 =meranti merah, C 4 =borneo super, C 5 =punak, C 6 =rasamala, C 7 =mabang, C 8 =kempas, C 9 =kapur dan C 10 =bangkirai. Dalam setiap satuan percobaan dilakukan tiga kali ulangan. Model umum statistik linier dari penelitian ini adalah sebagai berikut : Y ijk = µ+ A i + B j + (AB) ij + C k + ε ijkl, dimana :
40
Y ijk
= nilai pengamatan pada factor A taraf ke-i factor B taraf ke-j pada ulangan ke-l µ = rataan umum Ai = pengaruh utama faktor A taraf ke-i Bj = pengaruh utama faktor B taraf ke-j (AB) ij = pengaruh interaksi faktor A taraf ke-i dan faktor B taraf ke-j Ck = pengaruh kelompok/blok C taraf ke-k εijkl = kesalahan (galat) percobaan pada faktor A taraf ke-i dan faktor B taraf ke-j kelompok/blok C taraf ke-k ulangan ke-l. Apabila pengaruh faktor utama dan kelompok/blok atau interaksi antar faktor utama nyata pada tingkat kepercayaan 95% atau 99%, maka pengolahan dan analisis data dilanjutkan dengan menggunakan uji beda wilayah Duncan. Perangkat lunak yang digunakan untuk analisis regresi linier sederhana adalah MINITAB v.15.1 dan untuk analisis sambungan dengan metode elemen hingga menggunakan perangkat lunak ADINA v.8.5.2.
PERCOBAAN I (TEORITIS)
PERCOBAAN II (TEORITIS-EMPIRIS)
PERCOBAAN III (EMPIRIS)
Gambar 10 Diagram alir penelitian kekuatan sambungan geser ganda batang kayu dengan paku majemuk berpelat sisi baja sepuluh jenis kayu
41
