Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016
ANALISIS KEKUATAN TARIK BOLTED JOINT STRUKTUR KOMPOSIT C-GLASS/EPOXY BAKALITE EPR 174 Ariansyah Pandu Surya1, Lies Banowati2 dan Devi M. Gunara3 1, 2, 3
Jurusan Teknik Penerbangan, Universitas Nurtanio Bandung Jl. Padjajaran No. 219, Cicendo, Jawa Barat 40174 1
Email:
[email protected] 2
Email:
[email protected]
ABSTRAK Dewasa ini perkembangan material komposit sangatlah pesat, salah satu penguat yang saat ini sudah dikembangkan yaitu fiber glass. Material ini akan digunakan pada struktur tertentu, tetapi adanya lubang seringkali menjadi permasalahan serius, karena dengan adanya lubang akan menimbulkan terjadinya konsentrasi tegangan yang mengakibatkan terjadinya kerusakan pada struktur. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kekuatan tarik bolted joint dari struktur material komposit berpenguat fiber glass dan bermatriks epoxy. Matriks yang digunakan dalam penelitian ini adalah resin epoxy bakalite EPR 174 dengan hardener V-140. Metode manufaktur yang digunakan adalah hand lay-up dengan variasi arah serat unidirectional 0˚ dan ±45˚ (woven)dengan diameter lubang bolted joint sebesar 6 mm. Hasil pengujian dianalisis dengan metode distribusi two-parameter weibull. Kesimpulan dari penelitian ini diperoleh kekuatan tarik maksimum pada keandalan 50% untuk arah serat unidirectional 0˚ sebesar 29,71 MPa dan untuk arah serat ±45˚ (woven) sebesar 42,48 MPa. Kata kunci : Fiberglass, resin epoxy, komposit bolted joint, tensile strength.
PENDAHULUAN Dengan perkembangan dunia industri sekarang ini, kebutuhan material untuk sebuah produk bertambah. Material yang dibutuhkan tidak hanya harus memiliki kekuatan dan ketangguhan yang tinggi, tetapi juga harus mempunyai berat yang ringan, khusus nya dalam dunia penerbangan. Karena hal tersebut maka dewasa ini material komposit mulai banyak dikembangkan. Manfaat utama dari penggunaan komposit adalah mendapatkan kombinasi sifat kekuatan serta kekakuan tinggi dan berat jenis yang ringan. Penggunaan material yang siap diaplikasikan sebagai komponen pada suatu struktur menuntut adanya peningkatan sifat mekanis yang tinggi. Para rekayasawan pun selalu melakukan berbagai kajian riset untuk merekayasa material baru yang memiliki sifat fisis-mekanis lebih baik, seperti bahan baru komposit. Komposit berpenguat serat merupakan jenis komposit yang paling banyak dikembangkan. Hampir semua komponen, baik logam maupun non logam, mengalami proses penyambungan (joining) dengan komponen lain. Komponen logam dapat disambung dengan las, dibaut, dan dikeling. Namun khusus bahan non metal seperti komposit, penyambungannya tidak dapat dilakukan dengan pengelasan. Salah satu jenis sambungan yang cocok untuk bahan komposit adalah sambungan baut (bolt) dan keling (rivet). Penyambungan ini memerlukan lubang sebagai tempat dudukan baut (bolt) atau keling (rivet). Daerah sekitar lubang merupakan daerah kritis terhadap awal terjadinya kegagalan. Teknik pembuatan lubang dan variasi diameter lubang sangat menentukan kekuatannya, khususnya di
TM-10
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 daerah sekitar lubang. Teknik pembuatan lubang pada komposit dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu pembuatan lubang dengan cara dicetak dan dibor. Teknik penguatan daerah sekitar lubang dapat dilakukan dengan cara mengatur arah serat sebagai penguat yang akan menghambat terjadinya kerusakan pada komposit. Serat tersebut berfungsi untuk menyalurkan atau mendistribusikan tegangan yang terjadi akibat beban tarik pada saat pengujian sehingga dengan mengatur arah serat yang sesuai akan meminimalkan kemungkinan terjadinya perambatan retak yang akan berpengaruh terhadap kekuatan komposit tersebut. Sifat-Sifat Tarik Komposit Salah satu faktor penting yang menentukan karakteristik dari komposit adalah perbandingan matriks dan penguat/serat. Perbandingan ini dapat ditunjukkan dalam bentuk fraksi volume serat (𝑉𝑓 ) atau fraksi massa serat (𝑚𝑓 ). Menurut (Berthelot, 1999) fraksi volume serat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: 𝑚𝑓 𝜌𝑓
𝑉𝑓=
𝑚𝑓 𝑚 + 𝑚 𝜌𝑓 𝜌𝑚
𝑥 100 %
(1)
Kekuatan tarik dapat dihitung dengan persamaan: 𝐹
σ=𝐴
(2)
𝑜
Regangan dapat dihitung dengan persamaan (ASTM, 2002): ε=
𝑙𝑖−𝑙0 𝑙0
∆
= 𝑙𝑙
(3)
0
Berdasarkan kurva uji, modulus elastisitasdapat dihitung dengan persamaan berikut: 𝐸=
∆𝜎
(4)
∆𝜀
Bolted Joint Ada banyak metode untuk sambungan material komposit, seperti bolted joints, fastening joints, dan penggabungan lainnya. Bolted joints adalah salah satu metode sambungan mekanik yang paling efisien, karena biaya rendah dan bebas perlakuan permukaan. Bolted joint ini membutuhkan lubang yang di bor pada material komposit, sehingga menyebabkan konsentrasi tegangan tinggi yang kemudian mengurangi kekuatan struktur. Oleh karena itu untuk desain yang handal, proses bolted joint ini pengerjaannya harus mempertimbangkan tentang bagaimana tingkat terjadinya kegagalan. Kegagalan ini dapat dihindarkan dengan mengurangi konsentrasi tegangan disekitar lubang, dengan cara menghaluskan permukaan lubang tersebut. Weibull Distribution Distribusi two-parameter Weibull digunakan untuk menganalisis hasil pengujian yang mempunyai kemampuan untuk memodelkan data percobaan dengan karakteristik yang sangat berbeda dan merupakan metode praktis untuk menentukan peluang kegagalan dari kelangsungan hidup material sebagai fungsi dari stress yaitu nilai keandalan 50% dan 90%.
TM-11
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Menurut (Pasha, 2006) Distribusi weibull dua parameter dan regresi linier dapat dihitung dengan persamaan 5 dan 6: 𝑥 𝑐
𝐹(𝑥; 𝑏, 𝑐) = 1 − exp(− (𝑏) )
(5)
1
𝑙𝑛 (ln (1−𝐹(𝑥;𝑏,𝑐))) = 𝑐 ln 𝑥 − 𝑐 ln 𝑏
(6)
Fungsi keandalan dapat dihitung dengan persamaan : 𝑥 𝑐
𝑅(𝑥; 𝑏, 𝑐) = exp (− (𝑏) )
(7)
METODA PENELITIAN Bahan Penelitian Bahan dasar yang digunakan pada penelitian ini adalah Fiber glass dengan tipe C-glass yang diperoleh dari PT.Justus Kimiaraya di bandung. C-glass divariasikan terhadap 2 arah serat yaitu unidirectional 0˚ dan ±45º (woven), sedangkan matriks menggunakan Epoxy bakalite EPR 174 dengan hardener V-140. Metoda Manufaktur Hand Lay-up Komposit dibuat dengan metode hand lay-upuntuk fraksi volume serat (𝑉𝑓 ) 50%. Cetakan pada proses manufaktur komposit terbuat dari pelat alumunium dengan tebal 2 mm. Sebelum melakukan laminasi pelat alumunium tersebut harus dioleskan wax terlebih dahulu lalu dikeringkan sekitar 5 menit agar pada saat proses removed komposit tidak menempel dari cetakan. Cairan resin dioleskan diatas sebuah cetakan kemudian serat layer pertama diletakkan diatasnya, kemudian ratakan/rapihkan dengan menggunakan roller dan kuas resin. Selanjutnya spesimen uji tarik dipotong dengan menggunakan gerinda tangan. Kemudian SelaSpesimen dihaluskan menggunakan kertas amplas. Gambar 1 dan 2 menunjukkan spesimen uji tarik bolted joint komposit C-glass/Epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0o dan ±45o (woven).
Gambar 1 Spesimen Uji Tarik Bolted Joint Komposit C-glass/Epoksi Bakalite EPR 174 Unidirectional 0o
TM-12
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016
Gambar 2 Spesimen Spesimen Uji Tarik Bolted Joint Komposit C-glass/Epoksi Bakalite EPR 174 ±45o (woven) Pengujian tarik komposit bolted joint single-lapdilakukan di Laboratorium Teknik Produksi FTMD ITB. Mesin uji tarik yang digunakan adalah Tensilon RTF-1310 denganmenggunakan standar pengujian ASTM D 3039. HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat Tarik Bolted Joint Komposit C-glass/Epoksi bakalite EPR 174 Untuk mendapatkan sifat mekanik bolted joint komposit C-glass/Epoksi bakalite EPR 174 dilakukan pengujian spesimen di Laboratorium Teknik Produksi milik ITB menggunakan mesin uji tarik Tensilon RTF-1310 dengan jumlah spesimen sebanyak 5 sampel untuk setiap variasi arah serat. Gambar 3 dan 4 menunjukkan hasil uji tarik spesimen komposit bolted joint Cglass/Epoksi bakalite EPR 174 Unidirectional 0o dan ±45o (woven).
Gambar 3 Spesimen Hasil Uji Tarik Bolted Joint Komposit C-glass/Epoksi Bakalite EPR 174 Unidirectional 0o
Gambar 4 Spesimen Hasil Uji Tarik Bolted Joint Komposit C-glass/Epoksi Bakalite EPR 174 ±45o (woven)
TM-13
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Pada Gambar 4. menunjukkan bahwa modus kegagalan yang terjadi adalah adanya keretakan searah serat unidirectional 0° (ditandai lingkaran warna kuning), sedangkan pada Gambar 5. menunjukkan bahwa modus kegagalan yang terjadi adalah keretakan menyebar pada arah serat ±45o yang hampir menyerupai lingkaran pada sisi lubang bolted joint dan perambatan retaknya dihambat oleh susunan serat saling menyilang pada arah ±45°(woven). Hal tersebut menunjukkan bahwa kontruksi bolted joint pada komposit dengan susunan arah serat ±45° (woven) lebih kuat dibandingkan dengan arah serat 0º. Grafik Hasil uji tarik untuk spesimen bolted joint komposit C-glass/Epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0o dan ±45o (woven) ditunjukkan pada gambar 5 dan 6. 6000.00
Load (N)
5000.00
Speciment 1
4000.00 Speciment 2
3000.00 2000.00
Speciment 3
1000.00
Speciment 4
0.00 0.00
10.00
20.00
Speciment 5
Elongation (mm)
Load (N)
Gambar 5 Grafik Uji Tarik Spesimen Bolted Joint Komposit C-glass/Epoksi Bakalite EPR 174 Unidirectional 0° 9000.00 8000.00 7000.00 6000.00 5000.00 4000.00 3000.00 2000.00 1000.00 0.00
Speciment 1 Speciment 2 Speciment 3 Speciment 4 Speciment 5
0.00
20.00
Elongation (mm)
Gambar 6 Grafik Uji Tarik Spesimen Komposit C-glass/Epoksi Bakalite EPR 174 ±45°(woven) Grafik plot regresi linier bolted joint komposit C-glass/Epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0º ditunjukkan pada gambar 7. Sedangkan grafik hasil analisis uji tarik distribusi weibull ditunjukkan pada gambar 8 dan 9.
TM-14
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016
Gambar 7 Plot Regresi Linear Bolted Joint Komposit C-Glass/Epoksi Bakalite EPR 174 Unidirectional 0° Reliability spesimen (0°)
Gambar 8 Grafik Distribusi Weibull Uji Tarik Spesimen Bolted Joint Komposit C-glass/Epoksi Bakalite EPR 174 Unidirectional 0° Reliability spesimen (±45°)
Gambar 9 Grafik Distribusi Weibull Uji Tarik Spesimen Bolted Joint Komposit C-glass/Epoksi Bakalite EPR 174 Bidirectional ±45° (woven)
TM-15
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Tabel 1 menunjukkan perbandingan hasil analisis distribusi Weibull keandalan 50% untuk uji tarik spesimen bolted joint komposit C-glass/Epoksi bakalite EPR 174 unidirectional 0° dan bidirectional ±45° (woven) dengan fraksi volume serat 50%. Tabel 1 Perbandingan Analisis Distribusi Weibull Uji Tarik Spesimen Bolted Joint Komposit Cglass/Epoksi Bakalite EPR 174 Unidirectional 0° dan Bidirectional ±45° Spesimen Kekuatan Tarik (MPa) Bolted Joint Komposit Cglass/Epoksi Bakalite EPR 174 Unidirectional 0 Bolted Joint Komposit Cglass/Epoksi Bakalite EPR 174 Bidirectional ±45°(woven)
29,71
42,48
KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengolahan dan analisis diatas, maka dapat ditarik kesimpulan bahwa kekuatan komposit serat C-glass dan matriks epoxy bakalite EPR 174 dengan fraksi volume 50%, kekuatan komposit bolted joint terbesar berada pada arah serat unidirectional ±45° (woven) yaitu sebesar 42,48 MPa dan kekuatan tarik terkecil berada pada arah serat unidirectional 00 yaitu sebesar 29,71 MPa. Berdasarkan modus kegagalan yang terjadi kontruksi bolted joint arah serat ±45º(woven) lebih baik dibandingkan arah serat 0º, karena beban yang diterima pada uji tarik spesimen terdistribusi pada arah serat yang saling menyilang sehingga menghambat terjadinya perambatan retak pada komposit tersebut. NOTASI A = Luas penampang, mm2 E = Modulus elastisitas, GPa 𝑙𝑖 = Panjang ukur setelah pengujian, mm 𝑙0 = Panjang ukur sebelum pengujian, mm ∆𝜎 = Selisih tegangan tarik di daerah elastis,MPa ε = regangan σ = kekuatan tarik, MPa F= Beban yang diberikan dalam arah tegak lurus terhadap penampang spesimen, N ∆𝑙 = Pertambahan panjang 𝑉𝑓 = Fraksi volume fiber (serat) %) 𝑚𝑓 = Massa fiber (serat) gr 𝜌𝑓 = Massa jenis fiber (serat) (gr/cm3) 𝑚𝑚 = Massa matriks (gr) 𝜌𝑚 = Massa jenis matriks (gr/cm3) DAFTAR PUSTAKA ASTM D 3039/3039 M. 2002. Standart Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. Annual Book of ASTM Standards. United States: ASTM International.
TM-16
Seminar Nasional Teknologi dan Sains (SNTS) II 2016 Peran Perguruan Tinggi dalam Pembangunan Berkelanjutan Untuk Kesejahteraan Masyarakat Jakarta, 23-24 Agustus 2016 Berthelot J.M.,1999, ”Composite Material :Mechanical Behavior and StructuralAnalysis”, Spinger, New York. G.R, Pasha. 2006. “Empirical Analysis of The Weibull Distribution for Failure Data”. Journal of Statistics. Multan. ISSN
TM-17
