HHT 232
SIFAT KEKUATAN KAYU
MK: Sifat Mekanis Kayu (HHT 331)
1
A. Sifat yang banyak dilakukan pengujian : HHT 232
1. Kekuatan Lentur Statis (Static Bending Strength) Adalah kapasitas/kemampuan kayu dalam menerima beban lentur maksimum Rumus yang dipakai hanya sampai batas proporsi Biasa dinamai : Modulus of Rupture (MOR)
beban lentur
reaksi tumpuan
reaksi tumpuan
2
HHT 232
Ada beberapa bentuk balok pada prakteknya, tergantung letak tumpuannya : Balok Sederhana (Simple Beam)
Balok Bergantung (Overhanging Beam)
Balok Kantilever (Cantilever Beam)
Balok Menerus (Continuous Beam)
3
HHT 232
Balok yang dibebani beban lentur akan mengalami :
a. tegangan normal ( lentur tekan dan lentur tarik ) b. tegangan geser c. perubahan bentuk ( berupa lenturan/lendutan)
Serat atas balok akan mengalami tekan sehingga terjadi perpendekan Sementara serat bawah mengalami tarik sehingga terjadi perpanjangan
4
Distribusi tegangan normal pada balok terlentur : HHT 232
tepi atas
tekan maks Bidang netral
tepi bawah
Penampang balok
tarik maks
Distribusi tegangan geser pada balok terlentur : tepi atas tepi atas teg. geser maksimum tepi bawah
tepi bawah sumbu netral
Sumbu netral
Persamaan Umum Tegangan Normal ( Lentur ) : S=
M.c I
S : Tegangan Normal (Kg/cm2)
M : Momen lentur akibat beban (Kg.cm) c : Jarak tepi balok dengan sumbu netral (Cm) I : Momen Inersia (cm4) Penampang balok segi-4 : c = ½ h
1 __ I = bh3 12
P
Diagram momen lentur (M) HHT 232
6
Besarnya tegangan lentur/normal : (beban ditengah bentang dan penampang segi - 4) S = teg. lentur / normal P = beban lentur L = bentang balok b dan h = dimensi penampang balok
3PL S = 2 b h2 Lokasi tegangan lentur :
a. teg. lentur tekan maksimum di tepi atas balok b. teg. lentur tarik maksimum di tepi bawah balok c. pada bagian tengah (sb netral) tegangan lenturnya nol.
Besarnya tegangan geser balok : 3V SS = 2bh HHT 232
SS = tegangan geser V = gaya lintang/geser b dan h = dimensi penampang balok
tepi atas sumbu netral
tepi bawah
Beberapa bentuk kerusakan : HHT 232 Pengujian Lentur Statis di Laboratorium
8
2. Sifat Kekakuan Kayu ( stiffness ) 1. Sifat kekakuan kayu : kemampuan kayu untuk mempertahankan bentuk dan ukurannya apabila kayu tersebut mendapatkan beban. 2. Disimbolkan MOE (Modulus of Elasticity = Modulus Elastisitas) 3. Sifat ini berlaku untuk tekan, tarik, geser dan lentur. 4. Khusus kekakuan untuk geser diberi istilah ”modulus of rigidity” 5. Semakin besar nilai MOE semakin besar sifat kekakuannya, semakin sulit kayu tersebut dirubah bentuknya. Kayu yang tidak kaku mudah dirubah bentuknya. 6. Untuk lentur, besarnya kekakuan sbb: MOE = P L3 P = MOE = L = 4 y b h3 y = b dan h HHT 232
modulus elastisitas beban lentur bentang balok besar lenturan maksimum = dimensi penampang balok
7. Dari rumus di atas, dapat di-olah menjadi seperti dibawah ini, P L3 y
= 4 MOE b h3
Ada hubungan antara bentang balok, dimensi penampang balok dengan lenturan balok yang menggambarkan sifat kekakuan balok
a. bila penampang dan beban tetap, bentang dibesarkan 3 kali, maka akan terjadi lenturan 27 kali mula-mula (balok tidak kaku) L1 = 3 x L
y1 = 27 y
balok tidak kaku
b. bila beban, bentang dan tebal tetap, lebar dibesarkan 3 kali, maka lenturan menjadi 1/3 lenturan mula-mula (balok lebih kaku) b1 = 3 x b
y1 = 1/3 y
balok lebih kaku
c. bila beban, bentang dan lebar tetap, tinggi balok dibesarkan 3 kali maka lenturan menjadi 1/27 lenturan mula-mula ( balok sangat kaku) h1 = 3 x h
y1 = 1/27 y
balok sangat kaku
HHT 232
3. Kekuatan Tekan Sejajar Serat (Compressive Strength Parallel to Grain) Khusus untuk batang pendek, merupakan tegangan serat maksimum akibat beban tekan sejajar serat Dibedakan batang panjang dan batang pendek (rasio panjang batang dengan dimensi terkecil 1 : 11) Dinamai : Maximum Crushing Strength (MCS)
Kayu bersifat ”anisotropi” , maka dikenal : a. kekuatan tekan sejajar serat b. kekuatan tekan tegak lurus serat Pada kasus tekan sejajar serat, dibedakan : a. batang pendek b. batang panjang (tiang) dimensi panjang batang lebih dari 11 kali dimensi penampang terkecil 11
HHT 232
Pada batang pendek, a. sifat kekakuan batang tidak berperan pada kekuatan batang b. hanya batang pendek yang diuji pada pengujian contoh kecil bebas cacat (small clear specimen) Pada batang panjang ( tiang ), a. beban tekan menyebabkan terjadinya tekukan (beban Euler) b. sifat kekakuan batang sangat berperan terhadap kekuatannya, maka perlu diperhatikan faktor tekuk. c. makin tinggi sifat kekakuan batang, kekuatannya makin besar
12
Besarnya tegangan tekan adalah :
stk
= P/A
stk = tegangan tekan P = beban tekan A = luas penampang
Tegangan tekan sejajar serat maksimum biasa disimbolkan MCS ( Maximum Crushing Strength )
Contoh uji Kekuatan tekan
Compression parallel to grain (tekan sejajar serat) HHT 232
HHT 232
Bentuk-bentuk kerusakan pada pengujian tekan sejajar serat kayu
14
4. Kekuatan Tekan Tegak Lurus Serat (Compressive Strength Perpendicular to Grain) Hanya dihitung sampai batas proporsi, lewat batas ini grafik stress-strain menyimpang akibat pemadatan serat
Besarnya tegangan tekan adalah :
stk
= P/A
stk = tegangan tekan P = beban tekan A = luas penampang tekan 15
HHT 232
Bentuk Idealisasi kurva tegangan-regangan tekan tegak lurus serat kayu (Pranata et.al., 2013)
Fc┴ adalah kekuatan tekan tegak lurus serat kayu pada kondisi beban batas proporsional,
Ee┴ adalah modulus elastisitas tekan tegak lurus serat kayu, Ep┴ adalah modulus plastisitas tekan tegak lurus serat kayu, εcy┴ adalah regangan pada beban batas proporsional
εcu┴ adalah regangan pada beban batas ultimit
16
HHT 232
Contoh Bentuk kurva tegangan-regangan pada pengujian tekan tegak lurus serat kayu ulin (Pranata et.al., 2013)
17
HHT 232
Nilai Kuat Acuan Kekuatan Tekan Kayu (MPa) berdasarkan pemilahan mekanis pada kadar air 15% ( SNI 2002)
18
HHT 232
5. Kekuatan Geser Sejajar Serat (Shear Strength parallel to Grain) Kemampuan kayu untuk menahan geseran internal pada arah sejajar serat antar bagian kayu Nilai yang dicari adalah rata2 arah radial dan tangensial
a. SERAT
b. MIRING SERAT
c. SEJAJAR SERAT GESER
d. ANTAR SERAT
Geser tgk lurus >> Geser // dan miring > Geser antar serat 19
Pengujian Kekuatan Geser Kayu di Laboratorium HHT 232
20
HHT 232
6. Usaha sampai Batas Maksimum (pada Lentur) Merupakan gambaran banyaknya enersi yang diperlukan untuk merusak bahan atau contoh uji dalam pengujian lentur. Nilai ini dihitung dari besarnya luas wilayah dibawah grafik tegangan-regangan mulai dari titik nol sampai beban maksimum
7. Kekuatan Lentur Dinamis ( Impact Bending Strength ) Beban dijatuhkan pada contoh uji (lentur) pada variasi jarak beban tertentu
Dihitung ketinggian jarak beban saat terjadi kerusakan Nilai ini merupakan gambaran kemampuan contoh uji untuk menyerap benturan (terjadi tegangan lewat batas proporsi)
21
HHT 232
8. Kekuatan Tarik Tegak Lurus Serat (Tensile Strength Perpendicular to Grain) Kemampuan kayu menahan beban tarik arah melintang serat Nilai yang dicari : rata2 arah radial dan tangensial Beban cenderung memisahkan serat kayu
Tarik tegak lurus serat
22
HHT 232
9. Kekuatan Tarik Sejajar Serat Kayu Nilai ini jarang dicari / diuji Sebagai gambaran nilai untuk contoh uji bebas cacat, biasanya dipakai nilai MOR, akibat dari kurangnya data.
Tarik sejajar serat
23
HHT 232
10. Kekerasan Kayu (Hardness) Kemampuan kayu untuk menahan kikisan & perusakan permukaan kayu Beban berupa ½ bola baja (diameter 0,444 in.) dibenamkan ke permukaan kayu Nilai yang dicari : rata-rata pada bidang radial & tangensial
24
HHT 232
11. Sifat Keuletan Kayu (toughness) 1. Sifat Keuletan Kayu : kemampuan kayu untuk menyerap enersi akibat beban pukul 2. Kayu yang ulet adalah kayu yang sukar pecah atau patah meski dibebani sampai beban maksimum. 3. Kayu yang tidak ulet akan mudah patah kayu bersifat regas atau rapuh ( regas, rapuh = brittle ) 4. Cara pengujian sifat keuletan kayu : a. Increament drop impact test (diberi beban pukul berulang) b. Single drop impact test (beban pukul diberikan sekali saja) c. Twisting/tortion test (contoh uji diberi beban puntir/torsi)
5. Cara pengujian yang banyak dipakai saat ini adalah : “Single drop impact test” (cara b) 6. Sifat ini biasa dikenal pula sebagai “Kekuatan pukul” dan pengujiannya disebut pula sebagai ”lentur dinamik” atau ”dynamic bending”
HHT 232
12. Sifat Ketahanan Belah (cleavage resistance) 1. Sifat ketahanan belah : kemampuan kayu untuk menahan belahan 2. Contoh uji mirip pengujian tarik tegak lurus serat. Tujuan untuk melihat kemampuan kayu mengikat paku 3. Cacat ”interlocked grain” (serat berpadu) biasanya meningkatkan ketahan belah kayu, akibat serat yang saling membelit.
B. Sifat kekuatan yang jarang dilakukan pengujian HHT 232
1. Torsi / puntir 2/3 dari kekuatan geser sejajar serat, biasa dipakai sebagai gambaran tegangan geser torsi pada batas proporsi. Beban pada torsi sendiri sebenarnya berupa beban puntir
2. Rangkak (Creep & Creep Rupture) Perubahan bentuk tetap yang terjadi akibat beban jangka panjang (terus menerus), meskipun beban masih dibawah batas proporsi Beban menerus selama 10 tahun, menyebabkan kekuatan kayu hanya 60 % nya dari beban standard pengujian (hanya 3 – 5 menit) Jangka waktu pembebanan (duration of stress) merupakan faktor penting dalam disain bangunan kayu Pada awal pembebanan, perubahan bentuk terjadi secara elastis, bila beban berlanjut lama akan terjadi perubahan bentuk tetap (disebut “creep”), meskipun beban masih di bawah batas proporsi Variasi iklim (suhu & kelembaban) dpt meningkatkan creep. (Kayu yang sedang mengering bila dibebani dalam jangka panjang, akan terjadi perubahan bentuk 4 - 6 kalinya)
27
3. Kelelahan (“Fatique”) Kerusakan progresif pada benda akibat beban berulang dalam jangka waktu panjang (istilah dalam Engineering/Keteknikan ) Beban dapat sama atau berlawanan (tekan saja atau tekan dengan tarik bergantian) “Fatique Failure” : kerusakan akibat beban berulang “Fatique Life” : Jangka waktu terjadinya pengulangan beban sebelum terjadinya kerusakan “Fatique Strength” : besar tegangan maksimum yang terjadi akibat beban berulang tadi, ini untuk menentukan fatique life
4. Kekuatan Geser Antar Serat Kayu (Rolling Shear) Merupakan geseran dari bidang memanjang serat dengan arah geseran tegak lurus serat
Besar kekuatan ini hanya sekitar 18 – 28 % dari kekuatan geser sejajar serat Pengujian ini jarang dilakukan
28
C. Sifat Vibrasi Kayu. HHT 232
1. Kecepatan Merambatkan Suara (Speed of Sound) Pada kayu, kecepatan ini berbanding lurus dengan akar dari MOE, dan berbanding terbalik dengan akar dari kerapatan kayu
V
MOE
;
MOE v 2
Pada arah sejajar serat dan tegak lurus serat kayu, kecepatan ini sangat berbeda (sesuai dengan MOE nya) Contoh : MOE sejajar serat kayu 1.800.000 psi, krpt 30 lb/ft3, perambatan suaranya 150.000 in.per detik, MOE tegak lurus serat kayu 100.000 psi, krpt sama, perambatan suaranya 35.000 in per detik
Peningkatan suhu atau KA akan mengurangi kecepatan ini 29
HHT 232
2. Hambatan Internal (Internal Friction) Bahan solid yang meregang akan melepaskan panas “Internal friction” ini menunjukkan mekanisme penyebab pelepasan energi ini • Pada tingkat mikroskopis, sifat energi yang disimpan dikontrol oleh orientasi dan komposisi struktur sel dimana kedua faktor ini sangat mempengaruhi sifat elastisitas dan kekuatan kayu • energi yang dilepaskan dikontrol oleh karakteristik friksi internal melalui sifat ikatan antar senyawa yang berpengaruh. Internal friction ini meningkat dengan meningkatnya kadar air di bawah titik jenuh serat 30
