IDENTIFIKASI KEKUATAN DAN KERETAKAN KOMPOSIT GIPSUM TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI Muhd. Haiyum Email :
[email protected] Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe
Keindahan suatu rumah atau bangunan sangat dipengaruhi oleh banyak faktor. Salah satu faktor tersebut adalah ornamen ruang. Dewasa ini penggunaan gipsum sebagai ornamen ruangan baik dalam bentuk board plate maupun profil semakin meningkat pesat. Bentuk profil-profil gipsum untuk ornamen ruangan yang banyak terdapat menggunakan serat sintetis sebagai penguat. Penelitian ini dilakukan dengan memberi beban impak pada material komposit gipsum. Beban impak dihasilkan dari alat uji Kompressor Impak (KOMPAK). Spesimen dibuat dalam dua perlakuan, yaitu komposit gipsum yang diperkuat serat gelas dan tanpa diperkuat serat. Dari hasil pengujian menunjukan gipsum diperkuat serat jauh lebih baik dari segi kekuatannya. Ini dapat dilihat dari insiden stress yang terjadi, dimana pada gipsum diperkuat serat gelas, insiden stress yang terjadi berkisar antara 245 MPa sampai dengan 290 MPa, sedangkan gipsum tanpa diperkuat serat hanya memiliki insiden stress antara 7 MPa sampai dengan 16,48 MPa. Kata-kata kunci: Komposit, Gipsum, Impak, Insiden Stress
PENDAHULUAN Dewasa ini penggunaan gipsum sebagai ornamen ruangan baik dalam bentuk board plate maupun profil semakin meningkat pesat. Oleh karenanya kebutuhan akan material gipsum yang memiliki sifat-sifat dan karakteristik yang lebih baik terus meningkat. Profil-profil gipsum banyak dipasang pada langit-langit ruangan yang jauh dari kemungkinan terbentur, tetapi pembebanan tibatiba seperti gempa bumi membuat profil-profil tersebut rawan akan perpatahan. Pengembangan lebih lanjut sifat fisisnya akan memungkinkan profil gipsum dipasang pada daerah yang rawan akan beban kejut, seperti pada kosen pintu dan jendela.
dihasilkan dari alat uji Air Gun Compressor (AGC) atau yang lebih dikenal dengan alat uji KOMPAK, yang terdiri dari tiga buah batang yang disusun secara kolinir yaitu, batang impak (strker), batang penerus (impak bar) dan batang uji (spesimen). Tujuan Penelitian Dari hasil penelitian diharapkan dapat diketahui ketangguhan patah komposit gipsum yang diperkuat serat gelas dan tanpa diperkuat serat terhadap beban impak khususnya beban impak kecepatan tinggi melalui tegangan insiden yang masuk ke dalam spesimen dengan teknik propagasi dan kosentrasi tegangan.
TEORI DASAR Selama ini informasi perilaku mekanik material struktur yang bersifat rapuh, seperti keramik, beton, gypsum dan sebagainya belum banyak diteliti. Kendalanya terletak pada beberapa hal seperti metode, peralatan, dan spesimen yang harus dipersiapkan. Penelitian ini dilakukan dengan memberi beban impak pada material komposit gipsum.. Spesimen yang diuji terbuat dari struktur gipsum yang biasa digunakan untuk menghiasi interior ruang terutama pada loteng atau langit-langit ruangan. Pengujian dilakukan dengan menggunakan teknik propagasi dan kosentrasi tegangan dalam batang dengan menggunakan metode dua gage. Beban impak
Material komposit merupakan gabungan dua atau lebih material yang berbeda secara makroskopik membentuk suatu material baru yang lebih berdaya guna. Ikatan antara kedua unsur tersebut adalah ikatan adhesif yaitu ikatan interface antara dua unsur material yang berbeda. Kekuatan ikatan tersebut adalah sangat penting karena akan mempengaruhi sifat material komposit yang terbentuk [5]. Sifat mekanik bahan komposit seperti kekuatan, kekakuan, keliatan dan ketahanan sangat tergantung dari geometrinya dan sifat-sifat dari jenis penguatnya. Komposit serat memiliki keunggulan 876
dalam hal ketahanan terhadap aus dan suhu yang tinggi walaupun kekuatan dan ketahanan retaknya lebih rendah., namun hal itu dapat diperbaiki dengan penguatan tertentu [4]. Serat adalah struktur berbentuk seperti rambut berasal dari serat atau rambut hewan, tumbuhan dan mineral. Secara komersial serat berdiameter antara 0,004 mm (0,00015 in) sampai dengan 0,2 mm (0,008 in) [1]. Didalam meterial komposit serat berfungsi sebagai penguat, pengisi dan penerus tegangan kesepanjang komponen dengan mempertimbangkan interface antara serat dan matrik. Serat ijuk merupakan penguat dari jenis serat yang berasal dari pohon nira. Ijuk mudah didapat dan murah, sehingga memberi nilai ekonomi dalam proses pembuatan komposit. Matrik diartikan sebagai material pengikat antara serat atau partikel. Matriks berfungsi untuk menahan, pelindung, pembagi serta mempengaruhi penampilan. Gipsum merupakan salah satu matriks yang sangat mudah patah yang disebabkan sifatnya yang getas. Pengukuran sifat dinamik material menjadi sangat penting dikarenakan perilaku mekanik material yang dihadapkan pada pembebanan statis berbeda dengan yang dihasilkan oleh beban yang berlangsung cepat dan tiba-tiba (impak) [6]. Dengan beban impak laju regang dapat mencapai lebih dari 104 s-1. praktiknya pembebanan dengan laju regang (strain rate) sebesar itu (kecepatan impak yang berkisar antara 3 s.d 15 m/dt) lumrah terjadi seperti tabrakan kendaraan, gempa bumi, impak burung , impak hujan dan lain-lain. Kekuatan tarik impak material gipsum tidak secara signifikan dipengaruhi oleh laju pembebanan. [7]. Pengujian ini dilakukan pada dua jenis gipsum dengan menggunakan metode propagasi dan kosentrasi tegangan dalam batang. Beban impak diperoleh dari sebuah alat uji impak Air Gun Compressor. Telah mencari bentuk initiasi dan penjalaran retak pada plaster plate dengan variasi beban dan visual informasi menggunakan high speed video camera [3]. Kosentrasi tegangan tarik dinamik dihitung dengan menggunakan metode finite elemen dengan Newmark approach. Hasil yang didapatnya,
877
inisiasi dan penjalaran retak sangat erat hubungannya dengan daerah kosentrasi tegangan Dalam beberapa tahun terakhir ini, teknik batang hopkinson telah banyak dipakai dan dikembangkan dalam penyelidikan kekuatan tarik maupun tekan dari material yang diakibatkan oleh beban impak. Suatu metode baru, juga modifikasi teori batang Koisky. Dengan metode ini, spesimen dapat berbentuk sederhana, misalnya berbentuk batang bulat atau pipa [8]. Bentuk spesimen ini tentu saja mudah dan murah untuk diproduksi. Menggunakan metode ini, spesimen hanya diletakan bersentuhan dengan batang penerus; gaya impak diperoleh dengan mengimpak batang impak ke ujung yang lain dari batang penerus. Akibatnya, pada lokasi impak kedua batang (interface) akan timbul pulsa tegangan tekan yang kemudian berpropagasi ke arah kanan ke dalam batang penerus, dan ke arah kiri ke dalam batang impak: mencapai interface batang penerus dan batang spesimen gelombang tegangan ini akan diteruskan ke dalam batang spesimen. Pada ujung bebas, gelombang tegangan ini akan dipantulkan sebagai gelombang tarik. Sementara itu, gelombang tegangan tekan dari lokasi impak yang menjalar ke ujung batang impak akan juga dipantulkan sebagai gelombang tegangan tarik dan kembali menjalar ke kanan menuju batang spesimen. Pada saat tertentu kedua gelombang tegangan tarik bertemu. Pertemuan kedua gelombang tegangan tersebut menyebabkan terjadinya pemusatan tegangan yang bisa menyebabkan putusnya batang spesimen. Gambar (1) memperlihatkan skema alat uji impak KOMPAK yang akan digunakan untuk mengukur beban dan kekuatan impak material. Komponen utama KOMPAK adalah kompresor, tangki udara, pengatur tekanan, katup selenoid, barel, batang impak, batang penerus dan seperangkat alat ukur elektronik.
2 3000 mm 4
3
5
4000 mm 6
7
8
9 13
10
1
14
11
12
0001V
0001V
Keterangan gambar: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Kompresor Tangki Udara Pressure Regulator Katup Selenoid Pipa Barel Striker input Bar
8. Spesimen gipsum 9. Strain Gage 10. Bridge Head 11. Signal Conditioner 12. Transien Coverter 13. Personal Computer 14. Interface
Gambar 1. Alat uji KOMPAK Tabel 1. Sifat makanis striker dan input bar Material E (GPa) Striker Al-6061 68 Input bar Al-6061 68
80 mm
80 mm
(kg/m3) 2713 2713
Co (m/s) 5006 5006
80 mm
60 mm 120 mm
240 mm
5 mm
Gambar 2. Dimensi spesimen uji
878
METODE PENELITIAN
Grafik Be rat Spe sime n 230
Bahan
217.13
210
Data gypsum yang diberikan oleh pabrik adalah - Working time : 10 - 12 minutes - Setting time : 9 – 12 minutes - Mixing ratio : water : plaster = 60 / 100 by weight Dimensi spesimen dapat dilihat pada gambar (2). Peralatan Peralatan yang dibutuhkan untuk eksperimen adalah : a. Peralatan uji KOMPAK b. Mistar sorong, yang berguna untuk mengukur jarak straiker dengan batang penerus c. Spidol atau pulpen d. Cetakan kaca e. Neraca digital dan gelas ukur. Prosedur Kerja Pertama-tama spesimen dicetak sesuai data produk yang diberikan pabrik dengan menggunakan cetakan kaca. Kemudian spesimen dibuka dari cetakan setelah mengeras (sekitar 30 menit) dan selanjutnya spesimen ditimbang. Untuk mengetahui densiti dari gypsum tersebut spesimen dibiarkan selama tujuh hari, bertujuan untuk menyatakan kadar air dalam spesimen betulbetul hilang (kering) dan spesimen ditimbang setiap hari selama tujuh hari tersebut. Grafik berkurangnya kadar air selama tujuh hari dapat ditampilkan berikut ini.
Berat (gr)
203.52
Spesimen terbuat dari tepung gypsum yang merupakan jenis casting plaster. Spesimen dibuat dengan dua jenis perlakuan, pertama gypsum tanpa penguat dan kedua gypsum dengan fiber glass sebagai penguat. Spesimen dibuat sebanyak masing-masing lima buah dengan cara mencetak dengan menggunakan cetakan kaca.
197.2
190
187.08 182.46 174.38
170 168.08
150 0
1
2
3
4
5
6
7
Hari
Gambar 3. Grafik berat spesimen Dengan volume spesimen 135046 m3 dan berat akhir 168,08 gram maka density dari gypsum tersebut adalah 0,001244 gr/m3. Pengujian ini menggunakan peralatan uji impak KOMPAK yang terdapat di Laboratorium impak dan keretakan Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Setup alat uji KOMPAK dapat lihat pada Gambar (3). Metode pengujian tegangan didapat dari dua buah semi condukter gage yang dipasang pada input bar pada posisi 1600 mm dan 1800 mm dari ujung kiri input bar, untuk mengukur sinyal tegangan yang merambat pada input bar dan tegangan yang masuk serta berpropagasi ke dalam spesimen pada lokasi semi conductor gage a dan b. Sinyal gelombang tegangan dihasilkan dari ujung impak pada striker dan input bar. Demikian juga sinyal tegangan pantul yang datang dari ujung striker yang bersentuhan pada lokasi tersebut, yang menghasilkan perubahan deformasi uniaksial pada batang striker yang menyebabkan perubahan tahanan pada strain gage. Setelah dilakukan pengujian maka diperoleh data untuk setiap waktu pengujian. Dalam pengujian yang dilakukan sampling time pada transient converter di set 1 akan diperoleh sebuah data keluaran dalam bentuk digit yang selanjutnya akan diolah menjadi bentuk tegangan (volt). Data-data pengujian yang diperoleh disimpan pada riken yang filenya berextensi dat. Metode Pengukuran Tegangan Perhitungan tegangan insiden tekan pada lokasi impak dari beton didasarkan pada teori penjalaran gelombang elastik. Berikut ini diberikan persamaan mengitung besarnya gelombang tegangan pada lokasi b.
879
yang berpropagasi ke kiri dan ujung kanan batang penerus. Ambil t1 = l /Co dimana l jarak antara gage a dan b, juga c dan Co adalah kecepatan rambat gelombang elastik dalam batang. Tegangan pada a dan c dapat dihubungkan sebagai berikut : a (t ) = R (t t l ) + L (t t l ) dan c (t ) = R (t t l ) + L (t t l ) Jika persamaan (3) disederhanakan dalam bentuk a dan b tegangan insiden yang ditransmisikan ke dalam beton, pada lokasi c dapat dihitung sebagai berikut : c (t ) = b (t t l ) + b (t t l ) - a (t ) disini, t = waktu. Untuk pengujian impak spesimen gypsum menggunakan striker 500 mm dan tekanan udara 0,2 bar. Pengujian Respon Input Bar dengan Spesimen Selanjutnya dapat pula ditinjau respon batang penerus bila digunakan spesimen, yang salah satu ujungnya bersentuhan dengan batang penerus sedangkan ujung yang lainnya bebas. Sifat mekanis batang penerus (input bar) dan striker yang digunakan seperti pada tabel 3.1
PEMBAHASAN Telah dilakukan pengujian impak dengan berbagai variasi, untuk pengimpakan tanpa spesimen tiga kali dan sepuluh kali untuk spesimen. Dari hasil pengujian didapat 30 buah gambar tegangan impak dan tegangan insiden. Pada tegangan impak dan tegangan insiden spesimen gipsum tanpa serat menunjukan tegangan impak yang tertinggi terjadi pada gage 1 yaitu pada lokasi a dengan tegangan impak terbesar terjadi pada jarak impak 12,5 mm, yaitu sebesar 80,89 MPa, dengan tegangan insiden yang terbesar timbul sebesar 16,48 MPa. Dari pengujian ada kalanya spesimen tidak patah atau retak, maka
dilakukan penambahan jarak impak hingga spesimen patah atu retak. Dengan bertambahnya jarak impak maka tegangan impak yang terjadi semakin naik. Tegangan impak yang timbul dari hasil pengukuran pada gage a dan b mempengaruhi intensitas tegangan insiden. Pada tegangan impak dan tegangan insiden spesimen gypsum dengan penguatan serat glass, dengan jarak impak antara 200 sampai 275 mm, tekanan 0,2 MPa dengan menggunakan striker 500 mm. Untuk specimen diperkuat serat, kondisi spesimen setalah diimpak tidak patah tetapi spesimen hanya mengalami retak, hal ini diperkirakan karena ketidak homogennya struktur spesimen satu dengan lainnya. Tegangan insiden terbesar terjadi pada jarak impak 275 mm yaitu sebesar 290,03 MPa. Tetapi yang penting dilihat disini, dengan penambahan jarak impak tegangan insiden akan meningkat. Jika kita membandingkan tegangan impak dan tegangan insiden pada setiap variasi pengujian, dapat kita lihat tegangan impak yang menjalar dalam batang penerus tidak dapat sepenuhnya dapat disalurkan ke dalam spesimen. Sebagai contoh pada jarak impak 7,5 mm, tekanan 0,2 MPa dan panjang striker 500 mm, tegangan yang terukur pada gage 1 (lokasi a) sebesar 57,03 MPa, sedangkan tegangan yang dapat disalurkan ke dalam spesimen beton hanya sebesar 5,99 Mpa. Disini terlihat adanya faktor transmisi yang mempengaruhi aliran tegangan yang terjadi dan yang masuk ke spesimen. 75
58.63729347
50 Stress (MPa)
b (t ) = R (t ) + L (t ) dimana R (t ) dan L (t ) adalah tegangan
25 Gage 1
0 0
500
1000
1500
2000
Gage 2
-25 -50 -75 Time (uS)
Gambar 4a. Tipikal tegangan impak
880
20
14.76632573
Stress (MPa)
10
0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
-10
-20
Time (s)
s Gambar 4b. Tipikal tegangan Insiden stress
Analisis Keretakan Kerusakan yang terjadi pada spesimen gipsum terdiri dari kerusakan patah dan kerusakan yang hanya menimbulkan retak. Untuk spesimen gipsum tanpa diperkuat serat kerusakan yang terjadi adalah patah. Perpatahan terjadi melintang disepanjang daerah tengah spesimen yang dimulai dari sudut yang terbentuk pada spesimen. Bentuk sudut tersebut mengawali kosentrasi tegangan pada spesimen. Ini dapat dilihat pada gambar (5) dan (6).
Gambar 6. Bentuk perpatahan spesimen tanpa diperkuat serat
Gambar 7. Perpatahan spesimen diperkuat serat gelas
Untuk spesimen gipsum yang diperkuat serat gelas, bentuk perpatahan yang terjadi hanya dalam bentuk keretakan yang menjalar melintang sepanjang daerah tengah spesimen. Spesimen tidak patah/putus dikarenakan spesimen masih didukung oleh serat. Bentuk perpatahan pada spesimen ini dapat dilihat pada gambar (7) dan (8)
Gambar 8. Bentuk perpatahan spesimen diperkuat serat gelas
Gambar 5. Perpatahan spesimen tanpa diperkuat serat
881
Analisis Statistik Dari hasil pengujian yang dilakukan, yang tergambar pada grafik tegangan impak dan tegangan insiden pada spesimen, maka dapat diolah lagi menggunakan analisis statistik untuk mencari probabilitas dari pengujian yang telah dilakukan pada spesimen uji gipsum. Analisis statistik menggunakan software statistik Weibull yang didowdload dari internet.
Dari hasil pengolahan data untuk insiden stress dapat ditampilkan grafik probabilitas seperti pada gambar 4.6, 4.7, dan 4.8. Untuk spesimen gipsum tanpa diperkuat serat gambar (9) didapat beta sebesar 2,59 dan eta 14,21 sedangkan untuk spesimen gipsum diperkuat serat gambar (10) didapat beta 36,67 dan eta 283,67.
Hasil tersebut memberikan informasi bahwa pada spesimen gipsum tanpa diperkuat serat mempunyai kemungkinan patah pada insiden stress lebih sebesar atau sama dengan 14,21 MPa. Sedangkan untuk spesimen gipsum diperkuat serat kemungkinan retak pada insiden stress lebih sebesar atau sama dengan 283,67MPa.
.
Insiden strees Gambar 9. Grafik Statistik Weibull Untuk Insiden Stress Spesimen Gipsum Tanpa diperkuat Serat
Insiden strees Gambar 10. Grafik Statistik Weibull Untuk Insiden Stress Spesimen Gipsum diperkuat Serat
882
Insiden strees
Insiden strees Gambar 11. Grafik Statistik Weibull Untuk Insiden Stress Spesimen Gipsum Tanpa diperkuat Serat dan Diperkuat Serat
KESIMPULAN Dari hasil penelitian dan hasil pembahasan dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain: 1. Telah dilakukan pengujian untuk material getas yaitu gipsum, dengan menggunakan alat uji KOMPAK menggunakan straiker dan input bar dari bahan alluminium 2. Dari hasil pengujian menunjukan gipsum diperkuat serat jauh lebih baik dari segi kekuatannya. Ini dapat dilihat dari insiden stress yang terjadi, dimana pada gipsum diperkuat serat gelas, insiden stress yang terjadi berkisar
883
antara 245 MPa sampai dengan 290 MPa, sedangkan gipsum tanpa diperkuat serat hanya memiliki insiden stress antara 7 MPa sampai dengan 16,48 MPa. 3. Jenis kerusakan yang terjadi akibat impak pada gipsum terbagi dua, yaitu kerusakan berbentuk patah (putus) terjadi pada gipsum tanpa penguatan serat dan kerusakan berbentuk retak terjadi pada gipsum yang diperkuat serat. 4. Hasil pengujian dapat ditindak lanjut untuk dapat bermanfaat bagi industri rumah tangga atau industri kecil yang memproduksi panel-panel interior dari bahan gipsum
DAFTAR PUSTAKA 1.
ASTM Committee, Annual Book of ASTM Standart Part 35, ASTM International, USA. 1981.
2.
Collin, J.A, Failure of Materials in Mechanical Design, John Wiley & Sons Inc, Singapore. 1992.
3.
Daimaruya Masashi, Fracture Initiation and Development in Plaster Plates Under Impacts, Dymat Journal, Vol. 1, pp. 289-305, Tokyo. 1994.
4.
Hull, Derek, An Introduction to Composte Materials, Cabridge University Press, Cabridge. 1981.
5.
8.
Syam B, and Daimaruya, Concentration of Tensile Stress Wave and Impact Fracture of Brittle Material, Proc. Of the Asian Facific Conf. on Fracture and Strength (APCFS’95), Kyongju, Korea,1995
9.
Syam B, etal, Pembuatan Alat Uji Air Gun Compressor dan Penyelidikan Perilaku Mekanik Berbagai Material Keramik Akibat Beban Impak, Laporan Komprehensif Penelitian Hibah Bersaing VI/1 dan VI/2, Medan, 1999.
10.
Yanagihara, N., Theory of OneDimensional Elastic Wave for the Measurement of the Impact Force, Bulletin of JSME, vol. 43, 1977, pp. 40-48.
11.
Weibul, W., A Statistical Distribution Function of Wide Aplicability, J. Appl. Mech., 18, 293-297, September 1951.
Jones, Robert.M, Mechanical of Composte Materials, Mc.Graw Hill, Koga Kusha LTD, Tokyo. 1975.
6.
Syam Bustami, Uji Impak Material Gipsum Menggunakan Teknik Propagasi dan Kosentrasi Tegangan Dalam Batang, Jurnal Teknik Mesin USU, Vol. 2, pp. 30-38, Jurusan Teknik Mesin USU, Medan. 1998.
7.
Syam B, Uji Impak Material Gipsum Menggunakan Teknik Propagasi dan Kosentrasi Tegangan, Jurnal Teknik Mesin USU vol.2 No.1 Januari, 1998.
884
