Kekuatan Kayu Revandy Iskandar M. Damanik Program Studi Ilmu Kehutanan Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara I. PENDAHULUAN Kayu tidak dapat dipisahkan dari kehidupan manusia, dan kebutuhannya akan selalu meningkat dari tahun ke tahun. Dengan demikian maka penyediaannya harus sejalan agar tidak terjadi kekurangan bahan baku. Penyediaan kayu dari hutan alam relatif sukar untuk ditaksir, sementara penyediaan dari hutan tanaman lebih mudah, upaya melalui pembuatan hutan tanaman industri merupakan langkah yang positif. Kayu merupakan salah satu jenis komoditi hasil hutan yang banyak dimanfaatkan oleh manusia untuk berbagai keperluan, mulai dari yang sederhana (korek api, peti sabun) sampai kepada bahan lux/mewah (furniture, bahan interior kapal dan bangunan, ukiran, dll) serta bahan bangunan. Didalam kebijaksanaan peningkatan pengolahan hasil hutan oleh industri kemampuan sumber daya hutan dalam memenuhi kebutuhan bahan baku industri harus mendapatkan perhatian yang lebih, agar industri-industri pengolahan kayu yang ada tetap berperan dimasa mendatang. Kayu sebagai bahan bangunan diisyaratkan mempunyai kekuatan tertentu, terutama mengenai sifat fisik/mekaniknya. Dengan diketahuinya kekuatan untuk jenis kayu tertentu, maka konsumen akan memilih jenis kayu yang tepat sesuai penggunaannya. Sifat fisik/mekanik kayu yang penting adalah berat jenis, kembang susut, kadar air dan kekuatan mekanik. Setiap jenis kayu mempunyai ciri tersendiri baik sifat kimia, fisik/mekaniknya. Sebagai contoh kayu jenis fast growing spesies mempunyai sifat mekanik yang lebih lemah jika dibandingkan dengan jenis non fast growing spesies, karena kondisi set-set kayunya berbeda. Faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan kayu diantaranya adalah: faktor biologis (microorganisme yang menyerang kayu), kadar air, berat jenis kayu. Faktorfaktor tersebut pada dasamya dapat dimanipulasi sehingga upaya pencegahan gangguan kekuatan kayu dapat dipertahankan, misalnya upaya pengawetan dengan zat kimia, pengeringan dan manipulasi percepatan tumbuh. Mengenai komponen kimia kayu mempunyai arti yang penting karena dapat mengetahui penggunaan suatu jenis kayu dan dapat digunakan untuk membedakan sesuatu jenis kayu yang secara anatomis sukar sekali untuk dibedakan. Susunan kimia kayu dapat digunakan sebagai identifikasi kekuatan sesuatu jenis kayu terhadap serangga atau jamur perusak. Disamping itu dapat pula digunakan untuk mengatur pengerjaan/perlakuan dalam pengolahan untuk mendapatkan hasil yang optimal.
II. SIFAT MEKANIK KAYU Sifat-sifat kayu yang penting sehubungan dengan penggunaannya meliputi sifat fisik, sifat mekanik, sifat kimia dan keawetan alami. Sifat kayu yang erat kaitannya dengan kekuatan kayu adalah sifat mekanik kayu. Kekuatan dan ketahanan terhadap perubahan bentuk suatu bahan disebut sebagai sifat-sifat mekaniknya 1 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
(Haygreen dan Bowyer, 1993). Ketahanan terhadap perubahan bentuk menentukan banyaknya bahan yang dimanfaatkan, terpuntir atau terlengkungkan oleh sesuatu beban yang mengenainya. Perubahan-perubahan bentuk yang terjadi segera sesudah beban dikenakan dan dapat dipulihkan jika beban dihilangkan disebut peubahan bentuk elastis. Sebaliknya jika perubahan bentuk berkembang perlahan-lahan sesudah dikenakan, disebut reologis atau tergantung waktu. Istilah kekuatan sering digunakan dalam arti umum untuk menyatakan semua sifat mekanik. Hal ini dapat menyebabkan kekacauan karena banyak terdapat tipe-tipe kekuatan dan sifat elastik yang berbeda-beda. Kayu yang relatif kuat sehubungan dengan satu kekuatan mungkin tingkatnya lebih rendah pada sifat yang lain apabila dibandingkan dengan spesies yang lain. Sifat-sifat mekanik kayu yang penting diketahui kaitannya dengan kekuatan kayu, yaitu : 1. Kekuatan lengkung (MOR): menentukan beban yang dapat dipikul suatu gelagar. 2. Kekuatan tekan sejajar serat: menentukan beban yang dapat dipikul suatu tiang atau pancang yang pendek. 3. Tekanan tegak lurus serat: penting dalam rancangan sambungan-sambungan antara siku-siku kayu dalam suatu bangunan dan pada penyangga gelagar. 4. Kekuatan tarik sejajar serat: penting untuk siku bawah (busur) pada penopang kayu dan dalam rancangan sambungan antara siku-siku bangunan. 5. Kekuatan geser sejajar serat: sering menentukan kapasitas beban yang dapat dipikul oleh gelagar pendek. 6. Keuletan: ukuran banyaknya kerja yang dikeluarkan untuk memecahkan contoh uji kecil dengan pukulan. 7. Kekenyalan: diukur dengan banyaknya energi yang diserap apabila sepotong kayu dibengkokkan dalam kisaran elastisitasnya. 8. Kekerasan sisi: berhubungan dengan ketahanannya terhadap lekukan seperti untuk rantai. 9. Usaha sampai beban maksimal: ukuran energi yang diserap oleh contoh-contoh uji kecil dibengkokkan perlahan-lahan. 10. Modulus elastisitas: ukuran ketahanan terhadap pembengkokan, yaitu berhubungan langsung dengan kekauan gelagar juga suatu faktor untuk kekuatan tiang yang panjang. 11. Modulus elastis (MOE) sejajar serat (Modulus Young): ukuran ketahanan terhadap pemanjangan atau pemendekan suatu contoh uji dibawah tarikan atau tekanan. Kelas Kekuatan Kayu Di dalam Vademecum Kehutanan Indonesia, kelas kekuatan kayu didasarkan pada berat jenis, keteguhan lengkung mutlak (klm) dan keteguhan tekan mutlak (ktm), dan dapat dilihat pada tabel berikut ini : Tabel 1 : Kelas Kekuatan Kayu Kelas Kayu Berat Jenis I II III IV V
0,90 0,60 - < 0,90 0,40 - < 0,60 0,30 - < 0,40 < 0,30
Klm (kg/cm2) 1.100 725 - < 1.100 500 - < 725 300 - < 500 < 300
Ktm (kg/cm2) 650 425 - < 650 300 - < 425 215 - < 300 < 215 2
e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
Kekuatan kayu terhadap gaya tekanan (sejajar serat) disebut daya tegang kayu. Tegangan adalah gaya yang tersebar persatuan luas dan dinyatakan dalam psi (pon per inci persegi) atau dalam Pascal (newton per meter kwadrat). Apabila suatu gaya dikenakan pada suatu suku (benda), maka akan terjadi tegangan-tegangan internal. Tegangan ini memiliki atau mengubah bentuk ukuran benda tersebut. Perubahan panjang per satuan panjang dalam arah tekanan disebut regangan. Gambar 1 : Gambaran tegangan dan regangan dalam tekanan sejajar serat
Pada gambar di atas apabila beban 8000 pon dikenakan pada contoh uji (2" x 2"), terjadi suatu tegangan sejajar serat sebesar 8000/4" = 2.000 psi. Tegangan ini tersebar pada semua jarak dari ujung, karenanya perubahan bentuk total sebesar 0,0072 inci (6,000 - 5,9928), maka regangan yang terjadi adalah sebesar 0,0072/6 = 0,0012 in/in. Sehingga Modulus Young (MOE) adalah tegangan dibagi regangan = 2000/0,0012 = 1,67x106 psi. MOE dapat juga dihitung berdasarkan uji keteguhan lengkung. Untuk mengerjakannya gelagar diberi beban sedang dan defleksinya diukur. Dari data ini MOE dapat dihitung dengan menggunakan hubungan yang telah dikenal antara MOE, ukuran gelagar, bentangan, beban, dan defleksinya. Cara ini umum untuk menentukan MOE kayu utuh, partikel, dan produk-produk serat. Ini merupakan pengujian yang lebih sederhana yang dapat dilakukan dan lebih dekat dengan hubungannya dengan kebanyakan situas daripada MOB yang ditentukan dari uji tarik dan tekan. Untuk contoh uji yang dibebani dengan beban yang terpusat pada tengahtengah bentangan dan disangga pada ujung-ujungnya. MOB dapat dihitung sebagai berikut: (Haygreen dan Bowyer, 1993). MOE = PL 3/48 ID (psi) dimana : P = beban dalam pon (di bawah batas proposi) D = defleksi pada tengah-tengah bentangan dalam inci akibat dari P L = bentangan dalam inci I = momen inersia, suatu fungsi ukuran gelagar (lebar x tinggi3)/12 untuk gelagar dengan potongan melintang empat persegi panjang, dihitung dengan bersamaan.
3 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
Keteguhan lengkung kayu utuh dan produk-produk asal kayu biasanya dinyatakan dalam istilah Modulus Patah (MOR). I dihitung dari beban maksimum (beban pada saat patah) dalam uji keteguhan lengkung, dengan menggunakan cara pengujian yang sama seperti untuk menentukan MOE. Untuk contoh dengan penampang melintang empat persegi panjang MOR dihitung dengan persamaan : MOR = 1,5 PL/db2 psi dimana : P = beban maksimum pematah dalam pon L = jarak penyangga (bentangan) dalam inci b = lebar gelagar (inci) d = tebal gelagar (inci) Persamaan ini hanya syah apabila gelagar empat persegi panjang disangga secara bebas pada kedua ujungnya dan dibebani pada tengah-tengah bentangan. III. HUBUNGAN ANTARA KEKUATAN KAYU DENGAN BERAT JENIS Kekuatan kayu sangat erat kaitannya dengan berat jenis. Semakin besar berat jenis kayu maka semakin kuat kayu tersebut. Hubungan antara sifat-sifat mekanik dan berat jenis dapat dilihat pada tabel berikut : Tabel 2 : Hubungan antara sifat-sifat dan berat jenis kadar air 12% Kekuatan yang diperkirakan pada Sifat Perkiraan berat jenis terpilih Kekuatan Dari BJ 0,30 0,40 0,50 0,60 Lengkungan 13571 10806 8175 5706 25700 x BJ 1,25 MOR (psi) 1,68 1,40 1,12 0,84 2,80 x BJ MOE (106 psi) Tekanan sejajar serat Keteguhan tekan 7320 6100 4880 3660 12200 x BJ Maksimum (psi) 2,03 1,69 1,35 1,01 3,38 x BJ MOE (106 psi) Tegangan sejajar serat Tegangan pada batas Proposi (psi) 1467 973 589 308 4630 x BJ 2,25 Kekerasan sisi 1194 973 480 251 3770 x BJ 2,25 Sumber : Haygreen dan Bowyer, 1993 Tabel di atas menunjukkan sejumlah kekuatan dan berat jenis yang ditetapkan oleh laboratorium hasil hutan Amerika Serikat dengan menguji 160 spesies. Dapat dilihat bahwa sifat-sifat seperti MOE dalam lengkungan dan keteguhan tekan maksimum sejajar serat naik secara linear dengan berat jenis. Hubungan untuk sifatsifat yang lain adalah fungsi pangkat. Jadi sebagian sifat-sifat naik dengan berat jenis jauh lebih cepat daripada yang lain.
4 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
IV. FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KEKUATAN KA YU 1. Faktor Biologis Faktor biologis perusak kayu yang penting adalah jamur, bakteri, serangga dan binatang laut. Jasad hidup tersebut merusak kayu karena menjadikan kayu tersebut sebagai tempat tinggal atau makanannya. Kerusakan yang terjadi akibat kerusakan kayu oleh faktor biologis dapat terjadi baik pada pohon yang masih berdiri, balok segar, kayu gergajian maupun produkproduk kayu lain dalam proses penyimpanan dan pemakaian. Oleh karena itu upaya pengendalian terhadap jasad hidup perusak kayu tersebut sudah sejak lama dilakukan baik secara fisik, mekanik, kimia maupun secara hayati. Kayu yang diserang jamur akan mempengaruhi keteguhan pukul, keteguhan lengkung, keteguhan tekan, kekerasan serta elastisitasnya dan mengakibatkan kekuatan kayu berkurang. 2. Kadar Air Saat kayu mengering dibawah titik jenuh serat, sebagian besar kekuatan dan sifatsifat elastik bertambah. Ini mungkin diharapkan akan terjadi karena saat air dikeluarkan dari dinding sel, molekul-molekul berantai panjang bergerak saling mendekat dan menjadi terikat lebih kuat. Kenaikan kekuatan umumnya mulai nampak sedikit dibawah titik jenuh serat dan biasanya kadar air pada 25%. Hubungan antara kandungan air dan sifat-sifat kekuatan "white ash" yang dihubungkan dengan kekuatan segar dapat ditunjukkan pada gambar berikut: Gambar 2: Hubungan sifat-sifat kekuatan dengan kandungan air (Sifat-sifat “white ash” dibandingkan dengan kekuatan segarnya)
5 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
3. Waktu Penyimpanan Penyimpanan kayu tanpa pengaruh yang merusak oleh microorganisme, suhu tinggi, atau pembebanan terus menerus kecil pengaruhnya terhadap sifat-sifat kayu tersebut. Setelah berabad-abad, perubahan memang terjadi. Tetapi ini biasanya akibat faktor-faktor lingkungan dan bukan penyimpanan itu sendiri. Sejumlah kehilangan kebutuhan akan terjadi apabila penyimpanan lama disertai oleh pembebanan suhu terus menerus. Sebagian besar sifat-sifat mekanik kayu terpengaruh oleh lama beban yang dikenakan. Makin lama beban disangga makin rendah beban yang dapat disangga dengan aman. 4. Suhu Kebanyakan sifat-sifat mekanik kayu berkurang apabila kayu tersebut dipanaskan, dan bertambah apabila didinginkan. Selama suhu tidak melebihi 100oC terdapat sedikit saja kehilangan kekuatan yang permanen. Umumnya semakin tinggi kandungan air kayu semakin besar kepekaannya terhadap suhu tinggi. Hal ini harus dipertimbangkan apabila suhu dapur yang terlalu tinggi digunakan untuk mengeringkan suhu-suhu bangunan yang kritis. 5. Kelelahan Kekuatan lelah suatu beban adalah kemampuan untuk mempertahankan kekuatannya apabila dikenai beban berat yang berulang. Gelagar pada jembatan jalan rel kereta api adalah suatu contoh penerapan pentingnya kekuatan lelah. Ini dapat terjadi berjuta-juta kali selama umur jembatan. Menurut Wood Handbook (USFPL, 1994) dalam Haygreen dan Bowyer, 1993 kayu bebas cacat berserat lurus yang terkena 2 juta siklus lengkungan akan masih memiliki 60% kekuatan statiknya. 6. Mata Kayu Mata kayu adalah cacat yang paling umum mengurangi kekuatan kayu gergajian. Pengaruh suatu mata kayu dalam banyak hal mungkin dianggap sama dengan pengaruh suatu lubang. Dalam hal-hal yang lain mata kayu dapat mempunyai pengaruh yang lebih besar daripada suatu lubang yang dibor karena pemuntiran dalam arah serat yang menyertainya. Banyaknya pengurangan kekuatan suatu mata kayu tergantung tidak hanya pada ukuran mata kayu tetapi pada letaknya pada suatu potongan. Suatu mata kayu pada pinggir atas atau bawah suatu gelagar jauh lebih berat dari pada mata kayu yang sama yang letaknya dekat garis tengah. Mata kayu pada pinggir bawah suatu gelagar lebih berat dari pada apabila terletak di pinggir atas, karena mata kayu mempunyai pengaruh yang sangat besar pada kekuatan tarik dari pada pengaruhnya pada kekuatan tekan. 7. Kemiringan Serat Kemiringan serat pada kayu gergajian dinyatakan dalam panjang dengan penyimpangan suatu inci dalam serat tersebut. Sumber kemiringan serat dapat dihasilkan oleh : 1. Pemotongan pinggir kayu gergajian yang tidak tepat. 2. Pemotongan rang tidak sejajar kulit. 3. Akibat dari serat memuntir. Cara terbaik untuk mengenali tipe penyimpangan serat ini ialah dengan melihat pada alur-alur resin, retak permukaan, karat mineral, atau cacat-cacat kecil lain yang cenderung searah dengan sel-sel. Kekuatan kayu terpengaruh apabila terdapat kemiringan serat lebih besar dari pada kira-kira 1 dalam 20. 6 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
DAFTAR PUSTAKA 1. Anonimous, 1976. Vademecum Kehutanan Indonesia, Direktorat Jenderal Kehutanan. Departemen Pertanian, Jakarta. 2.
_________ , 1992. Manual Kehutanan. Departemen Kehutanan Republik Indonesia, Jakarta.
3. Arief, Arifin, 1994. Hutan, Hakikat dan Pengaruhnya Terhadap Lingkungan. Yayasan Obor Indonesia, Jakarta. 4. Haygreen, J.G dan Jim L. Bowyer, 1993. Hasil Hutan dan Ilmu Kayu. Terjemahan Sutjipto A. Hadikusumo. Gajah Mada University Press. Yogyakarta. 5. Panshin, A.J dan Carl de Zeeuw, 1980. Textbook of Wood Technology. Fourth Edition. McGraw Hill Book Company, New York.
7 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara
