PKMI-2-14-1
STUDI KARAKTERISTIK PENGUKURAN TEGANGAN DAN RESPON HELMET INDUSTRI Jon Heri, Eko Hardiansyah, Chandra.A Siregar, Muhammad Daud Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara, Medan ABSTRAK Pengujian ketahanan helmet terhadap beban impak telah banyak dilakukan dan terus berkembang, dengan menjatuhkan impaktor dari suatu ketinggian tertentu (2 sampai dengan 3 m) menggunakan test rig jatuh bebas. Teknik standard ini dipandang tidak efektif bila diaplikasikan pada helmet yang dipakai untuk lapangan kerja konstruksi bangunan bertingkat, yang diperkirakan sebuah benda dapat jatuh dari suatu ketinggian yang melebihi 3 meter. Paper ini memperkenalkan suatu metode pengukuran respon helmet yang dikenai beban impak kecepatan tinggi. Teknik pengukuran itu disebut dengan teknik dua gage, yaitu menggunakan teori propagasi tegangan dalam batang suatu dimensi. Untuk mendapatkan beban impak kecepatan tinggi impaktor ditempatkan dalam sebuah barel dan ditembakkan ke lokasi impak helmet yang akan diuji, menggunakan alat uji Kompresor Impak (KOMPAK). Dari hasil penelitian diperoleh bahwa set-up teknik dua gage relatif mudah digunakan. Helmet yang diuji memberikan respon beban dan waktu impak (tegangan insiden) sesuai dengan karakteristik pembebanan. Kata kunci : helmet industri, impak kecepatan tinggi, teknik dua gage PENDAHULUAN Selama ini helmet diuji menggunakan prosedur pengujian standard menggunakan test rig dengan teknik jatuh bebas. Pengujian standard ini bertujuan untuk melihat sejauh mana kemampuan helmet dalam menyerap energi impak. Selain itu uji standard juga bertujuan meneliti keparahan rusak helmet yang memungkinkan merusak lapisan kulit kepala lewat penetrasi. Teknik ini telah banyak digunakan oleh berbagai pusat pengujian helmet, misalnya Sirim Berhad, Malaysia dan B4T Deperindag, Bandung Indonesia, dan juga Pusat Riset Impak dan Keretakan, Jurusan Teknik Mesin USU. Memakai uji standard yang ada, baik memakai standard Jepang (JIS) maupun Standard Nasional Indonesia (SNI) striker hanya dijatuhkan dari ketinggian H=2 sampai dengan 3 meter. Dengan demikian kecepatan striker hanya lebih kurang, v = 2gH =6.3 m/detik. Kecepatan striker sebesar ini masih tergolong kecepatan impak rendah. Padahal kenyataan di lapangan besar kemungkinan suatu benda jatuh dari suatu ketinggian yang lebih tinggi. Katakanlah sebuah benda jatuh bebas dari suatu gedung berlantai 10 (H=40m) yang sedang dibangun dan menimpa pekerja yang menggunakan helmet standard. Pertanyaannya apakah helmet tersebut akan tahan menerima benda jatuh dari ketinggian tersebut?. Menggunakan rumus yang sama kita dapat memperkirakan kecepatan jatuh benda tadi yaitu v=28.2 m/detik, kecepatan sebesar ini sudah tergolong kecepatan impak tinggi. Dengan demikian menggunakan prosedur standard yang sudah umum dipakai akan tidak mampu memberi keamanan kepada sipekerja. Dalam hal ini helmet untuk pekerja konstruksi atau industri seperti itu
PKMI-2-14-2
seyogianya dibuat dari bahan dan desain yang khusus sehingga akan mampu menahan beban impak kecepatan tinggi. Dengan dilandasi pada latar belakang di atas peneliti telah mengembangkan suatu teknik pengukuran respon helmet menggunakan sebuah cara baru yang cocok untuk helmet tahan terhadap impak tinggi, yaitu teknik pengukuran menggunakan set-up pengujian terbaru dari alat uji impak, Kompresor Impak (KOMPAK) [1,2]. Pada gilirannya, teknik ini dapat digunakan untuk mengukur kekuatan helmet industri akibat beban impak. BAHAN DAN METODE Bahan Dalam penelitian ini spesimen helmet yang akan diuji adalah helmet yang non-standard di peroleh dari toko-toko penjualan helmet industri tersebut. Helmet industri jenis ini (Gambar 1), ternyata masih banyak digunakan pada beberapa industri di Sumatera Utara, terutama pekerja konstruksi bangunan. Peneliti mengasumsikan bahwa helmet jenis ini belum memenuhi kategori standard. Alasannya karena tidak terdapat label dan sticker uji standard yang ditempel pada helmet. Untuk pengujian diperkirakan akan menggunakan sebanyak 10 buah helmet, yang terdiri dari: (1) uji helmet non-standard dengan pengimpakan atas, (2) hal yang serupa dilakukan dengan variasi jarak pemasangan biaxial strain gage 15 mm dari titik pengimpakan.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a) tampak depan, (b) tampak samping, (c) tampak belakang, dan (d) tampak atas
Gambar 1. Helmet industri non–standard. Metoda Set-up peralatan uji Untuk mendapatkan respon helmet yang dikenai beban impak kecepatan tinggi dilakukan dengan menggunakan KOMPAK. Beban impak (tegangan insiden) yang dimaksudkan dalam makalah ini adalah tegangan yang masuk ke permukaan impak, yaitu bagian atas tempurung helmet. Tegangan insiden pada lokasi impak tersebut tidak dapat diukur secara langsung; karena itu dalam penelitian ini tegangan insiden diukur dengan menggunakan set-up KOMPAK dengan teknik dua gage. Konstruksi peralatan uji impak secara skematik ditunjukkan pada Gambar 2. KOMPAK telah dimodifikasi sehingga dapat digunakan secara khusus untuk pengujian helmet. Helmet industri yang akan diuji (8) ditempatkan bersentuhan dengan salah satu ujung batang penerus ujung tumpul dengan panjang 1,5 m (7). Beban impak diperoleh dengan menumbukkan batang impak
PKMI-2-14-3
(panjang 0,5m) (6) ke batang penerus. Variasi kecepatan batang impak diperoleh dengan mengatur tekanan udara lepas dan jarak impak, yaitu jarak tumbukan batang impak dan batang penerus [3]. Pengukuran beban impak yang dibangkitkan pada lokasi impak dan ditransmisikan ke helmet dilakukan dengan menggunakan teknik strain gage yang dipasangkan di dua lokasi titik ukur pada batang penerus, yaitu pada a dan b. Gelombang tegangan yang ditangkap oleh strain gage pada lokasi a dan b tersebut [4], selanjutnya dengan bantuan bridge box (Kyowa), perubahan tahanan gage ΔR/R diubah menjadi voltase output Vo pada transient converter, melalui signal conditioner. Data digital yang direkam transient converter selanjutnya dikirim ke komputer dengan memakai interface. Channel 1 atau 2 yang terdapat pada transient converter digunakan untuk mendeteksi gelombang tegangan yang melewati strain gage (pada lokasi a dan b). Tegangan insiden yang dihasilkan di atas itulah yang dimaksud dengan respon helmet. 2 3000 mm 3
4000 mm
4 5
6
7
8
9 13
10
1
11 12
14
0001V
1 2 3 4 5 6 7
Kompresor Tangki Udara Pressure Regulator Katup Solenoid Pipa Barel Striker Input bar
8 9 10 11 12 13 14
0001V
Spesimen Helmet dan test rig Strain Gage Bridge Head Signal Conditioner Transient Converter Personal Computer Interface
Gambar 2. Set-up Alat Uji KOMPAK 1500 500 Striker
Spesimen helmet
1300 1100 Input Bar
gage a gage b Gambar 3. Set-up batang dan helmet
Detail
8
PKMI-2-14-4
Tabel I. Sifat Mekanik Batang ujung tumpul Batang impak (Striker) Batang penerus (input bar)
Material Al-6061 Al-6061
E (GPa) 68 68
ρ (kg/m3) 2713 2713
Co (m/s) 5006 5006
Y
biaxial gage
Striker
1500 mm Input Bar
X b
500 mm
biaxial gage Titik Impak
Gambar 4. Set-up pengukuran helmet secara langsung dengan biaxial, (b= 15 mm) Metoda pengukuran tegangan Pada Gambar 3 ditunjukkan secara detail susunan batang helmet yang akan diuji. Perhitungan tegangan insiden tekan pada lokasi impak dari helmet didasarkan pada teori penjalaran gelombang elastik [5,6]. Berikut ini diberikan rumus menghitung besarnya gelombang tegangan pada lokasi b: σb(t) = σR(t) + σL(t)
(1)
dimana σR(t) dan σL(t) adalah tegangan yang berpropagasi ke kiri dan ujung kanan batang penerus. Ambil t1 = l/Co, di mana l jarak antara gage a dan b, juga c dan Co adalah kecepatan rambat gelombang elastik dalam batang. Tegangan pada lokasi a dan c dapat dihubungkan sbb: σa(t) = σR(t + t1) + σL(t-t1)
(2)
σc(t) = σR(t - t1) + σL(t+t1)
(3)
dan
Jika persamaan (3) disederhanakan dalam σa dan σb, tegangan insiden yang ditransmisikan ke dalam helmet, pada lokasi c, dapat dihitung, sebagai berikut: σc(t) = σb(t + t1) + σb(t - t1) - σa (t)
(4)
Di sini, t adalah waktu dan t1 = jarak dari a ke b/c0, dimana c0 adalah kecepatan rambat gelombang dalam batang yang dihitung dengan rumus C = E . Di sini E , 0
ρ
Modulus elastisitas dan ρ, masa jenis batang penerus (input bar). Pengujian dilakukan dengan berbagai variasi beban impak yang diatur dengan cara merubah jarak impak. Dalam pengujian ini tekanan tangki udara diatur pada 0,4 MPa, dengan variasi jarak pengimpakan, (Impact distance).
PKMI-2-14-5
HASIL PENELITIAN P : 0,4 MPa Striker
Input Bar
Impact distance: 100mm Stress vs Time 60
Incide nt Stre ss
48.35 41.33
20
30
15.48
15 Stre ss (M Pa)
Stress (M Pa)
10 0 0
400
800
1200
5 0 -5
0
6.82
200
400
600
-10
-30
-15 -20 Time (μ s)
-60 Time ( μ s)
Gambar 5. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 100mm) P : 0,4 MPa Striker
Input Bar
Impact distance: 150mm Stress vs Time
Incident Stress 20 80 60
50.77
Stre ss (M Pa)
20 0 0
400
800
1200
Stress (MPa)
10
40
-20
16.61
15
60.12
5 0 -5
0
200
400
600
-10 -40
-15 -60
-20 -80 Time (μ s)
Time (μ s)
Gambar 6. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 150mm)
800
PKMI-2-14-6
P : 0,4 MPa Striker
Input Bar
Impact Distance: 200 mm Stress vs Time
Incident Stress 20 80
69.1 7
60
10
Stress (MPa)
Stre ss (M Pa)
40 20 0 -20
13.72
15
62.54
0
40 0
8 00
12 00
5 0 -5
0
200
400
600
800
-10
-40
-15
-60
-20
-80
Time (μs)
Time (μ s)
Gambar 7. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 200mm)
2
Y
1,55
1,5 1
X
0 -0,52000
3000
4000
5000
6000
7000
CH1 (arahX) CH2 (arah-Y)
8000
-1
15 mm
T e ga ngan (MP a)
0,5
-1,5
Biaxial Gage
-2 -2,5
Titik Impak
-2,58
-3
Waktu (μs)
3
2
-2,58
1,55 T e g a n g a n (M P a)
T e g a n g a n (M P a )
2
1
1
0
0
2000
2000 3000
4000
5000
6000
7000
8000
3000
4000
5000
6000
2996 -1
-1 Waktu ( μ s)
Waktu ( μ s)
Gambar 8. Respon helmet pada P=0,4 MPa; ID= 100mm
7000
8000
PKMI-2-14-7
Tabel II. Variasi tegangan insiden yang masuk ke helmet Kondisi beban 0,4 MPa; 100mm 0,4 MPa; 150mm 0,4 MPa; 200mm
Tabel III.
Tegangan Impak (MPa) 48,35 60,12 69,17
Tegangan Insiden (MPa) 16,48 16,61 13,72
Variasi tegangan dan waktu yang masuk ke helmet dengan metode pengukuran langsung
Kondisi beban 0,4 MPa; 70mm 0,4 MPa; 80mm 0,4 MPa; 90mm 0,4 MPa; 100mm 0,4 MPa; 110mm
Tegangan (MPa) Arah -X Arah -Y -1,91 1,09 -2,31 1,21 -2,38 1,35 -2,58 1,55 -2,77 1,63
Waktu (μs) Arah -X Arah –Y 3299 3009 3568 3267 3631 3270 3906 3329 3989 3594
PEMBAHASAN Pengukuran Respon Helmet Secara Tidak Langsung Dalam penelitian ini pengukuran kekuatan impak helmet dilakukan pada arah impak atasa saja. Set-up uji ditunjukkan pada Gambar 3 untuk mengetahui respon helmet terhadap beban impak. Respon tersebut dapat diartikan sebagai resistensi helmet dalam mendukung gelombang tegangan impak yang masuk ke lokasi impak melewati ujung batang penerus. Respon helmet diperkirakan berbeda tergantung lokasi impak dan intensitas beban dan juga geometri ujung batang penerus yang bersentuhan langsung dengan permukaan helmet. Menggunakan set-up seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan metoda yang dijelaskan di atas sebanyak 10 buah helmet industri merek X juga dikenakan berbagai variasi beban impak. Konfigurasi tegangan insiden akibat ujung tumpul ditunjukkan pada Gambar 5 sampai dengan Gambar 7, dimana gelombang tersebut memberikan beberapa informasi penting, yaitu: Waktu impak untuk jarak 100 mm, (ti)=498 μs, jarak 150 mm, (ti)=462 μs, dan jarak 200 mm, (ti) berkisar antara 300 - 400 μs,; waktu impak ini tergantung pada ukuran batang impak yang digunakan. Dalam penelitian ini digunakan batang impak yang panjangnya 500 mm. Tegangan yang masuk pada helmet dengan tekanan konstan 0,4 MPa dan variasi jarak impak 100, 150, dan 200 mm ditunjukkan pada Tabel II. Pengukuran Respon Helmet Secara Langsung Pengukuran respon helmet secara langsung dilakukan adalah untuk melihat respon helmet pada lokasi tertentu diluar daerah impak. Pada Gambar 3 ditunjukkan set-up pemasangan biaxial gage pada jarak 15 mm dari titik pengimpakan sebelah atas. Pemasangan pada jarak 15 mm ini bertujuan untuk mendeteksi tegangan sedekat mungkin dengan beban impak. Pengujian helmet dengan menggunakan biaxial gage (arah-X dan Y) yang terpasang 15 mm dari titik impak, dipergunakan tekanan yang diset konstan
PKMI-2-14-8
sebesar 0,4 MPa dan melakukan pengujian impak dengan jarak dari 70 mm sampai dengan 110 mm pada bagian atas spesimen, seperti yang terlihat pada Gambar 4 yang merupakan kronologi pengujian spesimen helmet yang memakai strain gage biaxial. Dari pengujian ini diperoleh karakteristik propagasi tegangan yang berbentuk impulse. Bentuk karakteristik propagasi tegangan yang dihasilkan pada permukaan helmet ditunjukan pada Gambar 8. Dari keterangan di atas, bahwa rambatan gelombang yang besar terjadi pada spesimen adalah rambatan gelombang yang menuju arah-X dimana waktu yang diperlukan untuk perambatan membentuk suatu gelombang impulse dengan pembacaan strain gage arah-X yang berjarak 15 mm dari titik pengimpakan dengan tekanan 0,4 Mpa dan variasi jarak impak dari 70 mm sampai dengan 110 mm terlihat pada Tabel III. KESIMPULAN Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa Metoda dua gage dan setupnya mudah untuk digunakan; untuk mendapatkan tegangan insiden tidak disyaratkan diketahui sifat mekanik helmet yang akan diuji. Dimana bentuk dan intensitas tegangan impak yang timbul tergantung pada laju pembebanan batang impak, dan dapat pula disimpulkan bahwa karakteristik tegangan dengan pengukuran langsung pada helmet dengan menggunakan biaxial gage menunjukkan adanya perbedaan respon yang diterima oleh helmet pada lokasi tertentu (15 mm dari titik impak), hal ini bergantung kepada besarnya beban impak yang diberikan. DAFTAR PUSTAKA [1] Syam B, etal., “Pembuatan Alat Uji Air Gun Compressor dan Penyelidikan Perilaku mekanik Beberapa Material Keramik Akibat Beban Impak”, Laporan Komprehensif Penelitian Hibah Bersaing VI/1 dan VI/2, Medan, 1999. [2] Syam B., “A Measuring Method for Impact Tensile Strength and Impact Fracture Behaviors of Brittle Material”, A Doctoral Dissertation, Muroran Institute of Tecnology, Muroran, Japan, March 1996, pp. 29-98 [3] Mahadi, B, etal., “Aplikasi Teknik Dua Gage dalam Obserpasi Respon Helmet Industri yang Dikenai Beban Impak”, Buletin Utama Teknik, Vol.8 No.1, Januari 2004, pp. 29-35. [4] Sabri, M., “Perilaku Strain Gage sebagai Sensor pada Pengukuran Regangan”, Jurnal Teknik SIMETRIKA Vol.2 No.2, Agustus 2003, pp.6-13 [5] Yanagihara, N., “Theory of One-Dimensial Elastic Wave for the Measurement of the Impact Force”, Buletin of JSME, Vol.43, 1977, pp.40-48 [6] Johnson, W., “Impact Strength of Material”, Edward Arnold, London, 1972.
PKMI-2-14-8
