UJI EKSPERIMENTAL BEBAN TEKUK KRITIS KOLOM SANDWICH KOMPOSIT SERAT ALAM
TUGAS AKHIR Disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan tingkat sarjana di Program Studi Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung
Oleh : HENRY PRASETYO 13605602
Pembimbing : Dr. Ir. Bambang Kismono Hadi Ir. Muhammad Kusni, MT Dr. Ir. Djarot Widagdo
PROGRAM STUDI TEKNIK PENERBANGAN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
ABSTRAK
ABSTRAK Serat kelapa, rami, dan serbuk kelapa merupakan bahan-bahan alam yang melimpah di Indonesia. Namun, hingga saat ini pemanfaatan dari bahan-bahan tersebut belum cukup optimal. Padahal dengan sifatnya yang dapat diperbaharui, bahan serat alam ini memiliki keunggulan dibandingkan dengan serat sintetis lainnya, seperti serat gelas yang tidak dapat diperbaharui lagi. Dengan dasar tersebut, maka mulailah dipikirkan untuk membuat komposit dalam bentuk struktur sandwich dengan bahan dasar serat alam sebagai bahan alternatif yang ramah lingkungan. Namun, sandwich yang berbahan dasar serat alam tersebut masih memiliki cukup banyak masalah, mulai dari proses produksi hingga material properti dari struktur sandwich tersebut belum diketahui secara spesifik. Salah satu masalah pada struktur sandwich pada umumnya adalah saat menerima pembebanan tekan yang dapat mengakibatkan terjadinya overall buckling. Tugas akhir ini disusun untuk mengetahui ketahanan struktur sandwich berbahan dasar serat alam terhadap pembebanan tekan yang ditunjukkan dengan nilai beban tekuk kritis (Pcr). Besaran ini dapat diketahui dengan melakukan pengujian pada beberapa spesimen dan dianalisis dengan menggunakan metode southwell dan ekstrapolasi. Pengujian diawali dengan uji tarik untuk material face yang berbahan dasar serat kelapa/epoxy diperoleh modulus elastisitas sebesar 0,5388 GPa dan untuk serat rami/epoxy diperoleh E sebesar 5,0844 GPa serta uji tekan untuk material core yang berbahan dasar serbuk kelapa/lateks dimana diperoleh E sebesar 0,017418 GPa. Dari hasil tersebut, maka digunakan material serat rami/epoxy sebagai face dan serbuk kelapa/lateks sebagai core untuk membangun struktur sandwich. Dari hasil pengujian diperoleh nilai beban tekuk kritis yang cukup bervariasi dari ketiga spesimen yang diuji. Beban tekuk kritis rata-rata yang diperoleh adalah 35,03 N/mm untuk metode southwell dan 32,45 N/mm dengan menggunakan metode ekstrapolasi. Hal ini apabila dibandingkan dengan hasil numerik dengan variasi persen delaminasi, maka berada pada kisaran delaminasi 40%.
i
ABSTRACT
ABSTRACT Coconut fiber, hemp fiber, and coconut grain are abundant natural materials in Indonesia. However, until this very moment, those materials have not been used optimally. Although they have the advantage of being renewable compared to other synthetic fiber, such as glass fiber that can not be renewed. Therefore, making composite as an alternative of environmental friendly material, in the form of sandwich structure, starts to be taken into account. Nevertheless, sandwich structure, which is made of natural fiber as the basic material, still has a lot of weaknesses in the production process to material properties, which are still unknown specifically. One of the problems in sandwich structure in general is uniaxial force which can cause overall buckling. This final assignment gives details of the research conducted to identify the durability of natural based sandwich structure given uniaxial forces, which is shown by the value of critical buckling load (Pcr). Pcr can be obtained by doing experiments on a number of specimens which analyzed by southwell method and extrapolation. The experiment was begun by tension test for the face material which made from coconut fiber/epoxy which gave elastic modulus 0.5388 GPa and for hemp fiber/epoxy we can obtain E = 5.0844 GPa and while compression test was applied on the coconut fiber/latex for the core material, then we can obtain E = 0.017418 GPa. From the mentioned results, the hemp fiber/epoxy was chosen as the face material and the coconut grain/latex as the core material to build a sandwich structure. From the experiment result, we can obtain the varying value of the critical buckling load from the above three specimens that tested. The average critical buckling load that obtained was 35.03 N/mm for the southwell method and 32.45 N/mm for the extrapolation method. These results compared with the numerical result with varied delamination percentage were in range of 40% delamination.
ii
KATA PENGANTAR
KATA PENGANTAR Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena hanya dengan kekuatan dan bimbingan-Nyalah yang selalu membimbing dan memberikan penguatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik dan tepat waktu sesuai dengan yang diharapkan. Tugas Akhir ini disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan tingkat sarjana di Departemen Teknik Penerbangan ITB. Sesuai dengan KBK yang dipilih oleh penulis, maka bidang tugas akhir ini membahas tentang konstruksi struktur sandwich yang mampu meningkatkan nilai guna dari salah satu bahan alami yang selama ini merupakan limbah. Oleh karena itu pada tugas akhir ini, penulis berusaha untuk meneliti kekuatan struktur sandwich yang tebuat dari serat alami yang banyak terdapat di alam terutama di Indonesia beserta modus kegagalan yang sering terjadi. Dalam penyusunan tugas akhir ini, penulis mendapat banyak bantuan baik moril maupun materiil yang tidak terhingga. Oleh karena itu, secara khusus penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1.
Bapak Dr. Ir. Bambang Kismono Hadi, atas kesabarannya dalam membimbing dan selalu memberikan koreksi kepada penulis serta yang senantiasa memberikan waktunya di sela-sela kesibukannya
2.
Bapak Ir. Muhammad Kusni, MT, yang selalu mengingatkan dan memberikan dukungan penuh sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini tepat waktu.
3.
Bapak Dr. Ir. Djarot Widagdo, yang selalu memberikan dorongan kepada penulis di saat terjadi kebuntuan dan memberikan waktu untuk memberikan koreksi sehingga Tugas Akhir ini dapat ditampilkan dengan sebaik-baiknya.
4.
Dian
Fadillah
Safari
atas
kerjasama
dan
bantuannya
dalam
menyelesaikan tugas akhir ini. 5.
Ayahanda Riyono Daniel, Ibunda Sri Budiati dan Kakak
Henky
Prasetyo yang selalu dan tidak habis-habisnya mendoakan dan memberikan kasih sayang yang tidak terhingga kepada penulis. iii
KATA PENGANTAR 6.
Seluruh rekan-rekan satu tim dalam pelaksanaan Tugas Akhir ini yang senantiasa saling membantu hingga semuanya dapat dilaksanakan dengan baik.
7.
Seluruh staf dosen, staf karyawan, saudara dan teman-teman yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu disini atas semua bantuan yang telah diberikan.
Penulis menyadari, bahwa penyusunan tugas akhir ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu, penulis dengan segala kerendahan hati memohon kritik dan sarannya agar dapat memperbaiki diri di kemudian hari. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi yang membacanya.
Bandung, September 2007
iv
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI Abstrak ………………………………………………………………..…………. i Abstract ………………………………………………………………………….. ii Kata Pengantar ………………………………………………………..…………. iii Ucapan Terima Kasih …………………………………………………..………... v Daftar Isi ………………………………………………………………..……….. vii Daftar Tabel …………………………………………….………………..………. x Daftar Gambar ………………………………………….………………..………. xi
BAB 1 PENDAHULUAN …………………………………………..………… 1 1.1 Latar Belakang …………………………………..………..……….. 1 1.1.1 Gambaran Umum Struktur Sandwich ……………..……….. 2 1.2 Tujuan Penelitian …………………………………………..………. 4 1.3 Rumusan Masalah ………………………………………..………… 4 1.4 Batasan Masalah …………………………………………..……….. 4 1.5 Sistematika Pembahasan …………………………………..……….. 5
BAB 2 DASAR TEORI ………………………………………………………… 6 2.1 Umum ………………………………………………………………. 6 2.2 Sifat-Sifat Serat Alam ……………………………………………… 6 2.2.1 Serat dan Serbuk Kelapa …………………………………… 7 2.2.2 Serat Rami ………………………………………………….. 7 2.3 Mekanika Struktur Komposit ………………………………………. 9 2.3.1 Lamina ……………………………………………………… 9 2.3.2 Teori Laminat Klasik ……………………………………….. 12 2.3.2.1 Resultan Gaya dan Momen dalam Laminat ………. 12 2.4 Konsep Kestabilan dan Ketidakstabilan …………………………… 14 2.4.1 Overall Buckling …………………………………………… 17
BAB 3 PENGUJIAN …………………………………………………………… 18 3.1 Umum ……………………………………………………………… 18 vii
DAFTAR ISI 3.2 Metode Pengujian ………………………………………………..… 18 3.2.1 Uji Material Face dan Core ……………………………….. 18 3.2.1.1 Uji Tarik ………………………………………….. 18 3.2.1.2 Uji Tekan …………………………………………. 20 3.2.2 Uji Tekan Beban Tekuk Kritis ……………………………... 20 3.3 Pembuatan Spesimen ………………………………………………. 22 3.3.1 Pembuatan Core ……………………………………………. 24 3.3.2 Pembuatan Face ……………………………………………. 25 3.3.3 Pembuatan Struktur Sandwich ……………………………… 26 3.4 Prosedur dan Peralatan Pengujian ………………………………….. 27 3.4.1 Pengujian Material Face dan Core ………………………… 27 3.4.1.1 Pengujian Tarik …………………………………… 27 3.4.1.2 Pengujian Tekan …………………………………... 28 3.4.2 Alat Uji dan Prosedur Pengujian Buckling ………………… 29 3.5 Data Hasil Pengujian ………………………………………………. 31 3.5.1 Data Hasil Pengujian Tarik (Face) ………………………… 31 3.5.2 Data Hasil Pengujian Tekan (Core) ……………………….. 32 3.5.3 Data Hasil Pengujian Tekan (Sandwich) ………………….. 33
BAB 4 ANALISIS DAN PERBANDINGAN DATA ………………………..
34
4.1 Umum ……………………………………………………………… 34 4.2 Analisis Data Pengujian …………………………………………… 34 4.2.1 Analisis Uji Tarik Material Face ………………………….. 34 4.2.2 Analisis Uji Tekan Material Core …………………………. 36 4.2.3 Analisis Uji Beban Tekuk Kritis ………………….……….. 37 4.3 Perbandingan dan Analisis Data Hasil Pengujian dan Numerik …... 40
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ………………………………………..
44
5.1 Kesimpulan ………………………………………………………… 44 5.2 Saran …………………………………………………………….….. 45
DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………………. 46 LAMPIRAN A GRAFIK HASIL PENGUJIAN MATERIAL FACE DAN CORE LAMPIRAN B DATA DAN GRAFIK PENGUJIAN BEBAN TEKUK KRITIS viii
DAFTAR ISI LAMPIRAN C GRAFIK PENENTUAN BEBAN TEKUK KRITIS LAMPIRAN D GAMBAR PERALATAN DAN BAHAN PENGUJIAN LAMPIRAN E
GRAFIK KALIBRASI MESIN UJI TEKAN
ix
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1. Struktur Sandwich ............................................................................ 3 Gambar 2.1. Lamina Pada Sumbu Utama Bahan (1,2,3) ………………………... 9 Gambar 2.2. Sumbu (x,y) Membentuk Sudut θ Terhadap Sumbu (1,2). Sumbu z Merupakan Sumbu Putar …………………………………………… 11 Gambar 2.3. Susunan Laminat …………………………………………………… 13 Gambar 2.4. Konsep Stabilitas Dari Suatu Kesetimbangan ……………………... 15 Gambar 2.5. Kondisi Keseimbangan Kolom Pada Pembebanan Tekan ................. 15 Gambar 2.6. Diagram Batas Fasa Kestabilan dan Ketidakstabilan ……………… 16 Gambar 2.7. Modus Ketidakstabilan Struktur Sandwich ……………………….. 17 Gambar 2.8. Modus Overall Buckling …………………………………………… 17 Gambar 3.1. Beban Tekan Vs Defleksi Transversal pada Kolom ………………. 21 Gambar 3.2. Grafik Kurva Southwell .................................................................... 22 Gambar 3.3. Spesimen Uji Tarik ………………………………………………... 27 Gambar 3.4. Spesimen Uji Tekan ……………………………………………….. 28 Gambar 3.5. Spesimen Uji Tekan Buckling ……………………………………… 29 Gambar 3.6. Mesin Uji Tekan untuk Pengujian Buckling ...................................... 30 Gambar 4.1. Kekuatan Rata-rata (σ) Serat Alam ……………………………….. 35 Gambar 4.2. Modus Kegagalan Spesimen Serat Kelapa ………………………… 35 Gambar 4.3. Modus Kegagalan Spesimen Serat Rami ………………………….. 36 Gambar 4.4. Grafik Metode Ekstrapolasi ……………………………………….. 38 Gambar 4.5. Grafik Metode Southwell …………………………………………. 38 Gambar 4.6. Spesimen Setelah Pengujian ……………………………………….. 40 Gambar 4.7. Grafik Pengaruh Delaminasi Awal Terhadap Pcr ………………….. 41
xi
DAFTAR TABEL
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Perbandingan Kualitatif Antara Serat Alam dan Serat Gelas ……… 7 Tabel 3.1. Data Hasil Pengujian Tarik Material Face …………………………. 32 Tabel 3.2. Data Hasil Pengujian Tekan Material Core …………………...…… 32 Tabel 3.3. Data Hasil Pengujian Model Overall Buckling …………………….
33
Tabel 4.1. Perbandingan Modulus Elastisitas Material Face ……….………… 36 Tabel 4.2. Perbandingan Modulus Elastisitas dan Density Material Core ….…
37
Tabel 4.3. Data Hasil Pengujian Model Overall Buckling …………….………. 37 Tabel 4.4. Perbandingan Pcr Hasil Pengujian dan Numerik ……………………. 41 Tabel 4.5. Beban Tekuk Kritis Dengan Super Glue (Adhesive) ……………….. 43
x
