Tempat dan Waktu
Penelitian empiris pengujian sambungan geser ganda di bengkel kerja dan laboratorium terdiri dari tiga kelompok kegiatan, yaitu penyiapan bahan, pembuatan contoh uji dan pengujian. Penyiapan bahan-bahan kayu untuk pembuatan contoh uji sifat fisik dan mekanik kayu serta pembuatan batang sambungan geser ganda dilakukan di workshop pengerjaan kayu pada Bagian Teknologi Peningkatan Mutu Kayu. Pengujian contoh uji sifat fisik kayu dilakukan di Laboratorium Kayu Solid Bagian Teknologi Peningkatan Mutu Kayu, sedangkan pembuatan dan pengujian contoh uji sambungan, pengujian lentur paku dan kuat tumpu paku pada batang utama serta pengujian contoh uji sifat mekanik kayu dilakukan di laboratorium Keteknikan Kayu pada Bagian Rekayasa dan Desain Bangunan Kayu, Departemen Hasil Hutan Fakultas Kehutanan IPB, Bogor. Pengujian kuat tarik maksimum paku dilakukan di Bagian Metalurgi Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Serpong. Pengenalan atau identifikasi jenis kayu dilakukan di laboratorium Anatomi Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Departemen Kehutanan RI.
Penelitian dilakukan selama kurang lebih 18 bulan mulai bulan Mei 2008 sampai dengan Oktober 2009. Pembagian waktu untuk setiap kegiatan yaitu mulai dari pengadaan bahan kayu dan penyiapan bahan uji dilakukan selama kurang lebih enam bulan sedangkan pembuatan contoh uji, pengujian, pengolahan dan analisa data dilakukan selama dua belas bulan.
Bahan dan Alat
Bahan penelitian adalah kayu lokal berasal dari daerah disekitar Bogor dan kayu luar Jawa yang memiliki sebaran berat jenis (BJ) atau specific gravity sangat rendah sampai sangat tinggi, antara lain kelompok BJ sangat rendah, yaitu kayu sengon (Paraserianthes falcataria); kelompok BJ sedang terdiri dari 5 jenis kayu, yaitu nangka (Arthocarpus sp), meranti merah (Shorea spp), borneo super, punak (Tetramerista glabra) dan rasamala (Altingia excelsa); kelompok BJ tinggi terdiri dari 3 jenis kayu, yaitu mabang (S.pachyphylla), kempas (Koompassia malaccensis), kapur (Dryobalanops spp) serta kelompok BJ sangat tinggi, yaitu
24 bangkirai (Shorea laevis). Bagian kayu yang digunakan tidak membedakan antara kayu gubal dengan kayu terasnya. Kayu sengon dan kayu nangka diperoleh dari penggergajian kayu yang berlokasi di Kampung Carangpulang, Desa Cikarawang, Dramaga, sedangkan kayu rasamala dari penggergajian di Desa Leuwiliang, Jasinga, Bogor. Tujuh jenis kayu tropis lainnya di peroleh dari toko bangunan di Bogor dalam bentuk balok kayu berukuran penampang 6 cm (tebal) x 12 cm (lebar) dengan panjang balok 400 cm. Ketujuh jenis kayu tersebut dipilih secara teliti dan cermat serta dipilah secara visual, yaitu pengamatan fisik kayu per individu balok pada keempat permukaan, meliputi keseragaman warna dan bentuk persegi balok, kelurusan balok, bebas dari cacat alami dan ukuran dimensi balok. Kadar air kesepuluh jenis kayu diperkirakan masih di atas 20%, maka sebelum diteliti kayu tersebut harus dikeringkan untuk mendapatkan kadar air kesetimbangan (KAK) atau kadar air kering udara. Bahan penelitian berupa balok kayu ini dipotong sepanjang 50 cm, ditumpuk rapi menggunakan batang-batang ganjal (sticker) dan dikeringkan secara alami di ruangan pada suhu kamar selama 75 hari.
Bahan penelitian lainnya adalah paku tampang bulat dengan permukaan halus atau licin (smooth round nails) terdiri dari tiga ukuran diameter, yaitu 4,1 mm (panjangnya 10 cm); 5,2 mm (12 cm); dan 5,5 mm (15 cm). Pemilihan jenis paku bulat ini didasarkan atas pertimbangan bahwa paku tersebut tersedia dalam jumlah yang cukup dan mudah diperoleh di berbagai toko bangungan di seluruh Indonesia. Namun demikian karena keragaman mutu paku bulat di pasaran Indonesia cukup tinggi, maka dalam pemilihan dan penentuan mutu paku dilakukan asas kehati-hatian, yaitu hanya dipilih paku struktural yang mengandung unsur baja di toko besi dan bangunan tertentu di kota Bogor. Jumlah paku yang digunakan sebagai alat sambung untuk masing-masing jenis kayu adalah 252 batang paku. Pelat sambung yang digunakan adalah pelat baja berukuran penampang 1,5 cm (tebal) dan 12 cm (lebar) dengan panjang pelat 30 cm sebanyak 12 pasang (24 lempeng). Pada setiap lempeng baja dibuat lubang bor, dimana besar lubang tersebut disesuaikan dengan diameter paku sementara jarak lubang untuk paku disesuaikan dengan ukuran kayu dan pelat sambung (AWC, 2005).
25 Peralatan utama penelitian adalah Universal Testing Machine (UTM) merk Baldwin model 60WHVL- 60.000LB.CAP, seri 60WHVL-1017 kapasitas 30 ton digunakan untuk pengujian kekuatan sambungan geser ganda. UTM merk Instron series IX version 8.27.00 kapasitas 5 ton digunakan untuk pengujian kekuatan tekan maksimum sejajar serat kayu (Maximum Crushing Strength) dan UTM merk LogTech kapasitas 15.000 kgf untuk pengujian kekuatan tarik ultimat paku. Alat-alat penelitian yang digunakan dalam penyiapan dan pembuatan contoh uji adalah gergaji untuk memotong dan membelah kayu, meteran untuk mengukur panjang bahan dan contoh uji, mesin bor untuk melobangi kayu sebelum disambung serta mesin serut (double planner) untuk meratakan sisi tebal dan lebar kayu.
Disamping peralatan utama digunakan juga peralatan pendukung penelitian, meliputi alat-alat untuk mengukur kadar air, kerapatan dan berat jenis kayu, yaitu kaliper untuk mengukur dimensi contoh uji, timbangan elektrik untuk mengukur berat contoh uji dan oven digunakan untuk mengeringkan contoh uji hingga kering tanur. Pembuatan contoh uji sambungan dilakukan dengan menggunakan palu untuk memukul atau memasukan (penetrasi) paku kedalam kayu, klem penjepit untuk menjepit kayu saat proses pemakuan kayu dengan pelat baja, dan gergaji besi digunakan untuk memotong paku setelah pengujian agar pelat baja terlepas dari kayu dan dapat digunakan kembali.
Metode Penelitian
Metoda pengujian sifat fisik yang meliputi kerapatan, berat jenis dan kadar air didasarkan pada standar Amerika, yaitu American Society for Testing and Materials (ASTM) D-143 tahun 1994. Pengujian sifat mekanik meliputi kekuatan tekan sejajar serat kayu menggunakan standar Inggris BS-373 tahun 1957 dan kekuatan sambungan kayu, kekuatan lentur paku (nail bending yield strength) dan kuat tumpu paku (nail embedding strength) pada batang utama didasarkan pada metoda eksplorasi. Pengujian kuat tarik maksimum paku untuk penentuan kuat tumpu paku pada pelat sisi baja didasarkan pada ASTM 2000 : Test Method of Tension of Methallic Material, Standard E8. Kekuatan tarik sejajar serat kayu
26 diduga dari model atau persamaan empirik yang dikembangkan oleh Tjondro (2007).
Dimensi contoh uji tekan sejajar serat kayu adalah 2 cm x 2 cm x 6 cm, dan contoh uji kadar air, kerapatan dan berat jenis dibuat dari contoh dan dimensi yang sama yaitu 5 cm x 5 cm x 5 cm. Contoh uji sambungan geser ganda dibuat dari 2 (dua) batang kayu dari jenis kayu yang sama dan berukuran sama, yaitu masing-masing batang berukuran penampang 6 cm (tebal) x 12 cm (lebar) dengan panjang 40 cm. Penyambungan mekanis antar dua batang dilakukan dengan menggunakan pelat sambung baja berukuran penampang 1,5 cm (tebal) x 12 cm (lebar) dengan panjang 30 cm. Pada setiap pelat sambung baja dibuat lubang sebesar ukuran diameter menurut masing-masing alat sambung paku. Selanjutnya pada setiap ukuran diameter paku per pelat sambung dibuat 4 (empat), 6 (enam), 8 (delapan) dan 10 (sepuluh) buah lubang sambungan. Contoh uji sambungan ini selanjutnya disebut sambungan geser ganda batang kayu dengan paku majemuk berpelat sisi baja atau selanjutnya cukup ditulis sambungan geser ganda. Pengaturan geometrik sambungan geser ganda mengacu pada AWC 2005 dan contoh sketsa gambar geometrik tersebut untuk 10 buah paku disajikan pada Gambar 1. Sketsa gambar contoh uji sambungan geser ganda menurut jumlah paku disajikan pada Gambar 2. Kekuatan contoh uji sambungan geser ganda maupun kekuatan contoh uji tekan sejajar serat kayu pengujian mekaniknya masing-masing dilakukan dengan menggunakan Universal Testing Machine (UTM) merk Baldwin dan UTM merk Instron.
Gambar 1 Geometrik contoh uji sambungan geser ganda untuk jumlah paku 10 buah
27 Gambar 2 Sketsa gambar contoh uji sambungan geser ganda menurut jumlah paku
Pengujian Sifat Fisik
Pengujian sifat fisik kadar air (KA), kerapatan (ρ) dan berat jenis (BJ) dilakukan sebagai berikut. Contoh uji ditimbang untuk mengetahui berat awal atau berat kering udara (BKU). Volume kering udara (VKU) dihitung dengan mengalikan dimensi panjang, lebar dan tebal contoh uji. Pengukuran dimensi contoh uji tersebut dilakukan dengan menggunakan kaliper. Contoh uji kemudian dimasukkan kedalam oven bersuhu 103 ± 20C selama 24 jam dan kemudian ditimbang. Selanjutnya contoh uji dimasukkan kembali ke dalam oven dengan suhu yang sama selama 10 menit dan ditimbang kembali. Kegiatan ini dilakukan berulang sampai diperoleh berat konstan atau berat kering oven (BKO). Berat jenis, kerapatan dan kadar air kayu dihitung dengan rumus berikut:
28 Pengujian sifat mekanik kekuatan tekan maksimum sejajar serat kayu (Fc//) atau maximum crushing strength (MCS) dan kekuatan sambungan geser ganda dengan pembebanan uni-aksial tekan atau pembebanan lateral (ketahanan lateral atau lateral resistance) dilakukan sebagai berikut.
Kekuatan Tekan Maksimum Sejajar Serat Kayu
Pengujian tekan maksimum sejajar serat kayu dilakukan dengan memberikan beban pada arah sejajar serat kayu dengan kedudukan contoh uji vertikal, dengan pemberian beban perlahan-lahan sampai contoh uji mengalami kerusakan (Gambar 3).
Gambar 3 Pengujian kekuatan tekan maksimum sejajar serat kayu
Beban tersebut merupakan beban maksimum yang dapat diterima oleh contoh uji. Nilai kekuatan tekan maksimum sejajar serat kayu dihitung dengan rumus:
Fc// = Pmaks. Dimana:
/A
Fc// = kekuatan tekan maksimum sejajar serat kayu (kg/cm2) Pmaks.
A = luas penampang contoh uji (cm
= beban maksimum sampai contoh uji mengalami kerusakan (kg)
2
29
Kekuatan Tarik Sejajar Serat Kayu
Kekuatan tarik sejajar serat kayu (Ft//) untuk 10 jenis kayu yang diteliti dihitung dan ditentukan berdasarkan model atau persamaan empirik kuat tarik sejajar serat hasil penelitian Tjondro (2007) sebagai berikut :
Ft// = 172,5 G1,05
dimana G adalah berat jenis kayu yang dihitung berdasarkan berat kayu kering tanur terhadap volume pada KA kering udara (KA=12-15%).
Kekuatan Sambungan Geser Ganda Percobaan I - Pendekatan Toritis
Percobaan I dalam penelitian ini merupakan percobaan yang didasarkan atas pendekatan teoritis dalam menentukan kekuatan atau nilai disain lateral Z sambungan geser ganda. Nilai disain lateral Z yang dimaksud dalam penelitian ini adalah notasi yang menggambarkan nilai beban ijin (format ASD-Allowable Stress Design) per paku sambungan geser ganda (double shear connections) yang diperoleh dari persamaan batas leleh (yield limit equations)(AWC, 2005). Pada praktek konstruksi kayu dilapangan nilai disain lateral rujukan Z ini harus dikonversi (digandakan) kedalam nilai disain yang disesuaikan Z’. Faktor-faktor penyesuaian tersebut meliputi faktor lama pembebanan (CD), faktor layanan basah/penyesuaian kadar air (CM), faktor suhu (Ct), faktor end grain (Ceg), faktor diafragma (Cdi) dan faktor toenail (Ctn
Menurut Wiryomartono (1977) untuk aplikasi struktural maka beban ijin per paku “Z” sambungan tampang dua “double shear connections” harus
). Sambungan paku pada bangunan struktural yang digunakan secara cermat dan teliti dibawah kondisi ini, faktor-faktor penyesuaiannya sama semuanya, yaitu nilainya 1 (satu) sehingga Z’=Z dalam format ASD. Penelitian ini membatasi nilai disain lateral rujukan Z sambungan geser ganda batang kayu dengan paku berpelat sisi baja dalam format ASD (bukan LRFD) dimana sambungan didisain sedemikian rupa sehingga semua faktor penyesuaian nilainya = 1. Dengan demikian besar nilai disain lateral rujukan Z = nilai disain lateral yang disesuaikan Z’.
30 diperhitungkan 2 kali lebih besar dari sambungan tampang satu “single shear connections”. Nilai Z dari sambungan geser ganda dengan pembebanan lateral (lateralresistance), yaitu arah gaya tegak lurus terhadap sumbu memanjang paku dan arah sumbu memanjang paku tegak lurus terhadap serat kayu dianalisis menggunakan teori (persamaan batas kekuatan) yang dikembangkan berdasarkan mekanika teknik yang memperhitungkan geometrik sambungan dan sifat-sifat mekanik bahan. Persamaan batas nilai disain acuan atau lateral Z ini diturunkan melalui serangkaian pengujian kekuatan lentur paku (nail bending yield strength) (Fyb); kekuatan tumpu paku pada batang utama kayu (main member nail bearing strength) (Fem) dan kekuatan tumpu paku pada pelat sisi baja (side member nail bearing strength) (Fes
a. Z = D(ℓ
) dari berbagai ukuran dan mutu. Dalam penelitian ini diasumsikan tumpuan sambungan yang digunakan pada kedua pelat baja adalah tumpuan pin (pinned support), sehingga formula atau rumus umum untuk menghitung Z dari sambungan geser ganda batang kayu-pelat baja dengan alat sambung paku (AWC, 2005)sebagai berikut :
m)(Fem)/Rd
b. Z = 2D(ℓ
apabila kerusakan terjadi pada batang utama kayu (main member) sedangkan alat sambung paku masih utuh atau tidak mengalami kerusakan sama sekali, dan
s)(Fes)/Rd
c. Z = 2k
apabila kerusakan terjadi pada kedua pelat sisi baja dan alat sambung paku masih utuh;
3D(ℓs)(Fem)/(2+Re)Rd
d. Z = (2D
apabila alat sambung paku melentur (plastic hinge) dan terjadi kerusakan pada pelat sisi baja;
2
/Rd) √2(Fem)(Fyb)/3(1+Re
dimana :
) apabila alat sambung paku melentur (plastic hinge) pada kedua bagian (balok kayu dan pelat sisi baja),
Z = Persamaan batas leleh (lb.) D = Diameter paku (in.)
Fyb
l
= Kekuatan lentur leleh paku (psi)
m
l
= Penetrasi paku kedalam batang utama kayu (in.)
s
F
= Penetrasi paku kedalam pelat sisi baja (in.)
em
F
= Kekuatan tumpu paku pada batang utama kayu (psi)
es
R
= Kekuatan tumpu paku pada pelat sisi baja (psi)
31
k3 =
Re =
Berdasarkan pendekatan rumus Fyb = 130,4 – 213,9D (AWC, 2005) maka nilai Fyb untuk ukuran diameter paku 4,1 mm (0,162 in); 5,2 mm (0,207 in); dan 5,5 mm (0,216 in) masing-masing adalah 96 ksi, 86 ksi, dan 84 ksi. Pada aplikasi konstruksi kayu dilapangan nilai Fyb tersebut pada Tabel NDS dibulatkan menjadi 90, 80, dan 80 psi. Dalam AWC (2005) dinyatakan bahwa tipe kerusakan untuk sambungan geser ganda dibagi menjadi 4 mode. Mode kerusakan sambungan geser tunggal (single shear connections) dan geser ganda (double shear connections) menurut rumus diatas berturut-turut dikenal dengan nama mode kerusakan Im, Is, IIIs dan IV (Gambar 4).
(Sumber : Breyer et al.2007)
Gambar 4 Mode kerusakan sambungan geser tunggal (single shear connections) dan geser ganda (double shear connections)
32 Nilai faktor reduksi Rd
Tabel 1 Faktor reduksi R
ditetapkan berdasarkan ketentuan yang tercantum dalam AWC (2005), sebagaimana disajikan pada Tabel 1.
d
Ukuran Alat Sambung
menurut ukuran alat sambung dan mode kerusakan
Mode Kerusakan Faktor Reduksi
Rd 0.25”≤ D≤1” D < 0.25” Im, Is II IIIm, IIIs, IV Im, Is, II, IIIm, IIIs, IV
4 K K Ө Ө KӨ KD Sumber : (AWC, 2005) Keterangan : KӨ
Ө = sudut antara arah beban terhadap serat kayu (0 = 1 + 0.25 (Ө/90)
o ≤ Ө ≤ 90o
D = diameter alat sambung (in.)
) untuk sembarang batang kayu dalam sebuah sambungan
KD K
= 2.2 untuk D ≤ 0.17”
D = 10 D + 0.5 untuk 0.17” ≤ D ≤ 0.25”
Menurut sifat pengujiannya, kekuatan tumpu paku pada batang kayu atau nail bearing strength for wood member (Fe) memiliki nilai yang berbeda tergantung jenis kayu (berat jenis) yang digunakan baik sebagai batang utama
(main member)(Fem) maupun sebagai batang tepi dalam bentuk
balok/papan/papan komposit (side member)(Fes) dari sambungan geser ganda. AWC (2005) menyajikan daftar kekuatan tumpu paku pada batang kayu (Fe) berdasarkan berat jenis kayu untuk paku berdiameter kurang dari 6,4 mm (D ≤ 0,25”) sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 2. Dengan demikian berdasarkan Tabel 2 tersebut data berat jenis sepuluh jenis kayu pada penelitian ini dapat digunakan untuk menentukan nilai kekuatan tumpu paku pada batang utama kayu (Fem
Sedangkan pada konteks sambungan paku menggunakan pelat sisi baja, nilai F
).
es untuk batang utama dan batang tepi juga berbeda. Kekuatan tumpu paku pada pelat sisi baja (Fes) yang dalam proses pembuatannya mendapat perlakuan dingin (cold-rolled steel side member), secara konservatif dapat ditetapkan besarnya, yaitu Fes = 1,357 Fu dimana Fu adalah kekuatan tarik ultimat pelat sisi baja (ultimate tensile strength of the steel side plate). Pada sisi lain apabila Fes
33 ditetapkan berdasarkan pelat sisi baja yang proses pembuatannya mendapat perlakuan panas (hot-formed steel side member), maka digunakan rumus Fes = 1,5 Fu. Pada penelitian ini digunakan paku dan pelat sisi baja yang diasumsikan dalam proses pembuatannya mendapat perlakuan dingin maka nilai Fes
Tabel 2 Kekuatan tumpu paku (F
yang dipakai adalah sebesar 61850 psi (AWC, 2005).
e
Berat Jenis, G
) berdasarkan berat jenis kayu untuk paku berdiameter kurang dari 6,4 mm
Fe (psi) ( D < ¼” ) 0,73 0,72 0,71 0,70 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 0,61 0,60 0,59 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43 9.300 9.050 8.850 8.600 8.400 8.150 7.950 7.750 7.500 7.300 7.100 6.900 6.700 6.500 6.300 6.100 5.900 5.700 5.550 5.350 5.150 5.000 4.800 4.650 4.450 4.300 4.150 4.000 3.800 3.650 3.500 Sumber : (AWC, 2005)
Nilai-nilai hasil perhitungan kekuatan tumpu paku dibulatkan keangka 50 psi. Dari semua data yang diperoleh selanjutnya dihitung nilai Z. Nilai Z yang
34 digunakan dan dianalisis dalam penelitian ini ditetapkan dari nilai Z minimum yang diperoleh dari perhitungan keempat persamaan batas leleh kekuatan sambungan geser ganda.
Apabila nilai berat jenisnya tidak tercantum dalam Tabel 2, maka menurut AWC (2005) dapat digunakan rumus Fe (D < ¼”) = 16600 G1.84, dimana Fe adalah kekuatan tumpu paku (psi), D diameter paku (in) dan G berat jenis kayu yang diukur pada kondisi kering tanur.