BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.4. Klasifikasi Proses dan Material Komposit Polimer
2.4.1. Termoplastik polimer
Pada umumnya termoplastik polimer terdiri dari jenis poliamid,
polikarbonat, polietilenteraftalat sebagai matrik. Bahan polimer ini digunakan untuk berbagai keperluan seperti: peralatan rumah tangga, alat–alat kesehatan, kendaraan bermotor, dan lain sebagainya. Pada proses pembuatan atau pencetakan biasanya menggunakan serat sebagai penguat dan polimer sebagai matrik.
Pada proses termoplastik polimer ini, jenis serat yang digunakan adalah: carbon, boron, kevlar 49, dan E-Glass yang berbentuk serbuk (powder) atau partikel. Pada proses pencetakannya menggunakan cetakan tertutup dengan sistem
pemanasan, dan tekanan. Alat cetak yang digunakan adalah: injection molding,
compression molding, bag molding, dan transfer molding. Sebelum dicetak, polimer
dipanaskan dari bentuk solid ke cairan viscositas dan dicampur dengan serat
menjadi sebuah bentuk produk yang diinginkan, kemudian didinginkan kembali kebentuk solid. Jenis termoplastik polimer ini dapat dilakukan proses daur ulang, pada siklus pemanasan dan pendinginannya dapat diaplikasikan diberbagai waktu tanpa adanya penurunan atau pengurangan polimer. Jadi proses termoplastik
polimer adalah tergolong jenis Polymer Matric Composites (PMCs) yang
menggunakan serat berbentuk serbuk (powder), dan memiliki struktur material yang isotropic.
2.4.2. Termoset polimer
Termoset polimer, dan elastomer berbeda dengan termoplastik polimer. Penggunaan termoplastik polimer lebih luas dari termoset polimer. Termoset polimer, jika dipanaskan akan terjadi perubahan secara kimia. Secara umum termoset polimer: lebih kaku, modulus elastisnya semakin meningkat, rapuh, sebenarnya tidak memiliki keuletan, kecil kemungkinan dapat larut pada bahan pelarut biasa, tahan terhadap temperatur tinggi, dan tidak dapat untuk dilebur atau dicairkan kembali, bahkan berkurang atau terbakar.
Proses pembentukan atau pencetakan jenis termoset polimer ini pada umumnya menggunakan bentuk cetakan terbuka tanpa memerlukan proses
pemanasan dan tekanan. Bahan polimer yang utama termoset adalah: phenolic,
unsaturated polyester dan epoxies sebagai matrik yang mengeras pada suhu kamar, dan jenis serat yang digunakan sebagai penguat adalah : serat E-Glass jenis Chopped Strand Mat (CSM), serat alam, dan sintetik sebagai penguat. Pada prinsipnya proses
ini tergolong jenis plastik yang diperkuat serat (Glass Fiber Reinforced Plastic/
GFRP). Keuntungan dari material GFRP adalah: memiliki keuletan dan kekuatan
yang seimbang, memperbaiki ketangguhan, dan tahan terhadap beban impak. Jenis struktur material GFRP tergolong anisotropic dan signifikan dengan sifat-sifatnya. Klasifikasi proses produksi untuk jenis material PMCs dan GFRP secara skematis menurut Groover M.P., [7] dapat dilihat pada Gambar 2.4.
2.4.3. Material Komposit Polimer GFRP dan Sifat-Sifat Mekanik
Jenis termoset polimer yang diperkuat serat ini sering digunakan oleh para peneliti sebagai bahan teknologi yang memiliki kekuatan yang dapat diandalkan untuk keperluan barang-barang industri. Material komposit dari jenis termoset polimer yang diperkuat serat gelas (Fiber Reinforced Plastic) ini digunakan untuk bahan teknologi, dan dibuat sesuai dengan keperluan yang diinginkan. Spesifikasi material komposit menurut Shinroku Saito., [16] dapat ditunjukkan seperti pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3 Spesifikasi Material Komposit Polimer dan Sifat-Sifat Mekanik Jenis Material Kekuatan Tarik Perpanjangan patah Masa Jenis Modulus Elastisitas (GN/m2) (%) (g/cm3) (G N/m2) Serat glass 3,2 2,3 2,54 75 Tipe: E Resin Polyester 1,1 9,0 1,38 15 tak jenuh. Sumber: Groover M.P
Sedangkan pada Gambar 2.4 adalah menunjukkan klasifikasi proses Polymer Matrix Composites (PMCs) yang menggunakan serat searah, serat tidak searah, dan
serat pendek sebagai penguat, dengan berbagai metode pencetakan sesuai keperluan perencanaan.
Gambar 2.4 Klasifikasi Proses Fiber Reinforced Plastics (FRP) dan Polymer Matrix Composite (PMCs)
Processes for continuous/ discontinuous
fiber PMCs
Processes for short Fiber PMCs
Open Mold Processes
Closed Mold Processes
Open Mold Processes
Closed Mold Processes
Hand Lay up Automated TapeLaying Compression Molding Resin Trasfer Molding Spray up Compression Molding Transfer Molding Injection Molding FRP Shaping Processes Filament Winding Pultrusion Processes
Other Tube Rolling
Other
Centrifugal Casting
Continuous Laminating
2.5. Fungsi dan Kenyamanan Helm Industri
Terkait dalam penggunaan helm di lingkungan industri, maka selain di anjurkan untuk memakai helm bagi para pekerja. Pada pihak manajemen juga harus memperhatikan bagaimana kekuatan dan kenyamanan helm yang digunakan sehingga dapat memberikan jaminan keselamatan dan kenyamanan bagi para pekerja atau helm tersebut telah memenuhi persyaratan keselamatan kerja sesuai dengan yang dianjurkan.
Di dalam undang-undang nomor 1 tahun 1970., [26] tentang keselamatan kerja adalah untuk:
1. Mencegah dan mengurangi terjadinya kecelakaan.
2. Memberikan Alat Pelindung Diri (APD) bagi para pekerja.
3. Menyesuaikan dan menyempurnakan pengamanan pada pekerjaan yang bahaya kecelakaannya menjadi bertambah tinggi.
Menurut peraturan Keselamatan dan Kesehatan Kerja (K3), pihak industri berkewajiban menyediakan, dan pekerja harus menggunakan Alat Pelindung Diri (APD). Misalnya: Helm yang telah lolos uji dengan menggunakan teknik pengujian
yang standard. Akan tetapi banyak juga helm yang digunakan di industri tidak
memenuhi persyaratan standard. Pengujian standard adalah untuk melihat sejauh
mana kemampuan helm dalam menyerap energi impak. Selain itu juga uji standard
bertujuan untuk meneliti tingkat kerusakan helm yang kemungkinannya bisa merusak lapisan kulit kepala lewat penetrasi. Teknik ini telah banyak digunakan oleh berbagai
pusat pengujian helm, misalnya: Sirim Berhad, Malaysia, BP4 Deperindag, Bandung Indonesia, dan juga Pusat Riset Impak dan Keretakan Jurusan Teknik Mesin USU.
Berdasarkan uraian permasalahan di atas, maka dinilai sangat diperlukan untuk melakukan penelitian ini, dan merupakan suatu pengembangan dibidang produksi (manufaktur) guna mewujudkan hasil desain model produk (helm industri)
dari bahan komposit polimer GFRP yang memenuhi persyaratan ergonomik.
Pengertian ergonomik disini adalah hubungan antara manusia dengan perlatan kerja yang nyaman, dan aman digunakan.
Menurut Yeh Liang Hsu, dkk ., [27], telah mengembangkan bentuk dan model konstruksi pada dinding helm industri dengan meredesain bentuk saluran angin untuk memperbaiki sifat-sifat panas yang tersimpan pada dinding bagian dalam
helm, dan helm dibuat dari bahan polimer ABS yang menggunakan alat Vacum
Moulding. Tujuan dari pengembangan ini adalah untuk memenuhi persyaratan helm industri yang ergonomik seperti terlihat pada Gambar 2.5.
Arah angin
Gambar 2.5 Model Helm Industri Dengan Saluran Angin (DSA) Saluran Angin
Yeh Liang Hsu, melakukan pengujian dengan program simulasi komputer. Spesimen (helm) yang di uji adalah model helm yang menggunakan saluran angin seperti Gambar 2.5 di atas. Dalam penelitiannya adalah untuk menyelidiki sifat-sifat panas pada dinding bagian dalam helm dengan metode pengujian seperti terlihat pada Gambar 2.6.
Penelitian yang dilakukan Yeh Liang Hsu di atas, adalah menggunakan lampu halogen pada satu ruangan yang di kondisikan sebagai sumber udara panas yang memancarkan sinar di atas kepala atau helm seperti terlihat pada Gambar 2.6. Selanjutnya dilakukan pengukuran menggunakan seperangkat alat kontrol elektronik, untuk mengetahui sifat-sifat panas (thermal properties) yang terjadi pada dinding bagian dalam helm seperti yang telah diketahui dari mulai set up peralatan pada Gambar 2.6, terlihat sinar lampu halogen memberikan sorotan sinar, dan udara panas di atas kepala yang mengenakan helm. Hasil pengukuran diketahui temperatur rata-
rata di dalam dinding helm sebesar 38,30C, ketika lampu dimatikan temperatur ruangan dikondisikan pada temperatur 300C dari sumber panas yang tersedia melalui
Electical heating coils, dengan kecepatan angin 2 s.d 2,5 m/det yang ditiupkan menggunakan kipas angin. Selanjutnya dari data pengukuran diketahui temperatur
rata-rata di bawah dinding helm menjadi menurun sampai 310C. Jadi dari hasil
pengujian yang dilakukan dalam penelitiannya diperoleh temperatur rata-rata udara
di dalam dinding helm sebesar 310C sama dengan temperatur udara terbuka di
sekitarnya pada musim panas yaitu: 31,50C s.d 33,30C. ( BMG. Bureau of Taiwan )., [8].
Sedangkan Syam, B., [19] dan Mahdi, B., [13] telah melakukan penelitian tentang teknik pengukuran tegangan insiden dengan aplikasi teknik dua gage untuk pengujian helm industri yang dikenai beban impak kecepatan tinggi. Teknik aplikasi dua gage tersebut relatif lebih mudah digunakan, dan helm yang di uji memberikan respon beban dan waktu impak (tegangan insiden) sesuai dengan karakteristik pembebanan.
Penelitian helm industri juga telah dilakukan secara simulasi komputer dengan menggunakan pendekatan metode elemen hingga oleh Nayan.,[14]. Penyelidikan yang telah dilakukan oleh Indra .,[8] tentang pembentukan headform yang diidealisasikan sebagai bentuk kepala manusia, hal ini penting mengingat tujuan akhir dari penggunaan helm adalah untuk melindungi kepala dan organ lain yang ada di dalamnya. Berdasarkan beberapa pengalaman para peneliti di atas, masalah desain model dan pengukuran temperatur udara pada dinding bagian dalam helm komposit
merupakan variabel yang sangat berpengaruh terhadap kenyamanan, dan kesehatan bagi sipemakai. Berdasarkan permasalahan di atas, maka yang dilakukan dalam penelitian ini adalah lebih terfokus pada desain dan memodifikasi bentuk helm
standard (AS/NZS 1801.EN.397. SS 98) yang digunakan sebagai acuan untuk
mencetak helm dari bahan komposit polimer GFRP dengan metode hand lay up.
Penelitian ini juga akan memperlihatkan sebuah produk helm komposit dari hasil desain dan pabrikasi, yang diperkirakan akan lebih mampu untuk meredam benturan dari benda keras dibandingkan dengan helm standard yang dibuat dari bahan polimer biasa. Di samping itu, desain model konstruksi pada dinding helm merupakan bagian yang sangat penting dalam penelitian ini yaitu: dengan membentuk saluran angin pada ke empat sisi dinding helm, agar udara panas yang terakumulasi pada bagian dalam dinding helm dapat bersirkulasi dengan udara luar, dan diharapkan temperaturnya sama dengan temperatur udara di sekitarnya, sehingga tidak terasa panas, dan tidak menyebabkan lembab pada kulit kepala. Jadi dari hasil desain, modifikasi, dan pembuatan produk helm komposit ini untuk memenuhi persyaratan helm ergonomik yang layak digunakan. Hal ini telah banyak dilakukan oleh para peneliti sebelumnya dengan berbagai metoda eksperimen, baik pengujian yang dilakukan di dalam ruangan tertutup maupun menggunakan software dengan simulasi komputer.
Jadi dalam penelitian ini, untuk pengujian temperatur udara di dalam dinding helm, pengukurannya dilakukan di lapangan terbuka (udara bebas) pada kondisi
Pengujian ergonomik ini dilakukan secara langsung dengan mengenakan helm, dan pada bagian dalam dinding helm dipasang enam buah titik pengukuran yang dihubungkan menggunakan connecting cable pada alat termokopel.
2.6. Pengukuran Temperatur Udara pada Helm
Pengukuran temperatur udara pada dinding bagian dalam helm dilakukan
pada kondisi udara bebas dengan mengenakan helm. Pengukuran dilakukan pada musim panas (kemarau) dengan kondisi cuaca cerah pada temperatur udara rata-rata yaitu: 310C s.d 330C, dan kelembaban relatif (relatif humidity) 54 s.d 95% (dari sumber data BMG April, 2006 , Medan) ., [3].
Menurut Aik Suwarno.,[1] dilihat dari standard kenyamanan di Indonesia
suhu kering berkisar 220 C s.d 280 C dengan kelembaban 70 s.d 80 %. Sebagai
perbandingan suhu ruangan di dapur Grand Bali Beach Hotel 32oC dengan
kelembaban 78,5 %, di Coffee shop 30oC dengan kelembaban 93 %.
Pada kondisi ini, panas yang dipancarkan oleh sinar matahari dan diserap oleh dinding helm secara optimal, sehingga panas temperatur udara di dalam dinding helm dapat diketahui dan terukur dengan baik menggunakan alat termokopel.
Dalam pengukuran panas temperatur udara ini adalah disebabkan beberapa faktor sumber panas yang mempengaruhi tinggi temperatur di dalam dinding helm, tepatnya di antara kulit kepala dengan permukaan dinding bagian dalam helm yaitu: (a). Panas temperatur dari tubuh manusia melalui kulit kepala; dan (b). Panas temperatur yang dipancarkan oleh sinar matahari melalui dinding bagian luar helm.
Sehingga temperatur udara ini terakumulasi di dalam dinding helm tersebut sehingga terasa lebih panas. Untuk mengantisipasi permasalahan ini, maka perlu di desain model helm industri yang menggunakan saluran angin (wind channel). Saluran angin tersebut dibentuk pada sisi dinding helm bagian: depan, belakang, kanan, dan kiri. Pembuatan saluran angin pada keempat sisi helm ini, agar udara panas yang terakumulasi di dalam dinding helm dapat bersirkulasi melalui saluran tersebut ke udara bebas dengan kecepatan angin rata-rata 2,5 s.d 5 m/det, sehingga udara panas yang terjebak dalam dinding helm tersebut terdorong keluar dengan tiupan angin yang masuk lewat saluran udara pada dinding helm. Kondisi ini akan terjadi siklus perpindahan panas secara konveksi di dalam dinding helm dengan udara di sekitarnya, dan diperkirakan temperaturnya sama dengan temperatur udara di sekelilingnya. Dengan demikian, helm komposit hasil desain dan pabrikasi diharapkan dapat memenuhi persyaratan sebagai produk helm yang ergonomik sesuai yang diinginkan.
Untuk keperluan pengukuran temperatur udara pada helm dapat di tunjukkan seperti pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Set up Alat Termokopel pada Helm Termokopel
Titik pengukuran
d l t
Saluran Udara
Sinar Matahari
Layar Pembacaan Temperatur
Penyetel Channel 1 s.d 6
2.7. Pengujian Statik dan Dinamik
Pada penelitian ini , pengujian kekuatan helm dilakukan di Pusat Riset Impak dan Keretakan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. Adapun pengujian- pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
(1). Pengujian Statik, dan (2). Pengujian Dinamik.
1. Pengujian Statik
Pada pengujian statik dilakukan dengan menggunakan alat uji HT-9502
Computer Hidrolic Universal Testing Machine dengan kapasitas 10 ton. Dalam
pengujian ini untuk mengetahui sifat-sifat mekanik (mechanical properties) material helm komposit sebagai spesimen uji yang dicetak dalam bentuk plat lempengan menggunakan alat penekan ( pemberat) seberat 70 kg, dan plat lempengan tersebut dibentuk dengan proses pemesinan.
Bentuk dan dimensi spesimen uji tersebut menurut standarisasi ASTM 638 D. Pada pengujian tarik ini, spesimen yang diuji sebanyak 3 buah dengan tebal 2 mm, dan panjang 120 mm, untuk mendapatkan harga rata-rata kekuatan tarik maksimum (σmax), dan modulus elastisitas (E) dari material komposit, dan material ini digunakan sebagai material dasar pembuatan helm komposit, yang hasilnya akan dibandingkan dengan helm dari jenis polimer biasa. Pada set up peralatan, spesimen uji di pasang pada alat pencekam (grip) yang telah terpasang pada alat uji Ht- 9502 CHUTM seperti ditunjukkan pada Gambar 2.8.
2. Uji Dinamik
Pada pengujian dinamik ini, spesimen yang di uji adalah helm komposit hasil desain dan dipabrikasi, dan dibuat dalam dua bentuk model helm seperti: helm dengan saluran angin, dan tanpa saluran angin. Pada set up alat, spesimen uji (helm) dipasang pada alat pemegang (test rig) menggunakan alat bantu head form sebagai dudukan helm. Pada alat pemegang ini menggunakan empat buah roda, sehingga dapat bergerak bebas setelah menerima tumbukan dari batang impak (striker), dan spesimen uji diposisikan pada titik pengimpakan searah batang impak yang disusun secara kolonier.
Pengujian dinamik dilakukan dengan menggunakan alat uji KOMPAK seperti pada Gambar 2.9.
Gambar 2.8 Alat Uji Statik (Ht-9502)
Gambar 2.9 Alat Uji KOMPAK
2.8. Teori Propagasi Tegangan
2.8.1. Rambatan gelombang tegangan pada batang input
Untuk memahami teori impak terlebih dahulu diberikan penjelasan tentang rambatan gelombang, khususnya rambatan gelombang di dalam medium elastis. Gelombang tegangan adalah gelombang mekanis, yaitu gelombang yang memerlukan suatu medium untuk dapat mentransmisikanya., [13]. Kecepatan rambat gelombang sangat ditentukan oleh sifat-sifat medium yang dilaluinya. Ditinjau dari arah penjalarannya, gelombang dibagi atas dua bagian yaitu:
10 3000 mm 4000 mm 2 3 4 5 6 7 9 1 000 1 V 000 1 V 12 13 11 14 8 Detail 8 Keterangan Gambar :
1. Kompresor 8. Spesimen (helmet) dan test rig 2. Tangki Udara 9. Strain Gage
3. Pressure Regulator 10. Bridge Head 4. Katup Selenoid 11. Signal Conditioner 5. Pipa Barel 12. Transient Converter 6. Striker 13. Personal Computer 7. Input Bar 14. Inter face
1. Gelombang transversal: Adalah gelombang yang arah getarannya tegak lurus dengan arah gerakan atau rambatannya.
2. Gelombang longitudinal: Adalah gelombang yang arah getarannya sejajar dengan arah rambatannya.
Pada penelitian ini hanya gelombang longitudinal yang akan dibahas lebih lanjut, karena merupakan dasar dari rambatan gelombang tegangan. Gelombang
longitudinal sebagai konsep dasar pembahasan teori kekuatan akibat impak. Sebagai
pembahasan perilaku gelombang longitudinal pada sebuah batang logam dapat
dilihat pada Gambar 2.12. Arah Getaran
Arah rambatan
Gambar 2.10 Sketsa Gelombang Transversal Puncak
Lembah
Arah rambatan
Renggangan Rapatan
Gambar 2.11 Sketsa Gelombang Longitudinal
Gambar 2.12 Perilaku Gelombang Longitudinal
• Keseimbangan momentum pada Gambar 2.12 adalah sebagai berikut:
mV = F t mV0 = F0 t (A C t0 1 ρ0) V0 = σ0A t0
σ ρ0 = 0C V1 0 (2.1) di mana:
C0 = Kecepatan gelombang longitudinal merambat pada batang V0 = Kecepatan partikel
σ0 = Tegangan pada batang
• Modulus Elastisitas pada bahan dapat dinyatakan dengan persamaan: E = C12 ρ
C1 = E
ρ (2.2) Substitusi persamaan (2.2) ke persamaan (2.1) akan diperoleh:
0 = E0 0V0 σ ρ (2.3) C 0, v t 1, c t
Energi yang dipindahkan batang pada waktu t dapat dibedakan menjadi dua bagian yaitu:
• Energi kinetik yang besarnya: Ek = 1
2 m V 2 Ek = 1 2 A0( C t1 ) 2 0V0 ρ (2.4)
• Energi regangan yang dipindahkan sebesar:
Es = Volume . 2 2E σ Es = 2 1 ( ) 2 A C t E σ Eso = 2 0 1 ( 0 1 0) 2 A C t C V E ρ Eso= 2 0 1 0 0 2 A CρV (2.5)
Sehingga energi total yang dipindahkan batang pada waktu t adalah:
Et = Ek0 + Es0 = 1 2 2 0( 1 ) 0 0 A C t ρV + 1 2 2 0( 1 ) 0 0 A C t ρV Et = A C t0( 1 )ρ0 0V2 (2.6)
Dengan demikian besarnya energi yang dipindahkan pada batang ditentukan oleh harga-harga: A, C, t, ρ, dan kecepatan awal batang.
2.8.2 Impak pada batang input
Susunan pada batang yang digunakan pada metode pengujian ini diperlihatkan secara skematis pada Gambar 2.13, yang terdiri dari tiga batang yaitu: batang impak (striker), batang penerus (input bar), dan spesimen.
0 0 0 E . .Vρ
Spesimen uji di letakkan bersentuhan secara kolonier dengan input bar.
Sebelum beban impak diberikan, batang impak mempunyai kecepatan V1 sedangkan
input bar dan spesimen mempunyai kecepatan yang sama yaitu:
V2 = V3 = 0, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.12. Setelah impak, lihat Gambar 2.13 ( di mana: C0,1 , C0,2 , C0,3 adalah kecepatan gelombang dalam masing- masing batang ), gelombang longitudinal tekan akan merambat dari interface batang
impak dan batang input bar ke dalam masing-masing batang. Akibatnya bidang
Gambar 2.13 Susunan Batang Uji
3 Batang Impak Batang Penerus
spesimen helmet
V1
1 2
Gage. a Gage. b
Test Rig
Helm tanpa Strain gage
interface input bar dan spesimen pada akhirnya akan mempunyai kecepatan yang sama sebesar V. Pada bidang interface akan terjadi keseimbangan gaya, atau akan
terjadi aksi dan reaksi antar kedua batang, yang dapat dinyatakan dengan hubungan: σ1A1 = σ2A2 (2.7)
di mana: A1 = Luas penampang batang 1. A2 = Luas penampang batang 2. σ1 = Tegangan pada batang 1. σ2 = Tegangan pada batang 2.
Dari hubungan impuls momentum diperoleh hubungan σ = E. .ρV , di mana:σ =
tegangan impak, ρ = massa jenis bahan, E = modulus young, dan V = kecepatan
partikel. Dengan demikian pada batang impak yang bergerak dengan kecepatan V1
akan timbul tegangan sebesar:
σ1 = ρ1.E V1( 1−V|")
σ1 = ρ1.E V1 1− ρ1.E V1 ' (2.8) Gambar 2.14 Perilaku Batang setelah terjadi impak
V V C0,1 1 σ σ2 C0,2 1 2 3
di mana:
V1 = Kecepatan sebelum tumbukan. V' = Kecepatan setelah tumbukan. ρ1 = Kerapatan material batang 1.
Selanjutnya kita tinjau batang 2, yang bergerak dengan kecepatan V. melalui Gambar 2.14, dapat ditentukan tegangan pada batang 2, yaitu:
σ2 = ' 2.E V2. ρ V' = 2 2.E2 σ ρ (2.9) Substitusi Persamaan (2.9) ke Persamaan (2.8) akan menghasilkan:
σ1 = 2 1 1 1 1 1 2 2 . . . . . E V E E σ ρ ρ ρ − (2.10)
sehingga dari persamaan (2.10) dapat ditulis:
σ ρ1 2E2 = ρ1. .E1ρ2.E V2 1− ρ σ1. .E1 2
σ ρ1 2E2+ ρ σ1E1 2 = ρ ρ1E1. 2E V2 1 (2.11)
Dengan mensubstitusikan persamaan (2.7)ke persamaan (2.11) diperoleh:
1 2 2 1 1 1 1 2 (A E E A) A ρ + ρ σ = ρ1.E1.ρ2.E V2. 1
σ1 = 1 1 2 2 1 1 1 1 2 2 2 . . . . . . E E V A E A E ρ ρ ρ + ρ A2 (2.12) dengan cara yang sama akan diperoleh nilai σ2 yaitu:
σ2 = 1 1 2 2 1 1 1 1 2 2 2 . . . . . . E E V A E A E ρ ρ ρ + ρ A1 (2.13) Tegangan impak yang ditransmisikan ke input bar dan spesimen tersebut ditentukan oleh kecepatan batang impak dan sifat-sifat mekanisnya. Bila luas kedua penampang sama besar, maka: σ σ σ= =1 2. Selanjutnya tinjau rambatan gelombang tegangan elastis pada input bar dan spesimen seperti pada Gambar 2.14.
Tegangan yang terjadi dari ujung kiri input bar sebesar σ akan ditimbulkan pada
interface input bar dan spesimen pada saat t2 = 2 0,2 l
C , di mana: l2 adalah panjang
input bar, dan C0,2 adalah kecepatan gelombang elastis pada input bar. Dalam hal ini ada tiga bentuk gelombang yang terlibat, yaitu:
1. Tegangan yang terjadi,σ .
2. Tegangan yang ditransmisikan,σT. 3. Tegangan yang dibalikkan,σR.
Gelombang tegangan tersebut dihubungkan oleh persamaan berikut ini:
σT = 2 3 0,2 3 3 0,2 2 2 0,3
2A E C
TR = 3 3 0,2 2 2 0,3 3 3 0,2 2 2 0,3 A E C A E C A E C A E C − − σ (2.15)
Gambar 2.15 Perilaku Tegangan pada interface input bar dan Spesimen
Bila α adalah faktor transmisi dan β adalah faktor refleksi, maka di peroleh
hubungan:
σT = α .σ (2.16) σR = β.σ (2.17) Untuk material yang mempunyai sifat mekanis dan dimensi yang sama, maka dengan mensubtitusikan harga: E2 = E3 ; ρ2 = ρ3 ; A2 = A3, dan l2 = l3 ke dalam persamaan (2.15) dan (2.16), diperoleh σT = σ dan σR = 0. Ini berarti besar
tegangan yang ditransmisikan adalah sama dengan tegangan yang masuk, dan tidak ada tegangan yang direfleksikan.
2.9. Pengukuran Kekuatan Helm Komposit
Pada Gambar 2.16 menunjukkan susunan batang impak, batang penerus,dan spesimen. Batang-batang tersebut disusun koloneir satu sama lain, dan perlu
diketahui berapa besarnya beban impak yang dibangkitkan pada interface batang
σ T VT V V σ σR interface A2 ρ2 C0,2
penerus dan spesimen. Dengan cara pengukuran langsung, tentu sangat sulit dilakukan. Dalam pengukuran beban impak, yang dibangkitkan pada lokasi impak,
dilakukan secara tidak langsung yaitu dengan menggunakan strain gage yang di
lengketkan pada dua posisi di batang penerus ( lokasi a dan b ). Pada prinsipnya gelombang tegangan yang melalui batang penerus (input bar) ditangkap oleh strain gage a dan b. Selanjutnya dengan menggunakan sirkit jembatan Wheatstone (bridge box), di mana perubahan tahanan gage dirubah menjadi voltage out put, dan signal conditioning akan menyesuaikan signal dengan kemampuan transient converter
(osiloskop).
Dalam penelitian ini juga akan dikembangkan suatu perhitungan beban impak di lokasi c (interface kedua batang yang bertumbukan) menggunakan teori propagasi tegangan dalam batang satu dimensi. Untuk keperluan ini, program aplikasi excel
digunakan untuk membaca data yang dikirim transient converter ke PC dan
menghitung besarnya impak di lokasi c.
Gambar 2.16 Teknik Dua Gage pada Set up Uji Helm
1800 1600 a b L σ σR 200 200
Batang Impak Batang Penerus
c
Menurut teori propagasi tegangan ., [ 9, 10, 11], tegangan di lokasi a, b, dan c
dapat dihitung sebagai berikut:
σb( )t =σL( )t +σR( )t (2.18) σa( )t =σL(t− +t1) σR(t+t1) (2.19) σc( )t =σL(t+ +t1) σR(t−t1) (2.20)
maka: σc( )t =σb(t+ +t1) σb(t− −t1) σa( )t (2.21) di mana: t = waktu rambatan gelombang dalam batang.
l0 = jarak lokasi strain gage a dan b.
C0 = kecepatan rambat gelombang dalam batang.
t1 = 0 0 C l
.
Selanjutnya, variasi beban impak dapat dilakukan dengan mengatur jarak impak (jarak antara ujung batang impak dan batang penerus), dan beban impak juga dapat diperbesar atau diperkecil, dengan mengatur tekanan udara di dalam tabung udara (air reservoir) melalui katup selenoid.
BAB 3
METODE PENELITIAN