ANALISA STRUKTUR KERUCUT LALU LINTAS
POLYMERIC FOAM DIPERKUAT SERAT TANDAN
KOSONG KELAPA SAWIT MENGGUNAKAN
MSC.NASTRAN
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
MUHAMMAD FAHRUL ROZI NIM. 060401007
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas segala karunia dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.
Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan untuk memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Skripsi ini adalah
“Analisa Struktur Kerucut Lalu Lintas Polymericfoam Diperkuat Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit Menggunakan MSC-Nastran”.
Selama penulisaan laporan ini penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada :
1. Kedua Orang tua saya yang telah memberikan segala dukungan moril dan
materil, juga kepada ketiga adik saya yang telah memberi semangat untuk dapat menyelesaikan tulisan ini.
2. Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME. selaku dosen pembimbing
yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, nasehat, dan pelajaran berharga hingga Skripsi ini dapat terselesaikan.
3. Bapak Ir. Alfian Hamsi,M.Sc dan Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri
sebagai dosen pembanding yang telah memberikan bimbingan dan nasehat sehingga skripsi ini dapat terselesaikan.
4. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin, ST.
MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin.
5. Seluruh Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin.
6. Bapak Siswo Pranoto selaku mahasiswa S2 yang menjadi partner saya
dalam menjalankan penelitian skripsi ini.
7. Bapak Zulfikar dan bapak Muftil Badri selaku mahasiswa S2 yang
membantu dalam penelitian ini.
8. Seluruh Asisten Laboratorium pada Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara khususnya kepada asisten laboratorium gambar yaitu zul, alfian dan wendy.
9. Teman-teman mahasiswa Mesin USU khususnya untuk stambuk 2006
yaitu Fahri, Fahrul, Danu, Jo, Ade, Jamil, Wendy, Fajar, Fian, Fachriza, Arif, Munte, Boy, Iwan Furqan, Apat dan semuanya.
Akhir kata, semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan dapat dilanjutkan oleh rekan-rekan mahasiswa lain.
ABSTRAK
Marka jalan adalah alat yang sangat dibutuhkan dalam pengaturan jalan raya. Banyak kerucut lalu lintas yang dipakai mempunyai ketahanan yang kurang. Pada penelitian ini, marka jalan yang diteliti adalah marka jalan yang terbuat dari polymericfoam yang diperkuat tandan kosong kelapa sawit. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis struktur kerucut jalan yang dikenai beban impak dengan menggunakan simulasi metode elemen hingga. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap kegiatan atau pengerjaan yaitu: Pengujian impak dengan metode uji bandul, melakukan permodelan dengan software AutoCad 2002 dan simulasi dengan metode elemen hingga menggunakan software Msc. Nastran 4.5. Setelah melakukan pengamatan di beberapa lokasi pada pengimpakan 550 mm dari base tegangan terbesar terjadi pada arah y sekitar -8,382 MPa tepatnya dititik 1, pada pengimpakan 420 mm dari base kerucut tegangan terbesar terjadi pada arah y sekitar -9,975MPa tepatnya dititik 2, pada pengimpakan 290 mm dari base tegangan terbesar terjadi pada arah y sekitar -15,61 MPa tepatnya dititik 3, dan pada pengimpakan 160 mm dari base tegangan terbesar terjadi pada arah z sekitar -2,293 MPa tepatnya dititik 4 sehingga disimpulkan bahwa titik 3 yaitu berada 290 dari base berpotensial mengalami kerusakan struktur terbesar akibat pengimpakan pada lokasi yang sama berulang.
Kata kunci : Marka kerucut, struktur, stabilitas, teknik uji bandul, Msc. Nastran
DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR PENGESAHAN DARI PEMBIMBING
SPESIFIKASI TUGAS
SPESIFIKASI TUGAS
LEMBAR EVALUASI SEMINAR SKRIPSI
KATA PENGANTAR i
ABSTRAK ii
DAFTAR ISI iii
DAFTAR TABEL v
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR NOTASI ix
BAB 1 PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Perumusan Masalah 2
1.3 Tujuan Penelitian 2
1.4 Manfaat Penelitian 2
1.5 Sistematika Penulisan 2
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 4
2.1 Tinjauan Umum 4
2.2 Teori ayunan bola bandul 7
2.3 Impuls dan Momentum 8
2.3.1. Impuls 8
2.3.2. Momentum 9
2.4 Kesetimbangan 10
2.5 MSC/Nastran 13
2.6 Kerangka Konsep Penelitian 15
BAB 3 METODE PENELITIAN 16
3.1 Tempat dan waktu 16
3.1.2 Waktu 16
3.2 Pengujian Impak menggunakan teknik uji bandul 16
3.3 Penentuan sifat fisik dan mekanik dari material polymericfoam22
3.4 Prosedur simulasi 22
3.4.1. Permodelan Marka Kerucut Polymericfoam 22
3.4.2. Proses import ke Msc Nastran 24
3.4.3. Mendefenisikan Material Properties 25
3.4.4. Mendefinisikan Element/Property Type 26
3.4.5. Proses Meshing 26
3.4.6. Penerapan Constraint 27
3.4.7. Penerapan Load 28
3.4.8. Function Definition 28
3.4.9. Proses Analyzing 29
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 32
4.1 Teknik uji bandul pada marka kerucut polymericfoam 32
4.2 Analisa stabilitas marka kerucut Polymericfoam dan perbandingan
dengan marka kerucut re-desain. 36
4.3 Simulasi marka kerucut polymericfoam 37
4.3.1 Impak pada 550 mm dari base marka kerucut 40
4.3.2 Impak pada 420 mm dari base marka kerucut 54
4.3.3 Impak pada 290 mm dari base marka kerucut 59
4.3.4 Impak pada 160 mm dari base marka kerucut 65
4.4 Perbandingan Tegangan Terbesar Marka Kerucut Polymericfoam Dan Marka Kerucut Re-desain Menggunakan Msc.
Nastran 4.5. 71
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 74
5.1 Kesimpulan 74
5.2 Saran 74
DAFTAR PUSTAKA 76
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1. Karakteristik Mekanik Poliester Resin Tak Jenuh
6
Tabel 3.1 Hasil Uji Bandul
21
Tabel 3.2. Sifat Fisis dan Mekanis Material Polymericfoam.
22
Tabel 4.1. Perbandingan hasil energi impak marka jalan
polymericfoam dan marka jalan re-desain 35
Tabel 4.2. Tegangan setiap elemen pada pengimpakan 550 mm dari base
53
Tabel 4.3. Tegangan setiap elemen pada pengimpakan 420 mm dari base.
59
Tabel 4.4. Tegangan setiap elemen pada pengimpakan 290 mm dari base
65
Tabel 4.5. Tegangan setiap elemen pada pengimpakan 160 mm dari base
71
Tabel 4.6. Perbandingan tegangan terbesar pada pengimpakan 550 mm dari base
71
Tabel 4.7. Perbandingan tegangan terbesar pada pengimpakan 420 mm dari base
72
Tabel 4.8. Perbandingan tegangan terbesar pada pengimpakan 290 mm dari base
72
Tabel 4.9. Perbandingan tegangan terbesar pada pengimpakan 160 mm dari base
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Klasifikasi / Skema Struktur Komposit 4
Gambar 2.2 Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit 4
Gambar 2.3. Jenis Material Berongga 5
Gambar 2.4. Prinsip ayunan bola bandul 7
Gambar 2.5. Grafik Gaya vs Waktu 9
Gambar 2.6. Contoh dari kesimbangan stabil 11
Gambar 2.7. Contoh dari kesimbangan labil 12
Gambar 2.8. Contoh dari keseimbangan netral 12
Gambar 2.9. Kerangka Konsep Penelitian 15
Gambar 3.1 Ayunan bandul 17
Gambar 3.2 Guiden 18
Gambar 3.3. Meteran 18
Gambar 3.4. Marka jalan polymericfoam 19
Gambar 3.5. Ukuran marka kerucut polymericfoam 19
Gambar 3.6. Posisi marka kerucut polymericfoam ketika
dikenai beban impak 20
Gambar 3.7. Skema posisi marka kerucut polymericfoam
di tengah bola semen 20
Gambar 3.8. Prinsip teknik uji bandul. 21
Gambar 3.9. Diagram Alir Permodelan Dengan Autocad 2002 23
Gambar 3.10. Tampilan pembuka Msc. Nastran 4.5 24
Gambar 3.11. Tampilan proses import. 25
Gambar 3.12. Tampilan material properties. 25
Gambar 3.13. Tampilan element type. 26
Gambar 3.14. Tampilan penerapan meshing 27
Gambar 3.15. Tampilan constraint 27
Gambar 3.16. Tampilan penerapan load. 28
Gambar 3.17. Kotak dialog model fungsi. 28
Gambar 3.18. Tampilan analyze. 29
Gambar 3.19. Diagram Alir Simulasi Dengan Nastran 4.5 30
Gambar 3.20. Diagram Alir Simulasi Dengan Nastran 4.5 (Lanjutan) 31
Gambar 4.1. Pengujian Teknik Uji Bandul. 32
Gambar 4.2. Titik impak yang akan di uji coba. 34
Gambar 4.3. Prinsip uji impak. 36
Gambar 4.4. Ukuran marka kerucut polymericfoam 37
Gambar 4.5. Marka kerucut polymericfoam 38
Gambar 4.6. Lokasi impak pada marka kerucut. 40
Gambar 4.7. Model marka kerucut di Nastran Setelah
di import dari AutoCAD. 41
Gambar 4.8. Kotak dialog jenis material. 41
Gambar 4.9. Kotak dialog material dan sifat mekaniknya 42
Gambar 4.10. Kotak dialog mesh. 42
Gambar 4.11. Marka kerucut yang sudah di mesh. 43
Gambar 4.13. Kotak dialog beban dinamis. 46
Gambar 4.14. Kotak dialog model fungsi. 47
Gambar 4.15. Kurva Tegangan Insiden vs Waktu Impak. 47
Gambar 4.16. Nastran analysis control. 48
Gambar 4.17. Distribusi Tegangan Solid Von Mises Stress. 48
Gambar 4.18. Distribusi Tegangan Normal Arah-X. 49
Gambar 4.19. Distribusi Tegangan Normal Arah-Y. 50
Gambar 4.20. Distribusi Tegangan Normal Arah-Z. 50
Gambar 4.21. Grafik Solid Von Mises Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 51
Gambar 4.22. Grafik Solid-X Normal Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 47
Gambar 4.23. Grafik Solid-Y Normal Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 52
Gambar 4.24. Grafik Solid-Z Normal Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 53
Gambar 4.25. Distribusi tegangan Solid VonMises stress. 54
Gambar 4.26. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-X. 55
Gambar 4.27. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Y. 55
Gambar 4.28. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Z. 56
Gambar 4.29. Grafik Solid Von Mises Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 57
Gambar 4.30. Grafik Solid-X Normal Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 57
Gambar 4.31. Grafik Solid-Y Normal Stress pada titik 1 titik 2,
titik 3,dan titik 4. 58
Gambar 4.32. Grafik Solid-Z Normal Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 58
Gambar 4.33. Distribusi Tegangan Solid Von Mises Stress 60
Gambar 4.34. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-X. 60
Gambar 4.35. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Y 61
Gambar 4.36. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Z 62
Gambar 4.37. Grafik Solid Von Mises Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 63
Gambar 4.38. Grafik Solid-X Normal Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 63
Gambar 4.39. Grafik Solid-Y Normal Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 64
Gambar 4.40. Grafik Solid-Z Normal Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 65
Gambar 4.41. Distribusi Tegangan Solid Von Mises Stress 66
Gambar 4.42. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-X 66
Gambar 4.43. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Y 67
Gambar 4.44. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Z 68
Gambar 4.45. Grafik Solid Von Mises Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 69
Gambar 4.46. Grafik Solid-X Normal Stress pada titik 1,titik 2,
Gambar 4.47. Grafik Solid-Y Normal Stress pada titik 1,titik 2,
titik 3,dan titik 4. 70
Gambar 4.48. Grafik Solid-Z Normal Stress pada titik 1,titik 2,
DAFTAR NOTASI
Simbol Arti Satuan
A = Luas permukaan mm2
D = Diameter mm
E = Young’s Modulus Pa
F = Gaya N
I = Impuls N.s
K = energy kinetic joule
L = Tinggi mm
M = Massa kg
υ = Poisson’s ratio
ρ = Massa jenis kg/mm3
σ = Tegangan MPa
θo = Sudut 0
g = Gravitasi m/s2
v = Kecepatan m/s
C0 = Kecepatan penjalaran tegangan m/s
t = waktu s
P = momentum N.s
ABSTRAK
Marka jalan adalah alat yang sangat dibutuhkan dalam pengaturan jalan raya. Banyak kerucut lalu lintas yang dipakai mempunyai ketahanan yang kurang. Pada penelitian ini, marka jalan yang diteliti adalah marka jalan yang terbuat dari polymericfoam yang diperkuat tandan kosong kelapa sawit. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis struktur kerucut jalan yang dikenai beban impak dengan menggunakan simulasi metode elemen hingga. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap kegiatan atau pengerjaan yaitu: Pengujian impak dengan metode uji bandul, melakukan permodelan dengan software AutoCad 2002 dan simulasi dengan metode elemen hingga menggunakan software Msc. Nastran 4.5. Setelah melakukan pengamatan di beberapa lokasi pada pengimpakan 550 mm dari base tegangan terbesar terjadi pada arah y sekitar -8,382 MPa tepatnya dititik 1, pada pengimpakan 420 mm dari base kerucut tegangan terbesar terjadi pada arah y sekitar -9,975MPa tepatnya dititik 2, pada pengimpakan 290 mm dari base tegangan terbesar terjadi pada arah y sekitar -15,61 MPa tepatnya dititik 3, dan pada pengimpakan 160 mm dari base tegangan terbesar terjadi pada arah z sekitar -2,293 MPa tepatnya dititik 4 sehingga disimpulkan bahwa titik 3 yaitu berada 290 dari base berpotensial mengalami kerusakan struktur terbesar akibat pengimpakan pada lokasi yang sama berulang.
Kata kunci : Marka kerucut, struktur, stabilitas, teknik uji bandul, Msc. Nastran
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Pada abad ke 21 ini, kebutuhan akan trasportasi dalam suatu masyarakat
meningkat. Untuk itu diperlukan alat-alat angkut, dan pergerakan alat-alat angkut
tersebut secara keseluruhan menimbulkan lalu lintas. Tingkat kebutuhan akan
angkutan menunjukan aktifitas masyarakat. Dengan demikian perkembangan lalu
lintas mengikuti perkembangan masyarakat yang bersangkutan.
Pertumbuhan volume lalu lintas yang cepat menyebabkan jalan-jalan
menjadi macet dan angka rata-rata kecelakaan di kota menjadi tinggi. Untuk
mengantisipasi kemacetan dan kecelakaan yang terjadi diperlukan marka kerucut.
Marka kerucut yang sering dijumpai adalah marka kerucut polyvinylchloride.
Seiring dengan itu perkembangan pabrik menghasilkan limbah, sebagai
contoh pabrik kelapa sawit yang menghasilkan limbah padat berupa tandan
kosong kelapa sawit Hal ini menjadi alasan menarik bagi penulis dalam
melakukan riset suatu marka kerucut (traffic cone) yang terbuat dari
polymericfoam yang diperkuat dari tandan kosong kelapa sawit.
Fungsi dari marka kerucut itu sendiri adalah sebagai marka jalan yang
dirancang sebagai usaha penertiban lalu lintas. Sebagai marka jalan yang tidak
permanen, marka kerucut harus bisa dipindah-pindahkan dengan mudah dengan
tetap mempertimbangkan berat total dari suatu marka kerucut.
Marka kerucut yang biasa digunakan di jalan raya menggunakan material
polimer Polypropylene dan polimer polyvinylchloride. Pada penelitian ini marka
kerucut yang digunakan mengunakan material polimer polymeric foam dicamur
dengan serat tandan kosong kelapa sawit.
Pada penelitian ini terdapat persamaan dan perbedaan dari marka kerucut
yang dijual di pasaran. Persamaanya yaitu pada kerucut ini memiliki berat yang
hampir sama dengan marka kerucut yang ada di jual secara komersial. Marka
perbedaannya yaitu kerucut yang akan di cetak ulang memiliki bahan dasar
polymericfoam dan serat tandan kosong kelapa sawit.
1.2. Perumusan Masalah
Kekuatan struktur yang masih rendah dari suatu marka kerucut menjadi
alasan menarik dan perlu diteliti oleh peneliti. Permasalahan yang ingin diteliti
adalah mengetahui stabilitas dari marka kerucut polymericfoam yang
menggunakan uji bandul. Dengan dilandasi pada latar belakang diatas peneliti
memandang perlu dilakukan suatu penelitian untuk mengetahui respon pada
marka kerucut polymericfoam terhadap beban impak dengan menggunakan
simulasi Msc. Nastran.
1.3. Tujuan Penelitian
Penelitian ini mencakup dua tujuan yaitu tujuan umum dan tujuan khusus.
1.3.1. Tujuan Umum
Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk menganalisa struktur marka
kerucut yang terbuat dari polymericfoam dan serat tandan kosong kelapa
sawit yang dilakukan dengan uji bandul dan impak.
1.3.2.Tujuan Khusus
1. Membandingkan stabilitas marka kerucut polymericfoam dan marka
kerucut re-desain.
2. Mengetahui distribusi tegangan secara menyeluruh pada kerucut jalan
dengan menggunakan software Msc Nastran 4.5.
3. Membandingkan distribusi tegangan yang terjadi pada marka kerucut
polymericfoam dan re-desain menggunakan software Msc Nastran 4.5.
1.4. Manfaat Penelitian
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui sejauh mana stabilitas sebuah
marka kerucut yang menggunakan bahan polymericfoam dan serat tandan kosong
kelapa sawit. Dengan demikian diperoleh data marka kerucut yang telah di desain
ulang. Selain itu penelitian ini juga diharapkan bermanfaat bagi perkembangan
peneliti-peneliti lain dalam mengembangkan ilmu pengetahuan dan teknologi
terutama di bidang material dan kekuatan bahan.
1.5. Sistematika Penulisan
Tugas akhir ini terbagi dua tahap yaitu penganalisaan dengan hasil uji dan
penganalisaan secara simulasi.
Kemudian hasil akan disajikan kedalam tulisan yang terdiri dari 5 bab.
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai Tugas Akhir
yang meliputi, pembahasan tentang latar belakang, batasan
masalah, tujuan, manfaat dan sistematika penulisan.
BAB 2 : TINJAUAN PUSTAKA
Berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan
pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan
untuk menganalisa persoalan.
BAB 3 : METODOLOGI PENELITIAN
Berisikan metode dari uji bandul. Berisi juga spesifikasi marka
jalan yang dijadikan studi kasus dan juga mengenai langkah
permodelan dari kerucut jalan dengan menggunakan software
autocad 2002 serta pembuatan simulasi dengan menggunakan
MscNastran 4.5 for windows.
BAB 4 : HASIL DAN PEMBAHASAN
Berisikan penyajian hasil yang diperoleh dari uji badul dan uji
simulasi.
BAB 5 : KESIMPULAN DAN SARAN
Berisikan jawaban dari tujuan dari penelitian.
DAFTAR PUSTAKA
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Tinjauan Umum
Bahan komposit merupakan bahan teknologi yang mempunyai potensi
yang tinggi. Komposit dapat memberikan gabungan sifat-sifat yang berbeda -
beda pada penggunaan yang tidak akan diperoleh melalui penggunaan logam,
polimer dan seramiks ,khususnya tentang sifat kekuatan spesifik serta kekakuan
spesifik .
Gambar 2.1. Klasifikasi / Skema Struktur Komposit (Calliester, 1994)
Secara umum bahan komposit terdiri dari dua bagian utama, yaitu : (1) matriks
yang mengisolasi fasa, dan (2) penguat (reinforcement) atau fasa sebaran.
Gambar 2.2 Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit
Foam didefenisikan sebagai penyebaran gelembung gelembung gas yang
terjadi pada material cair dan padat. Foam berkembang menjadi rongga rongga
mikro yang memiliki diameter 10µ m. Foam yang tersebar dalam polymer dapat
mencapai 108/cm3 (Kumar,2005).
Matriks Penguat Komposit
Composite
Fiber - Reinforced Particle -
Reinforced
Structural
Continous
(Aligned)
Disontinous
(Short) Large -
Particle
Disper
sion-Streng
thened
Laminates Sanwidch
Panel
Pada saat ini, perkembangan penelitian ini telah menghasilkan
karakteristik fisik dan mekanik material foam (Klemper dan Sendijarevic,2004).
Karakteristik fisik tersebut meliputi factor geometri, separti ukuran rongga dan
ketebalan dinding rongga. Selain karakteristik fisik juga terdapat karakteristik
mekanik. Karakteristik mekanik terdiri atas densitas dan modulus elastisitas.
Material foam memiliki susunan rongga yang bervariasi. Susunan rongga
tersebut dapat diketahui melalui pengamatan strutur mikro material foam. Susunan
rongga dibagi atas dua jenis, yaitu susunan rongga terbuka (open cell) dan tertutup
(closed cell). Pada material foam dengan susunan rongga terbuka terdapat
pemutusan dinding rongga yang fleksibel. Material foam dengan susunan rongga
tertutup tidak terdapat pemutusan dinding rongga dan bersifat kaku. Perbedaan
kedua jenis ini susunan rongga tersebut ditunjukan oleh gambar.
a.rongga terbuka b.rongga tertutup
Gambar 2.3 Jenis Material Berongga
Rongga rongga pada polimer terbentuk akibat adanya campuran fase
padat dan gas. Dua fase tersebut terjadi dengan cepat dan membentuk permuakaan
material yang berongga. Foam yang dihasilkan dari polimer merupakan
gelembung udara atau rongga udara yang bergabung di dalam polimer tersebut.
Gas yang digunakan untuk membentuk foam disebut blowing agent.
Pemberian blowing agent dilakukan secara kimia dan fisika. Blowing agent secara
kimia menimbulkan dekomposisi unsur unsur material dalam suatu reaksi kimia.
Blowing agent secara fisika terjadi akibat adanya gas yang diberikan pada
Polymericfoam yang flexible dihasilkan dari reaksi polyuretene.
Polyuretene dalam pembentukan polymericfoam juga berfungsi sebagai blowing
agent. Proses pembentukan rongga dari hasil reaksi polyuretene flexible
berlangsung relative cepat. Pada saat reaksi pembentukan polyuretene terjadi
pengeluaran panas (eksoterm) dengan kenaikan temperature mencapai 75-1600C.
Peningkatan volume polyuretene sekitar 20- 50 kali volume mula mula.
Sifat – sifat dari komposit sangat tergantung kepada sifat – sifat dari fasa
– fasa pembentuknya, jumlah relative masing – masing fasa, bentuk dari fasa,
ukuran fasa dan distribusi ukuran dari fasa – fasa dan sebarannya. Bila komposit
tersusun dari dua material yaitu : (1) M Sebagai Matriks dan (2) P sebagai
penguat maka secara teoritis sifat – sifat hasil pencampuran kedua material
tersebut memiliki sifat diantara sifat dari masing – masing material yang
bercampur.
Matriks berfungsi sebagai pelindung dan pengikat fasa pengikat. Biasanya
matriks mempunyai kerapatan / densitas , kekukuhan dan kekuatan yang jauh
lebih rendah daripada serat. Namun gabungan matriks dengan serat bisa
mempunyai kekuatan dan ketegaran yang tinggi, tetapi masih mempunyai
kerapatan yang rendah. Matriks jenis ini tergolong polimer thermoset, dan
memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa
pemberian tekanan ketika proses pembentukannya. Struktur material yang
dihasilkan berbentuk crosslink dengan keunggulan pada daya tahan yang lebih
baik terhadap jenis pembebanan statik dan impak. Hal ini disebabkan molekul
yang dimiliki bahan ini ialah dalam bentuk rantai molekul raksasa atom-atom
karbon yang saling berhubungan satu dengan yang lainnya. Dengan demikian
struktur molekulnya menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap
beban yang diberikan. Data mekanik bahan matriks diperlihatkan pada table 2.1
Tabel 2.1. Karakteristik Mekanik Poliester Resin Tak Jenuh.
Sifat Mekanik Satuan Besaran
Berat jenis (ρ) Mg.m-3 1,2 s/d 1,5
Modulus Young (E) GPa 2 s/d 4,5
Seperti telah disebutkan sebelumnya, bahwa penguat komposit yang
digunakan ialah dari bahan TKKS yang kemudian dibentuk menjadi ukuran halus
dan dicampurkan dalam matriks. Berdasarkan Penelitian Subiyanto B,dkk : tiap
kandungan serat TKKS secara fisik mengandung bahan-bahan serat seperti lignin
(16,19%), selulosa(44,14%) dan hemiselulosa (19,28%) yang mirip dengan
bahan kimia penyusun kayu. Ukuran serat TKKS yang belum dicacah adalah
13-18 cm dan serat ini dihaluskan lagi hingga mencapai ukuran 0,1 -0,8 mm.
2.2. Teori Ayunan bola bandul
Dengan pendekatan empiris dengan asumsi sebuah bandul, dengan massa
m diikiatkan pada sebuah tali dengan panjang L. Kemudian masssa ini ditarik
kesamping sehingga tali membentuk sudut θ0 dengan sudut vertikal dan dilepas
dari keadaan diam.
Gambar 2.4. Prinsip ayunan bola bandul.
Kedua gaya yang bekerja pada beban (dengan mengabaikan hambatan
udara) adalah gaya gravitasi mg, yang bersifat konservatif, dan tegangan T, yang
tegak lurus terhadap gerakan dan karena itu tidak melakukan kerja. Oleh karena
itu, dalam persoalan ini energi mekanik sistem beban-bumi adalah kekal.
Kita pilih energi potensial gravitasi bernilai nol didasar ayunan. Semula
bernilai nol dan energi potensial sistem bernilai mgh. Jadi energi total awal dari
sistem adalah :
Ei= Ki + Ui = 0 + mgh (2.1)
Dimana:
Ei = energy total awal system
Ki = energy kinetic awal
Ui = energy potensial awal
Ketika bandul berayun turun, energi potensial berubah menjadi energi
kinetik. Maka energi akhir dari dasar ayunan menjadi :
Ef= Kf + Uf = ½ mv2 + 0 = ½ mv2 (2.2)
Dimana :
Ef = energy total akhir system
Kf = energy kinetic akhir
Uf = energy potensial akhir
Selanjutnya kekekalan energi memberikan :
Ef =Ei
Untuk mendapatkan kelajuan yang dinyatakan dalam sudut awal θ0, harus
dihubungkan h dengan θ0. Jarak h berhubungan dengan θ0 dan panjang bandul L
melalui :
Sehingga kelajuan didasar bandul didapat dari :
)
2.3. Impuls dan Momentum
2.3.1 Impuls
Impuls didefinisikan sebagai gaya yang bekerja dalam waktu singkat.
Secara matematis ditulis : I = F.Δt = F (t2-t1) (2.6)
Dimana : I = Impuls (Ns)
p
Ketika terjadi tumbukan, gaya biasanya melonjak dari nol pada saat kontak
menjadi nilai yang sangat besar dalam waktu yang sangat singkat, dan kemudian
dengan drastis kembali ke nol lagi. Selang waktu Δt biasanya cukup nyata dan
sangat singkat.
Gambar 2.5. Grafik Gaya vs Waktu
2.3.2 Momentum
Momentum adalah ukuran kecenderungan benda untuk terus bergerak.
Momentum merupakan ukuran mudah atau sukarnya suatu benda mengubah
keadaan geraknya (mengubah kecepatannya, diperlambat atau dipercepat)
Secara matematis ditulis :
P = m.v (2.7)
Dimana : P = Momentum benda (kgms-1)
m = massa benda yang bergerak (kg)
v = kelajuan benda ( ms-1)
Sesuai dengan Hukum II Newton :
Sehingga Impuls merupakan perubahan momentum.
2.4 Kesetimbangan
Benda dikatakan mencapai kesetimbangan jika benda tersebut dalam
keadaan diam/statis atau dalam keadaan bergerak beraturan/dinamis.
Ditinjau dari keadaannya, kesetimbangan terbagi dua, yaitu:
1. Kesetimbangan Translasi (a = 0)
v = 0 (statis) ; v = konstan (dinamis)
Untuk setiap bidang acuan,disini perlu bahwa jumlah vektor dari gaya
gaya yang bekerja adalah nol.
∑ F = 0 (2.9)
∑ Fx = 0 ; ∑ Fy = 0 (2.10)
Persamaan persamaan ini adalah persamaan persamaan Newton untuk
kasus khusus benda dalam keadaan diam,atau bergerak dengan suatu kecepatan
konstan yang membatasi keseimbangan. Komponen komponen gaya yang saling
tegak lurus dalam arah arah x dan y dipandang telah menggantikan gaya gaya
resultan.
2. Kesetimbangan Rotasi (alpha = 0)
w = 0 (statis) ; w = konstan (dinamis)
∑ τ = 0 → pilih pada suatu titik dimana gaya-gaya yang bekerja terbanyak
∑ WR cos θ = 0 (keseimbangan gaya gaya horizontal)
∑ WR sin θ = 0 (keseimbangan gaya gaya vertikal)
Keterangan :
W = Gaya berat (N)
R = jari jari (m)
θ = simpangan sudut (0)
Macam Kesetimbangan Statis :
1. Kesetimbangan Stabil : setelah gangguan (dikenakan gaya), benda berada
pada posisi semula.
Contoh :Mula-mula benda berada dalam keseimbangan statis / benda diam
(gambar 2.5). Seperti yang tampak pada gambar 2.5, jumlah gaya total
dan gaya normal (N), di mana besar gaya normal = besar gaya berat.
Karena arahnya berlawanan, maka kedua gaya ini saling melenyapkan.
Gambar 2.6. Contoh dari keseimbangan stabil
∑ Fx = 0
Pada arah x tidak ada gaya yang bekerja sehingga tidak ada pengaruh
terhadap gaya pada arah x.
∑ Fy = 0
Pada arah y terdapat dua gaya yaitu gaya normal dan gaya berat dari benda
tersebut dan dapat dikembangkan menjadi:
N – W = 0
N = W
N= m.g
Pada gambar nomor 1 saat N = W maka benda tersebut berada dalam
keadaan stabil. Ketika pada gambar 2 dan gambar 3 titik tumpuh menjadi
berbeda sehingga gaya normal dan gaya berat menjadi berbeda. Pada saat
perbedaan ini tidak telalu besar maka benda akan kembali pada posisi
seperti gambar 1 dan apabila perbedaan ini terlalu besar benda akan
menggelinding dan merubah titik tumpuhnya.
2. Kesetimbangan Labil : setelah gangguan, benda tidak kembali ke posisi
Contoh : Sebuah bola, mula-mula sedang diam di atas pantat wajan yang
dibalik (gambar 2.6). Setelah ditiup angin, bola bergerak ke kanan . Amati
gaya-gaya yang bekerja pada bola tersebut. Komponen gaya berat yang
tegak lurus permukaan wajan (w cos θ) dan gaya normal (N) saling
melenyapkan karena kedua gaya ini mempunyai besar yang sama tapi
arahnya berlawanan. Pada bola bekerja juga komponen gaya berat yang
sejajar permukaan wajan (w sin θ). w sin θ merupakan gaya total yang
menyebabkan bola terus berguling ria ke bawah menjahui posisinya
semula.
Gambar 2.7. Contoh dari keseimbangan labil
∑ Fy = 0
N – W cos θ = 0
N = W cos θ
Pada saat bola menggelinding maka berlaku N= W cos θ . Bola akan terus
menggelinding sampai permukaan benda menjadi datar.
3. Kesetimbangan Indiferen (netral) : setelah gangguan, titik berat tetap benda
tetap pada satu garis lurus seperti semula.
Contoh : Bola berada di atas permukaan horisontal (bidang datar). Jika
bola didorong, bola akan bergerak. Setelah bergerak, bola tetap diam di
posisinya semula; bola juga malas bergerak lebih jauh lagi dari posisinya
semula.
Gambar 2.8. Contoh dari keseimbangan netral
2.5. MSC/NASTRAN 4.5
Metode Elemen Hingga (MEH) yang digunakan untuk menganalisa
struktur diselesaikan dengan bantuan NASTRAN, suatu paket program yang
dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space
Administration (NASA). Perangkat Schwendler Corporation adalah program
analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan
perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan
MSC/NASTRAN, kita dapat mengimport geometri CAD (Computer Aided
Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan MSC/NASTRAN.
Mesh, dapat dibuat dengan banyak metode: secara manual sampai
automatis. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat atau
dipilih dari MSC/NASTRAN’s libraries. Demikian juga banyak tipe kondisi batas
dan kondisi pembebanan dapat diterapkan.
Analisa tegangan dengan metode elemen hingga dapat memecahkan
beberapa kasus banyak menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi. Prosedur
dua dimensi digunakan karena praktis lebih mendekati, dan modelnya lebih
sederhana. Pada kasus yang sebenarnya analisa tiga dimensi yang banyak
digunakan karena analisa tegangan tiga dimensi dengan metode elemen hingga
mendekati masalah yang sebenarnya.
Kajian numerik yang umum digunakan dilakukan dengan dua cara yaitu
dengan mendiskretisasi persamaan differensial. Metode ini memiliki kelemahan
utama yaitu syarat-syarat batasnya sangat susah dipenuhi. Kelemahan yang lain
adalah akurasi hasil perhitungan yang relatif rendah. Kajian elemen hingga adalah
analisis pendekatan yang berasumsi peralihan atau asumsi tegangan atau
berdasarkan kombinasi keduanya pada setiap elemennya.
Mesh dapat dibuat dengan berbagai metode yaitu Generate Between,
Generate Region, On Geometry, Boundary Mesh, dan Transition. Material dan
sifat material dapat dibuat atau dipilih dari MSC/NASTRAN libraries.
MSC/NASTRAN juga dapat menampilkan secara grafik setiap langkah proses
2.6. Kerangka Konsep Penelitian
2.7
Gambar 2.9. Kerangka Konsep Penelitian
Permasalahan:
Stabilitas marka kerucut masih rendah.
Melakukan pengujian stabilitas marka kerucut polymericfoam menggunakan teknik uji bandul.
Beban impak yang diperoleh dengan menggunakan teknik uji bandul dengan
variasi jarak l0 dan x0.
Peneliti melihat, membandingkan dan menghitung hasil akhir.
Variabel yang dibutuhkan :
1. ∆h dengan variasi jarak l0 dan
x0.
2. ∆Ep dengan variasi jarak l0
dan x0.
Hasilnya :
a. Mengetahui stabilitas kerucut
polymericfoam yang dikenai beban impak dengan metode uji bandul.
b. Mendapatkan energi impak untuk
menjatuhkan marka kerucut
c. Mengetahui distribusi tegangan
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Tinjauan Umum
Bahan komposit merupakan bahan teknologi yang mempunyai potensi
yang tinggi. Komposit dapat memberikan gabungan sifat-sifat yang berbeda -
beda pada penggunaan yang tidak akan diperoleh melalui penggunaan logam,
polimer dan seramiks ,khususnya tentang sifat kekuatan spesifik serta kekakuan
spesifik .
Gambar 2.1. Klasifikasi / Skema Struktur Komposit (Calliester, 1994)
Secara umum bahan komposit terdiri dari dua bagian utama, yaitu : (1) matriks
yang mengisolasi fasa, dan (2) penguat (reinforcement) atau fasa sebaran.
Gambar 2.2 Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit
Foam didefenisikan sebagai penyebaran gelembung gelembung gas yang
terjadi pada material cair dan padat. Foam berkembang menjadi rongga rongga
mikro yang memiliki diameter 10µ m. Foam yang tersebar dalam polymer dapat
mencapai 108/cm3 (Kumar,2005).
Matriks Penguat Komposit
Composite
Fiber - Reinforced Particle -
Reinforced
Structural
Continous
(Aligned)
Disontinous
(Short) Large -
Particle
Disper
sion-Streng
thened
Laminates Sanwidch
Panel
Pada saat ini, perkembangan penelitian ini telah menghasilkan
karakteristik fisik dan mekanik material foam (Klemper dan Sendijarevic,2004).
Karakteristik fisik tersebut meliputi factor geometri, separti ukuran rongga dan
ketebalan dinding rongga. Selain karakteristik fisik juga terdapat karakteristik
mekanik. Karakteristik mekanik terdiri atas densitas dan modulus elastisitas.
Material foam memiliki susunan rongga yang bervariasi. Susunan rongga
tersebut dapat diketahui melalui pengamatan strutur mikro material foam. Susunan
rongga dibagi atas dua jenis, yaitu susunan rongga terbuka (open cell) dan tertutup
(closed cell). Pada material foam dengan susunan rongga terbuka terdapat
pemutusan dinding rongga yang fleksibel. Material foam dengan susunan rongga
tertutup tidak terdapat pemutusan dinding rongga dan bersifat kaku. Perbedaan
kedua jenis ini susunan rongga tersebut ditunjukan oleh gambar.
a.rongga terbuka b.rongga tertutup
Gambar 2.3 Jenis Material Berongga
Rongga rongga pada polimer terbentuk akibat adanya campuran fase
padat dan gas. Dua fase tersebut terjadi dengan cepat dan membentuk permuakaan
material yang berongga. Foam yang dihasilkan dari polimer merupakan
gelembung udara atau rongga udara yang bergabung di dalam polimer tersebut.
Gas yang digunakan untuk membentuk foam disebut blowing agent.
Pemberian blowing agent dilakukan secara kimia dan fisika. Blowing agent secara
kimia menimbulkan dekomposisi unsur unsur material dalam suatu reaksi kimia.
Blowing agent secara fisika terjadi akibat adanya gas yang diberikan pada
Polymericfoam yang flexible dihasilkan dari reaksi polyuretene.
Polyuretene dalam pembentukan polymericfoam juga berfungsi sebagai blowing
agent. Proses pembentukan rongga dari hasil reaksi polyuretene flexible
berlangsung relative cepat. Pada saat reaksi pembentukan polyuretene terjadi
pengeluaran panas (eksoterm) dengan kenaikan temperature mencapai 75-1600C.
Peningkatan volume polyuretene sekitar 20- 50 kali volume mula mula.
Sifat – sifat dari komposit sangat tergantung kepada sifat – sifat dari fasa
– fasa pembentuknya, jumlah relative masing – masing fasa, bentuk dari fasa,
ukuran fasa dan distribusi ukuran dari fasa – fasa dan sebarannya. Bila komposit
tersusun dari dua material yaitu : (1) M Sebagai Matriks dan (2) P sebagai
penguat maka secara teoritis sifat – sifat hasil pencampuran kedua material
tersebut memiliki sifat diantara sifat dari masing – masing material yang
bercampur.
Matriks berfungsi sebagai pelindung dan pengikat fasa pengikat. Biasanya
matriks mempunyai kerapatan / densitas , kekukuhan dan kekuatan yang jauh
lebih rendah daripada serat. Namun gabungan matriks dengan serat bisa
mempunyai kekuatan dan ketegaran yang tinggi, tetapi masih mempunyai
kerapatan yang rendah. Matriks jenis ini tergolong polimer thermoset, dan
memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa
pemberian tekanan ketika proses pembentukannya. Struktur material yang
dihasilkan berbentuk crosslink dengan keunggulan pada daya tahan yang lebih
baik terhadap jenis pembebanan statik dan impak. Hal ini disebabkan molekul
yang dimiliki bahan ini ialah dalam bentuk rantai molekul raksasa atom-atom
karbon yang saling berhubungan satu dengan yang lainnya. Dengan demikian
struktur molekulnya menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap
beban yang diberikan. Data mekanik bahan matriks diperlihatkan pada table 2.1
Tabel 2.1. Karakteristik Mekanik Poliester Resin Tak Jenuh.
Sifat Mekanik Satuan Besaran
Berat jenis (ρ) Mg.m-3 1,2 s/d 1,5
Modulus Young (E) GPa 2 s/d 4,5
Seperti telah disebutkan sebelumnya, bahwa penguat komposit yang
digunakan ialah dari bahan TKKS yang kemudian dibentuk menjadi ukuran halus
dan dicampurkan dalam matriks. Berdasarkan Penelitian Subiyanto B,dkk : tiap
kandungan serat TKKS secara fisik mengandung bahan-bahan serat seperti lignin
(16,19%), selulosa(44,14%) dan hemiselulosa (19,28%) yang mirip dengan
bahan kimia penyusun kayu. Ukuran serat TKKS yang belum dicacah adalah
13-18 cm dan serat ini dihaluskan lagi hingga mencapai ukuran 0,1 -0,8 mm.
2.2. Teori Ayunan bola bandul
Dengan pendekatan empiris dengan asumsi sebuah bandul, dengan massa
m diikiatkan pada sebuah tali dengan panjang L. Kemudian masssa ini ditarik
kesamping sehingga tali membentuk sudut θ0 dengan sudut vertikal dan dilepas
dari keadaan diam.
Gambar 2.4. Prinsip ayunan bola bandul.
Kedua gaya yang bekerja pada beban (dengan mengabaikan hambatan
udara) adalah gaya gravitasi mg, yang bersifat konservatif, dan tegangan T, yang
tegak lurus terhadap gerakan dan karena itu tidak melakukan kerja. Oleh karena
itu, dalam persoalan ini energi mekanik sistem beban-bumi adalah kekal.
Kita pilih energi potensial gravitasi bernilai nol didasar ayunan. Semula
bernilai nol dan energi potensial sistem bernilai mgh. Jadi energi total awal dari
sistem adalah :
Ei= Ki + Ui = 0 + mgh (2.1)
Dimana:
Ei = energy total awal system
Ki = energy kinetic awal
Ui = energy potensial awal
Ketika bandul berayun turun, energi potensial berubah menjadi energi
kinetik. Maka energi akhir dari dasar ayunan menjadi :
Ef= Kf + Uf = ½ mv2 + 0 = ½ mv2 (2.2)
Dimana :
Ef = energy total akhir system
Kf = energy kinetic akhir
Uf = energy potensial akhir
Selanjutnya kekekalan energi memberikan :
Ef =Ei
Untuk mendapatkan kelajuan yang dinyatakan dalam sudut awal θ0, harus
dihubungkan h dengan θ0. Jarak h berhubungan dengan θ0 dan panjang bandul L
melalui :
Sehingga kelajuan didasar bandul didapat dari :
)
2.3. Impuls dan Momentum
2.3.1 Impuls
Impuls didefinisikan sebagai gaya yang bekerja dalam waktu singkat.
Secara matematis ditulis : I = F.Δt = F (t2-t1) (2.6)
Dimana : I = Impuls (Ns)
p
Ketika terjadi tumbukan, gaya biasanya melonjak dari nol pada saat kontak
menjadi nilai yang sangat besar dalam waktu yang sangat singkat, dan kemudian
dengan drastis kembali ke nol lagi. Selang waktu Δt biasanya cukup nyata dan
sangat singkat.
Gambar 2.5. Grafik Gaya vs Waktu
2.3.2 Momentum
Momentum adalah ukuran kecenderungan benda untuk terus bergerak.
Momentum merupakan ukuran mudah atau sukarnya suatu benda mengubah
keadaan geraknya (mengubah kecepatannya, diperlambat atau dipercepat)
Secara matematis ditulis :
P = m.v (2.7)
Dimana : P = Momentum benda (kgms-1)
m = massa benda yang bergerak (kg)
v = kelajuan benda ( ms-1)
Sesuai dengan Hukum II Newton :
Sehingga Impuls merupakan perubahan momentum.
2.4 Kesetimbangan
Benda dikatakan mencapai kesetimbangan jika benda tersebut dalam
keadaan diam/statis atau dalam keadaan bergerak beraturan/dinamis.
Ditinjau dari keadaannya, kesetimbangan terbagi dua, yaitu:
1. Kesetimbangan Translasi (a = 0)
v = 0 (statis) ; v = konstan (dinamis)
Untuk setiap bidang acuan,disini perlu bahwa jumlah vektor dari gaya
gaya yang bekerja adalah nol.
∑ F = 0 (2.9)
∑ Fx = 0 ; ∑ Fy = 0 (2.10)
Persamaan persamaan ini adalah persamaan persamaan Newton untuk
kasus khusus benda dalam keadaan diam,atau bergerak dengan suatu kecepatan
konstan yang membatasi keseimbangan. Komponen komponen gaya yang saling
tegak lurus dalam arah arah x dan y dipandang telah menggantikan gaya gaya
resultan.
2. Kesetimbangan Rotasi (alpha = 0)
w = 0 (statis) ; w = konstan (dinamis)
∑ τ = 0 → pilih pada suatu titik dimana gaya-gaya yang bekerja terbanyak
∑ WR cos θ = 0 (keseimbangan gaya gaya horizontal)
∑ WR sin θ = 0 (keseimbangan gaya gaya vertikal)
Keterangan :
W = Gaya berat (N)
R = jari jari (m)
θ = simpangan sudut (0)
Macam Kesetimbangan Statis :
1. Kesetimbangan Stabil : setelah gangguan (dikenakan gaya), benda berada
pada posisi semula.
Contoh :Mula-mula benda berada dalam keseimbangan statis / benda diam
(gambar 2.5). Seperti yang tampak pada gambar 2.5, jumlah gaya total
dan gaya normal (N), di mana besar gaya normal = besar gaya berat.
Karena arahnya berlawanan, maka kedua gaya ini saling melenyapkan.
Gambar 2.6. Contoh dari keseimbangan stabil
∑ Fx = 0
Pada arah x tidak ada gaya yang bekerja sehingga tidak ada pengaruh
terhadap gaya pada arah x.
∑ Fy = 0
Pada arah y terdapat dua gaya yaitu gaya normal dan gaya berat dari benda
tersebut dan dapat dikembangkan menjadi:
N – W = 0
N = W
N= m.g
Pada gambar nomor 1 saat N = W maka benda tersebut berada dalam
keadaan stabil. Ketika pada gambar 2 dan gambar 3 titik tumpuh menjadi
berbeda sehingga gaya normal dan gaya berat menjadi berbeda. Pada saat
perbedaan ini tidak telalu besar maka benda akan kembali pada posisi
seperti gambar 1 dan apabila perbedaan ini terlalu besar benda akan
menggelinding dan merubah titik tumpuhnya.
2. Kesetimbangan Labil : setelah gangguan, benda tidak kembali ke posisi
Contoh : Sebuah bola, mula-mula sedang diam di atas pantat wajan yang
dibalik (gambar 2.6). Setelah ditiup angin, bola bergerak ke kanan . Amati
gaya-gaya yang bekerja pada bola tersebut. Komponen gaya berat yang
tegak lurus permukaan wajan (w cos θ) dan gaya normal (N) saling
melenyapkan karena kedua gaya ini mempunyai besar yang sama tapi
arahnya berlawanan. Pada bola bekerja juga komponen gaya berat yang
sejajar permukaan wajan (w sin θ). w sin θ merupakan gaya total yang
menyebabkan bola terus berguling ria ke bawah menjahui posisinya
semula.
Gambar 2.7. Contoh dari keseimbangan labil
∑ Fy = 0
N – W cos θ = 0
N = W cos θ
Pada saat bola menggelinding maka berlaku N= W cos θ . Bola akan terus
menggelinding sampai permukaan benda menjadi datar.
3. Kesetimbangan Indiferen (netral) : setelah gangguan, titik berat tetap benda
tetap pada satu garis lurus seperti semula.
Contoh : Bola berada di atas permukaan horisontal (bidang datar). Jika
bola didorong, bola akan bergerak. Setelah bergerak, bola tetap diam di
posisinya semula; bola juga malas bergerak lebih jauh lagi dari posisinya
semula.
Gambar 2.8. Contoh dari keseimbangan netral
2.5. MSC/NASTRAN 4.5
Metode Elemen Hingga (MEH) yang digunakan untuk menganalisa
struktur diselesaikan dengan bantuan NASTRAN, suatu paket program yang
dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space
Administration (NASA). Perangkat Schwendler Corporation adalah program
analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan
perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan
MSC/NASTRAN, kita dapat mengimport geometri CAD (Computer Aided
Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan MSC/NASTRAN.
Mesh, dapat dibuat dengan banyak metode: secara manual sampai
automatis. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat atau
dipilih dari MSC/NASTRAN’s libraries. Demikian juga banyak tipe kondisi batas
dan kondisi pembebanan dapat diterapkan.
Analisa tegangan dengan metode elemen hingga dapat memecahkan
beberapa kasus banyak menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi. Prosedur
dua dimensi digunakan karena praktis lebih mendekati, dan modelnya lebih
sederhana. Pada kasus yang sebenarnya analisa tiga dimensi yang banyak
digunakan karena analisa tegangan tiga dimensi dengan metode elemen hingga
mendekati masalah yang sebenarnya.
Kajian numerik yang umum digunakan dilakukan dengan dua cara yaitu
dengan mendiskretisasi persamaan differensial. Metode ini memiliki kelemahan
utama yaitu syarat-syarat batasnya sangat susah dipenuhi. Kelemahan yang lain
adalah akurasi hasil perhitungan yang relatif rendah. Kajian elemen hingga adalah
analisis pendekatan yang berasumsi peralihan atau asumsi tegangan atau
berdasarkan kombinasi keduanya pada setiap elemennya.
Mesh dapat dibuat dengan berbagai metode yaitu Generate Between,
Generate Region, On Geometry, Boundary Mesh, dan Transition. Material dan
sifat material dapat dibuat atau dipilih dari MSC/NASTRAN libraries.
MSC/NASTRAN juga dapat menampilkan secara grafik setiap langkah proses
2.6. Kerangka Konsep Penelitian
2.7
Gambar 2.9. Kerangka Konsep Penelitian
Permasalahan:
Stabilitas marka kerucut masih rendah.
Melakukan pengujian stabilitas marka kerucut polymericfoam menggunakan teknik uji bandul.
Beban impak yang diperoleh dengan menggunakan teknik uji bandul dengan
variasi jarak l0 dan x0.
Peneliti melihat, membandingkan dan menghitung hasil akhir.
Variabel yang dibutuhkan :
1. ∆h dengan variasi jarak l0 dan
x0.
2. ∆Ep dengan variasi jarak l0
dan x0.
Hasilnya :
a. Mengetahui stabilitas kerucut
polymericfoam yang dikenai beban impak dengan metode uji bandul.
b. Mendapatkan energi impak untuk
menjatuhkan marka kerucut
c. Mengetahui distribusi tegangan
BAB 3
METODE PENELITIAN
Bab ini berisikan metode yang digunakan untuk menyelesaikan
permasalahan pada skripsi ini. Penelitian ini terdiri dari beberapa tahapan yaitu :
melakukan pembuatan marka kerucut dengan menggunakan polymericfoam,
pengujian stabilitas dengan menggunakan teknik uji bandul.
3.1. Tempat dan Waktu
3.1.1. Tempat
Laboratorium Impact Fracture Research Center (IFRC) unit I di
Departemen Teknik Mesin dan IFRC unit II Di Program Magister Dan Doctor
Teknik Mesin Fakultas Teknik Univesitas Sumatera Utara dengan
menggunakan teknik uji bandul menggunakan bola semen dengan berat 8,5 kg.
3.1.2. Waktu
Waktu penelitian dilaksanakan dari Februari 2010 sampai Juni 2010.
3.2. Pengujian Impak Menggunakan Teknik Uji Bandul
Tujuan eksperimen ini adalah menguji marka jalan polymericfoam dengan
suatu variasi gaya sehingga marka jalan tersebut jatuh atau tidak. Bola semen
(berat total 8,5 kg) dipakai untuk menjatuhkan marka kerucut polymericfoam dan
jarak ayun bola semen dicatat.
Alat yang digunakan dalam uji bandul ini adalah sebagai berikut:
1. Ayunan Bandul
Ayunan bandul adalah alat yang digunakan untuk menguji spesiment
Gambar 3.1 Ayunan bandul
Keterangan gambar :
1. Tonggak penyangga berfungsi sebagai tempat diikatkan bandul.
2. Guiden berfungsi sebagai membuat arah ayunan bandul menjadi
lurus.
3. Tali baja berfungsi sebagai tempat mengikatkan beban impak yaitu
bola semen.
4. Bola semen berfungsi sebagai beban dalam percobaan uji bandul.
5. Kaki ayunan berfungsi sebagai fondasi ayunan yang terbuat dari
besi.
3
4
Gambar 3.2 Guiden
2. Meteran
Meteran berfungsi untuk mengukur panjang dari tali bandul, jarak
impak, dan pergeseran dari marka kerucut setelah kena impak.
Gambar 3.3. Meteran
Spesifikasi :
• Merek : Daiyu
• Panjang maximum : 2,5 meter
3. Marka jalan Polymericfoam
Marka jalan adalah spesiment yang akan di uji bandul. Letak dari
spesimen diletakkan di tengah tengah yang sejajar dengan bola bandul.
Gambar 3.4. Marka jalan polymericfoam
Metode kerja :
1. Satu tali baja di fixed 2200 mm diatas lantai.
2. Bola semen diikat ke ujung tali sehingga bola tergantung di udara. Tinggi
vertikal dari lantai ke pusat bola dikontrol dan dicatat.
3. Bola semen digantung dalam keadaan statis. Marka kerucut yang dibuat
ulang ditempatkan di tengah dari bola semen.
Gambar 3.6. Posisi marka kerucut polymericfoam ketika dikenai beban impak
4. Sisi kiri dan kanan tali dibuat alur (guiden), sehingga diusahakan tidak
terjadi swing atau pembelokan pada saat bola semen menyentuh marka
kerucut re-desain.
5. Panjang tali diset pada 1650 mm, 1780 mm, 1910 mm dan 2040 mm.
6. Bola semen diayun dengan jarak horizontal dari pusat bola ke titik impak
bervariasi.
7. h1 dan h2 dicatat sehingga didapat Δh.
8. Pergeseran dicatat apabila marka kerucut polymericfoam tidak jatuh.
Gambar 3.8. Prinsip teknik uji bandul.
Dari data eksperimen didapat energi impak yang diperlukan untuk
menjatuhkan marka kerucut polymericfoam dengan ketinggian vertikal dan jarak
horizontal ke pusat bola semen bervariasi. Data
Tabel 3.1 Hasil Uji Bandul
L = 2200 mm Jatuh
Pergeseran
(mm)
Berat bola semen = 8,5 kg Unit=mm
ya tidak
Lo Xo θ h1 h2 Δh=h2–h1 ΔEp (joule)
Keterangan :
L = panjang tali sampai base
Lo = panjang tali dari puncak sampai titik impak
Xo = jarah horizontal titik impak dengan titik awal pelepasan bola.
h1= jarak titik impak ke base
h2 = jarak bola dilepaskan ke base
Ep = energi potensial
3.3. Penentuan Sifat Fisik Dan Mekanik Dari Material Polymericfoam
Polymericfoam adalah bahan yang digunakan dalam riseet pembuatan
marka kerucut ini. Adapun sifat fisis dan mekanis dari bahan polymericfoam
dilihat pada tabel 3.2. adalah sebagai berikut:
Tabel 3.2. Sifat Fisis dan Mekanis Material Polymericfoam.
No. Sifat Fisis Nilai
1 Density 1096 kg/m3
2 Young’s modulus 288.876 MPa
3.4. Prosedur Simulasi
3.4.1. Permodelan Marka Kerucut Polymericfoam.
Karena keterbatasan software Msc. Nastran 4.5 dalam hal permodelan,
maka proses permodelan akan menggunakan bantuan software Autocad 2002.
Dengan menggunakan autocad 2002 pemodelan dibuat 3 dimensi dalam bentuk
solid sehingga diexport dalam format *.sat. Format tersebut mampu dibaca secara
Gambar 3.9. Diagram Alir Permodelan Dengan Autocad 2002
Berhasil ?
berhasil
Tidak Membuat produk jadi satu
bagian solid
Membuat Geometry marka kerucut 3D
Di eksport dalam format *.sat
Periksa kesolidan produk dan pastikan menggunakan
autocad 2002 kebawah
3.4.2. Proses import ke Msc Nastran.
Hasil asembling dari autocad kemudian di export ke Software simulasi.
Simulasi dilakukan dengan menggunakan software komputer Msc. Nastran 4.5,
dimana software program ini mampu melakukan analisa pembebanan statis dan
dinamis, analisa temperatur, deformasi, defleksi, tegangan pada truss, dan
sebagainya. Pada gambar 3.10. merupakan tampilan awal Msc.Nastran 4.5.
Gambar 3.10. Tampilan pembuka Msc. Nastran 4.5
Adapun proses import dari autocad dilakukan langsung dari program Msc.
Nastran yaitu dari menu file pilih import geometri. Pada gambar 3.11. akan
Gambar 3.11. Tampilan proses import.
3.4.3. Mendefenisikan Material Properties
Langkah selanjutnya adalah menentukan sifat material marka kerucut.
Jenis material adalah polymericfoam dengan nilai material properties seperti tabel
3.1. Langkah mendefenisikan material properties adalah: pilih model > Material.
Lalu masukan nilai modulus elastisitas, masa jenis dan poisson ratio sesuai
dengan tabel 3.1. ke dalam kotak dialog material (Gambar 3.12).
3.4.4. Mendefinisikan Element/Property Type
Untuk mendefinisikan karakteristik geometri, maka langkah prosesnya
adalah: pilih menu Model >Property. Lalu pilih jenis materialnya dan jenis
element yang akan dianalisa, dipilih elemen solid seperti gambar 3.13.
Gambar 3.13. Tampilan element type.
3.4.5. Proses Meshing
Ukuran mesh sangat mempengaruhi hasil dalam analisa ini. Namun dalam
skripsi ini tidak dibahas lebih lanjut mengenai pengaruh ukuran tersebut. Hal ini
dikarenakan keterbatasan sistem komputer yang digunakan, di sini proses
menerapkan ukuran mesh sesuai kemampuan komputer yaitu dengan langkah
sebagai berikut: pilih menu mesh > geometry > solid. Tampilan penerapan mesh
Gambar 3.14. Tampilan penerapan meshing
3.4.6. Penerapan Constraint
Pada penerapan constraint langkah perintahnya adalah pilih menu model >
constraint > set. Masukan nama pada constraint lalu klik OK. Kemudian pilih
menu model > constraint > on surface, lalu pilih bagian bawah kerucut sebagai
constraint dan pilih jenis constraint pinned. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat
seperti terlihat pada Gambar 3.15.
3.4.7. Penerapan Load
Untuk memasukkan nilai pembebanan dilakukan dengan cara: pilih menu
model> load > elemental seperti terlihat pada gambar 3.16.
Gambar 3.16. Tampilan penerapan load.
3.4.8. Function Definition
Untuk melihat kurva tegangan vs waktu maka dapat dilakukan dengan
memasukkan data pada kotak dialog Function Definition seperti terlihat pada
Gambar 3.17.
3.4.9. Proses Analyzing.
Untuk menganalisa dilakukan dengan cara: pilih menu file > Analyze > OK.
Tampilan Analyze seperti tampak pada gambar 3.18.
Gambar 3.18. Tampilan analyze.
Gambar 3.19. Diagram Alir Simulasi Dengan Nastran 4.5
1
2 Berhasil ?
Ya
Tidak Proses
Menetapkan
UKURAN MESH Mendefenisikan
MATERIAL Mengimport
GEOMETRY ASSEMBLY
Mendefenisikan
Gambar 3.20. Diagram Alir Simulasi Dengan Nastran 4.5 (Lanjutan)
Tidak
Ya 1
Proses
Berhasil ?
Menetapkan
CONSTRAIN
Menetapkan
BEBAN
Proses Penampilan Hasil
• Distribusi Tegangan (FEA)
• Titik konsentrasi tegangan
SELESAI
2
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian dengan menggunakan teknik uji bandul bertujuan untuk
mengetahui energi impak minimum yang diperlukan untuk menjatuhkan marka
kerucut polymericfoam.
4.1. Teknik Uji Bandul Pada Marka Kerucut Polymericfoam
Metode yang digunakan adalah teknik uji bandul yang terdapat di
Laboratorium Impact Fracture Research Center Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengujian dilakukan dengan
menggunakan pipa yang dikaitkan dengan besi sedemikian rupa. Pipa guide
digunakan untuk mencegah terjadinya swing pada saat bola menyentuh marka
kerucut.
b. Persiapan uji bandul
Gambar 4.1. Pengujian Teknik Uji Bandul.
Pengujian ini dengan menempatkan marka kerucut di tengah. Bola semen
(berat total kira-kira 8,5 kg) digunakan untuk menjatuhkan marka kerucut dan
jarak ayun bola semen divariasikan. Titik impak pertama berjarak 550 mm dari
base marka kerucut , titik impak kedua berjarak 420 mm dari base marka kerucut,
titik impak ketiga berjarak 290 mm dari base marka kerucut dan titik impak
Gambar 4.2. Titik impak yang akan di uji coba.
Keterangan gambar :
1. Titik impak 1 berjarak 550 mm dari base.
2. Titik impak 2 berjarak 420 mm dari base.
3. Titik impak 3 berjarak 290 mm dari base.
4. Titik impak 4 berjarak 260 mm dari base.
Tabel 4.1. menunjukkan energi impak yang diterima marka kerucut pada
titik yang ditentukan dengan jarak horizontal dari pusat bola ke titik impak
bervariasi. Masing-masing kerucut jalan, untuk melihat distribusi tegangan pada
permukaan kerucut arah pengimpakan dilakukan pada titik 1 diasumsikan akibat
tabrakan mobil, impak titik 2 disumsikan akibat tabrakan motor dan titik 3,4
akibat pengujian bandul. Table dibawah memperlihatkan perbandingan antara
marka kerucut polymericfoam dan marka kerucut re-disain.
1
2
3
Tabel 4.1. Perbandingan hasil energi impak marka jalan polymericfoam dan marka jalan re-desain
L = 2200 mm Polymericfoam Jatuh
Pergeseran
(mm)
Re-desain jatuh
Berat bola semen = 8,5 kg Unit=mm
ya tidak
Pergeseran
Lo Xo θ h1 h2 Δh=h2–h1 ΔEp (joule) ya tidak (mm)
1650 900 330 550 816,2 266,2 22,2 √ - √ -
1000 37,30 550 887,2 337,2 28,12 √ - √ -
1200 46,60 550 1066,2 516,2 43,94 √ - √ -
1300 54,30 550 1181,9 633,8 52,69 √ - √ -
1780 900 30,30 420 664,3 243,1 18,7 √ - √ -
1000 34,20 420 727,5 307,5 25,64 √ - √ -
1200 42,40 420 885,2 465,2 38,79 √ - √ -
1300 46,90 420 984 564 47,03 √ - √ -
1910 900 280 290 515,3 223,5 18,78 √ - √ 170
1000 31,60 290 572,3 283,2 23,54 √ - √ 190
1200 38,90 290 714 424 35,36 √ - √ 200
1300 42,90 290 800,6 510,6 42,58 √ - √ 240
2040 900 26,20 160 369,13 203,13 16,94 √ 620 √ 290
1000 29,40 160 421,85 261,85 21,83 √ 770 √ 430
1200 360 160 550,3 390,3 32,55 √ 1130 √ 520
4.2. Analisa stabilitas marka kerucut Polymericfoam dan perbandingan
dengan marka kerucut re-desain.
Dari hasil percobaan diperoleh bahwa kesimpulan :
Marka kerucut re-desain lebih stabil dibandingakan dengan marka kerucut
polymericfoam. Sehingga dapat diketahui bahwa berat marka kerucut menentukan
kestabilan. Ini terbukti dengan berat kerucut polymericfoam adalah 2400 gram
dan berat marka kerucut re-desain adalah 3671 gram. Dan massa jenis kerucut
polymericfoam adalah 1,096. 10-6 kg/mm3 dan massa jenis marka kerucut
re-desain adalah 1,4.10-6 kg/mm3.
Posisi titik impak menentukan kestabilan. Pada marka kerucut
polymericfoam posisi arah impak 160 mm dari base cukup stabil karena ketika
diberi beban impak cenderung tidak jatuh. Hal ini dapat dilihat pada tabel 4.1.
Pada marka kerucut re-desain posisi arah impak 290 mm dan 160 mm dari base
cukup stabil karena ketika diberi beban impak cenderung tidak jatuh. Hal ini dapat
dilihat pada tabel 4.1.
Dari tabel 4.7. dapat disimpulkan bahwa marka kerucut re-desain lebih
unggul daripada marka kerucut polymericfoam. Pada pengimpakan 290 mm dari
base dengan energi sebesar 18,78 Joule, 23,54 Joule, 35,36 Joule dan 42,58 Joule
marka kerucut polymericfoam jatuh, sedangkan marka kerucut re-desain tidak
jatuh.
Gambar 4.3. Prinsip uji impak
4.3. Simulasi Marka Kerucut Polymericfoam
Simulasi menggunakan Msc. Nastran dilakukan bertujuan untuk
mengetahui distribusi tegangan yang terjadi pada marka kerucut polymericfoam.
Simulasi komputer berbasis metoda elemen hingga modelnya dipersiapkan dalam
dua tahap, yaitu model solid dan model elemen hingga. Sebelum simulasi elemen
hingga dilakukan, marka kerucut dimodelkan dengan bantuan software AutoCAD
2002. Marka kerucut digambar sesuai dengan dimensi dan geometri marka
kerucut yang sebenarnya (Gambar 4.4).
Gambar 4.4. Ukuran marka kerucut polymericfoam
Pemodelan dengan elemen hingga dikerjakan menggunakan software
X
Y Z
X
47.0918692.09186 137.0919182.0919
227.0919272.0919 317.0919362.0919
Y 157.7306
202.7306 247.7306
292.7306 337.7306
382.7306 427.7306
472.7306 V1
Gambar 4.5. Marka kerucut polymericfoam
Model elemen hingga dan arah impak pada marka kerucut ditunjukkan
pada Gambar 4.6. Pengimpakan ini dilakukan untuk melihat distribusi tegangan
pada permukaan kerucut. Posisi marka kerucut terletak di tengah terhadap arah
impak. Bentuk elemen yang digunakan adalah elemen solid tetrahedral 4 node.
Penyelesaian metoda elemen hingga diupayakan semaksimal mungkin untuk
menyederhanakan kondisi sebenarnya. Penelitian ini hanya simulasi, maka
material properties dipilih Polymericfoam.
b. Impak pada 420 mm dari base marka kerucut
