Studi Simulasi Penibebanan Impak Pada Helmet Sepeda Dari Baiian Pol}.Uieric Foam Yang Diperkuat Serbuk Tkks Dengan Menggunakan Sottware Ansys 14.5

(1)

--l

STUI}I SIMULASI PEMBBBANA]\

TMPAK PADA

HBLMET

SBPBDA

DARI BAHAN POLYMERIC FOAM YAI{G DIPBRI(UAT

SERBUK

TKKS I}ENGAN MENGGUNAKAN

SOFTWARE

ANSYS

14.5

SKRIPSI

Skripsi

Yang

Diujukan

Untuk

Melengkapi

Syarat Memperoleh

Gelsr

Surjann Teknik

AFRINEDI

NrM.100401005

DEPARTEMEN

TEKNIK

MESIN

F'AKULTAS

TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA

UTARA

(2)

-l

ABSTRAK

Helmet

sepeda adalah

alat

perlindungan

tubuh

yang

dipakai

pengendara sepeda

untuk melindungi kepala ketika tedatuh

dan

meminimalkan cedera

karena benturan. Dewasa

ini

material

untuk

pembuatan helrnet sepeda

relatif

rnahal

ini

menyebabkan biaya produksi mahal dan berdampak pada harga

jual

oleh sebab

itu

dilakukan

Penelitian baru tentang serbuk alam dari tandan kosong kelapa sawit

(TKKS)

Bahan

baku

yang melimpah

dikarenakan

kerap menjadi

limbah diperkirakan cukup ekonomis dan dikembangkan menjadi material altematif yang

ramah lingkungan. Tujuan penelitian

ini

adalah

untuk

mensimulasi pembebanan

impak pada helmel sepeda dari bahan polymer ic

foam

yaugdiperkuat serbuk

TKKS

dengan menggunakan software Ansys 14.5. pada penelitian

ini

spesirnen yang akan

diuji

dua model dan disimulasi irnpak pada sisi atas, samping dan belakang untuk

mengetahui distribusi tegangan pada helm. Helmet dimodel dengan rnenggunakan

solidworks 2A10

dan

disimulasi

menggunakan

Software ansys 14.5

untuk dibandingkan distribusi tegangannya kemudian dibandingkan dengan helmet yang

diuji

secara eksperimental. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa dari hasil simulasi impak pada sisi atas helmet pada ketinggian 1,5 m dengan kecepatan 5425

mm./s, pada model 1 dan 2 diperoleh tegangan maksimum

2,23Nffa

dan2,27 MPa,

pada sisi sarnping model 1 danT diperoleh tegangan maksimum 8,26 MPa dan2,38

MPa

dan pada sisi belakang

model

I

dan

2

diperoleh tegangan maksimum 1,99

MPa

dan

1,64

MPa

sehingga

dipilih

helmet dengan

model

1.

Dengan membandingkan tegangan

model

1 dengan

eksperimental

uji

impak

jatuh

bebas

sisi atas tegangan pada simulasi 1,04 MPa dengan eksperimental selisih 0,08 MPa

atau 7 _,39o/o, pada sisi samping 1,1 1 MPa dengan eksperirnental selisih 0,1 3 MPa

atau 12,99 o/o dan pada sisi belakang 0,72

Nffa

dengan eksperimental selisih 0,051

MPa atau 6,73 Yo.

(3)

ABSTRACT

Bicycle helmet

is

a

form of

body

protection that

was used

qtclists

to

protect

the head

when/blling

and minimizing

injury

caused by impact. Nowadays the

material

.for bike helmet

mandacturingrelatively

expensive this makes production costs

and

selling

price

higher, therefore new research conducted on natural powder

from oil

palm

empty

fruit

bunches

(EFB). Raw

abundant

often

become

waste,

it

was estimated

to

be quite economical and can be developed into alternative materials

that are

environmentally

friendly.

The

purpose

of this

study

was

to

simulating impact

load

on bicycle helmet

from polymeric

materials reinforced EFB

powder

using Ansys 14.5

safruara In

this study the specimens

will

be tested in two

dffirent

types and simulated by giving the impact load on the top, side, and rear to know the stress di,stribution on the helmet. Helmet was modeled by using

SolidWorla

2012

and

simulated using

INSFS

14.5 software

to

compare

the

stress

distributian

betweenthe two type,s and then comparisingthe

datawith

the helmetwhich is tested experimentally.

In

this study,

it

is

found

thot the results of the impact simulation on

the

topface

of the helmet at the height o/'1.5 m

and

velocity af 5425 mm/s, an type

I

and 2 obtained the maximum stress 2.23

MPa

cnd 2.27

MPc,

on the sideface

of

the type

I

and 2 obtained the maximumSrre^ss 8.26 MPa and

2.i8

Mpa, and on the rear

face

of the type

I

qnd 2 obtained maximum stress 1.99 MPa and 1.64

MPa,

so we

found

that

type

I

helmet

is

better on

recieving

irnpact stress. Comparing tlte stress

that

occurs

on

top

face in

the

simulation

results

is

1.01 and experimental results

offreefall

impact test obtained by the

dffirence

of 0.08 MPa

ar

7.39ok, the stress

that

occurs on side _.face

in

the simulation results

is

L I

I

and experimental

results

offreefall

dffirence

of

0.13

MPa

or

12.99%,

and

the

stress

that

occurs

on

rear

face

in

the

sirnulation results

is

0.72

and

experiruental results

of

_free

fall

impact test on top

face

obtained by the

dffirence

of 0.051

MPa or

6.73%.

(4)

KATA PENGANTAR

P{i

dan syukur penulis panjatkan kepada

Ailah

S.W.T yang memberikan

limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga

penulis

dapat menyelesaikan tugas

akhir

ini

dengan sebaik mungkin.

Skripsi

ini

be{udul

"STUDI SIMULASI

PENIBEBANAN

IMPAK

PADA

HELMET

SEPEDA

DARI

BAIIAN

POL}.UIERIC

FOAM

YANG

DIPERKUAT

SERBUK

TKKS DENGAN MENGGUNAKAN

SOTTWARE

ANSYS

14.5". Skripsi

ini

disusun sebagai syarat untuk menyelasaikan pendidikan

Strata-l (S1)

pada

Departemen

Teknik Mesin,

Fakultas

Teknik,

Universitas

Sumatera Utara.

Proses penyusunan

skripsi dari

awal hingga selesai yang penulis lakukan dapatterlaksana berkat bantuan dan dukungan dari semua pihak. Untuk itulah, pada

kesempatan

ini

penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang mendalam dan setulusnya kepada:

L

Kedua orang tua penulis yang telah memberikan rasa cinta dan kasih sayang serta doanyayang sangat besar kepada penulis sehingga pengerjaan skripsi

dapat berjalan dengan baik.

Bapak

Prof.

Dr.

Ir.

Bustami

Syam,

MSME.

selaku dosen pembimbing

penulis yang telah

meluangkan

waktu untuk

memberikan

arahan dan

bimbingan

ilmu

kepada penulis.

Bapak

Dr

-Ing.

Ir.

Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen

Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

Bapak

Ir.

Syahril Gultom,

MT.

selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen

Teknik

Mesin yang

telah

membirnbing, membantu,

dan

mengajari

penulis

selama

kuliah

di

Departemen Teknik Mesin.

Kawan-kawan stambuk

2009

dan

2010

terutama Suhandika Putra, Feby

Danimasthari,

Ahmad

Riyaldi,

Muhammad

llham,

Fakhrur

Rozy,

Muhammad

ZaW,

Siddiqi, Brema

Tarigan,

Amma dan

teman-teman

2.

J

5.

6.

(5)

mahasiswa Mesin

USU,

kemudian

juga

abangda

Ade Irwan

dan abangda

Faclviza yang telah

banyak memberikan

support

dan

sharing

dalam penyelesaian skripsi ini.

7

.

Seluruh pihak

yatgbanyak

membantu penulis dalam pengerjaan skripsi

ini.

Semoga skripsi

ini

dapat memberikan manfaat dan

ilmu

bagi penulis dan

bagi masyarakat pada umumnya. Penulis dengan senang hati menerima

kritik

dan saran yang mambangun dari pembaca.

Medan,

8

Juli 2015

AFRINEDI

i0040100s

(6)

DAFTAR

ISI

Halaman

ABSTRAK

...i

KATA

PENGANTAR...

...iii

DAFTAR

rsr...

BAB

I

PENDAIIULUAN

,...1

1.1.

LatarBelakang

...1

1.2.

Rumusan

Masalah....

...2

1.3

Tujuan

Penelitian

...3

1.3.1.

TujuanUmum...

...3

1.3.2. Tujuan

Khusus.

...3

1.4.

Batasan

Masalah....

...3

1.5.

Manfaat

Penelitian

..."...4

1.6.

Sistematika

Penulisan..

...4

BAB

2

TINJAUAN

PUSTAKA

...5

2.1.

Sejarah Helmet

sepeda

...5

2.2.

Desain Helmet

sepeda

,...6

2.2.1.

Standarisasi Helmet

Sepeda...

...10

2.3.

Bahan

komposit...

...10

2.3.1.

Polyesterresintakjenuh@QTN157-EX)

...11

2.3.2.

Blowing Agent

...

...""...12

2.3.3.

Katalis

MEKPO

...14

2.3.4.

Serbuk tandan kosong kelapa sawit

(TKKS)

... ...14

2.4.

Komposit

Material

yang

digunakan...

...16

2.5.

Uji

Impak Jatuh

Bebas

...18

2.5.1.

Gerak Jatuh

Bebas

...19

2.5.2.

Gerak

Lurus

...20

2.5.3.

Momentum dan

Impuls

...22

2.5.4.

Gaya

Impak

...23

2.5.5.

Tegangan

...23

2.6.

Mekanisme Retak Tegang

Komposit.

...24

2.7

Simulasi

Numerik...

...25

BAB

3

METODOLOGT

PENELrrrAN...

...27

(7)

3.2.

J.J-3.1.1.

Tempat...

...27

3.L2.

Waktu...

...27

Peralatan dan

Bahan

...27

Desain Helmet

Sepeda...

...28

3.3.1.

Model Helmet Sepeda dangan Tulang Lurus kedepan ...28

3.3.2.

Model Helmet Sepeda dengan Tulang Lurus kesamping...29

Metode

Penelitian..

...30

3.4.1.

Simulasi Impak Jatuh Bebas MenggunakanAnsys 14.5,..-.30

3.4.2.

EngineeringData

...32

3.4.3-

Geometry

...33

3.4.4.

Model I Ansys Mechanical

...

...34

Diagram

Aliran

Penelitian..

...39

3.4. 3.5.

BAB

4IIASIL

DAN PEMBAEASAN

... 40

4.1.

Pendahuluan...

...40

4.2.

Hasil Pembuatan Helmet

Sepeda

...40

4.3.

Metode Pengujian

Penelitian..

...41

4.4.

Simulasi Impak Menggunak an An,tys I 4.

5

Workb ench ... 41

4.5.

Simulasi Pembebanan Pada

Sisi

Atas Helmer Sepeda.. ...42

4.5.1.

Hasil Simulasi Helmer

Model

1...

...42

4.5.2.

Model

2...

...43

4.6.

Simulasi Pembebanan Pada Sisi Samping Helmet Sepeda...45

4.6.1.

Model

1...

...46

4.6.2.

Hasil Simul*si Helmer

Model

2...

...47

4.7.

Simulasi Pembebanan Pada Sisi Belakang Helmet Sepeda ...49

4.7.1.

HasilSimulasiHelmerModel1...

...50

4.7.2.

HasilSimulasiHelmerModel2...

...51

4.8.

Kumpulan dan Perbandingan Data

Hasil

Simulasi Pengujian. ...53

4.9.

Kumpulan Data Hasil Pengujian Jatuh Bebas Eksperimental...53

4.9.1.

Pengujian Pada

Sisi

Atas Helmer

Sepeda..

...53

4.9.2.

Pengujian Pada Sisi Samping Helmet Sepeda ... 54

4.9.3.

Pengujian Pada Sisi Belakang H elmet Sepeda ... 55

4. 1 0. PerBandingan

Hasil

Simulasi Dengan Uj

i

Eksperimental ... 55

4. I 0. 1. Perbandingan Penguj ian Atas H elmet Sepeda... 55

4.1A.2. Perbandingan Pengujian Samping He lmet Sepeda... ... 57

4. 1 0. 3. Perbandingan Penguj ian Belakang H elmet Sepeda... ...,. 59

BAB

5

KESIMPULAN

5.1. Kesimpulan

6t

61 5.2. Saran

DAF'TAR

PUSTAKA

DAN

SARAN

(8)

DAFTAR

GAMBAR

Halaman

Gambar2.1

Helmetsepeda

...,..."...5

Gambar

2.2

Bentuk dan struktur helmet sepeda di

pasaran.

...8

Gambar

2.3

Komponen helmet

sepeda

...8

Gambar

2.4

Gabungan makroskopis thsa-fasa pembentuk komposit...11

Gambar

2.5

Resin unsaturated polyester BQTN-157 EX...11

Gambar

2.6

Blowing

agent

...12

Gambar2.1

Katalis

...14

Gambar

2.8

Serbuk

TKKS...

...15

Gambar

2.9

Perbandingan

densitas

...17

Gambar 2.

t0

Perbandingan modulus

elastisitas

...17

Gambar

2.11

Perbandingan kekuatan

tarik

per

komposisi

...17

Gambar

2.12

Perbandingan kekuatan tekan per komposisi...

I8

Gambar2.l3

Perbandingankekuatanlenturperkomposisi...18

Gambar

2.14

Alrt uji

impakiatuh

bebas

... 19

Garnbar

2.15

Grafrk hubungan

v-t...

...20

Gambar

2.16

Diagram kecepatan -

waktu...

...21

Garnbar

2.17

Grafrkgayavs

waktu

...22

Gambar

3.1

Pandangn helmet sepedatulang lurus kedepan..."....28

Gambar

3.2

Pandangan helmet sepeda tulang lurus kesamping... ... ...29

Gambar

3.3

Explicit

dynamics

...31

Gambar

3.4

Project

schematic

...31

Gambar

3.5

Data material

baru...

...32

Gambar

3.6

Datadensity...

...32

Gambar

3.7

Data isotropic

elasticity

..,....".33 Gambar

3.8

Import

geometry..

_^...33

Gambar

3.9

Details of

anvile

...34

Garnbar

31A Deuils

of

he\met...

...35

Gambar

3.1t

Connectiong...

...35

Gambar

3.12

Mesh

...36

Gambar

3.13

Details

ofve|ocity...

...36

Gambar 3.1.4 Analysis

settings..

...37

Gambar

3.15

Fixed

support

...37

Gambar

3.16

5o1ution...

... .. ...38

Gambar

3.17

Diagtam

alir

penelitian..

...39

Gambar

4.1

Model helmet

sepeda...

...40

Gambar 4

.2

Posisi

jatuh

helmet sepeda bagian atas. .. .. . . ..

..

...42

Gambar

4.3

Hasil distribusi tegangan mksimum sisi atas helmet...42

Gambar

4.4

Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi atas...43

(9)

Gambar 4.5 Gambar 4"6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 4.10

Gambar 4.11

Gambar 4.T2

Gambar 4,13 Garnbar 4.14 Gambar 4.15

Gambar 4.16

Gambar 4.17 Gambar 4.18 Gambar 4.19

Gambar 4.24

Gambar 4.21

Gambar 4.22

Gambar 4.23

Gambar 4.24

Gambar 4.25

Gambar 4.26

Gawrbar 4.27

Gambar 4.28

Gambar 4.29

Gambar 4.30 Gambar 4.31

Gambar 4.32 Gambar 4.33 Gambar 4.34 Gambar 4.35

Distribusi tegangan pada sisi samping hasil simulasi sisi atas...43

Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi sisi atas ...43

Hasil distribusi tegangan maksimum sisi atas helmet model 2....44

Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi atas...44

Distribusi tegangan pada sisi samping hasil simulasi sisi atas...44

Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi sisi atas....44

Grafik perbanding tegangan hasil simulasi sisi atas helmet

sepeda...

...45

Posisi

jatuhhelmel

sepeda bagian

samping

...45

Hasil distribusi tegangan maksimum sisi samping helmet ...46

Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi samping.46 Distribusi tegangan pada sisi samping

kiri

hasil simulasi sisi

samping....

...46

Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi impak sisi

samping....

...47

Hasil distribusi tegangan sisi samping helmet model 2...47

Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi samping.43 Distribusi tegangan pada sisi samping

kiri

hasil simulasi sisi

samping....

...48

Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi sisi

samping

...48

Grafik

perbandingan tegangan hasil simulasi sisi samping

helmet

.. ...,...49

Posisi jatuh helmet sepeda bagian

belakang

...49

Hasil distribusi tegangan maksimum sisi belakan g he|met... 50

Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi belakang 50 Distribusi tegangan pada sisi samping hasil simulasi sisi

belakang...

...50

Hasil distribusi tegangan maksimum sisi belakang helmet rnodel

2...,

...51

Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi belakang 51 Distribusi tegangan pada sisi samping

kiri

hasil simulasi sisi

belakang...

...52

Grafik

perbandingn tegangan hasil simulasi sisi belakang

helmet...

...52

Titik

pembebanan impak sisi atas helmet sepeda...,... 56

Pola kerusakan spesimen

uji

impak area atas he|met...56

Area pembebanan impak sisi samping helmet sepeda... ...57

uji

impak area samping he|met...58

Area pembebanan impak sisi belakan g helmet sepeda... 59

uji

impak area belakang he|met...60

(10)

DAFTAR

TABEL

Halaman

Tabel

2.1.

Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh... ..."."...-.12

TabelZ.Z.

Parameter

tipikal TKKS

per

kg

...15

Tabel2.3.

Komposisi

spesimen

...16

Tabel}.A.

Waktu dan kecepatan benda

jatuh

...20

Tabel3.1.

Kegiatan

penelitian

...27

Tabel3.Z.

Alat

dan

bahan

...28

Tabel

4.1.

Hasil simulasi impak jatuh

bebas.

...53

Tabel4.2.

Hasil pengujian sisi atas ketinggian

1.5

...54

Tabel4.3.

Hasil pengujian sisi samping ketinggian 1.5 ...54

Tabel

4.4.

Hasil pengujian sisi belakang ketinggian 1.5...55

Tabel

4.5.

Perbandingan penguji atas

...

...56

Tabel

4.6.

Perbandingan penguji

samping....

...58

Tabel4.7.

Perbandingan penguji

belakang...

...59

(11)

m

mls2

Kg

Simbol

(,

Ao

F h

p

L

v

t

S

s

m

DAFTAR NOTASI

Keterangan Tegangan Luas penampang

Gaya

Ketinggian

Densitas Panjang

Kecepatan

Waktu

Jarak Gaya Gravitasi

Massa Benda

Satuan

MPa

mm2

Newton

M

g/.*'

Mm

mm/s

(12)

-l

ABSTRAK

Helmet

sepeda adalah

alat

perlindungan

tubuh

yang

dipakai

pengendara sepeda

untuk melindungi kepala ketika tedatuh

dan

meminimalkan cedera

karena benturan. Dewasa

ini

material

untuk

pembuatan helrnet sepeda

relatif

rnahal

ini

menyebabkan biaya produksi mahal dan berdampak pada harga

jual

oleh sebab

itu

dilakukan

Penelitian baru tentang serbuk alam dari tandan kosong kelapa sawit

(TKKS)

Bahan

baku

yang melimpah

dikarenakan

kerap menjadi

limbah diperkirakan cukup ekonomis dan dikembangkan menjadi material altematif yang

ramah lingkungan. Tujuan penelitian

ini

adalah

untuk

mensimulasi pembebanan

impak pada helmel sepeda dari bahan polymer ic

foam

yaugdiperkuat serbuk

TKKS

dengan menggunakan software Ansys 14.5. pada penelitian

ini

spesirnen yang akan

diuji

dua model dan disimulasi irnpak pada sisi atas, samping dan belakang untuk

mengetahui distribusi tegangan pada helm. Helmet dimodel dengan rnenggunakan

solidworks 2A10

dan

disimulasi

menggunakan

Software ansys 14.5

untuk dibandingkan distribusi tegangannya kemudian dibandingkan dengan helmet yang

diuji

secara eksperimental. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa dari hasil simulasi impak pada sisi atas helmet pada ketinggian 1,5 m dengan kecepatan 5425

mm./s, pada model 1 dan 2 diperoleh tegangan maksimum

2,23Nffa

dan2,27 MPa,

pada sisi sarnping model 1 danT diperoleh tegangan maksimum 8,26 MPa dan2,38

MPa

dan pada sisi belakang

model

I

dan

2

diperoleh tegangan maksimum 1,99

MPa

dan

1,64

MPa

sehingga

dipilih

helmet dengan

model

1.

Dengan membandingkan tegangan

model

1 dengan

eksperimental

uji

impak

jatuh

bebas

sisi atas tegangan pada simulasi 1,04 MPa dengan eksperimental selisih 0,08 MPa

atau 7 _,39o/o, pada sisi samping 1,1 1 MPa dengan eksperirnental selisih 0,1 3 MPa

atau 12,99 o/o dan pada sisi belakang 0,72

Nffa

dengan eksperimental selisih 0,051

MPa atau 6,73 Yo.

(13)

ABSTRACT

Bicycle helmet

is

a

form of

body

protection that

was used

qtclists

to

protect

the head

when/blling

and minimizing

injury

caused by impact. Nowadays the

material

.for bike helmet

mandacturingrelatively

expensive this makes production costs

and

selling

price

higher, therefore new research conducted on natural powder

from oil

palm

empty

fruit

bunches

(EFB). Raw

abundant

often

become

waste,

it

was estimated

to

be quite economical and can be developed into alternative materials

that are

environmentally

friendly.

The

purpose

of this

study

was

to

simulating impact

load

on bicycle helmet

from polymeric

materials reinforced EFB

powder

using Ansys 14.5

safruara In

this study the specimens

will

be tested in two

dffirent

types and simulated by giving the impact load on the top, side, and rear to know the stress di,stribution on the helmet. Helmet was modeled by using

SolidWorla

2012

and

simulated using

INSFS

14.5 software

to

compare

the

stress

distributian

betweenthe two type,s and then comparisingthe

datawith

the helmetwhich is tested experimentally.

In

this study,

it

is

found

thot the results of the impact simulation on

the

topface

of the helmet at the height o/'1.5 m

and

velocity af 5425 mm/s, an type

I

and 2 obtained the maximum stress 2.23

MPa

cnd 2.27

MPc,

on the sideface

of

the type

I

and 2 obtained the maximumSrre^ss 8.26 MPa and

2.i8

Mpa, and on the rear

face

of the type

I

qnd 2 obtained maximum stress 1.99 MPa and 1.64

MPa,

so we

found

that

type

I

helmet

is

better on

recieving

irnpact stress. Comparing tlte stress

that

occurs

on

top

face in

the

simulation

results

is

1.01 and experimental results

offreefall

dffirence

of 0.08 MPa

ar

7.39ok, the stress

that

occurs on side _.face

in

the simulation results

is

L I

I

and experimental

results

offreefall

dffirence

of

0.13

MPa

or

12.99%,

and

the

stress

that

occurs

on

rear

face

in

the

sirnulation results

is

0.72

and

experiruental results

of

_free

fall

impact test on top

face

obtained by the

dffirence

of 0.051

MPa or

6.73%.

(14)

BAB

I

PENDAHULUAN

1.1.

Latar

Belakang

Helmet

sepeda adalah alat perlindungan tubuh yang dikenakan

di

kepala

yang

dipakai

pengendara sepeda

untuk

melindungi

kepala

ketika

terjatuh

dan

meminimalkan

cedera

seperti

gangguan penglihatan

tepi

karena

benturan

_[1]. Biasanya

di

pasaran dibuat dari metal atau bahan keras lainya seperti

kevlar,

serat resin, atau _{pelastik [2].}

Dewasa

ini

material

yang

digunakan

untuk

pembuatan

helmet

sepeda amatlah beragam salah satunya penggunaan material komposit busa polimer sangat

luas pengaplikasiannya, diantaranya yaitu pada material insulasi panas, lightweight

construction, peradam getaran dan suara, serta peredam impak.

Keunggulan komposit busa

polimer

untuk mengurangi berat menjadi

nilai

tambah. Serat penguat

polimer

yang umum digunakan

ialah

serat karbon, kevlar

dan serat kaca. Namun harga jenis-jenis serat tersebut masih

relatifmahal.

Sehingga

berimbas kepada tinggrnya

hargajual.

Salah satu

solusi

yang sudah lama coba

dikembangkan

oleh

banyak ahli

material ialah

penggunaan serat alam karena melimpahnya ketersediaan serat alam

itu

sendiri. Diantara serat alam tersebut ialah

serat dari tandan kosong kelapa sawit

(TKKS)

t3l

Tandan kosong kelapa sawit

(TKKS)

merupakan salah satu limbah terbesar yang dihasilkan dari pengolahan kelapa sawit.

TKKS

dapat mencapai 230

kg

dari

setiap

I

ton

pengolahan tandan

buah

segar

[4].

Jumlah

ini

sangat besar dan menggunung

di

pabrik-pabrik kelapa sawit. Data

ini

menunjukkan bahwa begitu

banyaknya limbah tandan kosong kelapa sawit

ini

setiap harinya. Limbah

ini

dapat

kita

manfaatkan sehingga dapat mengurangi

jumlah

limbah yangada, dengan cara menggunakan tandan kosong

kelapa sawit menjadi

salah satu bahan tambahan dalam suatu komposisi pembuatan suatu _{produk [5].}

TKKS ini

yang telah

diteliti

di Fakultas

Teknik

Universitas

Sumatera

Utara

sejak

tahun

2009.

Jadi

kemudian dilakukan penelitian lebih lanjut dengan menggunakan sebuk

TKKS,

Serbuk

TKKS

(15)

Penelitian

baru

tentang serbuk

alam dari

tandan kosong kelapa

sawit

(TKKS)

diperkirakan

cukup

ekonomis

dan

dikembangkan

menjadi

material

altematif yang hemat energy dan ramah lingkungan. Pemanfaatan limbah

TKKS

ini

menjadi produk yang berdaya guna sudah dilakukan dewasa

ini,

diantaranya marka

kerucut

lalu

lintas,

bumper

parking,

bola

golf,

pipa

dan

papan

partikel. Pengembangan material

ini

sebagai material penguat komposit

dengan

matriks

berasal dari material-material polimer baru masih jarang ditemukan _[3].

Helmet sepeda sudah pernah dikembangkan sebelumnya dengan komposit

busa

polimer,

blowing agent yang

digunakan

yaitu

poliuretan

dengan matriks

penguat

serat

TKKS.

Penulis

akan

Melakukan penelitian

lebih

lanjut mensimulasikan dua

model

helmet sepeda dengan menggunakan software ansys

14.5

dengan menggantikan serat

TKKS

dengan

serbuk

TKKS,

material

yang

digunakan

untuk

membuat helmet sepeda

ini

sangat baru yang

diteliti,

sehingga harus ditemukan dulu proses dan cara pembuatannya serta mengetahui komposisi

yang

tepat.

Disisi lain

apabila berhasil,

helmet

sepeda

ini

akan

memiliki

nilai

ekonomis yang tinggi.

1.2.

Rumusan

Masalah

Polyurethane disingkat

PU

dikenal

polimer

yang

terdiri

dari

sebuah rantai

unit

organik yang

memiliki

kekuatan, kekerasan, kepadatan, dan yang beragam, busa polimer

polyurethane

flekslbel berdensitas rendah sangat cocok digunakan sebagai baglan komposisi pembuatan helmet sepeda karena beratnya yang ringan

dan membantu

meredam

benturan yang

terjadi

pada kepala dapat menimbulkan

cedera pada

jaringan

kulit,

tulang

maupun

struktur

dikepala dan otak. Beberapa

standard

dan

aturan

hukum telah

mewajibkan

semua pengendara kendaraan menggunakan helmer sebagai alat pelindung

diri

(APD).

Pada umumnya beban impak yang dialami pada helmet sepeda terjadi pada

sisi

atas, samping dan

belakang.

Untuk

mengetahui besarnya tegangan tersebut

perlu

dilakukan pengujian impak

jatuh

bebas dengan

simulasi dan verifikasi

simulasi pengujian impak

jatuh

bebas dilakukan dengan eksperimentai

uji

impak jatuh bebas.

Untuk

menjawab

permasalahan tersebut

di

atas maka

perlu

dilakukan

(16)

penelitian

ini

bertujuan

membandingkan

dua model Helmet

sepeda dengan

digunakan

Software SOLIDWORK

2012

dan,4,VSyS

Workbench

14.5.

Urta:k

membuat modelnya digunakan softv,are SOLIDWORK 2012 denganmembuat dua

pemodelan,

lalu

dilakukan simulasi pada dua model helmet dengan menggunakan

Software

l,\I,SfS

Workbench

/4.5

untuk

menganalisa tegangan

dari

struktur dan komponen mekanik mana yang lebih baik pada dua model helmet.

1.3.

Tujuan

Penelitian

1.3.1.

Tujuan umum

Tujuan umum penelitian

ini

untuk dapatmenganaiisa struktur lt elmet sepeda bahan p o lym er i c _{fo am}c omp o s i t e diperkuat Serbuk TKKS.

1.3.2.

Tujuan Khusus

Tujuan khusus pada penelitian

ini yaitu

:

1.

Mendapatkan

distribusi

tegangan

dari

dua

model

helmet sepeda dengan

simulasi ANSYS 14.5.

2.

Membandingkan distribusi tegangan kedua model helmet sepeda komposit

busa polimer diperkuat serbuk

TKKS

dengan simulasi ANSYS 11.5.

3.

Membandingkan

hasil

tegangan

yang

diperoleh

dari

simulasi

menggunakan

lilSIS

14.5

dengan

hasil

yang

diperoleh pada uji

eksperimental jatuh bebas.

1.4.

Batasan Masalah

Diperlukan batasan masalah yang

meliputi

antara

lain

:

1.

Simulasi numerik

menggunakan

software ansys

14.5

untuk

rnengetahui membandingkan mana yang

lebih

baik 2

model

distribusi

tegangan pada helmet sepeda.

2.

Helmet sepeda yang disimulasikan hanya

I

jenis

material kornposit busa

polimer.

3.

Helmet sepeda disimulasikanjatuh dari ketinggian 1.5 meter.

(17)

1.5.

Manfaat

Penelitian

Manfaat penelitian

ini

adalah :

a.

Bagi peneliti

dapat menambah pengetahuan, wawasan

dan

pengalaman tentang material komposit.

b.

Bagi akademik, penelitian

ini

daprt digunakan sebagai referensi tambahan

untuk penelitian tentang komposit serbuk TKKS.

1.6.

SistematikaPenulisan

Pada penelitian

ini

akan berisikan:

BAB

1.

PENDAHULUAN

Bab

ini

membahas latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian,

batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.

BAB

2.

TINJAUAN

PUSTAKA

Bab

ini

membahas literatur dan referensi yang diperlukan berkenaan dengan

masalah

yang

dikaji

dalam penelitian

mengenai

uji

komposisi, uji

kekerasan,

uji

metalografi,

uji

tarik, dan software Ansys.

BAB

3.

METODOLOGI

PENELITIAN

Bab

ini

berisi urutan dan cara yang dilakukan.

Dimulai

dari alat, bahan, dan proses yang dilaksanakan.

BAB

4.

HASIL DAN

PEMBAHASAN

Bab

ini

menampilkan

data yang diperoleh

dari

penelitian dan

hasil pengujian berupa tabel maupun hasil pengamatan

mikro

dan makro.

BAB

5.

KESIMPT'LAN

DAN

SARAN

Bab

ini

yaitu penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran dari semua hasil analisa pengamatan serta perhitungan.

6. DAT'TAR

PUSTAKA

Daftar

pustaka

berisikan literatur yang

digunakan

dalam penelitian

dan

penyusunan laporan ini.

(18)

BAB

2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1.

Sejarah

Helma

Sepeda

Helmet sepeda pada umumnya ringan, bentuk dominan

dari

helm sampai

dengan tahnn 197A adalah model

kulit

hairnet.

Hal

ini

menawarkan perlindungan

diterima dari

goresan dan luka, tetapi perlindungan dampak hanya

minimal,

dan terutama digunakan oleh pengendara sepeda _{balap [6].}

2.1. Gambar Helmet Sepeda _[7]

Penggunaan yang lebih luas helmet mulai di Amerika Serikat

padal97}-an.

Setelah beberapa dekade ketika sepeda dianggap hanya sebagai mainan anak-anak

akhirnya orang

dewasa

Amerika

banyak melakukan aktivitas

bersepeda

dan kemudian booming sepeda pada tahun 1970-an _[6].

Dua dari

helmet

sepeda

modem

per&ama

dibuat oleh MSR,

produsen peralatan mountaineering dan

Bell

Olalvaga, produsen helmet untuk balap

mobil

dan sepeda

motor.

Hal

ini

bisa

dibilang

sebagai tonggak Sejarah Desain helmet

Sepeda

Modern. helmet

ini

adalah

spin-aff'dari

pengembangan

liners

busa

polystyrene

diperluas

untuk

helm

sepeda

motor

dan

motorsport,

dan

merniliki

cangkang

yang

keras

dari

plastik polikarbonat.

Secara

komersial

pertama yang sukses merancang helmet sepeda untuk

tujuan

komersial adalah

Biker Bell,

shell plastik berlapis keras

dirilis

pada tahun 1975 _161.

Sekitar tahun

1990 sebuah

teknik

konstruksi

baru

ditemukan dicetakan

(19)

dengan cepat menjadi

teknologi

dominan, memungkinkan

untuk ventilasi

yang lebih besar dan bentuk kompleks lebih dari cangkang keras. Penggunaan hard shells

menurun dengan cepat

di

arfiara populasi sepeda

umum

selama

tahun

1990-an, hampir menghilang pada akhir dekade ini, namun tetap populer dengan pengendara

BMX

serta

inline

skater dan pemain skateboard.

Akhir

1990-an dan awal 2000-an

melihat

kemajuan dalam retensi dan sistem pas, menggantikan sistem lama dari

berbagai

ketebalan

bantalan

dengan menyesuaikan

dengan anatomi

kepala pengendara.

Hal

ini juga

mengakibatkan bagian belakang kepala menjadi kurang

ditutupi

oleh

helmel,

dengan dasar pertimbangan bahwa dampak

ke

daerah

ini

sangat jarang

ditemui

_[6].

2.2.

Desain

llelmet

Sepeda

Helmet sepeda dirancang untuk melindungi dan mengurangi dampak pada

tulang kepala

(tengkorak) seorang

pengendara

sepeda

ketika

jatuh

dan

meminimalkan

efek

samping seperti gangguan penglihatan

tepi

karena benturan tersebut, helmet yang digunakan oleh pengguna sepeda, didesain berbeda dari helm

sepeda motor karena kecepatan sepeda hanya sekitar 15 km/jam.

Walaupun

di

Indonesia

belum diwajibkan untuk

menggunakan helmet

sepeda tetapi sudah banyak digunakan oleh masyarakat dalam kegiatan bersepeda

santai

di

hari

libur,

tetapi pada olah raga balapan sepeda atau kejuaraan sepeda gunuog helmet sudah diwajibkan.

Desain adalah proses perubahan informasi terhadap syarat-syarat kebutuhan

sebuah

produk

menjadi pengetahuan produk dan proses. Kegiatan

ini

bertujuan

untuk

menciptakan dan mengevaluasi

produk

sesuai dengan tujuan yang

ingin

dicapai.

Desain

teknik

dapat

didefinisikan

sebagai proses menerapkan berbagai

teknik

dan

prinsip-prinsip

ilmiah

untuk tujuan

mendefinisikan

proses tersebut dengan cukup terperinci

untuk

kemungkinan proses realisasi

lebih

lanjut.

Suatu

desain

produk

yang

baik

dapat menghasilkan pengembangan

produk

yang

baik

pula.

Desain didasarkan pada kelebihan produk, praklis dalam pembuatan, ongkos

(20)

Prinsip

dasar proses desain

adalah

untuk memperkecil pernakaian bahan,

untuk

mendaur

ulang, karena

ketidaksesuaian

dengan

kebutuhan,

untuk menghindari

kerja

ulang

(rework)

terhadap

produksi, efisiensi

dan kesesuaian terhadap standar.

Langkah- langkah proses desain sebagai

berikut

_[1]:

1.

Identifikasi

kebutuhan

ialah

sebagai gambaran

dan

pernyataan masalahyang samar-samar yang dikembangkan dan sebuah informasi.

2.

Sepenuhnya mendefinisikan dan memahami masalah, setelah itu adalah

mungkin untuk

memulai

tujuan.

3.

Defenisikan kebutuhan yang

lebih

masuk akal dan

realistis

dari pada pemyataan masalah asli.

4.

Ciptakan sebuah spesifikasi tugas yang

terinci

dan membuat batasan masalah.

5.

Buat

sebanyak

mungkin alternatif

pendekatan desain, biasanya pada tahap

ini

menentukan

nilai

atau kualitas. Pada langkah

ini

merupakan penemuan

ide

terbesar.

6.

Penyelesaian langkah

sebelumnya,

yakni

menganalisa

dengan menentukan diterima,

ditolak

atau

dimodifikasi

produk desain. Solusi yang paling menjanjikan

dipilih.

7.

Penentuan desain yang dapat diterima

dan dipilih.

8.

Ini

merupakan

langkah yang

detail

dimana

dilakukan

pembuatan gambar

teknik

lengkap,

identifikasi

pemasok (vendor), serta membuat spesifikasi manufaktur dan lainJain.

9.

Merealisasikan desain dengan membuat pratotype.

10.

Dan akhimya menentukan kuantitas produksi.

Daiam

mendesain

helmet

sepeda

juga

deperlukan

mempertimbangkan menentukan konstruksi material yang digunakan sehingga helmet yang

di

desain

tidak berat.

Aktifitas

bersepeda

adalah

aktivitas

olahraga

yang

secara signifikan

meningkatkan suhu

tubuh dan

kepala. Oleh sebab itulah helmet sepeda haruslah

(21)

helrnet sepeda memilih helmet yang nyaman dan trend. Bentuk dan struklur lrclmet

sepeda

di

pasaran, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.2.

(c) (d)

Ganrbar 2.2. Bentuk dan struktur

hehnet

sepeda di pasaran

(a) jenis

lull

face (b), (c)

dan

(d)

jenis

ha$'JitcelT)

Perbedaaan antaru kedua jenis

full

face

dan

half/hce

ini diperlihatkan

pada Tabel 2.

l.

Tabel2.l

. Perbedaan antara helmet

full

_{.face dengan hal./'face}L87.

Aspek

Fullface

Pertimbanean

Halffuce

Keamanan

Lebih aman Aman

Banyak Ventilasi

Visibilitas

Massa

Kenyamanan

Memandang satu arah

ke

dapat melihat bagian

Sedikit

depan

Ringan

Nyaman

samplng

Lebih ringan

(22)

Adapun konstruksi helmet secara garis besar

terdiri

atas[3] :

Lapisan luar yang keras (hard outer

shelfi

Didesain untuk dapat pecah

jika

mengalami benturan untuk mengurangi dampak tekanan sebelum sampai ke kepala. Lapisan

ini

biasanya terbuat

dari bahan plastic, _fiberglass,

polycarbonate

dan lain-lain.

Lapisan dalam yang tebal {inside sltell

or ltner)

Di

sebelah dalam dari lapisan luar adalah lapisan yang sama pentingnya

untuk

dampak pelapis

penyangga.

Biasanya dibuat

dari

bahan

polystyrene (styrofoarl).

Lapisan

tebal

ini

memberikan bantalan yang

berfungsi menahan goncangan sewaktu

helmet

terbentur benda keras sementara kepala masih bergerak.

Lapisan dalam yang lunak (comfort

padding)

Merupakan bagian dalam yang

terdiri

dari bahan lunak dan kain untuk

menempatkan kepala secara pas dan tepatpada rongga helmet.

Tali

Pengikat

Bagian penting

lainnya

dalam

hehn

ada

tali

pengikat

helmet.

Helmet

tidak

akan berfungsi

dengan

baik

kalau

tidak

dilengkapi

atau

tidak

mengikatkan

tali

pengikatnya. Komponen Helmet Sepeda dapat

dilihat

pada Gambar2.3.

outer shell

lnside shell 1.

2.

a 1

(23)

2.2.1

Standarisasi Helmet Sepeda

Helmet yang digunakan

oleh

masyarakat

di

negara

maju

pada umumnya sudah mempunyai standard tertentu sesuai dengan peraturan yang ditetapkan oleh

pemerintahnya.

Diantara standar-standar

helmel

sepeda yang

dikenal

luas dan

banyak

menjadi

referensi antara

lain Australia

Standard

(EN

397.

AS/I{ZS

1801.SS98),

European&N

helmet standard

(EN

1078.1990) dan lain-lain.

Untuk

masing-masing standar

memiiiki

klasifikasi yang

berbeda berdasarkan kegunaan

dan material yang

digunakan. ANSI

mengelompokkan dalam dua tipe:

l.

Helmet yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang

jatuh

bebas

dari

ketinggian tertentu umumnya

digunakan

oleh

pekeqa

konstruksi, sedangkan.

2.

Helmet yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang

jatuh

bebasjuga dari benda yang datangdari arah lateral baik dari arah depan,

samping

dan belakang umumnya digunakan

oleh

petugas pemadam kebakaran.

2,3.

Bahan

Komposit

Bahan

komposit

adalah material rekayasa yang

terdiri

dari

dua atau lebih material menjadi suatu

jenis

material baru yang

sifat

dan karakteristiknya masih

didominasi oleh sifat bahan pembentukya dimana material yang digabung

memiliki

sifat masing-masing yang berbeda satu sama lainnya

baik

itu

sifat

kimia

maupun

sifat fisikanya. Bahan komposit

terdiri

dari dua bagian utama

di

antaranya:

matrik

dan

penguat (reinforcement). Fasa

matrik

adalah bahan fasa

kontiniu

yang selalu

kaku,

dan rapuh, sedangkan fasa penguat

tidak

kaku

dan

kuat,

akan

tetapi

fasa penguat

ini

lemah. Penggabungan kedua fasa tersebut menghasilkan bahan yang

dapat mendistribusikan beban yang diterima

di

sepanjang penguat, sehingga bahan

menjadi

lebih

tahan

terhadap pengamh

beban

tersebut. Penguat

umumnya

berbentuk serat, rajutan, serpihan, dan

partikel, yang

dibenamkan kedalam fasa

matrik, penguat merupakan fasa diskontinu yang selalu lebih kuat dan

tidak

kaku

dari

pada

matrik dan

merupakan kemampuan

utama bahan

komposit

dalam

menahan beban _[9].

(24)

Bahan komposit

memiliki

banyak keunggulan, diantaranyaberat yang lebih

ringan, kekuatan dan ketahanan yang lebih tinggi, tahan korosi dan ketahanan aus.

Gambar 2.4. Gabunsan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit

Keunggulan

komposit

dapat

dilihat

dari

sifat-sifat

bahan pembentuknya serta

ciri-ciri

komposit

itu

sendiri, antara lain:

a.

Bahan ringan,

kuatdankaku.

b.

Struktur mampu berubah mengikuti perubahan keadaan sekitarnya.

c.

Unggul atas sifat-sifat bahan teknik yang diperlukan; kekuatan yang

tinggi,

keras, ringan serta tahan terhadap irnpak.

Bahan komposit polymeric

foam terdin

dari

polyester

resin tak

jenuh

dan

hlowing

agent. Blowing

agent yang digunakan dalam penelitian

ini

adalah;

polyol

dan

isocyanate.

Sementara

untuk

msmpercepat proses

polimerisasi

digunakan

katalis jenis Merhyl

Ethil

Keton Perokside (MEKPO).

2.3.1.

Polyester resin tak jenuh

(BQTN

157-EX)

Polyester

resin

BQTN

157-EX

merupakan

polimer

kondensat

yang

terbentuk berdasarkan

reaksi

artara

polyol

yang

merupakan

organik

gabungan

dengan

alkohol multiple

atau

gugus

fungsi

hidroksi,

dan

polycarboxylic,

yang

mengandung

ikatan

ganda.

Tipikal

jents

polyol

yang digunakan adalah glycol, seperti ethylene

glycol.

Sementara asarn

polycarboxylic yang

digunakan adalah

asamphthalic danasammaleic.Adapun jenis polyester resin yang digunakan dalam

penelitian

ini

dapat

dilihat

pada gambar 2.5

Gambar 2.5. Resin Unsaturated Polyester BQTN-157

EX

(25)

Polyester resin tak

jenuh

adalah

jenis

polimer

thermosef yang

memiliki

struktur rantai karbon yang panjang.

Matrik

yang berjenis

ini memiliki

sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan

ketika proses _{pembentukan [10].}

Polyester

tergolong

jenis polimer

thermoset _,vang

memiliki sifat

dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan

ketika

proses pembentukannya

[10].

Struktur

bahan

yang dihasilkan

berbentuk

crosslink dengan

keunggulan

daya tahan

yang

lebih

baik

terhadap jenis

pembebanan statik dan

impak.

Hal tersebut disebabkan oleh molekul yang

dimiliki

bahan

dalam bentuk rantai molekul

raksasa,

atom-atom

karbon yang

saling mengikat satu dengan lainnya mengakibatkan struktur molekulnya menghasilkan

efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan data karakteristik

mekanik bahan polye,ster resin tak jenuh seperti terlihat sebagai berikut _[10].

Tabel 2.1. Karakteristik mekanik polyester resin tak

jenuh

_[10].

Sifat Mekanik

.-1

kg.m

-GPa

(MPa)

Sumber : Georgios

Koronis,

etal.,2012

2.3.2.

Blowing agent

Blowing

agent adalah bahan yang digunakan untuk menghasilkan struktur

berongga pada komposit yang dibentuk. Jenis blowing agent yang digunakan dalam

penelitian

ini

adalah palyurethane. Bentuk

polyol dan

isocyanate

yang dipergunakan dalam penelitian

ini

diperlihatkan pada Gambar 2.6.

Berat Jenis (p)

Modulus Young { E}

Kekuatan Tarik (o1)

I;

sld 1,5

2 #d 4,5

40 sde0

Gambar 2.6. Blowing agent

(26)

Polyurethane adalah suatu

jenis

polimer yang

mengandung jaringan

urethane

yaitu

_{-NH-CO-O-. Polyurethane dibentuk oleh}_{reaksi senyawa isosianat} yang bereaksi dengan senyawa yang

memiliki

hydrogen al<trf seperti _{diol @olyot),}

yang mengandung

goup

hydroksil _{dengan mempercepat reaksi}yaitu katalis. Unsur nitrogen yang bermuatan pada kelompok alkohol

(polyol)

akan membentuk ikatan

urethane

antara dua

unit

monomer dan menghasilkan

dimer urethane.

_Reaksi

isosianat

ini

akan membentuk amina dan gas karbon dioksida

(COz).

Gas

ini

yang

kemudian _{akan membentuk busa pada bahan}_polirner_yang_terbentuk

[g]

_Bahan yang terbentuk

dari

campuran

blawing

agent dan

polimer

disebut dengan bahan

pa lyme r i c _/b

am.

Bahan po lyme r ic _{fo am bany ak}ditemukan sebagai busa kaku dan

fleksibel _{yang digunakan sebagai pelapis atau perekat bahan.}

Berdasarkan sifat mekaniknya bahan

ini

memiliki

4 (empat) sifat penting

di

antaranya _[8]:

1.

Sifat Elastik

silbt ini

berhubungan dengan

sifat

kekakuan bahan

yang

terdiri

dari geometri, bentuk dan mikrostruLtumya.

2.

Sifat Viskoelastik

sifat

peredaman

solid

bahan,

sifat

ini

merupakan

efek dari

bentuk

geometri bahan tersebut.

3.

Sifat

Akustik

sifat ini

berhubungan dengan sifat media yang

dilewati

oleh perambatan

suara

akibat bentuk struktur yang

berongga

akan

memudahkan gelombang udara masuk kedalam bahan dan terserap atau terperangkap

sebagian besar ke dalam struktur tersebut. Dengan demikian suara yang

keluar dan atau dipantulkan oleh bahanpolymericfoam akan mengalami

pelemahan.

4.

Sifat Viskoakustik.

sifat

ini

berhubungan dengan peredaman

fluida yang

dihubungkan dengan

geometri,

bentuk

mikrostruktumya

yang

sama dengan sifat

elastiknya.

(27)

2.3.3.

Katalis

MEKPO

Katalis merupakan bahan kimia yang digunakan untuk mempercepat proses

reaksi polimerisasi

struktur komposit

pada

kondisi

suhu

kamar

dan

tekanan

atmosfir. Jenis katalis yang digunakan adalah

jenis

Methyl Ethyl Keton Peroksida

(MEKPO),

seperti diperlihatkan pada Gambar 2.7.

Pemberian

katalis

dapat

berfungsi

untuk

mengatur

waktu

pembentukan

gelembung

blowing

agen4 sehingga

tidak

mengembang secara berlebihan, atau

terlalu

cepat meogeras

yang

dapat mengakibatkan terhambatnya pernbentukan gelembung.

2.3.4.

Serbuk tandan kosong kelapa sawit

(TKKS)

Lirnbah

berbentuk

padat

dari pabrik

kelapa

sawit

umumnya berbentuk

tandan kosong, cangkang

dan

serat buah.Dari berbagai

jenis

komponen limbah

pabrik kelapa sawit yang dihasilkan, tandan kosong kelapa sawit

(TKKS)

merupakan komponen yang paling banyak.

Secara umum pengelolaan limbah

terdiri

dari dua aspek yaitu penanganan

limbah dan peman f aatan I imbah. Pen atgaflan I i mbah untuk men guran g

i

day a cemar

dan pemanfaatan limbah untuk mendapatkan

nilai

tambah.

Beberapa

penelitian yang

sudah

dilakukan untuk

memanfaatkan tandan

kosong kelapa

sawit

adalah sebagai bahan baku pembuatan

pulp

(Darnoko dkk,

1995), Penelitian menunjukkan bahwa kandungan seratnya cukup

tinggi

sehingga tandan kosong kelapa sawit dapat digunakan sebagai bahan pengisi polimer, seperti [image:27.612.230.428.184.333.2]

bahan pengisi

jenis

kayu dan turunan selulosa, karena harganya murah, ringan dan dapat diperbaharui.

Gambar

2.7.Katalis

(28)

Untuk

penguat komposit digunakan serbuk

TKKS

yang akan dicampurkan

kedalam

matrik.

Tiap kandungan serbuk

TKKS

secara

fisik

mengandung bahan-bahan seperti

lignin

(16,19 7o),

selulosa{M,14%)

dan _{hemiselulosa {19,28o/o)yang}

mirip

dengan bahan

kimia

penyusun

kayu [10].

Adapun

serbuk

TKKS

tersebut

diperlihatkan pada

gambr

2.8 dengan menggunakan saringan

ASTM

MESH 40.

Penelitian yang dilalrukan

oieh

sebuah

institusi komersial

terhadap

komposisi bahan

kimianya diketahui

bahwa kandungan serat

TKKS

merupakan kandungan terbesar seperti terlihat pada Tabel 2.2 yang mampu memberikan sifat

mekanik yang cukup baik terhadap bahan komposit yang akan dibentuk.

Tabel 2.2. Parumeter

tipikal

TKKS

per

kg

_[10].

No

Bahan-Bahan

Kandungan

Komposisi

(%)

Uap

air

Protein

Serat

Minyak

Kelarukn air

Kelarutan unsur

alkali

1o/o

Debu

K

Ca

Mg

P

1;N{n,Zn, Cu, Fe

5.40

3.00

35.00

3.00

16.20

29.30

5.00

1.71

0.14

0.12

0.06

[image:28.612.144.479.457.754.2]

1.07 Gambar 2.8. Serbuk

TKKS

TOTAI

100,00

(29)

Permasalahan yang dihadapi pada penggunaan

limbah dari

TKKS

_adalah terdapat kandungan zat

ekstraktif

dan asam lemak yang sangat

tinggi,

sehingga

dapat menurunkan

sifat mekanik

bahan

yang dibentuk.

TKKS

segar

dari

hasil

pabrik

kelapa

sawit

umumnya

memiliki

komposisi lignoselulose 3A,5Yo, minyak 2,5Yo

dan

air

670/o, sedangkan

bagian

lignoselulose

sendiri

terdiri

dari lignin

16,l9a/o, selulase 44J4qh danherniselulose lg,2\o/o _[11]. Sehingga pada pembuatan

bahan

ini

TKKS

terlebih

dahulu direndam kedalam

larutan

lM

NaOH

selama sehari, kemudian dicuci dengan _{air bersih, dan dikeringkan pada suhu kamar selama}

kurang lebih 3 hari _[12].

2.4.

Komposisi

Material

yang

digunakan

Pada penelitian

ini

material yang dikembangkan pada penelitian

ini

yaitu komposit

polimer

busa diperkuat serbuk

TKKS

sebagai bahan

teknik

alternatif.

Komposit

ini

menggunakan unsaturated palyester resin (UPR) sebagai matrik dan serbuk

TKKS

yang telah

dilreatmenr,

sebagai penguat. Polyurethene digsnakan

sebagai blowing agent dengan perbandingan Isocyenate 60Yo danPo$tol

4\o/o.Dari

material diatas dibuat dalam beberapa spesimen

uji

yang divariasikan ke dalam tiga komposisi seperti diperlihatkan pada tabel 2.3 .

Tabel 2.3. Komposisi spesimen

Nama

Blowing

Agent

(%)

Resin

Serbuk

Katalis

(:%) (%)

(%i)

Massa

jenis

(kg/m3)

Komposisi

1

Komposisi 2

Komposisi 3

25 35 45 70 60 50 436 394

t93

Seperti diperlihatkan pada gambar

2.9

dari hasil

uji

densitas diketahui bahwa

peningkatan densitas berbanding

Terbalik

dengan penambahan

Blowing

Agent

semakin banyak blowing agent maka densitas semakin kecil.

(30)

Grafik

Densitas vs komposisi

ffiffiffi

ABC

Komposisi

Gambar. 2.9. Perbandingan Densitas

Harga

Modulus

elastisitas

untuk

masing-masing

diperlihatkan pada gambar 2.

l0

Dimana modulus elastisitas

terbalik dengan penambahan Blowing Agent.

b0

M

6J

() t-t

komposisi

seperti

material berbanding

Grafi

k

Modulus

Elastisitas

a

a !S i rl

.1, o 250 200 150 100 50 0 8*r.10{311627 -*",147,1107089

.\

'\"

.q,

rr,rrrrro*u

1234

Komposisi

Gambar. 2. 1 0. Perbandingan Modulus Elastisitas

Selain

Modulus

elastisitas,

diperoleh

pula

kekuatan

tarik

material

seperti

diperlihatkan pada gaw:fiar 2.11.

t :-e d.

z

)

-:d k (i1 rl

_d1

0

Grafik Kuat Tarik

*

4.39393824

*"'-

.

"*-\=*1,+earser0

'..\

\r"-^

1.16997984 ry

1,5

1

Komposisi

2f 0,5

Gambar. 2.1 1. Perbandingan Kekuatan Tarik per komposisi

(31)

Dari

uji

tekan

statik

diketahui bahwa

penambahan

Blowing

Agent

berbanding

terbalik

terhadap kekuatan _{tekan material, seperti diperlihatkan}pada gambar 2.12.

o.

e

{q o F M 12 10

I

6 4 a 0

Grafik Kuat

Tekan

&.to,zsozo+z

\.

_a\

'ffi,,2,43612ss

_*

0,s16229138

1234

Komposisi

Gambar.

2.l2.Perbatdingan

Kekuatan Tekan per komposisi

Dari uji bending didapat kuat lentur masing-masing komposisi diperlihatkan

pada gambar 2.13.

Grafik Kuat Lentur

11

3- 10

AB

Eb

_o

J4

d

gz

0 &.10,s3342872 ----..6,0ae7s876

d,

s47s21s01

2

Komposisi

Gambar 2.13. Perbandingan Kekuatan Lentur per komposisi

Material

yang digunakan adalah

material

komposisi

C.

Karena

memiliki

nilai

Densitas yang lebih rendah dari komposisi

A

dan

B.

semakin rendah densitas yang didapat maka massa helmet sepeda yang dihasilkan akan semakin ringan.

2.5.

Uji Impak Jatuh

Betras

Selama

ini

helmet

industri

diuji

menggunakan standar teknik

jatuh

bebas.

Menggunakan alat

uji

impak

jatuh

bebas, helmet yang akah

diuji

ditempatkan di

atas sebuah head form dan dihantam dengan striker dan ketinggian tertentu dengan

(32)

cara

jatuh

bebas. Pengujian standard

ini

bertujuan untuk melihat

sejauh mana kemampuan helmet dalam menyerap energi impak (impact

energ/

resr), Selain

itu

uji

standar

juga

bertujuan meneliti kepatahan rusak helmet _Qtenetrationtest)

yang

memungkinkan merusak lapisan cangkang helmet seperti yang terlihat pada gambar

2.14.

Keterangan gambar:

l. Framebase

2. Supporttable

3. Loqdcell

4. Tetlonbase

5. Bottombase

6. Ball endpenetrator 7. Anvilsupport

8.

Arril

9. Helmet

lA. Test rig

[image:32.612.148.479.191.436.2]

I l. Pipa peluncur

Gambar

2.14.

Alat

uji

impak jatuh bebas

2.5.1.

Gerak Jatuh Bebas

Benda jatuh tanpa kecepatan awal

(vo:

nol). Semakin ke bawah gerak benda

semakin cepat.Percepatan yang dialami oleh setiap benda

jatuh

bebas selalu samq

yakni sama dengan percepatan gravitasi bumi

(a:

g) (besar

g:

9,8 ms-2 dan sering

dibulatkan menjadi 10 ms-2).

Jika

benda

jatuh

ke

bumi dari

ketinggian

tertentu

relatif

lebih

kecil

dibandingkan dengan

jari-jari

bumi,

maka benda mengalami

pertrambahan kecepatan dengan harga yang sama setiap detik.

Hal

ini

berarti bahwa percepatan ke bawah benda bertambah dengan harga yang sama dan

jika

sebuah benda tersebut ditembakkan keatas kecepatannya berkurang dengan harga yang sama setiap detik

dengan perlambatan kebawahnya seragam.

Menurut Khurmi R.S, untuk

menentukan kecepatan benda

jatuh

bebas setiap detik akan diperoleh pendekatan seperti yang

terlihatpadatebel}.A.

tn

tt

I

(33)

Tabel 2.4. V/aktu dan kecepatan benda

jatuh

Waktu

t

(s) 0

Kecepatan

v (m/s) 0 9,8 19,6

29,4

39,2 49

Dari

data Tabel

2.4

dapat digambarkan sebuah

grafik

hubungan antara kecepatan dan waktu yang

juga

merupakan sebuah persamaan garis lurus seperti pada Gambar

2.15

Jadi percepatan seragam dapat diperoleh dengan persamaan (2"1).

Gra{ik

v -

t

-Pers.

Garis Lurus

.r.-t-T-. _:

l-^.

05

Waktu t (s)

Gambar 2.15. Gra{tk hubungan v

-

t

Jika hambatan udara diabaikan maka gerak bendajatuh bebas tersebut dapat

dihitung dengan percepatan seragam melintas melalui sebuah garis lurus, sehingga

percepatan

diganti

dengan percepatan gravitasi g.

Untuk

gerakan

ke

bawah

nilai

percepatan identik dengan

nilai positif

dari gravitasi (+ g; yang berarti percepatan),

dan untuk gerakan ke atas

nilai

percepatan identik dengan

nilai positifdari

gravitasi

(-g; yang berarti perlambatan) _t13I

2.5.2.

Gerak Lurus

Perpindahan adalah sebuah perubahan kedudukan

ini

merupakan besaran

vektor

yang

memiliki

jarak

dan arah.Percepatan dapat

didefinisikan

sebagai laju

;60

e40

H

Hzo

M

0

10

(34)

perubahan kedudukan terhadap r,vaktu.

Ini juga

merupakan besaran

vektor

yang

memiliki

jarak, _{arah, dan waktu.}

Percepatan seragarn yang

dimiliki

partikel _{yang bergerak dengan kecepatan}

konstan pada lintasan lurus atau

dimiliki

partikel yang melintasi perpindahan yang sama dalam selang

waklu

yang sama _{berturut-turut walaupun kecilnya}perubahan

waktu.

Satuan perpindahan dapat

diukur

dengan meter

(m),

dan kecepatan dapat

diukur

dalam meter

/detik

(ms-'), sedangkan percepatan

diukur

dalam meter/detik kuadrat

(ms-')

Persamaan gerak lurus percepatan seragam dapat dijelaskan pada Gambar 2.16.

s

=v.t

_(2.2)

Gambar

2.16.

Diagram kecepatan

-

waktu

Perpindahan digambarkan dengan luas daerah dibawah grafik kecepatan- waktu.

Av Av

Lr=n;

Y='o*A,

'v=votat

(2.3)

Dengan mensubstitusikan (uo

+at)

_kedalam

persamaan

t= /2{r,

maka

diperoleh

jarak

perpindahan

sebesars

-

(uo.r

*

)(.of).nengan

mensubstitusikan

waktu

t

=u

-vo

kedalam persamaan

,

=

/2(ro

+ v).t

,

diperoleh

a

rumus kecepatan v2

:

vo2

+ 2as.

Jika

vo:

0,

maka

vz

:

2.as, sehingga persamaan meniadi:

untuk

kasus jatuh bebas maka

a:

g dan s

-

h, sehingga besarnya kecepatan

diperoleh dengan persamaan (2.5).

+ u).t

l':.(v"+e1 =s,1

s=7:.(l'o+v).t

(35)

Dimana:

v:

kecepatan benda jatuh bebas, (m/s). g

-

gaya grafitasi, (m/s').

h:

ketinggianjatuh

benda, ( m).

2.5.3.

Momentum

dan Impuls

Momentum dan Impuls adalah sebagai satu kesatuan karena momentum dan

Impuls dua besaran yang setara. Dua besaran dikatakan setara seperti momentum

dan Impuls

bila memiliki

satuan Sistem Internasional (SI).

Impuls didefinisikan sebagai gayayangbekerja dalam wakru singkat secara

matematis

ditulis

I)imana:

I:

irnplus

F:

gaya

(N)

t:

waktu (s)

Gambar 2.17. Grafik Gaya vs waktu

Sebuah benda bergerak dikatakan

mempulyai

momentum yang dinyatakan dengan hasil kali massa dengan kecepatanbenda tersebut. Hal

ini

dapat dinyatakan dengan persamaan (2. 7).

P:

m.v

_{2.7)

Dimana:

P

:

momentum, (kg.m/s).

--D I

(36)

m

:

flrassa, (kg).

v:

kecepatan, (ms-l).

Sesuai dengan hukum

II

Nervton :

F:

m.a

'v2-u7-lj :

m.-t2-tl

Au

l:*.8

F.At:

m.Av

l:

m.vz

-

m.vl

r: AP.

_...(2.8)

Sehingga dapat

di

simpulkan impuls merupakan perubahan momentum

2.5.4.

Gaya

impak

Gaya impak dapat dihitung dengan menggunakan persamaan impuls :

F:

I

At

AP

At

, _

m.v2-_m.v1

Dimana :

F :

Gaya

(N)

I

:

Impuls (N.s)

AP:

Perubahan momentum (kg.m1s)

m :

Massa benda yang bergerak

(kg)

v

:

Kelajuan benda

(*r-')

2.5.5.

Tegangan

Apabila

sebuah batang atau plat dibebani sebuah gaya maka akan terjadi

gaya reaksi yang sama dengan yang arah berlawanan. Gaya tersebut akan diterima

sama

rata

oleh

setiap

molekul

pada

bidang

penampang batang tersebut. Jadi tegangan adalah suatu ukuran intensitas pembebanan yang dinyatakan

oleh

gaya dan dibagi oleh luas di tempat gaya tersebut bekerja.

Tegangan

ada

bermacam-macam

sesuai dengan

pembebanan yafig

diberikan. Komponen tegangan pada sudut yang tegak lurus pada bidang ditempat

(37)

bekerjanya _{gaya disebut tegangan langsung. Pada pembebanan}

tarik

_akan_terjadi

tegangan

tarik

maka pada beban tekan akan terjadi tegangan tekan.

Biasanya dinyatakan

dalam bentuk

persentasi atau

tidak

dengan

persentasi.Besarnya

tegangan

menunjukkan apakah bahan tersebut

_mampu menahan perubahan bentuk sebelum patah.Makin besar teg angansuatu bahan maka

bahan

itu

mudah dibentuk Maka, rumus tegangan seperti terlihat pada persamaan

(2.1r)

Dimana:

F

o

=

*

....(29)

o :

Tegangan

OI/m')

F

:

gaya (Newton)

Ao:

luas penampang awal (m2)

2.6,

Mekanisme Retak tegang

Komposit

Retak tegang merupakan perpatahan getas yang terjadi karena tegangan

tarik

atau

tekan

yang

melebihi

kemampuan yang

bisa diterima oleh

sebuat

material

komposit.

tegangan

yang terjadi melebihi dari

batas

maksimum tegangan yang

diizinkan diujung

retak _Qtre

crack),

seperti yang diungkapkan

oleh

Joseph

e.

Shigley

Larry

D.

Mitchell,

tentang

teori

kegagalan

(Failure

Theories).

Inisiasi retak

diperkirakan

terjadi

pada daerah yang mempunyai

kosentrasi tengangan

yang

tinggi yaitu

diujung retak. Kemudian

merambat

kekiri

dan kanan pelat pada beberapa

tipe

keretakan atau patahnya material

yaitu;

patah, rapuh, patah

ulet,

dan

patah

akibat

faktor

kelelahan (fatique). Dengan adanya

ilmu

mekanika keretakan sehingga dapat

dilihat

ketangguhan

retak bahan, ukuran retak dan tingkat tegangan saling

terkait

dalam hal untuk memperkirakan

keretakan

dari

struktur yang

mengalami patah.

Komposit

polimer

merupakan

komponen

rekayasa

dalam

skala

makro

(engineering

macroscale)

yang

tersusun

dari

kombinasi

dua atau lebih

material

yang

menghasilkan kemampuan

dan sifat-sifat mekanik

lebih

baik

dari

padr-komponen

itu

berdiri sendiri[14].

(38)

2.1.

Simulasi

Numerik

Untuk menyelesaikan permasalahan numerik digunakan alat bantu software

Ansys, ansys adalah aplikasi desain yang

di

gunakan

&

di akui secara internasional

untukmensimulasikanFinite Element

Model

&,Analisis gunamemudahkanproject

owfley, engineer

&

designer

untuk

secara

cepat

membangun

model

penuh berdasarkan kebutuhan. Program Ansys

ini

dikembangkan

di

Amerika Serikat oleh

National

Aeronautics and Space

Adrninistrarlon (NASA).

Perangkat Schwendler

Corporation adalahprogram analisa elemen hingga untuk analisa tegangan(s/res's),

getaran

(vibration), dan

perpindahan panas

(heat transfer)

dari

struktur

dan

komponen mekanika. Dengan

Ansys,

kita

dapat mengimport geometri

cAD

{Computer Aided Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan Ansys.

Metode

elemen

hingga

merupakan

metode

yang

digunakan

oleh

para engineer untuk menyelesaikan permasalahan

teknik

dan

problem

matematis yang

dihadapinya.

Adapun

permasalahan

teknik

dan

problem

matematis

yang

dapat diselesaikan dengan menggunakan metode elemen hingga dapat dibagi dalam dua

kelompok,

yaitu

masalah analisa struktur dan

non

struldur. Permasalahan dalam bidang stuktur meliputi analisa tegangan, buckling, dan analisa getaran. Sedangkan

dalam bidang non strukfur

meliputi

masalah perpindahan panas, mekanika fluida,

dan distribusi potensial

listrik

dan magnet.

Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang

rumit,

seperti

persoalan pembebanan terhadap

struklur yang komplek,

pada umumnya sulit

dipecahkan

melalui

analisa matematika.

Hal

ini

disebabkan

karena

analisa matematika memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap

titik

pada struktur yang dikaji.

Penyelesaian analisis dari suatu persamaan differensial suatu geometri yang

komplek,

pembebanan

yang

rumit, tidaklah

rnudah diperoleh. Formulasi

dari

metode elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan

ini.

Metode

ini

akan mengadakan pendekatan terhadap harga-hargayangtidak diketahui setiap

titik

secara

diskrit.

Mulai

dengan pemodelan

dari

suatu benda dengan membagi-bagi dalam membagi-bagian yang kecil yang secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang

sama dengan benda yang utuh sebelum terbagi dalam bagian yang kecil (diskrisasi).

(39)

Secara

umum

langkah-langkah

yang dilakukan

dalam metode

elemen

hingga dapat dijelaskan sebagai berikut:

1. Pemilihan tipe elemen dan diskritisasi

Tipe

elemen yang digunakan dalam metode elemen hingga

ini

adalah

elemen segitiga

dan

segi empat

untuk

kasus

dua dimensi,

sedangkan kasus-kasus tiga dimensi digunakan elemen tetrahedral, heksagonal, dan

balok.

Selanjutnya

bagilah benda tersebut dalam

elemen-elemen, langkah

ini

disebut langkah diskritisasi.

2.

Pemilihan fungsi pemindaharlfungsi interpolasi

Jenis-jenis

fungsi yang

sering digunakan adalah

fungsi linear,

fungsi kuadratik, kubik, atau

polinomial

derajat tinggi.

3.

Mencari hubungan s tra in-d isp I acement dan sFress- s train.

(40)

BAB

3

METODE

PENELITIAN

Metode yang

dilakukan dalam

penilitian

ini

adalah

metode penelitian

simulasi, data diperoleh dengan menggunakan software ansys 11.5.

3.1.

Tempat

dan

Waktu

3.1.1.

Tempat

penelitian

dilakukan

di

laboratorimun

pusat riset impak

dan keretakan departemen teknik mesin universitas sumatera utara, pelaksaan kegiatan

ini

dapat

dilix

terperinci pada tabel 3.1 berikut.

Tabel 3.1 Kegiatan penelitian

No

Kegiatan

Lokasi

Penelitian

Keterangan

1

Pembuatan gambar

3D

Lab. IFRC

Unit

I

Pembuatan

model

model helmet sepeda.

dengan

menggunakan

software

solid

work

2012.

2

simulasi helmer

sepeda

Lab. IFRC

unit

I

simulasi

menggunakan

sofnttare AnsYs 14.5.

3.1.2.

Waktu

pelaksanaan

penelitian

ini

direncanakan selama

6

bulan dimulai

penelitian dari bulan november.

3.2.

Peralatan

dan Bahan

Peralatan dan bahan yang digunakan untuk melakukan penelitian

ini

dapat

dilihat

padatabel3.2.

(41)

Tabel 3.2.Peralatan dan bahan

No

Nama

alat dan

bahan

Keterargan

I<