KARYA TULIS
KEKUATAN PROFIL SAMBUNGAN
MENGGUNAKAN PEREKAT
Disusun Oleh:
APRI HERI ISWANTO, S.Hut, M.Si NIP. 132 303 844
DEPARTEMEN KEHUTANAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
KATA PENGANTAR
Puji syukur pada Allah SWT atas segala nikmat dan karunia-Nya sehingga
penulis dapat menyelesaikan karya tulis mengenai “Kekuatan Profil Sambungan Menggunakan Perekat “.
Tulisan ini merupakan terjemahan artikel Strength of profile-adhesive joints
karya J. Smardzewskipada Jurnal Wood Science and Technology 36 (2002) 173–183
Springer-Verlag 2002. Penulis berharap semoga karya tulis ini dapat memberikan
tambahan informasi dibidang keteknikan kayu.
Akhirnya penulis tetap membuka diri terhadap kritik dan saran yang
membangun dengan tujuan untuk menyempurnakan karya tulis ini.
Desember, 2008
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR ...i
DAFTAR ISI...ii
DAFTAR GAMBAR ...iii
ABSTRAK...1
KEASLIAN DAN TUJUAN PENELITIAN ...1
KEKUATAN SAMBUNGAN ADHESIVE MORTISE ...3
EFEK PROFIL PADA SAMBUNGAN ...4
PROFIL SAMBUNGAN MORTISE MENGGUNAKAN PEREKAT ...6
ARGUMENTASI ...12
DAFTAR GAMBAR
No Keterangan Halaman
1 Distribusi gaya dan tegangan dalam sambungan menggunakan
perekat
3
2 Penyebaran Gaya dan Tegangan pada Profil sambungan Perekat 5
3 Penyebaran tekanan pada sambungan profil adhesive 6
4 Bagian dasar suatu fungsi tekanan 8
5 Distribusi tegangan dalam ikatan profil-sambungan perekat 9
6 Distribusi tekanan dalam profil-sambungan perekat 10
ABSTRAK
Artikel ini mendeskripsikan kekuatan profil sambungan dengan menggunakan
perekat. Tujuan utamanya adalah pengembangan model matematika yang
mendeskripsikan fenomena yang lazim terjadi dalam pembengkokan sambungan
mortise pada konstruksi rangka furniture, tetapi juga menjelaskan faktor yang
mempengaruhi kekuatan profil sambungan perekat. Kasus sambungan mortise dengan
perekat menunjukkan interaksi permukaan kayu yang ditekan secara signifikan
berpengaruh pada pengembangan node. Dalam kasus yang ekstrim, ikatan rekat yang
gagal terbentuk pada permukaan elemen, kekuatan sambungan hanya tergantung pada
kekuatan tekan kayu. Hal ini menjawab pertanyaan mengapa meskipun telah terjadi
kerusakan pada ikatan rekatnya, konstruksi tersebut masih mampu untuk menahan
beban luar. Kondisi terbaik terjadi ketika elemen penyusun sambungan baik, saling
menekan satu sama lain, penurunan tegangan dalam ikatan rekat dan peningkatan
kekuatan diatas nilai beban luarnya melampaui keteguhan geser perekatnya.
KEASLIAN DAN TUJUAN PENELITIAN
Spesifikasi lengkap teknologi desain, khususnya bagian penggambaran dan
standar yang diperlukan, seharusnya juga membandingkan dengan perhitungan
pengujian mekanis kekakuan dan kekuatan konstruksi furnitur. Sampai saat ini tahap
tersebut secara umum belum dilakukan secara sempurna. Namun sistem jaminan
kualitas sesuai dengan ISO 9000 atau sertifikat yang setara, penetapan furnitur sesuai
dengan Standar Eropa, persyaratan pembuatan untuk menghasilkan produk yang
memenuhi persyaratan kekuatan. Seperti percobaan yang dilakukan terhadap produk
akhir atau produk prototipe, hal ini berhubungan dengan biaya pengujian produk atau
perubahan konstruksi. Namun hal ini akan lebih menguntungkan seandainya desain
kerja yang meliputi proses evaluasi kekuatan dan kekakuan konstruksi dilakukan
dengan simulasi numerik berdasarkan pada model matematis konstruksi furnitur.
Sampai saat ini belum ada ahli komputer yang menyediakan program
dipasaran untuk membantu teknisi dalam menghitung konstruksi furnitur. Dalam
aplikasi perhitungan matematis memakai banyak asumsi penyederhanaan yang
diadopsi dengan perlakuan node konstruksi furnitur secara total kaku atau dengan
dilakukan untuk menghitung kekakuan bingkai papan kursi dengan mengasumsikan
node sebagai struktur lentur dengan kekakuan yang dijelaskan menggunakan fungsi
viskositas. Selanjutnya berbagai usaha dilakukan untuk mendeskripsikan secara
akurat kekuatan dan perubahan bentuk konstruksi node bingkai papan kerangka
furnitur. Pengembangan model analisis kekuatan nodal secara ekslusif sebagai profil
(Korolev, 1973 dan Michailov, 1951) atau sambungan perekat (Amijiama dan Fujii,
1987), Ieandrau (1991), Matsui (1990a, 1990b, 1991), Matsui et.al (1987),
Smardzewski (1994, 1995), Wilczynski (1998), Zanni-Deffarges dan Shanahan
(1993). Pada kasus pertama, kekuatan konstruksi dipengaruhi oleh kekuatan elemen
sambungan untuk bending, geser atau tarik. Kasus selanjutnya, kekuatan sambungan
perekat tergantung pada keteguhan geser ikatan rekat melaui uji bending, geser atau
tarik.
Masalah yang terjadi, bingkai papan kursi, lengan kursi, meja dan struktur
rangka sambungan yang mirip lainnya, memiliki beban luar sambungan yang kuat
antara ikatan perekat dan elemen sambungan yang menekan satu dengan lainnya.
Dengan kata lain, gaya tarik dalam sambungan perekat dapat diturunkan dalam jumlah
minimum sesuai beban ekternalnya melalui pembebanan pada permukaan. Jenis
sambungan tersebut dikenal dengan jenis sambungan profil adhesive. Kemampuan
untuk menghitung daya tahan sambungan ini diharapkan memberikan kontribusi
kepada penelitian ilmiah dalam hal konstruksi kayu melalui optimalisasi elemen
dimensi, optimalisasi bahan limbah dan optimalisasi pertumbuhan ketahanan
konstruksi dengan pengeluaran biaya kegiatan seminimal mungkin.
Paper ini mencoba menggambarkan kekuatan sambungan profil adhesive.
Tujuan utamanya adalah untuk mengembangkan model matematis yang
menggambarkan fenomena yang terjai pada sambungan mortise (sebagai struktur
dominan pada furnitur), khususnya bending sebagai faktor identifikasi yang
berpengaruh utama dalam kekuatan sambungan profil adhesive. Solusi ini akan
dicobakan sebagai sebuah masukan pada alogaritma detail dengan bantuan program
komputer yang telah disiapkan dan dikembangkan di desain furnitur kursi (Poznan
University). Penembangan program ini bertujuan untuk membantu proses desain dan
mengoptimalkan struktur konstruksi furnitur terutama sambungan adhesive pada
KEKUATAN SAMBUNGAN ADHESIVE MORTISE
Sambungan mortise dapat dicobakan sebagai sambungan adhesive dalam
kondisi ketika elemen mortise dan tenon dihubungkan satu dengan lainnya dengan
permukaan bidang yang luas dimana ikatan perekat segiempat terbentuk (Gambar 1).
Pada kasus ini kekuatan sambungan hanya ditentukan oleh tekanan disekitar ikatan
perekat. Nilai tekanan maksimal dihitung dengan bantuan rumus Haberzak (1975),
Matsui (1990a, 1990b, 1991) dan Smardzewski (1994, 1995). Untuk kasus ini pusat
bending sambungan nol merupakan pusat geometrik tenon dan sudut rotasi
memenuhi kondisi yang hampir sama.
Gambar 1. Distribusi gaya dan tegangan dalam sambungan menggunakan perekat
Dimana t = permainan antara tenon dan mortise
l = panjang tenon
Kekuatan sambungan akan dijelaskan melalui:
Tegangan geser disebabkan oleh gaya aksial T, N
c = jarak dari pusat torsi
h = tinggi tenon
n = jumlah sambungan perekat
EFEK PROFIL PADA SAMBUNGAN
Nilai yang diterima momen bending dari sambungan menyebakan sudut
sesuai dengan persamaan:
Beberapa elemen permukaan tenon dan mortise saling menekan mengakibatkan
pengembangan momen anti torque MQ yang mengurangi nilai momen internal
menghasilkan M untuk tegangan geser dalam ikatan perekat (Gambar 2).
Gambar 2. Penyebaran Gaya dan Tegangan pada Profil sambungan Perekat
Asusmsi bahwa panjang permukaan berubah sebesar 10% dari panjang tenon (0,051),
selanjutnya akan diperoleh:
= ketebalan tenon
dan hal tersebut akan sangat mudah untuk menjelaskan tegangan gesernya.
Fakta dari persamaan tersebut yaitu nilai pengembangan tegangan geser dalam
ikatan perekat yang dapat menyebabkan kerusakan tergantung pada kekuatan tekan
kayu. Transfer ikatan rekat dilakukan oleh beban luar sampai batas atas kekuatan
kayu. Sisanya ditransfer oleh gaya dalam Q. Kerusakan kayu pada titik ini karena
tekanan bersama adalah dihasilkannya peningkatan sudut seperti sudut dari
perubahan bentuk ikatan, karena itu peningkatan tegangan geser disebabkan oleh
Momen luar M.
PROFIL SAMBUNGAN MORTIS MENGGUNAKAN PEREKAT
Alasan yang sesuai mengapa h-tinggi mortise dan tenon dianggap sesuai
bahwa adanya bidang kayu tetap dengan bidang sekitarnya sepanjang l pada tepi
sambungan (Gambar 3). Pembebanan sambungan dengan sebuah momen bending M
dan kekuatan T yang dihasilkan pada tekanan permukaan q4 dan q3 diperoleh melalui
resultan Q4 dan Q3. Karena tidak adanya simetri dalam distribusi tekanan ini maka
posisi pusat bending juga berubah.
Terlepas dari rumus kesetimbangan untuk kekuatan sistem dua dimensi dan
pertimbangan kemiripan tekanan triangle, posisi pusat bending dapat dicari dengan
Gambar 3. Penyebaran tekanan pada sambungan profil adhesive
Persamaan kuadratik = 0
Dari sini kita tahu bahwa posisi baru dari pusat bending dengan persamaan:
Dari situasi yang digambarkan tersebut, tegangan geser disekitar ikatan rekat
2 maks akan terlihat ketika deformasi elastis kayu ε dihasilkan dari mulai naiknya
tekanan elemen sambungan. Deformasi yang besar tersebut menyebabkan besarnya
tegangan geser. Disini nilai moment M memyebabkan tegangan geser ikatan adesif
yang berbeda antara momen pukul di luar M dan momen dari sepasang gaya Q4 dan
Q3.
Dimana:
Kemudian dari persamaan tekanan triangel (Gambar 3), secara jelas dapat diperoleh
Dari persamaan-persamaan tersebut jika kita menginginkan nilai tegangan
geser pada ikatan adesif sambungan mortise profil adhesive, diperlukan perhitungan
nilai deformasi disebabkan oleh deformasi kayu pada bagian elemen ikatan yang
saling menekan.
Tegangan yang dihubungkan dengan deformasi ini dinyatakan dalam cara
yang sangat umum yaitu hukum Hook’s
Untuk beban yang distribusi bebannya dalam garis linear (Gambar. 4), kita
dapat menulis persamaan umum :
dimana kita akhirnya akan memperoleh untuk q4
dan untuk q3
Penambahan yang diperoleh tergantungan pada persamaan (13), persamaan
Gambar 4. Bagian dasar suatu fungsi tekanan
kemudian tegangan geser maksimum dalam ikatan perekat disebabkan oleh
berkurangnya momen Mτ pada kisaran deformasi elastis kayu yang dapat dituliskan
dalam bentuk berikut ini :
dimana
z – dari persamaan (11)
Mempertimbangkan dengan seksama vektor resultan tegangan geser paling
besar (Gambar. 5), tegangan maksimum sekarang akan dituliskan dalam bentuk
rumusan :
dimana
Momen beban luar M melebihi nilai di mana momen MQ akan menyebabkan
deformasi pada daerah elastis kayu berlebihan,yaitu menyebabkan kerusakan
mulai untuk membawa momen lentur Mτ yang tergantung hanya pada compression
strength . Dalam situasi seperti ini persamaan yang menggambarkan tegangan geser
maksimum disebabkan oleh momen ini yang akan menggunakan bentuk berikut :
Gambar 5. Distribusi tegangan dalam ikatan profil-sambungan perekat
Pada tempat dalam ikatan perekat di mana nilai vektor tegangan geser adalah
yang paling tinggi, proses dekohesi dimulai penurunan kekuatan dari sambungan dan,
karenanya, kekuatan keseluruhan konstruksi mebel. Metoda yang lain yang digunakan
dalam praktek untuk elemen perekat kayu adalah adhesi di tiga sisinya dari tenon
dalam mortise (Gambar. 6). Dalam hal ini tekanan juga akan bertambah pada bagian
bawah yang bidang tegak lurus terhadap adhesi. Penulisan persamaan keseimbangan
untuk sistem ini dan penambahan hubungan antar geometris antara diagram tekanan,
posisi dari pusat lentur tenon akan dibentuk dengan pemecahan sistem persamaan
Jika kita juga, dalam hal ini, berasumsi bahwa tingkat tegangan geser di dalam
ikatan perekat akan tergantung pada nilai dari momen luar M dan momen MQ
disebabkan oleh tekanan yang digunakan pada permukaan kayu, kemudian persamaan
Gambar 6. Distribusi tekanan dalam profil-sambungan perekat
Gambar 7. Distribusi tegangan dalam ikatan profil-sambungan perekat
dimana :
Di dalam daerah deformasi elastis kayu, ikatan akan membawa momen lebih
kecil dibanding beban luar, oleh karena itu, kekuatan puncak akan jadi sangat lebih
tinggi dibanding kekuatan yang sederhana dari ikatan perekat ditujukan untuk
strenght kayu dicapai, kerusakan sambungan mungkin terjadi dengan tidak terduga
karena peningkatan mendadak dari momen torsion dalam ikatan perekat. Dalam
situasi ini, tegangan geser paling besar disebabkan oleh momen ini yang dapat
dituliskan dalam bentuk berikut :
Dalam kedua kasus di atas yang dibahas, tegangan geser maksimum
menghasilkan proses de-kohesi ikatan perekat yang berkembang dalam satu tempat
yang diuraikan secara rinci yang tergantung pada metoda aplikasi beban luar dan
geometri tenon (Gambar. 6). Nilai dari tekanan ini dinyatakan dengan persamaan :
dimana
ARGUMENTASI
Di atas diperkenalkan kasus perekatan sambungan mortise menunjukkan
bahwa kekuatan puncak dikembangkan sangat tergantung pada interaksi timbal balik
permukaan kayu di bawah tekanan. Dalam kasus ekstrim, ketika tidak ada ikatan
perekat berkembang pada permukaan komponen, kekuatan sambungan semata-mata
tergantung pada compression strenght kayu. Mengapa demikian, di samping
kerusakan ikatan perekat, konstruksi dipertimbangkan masih mampu untuk membawa
beban luar. Bagaimanapun, situasi yang terbaik terjadi ketika komponen sambungan
disesuaikan dengan penggunaan tekanan pada satu yang lainnya, mengurangi
tegangan dalam ikatan perekat dan meningkatkan kekuatannya di atas nilai beban luar
yangsecara nyata melebihi kekuatan geser dari perekat. Sebaliknya, tegangan geser
yang paling tinggi dalam ikatan perekat dari sambungan ini terkonsentrasi tepat di
bawah atau di atas pada sudut ikatan. Fenomena ini dapat dianggap berasal dari
dari penyimpangan poros perputaran tergantung pada nilai-nilai aksi momen lentur
seperti halnya penggeseran dan gaya axial. Ini juga mempengaruhi tingkat deformasi
kayu selama tekanan yang digunakan oleh komponen individu sambungan dan,
sebagai konsekuensinya, nilai dari momen mengurangi tegangan geser dalam ikatan
itu.
Pertimbangan yang dibahas dalam artikel ini, ditunjukkan dalam bentuk
algoritma, akan dimanfaatkan untuk mengembangkan sistem komputer untuk
mendisain konstruksi mebel. Hasil dari studi ini, dalam bentuk program grafis yang
mudah dioperasikan, akan menarik para perancang dan meyakinkan mereka tentang
REFERENSI
Amijiama S, Fujii T (1987) A microcomputer program for stress analysis of adhesive bonded joints. Int. J. Adhesion and Adhesives 7(4):199–204
Bielakow HM (1960) Rasczot procznosct szipovych sojedinienii. Leningrad
Haberzak A (1975) Analiza rozkładu napreþ _ze_n w spoinie klejowej w połaþczeniu na czopy elementw drewnianych. Przem. Drzewn. 10:11–12
Korolev WJ (1973) Osnovy racionalnovo konstruirovania mebeli. Lesnaja Promyszliennost. Moskva
Matsui K (1990a) Effects of size on nominal ultimate tensile stresses of adhesive-bonded circular of rectangular joints under bending or peeling load. Int. J. Adhesion and Adhesives 10(2):90–98
Matsui K (1990b) Size effects on average ultimate stresses of adhesives-bonded rectangular or tabular lap joints under torsion-shear. Int. J. Adhesion and Adhesives 10(2):81–98
Matsui K (1991) Size effects of nominal ultimate stresses of adhesives-bonded circular or rectangular joints under torsion. Int. J. Adhesion and Adhesives 11(2):59–64
Matsui K, Ueda Y, Morikawa Y, Yoshino T (1997) Size effects on ultimate torsional stresses of adhesives-bonded joints with a rectangular cross section. J. Adhesion Soc. Jpn. 23:96–102
Michailov MN (1951) Stoliarno-mechaniczeskoje proizvodstva. Moskva 182
Smardzewski J (1994) Model matematyczny I analiza numeryczna rozkładu napreþ _ze_n stycznych w prostokaþtnych spoinach połaþcze_n poddanych skreþcaniu. Badania dla Meblarstwa, Wyd. AR Pozna_n:31–45
Wilczy_nski A (1988) Badania napreþ _ze_n _scinajaþcych w spoinie klejowej w drewnie. Wydawnictwo Uczelniane WSP Bydgoszcz
