DESAIN DAN PABRIKASI
HELMET INDUSTRI YANG ERGONOMIK
TESIS
Oleh
H A S R I N
037015004/TM
SEKOLAH PASCASARJANA
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2008
DESAIN DAN PABRIKASI
HELMET INDUSTRI YANG ERGONOMIK
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Program Studi Teknik Mesin
pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara
Oleh
H A S R I N
037015004/TM
SEKOLAH PASCASARJANA
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2008
Judul Tesis : DESAIN DAN PABRIKASI HELMET INDUSTRI YANG ERGONOMIK
Nama Mahasiswa : Hasrin
Nomor Pokok : 037015004
Program Studi : Teknik Mesin
Menyetujui Komisi Pembimbing
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Ketua
(Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D (Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng) Anggota Anggota
Ketua Program Studi Direktur SPs-USU
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) (Prof. Dr. Ir. T.Chairun Nisa B.,MSc)
Telah Diuji pada
Tanggal: 26 Januari 2008
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
Anggota : 1. Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D
2. Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng
3. Dr.Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
ABSTRAK
Tesis ini melaporkan hasil desain dan pabrikasi model helm industri dari bahan komposit polimer GFRP tipe polyester (resin unsaturated), dengan serat E-Glass jenis Choped Strand Mat. Pada proses pabrikasi helm komposit ini, dengan susunan dua
lapisan serat E-Glass jenis CSM, yang dibentuk mengikuti bentuk cetakan helm
standard AS/NZS 1801 EN 397 SS 98 dengan metode hand lay up. Sistem pencetakan
helmet dilakukan secara terpisah, dan empat sisi dinding helmet dibuat saluran angin. Hasil pengujian statik diperoleh tegangan maksimum (σmax) = 277 MPa, dan harga
modulus elastisitasnya (E) = 782 MPa, menggunakan alat uji Ht-9502 Computer
Hidrolic Universal Testing Machine. Pengujian ergonomik dilakukan dengan alat termokopel, hasil pengukuran temperatur udara di dalam dinding helm menunjukkan
sebesar 33,160C, dan berat helm komposit setelah di produksi adalah 365 gram,
menggunakan digital SAUTER D-7470. Untuk pengujian kekuatan helm dengan
beban impak kecepatan tinggi menggunakan alat uji KOMPAK. Pengujian batang input dilakukan dengan teknik pengukuran dua gage, untuk mengetahui besar respon tegangan impak pada batang input dengan tekanan 0,4 MPa, pada jarak impak (ID): 60 mm: maka diperoleh respon tegangan (σimp.) = 362 MPa. Pengujian impak atas
model helm TSA, pada (ID): 60 mm, dan SG.arah: X, diperoleh tegangan impak
(σimp.) = 64,43 MPa, dan tegangan insiden (σc) = 24,50 MPa. Untuk pengujian kekuatan model helm [TSA], dengan impak atas, dan variasi jarak impak 40 mm s.d 120 mm, posisi SG. arah: X, diperoleh respon tegangan impak (σimp) = -10,96 MPa,
dan untuk model helm DSA (σimp) = -21,61 MPa. Sedangkan untuk model helm
TSA, dengan jarak impak 60 mm, posisi SG. arah: Y, diperoleh respon tegangan
impak (σimp) = 67,77 MPa, dan tegangan insiden (σc) = 26,28 MPa. Begitu juga pada jarak impak 140 mm, diperoleh besar respon tegangan impak (σimp) = 91,89
MPa, dan tegangan insiden (σc) = 36,80 MPa. Untuk pengimpakan samping model
helm [TSA] (σimp) = - 6,61 MPa, dan model helm [DSA] (σimp) = - 4,24 MPa.
Selanjutnya meredesain model konstruksi helm komposit, untuk mengklarifikasi kontur, dan ukuran helm dengan menggunakan software solidwork 2005. Desain dan
pabrikasi ini dilakukan di Pusat Riset Impak dan Keretakan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU, Pusat Riset Uji Material Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNIMAL Lhokseumawe, dan Politeknik Negeri Lhokseumawe.
ABSTRACT
This thesis reports the result of design and fabrication of industrial helmet model of composite materials polymer of GFRP type of polyester (unsaturated resin) BTQN 157 EX with fibre of E-Glass ( Chop Strand Mat). At fabrication process of helmet,
this composite was made with formation two fibre coat of CSM and was formed to
follow the contour of anthropometry for human head with helmet moulding standard
AS / NZS 1801 EN 397 SS 98 by using method of hand lay up. Moulding system of
helmet was done separately, and four helmet wall side as wind channels were made. The result of static test has known the mechanical properties of base material of helmet, and to know the maximum stress of 277 MP and elasticity modulus price ( E) of 782 MPa were obtained by using apparatuses test Universal Ht-9502 Computer Hidrolic Testing Machine. The ergonomic testing of helmet by using apparatuses
test of thermocouple, the result showed that the measurement of mean air
temperature in helmet wall was 33.160C, and the weight of composite helmet after being produced was 365 grams by using digital SAUTER D-7470. For the test of
strength of helmet with load of impact high-speed by using KOMPAK test apparatuses. Before test of helmet was done, the input bar was measured by using two gage technique to know the bigness of stress response of impact at input bar with pressure of 0.4 Mpa, and in distance of impact 60 mm, stress response at input bar is 362 MPa was obtained. The testing of helmet model [TSA] with upper impact, in distance of impact 60 mm, and strain gage at X direction, stress of impact of 64.43 MPa, and incident stress of 24.50 MPa were obtained. For the test of strength of helmet model [TSA] with upper impact, and variation of impact distance from 40 mm to 120 mm, position of strain gage at X direction, in distance of 15 mm from impact point, the stress response of impact produced was - 10.96 MPa, and for [DSA] helmet was - 21.61 MPa. While for the model of helmet [ TSA] with distance of impact 60 mm, and position of strain gage at Y direction, the stress respon of impact obtained was 67.77 MPa, and incident stress was 26.28 MPa. However, at distance of impact 140 mm, the stress response of impact was 91.89 MPa, and incident stress was 36.80 MPa. For the beside impact of helmet model [TSA] was –
6.61 MPa, and helmet model [DSA] was – 4.24 MPa. Then, re-designing for the
construction of composite helmet model for clarifying joint contour, and helmet dimension by using solidwork 2005. This design and fabrication were done at Center Research of Impact and Fracture of Technical Engineering Faculty of USU, Center Research Test of Material Department, Technical Engineering Faculty of UNIMAL Lhokseumawe, and Politeknik Negeri Lhokseumawe.
Keyword : Composite Helmet of GFRP, Design and Fabrication, Ergonomics, Load
KATA PENGANTAR
Puji syukur kekhadirat Allah SWT, dengan berkat limpahan rahmat dan karunianya, penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul: Desain dan Pabrikasi Helmet Industri yang Ergonomik. Penulisan tesis ini terlaksana berkat dorongan dan arahan dari berbagai pihak, terutama para komisi pembimbing, para pembanding, dan rekan-rekan mahasiswa yang telah memberikan saran dan masukan demi kesempurnaan penulisan laporan tesis ini.
Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada berbagai pihak yang telah banyak membantu penulis baik secara moril maupun materil, hingga selesainya tesis ini, yaitu kepada: Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME., selaku ketua komisi pembimbing dan ketua Program Studi Teknik Mesin SPs-USU, Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D, dan Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng. selaku anggota komisi pembimbing, Dr.Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku sekretaris Program Studi Teknik Mesin SPs-USU, seluruh Dosen dan Staf Administrasi Program Studi Teknik Mesin SPs-USU, yang telah banyak memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan administratif selama penulis dalam pendidikan di Program Studi Teknik Mesin SPs-USU. Kemudian ucapan terima kasih kepada saudara Hendri Nurdin, ST, MT dan Ir. Zuhaimi, MT dari Politeknik Negeri Lhokseumawe yang telah membantu masalah pengukuran di laboratorium. Tak lupa juga kepada kedua orang tua, yang telah memberikan inspirasi dan semangat kepada penulis, serta keluarga, isteri dan keenam anak tercinta, yang telah banyak
mengorbankan waktu selama pendidikan dan penyelesaian tesis ini dan semua pihak yang telah mendukung di dalam penyelesaian tesis ini.
Demikianlah penulis mengharapkan kritik dan saran yang dapat membantu dalam rangka memperbaiki dan melengkapi demi kesempurnaan penulisan tesis ini agar memperoleh hasil yang lebih baik dan akhirnya penulis kembali mengucapkan terima kasih kepada semua pihak atas bantuan dan perhatiannya.
Medan, 19 Januari 2008 Penulis,
( H a s r i n )
RIWAYAT HIDUP
Nama : Hasrin
Tempat/Tgl. Lahir : Belawan, 26 Pebruari 1958
Pekerjaan : Staf Pengajar di Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe
Alamat Kantor : Kampus Politeknik Negeri Lhokseumawe, Jl. Banda Aceh - Medan Km. 280 Buketrata – Lhokseumawe
Pendidikan
Sekolah dasar (SD) Taman siswa Belawan Tahun 1965 s/d 1970 Sekolah Teknik (ST) Yaspemda Belawan Tahun 1971 s/d 1973 Sekolah Teknik Menengah (STM) Yaspemda Belawan Tahun 1974 s/d 1977 Fakultas Teknik Unsyiah di Darussalam – Banda Aceh Tahun 1978 s/d 1984
Riwayat Pekerjaan
Kepala Laboratorium Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe Tahun 1989 s/d 1991 Kepala Lab. Teknologi Mekanik PNL Tahun 1995 s/d 1998 Kepala Laboratorim Mesin PNL Tahun 1999 s/d 2002 Revieuwer Bidang Penelitian Politeknik Negeri Lhokseumawe Tahun 1999 s/d 2001
Pengalaman Penelitian
1 Pengaruh Ketebalan Pemakanan pahat Bubut Terhadap Kekasaran Permukaan. 2. Perancangan Tool Post untuk membubut Shaft DC. Motor pada PT. KKA. 3. Alat Pengering Ikan Teri dengan Intensitas Tenaga Matahari (Solar Energy).
Pelatihan-Pelatihan
2. Rancang Bangun Konstruksi Mesin 29 Agustus s/d 30 September 1992 di PEDC Bandung.
3. Penulisan Buku Ajar 5 juli s/d 31 juli 1993 di PEDC Bandung.
4. EMCO TRAINING CNC- Turning “ Advanced “ ET 120 and ET 242 for the
duration of 50 hours 6 JUNE 1994 di Bandung.
5. Program S1 + di Politeknik Negeri Semarang Tahun 1996.
6. Learning Improvement Workshop (LIW) BAT VI, Tahun 1998. di Malang.
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK ………. ABSTRACT……… KATA PENGANTAR ………... RIWAYAT HIDUP ……… DAFTAR ISI ………... DAFTAR TABEL ………... DAFTAR GAMBAR ………. DAFTAR LAMPIRAN ………... DAFTAR ISTILAH ………... BAB 1. PENDAHULUAN ………... 1.1. Latar belakang ………... 1.2. Perumusan Masalah ………... 1.3. Tujuan Penelitian ………... 1.3.1. Tujuan Umum ………. 1.3.2. Tujuan Khusus ……… 1.4. Manfaat Penelitian ……… BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ………... 2.1. Helm Industri Standard ………... 2.2. Standarisasi dan Klasifikasi Helm Industri ……… 2.3. Konstruksi Helm Komposit ………... 2.4. Klasifikasi Proses dan Material Komposit Polimer ………...
2.4.1. Termoplastik Polimer ..………... 2.4.2. Termoset Polimer ……… 2.4.3. Material Komposit Polimer GFRP dan Sifat-Sifat Meka nik ………... 2.5. Fungsi dan Kenyamanan Helmet Industri ………
2.6. Pengukuran Temperatur Udara pada Helm ………... 2.7. Pengujian Statik dan Dinamik ………. 2.8. Teori Propagasi Tegangan ……… 2.8.1. Rambatan Gelombang Tegangan pada Batang input ... 2.8.2. Impak pada Batang input ... 2.9. Pengukuran Kekuatan Helm Komposit ... BAB. 3. METODE PENELITIAN ……….. ...
3.1. Tempat dan Waktu ………... 3.1.1. Tempat ………. i ii iii v vii x xi xiv xv 1 1 3 4 4 5 5 7 7 8 9 12 12 13 14 16 21 23 25 25 29 33 36 36 36
3.1.2. Waktu ………. 3.2. Material, Peralatan dan Metode ………... 3.2.1. Material ……….. 3.2.2. Peralatan ……….... 3.2.3. Desain dan Metode Pembuatan Helm Komposit ………... 3.2.4. Pembuatan Spesimen Uji Tarik ……….. 3.2.5. Set up Alat Uji Statik ……….
3.3. Pengujian Temperatur Udara pada Dinding bagian dalam Helm . 3.4. Pengujian Dinamik ……… 3.4.1 Metode dan Arah Pengimpakan ………... 3.4.2. Set up Alat Uji KOMPAK ………... 3.4.3. Penyelidikan Propagasi Tegangan pada Helm Komposit ... 3.5. Redesain Gambar Model Konstruksi Helm Komposit Hasil Pro duksi menggunakan Solidwork 2005 ………... 3.6. Kerangka Konsep Penelitian ………... BAB.4. HASIL DAN PEMBAHASAN ………...
4.1. Pendahuluan ……….. 4.2. Desain dan Metode Pembuatan Helm Komposit ………... 4.3. Pengujian Statik ………... 4.4. Pengukuran Temperatur Udara pada bagian dalam dinding Helm 4.5. Pengujian Kekuatan Helm Komposit dengan Beban Impak …… 4.5.1. Pengukuran Respon Batang Penerus (batang input) …….. 4.5.2. Pengukuran Respon Helm secara Langsung ……….. 4.5.2.1. Pengimpakan Atas Helm TSA, dan SG.arah:X ... 4.5.2.2. Respon Tegangan Impak dan Tegangan insiden pada ID: 60 mm ………...
4.5.2.3. Respon Tegangan Impak Atas Helm TSA pada
ID: 40 s.d 120 mm ………...
4.5.2.4. Respon Impak Atas Helm DSA pada ID: 40 s.d
120 mm ……… 4.5.3. Pengimpakan Samping Helm TSA dengan SG.arah:X ….. 4.5.3.1. Respon Tegangan Impak Samping Helm TSA pada ID: 40 s.d 100 mm, SG. arah:X …………...
4.5.3.2. Respon Tegangan Impak Samping Helm DSA ...
pada ID: 40 s.d 100 mm, SG. arah: X ………….. 4.5.4. Pengimpakan Atas Helm TSA dengan SG. arah:Y ……… 4.5.5. Pengimpakan Samping Helm TSA dengan SG.arah:Y …... 4.6. Redesain Gambar Model Konstruksi Helm Komposit Hasil Pro
duksi menggunakan Solidwork 2005 ………... BAB. 5. KESIMPULAN DAN SARAN ………... 5.1. Kesimpulan ……….. 36 36 36 37 38 42 45 46 48 49 50 55 57 59 62 62 63 66 68 72 72 74 75 75 81 82 83 83 83 84 85 89 93 95 95
5.2. Saran ………. DAFTAR PUSTAKA ………...
101 102
DAFTAR TABEL
No. Judul Halaman
2.1 Klasifikasi Helm dan Simbol JIS ... 8
2.2 Actual head anthropometry Vs design target ………... 11
2.3 Spesifikasi Material Komposit Polimer Dan Sifat-Sifat Mekanik ... 14
3.1 Sifat-Sifat Mekanis Resin Termoset yang diperkuat serat ... 37
3.2 Peralatan Produksi ……….. 38
3.3 Sifat-sifat Mekanik Batang Striker dan Batang Penerus ... 49
3.4 Spesifikasi Strain Gage ... 56
4.1 Hasil Uji Tarik Spesimen Komposit GFRP ... 68
4.2 Hasil Pengukuran Temperatur Helm TSA ... 69
4.3 Hasil Pengukuran Temperatur Helm DSA ... 69
4.4 Hasil Pengujian Helm Ergonomik ... 70
4.5 Respon Batang Penerus pada lokasi Gage a dan b ... 74
4.6 Hasil Perhitungan Tegangan Impak dan Tegangan Insiden pada berbagai variasi (ID) : 60 mm s.d 140 mm ... 86
4.7 Hasil Perhitungan Tegangan Impak dan Tegangan Insiden pada berbagai variasi (ID) : 60 mm s.d 120 mm ... 90
DAFTAR GAMBAR
No. Judul Halaman
2.1 Helm Industri Standard ... 7
2.2 Desain Konstruksi Helm Komposit ... 9
2.3 Standard Antropometri Kepala Manusia ... 12
2.4 Klasifikasi Proses Fiber Reinforced Plastic (FPR) dan Polymer Matrix Composite (PMCs) ... 15
2.5 Model Helm Industri Dengan Saluran Angin (DSA) ... 17
2.6 Pengujian Temperatur Udara pada dinding dalam Helm ... 18
2.7 Set up Alat Termokopel pada Helm ... 22
2.8 Alat Uji Statik (Ht – 9502) ... 24
2.9 Alat Uji KOMPAK ... 25
2.10 Sketsa Gelombang Transversal ... 26
2.11 Sketsa Gelombang Longitudinal ... 26
2.12 Perilaku Gelombang Longitudinal ... 27
2.13 Susunan Batang Uji ... 29
2.14 Perilaku Batang setelah terjadi Impak ... 30
2.15 Perilaku Tegangan pada Interface Input bar dan Spesimen ... 33
2.16 Teknik Dua Gage pada Set up Uji Helm ... 34
3.1 Susunan Dua Lapisan Serat Plat Komposit GFRP ... 37
3.2 Flow Chart Pembuatan Helm Komposit ... 39
3.3 Desain dan Pabrikasi dengan Metode Hand lay up ... 40
3.4 Flow Chart Pembuatan Spesimen Plat Komposit ... 43
3.5 Skematis Proses Pencetakan Spesimen ... 44
3.6 Spesimen Uji Tarik (Standard ASTM 638-D) ... 45
3.7 Set up Alat Uji Statik ... 45
3.9 Pengukuran Temperatur Udara pada Helm ... 48
3.10 Pengimpakan Atas Helm dengan Saluran Angin (DSA) ... 49
3.11 Pengimpakan Samping Helm dengan Saluran Angin (DSA) ... 49
3.12 Pengimpakan Atas Helm Tanpa Saluran Angin (TSA) ... 50
3.13 Pengimpakan Samping Helm Tanpa Saluran Angin (TSA) ... 50
3.14 Teknik Dua Gage pada Set up Uji Helm ... 51
3.15 Set up Alat Uji KOMPAK ... 53
3.16 Pengukuran Batang Penerus tanpa Spesimen ... 54
3.17 Pengimpakan Atas dan Samping Helm DSA ... 54
3.18 Pengimpakan Atas dan Samping Helm TSA ... 55
3.19 Jarak dan posisi strain gage Arah:X pada Helm TSA ... 56
3.20 Jarak dan posisi strain gage Arah:Y pada Helm TSA ... 56
3.21 Jarak dan posisi strain gage Arah: X pada Helm DSA ... 57
3.22 Jarak dan posisi strain gage Arah: Y pada Helm DSA ... 57
3.23 Kerangka Konsep Penelitian ... 60
3.24 Diagram Alir Penelitian ... 61
4.1 Bentuk Konstruksi Helm setelah tersambung ... 64
4.2 Helm Komposit Hasil Produksi ... 65
4.3 Tipikal Grafik Tegangan Vs Regangan Spesimen Komposit ... 67
4.4 Model Helm TSA ... 69
4.5 Model Helm DSA ... 69
4.6 Respon Batang Penerus pada lokasi Strain Gage a untuk berbagai variasi jarak impak dengan tekanan udara 0,4 Mpa ... 73
4.7 Respon Batang Penerus pada lokasi Strain Gage b untuk berbagai variasi jarak impak dengan tekanan udara 0,4 Mpa ... 73
4.8 Pengujian Langsung pada Helm ... 75
4.9 Tipikal Tegangan Impak dan Tegangan Insiden pada jarak Impak (ID) = 60 mm, dan (P) = 0,4 Mpa ... 76
4.10 Respon Tegangan Impak Vs Waktu (SG. = 15 mm, Arah: X) pada (ID = 40 dan 120 mm), (Impak Atas Helm TSA), P=0,4 Mpa ... 77
4.11 Respon Tegangan impak Vs Waktu (SG.X:15 mm), Imp.atas TSA ... 81
4.12 Respon Tegangan impak Vs Waktu (SG.X:30 mm), Imp.atas TSA ... 82
4.13 Respon Tegangan impak Vs Waktu (SG.X:15 mm), Imp.atas DSA ... 82
4.14 Respon Tegangan impak Vs Waktu (SG.X:30 mm),Imp.atas DSA ... 83
4.15 Respon Tegangan impak Vs Waktu (SG.X:15 mm),Imp.samp.TSA ... 83
4.16 Respon Tegangan impak Vs Waktu (SG.X:30 mm),Imp.samp.TSA ... 84
4.17 Respon Tegangan impak Vs Waktu (SG.X:15 mm),Imp.samp.DSA ... 84
4.18 Respon Tegangan impak Vs Waktu (SG.X:30 mm),Imp.samp.DSA ... 85
4.19 Impak Atas Helm TSA dengan Strain Gage arah:Y ... 86
4.20 Respon Tegangan impak Vs Tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID: 60mm), Strain Gage arah: Y ... 87
4.21 Respon Tegangan impak Vs Tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID: 140 mm), Strain Gage arah: Y ... 87
4.22 Grafik Gabungan Respon Tegangan insiden ... 88
4.23 Impak Samping Helm TSA dengan Strain Gage arah:Y ... 89
4.24 Respon Tegangan impak Vs Tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID: 60 mm), Strain Gage arah: Y ... 91
4.25 Respon Tegangan impak Vs Tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID: 120 mm), Strain Gage arah: Y ... 91
4.26 Grafik Gabungan Respon Tegangan insiden 92 4.27 Redesain Gambar Model Konstruksi Helm Komposit hasil produksi menggunakan Solidwork 2005 ... 94
DAFTAR LAMPIRAN
No. Judul Halaman
1. Data Cuaca dari Badan Meteorologi Dan Geofisika (BMG) ... 105
2. Grafik Hasil Uji Tarik Spesimen (1) ... 106
3. Grafik Hasil Uji Tarik Spesimen (2) ... 107
4. Grafik Hasil Uji Tarik Spesimen (3) ... 108
5. Applikasi Pengukuran Temperatur Udara Pada Helm Ergonomik ... 109
6. Oregon Aero Drop Tower Up & Down ……….. 110
7. Spesifikasi Strain Gage Biaxial ………... 111
8. Bidang Referensi Bentuk Kepala ………. 112
9. Standard Anthropometry Kepala Manusia ... 113
10. Pengujian Impak Atas Helm TSA dan DSA ... 114
11. Metode Pengukuran Helm Komposit Setelah di produksi ... 115
12. Desain Gambar Konstruksi Helm Komposit Setelah Proses Produksi menggunakan Solidwork 2005 ... 116
13. Dimensi Konstruksi Helm Komposit ... 117
DAFTAR ISTILAH
Simbol Besaran Satuan
A1 = Luas penampang batang 1 m2
A2 = Luas penampang batang 2 m2
A3 = Luas penampang batang 3 m2
C0,1 = Kecepatan rambat gelombang dalam batang 1 m/det
C0,2 = Kecepatan rambat gelombang dalam batang 2 m/det
C0,3 = Kecepatan rambat gelombang dalam batang 3 m/det
C1 = Kecepatan rambat gelombang dalam batang impak m/det
C2 = Kecepatan rambat gelombang dalam batang penerus m/det
C3 = Kecepatan rambat gelombang dalam spesimen m/det
Ccd = Kecepatan rambat gelombang pada spesimen m/det
CL = Kecepatan gelombang longitudinal m/det
E = Modulus Young material GPa
Ek = Energi kinetik Joule
Em = Modulus Young MPa
Ek0 = Energi kinetik mula-mula Joule
ES = Energi regangan Joule
ES0 = Energi regangan mula-mula Joule
m = Massa benda mula Kg
N = Nilai data yang diperoleh setelah pengimpakan
S = Standar deviasi
t = Waktu rambat gelombang det
t1 = Waktu rambat gelombang antara strain gage a dan b det
tL = Waktu rambat gelombang longitudinal det
tI = Waktu rambat gelombang dalam batang impak m/det
V0 = Kecepatan partikel mula-mula m/det
V0 = Tegangan setelah pengimpakan Volt
V1 = Kecepatan batang 1 sebelum tumbukan m/det
VI = Kecepatan partikel masuk m/det
VR = Kecepatan partikel yang direfleksikan m/det
Vs = Tegangan pengujian Volt
VT = Kecepatan partikel yang ditransmisikan m/det
Δm = Perubahan massa Kg
Lambang Yunani
α = Faktor transmisi
ασ = Tegangan yang ditransmisikan MPa
β = Faktor refleksi
ε = Regangan %
ρ1 = Rapat jenis material batang 1 kg/m3
ρ2 = Rapat jenis material batang 2 kg/m3
ρ3 = Rapat jenis material batang 3 kg/m3
σ1 = Tegangan pada batang 1 MPa
σ2 = Tegangan pada batang 2 MPa
σI = Tegangan yang masuk MPa
σR = Tegangan yang direfleksikan MPa
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Di kawasan industri atau pabrik khususnya yang bergerak di bidang jasa konstruksi, sering terlihat terjadinya kecelakaan kerja terutama bagi para pekerja di lapangan. Pada umumnya para pekerja memang selalu berhadapan dengan resiko yang sangat tinggi terhadap tingkat keselamatannya. Oleh karenanya untuk mengurangi angka kecelakaan kerja di lingkungan industri tersebut, para pekerja sebaiknya harus dilengkapi dengan Alat Pelindung Diri (APD). Salah satu APD yang dimaksud di sini adalah helm. Diketahui bahwa selama ini helm industri yang banyak digunakan pada beberapa industri di Indonesia masih belum memenuhi syarat-syarat keselamatan kerja, artinya helm tersebut belum bisa menjamin si pemakai aman dari benda yang jatuh bebas dari ketinggian tertentu. Di negara-negara maju jauh sebelumnya telah memiliki standarisasi yang mengatur tentang kelayakan helm industri antara lain: JIS T 8131-1977 (Japan), ANSI Z 89.1-1977 (USA), dan AS/NZS 1801.TYPE 1.EN 397.SS 98 (Australia). Penyelidikan dan pengujian terhadap
kekuatan helm telah dilakukan oleh para peneliti, dan balai pengujian yang mengkaji diberbagai aspek yang berbeda. Helm sebagai alat pelindung kepala dari benda keras yang jatuh bebas dari ketinggian tertentu yang bisa mengakibatkan cedera kepala. Di negara maju telah diketahui angka kecelakaan cedera kepala mencapai 3 s.d 6% dari keseluruhan kecelakaan yang terjadi. Kontribusi kecelakaan pada umumnya
disebabkan karena adanya benturan dari suatu benda terhadap kepala yang terjadi secara tiba-tiba, apakah dari atas maupun samping. Kecelakaan tersebut biasanya dipicu oleh banyak faktor, antara lain kelalaian pekerja, peralatan yang rusak, peralatan yang tidak memenuhi syarat, dan lingkungan yang tidak aman. Kepala merupakan bagian yang paling vital dari tubuh manusia, maka cara untuk melindungi kepala tersebut adalah dengan mengenakan helm. Dalam penelitian ini helm
dirancang khusus dan dicetak dengan metode hand lay up. Selanjutnya helm
dimodifikasi pada bagian dinding untuk memenuhi persyaratan ergonomik.
Hal lain yang belum diteliti yaitu tentang respon helm industri yang lolos uji
standard dengan pembebanan impak kecepatan tinggi. Pada penelitian ini terlebih
dahulu yang dilakukan adalah: mendesain model konstruksi helm industri, dan
membuatnya dari bahan komposit polimer Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP)
dengan memodifikasi bentuk konstruksi helm standard yang ada, sehingga
diharapkan lebih kuat dari helmindustri yang biasa digunakan selama ini.
Pada desain model konstruksi helm industri ini, yaitu dengan membentuk
saluran udara (wind channel) pada keempat sisi dinding helm untuk kenyamanan
dalam penggunaannya. Setelah proses pabrikasi, selanjutnya helm di uji ergonomik dengan alat ukur termokopel, dan uji kekuatan menggunakan alat uji impak
(KOMPAK), sedangkan uji statik dengan alat HT-9052 Computer Hidrolic
Universal Testing Machine. Pada pengujian impak dilakukan untuk mengetahui
seberapa besar respon tegangan impak dan tegangan insiden yang masuk pada helm.
Dalam hal ini, desain dan pabrikasi serta modifikasi model konstruksi helm
komposit adalah berdasarkan bentuk konstruksi helm standard TYPE 1. EN 397,
AS/NZS 1801.SS 98. Pada uji kekuatan helm komposit adalah menggunakan set up
peralatan yang telah berhasil didesain pada tahun pertama dari proyek penelitian Hibah Pasca di Pusat Riset Impak dan Keretakan, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Tenik USU Medan. Dari latar belakang di atas, maka peneliti memandang perlu untuk melakukan penelitian lanjutan ini, yaitu tentang desain dan pabrikasi helm industri yang dibuat dari bahan komposit polimer GFRP.
1.2. Perumusan Masalah
Desain dan pabrikasi adalah sebagai langkah awal untuk memproduksi suatu model produk helm industri dari bahan komposit polimer GFRP yang lolos uji standard. Beberapa pengujian dilakukan untuk mengetahui: propertis material dasar
helm, temperatur udara pada permukaan dalam dinding helm, dan menyelidiki
perilaku helm yang dikenai beban impak kecepatan tinggi dengan alat uji impak
(KOMPAK), alat ini mampu meluncurkan batang striker (model benda jatuh)
menggunakan tekanan udara dengan kecepatan yang bervariasi hingga mencapai 50 m/detik. Kecepatan tersebut diperkirakan dapat mewakili kecepatan jatuh bebas suatu benda dari ketinggian lebih kurang 40 meter. Selanjutnya dilakukan redesain gambar model konstruksi helm hasil produksi, untuk mengklarifikasi seluruh kontur permukaan dinding helm menggunakan solidwork 2005. Agar ruang lingkup penelitian ini tidak terlalu luas, maka penelitian ini dibatasi oleh beberapa hal sebagai berikut:
1. Pembuatan helm dari bahan komposit polimer GFRP dengan metode hand lay up.
2. Struktur komposit polimer GFRP terdiri dari: serat (E-glass) jenis Chopped Strand Mat yang dibentuk dengan susunan dua lapis serat sebagai penguat, dan polyester resin tak jenuh BTQN 157 EX (unsaturated resin) sebagai matrik.
3. Standard cetakan helm komposit polimer GFRP menggunakan helm standard
TYPE 1.EN 397, AS/NZS 1801.SS 98 dari jenis polimer Polyethylene (PE), Polypropylene (PP), dan AcrylinitrileButadien Styrene (ABS).
4. Geometri helm disesuaikan dengan anthropometri kepala manusia, dan mengikuti
geometri helm standard.
5. Pengujian material dasar dan helm komposit terdiri dari: uji statik, dan uji dinamik (impak kecepatan tinggi).
6. Pengujian temperatur udara pada helm untuk memenuhi persyaratan ergonomik.
7. Pengujian kekuatan helm komposit dengan alat uji KOMPAK
8. Meredesain gambar model konstruksi helm hasil produksi menggunakan software
solidwork 2005.
1.3. Tujuan Penelitian
1.3.1. Tujuan Umum
Tujuan umum dari penelitian ini adalah memproduksi model helm industri
dari bahan komposit polimer GFRP yang memenuhi persyaratan ergonomik, dengan
1.3.2. Tujuan Khusus
1. Desain dan pabrikasi helm industri.
2. Menyelidiki sifat-sifat mekanik dari material komposit polimer GFRP.
3. Pengukuran temperatur udara pada bagian dalam dinding helm.
4. Menyelidiki kekuatan helm untuk mengetahui respon tegangan impak, dan tegangan insiden ( respon tegangan yang masuk pada helm).
5. Meredesain gambar model konstruksi helm komposit hasil produksi dengan menggunakan software solidwork 2005.
1.4. Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini merupakan suatu upaya untuk dapat mengkontribusi pada institusi, khususnya lembaga penelitian dalam memberikan informasi hasil penelitian dibidang manufaktur tentang desain konstruksi, proses pembuatan helmindustri dari
bahan komposit polimer GFRP dengan metode hand lay up, dan desain model helm
yang ergonomik, dengan membuat bentuk saluran udara pada keempat sisi permukaan dinding helm. Konstruksi helm diharapkan lebih kuat, nyaman, dan aman dipakai bagi para pekerja proyek di lapangan, untuk menghindari bahaya kecelakaan yang menyebabkan cedera kepala.
Di samping itu, manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Memberikan informasi tentang desain model helm industri yang ergonomik.
khususnya dibidang manufaktur, baik dari proses pembuatan helm maupun metode pengujian dengan set up peralatan yang digunakan sangat memungkinkan
untuk mendapatkan paten maupun publikasi di tingkat internasional.
2. Memberikan informasi kepada dunia industri dan pemerintah dalam hal ini Deperindag dan Depnaker tentang desain dan pabrikasi helm industri yang
ergonomik dari bahan komposit polimer GFRP yang mampu meredam benturan
(tumbukan) akibat beban impak kecepatan tinggi.
3. Memberikan masukan kepada Badan Standarisasi Nasional (BSN) untuk
mempertimbangkan beban impak kecepatan tinggi dalam standarisasi lolos uji, sebagai kriteria pengujian yang sedang dikembangkan saat ini.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Helm Industri Standard
Pengembangan produksi dibidang manufaktur, untuk jenis produk helm dari
bahan polymer biasa pada umumnya telah banyak diproduksi oleh pabrik-pabrik
pembuat helm dengan berbagai model helm yang selama ini digunakan oleh masyarakat di negara-negara maju sesuai keperluan di lapangan. Disamping itu helm tersebut mempunyai standard tertentu sesuai peraturan yang telah ditetapkan oleh
pemerintah negaranya. Di antara standard-standard helm yang dikenal secara luas
dan banyak menjadi referensi antara lain: (1). ANSI Z 89.1-1997 (Amirican National Standard Institute; (2). JIS T8131 (Japan Industrial Standard); (3). SII (Standard
Industri Indonesia) hanya mengluarkan standarisasi untuk jenis helm pengendara sepeda motor. Berikut ini dapat dilihat beberapa contoh dari helm Industri Standard
Australia AS/NZS 1801. TYPE 1. EN 397. SS 98 yang digunakan sebagai acuan
bentuk cetakan untuk membuat helm dari bahan komposit polimer GFRP.
2.2. Standarisasi dan Klasifikasi Helm Industri
Helm industri pada umumnya memiliki standarisasi yang berbeda-beda berdasarkan jenis material dan penggunaannya.. Berikut ini klasifikasi helm industri menurut JIS [10] dapat dilihat seperti pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Klasifikasi dan simbol JIS (1982)
Kelas Fungsi Klasifikasi berdasarkan Klasifikasi berdasarkan (simbol) bahan tempurung ketahanan terhadap tegangan listrik
Untuk melindungi atau Synthetic Resin Tidak tahan terhadap A. mengurangi bahaya dari tegangan listrik. benda melayang atau Metal
jatuh.
Untuk melindungi atau Tidak tahan terhadap B. mengurangi bahaya akibat Synthetic Resin tegangan listrik. benturan.
Untuk melindungi atau Tidak tahan terhadap AB. mengurangi bahaya dari Synthetic Resin tegangan listrik. benda melayang atau jatuh
dan benturan.
Untuk melindungi atau mengurangi bahaya dari
AE. benda melayang atau jatuh Synthetic Resin Tahan terhadap dan untuk melindungi dari tegangan listrik. bahaya kejutan listrik di
kepala.
Untuk melindungi atau mengurangi bahaya dari
ABE. benda melayang atau jatuh Synthetic Resin Tahan terhadap dan benturan dan untuk tegangan listrik. melindungi dari bahaya
kejutan listrik di kepala.
Sumber: Japan International Standard (JIS- 1982)
Sedangkan ANSI [2] mengelompokkan dalam dua tipe yaitu: (1). Helm yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh bebas dari ketinggian tertentu, umumnya digunakan oleh pekerja konstruksi; dan (2). Helm yang digunakan
untuk melindungi kepala dari benda yang datang dari arah lateral baik dari depan, samping, dan belakang. Jenis ini biasanya digunakan petugas pemadam kebakaran. 2.3. Konstruksi Helm Komposit
Dalam penelitian ini, pertama sekali bentuk konstruksi helm komposit ini didesain dan dimodifikasi dari bentuk helm standard yang ada dijual di pasaran
sebagai acuan bentuk cetakan, kemudian helm komposit dicetak dan dibentuk
menggunakan metode hand lay up, sehingga memenuhi persyaratan helm yang
ergonomik. Adapun cakupan dalam penelitian ini meliputi:
1. Desain model konstruksi helm industri dari bahan komposit polimer GFRP yang
di modifikasi seperti bentuk (Gambar 2.2) berikut ini.
Keterangan Gambar: 1. Tempurung (cangkang)
2. Jaringan peredam benturan. 3. Pelindung sinar matahari (brim) 4. Tali cincin
5. Tali dagu 6. Saluran udara
Gambar 2.2 Desain Konstruksi Helm Komposit 50 mm II I 4 5 1 2 3 6
Pelaksanaan desain dan pabrikasi dilakukan sebagai berikut:
a. Desain, dan pembuatan cetakan brim (bagian:II).
b. Pencetakan cangkang helm (bagian:I), dan brim (bagian II) dilakukan secara
terpisah, hingga proses pengeringan.
c. Pabrikasi helm komposit dilakukan dengan menggabungkan kedua bagian
yaitu: bagian I, dan II, dengan cara menyambung di sekeliling dinding helm. d. Pembentukan saluran angin pada keempat sisi permukaan dinding helm.
2. Pabrikasi helm dengan metode hand lay up menggunakan cetakan helm standard,
sesuai dengan bentuk Anthropometry kepala manusia (Gambar 2.3).
3. Verifikasi helm hasil produksi dengan meredesain gambar konstruksi model helm yang dimodifikasi, untuk mengklarifikasi dimensi dan kontur helm menggunakan solidwork 2005.
4. Jenis pengujian yang dilakukan:
a. Pengujian statik dilakukan untuk mendapatkan sifat-sifat mekanik material dasar helm komposit polimer GFRP.
b. Pengujian ergonomik dilakukan dengan pengukuran temperatur udara pada bagian dalam dinding helm secara langsung pada udara bebas menggunakan alat termokopel.
c. Pengujian dinamik menggunakan alat uji KOMPAK dengan variasi jarak
impak, untuk mengetahui besar respon tegangan akibat beban impak menggunakan set up peralatan dengan teknik pengukuran dua gage.
5. Hasil pengujian pada langkah (4) di atas, akan memberikan informasi berguna untuk menganalisis kekuatan helm komposit, yang pada gilirannya dapat menganalisis secara kuantitatif dari fungsi, maupun kenyamanan helm sebagai Alat Pelindung Diri (APD), untuk mencegah terjadinya cedera kepala akibat benturan benda keras yang jatuh dari ketinggian tertentu. Dalam hal penggunaannya, temperatur udara pada bagian dalam dinding helm tidak menyebabkan terasa panas dan gatal pada kulit kepala.
Menurut ISO TC22/ SC12/ WG5 WorldSID TG N396., [9], dimensi
anthropometry kepala manusia berdasarkan AMVO seperti pada tabel 2.2 berikut ini.
Tabel 2.2 Actual head anthropometry Vs design target
Parameter Target Reference Actual
Mass 4,14 kg ± 0,1 kg AMVO 4,23 kg Circumfererence 570,6 mm ± 5 mm AMVO Study 1983 568 kg
Height 230,9 mm - 231 mm Length 197,4 mm ± 2 mm AMVO 199 mm Width 158 mm ± 2 mm AMVO 159 mm CG Location 177 mm, 0 mm, 656,4mm Corected AMVO 177 mm, 0 mm, (Respect to mid H- Point) 656 mm.
Sumber: ISO TC22/SC12/WG5 WorldSID TG N396
Sedangkan Gambar 2.3 adalah hasil penelitian yang telah dilakukan oleh
Dhanannjay Deo.,[4] menunjukkan Mesh Processing For Computerized
Anthropometry dibawah ASME 2005 International Design Engineering Technical Conferences & Computersand Information in Engineering Conference (IDETC/DAC
Gambar 2.3 Standard antropometri kepala manusia
2.4. Klasifikasi Proses dan Material Komposit Polimer 2.4.1. Termoplastik polimer
Pada umumnya termoplastik polimer terdiri dari jenis poliamid, polikarbonat, polietilenteraftalat sebagai matrik. Bahan polimer ini digunakan untuk berbagai keperluan seperti: peralatan rumah tangga, alat–alat kesehatan, kendaraan bermotor, dan lain sebagainya. Pada proses pembuatan atau pencetakan biasanya menggunakan serat sebagai penguat dan polimer sebagai matrik.
Pada proses termoplastik polimer ini, jenis serat yang digunakan adalah: carbon, boron, kevlar 49, dan E-Glass yang berbentuk serbuk (powder) atau partikel.
Pada proses pencetakannya menggunakan cetakan tertutup dengan sistem
pemanasan, dan tekanan. Alat cetak yang digunakan adalah: injection molding,
compression molding, bag molding, dan transfer molding. Sebelum dicetak, polimer
dipanaskan dari bentuk solid ke cairan viscositas dan dicampur dengan serat
menjadi sebuah bentuk produk yang diinginkan, kemudian didinginkan kembali kebentuk solid. Jenis termoplastik polimer ini dapat dilakukan proses daur ulang,
pada siklus pemanasan dan pendinginannya dapat diaplikasikan diberbagai waktu tanpa adanya penurunan atau pengurangan polimer. Jadi proses termoplastik
polimer adalah tergolong jenis Polymer Matric Composites (PMCs) yang
menggunakan serat berbentuk serbuk (powder), dan memiliki struktur material yang isotropic.
2.4.2. Termoset polimer
Termoset polimer, dan elastomer berbeda dengan termoplastik polimer. Penggunaan termoplastik polimer lebih luas dari termoset polimer. Termoset polimer, jika dipanaskan akan terjadi perubahan secara kimia. Secara umum termoset polimer: lebih kaku, modulus elastisnya semakin meningkat, rapuh, sebenarnya tidak memiliki keuletan, kecil kemungkinan dapat larut pada bahan pelarut biasa, tahan terhadap temperatur tinggi, dan tidak dapat untuk dilebur atau dicairkan kembali, bahkan berkurang atau terbakar.
Proses pembentukan atau pencetakan jenis termoset polimer ini pada umumnya menggunakan bentuk cetakan terbuka tanpa memerlukan proses
pemanasan dan tekanan. Bahan polimer yang utama termoset adalah: phenolic,
unsaturated polyester dan epoxies sebagai matrik yang mengeras pada suhu kamar,
dan jenis serat yang digunakan sebagai penguat adalah : serat E-Glass jenis Chopped Strand Mat (CSM), serat alam, dan sintetik sebagai penguat. Pada prinsipnya proses
ini tergolong jenis plastik yang diperkuat serat (Glass Fiber Reinforced Plastic/
GFRP). Keuntungan dari material GFRP adalah: memiliki keuletan dan kekuatan
yang seimbang, memperbaiki ketangguhan, dan tahan terhadap beban impak. Jenis struktur material GFRP tergolong anisotropic dan signifikan dengan sifat-sifatnya.
Klasifikasi proses produksi untuk jenis material PMCs dan GFRP secara
skematis menurut Groover M.P., [7] dapat dilihat pada Gambar 2.4.
2.4.3. Material Komposit Polimer GFRP dan Sifat-Sifat Mekanik
Jenis termoset polimer yang diperkuat serat ini sering digunakan oleh para peneliti sebagai bahan teknologi yang memiliki kekuatan yang dapat diandalkan untuk keperluan barang-barang industri. Material komposit dari jenis termoset polimer yang diperkuat serat gelas (Fiber Reinforced Plastic) ini digunakan untuk bahan teknologi, dan dibuat sesuai dengan keperluan yang diinginkan. Spesifikasi material komposit menurut Shinroku Saito., [16] dapat ditunjukkan seperti pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3 Spesifikasi Material Komposit Polimer dan Sifat-Sifat Mekanik Jenis Material Kekuatan Tarik Perpanjangan patah Masa Jenis Modulus Elastisitas (GN/m2) (%) (g/cm3) (G N/m2) Serat glass 3,2 2,3 2,54 75 Tipe: E Resin Polyester 1,1 9,0 1,38 15 tak jenuh. Sumber: Groover M.P
Sedangkan pada Gambar 2.4 adalah menunjukkan klasifikasi proses Polymer Matrix Composites (PMCs) yang menggunakan serat searah, serat tidak searah, dan
serat pendek sebagai penguat, dengan berbagai metode pencetakan sesuai keperluan perencanaan.
Gambar 2.4 Klasifikasi Proses Fiber Reinforced Plastics (FRP)
dan Polymer Matrix Composite (PMCs) Processes for
continuous/ discontinuous
fiber PMCs
Processes for short Fiber PMCs
Open Mold Processes
Closed Mold Processes
Open Mold Processes
Closed Mold Processes
Hand Lay up Automated TapeLaying Compression Molding Resin Trasfer Molding Spray up Compression Molding Transfer Molding Injection Molding FRP Shaping Processes Filament Winding Pultrusion Processes
Other Tube Rolling
Other
Centrifugal Casting Continuous Laminating
2.5. Fungsi dan Kenyamanan Helm Industri
Terkait dalam penggunaan helm di lingkungan industri, maka selain di anjurkan untuk memakai helm bagi para pekerja. Pada pihak manajemen juga harus memperhatikan bagaimana kekuatan dan kenyamanan helm yang digunakan sehingga dapat memberikan jaminan keselamatan dan kenyamanan bagi para pekerja atau helm tersebut telah memenuhi persyaratan keselamatan kerja sesuai dengan yang dianjurkan.
Di dalam undang-undang nomor 1 tahun 1970., [26] tentang keselamatan kerja adalah untuk:
1. Mencegah dan mengurangi terjadinya kecelakaan.
2. Memberikan Alat Pelindung Diri (APD) bagi para pekerja.
3. Menyesuaikan dan menyempurnakan pengamanan pada pekerjaan yang bahaya kecelakaannya menjadi bertambah tinggi.
Menurut peraturan Keselamatan dan Kesehatan Kerja (K3), pihak industri berkewajiban menyediakan, dan pekerja harus menggunakan Alat Pelindung Diri (APD). Misalnya: Helm yang telah lolos uji dengan menggunakan teknik pengujian
yang standard. Akan tetapi banyak juga helm yang digunakan di industri tidak
memenuhi persyaratan standard. Pengujian standard adalah untuk melihat sejauh
mana kemampuan helm dalam menyerap energi impak. Selain itu juga uji standard
bertujuan untuk meneliti tingkat kerusakan helm yang kemungkinannya bisa merusak lapisan kulit kepala lewat penetrasi. Teknik ini telah banyak digunakan oleh berbagai
pusat pengujian helm, misalnya: Sirim Berhad, Malaysia, BP4 Deperindag, Bandung Indonesia, dan juga Pusat Riset Impak dan Keretakan Jurusan Teknik Mesin USU.
Berdasarkan uraian permasalahan di atas, maka dinilai sangat diperlukan untuk melakukan penelitian ini, dan merupakan suatu pengembangan dibidang produksi (manufaktur) guna mewujudkan hasil desain model produk (helm industri)
dari bahan komposit polimer GFRP yang memenuhi persyaratan ergonomik.
Pengertian ergonomik disini adalah hubungan antara manusia dengan perlatan kerja yang nyaman, dan aman digunakan.
Menurut Yeh Liang Hsu, dkk ., [27], telah mengembangkan bentuk dan model konstruksi pada dinding helm industri dengan meredesain bentuk saluran angin untuk memperbaiki sifat-sifat panas yang tersimpan pada dinding bagian dalam
helm, dan helm dibuat dari bahan polimer ABS yang menggunakan alat Vacum
Moulding. Tujuan dari pengembangan ini adalah untuk memenuhi persyaratan helm
industri yang ergonomik seperti terlihat pada Gambar 2.5.
Arah angin
Gambar 2.5 Model Helm Industri Dengan Saluran Angin (DSA) Saluran Angin
Yeh Liang Hsu, melakukan pengujian dengan program simulasi komputer. Spesimen (helm) yang di uji adalah model helm yang menggunakan saluran angin seperti Gambar 2.5 di atas. Dalam penelitiannya adalah untuk menyelidiki sifat-sifat panas pada dinding bagian dalam helm dengan metode pengujian seperti terlihat pada Gambar 2.6.
Penelitian yang dilakukan Yeh Liang Hsu di atas, adalah menggunakan lampu halogen pada satu ruangan yang di kondisikan sebagai sumber udara panas yang memancarkan sinar di atas kepala atau helm seperti terlihat pada Gambar 2.6. Selanjutnya dilakukan pengukuran menggunakan seperangkat alat kontrol elektronik, untuk mengetahui sifat-sifat panas (thermal properties) yang terjadi pada dinding bagian dalam helm seperti yang telah diketahui dari mulai set up peralatan pada Gambar 2.6, terlihat sinar lampu halogen memberikan sorotan sinar, dan udara panas di atas kepala yang mengenakan helm. Hasil pengukuran diketahui temperatur
rata di dalam dinding helm sebesar 38,30C, ketika lampu dimatikan temperatur ruangan dikondisikan pada temperatur 300C dari sumber panas yang tersedia melalui
Electical heating coils, dengan kecepatan angin 2 s.d 2,5 m/det yang ditiupkan
menggunakan kipas angin. Selanjutnya dari data pengukuran diketahui temperatur
rata-rata di bawah dinding helm menjadi menurun sampai 310C. Jadi dari hasil
pengujian yang dilakukan dalam penelitiannya diperoleh temperatur rata-rata udara
di dalam dinding helm sebesar 310C sama dengan temperatur udara terbuka di
sekitarnya pada musim panas yaitu: 31,50C s.d 33,30C. ( BMG. Bureau of Taiwan )., [8].
Sedangkan Syam, B., [19] dan Mahdi, B., [13] telah melakukan penelitian tentang teknik pengukuran tegangan insiden dengan aplikasi teknik dua gage untuk pengujian helm industri yang dikenai beban impak kecepatan tinggi. Teknik aplikasi dua gage tersebut relatif lebih mudah digunakan, dan helm yang di uji memberikan
respon beban dan waktu impak (tegangan insiden) sesuai dengan karakteristik pembebanan.
Penelitian helm industri juga telah dilakukan secara simulasi komputer dengan menggunakan pendekatan metode elemen hingga oleh Nayan.,[14]. Penyelidikan yang telah dilakukan oleh Indra .,[8] tentang pembentukan headform yang diidealisasikan sebagai bentuk kepala manusia, hal ini penting mengingat tujuan akhir dari penggunaan helm adalah untuk melindungi kepala dan organ lain yang ada di dalamnya. Berdasarkan beberapa pengalaman para peneliti di atas, masalah desain model dan pengukuran temperatur udara pada dinding bagian dalam helm komposit
merupakan variabel yang sangat berpengaruh terhadap kenyamanan, dan kesehatan bagi sipemakai. Berdasarkan permasalahan di atas, maka yang dilakukan dalam penelitian ini adalah lebih terfokus pada desain dan memodifikasi bentuk helm
standard (AS/NZS 1801.EN.397. SS 98) yang digunakan sebagai acuan untuk
mencetak helm dari bahan komposit polimer GFRP dengan metode hand lay up.
Penelitian ini juga akan memperlihatkan sebuah produk helm komposit dari hasil desain dan pabrikasi, yang diperkirakan akan lebih mampu untuk meredam benturan dari benda keras dibandingkan dengan helm standard yang dibuat dari bahan polimer biasa. Di samping itu, desain model konstruksi pada dinding helm merupakan bagian yang sangat penting dalam penelitian ini yaitu: dengan membentuk saluran angin pada ke empat sisi dinding helm, agar udara panas yang terakumulasi pada bagian dalam dinding helm dapat bersirkulasi dengan udara luar, dan diharapkan temperaturnya sama dengan temperatur udara di sekitarnya, sehingga tidak terasa panas, dan tidak menyebabkan lembab pada kulit kepala. Jadi dari hasil desain, modifikasi, dan pembuatan produk helm komposit ini untuk memenuhi persyaratan helm ergonomik yang layak digunakan. Hal ini telah banyak dilakukan oleh para peneliti sebelumnya dengan berbagai metoda eksperimen, baik pengujian yang dilakukan di dalam ruangan tertutup maupun menggunakan software dengan simulasi
komputer.
Jadi dalam penelitian ini, untuk pengujian temperatur udara di dalam dinding helm, pengukurannya dilakukan di lapangan terbuka (udara bebas) pada kondisi
Pengujian ergonomik ini dilakukan secara langsung dengan mengenakan helm, dan pada bagian dalam dinding helm dipasang enam buah titik pengukuran yang dihubungkan menggunakan connecting cable pada alat termokopel.
2.6. Pengukuran Temperatur Udara pada Helm
Pengukuran temperatur udara pada dinding bagian dalam helm dilakukan pada kondisi udara bebas dengan mengenakan helm. Pengukuran dilakukan pada musim panas (kemarau) dengan kondisi cuaca cerah pada temperatur udara rata-rata yaitu: 310C s.d 330C, dan kelembaban relatif (relatif humidity) 54 s.d 95% (dari sumber data BMG April, 2006 , Medan) ., [3].
Menurut Aik Suwarno.,[1] dilihat dari standard kenyamanan di Indonesia
suhu kering berkisar 220 C s.d 280 C dengan kelembaban 70 s.d 80 %. Sebagai
perbandingan suhu ruangan di dapur Grand Bali Beach Hotel 32oC dengan
kelembaban 78,5 %, di Coffee shop 30oC dengan kelembaban 93 %.
Pada kondisi ini, panas yang dipancarkan oleh sinar matahari dan diserap oleh dinding helm secara optimal, sehingga panas temperatur udara di dalam dinding helm dapat diketahui dan terukur dengan baik menggunakan alat termokopel.
Dalam pengukuran panas temperatur udara ini adalah disebabkan beberapa faktor sumber panas yang mempengaruhi tinggi temperatur di dalam dinding helm, tepatnya di antara kulit kepala dengan permukaan dinding bagian dalam helm yaitu: (a). Panas temperatur dari tubuh manusia melalui kulit kepala; dan (b). Panas temperatur yang dipancarkan oleh sinar matahari melalui dinding bagian luar helm.
Sehingga temperatur udara ini terakumulasi di dalam dinding helm tersebut sehingga terasa lebih panas. Untuk mengantisipasi permasalahan ini, maka perlu di desain model helm industri yang menggunakan saluran angin (wind channel). Saluran angin tersebut dibentuk pada sisi dinding helm bagian: depan, belakang, kanan, dan kiri. Pembuatan saluran angin pada keempat sisi helm ini, agar udara panas yang terakumulasi di dalam dinding helm dapat bersirkulasi melalui saluran tersebut ke udara bebas dengan kecepatan angin rata-rata 2,5 s.d 5 m/det, sehingga udara panas yang terjebak dalam dinding helm tersebut terdorong keluar dengan tiupan angin yang masuk lewat saluran udara pada dinding helm. Kondisi ini akan terjadi siklus perpindahan panas secara konveksi di dalam dinding helm dengan udara di sekitarnya, dan diperkirakan temperaturnya sama dengan temperatur udara di sekelilingnya. Dengan demikian, helm komposit hasil desain dan pabrikasi diharapkan dapat memenuhi persyaratan sebagai produk helm yang ergonomik sesuai yang diinginkan.
Untuk keperluan pengukuran temperatur udara pada helm dapat di tunjukkan seperti pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Set up Alat Termokopel pada Helm Termokopel
Titik pengukuran
d l t
Saluran Udara
Sinar Matahari
Layar Pembacaan Temperatur
Penyetel Channel 1 s.d 6
2.7. Pengujian Statik dan Dinamik
Pada penelitian ini , pengujian kekuatan helm dilakukan di Pusat Riset Impak dan Keretakan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. Adapun pengujian- pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
(1). Pengujian Statik, dan (2). Pengujian Dinamik.
1. Pengujian Statik
Pada pengujian statik dilakukan dengan menggunakan alat uji HT-9502
Computer Hidrolic Universal Testing Machine dengan kapasitas 10 ton. Dalam
pengujian ini untuk mengetahui sifat-sifat mekanik (mechanical properties) material helm komposit sebagai spesimen uji yang dicetak dalam bentuk plat lempengan menggunakan alat penekan ( pemberat) seberat 70 kg, dan plat lempengan tersebut dibentuk dengan proses pemesinan.
Bentuk dan dimensi spesimen uji tersebut menurut standarisasi ASTM 638 D. Pada pengujian tarik ini, spesimen yang diuji sebanyak 3 buah dengan tebal 2
mm, dan panjang 120 mm, untuk mendapatkan harga rata-rata kekuatan tarik maksimum (σmax), dan modulus elastisitas (E) dari material komposit, dan material ini digunakan sebagai material dasar pembuatan helm komposit, yang hasilnya akan dibandingkan dengan helm dari jenis polimer biasa. Pada set up peralatan, spesimen
uji di pasang pada alat pencekam (grip) yang telah terpasang pada alat uji Ht- 9502 CHUTM seperti ditunjukkan pada Gambar 2.8.
2. Uji Dinamik
Pada pengujian dinamik ini, spesimen yang di uji adalah helm komposit hasil desain dan dipabrikasi, dan dibuat dalam dua bentuk model helm seperti: helm dengan saluran angin, dan tanpa saluran angin. Pada set up alat, spesimen uji (helm) dipasang pada alat pemegang (test rig) menggunakan alat bantu head form sebagai
dudukan helm. Pada alat pemegang ini menggunakan empat buah roda, sehingga dapat bergerak bebas setelah menerima tumbukan dari batang impak (striker), dan spesimen uji diposisikan pada titik pengimpakan searah batang impak yang disusun secara kolonier.
Pengujian dinamik dilakukan dengan menggunakan alat uji KOMPAK seperti pada Gambar 2.9.
Gambar 2.8 Alat Uji Statik (Ht-9502)
Gambar 2.9 Alat Uji KOMPAK
2.8. Teori Propagasi Tegangan
2.8.1. Rambatan gelombang tegangan pada batang input
Untuk memahami teori impak terlebih dahulu diberikan penjelasan tentang rambatan gelombang, khususnya rambatan gelombang di dalam medium elastis. Gelombang tegangan adalah gelombang mekanis, yaitu gelombang yang memerlukan suatu medium untuk dapat mentransmisikanya., [13]. Kecepatan rambat gelombang sangat ditentukan oleh sifat-sifat medium yang dilaluinya. Ditinjau dari arah penjalarannya, gelombang dibagi atas dua bagian yaitu:
10 3000 mm 4000 mm 2 3 4 5 6 7 9 1 000 1 V 000 1 V 12 13 11 14 8 Detail 8 Keterangan Gambar :
1. Kompresor 8. Spesimen (helmet) dan test rig 2. Tangki Udara 9. Strain Gage
3. Pressure Regulator 10. Bridge Head 4. Katup Selenoid 11. Signal Conditioner 5. Pipa Barel 12. Transient Converter 6. Striker 13. Personal Computer 7. Input Bar 14. Inter face
1. Gelombang transversal: Adalah gelombang yang arah getarannya tegak lurus
dengan arah gerakan atau rambatannya.
2. Gelombang longitudinal: Adalah gelombang yang arah getarannya sejajar dengan
arah rambatannya.
Pada penelitian ini hanya gelombang longitudinal yang akan dibahas lebih
lanjut, karena merupakan dasar dari rambatan gelombang tegangan. Gelombang
longitudinal sebagai konsep dasar pembahasan teori kekuatan akibat impak. Sebagai
pembahasan perilaku gelombang longitudinal pada sebuah batang logam dapat
dilihat pada Gambar 2.12. Arah Getaran
Arah rambatan
Gambar 2.10 Sketsa Gelombang Transversal
Puncak
Lembah
Arah rambatan
Renggangan Rapatan
Gambar 2.11 Sketsa Gelombang Longitudinal
Gambar 2.12 Perilaku Gelombang Longitudinal
• Keseimbangan momentum pada Gambar 2.12 adalah sebagai berikut:
ΔmV = F t mV0 = F0 t (A C t0 1 ρ0) V0 = σ0A t0
σ0 =ρ0 1 0C V (2.1)
di mana:
C0 = Kecepatan gelombang longitudinal merambat pada batang
V0 = Kecepatan partikel
σ0 = Tegangan pada batang
• Modulus Elastisitas pada bahan dapat dinyatakan dengan persamaan:
E = 2 1
C ρ
C1 = E
ρ (2.2) Substitusi persamaan (2.2) ke persamaan (2.1) akan diperoleh:
0 = E0 0 0V σ ρ (2.3) C 0, v t 1, c t
Energi yang dipindahkan batang pada waktu t dapat dibedakan menjadi dua bagian yaitu:
• Energi kinetik yang besarnya: Ek = 1
2 m V 2 Ek = 1 2 A0( C t1 ) 2 0V0 ρ (2.4)
• Energi regangan yang dipindahkan sebesar:
Es = Volume . 2 2E σ Es = 2 1 ( ) 2 A C t E σ Eso = 2 0 1 ( 0 1 0) 2 A C t C V E ρ Eso= 2 0 1 0 0 2 A CρV (2.5)
Sehingga energi total yang dipindahkan batang pada waktu t adalah:
Et = Ek0 + Es0 = 1 2 2 0( 1 ) 0 0 A C t ρV + 1 2 2 0( 1 ) 0 0 A C t ρV Et = 2 0( 1 ) 0 0 A C t ρV (2.6)
Dengan demikian besarnya energi yang dipindahkan pada batang ditentukan oleh harga-harga: A, C, t, ρ, dan kecepatan awal batang.
2.8.2 Impak pada batang input
Susunan pada batang yang digunakan pada metode pengujian ini diperlihatkan secara skematis pada Gambar 2.13, yang terdiri dari tiga batang yaitu: batang impak (striker), batang penerus (input bar), dan spesimen.
0 0 0 E . .Vρ
Spesimen uji di letakkan bersentuhan secara kolonier dengan input bar.
Sebelum beban impak diberikan, batang impak mempunyai kecepatan V1 sedangkan
input bar dan spesimen mempunyai kecepatan yang sama yaitu:
V2 = V3 = 0, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.12. Setelah impak, lihat Gambar 2.13 ( di mana: C0,1 , C0,2 , C0,3 adalah kecepatan gelombang dalam masing-masing batang ), gelombang longitudinal tekan akan merambat dari interface batang
impak dan batang input bar ke dalam masing-masing batang. Akibatnya bidang
Gambar 2.13 Susunan Batang Uji 3
Batang Impak Batang Penerus
spesimen helmet
V1
1 2
Gage. a Gage. b
Test Rig
Helm tanpa Strain gage
interface input bar dan spesimen pada akhirnya akan mempunyai kecepatan yang
sama sebesar V. Pada bidang interface akan terjadi keseimbangan gaya, atau akan
terjadi aksi dan reaksi antar kedua batang, yang dapat dinyatakan dengan hubungan: σ1 1A = σ2A2 (2.7)
di mana: A1 = Luas penampang batang 1. A2 = Luas penampang batang 2. σ1 = Tegangan pada batang 1. σ2 = Tegangan pada batang 2.
Dari hubungan impuls momentum diperoleh hubungan σ = E. .ρV , di mana:σ =
tegangan impak, ρ = massa jenis bahan, E = modulus young, dan V = kecepatan
partikel. Dengan demikian pada batang impak yang bergerak dengan kecepatan V1
akan timbul tegangan sebesar:
σ1 = |" 1. (E V1 1 V ) ρ − σ1 = ' 1.E V1 1 1.E V1 ρ − ρ (2.8) Gambar 2.14 Perilaku Batang setelah terjadi impak
V V C0,1 1 σ σ2 C0,2 1 2 3
di mana:
V1 = Kecepatan sebelum tumbukan. V' = Kecepatan setelah tumbukan. ρ1 = Kerapatan material batang 1.
Selanjutnya kita tinjau batang 2, yang bergerak dengan kecepatan V. melalui Gambar 2.14, dapat ditentukan tegangan pada batang 2, yaitu:
σ2 = ' 2. .E V2 ρ ' V = 2 2.E2 σ ρ (2.9) Substitusi Persamaan (2.9) ke Persamaan (2.8) akan menghasilkan:
σ1 = 2 1 1 1 1 1 2 2 . . . . . E V E E σ ρ ρ ρ − (2.10)
sehingga dari persamaan (2.10) dapat ditulis:
σ ρ1 2E2 = ρ1. . .E1ρ2 E V2 1− ρ1. .E1σ2
σ ρ1 2E2+ ρ σ1 1 2E = ρ1 1E.ρ2E V2 1 (2.11)
Dengan mensubstitusikan persamaan (2.7)ke persamaan (2.11) diperoleh:
1 2 2 1 1 1 1 2 (A E E A) A ρ + ρ σ = ρ1. . . .E1 ρ2 E V2 1
σ1 = 1 1 2 2 1 1 1 1 2 2 2 . . . . . . E E V A E A E ρ ρ ρ + ρ A2 (2.12) dengan cara yang sama akan diperoleh nilai σ2 yaitu:
σ2 = 1 1 2 2 1 1 1 1 2 2 2 . . . . . . E E V A E A E ρ ρ ρ + ρ A1 (2.13) Tegangan impak yang ditransmisikan ke input bar dan spesimen tersebut
ditentukan oleh kecepatan batang impak dan sifat-sifat mekanisnya. Bila luas kedua penampang sama besar, maka: σ σ= 1 =σ2. Selanjutnya tinjau rambatan gelombang tegangan elastis pada input bar dan spesimen seperti pada Gambar 2.14.
Tegangan yang terjadi dari ujung kiri input bar sebesar σ akan ditimbulkan pada
interface input bar dan spesimen pada saat t2 = 2
0,2
l
C , di mana: l2 adalah panjang
input bar, dan C0,2 adalah kecepatan gelombang elastis pada input bar. Dalam hal
ini ada tiga bentuk gelombang yang terlibat, yaitu:
1. Tegangan yang terjadi,σ .
2. Tegangan yang ditransmisikan,σT. 3. Tegangan yang dibalikkan,σR.
Gelombang tegangan tersebut dihubungkan oleh persamaan berikut ini:
σT =
2 3 0,2 3 3 0,2 2 2 0,3
2A E C
TR = 3 3 0,2 2 2 0,3 3 3 0,2 2 2 0,3 A E C A E C A E C A E C − − σ (2.15)
Gambar 2.15 Perilaku Tegangan pada interface input bar dan Spesimen
Bila α adalah faktor transmisi dan β adalah faktor refleksi, maka di peroleh
hubungan:
σT = α .σ (2.16) σR = β.σ (2.17) Untuk material yang mempunyai sifat mekanis dan dimensi yang sama, maka dengan mensubtitusikan harga: E2 = E3 ; ρ2 = ρ3 ; A2 = A3, dan l2 = l3 ke dalam persamaan (2.15) dan (2.16), diperoleh σT = σ dan σR = 0. Ini berarti besar tegangan yang ditransmisikan adalah sama dengan tegangan yang masuk, dan tidak ada tegangan yang direfleksikan.
2.9. Pengukuran Kekuatan Helm Komposit
Pada Gambar 2.16 menunjukkan susunan batang impak, batang penerus,dan spesimen. Batang-batang tersebut disusun koloneir satu sama lain, dan perlu
diketahui berapa besarnya beban impak yang dibangkitkan pada interface batang
σ T VT V V σ R σ interface A2 ρ2 C0,2
penerus dan spesimen. Dengan cara pengukuran langsung, tentu sangat sulit dilakukan. Dalam pengukuran beban impak, yang dibangkitkan pada lokasi impak,
dilakukan secara tidak langsung yaitu dengan menggunakan strain gage yang di
lengketkan pada dua posisi di batang penerus ( lokasi a dan b ). Pada prinsipnya gelombang tegangan yang melalui batang penerus (input bar) ditangkap oleh strain gage a dan b. Selanjutnya dengan menggunakan sirkit jembatan Wheatstone (bridge
box), di mana perubahan tahanan gage dirubah menjadi voltage out put, dan signal conditioning akan menyesuaikan signal dengan kemampuan transient converter
(osiloskop).
Dalam penelitian ini juga akan dikembangkan suatu perhitungan beban impak di lokasi c (interface kedua batang yang bertumbukan) menggunakan teori propagasi tegangan dalam batang satu dimensi. Untuk keperluan ini, program aplikasi excel
digunakan untuk membaca data yang dikirim transient converter ke PC dan
menghitung besarnya impak di lokasi c.
Gambar 2.16 Teknik Dua Gage pada Set up Uji Helm
1800 1600 a b L σ σR 200 200
Batang Impak Batang Penerus
c
Menurut teori propagasi tegangan ., [ 9, 10, 11], tegangan di lokasi a, b, dan c dapat dihitung sebagai berikut:
σb( )t =σL( )t +σR( )t (2.18)
σa( )t =σL(t−t1)+σR(t+t1) (2.19)
σc( )t =σL(t+t1)+σR(t−t1) (2.20) maka: σc( )t =σb(t+t1)+σb(t−t1)−σa( )t (2.21)
di mana: t = waktu rambatan gelombang dalam batang. l0 = jarak lokasi strain gage a dan b.
C0 = kecepatan rambat gelombang dalam batang.
t1 = 0
0 C
l .
Selanjutnya, variasi beban impak dapat dilakukan dengan mengatur jarak impak (jarak antara ujung batang impak dan batang penerus), dan beban impak juga dapat diperbesar atau diperkecil, dengan mengatur tekanan udara di dalam tabung udara (air reservoir) melalui katup selenoid.
