STUDI KARAKTERISTIK PENGUKURAN TEGANGAN DAN RESPON HELMET INDUSTRI
Jon Heri, Eko Hardiansyah, Chandra.A Siregar, Muhammad Daud Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara, Medan
ABSTRAK
Pengujian ketahanan helmet terhadap beban impak telah banyak dilakukan dan terus berkembang, dengan menjatuhkan impaktor dari suatu ketinggian tertentu (2 sampai dengan 3 m) menggunakan test rig jatuh bebas. Teknik standard ini dipandang tidak efektif bila diaplikasikan pada helmet yang dipakai untuk lapangan kerja konstruksi bangunan bertingkat, yang diperkirakan sebuah benda dapat jatuh dari suatu ketinggian yang melebihi 3 meter. Paper ini memperkenalkan suatu metode pengukuran respon helmet yang dikenai beban impak kecepatan tinggi. Teknik pengukuran itu disebut dengan teknik dua gage, yaitu menggunakan teori propagasi tegangan dalam batang suatu dimensi. Untuk mendapatkan beban impak kecepatan tinggi impaktor ditempatkan dalam sebuah barel dan ditembakkan ke lokasi impak helmet yang akan diuji, menggunakan alat uji Kompresor Impak (KOMPAK). Dari hasil penelitian diperoleh bahwa set-up teknik dua gage relatif mudah digunakan. Helmet yang diuji memberikan respon beban dan waktu impak (tegangan insiden) sesuai dengan karakteristik pembebanan.
Kata kunci : helmet industri, impak kecepatan tinggi, teknik dua gage
PENDAHULUAN
Selama ini helmet diuji menggunakan prosedur pengujian standard menggunakan test rig dengan teknik jatuh bebas. Pengujian standard ini bertujuan untuk melihat sejauh mana kemampuan helmet dalam menyerap energi impak. Selain itu uji standard juga bertujuan meneliti keparahan rusak helmet yang memungkinkan merusak lapisan kulit kepala lewat penetrasi. Teknik ini telah banyak digunakan oleh berbagai pusat pengujian helmet, misalnya Sirim Berhad, Malaysia dan B4T Deperindag, Bandung Indonesia, dan juga Pusat Riset Impak dan Keretakan, Jurusan Teknik Mesin USU.
Memakai uji standard yang ada, baik memakai standard Jepang (JIS) maupun Standard Nasional Indonesia (SNI) striker hanya dijatuhkan dari ketinggian H=2 sampai dengan 3 meter. Dengan demikian kecepatan striker
seyogianya dibuat dari bahan dan desain yang khusus sehingga akan mampu menahan beban impak kecepatan tinggi.
Dengan dilandasi pada latar belakang di atas peneliti telah mengembangkan suatu teknik pengukuran respon helmet menggunakan sebuah cara baru yang cocok untuk helmet tahan terhadap impak tinggi, yaitu teknik pengukuran menggunakan set-up pengujian terbaru dari alat uji impak, Kompresor Impak (KOMPAK) [1,2]. Pada gilirannya, teknik ini dapat digunakan untuk mengukur kekuatan helmet industri akibat beban impak.
BAHAN DAN METODE Bahan
Dalam penelitian ini spesimen helmet yang akan diuji adalah helmet yang non-standard di peroleh dari toko-toko penjualan helmet industri tersebut.
Helmet industri jenis ini (Gambar 1), ternyata masih banyak digunakan pada beberapa industri di Sumatera Utara, terutama pekerja konstruksi bangunan. Peneliti mengasumsikan bahwa helmet jenis ini belum memenuhi kategori standard. Alasannya karena tidak terdapat label dan sticker uji standard yang ditempel pada helmet.
Untuk pengujian diperkirakan akan menggunakan sebanyak 10 buah helmet, yang terdiri dari: (1) uji helmet non-standard dengan pengimpakan atas, (2) hal yang serupa dilakukan dengan variasi jarak pemasangan biaxial strain gage 15 mm dari titik pengimpakan.
(a) (b) (c) (d)
[image:2.596.117.515.405.518.2](a) tampak depan, (b) tampak samping, (c) tampak belakang, dan (d) tampak atas
Gambar 1. Helmet industri non–standard.
Metoda
Set-up peralatan uji
Untuk mendapatkan respon helmet yang dikenai beban impak kecepatan tinggi dilakukan dengan menggunakan KOMPAK. Beban impak (tegangan insiden) yang dimaksudkan dalam makalah ini adalah tegangan yang masuk ke permukaan impak, yaitu bagian atas tempurung helmet. Tegangan insiden pada lokasi impak tersebut tidak dapat diukur secara langsung; karena itu dalam penelitian ini tegangan insiden diukur dengan menggunakan set-up KOMPAK
dengan teknik dua gage.
1 Kompresor 8 Spesimen Helmet dan test rig 2 Tangki Udara 9 Strain Gage
3 Pressure Regulator 10 Bridge Head 4 Katup Solenoid 11 Signal Conditioner 5 Pipa Barel 12 Transient Converter 6 Striker 13 Personal Computer 7 Input bar 14 Interface
(panjang 0,5m) (6) ke batang penerus. Variasi kecepatan batang impak diperoleh dengan mengatur tekanan udara lepas dan jarak impak, yaitu jarak tumbukan batang impak dan batang penerus [3].
Pengukuran beban impak yang dibangkitkan pada lokasi impak dan ditransmisikan ke helmet dilakukan dengan menggunakan teknik strain gage yang dipasangkan di dua lokasi titik ukur pada batang penerus, yaitu pada a dan b. Gelombang tegangan yang ditangkap oleh strain gage pada lokasi a dan b tersebut [4], selanjutnya dengan bantuan bridge box (Kyowa), perubahan tahanan
gage ΔR/R diubah menjadi voltase output Vo pada transient converter, melalui
signal conditioner. Data digital yang direkam transient converter selanjutnya dikirim ke komputer dengan memakai interface. Channel 1 atau 2 yang terdapat pada transient converter digunakan untuk mendeteksi gelombang tegangan yang melewati strain gage (pada lokasi a dan b). Tegangan insiden yang dihasilkan di atas itulah yang dimaksud dengan respon helmet.
2
3000 mm
3 4
5 6 7
4000 mm
8
9
13 1 10
14 12
11
0001V 0001V
Detail 8
Gambar 2. Set-up Alat Uji KOMPAK
500
1300 1100
1500 Spesimen helmet
Striker Input Bar
[image:3.596.115.520.285.610.2]gage a gage b
0
[image:4.596.114.494.104.273.2]b
Tabel I. Sifat Mekanik Batang ujung tumpul
Material E (GPa) ρ (kg/m3) Co (m/s)
Batang impak (Striker) Al-6061 68 2713 5006
Batang penerus (input bar) Al-6061 68 2713 5006
500 mm
Striker
1500 mm
Input Bar
Y biaxial gage
X
Titik Impak
biaxial gage
Gambar 4. Set-up pengukuran helmet secara langsung dengan biaxial, (b= 15 mm)
Metoda pengukuran tegangan
Pada Gambar 3 ditunjukkan secara detail susunan batang helmet yang akan diuji. Perhitungan tegangan insiden tekan pada lokasi impak dari helmet didasarkan pada teori penjalaran gelombang elastik [5,6]. Berikut ini diberikan rumus menghitung besarnya gelombang tegangan pada lokasi b:
σb(t) = σR(t) + σL(t) (1)
dimana σR(t) dan σL(t) adalah tegangan yang berpropagasi ke kiri dan ujung
kanan batang penerus. Ambil t1 = l/Co, di mana l jarak antara gage a dan b, juga c
dan Co adalah kecepatan rambat gelombang elastik dalam batang. Tegangan pada
lokasi a dan c dapat dihubungkan sbb:
dan
σa(t) = σR(t + t1) + σL(t-t1) (2)
σc(t) = σR(t - t1) + σL(t+t1) (3)
Jika persamaan (3) disederhanakan dalam σa dan σb, tegangan insiden yang
ditransmisikan ke dalam helmet, pada lokasi c, dapat dihitung, sebagai berikut:
σc(t) = σb(t + t1) + σb(t - t1) - σa (t) (4)
Di sini, t adalah waktu dan t1 = jarak dari a ke b/c0, dimana c0 adalah kecepatan
rambat gelombang dalam batang yang dihitung dengan rumus C =
Modulus elastisitas dan ρ, masa jenis batang penerus (input bar).
E . Di sini E ,
ρ
S tr e s s ( M P a ) S tr es s ( M P a ) S tre s s ( MP a ) S tr e s s ( M P a ) HASIL PENELITIAN
P : 0,4 MPa
Striker Input Bar
Impact distance: 100mm
Stress vs Time
60
48.35 41.33
30
Incide nt Stre ss
20
15 15.48
10
0
0 400 800 1200
5 0
6.82
-30
-5 0 200 400 600 800 -10
-15
-60
Tim e (μ s)
-20
[image:5.596.127.507.93.314.2]Time (μs)
Gambar 5. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 100mm)
P : 0,4 MPa
Striker Input Bar
Impact distance: 150mm
Stress vs Time
Incident Stress 80 60.12 60 40 20 0 50.77 20 16.61 15 10 5 0
0 200 400 600
-20 -40 -60 -80
0 400 800 1200
Time (μ s)
-5 -10 -15 -20
Time (μs)
[image:5.596.126.507.334.575.2]69.17 62.54
0 400 800 1200
-0 S tr e s s ( M P a ) T e g a n g a n ( M P a ) T e g a ng a n ( M P a ) T e g a n g a n ( M P a ) S tr e s s ( MP a ) 1 5 m m
P : 0,4 MPa
Striker Input Bar
Impact Distance: 200 mm
Stress vs Time
Incident Stress 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80
Time (μ s)
20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 13.72
0 200 400 600 800
Time (μs)
Gambar 7. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 200mm)
2
1,5
1
0,5
0
1,55 Y
X
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
,5 -1 -1,5 -2 -2,5 CH1 (arah-X) CH2 (arah-Y) Biaxial Gage -2,58 -3
Waktu (μs)
Titik Impak
3
-2,58 2 1,55
2
1
1
0
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
-1
Waktu ( μ s)
0
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 2996
-1
Waktu ( μs)
Tabel II. Variasi tegangan insiden yang masuk ke helmet
Kondisi beban Tegangan Impak (MPa)
Tegangan Insiden (MPa)
0,4 MPa; 100mm 48,35 16,48
0,4 MPa; 150mm 60,12 16,61
0,4 MPa; 200mm 69,17 13,72
Tabel III. Variasi tegangan dan waktu yang masuk ke helmet dengan metode pengukuran langsung
Kondisi beban Tegangan (MPa) Waktu (μs) Arah -X Arah -Y Arah -X Arah –Y
0,4 MPa; 70mm -1,91 1,09 3299 3009
0,4 MPa; 80mm -2,31 1,21 3568 3267
0,4 MPa; 90mm -2,38 1,35 3631 3270
0,4 MPa; 100mm -2,58 1,55 3906 3329
0,4 MPa; 110mm -2,77 1,63 3989 3594
PEMBAHASAN
Pengukuran Respon Helmet Secara Tidak Langsung
Dalam penelitian ini pengukuran kekuatan impak helmet dilakukan pada arah impak atasa saja. Set-up uji ditunjukkan pada Gambar 3 untuk mengetahui respon helmet terhadap beban impak. Respon tersebut dapat diartikan sebagai resistensi helmet dalam mendukung gelombang tegangan impak yang masuk ke lokasi impak melewati ujung batang penerus. Respon helmet diperkirakan berbeda tergantung lokasi impak dan intensitas beban dan juga geometri ujung batang penerus yang bersentuhan langsung dengan permukaan helmet.
Menggunakan set-up seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan metoda yang dijelaskan di atas sebanyak 10 buah helmet industri merek X juga dikenakan berbagai variasi beban impak.
Konfigurasi tegangan insiden akibat ujung tumpul ditunjukkan pada Gambar 5 sampai dengan Gambar 7, dimana gelombang tersebut memberikan beberapa informasi penting, yaitu: Waktu impak untuk jarak 100 mm, (ti)=498 μs,
jarak 150 mm, (ti)=462 μs, dan jarak 200 mm, (ti) berkisar antara 300 - 400 μs,;
waktu impak ini tergantung pada ukuran batang impak yang digunakan. Dalam penelitian ini digunakan batang impak yang panjangnya 500 mm. Tegangan yang masuk pada helmet dengan tekanan konstan 0,4 MPa dan variasi jarak impak 100, 150, dan 200 mm ditunjukkan pada Tabel II.
Pengukuran Respon Helmet Secara Langsung
Pengukuran respon helmet secara langsung dilakukan adalah untuk melihat respon helmet pada lokasi tertentu diluar daerah impak. Pada Gambar 3 ditunjukkan set-up pemasangan biaxial gage pada jarak 15 mm dari titik pengimpakan sebelah atas. Pemasangan pada jarak 15 mm ini bertujuan untuk mendeteksi tegangan sedekat mungkin dengan beban impak.
sebesar 0,4 MPa dan melakukan pengujian impak dengan jarak dari 70 mm sampai dengan 110 mm pada bagian atas spesimen, seperti yang terlihat pada Gambar 4 yang merupakan kronologi pengujian spesimen helmet yang memakai
strain gage biaxial. Dari pengujian ini diperoleh karakteristik propagasi tegangan yang berbentuk impulse. Bentuk karakteristik propagasi tegangan yang dihasilkan pada permukaan helmet ditunjukan pada Gambar 8.
Dari keterangan di atas, bahwa rambatan gelombang yang besar terjadi pada spesimen adalah rambatan gelombang yang menuju arah-X dimana waktu yang diperlukan untuk perambatan membentuk suatu gelombang impulse dengan pembacaan strain gage arah-X yang berjarak 15 mm dari titik pengimpakan dengan tekanan 0,4 Mpa dan variasi jarak impak dari 70 mm sampai dengan 110 mm terlihat pada Tabel III.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa Metoda dua gage dan set- upnya mudah untuk digunakan; untuk mendapatkan tegangan insiden tidak disyaratkan diketahui sifat mekanik helmet yang akan diuji. Dimana bentuk dan intensitas tegangan impak yang timbul tergantung pada laju pembebanan batang impak, dan dapat pula disimpulkan bahwa karakteristik tegangan dengan pengukuran langsung pada helmet dengan menggunakan biaxial gage
menunjukkan adanya perbedaan respon yang diterima oleh helmet pada lokasi tertentu (15 mm dari titik impak), hal ini bergantung kepada besarnya beban impak yang diberikan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Syam B, etal., “Pembuatan Alat Uji Air Gun Compressor dan Penyelidikan Perilaku mekanik Beberapa Material Keramik Akibat Beban Impak”, Laporan Komprehensif Penelitian Hibah Bersaing VI/1 dan VI/2, Medan, 1999.
[2] Syam B., “A Measuring Method for Impact Tensile Strength and Impact Fracture Behaviors of Brittle Material”, A Doctoral Dissertation, Muroran Institute of Tecnology, Muroran, Japan, March 1996, pp. 29-98
[3] Mahadi, B, etal., “Aplikasi Teknik Dua Gage dalam Obserpasi Respon Helmet Industri yang Dikenai Beban Impak”, Buletin Utama Teknik, Vol.8 No.1, Januari 2004, pp. 29-35.
[4] Sabri, M., “Perilaku Strain Gage sebagai Sensor pada Pengukuran Regangan”, Jurnal Teknik SIMETRIKA Vol.2 No.2, Agustus 2003, pp.6-13 [5] Yanagihara, N., “Theory of One-Dimensial Elastic Wave for the Measurement
