LAPORAN KEMAJUAN PENELITIAN HIGH IMPACT DANA ITS 2020

(1)

LAPORAN KEMAJUAN

PENELITIAN HIGH IMPACT

DANA ITS 2020

Kajian Eksperimental dan Elemen Hingga Karet Lokal

dan Kawat Galvanis pada Sistem Isolasi Seismik

di Daerah Gempa Kuat

Tim Peneliti :

Prof. Tavio, S.T., M.T., Ph.D. (Teknik Sipil/FTSPK)

Dr. Windiani, S.Sos., M.Si. (Studi Pembangunan/FDKBG)

DIREKTORAT RISET DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

(2)

Daftar Isi

Daftar Isi ... i

Daftar Tabel ... ii

Daftar Gambar ... iii

Daftar Lampiran ... iv

BAB I RINGKASAN ... 1

BAB II HASIL PENELITIAN ... 2

BAB III STATUS LUARAN ... 14

BAB IV PERAN MITRA (UntukPenelitian Kerjasama Antar Perguruan Tinggi) ... 15

BAB V KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN... 16

BAB VI RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA ... 17

BAB VII DAFTAR PUSTAKA ... 18

BAB VIII LAMPIRAN ... 19

(3)

Daftar Tabel

Tabel 2.1 Sampel aging dan non-aging ... 5

Tabel 2.2 Koefisien model FEM ... 7

Tabel 2.3 Komparasi constitutive model ... 8

(4)

Daftar Gambar

Gambar 2.1 Proses mixing bahan dasar kompon ... 2

Gambar 2.2 Kompon yang telah jadi ... 3

Gambar 2.3 Sampel karet berdasarkan hardness ... 3

Gambar 2.4 Proses curing rheometer karet ... 3

Gambar 2.5 Durasi proses pematangan karet ... 4

Gambar 2.6 Uniaxial tension test ... 5

Gambar 2.7 Performa karet sebelum dan sesudah aging ... 6

Gambar 2.8 Komparasi model FEM pengujian uniaxial tension... 7

Gambar 2.9 Grafik perbandingan karet lokal dengan karet Shahzad et al. ... 10

Gambar 2.10 Pengujian kawat halus galvanis penguat ... 10

Gambar 2.11 Hasil pengujian kawat halus galvanis penguat ... 11

Gambar 2.12 Persiapan pelat tepi ... 11

Gambar 2.13 Susunan kompon dan kawat halus galvanis penguat ... 12

Gambar 2.14 Proses prediksi durasi vulkanisat dengan rheometer ... 12

Gambar 2.15 Produk isolator ... 13

(5)

Daftar Lampiran

(6)

BAB I RINGKASAN

Negara Indonesia merupakan salah satu negara yang memiliki potensi gempa yang cukup tinggi. Kondisi tersebut mengharuskan bangsa Indonesia memiliki bangunan yang tahan terhadap gempa dan ekonomis, guna mengurangi resiko jumlah korban bila terjadi bencana gempa. Telah banyak metode yang dikembangkan dan diadopsi oleh para ilmuan guna mengurangi potensi kerusakan bangunan akibat gempa, salah satunya ialah penggunaan sistem isolasi seismik berupa isolator karet (seismic base isolator) sebagai peredam energi gempa yang merusak bangunan [1].

Isolator berbahan karet sangat efektif dalam meredam beban gempa terhadap bangunan. Prinsip dasar isolator karet ini adalah memperpanjang periode bangunan sehingga gaya gempa yang masuk ke bangunan tereduksi dengan sangat signifikan [2,3]. Penggunaan isolator karet di dunia teknik sipil bukanlah sesuatu hal yang baru. Sejak tahun 1980-an, isolator telah banyak digunakan sebagai peredam seismik untuk bangunan di wilayah gempa resiko gempa tinggi di banyak negara maju [4,5]. Namun, penggunaan tersebut masih sangat terbatas dikarenakan faktor biaya yang tinggi dan hanya bisa diaplikasikan pada bangunan gedung bertingkat menengah sampai tinggi sesuai dengan tingkat investasinya.

Pada penelitian ini, telah dilakukan beberapa pengujian bahan dasar penyusun isolator berupa karet dan kawat baja halus (fine wire mesh) guna menciptakan isolator karet yang murah khusus untuk rumah tinggal sederhana di wilayah rawan gempa. Hasil yang diperoleh sangat menjanjikan untuk diciptakannya isolator karet untuk rumah tinggal sederhana. Pengujian isolator karet direncanakan menggunakan gaya vertikal dan horizontal [6,7]. Gaya vertikal menggambarkan gaya aksial bekerja dari beban bangunan di atasnya yang diterapkan secara konstan dengan sistem kontrol displacement atau force, sedangkan gaya horizontal diterapkan secara dinamis/siklik [8]. Dari pengujian dan evaluasi tersebut akan divalidasi untuk memastikan keteraplikasian dari usulan inovasi isolator seismik untuk meredam gempa di wilayah gempa kuat. Adapun luaran yang ditargetkan adalah sebuah artikel jurnal terindeks scopus.

(7)

BAB II HASIL PENELITIAN

2.1. Pembuatan Bahan

Terdapat tiga kategori dasar dalam inovasi untuk pemhuatan sampel yaitu sampel A, B dan C (Gambar 2.1). Sedangkan tiga kategori pembanding berdasarkan sampel yang tersedia di market dengan target mechanical properties yang hampir sama dengan kategori inovasi, yaitu sampel A40, B50 dan C60.

Carbon turut mempengaruhi kekuatan hardness, pada campuran hardness 40 tidak membutuhkan carbon sedangkan pada hardness 60 carbon dibutuhkan, hal ini disebabkan karena carbon berfungsi sebagai filler dalam campuran natural rubber. Dari tampilan fisik juga terlihat warna carbon turut menyumbangkan warna yang lebih gelap pada vulkanisat karet (lihat Gambar 2.2). Formula yang ditetapkan cukup stabil terhadap hardness yang diuji yaitu untuk tipe A didesain dengan formula untuk hardness 40 ketika di tes hasilnya tidak jauh berbeda yaitu, 41, 40, 41, dan tipe B yaitu 50, 52, 52 sedangkan tipe C ketika di tes hasilnya yaitu 60, 62, 61 (Gambar 2.3).

Carbon yang bersifat filler (material pengisi) dapat mengurangi penggunaan bahan dasar (getah karet alam) natural rubber grade super tipe SIR 10 dimana harga karet alam tipe SIR 10 dua kali lebih mahal dibandingkan karet alam SIR 20. Dengan inovasi carbon dalam pembuatan campuran elastomeric base isolator dapat menekan biaya produksi.

(8)

Gambar 2.2 Kompon yang telah jadi

Gambar 2.3 Sampel karet berdasarkan hardness

2.2Curing Time dan Vulkanisat

Setelah melalui tahapan pembentukan kompon menjadi karet, tahap selanjutnya adalah prediksi durasi pematangan karet dan masa berlaku kompon ketika disimpan. Alat rheometer dipakai untuk memperoleh estimasi waktu pematangan (Gambar 2.4). Dari hasil vulkanisasi terlihat waktu pematangan karet berada pada menit ke-12. Untuk memproduksi base isolator penting untuk mengetahui proses pematangan karet dari kompon menjadi karet. Durasi pematangan karet penting untuk memperkirakan durasi proses pematangan yang dapat di lihat pada grafik rheometer (Gambar 2.5).

(9)

(10)

2.3Aging Karet

Ketika bahan karet digunakan untuk waktu yang lama, usia karet akan meningkat dan menyebabkan perubahan sifat mekanik karet. Perubahan ini biasanya terlihat dari karet menjadi semakin mengeras yang menyebabkan karet kehilangan karakteristik redamannya. Pembahasan sifat mekanik karet setelah aging dimulai dari kekuatan tarik dan relaksasi spesimen karet dengan proses aging dapat dilihat dalam Tabel 2.1 dan Gambar 2.6.

Tabel 2.1 Sampel aging dan non-aging

Properties Test Method

(ASTM) K40 K50 K60

Hardness, Shore A D.2240-15 40 50 60 Tensile Strength (isotropic), MPa D.412-16 27.1 27.1 23.7 Elongation at break, % D.412-16 730 610 530 Modulus 200%, MPa D.412-16 0.9 2.8 5.1 After aging at 70°C, 168 hrs.

(ASTM D. 573-04(2019))

•Change in Hardness, point

D.2240-15 +3 +3 +3

•Change in Tensile strength, % D.412-16 -6.18 -3.32 +0.42

•Change in Elongation at break, % D.412-16 -11.00 -9.84 -5.66

•Change in Modulus 200%, MPa D.412-16 +22.22 +32.14 +33.53 Compression set 25%, Room

Temperature, 22 hrs, % D.395-16e1 3.36 7.13 8.84 Compression set 25%, 70°C, 22 hrs, % D.395-16e1 8.22 12.43 16.49

(11)

Dengan proses aging usia karet dapat diprediksi secara numerik, pada umumnya aging karet alam dengan cara di oven dalam suhu 70 derajat celcius selama 7 hari setara dengan usia karet 50 tahun [9]. Masa layan umur bangunan juga sekitar 50 tahun, artinya proses aging dapat mewakili dan memprediksi performa bangunan yang menggunakan elastomeric base isolator setelah 50 tahun.

Performa dan sifat mekanik karet setelah di aging mengalami penurunan pada kekuatan tarik dan elongation at break pada masing-masing tipe karet seperti terlihat dalam Gambar 2.7. Dampak perubahan sifat mekanik ini akan diuji pada simulasi numerik dengan finite element dan pengujian experimental elastomeric base isolator. Sedangkan sifat mekanik dari hardness dan compression serta modulus penampang akan memberikan dampak kenaikan setelah di aging (lihat Tabel 2.1) namun hal ini tidak diharapkan karena kekakuan vertikal (stiffness) dari elastomeric base isolator

sebagian sudah diperhitungkan dengan penggunaan reinforcement (tulangan) pada tiap lapisan karet yang disusun selang-seling. Dengan bertambahnya kekakuan vertikal, maka kemampuan deformasi arah lateral akan berkurang sehingga rasio redaman struktur akan berkurang.

Gambar 2.7 Performa karet sebelum dan sesudah aging

2.4Analisis Rubber dengan Finite Element (FEM)

Fungsi energi regangan dalam model hyperelastic uji karet uniaksial, uji equibiaxial dan uji planar dimodelkan dan dianalisis dengan model matematika FEM dibandingkan dengan data uji eksperimental. Model matematika yang sering dipakai untuk simulasi dalam FEM yaitu Mooney Rivlin model, Neo Hookean model, Ogden model, Arruda-Boyce model, dan Yeoh model dengan nilai koefiesien seperti dalam Tabel 2.2. Dari simulasi FEM diperoleh Model Yeoh menjadi pilihan yang paling tepat untuk memprediksi perilaku histeresis komposisi karet karena kemampuannya

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 100 200 300 400 500 600 700

(12)

untuk mencocokkan titik data eksperimental pada nilai regangan kecil dan besar di bawah nilai regangan 200%. Secara keseluruhan dari lima model matematika, model Yeoh memberikan penyesuaian terbaik dan paling akurat untuk berbagai data uji bahkan dalam data uji yang terbatas jumlahnya, misalnya hanya memiliki data tegangan regangan uniaxial tarik saja (Gambar 2.8). Perbandingan kelebihan dan kekurangan masing-masing model ditabelkan dalam Tabel 2.3.

Gambar 2.8 Komparasi model FEM pengujian uniaxial tension

Tabel 2.2 Koefisien model FEM

Model Constant Unit

Arruda-Boyce μ 0.383854 MPa μ0 0.383854 MPa λm 2369.145 MPa Yeoh C10 0.201947 MPa C20 -4.0756e-03 MPa C30 3.3320e-04 MPa Ogden μ1 3.82329 MPa α1 4.25347 MPa Mooney-Rivlin C10 0.15877 MPa C01 2.9437e-02 MPa Neo Hookean C10 0.19192 MPa

(13)

Tabel 2.3 Komparasi constitutive model

Constitutive Model Kelebihan Kekurangan

Arruda-Boyce

- Regangan cocok untuk kasus beberapa model numerik

- Ketidakstabilan

- Kekakuan terbatas

Yeoh

- Model order turunan yang tinggi (N > 2)

- Sifat mekanikal karakteristik (uniaxial tension) saling menyesuaikan tiap kenaikan beban.

- Pada nilai regangan besar dan kecil dibawah 200% model konstitutif mudah di cocokan dengan data eksperimental.

-

Ogden

- Karet kualitas rendah cocok untuk perilaku hyperelastic.

- Untuk data yang terbatas tidak terlalu akurat.

Mooney-Rivlin

- Cocok untuk karet dengan regangan tinggi. Namun pada karet kualitas rendah tidak cocok.

- Ketika

memodelkan karet kualitas rendah error pada perilaku uniaxial tension.

Neo-Hookean

- Cocok untuk karet regangan rendah - Model turunan kedua tidak cukup untuk memodelkan neo-hookean.

2.5 Perilaku Karet Lokal dan Karet IND

Konstanta model konstitutif karet hyperelastic dari sifat elastis nonlinear dipasang pada data karakterisasi eksperimental. Data karakterisasi eksperimental adalah prasyarat untuk beberapa perilaku tegangan-regangan konstitutif dari bahan hyperelastic seperti karet khususnya karet grade rendah yang diproduksi lokal yang dipilih dalam penelitian dan kemudian dibandingkan dengan yang dipelajari oleh Shahzad et al. [10]. Dengan kurva yang sesuai dengan data eksperimen dengan model konstitutif yang tersedia untuk bahan hyperelastic (karet grade rendah lokal), konstanta yang

(14)

diprediksi untuk setiap model konstitutif dapat diperoleh. Nilai-nilai konstanta yang diperoleh tercantum dalam Tabel 2.4.

Karet diuji oleh Shahzad et al. [10] dapat dipakai secara akurat menggunakan semua model yang dapat disimpulkan bahwa karakteristik dan sifatnya berbeda dengan karet lokal grade rendah di Indonesia.

Tabel 2.4 Komparasi karet lokal dengan karet impor

Model INA-A INA-B INA-C IND Unit

Constant Constant Constant Constant

Arruda-Boyce μ 0.018929 0.018637 0.01927 0.4283 MPa μ0 0.018929 0.018637 0.01927 0.4462 MPa λm 290066.56 291018.29 310424.35 3.9142 MPa D - - - 1.71E-03 MPa Yeoh C10 0.013546 0.0134802 0.015303 0.2019 MPa C20 -2.37E-07 -2.39E-07 -2.87E-07 4.43E-05 MPa C30 3.326E-12 3.349E-12 3.773E-12 1.29E-04 MPa

D1 - - - 2.18E-03 MPa D2 - - - 8.68E-05 MPa D3 - - - -1.79E-05 MPa Ogden μ1 0.638477 0.64187 0.76389 0.4451 MPa α1 -2.25256 -2.26088 -2.19209 -0.2241 MPa D1 - - - 1.824E-03 MPa Mooney-Rivlin

C10 7.00E-03 6.837E-03 6.654E-03 0.339 MPa C01 0.2563775 0.2618374 0.3415989 -3.37E-04 MPa

D1 - - - 1.58E-03 MPa

Neo-Hookean

C10 9.464E-03 9.318E-03 9.863E-03 0.2587 MPa

D1 - - - 1.58E-03 MPa

Model hyperelastic yang paling tepat (model Ogden) untuk tiga set sampel karet tingkat rendah lokal (INA-A, INA-B, dan INA-C) di bawah uji uniaksial yang ditunjukkan dalam Gambar 2.9 dibandingkan dengan yang dipelajari oleh Shahzad et al. (IND). Perbandingan menggambarkan bahwa untuk semua tes laboratorium yang dilakukan (uji tarik uniaksial) karet tingkat rendah lokal (INA-A, INA-B, dan INA-C) memiliki tegangan yang lebih tinggi daripada yang diuji oleh Shahzad et al. (IND). Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa karet kelas rendah lokal memiliki masa depan yang sangat menjanjikan untuk digunakan sebagai alternatif untuk pengembangan sistem isolasi basis berbiaya rendah untuk perumahan umum di Indonesia, khususnya yang berlokasi di daerah seismik berisiko tinggi.

(15)

Gambar 2.9 Grafik perbandingan karet lokal dengan karet Shahzad et al.

2.6 Pengujian Eksperimental Kawat Halus Penguat

Untuk pengujian tarik kawat halus penguat digunakan universal testing machine. Pengujian tarik yang dilakukan ditunjukkan dalam Gambar 2.10 dan hasil pengujiannya dalam Gambar 2.11 menunjukkan bahwa kawat halus penguat merupakan bahan yang sesuai sebagai penguat isolator karet.

Gambar 2.10 Pengujian kawat halus galvanis penguat

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 50 100 150 200 250 T ega n ga n (M P a ) Regangan (%) UNIAXIAL TARIK INA A INA B INA C IND

(16)

Gambar 2.11 Hasil pengujian kawat halus galvanis penguat

2.7Pembuatan Isolator Karet

Proses pembuatan isolator karet diawali dengan penyusunan kompon karet dan kawat halus penguat yang disusun secara berselang-seling. Proses pembuatannya dapat dilihat dalam Gambar 2.12 sampai 2.15, mulai dari proses prediksi durasi vulkanisat karet dengan rheometer sampai dengan proses vulkanisir menjadi isolator. Gambar 2.15 menunjukkan hasil jadi produk isolator.

Gambar 2.12 Persiapan pelat tepi

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004 ST RE SS (M Pa ) STRAIN (mm/mm)

STRESS VS STRAIN

(17)

Gambar 2.13 Susunan kompon dan kawat halus galvanis penguat

(18)

Gambar 2.15 Produk isolator

2.8Pemodelan dan Analisis FEM

Pemodelan FEM dilakukan dengan program Abaqus yang memiliki banyak library elemen dan material. Karet hyperelastic diturunkan dari regangan energi potensial yang dimodelkan dengan konstitutif model Yeoh dengan konstanta model C10: 0,201947; C20: -4,0756E-03; C30: 3,3320E-04

dan respon prony geser a1: 0,333; t1: 0,4; a2: 0,333; t2: 0,2. Elemen karet dimeshing dengan

pemodelan solid elemen linier C3D8RH, sedangkan top dan end plate serta kawat halus dimodelkan dengan elemen C3D8R. C3D8R dapat membagi elemen secara otomatis, namun ada model yang tidak dapat dibagi lagi secara langsung, terutama untuk model fine wiremesh yang kompleks, sehingga perlu dilakukan pembatasan (partisi) secara manual yaitu membagi model yang kompleks menjadi beberapa model sederhana. Masing-masing lapisan karet dan lapisan kawat halus dihubungkan dengan elemen kontak interaksi MPC bonding constraint tipe tie surface to surface. Hasil pemodelan FEM dapat dilihat dalam Gambar 2.16.

(19)

BAB III STATUS LUARAN

Status luaran berupa artikel dalam proses review di Journal Periodico Tche Quimica (bukti kemajuan ketercapaian luaran di bagian bab Lampiran).

(20)

BAB IV PERAN MITRA

(UntukPenelitian Kerjasama Antar Perguruan Tinggi)

(21)

BAB V KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN

Kendala Penelitian hanya pada pergerakan yang agak lambat terutama untuk mobilisasi akibat protokol Pandemi Covid-19, namun masih bisa berjalan dengan baik.

(22)

BAB VI RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA

Tahap selanjutnya akan dilakukan persiapan untuk pengujian sampel-sampel uji yang telah disiapkan untuk mendapatkan hasil yang bisa dianalisis dan evaluasi untuk validasi keteraplikasian usulan inovasi ini. Artikel luaran dalam proses review.

(23)

BAB VII DAFTAR PUSTAKA

1. Braga, F., and Laterza, M. (2004). “Field Testing of Low-Rise Base Isolated Building.” Engineering Structure Journal 26: 1599-1610.

2. Kelly, J. M., and Calabrese, A. (2012). “Mechanics of Fiber Reinforced Bearings.” Pasific Earthquake Engineering Research Center: 101.

3. Kelly, J. M., and Konstantinidis, D. A. (2011). “Mechanic of Rubber Bearings for Seismic and Vibration Isolation.” John Wiley & Sons, Ltd, United Kingdom.

4. Kelly, J. M., and Takhirov, S. M. (2012). “Analytical and Experimental Study of Fiber-Reinforced Elastomeric Isolator”. Pasific Earthquake Engineering Research Center: 11. 5. Kelly, J. M., Trevor, E. (2001). Design Guidelines Isolator of Structure. Holmes

Consulting Group Ltd, New Zealand.

6. Koh, C. G., and Kelly, J. M. (1988). “A Simple Mechanical Model for Elastomeric Bearings used in Base Isolation.” International Journal Mechanical Science, V. 30(12): 933-943.

7. Matsagar, V. A., and Jangid, R. S. (2004). “Influence of Isolator Characteristics on The Response of Base-Isolated Structures”. Engineering Structures Elsevier, V. 26: 1735-1749.

8. Naeim, F., and Kelly, J. M. (1999). “Design of Seismic Isolated Structure from Theory to Practice”. John Willey & Sons, New York.

9. Luo, R. K.; Zhou, X.; and Tang, J. (2016). “Numerical Prediction and Experiment on Rubber Creep and Stress Relaxation using Time-Dependent Hyperelastic Approach.” Polymer Testing, Elsevier, Vol. 52: 246-253.

10. Shahzad, M., Kamran, A., Siddiqui. M. Z., and Farhan, M. (2015). “Mechanical Characterization and FE Modelling of a Hyperelastic Material.” Materials Research, V. 18, No. 5, pp. 918–924.

(24)