ANALISA STRUKTUR HELMET SEPEDA BAHAN POL

ANALISA STRUKTUR

HELMET

SEPEDA BAHAN

POLYMERIC

FOAM

DIPERKUAT SERAT TKKS

Mahyunis

1]

_{, Bustami Syam}

2]

_{, Indra}

3] 1]_{Mahasiswa Magister Teknik Mesin USU}

2]_{Dosen Magister Teknik Mesin USU} 3]_{Dosen Magister Teknik Mesin USU}

1. Pendahuluan

Helmet sepeda adalah helmet yang

dipakai saat mengendarai sepeda. Helmet ini

dirancang untuk mengurangi dampak pada

tulang kepala (tengkorak) seorang

pengendara sepeda ketika jatuh dan tertimpa

benda keras. Helmet sepeda di desain

berbeda dari helmet sepeda motor karena

kecepatan sepeda hanya 15 km/jam [1].

Kecelakaan yang terjadi pada

pengendara sepeda diperlihatkan pada

gambar 1.1a untuk kondisi jatuh dan 1.1b

kerusakan pada helmet sepeda. Secara

visual, kerusakan helmet sepeda akibat

benturan dapat dilihat namun bagaimana

mekanisme terjadinya kerusakan dan besar

beban impak yang terjadi tidak dapat dilihat.

(a)

(b)

Gambar 1. Kondisi helmet sepeda yang

mengalami benturan

Hal inilah yang membuat peneliti

tertarik untuk melakukan penelitian sebagai

solusi yang dapat menjelaskan mekanisme

terjadinya kerusakan helmet sepeda dan

mengetahui besar beban impak yang terjadi,

serta distribusi tegangan dan regangan pada

helmet sepeda dengan melakukan simulasi

software ANSYS 12.

Standart Nasional Indonesia (SNI)

untuk helmet sepeda saat ini belum ada,

sehingga penulis mengacu kepada

standarisasi Eropa yaitu British Standard BS

EN 1078:1997,

(

entitled Helmets for pedal

cyclists and for users of skateboards and

roller skates) [2].

Dalam memilih helmet sepeda,

konsumen hanya memperhatikan model,

tren dan harga helmet sepeda yang murah,

hal tersebut belum tentu memenuhi syarat

keselamatan, artinya tidak menjamin

keselamatan tulang kepala (tengkorak)

pengendara sepeda aman dari benturan pada

saat mengendarai sepeda. Selain itu juga

bahan (material) helmet sepada juga

memiliki arti penting yaitu mampu menahan

benturan secara dinamik atau secara statis.

Bahan untuk membuat helmet sepeda

terbuat dari bahan plastic, rubber,

fiberglass, polycarebonat dan lain-lain [3].

Inovasi pengembangan Bahan untuk helmet

sepeda masih terbatas, maka pada penelitian

ini digunakan bahan komposit polymeric

foam yang diperkuat serat Tandan Kosong

Kelapa Sawit (TKKS). Mengingat kebijakan

global yang terus menggalakkan

penggunaan bahan-bahan alami dalam

industri manufaktur.

dibakar untuk menghasilkan abu gosok.

Pemanfaatan limbah TKKS ini menjadi

produk yang berdaya guna sudah dilakukan

dewasa ini, diantaranya marka kerucut lalu

lintas, bumper parking, bola golf, pipa dan

papan partikel [4].

Benturan yang terjadi pada kepala

dapat menimbulkan cedera pada jaringan

kulit, tulang maupun struktur dikepala dan

otak. Otak merupakan bagian yang paling

vital dari tubuh manusia [5]. Resiko

benturan akibat kecelakaan tersebut diatas

dapat diminimalisir dengan penggunaan

helmet. Beberapa standard dan aturan

hukum telah mewajibkan semua pengendara

kenderaan menggunakan helmet sebagai

alat pelindung diri (APD).

Pada umumnya beban impak yang

dialami pada helmet sepeda terjadi pada sisi

depan, samping, belakang dan pada sisi atas.

Tegangan dan regangan yang diterima

helmet sepeda akan berbeda-beda pada

masing-masing sisi helmet [5]. Untuk

mengetahui besarnya tegangan dan regangan

tersebut perlu dilakukan pengujian impak

jatuh bebas dengan simulasi dan verikasi

simulasi dilakukan dengan eksperimental.

Untuk menjawab permasalahan

tersebut di atas maka perlu dilakukan

simulasi yang dapat memberikan gambaran

terhadap kenyataan di lapangan. Dalam

penelitian ini akan digunakan Software

AutoCAD dan ANSYS Workbench 12,

dengan pendekatan Metode Elemen Hingga

(MEH). Software ANSYS Workbench 12

adalah perangkat lunak untuk menganalisa

tegangan dan regangan dari struktur dan

komponen mekanika. Untuk membuat

modelanya digunakan software AutoCAD

dengan pemodelan yang mendekati bentuk

helmet sepeda sebenarnya. Sehingga

dengan simulasi tersebut dapat diamati

tegangan dan regangan pada seluruh

permukaan helmet sepeda.

Tujuan umum penelitian ini untuk

dapat menganalisa struktur helmet sepeda

bahan polymeric foam diperkuat serat

TKKS.

Tujuan khusus penelitian ini adalah:

(1). Untuk mendapatkan gaya impak helmet

sepeda bahan polymeric foam diperkuat

serat TKKS akibat beban tekan dinamik. (2).

Untuk mendapatkan distribusi tegangan dan

regangan helmet sepeda bahan polymeric

foam diperkuat serat TKKS dengan simulasi

ANSYS 12. (3). Untuk mendapatkan

karakteristik helmet sepeda akibat beban

impak jatuh bebas.

Hasil penelitian ini merupakan suatu

upaya kontribusi pada institusi, khususnya

lembaga penelitian dalam memberikan

informasi hasil penelitian dibidang

manufaktur tentang desain konstruksi,

proses pembuatan helmet sepeda dari bahan

polymeric foam diperkuat serat TKKS

dengan metode tuang, cetak tiup dan hand

lay up. Di samping itu, manfaat dari

penelitian ini adalah: (1). Memberi

informasi kepada konsumen dalam hal

mencegah cedera kepala akibat kecelakaan

pada saat bersepeda, sehingga pada saat

jatuh kepala pengendara terhindar dari

benturan. Dalam hal ini memberitahukan

agar pengendara sepeda berkewajiban

menggunakan alat pelindung diri (APD).

(2). Dengan mengetahui analisa struktur

helmet sepeda bahan polymeric foam

diperkuat serat TKKS maka karakteristik

mekanik helmet tersebut dapat diketahui

sehingga dapat dijadikan pemikiran dasar k

penelitian selanjutnya.

2. Studi Literatur.

Menurut Khurmi R.S.

[

8

]

, untuk menentukan kecepatan benda jatuh setiap detik akan diperoleh harga pendekatan seperti terlihat pada tabel 1.

percepatan seragam dapat diperoleh dengan persamaan (2.1).

Tabel 1. Waktu dan kecepatan benda jatuh

Gambar 2. Grafik hubungan v – t

Jika hambatan udara diabaikan nilai percepatan a identik dengan nilai positif dari gravitasi (+ g; yang berarti percepatan), dan untuk gerakan ke atas nilai percepatan a identik dengan nilai positif dari gravitasi (-g; yang berarti perlambatan).

Percepatan seragam yang dimiliki partikel yang bergerak dengan kecepatan konstan pada lintasan lurus atau dimiliki partikel yang melintasi perpindahan yang sama dalam selang waktu yang sama berturut-turut walaupun kecilnya perubahan waktu. Satuan perpindahan dapat diukur dengan meter (m), dan kecepatan dapat diukur dalam meter per detik (m/s), sedangkan percepatan diukur dalam meter per detik kuadrat (m/s2_).

Persamaan gerak lurus percepatan seragam dapat dijelaskan pada gambar 3.

s

=

v .t

(2.2 )

Gambar 3. Diagram kecepatan – waktu

0, maka v2 _{= 2.as, sehingga}

persamaan menjadi:

v

=

√

2

as

(2.3) (2.3)

Untuk kasus jatuh bebas maka a = g dan s = h, sehingga besarnya dengan kecepatan benda tersebut. Hal ini dapat dinyatakan dengan adalah hasil kali gaya dengan selang waktu yang diperlukan, ini dapat dinyatakan dalam persamaan (2.6).

I=F . t

(2.6)

Gaya impak dapat diperoleh dengan mensubstitusi persamaan (2.5) dengan persamaan (2.6),

Energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha/kerja. Hukum kekekalan energi

menjelaskan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan. Salah satu bentuk energi mekanik adalah energi kinetik dan energi potensial. Energi kinetik (Ek) adalah energi yang

dimiliki oleh benda berdasarkan gerakan benda. Nilai energi kinetik dapat dihitung dari pergerakan awal benda dari kecepatan awal (vo) ke

kecepatan perubahan benda (v1), yang

ditentukan dengan persamaan (2.8). v = kecepatan benda (m/s). Energi potensial (Ep) adalah

energi yang dimiliki oleh benda berdasarkan kedudukan (ketinggian). besarnya energi potensial dapat dihitung dengan persamaan (2.9).

E

_p

=

m. g . H

(2.9) dimana:

Ep = energi potensial (joule).

m = massa benda (kg).

Penelitian ini dilaksanakan dalam beberapa tahapan, seperti diuraikan sebagai berikut: (1). Pembuatan serat KKS, Pembuatan struktur helmet sepeda bahan

Waktu penelitian dilaksanakan selama lebih kurang 5 bulan terhitung mulai bulan Mei s.d Oktober 2012.

Teknik pembuatan struktur

helmet sepeda pada penelitian ini menggunakan metode penuangan/cor kedalam cetakan setelah diaduk rata dengan menggunakan mixer dalam wadah pencampuran. Proses pengecoran ini dilakukan untuk menghasilkan struktur komposit berongga (foam) dengan arah serat acak/random dan tidak kontinyu, seperti pada gambar 4. sehingga tidak dapat dilakukan secara hand lay up, dimana metode ini dipakai pada serat yang panjang dan kontinyu.

Gambar 4. Proses pembuatan struktur

helmet sepeda

Alat cetak struktur helmet

sepeda dapat dilihat pada gambar 5. Alat ini memiliki dimensi panjang 22,5mm, lebar 16 mm, tinggi 16 mm. Alat cetak ini dirancang untuk menghasilkan helmet sepeda .

Gambar 5. Alat cetak helmet sepeda

Struktur helmet sepeda dibuat dari serat alam yang berasal dari limbah TKKS, yang sangat mudah diperoleh dengan proses perlakuan yang sederhana. Untuk mendapatkan struktur komposit yang kuat, serat TKKS dicampur dengan resin termoset. Material penyusun lainnya adalah katalis, blowing agent jenis

polyurethane untuk menghasilkan

foam sehingga berat struktur tersebut menjadi lebih ringan, serta larutan pembersih serat dan pelumas. Tabel 2. menjelaskan material-material penyusun helmet sepeda.

Tabel 2. Bahan-bahan pembuatan

helmet sepeda

N

o. NamaMaterial JenisMaterial Keterangan

1. Polyester resin tak jenuh.

BQTN

157-EX cair

2. Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS).

padat

3. Material pembuat gelembu

Polyuretha

ng (Blowing Agent, BA)

4. Katalis MEKPO cair 5. Pembersi

h serat NaOH, 1M cair 6. Pelumas

khusus WAX padat

Pengolahan tandan kosong kelapa sawit dengan beberapa tahapan proses. Tahapan tersebut adalah: (1). . Perendaman TKKS dalam air yang mengandung larutan NaOH 1%. (2). Pencacahan menjadi bagian-bagian kecil (5 s.d. 10 cm). (3). Pengeringan. (4). Penghalusan serat.

Untuk menghasilkan struktur yang berogga digunakan Blowing

Agent (BA). BA ini akan menghasilkan

busa (foam). Jenis BA yang dipergunakan dalam penelitian ini ialah Polyurethane (PU). Material ini merupakan hasil reaksi antara

isocyanate dan polyol. Bentuk fisik material ini diperlihatkan pada Gambar 6.

Gambar 6. Material BA jenis

polyurethane

Katalis yang digunakan dalam penelitian ini ialah jenis katalis Metil Etil Keton Peroksida (MEKPO) atau dikenal juga dengan istilah Butanone Peroxide.

Pengujian dinamik dimaksudkan untuk mendapatkan besarnya gaya impak dan tegangan maksimum yang dapat diterima spesimen struktur

helmet sepeda diperkuat serat TKKS. Pada pengujian ini digunakan pengujian impak benda jatuh bebas dengan asumsi bahwa helmet sepeda

menerima beban tekan secara tiba-tiba. Ketinggian benda jatuh bebas (test rig) dihitung berdasarkan kecepatan maximum sepeda sebesar 10 km/jam dan dengan persamaan (2.3), kecepatan jatuh bebas posisi ketinggian 2 meter, disesuaikan dengan ukuran standard helmet.

Pada penelitian ini digunakan beberapa peralatan antara lain: (1). Alat Uji impak Jatuh Bebas, (2). Alat pengukur energi dan gaya impak (Load cell) pada gambar 3.4.

Alat pengukur energi dan gaya impak benda jatuh bebas (loadcell) adalah sebuah sensor gaya yang bekerja menggunakan strain gage full bridge dengan tahanan SG 350 ohm alat yang dapat merekam beban impak seperti yang terlihat pada gambar 7. Kemampuan alat ini dapat menerima beban dan mengukur gaya impak hingga 30.000 kg, dan untuk penggunaan alat ini sudah mendapatkan sertifikat kalibrasi dari Komite Akreditasi Nasional untuk 20.000 kg.

Gambar 8. Alat pengukur energi dan gaya impak(Loadcell)

Prosedur pengujian pada penelitian ini dapat dijelaskan sebagai berikut:

(a). Hubungkan semua koneksi:

loadcell, sensor posisi, kabel USB dan

power DAQ Labjack U3-LV. (b). Aktifkan software DAQ For Impact Testing dari icon yang ada di desktop (c). Persiapkan peralatan uji jatuh bebas dan pastikan bahwa load cell dan dudukan load cell sudah terpasang dengan baik begitu juga dengan anvil

support pada gambar (9). (d).

Masukkan anvil pada anvil support

sesuai dengan jenis yang kita inginkan berdasarkan kebutuhan pengujian pengambilan data. (10). (e).Pasangkan spesimen helmet sepda yang akan diuji di atas anvil seperti pada gambar. (11). (f).Pasangkan Test rig pada dudukan lengan test rig seperti pada gambar 11. (g). Tentukan posisi jarak keinggian jatuh test rig yang ingin diuji 0.5m, 1m, 1.5 m, 2m dan pastikan sensor proximity berfungsi aktif.

Gambar 9. Pemasangan load cell dan anvil support

Gambar 10. Posisi test rig pada alat

Uji jatuh bebas

Gambar 11. Posisi jarak ketinggian dan sensor

proximity

g. Tekan button START pada software DAQ For Impact Testing

h. Setelah menentukan jarak ketinggian dan memastikan bahwa sensor proximity sudah berfungsi, maka test rig akan kita jatuhkan dengan melepas tali penahan luncuran test rig.

sepda yang berada diatas anvil.

j. Tekan button SAVE untk menyimpan data hasil uji ke dalam file berformat txt dan akan tersimpan dalam Drive C Folder DATAEXP (data experiment).

k. Lalu data hasil pengujian tersebut kita olah dengan menggunakan program

software MS-Excel.

Masuk ke ANSYS mechanical dengan cara double klik pada “model” pada project schematic. Untuk memilih data material, pilih selecting data dari “outline” three view, pilih created solid dan pilih material yang diinginkan dari “Detail of solid” window.

Langkat selanjutnya, menentukan spesifikasi ukuran elemen dengan cara pilih Mesh dari

“outline” tree view,

lalu klik kanan pada Mesh dan pilih Generate Mesh. Besar ukuran mesh akan diukur secara otomatis. Dan jika ukuran Mesh ingin dirubah pada bagian-bagian tertentu, dapat dilakukan dengan bantuan Refinement

yang terdapat pada Mesh Control icon pada tool bar. Selanjutnya adalah Generate Mesh dengan cara klik Generate Mesh pada toolbar. Model yang telah di MESH dapat diihat gambar 3.9. Langkah selanjutnya adalah penetuan kondisi batas atau “Boundary Conditon”. Hal ini dapat dilakukan dengan klik kanan Dinamic Structural pada

“outline” tree view

pilih insert, klik pixed support dan

klik pada bidang sisi bawah spesimen

project seperti pada gambar 3.11 . lalu

klik kanan Dinamic Structural pada

“outline” tree view klik friction support dan klik pada bidang sisi

belakang spesimen project seperti pada gambar 12.

Gambar 12. Model yang telah di MESH

Diagram alir dalam penelitian ini diperlihatkan pada gambar 13.

Gambar 13. Diagram alir penelitian

Jadwal dan jenis kegiatan yang akan dilaksanakan pada penelitian ini diperlihatkan pada tabel 3.

4. Daftar Pustaka

[1]. Google, (online), Helm - Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas http://id.wikipedia.org/wiki/Helm.tanggal akses 16 - 6- 2012 jam 16:22.

[2]. Google, (online), EN1078- Wikipedia, the free encyclopedia

http://en.

wikipedia.org/ wiki/ EN_1078, tanggal akses 1-6-2012 jam 9:50.

[3] Google, (online), Perancangan Cetakan Helm Dengan Proses Injection Molding. http: //digilib.its.ac.id, tanggal akses 8-5-2012 jam 15:12. [4]. Arif, Zainal, Respon Parking Bumper

Bahan Komposit Polymeric Foam

Diperkuat Serat Tandan Kosong Kelapa Sawi (TKKS) Akibat Beban Tekan Statik dan Dinamik, Universitas Sumatera Utara, 2012.

[

5

]

. Lubis, Izwar Simulasi Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor

Non-Standard Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, Universitas Sumetera Utara.2009.

[6]. Google,(online), Helm Sepeda dan Sejarahnya

http:// bangderra.

blogspot.com/helm-sepeda dan-

sejarahnya. html tanggal

akses

16-6-2012

jam 16:26

[7]. Google, (online), Sejara Perkembangan Helm Sepeda dan Manfaatnya

http ://www .anneahira.com/hel sepeda html tanggal akses 16-6-2012 jam 14:3 [8]. Syurkarni Ali, Desain Struktur dan Pembuatan Parking Bumper dari Bahan Polymeric Foam Diperkuat Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) Terhadap Beban Impak dan Tekan, USU, 2012.

[

9

]

. Khurmi R.S, AN ISO 9001: 2000 Company, A Tex Book of Enginnering Mechanical S. Chand & Company LTD, Ram Nagar, New Delhi-055.

[

10

]

. Tailor,Taylor Impact Test-

Basic

Simulation, ANSYS Explicit Dynamics,