Pengaruh Variasi Jenis Sambungan… 17 PENGARUH VARIASI JENIS SAMBUNGAN
KOMPOSIT SERAT GELAS TERHADAP SIFAT MEKANIK BENDING
Sugiyanto1, Kuncoro Diharjo 2, Wijang WR 3, Triyono 4
1
Mahasiswa Magister Teknik Mesin UNS 2,3,4
Staf Pengajar S2 Teknik Mesin UNS
ABSTRACT
Currently, the use of composite materials instead of metal is very broad, such as for sports equipment, transportation, construction and aerospace world. In particular construction requires connecting the composite material. Grafting methods that can be applied to composite materials is the mechanical method, and adhesive bonding, as well as a combination of both. This study aims to determine the influence of the connection model of bending mechanical properties of glass fiber composites.
The variation of the connection model consists of two types namely, butt joint and lap joint. The research methodology based on ASTM D 5868-95. The composites were made by hand lay-up method and performed suppression. The materials used are 157 BQTN unsaturated polyester resin, fiber glass. The volume fraction used was 30% with composite skin structure composed of 2 layers of fiber glass fiber and resin with a ratio of 30: 70. Tests carried out using a bending test with a three-point bending in accordance with ASTM D 790.
The results showed bending strength of glass fiber composite connection specimens obtained at the highest (1) Straight line model (butt joint) of 39.30 MPa, the connection overlap (lap joint), amounting to 96.39 MPa. (2) Bending strength of the straight line model (butt joint) of 6.80 mm, line overlap (lap joint), which is 16 mm. (3) Strain bending the straight line model (butt joint) of 0.88, overlapping connections (lap joint), that is equal to 2.06. Failures that occur in glass fiber composite specimens connection begins with the occurrence of cracks due to shear stress area connection, then followed by the lower specimen cracks caused by tensile stresses due to bending loading.
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan… 18 Pendahuluan
Dewasa ini perkembangan material komposit di bidang rekayasa sangat pesat. Pemanfaatannya sebagai bahan pengganti logam sudah semakin luas, seperti untuk peralatan olah raga, sarana transportasi (darat, laut dan udara), konstruksi dan dunia antariksa. Keuntungan penggunaan material komposit antara lain; tahan korosi, rasio antara kekuatan dan densitasnya cukup tinggi (ringan), murah dan proses pembuatannya mudah.
Penggunaan material komposit pada suatu struktur harus memenuhi kriteria kemampuan dan keamanan. Termasuk dalam hal ini adalah
sambungan. Metode
penyambungan yang dapat diterapkan pada material komposit adalah mechanical
method, dan adhesive bonding,
serta gabungan keduanya.
Mechanical method menggunakan
baut/pin dan sejenisnya sebagai media penyambung, sedangkan
adhesive bonding menggunakan
adhesive/perekat sebagai media
penyambungan. Dari ketiga metode penyambungan tersebut,
adhesive bonding merupakan
metode yang paling tepat untuk menyambung elemen-elemen tersebut. Metode ini tidak akan merusak serat dan distribusi
beban akan merata, mampu menahan berat beban yang lebih besar daripada mechanical
method, dan penggunaan metode
penyambungan ini tidak menambah berat material.
Efisiensi suatu struktur yang terbuat dari elemen-elemen fiber
reinforced plastic (FRP), sangat
dipengaruhi oleh
kekuatan/ketangguhan
sambungannya, sehingga diperlukan suatu pemilihan model sambungan yang tepat. Pengujian bending terhadap sambungan kayu tipe end grained joint, yang meliputi tiga model sambungan, yaitu model half lap joint, mortise
and tenon, serta double mortise
and tenon. Dari ketiga model
sambungan tersebut, half lap joint
merupakan model sambungan yang paling kuat.
Penelitian-penelitian yang sudah dilakukan, menunjukkan bahwa kekuatan yang diperoleh dari suatu material berbanding lurus dengan biaya yang dikeluarkan. Hal ini tidak menguntungkan, karena dapat mengurangi nilai jual terhadap produk tersebut. Mengkaitkan dengan rancangan sambungan, perlu dilakukan suatu rancangan yang efektif dan aman.
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan… 19 Tujuan Penelitian
Tujuan Penelitian adalah mengetahui pengaruh variasi model sambungan pada komposit serat gelas terhadap pengujian
bending serta mengetahui jenis
sambungan yang cocok untuk serat gelas. Pengamatan foto makro penampang patahan yang dilakukan terhadap adanya kegagalan.
Tinjauan Pustaka
Teknologi material komposit dengan menggunakan serat alam sebagai penguat (composite reinforced fiber) telah banyak dikembangan untuk dapat menggantikan serat sintetis. Hal ini disebabkan karena serat alam yang digunakan sebagai penguat komposit tersebut mempunyai berbagai keunggulan, diantaranya; harga murah, mampu meredam suara, ramah lingkungan, mempunyai densitas rendah, dan kemampuan mekanik yang tinggi. Komposit serat alam banyak digunakan sebagai interior mobil, peredam akustik, dan panel pintu hal ini disebabkan karena penggunaan serat alam sebagai penguat komposit dapat mengurangi berat sampai 80 % (Schuh, 1999).
Broughton,dkk (2001), melakukan penelitian tentang pengaruh panjang ikatan terhadap
kekuatan sambungan adhesive dengan uji tarik. Pada penelitiannya, mereka menggunakan spesimen sambungan tipe single-lap joint
dengan variasi panjang ikatan 12,5 mm; 25,0 mm; dan 50,0 mm, dengan dimensi spesimen mengacu pada ASTM D3164-97. Hasilnya menunjukkan bahwa semakin panjang panjang ikatan, maka semakin kuat sambungan tersebut.
Serizawa, dkk (2004) menyatakan bahwa metode pengujian yang dapat diterapkan pada sambungan, dan salah satu pengujian yang sering diterapkan pada sambungan adalah uji bending. Mereka melakukan penelitian tentang pengembangan media penyambung baru untukmengevaluasi kekuatan sambungan komposit SiC/SiC dengan melakukan pengujian bending. Kekuatan dan kekakuan material komposit akan sangat berbeda apabila dibandingkan dengan kekuatan dan kekakuan
sambungan komposit.
Karakteristik kekuatan dan kekakuan material komposit tidak akan diperoleh pada sambungannya apabila tidak diperhitungkan secara matang, padahal sambungan komposit sangat berpengaruh pada kekuatan
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan… 20 dan kemampuan suatu struktur
komposit.
Steeves & Fleck, (2004) mengatakan bahwa komposit serat gelas merupakan gabungan dua lembar skin yang disusun pada dua sisi material ringan (core) serta adhesive. Fungsi utama skin pada struktur serat gelas adalah menahan beban aksial dan bending, sedangkan
core berfungsi untuk mendistribusikan beban aksial menjadi beban geser pada seluruh luasan yang terjadi akibat pembebanan gaya dari luar.
Metodologi Penelitian
Bahan utama penelitian adalah serat gelas acak, pembuatan spesimen skin
komposit menggunakan fraksi volume 30% yaitu perbandingan volume antara serat dan matrik sebesar 30% serat dan 70% matrik. Katalis yang digunakan sebesar 1 % dari berat resin. Dilakukan secara hand lay up,
dimana serat gelas, kemudian ditaruh pada dasar cetakan, yang sebelumnya telah dituang campuran resin termosetting
BQTN-EX dan katalis MEKPO. Kemudian di atas serat gelas tadi dituang campuran resin
termosetting BQTN-EX dan
katalis MEKPO sampai semua serat gelas terendam. Cetakan
penutup dipasang di atas spesimen dan dibiarkan mengeras pada temperatur ruang. Proses selanjutnya spesimen dibekukan pada temperatur ruang selama 2 jam. Pengujian dilakukan dengan uji bending three point bending
ASTM D790.
Hasil dan Pembahasan
Hasil pengujian kekuatan
bending untuk variasi sambungan
didapatkan :
Grafik Kekuatan Bending Terhadap 2 Variasi Sambungan
33.11 33.11 34.63 36.18 39.3 38.09 41.05 58.45 67.94 96.39 0 20 40 60 80 100 120 1 2 3 4 5 Spesimen K e k u a ta n B e n d in g M P a Sambungan Lurus Sambungan Tumpang
Gambar 1. Grafik kekuatan
bending dua jenis sambungan
Gambar 1. menunjukan bahwa kekuatan bending pada sambungan lurus (butt joint) terjadi pada kekuatan bending
minimum 33,11 MPa dan kekuatan bending maksimum 39,30 MPa. Sedangkan kekuatan
bending pada sambungan
tumpang (lap joint) terjadi pada kekuatan bending minimum 38,09 MPa dan kekuatan bending
maksimum 96,39 MPa. Sambungan lurus dan tumpang mengalami patah pada saat pengujian bending. Kedua jenis
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan… 21 sambungan tersebut yang
mempunyai kekuatan bending
yang tertinggi terjadi pada sambungan tumpang.
Hasil pengujian defleksi bending
untuk variasi sambungan didapatkan;
Grafik Defleksi Bending Terhadap 2 Variasi Sambungan
4.2 5.6 6.8 5.4 4.2 10.3 6.4 8.7 11.5 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1 2 3 4 5 Spesimen D e fl e k s i B e n d in g m m Sambungan Lurus Sambungan Tumpang
Gambar 2. Grafik defleksi
bending dua
jenis sambungan
Gambar 2. menunjukan bahwa defleksi bending minimum pada sambungan lurus 4,2 mm dan defleksi bending maksimum 6.80 mm. Sedangkan sambungan tumpang (lap joint) mempunyai defleksi bending minimum 6,40 mm dan defleksi bending
maksimum 16 mm. Hal ini menunjukkan bahwa sambungan mempunyai defleksi paling tinggi dengan 16 mm terjadi pada sambungan tumpang.
Hasil pengujian regangan bending
untuk variasi sambungan didapatkan :
Grafik Regangan Bending Terhadap 2 Variasi Sambungan
0.54 0.72 0.88 0.69 0.54 1.33 0.82 1.13 1.48 2.06 0 0.5 1 1.5 2 2.5 1 2 3 4 5 Spesimen R e g a n g a n B e n d in g Sambungan Lurus Sambungan Tumpang
Gambar 3. Grafik regangan
bending dua jenis sambungan
Gambar 3. menunjukan bahwa regangan bending
minimum pada sambungan lurus (butt joint ) sebesar 0,54 dan regangan bending maksimum 0,88. Sedangkan sambungan tumpang (lap joint ) mempunyai regangan menunjukkan bahwa sambungan tumpang mempunyai regangan paling tinggi dengan 2,0 mm.
Dari hasil pengujian dan hasil kekuatan bending, defleksi, regangan menunjukkan bahwa sambungan tumpang lebih kuat bila dibandingkan dengan sambungan lurus. Sehingga untuk material skin komposit dengan serat gelas sambungan tumpang sangat dominan untuk diaplikasikan.
Foto Makro Kegagalan Uji Makro Tujuan dilakukan foto makro untuk mengetahui kegagalan yang terjadi pada komposit. Selain itu, foto makro juga dilakukan untuk melihat
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan… 22 patahan spesimen hasil pengujian
bending. Foto–foto makro
tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah.
Sambungan Lurus
Gambar 4. Penampang patahan
butt joint
Gambar 4. menunjukan bahwa pada sambungan lurus patahan yang terjadi tidak lurus atau bergelombang. Hal ini kekuatan zat perekat yang menyambung pada material komposit sangat kuat. Walaupun kekuatan material komposit masih kuat dibandingkan dengan sambungannya.
Sambungan Tumpang
Gambar 5. Penampang patahan sambungan tumpang
Gambar 5. menunjukan bahwa pada sambungan tumpang patahan yang terjadi tidak lurus atau bergelombang. Hal ini kekuatan zat perekat yang menyambung pada material komposit sangat kuat. Walaupun kekuatan material komposit masih kuat dibandingkan dengan sambungannya.
Kesimpulan
Berdasarkan penelitian dan analisis dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Dari data pengujian yang telah
dilakukan didapatkan bahwa - Kekuatan bending
sambungan komposit maksimum yaitu sebesar 96,39 Mpa terjadi pada sambungan tumpang - Defleksi bending
sambungan komposit maksimum yaitu sebesar 16 mm terjadi pada sambungan tumpang dan minimum sebesar 4,2 mm terjadi pada sambungan lurus
- Regangan bending
sambungan komposit maksimum yaitu sebesar 2,06 terjadi pada sambungan tumpang dan minimum sebesar 0,54 Komposit
Komposit
Patahan
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan… 23 terjadi pada sambungan
lurus
2. Jenis kekuatan sambungan tumpang lebih kuat dibandingkan dengan sambungan lurus dengan jenis
adhesive yang sama.
3. Kegagalan yang terjadi pada spesimen sambungan kom- posit serat gelas diawali dengan terjadinya retakan area sambungan akibat tegangan geser, kemudian diikuti retakan sebelah bawah spesimen yang disebabkan oleh tegangan tarik akibat pembebanan bending.
Daftar Pustaka
..., Annual Book of
Standards, Section 15,
ASTM D 5868-95,
“Standard Test Methods
forFlexural Properties of Serat gelas Constructions”,
ASTM, 1994 ..., Annual Book of Standards, Section 8, D 790-02, “Standard Test Methods forFlexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical
InsulatingMaterials1”,
ASTM, 2002
Broughton, W.R., dkk., 2001,
Effects of Specimen
Geometry on the Strength of
Flexible Adhesive Joints,
National Physical Laboratory, Mesir.
Fassio, F., dkk., 2005, Tensile Test on Bonded
double-Strap Joints Between
Pultruded GFRP
Profiles, Department of
Structural Engineering, Universita Degli Studi “Roma Tre”, ITA.
Gay, Daniel, dkk., 2003,
Composite Material,
Desaign and Applications,
Boca Raton: CRC Press. Schuh G.T., 1999, Renewable
Materials for Automotive
Applications, UNESP-Sao
Paulo State University. Schwartz, M.M., 1984, Composite
Materials Handbook, New
York: McGraw Hill Inc. Serizawa, dkk., 2004,
Development of New
Interface Potential for
Evaluating Strength of
Sic/Sic Composite Joint,
Osaka University, Japan. Steeves C.A. dan Fleck N.A.,
2004, Collaps Mechanism of Serat gelas Beam with Composite Face and Foam Core Loaded in Three Point
Bending, Available Online
