Penelitian Numerikal dan Eksperimental Uji Tarik Kayu Meranti Kuning.

(1)

PENELITIAN NUMERIKAL DAN EKSPERIMENTAL

UJI TARIK KAYU MERANTI KUNING

ROKY SURONO NRP : 0821028

Pembimbing : DR. YOSAFAT AJI PRANATA, ST., MT.

ABSTRAK

Kayu merupakan bahan bangunan yang sudah ada sejak jaman dahulu. Digunakan dalam berbagai rekayasa konstruksi untuk bangunan dan segala macam sarana. Pada jaman sekarang memang penggunaan kayu sudah jarang ditemui karena tersaingi oleh bahan lain seperti beton dan baja. Akan tetapi, masih banyak penerapannya pada kuda-kuda atap, jendela, dan pintu. Penggunaan kayu selalu ditekankan pada kuat tarik maupun kuat tekannya. Pada penelitian kali ini akan dibahas kekuatan tarik kayu yang diuji dan dibandingkan hasilnya dengan berbagai cara. Kuat tarik kayu dipengaruhi oleh faktor mekanis dari kayu itu sendiri. Dengan kekuatan tarik kayu yang diuji maka bisa dijadikan pedoman untuk pelaksanaan konstruksi kayu. Kayu yang digunakan adalah jenis kayu meranti kuning.

Tujuan penelitian ini dibagi menjadi dua secara garis besar. Pertama adalah tujuan umum yaitu mendapatkan nilai sebuah kekuatan tarik dari kayu meranti kuning yang bisa dijadikan pedoman untuk perencanaan konstruksi. Kedua adalah tujuan secara khusus yaitu melakukan analisis secara numerikal menggunakan software ADINA 8.5, melakukan uji eksperimental di laboratorium dengan metode dan alat tertentu sesuai ASTM, dan melakukan validasi dari hasil kedua uji dengan sebuah nilai uji tarik yang sudah pernah dihitung.

Kesimpulan yang didapatkan setelah melakukan penelitian adalah baik secara numerikal dengan perangkat lunak ADINA 8.5, secara eksperimental dengan uji langsung di laboratorium, maupun menggunakan persamaan Hankinson dapat digunakan untuk mencari kekuatan tarik kayu. Dari ketiga cara tersebut didapatkan persentase perbedaan yang cukup signifikan yaitu berkisar 15% sampai 37%. Diperlukan ketelitian tinggi pada saat analisis eksperimental khususnya saat pengukuran sudut kemiringan benda uji,serta menguji secara langsung di laboratorium dan hasilnya akan dipengaruhi oleh kondisi sekitar. Nilai kuat tarik yang sudah muncul diharapkan bisa dipakai untuk keperluan rekayasa konstruksi struktur kayu di masa yang akan datang.

(2)

NUMERICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTAL

TESTS OF TENSION STRENGTH OF YELLOW

MERANTI TIMBER

ROKY SURONO NRP : 0821028

Supervisor : DR. YOSAFAT AJI PRANATA, ST., MT.

ABSTRACT

Wood is a material building that has existed since time immemorial used in a variety of engineering and construction for building all sorts of means. At the present time is the use of wood is rare because unmatched by other materials such as concrete and steel. However, there are still many applications on roofs, windows, and doors. The use of wood has always emphasized on tensile strength and compressive strength. In the present, study will be discussed is tensile strength of wood were tested and compared the results with a variety of ways. Tensile strength of wood is influenced by mechanical factors of the wood itself. With a tensile strength of wood which can then be tested guidelines for construction wood. The wood used is a type of yellow meranti wood.

The purpose of this study was divided into two outlines. The first is the general purpose of obtaining a value of tensile strength of yellow meranti wood that can be used as guidelines for construction planning. The second is a special purpose that is numerically analyzed using the software ANDINA 8.5, an experimental test in a laboratory with specific methods and tools as per ASTM, and perform validation of the results of the second test with a tensile test value have been calculated.

Conclusions obtained after doing the researches are both numerically with ADINA 8.5 software, with a direct test experimentally in the laboratory, as well as using the Hankinson equation can be used to find the tensile strength of wood. Of the three ways are found significant differences in the percentage of the range of 15% to 37%. High accuracy is required at the time of his experimental analysis of specifically when the specimen tilt angle measurement, and test directly in the laboratory and the results will be affected by the surrounding conditions. Tensile strength values that have emerged are expected to be used for the purposes of construction engineered wood structures in the future.

(3)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

LEMBAR PENGESAHAN ... ii

PERNYATAAN ORISINALITAS LAPORAN PENELITIAN ... iii

PERNYATAAN PUBLIKASI LAPORAN PENELITIAN... iv

SURAT KETERANGAN TUGAS AKHIR ... v

SURAT KETERANGAN SELESAI TUGAS AKHIR ... vi

KATA PENGANTAR ... vii

1.3 Ruang Lingkup Penelitian ... 3

1.4 Metodologi Penelitian... 3

1.4 Sistematika Penelitian... 6

BAB II TINJAUAN LITERATUR 2.1 Kayu... 7

2.2 Properti Sifat Mekanis Kayu ... 13

2.3 Kekuatan Tarik Kayu ... 14

2.4 Metode Elemen Hingga ... 16

2.4.1 Asumsi-Asumsi Dasar Dalam Formulasi Elemen ... 20

2.4.2 Model Bahan dan formulasi ... 25

2.4.3 Shell Nodal Titik Derajat Kebebasan ... 28

2.5 Penelitian Ekperimental Uji Tarik Kayu ... 33

2.5.1 Universal Testing Machine HUNG-TA ... 34

2.5.2 Linear Variable Differential Transformer (LVDT) ... 35

2.5.3 Smart Dynamic Strain Recorder ... 38

2.5.4 Benda Uji ... 39

BAB III STUDI KASUS DAN PEMBAHASAN 3.1 Penelitian Numerikal ... 40

3.1.1 Pemodelan ... 40

3.1.2 Analisis ... 53

3.2 Penelitian Eksperimental ... 60

(4)

BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN

4.1 Kesimpulan ... 71 4.2 Saran ... 72

(5)

DAFTAR NOTASI

σ

t.0.d

:

Tegangan desain tarik kayu. (MPa)

Nd : Beban tarik desain kayu. (N)

Anet : Luasan bersih cross-section desain kayu. (mm2)

Ft.0 : adalah kekuatan tarik arah sejajar serat kayu. (N)

Ft.90 : adalah kekuatan tarik tegak lurus serat kayu. (N)

Ft.α : adalah kekuatan tarik arah membentuk sudut sebesar α.(N)

Ea : Modulus elastisitas kayu arah longitudinal. (MPa)

Eb : Modulus elastisitas kayu arah sumbu radial. (MPa)

Ec : Modulus elastisitas kayu arah sumbu tangensial. (MPa)

g : Percepatan Gravitasi. (9,81 m/s2)

GLR : Modulus geser kayu arah longitudinal dan radial. (MPa)

GLT : Modulus geser kayu arah longitudinal dan tangensial. (MPa)

GRT : Modulus geser kayu arah radian dan tangensial. (MPa)

νLR : poisson rasio berkaitan arah longitudinal dan radial.

νLT : poisson rasio berkaitan arah longitudinal dan tangensial.

νRT : poisson rasio berkaitan arah radian dan tangensial.

(6)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Rumah Kayu dari Norwegia yang Bergaya Klasik ... 1

Gambar 1.2 Rumah Kayu Tradisional Khas Minahasa, Indonesia ... 2

Gambar 1.3 Diagram Alir Penelitian ... 5

Gambar 2.1 Salah Satu Bentuk Log Kayu ... 7

Gambar 2.2 Sumbu Kayu sebagai Material Orthotropic ... 8

Gambar 2.3 kayu meranti kuning (a), daun, bunga, dan buah (b) ... 11

Gambar 2.4 Meranti kuning (Shorea Faguetiana Heim) ... 12

Gambar 2.5 Kekuatan Tarik Kayu Berdasarkan Arah Serat dan Melintang Serat ... 15

Gambar 2.6 Contoh pembagian elemen dalam 2 dimensi ... 17

Gambar 2.7 Formasi Elemen Shell... 19

Gambar 2.8 Elemen Shell dalam Struktur Umum ... 20

Gambar 2.9 Contoh Bentuk Elemen Shell ... 21

Gambar 2.10 Beberapa konvensi untuk elemen shell; lokal ... 21

Gambar 2.11 Konvensi untuk Ketebalan Elemen Shell ... 23

Gambar 2.12 (a) Interpolasi Arah Vektor (b) Perpindahan dan Deformasi ... 26

Gambar 2.13 Definisi Koordinat Kartesian Lokal ... 27

Gambar 2.14 Definisi Koordinat Kartesian Lokal Midsurface ... 27

Gambar 2.15 Derajat Kebebasan Shell... 29

Gambar 2.16 Contoh Penggunaan Elemen Shell yang Direkomendasikan ... 31

Gambar 2.17 Shell Datar dengan 6 Derajat Kebebasan tiap Titik Nodal ... 32

Gambar 2.18 Universal Testing Machine HUNG-TA ... 35

Gambar 2.19 LVDT Pada Penelitian Eksperimental ... 37

Gambar 2.20 Isi Dari alat LVDT ... 37

Gambar 2.21 Smart Dynamic Strain Recorder ... 38

Gambar 2.22 Bentuk dan Dimensi Benda Uji ... 39

Gambar 3.1 Mendefinisikan Titik ... 41

Gambar 3.2 Tampilan Hasil Mendefinisikan Titik ... 41

Gambar 3.3 Mendefinisikan Garis ... 42

(7)

Gambar 3.5 Mendefinisikan Permukaan ... 42

Gambar 3.6 Tampilan Hasil Mendefinisikan Permukaan ... 43

Gambar 3.7 Mendefinisikan Perletakan ... 44

Gambar 3.8 Tampilan Hasil Mendefinisikan Perletakan, (a) ADINA, (b) Sketsa Model Perletakan... 45

Gambar 3.9 Mendefinisikan beban Kerja ... 46

Gambar 3.10 Tampilan Hasil Mendefinisikan Beban, (a) ADINA, (b) Sketsa Model Pembebanan ... 47

Gambar 3.11 Mendefinisikan Material ... 48

Gambar 3.12 Mendefinisikan Grup Elemen ... 48

Gambar 3.13 Langkah Akhir Pembagian Elemen ... 49

Gambar 3.14 Tampilan Hasil Meshing Elemen ... 50

Gambar 3.15 Mendefinisikan Sumbu Benda Uji dan Memutar Sudut ... 50

Gambar 3.16 Kemiringan Sudut axis 5° ... 51

Gambar 3.19 Mendefinisikan Time Step ... 52

Gambar 3.20 Mendefinisikan Time Function ... 52

Gambar 3.21 Proses Run Solution Program ADINA 8.5 ... 53

Gambar 3.22 Hasil Run Solution Program ADINA 8.5 ... 54

Gambar 3.23 Mendefinisikan Titik Nodal yang akan Ditinjau ... 55

Gambar 3.24 Pengaturan Sumbu X dan sumbu Y Grafik ... 55

Gambar 3.25 Titik nodal yang ditinjau ... 55

Gambar 3.26 Grafik Hubungan Load Step dan Y-Displacement Benda uji 5° pada ADINA 8.5 ... 56

Gambar 3.27 Grafik hubungan Tegangan dan Regangan Benda Uji dengan Kemiringan Sumbu Axis 5° ... 56

Gambar 3.28 Grafik Hubungan Load Step dan Y-Displacement Benda uji 10° pada ADINA 8.5 ... 57

(8)

Gambar 3.30 Grafik Hubungan Load Step dan Y-Displacement

Benda uji 15° pada ADINA 8.5 ... 58

Gambar 3.31 Grafik hubungan Tegangan dan Regangan

Benda Uji dengan Kemiringan Sumbu Axis 15° ... 58

Gambar 3.32 Contoh tampilan list data displacement pada ADINA 8.5 ... 59

Gambar 3.33 Penomoran Benda Uji ... 61

Gambar 3.34 Benda uji tarik kayu yang sudah terpasang pada

Universal testing Machine dan LVDT ... 61

Gambar 3.35 Data Beban Tarik pada Layar Monitor Komputer ... 62

Gambar 3.36 Benda Uji yang Telah Patah ... 62

Gambar 3.37 Grafik Hubungan Load - Displacement Eksperimental

Benda Uji Sudut 5° ... 63

Gambar 3.38 Grafik Hubungan Tegangan-Regangan Eksperimental

Gambar 3.43 Grafik Hubungan Tegangan Regangan antara

Penelitian Numerikal dan Eksperimental Benda Uji Sudut 5° ... 67

Penelitian Numerikal dan Eksperimental Benda Uji Sudut10° ... 68

(9)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Kekuatan tarik hasil simulasi ADINA ... 59

Tabel 3.2 Data Tegangan Tarik Penelitian Eksperimental ... 66

Tabel 3.3 Perbandingan Kuat Tarik Kayu Berdasarkan Persamaan Hankinson,

(10)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kayu merupakan material yang digunakan untuk banyak keperluan

sehari-hari. Digunakan untuk membuat berbagai alat bantu kehidupan di berbagai

bidang seperti bidang konstruksi, bidang mebel, perabotan rumah tangga, dan

sebagainya. Dalam bidang konstruksi, struktur kayu memang sudah jarang

dijumpai dewasa ini. Hal ini dikarenakan fungsi kayu sebagai material struktur

sudah tergantikan perannya oleh beton dan baja. Selain itu kayu didapat dari

pohon-pohon yang keberadaannya semakin berkurang dari tahun ke tahun di

hutan Indonesia. Penggunaan kayu pada bidang konstruksi antara lain sebagai

bangunan tempat tinggal, kuda-kuda atap, jembatan pejalan kaki, kusen, jendela,

dan pintu. Baik di Indonesia maupun di luar negeri penggunaan kayu masih

diterapkan pada konstruksi rumah tinggal karena lebih terkesan klasik dan

tradisional. Gambar 1.1 dan Gambar 1.2 di bawah ini menunjukkan sedikit contoh

penggunaan material kayu dalam konstruksi rumah tinggal.

(11)

Gambar 1.2 Rumah Kayu Tradisional Khas Minahasa, Indonesia Sumber : http://3.bp.blogspot.com/

Penggunaan kayu dalam bidang konstruksi ini lebih ditekankan pada

seberapa kuat daya tarik kayu dalam memikul bebannya. Sebagai contoh pada

kuda-kuda atap rumah, kayu menerima beban dominan tarik berupa gaya batang

yang timbul akibat beban dari atap. Selain itu memang ada beban berupa gaya

tekan dan tegangan. Akan tetapi pada penelitian kali ini hanya akan diteliti

kekuatan tarik dari Meranti.

Kekuatan tarik kayu sendiri tidak terlepas dari pengaruh beberapa

faktor seperti faktor sifat mekanis kayu itu sendiri. Faktor mekanis di sini adalah

sifat-sifat mekanis kayu yang ikut menentukan seberapa kuat kayu tersebut

menahan beban tarik. Sifat mekanis kayu secara umum antara lain modulus

elastisitas, kuat lentur, kuat tarik, kuat geser, kuat tekan, kekerasan kayu dan

masih ada lagi sifat mekanis kayu.

Maka untuk mengetahui kuat tarik kayu sebagai pedoman kekuatan

kayu dalam membangun sebuah konstruksi, diperlukan sebuah penelitian

mengenai kuat tarik kayu yang dilakukan secara numerikal dan eksperimental.

(12)

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian kuat tarik kayu secara umum adalah mendapatkan

sebuah nilai kekuatan tarik kayu yang bisa dijadikan pedoman kekuatan untuk

merencanakan sebuah konstruksi kayu.

Tujuan secara khusus dari penelitian uji tarik kayu antara lain

1. Menganalisa kuat tarik kayu secara numerikal, yaitu menggunakan software

Adina 8.5 dengan beban-beban yang diasumsikan dan mendapatkan kuat tarik.

2. Melakukan uji eksperimental tarik kayu secara langsung di laboratorium

dengan metode dan alat tertentu sesuai ASTM D143-09 Standard Test

Menthods for Small Clear Specimens of Timber sehingga mendapatkan hasil

akhir berupa kuat tarik kayu eksperimental.

3. Melakukan validasi antara uji tarik kayu numerikal dan eksperimental yaitu

membandingkan hasil akhir dari 2 macam uji tarik sehingga didapat kuat tarik

kayu yang bisa dipakai sebagai pedoman dalam membuat sebuah konstruksi

kayu.

1.3 Ruang Lingkup Penelitian

Penelitian uji tarik kayu dibatasi ruang lingkupnya sebagai berikut :

1. Penelitian numerikal dilakukan dengan software Adina 8.5 dengan metode

elemen hingga.

2. Penelitian eksperimental akan dilakukan di laboratorium menggunakan

universal testing machine (UTM).

3. Jenis kayu yang digunakan adalah jenis kayu meranti kuning.

4. Pembebanan kayu secara uji numerikal dan eksperimental dilakukan dengan

penambahan beban tarik berkala sampai benda uji mengalami patah karena

tarik.

5. Ukuran benda uji dibatasi pada bentuk, ukuran, dan dimensi tertentu.

6. Sudut serat yang ditinjau adalah sudut 5°, 10°, dan 15°.

1.4 Metodologi Penelitian

1. Tahap pertama melakukan studi literatur sebagai bahan kajian teoritis dari

(13)

2. Tahap kedua persiapan benda uji untuk penelitian eksperimental.

3. Tahap ketiga mengumpulkan data primer dari penelitian eksperimental uji

tarik kayu di laboratorium struktur Universitas Katolik Parahyangan

Bandung.

4. Tahap keempat adalah melakukan analisis numerikal menggunakan software

Adina 8.5.

5. Tahap kelima melakukan bimbingan langsung kepada pembimbing tugas

akhir.

6. Tahap keenam membuat pembahasan dan pembandingan hasil penelitian,

sehingga bisa dilakukan validasi dari kedua hasil uji.

7. Tahap ketujuh mengecek hasil penelitian eksperimental dan numerikal.

8. Tahap kedelapan membuat kesimpulan hasil pembahasan.

(14)

Gambar 1.3 Diagram Alir Penelitian

Studi Literatur

Mulai

Persiapan Benda Uji :

• Pencarian Kayu

• Pembuatan Benda Uji

Penelitian Eksperimental

Penelitian Numerikal

Pembahasan dan Perbandingan

Cek

Kesimpulan

(15)

1.5 Sistematika Penelitian BAB I PENDAHULUAN

Berisi latar belakang, tujuan, ruang lingkup, metodologi penulisan, dan

sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN LITERATUR

Berisi kajian teori mengenai kayu, properti sifat mekanis kayu, penelitian

kuat tarik kayu, metode elemen hingga dan penelitian eksperimental kuat tarik

kayu di laboratorium.

BAB III STUDI KASUS DAN PEMBAHASAN

Berisi data-data hasil dari penelitian numerikal dan eksperimental, data

numerikal berupa pemodelan dan analisis software, data eksperimental didapat

dari hasil praktikum laboratorium. Kedua hasil uji tarik kemudian dilakukan

validasi dan dilakukan pembahasan.

BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN

(16)

BAB IV

KESIMPULAN DAN SARAN

4.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang diperoleh dari hasil perbandingan uji tarik numerikal,

eksperimental, dan metode Henkinson antara lain :

1. Perangkat lunak ADINA 8.5 dapat digunakan untuk menganalisis uji kekuatan

tarik kayu secara numerikal dengan metode elemen hingga. Untuk mengetahui

kekuatan tarik kayu dengan cara membebani model benda uji secara berkala

dengan membandingkan pembebanan dengan time step nya.

2. Sudut kemiringan benda uji diukur secara manual pada saat penelitian

eksperimental berlangsung. Penelitian kali ini menggunakan 3 macam sudut

yaitu 5°, 10°, dan 15°. Semakin besar sudut kemiringan axis benda uji maka

semakin kecil pula kuat tariknya.

3. Dari perbandingan hasil kuat tarik kayu dalam MPa secara numerikal dengan

cara Hankinson didapat persentase perbedaan 14% untuk sudut kemiringan

axis 5°, 3% untuk sudut kemiringan axis 10°, dan 15% untuk kemiringan

sudut axis 15°

4. Dari perbandingan hasil kuat tarik kayu dalam MPa secara eksperimental

dengan cara Henkinson didapat persentase perbedaan 15% untuk sudut

kemiringan axis 5°, 25% untuk sudut kemiringan axis 10°, dan 37% untuk

(17)

5. Dari perbandingan hasil kuat tarik kayu dalam MPa secara numerikal dengan

eksperimental didapat persentase perbedaan 27% untuk sudut kemiringan axis

5°, 22% untuk sudut kemiringan axis 10°, dan 25% untuk kemiringan sudut

axis 15°.

4.2 Saran

Saran yang dapat disampaikan oleh peneliti untuk penelitian selanjutnya

adalah :

1. Memperbanyak penggunaan perangkat lunak ADINA 8.5 sebagai sarana

untuk pengujian numerikal, karena perangkat lunak tersebut bersifat

komperehensif dan berdasarkan metode elemen hingga.

2. Pengukuran kemiringan sudut benda uji pada saat penelitian eksperimental

harus dilakukan secara teliti.

3. Melakukan penelitian uji tarik kayu dengan cara dan metode yang hampir

sama dengan penelitian ini, tetapi dengan jenis kayu yang lebih beragam guna

(18)

DAFTAR PUSTAKA

1. Suryoatmono, dan Pranata (2012), “An Alternative to Hankinson’s Formula for

Uniaxial Tension at an Angle to the Grain”, World Conference on Timber

Engineering, New Zealand.

2. Porteus Jack, and Kermani Abdy (2007), “Structural Timber Design to

Eurocode 5”, Blackwell.

3. Direktorat Dinas Pekerjaan Umum, SNI kayu (2002), Bandung.

4. Miller Regis B (2001), “Structure of Woods – Chapter 2”.

5. http://3.bp.blogspot.com

15. K.J.Bathe / ADINA R & D Inc (2009), AUIPrimer – ADINA85, USA: 71 Elton

Ave, Watertown, MA 02472.

16. K.J.Bathe / ADINA R & D Inc (2009), Theory and Modelling Guide a –

ADINA85, USA: 71 Elton Ave, Watertown, MA 02472.

17. ASTM D143-09 Standard Test Menthods for Small Clear Specimens of Timber.

18. Chen, W.F., Han, D.J., 2007, Plasticity for Structural Engineers, J.Ross

(19)

19. K.J.Bathe / M.L. Bucalem (1997), Finite Element Analysis of Shell Structures,