kajian teori serat
Post on 04-Jul-2015
652 Views
Preview:
TRANSCRIPT
BAB II
DASAR TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka
Pengujian Kekuatan tarik, bending dan impak terhadap komposit dengan
serat glass 3 layer dalam bentuk chopped strand dengan berat 300 gram/m2 yang
dilakukan oleh Dany Yanuar (2003) diperoleh kekuatan tarik sebesar 67,118 MPa,
kekuatan bending 175,25 MPa dan Kekuatan impak sebesar 0,045 J/mm2.
Yang dkk (1998) melakukan analisa fraktografi SEM pada komposit
whisker SiCw/7475. Dari hasil penelitian tersebut terungkap bahwa patahan hasil
uji tarik statis terhadap benda tidak ditemukan adanya whisker yang tertarik
keluar. Dan pada daerah sekitar patahan menunjukan adanya deformasi plastis
yang kecil sebelum terjadinya patah.
Kekuatan ikatan antara matrik dan serat akan menimbulkan tegangan dalam
serat. Tegangan yang tinggi pada ujung serat menimbulkan adanya aliran plastic
dalam matrik logam. Untuk dapat memanfaatkan kekuatan serat yang cukup
tinggi, perlu dilakukan pencegahan agar zona plastik dari matrik tidak merambat
melampaui tegah-tengah serat sebelum regangan dalam serat mencapai regangan
putus. Penelitian tersebut dilakukan oleh Dieter (1996).
Sun dan Rechak (1988) melakukan analisa terhadap pengaruh lapisan
adhesif pada komposit lamina graphit/epoxy terhadap beban impak. Hasilnya
menunjukan bahwa keberadaan lapisan adhesif sebagai hasil dari effek yang
menyertai delaminasi memberikan nilai tambah terhadap beban impak. Matrik
5
pada lamina bagian atas cukup banyak mereduksi beban impak. Pada daerah
kontak juga akan mereduksi terhadap effek akibat konsentrasi tegangan. Tetapi,
untuk kekuatan bending, lapisan adhesif ini kurang menguntungkan. Hal ini
disebabkan karena retakan akibat bending pada lamina bagian bawah
menyebabkan bertambahnya jumlah retakan pada delaminasi karena adanya
lapisan adhesif.
Penelitian tentang variasi deformasi lokal dengan beban kompresi yang
seragam pada coruggated dan honeycomb carboard, dilakukan oleh Jochen Pflug
dkk (1999). Tekanan permukaan yang konstan telah diberikan dengan bantuan
vacuum bag. Pengukuran geseran arah sumbu Z ditunjukan oleh sistem pemetaan
regangan optik oleh GOM, Jerman. Defleksi diukur pada tekanan 0,8 bar,
hasilnya, spesimen coruggated dan honeycomb carboard mempunyai garis-garis
yang sama untuk tiap satuan berat perluas. A – Flute menunjukan besar 0,8 bar
dan dalamnya cekungan 0,4 mm, sedangkan BC – Flute hasilnya lebih besar tetapi
deformasinya lebih halus karena konstruksinya yang double flute. Perbedaan
besarnya deformasi tekan sebesar 0,6 mm. ToreHex Carboard menunjukan
deformasi yang sangat kecil, yaitu hanya 0,05 mm dengan deformasi terjadi pada
sel.
2.2. Pengertian Komposit
Komposit secara harfiah berarti bersifat susunan atau gabungan, yang
dimaksud komposit disini adalah gabungan dari dua buah material atau lebih yang
mempunyai perbedaan bentuk maupun komposisi kimia dan keduanya tidak dapat
6
larut, tujuannya untuk mendapatkan sifat-sifat baru yang lebih baik dari sifat
penyusunnya. ( Smith, 1996)
Jenis komposit menurut bahan dasar penyusunnya terdiri dari : metal,
organik, dan non organik. Menurut fungsinya terdiri dari struktural dan
elektrisitas, sedangkan menurut distribusi bahan penguatnya dibedakan menjadi
kontinyu dan diskontinyu. Berdasarkan jenis penguatannya komposit dapat
dibedakan menjadi tiga bagian, antara lain (Jones, 1975):
1. Komposit penguatan partikel (particulate composite)
2. Komposit penguatan serat (fibrous composite)
3. Komposit penguatan struktural (structural composite)
2.3. Bahan pembentuk komposit GFRP
2.3.1.Resin Polyester
Polyester merupakan polymer jenis plastic yang berfasa cair, digunakan
sebagi matrik pengisi komposit Glass fiber reinforced plastic (GFRP). Matrik ini
berfungsi untuk mengikat dan mempertahankan posisi serat agar tetap pada
posisinya dan mendistribusikan beban yang diterima komposit kepada serat secara
merata. Resin polyester dibentuk dari reaksi bersama antara dyhidrik alcohol
(glicol) dengan asam organik. Reaksi di atas menghasilkan rantai ikatan dari ester,
sehingga menjadi molekul-molekul rantai panjang yang bergantian antara unit
asam dan glicol. Reaksi pembentukan polyester dari glicol dan asam organik
dapat diilustrasikan pada gambar 2.1. Komposisi kimia polyester ditunjukan pada
tabel 2.1.
7
Tabel 2.1 Komposisi bahan kimia polyesterNo Bahan Kimia Fraksi mol % berat1 Phethalic anhydride 0,20 28,862 Maleic anhydride 0,15 19,113 Propylene glicol 0,20 14,834 Ethylene glicol 0,15 12,105 Styrene 0,30 30,00
Berdasarkan karakteristik termalnya, plastik dapat digolongkan menjadi
dua jenis yaitu termoplastik dan termosetting. Polyester sendiri termasuk dalam
kategori plastik termosetting. Apabila polyester dipanaskan maka tidak akan
mecair dan mengalir, tetapi akan terbakar dan menjadi arang. Secara umum
perbedaan karakteristik matrik termoplastik dan termosetting dapat dilihat pada
tabel 2.2.
Tabel 2.2 perbedaan karakteristik matrik termosetting dan termoplastik
KarakteristikTermosetting Termoplastik
1 Mengalami perubahan kimia saat proses pengerasan
1 Tidak ada proses pengerasan
2 Tidak dapat didaur ulang 2 Dapat didaur ulang3 Pengerasan memerlukan
waktu lama (3 – 4 jam)3 Diproses dengan waktu yang
relatif singkat4 Prepegs dalam keadaan
lekat/kental4 Prepegs dalam keadaan keras
8
Gambar 2.1 Struktur kimia Polyester
Tabel 2.3 Keunggulan matrik termosetting dan termoplastik
Keunggulan Termosetting Termoplastik
1 Suhu pemrosesan relatif rendah
1 Ketangguhan lebih baik dari termosetting
2 Penyebaran pada serat saat proses laminasi lebih merata
2 Tatal/sisa dapat dipakai lagi
3 Dapat diproses menjadi bentuk bentuk rumit
3 Part-part yang di-reject dapat diproses ulang
4 Kekentalan rendah 4 Proses pembuatan cepat5 Jangka waktu penyimpanan
tak terbatas
Tabel 2.4 Kekurangan matrik termosetting dan termoplastik
KekuranganTermosetting Termoplastik
1 Waktu pemrosesan lama 1 Ketahanan terhadap pelarut bahan kimia rendah
2 Penyimpanan memerlukan perhatian yang ketat
2 Memerlukan suhu yang tinggi pada saat pemrosesan
3 Memerlukan pendinginan 3 Proses pengolahan yang tersedia masih terbatas
4 Data base material yang masih sedikit
Sebagai komponen utama pembentuk komposit, dalam melakukan
pemilihan terhadap matrik harus memperhatikan elongasi/batas mulur. Matrik
yang digunakan sebaiknya mempunyai elongasi lebih besar daripada elongasi
serat. Sebagai contoh, jika elongasi yang dimiliki oleh serat 3%, maka matrik
harus mempunyai elongasi lebih dari 3%. Disamping elongasi, dalam pemilihan
matrik secara kimia dan thermal juga harus diperhatikan. Matrik yang digunakan
harus kompatibel dengan seratnya. Matrik dan serat sebaiknya juga mempunyai
sifat-sifat mekanis yang saling melengkapi diantara keduanya.
9
2.3.2. Serat glass
Karakteristik mekanis material komposit sangat dipengaruhi oleh matrik dan
penguat. Orientasi/posisi serta kandungan serat yang tinggi akan meningkatkan
kekuatan tarik dari komposit, tetapi hal ini akan menimbulkan kelemahan pada
sifat mekanis yang lain. Disisi lain, meningkatnya kandungan matrik maka akan
meningkatkan ketahanan komposit terhadap bahan kimia dan cuaca. Tetapi hal itu
akan menurunkan kekuatan tarik produk. Oleh karena itu, perbandingan antara
matrik dan serat merupakan faktor yang sangat menentukan dalam memberikan
karakteristik mekanis produk yang dihasilkan. Ukuran panjang dan diameter serat
juga mempunyai peranan yang penting dalam meningkatkan kekuatan komposit.
Makin kecil diameter serat, semakin baik untuk dipergunakan. Diameter serat
yang kecil akan memberikan luas permukaan persatuan berat yang lebih besar
untuk jumlah serat yang sama. Hal itu membantu proses transfer tegangan dari
matrik ke serat lebih merata.
Komposit dengan penguat serat bekerja dengan mekanisme sebagai berikut :
beban yang diterima oleh komposit akan ditahan terlebih dahulu oleh matrik
sampai batas kemampuan elastis matrik, kemudian diteruskan kepada serat
sebagai penahan beban terahir. Hasilnya adalah suatu material komposit yang
mempunyai kekuatan dan modulus elastisitas yang tinggi.
Persyaratan fungsional yang dimiliki oleh serat sebagai penguatan plastik
antara lain (Schwartz, 1984):
1. Modulus elastisitas yang tinggi untuk memberikan kekuatan pada
komposit
10
2. Kekuatan patah yang tinggi
3. Mempunyai kekuatan yang seragam diantara serat
4. Mempunyai tingkat kestabilan yang tinggi saat penanganan
5. Diameter/ukuran luas penampang yang seragam
Serat sintesis yang paling banyak digunakan adalah serat glass. Harganya
relatif murah dan sudah tersedia cukup banyak di pasaran. Serat jenis ini biasanya
digunakan sebagai penguat matrik jenis polymer. Komposisi kimia serat glass
sebagian besar adalah SiO2 dan sisanya adalah oksida-oksida aluminium (Al),
kalsium (Ca), magnesium (Mg) dan natrium (Na) dan unsur-unsur lainnya.
Serat glass dibagi menjadi tiga type antara lain :
1. Serat E – glass, E dari kata Elektrical
2. Serat C – glass, C dari kata Chemical
3. Serat S – glass , S dari kata Silica
Komposisi kimia dari ketiga jenis serat glass dapat dilihat pada tabel 2.5.
Tabel 2.5 Komposisi senyawa kimia serat glass
Type serat Komposisi senyawa kimia (%)SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O B2O3 K2O BaO
E - glass 52,4 14,4 0,2 17,2 4,6 0,8 10,6 - -
C - glass 64,4 4,1 0,1 13,4 3,3 9,6 4,7 0,4 0,9
S - glass 64,4 25,0 - - 10,3 0,3 - - -
Keterangan :SiO2 = SilikaAl2O3 = AluminaFe2O3 = Besi OksidaCaO = Calsium OksidaMgO = Magnesium Oksida
Na2O = Natrium OksidaB2O3 = Boron OksidaK2O = Kalium OksidaBaO = Boron Oksida
11
Setiap type serat glass mempunyai sifat-sifat yang berbeda. Dalam
penggunaanya disesuaikan dengan sifat yang dimilikinya. Sifat-sifat tersebut
seperti pada tabel 2.6.
Tabel 2.6 Sifat-sifat serat glass
NOJENIS SERAT
E - Glass C – Glass S - Glass1 Isolator listrik yang baik Tahan terhadap korosi Modulus lebih tinggi
2Kekuatan tinggi Kekuatannya lebih
rendah dari E – glassLebih tahan terhadap temperatur tinggi
3Kekakuan tinggi Harga lebih mahal dari
E – glassHarga lebih mahal dari E – glass
2.3.3. Bahan bahan tambahan
Bahan tambahan yang paling penting untuk ditambahkan adalah katalis.
Katalis berfungsi untuk mempercepat proses curing/pengerasan cairan resin pada
temperatur yang lebih tinggi. Pemberian katalis yang terlalu banyak akan
menimbulkan panas yang berlebihan pada saat proses curing, hal ini akan
menurunkan kualitas atau bahkan akan merusak produk yang dihasilkan. Oleh
karena itu pemakaian katalis dibatasi sampai 1% dari berat resin. Katalis yang
biasa digunakan untuk mempercepat proses curing pada komposit GFRP adalah
senyawa peroksida organik jenis metyl etyl keton peroksida (MEKPO). Struktur
kimia MEKPO ditunjukan pada gambar 2.2
12
Gambar 2.2 Struktur kimia MEKPO
Selain katalis bahan tambahan lain yang juga diperlukan adalah
promotor/accelerator, fungsinya sama dengan katalis. Tetapi pengaruhnya tidak
sekuat katalis. Untuk jenis resin tertentu sudah mengandung bahan accelerator,
sehingga tidak perlu penambahan accelerator. Zat yang biasa digunakan sebagai
accelerator adalah cobalt.
Gelcoat, merupakan lapisan komposit yang paling luar. Karakteristik
mekanisnya lebih baik daripada resin yang digunakan untuk laminasi serat.
Fungsi lapisan gelcoat adalah sebagai pelindung komposit dari goresan, reaksi
kimia, mencegah masuknya air, dan melindungi dari sinar ultraviolet. Bahan
tambahan lain yang diperlukan adalah zat pewarna, diberikan dengan tujuan untuk
mendapatkan sifat yang tahan terhadap cahaya pada produk yang dihasilkan.
2.4. Komposit Sandwich
Komposit sandwich merupakan gabungan dari beberapa komponen
material yang membentuk suatu material berbentuk lapisan. Susunan komposit
sandwich ini dapat dilihat pada gambar 2.3.
Setiap material pada dasarnya didesain untuk fungsi dan tujuan yang
spesifik. Komposit sandwich dibuat dengan tujuan untuk effisiensi berat yang
Permukaan atas
Permukaan bawah
Core
Perekat
Gambar 2.3 lapisan komposit sandwich
13
maksimum dan mempunyai kekakuan dan kekuatan yang tinggi. Untuk
mendapatkan karakteristik tersebut, pada bagian tengah diantara dua permukaan
dipasang core. Tujuannya untuk menambah momen inersia yang akan menambah
kekakuan lengkung material pada sumbu netral. Jika dibandingkan dengan balok
biasa dengan massa yang sama balok sandwich akan mempunyai kekakuan yang
jauh lebih tinggi, karena momen inersia yang dimiliki sandwich juga lebih tiggi.
Pada sandwich, material core yang digunakan mempunyai tegangan geser
yang kecil dan isinya tidak padat. Setiap beban bending yang diterima oleh
sandwich, core akan mengalami pergeseran yang disebabkan dari defleksi
karena pembebanan.
Gambar 2.4 Perbandingan antara core kaku dan lentur pada pergeseran
14
Efek geseran dari kekakuan core dapat perhatikan pada gambar 2.4. Pada
kasus yang atas terjadi pada sandwich yang ideal, sandwich relatif kaku terhadap
beban geser. Setelah diberi beban pada salah satu ujungnya, permukaan sandwich
akan melendut bersama-sama tanpa melakukan pergeseran dengan permukaan
yang lain.
Sebagai perbandingan pada kasus yang bawah, sandwich tidak mampu
menahan beban geser dengan baik. Dari gambar 2.4 terlihat, permukaan atas dan
permukaan bawah mengalami pergeseran akibat beban bending yang diterimanya.
Pada daerah kekakuan bending, permukaan yang satu dapat tidak didukung oleh
permukaan yang lain, sehingga hasilnya kurang maksimal. Hal ini menjadi titik
lemah dari komposit sandwich.
Susunan pembentuk lapisan komposit sandwich terdiri dari :
2.4.1. Skin / Lapisan permukaan
Lapisan permukaan/skin yang digunakan akan mempengaruhi tegangan tarik
dan tekan dari sandwich. Material yang biasa digunakan antara lain baja,
stainlesstel dan aluminium. Untuk kasus ini digunakan GFRP sebagai alternatif
pilihan, karena GFRP sangat mudah untuk diterapkan. GFRP dipilih karena
mempunyai karakteristik yang fleksibel dan dapat disesuaikan dengan kebutuhan.
2.4.2. Core
Core mempunyai beberapa fungsi penting diantaranya menjaga jarak
diantara dua permukaan agar selalu konstan. Core diusahakan kaku, tujuannya
untuk menjaga pergeseran antara permukaan atas dan permukaan bawah. Dengan
15
demikian sandwich akan menahan beban bending secara bersama-sama antara
core dan lapisan permukaan. Jika core yang digunakan lemah tegangan gesernya,
permukaan sandwich tidak akan bersatu menjaga kekakuan. Pemilihan core yang
memenuhi beberapa keperluan sekaligus akan sangat sulit terpenuhi. Antara
tegangan tarik yang tinggi dan density yang rendah akan sulit terpenuhi pada
sebuah core. Sehingga seringkali hanya dipenuhi salah satu kebutuhan saja,
misalnya : kekuatan buckling, isolator, penyerapan air dan resistansi terhadap
bahan tertentu.
Material core yang biasa digunakan dalam pembuatan struktur sandwich antara
lain :
1. Kayu
Kayu merupakan material yang tersedia cukup banyak sekitar kita,
pengerjaan kayu relatif mudah, variasi mutu dan jenis juga cukup banyak.
Kayu mempunyai kekuatan yang baik dan berat jenis rendah, tetapi kayu
mempunyai permasalahan pada pelapukan karena cendawan dan mempunyai
daya serap yang cukup tinggi terhadap zat cair.
2. Struktur Honeycomb
Struktur ini merupakan kumpulan dari kisi-kisi hexagonal. Sandwich
denga core struktur honeycomb akan mempunyai kualitas yang cukup baik,
disampaing kekakuannya tinggi, berat jenisnya juga rendah.
Bahan yang sering digunakan sebagai material pembentuk struktur
honeycomb antara lain :
a. Kraft paper
16
b. Plastic dengan penguatan serat
c. Aluminium
3. Polymer
Polymer merupakan gabungan dari beberapa bahan kimia dengan
komposisi dan perbandingan tertentu. Material polymer yang digunakan
sebagai core, bentuknya berupa foam dengan kepadatan yang bervariasi.
Jenis-jenis foam yang biasa digunakan sebagai core dalam pembuatan
sandwich antara lain :
Struktur Overexpended
Struktur ReinforcedStruktur Hexagon
Struktur Square
Struktur Underexpended
Gambar 2.5 Susunan Struktur Honeycomb
17
a. Polysterene
Polysterene merupakan hasil penggabungan antara polyester dan
cairan vinyl ester. Massa jenisnya + 32 kg/m3, polysterene kurang baik
digunakan dalam aplikasi struktur sandwich kerena mempunyai
kekuatan yang rendah.
b. Polyuretane
Polyuretane mempunyai tingkat kekakuan dan massa jenis yang
bervariasi, tergantung pada komposisi campuran bahan pembentuknya.
Foam Polyuretane diproduksi dalam bentuk bantalan dengan ketebalan
bervariasi. Permasalahan yang seringkali muncul pada core
polyuretane adalah terjadinya kerapuhan dan berat jenis yang berbeda
dalam satu potongan.
c. Polyvinyl Clorida
Polyvinyl clorida mempunyai banyak kelebihan jika digunakan
sebagai material core pada komposit sandwich. Kelebihan tersebut
antara lain : sebagai isolator listrik dan panas, penyerapan terhadap
cairan yang rendah, tersedia dalam berbagai variasi jenis dan bentuk.
d. Polyamide
Polyamide mempunyai tingkat ketahanan terhadap temperatur
yang cukup tinggi dan bersifat fleksibel. Berat jenisnya 96 kg/m3,
bahan dasar pembentuk polyamide adalah silimide.
18
2.5. Berat Jenis Komposit
Berat jenis/density suatu material merupakan perbandingan antara massa dan
volume dari material tersebut. Dalam menentukan berat jenis suatu benda yang
bentuknya beraturan dapat dengan mudah kita lakukan. Untuk benda dengan
bentuk yang tidak beraturan, dimana kita kesulitan untuk menentukan volumenya.
Kita dapat menghitung berat jenisnya dengan beberapa cara, antara lain :
1. Penimbangan
Sesuai hukum Archimedes bahwa berat benda di dalam air sama
dengan berat di udara dikurangi dengan gaya tekan ke atas yang diberikan
oleh air. Gaya tekan ke atas merupakan volume dari benda tersebut.
Dengan berat jenis air 1000 gr/m3 maka volume benda dapat kita hitung
dengan persamaan 2.1 dan 2.2 :
V = Wu – Wa ……………………………………..……………………………………………. (2.1)
………………………………………………………. (2.2)
2. Dengan menggunakan gelas ukur
Percobaan dengan gelas ukur dapat dilakukan dengan memasukan benda
kedalam gelas ukur yang berisi air. Volumenya dapat kita ketahui dengan
menghitung selisih volume sesudah dan sebelum benda dimasukan dalam air.
Cara ini hasilnya kurang akurat, terutama disebabkan karena pembacaan
volume yang kurang teliti untuk volume yang kecil.
19
V = V1 – V2 ………………………………………………..………….. (2.3)
……………………………………………………………… (2.4)
2.6. Fraksi Volume Serat
Jumlah kandungan serat dalam komposit atau disebut fraksi volume serat
merupakan hal yang menjadi perhatian kusus pada komposit penguatan serat.
Fraksi serat sangat menentukan terhadap karakteristik komposit yang dibuat. Ada
beberapa cara untuk menghitung dan menganalisa fraksi serat pada komposit,
antara lain :
1. Secara langsung
Penghitungan volume serat dan volume matrik dilakukan pada saat proses
pembuatan yang dihitung secara terpisah. Dengan mengetahui volume
masing-masing maka fraksi volume serat dapat langsung kita tentukan
dengan persamaan 2.5.
……………………………………………………. (2.5)
Dengan persamaan 2.5 di atas, keberadaan void dalam komposit
diabaikan. Tetapi hal ini mempunyai kelemahan, terutama terjadi dalam
proses pembuatan, karena tidak semua material yang digunakan menjadi
komposit semua. Ada beberapa bagian, terutama resin yang terbuang karena
tercecer dan menempel pada alat yang digunakan. sehingga fraksi volume
yang di peroleh kurang akurat.
20
2. Perbandingan massa jenis
Untuk melakukan penghitungan fraksi volume dengan perbandingan massa
jenis, kita harus mengetahui massa jenis dari komposit yang dibuat terlebih
dahulu. Hal ini dapat dilakukan dengan metode pada bagian 2.5 di atas.
Massa jenis serat dan matrik dapat diketahuai dari spesifikasi material yang
ada. Dengan diketahuinya faktor-faktor di atas maka fraksi volume dapat
ditentukan dengan persamaan 2.7. (Quinn, 1990)
……………………………………………………. (2.6)
3. Pemisahan matrik dan serat
Sebelum dilakukan pemisahan, komposit ditimbang terlebih dahulu
untuk mengetahui massanya. Pemisahan antara matrik dan serat dapat
dilakukan dengan cara melarutkannya kedalam asam, atau dengan cara
membakar komposit. Pembakaran pada suhu yang tinggi mengakibatkan
resin hilang dan serat glass yang tahan api akan tetap ada. Serat dapat
dihitung beratnya dengan melakukan penimbangan. Dengan diketahuinya
massa komposit dan massa serat maka massa matrik dapat ditentukan dengan
persamaan 2.7.
Wm + Wf = Wc
Wm = Wc - Wf ……………………………………………………. (2.7)
Dengan diketahuinya massa serat, massa matrik dan massa jenis masing-
masing, fraksi volume serat dapat diketahui dengan persamaan 2.8 (Quinn,
1990)
21
serat =
…………………………………. (2.8)
Dengan adanya void pada komposit maka rumusan fraksi volume komposit
menjadi :
…………………………………………………. (2.9)
……………………………………………………. (2.10)
Fraksi void yang terjadi pada komposit GFRP dapat ditentukan dengan
persamaan 2.11. (Quinn, 1990)
………………… (2.11)
4. Analisa foto mikro
Dengan melakukan foto mikro pada penampang komposit maka akan
terlihat secara jelas perbedaan antara serat dan matrik. Kita dapat menghitung
jumlah serat pada luasan tertentu dan mengukur diameter beberapa serat
sebagai sampel untuk mengetahui luasan dari serat. Fraksi Volume dapat
ditentukan dengan membandingkan luas permukaan serat dengan luas
permukaan komposit yang difoto.
22
Ac = n . Af + Am
Vc = l Ac
Vf = l n Af
………………………………………………... (2.12)
2.7. Kekuatan Bending
Untuk mengetahui kekuatan bending suatu material, dapat dilakukan
dengan pengujian bending terhadap material tersebut. Material komposit pada
umumnya mempunyai nilai modulus elastisitas bending yang berbeda dengan
nilai modulus elastisitas tariknya. Akibat pengujian bending, pada bagian atas
spesimen akan mengalami tekanan, dan bagian bawah akan mengalami tegangan
tarik. Material komposit kekuatan tekannya lebih tinggi terhadap tegangan
tariknya. Kegagalan yang terjadi akibat pengujian bending, komposit akan
mengalami patah pada bagian bawah yang disebabkan karena tidak mampu
menahan tegangan tarik yang diterima.
l
Gambar 2.6 Penampang melintang GFRP
23
Kekuatan bending suatu material dapat ditentukan dengan persamaan 2.13
berikut ini (Cheng, 1997) :
………………..………………………………………. (2.13)
Pada balok biasa pusat sumbu netral berada pada tengah tengah dari balok,
kekuatan bending pada sisi bagian atas = kekuatan bending pada sisi bagian
bawah.
…………………..………………………………………. (2.14)
Jika defleksi maksimum yang terjadi lebih dari 10 % dari jarak antar
penumpu (L), kekuatan bendingnya dapat dihitung dengan persamaan 2.15 yang
lebih akurat daripada persamaan 2.14.
…………………………………………. (2.15)
Pada balok sandwich letak sumbu netral tidak berada tepat pada bagian tengah,
nilai modulus elastisitas untuk tiap material penyusunnya juga berbeda. Sehingga
kekuatam bending pada lapisan atas dan bawah akan berbeda.
Balok sandwich dapat diandaikan dengan balok satu jenis, tetapi mempunyai
profil bentuk yang berbeda sesuai dengan perbandingan mudulus elastisitasnya,
24
Seperti terlihat pada Gambar 2.7
………………………………………………. (2.16)
Gambar 2.7 (a) Profil balok komposit sandwich, (b) Komposit menjadi balok dengan bahan satu jenis
Pusat sumbu netral dari Gambar 2.8 b dapat ditentukan dengan persamaan 2.17
…………………..………………………. (2.17)
Momen inersia total pada batang profil I pada Gambar 2.7 b dapat dirumuskan
dengan persamaan 2.18
…………………..………………………. (2.18)
kekuatan bending untuk masing-masing lapisan :
…….…………………..………………………. (2.19)
…………………..………………………. (2.20)
a b
25
Nilai modulus elastisitas bending material flat dapat dirumuskan dengan
persamaan 2.21
…………..………………………………………. (2.21)
Penghitungan kekakuan bending (D) pada material flat biasa dapat dilakukan
secara langsung dengan mengalikan antara elastisitas bending (Eb) dan momen
inersia (I), atau dapat dirumuskan pada persamaan 2.22
………………………………………………………. (2.22)
Momen inersia untuk balok dapat selesaikan dengan persamaan 2.23
..……………………………………………………. (2.23)
Untuk material komposit gabungan jenis sandwich, perhitungannya tidak
dapat dilakukan dengan persamaan 2.22 di atas. Kekakuan bending komposit
sandwich merupakan penjumlahan dari kekakuan masing-masing lapisan
penyusunnya. Kekakuan bending komposit sandwich dapat kita rumuskan dengan
persamaan 2.24.
………………………………. (2.24)
Dimensi balok sandwich dapat kita lihat pada Gambar 2.8 berikut :
26
Persamaan yang pertama dari persamaan 2.24 di atas, merupakan kekakuan
bending dari permukaan lapisan atas. Letaknya kira-kira berada pada pusat sumbu
permukaan lapisan atas. Persamaan kedua kira-kira berada pada pusat sumbu
lapisan bawah. Pada core-nya atau persamaan ketiga kekakuan bendingnya berada
pada sumbu potongan melintang.
Persamaan 2.24 di atas digunakan pada balok sandwich sederhana yang
kondisinya sama lapisan atas dan bawahnya. Jika balok dengan beberapa
kombinasi, salah satunya dengan plastic. Persamaan kekakuan bendingnya seperti
pada persamaan 2.25.
…………………………………………. (2.25)
Komposit sandwich dengan lapisan permukaan yang berbeda
bahan/ketebalannya, persamaan 2.25 di atas tidak dapat langsung kita pakai,
tetapi harus dilakukan beberapa perubahan. Prinsip dasar kekakuan bending balok
y3
bt2
t1
W
L/2 L/2
Gambar 2.8 Potongan penampang balok sandwich
y1
27
sandwich (D) dengan lapisan permukaan yang berbeda bahan atau ketebalannya,
dapat kita rumuskan dengan persamaan 2.25.
………………………….(2.26)
Jika kekuatan bending pada lapisan permukaan tidak diperhitungkan,
persamaan 2.26 dapat kita sederhanakan kembali menjadi :
………………………………………………. (2.27)
Defleksi yang terjadi akibat pembebanan yang dilakukan pada bagian tengah
balok dapat digambarkan sebagai berikut :
Dari Gambar 2.9 b di atas dapat kita lihat bahwa deformasi yang terjadi
akibat pengujian bending pada balok dengan tumpuan sederhana. Titik a, b, c, d
a b c d e
a b c d e
L
Z
W
a b d
W2’
a b c d e
W
a
a
b
b
c
d
d
e
e
W
Gambar 2.9 Defleksi Pada Balok Sandwich
a) b)
c) d)
28
dan e pada garis pusat lapisan permukaan, garis aa, bb, cc, dd dan ee terlihat
mengalami perputaran, tetapi berkas garis tengah pusat pembebanan sebagai titik
pusat defleksi, masih terlihat jelas tegak lurus terhadap sumbu pusat. Hal ini
memperlihatkan bahwa lapisan atas mengalami tekanan dan bagian bawah
mengalami tegangan tarik.
2.8. Kekuatan Impak
Kekuatan material terhadap beban kejut dapat diketahui dengan cara
melakukan uji impak terhadap material tersebut. Dengan uji ini akan diketahui
tingkat kegetasan material. Kekuatan impak material komposit rata-rata masih di
bawah kekuatan impak logam. Kekuatan impak sangat tergantung pada ikatan
antar molekul material yang bersangkutan. Semakin kuat ikatan antar molekulnya
maka akan semakin tinggi pula kekuatan impaknya.
Peralatan uji yang digunakan untuk pengujian impak ada dua jenis, yaitu
alat uji izot dan Charphy. Pengujian impak komposit dapat dilakukan dari arah
depan dan arah samping. Komposit sandwich mempunyai kelemahan pada
kekuatan impak, jika pengujian dilakukan melalui arah samping. Bagian ini
merupakan titik kritis dari sandwich, sehingga dalam desain suatu produk, bagian
samping sedapat mungkin dilindungi agar tidak terjadi kerusakan pada bagian ini.
Dalam melindungi bagian samping dapat dilakukan dengan menutupnya
menggunakan logam, sehingga beban tidak langsung mengenai bagian yang
lemah secara langsung. Penutupan dapat dilakukan seperti Gambar 2.10 berikut :
29
Kegagalan material akibat pengujian impak antara lain :
Energi yang diserap oleh benda uji saat diberi beban kejut oleh pendulum
dapat diketahui dengan persamaan 2.28
………… (2.28)
Dengan mengetahui besarnya energi yang diserap oleh material maka
kekuatan impak benda uji dapat dihitung dengan teorema energi, sesuai
persamaan 2.29.
………………………………………………………. (2.29)
Dari persamaan 2.29 di atas, kita dapat mengetahui momen yang
diakibatkan oleh beban impak, sehingga kekuatan impaknya dapat diselesaikan
Komposit sandwichPenutup/logam
Gambar 2.10 Pemasangan logam penutup tepi sandwich
(a). Fracture (b). Tarik (c).Tekan (d). Delaminasi
Gambar 2.11 Karakteristik kegagalan akibat beban impak
30
dengan persamaan 2.30, dibawah ini. Tegangan yang terjadi pada komposit
sandwich, dimana momen inersia untuk balok biasa dan balok sandwich sesuai
dengan persamaan 2.23 dan 2.18. dapat dirumuskan dengan persamaan 2.31
………………………………………………… (2.30)
…………………………………………………. (2.31)
31
top related