II. TEGANGAN BAHAN KAYU

Transkripsi

1 II. TEGANGAN BAHAN KAYU I. Definisi Istilah kekuatan atau tegangan pada bahan seperti kayu erat kaitannya dengan kemampuan bahan untuk mendukung gaya luar atau beban yang berusaha merubah ukuran dan bentuk bahan tersebut. Gaya luar yang bekerja pada suatu benda akan mengakibatkan timbulnya gaya-gaya dalam pada benda tersebut yang berusaha merubah ukuran dan bentuk. Gaya-gaya dalam ini disebut dengan tegangan yang dinyatakan dalam gaya per satuan luas. Perubahan ukuran atau bentuk dikenal sebagai deformasi atau regangan. Jika tegangan yang bekerja kecil maka deformasi yang terjadi juga kecil, dan ketika tegangan dihilangkan sepenuhnya maka bentuk benda akan kembali pada bentuk semula sesuai dengan sifat elastisitas benda tersebut. Puncak garis kesebandingan antara kenaikan tegangan dengan kenaikan regangan disebut dengan batas sebanding. Di luar batas sebanding, regangan akan meningkat lebih besar dibandingkan dengan peningkatan tegangan (lihat Gambar 2.1). Jika tegangan yang didukung melebihi gaya dukung serat maka serat-serat akan putus dan terjadilah keruntuhan/kegagalan. Kayu memiliki beberapa jenis tegangan, pada jenis tegangan tertentu nilainya besar tetapi pada jenis tegangan yang lain nilainya kecil. Jenis-jenis tegangan yang berbeda tersebut berperan secara bersama-sama, sebagai contoh tegangan tekan akan berusaha menekan/memperpendek kayu, tegangan tarik akan berusaha

2 20 Konstuksi Kayu memperpanjang kayu, dan tegangan geser akan berusaha mengeser serat-serat kayu. Biasanya kayu sering kali menderita kombinasi dari beberapa tegangan di atas secara bersamaan walaupun salah satu tegangan diantaranya akan mendominasi. Tegangan Keruntuhan Batas sebanding Regangan Gambar 2.1 Kurva tegangan dan regangan bahan kayu dengan gaya aksial sejajar serat (Edlund, 1995) Kemampuan benda untuk berubah bentuk dan kembali pada bentuk semula disebut fleksibilitas, sedangkan kemampuan benda untuk menahan perubahan bentuk disebut dengan kekakuan. Modulus elastisitas adalah nilai yang mengukur hubungan antara tegangan dengan regangan pada batas sebanding dan menggambarkan istilah fleksibilitas dan kekakuan. Semakin tinggi nilai modulus elastisitas, maka kayu tersebut lebih kaku dan sebaliknya semakin rendah nilai modulus elastisitas maka kayu tersebut akan lebih fleksibel. Masing-

3 BAB 2 Tegangan Bahan Kayu 21 masing tegangan memiliki nilai modulus elastisitas yang berlainan. Istilah getas dipakai untuk menggambarkan perilaku bahan yang putus walaupun hanya dengan sedikit perubahan bentuk (deformasi) tanpa memperhatikan besar kecilnya beban luar yang bekerja. Keuletan dan kekerasan adalah dua sifat kayu yang seringkali diartikan tidak jelas (memiliki banyak pengertian). Keuletan adalah kemampuan kayu untuk menyerap sejumlah tenaga yang relatif besar atau tahan terhadap kejutan-kejutan atau tegangan-tegangan yang berulang-ulang yang melampaui batas sebanding serta mengakibatkan perubahan bentuk yang permanen dan kerusakan sebagian. Sedangkan kekerasan adalah kemampuan kayu untuk menahan gaya yang membuat takik atau lekukan atau kikisan (abrasi). II. Metode pengujian Dua alternatif untuk menentukan kekuatan kayu yang tersedia adalah pengujian lapangan dan pengujian laboratorium. Pengujian lapangan memiliki keuntungan seperti, pengujian dapat dilakukan pada kondisi yang mirip dengan penggunaannya, tidak seperti pengujian laboratorium yang hanya dapat menirukan saja. Di lain sisi, pengujian lapangan membutuhkan waktu yang lama, faktor-faktor luar yang mempengaruhi penelitian lebih sulit dikendalikan, dan penyebaran variabel membuat biaya penelitian meningkat. Pada kondisi yang sama, pengujian di laboratorium menghasilkan data yang cepat. Pada pengujian di laboratorium, benda uji kayu dapat dibagi menjadi dua macam yaitu: pengujian pada benda uji ukuran kecil, dan pengujian pada benda uji ukuran struktural. Hasil pengujian pada benda uji ukuran kecil digunakan sebagai pembanding dan petunjuk mengenai

4 22 Konstuksi Kayu kekuatan kayu pada jenis-jenis yang berbeda-beda. Karena pada benda uji ini dihindari adanya pengaruh luar seperti mata kayu dan jenis-jenis cacat lain, maka hasil yang diperoleh tidak menunjukkan kekuatan sesungguhnya yang dapat didukung oleh batang kayu struktural sehingga perlu diberi nilai reduksi untuk memperoleh kekuatan ijin. Pengujian kayu dengan benda uji struktural lebih mirip dengan pengujian lapangan dan nilai yang dihasilkan berbeda dengan pengujian laboratorium pada benda uji ukuran kecil karena pada pengujian ini diperbolehkan adanya pengaruh luar seperti mata kayu dan retak. Pengujian ini memerlukan biaya yang tinggi sebab volume kayu yang digunakan menjadi banyak dan waktu pengujian yang lama. Lebih jauh lagi, faktor-faktor reduksi yang harus diperhitungkan menjadi lebih banyak akibat variasi benda uji. Oleh karena kekuatan kayu sangat dipengaruhi oleh kandungan air, maka pengujian dilakukan secara terpisah pada kandungan air segar (saat ditebang) dan pada kandungan air yang dikeringkan hingga kandungan air standar (15%). Alternatif yang lain adalah pengujian pada kandungan kering udara dan nilai yang diperoleh kemudian dikoreksi untuk mendapatkan nilai pada kandungan air standar. Untuk pengujian pada benda uji ukuran besar, sudah menjadi kebiasaan agar kayu yang diuji berasal dari banyak pohon yang berbeda sehingga dapat memperhitungkan keanekaragaman kekuatan kayu pada jenis kayu yang sama. III. Sistem pemilahan (Grading) Pemilahan kelas kuat kayu dapat dilakukan dengan dua cara yaitu observasi visual dan pengujian dengan grading machine. Pemilahan

5 BAB 2 Tegangan Bahan Kayu 23 secara visual sudah sejak lama dipergunakan oleh masyarakat kita. Beberapa parameter visual yang dapat diamati pada kayu dan berhubungan erat dengan kekuatan adalah: lebar cincin tahunan, kemiringan serat, mata kayu, keberadaan jamur atau serangga perusak kayu, dan retak. Apabila si pengamat tidak mempunyai keahlian dan pengalaman, maka pemilahan kelas kuat kayu akan lama dan hasilnya pun menjadi tidak reliable (mengandung banyak keraguan). Pemilahan dengan menggunakan grading machine sudah mulai dilakukan di beberapa negara termasuk negara kita. Prinsip pengujian dengan grading machine adalah pengujian lentur statik. Batang kayu yang telah dibentuk menjadi ukuran struktur ataupun yang masih utuh (kayu log) dibebani beban terpusat dan kemudian dicatat besarnya lendutan tepat di bawah beban bekerja. Pengujian lentur statik ini dilakukan pada setiap jarak tertentu pada batang kayu sebagai contoh satu meter. Dari data beban dan lendutan maka nilai modulus elastisitas lentur (MOE) yang merupakan kemiringan kurva beban-lendutan dapat diperoleh. Tegangan lainnya dapat diperoleh berdasarkan persamaan empirik dari nilai MOE yang telah diperoleh. Penggolongan kelas kuat secara masinal (grading machine) pada kandungan air standar (15%) menurut SNI-5 (2002) dapat dilihat pada Tabel 2.1. Berdasarkan penggolongan kelas kuat atau mutu kayu seperti pada Tabel 2.1, maka nama kayu perdagangan tidak lagi dapat digunakan sepenuhnya sebagai penentu kelas kuat kayu. Tetapi, nilai berat jenislah yang akan sangat menentukan. Walaupun masyarakat telah mengenal beberapa jenis kayu seperti bangkirai, meranti, kamper, jati, dan sengon dan telah mampu mengurutkan kelas kuat dari kayukayu tersebut, sifat non-homogen menyebabkan panjangnya interval

6 24 Konstuksi Kayu berat jenis kayu pada satu macam kayu. Sebagai contoh kayu bangkirai; Berat jenis pada kondisi kering udara berkisar antara 0,6 sampai 1,16. Karena kekuatan kayu berkorelasi linier dengan berat jenis, maka kayu bangkirai seharusnya tidak terletak pada satu kelas kuat agar penggunaannya dapat optimal. Tabel 2.1 Nilai kuat acuan (MPa) berdasarkan atas pemilahan secara masinal pada kadar air 15% Kode mutu E w F b F t // F c // F v F c E ,6 24 E ,5 23 E ,4 22 E ,2 21 E ,1 20 E ,9 19 E ,8 18 E ,6 17 E ,4 16 E ,4 15 E ,2 14 E ,1 13 E ,9 12 E ,8 11 E ,6 11 E ,5 10 E ,3 9

7 BAB 2 Tegangan Bahan Kayu 25 Dimana : E w F b F t// F c// F v F c : modulus elastisitas lentur : kuat lentur : kuat tarik sejajar serat : kuat tekan sejajar serat : kuat geser : kuat tekan tegak lurus serat Nilai modulus elastisitas lentur (E w ) dalam satuan MPa dapat diperkirakan dengan Persamaan (2.1) dimana G adalah berat jenis kayu pada kadar air standar (15%). E w = G 0,7 (2.1) Apabila nilai G yang diketahui bukan pada kadar air standar tetapi pada kadar air m% (m sebaiknya lebih kecil dari pada 30%), maka prosedur berikut ini dapat dilakukan untuk menentukan berat jenis kayu pada kadar air 15% (SNI-5, 2002; ASTM D ). 1. Menghitung kadar air (m%) Wg W d W d m = x100% W d dan W g berturut-turut adalah berat kayu kering-oven dan berat kayu basah.

8 26 Konstuksi Kayu 2. Menghitung kerapatan kayu () dalam satuan kg/m 3 = W g V g V g adalah volume kayu basah. 3. Menentukan berat jenis pada kadar air m% (G m ) G m = m / Menentukan berat jenis dasar (G b ) G G b = m 1 0,265aG m, dengan a = 30 m Menentukan berat jenis pada kadar air 15% (G) G G = b 1 0,133G b Contoh penentuan berat jenis kayu berdasarkan prosedur di atas adalah sebagai berikut. Apabila hasil pengukuran berat basah dan berat kering dari sampel kayu dengan ukuran seperti pada gambar di bawah berturut-turut adalah 1,6 gr dan 1,3 gr, maka berat jenis kayu pada kadar air 15% adalah:

9 BAB 2 Tegangan Bahan Kayu mm 20 mm 10 mm Sampel kayu untuk pengujian berat jenis Kadar air sampel kayu (m%) 1,6 1,3 1,3 m = x100% = 23% Nilai kerapatan () = 1, kg m 3 = 800 kg/m 3 Berat jenis pada kadar air m% (G m ) G m = /100 Berat jenis dasar (G b ) = 0,65 a = , 65 1 = 0,233 G b = 0,265 x 0,233 x 0,65 = 0,625 Berat jenis pada kadar air 15% (G) G G = b 1 0,133G b 0, = 0,133 x 0,625 = 0,68

10 28 Konstuksi Kayu Analisis kode mutu dari beberapa jenis kayu yang sering digunakan untuk keperluan konstruksi dapat dilihat Pada Tabel 2.2. Walaupun demikian pengujian secara masinal atau pengujian berat jenis kayu masih tetap dianjurkan untuk kontrol terhadap nilai-nilai yang ada pada Tabel 2.2. Nilai modulus elastisitas lentur (E w ) pada kandungan air 12% diperoleh dari American Forest Product Laboratory. Sedangkan nilai modulus elastisitas lentur pada kandungan air 15% dihitung dengan Persamaan 2.1 berdasarkan nilai berat jenis dari American Forest Product Laboratory atau PROSEA. Kode mutu kayu ditentukan berdasarkan nilai modulus elastisitas lentur pada kandungan air 15%. Pada Tabel 2.2 terlihat bahwa kayu kempas memiliki kode mutu yang tertinggi yaitu E18, sedangkan kayu dengan kode mutu terendah (E12) adalah kayu meranti merah. Tabel 2.2 Kode mutu kayu beberapa kayu perdagangan Nama kayu Kadar air (%) E w (MPa) Kode mutu 1. Kapur (Dryobalanops spp.) 2. Kempas (Koompassia malaccensis) 3. Keruing (Dipterocarpus spp.) 4. Merbau (Intsia spp.) 5. Mersawa (Anisoptera spp.) 6. Ramin (Gonystylus bancanus) 7. Balau (Shorea spp.) 8. Meranti Merah (Shorea spp.) E13 E18 E E E14 E14 E17 E12

11 BAB 2 Tegangan Bahan Kayu 29 IV. Faktor-faktor yang mempengaruhi tegangan kayu Mungkin satu faktor yang mempengaruhi kekuatan kayu adalah kepadatan, tetapi masih banyak faktor lainnya seperti faktor anatomi: mata kayu, kemiringan serat, kandungan air, dan temperatur. Semua faktor ini memerankan fungsi yang cukup jelas terhadap penentuan nilai kekuatan dan kekakuan kayu. 1. Kepadatan Pengaruh kepadatan terhadap beberapa jenis kekuatan kayu memiliki korelasi yang baik seperti tegangan tekan sejajar serat, tegangan lentur, dan kekerasan. Bagian dari sebuah pohon juga memberikan pengaruh yang penting pada variasi kepadatan pohon. Kepadatan dan kekuatan akan kecil pada inti kayu (bagian tengah pada pohon) bagian dasar dan akan meningkat secara tajam ke arah luar dan meningkat secara pelan ke arah ketinggian (Desch dkk, 1981). Kuat tarik sejajar serat, belah, geser, dan ketahanan kejut meskipun juga dipengaruhi oleh kepadatan, juga dipengaruhi oleh penempatan seratserat kayu atau cacat kayu secara lebih dominan. 2. Kemiringan serat Pada kemiringan serat 15 derajat, tegangan tarik sejajar serat, tegangan lentur statik, dan tegangan tekan sejajar serat berkurang sampai 45%, 70%, dan 80% dari tegangan dengan serat lurus (Desch dkk, 1981). Untuk keperluan umum, nilai angka aman pada perencanaan dan penggunaan kayu harus dapat mempertimbangkan pengaruh adanya kemiringan serat. 3. Kandungan air Kandungan air merupakan faktor yang mempengaruhi seluruh kekuatan kayu. Hampir semua kekuatan kayu meningkat apabila

12 30 Konstuksi Kayu kandungan air diturunkan. Peningkatan kekuatan kayu akibat menurunnya kandungan air dari titik jenuh serat terjadi tidak secara linier seperti dapat dilihat pada Gambar 2.2. Sebagai contoh, kuat tekan sejajar serat pada kayu kering oven adalah tiga kali lebih tinggi dari pada kayu dengan kandungan titik jenuh serat. Gambar 2.2 Pengaruh kandungan air pada beberapa jenis kekuatan kayu (Somayaji, 1995) 4. Mata kayu Mata kayu mempengaruhi jenis-jenis kekuatan kayu dengan tingkat yang berbeda-beda tergantung pada ukuran, letak, dan jenisnya. Jenis-jenis kekuatan kayu dipengaruhi secara nyata oleh mata kayu. Hal

13 BAB 2 Tegangan Bahan Kayu 31 ini disebabkan serat-serat pada mata kayu miring dan tidak teratur. Mata kayu tidak mempengaruhi semua jenis-jenis kekuatan kayu dengan tingkat yang sama. Tegangan geser, tegangan tekan tegak lurus serat, dan modulus elastis sedikit dipengaruhi dengan adanya mata kayu, sedangkan tegangan tekan sejajar serat, tegangan lentur mengalami penurunan yang cukup besar dengan adanya mata kayu. Pengaruh mata kayu yang dinyatakan dalam luas mata kayu adalah sebanding terhadap luas tampang batang kayu itu sendiri. Lokasi mata kayu juga memiliki pengaruh dalam penurunan kekuatan kayu. Sebagai contoh pada sebuah balok kayu, mata kayu yang terletak pada daerah tekan akan sedikit pengaruhnya dari pada mata kayu dengan ukuran yang sama dan terletak pada daerah tarik. Sedangkan apabila letak mata kayu pada garis netral, maka pengaruhnya akan kecil sekali. V. Tegangan karakteristik Telah banyak disebutkan bahwa keragaman struktur serat kayu dapat mempengaruhi kekuatan kayu. Oleh karena itu, diperlukan suatu pengukuran terhadap keragaman dari masing-masing jenis kekuatan dengan cara pengelompokan jenis-jenis kekuatan tersebut pada macam-macam kelas kuat. Sangatlah mungkin untuk memperhitungkan keragaman pengujian kayu melalui standar deviasi (S). Jika jumlah sampel sangat banyak, maka ada hubungan matematika antara standar deviasi dengan interval nilai hasil pengujian. Jika pengujian dilakukan untuk satu jenis kekuatan tertentu dengan jumlah sampel yang banyak, maka hasil pengujian tersebut dapat digambarkan menjadi kurva distribusi Gaussian.

14 32 Konstuksi Kayu Nilai karakteristik kekuatan kayu dapat diambil sebagai nilai yang terkecil. Nilai ini merupakan nilai yang paling aman karena hampir semua nilai kegagalan di atas nilai tersebut sehingga tidak ada resiko kegagalan. Tetapi nilai yang rendah tersebut mengakibatkan kekuatan kayu yang lebih tinggi (hampir semua sampel) tidak termanfaatkan secara optimal. Oleh karena itu perlu diambil jalan tengah antara resiko kegagalan yang terlalu tinggi dengan menentukan nilai kekuatan potensial dari seluruh sampel. Jalan tengah yang diambil didasarkan pada pengetahuan antara hubungan standar deviasi dengan frekuensi kurva distribusi normal Gaussian. Pada kurva distribusi normal Gaussian, 68% hasil pengujian terletak pada daerah antara nilai rata-rata S dan 99,8% nilai pengujian terletak pada daerah antara nilai rata-rata 3S. Oleh karena itu, dapat diambil nilai dengan jumlah prosentase tertentu tidak gagal. Untuk hampir semua jenis tegangan dikatakan bahwa nilai dengan prosentase kegagalan 1% dianggap sebagai nilai yang tidak beresiko tinggi, sehingga nilai karakteristik tersebut adalah nilai rata-rata - 2,33S. Kekuatan kayu dipengaruhi oleh ukuran benda uji, kecepatan pembebanan, dan lama pembebanan, oleh karena itu faktor aman perlu diperhitungkan dalam menentukan nilai kekuatan karakteristik. Umumnya angka aman 2,25 sering digunakan untuk semua jenis tegangan kayu kecuali tegangan tekan sejajar serat yaitu 1,4 (Desch dkk, 1981).

15 BAB 2 Tegangan Bahan Kayu 33 VI. Perilaku kayu terhadap temperatur dan waktu 1. Pengaruh temperatur Sebagian besar kayu tersusun atas selulosa, lignin, dan hemiselulosa, yang kesemuanya itu merupakan senyawa yang terbentuk dari unsur Carbon, Hidrogen, dan Oksigen. Unsur-unsur ini (Carbon, Hidrogen, dan Oksigen) mudah terbakar apabila ada peningkatan temperatur ruangan yang berlebihan. Oleh karena itu, kayu digolongkan sebagai material yang mudah terbakar (combustible material). Perilaku struktur kayu dalam merespon temperatur tinggi berbeda dengan bahan struktur yang lain seperti beton atau baja. Ketika temperatur tinggi sudah dapat membakar kayu bagian luar, maka kayu bagian luar akan terbakar dan berubah menjadi arang. Mengingat angka penyebaran panas atau thermal conductivity kayu yang relatif kecil dan kandungan air yang ada pada kayu, maka dibutuhkan waktu yang lama agar api dapat membakar bagian dalam kayu (Malhotra 1982). Waktu yang diperlukan oleh temperatur tinggi untuk membakar kayu bagian luar sangat bergantung dari kadar air kayu awal, dimensi batang kayu, ketersediaan oksigen dan nilai temperatur itu sendiri. Menurut Hudo dalam buku Principle of Wood Science and Technology (Kollmann, dkk 1984), hemiselulosa pada kayu Oak mulai mengalamai pyrolisis (penguraian/perubahan material akibat temperatur) pada temperatur 150 o C sampai 180 o C. Pyrolisis pada selulosa terjadi pada temperatur 280 o C sampai 350 o C, sedangkan lignin akan mulai mengalami pyrolisis pada temperatur 350 o C sampai 400 o C dan pyrolisis yang lengkap pada lignin terjadi pada temperatur 450 o C sampai 500 o C. Kolmann dkk

16 34 Konstuksi Kayu (1984) juga menyatakan bahwa pyrolisis kayu dapat terjadi pada temperatur 150 o C atau bahkan lebih rendah lagi jika waktu pembakaran diperpanjang. Arang yang terbentuk akibat terbakarnya bagian luar kayu akan berfungsi sebagai lapisan penghambat masuknya temperatur tinggi ke bagian dalam kayu. Sehingga dibutuhkan waktu yang lebih lama agar kayu bagian dalam ini dapat terbakar. Sebagai contoh, pada batang kayu berdiameter besar (kayu log) dibutuhkan waktu lebih dari setengah jam agar panas api dapat membakar satu inchi kayu bagian dalam (Kubler 1980). Gambar 2.3 Penurunan kekuatan beberapa macam material struktur akibat peningkatan temperatur (Kubler, 1980)

17 BAB 2 Tegangan Bahan Kayu 35 Akibat yang lebih jauh dari proses terbakarnya kayu pada bidang konstruksi adalah terjadinya perubahan sifat-sifat mekanis dari kayu itu sendiri. Struktur kayu yang mengalami peningkatan temperatur akan mengalami penurunan kekuatan (strength degradation). Penurunan kekuatan kayu akibat terjadinya peningkatan temperatur tidak terjadi secara linier melainkan cenderung berbentuk lengkung seperti dapat dilihat pada Gambar 2.3. Perilaku ini disebabkan oleh kehadiran arang (sisa material kayu yang terbakar) yang berfungsi sebagai pelindung kayu bagian dalam sehingga struktur terhindar dari keruntuhan seketika/brittle collapse. 2. Pengaruh waktu Kekuatan atau tegangan kayu erat kaitannya dengan lamanya atau durasi pembebanan. Dengan kata lain kekuatan kayu merupakan fungsi waktu (time-dependent). Sebagai contoh, lendutan pada struktur rak buku. Berdasarkan analisis gaya dan tegangan, beban-beban awal dari buku-buku tidak cukup untuk menyebabkan rak buku tersebut patah. Tetapi bila beban bukubuku tadi ditahan dalam waktu yang lama, maka lendutan akan meningkat sebagai akibat menurunnya tegangan dan pada akhirnya struktur rak buku akan mengalami keruntuhan. Perilaku meningkatnya lendutan pada contoh rak buku di atas dikenal dengan istilah rangkak (creep). Pengujian kekuatan atau tegangan kayu yang dilakukan di laboratorium umumnya berlangsung dalam waktu yang sangat singkat (kurang lebih lima menit). Kekuatan atau tegangan kayu

18 36 Konstuksi Kayu yang dihasilkan pada waktu yang singkat lebih tinggi dari pada hasil pengujian dengan durasi pembebanan yang lebih lama (seperti: satu minggu, satu bulan, atau bahkan 10 tahun). Beban yang dapat didukung oleh kayu hingga sepuluh tahun adalah beban yang menyebabkan tegangan sebesar 60% dari tegangan yang diperoleh dari pengujian selama 5 sampai 10 menit (Hoyle, 1978). Perilaku tegangan atau kekuatan kayu yang timedependent ini harus diperhitungkan di dalam perencanaan atau analisis kekuatan konstruksi kayu.