PEMODELAN METODE ELEMEN HINGGA NONLINIER DINDING PANEL GEWANG LAMINASI 2D TERHADAP BEBAN LATERAL (192S)

Transkripsi

1 PEMODELAN METODE ELEMEN HINGGA NONLINIER DINDING PANEL GEWANG LAMINASI 2D TERHADAP BEBAN LATERAL (192S) IB Gede Putra Budiana 1, Yosafat Aji Pranata 2 1 Balai Pengembangan Teknologi Perumahan Tradisional Denpasar, Kementerian Pekerjaan Umum, Jl. Danau Tamblingan 49, Sanur, Denpasar, Bali, gusputra_cv01@yahoo.co.id 2 Jurusan Teknik Sipil, Universitas Kristen Maranatha, Jl. Suria Sumantri 65, Bandung, Jawa Barat yosafat.ap@gmail.com ABSTRAK Panel gewang laminasi merupakan panel laminasi yang disusun dengan bahan kayu Gewang dengan menggunakan perekat lem. Hasil penelitian sebelumnya oleh Rusli dkk. mengenai pemanfaatan pelepah gewang sebagai panel sandwich laminasi memperlihatkan bahwa kekuatan lentur dan kekuatan tarik tegaklurus serat telah memenuhi persyaratan sesuai SNI Papan partikel. Penelitian eksperimental perilaku dinding panel gewang dengan beberapa variasi batang pengaku akibat beban lateral telah dilakukan pula oleh Budiana dkk. Penelitian ini bertujuan mempelajari perilaku dinding panel gewang dengan beban lateral dengan menggunakan pemodelan metode elemen hingga nonlinier. Ruang lingkup pemodelan yaitu properti mekanis kayu Gewang dan properti kekakuan alat sambung mekanis diambil dari tinjauan literatur hasil penelitian sebelumnya, dan beban lateral diaplikasikan secara bertahap. Dinding panel dimodelkan sebagai elemen solid 2D, frame panel dimodelkan sebagai balok hermitian, dan lokasi-lokasi penempatan alat sambung mekanis dimodelkan sebagai elemen spring. Kayu dimodelkan sebagai material plastik bilinier. Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah informasi tegangan efektif yang terjadi pada dinding, yaitu untuk mengetahui tingkat kerusakan (kekuatan) pada dinding panel. Dari informasi tersebut, dapat diketahui besarnya beban kerja yang direkomendasikan mampu ditahan oleh panel. Dari deformasi lateral dinding yang terjadi, maka dapat diketahui kinerja (kekakuan) struktur dinding panel. Kemudian dari informasi deformasi yang terjadi pada titik nodal (lokasi) sambungan atau tempat pemasangan lagscrew, maka dapat diketahui kondisi lagscrew yaitu tercabut sebagian atau seluruhnya. Kata kunci: panel gewang laminasi, metode elemen hingga, beban lateral, tegangan efektif 1. PENDAHULUAN Dalam pembangunan rumah sederhana, bahan bangunan merupakan komponen terbesar dalam pembiayaan dimana biaya untuk transportasi merupakan biaya yang secara langsung berpengaruh terhadap biaya bahan bangunan. Panel gewang laminasi merupakan panel laminasi yang disusun dengan bahan kayu Gewang dengan menggunakan perekat lem. Pohon gewang atau tune (Corypha utan Lamk.), sejenis tanaman palem yang banyak tumbuh di savanna Nusa Tenggara Timur (NTT). Kedudukan jenis tumbuhan liar di kawasan sabana ini begitu penting bagi masyarakat lokal di NTT. Produk dari pohon gewang seperti Rumah Gewang yang artinya hampir semua bagian rumah (atap, dinding, tiang/balok) berasal dari pohon gewang. Daun dari tegakan muda dipakai sebagai atap rumah yang mampu memberikan suasana sejuk dibanding atap dari bahan seng. Bahkan daun gewang bisa dibuat tali serat yang kuat. Sejenis payung tradisional yang disebut seuk dibuat dari pucuk daun yang masih muda. Berbagai jenis anyaman seperti tikar, bakul dan lumbung padi juga dibuat dari daun gewang yang sudah dikeringkan. Batang dipakai sebagai balok atau tiang rumah. Adapun untuk tegakan berusia menengah ditebang untuk diambil patinya untuk diolah menjadi tepung yang disebut akarbilan dan dijadikan bahan makanan utama selama musim paceklik. Gewang tergolong jenis monokarpik yaitu setelah berbunga dan berbuah tanaman ini mati pada umur sekitar 30~40 tahun. Menurut penelitian, satu batang gewang mempunyai potensi biomasa rata-rata 2,8 ton (asumsi diameter ratarata 60 cm, tinggi batang 20 m dan densitas kayu 0,5 g/cm3) yang bisa dimanfaatkan pada pohon gewang ada beberapa yang potensial untuk dikembangkan menjadi produk bernilai ekonomi tinggi sekaligus artistik. Batang gewang bagian pinggir yang lebih keras dibanding bagian tengah dengan ketebalan sekitar 2-5 cm dicoba untuk dikembangkan menjadi parket untuk lantai yang bisa menggantikan parket kayu (Budiana dkk., 2012). Pusat Litbang Permukiman melalui Balai PTPT Denpasar sudah mengembangkan gewang laminasi pada tahun 2010 dengan teknik kempa dingin dan perekat jenis polyurethane, untuk penggunaan dinding interior dan eksterior. S - 209

2 Kegiatan penelitian tersebut meliputi pengubahan bentuk pelepah gewang alami sehingga menjadi bentuk pipih untuk memudahkan proses kempa, peningkatan kepadatan (density) pelepah gewang tanpa merusak struktur serat alaminya yang menjadi sumber kekuatan, dan optimasi berat labur untuk mendapatkan nilai ekonomis produksi supaya dapat bersaing di pasaran. Penelitian ini bertujuan mempelajari perilaku dinding panel gewang dengan beban laterall dengan menggunakan pemodelan metode elemen hingga nonlinier dengan menggunakan perangkat lunak ADINA (ADINA, 2009). Ruang lingkup pemodelan yaitu properti mekanis kayu Gewang diambil dari tinjauan literatur hasil penelitian sebelumnya (Prasetiyo dkk., 2008; Budiana dkk., 2012), properti kekakuan lagscrew diambil dari tinjauan literatur hasil penelitian sebelumnya (Sudarsana, 2005), dan beban lateral diaplikasikan bertahap. Dinding panel dimodelkan sebagai elemen solid 2D, frame panel dimodelkan sebagai balok hermitian, dan lokasi-lokasi penempatan alat sambung mekanis dimodelkan sebagai elemen spring. Kayu dimodelkan sebagai material ortropik nonlinier. Model dinding panel gewang laminasi yang dibahas terdiri dari 4 (empat) jenis model, yaitu sebagai berikut: (a). Model-1 dengan dinding terdiri dari 1 (satu) panel saja dengan ukuran panel adalah mm x 2400 mm; (b). Model-2 dengan dinding terdiri dari 2 (dua) panel dengan ukuran masing-masing panel adalah 3000 mm x1200 mm; (c). Model-3 dengan dinding terdiri dari 4 (empat) panel dengan ukuran masing-masing panel adalah 1500 mm x1200 mm; dan (d). Model-4 dengan dinding terdiri dari 10 (sepuluh) panel dengan ukuran masing-masing panel adalah 600 mm x1200 mm. (a). Model-1 satu panel. (b). Model-2 dua panel. (c). Model-3 empat panel. (d). Model-4 sepuluh panel. Gambar 1. Model dinding yang dibahas. Bagian terluar dinding panel gewang laminasi diberi perkuatan kolom kayu Gewang berukuran penampang 100 mm x 100 mm, ring balok (bagian atas dinding) berukuran penampang 50 m x 100 mm. Kemudian frame atau panel yang digunakan untuk bingkai panel gewang laminasi adalah kayu berukuran penampang 70 mm x 50 mm. Skematik model dinding untuk Model-4 secara lebih detail ditampilkan pada Gambar 2. S - 210

3 Gambar 2. Skematik dinding Model-4 dengan 10 (sepuluh) panel Gewang lebar 3 meter dan tinggi panel 2,4 meter. 2. TINJAUAN LITERATUR 2.1 KAYU Kayu adalah material dengan sifat visko-elastik, namun demikian dalam penelitian ini dapat diabaikan, dengan pertimbangan bahwa sifat pembebanan adalah jangka pendek dan beban statik. Oleh karena itu diasumsikan kayu berada pada kondisi kadar air yang seragam dan konstan. Demikian pula pemodelan arah serat, diasumsikan arah serat kayu (arah longitudinal) berimpit dengan sumbu global-x, dan arah radial dan tangensial masing-masing tegaklurus terhadap arah longitudinal atau berimpit terhadap arah sumbu global-y dan sumbu global-z. Material kayu Gewang dimodelkan sebagai material nonlinier dengan model kriteria kelelehan yaitu plastic-bilinear (plastik-bilinier). Oleh karena itu diperlukan data berupa kemiringan daerah elastik (modulus elastisitas) dan tegangan leleh (diasumsikan tegangan leleh sama dengan tegangan pada beban batas proporsional material kayu Gewang). Skematik model kurva hubungan tegangan-regangan kayu yang digunakan dalam pemodelan numerikal selengkapnya ditampilkan pada Gambar 3. Gambar 3. Model kurva hubungan tegangan-regangan plastik-bilinier. Selanjutnya Laminasi Gewang (dalam bentuk lembaran atau panel) dimodelkan sebagai material plastik bilinier. Data modulus elastisitas diambil dari literatur (Prasetiyo et.al., 2008) sebesar 4500 MPa dan kekuatan lelehnya sebesar 26 MPa. Regangan plastis efektif diasumsikan sebesar 0,03 dan rasio poisson diasumsikan yaitu 0,2. S - 211

4 Gambar 4. Kayu laminasi Gewang. 2.2 METODE ELEMEN HINGGA Metode elemen hingga adalah prosedur numerik untuk memecahkan masalah mekanika kontinum dengan tingkat ketelitian yang dapat diterima. Penelitian numerikal metode elemen hingga nonlinier dilakukan untuk memprediksi perilaku dinding panel Gewang akibat simulasi beban lateral. Secara umum dinding panel Gewang dimodelkan sebagai berikut: 1. Frame dimodelkan sebagai elemen hermitian beam dengan mendefinisikan bentuk, ukuran penampang, serta properti penampangnya. Model material yang digunakan untuk komponen penyusun frame ini adalah isotropik plastic-bilinear dengan asumsi properti material kayu diambil dari sifat mekanis kayu arah sejajar serat (arah longitudinal), yaitu kekuatan tekan sejajar serat kayu Gewang dan modulus elastisitas yang merupakan kemiringan kurva hubungan tegangan-regangan tekan sejajar serat kayu Gewang. 2. Panel gewang laminasi dimodelkan sebagai elemen solid 2D. Model material yang digunakan untuk panel adalah plastik bilinier. Namun mengingat dinding merupakan bidang 2D, dimana beban yang bekerja adalah pada arah sejajar dinding, maka digunakan asumsi bahwa struktur dinding tersebut berperilaku sebagai plane stress, sehingga selanjutnya model material yang digunakan adalah plastic-bilinear, dimana parameter kekuatan leleh (kekuatan tekan gewang laminasi) didapat dari referensi penelitian sebelumnya). Modulus elastisitas gewang laminasi diasumsikan sama dengan modulus elastisitas kayu Gewang. 3. Pada beberapa lokasi (titik nodal) penempatan lagscrew, dimodelkan sebagai elemen spring nonlinier, dengan properti kekakuan diambil dari tinjauan literatur penelitian sebelumnya. Demikian pula pada kondisi penempatan angkur yang menghubungkan balok kayu bagian bawah dinding terhadap balok beton dibawahnya, angkur dimodelkan sebagai elemen spring nonlinier pula. Model hardening rule mengacu pada tinjauan literatur berdasarkan asumsi hubungan antaraa tegangan leleh dengan regangan plastik efektif akumulatif (Kojic dan Bathe, 2003). Untuk menentukan parameter-parameter tersebut diatas, diperlukan hasil pengujian eksperimental (clear specimen tests) kayu. Fitur utama yang digunakan pada pemodelan numerikal adalah pemodelan material ortrotropik inelastik. Kurva hubungan tegangan-regangan nonlinier pada arah ketiga sumbu utama material diperlukan. Sumbu longitudinal dinamakan arah sejajar serat kayu, sedangkan sumbu radial dan sumbu tangensial dinamakan arah tegaklurus serat kayu. Model elemen kayu dalam penelitian ini menggunakan tipe elemen tetrahedral dengan 10 (sepuluh) titik nodal (Kojić and Bathe, 2003). Solusi nonlinier menggunakan prosedurr iteratif-inkremental, dimana keseimbangan dari iterasi untuk tiap inkremen berbasis pada pada metode Modified Newton (Kojić and Bathe, 2003) dimana matrik kekakuan di-update pada tiap iterasi. Iterasi berhenti ketika terjadi konvergensi yang berbasis pada kriteria enerji. S - 212

5 3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Penelitian ini merupakan bagian dari preliminary analysis untuk mengetahui kinerja kekuatan, kekakuan, dan stabilitas dinding panel gewang laminasi, dengan variasi 4 (empat) tipe dinding. Kinerja kekuatan yang dibahas adalah besarnya tegangan efektif yang timbul pada dinding, sedangkan kinerja kekakuan yang dibahas adalah besarnya deformasi lateral yang terjadi akibat pembebanan, sedangkan kinerja stabilitass adalah kondisi deformasi vertikal pada angkur (lagscrew) untuk mengetahui apakah kondisi angkur sudah tercabut atau tidak pada saat dikenai pembebanan. Pola pembebanan yang diaplikasikan pada dinding ada 2 (dua) tipe, yaitu beban monotonik dan beban siklik. Untuk tipe beban monotonik, beban diaplikasikan bertahap sampaiai dengan struktur dinding mengalami kegagalan. Sedangkan untuk tipe beban siklik, skematik model beban ditampilkan pada Gambar 5. Pemodelan beban siklik menggunakan siklus sebagai berikut, dimana 3x siklus pertama a kontrol deformasi sebesar 0,1 dari deformasi maksimum, kemudian 3x siklus berikutnya kontrol deformasi sebesar 0,2 dari deformasi maksimum, kemudian 3x siklus berikutnya kontrol deformasi sebesar 0,4 dari deformasi maksimum, dan tahap terakhir adalah 1x siklus sampai dengan deformasi maksimum yaitu sebesar 70 mm. Gambar 5. Pemodelan beban siklik. Hasil pemodelan numerikal untuk masing-masing variasi dinding Model-1, Model-2, Model-3, dan Model-4 selengkapnya ditampilkan pada Tabel 1, Tabel 2, Gambar 6, Gambar 7, Gambar 8, Gambar 9, dan Gambar 10. Gambar 10 memperlihatkan pola deformasi vertikal pada angkur untuk Model-4 akibat pembebanan mononotik. Seluruh Gambar 6-10 diambil dari kondisi pada saat beban maksimum. (a). Model-1. (b). Model-2. (c). Model-3. (d). Model-4. Gambar 6. Hasil pemodelan numerikal dinding dengan beban monotonik: Deformasi lateral dinding. S - 213

6 (a). Model-1. (b). Model-2. (c). Model-3. (d). Model-4. Gambar 7. Hasil pemodelan numerikal dinding dengan beban siklik: Deformasi lateral dinding. (a). Model-1. (b). Model-2. (c). Model-3. (d). Model-4. Gambar 8. Hasil pemodelan numerikal dinding dengan beban monotonik: Tegangan efektif dinding. S - 214

7 (a). Model-1. (b). Model-3. (c). Model-3. (d). Model-4. Gambar 9. Hasil pemodelan numerikal dinding dengan beban siklik: Tegangann efektif dinding. Gambar 10. Pola deformasi vertikal pada angkur untuk Model-4. Pembahasan hasil penelitian selengkapnya ditampilkan pada Tabel 1 (deformasi laterall maksimum dinding panel gewang laminasi) dan Tabel 2 (tegangan efektif pada kondisi deformasi maksimum dinding panel gewang laminasi). Tabel 1. Deformasi lateral dinding panel gewang laminasi. Model Deformasi maksimum pada arah-y (mm) Beban monotonik Beban siklik Model-1 Model-2 Model-3 Model-4 31,00 51,38 89,38 150,00 31,00 51,38 70,00 70,00 S - 215

8 Hasil Tabel 1 memperlihatkan bahwa dinding panel gewang laminasi Model-1 mengalami kegagalan pada saat deformasi lateral mencapai 31 mm. Hal ini terindikasi dari besarnya tegangan efektif yang timbul pada dinding telah melampaui batasan kekuatan kayu laminasi gewang. Sedangkan dinding panel gewang laminasi Model-2 memperlihatkan hasil kemampuan maksimum dinding menahan beban lateral adalah sampai dengan deformasi maksimum 51,38 dinding selanjutnya mengalami kegagalan. Hal ini tidak sesuai dengan target penelitian ini dimana kontrol deformasi diharapkan mencapai nilai 70 mm. Sedangkan dinding panel gewang laminasi Model-3 memperlihatkan hasil kemampuan maksimum dinding menahan beban lateral adalah sampai dengan deformasi maksimum 89,38 dinding selanjutnya mengalami kegagalan. Hal ini sebenarnya telah sesuai dengan target penelitian ini dimana kontrol deformasi diharapkan mencapai nilai 70 mm. Namun pada saat deformasi maksimum pada pembebanan siklik, tegangan efektif yang terjadi pada dinding yaitu sebesar 3,62 MPa. Tabel 2. Tegangan efektif pada kondisi deformasi maksimum dinding panel gewang laminasi. Model Tegangan efektif (MPa) Beban monotonik Beban siklik Model-1 25,53 16,45 Model-2 3,44 3,44 Model-3 4,32 3,62 Model-4 4,36 2,04 Sedangkan hasil analisis untuk Model-4, dinding panel mengalami kerusakan pada saat deformasi struktur (beban monotonik) mencapai 150 mm. Kemudian pada saat pembebanan siklik mencapai kontrol deformasi sebesar 70 mm, tegangan efektif dinding yang terjadi sangat kecil yaitu 2,04 MPa. Hasil analisis pada saat deformasi struktur mencapai 30 mm (kinerja batas layan sesuai standar peraturan Gempa Indonesia SNI ) memperlihatkan bahwa deformasi vertikal angkur adalah sebesar 2,67 mm. Hasil analisis pada saat deformasi struktur mencapai 48 mm (kinerja batas ultimit sesuai standar peraturan Gempa Indonesia SNI ) memperlihatkan bahwa deformasi vertikal angkur adalah sebesar 5,11 mm. Sedangkan hasil analisis pada saat deformasi struktur mencapai y = 70 mm (kontrol deformasi maksimum) memperlihatkan bahwa deformasi vertikal angkur adalah sebesar 8,91 mm. 4. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah informasi tegangan efektif yang terjadi pada dinding, yaitu untuk mengetahui tingkat kerusakan (kekuatan) pada dinding panel. Dari informasi tersebut, dapat diketahui besarnya beban kerja yang direkomendasikan mampu ditahan oleh panel. Dari deformasi lateral dinding yang terjadi, maka dapat diketahui kinerja (kekakuan) struktur dinding panel. Kemudian dari informasi deformasi yang terjadi pada titik nodal (lokasi) sambungan atau tempat pemasangan lagscrew, maka dapat diketahui kondisi lagscrew yaitu tercabut sebagian atau seluruhnya. 5. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih terhadap dukungan finansial dari Balai Pengembangan Teknologi Perumahan Tradisional Denpasar, Kementerian Pekerjaan Umum. DAFTAR PUSTAKA ADINA R&D, Inc., 2009, ADINA version Theory and Modelling Guide Volume 1, ADINA R&D, Inc., 71 Elton Ave., Watertown, MA 02472, USA. Awaludin A, , Prediksi Kekuatan Lateral Panel Kayu, Seminar Nasional Mapeki XIV, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta 2 November Budiana, I.B.G.P., Laporan Akhir Kegiatan Penerapan Prototipe Unit Produksi Berbasis Bahan Bangunan Lokal, Balai Pengembangan Teknologi Perumahan Tradisional Denpasar, Kementerian Pekerjaan Umum. Chen, W.F., Han, D.J., 2007, Plasiticity for Structural Engineers, J.Ross Publishing. Cook, R.D., Malkus, D.S., Plesha, M.E., Witt, R.J. (2004). Concepts and Applications of Finite Element Analysis, John Wiley & Sons, Inc. Francois, P. (1992). Plasticite du Bois en compression multiaxiale, application a l absorption d energie m ecanique. These de Docteur de l universit e Bordeaux, Bordeaux I, France. Gibson, L.J., Ashby, M.F. (1988). Cellular solids - structure and properties, Pergamon Press, Oxford, New York. S - 216

9 Kharouf, N., McClure, G., Smith, I. (2003). Elasto-plastic modeling of wood bolted connections, Journal of Computers and Structures, Volume 81, Issues 8-11, page , Holmberg, S. (1998). A numerical and experimental study of initial defibration of wood, PhD thesis, Report TVSM-1010, Lund University, Divison of Structural Mechanics, Lund University, Sweden. Persson, K. (2000). Micromechanical Modelling of Wood and Fibre Properties, Doctoral Thesis, Unpublished, Department of Mechanics and Materials, Lund University, Sweden. Prasetiyo, K.W., Subyakto, Naiola, B.P. 2008, Sifat Fisik dan Mekanik Batang Gewang dari Nusa Tenggara Timur, Jurnal Tropical Wood Science and Technology Volume 6 Nomor 1, Tahun Pranata, Y.A., Suryoatmono, B., Tjondro, J.A. 2011, The Flexural Rigidity Ratio of Indonesian Timber Bolt- Laminated Beam, The 3 rd European Asian Civil Engineering Forum, Universitas Atma Jaya Yogyakarta, Central Java, Indonesia, September Stefansson, F. (1995). Mechanical properties of wood at microstructural level, Masters thesis, Report TVSM- 5057, Lund University, Divison of Structural Mechanics, Lund University, Sweden. Sudarsana, I.K. (2005). Pengujian Ketahanan Tarik Lag Screws Dari Kayu Bangkirai, Jurnal Ilmiah Teknik Sipil, Volume 9 Nomor 1, Januari 2005, Universitas Udayana Bali. S - 217