PENGUJIAN NONDESTRUKTIF KAYU OLEH: EVALINA HERAWATI, S.Hut, M.Si NIP

Transkripsi

1 Karya Tulis PENGUJIAN NONDESTRUKTIF KAYU OLEH: EVALINA HERAWATI, S.Hut, M.Si NIP DEPARTEMEN KEHUTANAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2 PENGUJIAN NONDESTRUKTIF KAYU Evalina Herawati, S.Hut, M.Si Staf Pengajar Departemen Kehutanan Fakultas Pertanian - USU PENDAHULUAN Kayu telah digunakan selama ribuan tahun sebagai bahan konstruksi untuk tempat tinggal, kapal dan jembatan. Ketersediaan dan kemudahan dalam pengerjaannya pada awalnya telah membuat kayu menjadi pilihan yang logis untuk bahan konstruksi. Belakangan, pilihan ini juga disebabkan oleh biayanya yang lebih rendah dan rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi dibandingkan dengan bahan dari logam dan semen (Falk et al., 1990). Kayu merupakan bahan yang memiliki keragaman dalam sifat-sifatnya, yang melekat secara inherent. Kayu dikenal sebagai bahan yang bersifat ortotropis. Sifat-sifat struktural kayu tidak hanya bergantung pada arah orientasinya ketika dipotong dari bentuk log tetapi juga pada distribusi, ukuran dan bentuk karakteristik yang dapat mengurangi kekuatan dan sel pembentuk kayu yang bervariasi antar jenis. Di samping itu, kondisi lingkungan dimana kayu digunakan akan mempengaruhi kadar air kayu yang akan berpengaruh pula pada sifat-sifat mekanis dan kerentanannya terhadap degradasi oleh pembusukan (Falk et al., 1990). Oleh karena faktor-faktor yang telah disebutkan di atas maka pengguna kayu perlu memilah atau menilai kualitas bahan bangunan kayu sebelum digunakan dalam konstruksi (Falk et al., 1990). Penilaian kualitas kayu dalam hal ini kekuatan kayu, salah satunya dapat dilakukan dengan metode nondestructive evaluation (NDE). NDE merupakan metode dalam mengidentifikasi sifat-sifat fisis dan mekanis dari suatu bahan tanpa mengubah kapabilitas penggunaan akhirnya. 1

3 Evaluasi tersebut didasarkan pada teknik atau alat pengujian nondestruktif (nondestructive testing/ndt) untuk menyiapkan informasi yang akurat mengenai sifat-sifat dan performansi bahan tersebut (Ross, 1992). METODE PENGUJIAN NONDESTRUKTIF Teknik pengujian nondestruktif untuk kayu sangat berbeda dengan pengujian bahan yang bersifat homogen yakni bahan isotropis seperti logam, kaca, plastik dan keramik. Pada benda yang tidak berbahan dasar kayu dimana sifatsifat mekanisnya ditentukan oleh proses pembuatannya, teknik NDT digunakan untuk mendeteksi adanya diskontinuitas, rongga atau inklusi. Kayu merupakan bahan biologis, sehingga ketidakteraturan terjadi secara alami dan dapat terjadi karena adanya agen-agen degradasi dalam lingkungan. Karenanya, teknik NDT pada kayu digunakan untuk mengukur bagaimana alam dan lingkungan yang menyebabkan ketidakteraturan berinteraksi dalam elemen kayu untuk menentukan sifat mekanisnya (Ross, 1992). Metode evaluasi nondestruktif menurut Falk et. al. (1990) dapat dilakukan berdasarkan pengukuran akustik, getaran dan beberapa cara lain, seperti diuraikan di bawah ini. Metode evaluasi nondestruktif berdasarkan pengukuran akustik Terdapat perbedaan istilah pada metode akustik yang digunakan pada pengujian nondestruktif kayu. Beberapa nama seperti gelombang tegangan sonik (sonic stess wave), gelombang tegangan ultrasonik (ultrasonic stess wave), ultrasonik dan metode getar ultrasonik didasarkan pada teori perambatan gelombang akustik dan biasanya hanya berbeda pada mode dan frekuensi yang dibangkitkan. Metode ini menggunakan dua sensor untuk menentukan kecepatan gelombang, yang pertama di satu tempat pada elemen yang digunakan untuk memulai pengatur waktu dan yang kedua pada tempat lain yang digunakan untuk menghentikan pengatur waktunya. 2

4 Teknik Kecepatan Suara Beberapa penelitian yang berkaitan dengan ini adalah penggunaan kecepatan gelombang tegangan sonik sebagai alat prediksi Modulus elastisitas (MOE), modulus patah (MOR) dan parameter lainnya. Pengukuran kecepatan gelombang tegangan digunakan untuk memprediksi sifat-sifat bahan pada berbagai produk kayu termasuk papan komposit struktural, serta digunakan juga untuk mendeteksi adanya pembusukan pada kayu. Teknik Emisi Akustik Meskipun kebanyakan penelitian penggunaan emisi akustik difokuskan pada penelitian kerusakan yang terjadi selama pengujian destruktif namun bisa juga digunakan untuk memprediksi kekuatan lentur, beban pada batas proporsi dan defleksi lentur. Teknik Analisis Bentuk Gelombang Acousto-ultrasonic adalah teknologi yang menggabungkan analisis emisi akustik dari bentuk gelombang yang diterima dengan teknologi getar ultrasonic. Diantara penelitian dengan teknik ini adalah menggunakan beberapa karakteristik bentuk gelombang untuk membedakan kayu yang mengalami pembusukan dengan yang tidak di bawah kondisi yang sama di laboratorium. Penelitian lain menggunakan teknik ini untuk mendeteksi mata kayu, busuk, arah orientasi serat dan kadar air kayu. Metode evaluasi nondestruktif berdasarkan pengukuran getaran Teknik getaran transversal telah digunakan untuk menilai sifat-sifat bahan dari elemen kayu dalam lenturan dan telah berkembang pada alat pemilahan. Diantara penelitian terkait dengan metode ini adalah meneliti perubahan pada mode dasar dari frekuensi contoh uji kayu yang terkena jamur pembusuk dengan pengukuran karakteristik getaran contoh uji kayu. Teknik analisis model ini juga digunakan untuk menentukan kekakuan dan kekuatan tiang kayu. Teknik ini memonitor frekuensi tiang dan menggunakan fakta bahwa tiang yang lebih kuat 3

5 dan lebih kaku bergetar pada frekuensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan tiang yang terdegradasi oleh busuk/lapuk. Metode evaluasi nondestruktif lain yang diaplikasikan pada kayu Metode lain ini diantaranya adalah penggunaan microwave, sinar X, laser, optik, dan digital image. Microwave digunakan untuk mendeteksi cacat-cacat pada produk kayu berdasarkan sensitivitas gelombang terhadap perubahan kerapatan dan arah serat. Laser digunakan untuk mengukur sudut serat permukaan. Sinar X dapat digunakan untuk menentukan kerusakan internal pada kayu utamanya pada kayu bulat seperti log, tiang dan pancang. Cacat yang terdeteksi meliputi mata kayu, pecah, lubang serangga dan adanya busuk/lapuk. Beberapa sistem optik dikembangkan untuk penginderaan dan pencarian cacat permukaan pada permukaan kayu dalam penentuan proses pemilahan. Selanjutnya uraian mengenai metode pengujian non destruktif berikut ini disarikan dari Tanasoiu et al. (2002). Teknik NDT yang digunakan dalam industri hasil hutan dapat digunakan untuk mengontrol dan mengevaluasi kualitas dan sifat-sifat kayu dan struktur yang terbuat dari kayu dan dapat diklasifikasikan dalam kategori berikut ini: a. Deteksi cacat b. Penyortiran dan pemilahan produk struktural c. Evaluasi elemen berkayu pada lokasi penggunaannya Beberapa metode NDT yang digunakan untuk mengevaluasi produk-produk kayu adalah: Pemeriksaan visual Metode ini merupakan metode yang sederhana dan paling tua yang masih diandalkan dalam praktik tetapi sangat subjektif. Sedikit kemajuan pemeriksaan adalah dengan mendengarkan suara bergema yang dihasilkan dengan mengetukkan palu atau mengikis permukaan untuk menentukan dalamnya degradasi. 4

6 Gelombang tegangan sonik Teknik ini berdasarkan fakta bahwa kecepatan suara dan atenuasi bergantung pada kekuatan dan kekakuan kayu. Berdasarkan teori tersebut, modulus elastisitas dinamis (E din ) dapat dihitung dari persamaan : E din = ρ. v 2 dimana ρ adalah kerapatan kayu dan v adalah kecepatan gelombang tegangan. Gelombang tegangan ultrasonik Teknik NDT gelombang tegangan ultrasonik adalah sama dalam beberapa cara dengan pendekatan gelombang sonic kecuali bahwa ultrasonik bekerja pada frekuensi yang lebih tinggi. Untuk kayu, kisaran frekuensi yang paling baik adalah antara khz karena atenuasi yang tinggi pada kayu. Kecepatan akustik dan koefisien atenuasi akustik digunakan sebagai penaksir kekuatan dan peningkatan waktu lintas antara dua tranduser dapat menunjukkan adanya cacat. Metode ultrasonik sangat populer dengan bahan yang homogen, tidak berpori dan paling efektif untuk pembuatan pengawasan kualitas area delaminasi dari struktur laminasi, karena kemampuan gelombang ultrasonik memusat dalam area yang kecil. Ultrasound dipengaruhi oleh faktor lingkungan dan karakteristik kayu seperti kadar air dan arah serat. Sebagai contoh, ultrasound sekitar tiga kali lebih cepat searah serat dibandingkan arah melintang pada kayu solid, sehingga memungkinkan untuk mendeteksi cacat, termasuk perubahan pada arah serat. Metode lain Beberapa metode lain yang digunakan untuk menentukan dan mengawasi kualitas kayu dan komposit kayu dengan cara nondestruktif adalah metode defleksi, elektris, radiasi gamma atau isotop, radar dan sinar X. Secara praktis, metode ultrasonik merupakan metode yang paling cocok khususnya untuk tujuan pengawasan kualitas. Informasi yang disediakan dengan metode ini selama proses produksi dapat digunakan untuk menghentikan pembuatan produk sebelum proses keluar kontrol. Keberhasilan metode ultrasonik sangat bergantung pada kualitas tranduser piezoelektrik yang digunakan sebagai pemancar dan penerima. 5

7 Terdapat beberapa merk dagang (komersial) alat yang digunakan dalam mengukur gelombang tegangan ultrasonik pada pengujian nondestruktif, khususnya yang digunakan dalam beberapa penelitian. Di antaranya adalah Metriguard Model 239A Stress-Wave Timer, Sylvatest Duo, Fakopp Microsecond Timer dan IML Electronic Hammer (Brashaw et. al. 2005) dan PUNDIT (Kang and Booker, 2002) PENGARUH BEBERAPA VARIABEL KAYU TERHADAP KECEPATAN GELOMBANG ULTRASONIK Kecepatan gelombang ultrasonik dapat dipengaruhi oleh beberapa variabel yang berasal dari kayu (Beall, 2002). Variabel-variabel tersebut adalah: 1. Kadar air Kecepatan gelombang akustik menurun dengan meningkatnya kadar air sampai kondisi titik jenuh serat (TJS). Di atas TJS, kecepatan konstan pada arah serat longitudinal. Atenuasi konstan di bawah kadar air 18% dan meningkat di atas level tersebut. Kang and Booker (2002) menemukan bahwa kecepatan gelombang tegangan menurun dengan tajam pada peningkatan kadar air 0% sampai TJS 30% dan kemudian menurun dengan lambat pada peningkatan kadar air selanjutnya. 2. Orientasi elemen kayu Sudut lingkaran tumbuh dan orientasi serat mempengaruhi perambatan gelombang. Pengaruh sudut lingkaran tumbuh pada softwood adalah nonlinear dengan atenuasi maksimum pada sudut Pengaruh sudut lingkaran tumbuh pada kecepatan dan atenuasi bergantung pada jenis kayu, dimana hardwood memiliki hubungan yang lebih linear dibandingkan softwood. Atenuasi meningkat sedangkan kecepatan gelombang menurun dengan peningkatan sudut serat. Atenuasi lebih sensitif dibandingkan kecepatan pada bahan anisotropis. 3. Kerapatan Pengaruh kerapatan pada gelombang akustik bergantung pada jenis kayu, struktur kayu dan arah pengukuran. Oliveira and Sales (2006) melaporkan 6

8 bahwa kecepatan ultrasonik cenderung meningkat dengan meningkatnya kerapatan kayu pada beberapa jenis kayu yang diteliti. 4. Lapuk/busuk Kecepatan gelombang ultrasonik menurun sedangkan atenuasi meningkat dengan adanya lapuk/busuk. Perubahan kecepatan dipengaruhi oleh jenis jamur dan jenis kayu. Kabir and Araman (2002) melaporkan bahwa lapuk/busuk memiliki pengaruh yang lebih besar dibandingkan jenis cacat yang lain terhadap pengukuran ultrasonik. 5. Geometri Konfigurasi fisik dari bahan berdasar kayu berperan penting dalam perambatan gelombang. Untuk bahan berlapis, setiap interface lapisan menyebabkan refleksi, refraksi dan konversi mode dari gelombang. Pengaruh yang sama terjadi pada lapisan perekat pada bahan yang dilaminasi. Ketika gelombang mencapai sebuah permukaan dengan udara, sebenarnya semua energi direfleksikan kembali ke dalam bahan tetapi konversi mode juga terjadi. Hanya pada bahan yang tipis seperti vinir, sebagian energi diubah ke gelombang lenturan. PENUTUP Metode pengujian nondestruktif kayu semakin berkembang dari metode sederhana berupa pemeriksaan visual hingga ke metode dengan penggunaan berbagai peralatan canggih. Di antara metode yang telah berkembang tersebut, pengujian dengan menggunakan metode ultrasonik merupakan salah satu metode yang dianggap praktis. Penggunaannya semakin beragam pada bentuk yang lebih spesifik selain sekadar mengukur kekuatan kayu. Di samping dalam bentuk kayu solid, produk-produk olahan berbahan dasar kayu juga dapat diuji atau ditentukan sifat-sifatnya menggunakan metode ultrasonik. 7

9 DAFTAR PUSTAKA Beall, F.C., Overview of the use of ultrasonic technologies in research on wood properties. Wood Science and Technology 36: Brashaw B.K, Vatalaro, R.J., Wacker, J.P. and Ross, R.J Condition assessment of timber bridges: 2. Evaluation of several stress-wave tools. Gen. Tech. Rep. FPL-GTR-160. Madison, WI:USDA, Forest Service, FPL, 11p. Falk, R.H., Mallory M.P. and McDonald K.A Nondestructive testing of wood products and structures: state-of-the-art and research needs. In: Proceedings of Conference on Nondestructive testing and evaluation for manufacturing and construction. New York, August 9-12, pp Kabir, M.F. and Araman, P.A Nondestructive evaluation of defects in wood pallet parts by ultrasonic scanning. In: Proceedings of the 13 th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. California, August 19-21, pp Kang, H. and Booker, R.E Variation of stress wave velocity with MC and temperature. Wood Science and Technology 36: Oliveira, F.G.R. and Sales, A Density effect on ultrasonic velocity in Brazilian wood. In: Proceedings of the 9 th World Conference on Timber Engineering. Portland, Oregon, USA, August 6-10, Ross, RJ Nondestructive testing of wood. In: Proceedings Nondestructive evaluation of civil structures and materials. Colorado, May p Tanasoiu, V., Miclea, C. and Tanasoiu, C Nondestructive testing techniques and piezoelectric ultrasonics tranducers for wood and built in wooden structures. Journal of Optoelectronics and Advanced Material, Vol 4 (4):