ANALISIS BEBAN TEKUK KRITIS KOLOM SANDWICH KOMPOSIT SERAT ALAM MENGGUNAKAN PENDEKATAN METODE ELEMEN HINGGA DUA DIMENSI (2-D)

Transkripsi

1 ANALISIS BEBAN TEKUK KRITIS KOLOM SANDWICH KOMPOSIT SERAT ALAM MENGGUNAKAN PENDEKATAN METODE ELEMEN HINGGA DUA DIMENSI (2-D) TUGAS AKHIR Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Menyelesaikan Pendidikan Tingkat Sarjana di Program Studi Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung oleh: DIAN FADILLAH SAFARI Dosen Pembimbing: Dr.Ir. BAMBANG KISMONO HADI Ir. MUHAMMAD KUSNI, MT Dr. Ir. DJAROT WIDAGDO PROGRAM STUDI TEKNIK PENERBANGAN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

2 PROGRAM STUDI TEKNIK PENERBANGAN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Jl. Ganesha No.10 Bandung Telp. (022) Fax.(022) Pengesahan Tugas Akhir Sarjana Nama Mahasiswa : Dian Fadillah Safari Dosen Pembimbing : 1. Dr. Ir. Bambang Kismono Hadi 2. Ir. Muhammad Kusni, MT 3. Dr. Ir. Djarot Widagdo Judul Tugas Akhir : ANALISIS BEBAN TEKUK KRITIS KOLOM SANDWICH KOMPOSIT SERAT ALAM MENGGUNAKAN PENDEKATAN METODE ELEMEN HINGGA DUA DIMENSI (2-D) Jangka Waktu Penyusunan : Tujuh Bulan Isi Tugas Akhir : 1. Mencari harga beban kritis yang terjadi secara numerik pada kolom sandwich komposit serat alam menggunakan pemodelan dua dimensi (2-D) MSC NASTRAN. 2. Menganalisis pengaruh delaminasi antara face dan core terhadap beban kritis yang terjadi. 3. Perbandingan hasil metode eksperimental dan metode numerik. Bandung, September 2007 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Dr. Ir. Bambang Kismono Hadi Ir. Muhammad Kusni, MT Dosen Pembimbing III Dr. Ir. Djarot Widagdo

3 ABSTRACT ABSTRACT Sandwich structure from natural fiber is potential to be developed as alternative material of wood and metal. This is due to its potential properties i.e. renewable, ligwas modeled htweight, and its competitive mechanical property compared to fiberglass composite. In addition, Indonesia has an abundant amount of natural resources including natural fiber. Nevertheless, sandwich structure has problem with compressive loading. This final project is a research about behavior of natural sandwich column under compressive loading. The Sandwich column consists of core (Coconut powder/latek) and face (Hemp/Epoxy or Coir/Epoxy). The sandwich column was modeled as 2-D perfect column with simply supported and uniaxial loading in MSC.Nastran. This final project has four model, that is overall buckling model, wrinkling, model with thickness variation of core, and overall buckling model with initial delamination. From analyze result, critical load of sandwich with face Hemp/Epoxy is 206,02 N/mm for overall buckling model and 306,97 N/mm for wrinkling model. In other hand, critical load of sandwich with face Coir/Epoxy is N/mm for overall buckling model and N/mm for wrinkling model. The analyzed result of model with thickness variation of core is that critical load increase with core thickness increasing and occur mode change from overall buckling mode to wrinkling mode after gain certain thickness. On the sandwich column occur decrease of critical load due to delamination between face and core. At experiment, on sandwich column occur delamination and its critical load approach the result of numerical method for model with 40% initial delamination. Keyword: Natural sandwich column, critical load, overall buckling, wrinkling, delamination. iii

4 ABSTRAK ABSTRAK Struktur sandwich dari serat alam memiliki potensi untuk dikembangkan menjadi material alternatif pengganti logam dan kayu. Hal ini dikarenakan sifatnya yang dapat diperbaharui, ringan, dan sifat mekaniknya yang kompetitif dibandingkan dengan komposit serat gelas. Selain itu, Indonesia kaya akan sumber daya alamnya termasuk serat alam. Namun permasalahannya adalah struktur sandwich sangat rentan terhadap beban kompresi. Tugas akhir ini meneliti tentang perilaku yang terjadi pada kolom sandwich komposit alam ketika diberi beban tekan. Kolom sandwich terdiri dari core (Serbuk Kelapa/Latek) dan face (Rami/Epoxy atau Serat Kelapa/Epoxy). Kolom sandwich dimodelkan secara dua dimensi pada MSC.Nastran sebagai kolom sempurna dengan tumpuan sederhana dan beban uniaksial. Pada tugas akhir ini dibuat empat jenis model, yaitu model overall buckling, wrinkling, model dengan variasi ketebalan core, dan model overall buckling dengan delaminasi awal. Dari hasil analisis, beban kritis untuk model overall buckling kolom sandwich dengan face Rami/Epoxy sebesar 206,02 N/mm dan untuk model wrinkling sebesar 306,97 N/mm. Sedangkan untuk model overall buckling dengan face Serat Kelapa/Epoxy sebesar 73,65 N/mm dan untuk model wrinkling sebesar 149,60 N/mm. Dari model dengan variasi ketebalan core diperoleh bahwa beban kritis meningkat seiring peningkatan ketebalan core dan terjadi perubahan modus dari overall buckling ke wrinkling setelah mencapai ketebalan core tertentu. Terjadi penurunan beban tekuk kritis untuk model kolom sandwich dengan delaminasi awal. Pada eksperimen, kolom sandwich terjadi delaminasi dan harga beban tekuk kritisnya mendekati hasil numerik untuk model dengan delaminasi awal 40%. Kata kunci: Kolom sandwich alam, beban tekuk kritis, overall buckling, wrinkling, delaminasi ii

5 KATA PENGANTAR KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Allah SWT atas rahmat, hidayah, dan karunia yang telah diberikan, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir yang bertajuk Analisis Beban Tekuk Kritis Kolom Sandwich Komposit Serat Alam Menggunakan Pendekatan Metode Elemen Hingga Dua Dimensi (2-D). Tugas Akhir ini disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan tingkat sarjana di Program Studi Teknik Penerbangan ITB. Dalam Tugas Akhir ini penulis meneliti tentang perilaku kolom sandwich komposit alam ketika diberi beban tekan. Sehingga kegagalan-kegagalan yang bersifat katastropik dalam penggunaannya di kemudian hari dapat dihindari. Selama masa ini, penulis telah mendapatkan banyak sekali bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Kedua orang tua penulis dan kerabat yang selalu mendoakan dan memberikan dukungan kepada penulis. 2. Bapak Dr. Ir. Bambang Kismono Hadi, selaku pembimbing utama. Terima kasih atas segala bimbingan, masukan, dan dukungan yang telah diberikan selama ini. 3. Bapak Ir. Muhammad Kusni, MT yang telah memberikan banyak masukan, semangat, dan motivasi dalam mengerjakan tugas akhir ini. 4. Bapak Dr. Ir. Djarot Widagdo, yang telah memberikan banyak masukan terutama pada saat penulisan laporan Tugas Akhir. 5. Bapak Ir. Rais Zain, M.Eng yang telah bersedia dan menyempatkan waktunya untuk menjadi dosen penguji pada acara sidang Tugas Akhir ini. 6. Seluruh dosen di Teknik Penerbangan yang telah mendidik dan mengajar penulis selama kuliah di ITB. Terima kasih atas wawasan dan pengetahuan yang diberikan. 7. Teman-teman seperjuangan yang TA tentang komposit alam, Ahmad, Ami, Dani (alm), Henry, dan Vicky. Akhirnya kita berhasil juga, tapi iv

6 KATA PENGANTAR perjuangan masih tetap berlanjut di jalan masing-masing, selamat berjuang Pak Kosim, Pak Dali, Pak Enang, dan mas Adi di laboratorium bawah, terima kasih telah memberi tempat untuk pembuatan spesimen dan membantu dalam pengujian, maaf pak...labnya jadi kotor. 9. Mbak Vika dan mbak Sevi di perpustakaan PN, yang telah membantu penulis dalam hal suplai buku, maaf mbak... memperpanjang bukunya suka telat. 10. Seluruh staf tata usaha program studi Teknik Penerbangan, yang telah banyak membantu administrasi penulis di Teknik Penerbangan. 11. Seluruh mahsiswa Teknik Penerbangan khususnya PN 2003, tanpa kalian aku bukanlah apa-apa, selamat berjuang... Semangat!!!... PN 3x... Penerbangan hati kami...kmpn jiwa kami...jayalah selama-lamanya Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu di laporan ini. Penulis menyadari bahwa laporan ini masih terdapat berbagai kekurangan dan kelemahan, masih jauh dari sempurna. Namun, penulis telah berusaha semaksimal mungkin untuk menguranginya. Penulis pun mengharapkan kritik dan saran dari para pembaca guna menyempurnakan penulisan laporan ini. Semoga Laporan Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat baik bagi penulis ataupun pembaca. Bandung, September 2007 Penulis v

7 DAFTAR ISI DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN... i ABSTRAK... ii ABSTRACT... iii KATA PENGANTAR... iv DAFTAR ISI... vi DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Gambaran Umum Struktur Sandwich Tujuan Penelitian Rumusan Masalah Batasan Masalah Sistematika Pembahasan... 5 BAB II DASAR TEORI Serat Alam Serat dan Serbuk Kelapa Serat Rami Mekanika Struktur Komposit Lamina Teori Laminat Klasik Resultan Gaya dan Momen dalam Laminat Konsep Kestabilan dan Ketidakstabilan Overall Buckling Wrinkling Buckling pada Sandwich dengan Delaminasi Metode Elemen Hingga Elemen Bidang Segiempat vi

8 DAFTAR ISI 2.6 MSC/Nastran Geometry Model Finite Element Modelling Analyzing Result BAB III PENGUJIAN SIFAT MEKANIK MATERIAL Pembuatan Spesimen Pembuatan Core Pembuatan Face Prosedur dan Peralatan Pengujian Pengujian Tarik Pengujian Tekan Hasil Pengujian Hasil Uji Tarik Hasil Uji Tarik Serat Kelapa/Epoxy Hasil Uji Tekan Serbuk Kelapa/Latek BAB IV PEMODELAN ELEMEN HINGGA Deskripsi Umum Geometri Kolom Sandwich Material Kolom Sandwich dengan Face dari Serat Rami Kolom Sandwich dengan Face dari Serat Kelapa Kondisi Batas dan Pembebanan Perhitungan Harga Beban Kritis BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Konvergensi Struktur Sandwich dengan Face Rami/Epoxy Model Overall Buckling Model Wrinkling Variasi Ketebalan Core Struktur Sandwich dengan Face Serat Kelapa/Epoxy Pengaruh Delaminasi terhadap Beban Kritis vii

9 DAFTAR ISI 5.5 Perbandingan Hasil Analisis Numerik dengan Eksperimental BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN viii

10 DAFTAR GAMBAR DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Struktur Sandwich... 3 Gambar 2.1 Mikroskopik Serat Alam [1] Gambar 2.2 Lamina Pada Sumbu Utama Bahan (1,2,3 )[9] Gambar 2.3 Sumbu (x,y) Membentuk Sudut θ Terhadap Sumbu (1,2). Sumbu z Merupakan Sumbu Putar [9] Gambar 2.4 Susunan Laminat [8] Gambar 2.5 Konsep stabilitas dari suatu kesetimbangan Gambar 2.6 Kondisi keseimbangan kolom pada pembebanan tekan Gambar 2.7 Diagram batas fasa kestabilan dan tidak ketidakstabilan Gambar 2.8 Modus Ketidakstabilan Struktur Sandwich [11] Gambar 2.9 Struktur sandwich ketika mendapat beban uniaksial Gambar 2.10 Modus Wrinkling Gambar 2.11 Delaminasi pada Struktur Sandwich [10] Gambar 2.12 (a) Elemen Segiempat, (b) Elemen Linier dalam Koordinat ξ-η, dan (c) Pemetaan Elemen dalam Koordinat x-y.[12] Gambar 2.13 Skema Tahapan Proses pada MSC/Nastran Gambar 2.14 Bentuk-bentuk elemen pada MSC/Nastran [12] Gambar 3.1 Bahan Serat yang Digunakan Gambar 3.2 Serbuk Kelapa dan Matrik yang Digunakan Gambar 3.3 Cetakan yang Digunakan Gambar 3.4 Spesimen Uji Tarik Gambar 3.5 Spesimen Uji Tekan Gambar 3.6 Grafik Hasil Pengujian Tarik Rami/Epoxy untuk Spesimen Gambar 3.7 Grafik Hasil Pengujian Tarik Serat Kelpa/Epoxy untuk Spesimen Gambar 3.8 Grafik Hasil Pengujian Tekan Serbuk Kelapa/Latek Spesimen 2 35 Gambar 4.1 Sandwich Dengan Beban Tekan Gambar 4.2 Geometri Kolom Sandwich ix

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 4.3 Kondisi Batas dan Beban pada Kolom Sandwich Gambar 5.1 Grafik Konvergensi untuk Overall Buckling Gambar 5.2 Grafik Konvergensi untuk Wrinkling Gambar 5.3 Modus Pertama Overall Buckling Sandwich dengan Face Rami/Epoxy Gambar 5.4 Modus kedua Model Overall Buckling (Face Rami/Epoxy) Gambar 5.5 Modus ketiga Model Overall Buckling (Face Rami/Epoxy) Gambar 5.6 Modus Pertama Wrinkling Sandwich dengan Face Rami/Epoxy 46 Gambar 5.7 Modus kedua Model Overall Buckling (Face Rami/Epoxy) Gambar 5.8 Modus ketiga Model Overall Buckling (Face Rami/Epoxy) Gambar 5.9 Grafik Beban Kritis terhadap Variasi Ketebalan Core Gambar 5.10 Modus Pertama Model dengan Tebal Core 45 mm Gambar 5.11 Pcr dengan Variasi Tebal Core dan Face Gambar 5.12 Modus Pertama Model Face 2 mm dan Core 45 mm Gambar 5.13 Modus Pertama Model Face 1.2 mm dan Core 31 mm Gambar 5.14 Modus Pertama Overall Buckling Sandwich dengan Face Serat Kelapa/Epoxy Gambar 5.15 Modus kedua Model Overall Buckling (Face Serat Kelapa/Epoxy) Gambar 5.16 Modus ketiga Model Overall Buckling (Face Serat Kelapa/Epoxy) Gambar 5.17 Modus Pertama Model Wrinkling Sandwich dengan Face Serat Kelapa/Epoxy Gambar 5.18 Modus kedua Model Wrinkling (Face Serat Kelapa/Epoxy) Gambar 5.19 Modus ketiga Model Wrinkling (Face Serat Kelapa/Epoxy) Gambar 5.20 Grafik Beban Kritis terhadap Variasi Ketebalan Core (Serat Kelapa/Epoxy) Gambar 5.21 Pengaruh Panjang Delaminasi terhadap Beban Kritis Model Overall Buckling Rami/Epoxy Gambar 5.22 Delaminasi 10 % model Overall Buckling (a.1 lapisan face, b.2 lapisan face) x

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 5.23 Delaminasi 40 % model Overall Buckling (a.1 lapisan face, b.2 lapisan face) Gambar 5.24 Beban Buckling Lokal vs Besar Delaminasi Dengan Delaminasi satu dan dua lapisan face [6] Gambar 5.25 Spesimen hasil pengujian tekuk xi

13 DAFTAR TABEL DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perbandingan kualitatif antara serat alam dan serat gelas [1]... 8 Tabel 3.1 Data Hasil Pengujian Tarik Rami/Epoxy Tabel 3.2 Data Hasil Pengujian Tarik Serat Kelapa/Epoxy Tabel 3.3 Data Hasil Pengujian Tekan Serbuk Kelapa/Latek Tabel 4.1 Dimensi Kolom Sandwich Tabel 4.2 Data Sifat Mekanik Material Rami/Epoxy & Serbuk Kelapa/Latek 38 Tabel 4.3 Data Sifat Mekanik Material Serabut Kelapa/Epoxy & Serbuk Tabel 5.1 Data Beban Kritis dengan Variasi Ketebalan Core Tabel 5.2 Data Beban Kritis dengan Variasi Ketebalan Core dan Face Tabel 5.3 Data Beban Kritis dengan Variasi Ketebalan Core (Serat Kelapa/Rami) Tabel 5.4 Hasil Perhitungan NASTRAN untuk Kolom Sandwich Rami/Epoxy dengan Delaminasi Tabel 5.5 Perbandingan Hasil Numerik dan Pengujian Tekuk untuk Kolom Sandwich dengan Face Rami/Epoxy (h = 30 mm) Tabel 5.6 Beban Tekuk Kritis Dengan Super Glue (Adhesive) xii