Program Studi S-1 Teknik Sipil, Universitas Kristen Maranatha, Jl. Suria Sumantri 65, Bandung 1

Transkripsi

1 Konferensi Nasional Teknik Sipil 11 Universitas Tarumanagara, Oktober 2017 METODE PEMBELAJARAN MELALUI PENGUJIAN EKSPERIMENTAL (Studi Kasus Pengujian Destruktif dan Pengujian Non-Destruktif dalam Menentukan Modulus Elastisitas) Roi Milyardi 1 dan Yosafat Aji Pranata 2 Program Studi S-1 Teknik Sipil, Universitas Kristen Maranatha, Jl. Suria Sumantri 65, Bandung 1 roimilyardi2@gmail.com 2 yosafat.ap@gmail.com ABSTRAK Nilai modulus elastisitas (MoE) kayu digunakan sebagai parameter untuk menentukan nilai acuan desain lentur dalam perencanaan struktur kayu khususnya struktur balok. Seiring berkurangnya penggunaan kayu sebagai struktur utama di dunia konstruksi, pembelajaran struktur kayu hanya berfokus membahas perhitungan perencanaan sesuai SNI Struktur Kayu. Hal tersebut membuat mahasiswa kurang mamahami cara mendapatkan nilai modulus elastisitas kayu. Terdapat dua buah metode untuk mendapatkan data nilai modulus elastisitas kayu, yaitu metode pengujian destruktif dan metode pengujian non-destruktif. Pada pengujian metode non-destruktif dilakukan pada sturktur balok bangunan kuno eksisting di Kota Bandung dengan bantuan alat uji Sylvatest Trio. Sementara itu pada pengujian metode destruktif dilakukan pengujian balok kayu dengan alat Universal Testing Machine (UTM) sampai hancur, kemudian didapatkan kurva beban (P) terhadap lendutan (δ) dari kondisi awal hingga kondisi ultimate untuk menentukan beban batas proporsional untuk menentukan modulus elastisitas (MoE). Pada metode pengujian non-destruktif dilakukan pengujian balok dengan menggunakan alat pemancar gelombang ultrasonik untuk mendapatkan nilai modulus elastisitas tanpa merusak komponen struktur kayu. Pada penelitian ini pengujian metode destruktif dilakukan pengujian balok kayu. Hasil pengujian metode destruktif menunjukkan hasil nilai modulus elastisitas kayu dengan kegagalan lentur cross-grain tension dan simple tension, sementara pada pengujian metode non-destruktif menunjukan bahwa struktur balok kayu pada bangunan dapat ditentukan nilai modulus elastisitasnya (MoE) dari cepat rambatan gelombang ultrasonik melalui alat Sylvatest Trio. Diharapkan melalui pengujian non-destruktif penentuan modulus elastisitas (MoE) mahasiswa dapat memahami metode memproleh nilai modulus elastisitas (MoE) tanpa merusak balok kayu eksisting yang dapat membantu proses evaluasi kondisi suatu bangunan eksisting tanpa merusaknya. Sementara melalui pengujian destruktif uji lentur kayu di laboratorium, diharapkan mahasiswa dapat memahami jenis kegagalan lentur balok, dapat memahami metode memproleh nilai modulus elastisitas (MoE) melalui data laboratorium (kurva P- δ) dan cara untuk mengolahnya. Kata kunci: Pembelajaran, Kayu, Pengujian Destruktif, Pengujian Non-Destruktif, Sylvatest Trio. 1. PENDAHULUAN Nilai modulus elastisitas (MoE) kayu digunakan sebagai parameter untuk menentukan nilai acuan desain lentur dalam perencanaan struktur kayu khususnya struktur balok. Seiring berkurangnya penggunaan kayu sebagai struktur utama di dunia konstruksi, pembelajaran struktur kayu hanya berfokus membahas perhitungan perencanaan sesuai SNI Struktur Kayu. Hal tersebut membuat mahasiswa kurang mamahami cara mendapatkan nilai modulus elastisitas kayu. Terdapat dua buah metode untuk mendapatkan data nilai modulus elastisitas kayu, yaitu metode pengujian destruktif dan metode pengujian non-destruktif. Pada metode destruktif dilakukan pengujian balok kayu dengan alat Universal Testing Machine (UTM) sampai hancur, kemudian didapatkan kurva tegangan terhadap regangan dari kondisi awal hingga kondisi ultimate untuk menentukan nilai modulus elastisitas. Pada metode pengujian non-destruktif dilakukan pengujian balok dengan menggunakan alat pemancar gelombang ultrasonik untuk mendapatkan nilai modulus elastisitas tanpa merusak komponen struktur kayu. Dengan melakukan pengujian langsung di laboratorium dan lokasi bangunan eksisting, mahasiswa mampu melihat secara langsung dan mengetahui cara mendapatkan nilai modulus elastisitas. Diharapkan dengan metode pengajaran SK-101

2 ini, mahasiswa dapat mengerti karakteristik dari modulus elastisitas kayu (MoE) yang menjadi parameter dalam perencanaan struktur bangunan kayu. 2. STUDI PUSTAKA Penentuan Modulus Elastisitas (MoE) metode non-destruktif Pengujian dilakukan menggunakan alat Sylvatest Trio, merupakan salah satu jenis alat pengujian non-destruktif yang menggunakan teknologi gelombang ultrasonik yang secara khusus untuk material kayu. Sylvatest Trio mengukur kecepatan dari gelombang ultrasonik dan energi dari redaman kayu yang ditunjukkan Gambar 1. Satu set alat sylvatest trio terdiri dari sebuah peragkat elektronik portable dan dua alat penguji ultrasonik beserta kabelnya, sebuah blok tes untuk mengontrol kebenaran fungsi dari alat, dan Software Sylvius (opsional) untuk mendapatkan dan menganalisis data di lapangan. Gambar 1. Perangkat Sylvatest Trio Sementara untuk langkah-langkah pengujian non-destruktif dengan menggunakan Sylvatest Trio adalah sebagai berikut: 1. Pertama, menentukan posisi pengukuran modulus elastisitas (E) serta menandai jarak antar probes pada kayu yang akan diuji. 2. Kedua, mengatur dan menempatkan alat pemancar dan penerima gelombang ultrasonik (probes) pada lubang yang telah dibuat. Posisi penempatan probes dilakukan dengan cara indirect measurement seperti yang ditunjukkan Gambar 2. Gambar 2. Posisi Probes Dengan Cara Indirect measurement (CBS-CBT, 2011) 3. Pada langkah ketiga, hubungkan alat pemancar dan penerima gelombang ultrasonik (probes) dengan perangkat elektronik portable. 4. Pada langkah keempat, membaca data hasil pemancaran gelombang ultrasonik dari Sylvatest Trio berupa waktu cepat rambat gelombang (t) dalam satuan mikro detk (μs). SK-102

3 5. Setelah berhasil membaca waktu rambat gelombang pada material kayu, maka langkah selanjutnya adalah menentukan kecepatan rambat gelombang ultrasonik (V) melalui Persamaan 1 berikut, L Vt (1) t 10 4 Dengan V t = kecepatan rambat gelombang di material terkoreksi (m/detik), L= jarak antara probes (cm), t=waktu rambat gelombang ultrasonik (μdetik). 6. Setelah menentukan gelombang ultrasonik (V), maka dapat ditentukan modulus elastisitas dinamik (MoE dinamik ) (Bucur, 2006) ditentukan melalui Persamaan 2 berikut, MoE 2 Vt dinamik 6 (2) 10 Dengan MoE dinamik = modulus elastisitas dinamik (MPa), ρ = berat jenis kayu (kg/m 3 ), dan V t = kecepatan rambat gelombang di material terkoreksi (m/detik). 7. Dari data modulus elastisitas dinamik (MoE dinamik ), maka dapat didapatkan nilai elastisitas statik (MOE statik ) (Raymond et al., 2006) melalui Persamaan 3 berikut, MoE statik = 0,891 x MOE dinamik (3) Dengan MoE static = modulus elastisitas statik (MPa), dan MoE dinamik = modulus elastisitas dinamik (MPa) Penentuan Modulus Elastisitas (MoE) metode destruktif Pengujian Lentur kayu Penentuan Modulus Elastisitas (MoE) dengan metode destruktif dilakukan dengan melakukan pengujian lentur kayu yang mengacu pada ASTM D143 (ASTM,2008). Metode pengujian yang digunakan adalah dengan metode pengujian center point-loading test. Kecepatan pembebanan pada alat UTM yaitu control peralihan (crosshead) sebesar 2,5 mm/menit. Gambar 3. Pengujian lentur kayu dengan metode primer ASTM D143 di Laboratorium Gambar 3 memperlihatkan skematik proses pengujian lentur kayu dengan UTM di laboratorium. Dudukan berupa (idealisasi) sendi dan rol dibuat dengan dudukan menggunakan bahan material baja. Sedangkan beban terpusat ditengah bentang (P) ditempatkan pada bagian atas benda uji. Dalam pengujian ini panjang benda uji 1200 mm, jarak antar tumpan (bentang bersih atau L) sebesar 1000 mm. SK-103

4 Kekuatan lentur Berdasarkan ASTM D143 (ASTM, 2008) kriteria kegagalan lentur (static bending flexural failures) balok dengan model benda uji center pont loading terdiri dari beberapa klasifikasi kegagalan tergantung dari kondisi retak permukaan kayu. Klasifikasi kegagalan balok uji lentur yaitu, simple tension, cross-grain tension, splinter tension, brash tension, compression, dan horizontal shear. (a). simple tension. (b). cross-grain tension. (c). splinter tension. (d). brash tension. (e). compression. (f). horizontal shear. Gambar 4. Klasifikasi kegagalan lentur balok (ASTM, 2008) Tipe kegagalan simple tension (Gambar 4.a) adalah terjadi retak pada serat terluar bagian tarik kemudian retak menjalar pada arah sejajar serat. Tipe kegagalan cross-grain tension (Gambar 4.b) adalah terjadi retak pada serat terluar bagian tarik dengan arah penjalaran retak menyilang atau melintasi arah serat. Tipe kegagalan splinter tension (Gambar 4.c) adalah pada serat terluar bagian tarik terjadi retak berbentuk serpih sehingga kayu terpecah. Tipe kegagalan brash tension (Gambar 4.d) adalah terjadi retak bersifat getas atau regas (brittle) pada serat terluar bagian tarik. Tipe kegagalan compression (Gambar 4.e) adalah retak terjadi pada serat terluar bagian tekan. Tipe kegagalan horizontal shear (Gambar 4.f) adalah retak menjalar mengikuti arah serat atau disebut gagal geser (ASTM, 2008; Pranata et.al., 2011) Teori Balok Elastik Lendutan balok dalam rentang beban elastic (Gere, 2004) untuk model balok sederhana dengan beban terpusat (P) ditengah bentang dapat dihitung berdasarkan Persamaan 4 sebagai berikut, 3 P.L (4) 48.E.I Dengan P adalah beban beban terpusat ditengah bentang, L adalah panjang bentang, E adalah modulus elastisitas yang mana dalam pembahasan tulisan ilmiah ini adalah MoE, sedangkan Ix adalah momen inersia penampang. Selanjutnya Persamaan 4 tersebut dapat ditulis menjadi sebagai berikut, x 3 MoE P.L 48..I x (5) 3. STUDI KASUS DAN PEMBAHASAN Penentuan Modulus Elastisitas (MoE) metode non-destruktif Pengujian non-destruktif balok kayu dilakukan pada seluruh struktur kayu bangunan kuno eksisting, yaitu Vihara Satya Budhi Bandung. Vihara Satya Budhi didirikan tahun 1885 dan berlokasi di Jalan Kelenteng No. 10/23A, Kota Bandung (Gambar 5). Struktur bangunan Vihara Satya Budhi terdiri dari system rangka (Frame) kayu yang dikombinasikan dengan struktur dinding bata. Pengukuran non-destruktif dilakukan dengan menggunakan alat Sylvatest Trio dengan bantuan mengunakan tangga/rangka penopang untuk mencapai struktur balok yang memiliki elevasi ketinggian 4-7m. Pengukuran dimulai dengan menentukan jarak antar Probes Sylvatest Trio (Gambar 6). Selanjutnya pengukuran dilakukan pada daerah tumpuan kiri, tumpuan kanan dan tengah bentang dengan jumlah pengukuran 4 titik pada masing-masing daerah pengukuran yang dilakukan untuk mendapatkan data yang valid pada setiap balok yang diukur. SK-104

5 Gambar 5 Foto Tampak Luar Vihara Satya Budhi (a). Menentukan Jarak Antar Probes (b).pengukuran non-destruktif Gambar 6. Pengukuran Non-Destruktif balok kayu pada Bangunan Eksisting Hasil pengukuran Sylvatest Trio (Gambar 7) memiliki luaran data berupa waktu rambat gelombang ultrasonik (t) dalam mikro detik (μs). Setelah dilakukan pengukuran dengan alat Sylvatest Trio, diperlukan sample data berat jenis bangunan kayu. Setelah semua data yang diperlukan pada Persamaan 1 dan Persamaan 2, maka dapat dihitung nilai Modulus Elastisitas (MoE) balok kayu sesuai dengan Persamaan 3. Berikut diagram alir proses menentukan nilai Modulus Elastisitas (MoE) pada balok kayu dengan metode non-destruktif yang ditunjukkan pada gambar 8. Gambar 7. Data Hasil Pemancaran Gelombang Sylvatest Trio SK-105

6 Setelah dilakukan pengukuran dengan alat Sylvatest Trio, diperlukan sample data berat jenis bangunan kayu. Setelah semua data yang diperlukan pada Persamaan 1 dan Persamaan 2, maka dapat dihitung nilai Modulus Elastisitas (MoE) balok kayu sesuai dengan Persamaan 3. Berikut diagram alir proses menentukan nilai Modulus Elastisitas (MoE) pada balok kayu dengan metode non-destruktif yang ditunjukkan pada gambar 8. Gambar 8. Diagram alir menentukan diagram alir dengan metode non-destruktif Penentuan Modulus Elastisitas (MoE) metode destruktif Balok yang akan diuji adalah balok kayu sebanyak 3 buah benda uji. Pengujian dilakukan dengan kecepatan 2,5 mm/menit. Benda uji diposisikan pada mesin UTM dan pengujian lentur dimulai hingga benda uji mengalami kegagalan yang ditunjukkan pada Gambar 9. Gambar 9. Posisi Benda Uji Pada UTM SK-106

7 Pada Gambar 10, terlihat kegagalan yang dialami masing-masing balok kayu. Pada benda uji 1 mengalami kegagalan simple tension. Sedangkan pada benda uji 2 dan benda uji 3 mengalami kegagalan cross-grain tension. (a). Benda Uji 1 (b). Benda Uji 2 (c). Benda Uji 3 Gambar 10. Kegagalan yang Terjadi Pada Benda Uji Dari hasil pengujian, didapatkan kurva hubungan beban (P) terhadap lendutan (δ) yang ditunjukkan pada Gambar 11. Dari kurva hubungan beban(p)-lendutan (δ), dapat ditentukan beban batas proporsional yang dapat ditentukan melalui beberapa metode diantaranya metode Karacabeyli dan Ceccotti, CSIRO, EEEP, serta Yasumura dan Kawai (Munoz et al. 2010) yang ditunjukkan pada Gambar 12. Dari nilai beban batas proporsional dapat ditentukan nilai modulus elastisitas (MoE) melalui Persamaan 5. Gambar 11. Kurva Beban (P)-Lendutan (δ) Hasil Uji Lentur Balok Kayu Pada Mesin UTM SK-107

8 (a). Karacabeyli dan Ceccotti (b). CSIRO (c). EEEP (d). Yasumura dan Kawai Gambar 12. Metode Penentuan Beban Batas Proporsional Pada Kurva P- δ Uji Lentur Balok Kayu (Munoz et al. 2010) 4. KESIMPULAN Dari hasil pengujian non-destruktif pada balok kayu dengan alat Sylvatest Trio, nilai modulus elastisitas (MoE) kayu dapat diketahui melalui data kecepatan rambat gelombang ultrasonik yang merambat pada balok kayu. Sementra itu pada pengujian destruktif lentur balok kayu dengan alat Universal Testing Machine (UTM), nilai modulus elastisitas (MoE) kayu dapat diketahui melalui data kurva P- δ yang digunakan untuk menentukan nilai beban batas proporsional untuk mendapatkan nilai modulus elastisitas (MoE) dengan beberapa jenis kegagalan lentur kegagalan (cross-grain tension dan simple tension). Diharapkan melalui pengujian non-destruktif penentuan modulus elastisitas (MoE) mahasiswa dapat memahami metode memproleh nilai modulus elastisitas (MoE) tanpa merusak balok kayu eksisting yang dapat membantu proses evaluasi kondisi suatu bangunan eksisting tanpa merusaknya. Sementara melalui pengujian destruktif uji lentur kayu di laboratorium, diharapkan mahasiswa dapat memahami jenis kegagalan lentur balok, dapat memahami metode memproleh nilai modulus elastisitas (MoE) melalui data laboratorium (kurva P- δ) dan cara untuk mengolahnya. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih secara tulus kepada Yayasan Vihara Satya Budhi atas kesempatan yang diberikan yaitu melalui ijin melakukan tes non-destruktif pada seluruh struktur bangunan kayu eksisting dalam penelitian ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Franz Purnomo, S.T., dan Kevin, S.T. atas segala bantuannya selama proses pengujian nondestruktif pada lokasi bangunan eksisting. DAFTAR PUSTAKA Milyardi, R. dan Pranata, Y.A. (2015). Evaluasi Kinerja Kolom dan Balok Bangunan Kayu Eksisting dengan Pengujian Nondestruktif. Tugas Akhir. Universitas Kristen Maranatha. Alves, Rejane C. et al.(2015). Application of Acoustic Tomography and Ultrasonic Waves to Estimate Stiffness Constant of Muiracatiara Brazilian Wood.BioResource,Vol 10(1), Pranata, Y.A, dan Palapessy, J.G.(2014). Kekuatan Lentur, MOE, Dan MOR Kayu Ulin (Eusideroxylon Zwageri).Jurnal Teknik Sipil, Vol. 13(1), Horȧcek, Petr et al. (2012). Nondestructif evaluation of static bending properties of scots pine wood using stress wave technique. Wood Research,Vol. 57(3), SK-108

9 Pranata, Y.A., Suryoatmono, B., Tjondro, J.A.(2011). Penelitian Numerikal dan Eksperimental Kuat Lentur Kayu Indonesia. Seminar Nasional-1 BMPTTSSI KoNTekS 5, Universitas Sumatera Utara, Medan, 14 Oktober CBS-CBT.(2011).Sylvatest TRIO User Manual.CBS-SBT Munoz, W., Mohammad, M., Salenikovich, A., Quenneville, P. (2010). Determination of Yield Point and Ductility of Timber Assemblies: In Search for a Harmonized Approach, Engineered Wood Products Association. American Society for Testing and Materials.(2008). Annual Book of ASTM (Volume Wood D143). American Society for Testing and Material Raymond, C.A et al.(2007). Relationship between Timber Grade, Static and Dynamic Modulus of Elasticity, and Silviscan Properties For Pinus Radiata In New South Wales.New Zealand Journal of Forestry Science, Vol. 37(2), Bucur,V.(2006). Acoustics of Wood.Springer-Verlag.Germany, Berlin Gere, J.M.(2004).Mechanics of Materials.Thomson Learning, Inc. SK-109