BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Kondisi hutan di Indonesia semakin memburuk akibat eksploitasi berlebihan, illegal logging, dan pembakaran hutan. Hal ini mengakibatkan datangnya bencana dari tahun ke tahun di Indonesia, terutama pulau Sumatera, Kalimantan, dan Papua. Dalam dunia engineering, menemukan material alternatif pengganti kayu adalah salah satu upaya mendukung pelestarian hutan. Bambu memiliki pontensi sebagai material alternatif pengganti kayu karena karakteristiknya yang mirip. Kolom bambu utuh memiliki potensi sebagai material alternatif pengganti kayu. Berdasarkan penelitian sebelumnya ditunjukkan bahwa bambu dapat berfungsi sebagai komponen struktural (Morisco, 2006 ; Janssen, 1997 ; Jayanetti, 2003; Sattar, 2003; Irawati, 2008 dan 2009). Bambu termasuk green construction material yang memiliki keunggulan pada keterbaruannya. Material bambu bersifat ramah lingkungan yang dapat dipanen dengan kualitas prima pada umur 3-5 tahun dari masa tanamnya. Sedangkan kayu tradisional membutuhkan waktu belasan bahkan puluhan tahun antara masa tanam dan panennya. Tidak hanya pertumbuhannya yang cepat tetapi bambu juga sangat efisien bila dibandingkan material konstruksi lainnya. Efisien disini adalah apabila dibandingkan dengan material konstruksi lainnya, rasio kekuatan-berat bambu lebih besar dari kayu tradisional, baja, dan beton bertulang. Walaupun bambu adalah material pengganti kayu yang menjanjikan, namun bambu memiliki kelemahan. Diantaranya bambu memiliki permasalahan pada tingkat keawetannya, sehingga material bambu harus diawetkan terlebih dahulu. Limit State design harus memenuhi 2 kriteria prinsipal, yaitu ULS dan SLS. Bambu unutk Ultimate Limit State (ULS), parameter compression dan tensile strength cukup memenuhi. Namun pada Serviceability Limit State (SLS) karena nilai modulus elastisitas yang relatif kecil, maka timbul masalah pada kekakuan strukturnya seperti terjadi lendutan yang cukup besar sehingga dibutuhkan dimensi yang besar untuk memenuhi SLS. Bambu sendiri adalah material non-prismatik 1

2 dimana penampangnya tidak berbentuk lingkaran sempurna. Bambu memiliki buku-buku yang jarak antar buku bambu satu dengan yang lain tidak sama, selain itu batang bambu juga tidak lurus sempurna. Karena berbagai keterbatasan bentuknya, terdapat kesulitan dalam merangkai batang bambu menjadi suatu komponen struktural (Irawati, 2009). Bentuk struktural bambu dibatasi diameter batang bambu dan kekakuan yang rendah. Untuk meningkatkan konsistensi dimensi, kekuatan, dan keseragaman bentuk, bambu dapat disusun menjadi lapisan lamina tipis. Lamina tersebut kemudian direkatkan menggunakan perekat untuk membentuk komponen struktur yang baku. Rekayasa bahan bangunan ini disebut bambu laminasi. Sifat mekanik dari bambu laminasi lebih menguntungkan dibandingkan dengan kayu tradisional. Karenanya bambu laminasi struktural persegi panjang cukup kompetitif dengan material konstruksi yang umum digunakan. Dalam penelitian ini akan dilakukan pemodelan numeris mengenai perilaku material nonlinear dari bambu Petung (Dendrocalamus Asper) yang telah disusun menjadi bambu laminasi. Dilakukan validasi pada spesimen yang diuji berdasarkan ASTM D (Eratodi, 2014). Digunakan bambu Petung karena materialnya yang mudah didapatkan hampir di seluruh wilayah Indonesia. Diameter batang bambu petung cukup besar, lingkar batangnya bisa mencapai 20 cm, tebal dinding berkisar antara mm, dan panjang ruas antara cm. Studi eksperimental terkait bambu laminasi dalam pembebanan aksial telah dilakukan oleh penelitian sebelumnya. Tetapi dalam analisisnya batang bambu maupun bambu laminasi secara umum masih diasumsikan sebagai material linear dan homogen. Sehingga persamaan yang digunakan untuk mencapai kapasitasnya diturunkan dari Hooke Laws Elasticity (Eratodi, 2007; Sari, 2008). Kenyataannya bambu laminasi tersusun dari banyak lamina bambu yang berdasar studi anatomi material, bambu bersifat non homogen (Liese, 1985; Janssen, 1997; Londono, 2002; Ghavani, 2003; Morisco, 2006). Hasil penelitian menunjukkan bahwa serat bambu bervariasi untuk tiap tebal bambu dan panjang batang bambu yang berbeda. Terkait pengujian sifat mekanik, bambu memiliki sifat nonlinear material (elastisplastis) dalam pembebanan tekan sedangkan pada uji tariknya bersifat linear 2

3 (Chung, 2002; Irawati, 2004; Dongsheng, 2013). Material bambu adalah material orthotropic yang memiliki karakter yang berbeda pada ketiga sumbu utamanya (longitudinal, radial, dan tangensial). Bambu Penelitian lainnya tentang kekuatan material bambu dilakukan oleh Budi (2007), menyatakan bahwa kekuatan material bambu dipengaruhi oleh dimensinya. Disimpulkan bahwa pada dimensi kecil memberikan tahanan yang relatif lebih besar atau lebih dominan. Studi numeris terkait perilaku material nonlinear bambu laminasi pada balokkolom telah dilakukan Irawati (2015). Akan tetapi solusi numeris yang dikembangkan masih menggunakan metode finite difference dan model 1 dimensi, sehingga kegagalan pada laminasinya tidak dapat dimodelkan secara numeris. Kegagalan laminasi pada glulam bambu dapat dilakukan secara numeris jika digunakan model 2 dimensi (plane stress) ataupun 3 dimensi (3D solid). Telah dilakukan analisis numeris kuat tumpu dan sambungan struktur balok kolom bambu laminasi oleh Eratodi (2014). Model yang digunakan adalah 3D solid dengan material bambu laminasi adalah nonlinear orthotropic. Solusi numeris berdasarkan Metode Elemen Hingga diberikan menggunakan software ADINA. Proses validasi dan verifikasi pemodelan numeris bambu laminasi ini masih membutuhkan berbagai kasus pembebanan terhadap model lainnya, seperti beban tekan aksial murni dan beban lentur murni. Berdasar penelitian sebelumnya bambu memiliki anatomi penyusun dan sifat mekanika yang mirip dengan kayu. Selain itu karena komposisi kimianya, bambu memiliki sifat dan karakteristik yang mirip dengan kayu (Qisheng, 2003). Berdasarkan SNI konstruksi kayu pasal menyatakan terdapat faktor volume. Kayu glulam struktural yang dibebani lentur maka harus dikalikan dengan faktor volume. Efek volume mempengaruhi kekuatan struktural glulam kayu. Berdasarkan sifat dan karakteristik yang mirip, maka dalam penelitian ini akan dilakukan analisis numeris material nonlinear dan orthotropic pada spesimen kecil untuk menghindari volume effects. Perilaku material nonlinear bambu laminasi cukup kompleks jika dikerjakan dengan metode analisis. Karena kompleksitasnya dari perilaku material tersebut akan dibutuhkan usaha dan waktu yang panjang. Alternatif lain dalam memahami 3

4 perilaku material nonlinear bambu laminasi adalah dengan metode eksperimental di laboratorium. Namun mengingat dibutuhkan usaha, biaya, dan waktu yang tidak sedikit, maka dibutuhkan suatu alternatif solusi yang lebih cepat dan efisien untuk memahami perilaku material nonlinear bambu tersebut. Alternatif lain adalah analisis numeris menggunakan software untuk menyelesaikan perhitungan kompleks dari perilaku nonlinear tersebut. Dalam penelitian ini akan digunakan software Abaqus untuk memahami sifat fisik dan mekanik dari material nonlinear orthotropic bambu laminasi. Telah dilakukan penelitan yang menggunakan software yang berbasis numeris (Guan, 2009; Raftery, 2013; dan Eratodi, 2014). Penelitian sebelumnya tersebut memberikan hasil yang cukup akurat dengan hasil ekperimental di laboratorium. Berdasarkan latar belakang di atas, pada penelitian ini peneliti ingin mengembangkan pemodelan numeris material nonlinear orthotropic bambu Petung laminasi yang dapat menggambarkan sifat mekanik dan perilaku material elastisplastis secara akurat dari bambu Petung laminasi pada tahap uji spesimen. Digunakan pemodelan menggunakan software Abaqus yang kemudian hasil outputnya dibandingkan dengan hasil eksperimental pengujian tekan sejajar serat berdasarkan ASTM D Sehingga dapat solusi numeris yang merepresentasikan perilaku sesungguhnya dari material bambu Petung laminasi pada level pengujian spesimen. Penelitian ini merupakan langkah awal dalam memodelkan struktur kolom. 1.2 Perumusan Masalah Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana memodelkan bambu petung laminasi pada Abaqus yang merupakan pendekatan dari hasil uji eksperimental tekan sejajar serat pada ASTM D Berapa besar penyimpangan dan apa perbedaan dengan pemodelan numerikal serta hasil uji eksperimental sebelumnya. Selain itu untuk mengetahui respons model pada beban ultimate, tegangan leleh, perilaku plastis, regangan longitudinal, dan regangan lateral pada model spesimen bambu laminasi akibat beban tekan sejajar serat. 4

5 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan dari tesis ini adalah: 1. Mengetahui perilaku akibat beban ultimate, tegangan leleh, perilaku plastis,dan regangan longitudinal serta perilaku nonlinear spesimen bambu laminasi akibat beban tekan sejajar serat dengan menggunakan pemodelan numeris. 2. Mengusulkan acuan pemodelan material nonlinear orthotropic secara akurat dengan software Abaqus. Sehingga dapat memberikan gambaran perilaku mekanika sesungguhnya dari spesimen bambu laminasi akibat beban tekan sejajar serat. 3. Melakukan pemodelan numeris perilaku bambu laminasi dengan validasi pada tahap pengujian spesimen. 4. Mengetahui perbedaan-perbedaan hasil solusi numerikal dan eksperimental dengan penelitian sebelumnya. 1.4 Manfaat Penelitian Manfaat dari tesis ini adalah: 1. Mengetahui perilaku mekanik spesimen bambu laminasi akibat beban tekan sejajar serat. 2. Sebagai acuan awal pemodelan spesimen bambu laminasi untuk perencanaan dan perancangan struktur tekan pada konstruksi bambu laminasi. 1.5 Batasan Masalah Batasan masalah dari Tesis ini adalah: 1. Analisis menggunakan Metode Elemen Hingga. 2. Pemodelan 3 dimensi dilakukan menggunakan software Abaqus. 3. Pemodelan mengacu pada pengujian tekan sejajar serat menggunakan ASTM D (small specimens). 4. Dimensi bilah bambu yang digunakan adalah 5 mm x 20 mm yang disusun vertikal. 5. Dimensi model bambu laminasi small specimens adalah 50 mm x 50 mm tinggi 200 mm. 5

6 6. Bambu diasumsikan sebagai material non linear orthotropic elastoplastic. 7. Bambu diasumsikan sebagai material homogen. 8. Bambu laminasi diasumsikan perfectly bonded antar kontak laminanya. 9. Non linear geometri tidak dimodelkan. 10. Input mechanical properties yang digunakan pada model adalah data sekunder hasil pengujian sebelumnya yang dilakukan oleh Eratodi (2014). 11. Kriteria leleh atau kegagalan berdasarkan Tsai-Hill Yield Criterion. 12. Hubungan tegangan-regangan setelah fase plastis diatur oleh Associated Flow Rule. 13. Pembebanan yang dilakukan berupa beban statik. 1.6 Keaslian Penelitian Beberapa penelitian yang terkait dengan penelitian ini telah dilakukan sebelumnya, diantaranya, Irawati (2014) dengan judul Non linear Behavior of Glued Laminated Bamboo Beam-Columns, penelitian ini terkait perilaku non linear bambu laminasi pada balok kolom dengan solusi numeris yang dikembangkan masih menggunakan metode finite difference dan model 1 dimensi. Oudjene (2009) dengan judul Elasto-Plastic Constitutive Law for Wood Behaviour Under Compressive Loadings, penelitian ini terkait mengembangkan FEM elastis-plastis kayu dengan mengadopsi constitutive damage material pada metal. Untuk Guan (2008) Finite Element Modelling of Anisotropic Elasto-Platic Timber Composite Beams with Openings, tentang pemodelan FEM menggunakan Abaqus untuk OSB dan kayu pada balok I dengan berbagai tipe opening pada web-nya. Raftery (2013) Nonlinear Numerical Modelling of FRP Reinforced Glued Laminated Timber, pemodelan FEM untuk glulam timber dengan variasi perkuatan FRP menggunakan ANSYS. Li (2013) Compressive Performance of Laminated Bamboo, penelitian eksperimental untuk glulam bambu dalam beban tekan sejajar serat pada ukuran spesimen struktural. Li (2015) Mechanical Performance of Laminated Bamboo Colomn Under Axial Compression, melanjutkan penelitiannya dengan melakukan variasi panjang kolom untuk mengetahui tipe kerusakannya. 6

7 Diantara penelitian diatas belum pernah dilakukan penelitian pemodelan spesimen bambu laminasi yang tersusun dari bambu Petung (Dendrocalamus Asper) yang disusun vertikal dengan pemodelan material nonlinear orthotropic pada Abaqus, maka keaslian penelitian tentang pemodelan nonlinear bambu Petung laminasi pada pengujian tekan sejajar serat berdasarkan ASTM D ini dapat dipertanggungjawabkan. 7