SR TEORI SR TEORI. Umum Pada bab ini aan dibahas mengenai dasar-dasar serat alam, teori strutur sandwich, fenomena etidastabilan strutur ang terjadi, terutama modus overall bucling ang aan dibahas dalam penulisan tugas ahir ini. Karena material face ang digunaan adalah material omposit ang bersifat ortotropi dan isotropi, maa dasar teori meania strutur omposit juga aan dibahas namun hana terbatas pada perhitungan matris.. Sifat-Sifat Serat lam Serat alam bisa dielompoan berdasaran posisina pada tanaman. Serat alam ang didapatan dari bagian batang tanaman (bast fiber) diantarana adalah serat rami, serat enaf, serat jute, dan serat fla. Sedangan serat alam ang didapatan dari bagian daun (leaf fiber) misalna adalah serat sisal, serat nanas, dan serat abaa. Sementara serat elapa didapatan dari buahna (seed fiber). Serat tunggal (single fiber) adalah unit terecil serat ang tida bisa dipisahan lagi secara meani. Pada umumna serat tunggal ini tersusun dari serat-serat ecil (mirofibril). i dalam mirofibril inilah tersusun rantai selulosa ang menjadi penopang utama bahan serat alam. Saat ini, bahan omposit dengan serat sintetis sebagai penguat (carbon, aramid, glass) masih mendominasi bahan-bahan omposit ang digunaan untu omponen-omponen pesawat, otomotif, onstrusi, alat-alat olah raga dll. pabila dilihat dari segi jumlah pemaaian, serat gelas menempati peringat teratas. Hal ini diarenaan hargana ang relatif murah dan memilii sifat meani ang bai. amun demiian, emunculan serat-serat alam mulai menggeser pemaaian serat gelas. Tabel.. beriut ini menggambaran perbandingan secara ualitatif antara serat alam dan serat gelas [4]. 6
SR TEORI Parameter Serat lam Serat Gelas ensitas Harga Rendah Rendah ua ali serat alam Rendah, tetapi lebih mahal dari pada serat alam apat diperbaharui apat didaur ulang Konsumsi Energi CO netral brasif terhadap mesin Resio esehatan etia terhirup Sampah Ya Ya Rendah Ya Tida Tida Terbiodegradasi Tida Ya Tinggi Tida Ya Ya Tida Terbiodegradasi Tabel.. Perbandingan Kualitatif ntara Serat lam dan Serat Gelas Oleh arena itu, dewasa ini mulai bana diembangan berbagai macam pemanfaatan serat alam arena sifatna ang bai dan dapat diperbaharui serta jumlahna ang melimpah di seitar ita... Serat dan Serbu Kelapa Pohon elapa ang disebut juga dengan pohon niur biasana tumbuh pada daerah atau awasan tepi pantai. Sangat bana manfaat ang dapat ita peroleh dari pohon elapa. Mulai dari batang, daun hingga pada bagian buahna dapat dimanfaatan. Salah satu ang cuup penting bagi penelitian ini adalah serat dan serbu (gabus) elapa ang merupaan bagian dari sabut elapa. Sabut elapa merupaan bagian ang cuup besar dari buah elapa, aitu 35 % dari berat eseluruhan buah. Sabut elapa terdiri dari serat dan serbu ang menghubungan satu serat dengan serat lainna. Serat adalah bagian ang berharga dari sabut. Setiap butir elapa mengandung serat 55 gram (75 % dari sabut), dan serbu 75 gram (5 % dari sabut)... Serat Rami Tanaman rami sudah ada seja jaman Jepang pada watu Perang unia II ang merupaan tanaman tahunan ang berbentu rumpun mudah tumbuh dan 7
SR TEORI diembangan di daerah tropis, tahan terhadap penait dan hama, serta dapat menduung pelestarian alam dan lingungan. Tanaman rami ang dienal dengan nama latin oehmeria nivea (L) Goud merupaan tanaman tahunan berbentu rumpun ang dapat menghasilan serat alam nabati dari pita (ribbons) pada ulit auna ang sangat eras dan mengilap. Serat rami mempunai sifat dan arateristi serat apas (cotton) aitu samasama dipintal ataupun dicampur dengan serat ang lainna untu dadian bahan bau testil. alam hal tertentu serat rami mempunai eunggulan dibanding seratserat ang lain seperti euatan tari, daa serap terhadap air, tahan terhadap elembaban dan bateri, tahan terhadap panas, peringat nomor dua setelah sutera dibanding serat alam ang lain, lebih ringan dibanding serat sintetis dan ramah lingungan (tida mengotori lingungan sehingga bai terhadap esehatan). Untu memperoleh serat ang menerupai serat apas membutuhan proses ang cuup panjang dimana sesudah dipanen, emudian dilauan pemotongan guna menghasilan serat pende halus (seuuran dengan serat apas) sehingga menghasilan serat ang menerupai serat apas. pabila proses ang dibuat sampai menerupai serat apas, hal ini menebaban harga serat aan menjadi mahal, namun tida masalah apabila rami disubstitusi dengan apas atau polester sehingga dapat lebih murah dan ualitas lebih bai. Pengolahan serat diperoleh setelah melalui mesin dan proses meanisme serta proses baterisasi / imiawi sebagai beriut : a. Proses eortiasi : Proses pemisahan serat dari batang tanaman, hasilna serat asar disebut China Grass. b. Proses egumisasi : Proses pembersihan serat dari getah pectin, legnin wales dan lain-lain, hasilna serat degum disebut egummed Fiber. c. Proses Softening : Proses pelepasan dan proses penghalusan bai secara imiawi maupun meanis agar serat rami tersebut dapat diproses untu dadian seperti apas. d. Proses Cutting dan Opening : Proses meanisisasi untu memotong serat dan membuana agar serat tersebut menjadi serat individual. Untu serat panjang disebut Top Rami dan untu serat pende disebut Staple Fiber. 8
SR TEORI.3 Meania Strutur Komposit Komposit merupaan salah satu material ang bana digunaan dewasa ini arena beberapa eunggulanna dibandingan dengan bahan logam onvensional ang ada. Secara harafiah, ata omposit memilii pengertian bahan ang terdiri dari dua atau lebih bahan ang berbeda ang digabung atau dicampur secara marosopis. Perbedaan dengan bahan paduan adalah penggabunganna ang dilauan secara marosopis sehingga sifat-sifat bahan pembentuna masih terlihat ang dimana pada jenis paduan (allo) ang digabung secara mirosopis, sifat-sifat pembentuna sudah tida terlihat lagi. Secara umum, bahan omposit dibangun oleh dua unsur aitu serat (fiber) dan matris. Kedua bahan ini memilii tugas masing-masing ang pada ahirna berperan dalam menentuan sifat dari bahan omposit ang terbentu, namun unsur ang paling dominan dalam menentuan arateristi dari bahan omposit adalah serat. Serat inilah ang menahan sebagian besar gaa-gaa ang beerja pada bahan omposit. Sedangan matri memili fungsi untu melindungi dan mengiat serat agar dapat beerja dengan bai. Sesuai dengan fungsina tersebut, maa serat dipilih dari bahan-bahan ang bersifat uat dan getas, sedangan matris dipilih dari bahanbahan ang luna. amun fungsi-fungsi tersebut aan menjadi optimum apabila digabungan menjadi satu esatuan sebagai strutur omposit..3. Lamina Lamina dapat diartian sebagai lapisan omposit tunggal ang hana mempunai satu arah serat. Lamina merupaan elemen pembangun strutur omposit laminat, oleh arena itu pengetahuan tentang sifat-sifat meani lamina ini sangat penting untu mengetahui lebih lanjut mengenai strutur omposit. Salah satu contoh lamina sederhana seperti pada gambar.. dibawah ini. Gambar.. Lamina Pada Sumbu Utama ahan (,,3) 9
SR TEORI Pada lamina ini terdapat dua buah bidang simetri, aitu bidang - dan bidang -3. Selain edua bidang simetri tersebut, terdapat bidang -3 ang merupaan bidang isotrop dimana pada bidang tersebut sifat-sifat material dianggap sama dalam segala arah. Oleh arena itu, material ini termasu dalam jenis material transverserl isotropic. Sumbu-sumbu utama material (,,3) adalah sumbu-sumbu sejajar dan tega lurus serat. Salah satu omponen terpenting dalam perhitungan sifat-sifat bahan lamina adalah hubungan tegangan-regangan dimana terdapat matris eauan bahan omposit. Hubungan tegangan-regangan dari lamina adalah sebagai beriut : 33 33 { C} τ 3 γ 3 τ γ τ 3 γ 3 (.) dimana { C} C C C C C C3 C C3 C C44 C66 C66 (.) dengan harga-harga : C ( υ )/ ( υ ) E Δ 3 C E E / E / Δ C ( υ ) E + υ / Δ 3 ( υ υ ) C E + E / E / Δ C C 3 3 G 44 3 G 66 ( ) Δ υ υ + υ E / E 3 3 (.3)
SR TEORI Persamaan (.), (.), dan (.3) tersebut hana berlau pada sumbu-sumbu utama bahan. pabila sumbu-sumbu utama tersebut membentu sudut θ terhadap sumbu, maa matris eauan tersebut harus ditransformasian pada oordinat (,,z) tersebut. Gambar.. Sumbu (,) Membentu Sudut θ Terhadap Sumbu (,). Sumbu z Merupaan Sumbu Putar Transformasi persamaan (.) dalam sumbu (,,z) adalah sebagai beriut : z z { C} τ z γ z τ γ τ γ z z (.4) dimana { C ' } C' C' C' C' C' C' C' C' C' C' C' C' 3 3 3 3 33 36 C' 44 C' 45 C' 45 C' 55 C' C' C' 36 C' 66 (.5)
SR TEORI dengan harga-harga : ( ) ( ) C' C cos θ + C + C sin θcos θ + C sin θ 4 4 66 C' C cos θ + C + C sin θcos θ + C sin θ C' 4 4 66 C 33 33 C' C cos θ + C sin θ 44 44 55 C' 55 C44 sin θ + C55 cos θ 4 4 C' 66 ( C + C C C66 ) sin θ cos θ + C66 ( sin θ + cos θ) 4 4 ( + ) sin θcos θ + C ( sin θ + cos θ) C' C C 4C 66 C' C cos θ + C sin θ 3 3 3 C' C sin θ + C cos θ 3 3 3 ( ) + ( + ) ( ) + ( + ) θ θ( ) θ θ( C C ) C' C C C sinθ cos θ C C C sin θcosθ 3 3 66 66 C' C C C sin θ cosθ C C C sinθcos θ 3 3 66 66 C' sin cos C C 36 3 3 C' sin cos 45 55 44 (.6).3. Teori Laminat Klasi Laminat adalah dua atau lebih lamina ang digabung bersama membentu elemen strutur ang integral. Laminat dibuat agar elemen strutur tersebut mampu menahan beban multiasial, sesuatu ang tida dapat dicapai dengan lamina tunggal. Laminat hana uat menahan beban dalam arah seratna, tetapi sangat lemah dalam arah tega lurus serat. Oleh arena itu untu menahan beban multiasial, omposit dirancang untu memilii beberapa orientasi serat..3.. Resultan Gaa dan Momen dalam Laminat Resultan gaa dan momen ang beerja pada laminat diperoleh dengan integrasi tegangan-tegangan pada setiap lapisan dalam arah etebalan laminat. Sebagai contoh dalam sumbu : t / dz M zdz (.7) t / t / t / imana dan M adalah gaa dan momen persatuan panjang. esar resultan momen dan gaa dinataan dengan :
SR TEORI 3 (.8) / / t t dz dz τ τ dan (.9) / / t t zdz zdz M M M τ τ dimana - dan didefinisian pada gambar.3 dibawah ini : Gambar.3. Susunan Laminat Karena matris eauan lamina berharga onstan, tida berubah dalam arah etebalan, maa integrasi pada persamaan dan dapat dinataan dalam bentu (.) [ ] + zdz dz C ' γ dan (.) [ ] + dz z zdz C M M M ' γ Karena buan merupaan fungsi dari z, tapi fungsi bidang tengah, suu-suu tersebut dapat dieluaran dari tanda penjumlahan. engan demiian persamaan dapat ditulis menjadi : γ,,,,,
SR TEORI M M M 66 66 + γ + γ 66 66 (.) Persamaan biasana ditulis menjadi : M (.3) imana [ C' ] ( ) 3 [ C' ] ( ) 3 3 [ C' ] ( ) (.4) disebut matris eauan panjang (etensional stiffness matri). disebut matris eauan opel (couple stiffness matri). disebut matris eauan lentur (bending stiffness matri).4 Konsep Kestabilan dan Ketidastabilan Ketidastabilan merupaan fenomena umum ang dapat terjadi pada berbagai jenis material. Konsep dasar dari estabilan dan etidastabilan dapat dabaran sebagai beriut : a. Keadaan (state) suatu sistem adalah umpulan dari nilai-nilai berbagai parameter sistem pada suatu watu tertentu. Sebagai contoh, perpindahan atau regangan material pada sebuah strutur dan temperatur pada titi tersebut menataan eadaan dari suatu sistem tersebut. b. Keadaan suatu sistem bergantung pada parameter sistem dan ondisi lingungan. Contohna pada strutur pelat tipis persegipanjang, geometri dan sifat material merupaan parameter sistem, dan beban ang diberian serta ondisi batasna adalah ondisi lingungan dari sistem tersebut. 4
SR TEORI Untu lebih jelasna mengenai stabilitas esetimbangan suatu sistem dapat dilihat melalui ilustrasi pada gambar.4. di bawah ini Gambar.4. Konsep Stabilitas ari Suatu Kesetimbangan Keterangan: : ondisi tida stabil : Suatu sistem diataan tida stabil, bila ada gangguan ang diberian epada sistem tersebut, maa sistem cenderung untu tida embali e eadaan semula saat gangguan dihilangan. : ondisi netral : Suatu sistem diataan netral, bila ada gangguan ang diberian epada sistem tersebut, maa sistem tersebut aan menuju e eadaan setimbang lainna ang cenderung tida mendeati ataupun menjauhi eadaan setimbang awalna saat gangguan dihilangan. C: ondisi stabil : Suatu sistem diataan stabil, bila ada gangguan ang diberian epada sistem tersebut, maa sistem cenderung embali e eadaan semula saat gangguan dihilangan. alam membangun suatu strutur, salah satu hal ang penting dan perlu mendapatan perhatian husus adalah pada saat strutur mendapatan pembebanan tean. Hal ini perlu diarenaan fenomena ang terjadi lebih rumit dan menari bila dibandingan dengan apabila strutur mendapatan pembebanan tari. Salah satu contoh sederhana adalah strutur olom diberi pembebanan tean seperti pada gambar.5. di bawah ini. Gambar.5. Kondisi Keseimbangan Kolom Pada Pembebanan Tean 5
SR TEORI Terlihat pada gambar diatas bahwa olom aan mengalami etidastabilan dengan adana deformasi pada arah w ang terjadi aibat adana gangguan bai dari luar maupun dari dalam terhadap olom tersebut. pabila hal ini berlangsung, maa strutur aan mengalami collapse. alam estabilan strutur ang dicari adalah P critical (beban teu ritis) ang terjadi pada titi stabil netral. W o merupaan imperfection awal (gangguan awal) aibat proses manufatur seperti geometri ang tida homogen, omposisi material ang tida seragam. dana imperfection awal (gangguan awal) menebaban etia olom menerima beban tean maa Σ. momen ang terjadi tida sama dengan nol. ibatna etia Σ. momen ang beerja tida sama dengan nol selain beban asial ang beerja juga terdapat bending momen ang beerja pada olom tersebut. Hal ini terlihat pada diagram fasa estabilan di bawah ini. Gambar.6. iagram atas Fasa Kestabilan dan Ketidastabilan efinisi dari elauan teu (bucling) itu sendiri adalah modus etidastabilan dari suatu esetimbangan ang terjadi pada strutur ang berdeformasi arena pembebanan tean. Strutur belum mengalami etidastabilan sampai suatu titi pembebanan tertentu ang disebut beban ritis. Saat beban mencapai beban ritis, adana sediit gangguan aan menebaban strutur menjadi tida stabil. eberapa modus ang dapat terjadi pada strutur sandwich aibat pembebanan tean adalah : Overall bucling (global bucling) Wrinling Shear crimping Face dimpling
SR TEORI Gambar.7. dibawah ini menunjuan modus etidastabilan dari strutur sandwich. Karena modus ang aan dianalisis adalah overall bucling, maa pembahasan aan difousan terhadap fenomena tersebut. Gambar.7. Modus Ketidastabilan Strutur Sandwich.4. Overall ucling Seperti halna strutur onvensional, strutur sandwich juga dapat mengalami fenomena teu ang berupa modus overall bucling, bila diberi beban ompresi. Modus ini memilii panjang setengah gelombang sebesar panjang elemen, seperti terlihat pada gambar.8. dibawah ini : Gambar.8. Modus Overall ucling 7