DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011

ANALISA STRUKTUR PARKING BUMPER MATERIAL KOMPOSIT POLYMERIC FOAM DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT AKIBAT BEBAN TEKAN STATIK MENGGUNAKAN ANSYS REL. 5.4 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik. ADE IRAWAN NIM. 060401093 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011

KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas segala karunia dan rahmat-nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. Adapun judul skripsi yang dipilih, diambil dari mata kuliah Material Teknik (Komposit), yaitu ANALISA STRUKTUR PARKING BUMPER MATERIAL KOMPOSIT POLYMERIC FOAM DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT AKIBAT BEBAN TEKAN STATIK MENGGUNAKAN ANSYS REL. 5.4. Dalam penulisan skripsi ini, penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literature, serta bimbingan dan arahan dari Bapak Prof.Dr.Ir.Bustami Syam,MSME sebagai Dosen Pembimbing. Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Kedua orang tua saya yang telah memberikan segala dukungan moril dan materil, juga kepada ketiga adik saya yang telah memberi semangat sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Prof.Dr.Ir.Bustami Syam,MSME selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya dan dengan sabar membimbing penulis hingga skripsi ini dapat terselesaikan. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir.Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU. 4. Bapak Syurkarni Ali, ST dan bapak Zaenal Arief, ST selaku mahasiswa S2 yang telah banyak memberikan masukan dan sarannya demi kesempurnaan penulisan hasil penelitian ini dan juga sebagai partner dalam penelitian ini. 5. Bapak Zulfikar,ST.MT yang telah membantu dan sebagai tempat diskusi.

6. Bapak/ibu staff pengajar Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU yang telah memberikan pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin. 7. Seluruh Asisten Laboratorium Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumaetra Utara. 8. Teman-teman stambuk 2006 khususnya yang menjadi teman diskusi dan menemani penulis selama mengikuti studi dan menyusun skripsi ini Serta semua pihak yang banyak membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini terutama Arhansyah Bakti Rambe, Sutan, Danu, Ade Irwan, Fahmi dan semuanya yang tidak dapat disebutkan satu persatu namanya, terima kasih atas kerjasamanya dan perjuangannya selama ini. Penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi penyempurnaan skripsi ini dimasa mendatang. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan berharap semoga skripsi ini berguna bagi kita semua. Amiin Ya Rabbal Alamin. Medan, September 2011 Penulis, Ade Irawan Nim : 060401093

Abstrak Komposit diperkuat serat adalah material non-logam yang mempunyai banyak keuntungan karena sifat fisis dan mekanis yang baik. Salah satu sifat yang dominan adalah memiliki berat jenis yang ringan dan relatif kuat. Pemakaian blowing agent membuat material ini menjadi lebih ringan lagi. Material yang dibentuk dikenal dengan istilah material komposit polymeric foam (PF). Sebagai penguat penelitian ini menggunakan serat alam yang didapat dari pengolahan serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS). Tujuan penelitian ini adalah untuk memperoleh tegangan tekan maksimum, modulus elastisitas, tegangan tekan patah, dan regangan maksimum yang terjadi akibat beban tekan statik. Material dibuat dengan bahan dasar resin BQTN 157 EX, serat TKKS sebagai penguat, polyurethane sebagai pembuat rongga, dan katalis MEKP untuk mempercepat terjadinya reaksi polimerisasi. Spesimen dibentuk menjadi silinder ukuran 1 ½ inci dan panjang 75 mm dan 25 mm. Pengujian yang dilakukan terhadap bahan ini yaitu: uji tekan static, Brazilian Test, dan uji parkir/lindas. Parameter-parameter yang diteliti adalah massa jenis, kekuatan tekan, modulus elastisitas, dan bentuk kegagalan. Distribusi tegangan pada pengujian parking bumper menggunakan mobil, uji tekan statik dan Brazilian test disimulasikan dengan menggunakan bantuan sofware Ansys 5.4. Hasilnya, untuk parking bumper diperoleh gaya tekan maksimum sebesar 2754,35 N. Untuk uji tekan statik diperoleh massa jenis adalah 0,6.10-6 kg/mm 3, kekuatan tekan sebesar 2,1004 MPa, modulus elastisitas sebesar 9,658MPa. Sedangkan untuk brazilian test adalah massa jenis adalah 0,6.10-6 kg/mm 3, kekuatan tekan sebesar 0,542 MPa, modulus elastisitas sebesar 0,75 MPa. Dan jenis kegagalan yang terjadi pada spesimen uji tekan statik adalah kegagalan geser dengan arah sudut patah atau retak 45 0 pada arah beban, yang ditandai dengan adanya daerah lipatan pada permukaan spesimen. Sedangkan jenis kegagalan yang terjadi pada spesimen brazilian test adalah gagal dengan cara patah rapuh, yang ditandai dengan laju retak yang cepat tanpa adanya tandatanda deformasi awal dan tidak adanya deformasi pada daerah kepatahan. Keywords: Parking Bumper, Silinder polymeric foam, Uji tekan statik, Sifat mekanik, Kegagalan.

DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PENGESAHAN... i SPESIFIKASI TUGAS... ii LEBAR ASISTENSI... iii KATA PENGANTAR... iv ABSTRAK... vi DAFTAR ISI... vii DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR NOTASI... xiii BAB 1 PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan dan Batasan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penelitian... 2 1.4 Manfaat Penelitian... 3 1.5 Sistematika Penulisan... 3 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Pendahuluan... 5 2.2 Material Komposit Polymeric Foam... 5 2.2.1 Polyester Resin Tak Jenuh... 5 2.2.2 Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)... 7 2.2.3 Blowing Agent (BA)... 8 2.2.4 Katalis MEKP... 9 2.2.5 Pembuatan Komposit... 9 2.3 Parking Bumper... 9

2.4 Pengujian Mekanik... 11 2.4.1 Uji Tekan Statik... 11 2.4.2 Brazilian Test... 14 2.5 Sifat Mekanik... 15 2.6 Kegagalan Pada Material... 17 2.7 Metode Elemen Hingga... 21 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN... 23 3.1 Umum... 23 3.2 Alur Penelitian... 23 3.3 Waktu dan Tempat... 23 3.4 Alat dan Bahan... 24 3.4.1 Alat Yang Digunakan Untuk Membuat Spesimen... 24 3.4.1.1 Mesin Pemotong... 24 3.4.1.2 Mesin Penghalus Serat... 25 3.4.1.3 Timbangan Digital... 26 3.4.2 Bahan Yang Digunakan Dalam Pembuatan Spesimen... 26 3.4.2.1 Polyurethane (PU)... 26 3.4.2.2 Serat TKKS... 27 3.4.2.3 Blowing Agent... 28 3.4.2.4 Katalis... 28 3.4.2.5 Resin... 29 3.4.2.6 Wax... 30 3.4.2.7 Natrium Hidroksida (NaOH)... 30 3.5 Desain Struktur Parking Bumper... 31 3.5.1 Desain Struktur Parking Bumper Setengah Bola... 31 3.5.2 Desain Struktur Parking Bumper Dengan Sudut 60 0... 33 3.5.3 Analisa Gaya Pada Parking Bumper... 34 3.6 Pembuatan Spesimen... 37

3.6.1 Proses Pembuatan Spesimen... 37 3.6.1.1 Spesimen Parking Bumper... 38 3.6.1.2 Spesimen Uji Tekan Statik... 40 3.6.1.3 Spesimen Brazilian Test... 41 3.7 Pengujian 42 3.7.1 Uji Tekan Statik dan Brazilian Test... 42 3.7.1.1 Persiapan Pengujian... 43 3.7.1.2 Pengujian Tekan Statik dan Brazilian Test... 43 3.7.2 Pengujian Parking Bumper Menggunakan Mobil... 43 3.8 Simulasi Numerik... 44 3.8.1 Simulasi Uji Tekan Statik... 44 3.8.1.1 Tampilan Pembuka Ansys rel.5.4... 45 3.8.1.2 Mendefenisikan Elemen/Property type... 45 3.8.1.3 Mendefenisikan Material Propertis... 46 3.8.1.4 Tampilan Pembuatan Gambar Silinder... 47 3.8.1.5 Proses Meshing... 49 3.8.1.6 Proses Solution... 50 3.8.1.7 Proses Analyzing... 51 3.8.2 Simulasi Brazilian Test... 53 3.9 Diagram Alir Penelitian... 55 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN... 57 4.1 Hasil Desain Pembuatan Struktur Parking Bumper... 57 4.2 Hasil Pengujian... 58 4.1.1 Hasil Pengujian Tekan Statik... 58 4.1.2 Hasil Pengujian Brazilian... 58 4.3 Pembahasan... 59 4.3.1 Sifat Mekanik Akibat Beban Tekan Statik... 59

4.3.2 Sifat Mekanik Akibat Brazilian Test... 60 4.3.3 Kegagalan... 61 4.3.3.1 Kegagalan Akibat Beban Tekan Statik... 61 4.3.3.2 Kegagalan Akibat Brizilian Test... 62 4.3.4 Hasil Simulasi... 63 4.3.4.1 Hasil Simulasi Parking Bumper... 63 4.3.4.1 Hasil Simulasi Uji Tekan Statik... 64 4.3.4.2 Hasil Simulasi Uji Tekan Statik Brazilian... 68 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN... 78 5.1 Kesimpulan... 78 5.2 Saran... 79 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Ilustrasi material polymeric foam... 8 Gambar 2.2 Parking Bumper pada salah satu pusat perbelanjaan... 10 Gambar 2.3 Dimensi geometri parking bumper material komposit semen (concrete) komersil... 11 Gambar 2.4 Tipikal kurva respon tegangan-tegangan terhadap material Foam akibat beban tekan statik aksial... 12 Gambar 2.5 Ilustrasi pengujian tekan statik... 13 Gambar 2.6 Prinsip Brazilian test... 14 Gambar 2.7 Kurva F vs Δl... 15 Gambar 2.8 Kurva tegangan regangan... 17 Gambar 2.9 Bentuk kegagalan (failures) pada material... 18 Gambar 2.10 Komponen tegangan... 20 Gambar 2.11 Komponen rotasi... 21 Gambar 3.1 Mesin pemotong... 25 Gambar 3.2 Mesin penghalus serat... 25 Gambar 3.3 Timbangan digital... 26 Gambar 3.4 Bentuk TKKS yang telah dihaluskan... 27 Gambar 3.5 Blowing agent... 28 Gambar 3.6 Katalis... 29 Gambar 3.7 Resin... 29 Gambar 3.8 Wax... 30 Gambar 3.9 NaOH... 31 Gambar 3.10 Desain struktur parking bumper setengah bola dengan sudut 45 0... 32 Gambar 3.11 Desain struktur parking bumper dengan sudut 60 0... 33 Gambar 3.12 Ilustrasi ban mobil saat menyentuh parking bumper... 35 Gambar 3.13 Analisa gaya pada bidang miring parking bumper... 35 Gambar 3.14 Metode penuangan komposit PF... 37 Gambar 3.15 Rancangan bentuk cetakan dan ukuran spesimen parking bumper... 39 Gambar 3.16 Ilustrasi spesimen uji tekan statik... 41 Gambar 3.17 Ilustrasi spesimen Brazilian test... 41 Gambar 3.18 Mesin uji tekan statik... 42 Gambar 3.19 Pengujian parking bumper menggunakan mobil... 44 Gambar 3.20 Langkah langkah simulasi pada ansys 5.4... 44 Gambar 3.21 Tampilan awal ansys 5:4 interaktive... 45 Gambar 3.22 Tampilan element/ property type... 46 Gambar 3.23 Tampilan material properties... 47 Gambar 3.24 Tampilan Pembuatan gambar cylinder melalui ansys... 49 Gambar 3.25 Tampilan proses meshing material... 50 Gambar 3.26 Proses solution material yang di kenai beban... 51 Gambar 3.27 Proses analyzing material yang dikenai beban tekan statik... 52 Gambar 3.28 Langkah-langkah simulasi pada ansys 5.4... 53 Gambar 3.29 Tampilan pembuka ansys... 53

Gambar 3.30 Tampilan pemodelan simulasi dan type elemen... 54 Gambar 3.31 Kotak dialog sifat material... 54 Gambar 3.32 Posisi pembebanan pada model... 55 Gambar 3.33 Diagram alir penelitian... 56 Gambar 4.1 Hasil pembuatan spesimen uji... 57 Gambar 4.2 Hasil desain dan pembuatan struktur parking bumper... 57 Gambar 4.3 Grafik hasil pengujian tekan statik... 58 Gambar 4.4 Grafik hasil pengujian brazilian... 58 Gambar 4.5 Kurva tegangan regangan uji tekan statik... 59 Gambar 4.6 Kurva tegangan regangan Brazilian test... 60 Gambar 4.7 Model kegagalan polymeric foam akibat beban tekan statik... 61 Gambar 4.8 Model kegagalan polymeric foam akibat pengujian brazilian... 62 Gambar 4.9 Hasil simulasi parking bumper... 64 Gambar 4.10 Distribusi tegangan normal arah sumbu -x... 65 Gambar 4.11 Distribusi tegangan normal arah sumbu y... 66 Gambar 4.12 Distribusi tegangan normal arah sumbu z... 67 Gambar 4.13 Distribusi tegangan solid von misses... 68 Gambar 4.14 Distribusi tegangan normal arah sumbu x... 69 Gambar 4.15 Distribusi tegangan normal arah sumbu y... 70 Gambar 4.16 Distribusi tegangan normal arah sumbu z... 71 Gambar 4.17 Distribusi tegangan solid von misses... 72 Gambar 4.18 Distribusi tegangan normal arah sumbu x... 73 Gambar 4.19 Distribusi tegangan normal arah sumbu y... 74 Gambar 4.20 Distribusi tegangan normal arah sumbu z... 75 Gambar 4.21 Distribusi tegangan solid von misses... 76

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Karakteristik mekanik poliester resin tak jenuh... 6 Tabel 2.2 Parameter tipikal TKKS per kg... 7 Tabel 3.1 Alat dan bahan... 24 Tabel 3.2 Hasil gaya tekan terhadap parking bumper dengan variasi sudut... 37 Tabel 4.1 Sifat mekanik akibat beban tekan statik... 59 Tabel 4.2 Sifat mekanik akibat pengujian Brazilian... 60 Tabel 4.2 Tegangan maksimum material polymeric foam diperkuat serat TKKS... 50 Tabel 4.3 Perbandingan tegangan maksimum polymeric foam dengan beton.. 76

DAFTAR NOTASI Simbol Nama Keterangan Satuan A - luas penampang mm 2 ρ rho massa jenis kg/mm 3 E - modulus elastisitas N/mm 2 σ sigma tegangan N/mm 2 F - gaya N D - diameter mm L - panjang mm ε ebsilon penguluran % C o - cepat rambat gel. tegangan mm/s t - waktu s Δ delta perubahan - π phi konstanta. 3,14 -