desain bentuk dan analisis struktur batako bahan …

Jurnal e-Dinamis, Volume.6, No.4 Desember 2018 ISSN 0216-7492

14

DESAIN BENTUK DAN ANALISIS STRUKTUR BATAKO

BAHAN KOMPOSIT BUSA BETON (CONCRETE FOAM)

TERHADAP BEBAN IMPAK JATUH BEBAS

MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS WORKBENCH 14.5

Eky A. Pinem1, Bustami Syam2, M. Sabri3, Ikhwansyah Isranuri4, Syahrul Abda5 1,2,3,4,5Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara

E-mail : [email protected]

ABSTRAK

Batako dikenal sebagai salah satu jenis produk yang sering digunakan dalam mendirikan

sebuah bangunan yang terbuat dari campuran beberapa material. Jumlah material yang

digunakan sangat berpengaruh terhadap kualitas dari batako itu sendiri. Penelitian ini

berfokus pada simulasi bentuk profil batako dari material concrete foam yang diperkuat

serat TKKS agar diperoleh bentuk yang sesuai dengan standart yang telah

dipergunakan.Dari hasil simulasi didapat hasil tegangan maksimum secara berturut pada

batako pejal dan batako berlubang adalah 0,14242 MPa dan 0,75011 MPa. Sehingga

desain batako paling baik untuk material concrete foam yang diperkuat dengan serat tkks

adalah batako pejal atau padat dengan tegangan maksimum sebesar 0,14242 MPa.

Dengan membandingkan tegangan yang terjadi pada hasil simulasi dan hasil

eksperimental uji impak jatuh bebas sisi bawah pada ketinggian 0,5 m diperoleh tegangan

hasil simulasi 0,0035428 MPa dan hasil eksperimental 0,0036 MPa maka diperoleh

selisih 0,000572 MPa atau berbeda 1,58%. Pada ketinggian 1 m diperoleh tegangan hasil

simulasi 0,006684 dan hasil eksperimental 0,0058 MPa maka diperoleh selisih 0,0058

MPa atau berbeda 15,24%. Dan pada ketinggian 1,5 m diperoleh tegangan hasil simulasi

0,0084701 MPa dan hasil eksperimental 0,0076 MPa maka diperoleh selisih 0,0008701

MPa atau berbeda 11,44 %.

Kata kunci: Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS), batako , Beban Impak Jatuh

Bebas, Concrete Foam

1. PENDAHULUAN

Batako ringan merupakan bahan bangunan yang berupa bata cetak alternatif

pengganti batu bata yang tersusun dari komposisi antara pasir, semen Portland

dan air dengan perbandingan antara semen dan pasir dengan ratio 1:7. Batako

ringan adalah salah satu bahan bangunan yang berupa batu-batuan yang

pengerasannya tidak dibakar dengan bahan pembentuknya berupa campuran pasir,

semen dan air dan dalam pembuatannya dapat ditambahkan dengan bahan

tambahan lainnya (additive). Kemudian dicetak melalui proses pemadatan

sehingga menjadi balok-balok dengan ukuran tertentu dan dimana proses

pengerasannya tanpa melalui pembakaran serta dalam pemeliharaannya

ditempatkan pada tempat yang lembab atau tidak terkena sinar matahari langsung

atau hujan. Tetapi dalam pembuatannya dicetak sedemikian rupa hingga

memenuhi syarat dan dapat digunakan sebagai bahan untuk pasangan dinding.

Dalam komposisi pembuatan batako ringan diatas sangat memerlukan biaya

ongkos produksi yang cukup banyak. Kita dapat mengurangi biaya ongkos

tersebut dengan cara menambahkan bahan tambahan lainnya (additive). Salah satu

bahan tambahan yang sering dipakai untuk pembentukan material komposit

adalah serat tandan kosong kelapa sawit.


15

Tandan kosong kelapa sawit merupakan salah satu limbah terbesar yang

dihasilkan dari pengolahan kelapa sawit. Tandan kosong kelapa sawit dapat

mencapai 230 kg setiap 1 ton pengolahan tandan buah segar [1]. Jumlah ini sangat

besar dan menggunung di pabrik-pabrik kelapa sawit. Data ini menunjukkan

bahwa begitu banyaknya limbah tandan kosong kelapa sawit ini setiap harinya.

Limbah ini dapat kita manfaatkan sehingga dapat mengurangi jumlah limbah yang

ada. Dengan cara menggunakan tandan kosong kelapa sawit menjadi salah satu

bahan tambahan dalam suatu komposisi pembuatan suatu produk.

Sebelum dilakukan sebuah penelitian dan pengujian secara eksperimental,

dibutuhkan sebuah simulasi numerik terlebih dahulu. Simulasi numerik tersebut

berisikan data-data yang dimilik sebelum dilanjutkkannya peneilitian secara

eksperimental. Tujuannya adalah untuk mengetahui segala bentuk error ataupun

kesalahan-kesalahan yang akan terjadi pada saat penelitian serta meminimalisasi

kesalahan tersebut sebelum penelitian eksperimental dilanjutkan.

1. Batasan Masalah

Pembuatan batako ringa berbahan concrete foam diperkuat serat TKKS

dengan ukuran spesimen 600×100×200 mm dan disimulasikan melalui

software Ansys Workbench 14.5.

2. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah mengamati dan menyelidiki tegangan

yang terjadi, serta untuk mendapatkan desain batako ringan berbahan

concrete foam diperkuat serat TKKS melalui simulasi Ansys Workbench

14.5

3. Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini adalah untuk mengetahui perilaku mekanik batako

ringan yang dicampur dengan foam dan serat TKKS sehingga akan

mendapatkan produk batako yang ringan, kuat, dan ekonomis.

2. TINJAUAN PUSTAKA

Komposit adalah campuran dua material atau lebih yang dicampur secara

makroskopik untuk menghasilkan suat material baru[2]. Artinya penggabungan

sifat-sifat unggul dari pembentuk masih terlihat nyata.

2.1. Batako Ringan

Batako ringan dapat dibagi dalam tiga golongan berdasarkan matriks penyusunan,

bentuk dan pemakaiannya.

Batako ringan diperoleh dengan memasukkan udara dalam adukan atau mortar.

Deengan demikian akan terjadi pori-pori udara berukuran 0,1-1 mm dala

batakonya. Memiliki berat isi 900-1400 kg/m3 dan biasanya digunakan untuk

keperluan pasangan dinding.

2.2. Batako komposit

Dalam pengembangannya sekarang, penelitian tentang batako atau bata ringan

sudah banyak dilakukan. Penelitian mengenai batako memiliki banyak

pengembangan, agar batako yang akan diproduksi memiliki nilai pakai yang

tinggi dengan memperhatikan nilai ekonomis dari produksi batako itu sendiri.


16

Salah satunya adalah pengembangan produksi batako yang mempergunakan

agregat halus seperti; abu jerami padi, serat sabut kelapa, serat tandan kosong

kelapa sawit (TKKS). Pemakaian agregat halus tersebut dilandaskan pemanfaatan

limbah disekitar lingkungan kita. Selain pemanfaatan tersebut, maka biaya

produksi batako tersebut akan berkurang. Selain pemanfaatan limbah,

penambahan agregat halus tersebut diharapkan dapat meningkatkan sifat psikis

dan mekanik dari batako walau dengan menggunakan hasil limbah.

Salah satu contoh penelitian yang sudah ada adalah pengembangan batako ringan

komposit yang diperkuat dengan abu jerami padi. Kuat tekan batako ringan

komposit yang diperkuat dengan abu jerami padi adalah berkisar antara 7,32 –9,06

MPa[3]. Ditinjau menurut klasifikasi batako pejal [4], maka batako ringan

komposit yang diperkuat dengan abu jerami padi dimasukkan ke dalam golongan

batako mutu II. Contoh penelitian lainnya adalah pengembangan batako ringan

komposit yang diperkuat dengan serat sabut kelapa. Kuat tekan yang didapat

berkisar antara 2,91-5,47 MPa dengan kuat impak berkisar antara 828,3–566,4

J/m2[5]. Ditinjau menurut klasifikasi batako pejal, maka batako ringan komposit

yang diperkuat dengan serat sabut dimasukkan ke dalam golongan batako mutu

IV.

Pada penelitian lainnya yang dilakukan oleh tim Impact Fracture Research Centre

Universitas Sumatera Utara, yaitu pengembangan concrete foam yang diperkuat

serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS) didapat kuat tekan yang dihasilkan

berkisar antara 1,31-5,49 MPa[6]. Data tersebut menunjukkan bahwa bahan

concrete foam memiliki kuat tekan yang cukup besar, sehingga bahan concrete

foam ini dapat digunakan untuk bahan bangunan seperti batako. Akan tetapi

bahan concrete foam ini masih perlu penelitian kembali apakah komposisi beton

ringan komposit ini dapat aplikasikan dalam pembuatan batako ringan. Dalam

simulasi ini, digunakan komposisi B4 berdasarkan hasil penelitian oleh Nuzuli

Fitriadi yang merupakan hasil komposisi terbaik untuk concrete foam.

2.3. Beban Impak Jatuh Bebas

Beban impak jatuh bebas diperumpamakan sebagai sebuah benda jatu bebas dari

keadaan semula berhenti mengalami pertambahan kecepetan selama benda

tersebut jatuh.

Tabel 2.1. Waktu dan kecepatan benda jatuh

Waktu,

t(s) 0 1 2 3 4

Kecepatan,

V(m/s) 0 9,8 19,6 29,4 39,2


17

Gambar 2.1. Grafik hubungan v-t

Perbandingan waktu dan kecepatan terlihat pada Tabel 2.2 dan Gambar 2.1 yang

merupakan sebuah garus lurus sehingga percepatan seragam.

Benda jatuh tanpa keecepatan awal (vo= 0 m/s). Semakin ke bawah gerak benda

semakin cepat, yakni sama denga percepatan gravitasi (a=g=9,8 ms-2).

Untuk kasus jatuh bebas, besar kecepatan diperoleh dengan persamaan 2.1[7].

hgV .2= ......................(2.1)

dimana

v = kecepatan benda jatuh bebas, (m/s).

g = gaya grafitasi, (m/s2).

h = ketinggian jatuh benda, (m).

2.4. Teori Momentum dan Impuls

Sebuah benda bergerak dikatakan mempunyai momentum yang dinyatakan

dengan hasil kasil massa dengan kecepatan benda tersebut. Hali ini dinyatakan

dengan persamaan 2.2.

vmM .= ........................(2.2)

dimana

M = momentum, (kg.m/s).

m = massa, (kg).

v = kecepatan, (m/s).

Impuls adalah lonjakan gaya tiba-tiba pada selang waktu tertentu yang merupakan

hasil kali gaya dengan selang waktu yang diperlukan. Ini dapat dinyatakan dalam

persamaan 2.3. tFI .= ..........................(2.3)

dimana

I = Impulse.

F = gaya, (N).

t = waktu, (s).


18

3. METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

Penelitian ini dilaksanakan dalam beberapa tahapan, yaitu seperti diuraikan pada

tabel 3.1

Tabel 3.1 Lokasi dan aktivitas Penelitian

NO Aktifitas Lokasi

Penelitian

1.

Pembuatan

serat

TKKS

Pusat Riset

Impak dan

Keretakan, Dept.

Teknik Mesin,

FT-USU

2.

Pembuatan

batako

ringan

diperkuat

TKKS

Pusat Riset

Impak dan

Keretakan, Dept.

Teknik Mesin,

FT-USU

3.

Uji Impak

Jatuh

Bebas

Pusat Riset

Impak dan

Keretakan, Dept.

Teknik Mesin,

FT-USU

4.

Analisa

Data

Pusat Riset

Impak dan

Keretakan, Dept.

Teknik Mesin,

FT-USU

5. Simulasi

Komputer

IC-STAR

3.2. Desain batako

Dalam simulasi impak jatuh bebas ini, batako yang dipakai ada 2 jenis yaitu

batako pejal (solid) dan batako berlubang,

(a)


19

(b)

Gambar 3.1. Dimensi spesimen (a) Batako berlubang dan (b) batako pejal/padat

Ukuran dari batako pejal yang akan dipakai adalah 600 mm×200 mm dengan

ketebalan 100 mm. Dan untuk ukuran batako berlubang akan digunakan ukuran

600 mm×200 mm dengan ketebalan 100 mm dan memilik lubang dengan ukuran

150 mm×60 mm.

3.3. Parameter Simulasi

Dalam simulasi impak jatuh bebas terhadap batako menggunakan software Ansys

Workbench 14.5 ini, diperlukan parameter yang akan dipakai sebagai batasan

simulasi.

Tabel 3.2 Parameter dalam Ansys

Ketinggian

(m)

Velocity

(mm/s)

Young’s

Modulus

(MPa)

Densitas

(kg/m3)

0,5 3132 43,284 1281

0,1 4427 43,284 1281

1,5 5542 43,284 1281

Parameter tersebut antara lain seperti; ketinggian, kecepatan jatuh (velocity),

young’s modulus, densitas (massa jenis) seperti pada Tabel 3.2.

3.4. Simulasi komputer impak jatuh bebas

Software yang digunakan adalah Ansys Workbench 14.5 dengan basis metode

elemen hingga (MEH). Langkah simulasi dengan menggunakan program Ansys

Workbench dapat dilakukan dalam 3 golongan proses pengerjaan yaitu

Preprocessing, Solution, dan Post Processing.

4. ANALISA DATA

4.1. Simulasi impak jatuh bebas terhadap batako pejal

Dengan memasukkan seluruh parameter pengujian, maka pola tegangan hasil

simulasi dengan menggunakan Ansys Workbench 14.5 dapat dilihat dari Gambar

4.1 berikut.


20

(a)

(b)

(c)

Gambar 4.1. Simulasi impak jatuh bebas batako pejal pada (a) 0,5 m (b) 1 m (c)

1,5 m

Selain bagian luar dari batalo, diperlukan juga hasil bagian dalam dari batako

tersebut untuk memperjelas bagian batako yang mendapatkan bagian kritis. Hal

tersebut dapat kita lakukan dengan memberikan Section View pada bagian tengah

dari batako.

(a)

(b)


21

(c)

Gambar 4.2. Section View hasil pengujian pada ketinggian (a) 0,5 m (b) 1 m (c)

1,5 m

Dari Gambar 4.1 dan Gambar 4.2 ditunjukkan daerah yang merupakan bagian

kritis adalah pada bagian tengah dari batako.

Secara keseluruhan perbandingan tegangan hasil dari eksperimental dan asil

simulasi dengan menggunakan software Ansys Workbench 14.5 ditunjukkan oleh

Tabel 4.1.

Tabel 4.1. Perbandingan tegangan hasl eksperimental dan hasil ansys

Ketinggian

(m)

Tegangan (MPa)

Eksperimental Ansys

0,5 0,0036 0,0035428

1 0,0058 0,0066844

1,5 0,0076 0,0084701

Dari perbandingan hasil tegangan dari Tabel 4.1 didapat perbedaan yang tidak

terlalu jauh sehingga dapat diterima.

4.2. Simulasi impak jauh bebas terhadap batako berlubang

Dengan memasukkan seluruh parameter pengujian, maka pola tegangan hasil

simulasi dengan menggunakan ansys workbench 14.5 dapat dilihat dari Gambar

4.3.

(a)

(b)


22

(c)

Gambar 4.3. Simulasi impak jatuh bebas batako berlubang (a) 0,5 m (b) 1 m (c)

1,5 m

Dari hasil simulasi, bagian kritis dari batako terjadi di tempat berbeda pada setiap

ketinggian pengujian.

Dari hasil simulasi impak jatuh bebas pada batako berlubang dengan

menggunakan Ansys Workbench 14.5 akan didapatkan hasil yang ditunjukkan ada

Tabel 4.2.

Tabel 4.2. Hasil analisa MEH batako berlubang dengan ansys berdasarkan

ketinggian

Ketinggi

an

(m)

Tegangan

(MPa)

Reganga

n

0,5 0,0069933 5,62 ×

10-4

1 0,0093957 7,99 ×

10-4

1,5 0,013388 7,62 ×

10-4

Dari Tabel 4.2 didapatkan range tegangan yang terjadi adalah antara 0,0069933

MPa-0,013388 MPa.

4.3. Tegangan lentur pada anvil

Dengan anvil yang tidak homogen akan menimbulkan tegangan lentur pada saat

pengujian berlangsung. Tegangan lentur yang berlangsung pada pengujian impak

jatuh bebas ini bisa dihitung melalui simulasi numerik. Sehingga kita dapat

melihat penyebara tegangan yang terjadi pada anvil selama pengujian impak jatuh

bebas berlasung. Dalam simulasi ini, kita hanya membutuhkan gaya yang terjadi

pada batako ketika membentur anvil. Gaya rata-rata yang terjadi pada 0,5m adalah

428 N.

Gambar 4.4. Simulasi tegangan lentur pada anvil


23

Hasil simulasi ditunjukkan oleh Gambar 4.2 di atas. Hasil dari simulasi tersebut

menunjukkan keadaan anvil pada saat pengujian impak jatuh bebas yang

berlangsung. Ini menandakan bahwa anvil yang dipakai tidak homogen.

Tabel 4.3. Hasil analisa MEH anvil dengan ansys dan eksperimental berdasarkan

ketinggian

Ketinggi

an

(m)

Tegangan

(MPa)

Reganga

n

0,5 8,1 10,89

1 12,9 17,205

1,5 16,4 22,48

Secara keseluruhan hasil dari tegangan lentur yang terjadi pada anvil ditunjukkan

pada Tabel 4.3. Hasil besar tegangan yang didapat antara 8,1 MPa-16,4 MPa.

4.4. Simulasi pembebanan statik

Pembebanan dilakukan dengan cara memasukkan gaya yang bekerja pada sisi

batako. Gaya yang dimasukkan berdasarkan penjumlahan berat batako itu sendiri

ditambah dengan berat test rig pada saat pengujian. Berat test rig adalah 6,6 kg.

Sedangakn berat spesimen adalah 10 kg. Sehingga berat keseluruhan adalah 16,6

kg. Hasil pembebanan merata pada batako secara statik.

(a)

(b)

Gambar 4.5. Simulasi pembebanan statik pada (a) batako pejal dan (b) batako

berlubang

Hasil pembebanan merata pada batako secara statik ditunjukkan pada Gambar 4.5.

Dari simulasi pembebanan statik didapat hasl tegangan maksimum secara

berurutan pada batako pejal dan batako berlubang adalah sebesar 0,14242 MPa

dan 0,75011 MPa.


24

4.5. Perbandingan hasil simulasi Ansys Workbench 14,5 dan eksperimental

batak pejal

Perbandingan ini bertujuan untuk melihat perbedaan gaya yang diterima batako

secara detail baik secara simulasi maupun secara eksperimental.

(a)

(b)

(c)

Gambar 4.6 Perbandingan grafik tegangan dan waktu antara simulasi dan

eksperimental batako pejal (a) 0,5 m (b) 1 m (c) 1,5 m

Perbandingan ini dilakukan hanya untuk pengujian dan simulasi impak jatuh

bebas terhadap batako pejal. Gambar 4.6 menunjukkan hasil perbandingan yang

didapatkan bahwa tegangan yang terjadi pada pengujian eksperimental tidak

terlalu jauh dengan pengujian simulasi Ansys Workbench 14.5.

5. KESIMPULAN

Setelah seluruh penelitian dilaksanakan serta menganalisa seluruh hasil, maka

didapat kesimpulan sebagai berikut:

1. Batako pejal memiliki tegangan maksimum sebesar 0,14242 MPa ,

sedangkan batako berlubang memiliki tegangan maksimum sebesar


25

0,75011 MPa. Sehingga desain terbaik batako dengan material concrete

foam yang diperkuat dengan serat TKKS adalah batako pejal.

2. Dengan membandingkan tegangan yang terjadi pada hasil simulasi dan

hasil eksperimental uji impak jatuh bebas sisi bawah pada ketinggian 0,5

m diperoleh tegangan hasil simulasi 0,0035428 MPa dan hasil

eksperimental 0,0036 MPa maka diperoleh selisih 0,000572 MPa atau

berbeda 1,58%. Pada ketinggian 1 m diperoleh tegangan hasil simulasi

0,006684 MPa dan hasil eksperimental 0,0058 MPa maka diperoleh selisih

0,000884 MPa atau berbeda 15,24%. Dan pada ketinggian 1,5 m

diperoleh tegangan hasil simulasi 0,0084701 MPa dan hasil eksperimental

0,0076 MPa maka diperoleh selisih 0,0008701 MPa atau berbeda 11,44%.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penelitian ini masuk dalam salah satu proyek MP3EI (Masterplan Percepatan dan

Perluasan Pembangunan Ekonomi Indonesia). Terima kasih kepada MP3EI atas

dukungannya kepada peneliti selama penelitian ini berlangsung. Terima kasih

juga kepada seluruh anggota Teamn IFRC-FT USU yang sudah membantu dalam

penelitian penelitian baik dari segi moral maupun moril

DAFTAR PUSTAKA

[1] Isroi, Pengolahan TKKS (Tandan Kosong Kelapa Sawit),1998.

[2] Chawla,K.K., Composite Materials. First Ed. Berlin: Springer-Verlag New

York Inc., 1987.

[3] Sari, Wulan. Karakterisktik Fisis Batako Dengan Pemanfaatan Abu Jeram

Padi. 2010.

[4] SNI 03-0349-1989, beton.

[5] Simanjuntak, Vivi H. Pembuatan dan Karakteristik Batako Ringan Dengan

Memanfaatkan Sabut Kelapa Sebagai Agregat Untuk Bahan Kedap Suara.

2011.

[6] Fitriadi, Nuzuli. Penyelidikan Perilaku Mekanik Material Concrete Foam

Diperkuat Serat TKKS Terhadap Beban Statik dan Impak. 2014. Tesis pada

Magister Teknik Mesin USU Medan; tidak diterbitkan.

[7] Susanto, Ricki. Fisika Dasar, Pustaka Utama. Jakarta .1995.

desain bentuk dan analisis struktur batako bahan …

Documents