metode pembelajaran melalui pengujian …konteks.id/p/11-sk-11.pdf · modulus elastisitas kayu...
TRANSCRIPT
Konferensi Nasional Teknik Sipil 11 Universitas Tarumanagara, 26-27 Oktober 2017
SK-101
METODE PEMBELAJARAN MELALUI PENGUJIAN EKSPERIMENTAL
(Studi Kasus Pengujian Destruktif dan Pengujian Non-Destruktif
dalam Menentukan Modulus Elastisitas)
Roi Milyardi1 dan Yosafat Aji Pranata
2
Program Studi S-1 Teknik Sipil, Universitas Kristen Maranatha, Jl. Suria Sumantri 65, Bandung
1 Email: [email protected] 2 Email: [email protected]
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-102
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-103
5. Setelah berhasil membaca waktu rambat gelombang pada material kayu, maka langkah selanjutnya adalah
menentukan kecepatan rambat gelombang ultrasonik (V) melalui Persamaan 1 berikut,
t 4
LV
t 10
(1)
Dengan Vt = 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
(MoEdinamik) (Bucur, 2006) ditentukan melalui Persamaan 2 berikut,
2t
dinamik 6
VMoE
10
(2)
Dengan MoEdinamik = modulus elastisitas dinamik (MPa), ρ = berat jenis kayu (kg/m3), dan Vt = kecepatan
rambat gelombang di material terkoreksi (m/detik).
7. Dari data modulus elastisitas dinamik (MoEdinamik), maka dapat didapatkan nilai elastisitas statik (MOEstatik)
(Raymond et al., 2006) melalui Persamaan 3 berikut,
MoEstatik= 0,891 x MOEdinamik (3)
Dengan MoEstatic = modulus elastisitas statik (MPa), dan MoEdinamik = 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-104
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
x
P.L
48.E.I (4)
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,
3
x
P.LMoE
48. .I
(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-105
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-106
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-107
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-108
(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), 1845-1856.
Pranata, Y.A, dan Palapessy, J.G.(2014).”Kekuatan Lentur, MOE, Dan MOR Kayu Ulin (Eusideroxylon
Zwageri)”.Jurnal Teknik Sipil, Vol. 13(1), 25-31
Horȧcek, Petr et al. (2012).”Nondestructif evaluation of static bending properties of scots pine wood using stress
wave technique”. Wood Research,Vol. 57(3), 359-366
SK-109
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 2011.
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 04.10 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), 186-196
Bucur,V.(2006). Acoustics of Wood.Springer-Verlag.Germany, Berlin
Gere, J.M.(2004).Mechanics of Materials.Thomson Learning, Inc.