Mekanika Kayu 2 [PDF]

Citation preview

  Sifat – Sifat Dasar Kayu  Mekanika Kayu 2 



Widyanto Dwi Nugroho, S.Hut., M.Agr., Ph.D.  LABORATORIUM STRUKTUR DAN SIFAT KAYU  FAKULTAS KEHUTANAN UNIVERSITAS GADJAH MADA  2013 



Prosedur Pengujian Standar untuk Menentukan Sifat‐ sifat Mekanis Kayu  1. Tujuan pengujian standar kekuatan kayu adalah sebagai  berikut:    Untuk mendapatkan nilai kekuatan rata‐rata untuk  spesimen‐spesimen kayu.  untuk menentukan  kekuatan dasar (basic stresses), kekuatan penggunaan  (working stresses) dan kelas‐kelas kekuatan.    Untuk memperoleh dasar perbandingan bagi kekuatan‐ kekuatan kayu yang jenisnya berbeda untuk  menentukan penggunaan masing‐masing.    Untuk menentukan pengaruh cacat‐cacat kayu dan  lain‐lain terhadap kekuatan kayu. 



Prosedur untuk menguji kekuatan mekanis kayu  telah distandarisasikan di seluruh dunia.  1.  Amerika serikat  ASTM (American Society for  Tes5ng and Materials).  2.  Inggris  BS (Bri5sh Standard)  3.  India  Indian Standards  4.  Jepang  Standar Jepang  Pengetahuan tentang sifat‐sifat mekanis kayu diperoleh dengan  pengujian‐pengujian:  • Service test  pengujian dalam penggunaan yang menggunakan  kayu seperU penggunaan yang nyata dalam prakUk.  • Laboratory test  pengujian di laboratorium dengan  menggunakan alat uji. 



  Service test    Keuntungan : Percobaan dilakukan dalam kondisi yang sama  dengan keadaan kayu dalam penggunaan.   Kekurangan : Pengumpulan data lama, faktor luar sulit  dikendalikan, dan percobaan yang Udak terpusat akan menambah  biaya. 



  Laboratory test  memberikan pemecahan yang prakUs dan lebih ekonomis.  Dalam laboratorium dapat dilakukan dua pengujian:  1.  Pengujian atas spesimen‐spesimen kecil tanpa cacat (small clear  specimens)  2.  Pengujian atas kayu dengan ukuran seperU yang digunakan untuk  bangunan.  Dalam pengujian kekuatan kayu di laboratorium biasanya dipilih kayu  dengan kadar air standar yaitu kadar air kering angin. 



Cara‐cara Pengujian Kekuatan Kayu Menggunakan  Spesimen Kecil Tanpa Cacat  Cara‐cara Pengujian Kekuatan Kayu Menggunakan Spesimen  Kecil Tanpa Cacat  1.  Pengjian kekuatan kayu dengan menggunakan  spesimen kecil tanpa cacat (small clear specimen) atau  dikenal dengan Laboratory test mengikuU standar  ASTM/BS/JIS etc.  2.  Sistem pengujian ini menggunakan ukuran tertentu   ASTM  2 inchi x 2 inchi (+ 5 cmx5cm)  3.  Mesin penguji : Universal Tes5ng Machine dengan  kapasitas 30000 – 50000 pounds. 



Sifat‐sifat Mekanis yang diuji  Jenis‐jenis kekuatan kayu yang diuji adalah :  1.  Keteguhan lengkung staMs  2.  Keteguhan pukul (keuletan)  3.  Keteguhan tekan sejajar serat dan tegak lurus  serat  4.  Kekerasan  5.  Keteguhan geser  6.  Keteguhan belah  7.  Keteguhan tarik 



Beberapa definisi dg gaya pada kayu  The mechanical properMes of wood are an expression of its behavior under  applied forces.   •  stress (σ): force on unit area or volume  There are compressive stress, tensile stress, shear stress, bending stress. 



•  Strain (ε): deformaMon per unit length, area or volume  



Each different type of stress produces a corresponding strain.  



•  modulus  of  elasMcity  (E):  the  proporMonality  constant  between  stress  and strain, .                                             MOE = σ/ ε.        Usually,The  modulus  of  elasMcity  for  compressive  and  tensile  tresses  is  known  as  Yong’s‐modulus  (Y),  and  the  modulus  of  bending  elasMcity  is  commonly indicated as E.    •  modulus of rupture (R)：the stress required to cause failure                                            R = σmax  •  proporMonal limit( σp): the maximum stress beyond which the σ/ ε raMo  doesn’t keep constant. 



    The elasMc behavior of wood  is illustrated by the straight‐ line porMon of the curve for  load and deformaMon, as  shown in the figure. The  area under the straight‐line  porMon of the curve  represents the potenMal  energy, or recoverable  work, and is a measure of  the resilience of the  material. The steepness of  the slope of the elasMc line  is a measure of the  magnitude of the elasMc  modulus; i.e., the steeper  the slope, the greater the  modulus.  



1. Keteguhan lengkung staMs  Digunakan untuk menentukan ketahanan kayu terhadap gaya‐gaya  yang  berusaha  melengkungkan  kayu,  atau  beban‐beban  maM  atau  hidup, kecuali gaya pukul (impact load) yang dipikul oleh gelagar. 



Contoh: Pengujian keteguhan lengkung staMs berdasar  ASTM  ① Ukuran spesimen : 30 inchi x 2 inci x 2 inchi (Pxlxt)  ② Bentangan bebas : 28 inchi  ③ Kecepatan pembebanan : 0,10 inchi/menit  ④ Defleksi (deformasi) diukur dengan alat deflektometer.  ⑤ Data beban dan defleksi yang sesuai dengan beban  diplotkan di kertas grafik dan batas proporsi diperoleh  dengan pengamatan visual pada kurva beban‐defleksi  tersebut. 



Uji lengkung staUs pada gelagar ukuran kecil 



Keteguhan lengkung staMs ditunjukkan oleh:  a. Tegangan serat pada batas proporsi (Fibers stress at proporsional limit) atau boleh  juga disebut Keteghan lengkung pada batas proporsi. Rumus: 



=



3P1L 2 bd2



psi



b. Tegangan serat pada beban maksimum (Fiber stress at maximum load) atau yang  lebih lazim disebut Modulus Patah (Modulus of Rupture: MOR). Rumus: 



=



3PL 2



bd2



psi



c. Modulus elasMsitas (Modulus of elas5city =MOE) yang menunjukkan kekakuan .  Rumus: 



=



P1L3 4D



bd3



psi



d. Keuletan ditunjukkan oleh :  1). Besarnya usaha sampai batas proporsi = elas5c resilience dengan rumus: 



=



P1D 2 bdL



In.Lbs/cu.in



2). Besarnya usaha sampai beban maksimum dan besarnya usaha total dengan rumus: 



=



kxA bdL



In.Lbs/cu.in



L



= bentangan bersih antar penyangga (inchi)



b



= Lebar spesimen (inchi)



d



= tebal specimen (inchi)



P1



= Beban pada batas proporsi dalam lbs



P



= Beban maksimum dalam lbs



D



= defleksi pada batas proporsi (dalam inchi)



A



= Luas daerah antara kurva beban defleksi dan sumbu X dalam in.lbs.



k



= Konstante yang tergantung pada skala yang digunakan untuk kurva beban defleksi.



Dalam pengujian ini Upe‐Upe rusak dan patahnya harus dicatat. Tipe yang umum  antara lain adalah :  1.  Rusak Tekan (Compression failure)  2.  Rusak Tarik (Tension failure)  3.  Geser Horisontal 



  Dalam pengujian keteguhan lengkung staUs dengan  gaya luar yang mengenainya tegak lurus serat, dengan  ini terjadi Uga tegangan yaitu : tekan, tarik dan geser  (lihat gambar). 



  Keteguhan lengkung kayu biasanya dinyatakan dalam  MOR / Modulus patah. 



  MOR bervariasi antara 55‐160 N/mm2 



  Keteguhan lengkung kayu lebih rendah dibanding  dengan logam, tetapi lebih Unggi dibanding dengan  bahan‐bahan bukan logam. 



Tipe‐Mpe kerusakan 



2. Keteguhan pukul (keuletan) = Impact bending  strength  



  Pengujian dimaksudkan untuk menentukan ketahanan  gelagar kayu terhadap beban yang mengenainya dengan  mendadak (pukulan). 



  Cara pengujian : menjatuhkan suatu berat 25 lbs dari  suatu keMnggian yang makin naik, mengenai satu  specimen berkuran 30x2x2 inchi yang disangga dengan  bentang bebas 28 inchi. Berturut‐turut beban dijatuhkan  dengan keMnggian yang semakin bertambah sampai  specimen tersebut patah. 



  Pada pemukul melekat suatu sMlus (pena pencatat) yang  mencatat keMnggian pukulan dan defleksi. Data disusun  dalam table dan digambar dalam grafik. 



  Perhitungan‐perhitungan: 



 Keteguhan pukul (Impact bending strength)= tegangan  pada batas proporsi atau keteguhan pukul pada batas  proporsi:  =



3WH1L Dbd2



psi



 Kekakuan ditunjukkan oleh Modulus ElasUsitas  =



WH1L3 2D2 bd3



psi



 Keuletan ditunjukkan oleh besarnya usaha sampai batas  proporsi atau elas5c resilience dengan rumus:  =



WH1 BdL



In.lbs./cu.in.



L



= bentangan bersih antar penyangga (inchi)



b



= Lebar spesimen (inchi)



d



= tebal specimen (inchi)



D



= defleksi pada batas proporsi (dalam inchi)



W



= berat pemukul dalam lbs



H1



= tinggi jatuhnya pemukul pada batas proporsi dalam inchi.



3. Keteguhan tekan sejajar serat (Compression  parallel to grain). 



 Dilakukan untuk menentukan keteguhan kayu terhadap  beban aksial jika kayu digunakan sebagai kolom (Mang) pendek. 



 Ukuran spesimen; 8x2x2 inchi. 



 Dilakukan pembebanan dengan kecepatan turunya kepala  pembebanan 0,024 in./deMk. Dilakukan juga pengukuran  terhadap defleksi yang terjadi. 



 Dilakukan sampai beban maksimum dilalui. 



 Angka‐angka hasil pengamatan diplotkan dalam grafik dan  dilakukan perhitungan kekuatan mekanisnya. 



L



= bentangan bebas antara dua penjepit spesimen (inchi)



b dan d



= dimensi penampang melintang spesimen (inchi)



P1



= Beban pada batas proporsi (lbs)



P



= Beban maksimum (lbs)



D



= Defleksi pada batas proporsi (inci)



Skema pengujian keteguhan tekan sejajar serat (Compression parallel  to grain). 



  Perhitungan‐perhitungan:  1.  Keteguhan tekan pada batas proporsi  P1



=



psi



bd



2.  Keteguhan tekan maksimum  P



=



psi



bd



3.  Modulus elasMsitas  P1L1



=



psi



Dbd



4.  Usaha sampai batas proporsi  P1xK



=



In.lbs./ cu.in.



2bdL1



5.  Usaha sampai beban maksimum  =



AxK bdL1



In.lbs./cu.in.



4. Keteguhan tekan tegak lurus serat  (Compression perpendicular to grain). 



 Dimaksudkan untuk menentukan ketahanan kayu terhadap  tekanan sisi seperM halnya kalau berat rel dipikul oleh bantalan. 



 Ukuran spesimen: 2x2x6 inci. 



 Beban diberikan melalui pelat baja lebar 2 inci yang  ditempatkan melintang (tepat di tengah2 sampel). Pengujian  dilakukan pada permukaan radial. 



 Kecepatan turunya kepala mesin penguji : 0,24 inchi/menit. 



 Dari data pengukuran dibuat kurva beban‐defleksi. Dari kurva  ini didapat beban pada batas proporsi. 



Skema pengujian keteguhan tekan tegak lurus serat (Compression  perpendicular to grain). 



 Rumus keteguhan tekan pada batas proporsi : 



=



P1



psi



2b P1



= Beban pada batas proporsi (lbs)



b



= lebar spesimen (inci)



2



= Lebar plat baja (inci)



5. ElasMsitas  1.  Kayu memiliki nilai elasMsitas di tengah‐tengah  dibanding bahan‐bahan lain.  2.  Nilai MOE bervariasi antara 2500‐17000 N/mm2  (arah aksial)  3.  Kayu memiliki MOE yang lebih rendah dari bahan  lain (=melengkung lebih banyak dengan beban yang  sama).  4.  MOE berbeda dalam keMga arah kayu (aksial,  tangensial, radial).  • MOE transversal (tangensial dan radial berkisar 300‐600 N/mm2) 



6. Kekerasan (Hardness) 



  Kekerasan biasanya ditentukan dengan Janka ball test. 



  Uji ini dilakukan dengan cara memasukkan bola baja  berdiameter 0,444 inci sedemikian sehingga separuh  diameternya masuk ke dalam spesimen. Luas daerah tekanan  adalah 1 cm2. 



  Kecepatan turunya kepala mesin 0,25 inci/menit. 



  Kekerasan diukur pada permukaan tangensial, radial dan  ujung spesimen. 



  Kekerasan berkaitan dengan keausan, abrasi atau goresan  dengan pelbagai objek atau mudah Mdaknya kayu dikerjakan  dengan alat atau mesin. 



  Kekerasan merupakan sifat yang penMng dalam penggunaan  seperM lantai, alat olah raga, pensil dll. 



  Nilai kekerasan kayu langsung dibaca pada skala beban. 



7. Keteguhan geser (Shear parallel to grain) 



 Uji ini untuk menentukan keteguhan kayu  terhadap gaya/beban yang berusaha menggeser  satu bagian dari kayu sepanjang suatu bidang yang  sumbunya sejajar serat.   Ukuran spesimen, Panjang : 2,5 inci dan  penampang melintang 2x2 inci.   Ukuran permukaan geser : 2x2 inci2 (4 inci2)   Kecepatan kepala mesin : 0,015 inci/menit.   Keteguhan geser maksimum sejajar serat:  =



P (beban maksimal) A (Luas permukaan geser)



psi



Spesimen uji geser sejajar serat 



Alat uji geser sejajar serat 



8. Keteguhan belah (Cleavage) 



 Uji ini untuk menentukan mudah Mdaknya kayu dibelah. 



 Ukuran spesimen, Panjang sejajar serat: 3,75 inci dan  penampang melintang 2x2 inci. (lihat gambar). 



 Nilai keteguhan belah: 



P (beban maksimal) =



b (lebar spesimen dalam arah panjang kait)



Lbs/inci



9. Keteguhan tarik tegak lurus serat (Tension  perpendicular to grain)   Uji ini untuk menentukan ketahanan kayu terhadap  beban tarik yang dikenakan perlahan‐lahan tegak  lurus serat.   Ukuran spesimen, Panjang sejajar serat: 2,5 inci dan  penampang melintang 2x2 inci. (lihat gambar).   Dilakukan uji pada bidang radial dan bidang  tangensial.   Kecepatan kepala mesin : 0,25 inci/menit. 



 Nilai keteguhan tarik tegak lurus serat kayu:  P (beban maksimal) =



A (Luas bidang antara kedua lubang dalam spesimen)



Spesimen untuk uji tarik tegak lurus serat 



psi



10. Keteguhan tarik sejajar serat (Tension parallel  to grain)   Uji ini untuk menentukan ketahanan kayu terhadap  beban yang meregang/menarik kayu dalam arah serat.   Ukuran spesimen, Panjang 30 inci dan penampang  melintang 2x2 inci. (lihat gambar).   Bentuk spesimen (lihat gambar).   Kecepatan tarik oleh mesin : 0,25 inci/menit.   Keteguhan tarik kayu, terutama yang Mnggi dapat  disejajarkan dengan kekuatan logam dan lain‐lain bahan. 



Spesimen untuk uji tarik sejajar serat 



Perhitungan‐perhitungan:  ① Keteguhan tarik sejajar serat  =



P A



psi



② Keteguhan tarik pada batas proporsi  =



P1 A



psi



③ Modulus elasMsitas 



=



P2L AD



psi



P



= Beban maksimum (lbs)



P1



= Beban pada batas proporsi (lbs)



P2



= Beban pada/di bawah batas proporsi (lbs)



L



= Jarak antara 2 klem dari deflektometer (inci)



A



= Luas penampang yang sempit di tengah (inci2)



D



= Defleksi pada P2 (inci)