14 0 5 MB
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)