PKMI-2-14-1

STUDI KARAKTERISTIK PENGUKURAN TEGANGAN DAN RESPON HELMET INDUSTRI

Jon Heri, Eko Hardiansyah, Chandra.A Siregar, Muhammad DaudFakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara, Medan

ABSTRAKPengujian ketahanan helmet terhadap beban impak telah banyak dilakukan dan terus berkembang, dengan menjatuhkan impaktor dari suatu ketinggian tertentu (2 sampai dengan 3 m) menggunakan test rig jatuh bebas. Teknik standard ini dipandang tidak efektif bila diaplikasikan pada helmet yang dipakai untuk lapangan kerja konstruksi bangunan bertingkat, yang diperkirakan sebuah benda dapat jatuh dari suatu ketinggian yang melebihi 3 meter. Paper ini memperkenalkan suatu metode pengukuran respon helmet yang dikenai beban impak kecepatan tinggi. Teknik pengukuran itu disebut dengan teknik dua gage, yaitu menggunakan teori propagasi tegangan dalam batang suatu dimensi. Untuk mendapatkan beban impak kecepatan tinggi impaktor ditempatkan dalam sebuah barel dan ditembakkan ke lokasi impak helmet yang akan diuji, menggunakan alat uji Kompresor Impak (KOMPAK). Dari hasil penelitian diperoleh bahwa set-up teknik dua gage relatif mudah digunakan. Helmet yang diuji memberikan respon beban dan waktu impak (tegangan insiden) sesuai dengan karakteristik pembebanan.

Kata kunci : helmet industri, impak kecepatan tinggi, teknik dua gage

PENDAHULUANSelama ini helmet diuji menggunakan prosedur pengujian standard

menggunakan test rig dengan teknik jatuh bebas. Pengujian standard ini bertujuan untuk melihat sejauh mana kemampuan helmet dalam menyerap energi impak. Selain itu uji standard juga bertujuan meneliti keparahan rusak helmet yang memungkinkan merusak lapisan kulit kepala lewat penetrasi. Teknik ini telah banyak digunakan oleh berbagai pusat pengujian helmet, misalnya Sirim Berhad, Malaysia dan B4T Deperindag, Bandung Indonesia, dan juga Pusat Riset Impak dan Keretakan, Jurusan Teknik Mesin USU.

Memakai uji standard yang ada, baik memakai standard Jepang (JIS) maupun Standard Nasional Indonesia (SNI) striker hanya dijatuhkan dari ketinggian H=2 sampai dengan 3 meter. Dengan demikian kecepatan strikerhanya lebih kurang, v = 2gH =6.3 m/detik. Kecepatan striker sebesar ini masihtergolong kecepatan impak rendah. Padahal kenyataan di lapangan besar kemungkinan suatu benda jatuh dari suatu ketinggian yang lebih tinggi. Katakanlah sebuah benda jatuh bebas dari suatu gedung berlantai 10 (H=40m) yang sedang dibangun dan menimpa pekerja yang menggunakan helmet standard. Pertanyaannya apakah helmet tersebut akan tahan menerima benda jatuh dari ketinggian tersebut?. Menggunakan rumus yang sama kita dapat memperkirakan kecepatan jatuh benda tadi yaitu v=28.2 m/detik, kecepatan sebesar ini sudah tergolong kecepatan impak tinggi. Dengan demikian menggunakan prosedur standard yang sudah umum dipakai akan tidak mampu memberi keamanan kepada sipekerja. Dalam hal ini helmet untuk pekerja konstruksi atau industri seperti itu

seyogianya dibuat dari bahan dan desain yang khusus sehingga akan mampu menahan beban impak kecepatan tinggi.

Dengan dilandasi pada latar belakang di atas peneliti telah mengembangkan suatu teknik pengukuran respon helmet menggunakan sebuah cara baru yang cocok untuk helmet tahan terhadap impak tinggi, yaitu teknik pengukuran menggunakan set-up pengujian terbaru dari alat uji impak, Kompresor Impak (KOMPAK) [1,2]. Pada gilirannya, teknik ini dapat digunakan untuk mengukur kekuatan helmet industri akibat beban impak.

BAHAN DAN METODE Bahan

Dalam penelitian ini spesimen helmet yang akan diuji adalah helmet yang non-standard di peroleh dari toko-toko penjualan helmet industri tersebut.

Helmet industri jenis ini (Gambar 1), ternyata masih banyak digunakan pada beberapa industri di Sumatera Utara, terutama pekerja konstruksi bangunan. Peneliti mengasumsikan bahwa helmet jenis ini belum memenuhi kategori standard. Alasannya karena tidak terdapat label dan sticker uji standard yang ditempel pada helmet.

Untuk pengujian diperkirakan akan menggunakan sebanyak 10 buah helmet, yang terdiri dari: (1) uji helmet non-standard dengan pengimpakan atas, (2) hal yang serupa dilakukan dengan variasi jarak pemasangan biaxial strain gage 15 mm dari titik pengimpakan.

(a) (b) (c) (d)(a) tampak depan, (b) tampak samping, (c) tampak belakang, dan (d) tampak atas

Gambar 1. Helmet industri non–standard.

MetodaSet-up peralatan uji

Untuk mendapatkan respon helmet yang dikenai beban impak kecepatan tinggi dilakukan dengan menggunakan KOMPAK. Beban impak (tegangan insiden) yang dimaksudkan dalam makalah ini adalah tegangan yang masuk ke permukaan impak, yaitu bagian atas tempurung helmet. Tegangan insiden pada lokasi impak tersebut tidak dapat diukur secara langsung; karena itu dalam penelitian ini tegangan insiden diukur dengan menggunakan set-up KOMPAK dengan teknik dua gage.

Konstruksi peralatan uji impak secara skematik ditunjukkan pada Gambar 2. KOMPAK telah dimodifikasi sehingga dapat digunakan secara khusus untuk pengujian helmet. Helmet industri yang akan diuji (8) ditempatkan bersentuhan dengan salah satu ujung batang penerus ujung tumpul dengan panjang 1,5 m (7). Beban impak diperoleh dengan menumbukkan batang impak

1 Kompresor 8 Spesimen Helmet dan test rig2 Tangki Udara 9 Strain Gage3 Pressure Regulator 10 Bridge Head4 Katup Solenoid 11 Signal Conditioner5 Pipa Barel 12 Transient Converter6 Striker 13 Personal Computer7 Input bar 14 Interface

(panjang 0,5m) (6) ke batang penerus. Variasi kecepatan batang impak diperoleh dengan mengatur tekanan udara lepas dan jarak impak, yaitu jarak tumbukan batang impak dan batang penerus [3].

Pengukuran beban impak yang dibangkitkan pada lokasi impak dan ditransmisikan ke helmet dilakukan dengan menggunakan teknik strain gage yang dipasangkan di dua lokasi titik ukur pada batang penerus, yaitu pada a dan b. Gelombang tegangan yang ditangkap oleh strain gage pada lokasi a dan b tersebut [4], selanjutnya dengan bantuan bridge box (Kyowa), perubahan tahanan gage ΔR/R diubah menjadi voltase output Vo pada transient converter, melalui signal conditioner. Data digital yang direkam transient converter selanjutnya dikirim ke komputer dengan memakai interface. Channel 1 atau 2 yang terdapat pada transient converter digunakan untuk mendeteksi gelombang tegangan yang melewati strain gage (pada lokasi a dan b). Tegangan insiden yang dihasilkan di atas itulah yang dimaksud dengan respon helmet.

2

3000 mm3 4

5 6 7

4000 mm

8

9

13 1 10

14 1211

0001V 0001V

Detail 8

Gambar 2. Set-up Alat Uji KOMPAK

5001300

1100

1500Spesimen helmet

Striker Input Bar

gage a gage b

Gambar 3. Set-up batang dan helmet

0

b

Tabel I. Sifat Mekanik Batang ujung tumpul

Material E (GPa) ρ (kg/m3) Co (m/s)Batang impak (Striker) Al-6061 68 2713 5006Batang penerus (input bar) Al-6061 68 2713 5006

500 mm

Striker

1500 mm

Input Bar

Ybiaxial gage

X

Titik Impak

biaxial gage

Gambar 4. Set-up pengukuran helmet secara langsung dengan biaxial, (b= 15 mm)

Metoda pengukuran teganganPada Gambar 3 ditunjukkan secara detail susunan batang helmet yang

akan diuji. Perhitungan tegangan insiden tekan pada lokasi impak dari helmet didasarkan pada teori penjalaran gelombang elastik [5,6]. Berikut ini diberikan rumus menghitung besarnya gelombang tegangan pada lokasi b:

σb(t) = σR(t) + σL(t) (1)

dimana σR(t) dan σL(t) adalah tegangan yang berpropagasi ke kiri dan ujung kanan batang penerus. Ambil t1 = l/Co, di mana l jarak antara gage a dan b, juga c dan Co adalah kecepatan rambat gelombang elastik dalam batang. Tegangan pada lokasi a dan c dapat dihubungkan sbb:

danσa(t) = σR(t + t1) + σL(t-t1) (2)

σc(t) = σR(t - t1) + σL(t+t1) (3)

Jika persamaan (3) disederhanakan dalam σa dan σb, tegangan insiden yang ditransmisikan ke dalam helmet, pada lokasi c, dapat dihitung, sebagai berikut:

σc(t) = σb(t + t1) + σb(t - t1) - σa (t) (4)

Di sini, t adalah waktu dan t1 = jarak dari a ke b/c0, dimana c0 adalah kecepatanrambat gelombang dalam batang yang dihitung dengan rumus C =

Modulus elastisitas dan ρ, masa jenis batang penerus (input bar).

E . Di sini E ,ρ

Pengujian dilakukan dengan berbagai variasi beban impak yang diatur dengan cara merubah jarak impak. Dalam pengujian ini tekanan tangki udara diatur pada 0,4 MPa, dengan variasi jarak pengimpakan, (Impact distance).

Stre

ss

(M

Pa)

Stre

ss (

M

Pa)

Stre

ss (M

Pa)

Str

e ss

(M

Pa)

HASIL PENELITIAN

P : 0,4 MPaStriker Input Bar

Impact distance: 100mm

Stress vs Time

6048.35

41.33

30

Incide nt Stre ss

20

15 15.48

10

00 400 800 1200

5

0 6.82

-30

-5 0 200 400 600 800

-10

-15

-60

Tim e (μ s)

-20

Time (μ s)

Gambar 5. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 100mm)

P : 0,4 MPa

Striker Input Bar

Impact distance: 150mm

Stress vs Time

Incident Stress

8060.12

60

40

20

0

50.77

20 16.61

15

10

5

00 200 400 600

-20

-40

-60

-80

0 400 800 1200

Time (μ s)

-5

-10

-15

-20

Time (μs)

Gambar 6. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 150mm)

69.17 62.54

0 0 800 1200

-

Stre

ss

(M

Pa)

Te g

a n

g a n

(M

P

a )

T e

ga n

gan

(MP

a )

Te g

a n

g a n

(M

P

a )

Stre

ss (M

Pa)

15 m

m

P : 0,4 MPa

Striker Input Bar

Impact Distance: 200 mm

Stress vs Time

Incident Stress

80

60

40

20

0

-20

-40

-60

-80

Time (μ s)

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

13.72

0 200 400 600 800

Time (μs)

Gambar 7. Tegangan impak dan tegangan insiden (P=0,4 MPa; ID= 200mm)

2

1,5

1

0,5

0

1,55 Y

X2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000,5

-1

-1,5

-2

-2,5

CH1 (arah-X) CH2 (arah-Y)

Biaxial Gage-2,58

-3

Waktu (μs)

Titik Impak

3-2,58

2

1,55

21

1

02000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

-1

Waktu ( μ s)

02000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

2996-1

Waktu ( μ s)

Gambar 8. Respon helmet pada P=0,4 MPa; ID= 100mm

Tabel II. Variasi tegangan insiden yang masuk ke helmetKondisi beban Tegangan Impak

(MPa)Tegangan Insiden

(MPa)0,4 MPa; 100mm 48,35 16,480,4 MPa; 150mm 60,12 16,610,4 MPa; 200mm 69,17 13,72

Tabel III. Variasi tegangan dan waktu yang masuk ke helmet dengan metode pengukuran langsung

Kondisi beban Tegangan (MPa) Waktu (μs)Arah -X Arah -Y Arah -X Arah –Y

0,4 MPa; 70mm -1,91 1,09 3299 30090,4 MPa; 80mm -2,31 1,21 3568 32670,4 MPa; 90mm -2,38 1,35 3631 32700,4 MPa; 100mm -2,58 1,55 3906 33290,4 MPa; 110mm -2,77 1,63 3989 3594

PEMBAHASAN

Pengukuran Respon Helmet Secara Tidak LangsungDalam penelitian ini pengukuran kekuatan impak helmet dilakukan pada

arah impak atasa saja. Set-up uji ditunjukkan pada Gambar 3 untuk mengetahui respon helmet terhadap beban impak. Respon tersebut dapat diartikan sebagai resistensi helmet dalam mendukung gelombang tegangan impak yang masuk ke lokasi impak melewati ujung batang penerus. Respon helmet diperkirakan berbeda tergantung lokasi impak dan intensitas beban dan juga geometri ujung batang penerus yang bersentuhan langsung dengan permukaan helmet.

Menggunakan set-up seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan metoda yang dijelaskan di atas sebanyak 10 buah helmet industri merek X juga dikenakan berbagai variasi beban impak.

Konfigurasi tegangan insiden akibat ujung tumpul ditunjukkan padaGambar 5 sampai dengan Gambar 7, dimana gelombang tersebut memberikan beberapa informasi penting, yaitu: Waktu impak untuk jarak 100 mm, (ti)=498 μs, jarak 150 mm, (ti)=462 μs, dan jarak 200 mm, (ti) berkisar antara 300 - 400 μs,; waktu impak ini tergantung pada ukuran batang impak yang digunakan. Dalam penelitian ini digunakan batang impak yang panjangnya 500 mm. Tegangan yang masuk pada helmet dengan tekanan konstan 0,4 MPa dan variasi jarak impak 100,150, dan 200 mm ditunjukkan pada Tabel II.

Pengukuran Respon Helmet Secara LangsungPengukuran respon helmet secara langsung dilakukan adalah untuk

melihat respon helmet pada lokasi tertentu diluar daerah impak. Pada Gambar 3 ditunjukkan set-up pemasangan biaxial gage pada jarak 15 mm dari titik pengimpakan sebelah atas. Pemasangan pada jarak 15 mm ini bertujuan untuk mendeteksi tegangan sedekat mungkin dengan beban impak.

Pengujian helmet dengan menggunakan biaxial gage (arah-X dan Y)yang terpasang 15 mm dari titik impak, dipergunakan tekanan yang diset konstan

PKMI-2-14-8

sebesar 0,4 MPa dan melakukan pengujian impak dengan jarak dari 70 mm sampai dengan 110 mm pada bagian atas spesimen, seperti yang terlihat pada Gambar 4 yang merupakan kronologi pengujian spesimen helmet yang memakai strain gage biaxial. Dari pengujian ini diperoleh karakteristik propagasi tegangan yang berbentuk impulse. Bentuk karakteristik propagasi tegangan yang dihasilkan pada permukaan helmet ditunjukan pada Gambar 8.

Dari keterangan di atas, bahwa rambatan gelombang yang besar terjadi pada spesimen adalah rambatan gelombang yang menuju arah-X dimana waktu yang diperlukan untuk perambatan membentuk suatu gelombang impulse dengan pembacaan strain gage arah-X yang berjarak 15 mm dari titik pengimpakan dengan tekanan 0,4 Mpa dan variasi jarak impak dari 70 mm sampai dengan 110 mm terlihat pada Tabel III.

KESIMPULANDari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa Metoda dua gage dan set-

upnya mudah untuk digunakan; untuk mendapatkan tegangan insiden tidak disyaratkan diketahui sifat mekanik helmet yang akan diuji. Dimana bentuk dan intensitas tegangan impak yang timbul tergantung pada laju pembebanan batang impak, dan dapat pula disimpulkan bahwa karakteristik tegangan dengan pengukuran langsung pada helmet dengan menggunakan biaxial gage menunjukkan adanya perbedaan respon yang diterima oleh helmet pada lokasi tertentu (15 mm dari titik impak), hal ini bergantung kepada besarnya beban impak yang diberikan.

DAFTAR PUSTAKA[1] Syam B, etal., “Pembuatan Alat Uji Air Gun Compressor dan Penyelidikan

Perilaku mekanik Beberapa Material Keramik Akibat Beban Impak”, Laporan Komprehensif Penelitian Hibah Bersaing VI/1 dan VI/2, Medan, 1999.

[2] Syam B., “A Measuring Method for Impact Tensile Strength and Impact Fracture Behaviors of Brittle Material”, A Doctoral Dissertation, Muroran Institute of Tecnology, Muroran, Japan, March 1996, pp.29-98

[3] Mahadi, B, etal., “Aplikasi Teknik Dua Gage dalam Obserpasi Respon HelmetIndustri yang Dikenai Beban Impak”, Buletin Utama Teknik, Vol.8No.1, Januari 2004, pp. 29-35.

[4] Sabri, M., “Perilaku Strain Gage sebagai Sensor pada Pengukuran Regangan”, Jurnal Teknik SIMETRIKA Vol.2 No.2, Agustus 2003, pp.6-13

[5] Yanagihara, N., “Theory of One-Dimensial Elastic Wave for the Measurement of the Impact Force”, Buletin of JSME, Vol.43, 1977, pp.40-48

[6] Johnson, W., “Impact Strength of Material”, Edward Arnold, London, 1972.

PKMI-2-14-8