Structural Composite

  • Published on
    01-Jan-2016

  • View
    15

  • Download
    2

Embed Size (px)

DESCRIPTION

This paper describes basic introduction of structural composite.

Transcript

  • Tugas Paper

    Struktural Komposit

    Ahmad Zazali(0706268240) Al Basri Amin(0706268253)

    Ardianto(0706268291)

    Departemen Teknik Metalurgi dan Material

    Fakultas Teknik Universitas Indonesia

    Depok, 2010

  • STRUKTURAL KOMPOSIT

    Struktural komposit umumya tersusun dari material homogen dan juga material komposit, yang mana sifat-sifatnya tidak hanya bergantung pada sifat-sifat dari material-material penyusun, namun juga bergantung pada desain geometrikal elemen struktural penyusunya. Secara umum struktural komposit dibagi dalam dua kelompok, yaitu laminar composite dan sandwich panel.[1]

    1. Laminar Composites/Laminat Laminat merupakan material komposit yang terbentuk dari lapisan-lapisan (gabungan dua atau lebih lamina) yang membentuk elemen struktur secara integral dan diikat bersama[2]. Suatu komposit laminar tersusun dari lembaran-lembaran dua dimensi atau panel-panel yang mempunyai kekuatan yang tinggi pada arah tertentu, misalnya kayu dan continous and aligned fiber-reinforced plastics. Lapisan-lapisan tersebut disusun dan kemudian direkatkan bersama, dimana orientasi dari high strength direction bervariasi pada masing-masing lapisan. Misalnya lembaran-lembaran kayu yang disusun dengan arah butir tegak lurus terhadap lapisan yang berdekatan dengannya, seperti pada skema dibawah ini.[1]

    Gbr.1: Susunan lamina-lamina pada suatu komposit laminat.

    Sifat dan arah tiap lamina dipilih sedemikian rupa sehingga struktur tersebut memenuhi persyaratan kekakuan dan kekuatan yang diinginkan. Laminasi juga dapat dibuat menggunakan material serat seperti kapas, kertas, atau wowen glass fiber dalam suatu

  • matriks dari plastik(polimer). Arah serat yang berbeda pada setiap lapisan/lamina me-nyebabkan komposit laminar mempunyai kekuatan yang relatif tinggi pada berbagai arah dalam bidang dua dimensi, namun tentunya kekuatan pada suatu arah tertentu lebih rendah jika dibandingkan dengan kekuatan apabila semua semua serat disusun pada arah tersebut. Salah satu contoh laminar komposit yang cukup kompleks adalah papan ski yang dapat dilihat dari gambar di bawah ini.[1]

    Gbr.2: Papan ski yang terbuat dari komposit laminat. Setiap lapisan menggunakan material tertentu dengan arah tertentu untuk mendapatkan properties yang dibutuhkan.

    Dapat dilihat bahwa papan ski tersebut terdiri dari beberapa lapisan material(material homogen dan material komposit) yang disusun dengan orientasi tertentu, dimana material yang digunakan pada setiap lapisan serta susunannya didesain sedemikian rupa untuk mendapatkan sifat-sifat yang dibutuhkan dalam aplikasinya.

    Pedoman Penandaan Susunan Lamina Dalam Laminat[2] Tanda slash / digunakan untuk memisahkan masing-masing ply atau lamina dengan sudut tertentu, sedangkan tanda kurung [ ] untuk melingkupi satu urut-urutan ply atau lamina tersebut. Bila sejumlah n ply berdekatan memiliki kesamaan arah maka subskrip

  • n (misalnya n = 2) dapat ditambahkan untuk menyederhanakan penandaan. Bila salah satu ply menjadi mid plane simetri dari laminat (tersusun dari lamina dengan jumlah total N ganjil), maka tanda bar/garis diatas dipakai[2] Sebagai contoh, susunan [0/902/0] menandakan suatu laminat dengan urut-urutan lamina sebagai berikut:

    Gbr.3: Pedoman penandaan susunan lamina pada komposit laminat.

    Berdasarkan arah simetrinya laminat dibedakan menjadi[2]: 1. Unidirectional laminates

    Semua lamina memiliki arah serat yang sama. Contoh: 0o unidirectional laminates

    2. Angle-ply laminates Laminat dengan sudut orientasi serat dalam layer-layer yang bergantian. Contoh : [..//-/ / -/..] dimana tidak sama dengan atau 90o.

    3. Cross-ply laminates (lapisannya saling silang) Laminat dengan sudut orientasi serat 0 dan 90o yang bergantian untuk setiap ply. Contoh : [..0/90/0/90/..]

    4. Symetric laminates Laminat dengan simetri di sekitar garis tengah urut-urutan. Untuk setiap lamina diatas midplane maka akan ada lamina lain yang identik, baik material, arah serat maupun ketebalan, dibawah midplane dengan jarak terhadap midplane yang sama pula. Contoh: [0/+45/-45/90/90/-45/+45/0] = [0/45/90]

    5. Balanced laminates Untuk setiap lamina dengan arah serat +, maka akan ada lamina identik (material dan ketebalan) dengan arah dengan lokasi yang sembarang (tidak perlu harus simetri). Contoh: [0/+60/-60/+60/-60/0]

    6. Quasi isotropic laminates Laminat dengan perilaku isotropic untuk beberapa elemennya. Umumnya dihasilkan dari lamina-lamina dengan ketebalan dan material yang sama dengan sudut-sudut serat yang setara (equal) antara lamina-lamina yang berdekatan. Bila jumlah total

  • lamina dalam laminat adalah N maka sudut-sudut lamina adalah hasil penambahan setiap pi/N. Contoh: [+60/0/-60], [90/+45/0/-45/90], [0/45/90],

    7. Hybrid laminates Laminat yang tersusun atas lamina-lamina dengan kombinasi yang berbeda dari segi material (jenis serat dan matriks) serta arah serat.

    Selain berdasarkan arah simetri, laminat juga dapat dibedakan menurut material peyusun[1]. Jika material penyusunnya dibagi menjadi logam dan nonlogam, dan yang nonlogam dibagi lagi menjadi organik dan anorganik ada enam macam kombinasi yang dapat diperoleh yaitu logam-logam, logam-organik, logam-anorganik, organik-organik, organik-anorganik, anorganik-anorganik.

    2. Sandwich Panel Sebuah sandwich panel terdiri dari dua buah lembaran dibagian luar(disebut faces), yang kuat dan kaku, yang dipisahkan dan diikat dengan adhesive pada suatu inti(core) yang lebih tebal yang densitasnya lebih rendah. Tujuan utama pembuatan sandwich adalah untuk meningkatkan performa struktural, yaitu untuk mendapatkan kekuatan tinggi namun ringan(high strength-to-weight ratio).[4]

    Secara struktural, core memiliki beberapa fungsi. Pertama, core menyediakan support secara kontinyu bagi face. Core harus mempunyai kekuatan geser(shear strength) yang cukup untuk dapat menahan tegangan geser(shear stress) pada arah tegak lurus(transverse shear stress), dan juga harus cukup tebal untuk memberikan shear stiffnes yang tinggi(untuk menahan terjadinya buckling pada panel) [1]. Tensile dan compressive stress yang ditanggung oleh core jauh lebih kecil dibandingkan pada face.[7]

    Lembaran bagian luar(face) terbuat dari material yang relatif kuat dan kaku. Material yang umumnya digunakan untuk bagian face adalah paduan aluminium, fiber-reinforced plastics, titanium, baja, atau plywood; yang memberikan kekakuan dan kekuatan yang tinggi pada stuktur. Reinforced plastics dapat di desain untuk mendapatkan rentangan sifat yang dibutuhkan seperti anisotropi sifat mekanis, kebebasan dalam mendesain, excellent surface finish dan lainnya. Material pada bagian face tersebut harus cukup tebal untuk menahan tensile dan compressive stress akibat

  • pembebanan. Material untuk bagian tengah atau inti(core) biasanya ringan dan memiliki modulus elastisitas yang rendah. Material core secara umum dibagi atas tiga kelompok, yaitu: rigid polymeric foam( misalnya phenolic, epoxy, polyurethanes), wood( misalnya balsa wood), dan honeycomb. [1]

    Gbr.4: Struktur komposit sandwich panel dengan inti(core) berupa honeycomb. [1]

    Struktur honeycomb(seperti sarang lebah) merupakan tipe material core yang banyak digunakan, yaitu berupa lembaran tipis yang telah dibentuk menjadi sel heksagonal yang menyatu satu dengan lainnya, yang sumbunya diarahkan tegak lurus terhadap bidang face, seperti pada gambarX diatas. Material yang digunakan untuk membuat struktur honeycomb umumnya adalah paduan aluminum dan polimer aramid. Pertimbangan kebutuhan aplikasi, seperti sifat isolator panas, ketahanan panas, dan meredam getaran, perlu dipertimbangkan dalam pemilihan material core ini.[3]

    Kekuatan dan kekakuan dari struktur honeycomb tergantung kepada ukuran sel, ketebalan dinding sel, dan material yang digunakan untuk membuat struktur honeycomb tersebut[1]. Untuk dapat mempertahankan agar face dan core bekerja sama satu sama lain maka adhesif antara face dan core harus mampu mentransfer gaya geser dari face ke core. Adhesif tersebut mentransfer shear dan tensile stress. Secara umum karakteristik sambungan adhesive yang baik adalah adhesive tersebut harus mampu menanggung shear stress yang sama dengan core.[5] Sandwich panel digunakan dalam berbagai aplikasi seperti roof, floor, dinding bangunan, dan pada aerospace dan aircraft (sayap, body/ fuselage, dan tailpan skin. [1]

  • Cara Kerja Sebuah Sandwich Beam[3] Loads Pada suatu cantilever beam yang diberikan beban pada ujungnya yang bebas, beban tersebut akan menciptakan suatu momen bending, dengan nilai terbesar adalah pada ujungnya yang fix, dan gaya geser sepanjang beam. Pada suatu sandwich panel beam gaya-gaya tersebut menghasilkan tension pada upper skin(skin bagian atas) dan compression pada lower skin(skin bagian bawah). Core memisahkan skin bagian atas dan skin bagian bawah dan mentransfer shear antara skin tersebut sehingga panel komposit bekerja sebagai suatu struktur yang homogen. Deflections Deflection dari suatu sandwich panel terjadi akibat bending dan shear pada komponen. Bending deflection tergantung pada modulus tensile dan compressive dari material skinnya. Sedangkan shear deflection tergantung pada modulus geser(shear modulus) dari material core.

    Total Deflection = Bending Deflection + Shear Deflection.

    Prinsip kerja sandwich panel pada dasarnya mirip dengan I-beam. I-beam terbentuk flange yang terikat/tersambung pada web. Ketika ditekan flange akan berada dalam kondisi tension dan compression, yang menghasilkan kekuatan utama dari I-beam. Namun I-beam lebih efektif dalam bending pada bidang pada arah Y-Z. Sebuah sandwich panel mirip dengan I-beam, namun dengan flange dan web terentang pada segala arah. Skin pada sandwich panel dapat diasumsikan sebagai flange pada