MODUL 2
SIFAT MEKANIK KAYU
A.
Pendahuluan
Modul ini merupakan lanjutan dari
modul 1 yang membahas mengenai sifat-sifat kayu. Sifat kayu pada modul ini
adalah sifat mekanik kayu.
Modul ini terdiri dari tiga bagian,
yang mencakup: (1) Bangun kayu, (2) Sifat Fisik, (3) Sifat higroskopik. Kegiatan
belajar mahasiswa dalam modul ini terdiri 4 kegiatan pembelajaran: (1) Uraian
materi pembelajaran, (2) Rangkuman, (3) Latihan, (4) Tes dan Kunci
Kompetensi khusus yang akan dicapai
setelah mahasiswa mempelajari modul ini adalah dapat menjelaskan sifat mekanik
kayu
Kegiatan belajar secara
lengkap diuraikan pada halaman berikut ini.
B.
PENYAJIAN
B.1. SIFAT
MEKANIK KAYU
Sifat
mekanik, dipengaruhi oleh:
1)
Hubungan arah serat dengan arah gaya,
2)
Pengaruh angka rapat,
3)
Pengaruh kadar lengas kayu,
4)
Pengaruh cara dan lamanya pembebanan,
5)
Pengaruh penyimpangan arah serat,
6)
Pengaruh penyimpangan arah gaya dan arah serat,
7)
Pengaruh mata kayu dan cacat lainnya, serta
8)
Sifat batang batang desak.
1.
Hubungan Arah Serat Dengan
Arah Gaya
Seperti
telah diterangkan pada modul sebelumnya bahwa kayu adalah benda anisitrop (non isotropik material) dan karenanya
sifat-sifatnya mekanik keberbagai arah arah tidak sama.
|
Gambar
7. Hubungan Arah Serat dan Gaya
|
Modulus kenyal, kuat tarik, desak,
lentur,putiran dan kuat geser, berbeda-beda menurut arah ketiga sumbu
tersebut.demikian pula menurut arah yang membentuk sudut dengan ketiga sumbu
itu. Tetapi walaupun kayu itumempunyai tiga sumbu yang menujukan
perbedaansifat-sifat kayu, kita hanya membedakan dua buah sumbuh saja, karena
sifat-sifat mekakanik kearah tagensial dan radial tidak sama bedanya. Jadi
kita hanya membedakan dua buah sumbuh saja,
karena sifat-sifat mekaniknya kearah tagensial dan radial tidak banyak bedanya.
Jadi kita tinggal
mempunyai
mempunyai dua buah sumbuh yaitu: sejajar arah serat (axial)dan tegak lurus arah
serat (tagensial dan radial).
|
Gambar
8. Batas Kenyal Pada Kayu
|
Oleh karena itu kayu tidak mempunyai
batas keyal tetapi, mempuyai batas proportional, yaitu sebuah titik pertemuan
pada diagram s − Î antara bagian garis yang lurus dan
yang membengkok (titik P).Didalam praktek batas proportional itu dianggap
sebagai batas kenyal seperti pada kontruksi baja.
Apabila
kita melihat gambar 9 maka mudalah kita mengerti mengapa sifat-sifat mekanik
kayu itu berbeda-beda menurut arah batang (arah serat).
Pada gambar 9, kita lihat sebuah sel
yang ditarik ujungnya. Untuk mematakan sel tersebut kulit-kulit sel harus
hancur dan patah
|
Gambar
9. Gaya Desak dan Tarik Pada Kayu
|
Sel-sel disampingnya akan membatu dan
menghalang-halangi tertekuknya sel tersebut, maka sel itu lebih mudah tertekuk
ke dalam. Jelaslah bahwa bahaya tekuk batang atau benda yang lansing seperti
sel itu sangat besar bila disbanding dengan bahan tarikan, atau dengan lain
perkataan, menurut arahnya sumbuh batang, kayu lebih mendukung gaya tarik dari
pada gaya desak. Apabla sebuah sel didesak menurut arah sumbu pendeknya (gaya
4), sel itu seolah-olah terpejet, jadi gaya yang dapat didukungnya lebih kecil
dari pada jika sel-sel itu didesak menurut arah memanjangnya.
|
Gambar
10. Gaya Pada Kayu
|
Dimara uraian tersebut di atas diambil kesimpulan:
1.
Kayu lebih kuat mendukung gaya tarik sejajar arah serat dari
pada menurut tegak lurus arah serat (s tr ¤¤ >s tr ^).
2.
Menururt arah serat kayu lebih kuat mendukung tarikan
daripada mendukung desakan (s tr ¤¤ >s tr ^ ). Perbandingannya =
3.
Kayu lebih kuat mendukung gaya desak sejajar arah serat dari
pada menrut tegaklurus arah serat (s ds
¤¤ > s ds ^). Pada batas kenyalnya s ds ¤¤ = ±
1.2 s ds ^.
4.
Kayu lebih kuat mendukung gaya geser tegak lurus arah serat
dari pada menurut arah serat (s ^ > s ¤¤ ) .Dan s ^ ini sedemikian besarnya sehingga jarang terjadi kayu patah karena gaya
geser. Umumnya akan timbul retak-retak akibat gaya desak lebih dahulu dari pada
retak-retak akibat s ^.
2.
Diagram Tegangan Lentur
Perbedaan
besar antara daya dukung terhadap gaya desak dan gaya tarik menyebabkan sifat istimewa
dari pada balok kayu. Seperti diketahui
= 2 a 2.5 Perbandingan ini
menyebabkan hukum Navier, yaitu suatu
anggapan adanya pembagian tegangan yang linier dan simetetrik – tidak dapat
dipakai.
Apabila
balok yang dibebani momen sudah mendekati titik patahnya, maka diagram
tegangannya tidak merupakan segitiga lagi, melainkan untuk bagian yang terdesak
diagramnya merupakan parabola berpangkat dua dengan titik maksimumnya pada
serat yang terluang. Anggapan ini adalah yang paling sesuai dengan kenyataan.
Selanjutnya ada juga yang menganggap diagramnya sebagai trapesium (untuk
mempermuda hitungan).
Gambar 11.
Diagran Tegangan Lentur
Bagi
yang berupa para bola yang berpangkat dua (gambar 11)kita dapat mencari letak
garis netral, apabila kita mengetahui nilai n =
Selanjutnya
diandaikan balok itu mempunyai tampang dengan ukuran lebar = b dan tinggi = h.
Dari syarat, bahwa resultante gaya tarik = resultante gaya desak terdapatlah persamaan :
Jadi untuk tiap-tiap nilai n dapat dicari
Misalnya :
n
= 1.5
n
n
n
untuk
yang berupa trapezium (gambar b) terdapat hasil sebagai berikut :
n
= 1.5
n
n
n
Dari
diagram tegangan tersebut di atas nyatalah, bahwa retak akan timbul terlebih
dahulu di bagian yang terdesak. Retak-retak ini kadang-kadang tidak terlihat
dengan mata, karena retak itu maka garis netral semakin turun ke bawah dan
akhirnya timbullah retak di bagian yang tertarik dan balok mulai patah.
Teranglah bahwa gaya dukung kayu terhadap lenturan akan lebih besar daripada
terhadap desakan, tetapi lebih kecil dari pada terhadap tarikan. Hal ini dapat
dilukiskan seperti terlukis gambar 12.
Gambar 12. Batas Kenyal Untuk Batang Yang Tertarik
Dengan
gambar tersebut boleh dikatakan tidak ada batas kenyal PE untuk
batang yang tertarik. Pada batang yang terdesak dan terlentur batas kenyal PE
terletak kira-kira 65% dan 75% dari pada tegangan patah Pt.
Pada
balok terlentur, yaitu yang menahan momen. Serat-serat yang terluar akan
menderita tegangan yang terbesar. Dibagian yang terdesak serat-serat ini
dibantu oleh serat-serat dibagian sebelah dalamnya yang menahan tegangan yang
lebih kecil. Modulus kenyal menurut arah serat baik untuk batang tarik maupun
untuk batang desak ataupun yang terlentur boleh dianggap sama, karena
perbedaannya hanya kecil saja, seperti terlihat pada gambar 1.10. (yang
menentukan besarnya E ialah tangen α, yaitu sudut antara sumbu horizontal dan
bagian garis diagram yang lurus.
3.
Pengaruh Angka Rapat
Karena
kekuatan kayu sebanding dengan banyaknya zat kayu yang dikandungnya, maka
semakin berat kayu, - jadi angka rapatnya besar, - semakin kuatlah kayu itu.
Seperti
kita ketahui, semakin besar kadar lemas kqayu semakin beratlah kayu itu. Sebgai
ukuran perbandingan dipakai kayu dengan kadar lemas 12%, karena kadar lemas ini
umumnya dimiliki oleh kayu yang akan dalam kesetimbangan dengan kadar lemas
udara biasa (pada musim kemarau).
4.
Pengaruh Kadar Lengas Kayu
Kadar
lemas kayu besar pengaruhnya terhadap kekuatan kayu, terutama daya dukungnya
terhadap tegangan desak sejajar arah serat kayu dan juga tegak lurus arah
serat. Pengaruhnya terhadap daya dukungnya terhadap tegangan tekuk
adalah lebih kecil.
Gambar 13.
Hubungan Antara Kadar Lengas Kayu
Pada
gambar 13 (dikutip dari buku woodhedbook)
terlihat hubungan antara kadar lengas dengan:
A = Tegangan maksimum untuk balok lentur,
B = Tegangan pada batas kenyal untuk bolok yang terlentur
C = Tegangan desak maksimum
D = tegangan desak pada batas kenyal
Jelas
disini betapa besar pengaruh kadar lemas terhadap daya dukung kayu, oleh kaena itu adalah
penting artinya akan pengeringan kayu sebelum dipergunakan pada suatu kontruksi
bangunan.
Tegangan-tegangan
ijin untuk kayu yang ada kemungkinan bahwa kadar lemasnya akan berubah-ubah,
seperti kayu untuk kontruksi jembatan, maka tegangan ijinnya harus diambil
kecil dari pada tegangan-tegangan ijin untuk kayu pada kontruksi bangunan yan
terlindung yang relatif kadar lemasnya tetap.
5.
Pengaruh Cara dan Lamanya
Pembebanan
Kayu dapat dibebani dengan
beberapa cara yakni :
1.
dengan sekonyong-konyong seperti halnya pada tiang
tumbuk; jadi pembebanan itu
terjadi dalam beberapa detik saja (pembebanan kejut).
2.
dalam jangka pendek, artinya pembebanan dilakukan dalam
beberapa menit seperti halnya pada pengujian-pengujian kekuatan kayu dalam
laboratorium yang memakan waktu ± 4 atau 5 menit untuk setiap bahan uji.
3.
dalam jangka sedang dimana kayu dibebani selama
setahun atau lebih misalnya pada
pekerjaan perancah.
4.
dalam jangka panjang, dimana kayu dibebani dalam waktu
yang lama, lebih dari 10 tahun seperti dalam bangunan-bangunan biasa.
Jadi kayu baik sekali untuk :
a.
kuda-kuda, menara, hanggar, dan sebagainya, dimana gaya
tekanan angin merupakan faktor penting didalam bangunan itu.
b.
Lantai, tetapi bukan lantai gudang yang dibebani dalam
waktu singkat saja.
|
|
Gambar 14. Hubungan antara lamanya
pembebanan dan perbandingan
tegangan izin terhadap tegangan
biasa.
Apabila sebagai ukuran diambil
tegangan untuk bangunan permanen (50 tahun atau lebih) angka perbandingan ini
akan bertambah lagi, jadi untuk tegangan kejut lebih dari pada kejub untuk
tegangan yang ditimbulkan oleh angin. 1.33.
Teranglah bahwa tegangan-tegangan izin s harus diubah-ubah sesuai dengan lamanya
pembebanan. Misalnya apabila kita
merancangkan sesuatu bangunan yang kita perlukan dalam 6 bulan, berarti setelah
6 bulan bangunan itu akan dirombak, maka tegangan dapat kita naikkan dengan 10%
daripada s untuk jangka
waktu panjang (bangunan yang permanen).
Lazimnya yang diambil sebagai ukuran ialah tegangan untuk 50 tahun, yaitu
tegangan izin untuk bangunan permanen. Jadi tegangan ini dapat dinaikan untuk
bemacam-macam beban dan menurut lamanya pembebanan.
Dibawah ini diberikan beberapa macam beban dan tambahan tegangan baik untuk
tegangan desak, lentur, tarik dan sebagainya tetapi besarnya E tak dipengaruhi.
Gaya tiup angin (5 atau 10 menit) = 33
%
Gaya karena gempa bumi = 33
%
Gaya beban salju (2 bulan) = 15 %
Beban untuk 7 hari = 25 %
Beban orang untuk lantai = 33
%
Beban kejut (impact load) = 100 %
Untuk berat sendiri dan beban mati dan tekanan angin bersama-sama tegangan dinaikan dengan
25 %.
6.
Pengaruh Penyimpangan Arah
Serat
Gambar 15.
|
a
|
jadi arah serat
menyimpang terhadap arah sumbu balok. Jika penyimpangan itu yang dinyatakan
dalam
pada gambar 1.13,
tidak lebih dari pada
. Maka boleh dikatakan tidak ada pengaruhnya terhadap
kekuatan balok.
Tetapi apabila
>
, maka kekuatan balok kayu akan berkurang. Sebagai contoh: di
Amerika pengaruh ini telah ditetapkan
sebagai berikut :
Tabel
6. Penyimpangan Arah Serat dan Kekuatan Kayu
|
Penyimpangan
|
ds max. Dalam % terhadap kayu berserat lurus
|
lt. max. Dalam % terhadap kayu berserat lurus
|
|
1 : 8
1 : 10
1 : 12
1: 14
1: 15
1: 16
1: 18
1 : 20
|
66
74
82
87
100
...
...
...
|
53
61
69
74
76
80
85
100
|
Oleh karena itu didalam memilih batang-batang kayu arah serat itu perlu
diteliti juga.
7.
Arah Gaya Dan Arah Serat.
Seperti telah diterangkan di e. 1 daya dukung kayu kearah sejajar dengan
arah serat lebih besar dari pada kearah tegak lurus arah serat.
Apabila arah gaya desak berarah dengan sudut
dengan arah serat
seperti halnya dengan batang horizontal pada gambar 1.14, tegangan maksimum
yang dapat didukungnya terletak antara
║ max. dan
┴ max.. Besarnya
max. itu ditentukan
oleh hasil-hasil penelitian.
Untuk tiap-tiap negeri seperti Jerman, Amerika, Belanda dan sebagainya
nilai itu tidak sama dan tegangan – tegangan izin dengan sendirinya berlainan
pula.
Di negeri –negeri di Eropa, seperti jerman, swedia dan sebagainya
mempergunakan rumus :
=
- (
-
) sin
Di Amerika di pergunakan
rumus Hankinsen :
.
=
. sin 2
.
cos2
Menurut percobaan oleh Hovo di dapat rumus :
=
║ . cos 2
+
┴ sin 2
Sedang menurut
Jacoby dipakai rumus :
=
┴ + (
║ -
┴ ) . (
) 5/2
Di Indonesia dipergunakan
rumus “sinusoida” seperti yang dipakai di negeri-negeri Eropa.
8.
Pengaruh mata kayu dan
cacat –cacat lainnya.
Untuk balok yang mendukung momen, apabila mata kayu terletak di bagian yang
tertarik akan mengurangi banyak kekuatan balok bahkan lebih besar daripada
apabila kita membuat lobang sebesar mata kayu itu sendiri.
Hal ini disebabkan karena disamping mata kayunya sendiri, arah serat
disekitar tempat itu tidak menjadi lurus lagi, melainkan membengkok yang
berarti arah seratnya menyimpang. Apabila letaknya mata kayu terletak dibagian yang
terdesak pengaruhnya tidak begitu besar, sedang jika letaknya disekitar bidang
netral pengaruhnya semakin kecil.
Gambar 16. Daerah Desak
dan Daerah Tarik Pada Kayu
Untuk batang desak (kolom) pengaruhnya tergantung dari panjang batang.
Semakin langsing batang itu, semakin kecil pengaruhnya mata kayu.
Untuk batang tarik mata kayu mempunyai pengaruh yang besar terhadap
kekuatan kayu, yaitu sangat mengurangi kekuatan batang kayu. Oleh karena itu,
perlu sekali kita berhati-hati apabila kita memilih batang kayu yang akan
dibebani dengan gaya tarik. Mata kayu hanya kecil sekali pengaruhnya pada daya
dukung kayu terhadap tegangan geser sejajar arah serat.
Cacat - cacat lainnya seperti retak serat yang timbul di ujung, retak
gelang tahun, retak-retak sejajar dengan batang pohon, tidaklah begitu benar
pengaruhnya terhadap kekuatan kayu.
Walaupun
demikian perlu juga dihindarkan terjadinya sobekan – sobekan dan retak – retak
itu, karena setiap sobekan akan mengurangi keindahan kayu.
Gambar 17. Retakan Gelang Tahun
dan Retakan Serat
9.
Sifat Kolom atau Batang
Desak
Didalam uraian – uraian mengenai desakan sejajar arah serat, kita hanya
memandang pada batang – batang yang pendek, yang tidak ada kemungkinan untuk tertekuk.
Untuk batang – batang yang panjang dengan ukuran panjang yang besar, jika
dibandingkan dengan ukuran tampangnya kemungkinan besar batang akan
tertekuk bila dibebani gaya desak.
Kekuatan batang itu lebih banyak tergantung pada modolus kenyal E dan pada
angka perbandingan panjang batang dan ukuran terkecil dari tampangnya. Jadi
gaya dukungnya terhadap tegangan desak tidak begitu penting. Untuk sesuatu
batang dengan ujung-ujungnya bersendi
(gbr. 17)
Gambar
18. Arah
Tekan Pada Kayu
Dan tegangan
pada batang itu selain dibawah
E (batas kenyal dan batas proportional), maka oleh
L. Kulor didapati rumus :
Gaya tekuk Ptk =
tk =
Keterangan rumus :
E = Modolus kenyal F
= Luas tampang
I = momen
kelembaman i = Jari-jari lembam
= Panjangnya
batang
= Angka langsing
=
Seperti sudah diterangkan diatas, rumus Euler ini hanya berlaku bila
tk ini lebih kecil daripada
E.
Jadi :
tk <
E atau Ptk < F.
E
Padahal Ptk =
Oleh karena itu
= F
E
atau
>
.
Untuk kayu
jati E
= 100.000 kg/cm2;
tk max = 500 kg/cm2
E diambil 0,6
tk max
maka
> 3,142
Menurut perhitungan ini, untuk
> 57 kita boleh
mempergunakan rumus Euler, sedangkan jika
< 57 rumus Euler tidak
dapat dipakai karena tegangannya melampaui batas kenyal. Disamping itu karena
kayu tidak mempunyai batas kenyal yang nyata, maka oleh L. Tetmajer dibuatlah
penelitian – penelitian. Dari hasil penelitian – penelitian itu dibuatlah rumus
Empirus Tetmajer membuat percobaan – percobaan itu untuk nilai
< 100 dan akhirnya
dibuatlah rumus :
Untuk kayu rumus ini dibuat menjadi bentuk garis lurus (linier). Jadi nilai
b = 0, dan nilai a = 0,00662
ds = 293 kg/cm2
Maka rumus menjadi :
tk = 293 (1
– 0,00662 + ) kg/cm2
= (293 -
) kg/cm2
Dari rumus ini
ternyata, bahwa apabila
= 0 -
tk =
ds = 293 kg/cm2
.
Jadi, rumus ini
hanya berlaku untuk kayu yang mempunyai
dk = 293 kg/cm2 (giken, grenen, vuren).
Di Indonesia belum pernah diadakan penelitian mengenai bahaya tekuk, maka
untuk sementara waktu kita ambil rumus-rumus yang dipakai di negeri Jerman.
C.
PENUTUP
C.1.
RANGKUMAN
Sifat mekanik kayu dipengaruhi oleh:
1)
Hubungan arah serat dengan arah gaya,
2)
Pengaruh angka rapat,
3)
Pengaruh kadar lengas kayu,
4)
Pengaruh cara dan lamanya pembebanan,
5)
Pengaruh penyimpangan arah serat,
6)
Pengaruh penyimpangan arah gaya dan arah serat,
7)
Pengaruh mata kayu dan cacat lainnya, serta
8)
Sifat batang batang desak.
Di Indonesia, penelitian-penelitian
mengenai kekuatan mekanik kayu
khususnya penelitian mengenai bahaya tekuk, maka untuk sementara waktu kita ambil
rumus-rumus yang dipakai di negeri Jerman.
C.2.
LATIHAN
Baca secara
berulang dan cermat bahasan mengenai ”Sifat Mekanik Kayu”, serta diskusikan
bersama teman dan/atau dosen mengenai hal-hal yang kurang dimengerti.
Selanjutnya mahasiswa diminta
untuk menyebutkan nama-nama kayu yang mereka kenal di sekitar mereka, dan
menghubungkannya dengan sifat mekanik kayu.
C.3. TES DAN
KUNCI
TES
1.
Bagaimana perbandingan kekuatan sesuai arah serat dan arah
gaya jika ditinjau untuk: gaya tarik, gaya desak dan gaya geser dalam
mempengaruhi sifat mekanik kayu?
2.
Bagaimana pengaruh mata kayu dan cacat –cacat lainnya
terhadap sifat mekanik kayu?
KUNCI
1.
Perbandingan kekuatan sesuai arah serat dan arah gaya jika
ditinjau pada gaya tarik, gaya desak dan gaya geser dalam mempengaruhi sifat
mekanik kayu dapat dijelaskan sebagai berikut:
a)
Kayu lebih kuat mendukung gaya tarik sejajar arah serat dari
pada menurut tegak lurus arah serat ( s tr ¤¤ >s tr ^ ).
b)
Menururt arah serat kayu lebih kuat mendukung tarikan
daripada mendukung desakan (s tr ¤¤ >s tr ^ ). Perbandingannya =
c)
Kayu lebih kuat mendukung gaya desak sejajar arah serat dari
pada menrut tegaklurus arah serat (s ds
¤¤ > s ds ^ ). Pada batas kenyalnya s ds ¤¤ = ±
1.2 s ds ^.
d) Kayu lebih kuat mendukung
gaya geser tegak lurus arah serat dari pada menurut arah serat ( s ^ > s ¤¤ ) .Dan
s ^ ini sedemikian besarnya sehingga jarang terjadi kayu patah karena gaya
geser. Umumnya akan timbul retak-retak akibat gaya desak lebih dahulu dari pada
retak-retak akibat s ^.
2.
Pengaruh mata kayu dan cacat –cacat lainnya terhadap sifat
mekanik kayu adalah:
Untuk balok yang
mendukung momen, apabila mata kayu terletak di bagian yang tertarik akan
mengurangi banyak kekuatan balok. Hal ini disebabkan karena disamping mata kayunya sendiri,
arah serat disekitar tempat itu tidak menjadi lurus lagi, melainkan membengkok
yang berarti arah seratnya menyimpang. Apabila letaknya mata kayu terletak dibagian yang
terdesak pengaruhnya tidak begitu besar, sedang jika letaknya disekitar bidang
netral pengaruhnya semakin kecil.
Untuk batang
desak (kolom) pengaruhnya tergantung dari panjang batang. Semakin langsing
batang itu, semakin kecil pengaruhnya
mata kayu.
Untuk batang
tarik mata kayu mempunyai pengaruh yang besar terhadap kekuatan kayu, yaitu
sangat mengurangi kekuatan batang kayu. Mata kayu hanya kecil sekali pengaruhnya
pada daya dukung kayu terhadap tegangan geser sejajar arah serat.
Cacat - cacat
lainnya seperti retak serat yang timbul di ujung, retak gelang tahun, retak-retak sejajar dengan batang
pohon, tidaklah begitu benar pengaruhnya terhadap kekuatan kayu.
DAFTAR PUSTAKA
1. ANONIMOUS,
1961. Peraturan Konstruksi Kayu Indonesia
(PPKI) NI-5. Yayasan Lembaga
Penyelidikan Masalah Bangunan: Bandung
2. DUMANAUW,
J.F, 1982. Mengenal Kayu. Penerbit
Gramedia: Jakarta
3. FRICK,
HEINZ, 1980. Ilmu Konstruksi Bangunan. Penerbit
Kanisius: Jogjakarta
4. TJOA
PWEE HONG dan DJOKOWAHJONO, F.H. 1996. Konstruksi
Kayu. Penerbit Universitas Atma Jaya: Jogjakarta
5. YAP,
FELIX. 1984. Konstruksi Kayu. Penerbit
Bina Cipta: Bandung
SENARAI
|
Axial
|
=
|
sejajar arah
serat
|
|
tangensial
dan radial
|
=
|
tegak lurus
arah serat
|
Tidak ada komentar:
Posting Komentar