Konferensi Nasional Engineering Perhotelan V, Universitas Udayana, 2014 417

Analisa Distribusi Tegangan Pada Helm Industri Dengan Mengunakan Metode Elemen Hingga

I Made Gatot Karohika, I Made Dwi Budiana Penidra, Dewa Ngakan Ketut Putra Negara, Geovani

Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana

Kampus Bukit Jimbaran, Bali 80362 Email: md_gatot@yahoo.co.id

Abstrak Helm industri merupakan pelindung kepala pada saat terjadi kecelakaan. Helm yang berkualitas baik akan memberikan standar keamanan yang tinggi. Selain desain yang kokoh, ada beberapa persyaratan lain yang pada umumnya harus dipenuhi dalam mendesain seperti misalnya ketebalan helm itu sendiri, dan jenis material yang mampu menahan beban yang tinggi. Material yang digunakan dalam pemodelan simulasi distribusi tegangan pada helm industri adalah material HDPE (High Denstity Polyethylene), PC (Polycarbonate), dan ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) dengan ketebalan 3mm. Simulasi distribusi tegangan helm industri dianalisa dengan menggunakan program yang berbasis Metode Elemen Hingga dengan tujuan untuk mengetahui distribusi tegangan yang diterima dari ke tiga material tersebut. Berdasarkan pemodelan simulasi yang telah dilakukan, diperoleh nilai tegangan (Von-Misses) dan defleksi. Hasil analisa menunjukan bahwa nilai tegangan dan defleksi pada masing-masing material yang paling kokoh dalam menahan beban adalah material PC (Polycarbonate) tetapi karena faktor biaya secara keseluruhan, material HDPE (High Denstity Polyethylene) memiliki overall rating yang lebih tinggi, sehingga material yang optimum adalah material HDPE (High Denstity Polyethylene) yaitu pada ketebalan 3 mm Kata kunci: helm industri, material, metode elemen hingga, tegangan (Von-Misses).

Abstract

Helmet industry is head protective in the event of an accident. A good quality helmet will provide high security standards. In addition to a solid design, there are some other requirements which in general must be fulfilled in designing such as the thickness of the helmet, and type of materials that is able to withstand a high load. Materials to be used in simulation modeling stress distribution on the helmet industry are a HDPE (High Denstity Polyethylene), PC (Polycarbonate) and ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) materials with a thickness of 3 millimeters. Simulation distribution stress helmets industry analyzed using program based on Finete Element Method to determine the stress distribution received from three materials. Based on simulation modeling that has been done, the value of the stress (Von-Misses) and deflection. The results of analysis show that is stress and deflection values at each of the most solid material in the hold burden is a PC (Polycarbonate) but because of the overall cost, have a higher overall rating, so the optimum material is HDPE (High Denstity Polyethylene) material is the thickness of 3 mm. Keywords: helmet industry, material, Finite Element Method, Stress (Von-Misses)..

1. PENDAHULUAN [Arial, 10 pt, Bold]

Di era globalisasi dan semakin pesatnya penduduk menyebabkan banyaknya pembaruan dan pembangunan yang dilakukan diberbagai sektor belakangan ini, guna proses pengembangan suatu negara. Di dalam pelaksanaan suatu proyek konstruksi banyak digunakan tenaga kerja manusia, dan setiap kegiatan pekerjaan konstruksi sangat dipengaruhi oleh kondisi fisik pekerja serta area kerja yang pada umumnya terbuka. Oleh karena itu, pelaksanaan proyek kontruksi sangat rawan terhadap terjadinya kecelakaan kerja.

Dalam meminimalisir terjadinya kecelakaan di dunia industri diperlukan perlengkapan keselamatan kerja. Salah satu bagian tubuh yang rawan terhadap kecelakaan adalah kepala. Kepala merupakaan bagian yang paling vital dari tubuh manusia, sebab di kepala terdapat beberapa indra manusia dan otak yang merupakan pusat berfikir, pusat keseimbangan, dan pusat dari segala aktifitas manusia. Sehingga sebagai pelindung keselamatan tenaga kerja wajib menggunakaan helm sebagai alat pelindung kepala.

Walaupun sudah jelas bahwa fungsi helm sebagai pelindung kepala namun di beberapa industri dii Indonesia saat ini banyak beredar helm industri yang tidak standar dan tidak melalui standar pengujian keselamatan sebagaimana semestinya, sehingga tidak memberikan jaminan keamanan

Prosiding KNEP V 2014 ISSN 2338-414X 418

bagi pemakai sesuai dengan aturan yang berlaku, yaitu dimana helm industri seharusnya mendapatkan pengesahan serta mencantumkan label dan stiker uji standar yang ditempel pada helm industri. Seperti yang diatur dalam beberapa standar uji yang saat ini dipakai diseluruh dunia antara lain adalah standar ANSI (American National Standards Institute), dan British standard. Dengan standar-standar tersebut dilakukan uji terhadap beberapa aspek atau kriteria untuk menentukan sebuah helm industri lulus uji keselamatan atau tidak.

Pengunaan helm pengaman sesuai dengan standar keselamatan yang ditetapkan dapat mengurangi resiko kecelakaan yang serius yang akan menyebabkan kematian. Selama ini helm diuji mengunakan prosedur pengujian standard mengunakan test-ring dengan teknik jatuh bebas. Pengujian standard ini bertujuan untuk melihat sejauh mana kemampuan helm dalam menyerap energi impak (Mahadi dkk, 2004).

Berdasarkan pada latar belakang di atas, maka peneliti akan menguji helm-helm yang beredar di pasaran. Pada umumunya helm industri yang ada di pasaran memiliki ketebalan tempurung 3 mm dan tidak mempunyai label dan stiker uji standar yang tertempel pada helm industri, oleh karena itu dimana nantinya peneliti akan memvariasikan material tempurung helm industri yaitu pada ketebalan , 3 mm, disamping itu material yang akan digunakan nantinya adalah material HDPE (High Denstity Polyethylene), PC (Polycarbonate), dan ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), sehingga akan mendapatkan helm industri yang standard, maka dari itu untuk memudahkan pengujian ini peneliti akan mengunakan bantuan software elemen hingga, dimana secara umum program ini memiliki kemampuan untuk memodelkan, menghitung, dan mensimulasikan suatu benda dengan mengunakan metode elemen hingga yaitu suatu metode perhitungan (numerik) dengan tujuan pendekatan yang sama dengan kondisi sebenarnya. Dengan membagi benda ke dalam elemen-elemen kecil (meshing).

2. METODE

2.1. Prosedur Penelitian dan Persamaan

Gambar 2.1. Pemodelan helm pengujian impact

Sesuai dengan latar belakang yang telah dijelaskan pada bab yang pertama, maka disini penulis akan menjabarkan proses simulasi dengan memodelkan pengujian distribusi tegangan dimana helm industri akan menerima beban secara statis seperti yang ditunjukan pada gambar diatas 2.1. 2.2 Beban dan Spesimen Uji Specimen uji yang digunakan pada proses simulasi ini, dengan spesifikasi data materialnya adalah sebagai berikut : Tabel 2.1 Material Spesimen Uji (sumber : SubsTech, 2012)

Berikut ini adalah beban dan dimensi uji.

Diameter beban uji adalah 80 mm (ditentukan penulis).

Massa beban dimulai dari 10 kg. Beban uji w = m.g

Konferensi Nasional Engineering Perhotelan V, Universitas Udayana, 2014 419

= 10kg.9,8 m/ s 2

( gaya gravitasi diasumsikan menjadi 10m/ s 2 )

=10 kg.10 m/ s2

=100 N 2.3 Simulasi ANSYS

Tempurung helm merupakan bagian yang menerima benturan pertama kali. Tempurung helm harus keras dan kuat (dalam artian tidak pecah) sehingga dapat menerima benturan, maka ketebalan dan bahan material tempurung sangat penting untuk mengetahui apakah suatu material memenuhi suatu persyaratan yaitu aman atau tidak, maka dilakukan analisa tegangan dan defleksi material pada tempurung helm. Untuk analisa tersebut dibantu dengan program ANSYS. Analisa tegangan dan defleksi dengan program ANSYS ini mengambarkan dengan memberikan massa awal sebesar 10 kg menekan shell helm. Kemudian diuji kembali pada material yang sama tetapi dengan massa yang berbeda, dalam hal ini massa yang akan ditambah dengan kenaikan 10 kg dan seterusnya. Kemudian hasil analisa yang digunakan untuk membantu dalam menyeleksi material adalah tegangan. Tegangan maksimum yang terjadi akibat pembebanan akan dibandingkan dengan tegangan yield material yang sudah ditetapkan pada refrensi-refrensi tertentu. Dari hasil ini maka akan diperoleh jenis material yang aman untuk ketebalan tempurung yang sama. Terlebih dahulu helm akan dimodelkan dengan program solidwork dan disimulasikan dengan software ANSYS. Dimensi helm industri dapat dilihat pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 Dimensi helm industri dalam satuan mm (millimeter)

Untuk tipe material yang akan diuji meliputi; HDPE, PC, dan ABS. Masing-masing properties material dimasukkan secara bergantian untuk setiap pengujian.

Prosiding KNEP V 2014 ISSN 2338-414X 420

Gambar 2.3 Bentuk 3D Shell helm.

Selanjutnya adalah proses meshing yaitu proses membagi benda yang akan dianalisa menjadi luasan-luasan/area-area kecil.

Gambar 2.4 Bentuk helm setelah di meshing.

Selanjutnya adalah men set up ANSYS dengan memasukkan semua data yang ada.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan hasil simulasi pengujian helm industri dengan ketebalan 3 mm menggunakan material HDPE. Ketika dimana diberikan beban sebesar 1500 N spesimen uji mengalami defleksi sedalam 1,4375 mm dan equivalent stress (von mises) maksimum yang terjadi sebesar 31,811 MPa (gambar 3.1), dilihat dari hasil yang diperoleh bahwah berati nilai dari tegangan yang terjadi sudah melebihi tegangan yiled dari sifat material yang sudah ditetapkan sehingga material yang digunakan helm industri dengan ketebalan 3 mm pada bahan material HDPE hanya menahan beban maksimum yang dapat diterima ialah sebesar 1500 N.

Gambar 3.1 Defleksi dan stress material HDPE dari hasil simulasi distribusi pembebanan statis pada helm industri dengan ketebalan 3 mm.

Berdasarkan hasil simulasi pengujian helm industri dengan ketebalan 3 mm menggunakan material C, dengan beban yang diberikan sebesar 3200 N didapatkan bahwa shell helm industri mengalami defleksi sedalam 2,5936 mm dan equivalent stress (von mises) maksimum yang terjadi adalah sebesar 67,434 MPa menunjukan nilai tegangan yang terjadi sudah hampir melebihi tegangan yield dari sifat material yang sudah ditetapkan sehingga material yang digunakan helm industri dengan ketebalan 3 mm pada bahan material PC beban maksimum yang dapat diterima yaitu sebesar 1700 N dapat dilihat pada gambar 3.2.

Konferensi Nasional Engineering Perhotelan V, Universitas Udayana, 2014 421

Gambar 3.2 Defleksi dan stress material PC dari hasil simulasi distribusi pembebanan statis pada helm industri dengan ketebalan 3 mm.

Berdasarkan hasil simulasi pengujian helm industri dengan ketebalan 3 mm menggunakan material ABS, dengan beban yang diberikan sebesar 2100 N menunjukan shell helm industri mengalami defleksi sedalam 1,5978 mm menghasilkan equivalent stress (von mises) maksimum sebesar 44,254 MPa, terlihat bahwa nilai hasil tegangan yang terjadi sudah hampir melebihi tegangan yiled dari sifat material yang sudah ditetapkan sehingga material yang digunakan helm industry dengan ketebalan 3 mm pada bahan material ABS beban maksimum yang dapat diterima yaitu sebesar 2100 N dapat dilihat pada gambar 3.3.

Gambar 3.3 Defleksi dan Stress material ABS dari hasil simulasi distribusi pembebanan statis pada helm industri dengan ketebalan 3 mm.

table 3.1. Hasil pengujian material

Ketebalan (mm)

material Beban (N) Defleksi (mm)

Tegangan (MPa)

Berat (kg) Harga/ kg (Rp)

3

HDPE 1500 1,4375 31,811 0,280 3.360

PC 3200 2,5936 67,434 0,679 25.800

ABS 2100 1,5978 44,254 0,310 4.960

Informasi dari tabel 3.1 digunakan untuk membuat tabel 3.2 dimana persyaratan desain dan factor seleksi yang digunakan yaitu nilai dari defleksi dan tegangan Von mises yang terjadi terhadap masing- masing harga material. Tabel 3.2 Persyaratan desain dan factor seleksi untuk keseluruhan ratting

Ketebalan mm

Material candidats

Design requirements Material selection factors Overall Ratting

defleksi Von mises C/defleksi C/Vonmises Gi

a1 R1 A2 R2 A3 R3 A4 R4

3 HDPE 1,43 0,55 31,81 0,47 2349 0,23 105,67 0,27 0,764

PC 2,59 1 67,43 1 9961 1 382,61 1 0,007

ABS 1,59 0,61 44,25 0,65 3119 0,31 112,09 0,29 0,690

Pada tabel 3.2 hasil overall ratting nilai tertinggi dari Gi menunjukan material yang terbaik, yaitu ditunjukan pada material HDPE dengan ketebalan tempurung helm 3 mm dengan harga material Rp 3.360,-

Prosiding KNEP V 2014 ISSN 2338-414X 422

4. SIMPULAN Setelah dilakukan pengolahan data dan dianalisa melalui simulasi menggunakan Software

ANSYS Workbench, maka didapat kesimpulan sebagai berikut : Ketebalan 3 mm material HDPE mampu menahan beban sebesar 1500 N dan shell helm industri mengalami defleksi 1,4375 mm dan tegangan yang terjadi sebesar 31,811 MPa, sedangkan material PC dapat menahan beban sebesar 3200 N dan shell helm mengalami defleksi 2,5936 mm dan tegangan yang terjadi sebesar 67,434 MPa, untuk material ABS beban yang bisa diterima sebesar 2100 N dan shell helm mengalami defleksi 1,5978 mm dan tegangan yang terjadi sebesar 44,254 MPa. Pada masing-masing material yang paling optimum dalam menahan beban pada helm industri adalah material HDPE (High Denstity Polyethlene).

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepada LPPM Universitas Udayana yang telah mendanai penelitian ini melalui sumber dana PNBP skim Dosen Muda tahun 2014

DAFTAR PUSTAKA

[1] Abidin, Z., 2010, Studi Pengaruh Ketebalan Substrate Terhadap Deformasi Plastis Pada Kontak Antara Sphere Dengan Rough Surface. Tesis, Universitas Diponegoro Semarang

[2] Atila Ertas, Jesse C. Jones, 1993, The Engineering Design Process. John Wiley & Sons, Inc, New York.

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

[4] Mujianto, I., 2005,Sifat dan Kareteristik Material Plastik dan Bahan Aditif, Jurnal Pengajar AMNI Semarang

[5] Rafiq, M., 2008,Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit GfrpYang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi. Tesis, Universitas Sumatra Utara

[6] Susanto, D., 2011,Analisa dan Perancanaan Cording Canal Akibat Pembebanan Yang Tidak melalui Pusat Berat Profil. Tugas Akhir, Universitas Sumatra Utara