metode baru untuk menduga kondisi kayu menggunakan pengujian ultrasonik
TRANSCRIPT
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
1/13
INTERAKSI MESIN DENGAN BAHAN PERTANIAN
Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
le!"
Mu!a##ad A$!irul Nanda %&'(''()*+',
TEKNIK MESIN PERTANIAN DAN PANGAN
&AKU-TAS TEKN-GI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BGR
*)'(
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
2/13
Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
Abstrak:
Penelitian ini menyajikan mengenai metode baru berdasarkan teoritis, numerik, dan
eksperimen untuk menduga kondisi kayu menggunakan gelombang ultrasonik. Metode
pengujian dengan menggunakan ultrasonik secara konvensional pada dasarnya hanyamenggunakan parameter pengukuran kecepatan gelombang. Sedangkan pada penelitian ini
menggunakan metode pengukuran baru untuk menduga kondisi kayu meliputi kuantitas
statistik dan indeks dissimilarityyang dihitung dari pengukuran ultrasonik. Pengukuran ini
termasuk juga menghitung compressional wave velocity, transmission factor, dan modulus
elastisitas secara radial dan tagensial. Nilai indeks dissimilarity dihitung dengan
membandingkan pengukuran bagian parameter batang pohon dengan nilai yang diduga dan
standart deviasi. Pada penelitian ini menggunakan empat buah transmiter ultrasonik dengan
frekuensi ! k"#, setiap transmiter akan menuju pada lima receiver yang disusun dengan
sudut tertentu yang diletakkan pada sekeliling dari batang pohon. Sehingga, akan didapatkan
$% jalur dari pergerakan gelombang transmiter ke receiver. "asil penelitian menunjukkan
bah&a area yang rusak pada kayu adalah sebesar '!(, kecepatan gelombang ultrasonik dantransmission factor adalah sebesar $( dan )*(. Sedangkan nilai rata + rata modulus
elastisitas radial dan tangensial secara berurutan adalah !( dan %'( lebih kecil daripada
nilai yang diduga pada batang pohon pinus standart sebagai acuan pengukuran. -leh karena
itu metode baru ini sangat baik untuk menduga kondisi pada kayu.
'. Penda!uluan
Sejak dimulai elektrifikasi di amerika utara, kayu sudah digunakan untuk distribusi listrik.
Pada umumnya, kayu lebih diminati dibandingkan besi dan beton karena harga dan
pemasangannya yang lebih murah, mudah dikendalikan, elektrikal kondutifiti yang rendah,
ramah lingkungan, dan tersedia di amerika utara.
ondisi kayu sangat tergantung pada lingkungan yang dapat menyebabkan kerusakan,
serangan serangga, dan kerusakan karena iklim. /ata + rata umur kayu tersebut adalah sekitar
' sampai ! tahun tergantung jenis kayu, bahan penga&et, kondisi, dan pemeliharaan.
Propinsi ontario memiliki lebih dari 0 juta kayu, dan mencapai !( diantaranya memiliki
umur lebih dari ' tahun. 1ntuk menjamin bah&a tingkat realibilitas dari distribusi jaringan
listrik menggunakan kayu, maka diperlukan inspeksi untuk mengetahui kondisi kayu dari
tahun ke tahun.
Pemeriksaan kayu merupakan salah satu cara pemeliharaan untuk mendeteksi tingkat
kerusakan kayu dan deteksi dini pada kerusakan. Pemeriksaan secara visual merupakan salah
satu metode pemeriksaan yang murah dan mudah. 2iasanya pemeriksaan tersebut
menggunakan palu 3mengetahui suara4 dan mengukur tanahan penetrasi 3metode resistograp4.Meskipun pemeriksaan dengan metode visual dan suara adalah subjektif dan memiliki
kesalahan yang besar5 Selain itu metode adalah dengan merusak objek, dan metode tersebut
tidak dapat mendeteksi dini kerusakan pada kayu. -leh karena itu sangat diperlukan metode
untuk menduga kondisi kayu.
1ltrasonik merupakan metode tanpa merusak objek (nondestructive testing) yang
digunakan sebagai pemeriksaan kayu. Selain itu, pendugaan kondisi kayu didasarkan dari
pengukuran kecepatan gelombang 3 Vp 4 yang diperoleh dari pengukuran pada kayu.
Metode sederhana ini tidak dapat digunakan untuk mendeteksi kerusakan a&al pada kayu
karena variasi yang tinggi pada nilaiVp . 1ntuk memahami perambatan kecepatan
gelombang pada sebuah medium diperlukan sifat mekanik dari kayu.
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
3/13
Metode baru untuk menduga kondisi kayu menggunakan gelombang ultrasonik
merupakan metode baru tanpa merusak objek. Metode tersebut didasarkan atas rambatan
gelombang ultrasonik didalam medium berbentuk silinder seperti kayu. 6aktor kadar air dan
suhu sangat berpengaruh pada modulus elastisitas kayu.
Pada penelitian ini menggunakan kayu pinus merah sebagai objek penelitian, sifat
mekanik dari kayu pinus merah dilakukan sebelum pendugaan kondisi kayu. Prosespendugaan kondisi pinus merah meliputi beberapa tahap yakni metodologi, susunan
eksperimen, pembahasan hasil dan analisa, dan penarikan kesimpulan.
0. Si/at Mekanik Kayu Pinus Mera!
Air merupakan faktor yang sangat berpengaruh pada sifat mekanis suatu kayu. Air
terbagi menjadi dua yakni air yang terikat dan air bebas. Air terikat terdapat di antara
dinding sel dan akan berpengaruh terhadap perubahan nilai kadar air atau moisture
content3M74. Sedangkan air bebas terdapat pada rongga sel. NilaiFiber Saturation Point
36SP4 merupakan nilai dari kadar air ketika tidak ada air bebas di dalam kayu, namun di
dalam dinding sel masih terdapat kandungan air sebesar $!!(. Nilai 6SP bergantung
pada jenis kayu5 rata + rata nilai 6SP 8 0(.ondisi kayu pada udara kering berhubungan dengan nilai yakni sebesar M7 8 $0(
sedangkan pada kondisi kayu basah dapat mengakibatkan nilai M7 9 6SP. Apabila nilai
M7 lebih besar dibandingkan nilai 6SP maka tidak akan ada pengaruh terhadap sifat
mekanik pada kayu. Nilai spesifik gravitasi untuk kondisi kayu kering 3S n4 dan kondisi
kayu basah 3Sb4 dihitung dengan menggunakan oven hingga kering. Nilai M7 6SP,
bah&a volume kayu akna bertambah ketika nilai M7 bertambah dan sebaliknya5 Sb Sn.Nilai massa jenis 3densitas4 adalah fungsi dari nilai M7 yang dapat ditentukan dengan
persamaan :
................................................................................................3$4
Nilai modulus elastisitas pada kondisi longitudinal didalam kayu tergantung pada
tingkat stress 3kompresi, El, atau pembengkokan, M-;4 dan tipe muatan 3 statis atau
dinamis4. Pada umumnya nilaiEl adalah $! + 0!( lebih besar dibandingkan nilai M-;5
dan nilai modulus elastisitas diukur dengan metode dynamic testadalah sebesar + $ (
lebih besar dibandingkan dengan metode static test. Selain itu, nilai El lebih besar
dibandingkan nilai modulus elastisitas pada posisi radial (Er)dan tangensial (Et),Er> Et;
selanjutnyaEl> M-; > Er> Et3rata + rataEl/ Er $0 dan Er/ Et
$.%4 . Nilai
spesifik grafity adalah (Sn, Sb). dan nilai modulus elastisitas pembengkokan 3M-;4 untuk
kondisi kayu kering dan kayu basah pada pinus merah adalah sebesar Sn !.%*, M-; 8$$.0
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
4/13
.................................................................................................304
dimana nilaiEn dan Ebadalah modulus elastisitas pada kondisi kayu kering dan basah.
Nilai apparent fiber saturation point 3MP4 ditentukan oleh kurva intersep dari variasi nilai
modulus elastisitas dengan M7 dan nilai 6SP5 nilai MP 8 0(.Suhu merupak faktor yang berpengaru terhadap nilai modulus elastisitas pada kayu.
Modulus elastisitas akan turun apabila suhu naik dan sebaliknya. adar air juga
berhubungan dengan suhu dan modulus elastisitas. 1ntuk M7 8 !(, hubungan antara
suhu dan modulus elastisitas adalah linier. ?inieritas akan berubah apabila M7 naik.
"ubungan pengaruh suhu pada modulus elastisitas antara suhu 0! + * !7.
.................................................................................................3'4
@imana nilai ;3t04dan ;3t$4adalah modulus elastisitas pada suhu 8 t0dan 8 t$5 Bmadalah koefisien variasi M7, Bm8 !.!!!% untuk M7 8 !( dan B m8 !.!!' untuk M7 8
0%(.
Simulasi analisa numerik (finite elements numerical) dari rambatan gelombang padakayu pinus merah digynakan untuk menghitung kecepatan gelombang (#p) pada
perbedaan suhu dan kadar air. Nilai modulus elastisitas dari suhu dan kadar air diperoleh
melalui persamaan 304 dan 3'4. Persamaan nilai modulus elastisitas adalah
/vp 3M7,4 8 CDp 3M7,4 E CDp 3$0, 0!4, dimana CDp 3$0, 0!4 merupakan nilai kecepatan
gelombang pada Dp untuk M7 8 $0( dan 8 0! !7. 6aktor kadar air dan suhu terhadap
kecepatan gelombang diperoleh persamaan sebagai berikut:
................................................................3%4
Dariasi /vp 3M7,4 diantara $.!) dan !.$ untuk perubahan M7 dari ( ke 0(
380!!74, dan $.!0 dan !.) untuk perubahan suhu dari !!7 ke %!!7 3M78$0(4.
0. Metodologi
0.' -okasi tranduser ultrasonik
?okasi tranduser gelombang ultrasonik pada kayu dipasang melintang yang ditunjukkan
pada gambar $. ransmitter diletakkan pada empat posisi pada bagian permukaan kayu
3titik A, 2, 7, dan @ gambar $4. Masing + masing posisi transmitter, lima receiver
diletakkan pada sudutr 8 F)!,
r 8 F$',r 8$!. Sudut receiver
r
merupakan sudut diantara transmitter dan receiver. Susunan lima receiver dan posisi
transmitter ditentukan untuk mengkur kecepatan gelombang pada penampang melintang
kayu pinus merah.
0.* Para#eter ultrasonik
Pendugaan konsisi kayu didasarkan pada empat parameter yakni kecepatan gelombang,
transmission faktor 3timbal balik dari atenuasi gelombang4, dan modulus elastisitas pada
radial dan tangensial. Parameter tersebut diperoleh pada kondisi M7 8 $0( dan suhu 8
00 !7.
0.0 Ke$e1atan gelo#2ang (wave velocity)
6ungsi probabilitas densitas dari kecepatan gelombang #ppada perbedaan masing +
masing letak receiver dihitung dengan menggunakan metode simplified dari rambatan
gelombang di dalam kayu. Metode simplified divalidasi menggunakan rambatan
gelombang dari *0 simulasi finite elemen. Nilai maksimum perbedaan antara
menggunakan metodesimplified dengan simulasi finite elemen lebih kecil dari '(.
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
5/13
Ga#2ar '.?etak tranduser gelombang ultrasonik untuk analisa numerik dan eksperimen
dan susunan jalur dengan % buah transmitter 3A, 2, 7, dan @4 dan receiver 3 2,b,@,d,
dan 7 untuk transmitter di A4
Ga#2ar *.ecepatan gelombang Dp 3 pinus merah, M7 8 0!(, 8 0!!74
0.+ Modulus ElastisitasModel simplified dari rambatan gelombang didalam kayu yang dikembangkan oleh
allavo digunakan untuk menentuan nilai modulus elastisitas Er dan Et dari pengujian
gelombang ultrasonik. Modulus elastisitas ditentukan oleh penyelesaian masalah dari
rambatan gelombang pada lokasi tiga receiver3 r 8 )!,
r 8 $',r 8$!4.
3.5 Transmission Factor
Sistem faktor transmisi merupakan proses transmitterGreceiver dan transmitterG&oodG
receiver. -leh karena itu 6reHuensi /esponse function 36/64 dari kayu dapat ditentukan
dari
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
6/13
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
7/13
.............................................................................................34
@imana "31AE&oodE124merupakan pengukuran 6/6 pada masing + masing lokasi termasuk
pengaruh dari tranduser (transmitter dan receiver), dan "1A2merupakan pengukuran 6/6
dari sistem transmitter ke receiver.
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
8/13
Ga#2ar (."asil pengukuran ultrasonik pada pinus merah baru /PGN : 6/6s 3Persamaan
4 pada receiver dir 8 F)! 3a4,
r 8 F$' 3b4,r 8$! 3c4 5 nilai transmisiion
factorpada receiver dir 8 F)! 3d4,
r 8 F$' 3e4,r 8$! 3f4
3.7Pendugaan Kondisi Kayu (Condition Assessment)
eseluruhan nilai dissimilarity indicespada masing + masing receiver dihitung dari
nilai dissimilarity indices dari kecepatan gelombang dan transmission factoradalah sebagai
berikut:
........................................................................34
@imana persamaan berat = adalah sebagai berikut:
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
9/13
............................................................................................................3)4
'#v dan '#% merupakan koefisien dari variasi kecepatan gelombang #p dan transmission
factor%f . Pendugaan kayu didasarkan baik pada seluruh dissimilarity indices serta pada
dissimilarity indices dariErdanEt.
+. Susunan Eks1eri#en (Experimental et!p)
Pengujian ultrasonik dilakukan pada dua pinus merah 3pinus baru, /PGN dan pinus tua,
/PGA4. ondisi kayu pinus tua tidak diketahui kondisi di dalamnya. 2ahan dan alat yang
digunakan adalah: dau tranduser ultrasonik ! k"# 37NS6arnel 1/!k"#4, dua corong
alumunium, vacuum grease, pembangkit sinyal (pysical acoustic %*++-), amplifier,
sistem akuasi bentuk gelombang dengan $ M"# 3&avebook $*;4, .$Pole device, dan
soft&are untuk analisis sinyal 3=PN@oolboJ4.
(. Hasil dan 1e#2a!asan
Metode pendugaan kondisi kayu terdiri atas pinus merah baru 3sound pole4 dan pinus
merah tua 3aged pole4. =aktu yang dibutuhkan dari kompresi rambatan gelombang ultrasonik
mele&ati penampang melintang kayu digunakan untuk menghitung kecepatan gelombang #p!
ecepatan gelombang berhubungan terhadap kecepatan dari kompresi gelombang.
5." Pinus Mera! Baru (o!nd #ole)
@iameter pinus merah baru adalah '$.* cm dan tranducer diletakkan pada ketinggia !
cm dari ba&ah. Penelitian dilakukan pada musim panas bulan juni dengan transmitterdiletakkan pada titik A. Suhu dan kelembaban di dalam laboratorium dicatat selama berbulan
+ bulan 3agustus4. "asil suhu pada ruangan hampir konstan pada 0!!75 Namun terjadi
perubahan pada kondisi kelembaban antara %!( dan *)(. "asil kadar air ditentukan dari
suhu dan kelembaban adalah pada ( dan $'(.
Pengujian ultrasonik dilakukan pada musim dingin 3november4, bah&a telah terjadi
keretakan baru bagian radial kayu dari musim panas. Pengukuran kecepatan gelombang pada
musim dingin semakin meningkat, hal ini dikarenakan turunnya kadar air. Peningkatan
maksimum dari kecepatan gelombang #p adalah $!( 3 r 8 $'!4.
Pada gambar %. Menunjukkan tipe konfigurasi dari sistem transmitter menuju receiver
selama pengujian ultrasonik pada kayu pinus merah baru 3/PGN45 proses pengukuran
kecepatan gelombang #p ditunjukkan pada gambar %3c4. ecepatan gelombang dihitung
selama receiver diletakkan pada sudut yang positif 3gambar $4. @emikian juga pada bagian
kanan digunakan untuk pengukuran kecepatan gelombang yang dihitung dari sudut negatif
r 8 $!!. Pengukuran kecepatan gelombang #p adalah untuk menduga kondisi kayu
3perbedaan F(4. "asil nilai minimal dissimilarity inde& untuk kecepatan gelombang #p
adalah @ID3G)!48 G !.0>.
/asio modulus elastisitas adalahEr/Et8 $.>, dan nilai dissimilarity inde& 3@I;r 8 !.! ,@I;t 8 $.%!4 mengindikasikan kondisi yang lebih baik. Nilai 6/6s 3persamaan 4
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
10/13
menunjukkan distribusi energi yang konsisten pada frekuensi pada lebar kayu 3gambar 4.
;mpat puncak frekuensi terjadi pada 0.% k"#, $ h#, 0.' k"#m dan *.* k"#. Panjang
gelombang minimum dan maksimum pada adalahmin . 8 0.0 cm dan
maks. 8 *. cm.
Nilai transmission factordiantara nilai positif dan negatif dengan standart deviasi 3gambar
3d4G3f44.
Pengujian evaluasi ultrasonik pada transmitter di titik 2, 7, dan @ dilakukan 3gambar $4.
Pada dasarnya, rata + rata rasioEr/Etdidapatkan hasil lebih kecil yakni $( dibandingkan
dari penelitian yang telah dilakukan sebelumnya 3Er/Et8 04. !( Nilai -@I diba&ah rata +
rata minimum yakni sebesar G!.'. Nilai maksimum -@I adalah sebesar !.>$. Sehingga,
untuk dapat menduga kondisi kayu pinus merah lain yang belum diketahui kondisinya
digunakan kayu pinus merah baru atausound polesebagai acuan (standart condition).
5.$ Kayu Pinus Tua atauA%ed #ole (&lind Test)
Pada pengujian ultrasonik digunakan kayu pinus tua 3/PGA4 dengan tidak diketahui
kondisi kayu sebelumnya. ayu yang digunakan memiliki diameter 0. cm dan panjang
kayu $!! cm. Pengujian ultrasonik ditunjukkan pada gambar *. ondisi keretakan pada kayu
pinus tua tidak diketahui pada bagian permukaan.
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
11/13
ecepatan gelombang #pmenuju pada titikr 8 F$'!dan
r 8 $!!adalah !( lebih
kecil dibandingkan nilai yang diduga pada kondisi kayu acuan (sound pole) 3gambar *3c44.ecepatan belokan gelombang menunjukkan hubungan dimana #p (
r 8 )!!4 K #p ( r 8
$'!4 K #p ( r 8 $!!4. NilaiEr>Etpada kayu menunjukkan bah&a 3#p (
r 8 )!!4 #p (
r 8 $'!4 #p ( r 8 $!!4. ecepatan gelombang #ppada bagian kiri 3
r 8 G )!!dan
r 8 G$'!4 adalah $( dan 00( lebih kecil dibandigkan pada bagian kanan.
Nilai rata + rata modulus elastisitas pada pengukuran ultrasonik ketika transmitter
diletakkan pada titik A adalah Er 8 !.'' 3a4 menunjukkan puncak frekuensi pada >.% k"#.
6rekuensi ini terjadi attenuasi yang besar pada receiver sudutr 8 )!!. 6aktor
transmission ditunjukkan pada gambar >3d4G3f4. Nilai faktortransmissionterendah tejadi padar 8 $'!5 dan tertinggi pada
r 8 G)!!. Nilai tersebut selanjutnya digunakan sebagai
pengukuran kecepatan gelombang #p . "ubungan dari minimum dan maksimum dari indeks
dissimilarity adalah @IAmin8 G%.*' dan @IAmaks8 G$.*).
;valuasi pengukuran ultrasonik dilakukan dengan memasang transmitter pada titik
2,7, dan @. Pada gambar 3a4 menunjukkan bagian yang retak pada kayu 3/PGA4. "altersebut dapat ditentukan dengan nilai indeks dissimilarity 3gambar 3b44. 2ah&a $! jalur
(raypat)menunjukkan nilai diba&ah EG0. Pada jalur ke ) menunjukkan nilai G'. 3lokasi 2
receiver antara @ dan 74 . /ata + rata nilai modulus elastisitas pada posisi radial dan rasio
elastisitas dari semua pengukuran ultrasonik adalah ;r 8 !.'0 + !.>
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
12/13
Ga#2ar 6."asil pengukuran ultrasonik pada pinus tua /PGA : 6/6s 3Persamaan 4 pada
receiver dir 8 F)! 3a4,
r 8 F$' 3b4,r 8$! 3c4 5 nilai transmisiion factor
pada receiver dir 8 F)! 3d4,
r 8 F$' 3e4,r 8$! 3f4
Setelah pengujian ultrasonik dianalisa, kayu dipotong melintang horisontal untuk
melihat dan membandingkan hasil pengukuran dengan metode ultrasonik.
-
7/25/2019 Metode Baru Untuk Menduga Kondisi Kayu Menggunakan Pengujian Ultrasonik
13/13
sebesar $. cm dari bagian luar, dan empulur kayu memiliki eccentricity sebesar %( daridiameter kayu secara keseluruhan. Sehingga dari hasil tersebut dengan menggunakan metode
ultrasonik ini sudah dapat menduga kondisi di dalam kayu.
Ga#2ar 7.Pendugaan kondisi kayu pinus tua /PGA5 3a4 dugaan area kerusakan dengan
pengujian ultrasonik, 3b4 indeks dissimilaritypada masing + masing jalur, dan 3c4
pemotongan melintang horisontal setelah pengujian dengan ultrasonik.
3. Kesi#1ulan
Pada penelitian ini menunjukkan metode baru untuk menduga kondisi kayu menggunakan
ultrasonik. Metode ini menggunakan rambatan gelombang untuk menduga kondisi pada
kayu,signal processing, simulasi numerik, analisis statistik, dan karakteristik tranduser
ultrasonik. Pendugaan kondisi kayu didasarkan oelh perhitungan indeks dissimilaritypada
$% jalur (raypat) dan kecepatam gelombang ultrasonik, modulus elastisitas, dan
transmission factor. Nilai keseluruhan indeks dissimilarity (te overall) mempunyai arti
statistik dan menggunakan faktor pembobotan yang berbanding terbalik dengan koefisien
variasi.
Nilai transmisiion factor dihitung dari pengukuran respon frekuensi daro masing +
masing jalur. 6rekuensi diantara 0 k"# dan ** k"# dirambatkan melalui kayu secaramelintang dengan panjang gelombang
. 8 0.0 cm dan
8 *. cm.
Area kerusakan pada kayu adalah sebesar '!(, kecepatan gelombang #p dan
transmission factor menurun sebesar $( dan )*(. Sehingga dari hasil tersebut dengan
menggunakan metode ultrasonik ini sudah dapat menduga kondisi di dalam kayu.