## Identifikasi Delaminasi Batang Komposit Rami dengan Metoda Respon Frekuensi
Muh Yamin 1) , Heru S.B. Rochardjo 2) , Suyitno 3) , I Made Miasa 4)
1) Mahasiswa Sekolah Pascasarjana Program Doktor, Universitas Gadja Mada Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin
2) Promotor/Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada
3), 4) Co-promotror/Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada

## Abstract
Identification  of  delamination  composite  beam  for  four  layers  by  using piezoelectric  sensors.    Damage  index  is  based  delamination  area  (cross-sectional  area ratio  of  delamination  of  the  beam  cross-sectional  area).  The  purpose  of  research  is  to determine  the  location  and  cross-sectional  area  of  delamination  in  composite  materials beam four layers. Test bean   varied in five variations of fiber orientation;  [0 0 2 ] s , [45 0 2 ] s , [90 0 2 ] s , [±45 0 ] s dan [0 0 /90 0 ] s ,  five variations defect distance from the tip of the beam; 50, 100,  150,  200  and  250  mm,  five  variations  of  the  damage  index;  0:17,  0:22,  0:25,  0:28 and  0:33.  Testing  method  used  by  the  impulse  frequency  response  method.  Impulse testing in accordance with ASTM E 756. The results showed the natural frequency of the composite beam influenced by the orientation of the fiber direction, the distance from the tip of the beam defects and damage index.
Keywords :  Ramie fiber composites, damage index, fiber orientation, location of the damage and the natural frequency

## 1. Pendahuluan
Getaran  biasanya  mengacu  pada  suatu gerak  priodik  dalam  satu  struktur  elastis sekitar posisi keseimbangan. Landasan pemikiran  teknik-teknik  yang  berbasis SHM , kerusakan dapat diidentifikasi dengan perubahan  kekakuan,  massa,  atau  sifat redaman  dari  suatu  struktur  yang  pada gilirannya  mempengaruhi  respon  dinamis  dari struktur  seperti  frekwensi  alami  (parameter- parameter berhubungan dengan modal, respon gaya  paksa,  dll.)  digunakan  untuk  mengukur kerusakan  struktur.  ( Doebling  dkk . 1998) meringkas suatu metoda pendeteksian kerusakan  berbasis  getaran.  (Sohn  dkk.  2004) meninjau SHM  dengan cakupan lebih luas, di
mana permasalahan SHM diperlakukan sebagai  pengenalan  pola  statistik  dan  teknik- teknik  pendeteksian  kerusakan  yang  termasuk metoda-metoda yang berbasis getaran. Tinjauan  Ulang  dan  analisa  lebih  menyeluruh dapat ditemukan di dalam dua  dokumen ini.
Parameter  yang  berhubungan  dengan modal dan frekwensi alami dari suatu struktur secara  relatif  mudah  diukur.  Perubahan- perubahan frekwensi alami struktur mencirikan  suatu  cacat  atau  kerusakan  . Pengamatan  sistematis  tentang  pendeteksian kerusakan  diidentifikasi  dengan  perubahan- perubahan  frekwensi  alami  (Adams  dkk. 1978).    Eksperimen-eksperimen  dilakukan pada suatu  plat aluminium dengan kerusakan- kerusakan    dalam  bentuk  lubang  segi-empat. ( Cawley  dan  Adams 1979)  juga  melakukan
kegiatan  serupa,  tapi  pada  materil  CFRP ( plastik carbon-fiber-reinforced ).
(Friswell  dkk.  1994)  juga  memperluas kriteria  dengan  memperkenalkan  analisis statistik yang memungkinkan skenario kerusakan. Palacz  dan  Krawczuk (2002) membandingkan beberapa metoda-metoda yang  berbasis  getaran    ,  termasuk Cawley- Adams untuk kriteria kerusakan pada keretakan  beam.  Kriteria  Cawley-Adams kembali  digunakan  untuk  komposit  beam dengan suatu keretakan tepi.
Dengan adanya kesalahan pengukuran, kelayakan deteksi keretakan pada model masih perlu  pengembangan  analitis.  Namun,  seperti yang  disebutkan  oleh  (Doebling  dkk.1998) dan  (Firswell  dan  Penny,1998),  identifikasi kerusakan  berdasarkan  frekuensi  mempunyai keterbatasan-keterbatasan praktis dalam beberapa  aplikasi-aplikasi.  Lebih  dari  itu, frekuensi  alami  memperlihatkan  sifat  global suatu  struktur,  dan  biasanya  tidak  dapat mendeteksi  kerusakan  yang  masih  dalam permulaan,  terutama  ketika  kerusakan  itu ditempatkan  di  suatu  daerah  tegangan  rendah. (Salawu,  1997)  mengkaji  ulang  pendeteksian kerusakan oleh perubahan-perubahan frekwensi  alami.  Meski  itu  bisa  tidak  dapat dipercaya  menggunakan  frekuensi  alami  yang berubah untuk kemungkinan kerusakan identifikasi  dalam  beberapa  infrastruktur- infrastruktur seperti struktur-struktur beton pra tekan. Strategi dan algoritma-algoritma dikembangkan  untuk  lebih  lanjut  menjelajah keuntungan-keuntungan dari frekwensi alami.
(Messina  dkk.  1996)  mengembangkan satu algoritma yang  disebut Damage Location Assurance  Criterion (DLAC).  Suatu  nilai DLAC  dihitung  dari  vektor  dari  eksperimen perubahan frekuensi dan vektor berdasar pada analisa  teoritis  di  suatu  lokasi    perkiraan kerusakan. Lokasi kerusakan diperoleh dengan membandingkan  pola-pola  dari  perubahan frekuensi.
Identifikasi  delaminasi  pada  batang komposit  lamina  ( carbon-epoxy )  dengan menggunakan piezoelektrik sensor dan konsep fungsi transfer telah digunakan dengan sukses.
Delaminasi  dinotasikan  berdasarkan  panjang delaminasi ( perbandingan panjang delaminasi dengan  panjang  beam),  dengan  tiga  kasus delaminasi. Identifikasi delaminasi berdasarkan frekuensi alami dan hasil pengujian  getaran  memperlihat-kan  bahwa panjang  delaminasi  sangat  berpengaruh  pada frekuensi natural (Ning Hu, 2006).
Pengaruh  panjang  delaminasi  dan orientasi serat terhadap frekuensi natural pada komposit  beam  dari Glass/Epoxy dianalisis oleh  (  Hasan,  2011).  Metoda  analisis menggunakan teori batang Timoshenko. Hasil analisis  memperlihatkan  bahwa  frekuensi natural  bertambah  bila  panjang  delaminasi berkurang  dan  dengan  orientasi  serat  berubah menghasilkan frekuensi natural berubah juga
Parameter-parameter yang berhubungan  dengan  modal  dan  frekwensi alami  dari  suatu  struktur  secara  relatif  mudah diukur.  Perubahan-perubahan  frekwensi  alami struktur mencirikan suatu cacat atau kerusakan . Pengamatan sistematis tentang pen-deteksian kerusakan  diidentifikasi  dengan  perubahan- perubahan  frekwensi  alami  (Adams  dkk. 1978).    Eksperimen-eksperimen  dilakukan pada suatu  plat aluminium dengan kerusakan- kerusakan    dalam  bentuk  lubang  segi-empat. (Cawley  dan  Adams,  1979)  juga  melakukan kegiatan  serupa,  tapi  pada  materil  CFRP ( plastik carbon-fiber-reinforced ).
Penelitian  prosedur  ekstimasi  prilaku dinamis  dari  batang  komposit  serat  pada material glass/epoxy tanpa  delaminasi  dengan orientasi  serat  [±45 0 ]  dan  [0 0 /90 0 ]  dengan metoda  FEA  dan  eksperimental  (Volnei  Tita dkk,  2001).  Hasil  analisis  dan  eksperimental memperlihatkan  bahwa  untuk  orientasi  serat [±45 0 ]  mempunyai  frekuensi  alami  lebih rendah  dibandingkan  dengan  orientasi  serat [0 0 /90 0 ]  dan  kesalahan  antara  analisis  dan eksperimental  diperoleh  maksimum  sebesar 16,5 %.
Analisis  getaran  batang  komposit dengan  multi  delaminasi  pada  material glass/epoxy  dengan  orientasi  serat  [0 0 /90 0 ] s dengan  metoda  FEA  (Hein  H,  2006).  Hasil analisi  memperlihatkan  bahwa  bila  panjang
delaminasi bertambah menghasilkan frekuensi alami  yang  berkurang.  Analisis    getaran  pada batang komposit guna mengidentifikasi kerusakan  pada  material  glass/epoxy  tanpa retak  dan  retak  pada  jarak  L 1 dari  jepitan dengan  metoda  FEA  (Ramanamurhy  dkk, 2011).  Hasil  analisis  memperlihatkan  bahwa frekuensi  alami  untuk  material  tanpa  retak sebesar  64  Hz,  untuk  material  retak  pada kedalaman  6  mm  sebesar  62  Hz  dan  untuk material  retak  pada  kedalaman  9  mm  sebesar 60 Hz
Analisis  teoritis  perilaku  dinamis batang  komposit  kantilever  pada  material E- glass  polyester dengan  orientasi  serat  [0 4 ] s , [0 0 /90 0 ] s dan  [±45 0 ] s dengan  metoda  FEA (Hayder  Moasa  Al  shukri  dkk,  2009).  Hasil analisis  memperoleh  frekuensi  alami  untuk  : orientasi  serat  [0 0 /90 0 ] s sebesar  14  Hz, orientasi  serat  [0 4 ] s sebesar  14,36  Hz  dan
untuk  orientasi  serat  [±45 0 ] s diperoleh sebesar 7,88 Hz.
Penelitian  mengenai  pendeteksian kerusakan  pada  material  komposit  logam  dan plastik telah banyak dilakukan, tapi belum ada pada material komposit serat alam. Eksperimen  akan  dilaksanakan  menggunakan batang  uji  komposit  serat  rami  dengan  empat lapis.  Kerusakan-kerusakan  batang  uji  (cacat awal) dibuat berbentuk catat delaminasi.

## 2. Material dan Spesimen
Material penelitian dari batang komposit rami empat lapis dengan lima variasi orientasi arah serat yaitu masing-masing [0 0 2 ] s , [45 0 2 ] s , [90 0 2 ] s , [±45 0 ] s dan [0 0 /90 0 ] s . Bentuk dan dimensi batang uji getaran dengan ukuran : panjang 40 cm, lebar 2,5 cm dan tinggi 1,4 cm, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1.
Gambar 1.  Dimensi batang uji getaran
Penampang dengan ukuran lebar 2,5 cm dan tebal 1,4 cm. Tebal  beam uji ini disusun dengan 4 lapisan, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.
Foto batang komposit rami dengan variasi orientasi arah serat diperlihatkan pada Gambar 3.
40 cm
2,5 cm
1,4 cm 2,5 cm 3 mm Gambar 2.  Bentuk penampang beam
3. Eksp
erim en Pa da pengujian impulse dengan respon frekuensi  dimana  respon  yang  diberikan  oleh specimen ketika dibebani secara dinamik akan diperoleh  frekuensi  alami  dan  time-signal  . Metoda  pengujian  adalah  sesuai  dengan
standar ASTM
E  756 dengan batang kantile
ver seperti yang diperli hatkan pada
Gamba
r  5,  dimana  (1) Batang  Komposit  Kantilever, (2)  Hammer,  (3)  Accelerometers  B&K  type 4397, (4) Osiloskop, (5) Komputer
Pada  Gambar  4    diperlihatkan  bahwa spesimen dijepit agar menjadi kaku (1) dengan salah  satu  dari  sisinya  bebas  untuk  bergetar, sebagai  balok  kantilever.  Instrumen  hammer impak  (2)  digunakan  untuk  memberi  beban
masukan (pulse). Keluaran oleh accelerometer (3) masuk ke Osiloskop (4), dinyatakan  dalam respon  frekuensi  (  amplitudo  dan  frekuensi). Foto rangkaian eksperimen diperlihatkan pada gambar 5.
Komputer Osiloskop 300 mm 50 mm 280 mm Hammer Acceleromet er Jepitan Batang  Komposit Gambar 4. Pengujian Impuls 3 (1) (2) (3) (5) (4) 1 2 [0 0 2 ] s [45 0 2 ] s [90 0 2 ] s ] s [±45 0 ] s [0 0 /90 0 ] s
Gambar 3. Foto batang komposit rami dengan lima variasi orientasi arah serat
Data  domain  waktu  dari osiloskop  dalam  file  csv,  diubah
menjadi  domain  frekuensi  dengan bantuan  komputasi  excel.    Hasil diperlihatkan pada Gambar 6.

## Gambar 6  Pengukuran frekuensi alami

## 4. Hasil dan Diskusi
Batang  uji  komposit  empat  lapis  dari serat  rami  yang  divariasikan  masing  masing, jarak  cacat  dari  ujung  batang  L n ,  indeks kerusakan  A n dan  orientasi  arah  serat  O n . Variasi  jarak  cacat  dari  ujung  batang  diambil 50, 100, 150, 200 dan 250 mm. Variasi indeks kerusakan diambil 0,17, 0,22,  0,25,  0,28 dan
0,33.  Variasi  orientasi  arah  serat  komposit diambil [0 0 2 ] s ,  [45 0 2 ] s ,  [90 0 2 ] s ,  [±45 0 ] s dan [0 0 /90 0 ] s . Hasil  pengujian  impulse  juga menggunakan  metoda  seperti  pada  Gambar 3.6,  diperoleh  frekuensi  alami  masing-masing sebesar  (18,3),  (18,9),  (19,5),  (21,36)  dan (22,6) Hz. Nilai ini diperlihatkan pada Tabel 1.
Gambar 5. Foto rangkaian eksperimen
Tabel  1.    Tabel data untuk delaminasi
No. Jarak cacat dari ujung batang (mm) Indeks kerusakan Orientasi serat komposit Frekuensi alami (Hz) 1. 50 0,17 [0 0 2 ] s 18,3 2. 100 0,22 [45 0 2 ] s 18,9 3. 150 0,25 [90 0 2 ] s 19,5 4. 200 0,28 [±45 0 ] s 21,36 5. 250 0,33 [0 0 /90 0 ] s 22,6

## 4.2  Pembahasan
Analisis besaran frekuensi alami terhadap  indeks  kerusakan,  jarak  kerusakan dari  ujung  batang  dan  orientasi  arah  serat dilakukan dengan metoda multi regresi.  Nilai- nilai  dari orientasi  arah  serat  batang komposit bukan nilai numerik sehingga perlu disetarakan  dengan  nilai  numerik.  Nilai-nilai numerik  dari  variasi  arah  serat  diassumsi sebagai  berikut:    notasi [0 0 2 ] s =    5,  notasi [45 0 2 ] s = 4, notasi [90 0 2 ] s = 3, notasi [±45 0 ] s = 2 dan notasi  [0 0 /90 0 ] s = 1.  Menggunakan Excel 2013 diperoleh :
....    (1)
dimana :
Frekuensi alami (Hz) Jarak cacat (mm) Indeks kerusakan
Orientasi arah serat ( o ) Berdasarkan persamaan (1) menunjukkan  bahwa  besar  frekuensi  alami berbanding lurus dengan jarak cacat dari ujung batang karena cacat delaminasi yang jauh dari ujung batang yang berarti dekat dengan jepitan katilever,  mengakibatkan  delaminasi  merapat. Frekuensi alami pada batang komposit dengan delaminasi  dekat  jepitan  kantilever  diperoleh nilai  frekuensi  alami  batang  komposit  tanpa delaminasi,  ini  juga  dapat  diperlihatkan  pada
Gambar 7.
Berdasarkan persamaan (1)
menunjukkan  bahwa  besar  frekuensi  alami berbanding  terbalik  dengan  indeks  kerusakan, yang  berarti  cacat  atau  kerusakan  pada  suatu komposit  serat  rami  menyebabkan  penurunan frekuensi alami. Hasil ini
sesuai  dengan  hasil  penelitian  dari ( Ning  Hu ,  2006)  yang
mengidentifikasi  deleminasi  pada  batang komposit  (carbon-epoxy).  Plot  hubungan frekuensi  alami  terhadap  indeks  kerusakan diperlihatkan pada Gambar 8.
Berdasarkan persamaan (1) juga menunjukkan  bahwa  besar  frekuensi  alami berbanding terbalik dengan orientasi arah serat (  diassumsi  :    notasi  [0 0 2 ] s =  1,61,  notasi
[45 0 2 ] s =  1,39,  notasi  [90 0 2 ] s =  1,1,  notasi [±45 0 ] s = 0,7 dan notasi [0 0 /90 0 ] s = 0.) . Hasil penelitian  ini  sesuai  dengan  penelitian ekstimasi perilaku dinamis komposit
Gambar 7  Hubungan frekuensi alami terhadap Jarak cacat dari ujung batang
Gambar  8  Hubungan frekuensi alami terhadap indeks kerusakan
glass/epoxy tanpa delaminasi dengan orientasi serat  ( Volnei  Tita  dkk ,  2001).    Plot  hubungan
frekuensi  alami  terhadap  orientasi  arah  serat diperlihatkan pada Gambar 9.

## 5. Kesimpulan
Setelah mengevaluasi hasil penelitian dan pembahasan pada bab sebelumnya, maka studi ciri  kerusakan  batang  komposit  rami  dapat disimpulkan sebagai berikut :
a. Frekuensi  alami  batang  komposit  serat rami  sangat  dipengaruhi  oleh  orientasi arah serat.
b. Frekuensi  alami  batang  komposit  serat rami  sangat  dipengaruhi  oleh  jarak  cacat dari ujung batang komposit
c. Fekuensi  alami  batang  komposit  rami sangat dipengaruhi oleh indeks kerusakan
d. Frekuensi  alami  batang  komposit  rami juga  dipengaruhi  oleh  orientasi  arah serat batang komposit.
Daftar Pustaka Adams, R. D.,
Cawley,  P.,  Pye,  C. J. and Ston
e,  B.
J.,  1978,  “A  vibration  technique  for  non- destructively  assessing  the  integrity  of structures,” Journal  of
Mechanical Engineering Science , 20(2), 93-100.
ASTM E 756, 1998, Standard Test Method for Measuring  Vibration  Damping  Properties of Materials.
Cawley,  P.  and  Adams,  R.  D.,  1979,  “The location  of  defects  in  structures  from measurements  of  natural  frequencies,”
Journal of Strain Analysis , 14(2), 49-   57.
Doebling,  S.  W.,  Farrar,  C.  R.  and  Prime,  M.
B., 1998, “A summary review of vibration- based damage identification methods,” The Shock and Vibration  Digest , 30(2), 91-105.
Friswell, M. I., Penny, J. E. T. and Garvey, S. D.  A.,  1998,  “A  combined  genetic  and eigen sensitivity algorithms for the location of  damage  in  structures,” Computers  and
Structures , 69, 547-556.
Friswell, M. I., Penny, J. E. T., and Wilson, D.
A.  L.,  1994,  “Using  Vibration  data  and statistical  measures  to  locate  damage  in
Gambar  9   Hubungan frekuensi alami terhadap orientasi arah serat
structures,”
Modal Analysis: the International  Journal  of  Analytical  and Experimental  Modal  Analysis ,  9(4),  239- 254.
Hasan  Callioglu  &  Gokmen  Atlihan,  2011,  “
Vibration Analysis of Delaminated
Composite  Beams  Using  Analytical  and FEM  Models  “,  Indian  Journal  of Engineering & Materials Sciences, Vol. 18, pp. 7-14.
Hayder Moasa Al-Shukri , Dr. Mahannad
Z,Khelifa & Dr. Saad A. Khether, 2009, Theoretical Analyses of the Dynamic Behaviour of Composite Cantilever Beam Manufactured, Eng. & Tech. Journal, Vol. 27, No. 9.
Hein H, 2006,  Vibration of Composit Beams with Multiple Delaminations, III European Conference on Computational Mechanics,
Solids, Structures and Coupled Problems in Engineering, Lisbon, Portugal.
Messina,  A.,  Contursi,  T.  and  Williams,  E.  J. and,  1997,  “Multiple  damage  evaluation using natural frequency changes,”
Proceeding of the 15th International Modal Analysis Conference , Orlando, FL, pp. 658-
664.
Messina,  A.,  Jones,  A.  and  Williams,  E.  J., 1996,  “Damage  detection  and  localization
using
natural frequency changes,”
Proceeding of the 14th International Modal Analysis  Conference ,  Orlando,  FL,  pp.  67-
76.
Ning  Hu,  Hisaq  Fukunaga  and  Masaki Kemeyama,  2006,  “  Identification  of Delaminations  in  Composite  Laminates  “,
Jurnal of Intelegent Systems and Structures,
Vol. 17.
Palacz,  M.  and  Krawczuk,  M.,  2002, “Vibration parameters for damage detection in  structures,” Journal  of  Sound  and Vibration , 249(5), 999-1010.
Ramanamurthy  E.V.V  and  Chandrasekaran K..,  July  2011,  Vibration  Analysis  on  a Composite  Beam  to  Identify  Damage  and Damage  Severity  Using  Finite  Element Method,    (IJEST),  ISSN  :  0975-5462,  Vol. 3 No. 7
Salawu,  O.  S.,  1997,  “Detection  of  structural damage  through  changes  in  frequencies:  a review,” Engineering  Structures ,  19(9), 718-723.
Sohn, H., Farrar, C. R., Hemez, F. M., Shunk,
D.  D.,  Stinemates,  D.  W.,  Nadler,  B.  R. and  Czarnecki,  J.  J.,  2004,  “A  review  of structural health monitoring literature:  1996-  2001,” Los  Alamos National Laboratory Report , LA-
13976-MS.
Volnei Tita,  Jonas de Corvalho, Jaoa Lirahi,
2001, A Procedure to Estimate the
Dynamic Damped Behavior of Fiber Reinforced Composite Beams Submitted to Flexural Vibrations, Materials Research, Vol. 4, No. 4, 315-321