STUDI NUMERIK PROPAGASI GELOMBANG UNTUK MENDETEKSI KERUSAKAN PADA PLAT BAJA

Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XXIII Program Studi MMT-ITS, Surabaya 1 Agustus 2015

STUDI NUMERIK PROPAGASI GELOMBANG UNTUK MENDETEKSI KERUSAKAN PADA PLAT BAJA M Taufiq Faizal1), Priyo Suprobo2), dan Faimun3) Program Studi Magister Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Email: [email protected] 2) Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Email: [email protected] 3) Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Email: [email protected]

1)

ABSTRAK Dalam beberapa tahun terakhir ini banyak terjadi kegagalan struktur yang mengakibatkan hilangnya banyak jiwa manusia. Untuk menghindari kegagalan struktur tersebut Sistem manajemen kesehatan struktur yang tepat perlu diterapkan. Lamb wave adalah teknologi yang telah populer digunakan dalam Sistem manajemen kesehatan struktur plat karena sensitifitasnya dalam mendeteksi kerusakan yang sangat kecil dan mampuh menyebarkan dengan jarak yang relative luas dengan sedikit pelemahan. Untuk mendapatkan sensor yang efisien serta ekonomis maka penggunaan piezoelectric sangat disarankan. Hal ini dikarenakan piezoelectric tranducers dapat digunakan sebagai actuator dan sensor gelombang. Pada penelitian ini studi tentang lamb wave dilakukan pada plat besi tipis. Variasi jumlah puncak Excitation signal, permodelan terhadap kerusakan pada surface plat serta pengaruh letak piezoelectric tranducers terhadap titik kerusakan akan menjadi inti dari penelitian ini. Hasil analisa menunjukan bahwa pola gelombang yang terbentuk pada plat yang mengalami kerusakan untuk excitation signal satu, dua dan lima ditandai dengan terjadinya penurunan amplitude dan frekuensi. Untuk pengeruh posisi piezoelectric tranducers terhadap titik kerusakan, hasil analisa menunjukan bahwa semakin jauh letak piezoelectric tranducers terhadap titik kerusakan, pembacaan gelombang yang terjadi semakin tidak akurat. Posisi kerusakan dapat diketahui dari fungsi kecepatan dan waktu gelombang. Propagasi gelombang yang berbasis pada lamb wave terbukti dapat mendeteksi kerusakan pada plat baja. Kata kunci: manajemen kesehatan struktur, SHMS, propagasi gelombang, lamb wave, piezoelectric, hanning windowed 5-cycle tone burst, plat baja. PENDAHULUAN Dalam beberapa tahun terakhir ini banyak terjadi kegagalan struktur yang mengakibatkan hilangnya banyak jiwa manusia. Untuk menghindari kegagalan struktur tersebut Sistem manajemen kesehatan struktur yang tepat perlu diterapkan dan pengetahuan tentang integritas struktur dalam masa service secara real-time harus dilakukan secara terus menerus. Pemeriksaan dan pemeliharaan secara berkala terhadap struktur hanya memberikan pengetahuan terbatas tentang kondisi struktur. Negara-negara maju seperti Cina, Prancis, Swiss dan Hungaria telah memulai mengembangkan dan memakai sistem manajemen kesehatan struktur yang dinamakan Structural health monitoring System (SHMS). Kunci dari Structural health monitoring System (SHSM) ini adalah mengkombinasikan antara teknologi sensor dan analisa permodelan. Sensor berguna untuk mengumpulkan data sedangkan analisa permodelan berguna untuk menentukan perilaku struktur (Gopalakrishnan, 2011). ISBN: 978-602-70604-2-5 B-22-1


Kerusakan pada struktur plat tipis biasanya terjadi akibat crack yang berpotensi menyebabkan fatigue. Kerusakan berupa crack tidak bisa dideteksi dengan destructive test, perlu adanya deteksi secara nondestructive untuk mendeteksi kerusakan tersebut. Banyak penelitian tentang nondestructive test dilakukan untuk mendapatkan sensor dan analisa permodelan yang tepat untuk mendeteksi kerusakan berupa crack pada struktur plat tipis. Propagasi gelombang yang berbasis pada nonlinear Lamb wave telah populer digunakan untuk mendeteksi kerusakan pada plat karena sensitifitasnya dalam mendeteksi kerusakan yang sangat kecil dan mampuh menyebarkan dengan jarak yang relative luas dengan sedikit pelemahan (Alleyne, 1992). Ketika glombang (lamb wave) menyebar sepanjang struktur dan menemukan sebuah celah, terjadi sebuah refleksi, refraksi serta transmisi pada gelombang tersebut. Interaksi yang terjadi pada gelombang ini bisa dipakai sebagai karakteristik kerusakan yang terjadi (Rose, 1999). Selain karena sensitifitasnya dalam mendeteksi kerusakan, lamb wave juga mempunyai sisi ekonomis dalam pelaksanaannya karena dia bisa mengcover daerah plat yang luas hanya pada satu lokasi (Krautkramer, 1998). Kelebihan dari lamb wave yang lain adalah bisa dipakai pada plat yang sangat tipis dan bisa mendeteksi keretakan kecil yang tersembunyi pada internal plat ( Xiang wan, 2014). Untuk mendapatkan sensor yang efisien serta ekonomis maka penggunaan piezoelectric sangat disarankan. Hal ini dikarenakan piezoelectric tranducers bisa digunakan sebagai actuator and sensor untuk gelombang (lamb wave). Piezoelectric transducers dibuat dari piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) yang mempunyai kemampuan yang sangat bagus sebagai actuator and sensor gelombang (lamb wave) (V. Giurgiutiu, 2001). Keuntungan dari piezoelectric tranducers ini adalah sistem integrasinya yang mudah, perhitungan massa diabaikan, kekuatan mekanik yang sangat baik, respon frekuensi yang luas, konsumsi daya yang rendah, impedansi akustik yang rendah dan biaya rendah. Namun, transduser ini menghasilkan beberapa mode yang menunjukkan perilaku materi nonlinier dan hysteresis jika digunakan pada tegangan dan suhu yang tinggi, memiliki kekuatan kecil pada regangan tinggi, rapuh dan memiliki fatigue life yang rendah(M.J. Schulz,1999). Banyak penelitian yang telah dilakukan dalam mendeteksi kerusakan dengan menggunakan piezoelectric tranducers diantaranya adalah penelitian yang dilakukan oleh Xinglong Liu (2012) tentang lokalisasi kerusakan pada plat dengan menggunakan PZT sensor network. Algoritma tentang penempatan PZT sensor network telah didapatkan dalam penelitian ini. Howard Matt dan Ivan Bartoli (2007) melakukan penelitian tentang respon piezoelectric tranducers berbentuk persegi panjang untuk mendeteksi gelombang rayleigh dan lamb. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini dapat digunakan untuk merancang sensor ultrasonik yang sangat baik dan sensitive serta dapat menyederhanakan algoritma untuk mendeteksi dan melokalisasi kerusakan. Seth.S et al (2003) melakukan penelitian tentang optimalisasi actuator dan sensor untuk aplikasi lamb wave pada struktur komposit. Penelitian membuktikan bahwa lamb wave techniques telah terbukti dalam memberikan data yang akurat serta berguna untuk mendeteksi kerusakan pada struktur komposit dan dapat diterapkan dengan daya yang rendah. Penelitian tentang lamb wave ini banyak dilakukan pada almumunium plate. Pada penelitian ini studi tentang lamb wave akan dilakukan pada plat besi tipis dengan menggunakan permodelan finite element analysis (FEM). Excitation signal (Vt) yang akan dipakai adalah Hanning windowed 5-cycle tone burst dengan berbabagai variasi frekuensi dan variasi jumlah puncak. Permodelan terhadap kerusakan pada surface plat serta pengaruh letak piezoelectric tranducers terhadap titik kerusakan akan menjadi inti dari penelitian ini. Permodelan dilakukan menggunakan dua buah PZT-5A yang akan diletakan pada bagian atas plat. ISBN: 978-602-70604-2-5 B-22-2


METODE Penelitian ini dilakukan secara garis besar terdiri atas lima tahap, yaitu spesifikasi plat dan sensor, permodelan FEM, variable desain, validasi hasil dan analisa kerusakan. Spesifikasi Plat dan Sensor Model Plat baja yang dipakai adalah sebagai berikut: Lebar = 500 mm Tebal = 1 mm Berat Jenis () = 7850 kg/m³ Shear Modulus (G) = 7.93 x 10^9 N/m² Model piezoelectric tranducers yang dipakai adalah sebagai berikut: Tipe = Lead Zirconate Titanate (PZT-5A) Lebar = 6.35 mm Tebal = 0.25 mm Density = 7750 kg/m³ Crystal symmetry class = Uniaxial Berikut gambar dimensi plat serta piezoelectric tranducers.

Gambar 1. Plat dan Piezoelectric Tranducers

Permodelan FEM Pada dasarnya setiap analisa struktur mempunya step-step yang sama dalam pembuatan permodelan strukturnya. Penjelasan Singkat Tahapan dalam Membuat Model akan dijelaskan Berikut ini : 1. Defining Geometry 2. Defining Material 3. Setting up Physics 4. Meshing 5. Simulation 6. Analysis of Result Variable Desain Dalam tesis ini, studi mengenai wave propagation yang berbasis pada lamb wave dilakukan pada plat baja tipis dengan beberapa analisa sebagai berikut: 1. Studi pengaruh jumlah cycle pada Excitation signal (Vt) Hanning windowed 5-cycle tone burst dalam menditeksi kerusakan. Jumlah puncak yang akan distudi masing-masing adalah satu, tiga dan lima. 2. Studi bagaimana pengaruh letak piezoelectric tranducers terhadap titik kerusakan. Jarak piezoelectric tranducers dari titik kerusakan masing-masing adalah 75mm, 125mm, dan 225mm. Berikut adalah gambar posisi piezoelectric tranducers dari titik kerusakan. 3. Studi bagaimana cara menemukan lokasi kerusakan pada plat baja dengan menggunakan sensor piezoelectric tranducers.

ISBN: 978-602-70604-2-5 B-22-3


Validasi Validasi akan dilakukan menggunakan FFT dari input electric potential, jika permodelan yang dilakukan benar, hasil output berupa electric potential untuk plat yang tidak mengalami kerusakan dalam frekuensi domain akan sama dengan input electric potential dalam frekuensi domain. Analisa Kerusakan Pada bagian analisa kerusakan akan dilihat bagaimana pola gelombang yang terjadi akibar terjadinya kerusaka. Selain pola gelombang plat akan dianalisa dalam frekuensi domain, dimana akan dibandingkan pada frekuensi berapakah plat mengalami kerusakan pada surface plat. HASIL DAN PEMBAHASAN Sebelum melakukan deteksi terhadap kerusakan, akan dilakukan validasi terlebih dahulu. Validasi akan dilakukan menggunakan fft dari input electric potential, jika permodelan yang dilakukan benar, hasil output berupa electric potential untuk plat yang tidak mengalami kerusakan dalam frekuensi domain akan sama dengan input electric potential dalam frekuensi domain. Berikut hasil dari validasi hasil untuk excitation signal satu tiga dan lima puncak:

Gambar 2. Hasil FFT normal plate dengan hasil FFT excitation signal satu puncak

Dari gambar 2 bisa dilihat bahwa frekuensi dari normal plate sama dengan frekuensi excitation signal. Dari hasil tersebut dapat ditarik kesimpulan bahwa permodelan plat dengan input excitation signal satu puncak pada frekuensi 100 KHz adalah benar dan bisa dipakai untuk analisa kerusakan.

Gambar 3. Hasil FFT normal plate dengan hasil FFT excitation signal tiga puncak

Dari gambar 3 bisa dilihat bahwa frekuensi dari normal plate sama dengan frekuensi excitation signal, kecuali pada puncak ketiga terjadi sedikit perbedaan frekuensi tetapi masi dalam tahap kewajaran. Dari hasil tersebut dapat ditarik kesimpulan bahwa permodelan plat ISBN: 978-602-70604-2-5 B-22-4


dengan input excitation signal tiga puncak pada frekuensi 100 KHz adalah benar dan bisa dipakai untuk analisa kerusakan.

Gambar 4. Hasil FFT normal plate dengan hasil FFT excitation signal lima puncak

Dari gambar 4 bisa dilihat bahwa frekuensi dari normal plate sama dengan frekuensi excitation signal. Dari hasil tersebut dapat ditarik kesimpulan bahwa permodelan plat dengan input excitation signal lima puncak pada frekuensi 100 KHz adalah benar dan bisa dipakai untuk analisa kerusakan. Pengaruh Jumlah Puncak dalam Menditeksi Kerusakan Setelah validasi dilakukan, selanjutnya akan dibahas tentang pengaruh jumlah puncak dalam mendeteksi kerusakan. Hanning window dengan tiga variasi jumah puncak dalam frekuensi 100 KHz akan di exitasi dengan menggunakan piezoelectric.

Gambar 5. FFT damage plate vs FFT normal plate

Dari gambar 5 analisa frekuensi domain, terlihat bahwa pada kurva plat yang mengalami kerusakan ditandai dengan terjadinya penurunan amplitude dari 0.55 ke 0.48 dan frekuensi dari 97.65 ke 87.89 KHz.


ISBN: 978-602-70604-2-5 B-22-5


Dari gambar 6 analisa frekuensi domain, terlihat bahwa pada kurva plat yang mengalami kerusakan terjadi penurunan amplitude dan pergeseran arah x pada puncak gelombang. Pergeseran pada arah x ini menunjukan bahwa pada plat yang terjadi kerusakan terjadi penurunan frekuensi dari 97.65 KHz menjadi 83.00 KHz. Bisa disimpulkan dengan excitation signal tiga puncak terjadi kerusakan di frekuensi ±83 KHz.


Dari gambar 7 analisa frekuensi domain, terlihat bahwa pada kurva plat yang mengalami kerusakan terjadi penurunan amplitude dan pergeseran arah x pada puncak gelombang. Pergeseran pada arah x ini menunjukan bahwa pada plat yang terjadi kerusakan terjadi penurunan amplitude dari 1.64 ke 0.87 dan frekuensi dari 100.09 KHz menjadi 97.65 KHz. Bisa disimpulkan dengan excitation signal tiga cycle terjadi kerusakan di frekuensi ±97.65 KHz. Pengaruh Letak Piezoelectric Tranducers Pada bahasan ini studi tentang pengaruh letak piezoelectric tranducers terhadap titik kerusakan akan dilakukan. Berikut adalah gambar kurva pola gelombang akibat pengeruh letak piezoelectric tranducers

Gambar 8. Supersosisi hasil FFT

Dari gambar 8 diatas, terlihat bahwa pada jarak tranduser 75 mm dan 125 mm dari titik kerusakan frekuensi yang terjadi adalah sama yaitu sebesar 87.89 KHz, sedangkan untuk jarak tranducer 225 mm terjadi dua frekuensi funcak yaitu pada frekuensi 97.66 KHz dan 122.07 KHz. Dari hasil ditas, dapat ditarik kesimpulan bahwa pembacaan sensor pada jarak 225 mm dari titik kerusakan tidak dapat dipakai karena data yang didapatkan eror. Deteksi lokasi kerusakan Untuk mencari titik kerusakan hasil fft dari plat yang normal dengan plate yang mengalami kerusakan diperlukan untuk mengetahui frekuensi yang terjadi. Dari gambar diatas, diketahui bahwa plat yang mengalami kerusakan dengan exitation signal satu puncak ISBN: 978-602-70604-2-5 B-22-6


berada di frekuensi 87.89 KHz dan untuk plat yang tidak mengalami kerusakan berada pada frekuensi 97.66 dari data frekuensi tersebut, selanjutnya data kecepatan bisa didapatkan dari kurva dispersion curve. Berikut adalah kurva dispersion untuk plate baja tebal 1mm:

Gambar 9. Dispersion Curve

Rumus untuk mencari posisi kerusakan adalah sebagai berikut:

(v1t 2  D)(2v 2  v1 ) 2(v1  v 2 ) Dimana: a : jarak dari titik kerusakan terhadap tranducer atau sensor sebesar 75mm D : jarak sensor terhadap actuator sebesar 100 mm V1 : Kecepatan gelombang untuk normal plat V2 : Kecepatan gelombang untuk damage plat t2 : Waktu gelombang untuk damage plate a

Untuk mendapatkan kecepatan gelombang frekuensi diplotkan kedalam kurva S0 karena mode gelombang yang terjadi adalah S0, dari hasil ploting didapatkan kecepatan untuk normal plate adalah sebesar 5454430 mm/s dan untuk damage plate adalah sebesar 5448249 mm/s. Waktu gelombang untuk plate yang mengalami kerusakan didapatkan sebesar 1.83645E-05 second. Maka didapatkan jarak dari titik kerusakan terhadap sensor sebesar 73.864mm. Dari hasil tersebut maka selisih yang didapat adalah 75-73.864 =1.136mm atau sebesar 1.51. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan dari hasil penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Pola gelombang yang terbentuk pada plat yang mengalami kerusakan untuk excitation signal (Vt) satu, dua dan lima ditandai dengan terjadinya penurunan amplitude dan frekuensi. 2. Semakin jauh letak piezoelectric tranducers terhadap titik kerusakan, pembacaan terhadap gelombang yang terjadi semakin tidak akurat. 3. Lokasi kerusakan didapatkan dari hasil perkalikan fungsi kecepatan dengan fungsi waktu. Fungsi kecepatan didapatkan dari kurva dispersion gelombang untuk plat dengan tebal 1mm. 4. Propagasi gelombang yang berbasis pada lamb wave terbukti dapat mendeteksi kerusakan pada plat baja Saran untuk penelitian selanjutnya adalah: 1. Perlu dilakukan eksperimental untuk membandingkan kebenaran dari analisa numerik yang telah dilakukan 2. Perlu dilakukan analisa untuk mengetahui besar kerusakan yang terjadi

ISBN: 978-602-70604-2-5 B-22-7


DAFTAR PUSTAKA Alleyne, D, Cawley, P. (1992), “The interaction of lamb wave with defects”, IEEE trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. control, Vol. 39, hal.381-397. Andrews, Jennifer. (2007), Lamb wave propagation in varying thermal environments, Tesis M.S., Department of Aeronautics and Astronautics, Air Force Instituted of Technology (AU), Wright Patterson, AFB, OH. Asrar Zair Bin Ahmad. (2011). Numerical Simulations of Lamb Waves in Plates Using a Semi-Analytical Finite Element Method, Dissertation Dr.-Ing. , University of Magdeburg, Alor Setar, Kedah. Chen G. (2012). “Structural Health Monitoring in Transportation Infrastructure Application – New Persfective”. Sensing Technologies for Transportation Application Workshop at TRB 91st Annual Meeting. Washington DC. Gopalakrishnan, S, Ruzzene, M and Hanagut, S. (2011), Computational Techniques for Structural Health Monitoring, 1st edition , Springer, London. Howard Matt, and Ivan Bartoli. (2007), “The response of rectangular piezoelectric sensors to Rayleigh and Lamb ultrasonic waves”, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 121, No. 1, hal. 175– 187. K. Heller, L.J. Jacobs, and J. Qu. (2000), “Characterization of adhesive bond properties using lamb waves”, NDT&E International, vol 33 hal.555-563. Krautkramer, (1998), “Emerging Technology - Guided Wave Ultrasonics,” NDTnet, Vol 3, No 6. M.J. Schulz, P.F. Pai, and D.J. Inman.(1999), “Health monitoring and active control of composite structures using piezoceramic patches”. Composites: Part B, vol 30 hal.713725. Pierre Noël Marty (2002) Modelling Of Ultrasonic Guided Wave Field Generated by Piezoelectric Transducers, Tesis Ph.D., Department of Mechanical Engineering Imperial College of Science, Technology and Medicine London SW7 2BX. Raghavan, A, Cesnik, C.E.S. (2007), “Review of guided-wave structural health monitoring. Shock. Vib.Dig”, vol 39 hal.91–114. Seth S. Kessler and Christopher E. Johnson. (2003), “Experimental Application of Optimized Lamb Wave Actuating/Sensing Patches for Health Monitoring of Composite Structures”. V. Giurgiutiu, J. Bao, and W. Zhao. (2001), “ Active sensor wave propagation health monitoring of beam and plate structures”. Proc. of SPIE, vol 4327 hal.234-245. Xiang Wan, Qing Zhang , Guanghua Xu and Peter W. Tse. (2014) “Numerical Simulation of Nonlinear Lamb Waves Used in a Thin Plate for Detecting Buried Micro-Cracks”, vol 14 hal.8528-8546. Yun-Kyu An, Jae Hong Kim and Hong Jae Yim. (2014). “Lamb Wave Line Sensing for Crack Detection in a Welded Stiffener”, hal.12871 -12884. Z. Su, L. Ye, and Y. Lu. (2006). “Guided lamb waves for identication of damage in composite structures: A review. Journal of Sound and Vibration”, vol 295 hal.753-780.

ISBN: 978-602-70604-2-5 B-22-8

STUDI NUMERIK PROPAGASI GELOMBANG UNTUK MENDETEKSI KERUSAKAN PADA PLAT BAJA

Recommend Documents