PENYIASATAN PUNCA KEGAGALAN TANGKI PENYIMPANAN AIR GFRP

SILINDER BERKAPASITI TINGGI

SAHURI BIN SAARI

Tesis ini dikemukakan sebagai memenuhi sebahagian daripada syarat

penganugerahan Ijazah Sarjana Muda Kejuruteraan Mekanikal (Tulen)

Fakulti Kejuruteraan Mekanikal

Universiti Teknologi Malaysia

NOVEMBER 2004

PENGAKUAN

“Saya akui bahawa karya ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali beberapa

bahagian dan ringkasan yang tiap satunya telah saya jelaskan sumbernya’

Tandatangan : ____________________

Nama Penulis : SAHURI BIN SAARI

Tarikh : 2 November 2004

Untuk Ayahanda dan Bonda yang telah banyak memberikan dorongan dan

sokongan. Begitu juga kepada rakan-rakan.

PENGHARGAAN

Segala puji-pujian bagi Allah S.W.T kerana Dia lah yang banyak menerima

pujian ini, baik lahir ataupun batin. Selawat dan salam keatas junjungan besar kita Nabi

Muhammad S.A.W, seluruh kaum keluarga dan para sahabat Baginda.

Syukur Alhamdulillah laporan tesis ini yang bertajuk “Penyiasatan Punca

Kegagalan Tangki Penyimpana Air GFRP Silinder Berkapasiti Tinggi” telah

berjaya disempurnakan. Penulis merakam setinggi-tinggi penghargaan ikhlas kepada

penyelia projek yang berwibawa dan berbedikasi Dr. Yob Saed Ismail dan En. Shukur

Abu Hassan diatas segala bimbingan dan tunjuk ajar, nasihat serta pandangan sepanjang

tempoh perlaksanaan tesis ini disempurnakan.

Terima kasih juga kepada rakan-rakan sekalian terutamanya kepada saudara

Hasnul dan Nik Mohd. Farizuan kerana membantu untuk menjayakan tesis ini.

Ilmu yang Allah S.W.T. anugerahkan kepada manusia ini sedikit sahaja. Dari

yang sedikit itu manusia membahagi-bahagikan untuk disebarkan kepada manusia

seluruhnya, untuk kebaikan mereka di dunia dan di akhirat. Allah sahaja yang Maha

mengetahui dan kepada Allah jualah kita memohon taufik dan hidayah.

Wassalam

SAHURI BIN SAARI

ABSTRAK

Permintaan ke atas penggunaan tangki penyimpanan air yang diperbuat dari

bahan polimer komposit gentian kaca/poliester (Glassfibre Reinforced Plastics – GFRP)

telah meningkat pada awal tahun 1990 an dan mula mendapat perhatian masyarakat

negara ini. Ini kerana terdapat pelbagai kelebihan yang terdapat pada struktur binaan

tangki dari jenis tersebut. Dari segi rekabentuk pula, tangki berbentuk silinder adalah

yang paling popular digunakan tetapi memerlukan pengetahuan praktikal dan teori yang

luas. Pemilihan bahan komposit GFRP sebagai bahan struktur utama adalah amat

bertepatan memandangkan keupayaan sifat mekanikal dan fizikalnya yang baik.

Bagaimanapun, fenomena kegagalan seperti tangki pecah tetap berlaku. Kajian projek

sarjana muda ini, menyiasat secara mendalam punca-punca kegagalan bagi tangki air

berbentuk silinder yang berkapasiti tinggi dan ianya di fokuskan kepada analisis tangki

air berkapasiti 13,200 gelen. Daripada penyiasatan yang dijalankan, kegagalan tangki

tersebut adalah berpunca dari empat faktor iaitu kaedah pembinaan, sifat mekanikal

bahan, kesan persekitaran dan rekabentuk yang tidak mengikut spesifikasi. Beberapa

cadangan keatas meningkatkan tahap keselamatan jangka panjang telah dibuat seperti

pernambahan lapisan laminat penampungan pada bahagian sambungan serta pada titik

tumpuan tegasan dan sebagainya..

ABSTRACT

The demand on using water storage tank made of Glassfibre Reinforced Plastics

(GFRP) has increase since 1990‟s and started to gain popularity among our

communities. This is due to several advantages on the material that use to produce the

structure of the tank. From the design aspect the cylindrical shape tank is the most

popular in usage but requires a wide understanding in term of practical and theory. The

selection of GFRP composite material as the main structure is quite critical compared to

metal due to complexity of mechanical and physical features. However, failure like

massive crack and rupture are difficult to predict. In this final year project, a thorough

investigation onto failure factors for cylindrical shape of high capacity water tank have

been identified such as in construction method, material properties, environment effect

and design aspects. Several recommendation have been proposed in order to improve the

long term safety level of the water storage tank such as focusing on design and

construction around flanges holes and panel joints.

KANDUNGAN

PERKARA

HALAMAN JUDUL i

HALAMAN PENGAKUAN ii

HALAMAN DEDIKASI iii

HALAMAN PENGHARGAAN iv

ABSTRAK v

ABSTRACT vi

KANDUNGAN vii

SENARAI JADUAL xi

SENARAI RAJAH xii

SENARAI SIMBOL xv

BAB MUKA SURAT

1.0 BAB I PENGENALAN 1

1.1 Pengenalan 1

1.2 Objektif 4

1.3 Skop 4

1.4 Metodologi Kajian 5

2.0 BAB III STRUKTUR POLIMER DAN RAGAM KEGAGALAN

BAHAN KOMPOSIT 6

2.1 Pengenalan 6

2.2 Bahan Komposit 7

2.3 Plastik Diperkuatkan Gentian Kaca 8

2.4 Matrik Dalam Plastik Diperkuatkan 9

2.4.1 Termoplastik 9

2.4.2 Plastik Termoset 9

2.4.2.1 Matrik Poliester 10

2.5 Gentian Untuk Plastik Diperkuat 10

2.5.1 Gentian Kaca 10

2.5.2 Bentuk Gentian Kaca 11

2.5.3 Susunan Gentian Dalam Bahan Komposit Diperkuat 14

2.6 Ragam Kegagalan Bahan Komposit GFRP 15

2.6.1 Mod Delamination 15

2.6.2 Mod Retak Lesu 19

2.7 Faktor Kegagalan Struktur Binaan Komposit GFRP 21

2.7.1 Lubang Pada Laminat 27

2.7.2 Kesan Ricihan Melintang 23

2.8 Kesan Persekitaran 23

2.8.1 Kesan Kelembapan 23

2.8.2 Kesan Penuaan 23

2.9 Faktor Kerosakan Pada Bahan Komposit 24

2.9.1 Gentian 24

2.9.2 Matrik 25

2.10 Kesimpulan 25

3.0 BAB III PIAWAIAN REKABENTUK TANGKI AIR

SILINDER GFRP 26

3.1 Pengenalan 26

3.2 Piawaian Rekabentuk Tangki Simpanan Air GFRP 26

3.2.1 British Standard 4994:1987 26

3.2.2 Australian Standard 2634 -1983 31

3.3.3 Japanese Industrial Standard A 4110 – 1989 32

3.3 Piawaian Pengujian 33

3.3.1 Malaysian Standard 1390:1995 33

3.3.2 American Society For Testing And Materials

STD.ASTM D790 and D3039 34

3.4 Kesimpulan 36

4.0 BAB IV KONSEP REKABENTUK DAN PEMBINAAN TANGKI

AIR GFRP 37

4.1 Pengenalan 37

4.2 Konsep Rekabentuk Tangki Penyimpanan Air 38

4.3 Bahan Utama Binaan Struktur Tangki 38

4.4 Kaedah Pembuatan Tangki Air 39

4.5 Rekabentuk dan Penghasilan Dinding Tangki 40

4.5.1 Rekabentuk Bahagian Sisi Dinding 41

4.6 Rekabentuk dan Penghasilan Bumbung Tangki 42

4.6.1 Rekabentuk Rasuk 42

4.6.2 Rekabentuk Bahagian Sisi Bumbung 43

4.6.3 Rekabentuk Bahagian Tepi Bumbung 43

4.7 Rekabentuk Bahagian Tapak Tangki 44

4.8 Binaan Lengkap Tangki 45

4.9 Kesimpulan 46

5.0 BAB V METODOLOGI PENYIASATAN PUNCA

KEGAGALAN TANGKI 47

5.1 Pengenalan 47

5.2 Pemerhatian Terhadap Kegagalan Tangki 48

5.3 Analisis Mekanik Patah 50

5.3.1 Konsep Asas 51

5.3.2 Analisis Saiz Retak Kritikal 53

5.4 Analisis Data 54

5.4.1 Sifat Mekanikal dan Fizikal Bahan 54

5.4.1.1 Jenis-jenis Pengujian 55

5.4.1.2 Lokasi Sampel 56

5.4.1.3 Penganotasian dan Penyediaan Spesimen 57

5.4.1.4 Ujian Burn Out 57

5.4.1.5 Ujian Tegangan 62

5.4.1.6 Ujian Lenturan 3-titik 64

5.4.1.7 Ujian Lap shear 68

5.4.1.8 Analisa Mikrostruktur 70

5.4.1.9 Kesimpulan Hasil Pengujian 73

5.4.2 Kecacatan atau Kerosakan Pada Binaan Tangki 74

5.4.3 Rekabentuk Yang Tidak Memenuhi Spesifikasi 75

5.4.4 Kaedah Pembinaan 76

5.4.4.1 Penyambungan Paip Saluran Keluar dan Masuk 77

5.4.4.2 Penyambungan Dinding Ke Dinding 78

5.4.4.3 Bebibir Pada Lubang Saluran Keluar dan Masuk 83

5.4.4.4 Kekemasan Permukaan 81

5.4.4.5 Penyambungan Diantara Dinding Dengan Tapak 82

5.5 Kesimpulan 83

6.0 BAB VI KESIMPULAN DAN CADANGAN 84

6.1 Kesimpulan 83

6.2 Cadangan Pembaikan 85

RUJUKAN 90

LAMPIRAN A Analisis Rekabentuk Kejuruteraan 92

LAMPIRAN B Define Properties of GFRP Based on Test Results 105

LAMPIRAN C Spesifikasi Tangki oleh Syarikat Kontraktor 109

LAMPIRAN D Jadual dari Piawaian BS 4994:1987 110

LAMPIRAN E Jadual dari Piawaian ASTM D790 111

LAMPIRAN F Typical fracture energy and Fracture toughness Value 112

LAMPIRAN G Rekabentuk Laminat Penampungan 113

LAMPIRAN H Lukisan Kejuruteraan (Isometrik & Pemasangan) 116

SENARAI JADUAL

NO. JADUAL TAJUK MUKA SURAT

1.1 Perbandingan di antara Tangki Air silinder Dengan Tangki

Air Panel 2

5.1 Geometri Spesimen untuk Ujian Burn Out 58

5.2 Parameter bagi Jisim Sampel Sebelum Ujian Burn Out 58

5.3 Parameter bagi Jisim Sampel Selepas Ujian Burn Out 60

5.4 Parameter Spesimen untuk Ujikaji Tegangan 62

5.5 Keputusan Dari Ujian Tegangan 63

5.6 Geometri Spesimen B1 Untuk Ujian Lenturan 65

5.7 Geometri Spesimen B1 Untuk Ujian Lenturan 65

5.8 Keputusan Dari Ujian Lenturan 67

5.9 Parameter Spesimen Untuk Ujian Lap Shear 69

5.10 Keputusan Dari Ujian Lap Shear 70

5.11 Perbandingan Keputusan Dari Pengujian dengan

Spesifikasi Paiawaian MS 74

5.12 Keputusan Dari Analisis Rekabentuk 75

5.13 Perbandingan Spesifikasi am Rekabentuk Tangki 76

SENARAI RAJAH

NO. RAJAH TAJUK MUKA SURAT

2.1 Bebenang Bertenun 12

2.2 Lembaran Tikar Terpotong 12

2.3 Bebenang 13

2.4 Pertumbuhan Delamination 16

2.5 Lokasi Kerosakan Yang Menembusi Ketebalan 17

2.6 Delamination Yang Menghasilkan Retak 17

2.7 Kawasan Terjadinya Delamination 18

2.8 Mod Penyebaran Retak 20

2.9 Kegagalan Lesu Pada Lubang 20

2.10 Spesimen Yang Patah Setelah Kegagalan Lesu 21

2.11 Tegasan Yang Bertindak Pada Lubang Saluran Keluar 22

2.12 Tegasan Tangen yang Bertindak Pada Lubang 22

3.1 Lenturan Tiga Titik 35

3.2 Lenturan Empat Titik 35

4.1 Konsep Asas Rekabentuk Tangki 38

4.2 Proses Pembinaan Tangki Silinder 40

4.3 Contoh Keratan Rentas Dinding Tangki 41

4.4 Keratan Rentas Bahagian Sisi Dinding Tangki 41

4.5 Rekabentuk Panel Bumbung 42

4.6 Rekabentuk Bahagian Sisi Bumbung 43

4.7 Rekabentuk Bahagian Tepi Bumbung 44

4.8 Rekabentuk Bahagian Tapak Tangki 44

4.9 Binaan Lengkap Tangki Air GFRP 45

5.1 Keadaan Tangki Yang Disusun Semula 48

5.2 Tumpuan Tegasan pada Kawasan Lubang Keluaran 48

5.3 Analogi Kegagalan Tangki 49

5.4 Keadaan Tapak dan Cebisan Dinding Yang Tinggal 49

5.5 Keadaan Pada Kawasan Lubang Saluran Keluar 50

5.6 Dinding yang Telah Runtuh 50

5.7 Kawasan Sambungan Antara Dinding Dengan Tapak 50

5.8 Rajah Skematik Dua Sumbangan Tenaga 52

5.9 Lokasi Retak Awal Yang Berlaku 54

5.10 Lokasi Sampel Untuk Diuji 56

5.11 Keratan Rentas Sampel Dinding 57

5.12 Pengukuran Jisim Sampel Ujian Burn Out 58

5.13 Keadaan Sampel Sebelum dan Selepas Ujian Burn Out 59

5.14 Keadaan Spesimen Setelah Melalui Ujian Burn Out 59

5.15 Lapisan Gentian yang Dipisahkan 59

5.16 Susunan Lapisan Gentian 60

5.17 Penyediaan Spesimen Bagi Ujian Tegangan 62

5.18 Ujian Tegangan Mengunakan Mesin DARTEC 63

5.19 Spesimen Yang Gagal Setelah Ujian Tegangan 64

5.20 Spesimen Yang Akan Menjalani Ujian Lenturan 65

5.21 Ujian Lenturan 3-titik 66

5.22 Data Keputusan dan Spesimen Yang Gagal 66

5.23 Ujian Lap Shear Menggunakan Mesin DARTEC 68

5.24 Geometri Spesimen Ujian Lap Shear 69

5.25 Spesimen Yang Gagal Secara Ricih 69

5.26 Mikrostruktur Spesimen Sebelum Ujian 71

5.27 Mikrostruktur Spesimen Selepas Ujian Lenturan 71

5.28 Mikrostruktur Spesimen Selepas Ujian Tegangan 72

5.29 Mikrostruktur Spesimen Selepas Ujian Tegangan 72

5.30 Mikrostruktur Spesimen Selepas Ujian Lap Shear 72

5.31 Mikrostruktur Spesimen Selepas Ujian Lap Shear 73

5.32 Mikrostruktur Spesimen Selepas Ujian Lap Shear 73

5.33 Kegagalan Secara Patah Rapuh Serta Interlaminar Shear 74

5.34 Siri Susunan Lapisan Gentian 76

5.35 Sambungan Pada Paip Saluran Keluar 77

5.36 Keadaan Sambungan Selepas Kegagalan 78

5.37 Ubah Bentuk Yang Berlaku Pada Dinding 78

5.38 Penyambungan Di antara Dinding 79

5.39 Penyambungan Dinding ke Dinding 79

5.40 Kedudukan Lubang Saluran Keluar 80

5.41 Bebibir Lubang Saluran Keluar Yang Kurang Kemas 81

5.42 Pembukaan Laminat di sekitar Lubang 81

5.43 Permukaan Dinding Yang Kurang Kemas 83

5.44 Keratan Rentas Penyambungan Dinidng Dengan Lantai 82

5.45 Keadaan Cebisan Dinding Tangki 83

6.1 Penyambungan Paip Saluran Air 86

6.2 Penyambungan Di antara Dinding Dengan Dinding 87

6.3 Kaedah Penyambungan Yang Betul 87

SENARAI SIMBOL

CSM - Chopped strand mat

WR - Woven Rowing

F - Daya

Q - Beban lingkaran

K - Faktor rekabentuk

UTUS - Regangan muktamad unit kekuatan

Us - Terikan terhad dibenarkan unit beban

Uz - Beban rekabentuk

XLAM - Modulus laminat

Xz - Modulus lapisan

- Terikan

W - Jisim

w - Lebar

t - Tebal

ult - Tegasan tegangan muktamad

m - Jisim kaca

S - Tegangan lenturan

EMOD - Modulus lenturan

D - Pesongan specimen

a - Jarak antara sawcut

BAB I

PENGENALAN

1.1 Pengenalan

Penggunaan tangki penyimpan air merupakan satu kemestian pada masa kini.

Fungsinya adalah sebagai tempat menyimpan air sementara sebelum disalurkan bagi

kegunaan harian dan membekalkan air yang bersih serta mencukupi.

Pada masa kini, penggunaan tangki penyimpan air yang diperbuat dari bahan

komposit gentian kaca/polyester (Glassfibre Reinforced Plastics–GFRP) semakin

meningkat penggunaannya terutama bagi tangki air yang menggunakan konsep

rekabentuk silinder. Ini adalah kerana, konsep ini merupakan antara yang terbaik

berbanding konsep lain dimana ianya dapat mengatasi masalah tekanan ke atas dinding

yang tidak seragam yang biasa dihadapi oleh konsep binaan tangki panel (empat segi

tepat). Perbandingan antara tangki air silinder dengan tangki air panel adalah seperti

pada Jadual 1.1.

Elemen teknikal Silinder Panel

Piawaian rekabentuk BS 4994:1987

AS:2634:1983

Spesifikasi BS 7491 Bahagian 2:1992 MS 1390:1995

MS 1241:1991 SS 245:1981

Bahan mentah i. Untuk wet lay-up (acuan terbuka)

i. Untuk wet lay-up (acuan tertutup) E-glass (CSM/WR)

E-glass(CSM/WR) + tisu resin poliester

resin poliester ii. Sheet Moulding

Compund (SMC)

- proses pengacuanan tekan

Teknik pengacuanan Bengkalai tangan i. Bengkalai tangan

ii. Pengacuanan suntikan (RTM/RIM)

iii.Acuan tekan

Kaedah pembinaan i. Lapisan rata + laminat penuh ii. Shell + laminat penuh

i. 100% panel GFRP + penyokong dan penyokong mekanikal

Kaedah penyambungan

Tiada sambungan mekanikal Sambungan mekanikal

Penyokong dalaman Tiada penyokong dalaman, Disokong oleh bar atau rod keluli.

Bergantung sepenuhnya pada Stainless steel, galvanised steel

struktur penguat dan geometri atau carbon steel

Penyokong tangki Mesti disokong sepenuhnya dengan struktur permukaan yang

Tangki disokong oleh penyambung.

berkualiti. Laminat bawahan mesti Konsep rekabentuk penyokong

dihindarkan dari terdedah kepada tapak adalah berpandukan keluli.

objek tajam. Perekabentuk mencampur aduk

konsep yang berdasarkan keluli

dimana FRP dan keluli merupakan bahan yang berbeza sifat mekanikal.

Lubang disekitar penyambung

berpontensi menghasilkan

kerosakan kepada struktur tangki

Paling utama, lubang bolt dianggap sebagai titik lemah kepada struktur dan memerlukan rawatan khas.

Tegasan yang tidak sekata

diantara penyambung panel pada

lubang bolt mengakibatkan kilasan pengetat yang tidak seimbang dan boleh menyebabkan kegagalan.

Kos pemasangan Pelaburan yang rendah kerana Pelaburan yang tinggi kerana

tiada penggunaan acuan memerlukan acuan yang pelbagai

Bebanan dan potensi Lilitan pengagihan seragam Beban akan tertumpu kepada

kegagalan Retak menyebabkan penyebaran penyambung dan bucu.

air dalam laminat dan melemahkan

Penggunanaan bahan penampal dan pencepat mekanikal secara

resin. tidak betul boleh menyebabkan

Kestabilan dan ketegaran tangki kebocoran pada penyambungan.

bergantung sepenuhnya pada

penguat.

Kesan cuaca Kelembapan akan diserap Kelembapan akan diserap

melalui retak. melalui retak.

Ultra-violet Ultra-violet

Kualiti laminat atau Bergantung kepada kepakaran Boleh dikawal apabila mesin

prestasi mekanikal manusia. digunakan di dalam

Kekuatan laminat dan modulus penghasilannya.

bergantung kepada nisbah Kekuatan panel adalah tinggi jika

pencampuran di antara resin dihasilkan melalui teknik

dengan gentian. pengacuanan tekanan.

Lohong atau gelembung udara Suhu dan tekanan boleh dikawal

sukar untuk melanda. semasa proses pengacuanan.

Laminat mudah terdedah kepada

kelembapan semasa proses

dijalankan terutamanya di lokasi.

Sukar untuk mengawal kualiti

laminat semasa di lokasi.

Faktor seperti suhu, ketebalan,

nisbah pencampuran, kemanusiaan, dan sebagainya sukar untuk dikawal.

Kapasiti dan ruang Ruang yang tidak terhad Ruang yang tidak terhad. Perlu ruang lebih berbanding

tangki panel walaupun pada kapasiti yang sama.

Isipadu lebih besar dari tangki silinder pada ruang yang sama jika ketinggian bukan sebagai faktor.

Jadual 1.1: Perbandingan di antara tangki air silinder dengan tangki air panel

Pemilihan bahan komposit gentian kaca/poliester dalam binaan struktur tangki

penyimpanan air berkapasiti tinggi telah terbukti kemampuan penggunaannya di

beberapa buah negara seperti Australia dan Jepun. Bagaimanapun masih berlaku

kegagalan seperti fenomena tangki pecah.

Dalam projek sarjana muda ini, kajian dilakukan untuk menyiasat punca-punca

kegagalan pada tangki penyimpan air yang diperbuat dari bahan komposit gentian

kaca/polyester berbentuk silinder yang berkapasiti 13,200 gelen. Bagi melaksanakan

kajian ini, sebuah tangki yang telah pecah diambil sebagai bahan kajian. Tangki

simpanan air ini dibina oleh syarikat tempatan pada tahun 2002 di lokasi IKBN, Jitra,

Kedah.

1.2 Objektif

Objektif projek ini adalah untuk mengkaji atau menyiasat punca-punca

kegagalan tangki penyimpan air yang diperbuat dari bahan komposit gentian

kaca/polyester (GFRP) berbentuk silinder yang berkapasiti 13,200 gelen.

1.2 Skop Kajian

Skop bagi projek ini adalah seperti berikut:

Membuat kajian literatur keatas bahan komposit plastik diperkuatkan gentian

kaca (GFRP) serta sifat bahannya.

Membuat kajian literatur terhadap mod kegagalan yang berlaku pada binaan

komposit plastik diperkuatkan gentian kaca (GFRP).

Membuat kajian literatur terhadap binaan tangki air komposit gentian

kaca/poliester.

Menbuat kajian ilmiah ke atas British standard 4994: 1978, Australian Standard

2634 – 1983 dan Japanese Industrial Standard A4110 – 1989, Malaysian

Standard 1390:1995, American Soceity For Testing And Materials Standard

D790 and D3039.

Melakukan analisis bagi merekabentuk tangki air komposit gentian

kaca/poliester berbentuk silinder dengan kapasiti 13,200 gelen berdasarkan

British Standard 4994: 1987.

Melakukan pengujian terhadap sampel dari bahan komposit plastik diperkuatkan

gentian kaca (GFRP).

Melakukan analisis bagi menentukan punca kegagalan yang berlaku pada tangki

air bahan komposit gentian kaca /poliester berbentuk silinder.

Menyediakan laporan.

1.3 Metodologi Kajian

Kajian literatur keatas bahan komposit dan mengenalpasti faktor-faktor yang

boleh membawa kepada kegagalan bahan atau struktur GFRP.

Kajian literatur dan analisis rekabentuk tangki GFRP berbentuk silinder.

Menjalankan penyiasatan di lokasi bagi mengenalpasti faktor awal kegagalan

tangki.

Membandingkan rekabentuk yang dibuat oleh syarikat kontraktor dengan

rekabentuk yang dihasilkan.

Penyiasatan terhadap faktor-faktor kegagalan.

Penyediaan laporan dan cadangan.

BAB II

STRUKTUR POLIMER DAN RAGAM KEGAGALAN BAHAN KOMPOSIT

2.1 Pengenalan

Penggunaan bahan komposit di dalam sesuatu produk atau struktur memerlukan

pemahaman yang mendalam terutamanya dari segi sifat, kekuatan dan tingkahlaku

bahan terhadap beban yang dikenakan.

Oleh itu bab ini memperincikan mengenai struktur polimer dan ragam kegagalan

komposit.

Mod kegagalan bagi binaan struktur komposit dibahagikan kepada dua kumpulan

utama iaitu retak lesu dan delamination. Mod kegagalan ini kemudiannya akan

menyumbang kepada kejadian pecah atau patah.

Pengetahuan mengenai mod-mod kegagalan ini penting semasa proses

merekabentuk struktur binaan komposit kerana melibatkan rekabentuk faktor

keselamatan bagi mengelakkan kegagalan. Kelakuan mod-mod kegagalan ini boleh

dilihat dengan melakukan pengujian seperti ujian tagangan dan ujian lenturan.

Bagaimanapun, kegagalan yang dihadapi oleh struktur binaan komposit boleh

juga di sebabkan oleh beberapa faktor seperti faktor rekabentuk contohnya lubang pada

laminat dimana tumpuan tegasan berlaku dan kesan tindihan mericih (lap shear effect).

Kegagalan juga boleh terjadi akibat dari tindakan atau kesan dari persekitaran, tetapi

kesannya adalah sesuatu proses jangka panjang.

2.2 Bahan Komposit

Bahan komposit merupakan gabungan dua atau lebih bahan yang tidak larut

antara satu sama lain. Gabungan asas bagi bahan komposit adalah di antara pengikat

(atau matrik) dengan penguat (atau gentian).

Bahan komposit mempunyai kelebihan-kelebihan tersendiri yang menjadikan

bahan komposit menjadi pilihan untuk menggantikan bahan-bahan logam. Diantara

kelebihan binaan yang menggunakan bahan komposit adalah:

i. Sifat kekuatan spesifik (/) dan sifat kekakuan spesifik (E/) adalah

lebih tinggi berbanding bahan keluli yang biasa digunakan.

ii. Lamina boleh disusun secara eka arah (unidirectional) supaya arah

sudutnya berpadanan dengan arah beban yang dikenakan.

iii. Kaedah pembuatan bersepadu dapat dilakukan dengan bentuk-bentuk

menghampiri rekabentuk akhir dan ini dapat mengurangkan jumlah

sambungan yang perlu dilakukan.

Walaubagaimanapun, masih terdapat beberapa kelemahan pada binaan komposit

iaitu:

i. Kos bahan mentah dan pembuatan yang tinggi.

ii. Matrik adalah lemah dan boleh dihakis oleh kesan persekitaran seperti

kelembapan dan pancaran uv (ultra-violet ray).

iii. Sukar untuk dikitar semula.

vi. Sukar untuk dianalisis khasnya bagi struktur yang ditindaki oleh pelbagai

bentuk beban.

Fungsi matrik adalah sebagai:

i. Mengekalkan bentuk struktur yang dikehendaki.

ii. Melindungi gentian.

iii. Mengikat dan memegang gentian.

iv. Mengagih tegasan dari gentian kepada gentian yang bersebelahan.

v. Membawa daya ricih interlaminar.

Fungsi gentian pula adalah sebagai penguat atau tulang kepada sesuatu binaan

komposit yang memberikan nisbah kekuatan dan kekakuan yang tinggi berbanding

jisimnya.

2.3 Plastik Diperkuatkan Gentian Kaca (Glassfibre Reinforced Plastics – GFRP)

Plastik diperkuatkan gentian kaca (GFRP) merupakan campuran dua bahan iaitu

gentian kaca dengan bahan plastik. Di antara contoh gentian kaca adalah seperti

„chopped strand mats (CSM)‟ dan „woven roving (WR)‟ dan contoh bahan plastik pula

adalah seperti polyester dan epoksi resin. Pencampuran ini menghasilkan bahan yang

mempunyai kekuatan yang tinggi. Gentian kaca akan berperanan sebagai tetulang

sementara bahan plastik menjadi agen pengikat gentian tersebut.

GFRP adalah merupakan bahan komposit yang paling popular dalam penghasilan

sesuatu rekabentuk komponen. Ini adalah di sebabkan beberapa kelebihan yang terdapat

pada GFRP itu sendiri:

i. Tetulang kaca memberikan kekuatan yang tinggi kepada bahan komposit.

ii. Bahan plastik memberikan ketahanan terhadap rintangan kimia.

iii. Memberikan kekuatan yang tinggi berbanding bahan aluminium atau

keluli.

iv. Lebih mudah dibentuk menggunakan acuan berbanding keluli.

2.4 Matrik Dalam Plastik Diperkuatkan

Matrik adalah bahan plastik yang berfungsi untuk mengikat gentian kaca.

Kebiasaannya, bahan matrik terdiri daripada bahan termoplastik dan plastik termoset.

2.4.1 Termoplastik

Termoplastik dikenali sebagai bahan yang mempunyai rintangan yang rendah

terhadap haba. Bahan plastik ini boleh dikitar semula untuk dijadikan bahan yang baru.

Contoh-contoh bahan termoplastik adalah seperti polypropilina, nylon, bahan berasaskan

sterina dan lain-lain lagi.

2.4.2 Plastik Termoset

Plastik termoset merupakan bahan plastik yang mempunyai rintangan yang tinggi

terhadap haba. Namun begitu, termoset tidak boleh diguna semula setelah dikenakan

haba. Pada permulaannya, hampir semua bahan pengacuan termoset merupakan bahan

rencam yang terdiri dari bahan pengisi seperti bahan kayu mika, selulos dan lain-lain

lagi yang digunakan untuk mempertingkatkan kekuatannya. Walaubagaimanapun, bahan

ini tidak di anggap sebagai plastik tetulang kerana tidak mempuntai serat.

Pada masa kini kebanyakan matrik termoset utama yang digunakan adalah terdiri

dari matrik polyester tidak tepu dan matrik epoksi. Kelebihan utama bagi plastik ini

ialah ianya tidak meyingkirkan air semasa pemaut silang dan dapat diacuankan pada

tekanan rendah menggunakan suhu bilik. Di antara sifat-sifat lain bagi plastik ini ialah

ianya tegar kerana adanya silang paut, tidak sensitif terhadap suhu (boleh menjadi

penebat haba dan elektrik), keras, kuat tetapi rapuh serta tahan hakisan.

2.4.2.1 Matrik Polyester

Bahan matrik yang paling meluas penggunaannya bagi GFRP adalah matrik

polyester. Kebiasaannya, matrik ini digunakan bagi pembinaan bot-bot kecil, tangki dan

bekas bahan kimia.

Polyester selalunya digunakan sebagai resin untuk menghasilkan bahan polimer

komposit. Jika disimpan di tempat yang gelap pada suhu kurang dari 20oC ia akan

mengambil masa berbulan dan mungkin bertahun lamanya untuk mengawet (mengeras).

Pemangkin (catalyst) perlu ditambah mengikut sukatan tertentu untuk membolehkan

polyester mengeras mengikut masa tertentu. Peraturan nisbah bahan pemangkin turut di

pengaruhi oleh kesan suhu sekitaran.

2.5 Gentian Untuk Plastik Diperkuatkan

Gentian yang biasa digunakan untuk FRP adalah kaca, karbon dan aramid.

Namun begitu, kaca adalah bahan yang paling banyak digunakan kerana harganya yang

paling rendah. Gentian aramid dan karbon mempunyai kekuatan yang tinggi dan

ketumpatan yang rendah dan penggunaannya hanya agak meluas dalam bidang

berteknologi tinggi seperti aeroangkasa.

2.5.1 Gentian Kaca

GFRP menggunakan gentian kaca sebagai tetulang bagi membentuk struktur

komposit. GFRP mempunyai sifat-sifat umum seperti berikut:

i. Kekuatan tinggi berbanding nisbah berat

ii. Ketahanan terhadap suhu tinggi

iii. Ketahanan terhadap kelembapan

iv. Ketahanan terhadap hakisan

v. Penebat elektrik yang baik

vi. Mudah direkabentuk

Terdapat dua jenis kaca yang selalu digunakan dalam penghasilan gentian kaca

iaitu kaca E (electrical) dan kaca S (high-strength). Secara asasnya, kaca E adalah kaca

„lime-aluminium-borosilicate‟ dengan kandungan sodium dan potassium yang rendah.

Kaca lain yang digunakan adalah jenis kaca C yang beralkali rendah. Kaca jenis

ini mempunyai ketahanan terhadap air dan bahan kimia. Biasanya digunakan sebagai

tetulang untuk lapisan gel. Kaca R pula mempunyai ketahanan terhadap alkali dan

digunakan dalam konkrit.

Kekuatan GFRP adalah bergantung kepada kecekapan melakukan laminat antara

gentian kaca dan resin serta nisbah campurannya. Isipadu gentian kaca yang tinggi akan

menambahkan kekuatan. Menyediakan imbangan yang betul antara gentian kaca dan

resin adalah sangat penting.

Kaca dalam bentuk serat atau gentian secara relatifnya adalah murah dan

merupakan bentuk asas tetulang yang digunakan dalam GFRP. Serat dihasilkan melalui

kaedah penarikan kaca secara berterusan daripada satu orifis dalam mangkuk pijar

platinium yang mengandungi kaca cair yang dipanaskan secara elektrik.

2.5.2 Bentuk Gentian Kaca

Gentian kaca dipasarkan dalam pelbagai bentuk bergantung kepada

penggunaannya. Diantara jenis gentian tersebut ialah:

i. Bebenang Bertenun (Woven Roving)

Berbentuk gentian panjang yang dianyam dan disusun pada dua arah

yang bersudut tepat. Bentuk bebenang bertenun ditunjukkan dalam Rajah 2.1.

Rajah 2.1: Bebenang bertenun (Woven Roving) [8]

ii. Lembaran Tikar Terpotong (Chopped Strand Mat)

Gentian yang dipotong-potong (biasanya 50mm) disusun secara rawak

dalam bentuk seperti tikar. Jumlah berat per meter persegi dikawal dalam julat

antara 0.3 kg hingga 0.75 kg bentuk lembaran tikar terpotong ini ditunjukkan

dalam Rajah 2.2.

Rajah 2.2: Lembaran tikar terpotong (Chopped Strand Mat) [8]

iii. Bebenang (Roving)

Gentian yang berbentuk berterusan. Gentian ini dikumpul bersama

beberapa gentian yang sama jenis tetapi tidak dipintal. Kebiasaannya, gentian ini

digunakan dalam keadaan dimana kekuatan pada satu arah diperlukan. Gentian

bebenang ini biasa digunakan dalam penghasilan produk melalui kaedah belitan

filament dan pultrusion. Rajah 2.3 menunjukkan bentuk gentian jenis ini.

Rajah 2.3: Bebenang (Roving) [8]

iv. Tisu Permukaan (Surface Tissue)

Gentian jenis ini digunakan sebagai tetulang pada permukaan yang kaya

dengan resin seperti lapisan gel yang tebal. Gentian tisu nipis ini dapat

mengering dengan cepat didalam resin. Gentian jenis ini berfungsi sebagai

perintang kepada tindakbalas kimia.

v. Kain Tenun (Woven Cloth)

Gentian ini disusun dalam arah jaringan yang pelbagai. Hanya digunakan

untuk produk yang memerlukan kekuatan terikan yang tinggi dan pada lapisan

yang nipis sahaja.

vi. Pita Bertenun (Woven Tape)

Mempunyai bentuk yang sama dengan kain tenun tetapi digulung dalam

bentuk pita dengan lebar antara 12 mm hingga 75 mm.

2.5.3 Susunan Gentian Dalam Bahan Komposit

Antara faktor yang memberikan kesan terhadap kekuatan mekanikal sesuatu

bahan komposit ialah susunan gentian dalam bahan komposit tersebut. Terdapat tiga

jenis susunan gentian yang boleh digunakan dalam sesuatu bahan komposit iaitu:

i. Susunan Satu Dimensi

Gentian disusun secara menegak pada satu arah. Susunan ini akan

memberikan kekuatan maksima pada arah susunan gentiannya.

ii. Susunan Dua Dimensi

Gentian disusun pada dua arah yang serenjang iaitu bersudut 90o antara

satu sama lain. Kekuatan ini memberikan kekuatan maksima pada dua arah

di mana gentian tersebut disusun.

iii. Susunan Tiga Dimensi

Susunan adalah pada tiga arah x, y dan z. susunan ini akan memberikan

kekuatan pada ketiga-tiga arah. Walaubagaimanapun, susunan yang lebih rawak

akan mengurangkan kekuatan mekanikalnya.

2.6 Ragam Kegagalan Bahan Komposit

2.6.1 Mod Delamination

Delamination merupakan mekanisma kegagalan yang lazim dalam struktur

komposit termaju. Ia merupakan isu asas didalam penilaian terhadap struktur komposit

laminat dari segi ketahanan dan had terima kerosakan. Delamination terbentuk semasa

proses pembuatan seperti proses curing yang tidak lengkap atau kehadiran bendasing

dalam laminat. Delamination juga akan terbentuk dari kerosakan akibat hentaman dan

dari tegasan interlamina. Tambahan lagi, delamination akan merebak akibat beban

berulang atau berkitar. Pertumbuhan delamination akan mengagihkan semula tegasan

dalam lapisan pada laminat dan akan mempengaruhi kekakuan baki, kekuatan baki atau

lesu. Jesteru itu, analisis lesu terhadap bahan komposit di mana kehadiran dan

pertumbuhan delamination terjadi perlu diambil kira.

Delamination akan terjadi samada sebelum atau selepas punca atau sebab yang

dinyatakan sebelum ini. Seterusnya, delamination boleh mengurangkan semua kapasiti

beban yang dibawa oleh permukaan bebas struktur laminat dengan ketara dengan

mengabaikan punca atau sebab tersebut. Contohnya, apabila dikenakan beban

mampatan, lapisan delamination yang berada pada permukaan laminat akan

membengkok dan akan menyebabkan wujudnya tegasan interlamina yang tinggi

berdekatan dengan sempadan delamination. Jika kekuatan bahan matrik rendah,

peningkatan delamination tidak dapat dielakkan lagi. Kemudian, sifat kekakuan juga

akan berkurangan dan bahan menjadi tidak seimbang dan ini akan menyumbang kepada

kegagalan global. Pengetahuan tentang parameter yang menjejaskan kesemua ciri

keselamatan pada laminat merupakan perkara paling utama dititik beratkan semasa

merekabentuk.

Dalam beberapa contoh, terutamanya pada kawasan disekeliling lubang atau

bahagian pinggir struktur laminat, delamination terjadi di sebabkan oleh tindakan

tegasan interlaminate, beban dan pertimbangan geometri laminat (orentasi lamina,

stacking sequences dan perbezaan sifat berdasarkan suhu dan kelembapan).

Konsep pembinaan laminat merupakan satu pendekatan yang di ambil untuk

meningkatkan rintangan terhadap delamination yang mana pembinaan komposit yang

spesifik didalam beberapa perkara secara oktima iaitu kebolehsuaian diantara rintangan

maksima dengan daya interlamina bahan yang dikomersialkan.

Ujian Double Cantilever Beam (DCB) merupakan kaedah yang sesuai untuk

menilai mod rintangan terhadap delamination pada beberapa konsep pembinaan. Semasa

pembangunan kaedah ujian ini, ia menjadi lebih berguna untuk menilai sifat kawasan

penyebaran retak semula jadi interlamina di mana ia mudah untuk dibaiki dan dicirikan

untuk mempengaruhi mod delamination.

Rajah 2.4 menunjukkan beberapa pertumbuhan delamination. Rajah 2.5 pula

menunjukkan lokasi kerosakan akibat delamination yang menembusi ketebalan laminat.

Rajah 2.6 dan Rajah 2.7 menunjukkan delamination yang menghasilkan retak.

Rajah 2.4: Pertumbuhan delamination [6]

Rajah 2.5: Lokasi kerosakan yang menembusi ketebalan [6]

Rajah 2.6: Delamination menghasilkan retak [6]

Rajah 2.7: Kawasan terjadinya delamination [6]

2.6.2 Mod Retak Lesu (Fatique Cracks Mode)

Lesu sesuatu elemen struktur mungkin merupakan parameter rekabentuk yang

mustahak. Ini adalah kerana kebanyakan kegagalan bagi struktur binaan komposit adalah

berpunca dari lesu. Namun jika dibandingkan dengan bahan lazim yang lain, ciri lesu

bagi bahan komposit adalah lebih baik walaupun redaman dalam bahan komposit adalah

tinggi. Di antara punca terjadinya lesu adalah akibat dari tindakan tegasan yang berulang

atau berkitar.

Lesu dan pecah pada bahan komposit telah menarik banyak perhatian dalam

penyelidikan pada dekad ini berikutan penambahan penggunaan bahan ini dalam

struktur aeroangkasa. Bahan komposit menghadapi mod kegagalan yang komplek di

bawah beban statik dan beban lesu. Kegagalan tersebut disusuli dengan salah satu atau

lebih dari fenomena berikut; perpecahan gentian, delamination pada hujung bebas atau

tumpuan tegasan, peretak-halusan matrik dan retak songsang pada lapisan dengan

orentasi gentian serenjang dengan arah bebanan. Fenomena ini perlu dipertimbangkan

dalam meramal kegagalan pada laminat bahan komposit.

Namun begitu masalah kegagalan lesu dapat diatasi kerana kebolehan atau

kelebihan semula jadi yang ada pada bahan komposit seperti penambahan hayat dan

penambahan kekuatan dan kekakuan. Di samping itu, faktor rekabentuk juga dapat

menyelesaikan masalah ini dengan mengelakkan titik tumpuan tegasan dan rekabentuk

yang berhati-hati.

Terdapat 3 jenis mod penyebaran retak iaitu seperti pada Rajah 2.8. Mod I

adalah mod pembukaan, mod II dan mod III adalah mod ricihan. Rajah 2.9 pula adalah

menunjukkan kerosakan pada laminat setelah ujian tampa musnah dilakukan keatasnya.

Ianya menunjukkan arah penyebaran kerosakan berdasarkan siri susunan (stacking

sequence) pada laminat komposit. Kerosakan ini akan tersebar lebih banyak pada arah

bebanan atau arah yang terpesong sedikit dari arah bebanan bergantung kepada siri

susunan. Rajah 2.10 pula menunjukan kegagalan yang berlaku akibat beban lesu.

Rajah 2.8: Mod penyebaran retak [13]

Rajah 2.9: Kegagalan lesu pada lubang di mana beban berulang atau berkitar dikenakan

[6]

Rajah 2.10: Spesimen yang patah akibat kegagalan lesu [6]

2.7 Faktor Kegagalan Struktur Binaan Komposit GFRP

2.7.1 Lubang Pada Laminat

Laminat, seperti juga struktur lain, mempunyai lubang untuk pelbagai kegunaan.

Di antara contoh penggunaannya adalah seperti lubang untuk memasukkan bolt dan

lubang pada saluran keluar bagi tangki simpanan air dan sebagainya. Tumpuan tegasan

pada sekitaran lubang adalah tinggi dan agak sukar untuk dianalisis.

Bagi lubang pada saluran keluar tangki simpanan air, terdapat dua jenis tegasan

yang bertindak iaitu Tegasan Lilitan (Hoop Stress, H ) dan Tegasan Tangen

(Tangential Stress, T ) . Rajah 2.11 menunjukkan tumpuan tegasan pada saluran

keluar bagi tangki air.

Rajah 2.11: Tegasan yang bertindak pada saluran keluar tangki air

Akibat dari tegasan lilitan dan tegasan membujur itu, maka terbentuklah titik

tumpuan tegasan seperti yang ditunjukkan pada Rajah 2.12, pada titik tersebut didapati

terdapat tegasan yang ditanggungnya iaitu tegasan mentangen, T . Tegasan mentangen

inilah yang menyebabkan permulaan retak berlaku.

Rajah 2.12: Tegasan tangen yang bertindak pada lubang penghantaran

Tumpuan tegasan yang tinggi di sekeliling lubang

Tegasan mentangen

Tegasan lilitan

Tegasan maksimum

Tegasan maksimum

Tangki

Tegasan lilitan

Rekahan menjalar

σL

σT

σH σH

σT

σH σH

σL

σL

σH = 2σL

D

2.7.2 Kesan Ricihan Melintang (Lap Shear Effect)

Kesan tegasan ricih melintang adalah penting bagi bagi struktur plat dan

kelompang komposit berlaminat. Oleh kerana bahan matrik merupakan agen pengikat di

antara lamina, kesan ricihan ke atas keseluruhan laminat terbentuk dengan

menjumlahkan semua sumbangan tiap-tiap zon antara lamina bahan matrik. Kesan

perjumlahan ini tidak boleh diabaikan kerana laminat boleh mempunyai 100 atau lebih

lapisan. Kelakuan bagi keadaan ini boleh dilihat dengan melakukan ujian lap shear [7].

2.8 Kesan Persekitaran

Seperti juga bahan lain, struktur binaan komposit tidak terkecuali dari

berhadapan dengan tindakan atau kesan persekitaran. Di antara isu-isu yang paling

sensitif kepada struktur binaan komposit adalah:

i. Kesan kelembapan

ii. Kesan penuaan

2.8.1 Kesan Kelembapan

Semua bahan matrik menyerap kelembapan. Kadarnya bergantung kepada

kelembapan, molekul, ketumpatan silang paut dan lain-lain. Kesan kelembapan keatas

struktur binaan komposit adalah meningkatkan kemuluran tetapi mengurangkan suhu

peralihan kaca, Tg iaitu 20oC per 1% kelembapan [7].

2.8.2 Kesan Penuaan

Proses penuaan pada suhu tinggi akan memandu silang paut untuk bertambah

pada suhu peralihan kaca dan memperbaiki kerapuhan. Ia akan menyebabkan berat

berkurangan hingga 8% pada suhu tinggi resin. Pengecutan ini akan menyebabkan retak

dan mengurangkan kekakuan dan kekuatan [7].

2.9 Faktor Kerosakan Pada Bahan Komposit

Kerosakan pada bahan komposit boleh dikategorikan kepada beberapa kumpulan

seperti berikut:

i. Gentian

ii. Matrik dan lekatan gentian-matrik

iii. Tindanan atau belitan

iv. Kerosakan perkhidmatan

2.9.1 Gentian

Gentian yang tidak sesuai mungkin digunakan pada laminat, gentian kaca

contohnya, terdapat perbezaan modulus bagi gentian kaca dari jenis E dan S, juga kedua-

dua jenis ini berbeza pula modulus dan tegasan jika dibandingkan dengan gentian jenis

karbon. Penggunaan gentian dari jenis karbon dengan betul adalah lebih penting

berbanding gentian kaca kerana tegasan, kekakuan dan suhu rawatan haba yang berkait.

Akibat dari perkembangan didalam bidang kawalan kualiti, agak jarang bagi gentian

yang dihasilkan untuk berubah bentuk dengan banyaknya tetapi masih ada kebaikannya

untuk sampel gentian atau prepreg pada dalaman yang baik. Kadang-kadang, gulungan

gentian bersimpul atau berombak, ini akan menyebabkan susutan kepada kekuatan

tegangan dan terutamanya kekuatan lenturan. Kadang-kala, gentian yang berlubang atau

terlebih panjang akan menyebabkan kegagalan pramatang (premature).

2.9.2 Matrik

Masalah matrik mungkin sebagai asas kepada penurunan atau pengurangan di

dalam menentukan sifat mekanikal bahan yang sesuai pada peringkat rekabentuk, jadi ia

tidak akan berguna dengan sepenuhnya dalam persekitaran yang diperlukan.

Masalah matrik bagi komposit polimetrik biasanya bercampur dengan bahan

yang telah mengalami proses penuaan. Proses penuaan berkait dengan masa, dan suhu di

mana bahan disimpan. Matrik yang bercampur ini akan menghasilkan keputusan yang

kurang memuaskan bagi kawalan sistem bergantung kepada peringkat pembuatannya.

Oleh itu, bekas yang mengandungi resin yang lama tidak boleh digunakan lagi. Sebarang

saluran paip yang menyalurkan resin lama hendaklah dibersihkan serta grease atau

bahan berminyak hendaklah dihindarkan.

Air juga boleh menyebabkan masalah yang teruk semasa proses curing yang

mana akan menyerap dan mengubah struktur kimia atau menghasilkan gelembung

steam.

Kekurangan tegasan lenturan menyebabkan kurangnya tegasan dalam tekanan

songsang, ricihan interlamina dan hentaman. Kemerosotan yang cepat dalam lesu dan

persekitaran yang agresif juga terhasil.

2.10 Kesimpulan

Pengetahuan yang mendalam mengenai penggunaan bahan komposit dari segi

sifat, kekuatan dan tingkahlaku terhadap beban yang dikenakan adalah penting bagi

meminimumkan kegagalan dan mengoktimakan penggunaan bahan. Di samping itu,

pengetahuan mengenai mod kegagalan juga penting bagi menjangkakan kegagalan yang

boleh berlaku dan merancang pencegahanya.

BAB III

PIAWAIAN REKABENTUK TANGKI AIR GFRP SILINDER

3.1 Pengenalan

Piawaian adalah merupakan perkara asas dalam hampir kesemua sistem yang

melibatkan pembinaan mahupun sekadar bukan teori yang melibatkan amalan. Justeru

dalam proses merekabentuk dan membina sebuah tangki air, menepati kehendak piawai

adalah satu kemestian. Namun begitu, bagi pembinaan tangki umpamanya, wujud pula

banyak piawai dengan kehendak-kehendak tersendiri. Tetapi, tujuan atau objektif akhir

yang hendak dicapai bagi setiap piawai bolehlah dikatakan hampir serupa iaitu

memastikan tangki yang dibina selamat dan sesuai untuk digunakan. Selain itu, piawai

juga menjadi garis panduan untuk eksperimen dan pengujian.

3.2 Piawaian Rekabentuk Tangki Penyimpanan Air GFRP

3.2.1 British Standard (BS 4994:1987) Design and construction of vessels and tanks in

reinforced plastics.

Skop piawai ini menyentuh mengenai keperluan untuk rekabentuk, bahan,

pembinaan, pemeriksaan, ujian dan pemasangan tangki daripada bahan plastik di

perkuatkan, mengandungi polyester, epoksi, furane resine diperkuatkan dengan gentian

kaca serta menggunakan kaedah bengkalai tangan. Piawai ini juga menyentuh

pembinaan tangki dengan dan tanpa lapisan termoplastik.

Terbahagi kepada beberapa seksyen, piawaian ini menerangkan secara lengkap

dan mendalam mengenai proses merekabentuk dan pembuatan tangki. Bahagian-

bahagian seksyen yang terdapat dalam piawaian ini ialah:

i. Umum

ii. Bahan dan bebanan rekabentuk

iii. Pengiraan kejuruteraan

iv. Pembinaan

v. Pemeriksaan dan ujian

vi. Pemasangan

Bagaimanapun, piawaian ini tidak akan dibincang dengan panjang lebar di sini

oleh kerana skopnya yang terlalu luas dan memerlukan perbincangan yang terlalu

panjang. Diantara persamaan penting bagi rekabentuk tangki dalam piawaian ini adalah:

i. Nilai Tegangan Muktamad Unit Kekuatan (Ultimate Tensile Unit

Strength, UTUS)

mb

FUTUS

.

max [N/mm per kg/m2 kaca] (3.1)

Fmax = beban maksimum

b = lebar spesimen [mm]

m = jisim bagi satu lapisan penguat [kg/m2]

Fmax diperolehi dari lengkung pada graf ujian yang diplot.

ii. Menentukan Modulus Laminat bagi GFRP

Persamaan (72) BS 4994:1987

b

Lx

ZZ

FFX LAM

12

12

[N/mm] (3.2)

Z2-Z1 = perubahan dalam anjakan berkadar terus dengan

daya (F2-F1) yang dikenakan [mm]

L = panjang tolok spesimen [mm]

b = lebar spesimen [mm]

iii. Menentukan Modulus Unit bagi GFRP

Persamaan (73) BS 4994:1987

m

XX LAM

Z [N/mm per kg/m2

kaca] (3.3)

Data-data ini perlu dikumpul untuk setiap jenis bahan GFRP yang

terlibat.

iv. Analisis Tekanan Hidrostatik

gHP [N/mm2] (3.4)

Dengan mengambil ketumpatan air, sebagai 1000 kg/mm3

v. Beban Lingkaran Pada Tangki, Q

Setelah nilai tekanan hidrostatik bagi setiap aras diperolehi, maka beban

lingkaran bagi setiap aras pada tangki boleh diperolehi dengan:

2

PDQ [N/mm] (3.5)

P = tekanan hidrostatik [N/mm2]

D = diameter tangki [mm]

vi. Penentuan Faktor Keselamatan Rekabentuk, K

Persamaan (1) BS 4994:1987

K = 3 (k1 x k2 x k3 x k4 x k5) (3.6)

vii. Penentuan Beban Terhad Dibenarkan

Persamaan (2) BS 4994:1987

K

uuL [N/mm per kg/m

2glass] (3.7)

u = UTUS (Ultimate Tensile Unit Strength)

viii. Had Terikan Yang Dibenarkan Unit Beban, us

Terikan dibenarkan,

Terikan maksimum yang di benarkan tidak melebihi 0.1 R atau 0.2%

yang mana antaranya lebih kecil.

Persamaan (3) BS 4994:1987

ZS Xu (3.8)

ix. Unit Beban Rekabentuk (Design Loading Design),uz

Persamaan (4) BS 4994:1987

z

LL

X

u (3.9)

Persamaan (5) BS 4994:1987

dZZ Xu (3.10)

x. Analisis Terhadap Lapisan Lamina

Persamaan (6) BS 4994:1987

Qnmunmunmu ZZZ ...222111 (3.11)

mz = jisim gentian jenis z per unit luas bagi satu lapisan [kg/m2]

nz = bilangan lapisan gentian jenis z yang dipertimbangkan

Q = beban unit kenaan maksimum, yang perlu ditanggung oleh

laminat [N/mm]

uz = unit beban rekabentuk [N/mm per kg/m2]

.

3.2.2 Australian Standard (AS 2634-1983) Chemical Plant Equipment made from

Glass-fibre Reinforced Plastics (GFRP) based on Thermosetting Resins.

Piawaian ini memperincikan keperluan-keperluan untuk beberapa komponen

peralatan pemprosesan kimia yang diperbuat dari GRFP. Ini merangkumi rekabentuk,

dimensi, keperluan penghasilan dan pemasangan untuk saliran dengan kelengkapan, paip

dan kelengkapan serta tangki silinder statik tampa tekanan.

Piawaian ini terbahagi kepada beberapa bahagian dan hanya satu bahagian sahaja

yang menyentuh secara khusus mengenai tangki. Pada bahagian mengenai tangki, antara

yang disentuh ialah bahan, dimensi, rekabentuk, tolenransi dan pembuatan. Piawai ini

bagaimanapun lebih memfokuskan kepada tangki yang dibuat melalui proses contact

moulding dan centrifugal casting.

Rekabentuk tangki yang dibincangkan ialah:

i. Tangki silinder menegak (Vertical Cylindrical Tank)

ii. Tangki silinder mendatar (Horizontal Cylindrical Tank)

iii. Tangki segiempat (Rectangular Tank)

Bagi tangki silinder menegak, piawai ini memperincikan mengenai:

i. Saiz tangki

ii. Toleransi bagi ketinggian keseluruhan

iii. Toleransi bagi diameter dalam

iv. Ketebalan minimum dinding

v. Ketebalan bagi dasar tangki rata

vi. Peruntukan bagi peralihan antara tapak ke dinding tangki

vii. Ketebalan bumbung tangki

viii. Ketebalan bagi dasar tangki berbentuk mangkuk

ix. Bumbung dan dasar tangki yang berasingan

x. Tangki bumbung terbuka

Perkara yang agak sama dibincangkan bagi tangki silinder mendatar dengan

beberapa tambahan iaitu:

i. Rekabentuk hujung

ii. Penyokong

iii. Wear plates

Bagi tangki segiempat pula, hanya tiga perkara yang dimuatkan dalam piawai ini

iaitu:

i. Saiz tangki

ii. Toleransi bagi pengukuran dalaman

iii. Ketebalan dinding

3.2.3 Japanese Industrial Standard (JIS A 4110 – 1989) Glassfibre Reinforced Plastics

Water Tanks.

Piawaian industri ini memfokuskan kepada jenis tangki air bersepadu diperbuat

dari GFRP dengan kapasiti 50 meter padu (11000 gelen) atau kurang bagi kegunaan

pembekalan air yang dipasang pada bahagian dalam atau atas bumbung berketinggian

maksima 60 meter.

Tangki-tangki terbahagi kepada tiga jenis iaitu bentuk silinder, bentuk kubik

(segiempat) dan juga bentuk sfera.

Dari segi kualiti tangki, piawai ini menyentuh dua bahagian utama iaitu dari segi

rupabentuk luaran dan prestasi tangki. Rupabentuk luaran tangki perlulah bebas dari

sebarang kecacatan, pinholes, kesan pembaikan dan bonjol yang berbahaya.

Prestasi tangki pula dinilai dengan membandingkan nilai yang diperolehi bagi

spesifikasi tertentu dengan nilai maksimum atau minimum yang diperlukan.

Seterusnya piawai ini menyentuh tentang penghasilan tangki, bahan yang

digunakan, kaedah ujian, pemeriksaan, penandaan serta perkara-perkara yang perlu

diambil berat ketika menggunakan tangki. Namun begitu, perkara-perkara ini akan

disentuh secara ringkas dalam bentuk prosedur yang perlu di ikuti oleh pembuat serta

penggunaan tangki.

Hasil dari perbandingan ketiga-tiga piawai yang telah dinyatakan, didapati

piawai British Standard (BS 4994:1987) Design and construction of vessels and tanks in

reinforced plastics adalah yang paling lengkap dan menepati kehendak yang hendak

dicapai di dalam projek ini. Dua lagi piawai lain adalah agak ringkas dan tidak

menerangkan dengan jelas proses merekabentuk tangki. Australian Standard (AS 2634-

1983) Chemical Plant Equipment Made From Glass-fibre Reinforced Plastics (GFRP)

Based on Thermoset Resins sebenarnya turut merujuk kepada BS 4994:1987. Manakala

bagi Japanese Industrial Standard (JIS 4110 – 1989) Glassfibre Reinforced Plastics

Water Tanks, skop yang dibincangkan terlalu terhad kerana hanya melibatkan tangki

dengan kapasiti maksimum 50m3 sahaja. Oleh itu, BS 4994:1987 akan digunakan

sebagai rujukan bagi projek ini.

3.3 Piawaian Pengujian

3.3.1 Malaysian Standard (MS 1390:1995). Specification For Glass-Reinforced

Polyester Panels And Panel Water Tanks

Piawaian ini memperincikan mengenai spesifikasi panel untuk plastik di

perkuatkan polyester dan tangki air dengan pelbagai piawaian untuk pengujian serta

prosedurnya. Ujian-ujian yang dilakukan adalah dikelasifikasikan bagi mendapatkan

sifat-sifat mekanikal bahan seperti berikut:

i. Tegasan tegangan

ii. Tegasan lenturan

iii. Modulus elastik lenturan

iv. Kandungan gentian kaca pada laminat yang diperkuatkan gentian kaca

v. Barcol hardness

vi. Serapan air

vii. Ujian hidrostatik

viii. Kesan oleh air

ix. Ujian kebocoran

x. Ujian pesongan

xi. Format jaminan piawaian

xii. Pengujian jenis

3.3.2 American Society For Testing And Materials (STD.ASTM D 790). Standard Test

Method For Flexural Properties Of Unreinforced And Reinforced Plastics And

Electrical Insulating Material And Standard Test Method For Tensile Properties

Of Polymer Matrix Composite Materials.

Piawaian ini memperincikan mengenai ujian tegangan dan lenturan bagi

menentukan sifat tegangan dan lenturan bagi bahan plastik diperkuat dan yang tidak di

perkuat yang juga meliputi modulus dan penebat elektrik dan bentuk acuan.

Bagi ujian tegangan, bentuk bahan komposit terhad kepada komposit yang

diperkuatkan gentian fiber-berterusan atau gentian fiber-tak berterusan dimana

laminatnya seimbang dan simetri dengan arah pengujian.

Bagi ujian lenturan pula, kaedah pengujian ini digunakan secara umum untuk

bahan tegar dan separa tegar. Walaubagaimanapun , tegasan lenturan tidak dapat

ditentukan bagi bahan yang tidak gagal pada gentian luaran. Di antara kaedah ujian yang

terdapat dalam piawaian ini adalah:

i. Lenturan Tiga Titik (Three-point Bending)

Rajah 3.1: Lenturan tiga titik [5]

ii. Lenturan Empat Titik (Four-point Bending)

Rajah 3.2: Lenturan empat titik [5]

Kedua-dua kaedah ujian ini perlu mengikut prosedur ini:

i. Direkabentuk terutamanya untuk bahan yang gagal pada pemesongan

yang kecil.

ii. Direkabentuk khusus untuk bahan yang mengalami pesongan yang besar

semasa ujian dilakukan.

Beban

Support

span

Bahan

ujian

Beban

Beban

Support

span

3.4. Kesimpulan

Hasil dari perbandingan diantara ketiga-tiga piawaian rekabentuk tangki yang

telah dinyatakan, didapati piawai British Standard (BS 4994:1987) Design and

Construction of Vessels and Tanks in Reinforced Plastics adalah yang paling lengkap

dan menepati kehendak yang hendak dicapai didalam projek ini. Dua lagi piawaian lain

adalah agak ringkas dan tidak menerangkan dengan lebih jelas proses merekabentuk

tangki. Australian Standard (AS 2634-1983) Chemical Plant Equipment made from

Glass-fiber Reinforced Plastics (GFRP) based on Thermosetting Resins sebenarnya turut

merujuk kepada BS 4994:1987. Manakala bagi Japanese Industrial Standard (JIS A

4110 – 1989) Glassfibre Reinforced Plastics Water Tanks, skop yang dibincangkan

terlalu terhad kerana hanya melibatkan tangki dengan kapasiti maksimum 50 meter padu

(11,000 gelen) sahaja. Oleh itu, BS 4994:1987 akan digunakan sebagai rujukan bagi

projek ini.

BAB IV

KONSEP REKABENTUK DAN PEMBINAAN TANGKI AIR GFRP

4.1 Pengenalan

Terdapat banyak kaedah yang boleh digunakan dalam penghasilan tangki

berbentuk silinder. Teknik yang paling biasa digunakan adalah secara fabrikasi. Kaedah

ini memerlukan bahagian dinding dan bumbung tangki dihasilkan terlebih dahulu untuk

memudahkan proses pengangkutan dan seterusnya pemasangan tangki dilakukan.

Penghasilan komponen-komponen ini perlu dilakukan dengan mengambil kira

faktor-faktor seperti kemudahan-kemudahan pemasangan, ketepatan bagi proses

penghasilan tangki serta tahap kemahiran yang diperlukan sesuai dengan kemahiran

yang di miliki oleh pekerja.

Oleh kerana objektif projek ini adalah untuk menyiasat punca-punca kegagalan

bagi tangki penyimpanan air berkapasiti tinggi yang berbentuk silinder, maka spesifikasi

rekabentuk ini telah diambil dari tangki yang telah pecah tersebut.

4.2 Konsep Rekabentuk Tangki Penyimpanan Air

Konsep rekabentuk tangki adalah berbentuk silinder. Konsep ini adalah

merupakan konsep yang terbaik di mana ianya dapat mengatasi masalah tekanan ke atas

dinding yang tidak seragam yang biasa dihadapi oleh konsep binaan tangki panel (empat

segi tepat). Konsep rekabentuk silinder ini adalah seperti Rajah 4.1.

Rajah 4.1: Menunjukkan konsep asas rekabentuk binaan tangki silinder GFRP

dantegasan dari tekanan hidrostatik yang bertindak pada dinding.

4.3 Bahan Utama Binaan Struktur Tangki

Pemilihan bahan komposit gentian kaca/poliester dalam binaan struktur tangki

penyimpanan air berkapasiti tinggi telah terbukti kemampuan penggunaannya.

Kemampuan bahan komposit berbanding bahan kejuruteraan logam adalah jauh

lebih baik jika faktor-faktor seperti ketahanan dari kesan tindakan kimia, pengangkutan,

pengendalian bahan dan jangka hayat produk diambil kira semasa proses pemilihan

bahan dijalankan.

σH σH

σL

σL

σH = 2σL

D

t

σH = PD/2t

P - Tekanan hidrostatik air

Berdasarkan spesifikasi teknikal bahan yang ditetapkan oleh syarikat kontraktor,

bahan utama yang digunakan bagi pembinaan tangki penyimpanan air tersebut adalah

dari bahan gentian jenis E yang bertindak sebagai agen tetulang dan bahan matrik

polyester sebagai bahan pengikat. Spesifikasi teknikal bahan komposit yang digunakan

bagi pengendalian pembinaan tangki penyimpanan air adalah ditunjukkan pada

Lampiran C.

4.4 Kaedah Pembinaan Tangki Air GFRP

Konsep kerja pembinaan tangki penyimpanan air GFRP berkapasiti tinggi yang

dipraktikkan oleh pihak kontraktor adalah berkonsepkan pra-fabrikasi (pre-fabricated).

Peratusan jumlah kerja keseluruhan di tapak adalah dianggarkan sebanyak 70% dan

selebihnya adalah ditumpukan di kilang. Aktiviti-aktiviti di kilang meliputi kerja

penyediaan dinding asas tangki dan bumbung. Komponen-komponen berikut dibawa ke

tapak projek untuk menjalani proses pembinaan seterusnya.

Kaedah bengkalai tangan (hand lay-up) merupakan teknik asas yang

dipraktikkan hampir sepenuhnya dalam pembuatan tangki air GFRP ini.

Proses pembinaan tangki bermula dengan penghasilan panel seperti pada Rajah

4.2. Proses ini dilakukan dikilang manakala proses yang seterusnya dilakukan dilokasi

iaitu proses pemasangan, melaminat dinding dalaman dan penebukan lubang untuk paip-

paip penghantaran, kekemasan dan sebagainya.

Rajah 4.2: Proses pembinaan tangki silinder berkapasiti 13,200 gelen.

4.5 Rekabentuk Dan Penghasilan Dinding Tangki

Teknik yang paling mudah dalam penghasilan tangki adalah dengan

menghasilkan komponen dinding dan bumbung menggunakan acuan sebelum

dicantumkan untuk memperolehi bentuk silinder. Kaedah bengkalai tangan digunakan

bagi teknik ini.

Tangki yang dihasilkan mempunyai beberapa bahagian dinding yang dinamakan

„panel‟. Apabila proses pencantuman dibuat, bahagian dalam tangki seterusnya

dilaminat mengikut ketebalan yang tertentu.

Setiap aras tangki akan mempunyai ketebalan dinding yang berbeza bergantung

kepada jumlah lapisan gentian yang digunakan dan jumlah lapisan gentian ini pula

bergantung kepada daya yang membebaninya. dan Rajah 4.3 menunjukkan keratan

rentas dinding bagi tangki di mana setiap aras mempunyai ketebalan yang berbeza

bergantung kepada beban yang ditanggungnya. Analisis bagi ketebalan tangki ini

dibincangkan didalam Lampiran A.

Rajah 4.3: Contoh keratan rentas dinding tangki GFRP berkapasiti 13,200 gelen

4.5.1 Rekabentuk Bahagian Sisi Dinding

Bahagian sisi dinding dihasilkan dengan satu bahagian berbentuk rata sementara

bahagian yang satu lagi mempunyai perumah untuk melakukan pencantuman dengan

dinding sebelahnya secara sambungan tindihan. Keratan rentas bahagian ini ditunjukkan

dalam Rajah 4.4.

Rajah 4.4: Keratan rentas bahagian sisi dinding perumah [8]

4.6 Rekabentuk Dan Penghasilan Bumbung Tangki

Bumbung direkabentuk dengan mengambil bentuk kon sebagai asas. Ini bagi

menghasilkan rekabentuk yang tegar selepas pemasangan. Bumbung dihasilkan dari

beberapa bahagian panel yang dicantumkan seperti mana dengan kaedah pemasangan

dinding. Rajah 4.5 menunjukkan bahagian bumbung yang telah dihasilkan.

Bagi setiap bahagian bumbung , sebanyak tiga lapisan CSM 450 digunakan. Tiga

bentuk tetulang diwujudkan pada bahagian ini untuk meningkatkan ketegaran terhadap

tekanan bersudut tepat dengan permukaan.

Rajah 4.5: Rekabentuk panel bumbung [8]

4.6.1 Rekabentuk Rasuk

Bagi mengurangkan lenturan dan memastikan bumbung sentiasa tegar, tiga

bahagian tetulang diwujudkan pada setiap bahagian bumbung. Rasuk yang berkeratan

rentas berbentuk „V‟ dipasang secara memanjang diatas bumbung dari satu hujung ke

satu hujung yang lain.

4.6.2 Rekabentuk Bahagian Sisi Bumbung

Oleh kerana setiap bahagian bumbung perlu dicantumkan antara satu sama lain,

satu permukaan rata perlu dibentuk pada sisi bahagian bumbung. Pencantuman dua

bahagian bumbung dilakukan pada bahagian rata tersebut. Keratan rentas bagi bahagian

sisi bumbung ditunjukkan dalam Rajah 4.6.

Rajah 4.6: Rekabentuk bahagian sisi bumbung [8]

4.6.3 Rekabentuk Bahagian Tepi Bumbung

Bahagian ini direkabentuk seperti mana bahagian bawah dinding untuk

membolehkan cantuman dengan dinding tangki dilakukan. Keratan rentas bahagian tepi

bumbung ditunjukkan dalam Rajah 4.7.

Rajah 4.7: Rekabentuk bahagian tepi bumbung [8]

4.7 Rekabentuk Bahagian Tapak Tangki

Bahagian tapak yang menjadi bahagian dasar tangki dihasilkan daripada dua

lapisan CSM 450 dan satu lapisan WR 600. bahagian ini biasanya dihasilkan terlebih

dahulu dikilang sebelum dibawa ke tapak pembinaan untuk proses pemasangan.

Bahagian sisi tapak direkabentuk serupa dengan rekabentuk bahagian atas dinding bagi

memudahkan pemasangan diantara bahagian dinding dan tapak. Keratan bahagian tapak

ditunjukkan dalam Rajah 4.8.

Rajah 4.8: Rekabentuk bahagian tapak tangki [8]

4.8 Binaan Lengkap Tangki

Komponen-komponen tangki terdiri daripada komponen iaitu:

i. Bumbung

ii. Dinding

iii. Tapak

iv. Saluran penghantaran keluar

v. Saluran penghantaran masuk

vi. Tangga aluminium

Rajah 4.9: Binaan lengkap tangki air silinder GFRP berkapasiti 13,200 gelen

i

iv vi

ii v

4.9 Kesimpulan

Daripada konsep rekabentuk yang dipraktikkan oleh syarikat kontraktor, di

dapati konsep ini hanya sesuai bagi tangki yang berkapasiti sederhana seperti 13,200

gelen kerana saiz panel nya yang tidak terlalu besar membolehkan proses pemindahan

dari kilang ke lokasi boleh dilakukan dengan lebih mudah. Bagi tangki yang berkapasiti

lebih besar, panel perlu dipecahkan kepada bahagian yang lebih kecil.

Di dapati juga, proses pembinaan lebih banyak dilakukan di kilang. Keadaan ini

adalah kurang berkesan kerana tidak dapat disesuaikan dengan keadaan dilokasi.

BAB V

METODOLOGI PENYIASATAN PUNCA KEGAGALAN TANGKI

5.1 Pengenalan

Bagi mengenalpasti punca kegagalan tangki simpanan air GFRP, jangkaan awal

kepada punca kegagalan tangki adalah seperti turutan dibawah:

a. Sifat mekanikal dan fizikal bahan (material properties) yang tidak

menepati piawaian.

b. Kecacatan dalam bahan binaan

c. Rekabentuk yang tidak memenuhi spesifikasi

d. Kaedah pembinaan:

i. Penyambungan paip saluran keluar dan masuk

ii. Penyambungan dinding ke dinding

iii. Bebibir lubang pada saluran keluar dan masuk

iv. Kekemasan permukaan

v. Penyambungan diantara dinding dengan tapak

Analisa yang akan dilakukan pada bab ini lebih tertumpu pada aras bawah tangki

di mana merupakan yang menanggung beban paling maksimum.

5.2 Pemerhatian Ke Atas Kegagalan Tangki

Rajah 5.1 berikut menunjukkan keadaan tangki yang telah pecah disusun

semula untuk kajian. Kawasan yang dilabelkan adalah lokasi di mana lubang saluran

keluar yang dijangkakan bermulanya kegagalan secara net section.

Rajah 5.1: Keadaan tangki yang disusun semula

Retak yang bermula dari titik tumpuan tegasan pada lubang seperti pada Rajah

5.2 akan merebak secara menegak sehingga menyebabkan tangki terbelah membentuk

kegagalan secara net section.

Rajah 5.2: Tumpuan tegasan pada kawasan lubang saluran air keluar

Tumpuan tegasan yang tinggi di sekeliling lubang

Tegasan mentangen

Tegasan lilitan

Tegasan maksimum

Tegasan maksimum

Tangki

Tegasan lilitan

Rekahan menjalar

σL

σT

σH σH

σT

σL

σH

σT

Lokasi

lubang

saluran

keluar

Dinding yang telah terbelah itu kemudiannya patah seperti ensel seperti yang

ditunjukkan pada Rajah 5.3. seterusnya limpahan air menolak dinding tangki jatuh dari

menara yang setinggi 12.19 meter.

Rajah 5.3: Analogi kegagalan tangki

Rajah 5.4 menunjukkan keadaan tapak yang tertinggal dan Rajah 5.5

menunjukkan kawasan paip saluran keluar tangki dimana masih terdapat cebisan dinding

disekitarnya. Rajah 5.6 menunjukkan dinding tangki yang telah runtuh manakala Rajah

5.7 pula menunjukkan keadaan pada sambungan antara dinding dengan tapak.

Rajah 5.4: Keadaan tapak dan cebisan dinding yang tertinggal

Vektor

Rajah 5.5: Keadaan pada lokasi lubang saluran air keluar

Rajah 5.6: Dinding yang telah runtuh dan pecah akibat dari kesan hentaman

Rajah 5.7: Kawasan sambungan antara dinding dengan tapak

5.3 Analisis Mekanik Patah (Fracture Mechanic Analysis)

Daripada pemerhatian terhadap kegagalan tangki yang dibuat, di dapati

kegagalan tangki adalah bermula dari retak kecil pada kawasan lubang saluran keluar air

seperti yang ditunjukkan pada Rajah 5.2. Oleh itu, analisis mekanik patah dijalankan

bagi melihat saiz retak yang maksimum (kritikal) yang boleh menyumbang kepada

kegagalan tangki.

5.3.1 Konsep Asas

Mekanik patah telah disumbangkan oleh Inglis (1913) yang membuktikan

tegasan yang berdekatan dengan retak di dalam bahan yang ditindaki beban adalah lebih

besar daripada pukal, . Beliau menerbitkan persamaan di bawah dengan c sebagai

saiz retak dan r sebagai jejari retak.

r

c21 (5.1)

Kemudian masalah mekanik patah telah disambung pula oleh Griffith (1920)

yang menyatakan bahawa retak tidak boleh merambat melainkan tenaga dari sistem

berkurangan. Beliau menunjukkan perubahan dalam tenaga yang tersimpan oleh plat

yang dibebankan adalah di sebabkan oleh retak dalaman 2c yang dinyatakan seperti

berikut:

E

cU

22 (5.2)

di mana adalah tegasan gunaan dan E adalah Modulus Young. Sumbangan lain

kepada keseluruhan perubahan tenaga memerlukannya membentuk kawasan permukaan

baru yang mana positif dan mempunyai nilai C4 , di mana adalah tenaga permukaan.

Perkaitan di antara sumbangan ini pada hujung retak adalah ditunjukkan pada Rajah 5.8

.Hanya retak yang lebih panjang dari panjang kritikal, *c akan merebak secara spontan.

Panjang kritikal ini diperolehi dengan membezakan di antara jumlah tenaga dengan

panjang retak dan menyamakan keputusan yang di perolehi dengan sifar seperti berikut:

2*

2 EC (5.3)

Rajah 5.8: Rajah skematik dua sumbangan tenaga yang dikaitkan dengan kehadiran

retak di dalam bahan rapuh sebagai fungsi kepada hujung retak.

Pendekatan ini telah dikembangkan oleh Irwin (1948). Bagi tegasan gunaan yang

di beri dan saiz pra-retak, pernyataan ini boleh diperolehi dari persamaan (5.3), bagi

kadar kelegaan tenaga, G dengan unit Jm-2

:

E

cG

2

(5.4)

Dengan menyusun semula persamaan (5.4), tegasan yang di perlukan untuk

menyebabkan patah spontan pada komponen boleh ditulis sebagai:

c

EGc

* (5.5)

Hubungan yang berguna yang diberikan di antara tenaga dan tegasan

berdasarkan konsep faktor keamatan tegasan, K. Parameter ini boleh dikembangkan lagi

menjadi:

cK (5.6)

Nilai kritikal boleh diidentitikan, bersesuaian dengan kes di mana nilai

pertumbuhan G menghampiri *G :

EGccKc * (5.7)

cK adalah faktor keamatan tegasan kritikal yang juga di kenali sebagai kekuatan

patah. Ubah bentuk bukaan retak, boleh dinyatakan sebagai:

E

k

y

2

(5.8)

5.3.2 Analisis Saiz Retak Kritikal

Dari persamaan (5.7);

cKc * (5.9)

Dimana,

Kc = Faktor keamatan tegasan kritikal [MPa m ]

* = Tegasan kritikal [MPa]

c = Saiz retak [mm]

Faktor keamatan tegasan kritikal, Kc diperolehi dari Jadual 1.5, Lampiran F

iaitu 42 MPa m manakala tegasan kritikal, * (= tegasan mentangen, T ) bersamaan

183.86 MPa. T adalah H2 di mana H diperolehi dari ujian tegangan iaitu 91.93

MPa. Rajah 5.2 menunjukkan tegasan kritikal atau tegasan mentangen yang bertindak

pada kawasan lubang saluran keluar air tersebut.

Dari persamaan (5.9);

12

*

xK

c c

(5.10)

1

1086.183

10422

6

6

xx

xc

= 16.70 mm

Daripada analisis yang dijalankan, saiz retak yang diperolehi adalah 16.70 mm,

walaubagaimanapun, kegagalan patah akan berlaku apabila saiz retak mencapai nilai

tersebut mencapai 2c atau c sahaja[12].

Rajah 5.9: Menunjukkan lokasi retak awal yang berlaku pada lubang saluran keluar air.

5.4 Analisis Data

5.4.1 Sifat Mekanikal dan Fizikal Bahan (Material Properties).

Bagi menyiasat permasalahan ini, pengujian keatas sampel perlu dilakukan.

Pengujian keatas sampel perlu dilakukan untuk mendapatkan maklumat berikut iaitu

sifat atau kelakuan mekanikal bahan sampel, jumlah lapisan gentian yang digunakan

pada bahan sampel serta nisbah campuran di antara bahan matrik dengan bahan gentian

yang digunakan pada sampel tersebut. Diantara sifat atau kelakuan mekanikal bahan

sampel tersebut adalah seperti kekuatan spesifik, , kekakuan spesifik, E , ubah

bentuk, mikrostruktur serta beban maksimum yang boleh ditanggung oleh sampel.

Lokasi punca retak

Rambatan retak

Sampel bagi dinding tangki penyimpanan air diperolehi dari serpihan tangki air

yang telah pecah dimana bahagian dinding pada aras yang paling bawah dipilih kerana

pada bahagian ini adalah yang paling kritikal di mana ianya menanggung beban tekanan

hidrostatik yang paling besar.

Spesimen yang diambil dipotong menegak kerana ianya lebih lurus dan mudah

untuk dilakukan pengujian.

5.4.1.1 Jenis-jenis Pengujian

Terdapat lima jenis pengujian yang dilakukan pada sampel iaitu:

a) Burn out

b) Tegangan (Tensile)

c) Lenturan tiga titik (Three-point Bending)

d) Lap shear

e) Analisa mikrostruktur

Ujian burn out dilakukan bagi mengetahui peratus kandungan gentian dan resin

di samping mengetahui siri susunan gentian yang digunakan.

Ujian tegangan pula dilakukan bagi mendapatkan tegasan tegangan maksimum

yang dimiliki oleh sampel.

Ujian lenturan pula dilakukan bagi mendapatkan tegasan lenturan maksimum

yang dimiliki oleh sampel.

Manakala ujian lap shear dilakukan bagi mendapatkan tegasan ricih maksimum

yang dimiliki oleh sampel.

Dan pengujian mikrostruktur dilakukan untuk melihat kelakuan struktur sampel

setelah melalui pengujian-pengujian diatas.

Nilai tegasan maksimum yang diperolehi dari setiap pengujian seterusnya

dibandingkan dengan spesifikasi yang ditetapkan oleh piawaian MS 1390:1995 seperti

yang ditunjukkan dalam Jadual 5.11.

5.4.1.2 Lokasi Sampel

Lokasi bagi sampel yang diambil untuk semua jenis pengujian adalah pada

bahagian kiri dan kanan dari paksi bebibir saluran keluar seperti yang ditunjukkan pada

Rajah 5.10 (pandangan dari luar tangki). Sampel hendaklah diambil berdekatan dengan

kawasan kegagalan bagi mendapatkan gambaran sebenar kekuatan laminat. Sampel ini

akan mewakili kesemua dinding tangki iaitu pada kawasan 0.5 meter dari paksi jejari

saluran keluar. Kawasan sampel ini juga merupakan kawasan yang mempunyai lapisan

yang paling maksimum yang terletak pada 0.5 meter dari lantai tangki di mana ia

menanggung tekanan hidrostatik yang paling tinggi.

Rajah 5.10: Lokasi sampel untuk diuji

x

y 0.5m

Lantai tangki

d= 0.175m

0.5m

0.5 m B C

Lokasi sampel

Penyebaran retak

5.4.1.3 Penganotasian dan Penyediaan Spesimen

Spesimen keseluruhan yang diambil dari tangki yang rosak dibahagikan kepada

empat bahagian iaitu A, B, C dan D. Bagaimanapun, ujikaji hanya ditumpukan pada

bahagian B dan C iaitu yang berdekatan dengan saluran keluar air.

5.4.1.4 Ujian Burn Out

Ujian burn out dilakukan untuk mengetahui jumlah dan jenis lapisan gentian

yang digunakan pada tangki penyimpanan air yang pecah serta peratusan nisbah

campuran antara bahan matrik dengan bahan gentian. Ujian yang dijalankan adalah

berpandukan kepada piawaian MS 1390:1995 (Appendix D).

i. Penyedian Spesimen

Spesimen diambil daripada kawasan yang dilabel dengan B seperti yang

ditunjukkan pada Rajah 5.11.

ii. Dimensi Spesimen

Rajah 5.11: Keratan rentas sampel dinding

Bahagian

luar

Bahagian

Dalam

0.2625m

Jadual 5.1: Geometri specimen

iii. Jisim sampel sebelum ujian burn out dilakukan (W1)

Rajah 5.12: Pengukuran jisim sample

No W1 (g)

1 371.44

2 371.45

3 371.43

Purata 371.44

Jadual 5.2: Parameter bagi jisim sampel sebelum ujian burn out

iv. Prosedur Pengujiaan

Berpandukan kepada MS 1390 Appendix D

Suhu yang diperlukan: 600oC

Masa operasi: 30 minit

Radas: Relau CARBOLITE dengan suhu maksimum 1200oC

No. Panjang, l (mm) Lebar, w (mm) Tebal, t (mm)

1 201 144 8.44

2 199 142 8.90

3 200 142 8.80

Purata 200 142.67 8.71

Rajah 5.13: Keadaan sampel sebelum dan selepas ujian

v. Keputusan

i. Siri susunan lapisan gentian

Rajah 5.14: Keadaan spesimen setelah melalui ujian burn out

Rajah 5.15: Lapisan gentian yang dipisahkan bagi mengetahui identiti siri laminat

(a) Sebelum ujian (b) Selepas ujian

Dari pemerhatian yang dibuat, siri gentian bagi laminat yang digunakan

adalah sebanyak 10 lapisan iaitu 4 lapis dari jenis WR dan 6 lapis dari jenis

CSM. Siri lapisan itu adalah seperti didalam Rajah 5.14 berikut:

Rajah 5.16: Susunan lapisan gentian

ii. Jisim sampel selepas proses ujian burn out (W2)

No W2 (g)

1 157.03

2 157.02

3 157.01

Purata 157.02

Jadual 5.3: Parameter jisim sampel selepas ujian burn out

W2 adalah jumlah berat keseluruhan gentian yang juga

mengandungi pengisi, habuk dan agen pewarna.

iii. Pengangaran jisim bagi sampel atau gentian menggunakan

formula (W3)

Diberi:

Jisim piawai bagi WR 600: 0.6 kg/m2

Jisim piawai bagi CSM 450: 0.45 kg/m2

Luas sampel,

A = w x l (5.11)

= 0.028535 m2

Oleh itu,

W3 = (n x WR + n x CSM) x A (5.12)

= 0.146 kg

dimana n adalah bilangan lapisan

*W3 adalah jumlah anggaran jisim bagi gentian yang tidak

mengandungi pengisi, habuk dan agen perwarna. Kemudian, perbezaan

jisim antara W2 dan W3 iaitu W* adalah:

W* = W2 – W3 (5.13)

= 11g

iv. Pecahan berat (weight fraction)

Peratus kandungan gentian = W3/W1 x 100% (5.14)

= 40%

Peratus kandungan resin = (W1 – W3)/W1 x 100% (5.15)

= 60%

Peratus kandungan WR = (n x WR x A)/W3 x 100% (5.16)

= 47%

Peratus kandungan CSM = (n x CSM x A)/W3 x 100% (5.17)

= 53%

Untuk jalan pengiraan yang lebih terperinci, sila rujuk Lampiran B.

5.4.1.5 Ujian Tegangan (Tensile Test)

Ujian tegangan dilakukan untuk mendapatkan tegasan tengangan maksimum

(maximum tensile strength - T ) serta modulus tegangan (tensile modulus - TE ).

Ujian tegangan dilakukan menggunakan mesin DARTEC Universal Testing Machine

dengan mengikut piawaian ASTM D3039.

i. Penyediaan sampel

Bagi spesimen untuk pengujian tegangan, 6 spesimen di uji, 3

daripadanya diambil dari bahagian B dan 3 lagi dari bahagian C. Jadual 5.4

menunjukkan parameter bagi spesimen yang akan menjalani ujian tegangan.

Sampel tavg (mm) wavg (mm) A (mm2) Fult (kN)

B1 8.987 25.03 224.92 21.2

B2 9.247 24.25 226.09 22

B3 8.33 25.23 210.17 87.69

C1 8.603 25.59 211.52 19

C2 8.813 23.63 208.25 20

C3 8.97 24.77 222.19 19.21

Jadual 5.4: Parameter spesimen

Penyedian sampel bagi pengujian jenis ini adalah berpandukan piawaian ASTM

D 3039 dimana spesimennya adalah seperti berikut:

Rajah 5.17: Spesimen bagi ujian tegangan

ii. Prosedur Pengujian

t=8.9mm 250mm

w=25mm

Pengujian dilakukan mengikut Kaedah Pengujian Piawaian ASTM D 3039

Loading rate: 0.1 kN/s

Mesin: Dartec M9500-Universal Testing Machine

Rajah 5.18: Ujian tegangan menggunakan DARTEC Universal Testing Machine

iii. Keputusan

Daripada ujian tegangan yang dijalankan menggunakan DARTEC

Universal Testing Machine, keputusan berikut diperolehi:

Sampel tavg (mm) wavg (mm) A (mm2) Fult (kN) σult (MPa) Mod Kegagalan

B1 8.99 25.03 224.92 21.2 94.26 Fiber fracture

&Delamination

B2 9.25 24.25 226.09 22 97.31 Fiber fracture

&Delamination

B3 8.33 27.44 210.17 18.43 87.69 Fiber fracture

&Delamination

C1 8.60 25.59 211.52 19 89.83 Fiber fracture

&Delamination

C2 8.81 23.63 208.25 20 96.04 Fiber fracture

&Delamination

C3 8.97 24.77 222.19 19.21 86.46 Fiber fracture

&Delamination

Purata tegasan tegangan, σult

91.93

Fiber fracture

&Delamination

Jadual 5.5: Keputusan dari ujikaji tegangan

Tegasan tegangan utama adalah diperolehi daripada persamaan berikut;

avgavg

ultultult

wt

F

A

F

(5.18)

Dimana;

ult = tegasan tegangan muktamad (ultimate tensile strength) [MPa]

ultF = beban tegangan muktamad (ultimate tensile load) [kN]

A = luas keratan rentas sampel [mm2]

ultt = tebal purata sampel [mm]

wavg= lebar purata sampel [mm]

Spesimen telah yang dilakukan pengujian adalah seperti Rajah 5.17 di

mana menunjukkan beberapa lokasi kegagalan di antara keempat-empat

spesimen.

Rajah 5.19: Spesimen yang gagal melalui ujian tegangan

5.4.1.6 Ujian Lenturan Tiga Titik (Three-point Bending Test)

Ujian lenturan dilakukan untuk mendapatkan tegasan lenturan maksimum

(maximum flexural yield strength - B ) serta modulus lenturan (flexural modulus - BE ),

anjakan dan mod kegagalan.

Ujian lenturan tiga titik dilakukan menggunakan mesin Instron 4602 Series

dengan mengikut piawaian ASTM D 790.

i. Penyediaan Spesimen

Spesimen diambil dari tangki air silinder dengan menganggap

lengkungan hanya sedikit sahaja. Rajah 5.20 menunjukkan spesimen yang akan

digunakan untuk pengujian lenturan tiga titik.

ii. Dimensi Spesimen

Rajah 5.20: Spesimen yang akan menjalani ujian lenturan

No Tebal, t (mm) Lebar, w (mm) Panjang, l (mm)

1 9.24 12.95 190.7

2 8.94 13.07 190.7

3 9.20 13.57 190.7

Purata 9.13 13.20 190.7

Jadual 5.6: Geometri bagi spesimen B1

No Tebal, t (mm) Lebar, w (mm) Panjang, l (mm)

1 9.32 14.03 191

2 8.99 13.39 191

3 8.56 13.09 191

Purata 8.96 13.50 191

Jadual 5.7: Geometri bagi spesimen B2

iii. Prosedur Pengujian

Berdasarkan ASTM D790: Kaedah Ujian 1 (3-Point Loading)

Support span, L: 150 mm

Crosshead speed: 4.1 mm/minit

Testing machine: Instron 4206 series

Rajah 5.21 (a) dan (b): Ujian lenturan tiga titik

Rajah 5.22 (a): Menunjukkan data keputusan dan Rajah 5.20 (b): menunjukkan

spesimen gagal

iii. Keputusan

I. Data yang diperolehi dari ujikaji

Sampel

Nilai anjakan

(mm)

Nilai

beban

(kN)

Nilai

tegasan

(MPa) Nilai terikan

Modulus

Young (MPa)

B1 12.98 0.5879 120.2 0.0316 5860

B2 12.29 0.6274 130.2 0.0294 6321

Purata 12.64 0.6077 125.2 0.0305 6091

(a) Beban lenturan dikenakan (b) Spesimen pada pesongan maksimum

(a) Data keputusan dipaparkan pada skrin (b) Spesimen yang telah gagal

Jadual 5.8: Keputusan yang diperolehi dari ujikaji lenturan tiga titik

II. Pengiraan

a) Tegasan lenturan dari ujikaji boleh diperolehi dari persamaan

berikut:

22

3

wt

PLS (5.19)

Dimana;

S = tegasan lenturan (bending strength) [MPa]

P = beban yang menyebabkan patah (load at fracture) [N]

L = support span [mm]

w = lebar spesimen [mm]

t = tebal spesimen [mm]

b) Modulus lenturan (Flexural Modulus) adalah diperolehi dari

persamaan berikut;

Dwt

PLMOD 3

3

4 (5.20)

Dimana;

EMOD = modulus lenturan (flexural modulus) [MPa]

P = beban yang diambil dari bahagian lurus lengkung [N]

L = support span [mm]

w = lebar spesimen [mm]

t = tebal spesimen [mm]

D = pesongan spesimen [mm]

Untuk jalan pengiraan yang lebih terperinci, sila rujuk Lampiran B.

5.4.1.7 Ujian Lap Shear

Ujian lap shear dilakukan adalah untuk mendapatkan tegasan ricih,

maksimum bahan laminat. Ujian dilakukan dengan menggunakan mesin DARTEC

Universal Testing Machine dengan mengikut piawaian BS 4994:1987.

Rajah 5.23: Ujian lap shear dilakukan menggunakan mesin DARTEC.

i. Penyediaan Sampel

Sebanyak 6 spesimen diambil dari sampel bagi pengujian jenis ini, 3

daripadanya diambil dari bahagian B dan 3 lagi dari bahagian C. Jadual

menunjukkan parameter spesimen yang menjalani ujian lap shear.

Sampel tavg (mm) wavg (mm) Fult (kN)

B1 8.987 25.03 21.2

B2 9.247 24.25 22

B3 8.33 25.23 87.69

C1 8.603 25.59 19

C2 8.813 23.63 20

C3 8.97 24.77 19.21

Jadual 5.9: Parameter spesimen

Rajah 5.24: Geometri spesimen (semua ukuran dalam mm).

ii. Prosedur Pengujian

Pengujian dilakukan mengikut piawaian BS 4994:1987

Kelajuan: 0.1 kN/s

Radas: Dartec M9500-Universal Testing Machine

Rajah 5.25: Spesimen gagal secara ricih.

iii. Keputusan

Daripada pengujian yang dilakukan, keputusan berikut diperolehi:

Sampel tavg (mm) wavg (mm) Fult (kN) S(MPa) Mod Kegagalan

B1 8.987 25.03 21.2 14.84 Interlaminar shear

B2 9.247 24.25 22 11.68 Interlaminar shear

B3 8.33 25.23 87.69 9.38 Interlaminar shear

C1 8.603 25.59 19 11.94 Interlaminar shear

C2 8.813 23.63 20 15.07 Interlaminar shear

C3 8.97 24.77 19.21 13.76 Interlaminar shear

Jadual 5.10: Keputusan dari ujikaji lap shear

Tegasan ricih, S diperolehi dari persamaan berikut:

ab

WS (5.21)

Dimana,

W = beban maksimum [N]

a = jarak diantara sawcut [mm]

b = lebar spesimen [mm]

5.4.1.8 Analisa Mikrostruktur

Analisa secara mikrostruktur bahan ujian dijalankan bagi melihat perubahan

struktur mikro bagi spesimen setelah pengujian dengan sebelum pengujian. Terdapat tiga

jenis pengujian yang diambil struktur mikro nya iaitu lenturan tiga titik, tegangan dan

lap shear. Pengujian mikrostruktur ini dijalankan dengan menggunakan Scanning

Electron Microscope (SEM).

Rajah 5.26 menunjukkan mikrostruktur bagi spesimen sebelum proses pengujian

dilakukan. Struktur mikro yang dilihat ini menunjukkan lapisan gentian dari jenis WR

600 yang berombak.

Rajah 5.26: Mikrostruktur spesimen sebelum pengujian

Setelah menjalani ujian lenturan tiga titik, dapat diperhatikan hanya sebelah

permukaan sahaja mengalami kegagalan iaitu pada permukaan paling bawah spesimen.

Lapisan gentian WR 600 gagal secara tegangan kesan dan beban lenturan. Keadaan ini

dapat dilihat pada Rajah 5.27.

Rajah 5.27: Mikrostruktur spesimen selepas menjalani ujian lenturan

Melalui ujian tegangan pula, kita dapat lihat spesimen telah gagal secara tensile

fracture dan interlaminar debonding. Keadaan ini boleh dilihat pada Rajah 5.28. Pada

Rajah 5.29 pula menunjukkan keadaan spesimen pada bahagian pertengahan di mana

berlaku tegangan pada lapisan gentian dari jenis WR 600.

Rajah 5.28: Mikrostruktur spesimen selepas ujian tegangan

Rajah 5.29: Mikrostruktur spesimen selepas ujian tegangan

Melalui ujian lap shear pula, di dapati spesimen juga gagal melalui kegagalan

tensile fracture serta interlaminar debonding sama seperti kegagalan melalui ujian

tegangan. Punca berlakunya kegagalan dari jenis ini adalah kerana nisbah kandungan

bahan matrik yang kurang. Keadaan ini boleh dilihat pada Rajah 5.30, Rajah 5.31 dan

Rajah 5.32.

Rajah 5.30: Mikrostruktur spesimen selepas ujian lap shear iaitu pada bahagian yang

terputus

Rajah 5.31: Mikrostruktur spesimen selepas ujian lap shear iaitu pada bahagian tengah

spesimen

Rajah 5.32: Mikrostruktur spesimen selepas ujian lap shear iaitu pada bahagian yang

terputus dari pandangan atas

5.4.1.9 Kesimpulan Hasil Pengujian

Hasil ujikaji mendapati jangkaan terhadap sifat mekanikal bahan bukanlah punca

sebenar kepada kegagalan tangki. Ini dapat dilihat dengan perbandingan yang dibuat di

antara keputusan dari pengujian dengan nilai spesifikasi MS 391390:1995 dan BS

4994:1987seperti pada Jadual 5.11. langkah pengiraan lengkap bagi semua hasil

pengujian boleh dirujuk pada Lampiran B.

UJIAN PERBANDINGAN ULASAN

1 Tegangan

(MPa)

MS (min 63) Melepasi tahap minimum

(91.93)

2 Lenturan

(MPa)

MS (kekuatan min 110,

modulus min 4830)

Melepasi tahap minimum

(Kekuatan = 125.23)

(Modulus = 6,091)

3 Ricihan

(MPa)

BS4994 (4-7)

MS (min 7)

Melepasi tahap minimum

(12.78)

4 Pembakaran

(burn-out)

MS1390 (peratus min

kandungan tetulang 25%)

Melepasi tahap minimum

(40%)

Jadual 5.11: Perbandingan keputusan dari pengujian dengan spesifikasi MS dan BS.

5.4.2 Kecacatan atau Kerosakan Pada Binaan Tangki GFRP

Daripada ujikaji tegangan yang telah dijalankan, di dapati sampel telah putus

(fracture) dalam mod kegagalan secara interlaminar shear dan patah rapuh. Ini

ditunjukkan pada Rajah 5.33. Oleh itu, interlaminar shear serta patah rapuh

menyumbang kepada kegagalan tangki tersebut namun ianya bukanlah punca utama

kepada kegagalan. Di samping itu, tangki yang telah berusia lebih kurang dua tahun itu

mungkin juga mengalami kesan persekitaran seperti kelembapan khasnya pada bahagian

yang terdapat kesan-kesan pemotongan yang tidak dirawat seperti lubang saluran masuk

dan keluar air.

Kesan interlaminar shear adalah berpunca dari kesan ikatan antara lapisan

gentian yang lemah, kesan ini mungkin berpunca dari kesan faktor kelembapan atau

kegagalan berpunca dari proses melaminat tangki.

Rajah 5.33: Kegagalan secara patah rapuh dan interlaminar shear ke atas spesimen

ujian tegangan gagal memenuhi spesifikasi

5.4.3 Rekabentuk Yang Tidak Memenuhi Spesifikasi

Hasil dari ujian burn out, di dapati sebanyak 10 lapisan gentian digunakan iaitu 6

lapisan dari jenis CSM 450 dan 4 lapisan dari jenis WR 600. Keadaan ini berbeza jika

dibandingkan dengan hasil dari analisis rekabentuk yang dibuat iaitu 7 lapisan dari jenis

CSM 450 dan 6 lapisan dari jenis WR 600 serta dari spesifikasi yang diberikan oleh

syarikat kontraktor iaitu 9 lapisan dari jenis CSM 450 dan 4 lapisan dari jenis WR 600.

Daripada analisis rekabentuk, keputusan dalam Jadual 5.12 diperolehi dan siri

susunan lapisan gentian bagi setiap aras adalah seperti pada Rajah 5.34. Jadual 5.13

pula menunjukkan perbandingan spesifikasi am rekabentuk tangki yang dihasilkan oleh

syarikat kontraktor dengan rekabentuk berdasarkan kepada piawaian BS 4994:1987.

Bagaimanapun keadaan ini tidak mempengaruhi kegagalan tangki tersebut

kerana faktor keselamatan rekabentuk yang masih tinggi di samping sifat mekanikal

bahan atau rekabentuk yang jauh lebih tinggi.

Aras Gentian Jumlah Tebal,t(mm)

Jumlah Beban

tebal Jumlah Lingkaran

(mm) Gentian (N/mm)

1

CSM 450 7 5.51

9.133 13 83.925 WR 600 6 3.6

2

CSM 450 5 3.94

6.34 9 61.875 WR 600 4 2.4

3

CSM 450 4 3.15

5.55 7 39.825 WR 600 3 1.8

4

CSM 450 3 2.36

3.56 5 17.55 WR 600 2 1.2

Jadual 5.12: Keputusan dari analisis rekabentuk berdasarkan BS 4994:1987

Rajah 5.34: Siri susunan lapisan gentian pada setiap aras

SPESIFIKASI SYARIKAT BS 4994:1987

Bilangan laminat

(M=CSM, R=WR)

10 lapisan pada dinding

terbawah

(M/R/R/M/M/R/M/M/R/M)

13 lapisan pada dinding

terbawah

(M/M/R/M/R/M/R/M/R/M/R/

M/M)

Rekabentuk

dinding

Tiada tetulang Bertetulang (stiffener)

Lubang paip Tiada rawatan Perlu dirawat dengan resin

polyester atau poly-putty

Penampungan

pada lubang

(compensation)

Tiada Perlu ada pada bahagian dalam

dan luar lubang

Penyambungan

dinding

Tiada laminat tambahan pada

bahagian luar dinding

Perlu ada (sekurang-kurangnya 3

lapisan CSM)

Jadual 5.13: Perbandingan spesifikasi am rekabentuk tangki

5.4.4 Kaedah Pembinaan

Dari sudut kaedah pembinaan, di dapati ianya merupakan penyumbang terbesar

kepada kegagalan tangki. Terdapat empat perkara penting yang diperhatikan dari sudut

ini, iaitu:

i. Penyambungan paip saluran keluar dan masuk

ii. Penyambungan dinding ke dinding

iii. Bebibir lubang pada saluran keluar dan masuk

iv. Kekemasan permukaan

v. Penyambungan diantara dinding dengan tapak

5.4.4.1 Penyambungan paip saluran keluar dan masuk

Dari segi penyambungan pada paip saluran keluar dan masuk, di dapati laminat

hanya dilakukan pada sebelah dalam dinding sahaja iaitu seperti yang ditunjukkan pada

Rajah 5.35. Sambungan seperti ini didapati mempunyai kelemahan kerana kawasan

tersebut merupakan titik tumpuan tegasan dan ubah bentuk (local deformation) yang

tinggi. Dengan itu, sambungan ini perlu dengan laminat penampung diperkuatkan

(compensation).

Rajah 5.36 pula menunjukkan kaedah pembinaan pada bahagian paip saluran

keluar air yang dipraktikkan oleh syarikat kontraktor.

Rajah 5.35: Sambungan pada paip saluran keluar air

Rajah 5.36: Kegagalan pada bahagian sambungan paip keluar air dengan dinding tangki

Rajah 5.37 menunjukkan ubah bentuk yang berlaku pada dinding iaitu aras yang

paling bawah. Ubah bentuk ini berubah-ubah mengikut aras air dalah tangki. Kesan ubah

bentuk yang berulang (cyclic deformation) keatas dinding laminat paip berupaya untuk

menghasilkan kegagalan pada keseluruhan struktur tangki secara interlaminar shear.

Kegagalan ini menyebabkan perambatan rekahan yang bermula secara perlahan dan

seterusnya akan bergerak secara drastik (without warning). Kesan ubah bentuk berupaya

menghasilkan anjakan relatif antara paip/flanges dengan laminat.

Rajah 5.37: Ubah bentuk yang berlaku pada dinding

5.4.4.2 Penyambungan Dinding ke Dinding

Daripada pemerhatian yang telah dibuat, pemerhatian terhadap komponen tangki

tidak dilaminat semula pada bahagian luar bagi tujuan integriti struktur keseluruhan

tangki tersebut. Laminat pada bahagian luar penyambungan memastikan tegasan yang

bertindak pada dinding dipindahkan secara ikatan, iaitu melalui sifat kekuatan ricih

antara laminat pada bahagian penyambungan. Rajah 5.38 menunjukkan kaedah

penyambungan antara komponen tangki pada bahagian luar dinding. Rajah 5.39 pula

menunjukkan lokasi penyambungan pada bahagian luar dinding.

Dari Rajah 5.40, di dapati kedudukan lubang saluran keluar hanya lebih kurang

0.6 meter dari garis penyambungan dinding ke dinding. Ini mengakibatkan kawasan

lubang saluran keluar air turut menanggung tegasan yang tinggi disebabkan kawasan

lubang saluran keluar adalah lebih lemah berbanding kawasan penyambungan, maka

tumpuan tegasan akan bertumpu kepada lubang tersebut.

Rajah 5.38: Penyambungan dinding ke dinding

Rajah 5.39: Penyambungan dinding ke dinding

Penyambungan

komponen

Komponen

luar tangki

Penyambungan

Laminat dalam

tangki

Tegasan dalam dinding

tangki

DALAM

LUAR

Rajah 5.40: Kedudukan lubang saluran keluar air pada dinding tangki

5.4.4.3 Bebibir Lubang Saluran Keluar dan Masuk

Daripada pemerhatian yang dilakukan di dapati, lubang saluran keluar tidak

ditebuk dengan baik. Permukaan dalam yang tidak rata menyumbang kepada titik

tumpuan tegasan. Ini ditunjukkan pada Rajah 5.41.

Kesan delamination turut di dapati terbentuk pada kawasan sekeliling keratan

rentas lubang saluran keluar. Keadaan ini akan mengakibatkan bahagian lubang terdedah

kepada air dan kelembapan. Air dan kelembapan yang menembusi dan merebak melalui

laluan tetulang gentian kaca mempercepatkan lagi proses pembukaan laminat tersebut,

seterusnya melemahkan kekuatan laminat disekitar lubang terutamanya pada bahagian

tangen. Rajah 5.42 menunjukkan permukaan yang tidak dirawat setelah pemotongan

lubang dibuat.

Rajah 5.41: Bebibir lubang saluran keluar yang tidak dirawat dengan kemas

Rajah 5.42: Pembukaan laminat disekitar lubang saluran keluar air pada bahagian

dalam tangki

5.4.4.4 Kekemasan Permukaan

Dari pemerhatian yang dilakukan, di dapati kemasan permukaan bagi dinding

tangki adalah kurang memuaskan. Kemasan permukaan penting untuk lapisan laminat

melekat dengan baik antara satu sama lain dan mengelakkan berlakunya kegagalan

delamination yang mendorong kepada kemasukan kelembapan. Keadaan seperti ini

boleh dilihat pada Rajah 5.43.

Rajah 5.43: Permukaan dinding sebelah dalam tangki yang kurang memuaskan

5.4.4.5 Penyambungan Diantara Dinding Dengan Tapak

Merujuk kepada rekabentuk oleh pihak kontraktor, di dapati rekabentuk kurang

berkesan untuk menanggung beban yang besar. Lapisan laminat sebagai penyambung

hanya dilakukan pada bahagian dalam tangki. Keadaan ini boleh dilihat pada Rajah

5.44. Rajah 5.45 pula menunjukkan keadaan sebenar cebisan dinding yang tinggal.

Rajah 5.44: Keratan rentas sambungan secara laminat diantara dinding dengan tapak

Rajah 5.45: Keadaan cebisan dinding ke lantai (tapak) selepas kegagalan struktur

tangki.

5.5 Kesimpulan

Daripada empat jangkaan awal yang dibuat, didapati kaedah pembinaan adalah

merupakan penyumbang terbesar kepada kegagalan. Kaedah pembuatan yang

dipraktikkan oleh syarikat kontraktor di dapati kurang berkesan bagi menampung beban

yang dikenakan. Faktor seperti keadaan bebibir lubang yang tidak dipotong dengan

kemas dan tidak dirawat semula selepas dipotong juga turut menyumbang kepada

kegagalan tersebut.

Kaedah pembinaan yang paling banyak menyumbang kepada kegagalan tangki

adalah penyambungan paip saluran keluar dan masuk serta penyambungan dinding ke

dinding manakala kaedah pembinaan seperti bebibir lubang pada saluran keluar dan

masuk, kekemasan permukaan dan penyambungan di antara dinding dengan tapak juga

turut membantu mempercepatkan lagi kegagalan.

BAB IV

KESIMPULAN DAN CADANGAN

6.1 Kesimpulan

Daripada kajian yang dijalankan, dapat disimpulkan bahawa punca kegagalan

bagi tangki simpanan air silinder berkapasiti 13,200 gelen tersebut secara umumnya

telah dapat dikenalpasti.

Hasil penyiasatan dan penelitian yang telah dibuat berdasarkan kepada

pemerhatian dan pengujian, didapati kemungkinan teknik pembuatan tangki yang tidak

mengikut rekabentuk merupakan punca kepada kegagalan tangki GFRP 13,200 gelen

tersebut. Proses pembuatan tangki seharusnya mematuhi segala prosedur yang terdapat

dalam rekabentuk samada pengiraan kejuruteraan atau lukisan kejuruteraan. Perincian

yang terdapat di dalam rekabentuk dan lukisan kejuruteraan tidak boleh diabaikan demi

mengelak sebarang masalah pada masa akan datang.

Sekiranya terdapat perubahan dan masalah semasa di tapak pembinaan (site),

penyelia teknikal di tempat kerja perlu merujuk kepada juru perunding yang terlibat

untuk mengelakkan sebarang kesulitan. Risiko tangki untuk gagal adalah tinggi

sekiranya tidak mengambil serius setiap keputusan ke atas sebarang perubahan yang

dibuat khasnya melibatkan struktur.

Secara umumnya, berdasarkan ujian tegangan, lenturan dan ricihan, kekuatan

bahan yang digunakan adalah melepasi tahap minimum piawaian MS dan BS yang

ditetapkan. Kandungan peratusan gentian atau matrik adalah menepati piawaian

berdasarkan ujian burn out. Jadi, factor teknik pembuatan sangat mempengaruhi

ketahanan dan kekukuhan sesebuah tangki.

Perkara penting yang perlu diperhatikan didalam pembinaan tangki simpanan air

dari jenis ini adalah tahap kemahiran pekerja disamping mematuhi atau mengikut

spesifikasi syarikat.

6.2 Cadangan Penyelesaian

Daripada punca-punca kegagalan yang dibincangkan sebelum ini, maka

cadangan-cadangan bagi penyelesaiannya adalah seperti berikut:

i. Penyambungan paip saluran keluar atau masuk air

Merujuk kepada Rajah 5.33, lapisan laminat hanya ditampalkan pada bahagian

dalam tangki. Mengikut piawaian rekabentuk BS 4994:1987, cadangan bagi

permasalahan ini adalah meletakkan laminat penampungan bagi menampung kehilangan

kekuatan akibat penebukan lubang dan laminat penyambungan di antara paip saluran

dengan dinding dilakukan pada kedua-dua bahagian iaitu bahagian luar dan dalam.

Bagi rekabentuk laminat penampungan di sekeliling lubang flange, piawaian BS

4994:1987 digunakan dan analisis rekabentuk ini yang terperinci ditunjukkan pada

Lampiran G.

Rajah 6.1: Penyambungan paip saluran keluar dan masuk

ii. Penyambungan dari dinding ke dinding

Merujuk kepada Rajah 5.35, lapisan laminat hanya dibuat pada sebelah dalam

tangki dan jenis tanggam yang dibuat kurang efektif. Oleh itu, bagi menangani masalah

ini, laminat perlu dibuat pada kedua-dua bahagian luar dan dalam tangki seperti yang

ditunjukkan dalam Rajah 6.2. Rekabentuk tanggam yang lebih efektif juga ditunjukkan

dalam rajah tersebut..

Rajah 6.2: Penyambungan diantara dinding dengan dinding

iii. Penyambungan diantara dinding dengan tapak

Merujuk kepada Rajah 5.40, lapisan laminat hanya ditampalkan pada bahagian

sambungan dalam tangki. Sambungan seperti ini adalah kurang memuaskan. Jadi

cadangan penyelesaian bagi permasalahan ini adalah ditunjukkan pada Rajah 6.3 di

mana lapisan laminat dari dinding dijadikan penyambung.

Rajah 6.3: Kaedah penyambungan yang betul diantara dinding dengan tapak

iv. Kedudukan lubang saluran keluar atau masuk air

Kedudukan lubang yang terlalu dekat dengan kawasan sambungan(merujuk

kepada Rajah 5.38), menyebabkan tumpuan tegasan dari bahagian sambungan

berpindah ke bahagian lubang. Oleh itu, untuk mengelak keadaan ini berlaku, jarakkan

kedudukan lubang dari tempat sambungan.

v. Rekabentuk

Rekabentuk tangki hendaklah mematuhi piawaian yang telah ditentukan seperti

di dalam BS 4994:1987 atau yang setaraf dengannya. Rekabentuk meliputi penyediaan

komponen di kilang, teknik melaminat, bilangan dan susunan lapisan dinding dan tapak

tangki, pengisian dan penyenggaraan.

vi. Lubang paip saluran

Pemotongan lubang saluran hendaklah dibuat dengan kemas dan licin untuk

mengelakkan permukaan menggerutu yang boleh menjadi titik tumpuan tegasan.

Kemudian, rawatan dengan resin atau poly-putty disapukan pada permukaan

pemotongan bagi mengelakkan terdedah kepada air dan kelembapan.

vii. Tetulang

Tetulang dipasang samada di dalam atau diluar dinding tangki bagi

meningkatkan ketegaran dan kekuatan lenturan tangki.

viii. Lantai dan tapak tangki

Permukaan lantai dan tapak tangki hendaklah dalam keadaan rata dan licin

sebelum pemasangan dimulakan bagi mengelakkan berlakunya masalah tangki yang

condong dan tidak cukup bulat. Apabila keadaan ini berlaku, akan menyebabkan

penumpuan beban atau tegasan yang tidak imbang dan seterusnya menghasilkan

ketidakseragaman tegasan dalam struktur dinding tangki.

ix. Bahan mentah

Bahan mentah yang digunakan (gentian kaca dan resin polyester) mestilah telah

diuji kekuatannya sebelum digunakan. Penggunaan bahan yang konsisten adalah perlu

bagi mengelakkan berlakunya masalah percanggahan dalam rekod bahan dan produk.

x. Kawalan kualiti bahan mentah

Kawalan kualiti terhadap bahan mentah hendaklah dilaksanakan pada setiap

masa bagi memastikan kualiti bahan dan produk terjamin. Keadaan yang boleh

menjejaskan kualiti bahan seperti terdedah kepada kelembapan wajib diatasi.

xi. Prosedur kerja di tapak binaan

Kerja-kerja di tapak binaan perlu dilakukan mengikut prosedur yang ditetapkan.

Pemantauan oleh tenaga profesional atau wakil kakitangan dari unit kualiti syarikat perlu

bagi memastikan kerja yang dilaksanakan mengikut prosedur yang telah ditetapkan.

RUJUKAN

1. British Standard 4994: 1987. “Design And Construction Of Vessels And Tanks In

Reinforced Plastics”. British Standard Institution.

2. Australian Standard 2634-1983. “Chemical Plant Equipment Made From Glass-

Fibre Reinforced Plastics (GRP) Based On Thermosetting Resine”. Standard

Association Of Australia.

3. Japanese Industrial Standard A4110-1989. “Glassfibre Reinforced Plastic Water

Tanks”.

4. Malaysian Standard 1390: 1995. “Specification For Glass-Reinforced Polyester

Panel And Panel Water Tanks”. Standard And Industrial Research Institute Of

Malaysia.

5. American Soceity For Testing And Material Standard D790. “Standard Test

Method For Flexural Properties Of Unreinforced And Reinforced Plastics And

Electrical Insulating Material”.

6. E.A.Armanios (1989). “Interlaminar Fracture Of Composites”. Trans Tech

Publications, USA.

7. Daud Abd. Rahman (Robert M. Jones) (1993). “Mekanik Bahan Rencam”.

Universiti Teknologi Malaysia.

8. Alfizan Omar (2003). “Tangki Air Komposit”. Universiti Teknologi Malaysia.

Projek Sarjana Muda.

9. Amran Alias (2002). “Nota Kuliah Mekanik Komposit”. Universiti Teknologi

Malaysia.

10. K.L.Reifsnider (1982). “Damange In Composite Material”.Virginia Polytechnic

Institute and State University, USA.

11. Ishak Ibrahim (1999). “Kajian Keatas Rekabentuk Dan Pemasangan Tangki

GFRP Berkapasiti Tinggi”. Universiti Teknologi Malaysia. Projek Sarjana Muda

12. D.Hull and T.W.Clyne (1996). “An Introduction To Composite Material”.

Cambridge Solid State Science Series. UK.

13. Stephen R.Swanson (1997). “Introduction To Design And Analysis With

Advanced Composite Material”. University of Utah. Utah. Prentice-Hall

International.

LAMPIRAN A

ANALISIS REKABENTUK KEJURUTERAAN BAGI TANGKI PENYIMPANAN

AIR SILINDER GFRP BERKAPASITI 13,200 GELEN

1.0 Pengumpulan Data Melalui Ujian Tegangan

1.0.1 Ultimate Tensile Unit Strength, (UTUS)

mb

FUTUS

.

max [N/mm per kg/m2 kaca]

Dimana,

Fmax = beban maksimum [N]

b = lebar specimen [mm]

m = jisim kaca [kg/m2]

i. UTUS untuk CSM 450;

Fmax diperolehi dari graf ujian tegangan yang diplot = 9.047 x 103 N

mcsm = 1.35 kg/m2 (i.e. lapisan CSM 450 dalam laminat).

Tebal spesimen, b = 24.93 mm

Maka,

35.193.24

10047.9 3xUTUSCSM = 268.81 N/mm per kg/m

2 kaca

ii. UTUS untuk WR 600;

Fmax diperolehi dari graf ujian tegangan yang diplot = 13.51 x 103 N

mcsm = 2.4 kg/m2 (i.e. lapisan WR 600 dalam laminat).

Tebal spesimen, b = 24.93 mm

Maka,

423026

105113 3

..

. xUTUSWR = 214.04 N/mm per kg/m

2 kaca

1.1.2 Modulus Lamina, XLAM

Persamaan (72) BS 4994:1987

b

Lx

ZZ

FFX LAM

12

12

[N/mm]

Dimana,

Z2-Z1 = perubahan dalam anjakan berkadar terus dengan

daya (F2-F1) yang dikenakan [mm]

L = Panjang tolok specimen [mm]

b = Punca lebar specimen [mm]

i. XLAM bagi CSM 450;

9324

50

220610

10031008 33

...

..x

xxX LAM

= 25713.022 N/mm

ii. XLAM bagi WR 600;

3026

50

280680

10051012 33

...

.x

xxX LAM

= 33269.96 N/mm

1.1.3 Modulus Unit, Xz

Persamaan (73) BS 4994:1987

m

XX LAM

Z [N/mm per kg/m2kaca]

i. Xz bagi CSM 450;

351

02225713

.

.ZX = 19046.68 N/mm per kg/m

2 kaca

ii. Xz bagi WR 600;

42

96033269

.

.ZX = 13862.48 N/mm per kg/m

2 kaca

2.0 Spesifikasi Rekabentuk Tangki GFRP

Isipadu tangki, V = 60.008 m3 (13,200 gelen)

Garispusat tangki, D = 4500 mm

Tinggi tangki, H = 3800 mm

Bahan matrik; Polyester Based Resin (menggunakan resin gred normal untuk

laminat penuh dan resin gred tinggi untuk laminat dalam).

Kaedah Pembuatan; Kaedah bengkalai tangan

Lapisan luar tangki; Gelcoat denganpenstabil UV + 1 lapisan tisu kaca-E.

2.1 Analisis Rekabentuk Tangki GFRP

2.1.1 Tekanan Hidrostatik, P

Rajah 1.1: Tekanan hidrostatik

Merujuk kepada Rajah 1.1, nilai tekanan hidrostatik, P dimana;

gHP [N/mm2]

Dengan mengambi ketumpatan air, sebagai 1000 kg/m3, maka;

1000000

8381910001

.. xxP = 0.0373 N/mm

2

1000000

8281910002

.. xxP = 0.0275 N/mm

2

1000000

8181910003

.. xxP = 0.0177 N/mm

2

1000000

8081910004

.. xxP = 0.0078 N/mm

2

2.1.2 Beban Lingkaran Pada Tangki, Q

2

PDQ [N/mm]

Dimana,

P = Tekanan hidrostatik [N/mm2]

D = Diameter tangki [mm]

Setelah nilai tekanan hidrostatik bagi setiap aras diperolehi, maka beban

lingkaran bagi setiap aras pada tangki boleh diperolehi dengan;

2

450003730

2

11

xDPQ

. = 83.925 N/mm

2

450002750

2

22

xDPQ

. = 61.875 N/mm

2

450001770

2

33

xDPQ

. = 39.825 N/mm

2

450000780

2

44

xDPQ

. = 17.550 N/mm

2.1.3 Faktor Keselamatan Rekabentukl K

Persamaan (1) BS 4994:1987

K = 3 (k1 x k2 x k3 x k4 x k5)

Faktor 3 mewakili pemalar yang membenarkan berlakunya penyusutan kekuatan

bahan disebabkan oleh bebanan jangka masa panjang. Nilai akhir bagi faktor

keselamatan, K tidak boleh kurang dari 8. Faktor k1 hingga k5 pula mewakili faktor yang

ditentukan oleh kaedah pembuatan dan keadaan operasi.

i. Menentukan faktor k1- faktor berdasarkan kaedah pembuatan

Berdasarkan jadual 6 BS 4994:1987

Kaedah Pembuatan Faktor k1

Penggunaan tangan

Machine-controlled filament winding

Machine-controlled spray application

Hand-held spray application

1.5

1.5

1.5

3.0

Jadual 1.1: Jadual 6 BS 4994:1987

ii. Menentukan faktor k2 – faktor berdasarkan persekitaran kimia

Faktor k2 dikaitkan dengan kehilangan kekuatan untuk satu laminat GRP

tanpa tegangan tampa terdedah kepada keadaan proses rekabentuk jangka

hayat sesebuah tangki. Bagi kes dimana data-data boleh diperolehi, kaedah A

digunakan. Sekiranya data yang diperlukan tidak diberi, rujukan perlu

dilakukan kepada jadual rintangan kimia resin yang digunakan iaitu

berdasarkan kaedah B.

Kaedah A

Sekiranya kehilangan kekuatan adalah 20% daripada nilai sebenar

kekuatan regangan utama maka nilai yang digunakan adalah k2 = 1.2

Sekiranya kehilangan kekuatan > 20% maka interpolasi perlu dilakukan

antara:

k2 = 1.2 untuk 20% kehilangan kekuatan dan

k2 = 2.0 untuk 50% kehilangan kekuatan

Sekiranya kehilangan kekuatan melebihi 50% maka bahan yang

digunakan adalah tidak sesuai.

Kaedah B

Keterangan lengkap untuk kaedah khusus bagi GRP dinyatakan didalam

ASTM C 581. manakala bagi bahan plastik secara umum pula boleh didapati

dari BS 4618.

iii. Menentukan faktor k3 – faktor berdasarkan suhu

Nilai k3 adalah dalam julat 1 ke 1.25 bergantung kepada suhu haba

herotan yang boleh ditentukan daripada Rajah 1 BS 4994:1987.

Rajah 1.2: Rajah 1 BS 4994:1987

iv. Menentukan Faktor k4 – Faktor berdasarkan bebanan berkitar

Dalam julat 1.1 ke 2.0, nilai k4 boleh dirujuk berdasarkan Rajah 2 BS

4994:1987.

Rajah 1.3: Rajah 2 BS 4994:1987

v. Menentukan faktor k5 – faktor berdasarkan kepada prosedur pengawetan/

pengerasan.

Sekiranya tangki mengalami proses rawatan lengkap termasuk rawatan akhir

sepenuhnya , pada suhu yang bersesuaian dengan resin, faktor k5 diambil sebagai 1.1.

tangki yang tidak diberi rawatan akhir sepenuhnya, dan direkabentuk bagi suhu sehingga

45oC, k5 diambil sebagai 1.3 dan seterusnya bagi tangki yang digunakan pada suhu

melebihi 45oC, k5 diambil sebagai 1.5.

K = 3(k1+k2+k3+k4+k5)

K = 3(1.5 x 1.2 x 1.12 x 2.0 x 1.1)

K = 13.306

2.1.4 Penentuan Beban Terhad Dibenarkan, UL

Persamaan (2) BS 4994:1987

K

uuL [N/mm per kg/m

2 kaca]

Dimana,

u = UTUS (Ultimate Tensile Unit Strength)

uCSM = 200N/mm per kg/m2 kaca (BS 49941987)

uWR = 214.04 N/mm per kg/m2 kaca

Maka,

K

UU CSM

CSML =306.13

200 = 15.03 N/mm per kg/m

2 kaca

K

UU CSM

WRL =30613

04214

.

. = 16.086 N/mm per kg/m

2 kaca

2.1.5 Terikan Dibenarkan,

Dengan mengambil perubahan resin untuk gagal 1.8%, maka, = 0.1 x 1.8%

(i.e. kurang daripada 0.2% daripada terikan maksimum yang dibenarkan, (i.e. state in BS

46994).

2.1.6 Had Terikan Yang Dibenarkan Unit Beban, us

Terikan dibenarkan,

Terikan maksimum yang dibenarkan tidak melebihi 0.1 R atau 0.2% yang mana

antaranya lebih kecil.

Persamaan (3) BS 4994:1987

ZS Xu

Untuk CSM 450, Us CSM = 19046.68 x 0.18 x 10-2

= 34.284 N/mm per kg/m2 kaca

Untuk WR 600, Us WR = 13862.48 x 0.18 x 10-2

= 24.952 N/mm per kg/m2 kaca

2.1.7 Bebanan Unit Rekabentuk, UZ

Daripada 2.14 dan 2.16 menunjukkan UL < US bagi setiap jenis bahan yang

diperkuat.

i. Sekiranya Us lebih kecil daripada UL untuk setiap lapisan, nilai us yang

berpadanan akan diambil sebagai nilai unit beban rekabentuk, uz bagi

setiap lapisan.

ii. Sekiranya bagi mana-mana atau kesemua lapisan, nilai UL adalah kecil

berbanding nilai Us, terikan bagi lapisan yang berkenaan perlu ditentukan

daripada persamaan berikut:

Persamaan (4) BS 4994:1987

z

LL

X

u

Mengambil kira kesemua lapisan yang membentuk laminat, nilai terikan yang

dibenarkan untuk laminat tersebut, d adalah nilai terkecil L yang diperolehi.

Seterusnya, nilai uz ditentukan oleh persamaan berikut:

Persamaan (5) BS 4994:1987

dZZ Xu

Maka, terikan pada setiap lapisan bila dibebani UL perlu ditentukan. Bagi tujuan

menghindarkan beban berlebihan pada CSM 450 pada terikan pembinaan rekabentuk

laminat jadi bebanan unit rekabentuk, d mestilah di hadkan pada 0.0753% bersesuaian

dengan aras terikan. Pernyataan ini boleh dibuktikan dengan persamaan berikut;

Untuk CSM 450,

CSMZ

CSML

CSMLX

U 100 =

68.19046

10003.15 = 0.078%

Untuk WR 600,

WRZ

WRL

WRLX

U 100 =

4813862

10008616

.

. 0.116%

Maka,

dZZ Xu

Untuk CSM 450, Uz CSM = UL(CSM) = 15.03 N/mm per kg/m2 kaca

Untuk WR 600, Uz WR = 13862.48 x 0.116 x 10-2

= 16.04 N/mm per kg/m2 kaca

2.1.8 Analisis Terhadap Lapisan Lamina

Persamaan (6) BS 4994:1987

Qnmunmunmu ZZZ ...222111

mz = jisim gentian jenis z per unit luas bagi satu lapisan [kg/m2]

nz = bilangan lapisan gentian jenis z yang dipertimbangkan

Q = beban unit kenaan maksimum, yang perlu ditanggung oleh

laminat [N/mm]

uz = unit beban rekabentuk [N/mm per kg/m2]

Bilangan lapisan WR 600 yang diperlukan (n-1), dan bilangan lapisan CSM 450

adalah (n).

Dimana,

Qnmunmunmu ZZZ ...222111

nCSMZWRZ QxCSMxnUnxWRxU 1

Maka,

Aras 1;

925.8345.003.1516.004.16 CSMWR xnxnxx

1n 5.716

Aras 2;

875.6145.003.1516.004.16 CSMWR xnxnxx

1n 3.954

Aras 3;

825.3945.003.1516.004.16 CSMWR xnxnxx

1n 2.723

Aras 4;

55.1745.003.1516.004.16 CSMWR xnxnxx

1n 1.472

2.1.9 Pengiraan Bagi Ketebalan Tangki

Dengan mengambil peratus kandungan kaca 35-40% bagi CSM 450 dan 55-60%

bagi WR 600, serta dengan ketumpatan resin 1.1. Dari Rajah(5) BS 4994:1987 ketebalan

setiap lapisan boleh dinyatakan sebagai:

tCSM 450 = 0.7875 mm

tWR 600 = 0.6 mm

Jumlah Jumlah Beban

Aras Gentian Jumlah Tebal Tebal Gentian Lingkaran

t, (mm) (mm) (N/mm)

1 CSM 7 5.51 9.133 13 83.925

WR 6 3.6

2 CSM 5 3.94 6.34 9 61.875

WR 4 2.4

3 CSM 4 3.15 5.55 7 39.825

WR 3 1.8

4 CSM 3 2.36 3.56 5 17.55

WR 2 1.2

Jaduan 1.2: Rekabentuk tangki air silinder GFRP

Daripada pengiraan yang terperinci iaitu pada Lampiran A, keputusan yang

ditunjukkan didalam Jadual 1.2 diperolehi. Rajah 1.2 pula menunjukkan keratan rentas

dinding tangki setiap aras.

Rajah 1.4: Siri susunan lapisan gentian pada dinding tangki

LAMPIRAN B

ANALISIS BAGI MENENTUKAN SIFAT MEKANIKAL BAHAN BAGI

TANGKI PENYIMPANAN AIR SILINDER BERKAPASITI 13,200 GELEN

1.0 Pengiraan Bagi Mendapatkan Jisim Serta Pecahan Berat Bagi Ujian Burn

Out

i. Pengangaran jisim bagi sampel atau gentian menggunakan formula (W3)

Diberi:

Jisim piawai bagi WR: 0.6 kg/m2

Jisim piawai bagi CSM: 0.45 kg/m2

Luas spesimen;

A = w x l

= 142.67 x 200

= 28534 mm2

= 0.028535 m2

Oleh itu,

W3 = (n x WR + n x CSM) x A; dimana n adalah bilangan lapisan

= ( 4 (0.6) + 6 (0.45)) x 0.028534

= ( 2.4 + 2.7) x 0.028534

= 5.1 kg/m2 x 0.028534 m

2

= 0.146 kg

*W3 adalah jumlah anggaran jisim bagi gentian yang tidak mengandungi

pengisi, habuk dan agen perwarna.

ii. Kemudian, perbezaan jisim antara W2 dan W3 iaitu W* adalah:

W* = W2 – W3

= 157 -146

= 11g

iii. Pecahan berat (weight fraction)

Peratus kandungan gentian = W3/W1 x 100%

= 0.146/0.371 x 100%

= 40%

Peratus kandungan resin = (W1 – W3)/W1 x 100%

= (0.371 – 0.146)/0.371 x 100%

= 0.225/0.371 x 100%

= 60%

Peratus kandungan WR = (n x WR x A)/W3 x 100%

= (4 x 0.6 x 0.028534)/0.146 x 100%

= (0.0685)/0.146 x 100%

= 47%

Peratus kandungan CSM = (n x CSM x A)/W3 x 100%

= (6 x 0.45 x 0.028534)/0.146 x 100%

= (0.077)/0.146 x 100%

= 53%

2.0 Pengiraan Bagi Mendapatkan Tegasan Tegangan Utama, ult , Bagi

Ujian Tegangan

Tegasan tegangan utama untuk spesimen B1;

avgavg

ultultult

wt

F

A

F

33

3

100325108979

10221

xxx

xult

..

.

6102694 x. MPa

Tegasan tegangan utama untuk spesimen B2;

33

3

102524102479

10021

xxx

xult

..

.

61031997 x. MPa

Tegasan tegangan utama untuk spesimen C1;

33

3

105925106038

10019

xxx

xult

..

.

6108389 x. MPa

Tegasan tegangan utama untuk spesimen C2;

33

3

106323108138

10020

xxx

xult

..

.

6100496 x. MPa

Dan, tegasan tegangan utama purata adalah;

2

60496683896319762694 EEEEavg

....

3694.avg MPa

3.0 Pengiraan Untuk Mendapatkan Tegasan Lenturan Dan Modulus Lenturan

bagi Ujian Lenturan Tiga Titik

i. Tegasan lenturan dari ujikaji boleh diperolehi dari persamaan berikut:

22

3

wt

PLS

Oleh itu;

Tegasan lenturan untuk spesimen B1 adalah;

S 2)13.9(2.132

1509.5873

xx

xx

= 120.22 MPa

Tegasan lenturan untuk spesimen B2 adalah;

S 2)96.8(5.132

1504.6273

xx

xx

= 130.24 MPa

ii. Modulus Lenturan (Flexural Modulus) adalag diperolehi dari

persamaan berikut;

Dwt

PLMOD 3

3

4

Oleh itu;

Modulus lenturan spesimen B1 adalah;

EMOD 98.1213.92.134

1509.5873

3

xxx

x

= 5940 MPa

Modulus lenturan bagi spesimen B2 adalah;

EMOD 29.1296.85.134

1504.6273

3

xxx

x

= 6356 MPa

LAMPIRAN C

Sifat Mekanikal Nilai Kekutan

1. Kekuatan unit tagangan muktamat (Ultimate tensile unit

strength)

(a) Laminat CSM 450/poliester

(b) Laminat WR 600/polyester

200 per kg/m2

gentian kaca (min)

220 per kg/m2

gentian kaca (min)

2. Unit modulus

(a) Laminat CSM 450/poliester

(b) Laminat WR 600/polyester

15000 N/mm per kg/m

2

gentian kaca (min)

15000 N/mm per kg/m2

gentian kaca (min)

3. Kekuatan tegangan 70 N/mm2 (min)

4. Kekuatan lenturan 100 N/mm2 (min)

5. Modulus elastik lenturan, Emod 6000 N/mm2 (min)

6. Kekuatan ricih tindihan

(a) Laminat CSM 450/poliester

(b) Laminat WR 600/poliester

7.0 N/mm2 (min)

6.0 N/mm2

(min)

Jadual 1.2: Spesifikasi teknikal bahan komposit gentian kaca poliester yang dikeluarkan

oleh syarikat kontraktor.

LAMPIRAN D

Glass content % 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Thickness (Resin d = 1.1) 3.12 2.51 2.08 1.75 1.5 1.3 1.13 1 0.88 0.78 0.69 0.62

mm per kg/m2 of glass

Thickness (Resin d = 1.1) 2.7 2.19 1.82 1.54 1.33 1.16 1.02 0.9 0.8 0.72 0.65 0.58

mm per kg/m2 of glass

Jadual 1.3: Rajah (5) BS 4994:1987

Value are calculated from the equation:

dm

m

Glassmass

mmThickness

g

g

100

562

1

.

)(

where,

gm is the percentage glass content by mass

d is the relative density of resin

LAMPIRAN E

Jadual 1.4: Recommended Dimensions For Test Specimens for Various Support Span

to Dept Ratios Test Method (3-points bending)

Nominal Specimen Support Span to Dept Ratio

Specimen Width, L/d = 16 to 1 L/d = 32 to 1 L/d = 40 to 1

Dept, mm Specimen Support Rate of Specimen Support Rate of Specimen Support Rate of

mm Length, Span, Cross-head Length, Span,

Cross-head Length, Span,

Cross-head

mm mm Motion, mm mm Motion, mm mm Motion,

0.8 25 50 16 0.5 50 25 1.3 60 30 2

1.6 25 50 25 0.8 80 50 2.8 90 60 4.3

2.4 25 60 40 1 100 80 4.1 120 95 6.4

3.2 25 80 50 1.3 130 100 5.3 180 130 8.4

4.8 13 100 80 2 191 150 8.1 240 191 12.7

6.4 13 130 100 2.8 250 200 10.9 330 250 17

9.6 13 191 150 4.1 380 300 16.3 480 380 25.4

12.7 13 250 200 5.3 495 410 21.6 640 510 34

19.1 19 380 300 8.1 740 610 32.5 940 760 50.8

25.4 25 495 410 10.9 990 810 43.4 1240 1020 67.8

LAMPIRAN F

Material Fracture Energy

Fracture Toughness

Gc Kc

(kJ m-2) (Mpa m)

Polymer

epoxy resins 0.1-0.3 0.3-0.5

Nylon 6.6 4-Feb 3

polypropylene 8 3

Metals

pure Al 100-1000 100-350

Al alloy 30-Aug 23-45

mild steel 100 140

Ceramics

soda glass 0.01 0.7

SiC 0.05 3

concrete 0.03 0.2

Natural materials

wood 20-Aug 13-Nov

bone 0.6-5 12-Feb

Composite fiberglass (glass/epoxy, planar random 40-100 42-60

fiber)

Al-based particulate MMC 10-Feb 15-30

SiC laminate 8-May 45-55

Jadual 1.5: Typical fracture energy and fracture toughness values for various materials.

(After Ashby and Jones 1980).

LAMPIRAN G

1.0 Rekabentuk Laminat Penampung di Sekeliling Lubang Flange

1.1 Inlet dan Outlet Flange

Penambahan laminat di perlukan untuk penampungan beban seperti yang

ditunjukkan di bawah:

ccL xUdA

Di mana;

LA = Kehilangan kapasiti beban [N]

cd = Garispusat efektif bagi lubang pada dinding tangki [mm]

cU = Q = Beban rekabentuk yang di perlukan [N/mm]

Kekuatan ricihan bagi CSM = 7 N/mm2

cd = 180 mm

cU = 83.93 N/mm

rd = 600 mm

Maka;

LA = 10,910.9 N

Kapasiti bebanan untuk tindihan atas (overlay) penampalan yang efektif

ditentukan dari persamaan berikut:

OVLcrc xUddA

Untuk CSM, xmU z = 6.76 N/mm

xmxnUU zOVL

Lc AA maka; 10910.9 < 2,841 n

N < 3.8

4 lapisan CSM 450

1.2 Scour Drain dan Overflow Flange

cd = 130 mm

cU = 17.55 N/mm

rd = 400 mm

Maka;

LA = 2281.5 N

Kapasiti bebanan untuk tindihan atas (overlay) penampalan yang efektif

ditentukan dari persamaan berikut:

OVLcrc xUddA

Untuk CSM, xmU z = 6.76 N/mm

xmxnUU zOVL

Lc AA maka; 2281.5 < 2,841 n

N < 0.81

1 lapisan CSM 450

1.3 Kekuatan Ricihan Yang Efektif Pada Permukaan Luaran Di antara Tindihan

Luaran Dengan Laminat Utama

sA =Lap Shear Stress xK

1 x 0.4 x 22 dcdr

sA mestilah tidak kurang dari cA

Maka;

sA =68,939 N; dan ianya lebih baik dari cA untuk Inlet dan Outlet Flange

dan; untuk Scour Drain dan Overflow Flanges; sA =30,114; dan lebih baik dari

cA .

Lukisan kejuruteraan bagi laminat penampungan ditunjukkan pada Lampiran H.