BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Fisioterapi Fisioterapi adalah bentuk pelayanan kesehatan yang ditujukan kepada
individu dan/atau kelompok untuk mengembangkan, memelihara dan memulihkan gerak dan fungsi tubuh sepanjang rentang kehidupan dengan menggunakan penanganan secara manual, peningkatan gerak, peralatan (fisik, elektroterapeutis dan mekanis) pelatihan fungsi, komunikasi. Kegiatan fisioterapi dilakukan oleh sorang fisioterapis. Fisioterapis adalah setiap orang yang telah lulus pendidikan fisioterapi sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan. (Peraturan Menteri Kesehatan RI no 80, 2013) 2.1.1
Macam – macam Fisioterapi (Hasuki, 2011)
a. Exercise Therapy atau Terapi Latihan Terapi ini dimaksudkan untuk mengembalikan fungsi sekaligus memberi penguatan dan pemeliharaan gerak agar bisa kembali normal atau setidaknya mendekati kondisi normal. Kepada anak, akan diberikan latihan memegang maupun menggerakkan tangan dan kakinya. Setelah mampu, akan dilanjutkan dengan latihan mobilisasi, dimulai dengan berdiri, melangkah, berjalan, lari kecil, dan seterusnya. Pada kasus patah kaki, contohnya, akan dilakukan fisioterapi secara bertahap, kapan si anak harus sedikit menapak sampai bisa menapak penuh. Latihan-latihan yang diberikan bertujuan mempertahankan kekuatan otot-otot dan
4
5
kemampuan
fungsionalnya
dengan
mempertahankan
sendi-
sendinya agar tak menjadi kaku. Hal ini perlu dilakukan karena kaki patah yang dipasangi gips umumnya akan mengalami pengecilan otot, sehingga kekuatannya kekuatannya pun berkurang. Lewat terapi yang dilakukan sambil bermain akan kelihatan bagian mana yang mengalami penurunan fungsi. b. Heating Therapy atau Terapi Pemanasan Sesuai dengan namanya, terapi ini memanfaatkan kekuatan panas yang biasanya bias anya digunakan pada kelainan kulit, otot, maupun jaringan tubuh bagian dalam lainnya. Penggunaannya tentu saja disesuaikan dengan tingkat keluhan. Bila hanya sampai di bagian kulit, maka pemanasannya pun hanya diperuntukkan bagi kulit saja dengan menggunakan Infra Red Radiation (IRR) atau radiasi infra merah. Bila gangguan terjadi pada otot, digunakanlah micro diathermy atau diatermi mikro. Sementara, jika gangguan muncul di bagian terdalam seperti rangka tubuh, maka yang digunakan adalah short wave diathermy atau diatermi diater mi gelombang pendek. Intinya, jenis terapi yang dilakukan akan disesuaikan dengan hasil diagnosis. Terapi pemanasan biasanya diberikan bersamaan dengan jenis terapi lain. Seperti pada terapi inhalasi untuk anak-anak dengan masalah lendir pada saluran napas; pada nyeri otot maupun sendi. Bila dikombinasikan dengan bentuk pengobatan lain tentu
5
kemampuan
fungsionalnya
dengan
mempertahankan
sendi-
sendinya agar tak menjadi kaku. Hal ini perlu dilakukan karena kaki patah yang dipasangi gips umumnya akan mengalami pengecilan otot, sehingga kekuatannya kekuatannya pun berkurang. Lewat terapi yang dilakukan sambil bermain akan kelihatan bagian mana yang mengalami penurunan fungsi. b. Heating Therapy atau Terapi Pemanasan Sesuai dengan namanya, terapi ini memanfaatkan kekuatan panas yang biasanya bias anya digunakan pada kelainan kulit, otot, maupun jaringan tubuh bagian dalam lainnya. Penggunaannya tentu saja disesuaikan dengan tingkat keluhan. Bila hanya sampai di bagian kulit, maka pemanasannya pun hanya diperuntukkan bagi kulit saja dengan menggunakan Infra Red Radiation (IRR) atau radiasi infra merah. Bila gangguan terjadi pada otot, digunakanlah micro diathermy atau diatermi mikro. Sementara, jika gangguan muncul di bagian terdalam seperti rangka tubuh, maka yang digunakan adalah short wave diathermy atau diatermi diater mi gelombang pendek. Intinya, jenis terapi yang dilakukan akan disesuaikan dengan hasil diagnosis. Terapi pemanasan biasanya diberikan bersamaan dengan jenis terapi lain. Seperti pada terapi inhalasi untuk anak-anak dengan masalah lendir pada saluran napas; pada nyeri otot maupun sendi. Bila dikombinasikan dengan bentuk pengobatan lain tentu
6
lebih menguntungkan karena dosis obat yang harus diminum anak jadi lebih kecil untuk meminimalisir efek negatifnya. c.
Electrical Stimulations Therapy atau Terapi Stimulasi Listrik Terapi yang menggunakan aliran listrik bertenaga kecil ini cocok diterapkan pada anak yang menderita kelemahan otot akibat patah tulang ataupun kerusakan saraf otot. Cara penggunaannya, dengan menempelkan aliran listrik pada otot-otot untuk mengatasi rasa nyeri. Terapi ini bertujuan untuk mempertahankan massa otot dan secara tidak langsung merangsang regenerasi saraf. Pada pasien anak yang menderita gangguan pernapasan, terapi ini pun bisa digunakan untuk pengobatan. Efeknya, sirkulasi darah di rongga dada dan saluran pernapasan menjadi lebih lancar, sehingga dapat membantu relaksasi serta membantu mengeluarkan lendir dari saluran pernapasan, sehingga akan mempercepat proses penyembuhan.
d. Cold Therapy atau Terapi Dingin Terapi dingin biasanya diberikan bila cedera anak masih akut sehingga proses peradangan tidak menjadi kronis. Terapi ini umumnya hanya diperuntukkan bagi otot saja, biasanya akibat terjatuh dan mengalami memar. Nah, terapi dingin ini pun berguna mengurangi bengkak. Itulah kenapa, ketika anak terjatuh dan bagian tubuhnya ada yang benjol, orang tua sering mengompresnya dengan air dingin. Namun terapi dingin harus dengan pengawasan
7
ketat karena kalau fase akutnya sudah lewat, tapi masih terus diberi terapi, justru dapat merusak jaringan. e. Chest Physiotherapy atau Terapi Bagian Dada Anak dengan keluhan batuk-pilek biasanya mendapat chest physiotherapy yang bermanfaat membersihkan saluran pernapasan dan memperbaiki pertukaran udara. Yang termasuk dalam fisioterapi ini di antaranya inhalasi/nebulizer, clapping, vibrasi dan postural drainage. Inhalasi yaitu memasukkan obat-obatan ke dalam saluran pernapasan melalui penghirupan. Jadi, partikel obat dipecah terlebih dulu dalam sebuah alat yang disebut nebulizeer hingga menjadi molekul-molekul berbentuk uap. Uap inilah yang kemudian dihirup anak, hingga obat akan langsung masuk ke saluran pernapasan. Keuntungan cara ini, dosis obat jauh lebih kecil, hingga dapat mengurangi efek samping obat. Obat-obat inhalasi yang umum diberikan adalah obat untuk melonggarkan saluran napas, pengencer dahak, dan NaCl sebagai pelembab saluran napas. Sedangkan lamanya setiap inhalasi cukup sekitar 10 menit. Tindakan lanjut untuk membantu pengeluaran lendirnya, antara lain clapping atau tepukan pada dada dan punggung. Bisa di sisi kanan, kiri, depan dada. Tepukan dilakukan secara kontinyu dan ritmik. Sertai pula dengan pengaturan posisi anak (postural drainage), semisal anak ditengkurapkan dengan posisi kepala lebih rendah dari badan, hingga lendir tersebut dapat
8
mengalir ke cabang pernapasan utama sekaligus lebih mudah untuk dibatukkan. Ini akan menguntungkan karena biasanya anak tak bisa meludah, hingga lendir yang menyumbat saluran pernapasan sulit dikeluarkan. Khusus pada bayi atau anak di bawah usia 2 tahun, bila perlu, lakukan tindakan suction atau penyedotan lendir dengan alat khusus lewat hidung atau mulut. Bisanya tindakan ini dilakukan pada bayi dimana refleks batuknya belum cukup kuat untuk mengeluarkan lendir. f. Hydro Therapy atau Aquatik Therapy Terapi dengan air berguna bagi anak-anak yang mengalami gangguan, terutama gangguan gerak akibat spastisitas, misal pada anak CP (Cerebral Palsy). Sedangkan pada anak yang terlambat berjalan, tentu saja sebelum diterapi mereka akan dievaluasi dulu baik dari usia, tingkat kemampuan, maupun tingkat kesulitan yang dialami. Untuk bisa berjalan, anak tentu saja harus melalui berbagai
tahapan
yang dimulai
dengan
tengkurap,
duduk,
merangkak sampai berdiri. Biasanya anak tidak akan langsung diajarkan berjalan bila tahap sebelumnya belum mampu ia lakukan. Pada anak yang mengalami kesulitan bergerak karena spastisitas/kekakuan, ketika di air, umumnya dia akan lebih mudah bergerak. Dengan demikian diharapkan spastisitas anak akan berkurang mengingat adanya bantuan berupa dorongan air yang sifatnya bisa melenturkan gerak tubuh. Meskipun tidak semua anak
9
dengan gangguan tersebut dapat diberikan hidro terapi air, tapi terapi ini bisa dijadikan sebagai salah satu alternatif. g.
Orthopedhic dan Rheumathoid Arthritis Sebetulnya fisioterapi ortopedik ini dilakukan untuk mengatasi gangguan tulang dan otot akibat patah tulang, post fracture (retak), artritis sendi, keseleo, atau terkilir. Umumnya ditujukan untuk kalangan dewasa karena kasusnya jarang sekali terjadi pada anak. Pada bayi, terapi ortopedik ini akan dipakai jika ia mengalami proses pemendekan otot leher (lehernya jadi miring) akibat pembengkakan otot leher yang membuat ototnya tertarik ke satu arah. Fiosioterapi ini dilakukan dalam bentuk latihan-latihan gerakan, pijat, dan peregangan. Bisa juga dibarengi dengan ultrasound (gelombang suara berfrekuensi lebih tinggi dari yang dapat didengar manusia) dan pemanasan untuk melepaskan perlengketan/gumpalan di leher. Fisioterapi ini bisa diterapkan sejak bayi berusia 2 minggu. Fisioterapi
rheumathoid arthritis dilakukan pada anak
dengan keluhan kaki bengkak atau mengalami gangguan sendi. Untuk mengurangi rasa nyeri, terapi dingin diberikan saat akut dan selanjutnya diberikan terapi panas dengan electrical stimulations therapy. Ini bisa dilakukan pada anak usia 4-5 tahunan, tergantung pada bagian mana terserangnya.
10
2.1.2
Alat Fisioterapi Latihan Berjalan
Fisioterapi latihan berjalan merupakan salah satu bagian dari exercise therapy atau terapi berjalan. Terapi ini dimaksudkan untuk mengembalikan fungsi sekaligus memberi penguatan dan pemeliharaan gerak agar bisa kembali normal atau setidaknya mendekati kondisi normal. Kepada anak, akan diberikan latihan memegang maupun menggerakkan tangan dan kakinya. Setelah mampu, akan dilanjutkan dengan latihan mobilisasi, dimulai dengan berdiri, melangkah, berjalan, lari kecil, dan seterusnya. Pada kasus patah kaki, contohnya, akan dilakukan fisioterapi secara bertahap, kapan si anak harus sedikit menapak sampai bisa menapak penuh.Latihan-latihan yang diberikan bertujuan mempertahankan kekuatan
otot-otot
dan
kemampuan
fungsionalnya
dengan
mempertahankan sendi-sendinya agar tak menjadi kaku. Hal ini perlu dilakukan karena kaki patah yang dipasangi gips umumnya akan mengalami pengecilan otot, sehingga kekuatannya pun berkurang. Lewat terapi yang dilakukan sambil bermain akan kelihatan bagian mana yang mengalami penurunan fungsi. Ada beberapa metode untuk melatih berjalan pada pasien, antara lain : 1.
Metode latihan berjalan secara manual atau tanpa bantuan alat, Artinya pasien berlatih berjalan secara mandiri tanpa bantuan dari siapapun atau alat apapun. Proses ini dapat memakan waktu yang cukup lama bagi pasien tersebut untuk pulih, selain itu tidak ada
11
potensi juga cedera terjadi kembali dikarenakan tidak ada pengamanan untuk untuk metode ini. 2.
Metode latihan berjalan menggunakan alat bantu manual Metode ini menggunakan alat bantu berjalan namun digunakan secara manual digerakan oleh pasien. Alat ini memudahkan pasien berjalan
(Sumber: www.google.com: fisioterapi berjalan) Gambar 1. Metode latihan berjalan manual menggunakan paralel bar
(Sumber: www.google.com: fisioterapi berjalan) Gambar 2 Metode latihan berjalan manual menggunakan walker
12
3.
Metode latihan berjalan dengan menggunakan alat bantu mekanik (mesin) Metode ini menggunakan alat bantu mekanik berjalan yang dirancang untuk memudahkan pasien dalam melatih alat gerak motorik kakinya dan tidak dibebani oleh berat tubuhnya sehingga pasien dapat menggerakan dan melatih kakinya secara lebih leluasa. Alat ini belum diproduksi di Indonesia
(Sumber: www.google.com: fisioterapi berjalan) Gambar 3. Metode latihan berjalan menggunakan sistem mekanik
Metode ini yang dipilih untuk perancangan tugas akhir, akan berguna untuk membantu terapi berjalan bagi pasien penderita
patah
tulang
alat
gerak
bawah
(kaki),
dengan
menggunakan sistem treadmill agar pergerakan kecepatannya dapat diatur dan dikontrol sesuai kebutuhan pasien.
13
2.2
Metode Perancangan Pahl & Beitz Harsokoesoemo (2004) Perancangan merupakan kegiatan awal dari usaha
merealisasikan suatu produk yang kebutuhannya sangat dibutuhkan oleh masyarakat. Setelah perancangan selesai maka kegiatan yang menyusul adalah pembuatan produk. Kedua kegiatan tersebut dilakukan dua orang atau dua kelompok orang dengan keahlian masing-masing, yaitu perancangan dilakukan oleh tim perancang dan pembuatan produk oleh ti m kelompok pembuat produk. Pahl dan Beitz mengusulkan cara merancang produk sebagaimana yang dijelaskan dalam bukunya; Engineering Design : A Systematic Approach. Cara merancang Pahl dan Beitz tersebut terdiri dari 4 kegiatan atau fase, yang masingmasing terdiri dari beberapa langkah. Keempat fase tersebut adalah : 1. Perencanaan dan penjelasan tugas 2. Perancangan konsep produk 3. Perancangan bentuk produk (embodiment design) 4. Perancangan detail Sebenarnya langkah-langkah dalam keempat fase proses perancangan diatas tidaklah perlu dikelompokkan dalam 4 fase secara kaku, sebab seperti misalnya, pada langkah pada fase perancangan detail (fase ke-4) cara pembuatan komponen produk sudah diperlukan detail dan banyak lain contohnya seperti itu. Setiap fase proses perancangan berakhir pada hasil fase, seperti fase pertama menghasilkan daftar persyaratan dan spesifikasi perancangan. Hasil setiap fase tersebut kemudian menjadi masukan untuk fase berikutnya dan menjadi umpan balik untuk fase yang mendahului. Perlu dicatat pula bahwa hasil
14
fase itu sendiri setiap saat dapat berubah oleh umpan balik yang diterima dari hasil fase-fase berikutnya.
(Sumber: buku pengantar perancangan teknik (perancangan produk) Gambar 4. . Diagram alir proses perancangan Pahl dan Beitz
2.2.1
Perencanaan Proyek dan Penjelasan Tugas
Tugas fase ini adalah menyusun spesifikasi produk yang mempunyai fungsi khusus dan karakteristik tertentu yang memenuhi kebutuhan masyarakat. Produk ini dengan fungsi khusus dan karakteristik tertentu tersebut merupakan olahan hasil survei bagian pemasaran atau atas permintaan segmen masyarakat. Fase pertama tersebut perlu diadakan untuk
menjelaskan
secara
lebih
detail
sebelum
produk
tersebut
dikembangkan lebih lanjut. Pada fase ini dikumpulkan semua informasi
15
tentang semua persyaratan atau requirement yang harus dipenuhi oleh produk dan kendala-kendala yang merupakan batas-batas untuk produk. Hasil fase ini adalah spesifikasi produk yang dimuat dalam suatu daftar persyartan
teknis.
Fase
perencanaan
produk tersebut
baru dapat
memberikan hasil yang baik, jika fase tersebut memperhatikan kondisi pasar, keadaan perusahaan dan ekonomi negara. Pada perencanaan proyek dibuat jadwal kegiatan dan waktu penyelesaian setiap kegiatan dalam proses perancangan. 2.2.2
Perancangan Konsep Produk
Berdasarkan spesifikasi produk hasil fase pertama, dicarilah beberapa konsep produk yang dapat memenuhi persyaratan-persyaratan dalam spesifikasi tersebut. Konsep produk tersebut merupakan solusi dari masalah perancangan yang harus dipecahkan. Beberapa alternatif konsep produk dapat ditemukan. Konsep produk biasanya berupa gambar skets atau gambar skema yang sederhana, tetapi telah m emuat semua. Beberapa alternatif konsep produk kemudian dikembangkan lebih lanjut dan setelah dievaluasi. Evaluasi tersebut haruslah dilakukan beberapa kriteria khusus seperti kriteria teknis, kriteria ekonomis dan lainlain. Konsep produk yang tidak memenuhi persyaratan-persyaratan dalam spesifikasi produk, tidak diproses lagi dalam fase-fase berikutnya, sedangkan dari beberapa konsep produk yang memenuhi kriteria dapat dipilih solusi yang terbaik.Mungkin terjadi, ditemukan beberapa konsep produk terbaik yang dikembangkan lebih lanjut pada fase-fase berikutnya.
16
Dari diagaram alir cara merancang Pahl dan Beitz dapat dilihat bahwa fase perancangan konsep produk terdiri dari beberapa langkah. 2.2.3
Perancangan Bentuk (Embodiment Design)
Dari diagram alir cara merancang Pahl dan Beitz dapat dilihat bahwa fase perancangan bentuk terdiri dari beberapa langkah, yang jumlahnya lebih
banyak dari
jumlah langkah-langkah
pada
fase
perancangan konsep produk. Pada fase perancangan bentuk ini, konsep produk “diberi bentuk”, yaitu komponen-komponen konsep produk yang dalam gambar skema atau gambar skets masih berupa garis atau batang saja, kini harus diberi bentuk, sedemikian rupa sehingga komponen-komponen tersebut secara bersama menyusun bentuk produk, yang dalam geraknya tidak saling bertabrakan sehingga produk dapat melakukan fungsinya. Konsep produk yang sudah digambarkan pada preliminary layout, sehingga dapat diperoleh beberapa preliminary layout. Preliminary layout masih dikembangkan lagi menjadi layout yang lebih baik lagi dengan meniadakan kekurangan dan kelemahan yang ada dan sebagainya. Kemudian dilakukan evaluasi terhadap beberapa preliminary layout yang sudah dikembangkan lebih lanjut berdasarkan kriteria teknis, kriteria ekonomis dan lain-lain yang lebih ketat untuk memperoleh layout yang terbaik yang disebut definitive layout. Definitive layout telah dicek dari segi kemampuan melakukan fungsi produk, kekuatan, kelayakan finansial dan lain-lain.
17
2.2.4
Perancangan Detail
Pada fase perancangan detail, maka susunan komponen produk, bentuk, dimensi, kehalusan permukaan, material dari setiap komponen produk ditetapkan. Demikian juga kemungkianan cara pembuatan setiap produk sudah dijajagi dan perkiraan biaya sudah dihitung. Hasil akhir fase ini adalah gambar rancangan lengkap dan spesifikasi produk untuk pembuatan; kedua hal tersebut disebut dokumen untuk pembuatan produk.
2.3
Perhitungan Kekuatan Bahan Dalam Perancangan 2.3.1
Tegangan (Mott, 2009)
a. Tegangan statis Bila suatu komponen menerima beban yang diberikan secara lambat, tanpa kejutan dan ditahan pada nilai konstan, maka tegangan yang dihasilkan pada komponen tersebut disebut tegangan statis ( static stress). Contohnya beban pada sebuah struktur karena bobot mati dari bahan – bahan bangunan. Dengan adanya gaya luar dengan besar yang tetap untuk selamanya, maka tegangan akan naik dari nol hingga maksimum dan terus tetap/constant. b. Tegangan berulang dan berbalik Tegangan berbalik terjadi bila suatu elemen tertentu pada bagian suatu struktur pembawa beban menerima tingkat tegangan tarik tertentu yang diikuti oleh tegangan tekan dalam tingkat yang sama.
Jika siklus
tegangan ini berulang beberapa ribu kali, maka tegangannya disebut tegangan berulang dan berbalik. Beban maksimum diberikan sewaktu – waktu maka tegangan naik dari nol ke harga tertinggi lalu kembali ke nol dan terus berulang – ulang. c. Tegangan yang berubah – ubah Bila suatu bagian struktur pembawa beban dikenai trgangan bolak – balik dengan nilai rata-rata tidak nol, maka pembebanan ini akan menghasilkan tegangan berfluktuasi ( fluctuating stress). beban dengan
18
besar yang sama diberikan dengan arah berganti – ganti, maka tegangan akan naik ke harga positif dan turun melewati harga 0 ke harga negative. 2.3.2
Pembebanan dan Tegangan (Hakim, 2010)
Dilihat dari arah beban yang diberikan dan berpengaruh terhadap komponen yang menahannya. Serta tegangan adalah gaya dalam yang terjadi ditahan oleh penampang potong batang, maka didalam batang tersebut terjadi tegangan, jadi definisi tegangan adalah gaya per satuan luar penampang, pembebanan dan tegangan terdiri dari 5 jenis. 1. Pembebanan dan Tegangan Tarik : Gaya bekerja sejajar sumbu/ tegak lurus penampang kearah luar (menjauh), yang mengakibatkan batang/elemen konstruksi mengalami perpanjangan.
=
(1)
σt
: Tegangan tarik (N/mm )
Fn
: Gaya tarik (N)
A
: Luas penampang (mm2)
2. Pembebanan dan Tegangan Tekan : Gaya bekerja sejajar sumbu/tegak lurus penampang kearah dalam (menuju), yang mengakibatkan batang/elemen konstruksi mengalami perpendekan.
=
(2)
σd
: Tegangan tekan (N/mm )
Fn
: Gaya tarik (N)
A
: Luas penampang (mm2)
3. Pembebanan dan Tegangan Bengkok (Bending) : Gaya bekerja dengan jarak tertentu terhadap penampang, yang mengakibatkan momen bengkok batang/elemen konstruksi mengalami bengkokan.
= . =
(3) (4)
σb
: Tegangan bengkok (N/mm2)
Mb
: Momen Bengkok (Nmm)
Wb
: Momen Tahanan Bengkok (mm )
Ix
: Momen Inersia penampang (mm4)
Y
: Jarak elemen terhadap sumbu netral (mm)
19
4. Pembebanan
dan
Tegangan
Geser
:
Gaya
bekerja
sejajar
penampang/tegak lurus sumbu yang mengakibatkan batang/elemen konstruksi mengalami geseran.
=
(5)
τg
: Tegangan geser (N/mm2)
Fg
: Gaya Geser (N)
A
: Luas penampang (mm )
5. Pembebanan dan Tegangan Puntir : Gaya bekerja sejajar penampang dengan radius tertentu terhadap sumbu batang, yang mengakibatkan momen puntir sehingga batang konstruksi men galami puntiran
= 2.3.3
(6)
τp
: Tegangan puntir (N/mm2)
Mp
: Momen puntir (Nmm)
Wp
: Momen tahanan puntir (mm )
Faktor keamanan
Supriyanto (2010) Faktor keamanan adalah angka yang menjamin agar benda yang dipakai atau direncanakan aman.
Faktor keamanan
kekuatan sebenarnya kekuatan yang dibutuhkan
Faktor keamanan haruslah lebih besar daripada 1,0. Untuk menghindari kegagalan, biasanya angka ini berkisar antara 1,0 sampai 15. Faktor keamanan dapat ditentukan dengan mempertimbangkan berikut ini. a. Kemungkinan pembebanan melampaui batas dari struktur. b. Jenis pembebanan (statis, dinamis). c. Ketidaktelitian dalam struktur. d. Variasi dalam sifat-sifat bahan. e. Keburukan yang disebabkan kondisi atau efek-efek lingkungan yang lain.
20
Apabila pengambilan faktor keamanan sangat rendah, maka kemungkinan kegagalan akan menjadi tinggi. Karena itu, rancangan strukturnya mungkin tidak diterima. Sebaliknya, bila faktor keamanan sangat besar, maka pemakaian bahan akan boros dan struktur menjadi berat sehingga tidak cocok dari segi fungsi. Dalam praktek terdapat beberapa cara melaksanakan faktor keamanan. Untuk kebanyakan struktur, perlu diperhatikan agar bahannya tetap berada dalam jangkauan elastis untuk menghindari adanya deformasi permanen apabila bebannya diambil. Oleh karena itu, metode perencanaan yang lazim adalah menggunakan faktor keamanan terhadap tegangan luluh maupun tegangan batas dari bahan, sehingga diperoleh tegangan izin (allowable stress) atau tegangan kerja working stress), yang tak boleh dilampaui di setiap bagian dalam struktur. Klasifikasi faktor keamanan berdasarkan bahan (Mott, 2009) : Bahan – bahan ulet : 1. N = 1,25 hingga 2,0. Perancangan struktur yang menerima bahan beban statis dengan tingkat kepercayaan yang tinggi untuk semua data perancangan. 2. N = 2,0 hingga 2,5. Perancangan elemen – elemen mesin yang menerima pembebanan dinamis dengan tingkat kepercayaan rata-rata untuk semua data perancangan. 3. N = 2,5 hingga 4,0. Perancangan struktur statis atau elemen – elemen mesin yang menerima pembebanan dinamis dengan
ketidakpastian
mengenai beban, sifat - sifat bahan, analisis tegangan, atau lingkungan. 4. N = 4,0 atau lebih. Perancangan struktur statis atau elemen – elemen mesin yang menerima pembebanan dinamis dengan ketidakpastian mengenai beberapa kombinasi beban, sifat-sifat bahan, analisis tegangan, atau lingkungan. Keinginan untuk memberikan keamanan ekstra komponen yang kritis dapat juga memilih nilai-nilai ini.
21
2.3.4
Pemilihan Bahan
(Mott, 2009) Menentukan bahan dari suatu komponen individu sebuah produk yang akan dibuat merupakan hal yang sangat penting, proses pemilihan bahan harus dimulai dengan pemahaman yang jelas mengenai fungsi, syarat perancangan, dan kriteria evaluasi untuk produk dan komponen individu. 1. Fungsi menyatakan apa yang harus dikerjakan oleh peralatan itu, dengan menggunakan pernyataan umum yang menggunakan frasa aksi, seperti : a. Untuk menyangga suatu beban , b. Untuk mengangkat peti kayu, c. Untuk mentransmisikan daya, atau d. Untuk menopang dua batang struktural secara bersamaan. 2. Syarat perancangan adalah pernyataan terperinci yang biasanya bersifat kuantitatif mengenai: a. tingkat unjuk kerja yang diharapkan, b. Kondisi lingkungan di mana peralatan harus beroperasi, c. Keterbatasan ruang atau berat, atau bahan – bahan, d. Komponen yang tersedia yang dapat digunakan, e. Nilai efisiensi peralatan, f.
Standar keamanan dari pemerintah dan industri harus terpenuhi,
g. Banyaknya jumlah produksi perhari. 3. Kriteria evaluasi adalah pernyataan tentang karakteristik kualitatif yang diharapkan dari perancangan yang membantu perancang dalam memutuskan alternatif perancangan mana yang optimal, yaitu perancangan yang memperbesar manfaat, seperti : a. Keamanan b. Unjuk kerja (tingkat di mana konsep perancangan melebihi syarat – syaratnya), c. Kemudahan dalam pembuatan, d. Kemudahan perbaikan atau penggantian komponen, e. Kemudahan operasi,
22
f. Biaya awal yang murah, g. Biaya pengoperasian dan perawatan yang murah, h. Ukuran yang kecil dan berat yang rendah, i. Kebisingan dan getaran yang rendah (operasi yang halus atau lancar), j. Penggunaan yang siap sedia dan komponen yang siap beli, k. Penggunaan yang hati-hati baik terhadap bagian-bagian yang dirancang secara khusus atau terhadap komponen - komponen yang tersedia secara komersial,
2.4
Perencanaan Elemen Mesin Elemen – elemen mesin yang digunakan dalam perancangan alat fisioterapi treadmill diantaranya: 1. Motor penggerak (Motor listrik) 2. Transmisi (V- Belt) 3. Walking belt (Belt Conveyor) 4. Roller (Poros) 5. Bearing (Bantalan) 6. Sambungan pengikat ( baut, las) 7. Sistem Kontrol (Variable speed drive sistem inverter, push button dan emergency stop button) 2.4.1
Motor Penggerak (Motor Listrik)
Motor penggerak yang digunakan adalah motor AC. Motor AC atau motor arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik memiliki dua buah bagian dasar listrik, yakni stator dan rotor. Stator adalah komponen listrik statis sedangkan rotor adalah komponen listrik yang berputar untuk memutarkan as motor. Motor AC itu sendiri dibagi menjadi 2 macam, yaitu :
23
a. Motor Sinkron Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan tetap pada sistem frekuensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (AC) untuk pembangkit daya dan memiliki torque awal yang rendah. Oleh sebab itu, motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengabeban rendah, contohnya kompresor, perubahan frekuensi dan generator motor. b. Motor Induksi Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada berbagai peralatan industri. Hal ini dikarenakan motor induksi memiliki rancangan yang sederhana, murah dan mudah didapat serta dapat langsung disambungkan dengan ke sumber daya AC. Motor induksi diklasifikasikan menjadi 2 kelompok, yaitu :
1. Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor
kandang
tupai
dan
memerlukan
sebuah
alat
untuk
menghidupkan motornya. Motor ini untuk penggunaan daya sampai 4 Hp. 2. Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki rotor kandang tupai atau gulungan rotor dan penyalaan sendiri. Motor tiga fase tersedia dalam ukuran 1/4 sampai ratusan Hp.
24
Pemilihan daya motor diperhitungkan berdasarkan kebutuhan, adapun cara untuk menghitung daya motor yang diperlukan sebagai berikut. P = F f x V (W)
(7)
P=Nx
(8)
μ
x V (W)
Dengan P adalah daya motor (satuan W) , F f adalah gaya gesek maksimum yang terjadi (satuan N), V adalah kecepatan maksimum yang terjadi (satuan m/s), N adalah gaya normal (satuan N), dan μ adalah koefisien gesek bahan. 2.4.2
Transmisi
Sularso, dan Kiyokatsu (1983) Sistem transmisi dalam otomotif adalah sistem yang berfungsi untuk konversi torsi dan kecepatan (putaran) dari mesin menjadi torsi dan kecepatan yang berbeda-beda untuk diteruskan ke penggerak akhir. Konversi ini mengubah kecepatan putar yang tinggi menjadi lebih rendah tetapi lebih bertenaga, atau sebaliknya. Jarak yang jauh antara 2 buah poros sering tidak memungkinkan transmisi langsung dengan menggunakan roda gigi. Untuk kondisi seperti ini, cara transmisi yang dapat diterapkan adalah dengan menggunakan Belt atau Chain yang dibelitkan sekeliling puli atau sprocket pada poros. Transmisi belt dapat dibagi menjadi 3 type : a. Sabuk datar (Flat belt) b. Sabuk-V (V-belt) c. Sabuk bergigi (Toothed belt) Flat belt dapat digunakan pada jarak antar poros yang relative lebih jauh dari pada type belt yang lain. Cara untuk menghitung sabuk – V sebagai berikut : Daya rencana Pd = P. Fc (W)
(9)
25
Pemilihan penampang V-belt
Pd n
Penampang ..V belt
max
(Menggunakan diagram pemilihan sabuk – V)
Gambar 5. Diagram pemilihan sabuk - V
Pemilihan diameter puli dp = diameter lingkar jarak bagi (pada tabel, mm) din = dp – 2.ko (mm)
(10)
dout = dp + 2.k (mm)
(11)
dp.n1 = Dp.n2 (mm)
(12)
Dp =
. 1 2
(mm)
Dout = Dp + 2.k (mm)
(13) (14)
Tabel 1. Diameter minimum puli yang diizinkan dan dianjurkan (mm)
26
Tabel 2. Ukuran Puli - V
Kecepatan belt
V
Pengecekan C terhadap diameter puli
.dp.n
60
C
(12)
dout Dout 2
(14)
Kapasitas daya transmisi dari satu V-be ( Po - Kw (menggunakan tabel kapasitas daya yang ditransmisikan)
Tabel 3. Kapasitas daya yang ditransmisikan untuk satu sabuk tunggal, Po(kW)
Sudut kontak
0
180
Dp dp
.570
c θ Ko = factor koreksi
Tabel 4. Kapasitas sudut kontak puli & factor koreksi
(15)
27
Jumlah V- belt Panjang V - belt
Pd Po. Ko
L 2.c
2
(16)
Dp dp
1 4.c
Dp dp2
(17)
Keterangan : Daya yang akan ditransmisikan
P
:W
Putaran poros motor penggerak
n1
: rpm
Putaran poros mesin/alat
n2
: rpm
Perbandingan putaran
i
: n1/n2
Jarak antar sumbu poros
c
: mm
2.4.3
Walking Belt (Belt Conveyor) Konveyor atau ban berjalan adalah ban atau sabuk yang terhubung
ke dua atau lebih poros yang berputar yang digunakan untuk mengangkut material. Satu atau lebih katrol terhubung ke motor sehingga akan menggerakkan rangkaian ban atau sabuk tersebut. Belt konveyor khusus treadmill tersedia dipasaran (standar)
(Sumber: www.google.com: belt conveyor) Gambar 6. Belt Konveyor
2.4.4
Roller (Poros) Dalam alat fisioterapi treadmill ini dibutuhkan poros untuk
transmisi dan poros untuk konveyor sebagai roller.
28
Poros adalah suatu bagian yang berputar, biasanya berpenampang bulat dimana terpasang elemen-elemen seperti roda gigi, puli, flywheel , engkol, sprocket , dan elemen pemindah lainnya. Poros bisa menerima beban lenturan, beban tarikan, beban tekan, atau beban puntiran yang bekerja sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan yang lainnya, adapun pembagian poros seperti ini. Poros transmisi lebih dikenal dengan sebutan shaft . Shaft akan mengalami beban punter berulang, beban lentur berganti ataupun kedua-duanya. Pada shaft, daya dapat ditransmisikan melalui roda gigi, puli, flywheel , sprocket, dan lain-lain. Hal – hal yang harus diperhatikan dalam pemilihan poros adalah : a. Kekuatan poros Poros transmisi akan menerima beban puntir, beban lentur, ataupun gabungan antara beban puntir dan lentur. Dalam perancangan poros perlu memperhatikan beberapa factor, misalnya kelelahan, tumbukan dan pengaruh konsentrasi tegangan bila menggunakan poros bertangga ataupun penggunaan alur pasak pada poros tersebut. Poros yang dirancang tersebut harus cukup aman untuk menahan beban-beban tersebut. b. Kekakuan poros Meskipun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup aman dalam menahan pembebanan tetapi adanya lenturan atau defleksi yang terlalu besar akan mengakibatkan ketidaktelitian (pada mesin perkakas), vibration (getaran
mesin),
dan
noise (suara).
Oleh
karena
itu
diamping
memperhatikan kekuatan poros, kekakuan poros juga harus diperhatikan
29
dan sisesuaikan dengan jenis mesin yang akan ditransmisikan dayanya dengan poros tersebut. Sularso, dan Kiyokatsu Suga (1983) Untuk menghitung poros dengan beban puntir, dapat diperoleh persamaan sebagai berikut : Daya rencana
Pd
Torsi / Momen puntir
Pd T .
: P. fc (W) T
Pd
( Nmm)
Beban Lentur
M
: N.mm / kg.mm
Tegangan geser yang diijinkan
τa
(N/mm2)
(18) (19)
Tegangan geser dihitung atas dasar kelelahan puntir. Kelelahan puntir
= 40 % . kelelahan tarik
Kelelahan tarik
= 45 % . kekuatan tarik (σu)
τa
= 40 % . 45 % .
τa
= 1 / 5,6 .
τa
= 1/6.
σu
σu
Untuk bahan SF
σu
Untuk bahan SC
Faktor ini dinyatakan dengan Sf
1
Alur pasak konsentrasi poros ber tan gga tegangan Sf 2 1,3 3 a
u
Sf 1 . Sf 2
2
( N / mm )
Faktor ini dinyatakan dengan Sf 2 Faktor koreksi momen puntir (Kt) Kt 1
Beban dikenakan sec ara halus
Kt 1 1,5
Beban dikenakan sedikit keju tan
Kt 1,5 3
Beban dikenakan dengan keju tan
Faktor koreksi momen lentur (Km) Km 1,5
Tumbukan halus
Km 1 2
Tumbukan ringan
Km 2 3
Tumbukan berat
(20)
30
Poros Pejal
5,1 2 ds . Km . M 2 Kt .T a
1/ 3
(mm)
(21)
Poros Berongga
5,1 2 2 do . Km . M Kt . T 4 a . 1 k
1/ 3
(mm)
(22)
Keterangan : Daya yang akan ditransmisikan
P
: Watt
Putaran poros motor penggerak
n1
: rpm
Faktor koreksi daya yang akan
fc
:1-2
ditransmisikan. 2.4.5
Bearing (Bantalan) Bearing adalah suatu elemen mesin yang berfungsi sebagai
penumpu poros berbeban, sehingga gerakan yang terjadi yaitu gerakan berputar atau menggelinding dan gerakan bolak-balik dapat berlangsung dengan halus, aman, dan panjang umur. Pemilihan bantalan haruslah benar sesuai dengan kaidah dan ketentuannya sehingga memungkinkan poros serta elemen mesin lainnya akan bekerja secara baik, apabila bantalan tidak bekerja denganbaik maka kerja suatu sistem akan menurun atau dapat dikatakan tidak dapat bekerja sebagaimana mestinya. Jadi bantalan dalam suatu kontruksi mesin dapat juga dikatakan sebagai pondasinya. Klasifikasi Bearing berdasarkangerakan bearing terhadap poros ada 2, antara lain: a. Journal bearing / bantalan luncur Pada journal bearing terjadi gesekan luncur antara poros dengan journal bearing , karena permukaan poros ditumpu oleh permukaan journal bearing dengan perantaraan lapisan pelumas
31
(Sumber: www.google.com: bantalan luncur) Gambar 7. Bantalan Luncur
b. Rolling bearing / bantalan gelinding Pada rolling bearing terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar dengan bagian yang diam melalui elemen gelinding (ball , roll ).
(Sumber: www.google.com: bantalan gelinding) 2.4.6
8. Bantalan Gelinding SambunganGambar Pengikat Las
Suatu proses penyambungan dua keping logam atau lebih, dilakukan pada logam yang sama atau pada logam yang tidak sama menjadi suatu sambungan yang tetap (permanen), dengan menggunakan sumber panas listrik dan bahan tambah/pengisi berupa elektroda terbungkus.
(Sumber: www.google.com: mesin las listrik) Gambar 9. Mesin Las Listrik
Pada proses las elektroda terbungkus, busur api listrik yang terjadi antara ujung elektroda dan logam induk (base metal ) akan menghasilkan panas. Panas inilah yang mencairkan ujung elektroda (kawat las) dan
32
benda kerja secara setempat. Dengan adanya pencairan ini maka kampuh las akan terisi oleh logam cair yang berasal dari elektroda dan logam induk, terbentuklah kawah cair, lalu membeku maka terjadilah logam lasandan terak ( slag ). Parameter pengelasan: Panjang busur, Voltage, dan Arus (Current) Cara menghitung kekuatan sambungan las sebagai berikut
[10]
:
1. Tegangan Geser yang terjadi pada welding :
(Sumber: buku bahan ajar elemen mesin I) Gambar 10. Penunjukan troat dan kaki las
F A
( N / mm2 )
(23)
troat
= 0,707 x h (mm)
(24)
A
= troat x L (mm2)
(25)
Keterangan: F = Beban (N) A
= Luas pengelasan (mm2)
L
= Panjang Pengelasan (mm)
h
= Kaki las (mm)
2. Tegangan Geser yang diijinkan :
a
y
Sf
( N / mm 2 )
Keterangan:
σy
= Yield strength (N/mm2)
(26)
33
τ
= 0,58 x
σy (N/mm2)
Sf
= Safety factor
a
(27) (25)
3. Gaya max yang dapat di terima
F = (N) 2.4.7
(28)
Sambungan Pengikat Baut
Cara menghitung kekuatan sambungan baut beban eksentrik tegak lurus dan sejajar sumbu baut sebagai berikut [10] : Beban geser langsung. W . = (N) Ws n
(29)
W
= Beban eksentrik (N)
Wo
= Beban Rencana (N)
Fc
= Faktor koreksi ( 1-2)
n
= Jumlah baut
Beban pada setiap baut untuk jarak Ln : Wtn
C . Ln
(30)
Wtn
= Beban tarik pada baut yang ke n (N)
C
= Beban baut setiap satuan jarak (N/mm)
Ln
= Jarak baut yang ke n ke titik berat sambungan (mm)
Beban tarik ekivalen : Wte
1 2
Wt max
Wt max 2
4 Ws 2 ..( N )
(31)
Beban geser ekivalen : Wse
1 2
Wt max 2
4 Ws 2 ..( N )
(32)
Diameter inti baut : d 1
4 .Wte . a
d1 diambil terbesar (mm)
(33)
34
d 1
4 .Wse . a
d1 diambil terbesar (mm)
(34)
Tabel 5. Ukuran Standar Ulir Kasar (JIS B0205)
2.4.8
Sistem Kontrol
Alat fisio treadmill ini menggunakan sistem kontrol pengatur putaran menggunakan variable speed drive sistem inverter. Aplikasi variable speed drive banyak digunakan digunakan di industri. Jika sebelumnya banyak dipergunakan sistem mekanik, kemudian beralih ke motor slip/pengereman, maka saat ini bnyak menggunakan semi
35
konduktor. Inverter menggunakan frekuensi tegangan masuk untuk mengatur kecepatan motor.
Gambar 11. Diagram frekuensi terhadap waktu
RPM =
120 . [12]
(35)
Dimana : RPM : Speed motor (Rpm) f
: Frekuensi (Hz)
p
: Kutub motor (pole)
Jadi, dengan memainkan perubahan frekuensi tegangan yang masuk pada motor, kecepatan akan berubah. Karena itu inverter disebut juga variable frequency drive.
2.5
F inite E lement Analysis (FEA) Effendi (2015) Sebelumnya metoda penelitian analisis elemen hanya pada
tingkat makro. Pendekatan ini disebut dengan pendekatan tradisional yang menitikberatkan merancang analisis melibatkan penerapan klasik atau teknik analitis. Pendekatan ini memiliki
kekurangan yaitu penyebaran kondisi dan
informasi dari material tidak menyebar secara merata. Informasi yang memadai tidak akan tersedia pada tegangan kritis pada bagian pada komponen. Perlu untuk membuat beberapa penyederhanaan dan asumsi untuk merancang kompenen yang
36
kompleks
dan
sistem.
Jika
analisis
rancangan
dilakukan
dengan
cara
konvensional. FEA merupakan alat yang memudahkan untuk analisis struktur sederhana dan kompleks. Analisis elemen hingga tidak terbatas pada sistem teknik mesin saja. FEA dapat diaplikasikan secara luas di bidang teknik listrik, teknik elektronika, elektro mikro, sistem mekanik, biomedis rekayasa dll. Pada dunia manufaktur, FEA digunakan dalam simulasi dan optimalisasi proses manufaktur seperti pengecoran, permesinan, molding,
forging, forming, heat treatment,
pengelasan dan lain sebagainya. Permasalahan struktur,
dynamic, thermal,
magnetic potencial, dan aliran fluida dapat ditangani dengan mudah dan akurat dengan FEA. Metode elemen hingga merupakan prosedur numeric. Metode ini melibatkan pemodelan struktur menggunakan sejumlah elemen kecil yang saling berhubungan. Contoh dengan mempertimbangkan sebuah plat 2D yang diberikan gaya P.
(Sumber: www.google.com, metode elemen hingga ) Gambar 12. Contoh aplikasi metode elemen hingga plat 2D
Struktur plat 2D tersebut dibagi menjadi 20 elemen dan 33 nodal yang dilustrasikan pada Gambar 11 Nodal dalam hal ini adalah titik sudut dari setiap elemen persegi empat. Nodal dari nomor 1 sampai 33, masing-masing dibentuk oleh elemen persegi.Solusi didapatkan dengan perkiraaan FEA. Akurasi pada solusi tergantungn pada type elemen dan jumlah elemen yang digunakan.Sangat penting untuk memahami permasalahan fisik untuk menentukan elemen yang sesuai pada permasalahan yang diberikan.
37
2.5.1 Skema F inite E lement Analysis Secara garis besar kegiatan pada finite element modeling terdiri dari preprocessor, solving dan post- processor.
(Sumber: www.google.com, Finite Elemen Analysis ) Gam bar 13. Skema Finite Elemen Analysis
Kegiatan pada finite element modeling kegiatan yang dilakukan adalah pembuatan model geometri, meshing, menentukan kondisi batas dan
beban,
menentukan
properti
material,
dan
menentukan
tipe
analisis.Pada tahapan solving dilakukan analisis solusi yang ditampilkan pada tahap post-processor .
2.5.2 Mesh F inite E lement Analysis Jaringan elemen dan nodal yang membagi model menjadi elemen kecil disebutsebagai mesh. Jenis elemen pada mesh diilustrasikan pada. Kerapatan mesh meningkat sebagai elemen lainnya ditempatkan dalam suatu wilayah tertentu. perbaikan mesh adalah ketika mesh dimodifikasi dari satu model analisis ke analisis selanjutnya untuk mendapatkan hasil yang lebih baik. Hasil umumnya menjadi lebih baik ketika kerapatan mesh meningkat pada daerah stress gradien yang tinggi atau ketika zona transisi geometris dibuat mesh yang hasul. Umumnya, hasil the FEA konvergen menuju hasil yang lebih tepat apabila mesh terus diperbaiki. Untuk menilai perbaikan, di daerah di mana stress gradien yang tinggi muncul, mesh pada
38
struktur dapat diperbaiki dengan kerapatan mesh yang lebih tinggi di lokasi yang diberbaiki. Jika ada perubahan dalam minimal dalam nilai maksimum tegangan.Ini adalah hasil yang wajar ketika setelah mengalami konvergen.
2.6
Teori Kegagalan Distorsi Energi Maksimum (Maximum Distorsi Energy Theory) Jokowiyono dan Mulyadi (2012) Teori kegagalan ini digunakan untuk
menentukan posisi tegangan terbesar dimana pada posisi ini akan terjadi awal kerusakan/kegagalan. Pertama kali diusulkan oleh M.T. Hueber (1904) kemudian diperbaiki dan diperjelas oleh R. Von Mises (1913) dan oleh H. Hencky (1925). Teori ini lebih dikenal dengan nama teori kegagalan Von Mises. Teori kegagalan ini dianalisa pertama melalui tegangan oktahedral yang menyatakan bahwa luluh akan terjadi bilategangan geser oktahedral maksimum yang terjadi melebihi harga batas yang diketahui dari hasiltes tarik material standar dengan beban uniaksial. Dapat dirumuskan sebagai berikut:
=
√ 2 2
[1 − 2 2 + 2 − 1 2 +
3 − 1 2 ]½
(N/m2)
(33)
Dimana : Sy
= Tegangan luluh material (N/m2)
1, 2, 3
= Tegangan – tegangan principal ( 1> 2> 3)
Pemodelan analisa menggunakan bantuan software CATIA. Dan dari hasil pemodelan analisa didapatkan hasil komputasi analisa tegangan yang terjadi pada rangka dengan bantuan software CATIA, adapun contoh struktur yang diuji dengan menggunakan software CATIA adalah sebagai berikut :
(Sumber: Jurnal ROTOR, Volume 5 Nomor 2 , Juli 2012) Gambar 14. Uji struktur material secara statis (A) Nilai distribusi tegangan pada benda yang diuji, (B) Benda uji yang diberi beban.
