BAB II DASAR TEORI 2.1 Statika Statika adalah ilmu yang mempelajari tentang statika suatu beban terhadap gaya-gaya dan juga beban yang mungkin ada pada bahan tersebut. Dalam statika keberadaan gaya-gaya yang mempengaruhi sistem menjadi suatu obyek tinjauan utama.sedangkan dalam perhitungan kekuatan rangka, gaya-gaya yang diperhitungkan adalah gaya luar dan gaya dalam. Prinsip statika kesetimbangan dapat diperhatikan pada Gambar 2.1. Jenis beban dapat dibagi menjadi: 1. Beban dinamis adalah beban yang besar atau arahnya berubahterhadap waktu. 2. Beban statis adalah beban yang besar atau arahnya tidah berubah terhadap waktu. 3. Beban terpusat adalah beban yang bekerja pada suatu titik. 4. Beban terbagi adalah beban yang terbagi merata sama pada setiap satuan luas. 5. Beban momen adalah hasil gaya dengan jarak antara gaya dengan titik yang ditinjau. 6. Beban torsi adalah beban akibat puntiran. Gambar 2.1 Prinsip Statika Keseimbangan (Meriam& Kraige, 1986) 3
4 2.1.1 Gaya Luar Gaya luar adalah gaya yang diakibatkan beban yang bersal dari luar sistem yang pada umumnya menciptakan kestabilan konstruksi. Gaya luar dapat berupa gaya vertikal, horizontal dan momen puntir. Pada persamaanstatis tertentu untuk menghitung besarnya gaya yang bekerja harus memenuhi syarat dari kesetimbangan. Fx = 0.........(2.1) Σfy = 0.........(2.2) Σma = 0.........(2.3) 2.1.2 Gaya Dalam Gaya dalam adalah gaya-gaya yang bekerja didalam kontruksi sebagai reaksi terhadap gaya luar. Reaksi yang timbul antara lain sebagai berikut: 1. Gaya Normal (N) Gaya noemal merupakan gaya dalam yang bekerja searah sumbu dan bekerja tegak lurus terhadap bidang balok. - Gaya normal positif (+) jika sebagai gaya tarik. Gaya normal positif ditunjukkan pada Gambar 2.2 Gambar 2.2 Gaya normal positif - Gaya normal negatif (-) jika sebagai gaya desak. Gaya normal negatif ditunjukkan pada Gambar 2.3 - Gambar 2.3 Gaya normal negatif
5 2. Gaya Geser Gaya geser merupakan gaya dalam yang bekerja tegak lurus sumbu balok. - Gaya geser dianggap positif (+) jika cenderung berputar searah jarum jam. Gaya geser positif ditunjukkan pada Gambar 2.4 Gambar 2.4 Gaya geser positif - Gaya geser dianggap negatif (-) jika cenderung berputar berlawanan jarum jam. Gaya geser negatif ditunjukkan pada Gambar 2.5 Gambar 2.5 Gaya geser negatif 3. Momen Lentur (M) Momen lentur adalah gaya perlawanan dari beban sebagai penahan lenturan yang terjadi pada balok atau penahan terhadap kelengkungan. - Momen lentur dianggap positif (+) jika cenderung membengkokan batang cekung kebawah. Momen lentur positif ditunjukkan pada Gambar 2.6 Gambar 2.6 Momen lentur positif
6 - Momen lentur dianggap negatif (-) jika cenderung membengkokan batang cembung keatas. Momen lentur negatif ditunjukkan pada Gambar 2.7 Gambar 2.7 Momen lentur negatif 2.1.3 Tumpuan Dalam ilmu statika, tumpuan dibagi atas: 1. Tumpuan rol/penghubung Tumpuan ini dapat menahan gaya pada arah tegak lurus penumpu,biasanya penumpuu ini disimbolkan seperti Gambar 2.8. Gambar 2.8 Reaksi Tumpuan Rol (Meriam & Kraige, 1986) 2. Tumpuan sendi Tumpuan sendi adalah tumpuan yang dapat menahan gaya dari arah vertikal dan horizontal seperti Gambar 2.9. Gambar 2.9 Reaksi Tumpuan Sendi (Meriam & Kraige, 1986) 3. Tumpuan jepit Tumpuan jepit adalah tumpuan yang dapat menahan gayaa dalam segala arah dan dapat menahan momen seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10. Momen Reaksi Reaksi Gambar 2.10 Reaksi Tumpuan Jepit (Meriam & Kraige, 1986)
7 2.2 Analisa Kekuatan Material 2.2.1 Tegangan Normal (Normal Stress) Gaya internal yang bekerja pada sebuah potongan dengan luasan yang sangat kecil akan bervariasi baik besarnya maupun arahnya. Pada umumnya gaya-gaya tersebut berubah-ubah dari suatu titik ke titik yang lain, umumnya berarah miring pada bidang perpotongan. Dalam praktek keteknikan intensitas gaya diuraikan menjadi tegak lurus dan sejajar dengan irisan, seperti terlihat pada Gambar 2.11. Gambar 2.11 Komponen-Komponen Tegangan Normal Dan Geser Dari Tegangan (F.P. Beer, et al 981) Tegangan normal adalah intensitas gaya yang bekerja normal (tegak lurus) terhadap irisan yang mengalami tegangan, dan dilambangkan dengan σ(sigma). Sedangkan sebuah batang prismatik adalah sebuah batang lurus yang memiliki penampang yang sama pada keseluruhan pajangnya. Untuk menyelidiki tegangantegangan internal yang ditimbulkan gaya-gaya aksial dalam batang, dibuat suatu pemotongan garis potong pada irisan mn (Gambar 2.12). Irisan ini diambil tegak lurus sumbu longitudinal batang. Karena itu irisan dikenal sebagai suatu penampang (cross section). Gambar 2.12 Batang Prismatik Yang Dibebani Gaya Aksial (F.P. Beer,et al 1981)
8 Tegangan normal dapat berbentuk: a. Tegangan Tarik (Tensile Stress) Tegangan tarik adalah tegangan yang diakibatkan beban tarik atau beban yang arahnya tegak lurus meninggalkan luasan permukaan. Apabila sepasang gaya tarik aksial menarik suatu batang, dan akibatnya batang ini cenderung menjadi meregang atau bertambah panjang. Maka gaya tarik aksial tersebut menghasilkan tegangan tarik pada batang di suatu bidang yang terletak tegak lurus atau normal tehadap sumbunya seperti terlihat pada Gambar 2.13. Gambar 2.13 Gaya Tarik Aksial(Meriam & Kraige, 1986) b. Tegangan Tekan (Compressive Stress) Tegangan tekan adalah tega ngan yang diakibatkan beban tekan atau beban yang arahnya tegak lurus menuju luasan permukaan suatu benda yang statis. Apabila sepasang gaya tekan aksial mendorong suatu batang, akibatnya batang ini cenderung untuk memperpendek atau menekan batang tersebut. Maka gaya tarik aksial tersebut menghasilkan tegangan tekan pada batang di suatu bidang yang terletak tegak lurus atau normal terhadap sumbunya seperti pada Gambar 2.14. Gambar 2.14 Gaya Tekan Aksial ( Meriam & Kraige, (1986) Intensitas gaya (yakni, gaya per satuan luas) disebut tegangan (stress) dan lazimnya ditunjukkan dengan huruf Yunani σ (sigma). Dengan menganggap bahwa tegangan terdistribusi secara merata pada seluruh penampang batang, maka resultannya sama dengan intensitas σkali luas penampang A dari batang. Selanjutnya, dari kesetimbangan benda yang diperlihatkan pada
9 Gambar 2.14 besar resultan gayanya sama dengan beban P yang dikenakan, tetapi arahnya berlawanan. Sehingga diperoleh rumus....(2.4) Keterangan: = Tegangan (N/m 2 ) P = Gaya aksial (N) A = luas (m 2 ) c. Tegangan Geser (Shearing Stress) Tegangan geser adalah intesitas gaya yang bekerja sejajar dengan bidang dari luas permukaan. Tegangan geser dapat dilihat pada Gambar 2.15. Gambar 2.15 Batang Mengalami Tegangan Geser (Meriam& Kraige, 1986)...(2.5) Keterangan: = Tegangan (N/m 2 ) F = Gaya aksial (N) A = luas (m 2 ) 2.3 Momen Momen adalah suatu vector M yangtegak lurus terhadap bidang benda. Arah M tergantung pada arah berputarnya benda akibat gaya F. Momen M mengikuti semua kaidah penjumlahan vector dan dapat ditinjau sebagai vector geser dengan garis kerja yang berimpit dengan sumbu momen. Momen dapat dilihat pada Gambar 2.16. Satuan dasar dari momen dalam satuan SI adalah newton-meter (Nm). M = r x F......(2.6) Keterangan: M = Momen (N.m) r = Jari-jari atau jarak antara pusat momen yang tergak lurus terhadap gaya tekan. (meter) F = Gaya tekan (newton)
10 Gambar 2.16 Momen (Meriam& Kraige, 1986) 2.4Pengelasan Pengelasan adalah suatu sambungan permanen yang berasal dari peleburan dua bagian yang digabungkan bersama, dengan atau tanpa penggunaan penekanan dan pengisian material. Panas yang dibutuhkan untuk meleburkan material berasal dari nyala api pada las asitelin atau las busur listrik pada las listrik. Jenis-jenis sambungan las yang digunakan pada pembuatan alat ini ditunjukkan pada Gambar 2.17 Keterangan: a. Sambungan las sudut dalam b. Sambungan las sudut luar c. Sambungan las tumpang d. Sambungan las T Gambar 2.17 Jenis sambungan las Sebelum dilakukan pengelasan busur listrik, pada benda kerja biasanya dibuat kampuh atau alur las. Bentuk kampuh atau alur las ditunjukkan pada Gambar 2.18
11 Keterangan: a. Sambungan langsung/tanpa kampuh b. Sambungan V tunggal c. Sambungan U tunggal d. Sambungan V ganda e. Sambungan U ganda Gambar 2.18 Bentuk alur/kampuh las Dalam perencanaan sambungan las pada mesin pembuat es krim, faktor utama yang perlu dihitung adalah kekuatan las. Mesin pembuat es krim ini mengunakan sambungan tipe las butt jooint (single V-bult joint). Untuk menghitung kekuatan las dari bentuk pengelasan yang dipakai ditunjukkan pada. Gambar 2.19 Bentuk pengelasan - Menghitung gaya tarik maksimum single V pada butt joint Perhitungan gaya tarik maksimum menggunakan rumus sebagai berikut:...(2.7) Keterangan: t = tebal plat (mm) l = panjang plat (mm)
12 = tegangan = 70 Mpa (Purna Irawan, 2009) Tipe bentuk pengelasan ditungjukkan pada Gambar 2.20 Gambar 2.20 Tipe bentuk pengelasan - Menghitung momen inersia (J) Perhitungan momen inersia menggunakan rumus sebagai berikut: t 6 12 Keteragan: I = momen inersia (mm4) t = tebal plat (mm) - Menghitung momen bending Perhitungan momen bending menggunakan rumus sebagai berikut: M = P x e...(2.8) - Menghitung gaya geser ( τ) Perhitungan gaya geser (τ) menggunakan rumus sebagai berikut: =...(2.9) - Bendingstress Perhitungan bending stress menggunakan rumus sebagai berikut: =...(2.10) - Resultan untuk tegangan geser maksimal Perhitungan resultan tegangan geser maksimal menggunakan rumus sebagai berikut: 4 =...(2.11)
13 Keterangan: P = gaya yang membebani (N) A = throat area (mm) e = jarak gaya dengan pusat (mm) = tegangan bending (N/mm2) e = jarak gaya dengan pusat titik berat G (mm) b = tebal plat (m) l = lebar plat (mm) M = momen (N.mm) = tegangan geser (N/mm2) 2.5 SolidWorks SolidWorks merupakan salah satu opsi diantara design software lainnya sebut saja catia, inventor, Autocad, dll. Bagi yang berkecimpung dalam dunia teknik khususnya teknik mesin dan teknik industri, file ini wajib dipelajari karena sangat sesuai dan prosesnya lebih cepat daripada harus menggunakan autocad. File software solidworks bisa di eksport ke software analisis semisal Ansys, FLOVENT, dll. Gambar 2. 21Templates Solidworks Gambar 2.21 menunjukan templatesutama dari solidworks yaitu Part, Assembly dan Drawing. Definisi dari ke tiga templates adalah sebagai berikut: 1. Part Part adalah sebuah Object 3D yang terbentuk dari Feature. Part bisa menjadi sebuah komponen pada suatu Assembly, dan juga bisa digambarkan dalam bentukan 2D pada sebuah Drawing.
14 Extension file untuk part SolidWorks adalah.sldprt. 2. Assembly Assembly adalah sebuah document dimana Parts, Feature dan Assembly lain (Sub Assembly) dipasangkan/disatukan bersama. Extension File untuk SolidWorks Assembly adalah.sldasm. 3. Drawing Drawing adalah Tempates yang digunakan untuk membuat gambar kerja 2D/2D engineering Drawing dari Part mapun Assembly. Extension File Untuk SolidWorks Drawing adalah.slddr.