PENGARUH BENTUK PENAMPANG BATANG STRUKTUR TERHADAP TEGANGAN DAN DEFLEKSI OLEH BEBAN BENDING Agung Supriyanto, Joko Yunianto P Program Studi Teknik Mesin,Akademi Teknologi Warga Surakarta ABSTRAK Dalam perancangan struktur, pemilihan material merupakan salah satu faktor yang penting yang menentukan kekuatan struktur. Salah satu persoalan yang sangat penting diperhatikan dalam perencanaan struktur adalah perhitungan defleksi/lendutan pada elemen-elemen ketika mengalami suatu pembebanan. Untuk menentukan ukuran penampang batang dalam analisis adalah dengan mencari besarnya momen inersia yang dibutuhkan dalam suatu pembebanan. Dalam perancangan struktur faktor berat struktural berpengaruh terhadap besarnya beban yang akan di tanggung oleh konstruksi. Idealnya suatu rancangan konstruksi adalah yang kuat dan ringan. Namun kondisi ini seringkali tidak terpenuhi karena biasanya kekuatan berbanding lurus dengan berat konstruksi. Penelitian ini menggunakan metode simulasi dengan menggunakan perangkat lunak Catia untuk mengetahui perilaku suatu batang dalam hal ini adalah tegangan maksimum dan defleksinya bila dikenai beban. Dari hasil simulasi didapat tegangan von misses terkecil terjadi pada batang dengan penampang persegi panjang sebesar 4,71x10 7 N/m 2, kemudian batang dengan penampang berbentuk profil I sebesar 5,94x10 7 N/m 2, dan yang terakhir batang dengan penampang berbentuk bulat sebesar 1,96x10 8 N/m 2. Sedangkan defleksi terkecil terjadi pada batang dengan penampang berbentuk profil I sebesar 0,121 mm, kemudian batang dengan penampang bulat sebesar 1,85, dan yang terakhir batang dengan penampang berbentuk persegi panjang sebesar 0,188 mm. Untuk aplikasi struktur yang ringan dan kuat maka yang dipakai adalah batang dengan penampang berbentuk profil I. Kata kunci: Defleksi, Tegangan, Penampang, Simulasi I. PENDAHULAUAN Dalam perancangan struktur, pemilihan material merupakan salah satu faktor yang penting yang menentukan kekuatan struktur. Tersedianya beragam jenis material dalam hal ukuran dan bentuk penampang dipasaran disatu sisi bisa membantu perancang untuk memilih material yang dikehendaki. Namun disisi lain dengan adanya variasi pilihan tersebut memerlukan analis tersendiri agar didapat hasil perancangan yang optimal. Salah satu persoalan yang sangat penting diperhatikan dalam perencanaan struktur adalah perhitungan defleksi/lendutan pada elemen-elemen ketika mengalami suatu pembebanan. Hal ini sangat penting terutama dari segi kekuatan (strength) dan kekakuan (stiffness), dimana pada batang horizontal yang diberi beban secara lateral akan mengalami defleksi. Untuk mengetahui karakteristik material umumnya dilakukan uji tarik yang kemudian dinyatakan dengan kurva Tegangan-Regangan. Dari hasil pengujian ini kemudian didapat data modulus elastsitas, kekuatan luluh, tegangan ultimate dan tegangan patah. Untuk menentukan ukuran penampang batang dalam analisis adalah dengan mencari besarnya momen inersia yang dibutuhkan dalam suatu pembebanan dimana dalam hal ini tidak memperhatikan bentuk penampang. Dari harga momen inersia kemudian akan ditentukan ukuran penampang dengan bantuan tabel material. Dalam perancangan struktur faktor berat struktural berpengaruh terhadap besarnya beban yang akan di tanggung oleh konstruksi. Idealnya suatu rancangan konstruksi adalah yang kuat dan ringan. Namun kondisi ini seringkali tidak terpenuhi karena biasanya kekuatan berbanding lurus dengan berat konstruksi. Oleh karena itu perlu dikaji untuk menemukan suatu konstruksi yang kuat tetapi ringan. Dua struktur yang dibangun dengan material yang sama berat jenisnya akan berbeda beratnya bila volumenya berbeda. Jadi yang menentukan berat suatu konstruksi adalah volumenya. Volume berkaitan dengan luas penampang sedangkan luas penampang berhubungan dengan bentuknya. Jurnal Teknika Atw 1
Dalam penelitian ini akan membahas faktor bentuk penampang suatu batang terhadap kekuatan bending dan berat konstruksi. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode simulasi menggunakan perangkat lunak. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh faktor bentuk penampang suatu batang terhadap besarnya defleksi pada beban bending. II. BAHAN DAN METODE A. BAHAN DAN ALAT Unit komputer Software Catia V5R20 B. KAJIAN PUSTAKA Apabila suatu balok dengan sumbu longitudinal lurus dibebani oleh gaya lateral, maka sumbu tersebut akan terdeformasi menjadi suatu lengkungan yang disebut defleksi. Perhitungan defleksi merupakan bagian penting dalam analisis dan desain struktural. Defleksi juga penting dalam analisis dinamik seperti penyelidikan getaran pesawa terbang atau respon sebuah gedung terhadap gempa. Defleksi kadang-kadang dihitung untuk menyelidiki apakah harganya masih dalam batas toleransi. Defleksi pada suatu batang dapat terjadi akibat adanya beban gaya geser atau momen lentur. Lenturan akibat beban geser umumnya sangat kecil dibandingkan dengan lenturan akibat beban momen terutama untuk batang yang relative panjang (beam), sehingga lenturan akibat gaya geser dapat diabaikan (Dewa N.K.P & Si Putu Gde G.T, 2009). Besarnya lenturan yang terjabeberapa factor sebagai berikut: 1. Sifat kekakuan batang (Modulus elasticity) 2. Posisi batang terhadap beban dimensi batang yang biasanya ditunjukkan dalam besaran momen inersia batang 3. besarnya beban yang diterima. Menurut S. Timoshenko (1986) dalam (Mustafa, 2012) ada 5 jenis batang yang digunakan pada jenis tumpuan yaitu : a. Batang kantilever. Merupakan batang yang ditumpu secara kaku pada salah satu ujungnya dan ujung yang lainnya menggantung bebas. b. Batang yang ditumpu sederhana. Merupakan batang dimana batang bertumpu bebas diatas tumpuan kedua ujung-ujungnya. c. Batang tergantung. Merupakan batang dimana salah satu ujungnya dipegang secara kaku (dijepit) dan pada bagian lain dari batang yang ditumpu bebas. d. Batang jepit. Merupakan batang dimana kedua ujungnya dipegang secara kaku. e. Batang kontinu. Merupakan batang dimana batang di tumpu lebih dari dua tumpuan pada sepanjang batang. Gambar 1 merupakan sebuah batang ditumpu sederhana, dimana tumpuan engsel pada salah satu ujungnya dan tumpuan rol pada ujung yang lain dengan beban terpusat P pada rentang batang dan beban terbagi merata q sepanjang batang. Gambar 2. Tumpuan sederhana dengan beban terpusat P pada rentang batang dan beban terbagi merata q sepanjang batang (Mustafa, 2012) Persamaan defleksi adalah : Untuk 0 x a Jurnal Teknika Atw 2
[ ] [ ]...(1) Untuk a x L [ ] [ ]...(2) Dimana y = defleksi x = jarak beban terhadap tumpuan L = panjangbatang E = Modulus Young I = Momen inersia a = jarak beban terhadap tumpuan A b = jarak beban terhadap tumpuan B Momen inersia balok dapat dihitung berdasarkan penampang balok pada gambar 2. Gambar 3. Gambar penampang balok (Mustafa, 2012) Sehingga momen inersia (I) adalah : Dimana: b = lebar batang h = tinggi batang C. METODE PENELITIAN...(3) Metode penelitian adalah suatu cara yang digunakan dalam penelitian, sehingga pelaksanaan dan hasil penelitian bisa dipertanggungjawabkan secara ilmiah. Penelitian ini menggunakan metode Stress Analysis yaitu analisis tegangan dengan menggunakan program Catia. a. Tempat dan waktu penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Akademi teknologi Warga Surakarta Program Studi Teknik Mesin b. Jenis Penilitian Penelitian ini termasuk kategori penelitian rekayasa yaitu penelitian yang digunakan untuk rekayasa mekanisme, produk atau metode baru dengan menggunakan teori yang sudah ada. Berdasarkan kasus tersebut, penelitian yang akan dilaksanakan mencakup bahan/komponen yang diteliti dan cara penelitian. Jurnal Teknika Atw 3
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 1. Diagram alir penelitian Sebelum melakukan analisis, data-data yang perlu diketahui adalah sebagai berikut: Material yang dibuat simulasi adalah baja dengan data material sebagai berikut: Modulus Young : 200 GPa Rasio Poisson : 0,3 Densitas : 7850 kg/m 3 Yield strength :250 GPa Momen inersia : 1,4. 10 6 mm 4 Ukuran mesh : 5 mm (ukuran mesh dibuat sama untuk seluruh penampang sehingga untuk jumlah node dan elemen menjadi tidak sama dari masing-masing penampang) Prosedur analisis dengan menggunakan perangkat lunak Catia: 1. Membuat desain penampang batang Jurnal Teknika Atw 4
Gambar 3. Bentuk penampang batang (panjang batang 1000 mm) 2. Melakukan meshing Ukuran mesh : 5 mm (ukuran mesh dibuat sama untuk seluruh penampang sehingga untuk jumlah node dan elemen menjadi tidak sama dari masing-masing penampang) Gambar 4. Mesh size 3. Memberikan beban dan constrain Gambar 5. Load dan Constrain 4. Memasukkan data material Jurnal Teknika Atw 5
Gambar 6. Properties material 5. Melakukan computasi program 6. Menampilkan hasil Gambar 7. Computasi programe (a) (b) Gambar 8. Hasil simulasi untuk penampang profil I (a: tegangan von misses, b: defleksi) Tegangan Von Misses maksimal yang terjadi adalah 5,94.10 7 N/m 2, sedang defleksi yang terjadi sebesar 0,121 mm. Jurnal Teknika Atw 6
(a) (b) Gambar 9. Hasil simulasi untuk penampang kotak (a: tegangan von misses, b: defleksi). Tegangan Von Misses maksimal yang terjadi adalah 4,71.10 7 N/m 2, sedang defleksi yang terjadi sebesar 0,188 mm. (a) (b) Gambar 10. Hasil simulasi untuk penampang lingkaran (a: tegangan von misses, b: defleksi) Tegangan Von Misses maksimal yang terjadi adalah 1,96.10 8 N/m 2, sedang defleksi yang terjadi sebesar 0,185 mm. Untuk berat dari masing-masing batang dihitung dengan cara mengalikan volumenya dengan densitas dari baja. Berat dari batang yang berbentuk profil I beratnya adalah 157 kg, batang berbentuk persegi panjang beratnya 235,5 kg dan batang berbentuk bulat beratnya 314 kg. 3.E+08 Tegangan N/m^2 2.E+08 2.E+08 1.E+08 5.E+07 0.E+00 Profil I Persegi panjang Bulat Grafik 1. Perbandingan tegangan von misses maksimum Jurnal Teknika Atw 7
0.2 0.15 0.1 0.05 Defleksi 0 350 300 250 200 150 100 50 0 Profil I Persegi panjang Bulat Grafik 2. Perbandingan defleksi maksimum Berat Profil I Persegi panjang Bulat Grafik 3. Perbandingan berat batang Dari analisis diatas menunjukkan bahwa bentuk penampang suatu batang berpengaruh terhadap tegangan maksimum dan defleksi yang terjadi dari suatu pembebanan. IV. KESIMPULAN Dari hasil analisis tegangan von misses dan defleksi pada batang dengan tiga variasi bentuk penampang dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Dari hasil simulasi didapat tegangan von misses terkecil terjadi pada batang dengan penampang persegi panjang sebesar 4,71x10 7 N/m 2, kemudian batang dengan penampang berbentuk profil I sebesar 5,94x10 7 N/m 2, dan yang terakhir batang dengan penampang berbentuk bulat sebesar 1,96x10 8 N/m 2. 2. Dari hasil simulasi didapat defleksi terkecil terjadi pada batang dengan penampang berbentuk profil I sebesar 0,121 mm, kemudian batang dengan penampang bulat sebesar 1,85, dan yang terakhir batang dengan penampang berbentuk persegi panjang sebesar 0,188 mm 3. Dari hasil perhitungan berat batang didapat hasil berat terbesar adalah batang dengan penampang berbentuk bulat sebesar 314 kg, kemudian batang dengan penampang berbentuk persegi panjang sebesar 235,5 kg dan yang terakhir adalah batang dengan penampang berbentuk profil I sebesar 157 kg. Jurnal Teknika Atw 8
4. Bentuk penampang suatu batang berpengaruh terhadap tegangan dan defleksi yang terjadi dari suatu pembebanan. 5. Untuk aplikasi struktur yang ringan dan kuat maka yang dipakai adalah batang dengan penampang berbentuk profil I. Referensi. [1] Hendri Nurdin,2011, Mulianti, Jurnal Teknik Mesin Vol. 8, No. 1, Juni 2011 ISSN 1829-8958 [2] Mustafa, 2012, Kaji Numerik Dan Eksperimental Lendutan Balok Baja Karbon St 60 Dengan Tumpuan Engsel Rol, al Mekanikal, Vol. 3 No. 1: Januari 2012: 221-230, ISSN 2086 3403, Palu [3] Dewa Ngakan Ketut Putra Negara & Si Putu Gde Gunawan Tista, 2009, Simulasi dan Studi Eksperimen Defleksi Beam Bright Mild Steel Akibat Variasi Beban Horisontal, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Cakram Vol. 3 No.1, Juni 2009 ( 69-74 ) Jurnal Teknika Atw 9