Mekanika Teknik Pengenalan Tegangan dan Regangan

Statika Statika adalah cabang ilmu fisika yang berkaitan dengan pengaruh gaya kepada benda. Hukum-hukum Newton diaplikasikan kepada benda-benda tidak nyata untuk memperlihatkan pengaruh gaya kepada benda Dalam statika yang dipelajari adalah bagaimana membuat resultan gaya dan momen sama dengan 0.

Resultan Gaya Resultan gaya adalah penjumlahan setiap vektor gaya. Resultan gaya yang tidak sama dengan nol mengakibatkan benda bergerak dengan percepatan (a) tetap sesuai rumus F=ma.

Resultan Momen Momen adalah perkalian skalar jarak dengan vektor gaya Resultan momen merupakan penjumlahan momen-momen Resultan momen yang tidak sama dengan nol akan mengakibatkan benda berputar terhadap titik beratnya.

Menghitung Momen Untuk menghitung momen harus ditentukan terlebih dahulu titik di mana momen ditinjau. Gaya yang bekerja pada benda memiliki titik tangkap. Ketika kita mendorong suatu kotak dengan jari maka titik di mana jari menyentuh disebut titik tangkap. Jarak pada rumus momen merupakan jarak dari titik tinjau ke titik tangkap. Pada gambar di bawah ini MA = r F cos α F A α r

Diagram Bebas Benda (DBB) DBB adalah penggambaran sebuah benda dari keadaan sebenarnya ke dalam suatu ilustrasi yang hanya menampilkan benda tersebut dan gaya-gaya yang merupakan simbol dari efek-efek yang bekerja pada benda. Penguasaan cara membuat DBB sangat penting dalam mekanika teknik karena ini adalah langkah awal dalam menyelesaikan masalah di mekanika teknik

Contoh-contoh DBB Fy Fy M P M P Fx Fx w Berat benda diabaikan Berat benda tidak diabaikan

Bagaimana dengan yang ini?

Sifat Material Padat Material padat memiliki bentuk tetap (berbeda dengan cair) dan tidak dapat dimampatkan (berbeda dengan gas). Pada material padat setiap partikelnya terikat erat dengan partikel lainnya, maka setiap aksi yang dilakukan terhadap material akan dirasakan juga oleh setiap partikel yang menyusunnya. Material padat berupa logam memiliki sifat-sifat yang cocok untuk digunakan dalam rekayasa teknik. Untuk lingkup rekayasa struktur antara lain: Kekuatan dan kekerasan Dapat dibentuk Material logam banyak macam jenis dan ragamnya sehingga sifat-sifat yang telah dikemukakan bervariasi

Sifat Material Padat Pemilihan material penting sehingga diperlukan ilmu untuk dapat menentukan sifat-sifat tersebut dalam bentuk angka spesifikasi yang dapat dipergunakan dalam perhitungan. Ilmu material teknik berkaitan dengan hal ini. Rekayasa teknik menggunakan spesifikasi tersebut dalam perhitungan. Ilmu perhitungan untuk menentukan rancangan struktur yang termasuk di dalamnya jenis material dan dimensi-dimensi struktur tercakup dalam Mekanika Teknik.

Spesifikasi Material Secara umum spesifikasi material yang berguna dalam menentukan material yang akan digunakan adalah: Sifat Fisik : Kepadatan (massa jenis), temperatur leleh Sifat Mekanik : Modulus elastisitas, modulus geser, rasio Poisson, kekuatan yield, kekuatan ultimate, elongation Sifat Thermal : Koefisien ekspansi thermal, koefisien konduktivitas thermal Sifat Kelistrikan: Tahanan Listrik Sifat Akustik : Kecepatan rambat gelombang Sifat mekanik merupakan sifat yang menjadi bahan kajian dalam mekanika teknik

Beban Dasar Material Tarikan (Tension) Tekanan (Compression) Geser (Shear) Lenturan (Bending) Puntiran (Puntiran)

Keseragaman (Homogen) Dalam mekanika teknik ini, material padat yang menjadi objek dianggap seragam atau homogen Sifat homogen ini berarti apabila material tersebut dipotong sekecil apapun yang berubah adalah ukurannya saja. Sifat-sifat materialnya masih sama dengan material asal.

Tarikan Suatu batang prismatik dengan panjang L diberi beban tarikan P digambarkan pada gambar a dan b. Batang prismatik adalah batang yang memiliki penampang yang sama sepanjang batang. Akibat tarikan ini, batang akan bertambah panjang sebesar δ Selain itu, batang tersebut mendapatkan tegangan sebesar σ

Tegangan Normal Tegangan Normal adalah besaran gaya axial yang diterima oleh material dan didefinisikan sebagai: σ = P/A Di mana: P = Gaya axial yang diberikan (Newton) A = Luas penampang (m2) Rumus ini menunjukkan rata-rata tegangan yang dialami setiap partikel dalam material yang ditarik/ditekan. Istilah normal ini menunjukkan gaya yang diberikan tegak lurus terhadap penampang yang dikaji.

Regangan Normal Regangan adalah rasio pertambahan panjang terhadap panjang semula. Regangan disimbolkan dengan (epsilon) Dimana : δ (delta) = pertambahan panjang (m) L = panjang semula (m) Apabila regangan ini terkait dengan tegangan normal maka regangan ini juga disebut regangan normal. Regangan normal dapat disebut regangan tarik apabila gaya yang diberikan adalah berupa tarikan, dan disebut regangan tekan apabila gaya yang diberikan berupa tekanan Regangan bernilai positif karena delta positif untuk regangan tarik dan negatif untuk regangan tekan.

Uji Tarik Untuk dapat menentukan sifat mekanik material seperti kekuatan yield dan kekuatan ultimate, perlu dilakukan uji tarik. Ujit tarik menggunakan standar yang mengatur spesimen, alat, dan cara pengujian yang dilakukan. Dengan standar yang sama, maka setiap bisa material bisa dibandingkan . Pemasangan spesimen dan alat ukur Alat/Mesin Uji Spesimen

Pengujian Dalam pengujian, mesin uji akan menarik spesimen dengan kekuatan terukur (diketahui). Gaya tarik ini terus ditingkatkan sambil diukur juga pertambahan panjang yang terjadi pada spesimen Hasil dari pengujian adalah berupa diagram tegangan-regangan

Diagram Tegangan dan Regangan

Penjelasan Dari O ke A pertambahan panjang linear terhadap tegangan sehingga disebut daerah linear (linear region). Kemiringan garis O-A adalah modulus elastisitas. Dari A ke B pertambahan panjang tidak lagi linear. Dari B ke C pertambahan panjang terjadi tanpa perlu kenaikan tegangan (gaya). Daerah ini disebut daerah plastis yang berarti jika gaya dilepaskan, panjang spesimen tidak akan kembali ke panjang semula. Fenomena ini disebut juga dengan yielding. Dan tegangan yang terukur merupakan tegangan yield. Dari C ke D material spesimen mangeras untuk melawan tegangan yang terus bertambah. Di daerah ini disebut pengerasan regangan (strain hardening). Dari C ke E’ merupakan hasil pengukuran yang sebenarnya terjadi di mana tegangan terus dinaikkan dan seiring dengan itu pertambahan panjangpun terjadi hingga akhirnya spesimen putus ketika pengukuran telah sampai di titik E’. Namun di sini terjadi perubahan yaitu mengecilnya diameter spesimen. Dari C ke D kemudian ke E adalah grafik yang terjadi apabila tidak terjadi pengecilan diameter. Di titik D material tidak dapat menjadi lebih keras lagi sehingga yang terjadi pengecilan diameter yang disebut necking. Necking berakhir di titik E ketika spesimen terputus dan menjadi akhir pengujian.

Diagram Tegangan dan Regangan Sebenarnya Untuk baja Untuk aluminium Titik A (yield stress) pada aluminium sulit ditentukan tapi dapat digunakan pendekatan ofset

Pemampatan Pemampatan (Compression) serupa tapi tak sama dengan tarikan. Gaya pemampatan merupakan gaya aksial yang sama dengan gaya tarikan. Namun dengan arah yang berbeda.

Elastisitas Elastisitas adalah kemampuan material untuk kembali ke bentuk semula apabila gaya yang diberikan dilepaskan. Plastisitas adalah kondisi di mana material tidak mampu kembali ke ukuran semula apabila gaya yang diberikan dilepaskan. Ketika material diberi tegangan melebihi batas elastis maka terjadi perubahan pada material yang berakibat panjangnya berubah dan kenaikan batas elastisitas.

Mulur (Creep) Material dapat bertambah panjang dengan sendirinya seiring waktu walaupun beban/tegangan yang diberikan masih dalam daerah elastis. Pertambahan panjang ini sangat kecil dan dalam waktu yang lama sehingga dapat diabaikan untuk sebagian besar kasus.

Elastisitas Linear Hukum Hooke E disebut modulus elastisitas dengan satuan N/m2 Rasio Poisson (ν, nu): Ketika terjadi pertambahan panjang maka terjadi pula pengecilan diameter

Tegangan Geser Tegangan geser adalah tegangan yang terjadi pada penampang yang sebidang dengan gaya tarik/tekan.

Regangan Geser Regangan geser menyertai adanya tegangan geser. Jika benda padat yang dikenai tegangan geser dikaji dalam bentuk elemen kecilnya, maka kesetimbangan dapat dimodelkan seperti gambar a. Dari model tersebut dapat disimpulkan bahwa tegangan geser tidak mengubah dimensi elemen tapi hanya mengubah bentuknya. Di gambar terlihat perubahan bentuk dapat ditentukan menurut sudut-sudut yang terbentuk dari setiap pasang rusuk yang tidak lagi siku-siku. Dengan demikian regangan geser dituliskan dalam sudut (derajat atau radian).

Faktor Keamanan (Safety Factor) Faktor keamanan = Kekuatan sebenarnya / kekuatan yang dibutuhkan Faktor keamanan haruslah bernilai lebih dari 1 agar terhindar dari kegagalan (failure) Definisi kegagalan dapat berbeda-beda misalnya apabila terjadi patah maka disebut gagal atau apabila terjadi deformasi plastis maka disebut gagal. Definisi kegagalan ini yang menentukan jenis kekuatan apa yang ingin diperhatikan. Untuk suatu perancangan biasanya faktor keamanan telah ditentukan terlebih dahulu. Penentuan ini dapat melibatkan banyak pertimbangan misalnya keselamatan manusia, jenis beban (tetap atau berubah-ubah), kondisi cuaca dan iklim (besi mudah berkarat di dekat laut atau di negara tropis) dlsb. Faktor ini dapat dicari juga di standar/pedoman.

Tegangan Ijin Suatu struktur akan dikatakan aman apabila struktur tersebut mampu menahan beban sesuai dengan perancangannya. Bagian kritis dari suatu struktur terletak pada bagian dari struktur tersebut yang memiliki tegangan paling tinggi. Apabila tegangan tersebut tidak melebihi kekuatan material pada bagian struktur tersebut maka struktur tersebut dikatakan aman. Tegangan ini dinamakan tegangan ijin Umumnya tegangan ijin dikalikan dengan suatu faktor untuk menjaga kemungkinan beban berlebih. Faktor ini disebut faktor keamanan.

Contoh soal Pada gambar berikut, tentukan: Luas penampang batang AB Diameter engsel di C Apabila tegangan ijinnya untuk tegangan tarik adalah 125 MPa dan untuk tegangan geser 45 Mpa Abaikan berat batang AB dan BC

Solusi Buat diagram bebas untuk membantu memecahkan masalah

Bagaimana Mengukur Tegangan? Cara Langsung. Jika diketahui gaya dan luas penampang maka tegangan normal bisa dihitung langsung. Cara tidak langsung. Mengukur regangan (strain) . Tegangan dapat diperoleh dengan melihat diagram tegangan-regangan

Bagaimana Mengukur Regangan? Sensor atau alat ukur berikut dapat digunakan untuk memperoleh data pertambahan panjang (δ): Menggunakan Strain Gauge Menggunakan Extensometer Mengukur pergerakan kepala uji tarik Umumnya data yang diperoleh merupakan sinyal elektronik analog.

Strain Gauge Berupa lembaran dengan kawat yang tersusun sedemikian rupa sehingga apabila direntangkan sesuai arah penginderaannya akan didapatkan perubahan resistansi di kawat tersebut. Pemasangan strain gauge dilakukan dengan merekatkan sensor ini ke permukaan dari bagian yang diukur dengan memperhatikan arah pertambahan panjang. Hasil dari sensor ini berupa perubahan resistansi yang dapat dibaca sebagai perubahan tegangan. Nilai ini kemudian dikonversi ke satuan panjang. Penanda titik tengah Titik solder Panjang sensor (L) Lembaran δ δ Arah Penginderaan

Extensometer Ada yang bertipe kontak seperti di gambar ini dan ada pula yang tidak berkontak atau menyentuh bendanya menggunakan teknik pencitraan misalnya.

Mengukur Pergerakan Kepala Uji Tarik Diam Kepala Uji Tarik Bergerak ke atas