Sambungan paku keling (Riveted Joints) Ir. Bambang W Sidharta, M.Eng. IST AKPRIND 2014

Pada topik ini kita akan mendiskusikan sambungan paku keling dan baut Pada topik ini kita akan mendiskusikan sambungan paku keling dan baut. Kita akan menggunakan metode dan analisa yang sama untuk kedua macam sambungan ini. Pada dasarnya, sebuah sambungan paku keling dibuat dengan memanaskan paku kemudian dimasukkan ke dalam sebuah lubang yang menghubungkan dua pelat atau balok/tiang (beam). Ketika paku keling dingin, akan timbul tegangan pada paku keling dan pelat tersebut secara bersamaan. Sedangkan pada sambungan baut, baut berkekuatan tinggi dimasukkan ke dalam lubang diantara pelat atau beam dan kemudian dikencangkan (biasanya besarnya kira-kira 70% dari tensile strength baut yang diizinkan). Umumnya lubang untuk baut sedikit lebih besar dari bautnya. Pada diskusi ini , kita asumsikan bahwa diameter lubang baik untuk paku keling maupun baut, besarnya sama dengan diameter paku maupun bautnya. Sebelum kita tentukan jenis kegagalan yang terjadi, kita tentukan beberapa asumsi yang digunakan pada diskusi ini : Paku keling dan baut mengisi lubang sambungan dengan sempurna. Beban yang diaplikasikan pada paku (baut) adalah sama Tegangan geser untuk paku maupun baut didistribusikan secara merata pada luas penampang paku maupun baut Beban tarik pada pelat juga didistribusikan merata pada bahan pelat.

Ada dua tipe dasar dari sambungan paku keling (rivet) atau baut (bolted), yaitu Lap joints (sambungan berimpit) dan Butt Joints (sambungan bilah). Dapat kita lihat gambar dari Lap joints (diagram 1) dan butt joints (diagram 2). Pada Lap Joints, dua pelat saling dihimpitkan, dan kemudian paku keling atau baut dimasukkan ke dalam lubang yang saling berhubungan di kedua pelat tersebut. Pada Butt Joints, kedua ujung pelat disatukan, kemudian ditutup dengan sebilah atau dua bilah pelat, lalu disatukan dengan paku keling atau baut. Beban pada pelat utama ditransfer ke pelat penutup melalui paku atau baut, dan ditransfer kembali ke pelat utama lainnya.

Pitch adalah jarak antara paku keling (baut) pada pola sambungan. Back Pitch (Transverse Pitch atau Gauge) adalah jarak antara baris pada pola sambungan. Baris 1 pada pola adalah baris yang terdekat pada beban yang digunakan. Sebagai pedoman umum untuk pelat baja dan aluminium, pitch minimum adalah 3 kali diameter paku keling atau baut dan edge pitch (jarak dari paku terdekat ke ujung pelat) besarnya 1,5 kali diameter paku keling atau baut. Ada beberapa kegagalan pada sambungan paku keling ataupun baut : Rivet Shear (paku keling bergeser). Pada diagram 3, pada potongan melintang dari sambungan paku keling, area paku antara kedua pelat dalam keadaan geser. Kita dapatkan Kekuatan dari Rivet Shear dengan menggunakan definisi sederhana dari Tegangan Geser yaitu Tegangan paralel dengan area geser dibagi dengan area. Jadi jika kita gunakan tegangan geser yang diizinkan dari bahan paku dikalikan dengan luas penampang paku, maka akan kita dapatkan beban dari satu luas area paku keling yang dapat menahan beban geser sebelum paku keling tersebut patah. (Patah terjadi jika beban yang didapatkan oleh paku keling lebih besar dari beban yang diizinkan)

Privet shear = N (π . d2/4) σall Kita dapatkan rumus sebagai berikut : Privet shear = N (π . d2/4) σall Dimana : N = jumlah area geser. Hal ini sama dengan banyaknya rivet pada lap joints atau butt joints pada satu bilah atau dua kali jumlah rivet bila jenis sambungan butt joints dengan dua bilah ganda. A = π . d2/4 (atau π . r2) adalah luas penampang bidang geser pada rivet. σall = tegangan geser yang diizinkan dari bahan/material rivet.

Kegagalan Rivet/pelat karena beban tekan : Kegagalan/kerusakan terjadi karena adanya gaya tekan (kompresi) baik pada paku keling maupun pada pelatnya. Jika kita perhatikan diagram 4 bagian tengah, pelat yang atas mengalami tarikan dari bagian yang dikeling ke tepi pelat. Hal ini mengakibatkan pelat di bagian belakang kelingan mengalami gaya tekan dan jika beban cukup besar, maka pelat akan mengalami kerusakan karena gaya kompresi/tekanan. Dari perspektif kelingan, pelat akan mengalami gaya tarik sedangkan paku keling mengalami gaya tekan/kompresi.

Untuk menentukan beban yang dapat mengakibatkan kegagalan, kita kembali mengalikan tegangan dengan luas area. Dalam hal ini, prakteknya secara umum diambil luas area pada luas penampang vertikal dari paku keling yang mengalami kompresi (diagram 5). Didapatkan rumus sebagai berikut : Pbearing = N (d . t) σall Dimana : N = jumlah rivet yang mengalami tekanan d = diameter rivet t = ketebalan dari pelat utama σall = Tegangan kompresi yang diizinkan material rivet atau pelat.

Plate Tearing (pelat yang sobek) : Ini adalah kerusakan karena tensile pada material pelat pada posisi barisan rivet, pelat akan sobek terlebih dahulu ketika lubang berada pada pelat, kejadian ini identik dengan sobeknya kertas tissue ketika adanya perforasi padanya. Dari diagram 6 di bawah ini , luas penampang pelat dalam keadaan solid : A = (w . t) Didapatkan rumus sebagai berikut : Pbaris1 = (w – nd)t.σall Dimana : w = lebar dari pelat n = jumlah rivet pada setiap baris (pada contoh ini, baris 1, 1 buah rivet) d = diameter rivet t = tebal pelat σall = tegangan tarik maximum yang diizinkan untuk bahan pelat

Contoh Soal 1 : Sebuah sambungan bilah (butt joint) seperti digambarkan diagram 1. Diameter paku keling (rivet) adalah ¾ inch, lebar pelat 6 inch dan tebal pelat ½ inch. Tegangan yang diizinkan adalah sebagai berikut : Rivet : τ = 18.000 lb/in2 ; σt = 22.000 lb/in2 ; σc = 24.000 lb/in2. Pelat : τ = 16.000 lb/in2 ; σt = 21.000 lb/in2 ; σc = 22.000 lb/in2 Tentukan : Kekuatan dan Effisiensi dari sambungan.

Penyelesaian : Bagian I Untuk menentukan Kekuatan dari sambungan, kita hitung beban P, dimana akan mengakibatkan sambungan akan gagal , untuk setiap jenis kegagalan (rivet shear, Bearing, dan plate tearing). Beban yang paling kecil dimana akan mengakibatkan kegagalan/kerusakan sambungan disebut : Kekuatan dari sambungan . Untuk sambungan bilah (butt joint), kita hanya menggunakan ½ dari pola sambungan, jika satu sisi gagal/rusak, maka pelat utama juga akan gagal dan akibatnya sambungan akan gagal pula. Rivet shear : P = N (π.d2/4)τall P = N (π .d2/4)τ = (12 rivet).(3,1416 .(3/4)2/4).18.000 lb/in2 = 95.400 lb. Kita gunakan 12 rivet, karena salah satu bagian sambungan ada 2 bidang geser (lihat diagram 2) . Jadi pada beban 95.400 lb., sambungan akan patah/gagal karena beban geser.

Kegagalan karena bearing (compression) Pbearing = N (d.t) σc all = (6 rivets) (3/4”.1/2”).(22.000 lb/in2) = 49.500 lb. Jadi pada beban 49.500 lb dapat mengakibatkan kerusakan pada sambungan (pelat) karena adanya compression atau tekanan. Plate tearing (pelat sobek) , pada baris 1 Pbaris1 = (w – n d).t.σall = ( 6” – 1.3/4”).(1/2”).(21.000 lb/in2) = 55.100 lb. Ini adalah beban dimana pelat akan sobek karena beban tegangan. Sambungan akan gagal atau patah pada beban terkecil, yaitu pada beban akibat tekanan /kompresi, 49.500 lb. Di atas nilai ini (49.500 lb), adalah Kekuatan Sambungan, akan tetapi tetap harus mengecek kerusakan karena plate tearing pada baris ke 2 atau bahkan baris ke 3 dari sambungan , jika ada beban yang lebih rendah disana. 3a. Plate tearing pada baris 2 Perbedaan utama antara plate tearing baris 2 dan baris 1 adalah material pelat pada baris ke 2 tidak menanggung semua beban P. Hal ini terjadi karena sebagian dari beban sudah ditransfer ke pelat bagian bawah melalui rivet pada baris 1. Karena ada 6 buah rivet pada bagian kiri dari sambungan, kita asumsikan bahwa beban terbagi merata ke 6 buah rivet, sehingga 1/6 bagian beban sudah ditransfer ke bagian atas bilah dan ke bagian kedua dari pelat utama.

Jadi baris ke dua menanggung 5/6 dari beban P, sehingga dapat kita tulis : (5/6)Pbaris2 = (w – n d)t.σall = (6” – 2 . ¾”).(1/2”).(21.000 lb/in2) = 47.250 lb, shg, Pbaris2 = (6/5).47250 lb = 56.700 lb. Ini adalah beban dimana akan terjadi kegagalan geseran pada baris 2 karena adanya tension. Hal ini membuktikan bahwa kerusakan akibat tension akan terjadi pada baris 1 terlebih dahulu dibandingkan pada baris 2. 3b. Plate tearing pada baris 3 Karena ada 3 buah rivet pada baris 1 dan 2, hal ini berarti 3/6 bagian beban di transfer ke pelat di bawahnya, sehingga rivet pada baris ke 3 hanya menanggung beban 3/6 nya, sehingga dapat kita hitung : (3/6)Pbaris3 = (w – nd)t.σall = (6” – 3 . 3/4”).(1/2”).(21.000 lb/in2) = 39.400 lb, shg , Pbaris3 = (6/3).39.400 lb = 78.800 lb. Disini dapat kita lihat bahwa beban yang dapat mengakibatkan kegagalan pada baris 3 lebih besar daripada baris 1 dan 2. Setelah kita bandingkan, ternyata beban yang terkecil yang dapat mengakibatkan kegagalan adalah beban karena tegangan kompresi, 49.500 lb, dan ini adalah Kekuatan dari Sambungan terakhir, sehingga beban yang lebih besar dapat digunakan dengan aman.

Bagian II : Kekuatan dari sambungan sendiri tidak menyatakan bahwa sambungan tersebut baik. Oleh karena itu harus menentukan seberapa baik atau effisien suatu sambungan dengan membandingkan antara Kekuatan dari sambungan dengan kekuatan dari pelat tanpa sambungan (tanpa sambungan rivet atau baut). Kekuatan dari sambungan adalah 49.500 lb (kita dapatkan di atas). Sedangkan kekuatan dari pelat kita dapatkan dari diagram 3 di bawah ini Kekuatan pelat = luas penampang pelat dikalikan dengan tegangan tarik yang diizinkan dari pelat Ppelat = (w.t).σall = (6”.1/2”).21.000 lb/in2 = 63.000 lb. Ini adalah kekuatan pelat, sehingga kita dapat mendefinisikan Effisiensi Sambungan sebagai ratio dari Kekuatan Sambungan dengan Kekuatan Pelat atau , Effisiensi = Kekuatan sambungan/Kekuatan Pelat = 49.500 lb/63.000 lb = 0,786 = 78,6% Hasil ini menyatakan bahwa Sambungan Bilah (butt joint) mempunyai kekuatan 78,6 % dari kekuatan pelat tanpa sambungan.

Pola Sambungan Lap Joints dan Butt Joints

Contoh Soal 2 : Sebuah sambungan berimpit (lap joints), lihat diagram 2, menghubungkan 2 pelat baja , dimana kedua nya mempunyai lebar pelat 6 inch dan tebal ½ inch. Rivet yang digunakan mempunyai diameter ¾ inch. Maksimum tegangan yang diizinkan untuk rivet dan bahan material pelat adalah sebagai berikut : Rivet : τ = 16.000 lb/in2 ; σt = 22.000 lb/in2 ; σc = 25.000 lb/in2 Pelat : τ = 17.000 lb/in2 ; σt = 20.000 lb/in2 ; σc = 24.000 lb/in2 Tentukan jumlah rivet untuk mendapatkan sambungan yang effisien. Pilih pola sambungan yang terbaik berdasarkan diagram 2 di bawah Hitung kekuatan dan effisiensi dari sambungan.

Penyelesaian : Bagian A Langkah 1 : Hitung beban yang dapat mengakibatkan sambungan gagal dengan pelat yang sobek pada baris 1, diasumsikan pada baris 1 ada 1 rivet. Pbaris 1 = (w – n d)t. σall , Dimana : w = lebar dari pelat = 6 inch n = jumlah dari rivet dalam 1 baris (pada baris 1, 1 rivet) d = diameter dari rivet = ¾ inch t = tebal dari pelat = ½ inch σall = Tegangan tarik maksimum yang diizinkan untuk bahan pelat = 20.000 lb/in2 Pbaris1 = (6” – 1.3/4”).(1/2”).20.000 lb/in2 = 52.500 lb. Langkah 2 : Hitung beban maksimum dimana rivet dapat menahan beban geser (shear) Privet shear = N (π.d2/4)τall Dimana N = jumlah bidang geser . Pada sambungan berhimpit, bidang geser hanya 1. d = ¾ inch τall = 16.000 lb/in2 Privet shear = 1(3,1416.(3/4”)2/4).16.000 lb/in2 = 7070 lb/rivet

Pbearing = 1.[(3/4”).(1/2”)].24.000 lb/in2 = 9000 lb/rivet Langkah 3 : Hitung beban maksimum dimana 1 buah rivet (bahan pelat di belakang rivet) dapat menahan bearing (kompresi). Pbearing = N (d.t) σc all Dimana : N = jumlah rivet pada kompresi = 1 d = diameter rivet = ¾ inch t = tebal pelat = ½ inch σc all = tegangan tekan terkecil yang diizinkan dari rivet atau pelat = 24.000 lb/in2. Pbearing = 1.[(3/4”).(1/2”)].24.000 lb/in2 = 9000 lb/rivet Langkah 4 : Bagi beban yang diizinkan pada plate tearing, yang telah dihitung pada langkah 1, dengan beban per rivet yang kecil dari hasil perhitungan langkah 2 dan 3, dan bulatkan hasilnya. Jumlah rivet = 52.000 lb./7070 lb./rivet = 7,43 , dibulatkan menjadi 8 buah rivet.

Pshear = N.Privet shear = 8.7070 lb./rivet = 56.560 lb. Penyelesaian : Bagian B Kita gunakan jumlah rivet yang kita dapatkan pada langkah 4 untuk memilih pola sambungan yang digambarkan pada diagram 1. Dari diagram 1 tadi, kita pilih pola sambungan seperti digambarkan pada diagram 3. Bagian C Gunakan pola sambungan yang telah dipilih, untuk menghitung Kekuatan dan effisiensi dari sambungan. Rivet shear : Pshear = N.Privet shear = 8.7070 lb./rivet = 56.560 lb.

2. Bearing failure (Kegagalan karena kompresi): Pbearing = N. Pbearing = 8. 9000 lb./rivet = 72.000 lb. 3. Plate tearing (baris 1) Pbaris1 = (6” – 1.3/4”).(1/2”).20.000 lb./in2 = 52.500 lb. 4. Plate tearing (baris 2) , baris2 menahan 7/8 dari beban, (7/8)Pbaris2 = (6” – 2.3/4”).(1/2”).20.000 lb./in2 = 45.000 lb. , Pbaris2 = (8/7).45.000 lb. = 51.400 lb. 5. Plate tearing (baris 3), baris ke 3 menahan 5/8 dari beban, (5/8)Pbaris3 = (6”- 2.3/4”).(1/2”). 20.000 lb./in2 = 45.000 lb. , Pbaris3 = (8/5).45.000 lb. = 72.000 lb. Berdasarkan perhitungan di atas, kita dapatkan bahwa Kekuatan dari sambungan adalah 51.400 lb. (plate tearing baris 2) Effisiensi = Kekuatan Sambungan/Kekuatan Pelat = 51.400 lb./(6”.1/2”).20.000 lb./in2 = 0.86 = 86 %

Contoh Soal 3 : Sebuah sambungan bilah (butt joint) menghubungkan 2 lembar pelat, dimana keduanya mempunyai lebar 7 inch dan ketebalan ¾ inch. Rivet yang digunakan mempunyai diameter 5/8 inch. Maksimum tegangan yang diizinkan untuk rivet dan material pelat adalah sebagai berikut : Rivet : τ = 15.000 lb/in2 ; σt = 24.000 lb/in2 ; σc = 26.000 lb/in2 Pelat : τ = 16.000 lb/in2 ; σt = 22.000 lb/in2 ; σc = 24.000 lb/in2 Tentukan jumlah rivet agar didapatkan sambungan yang paling effisien. Pilihlah pola berdasarkan pola pada diagram 2 Hitung kekuatan dan effisiensi dari sambungan.

Pbaris1 = (7” – 1.5/8”) (¾”). 22,000 lb/in2 = 105.200 lb. Penyelesaian : Bagian A. Langkah 1 : Hitunglah beban yang dapat mengakibatkan pelat sobek pada baris 1. Asumsikan pada baris pertama hanya ada 1 rivet. Kita gunakan rumus : Pbaris1 = (w – n d)t. σt all Dimana : w = lebar pelat = 7 inch n = jumlah rivet pada barisan (barisan 1 , 1 rivet) d = diameter rivet = 5/8 inch t = tebal dari pelat = ¾ inch σ t all = tegangan tarik maksimum yang diizinkan dari material pelat = 22.000 lb/in2 Pbaris1 = (7” – 1.5/8”) (¾”). 22,000 lb/in2 = 105.200 lb.

Privet shear = N (π.d2/4).τall Dimana : Langkah 2 : Hitung beban maksimum, dimana 1 rivet dapat menahan rivet shear (karena gaya geser). Kita gunakan rumus : Privet shear = N (π.d2/4).τall Dimana : N = jumlah area bidang geser. Untuk sambungan bilah ganda ada 2 area bidang geser, sehingga N =2 . d = 5/8” τall = 15.000 lb/in2. Privet shear = 2 (3,1416 . (5/8”)2/4) . 15.000 lb/in2 = 9.200 lb./rivet Langkah 3 : Hitung beban maksimum dimana 1 rivet (atau material pelat di belakang rivet) dapat menahan bearing (beban kompresi). Pbearing = N (d,t) σc all N = jumlah rivet yang mengalami kompresi = 1 d = diameter rivet = 5/8 inch t = tebal pelat = ¾ inch. σc all = tegangan tekan paling kecil yang diizinkan dari rivet atau pelat = 24.000 lb./in2 Pbearing = 1 . [(5/8”).(3/4”)]. 24,000 lb/in2 = 11.250 lb/rivet.

Langkah 4 : Bagilah hasil yang didapatkan pada langkah 1, yaitu beban pada saat pelat sobek, dengan beban yang paling kecil, hasil dari langkah 2 dan 3, dan bulatkan hasilnya , akan menghasilkan sambungan yang sangat effisien. Jumlah Rivet = 105,200 lb./9200lb./rivet = 11,43; dibulatkan menjadi 12. Bagian B : Kita gunakan jumlah rivet yang telah dicari pada bagian A untuk menentukan pola terbaik dari sambungan . Dari diagram1 di atas, kita pilih pola sambungan berimpit dengan jumlah rivet yang sesuai. (lihat diagram 3)

P bearing = 12 . 11250 lb/rivet = 135.000 lb. Bagian C : Akhirnya, dengan menggunakan pola sambungan yang dipilih, kita hitung kekuatan dan effisiensi dari sambungan. Rivet Shear : Kita sudah tentukan/hitung bahwa 1 rivet dapat menahan beban 9.200 lb/rivet, sehingga sambungan dapat menahan beban total pada rvet shear adalah hasil dari jumlah rivet dengan beban yang diizinkan per rivet : P shear = 12 . 9200 lb./rivet = 110.400 lb. 2. Bearing Failure (kegagalan karena kompresi): Kita sudah menghitung beban yang diizinkan per rivet dalam kompresi = 11250 lb/rivet. Jadi total beban yang dapat ditahan sambungan dalam beban kompresi : P bearing = 12 . 11250 lb/rivet = 135.000 lb. 3. Plate Tearing (Pelat Sobek), baris 1: Pada langkah 1 di atas, kita sudah menghitung Pbaris1 = (7” – 1.5/8”).(3/4”). 22.000 lb./in2 = 105.200 lb Akan tetapi, karena kita sudah menentukan pola dari sambungan, kita juga perlu menghitung sobeknya pelat pada baris 2 dan juga baris 3.

Plate Tearing (pelat sobek) pada baris 2 : Baris ke2 menahan 11/12 dari beban, sehingga dapat kita tulis : (11/12)Pbaris2 = (7” -2.5/8”).(3/4”).22.000 lb./in2 = 94,875 lb., sehingga Pbaris2 = (12/11). 94.875 lb = 103.500 lb. Catatan : Karena hasil perhitungan ini merupakan yang terrendah untuk menghasilkan kegagalan, sehingga disebut : Kekuatan dari Sambungan. Kita harus tetap menghitung beban pada baris 3 Pelat sobek baris 3 : Baris 3 menahan 9/12 dari beban, sehingga dapat kita tulis : (9/12)Pbaris3 = (7” – 2.5/8”).(3/4”).22,000 lb/in2 = 94.875 lb dan kemudian : Pbaris3 = (12/9). 94875 lb = 126.500 lb. Karena beban ini lebih besar dari beban yang dapat menghasilkan kegagalan pada baris2, maka perhitungan selanjutnya dihentikan. Kita dapatkan Kekuatan dari Sambungan (Strength of the Joint), adalah 103.500 lb (pelat sobek pada baris 2) Effisiensi : Kekuatan Sambungan/Kekuatan Pelat = 103.500 lb. /(7” . ¾”) . 22,000 lb/in2 = 0,896 = 89,6 %.

Soal Latihan : Sebuah sambungan berhimpit (lap joint) seperti pada diagram 1 di bawah. Diameter rivet 1 inch, lebar pelat 12 inch dan ketebalan pelat 5/8 inch. Tegangan yang diizinkan adalah sebagai berikut : Rivet : τ = 20.000 lb./in2 ; σt = 26.000 lb./in2 ; σc = 28.000 lb./in2. Pelat : τ = 17.000 lb./in2 ; σt = 22.000 lb./in2 ; σc = 24.000 lb./in2. Tentukan Kekuatan Sambungan dan Effisiensi Sambungan!

Sambungan bilah ganda (butt joint) seperti gambar diagram 2 di bawah menghubungkan 2 pelat baja, dimana lebar keduanya adalah 9 inch dan tebalnya 7/8 inch. Rivet yang digunakan mempunyai diameter ¾ inch. Tegangan maksimum yang diizinkan untuk rivet dan pelat adalah sebagai berikut : Rivet : τ = 17.000 lb./in2 ; σt = 22.000 lb./in2 ; σc = 23.000 lb./in2 Pelat : τ = 18.000 lb./in2 ; σt = 24.000 lb./in2 ; σc = 26.000 lb./in2 a. Tentukan jumlah rivet untuk mendapatkan sambungan yang effisien. b. Pilihlah pola sambungan yang terbaik berdasarkan diagram 3. c. Hitung kekuatan dan effisiensi dari sambungan.

3. Sambungan bilah ganda (butt joint) seperti gambar diagram 2 di bawah menghubungkan 2 pelat baja, dimana lebar keduanya adalah 10 inch dan tebalnya 1 inch. Rivet yang digunakan mempunyai diameter 5/8 inch. Tegangan maksimum yang diizinkan untuk rivet dan pelat adalah sebagai berikut : Rivet : τ = 18.000 lb./in2 ; σt = 23.000 lb./in2 ; σc = 24.000 lb./in2 Pelat : τ = 19.000 lb./in2 ; σt = 25.000 lb./in2 ; σc = 27.000 lb./in2 a. Tentukan jumlah rivet untuk mendapatkan sambungan yang effisien. b. Pilihlah pola sambungan yang terbaik berdasarkan diagram 3. c. Hitung kekuatan dan effisiensi dari sambungan.