Upload
runnerz
View
298
Download
7
Embed Size (px)
Citation preview
II TEORI DASAR
A. Pengertian Puntiran
Puntiran adalah suatu pembebanan yang penting. Sebagai contoh,
kekuatan puntir menjadi permasalahan pada poros-poros, karena elemen
deformasi plastik secara teori adalah slip (geseran) pada bidang slip,
modulus kekakuan adalah konstanta yang penting, yang diperoleh dari
pengujian puntir (dalam banyak kasus). Deformasi puntiran tidak
menunjukkan tegangan uniform pada potongan lintang seperti halnya pada
deformasi lenturan. Untuk mendapat deformasi puntiran dengan tegangan
yang uniform perlu dipergunakan batang uji berupa silinder tipis.
Patahan karena puntiran dari bahan getas terlihat pada arah
kekuatan tarik, yaitu pada 45 C terhadap sumber puntiran, sedangkan bagi
bahan yang liat patahan terjadi pada sudut tegak lurus terhadap sumbu
puntiran setelah gaya pada arah sumbu terjadi dengan deformasi yang besar,
dari hal tersebut sangat mudah menentukan keliatan dan kegetasan.
B. Diagram Tegangan-Regangan
Kekuatan bahan bukanlah kriteria satu-satunya yang harus
diperhitungkan dalam perencanaan struktur. Kekakuan bahan selalu sama
pentingnya. Dengan derajat lebih kecil, sifat seperti kekerasan, ketangguhan,
dan keliatan menetapkan pemilihan bahan sifat ini ditetapkan dengan
membuat pengujian bahan dan membandingkan hasilnya dengan standar
yang telah ada.
Gaya luar (eksternal) yang diberikan pada suatu benda harus
diimbangi oleh gaya penentang yang ada di dalam bahan. Bahan yang
mempunyai gaya internal tadi dikatakan berada dalam keadaan tegang.
Untuk lebih mengerti hakekat gaya internal ini, marilah kita perhatikan apa
yang terjadi bila suatu benda diberi beban. Mula-mula harus ditegaskan
bahwa dalam praktek, semua beban bekerja sedikit demi sedikit. Proses
pembebanan ini dapat diselesaikan dalam selang waktu yang sangat singkat,
namun tak akan pernah sesaat.
Bila gaya dikenakan pada suatu benda, maka bentuk benda akan
berubah dan molekul-molekulnya bergeser sedikit dari posisi awalnya.
Pergeseran ini mengakibatkan timbulnya gaya-gaya antar molekul, yang
tergabung untuk menentang gaya yang ditimbulkan oleh beban tadi. Bila
beban bertambah, perubahan bentuk benda makin besar dan gaya-gaya antar
molekul juga bertambah sampai pembebanan mencapai harga akhirnya.
Gaya-gaya di dalam benda mengadakan reaksi yang sama dan
berlawanan, sehingga keadaan setimbang tercapai. Bahan sekarang dalam
keadaan tegang dan terenggang. Dapat dilihat nanti bahwa kedua keadaan
ini pasti berhubungan, tegangan dalam bahan harus didampingi regangan
dan sebaliknya. Untuk menyederhanakan perhitungan, seringkali lebih
mudah bila diperhatikan ‘benda tegar’, namun ini hanya merupakan suatu
konsep; karena ada bahan yang tegar sempurna, dan tidak ada benda nyata
yang dapat menahan beban, tanpa sebelumnya mengalami perubahan
bentuk.
Bila benda berbeban yang disebutkan diatas dibagi menjadi dua
oleh suatu bidang khayal, maka tiap bagian harus berada dalam keadaan
setimbang karena pengaruh gaya luar yang bekerja padanya dan gaya-gaya
internal (yaitu gaya antar molekul) yang bekerja pada bidang khayal ini.
Intensitas tegangan (untuk mudahnya biasanya disebut ‘tegangan’) di suatu
titik pada bidang, didefinisikan sebagai gaya internal per satuan luas.
Tegangan dibedakan menjadi dua jenis. Bila gaya internal tegak lurus
pada bidang yang diamati, maka didapat tegangan normal atau langsung,
dan sesuai dengan arah gaya, dapat bersifat tarik (tensile) atau mampat
(compressive). Bila gaya internal sejajar dengan bidang yang diamati,
didapat tegangan tangensial atau geser. Seringkali resultan gaya pada
elemen luasan membentuk sudut dengan bidang luasnya. Dalam keadaan
semacam itu, gaya tersebut diuraikan menjadi komponen normal dan
tangensial, serta menghasilkan kombinasi tegangan-tegangan normal geser.
Perubahan bentuk benda yang terjadi pada keadaan tegang disebut
regangan. Ada dua macam regangan. Bahan dapat membesar atau mengecil
dan menghasilkan regangan normal; atau lapisan-lapisan bahan dapat
bergeser yang satu terhadap yang lain dan menghasilkan regangan geser.
Untuk batang dalam keadaan tarik atau komprensi sederhana, akibat yang
paling jelas terlihat adalah perubahan panjang batang, yaitu regangan
normal. Intensitas regangan (biasanya disebut ‘regangan’ saja) untuk
regangan normal, didefinisikan sebagai perbandingan perubahan ukuran
terhadap ukuran semula. Bila definisi ini diterapkan pada perubahan
panjang batang, maka :
Apabila suatu spesimen dijepit pada sebuah alat uji puntiran dan
beban serta perubahan sudut puntir diamati secara serempak, maka terjai
perubahan tegangan dan regangan pada spesimen.
Gambar 1 Diagram Tegangan Regangan
Dari sumbu O ke suatu titik yang disebut batas proporsional masih
merupakan garis lurus seperti terlihat pada gambar 2.1 dari sini kita menarik
kesimpulan hubungan terkenal pertama yang diberi dalil oleh Robert Hooke
pada tahun 1675, bahwa tegangan sebanding dengan regangan.
Tegangan
Strain
Kekuatan patah sebenarnya
Kekuatan Tertinggi
Kekuatan Patah
Titik mulur
Batas Proporsional
Batas Elastik
Konsep lain yang dikembangkan dari kurva tegangan- tegangan
adalah batas elastis, yaitu batas tegangan dimana bahan tidak kembali lagi
ke bentuk semula apabila beban dilepas tetapi akan tetap pada deformasi
tetap yang disebut Permanent Set. Titik mulur, dimana bahan memanjang
mulur khususnya terjadi terhadap baja struktur. Kekuatan mulur, sangat
berkaitan dengan titik mulur. Untuk bahan yang tidak memiliki definisi
mulur yang baik, kekuatan mulur ditetapkan dengan metode pergeseran.
Metode ini berupa penarikan suatu garis sejajar ke garis singgung awal
kurva tegangan- tegangan. Garis ini dimulai pada pergeseran regangan
sebesar 0,2 % atau 0,002 m/m, seperti diperlihatkan pada gambar 2.2.
Perpotongan garis ini dengan kurva disebut kekuatan mulur.
Gambar 2 Kekuatan mulur ditetapkan dengan metode pergeseran
Tegangan
ReganganPergeseran 0,2 %
Kekuatan Mulur
o
Tegangan maksimum atau lebih umum disebut kekuatan maksimum,
merupakan ordinat tertinggi pada kurva tegangan- tegangan. Kekuatan patah
atau tegangan patah pada spesimen.
C. Puntiran Poros Berpenampang Lingkaran.
Akibat puntiran murni pada poros berpenampang lingkaran adalah
timbulnya tegangan geser murni dalam bahan. Bila poros dibagi menjadi
dua bagian oleh bidang transversal khayal, akan terlihat bahwa permukaan-
permukaan pada kedua pihak dari bidang ini cenderung berputar, relatif
yang dianggap terdiri dari lapisan-lapisan tipis transversal yang jumlahnya
tak terhingga, masing-masing relative berputar sedikit terhadap lapisan
berikutnya bila torsi diberikan, akibatnya poros akan terpuntir. Pergerakan
angular salah satu ujung relative terhadap yang lain disebut sudut puntiran.
Tegangan puntir disebabkan oleh momen puntir yang bekerja pada
penampang batang. Dalam menganalisa tegangan puntir, momen torsi yang
biasanya dinyatakan dalam vektor rotasi diubah menjadi vektor translasi
dengan menggunakan aturan tangan kanan. Lipatan jari tangan
menunjukkan arah vektor rotasi dan jari jempol menunjukkan vektor
translasi. Seperti halnya gaya aksial, tegangan puntir muncul (momen puntir
ada) bila batang tersebut dipotong. Metode irisan tetap digunakan untuk
mendapatkan momen puntir dalam, sehingga tegangan puntir dapat dicari.
Momen puntir dalam ini yang akan mengimbangi momen puntir luas
sehingga bagian struktur tetap dalam kondisi seimbang.
Gambar 3 Poros yang mengalami Puntiran
Untuk mencari hubungan antara momen puntir dalam dengan
tegangan pada penampang batang bulat, perlu dibuatkan asumsi sbb:
1. Potongan normal tetap di bidang datar sebelum maupun sesudah
puntiran.
2. Regangan geser berbanding lurus terhadap sumbu pusat.
3. Potongan normal tetap berbentuk bulat selama puntiran.
4. Batang dibebani momen puntir dalam bidang tegak lurus sumbu
batang.
5. Tegangan puntir tidak melebihi batas proporsional.
6. Tegangan geser berubah sebanding dengan regangan linear.
Gambar 4 Potongan Penampang
T
T
dA
s
Berdasarkan asumsi yang diambil (butir 2 dan 6) maka tegangan
geser maksimum terletak pada keliling penampang sehingga dapat dicari
hubungan antara tegangan geser dengan jarak terhadap sumbu pusat.
Gaya geser inilah ( ) nantinya akan mengantisipasi momen
torsi luar.
Besar adalah momen inseria polar dari luas penampang, yang
dinotasikan sebagai Ip sehingga :
Besarnya tegangan secara umum :
Dimana :
= tegangan geser
= jarak titik yang dinyatakan terhadap pusat.
I p = Momen inersia polar penampang luas.
c = jari-jari lingkaran
Dalam mendesain bagian-bagian struktur yang menyangkut kekuatan,
maka tegangan geser yang memenuhi syaratlah yang dipilih. Karena batang
yang mengalami puntiran sering dipakai untuk meneruskan gaya, maka
percobaan puntiran pada batang sering dilakukan.
D. Sifat-sifat Mekanik
Bagaimanapun baiknya suatu kristal dipersiapkan, pasti memiliki
cacat-cacat kisi yang akan mempengaruhi sifat-sifat yang berkaitan dengan
strukstur kristal tersebut. Dengan mengamati sifat mekanik logam, akan
diperoleh sifat-sifat cacat kisi tersebut. Pada beberapa cabang industri,
pengujian mekanik yang biasa dilakukan seprti uji tarik, kekerasan, impak,
creep dan fatik, digunakan untuk mempelajari keadaan cacatnya (defect
state) tetapi untuk memeriksa kualitas produk yang dihasilkan berdasarkan
suatu standar spesifikasi.
1. Tensile Strength, biasanya dilakukan pengujian tarik terhadap suatu
material logam untuk mengetahui seberapa besar ketahanan material
tersebut terhadap beban tarik.
2. Kekerasan, didefinisikan sebagai ketahanan suatu material logam
terhadap penetrasi, memeberikan sifat-sifat deformasinya.
3. Impak, Suatu bahan mungkin memiliki kakuatan tarik (Tensile
Strength) yang tinggi tetapi tidak memenuhi syarat untuk kondisi
pembebanan kejut (tumbukan)
4. Creep (pemuluran), didefinisikan sebagai aliran plastis pada kondisi
tegangan yang konstan.
5. Fatik, adalah fenomena yang berkaitan dengan perpatahan logam
secara premature karena tegangan rendah yang terjadi berulang kali
dan terutama berperanan penting dalam industri penerbangan.
E. Sifat-sifat Kimia
1. Kelarutan
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi atau menentukan
kelarutan yaitu:
a. Temperatur larutan: Umumnya kalau temperatur naik kelarutan
meningkat.
b. Berat molekul, Struktur molekul: Berat molekul besar maka
kelarutan kecil.
c. Kristalinitas: Menyangkut derajat kristalinitas. Bahan yang
memiliki kristalinitas tinggi seperti polietilen dan polipropilen
mempunyai kelarutan yang kurang, tetapi polimer berkristal yang
biasa larut.
d. Kepolaran: Bahan polimer mudah sekali larut dalam pelarut polar.
e. Pelarut campuran: Klau ke dalam suatu pelarut dimana polimer
bisa larut dibubuhkan pelarut lain, kadang-kadang kelarutannya
meningkat.
2. Tahanan Kimia
Ketahanan kimia berada di daerah luas mulai dari bahan
yang sukar diserang oleh setiap bahan kimia seperti
politetraflouroetilen sampai ke bahan mudah larut dalam pelarut
organik seperti dalam asetat dan alkohol, umpamanya polivinil asetat.
Sifat-sifat ini sampai sejauh tertentu dapat dianggap
ditentukan oleh struktur molekul bahan polimer.
Polimer mempunyai kelompok eter, ester dan amida mudah
terhidrolisa oleh asa. Selulosa, poliester, poliamid, dan polimetil
akrilat mempunyai kecenderungan tersebut. Apabila polietilen
bersentuhan dengan asam belerang pekat atau asam nitrat, akan
diserang dan terurai menerima akibat dari sulfunasi, nitrasi dan
oksidasi pada cinin bensin. Resin urea, resin melami dan resin epoksi
menjadi lemah didalam asam kuat. Terutama resin fenol dan resin
metil metakrilat menerima akibat pengoksidasian asam, sedangkan
resin fenol, resin urea, resin melamin dan banyak resin kondensasi
formalin lain sangat dipengaruhi oleh alkali kuat.
F. Puntiran pada kawat baja
Tali/kawat baja sering dipakai pada mesin-mesin pengangkat sebagai
salah satu perangkat mesin pemindah bahan. Dibandingkan dengan rantai,
tali baja mempunyai keunggulan sebagai berikut :
1. Lebih ringan
2. Lebih tahan terhadap sentkan
3. Operasi yang tenang walaupun pada kecepatan operasi yang tinggi
4. Keandalan operasi yang lebih tinggi
Tali baja terbuat dari kawat baja dengan kekuatan b = 130 sampai 200 kg/mm2.
dimana dalam proses pembuatannya kawat baja diberi perlakuan panas
tertentu dan digabung dengan penarikan dingin, sehingga menghasilkan sifat
mekanis kawat baja yang tinggi.
Salah satu hal yang dapat menyebabkan puntiran pada kawat baja
yaitu proses pembuatan yang dilakukan dengan pemintalan ( penganyaman )
yang akan menyebabkan timbulnya gaya internal pada kawat baja. Hal lain
yang dapat menyebabkan puntiran adalah kawat diberi pembebanan maka
pintalan tadi cenderung akan mengecil sehingga juga akan menyebabkan
puntiran pada kawat.
Pada saat tali ditekuk maka akan timbul gaya-gaya yang rumit pada
kawat yang terdiri dari tarikan, tekanan dan puntiran, oleh karena itu
sangatlah sulit untuk mendeteksi gaya-gaya yang terjadi.
G. Tali Baja Anti Puntir
Perkembangan terakhir pada pembuatan tali baja menghasilkan jenis
tali baja yang anti puntir. Tali yang demikian diproduksi oleh The Odessa
Rope Works. Pada tali ini sebelum dipintal setiap kawat dan untaian
dibentuk sesuai dengan kedudukannya di dalam tali. Akibatnya tali yang
tidak dibebani tidak akan mengalami tegangan internal.
Tali ini mempunyai kecenderungan untuk terurai walaupun ujung tali
ini tidak disimpul. Sifat ini akan mempermudah penyambungan anyaman
tali.
Diantara keunggulan tali ini dibandingkan tali biasa yaitu :
1. Distribusi beban yang merata pada setiap kawat sehingga tegangan
internal yang terjadi minimal
2. Lebih fleksibel
3. Keausan tali lebih kecil bila melewati puli dan digulung pada drum,
karena tidak ada untaian atau kawat yang menonjol pada kontur tali,
dan keausan kawat terluar seragam, juga kawat yang putus tidak akan
mencuat ke luar
4. Keselamatann operasi yang lebih baik
H. Beberapa Pengertian Dasar
1. Tegangan adalah perbandingan antara gaya dengan luas penampang
benda yang dikenakan gaya tersebut.
2. Regangan adalah perbandingan antara panjang saat diberi beban
dengan panjang mula-mula.
3. Ketangguhan adalah ukuran besarnya energi yang diperlukan untuk
mengubah bentuk suatu material.
4. Kekerasan adalah ketahanan suatu material yang terhadap penetrasi
yang diberikan pada permukaannya.
5. Momen adalah hasil kali gaya dengan jarak gaya ke titik pusat.
I. Hal-hal yang Mempengaruhi Kekuatan Material Terhadap
Puntiran
1. Panjang batang, semakin panjang batang yang dikenai beban puntir
maka puntiran akan semakin besar
2. Sifat-sifat material antara lain modulus geser, struktur material, dan
jenis material.
3. Luas penampang batang atau material dimana gaya puntir bekerja.
4. Bentuk penampang batang yang dikenai puntiran.
5. Arah gaya puntir pada batang
J. Karakteristik Baja dan Kuningan
1. Karakteritik Baja
Baja karbon merupakan unsur pengeras besi yang efektif dan
murah oleh karena itu umumnya sebagian besar baja komersial hanya
mengandung karbon dengan sedikit paduan lain. Baja karbon rendah
(C < 0,3%) memiliki kekuatan sedang dengan keuletan yang sangat
baik dan digunakan dalam kondisi anil atau normalisasi untuk
keperluan konstruksi jembatan, bangunan, kendaraan, dan kapal laut.
Baja karbon (0,3 < C < 0,7 %) sedang dapat dicelup untuk
membentuk martensit disusul dengan penemperan untuk
meningkatkan ketangguhan disamping kekuatan yang telah
dimilikinya.
Baja karbon tinggi (0,7 < C < 1,7 %) biasanya dicelup agar
keras disusul dengan penemperan pada sehingga dapat dicapai
kekuatan yang memadai dengan keuletan yang memenuhi persyaratan
untuk per,die dan perkakas potong.
Modulus Elastisitas baja : E = 2,01
2. Karakteristik Kuningan
Berbeda dengan baja karbon kuningan adalah logam tahan karat,
selain itu juga kuningan memiliki keuletan yang lebih baik
dibandingkan dengan baja. Tetapi tingkat kekerasan dan ketangguhan
kuningan lebih rendah dibandingkan dengan baja. Sedangkan untuk
konduktivitas listrik kuningan lebih baik daripada baja.
Modulus Elastisitas Kuningan E = 9.17
K. Macam-macam Diagram Tegangan-Regangan
Berikut ini adalah macam-macam diagram tegangan-regangan untuk
beberapa material:
Baja Karbon rendah
Besi Cor
Bahan Polimer
Paduan Al-2%Cu
L. Modulus Elastisitas
Modulus elastisitas adalah penjabaran matematis dari suatu
kecenderungan objek atau bentuk untuk berubah bentuk ketika diberikan
suatu gaya. Modulus elastisitas dari suatu objek ditentukan sebagai puncak
dari kurva tegangan-regangannya:
Dimana:
lambda ( = modulus elastisitas
tegangan ( = gaya yang menyebabkan perubahan dibagi
dengan luas permukaan dimana gaya itu diberikan
regangan ( ) = rasio perubahan yang disebabkan oleh
tegangan pada bentuk asli dari suatu objek.
Karena tegangan diukur dalam pascal dan regangan adalah
perbandingan tanpa satuan, satuan untuk lambda adalah pascal. definisi
alternatif adalah modulus elastisitas adalah regangan yang dibutuhkan untuk
memperpanjang material dua kalinya. Hal ini tidaklah selalu benar untuk
seluruh material karena terkadang nilainya jauh lebih besar daripada
tegangan batas (yield stress) dari suatu material atau suatu titik dimana
perpanjangan menjadi tidak lagi linear (seimbang). Konsep dari modulus
elastisitas yang konstan tergantung pada perkiraan bahwa kurva tegangan
regangan selalu lurus. Pada kenyataannya, kurva tersebut hanya lurus
hingga batas tertentu. Karena benda yang ditarik atau ditekan secara
berlebihan akhirnya akan gagal (patah), dan benda pada tekanan tinggi dapat
menanggung proses yang akan mempengaruhi kurva tegangan regangan,
misalnya reaksi kimia atau penekukan (buckling). Ada tiga modulus
elastisitas primer yang masing-masing menjelaskan bentuk deformasi yang
berbeda, seperti di bawah ini :
1) Modulus Young (E) menjelaskan elastisitas kekakuan, atau
kecenderungan suatu benda untuk berubah sepanjang suatu sumbu
ketika gaya yang berlawanan diberikan sepanjang sumbu tersebut; hal
ini dijelaskan sebagai perbandingan tegangan tekan terhadap tegangan
tarik. karena modulus elastisitas yang lain dapat dijelaskan dari ini,
Modulus Young sering dianggap sebagai modulus elastisitas. modulus
Young adalah persamaan matematika dari prinsip pengecualian Pauli.
2) Modulus geser atau modulus kekakuan (G) menjelaskan
kecenderungan suatu objek untuk bergeser (perubahan bentuk pada
volume konstan) ketika bergerak pada gaya yang berlawanan; hal ini
ditentukan sebagai tegangan geser dan regangan geser. modulus geser
adalah bagian dari perubahan viskositas.
3) Modulus bulk (kepadatan/ K) menunjukkan elastisitas secara
volumetric, atau kecenderungan suatu volume objek untuk berubah
akibat suatu penekanan; Hal ini didefinisikan sebagai tegangan
volumetrik, dan sebagai kebalikan dari kemampuan untuk ditekan.
modulus bulk adalah penurunan dari modulus Young secara tiga
dimensi.
TABEL MODULUS ELASTIS BERBAGAI JENIS MATERIAL
No Material E(N/m2)
1 Baja Karbon Struktural 0,5% - 0,25 200-207
2 Baja Nikel (3-3,5%) 200
3 Duralinium 69
4 Tembaga (Copper),Cold Rolled 110-120
5 Gelas 69
6 Dine (Cemara) dengan grafin 10,34
7 Beban dalam tekanan 27,6
8 Brass 90
9 Aluminium 70
III.METODOLOGI PERCOBAAN