BAB V                    KRITERIA KEGAGALAN STATIK5.1.   Pendahuluan       Kenapa mesin/peralatan atau elemen mesin mengal...
ht           tp             Gambar 5.1 Kegagalan akibat tegangan tarik uniaksial dan torsi murni             ://       Gam...
ht           tp             ://                ru                            m                             ah             ...
terjadinya kegagalan dalam pengujian tegangan uniaksial sederhana terhadap spesimendari material yang sama”.Energi reganga...
1        2                   3     h                   3Energi regangan hidrostatik, Uh didapatkan dengan mensubstitusi   ...
Gambar 5.4 Grafik representasi TED dalam keadaan tegangan 2 dimensi                   ht           Tegangan efektif Von Mi...
5.2.2. Teori Tegangan Geser Maksimum (TTGM)       Ide tentang tegangan geser yang berperan dalam menimbulkan kegagalanpert...
5.3.1. Teori Tegangan Normal maksimum (TTNM)         Teori ini paling baik diterapkan pada material getas yang berserat da...
patah. Banyak material getas seperti keramik dan logam cor yang tidak memilikikemampuan tersebut sehingga tidak tepat meng...
Gambar 5.7 Prediksi kegagalan material getas dengan MMT dan IFT         ht            tp5.4.   Pemilihan Kriteria Kegagala...
menerapkan konsep probabilitas dalam desain. Penerapan kriteria kegagalan padamaterial getas harus secara hati-hati karena...
Mengaplikasikan pembahasan stress raiser (Fundamentals of Machine ElementsSec.5) pada geometri dalam gambar 8, diketahui p...
Tabel 5.1 Data tegangan luluh dan kekuatan patah beberapa material pada temperatur ruang           ht              tp     ...
b. Dari tabel 5.1 untuk paduan aluminium 7075-T651     Sy = 73 ksi                    nom      0 ,8 S y      58,4 ksi     ...
Kenaikan kekuatan aluminium 7075-T651 memberikan faktor keamanan terhadap   luluh yang lebih tinggi. Faktor keamanan terha...
Tingkat     ketidak-pastian     (uncertainty)   juga   merupakan   hal   penting   yangmenentukan nilai faktor keamanan ya...
digunakan. Contohnya, faktor keamanan yang tinggi diperlukan pada sarana      angkutan transporatsi massa, industri minyak...
getas, dimana faktor keamanan dihitung terhadap ultimate strengthSOAL-SOAL5.1 Elemen mengalami kombinasi tegangan sebagaim...
5.3 Papan kantilever dengan penampang melintang 305mmx32mm. Tentukan tegangan   utama maksimum pada papan jika seorang ber...
Poros mentransmisikan torsi 6000 Nm. Gunakan DET untuk menentukan faktor   keamanan.5.7 Rod pada gambar dibawah ini terbua...
rg                     ar.o                  aj               el             -b           ah                              ...
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Bab 05 kriteria kegagalan 1

4,305

Published on

Download file di http://rumah-belajar.org

Published in: Education
1 Comment
9 Likes
Statistics
Notes
  • koq ga bs di download ?? thk
       Reply 
    Are you sure you want to  Yes  No
    Your message goes here
No Downloads
Views
Total Views
4,305
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
1
Likes
9
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Bab 05 kriteria kegagalan 1

  1. 1. BAB V KRITERIA KEGAGALAN STATIK5.1. Pendahuluan Kenapa mesin/peralatan atau elemen mesin mengalami kegagalan? Pertanyaanini adalah masalah mendasar yang telah menghantui ilmuwan dan insinyur sejakberabad-abad lalu. Mekanisme terjadinya kegagalan kini lebih dipahami seiring kemajuanteknik pengujian dan pengukuran. Kegagalan pada suatu elemen mesin dapat terjadi dalam berbagai wujud seperti htmisalnya yielding, retak, patah, scoring, pitting, korosi, aus, dan lain-lain. Agen penyebab tpkegagalan juga bermacam-macam seperti misalnya salah design, beban operasional, ://kesalahan maintenance, cacat material, temperatur, lingkungan, waktu, dan lain-lain.Dengan pengetahuan yang lengkap tentang kegagalan, maka para insinyur dapat rumempertimbangkan berbagai aspek penyebab kegagalan dalam perancangan sehingga mdiharapkan kegagalan tidak akan terjadi selama umur teknisnya. Dalam bab ini hanya ahakan dibahas kegagalan elemen mesin yang diakibatkan oleh beban mekanis. Bebanmekanis yang dimaksud adalah beban dalam bentuk gaya, momen, tekanan, dan beban -bmekanis lainnya. el Kegagalan akibat beban mekanis adalah berhubungan dengan jenis tegangan ajyang terjadi pada komponen mesin. Pertanyaannya adalah : tipe tegangan seperti apayang akan menimbulkan kegagalan? tegangan tarik? tegangan tekan? atau tegangan a r.ogeser? Faktor lain apakah yang juga ikut berpengaruh dalam menimbulkan kegagalan? rg 5-1
  2. 2. ht tp Gambar 5.1 Kegagalan akibat tegangan tarik uniaksial dan torsi murni :// Gambar 5.1 (a) menunjukkan lingkaran Mohr untuk spesimen yang mendapat rubeban tarik uniaksial. Terlihat bahwa spesimen juga mengalami tegangan geser dengan mnilai maksimum sebesar setengah tegangan normal maksimum. Hal sebaliknya jugaterjadi pada spesimen yang mendapat beban torsi murni, ternyata spesimen juga ahmengalami tegangan normal dengan nilai maksimum sama dengan tegangan geser -bmaksimum. Jadi tegangan manakah yang lebih berperan menimbulkan kegagalan ? Uji tarik dapat menjelaskan terjadinya kegagalan pada spesimen yang mendapat elbeban uniaksial. Gambar 5.2 menunjukkan kurva tegangan-regangan pada spesimen ajmaterial ulet (ductile) dan material getas (brittle). Terlihat fenomena “yielding” pada amaterial ulet, sedangkan pada material getas, kegagalan atau patah terjadi tanpa adanya r.oyielding yang signifikan. Jadi dapat disimpulkan bahwa tingkat kegagalan untuk materialulet akan dibatasi oleh kekuatan yield, dan material getas dibatasi oleh kekuatan ultimate. rgAnalisis menunjukkan bahwa untuk material ulet, kegagalan lebih ditentukan olehkekuatan geser, sedangkan untuk material getas, kegagalan lebih ditentukan olehkekuatan tensile. Hal ini mengindikasikan bahwa perlu dikembangkan teori atau kriteriakegagalan yang berbeda antara material ulet dan material getas. Variabel yangmembedakan apakah material bersifat getas atau ulet dapat di baca di referensi. 5-2
  3. 3. ht tp :// ru m ah -b el aj a Gambar 5.2 Kurva tegangan-regangan material ulet dan material getas r.o rg5.2. Teori Kegagalan untuk Material Ulet Material yang ulet akan patah jika tegangan akibat beban statik diatas kekuatantarik ultimatenya. Lebih jauh, kegagalan pada komponen mesin terjadi bila teganganakibat beban statik diatas kekuatan yieldnya.5.2.1. Teori Energi Distorsi (von Mises-Hencky) Teori kegagalan ini diperkenalkan oleh Huber (1904) dan kemudiandisempurnakan melalui kontribusi Von Mises dan Hencky. Teori ini menyatakan bahwa”Kegagalan diprediksi terjadi pada keadaan tegangan multiaksial bilamana energi distorsiper unit volume sama atau lebih besar dari energi distorsi per unit volume pada saat 5-3
  4. 4. terjadinya kegagalan dalam pengujian tegangan uniaksial sederhana terhadap spesimendari material yang sama”.Energi regangan akibat distorsi (berkaitan dengan perubahan bentuk) per unit volume, Udadalah energi regangan total per unit volume, U dikurangi energi regangan akibat bebanhidrostatik (berkaitan dengan perubahan volume) per unit volume, UhUd U Uh 5.1Energi regangan total per unit volume, U adalah luas dibawah kurva tegangan-regangan(gambar 5.3) ht tp :// ru m ah Gambar 5.3 Energi regangan yang tersimpan pada elemen terdefleksi -b el 1U 1 1 2 2 3 3 aj 2 5.2 1 2 2 2 aU 1 2 3 2 1 2 2 3 1 3 2E r.o 1 1 1 2 3 rg E 1dimana : 2 2 1 3 E 1 3 3 1 2 ETegangan utama terdiri atas komponen hidrostatik ( h) dan distorsi ( id) i h idsehinggga : 1 2 3 3 h 1d 2d 3d 3 h 1 2 3 1d 2d 3dKomponen hidrostatik tegangan, h terjadi hanya akibat perubahan volumetrik ( id = 0) 5-4
  5. 5. 1 2 3 h 3Energi regangan hidrostatik, Uh didapatkan dengan mensubstitusi h pada persamaan 5.2 1 2 2 2 3 1 2 2Uh h h h 2 h h h h h h h 2E 2 E 2 3 1 2 1 2 3Uh 2 E 3 5.3 1 2 2 2 2Uh 1 2 3 2 1 2 2 3 1 3 6Esehingga : htU d U Uh tp 1 2 2 2U 2 :// d 1 2 3 1 2 2 3 1 3 2E 1 2 ru 2 2 2 1 2 3 2 1 2 2 3 1 3 6E m 1 2 2 2Ud 1 2 3 1 2 2 3 1 3 5.4 3E ahPendekatan kriteria kegagalan dilakukan dengan membandingkan energi distorsi per unit -bvolume pada persamaan 5.4 dengan energi distorsi saat terjadi kegagalan pada uji tarik.1 1 el 2 2 2 2 Sy Ud 1 2 3 1 2 2 3 1 3 3E 3E aj 2 2 2 2Sy 1 2 3 1 2 2 3 1 3 a 2 2 2Sy 5.5 r.o 1 2 3 1 2 2 3 1 3Untuk keadaan tegangan 2 dimensi, 2 = 0 maka : rg 2 2Sy 1 1 3 3 5.6 5-5
  6. 6. Gambar 5.4 Grafik representasi TED dalam keadaan tegangan 2 dimensi ht Tegangan efektif Von Mises ( ‘) didefinisikan sebagai tegangan tarik uniaksialyang dapat menghasilkan energi distorsi yamg sama dengan yang dihasilkan oleh tpkombinasi tegangan yang bekerja. :// 2 2 2 ru 1 2 3 1 2 2 3 1 3atau : m 2 2 2 2 2 2 6 ah X Y Y Z Z X xy yz zx 5.7 2 -buntuk kasus dua dimensi ( = 0) el 2 2 2 aj 1 1 3 3 a 2 2 2 x y x y 3 xy 5.8 r.o SyKegagalan akan terjadi bila : 5.9 rg nsUntuk geseran murni 1 = = 3 dan 2= 0 (Gambar 5.1 b) 2 2 2 2 2Sy 1 1 1 1 3 1 3 max Sy 1 0.577 S y max 3dari persamaan diatas didefinisikan kekuatan yield terhadap geser (Sys) dari material uletadalah fraksi dari kekuatan yield yang didapat dari uji tarik (Sy)S ys 0.577 S y 5.10 5-6
  7. 7. 5.2.2. Teori Tegangan Geser Maksimum (TTGM) Ide tentang tegangan geser yang berperan dalam menimbulkan kegagalanpertama kali diperkenalkan oleh ilmuwan Perancis, Coulomb (1376-1806). Formulakriteria tegangan geser maksimum dipublikasikan oleh Tresca (1864) dan Guest (1900)membuktikannya lewat experimen. Sehingga teori ini sering disebut teori Tresca atauGuest law. Teori ini menyatakan bahwa “Kegagalan diprediksi terjadi pada keadaantegangan multiaksial jika nilai tegangan geser maksimum sama atau lebih besardibandingkan tegangan geser maksimum pada saat terjadinya kegagalan dalampengujian tegangan uniaksial sederhana yang menggunakan spesimen dengan materialyang sama”. htSecara sederhana, kegagalan terjadi apabila : Su tp 1 2 ns :// Su 5.11 2 3 ns ru Su m 3 1 ns ahdi mana Su adalah Kekuatan material pada saat uji tarik. Jadi kegagalan akan terjadi jikasalah satu persamaan di atas terpenuhi. Dalam bentuk grafik, teori tegangan geser -bmaksimum ditunjukkan pada gambar 5.4. el aj a r.o rg Gambar 5.5 Grafik representasi teori tegangan geser maksimum5.3. Teori Kegagalan untuk Material Getas Kegagalan material yang bersifat getas akibat beban mekanis umumnya dalambentuk patah atau retak. Bentuk patahan material getas disebut patah getas yangmempunyai karakteristik seperti ditunjukkan pada gambar 5.1. 5-7
  8. 8. 5.3.1. Teori Tegangan Normal maksimum (TTNM) Teori ini paling baik diterapkan pada material getas yang berserat dan kaca. Teoriini menyatakan bahwa “Kegagalan diprediksi terjadi pada keadaan tegangan multiaksialjika tegangan utama maksimum sama atau lebih besar dibandingkan tegangan normalmaksimum pada saat terjadinya kegagalan dalam pengujian tegangan uniaksialsederhana yang menggunakan spesimen dengan material yang sama”.Secara sederhana, kegagalan terjadi apabila : S ut 1 ns 5.12 ht S uc 3 ns tpdimana 1 2 3 = tegangan normal utama :// Sut = kekuatan ultimate material terhadap tarik ru Suc = kekuatan ultimate material terhadap tekan mGambar 5.5 menunjukkan batasan kriteria tegangan normal maksimum. Kegagalan akan ahdiprediksikan akan terjadi jika kondisi tegangan berada diluar batas lingkaran (gambar a),dan diluar batas segiempat (gambar b). -b el aj a r.o rg Gambar 5.6 Grafik representasi teori tegangan normal maksimum5.3.2. Internal Friction Theory (IFT) TTNM paling tepat digunakan pada material getas berserat dan kaca dimanastruktur mikro terorientasi pada arah tegangan normal maksimum sebelum terjadinya 5-8
  9. 9. patah. Banyak material getas seperti keramik dan logam cor yang tidak memilikikemampuan tersebut sehingga tidak tepat mengaplikasikan TTNM.Pada material getas seperti keramik dan logam cor, kekuatan terhadap tekan lebih besardari kekuatan terhadap tarik, sehingga digunakan perluasan terhadap MSST. Secaramatematis dituliskan sebagai : 1 3 1jika 1 0 dan 3 0 S ut S uc ns S utjika 3 0 1 5.13 ns S ucjika 1 0 3 ns ht tpdimana : 1 2 3 = tegangan normal utama :// Sut = kekuatan ultimate material terhadap tarik Suc = kekuatan ultimate material terhadap tekan ru m5.3.3. Modified Mohr Theory (MMT) ah Tidak seperti IFT yang memiliki basis matematis, MMT dikembangkan dengan -btujuan sesuai dengan data pengujian. MMT sangat baik dalam memprediksi sifat material elulet, terutama pada kuadran-IV. MMT dapat dituliskan sebagai :jika 1> 0 dan 3< -Sut aj Sut Suc Sut a 3jika 1 0 dan 3 Sut 1 Suc Sut nSut Sut r.o Sutjika 3 Sut 1 5.14 rg ns Sucjika 1 0 3 ns 5-9
  10. 10. Gambar 5.7 Prediksi kegagalan material getas dengan MMT dan IFT ht tp5.4. Pemilihan Kriteria Kegagalan :// Untuk material ulet, kriteria kegagalan TED lebih akurat dibandingkan TTGM(ditunjukkan oleh data pengujian terhadap material ulet pada gambar 5.8). Oleh karena itu rutegangan von misses (dari TED) cenderung digunakan pada analisis tegangan untuk mkepentingan komersial serta kode elemen hingga untuk mendapatkan profil tegangan. ahNamun, TTGM sering digunakan karena lebih konservatif (memprediksikan kegagalanpada beban yang lebih rendah dibandingkan pada TED) dan secara matematis lebih -bgampang el aj a r.o rg Gambar 5.8 Bukti eksperimental kriteria-kriteria kegagalan (a) Luluh pada material ulet (b) Patah pada material getas Tidak seperti material ulet, sifat material getas seperti keramik dan logam cor lebihbervariasi. Spesimen uji tidak mengalami kegagalan pada tegangan yang sama sehinggasulit menentukan kekuatan minimumnya secara pasti. Oleh karena itu engineer harus 5-10
  11. 11. menerapkan konsep probabilitas dalam desain. Penerapan kriteria kegagalan padamaterial getas harus secara hati-hati karena kriteria kegagalan deterministic (teganganminimum dapat ditentukan secara pasti) sedangkan pada material getas sifat-sifatnyamenunjukkan probabilistic. Gambar 5.8 menunjukkan MMT lebih sesuai terhadap data pengujian materialgetas. Namun perbedaan ketiga kriteria kegagalan yang digunakan pada material getas(TTNM, IFT, dan MMT) tidak signifikan, sehingga tidak dapat disimpulkan teori mana yanglebih baik.5.5. Mekanika Patah ht Mekanika patah menyajikan studi struktural yang memandang perambatan retaksebagai fungsi beban kerja. Retak adalah cacat mikroskopik yang secara normal muncul tppada permukaan atau bagian dalam material. Tidak ada material atau proses manufaktur ://yang menghasilkan struktur kristal yang bebas cacat (selalu terdapat cacat mikro). ru Perambatan retak memerlukan tegangan yang lebih kecil dibandingkan untuk minisiasi retak. Pada tegangan kerja, retak bergerak mudah disepanjang material,menyebabkan slip pada bidang geraknya. Pada lokasi ini lebih mudah terjadi kerusakan. ahPerambatan ini dapat dicegah dengan adanya diskontinuitas pada material. -b Kegagalan patah terjadi patah level tegangan dibawah tegangan luluh materialsolid. Mekanika patah memfokuskan pada panjang retak yang kritis yang menyebabkan elelemen gagal. Pengawasan terhadap patah terbagi atas menjaga tegangan nominal dan ajmenjaga ukuran retak agar dibawah level kritis untuk material yang telah digunakan pada aelemen mesin. r.o rg5.5.1. Mode Perambatan Retak Ada 3 mode dasar perambatan retak (gambar 5.9), setiap mode menyebabkanpergerakkan permukaan retak yang berbeda :1. Mode I, opening (tarikan), merupakan mode perambatan retak yang paling sering ditemui. Retak mengalami pemisahan secara simetris terhadap bidang retak.2. Mode II, sliding (geseran dalam bidang), timbul jika retak mengalami geseran relatif satu sama lain secara simetris terhadap arah normal bidang retak, tetapi tidak simetri terhadap bidang retak.3. Mode III, tearing (antiplane), timbul jika retak mengalami geseran relatif satu sama lain secara tak simetris terhadap bidang retak maupun arah normalnya. 5-11
  12. 12. Mengaplikasikan pembahasan stress raiser (Fundamentals of Machine ElementsSec.5) pada geometri dalam gambar 8, diketahui perambatan retak muncul jika teganganlebih tinggi pada ujung retak daripada ditempat lainnya. Gambar 5.9 Tiga model pergeseran retak (a) Opening (b) Sliding (c) Tearing ht tp5.5.2. Kekuatan Patah :// Pembahasan kekuatan patah disini dibatasi pada pergerakan retak mode I. ruTerlebih dulu harus dipahami faktor intensitas tegangan. Faktor intensitas tegangan, Ki mmenunjukkan level/intensitas tegangan pada ujung retak pada elemen yang mengandung ahretak (titik A gambar 5.9 a). Kekuatan patah, Kci adalah intensitas tegangan kritis dimana perambatan retak -bmuncul atau intensitas tegangan maksimum yang dapat ditahan elemen tanpa patah. elKekuatan patah digunakan sebagai kriteria desain dalam pencegahan patah materialgetas, seperti halnya kekuatan luluh digunakan sebagai kriteria desain dalam pencegahan ajluluh material ulet pada pembebanan statis. a Karena tegangan dekat ujung retak dapat didefinisikan dalam faktor intensitas r.otegangan, nilai kritis kekuatan patah Kci menyatakan besaran yang dapat menentukan rgkeadaan material getas. Secara umum persamaan untuk kekuatan patah adalah :K ci Y nom a 5.15dimana : nom = tegangan nominal pada saat patah, Mpa a = setengan panjang retak, m Y = faktor koreksi (tak berdimensi) yang memperhitungkan geometri elemen yang mengandung retak.Pers.5.15 berlaku dengan asumsi beban bekerja jauh dari ujung retak dan panjang retakrelatif kecil terhadap lebar pelat. Satuan faktor intensitas tegangan dan kekuatan patahmerupakan kombinasi satuan tegangan dan akar dari panjang retak, yakni Mpa m . 5-12
  13. 13. Tabel 5.1 Data tegangan luluh dan kekuatan patah beberapa material pada temperatur ruang ht tp :// ru m Tabel 5.1 menunjukkan data tegangan luluh dan kekuatan patah (mode I) ahbeberapa material pada temperatur ruang. Perhatikan bahwa kekuatan patah, Kcibergatung pada banyak faktor antara lain temperatur, tingkat regangan dan mikrostruktur. -bBesar Kci menurun seiring kenaikan tingkat regangan dan penurunan temperatur. Selain elitu, meningkatkan kekuatan luluh dengan proses, seperti strain hardening menyebabkan ajturunnya Kci. a r.oContoh soal5.1 Dua jenis material baja AISI 4340 dan paduan aluminium 7075-T651. Asumsikan rgbahwa tegangan patah 0,8 kali tegangan luluh dan faktor koreksi adalah 1. Tentukanpanjang retak kritis pada temperatur ruang.Solusi :a. Dari tabel 5.1 untuk AISI 4340 : Sy = 238 ksi nom 0,8 S y 190,4 ksi K ci 45,8 ksi in Dari pers. 5.15 : 2 2 1 K ci 1 45,8 10 3 a 0,01842 in Y nom 1 109,4 10 3 5-13
  14. 14. b. Dari tabel 5.1 untuk paduan aluminium 7075-T651 Sy = 73 ksi nom 0 ,8 S y 58,4 ksi K ci 26 ksi in Dari persamaan 5.15 2 2 1 K ci 1 26 10 3 a 0,06309 in Y nom 1 58,4 10 3Material baja lebih dulu mengalami kegagalan karena memiliki panjang retak kritis yanglebih kecil. Aluminium lebih kuat jika perambatan retak dipertimbangkan. ht5.2 Kontainer untuk udara bertekanan dibuat dari paduan aluminium 2024-T351. Faktor tpkeamanan terhadap luluh diharuskan 1,6. Panjang retak maksimum yang boleh pada ://tebal material adalah 6mm. Faktor koreksi berdasarkan bentuk retak, Y = 1. Tentukana. Faktor intensitas tegangan dan faktor keamanan terhadap patah getas. rub. Apakah faktor keamanan akan meningkat jika material diganti paduan aluminium m 7075-T651 yang lebih kuat. Asumsikan retak yang sama ahSolusi : -ba. Dari tabel 5.1 untuk paduan aluminium 2024-T351 el Sy = 325 MPa K ci 36 MPa m aj Tegangan nominal adalah : a Sy 325 r.o nom 203,1 MPa ns 1,6 Setengah panjang retak = 3mm. Faktor intensitas tegangan dari pers.5.15 adalah rg Ki Y nom a 1 203,1 10 6 3 10 3 19,72MPa m Faktor keamanan terhadap patah getas adalah : K ci 36 ns 1,83 Ki 19,72b. Dari tabel 5.1 untuk paduan aluminium 7075-T651 Sy = 505 MPa K ci 29 MPa m Faktor keamanan terhadap luluh adalah : 505 1,6 249 325 5-14
  15. 15. Kenaikan kekuatan aluminium 7075-T651 memberikan faktor keamanan terhadap luluh yang lebih tinggi. Faktor keamanan terhadap perambatan retak adalah : K ci 29 ns 1,47 Ki 19,72Dari perhitungan diatas, diketahui aluminium yang lebih kuat lebih mudah mengalamikegagalan akibat perambatan retak.5.6. Faktor Keamanan Faktor Keamanan pada awalnya didefinisikan sebagai suatu bilangan pembagikekuatan ultimate material untuk menentukan “tegangan kerja” atau “tegangan design”. htPerhitungan tegangan design ini pada jaman dulu belum mempertimbangkan faktor-faktor tplain seperti impak, fatigue, stress konsentrasi, dan lain-lain, sehingga faktor keamanannilainya cukup besar yaitu sampai 20-30. Seiring dengan kemajuan teknologi, faktor ://keamanan dalam design harus mempertimbangkan hampir semua faktor yang mungkin rumeningkatkan terjadinya kegagalan. Dalam dunia modern faktor keamanan umumnya mantara 1.2 – 3. ah Dalam “modern engineering practice” faktor keamanan dihitung terhadap“significant strength of material”, jadi tidak harus terhadap ultimate atau tensile strength. -bSebagai contoh, jika kegagalan melibatkan “yield” maka significant strength adalah yield elstrength of material; jika kegagalan melibatkan fatigue maka faktor keamanan adalahberdasarkan fatigue; dan seterusnya. Dengan demikian faktor keamanan didefinisikan ajsebagai : a significant strength of the material r.o N working stress rgBeberapa referensi juga mendefinisikan faktor keamanan sebagai perbadingan antara“design overload” dan “normal load”. Penentuan nilai numerik faktor keamanan sangat tergantung pada berbagaiparameter dan pengalaman. Parameter-parameter utama yang harus diperhatikan adalahjenis material, tipe dan mekanisme aplikasi beban, state of stress, jenis komponen danlain-lain. Berdasarkan berbagai pengalaman dan parameter-parameter tersebut, telahdikembangkan Codes yang memuat cara perhitungan dan penentuan faktor keamananuntuk berbagai aplikasi khusus. Misalnya ASME B16.5 untuk Flanges, ASME PressureVessel Codes, DNV OS F101 Submarine pipeline, dan Code-code yang lain. 5-15
  16. 16. Tingkat ketidak-pastian (uncertainty) juga merupakan hal penting yangmenentukan nilai faktor keamanan yang digunakan. Berikut adalah beberapa tingkatketidak-pastian yang harus dipertimbangkan untuk elemen yang mendapat beban statik : Tingkat ketidak-pastian beban. Pada situasi tertentu, nilai beban yang bekerja pada suatu komponen mesin dapat ditentukan dengan pasti. Seperti misalnya beban gaya sentrifugal pada motor listrik, beban berat kendaraan, beban pada pegas katup sebuah engine dan lain-lain. Tetapi pada kondisi tertentu, nilai beban yang pasti sangat sulit ditentukan. Misalnya beban yang bekerja pada pegas sistim suspensi kendaraan di mana terjadi variasi yang sangat besar tergantung kondisi jalan dan cara kendaraan dikendarai. Bagaimana dengan mesin-mesin yang baru diciptakan di mana belum ada pengalaman sebagai referensi ? Jadi semakin tinggi tingkat ketidak- ht pastian, maka insinyur harus menggunakan faktor keamanan yang semakin tp konservatif. :// Tingkat ketidak-pastian kekuatan material. Idealnya insinyur mesin harus memiliki pengetahuan dan data yang luas tentang kekuatan material, baik pada kondisi ru fabrikasi, maupun setelah menjadi komponen mesin. Data-data tersebut haruslah di m test pada temperatur dan kondisi lingkungan yang sesuai dengan kondisi aplikasi ah komponen tersebut. Tetapi dalam kenyataan hal ini sangat sulit dipenuhi. Kebanyakan data yang tersedia adalah hasil uji pada kondisi temperatur kamar dan -b pembebanan yang ideal serta ukuran yang berbeda dengan komponen yang el sebenarnya. Juga perlu dicatat bahwa sifat material dapat berubah cukup signifikan aj selama komponen digunakan. Jadi parameter ketidak pastian data material ini perlu a dipertimbangkan dalam penentuan faktor keamanan. r.o Tingkat ketidak-pastian metodologi design dan analysis. Metodologi design dan jenis analisis juga sangat menentukan faktor keamanan dalam suatu perancangan rg komponen mesin. Hal-hal yang perlu dieprhatikan antara lain adalah (a) seberapa valid asumsi-asumsi yang digunakan serta persamaan standard dalam perhitungan tegangan, (b) akurasi dalam perhitungan faktor konsentrasi tegangan, (c) akurasi dalam meng-estimasi adanya “tegangan sisa” yang timbul saat pembuatan komponen, (d) kesesuaian teori kegagalan yang digunakan dan penentuan “significant strength” material. Konsekuensi kegagalan – keamanan manusia dan ekonomi. Konsekuensi kegagalan baik terhadap keselamatan manusia maupun ekonomi juga merupakan parameter pertimbangan utama dalam menentukan faktor keamanan. Jika kegagalan yang terjadi dapat membahayakan keselamatan banyak orang atau menimbulkan konsekuensi ekonomi yang besar, maka faktor keamanan yang konservatif perlu 5-16
  17. 17. digunakan. Contohnya, faktor keamanan yang tinggi diperlukan pada sarana angkutan transporatsi massa, industri minyak-gas.Selain hal di atas, faktor ekonomi atau biaya yang dibutuhkan juga merupakanpertimbangan utama dalam menentukan faktor keamanan. Angka numerik faktorkeamanan yang disarankan sesuai dengan beberapa parameter dan tingkat Tabel 4.2 Faktor keamanan yang disarankan dalam perancanganNo. Faktor keamanan Parameter dan tingkat ketidakpastian yang disarankan ht 1. N = 1.25 1.5 Data material yang sangat akurat dan andal, jenis tp pembebanan yang pasti, metoda perhitungan tegangan yang akurat :// ru 2. N = 1. 5 2 Data Material yang cukup baik, kondisi lingkungan yang stabil, dan beban serta tegangan yang terjadi dapat dihitung m dengan baik. ah 3. N = 2. 0 2.5 Average material, komponen dioperasikan pada lingkungan -b normal, beban dan tegangan dapat dihitung dengan material el 4. N = 2. 5 3 Untuk material yang datanya kurang baik, atau material aj getas dengan pembebanan, dan lingkungan rata-rata a r.o 5. N=3 4 Untuk material yang belum teruji, dengan pembebanan, dan lingkungan rata-rata rg Angka ini juga disarankan untuk material yang teruji dengan baik, tetapi kondisi lingkungan dan pembebanan tidak dapat ditentukan dengan pasti 6. Beban berulang-ulang (bolak-balik) : angka-angka yang disarankan di atas dapat digunakan tetapi dengan endurance limit sebagai “significant strength” 7. Beban impak : angka-angka yang disarankan di atas dapat digunakan tetapi faktor impak harus dimasukkan 8. Material getas : angka-angka yang disarankan di atas dikalikan dua untuk material 5-17
  18. 18. getas, dimana faktor keamanan dihitung terhadap ultimate strengthSOAL-SOAL5.1 Elemen mengalami kombinasi tegangan sebagaimana tercantum pada tabel dibawah ini. Gambarkan elemen tegangan yang menunjukkan tegangan yang bekerja dan tentukan tegangan utama serta tegangan von Mises. ht tp :// ru m ah -b el5.2 Gaya 1500 N diterapkan pada lengan pedal sepeda berdiameter 15mm pada gambar aj dibawah ini. Pedal terpasang pada lengan menggunakan ulir 12mm. Tentukan a tegangan von Mises pada lengan pedal dan skrup serta faktor keamanan terhadap r.o kegagalan statik jika Sy = 350 Mpa rg 5-18
  19. 19. 5.3 Papan kantilever dengan penampang melintang 305mmx32mm. Tentukan tegangan utama maksimum pada papan jika seorang bermassa 100kg berdiri pada ujung bebas. Tentukan faktor keamanan statik jika material yang digunakan fiberglass getas dengan Sut = 130 Mpa pada arah longitudinal. ht tp ://5.4 Pada gambar dibawah ditunjukkan dua jenis kunci roda mobil, single ended (a) dan double ended (b). Jarak antara titik A dan B 1 ft, diameter gagang kunci 0.625 in. ru Tentukan gaya maksimum sebelum gagang mengalami luluh (Sy = 45 Ksi) m ah -b el aj a r.o rg5.5 Elemen dari material ulet (Sy = 60 ksi) dibebani sehingga tegangan normal utama pada lokasi yang kritis pada keadaan tegangan biaxial 1 = 20 ksi dan 2 = -15 ksi. Tentukan faktor keamanan berdasarkan MSST dan DET serta tentukan kriteria yang lebih tepat dibandingkan dengan data pengujian.5.6 Sebuah poros mentransmisikan torsi dari gearbox menuju poros belakang truk tidak balans, sehingga gaya sentrifugal 500 N bekerja pada bagian tengah poros sepanjang 3m. Poros tubular AISI 1040 berdiameter luar 70 mm dan diameter dalam 58 mm. 5-19
  20. 20. Poros mentransmisikan torsi 6000 Nm. Gunakan DET untuk menentukan faktor keamanan.5.7 Rod pada gambar dibawah ini terbuat dari logam AISI 1040 dengan dua bend 90o. Gunakan MSST dan DET untuk menentukan diameter minimum rod agar faktor keamanan = 2. ht tp :// ru m5.8 Poros pada gambar dibawah ini terbuat dari logam AISI 1020. Bila data d = 30mm, D ah = 45mm, d2 = 40mm, tentukan bagian yang paling kritis dengan menggunakan MSST dan DET. -b el aj a r.o rg 5-20
  21. 21. rg ar.o aj el -b ah 5-21 m ru :// tpht

×