Abstrak —Mengetahui mekanisme terjadinya retakan membantu industri untuk menghindari kerugian. Penelitian ini dilakukan  dengan  bentuk  simulasi  berbasis  metode  elemen hingga,  dengan  tujuan  untuk  menganalisis  pengaruh  jenis material  dan  pengaruh  lubang  pada  spesimen  terhadap perambatan retak. Variabel yang digunakan pada penelitian ini adalah  jumlah  lubang,  posisi  lubang  dan  jenis  material,  yaitu AISI 1020 dan AA 2024  – T3. Hasil dari  penelitian ini berupa kekuatan  spesimen  terhadap  perambatan  retak  dengan membandingkan faktor intensitas tegangan (K). K terkecil pada spesimen  satu,  dua,  dan  empat  lubang  adalah  8,23  x  10 6 MPa.mm 0,5 , 6,96 x 10 6 MPa.mm 0,5 dan 5,96 x 10 6 MPa. Semakin banyak lubang maka semakin tinggi kekuatan spesimen, dengan perbandingan K pada spesimen dua lubang dan empat lubang yang  sejenis  sebesar  6,96  x  10 6 MPa.mm 0,5 dan  5,96  x  10 6 MPa.mm 0,5 .  AA  2024  –  T3,  dengan  K  senilai  3,94  x  10 6 MPa.mm 0,5 ,  memiliki  ketahanan  terhadap  retak  lebih  tinggi dari AISI 1020, dengan K senilai 9,95 x 10 6 MPa.mm 0,5 .
Kata  Kunci —Elemen Hingga, Lubang, Mekanisme Rambatan, Perambatan Retak .

## I. PENDAHULUAN
ETAK merupakan salah satu faktor penyebab terjadinya kegagalan  pada  sebuah  material.  Sehingga  merupakan kewajiban  bagi  industri  untuk  mengetahui  mekanisme perambatan  retak  untuk  menghindari  kerugian.  Ketahanan material terhadap beban tentu berbeda-beda, oleh karena itu industri  perlu  mengklasifikasi  material  yang  digunakan, untuk meningkatkan lifetime demi meningkatkan efektivitas penggunaan  material  tersebut.  Retak  disebabkan  oleh  dua jenis  beban,  yaitu  beban  statis  dan  dinamis . Kegagalan biasanya  terjadi  saat  level  tegangan  dibawah yield  strength material.  Semakin  besar  amplitudo  pembebanan  maka semakin  cepat  retak  merambat  [1].  Ada  tiga  fase  di  dalam kerusakan  yaitu:  pengintian  retak  ( crack  initiation ), perambatan  retak  ( crack  propagation ),  dan  patah  statik ( fracture ).  Kegagalan  material  terjadi  disebabkan  adanya cacat atau retakan dan juga adanya pembebanan. Retak yang terjadi akan semakin bertambah panjang dan retakan ini akan berpengaruh terhadap kekuatan struktur suatu material [2].
Dari penelitian sebelumnya, diketahui bahwa lubang dapat mempengaruhi  arah  perambatan  retak  pada  sebuah  plat. Lubang  dapat  membuat  arah  rambatan  retak  menjadi terdefleksi.  Lubang  pada  sebuah  plat  juga  dapat mempengaruhi  kekuatan  dari  plat  tersebut,  dimana  lubang mempengaruhi  nilai  faktor  intensitas  tegangan  di  daerah sekitar ujung retak [3].
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh jumlah lubang dan posisi lubang terhadap kekuatan spesimen pada jenis material yang yang berbeda, yaitu AISI 1020 dan
AA 2024  – T3, yang  mengalami pembebanan statis  dengan menggunakan  metode  elemen  hingga.  Untuk  spesimen permodelan  yang  digunakan  dibuat  dengan  aplikasi SolidWorks ,  sedangkan  untuk  permodelan  rambatan  retak menggunakan aplikasi ANSYS Workbench .

## II. URAIAN PENELITIAN

## A. Material
Pada  penelitian  ini  digunakan  dua  jenis  material  yang dibandingkan  hasil  simulasinya  tentang  pengaruh  jenis material  ketahanan  terhadap  perambatan  retak,  yaitu  AA 2024  -  T3  dan  AISI  1020.  Sedangkan  untuk  menganalisis simulasi  perambatan  retak  terhadap  lubang  digunakan material structural  steel, yang  merupakan  material  standar dari software yang  digunakan.  Adapun  sifat  mekanik  dari material tersebut adalah sebagai berikut:
Tabel 1.
Sifat Mekanik AA 2024 – T3 Mechanical Properties Metric Density 2780 kg/m 3 Ultimate Tensile Strength 483 MPa Yield Strength 345 MPa Poisson’s Ratio 0.33 Modulus of Elasticity 73.1 GPa Tabel 2. Sifat Mekanik AISI 1020 Mechanical Properties Metric Density 7870 kg/m 3 Ultimate Tensile Strength 420 MPa Yield Strength 350 MPa Poisson’s Ratio 0.29 Modulus of Elasticity 186 GPa Tabel 3.
Sifat Mekanik Structural Steel (1998 ASME BPV Code ) Mechanical Properties Metric Density 7850 kg/m 3 Ultimate Tensile Strength 483 MPa Yield Strength 345 MPa Poisson’s Ratio 0.3 Modulus of Elasticity 200 GPa

## B. Geometri Spesimen
Penelitian  ini  dilakukan  pada  spesimen  dengan  variasi jumlah  lubang  dan  posisi  lubang,  dibuat  dengan menggunakan software  SolidWorks  2016. Ukuran  semua spesimen  sama,  yaitu  panjang  200  mm,  lebar  90  mm,  dan tebal 6 mm, dengan ukuran semua lubang sama, yaitu berjari- jari 17.5 mm.

## Simulasi Perambatan Retak pada Baja dan Aluminium Akibat Pembebanan Statis dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga
Nimba Sharon Lande, Mas Irfan P. Hidayat dan Wikan Jatimurti Departemen Teknik Material, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : irfan@mat-eng.its.ac.id
R

## Gambar 1. Spesimen Satu Lubang
Gambar  1  merupakan  spesimen  dengan  satu  lubang, dengan posisi lubang A1 di kiri atas, A2 di tengah atas, A3 di kanan  atas,  T1  di  kiri  tengah,  T2  di  tengah-tengah,  T3  di kanan tengah.
Gambar  2  merupakan  spesimen  dengan  dua  lubang, dengan bentuk spesimen V lubang berseberangan, specimen H tidak berseberangan.
Gambar 3. Spesimen Empat Lubang
Gambar 4. Spesimen Variasi Jumlah Lubang
Gambar 5. Spesimen Variasi Material
Gambar  3  merupakan  spesimen  dengan  empat  lubang, dengan bentuk spesimen H lubang horizontal dan spesimen V lubang vertical.
Gambar  4  merupakan  spesimen  yang  digunakan  untuk menganalisis  pengaruh  jumlah  lubang  terhadap  kekuatan spesimen
Gambar  5  merupakan  spesimen  yang  digunakan  untuk menganalisis  pengaruh  variasi  material  terhadap  kekuatan spesimen.

## C. Analisis Perambatan Retak
Permasalahan  yang  akan  dianalisis  pada  penelitian  ini dirumuskan sebagai berikut:
Tabel 4. Analisis Permasalahan Analisis Modul Input Output Pertumbuhan Retak Static Structural Mechanical Properties, Displacement Stress Intensity Factor

## III. HASIL DAN ANALISA
A. Pengaruh Posisi Lubang terhadap Kekuatan Spesimen
Untuk membandingkan kekuatan tiap spesimen, digunakan  parameter  faktor  intensitas  tegangan  (K) maksimum, yang didapatkan dari hasil simulasi seperti pada Gambar  6.  Dimana  K  berbanding  terbalik  dengan  kekuatan spesimen,  semakin  rendah  nilai  K  maka  semakin  tinggi kekuatan  spesimen  tersebut  [4].  Retakan  yang  merambat mencari  jalur  dengan  hambatan  paling  kecil  (atau  jalur dengan  kekuatan  pendorong  maksimum)  dan  tidak  perlu terbatas  pada  bidang  awalnya,  dimana  faktor  intensitas tegangan merupakan  parameter  yang  berbanding  lurus dengan kekuatan pendorong retakan [5].
Gambar  6.  Hasil  Simulasi Fracture  Tool Berupa  Grafik  Faktor  Intensitas Tegangan (K) terhadap Panjang Retak (a)

## 1) Simulasi Satu Lubang
Gambar 7 merupakan hasil simulasi spesimen perambatan retak  pada  spesimen  dengan  satu  lubang,  dengan perbandingan nilai K seperti pada Gambar 8.
Dari Gambar 8 dapat disimpulkan, pada sumbu X semakin jauh  letak  lubang  dari initial  crack maka  semakin  rendah Nilai  K  atau  kekuatan  spesimen  semakin  tinggi,  sedangkan pada  sumbu  Y  semakin  dekat  dengan initial  crack maka semakin  rendah  nilai  K  atau  semakin  tinggi  kekuatan spesimen, terkecuali pada spesimen A1 dan T1, dimana nilai
K spesimen T1 lebih tinggi dari A1, karena letak lubang pada T1  sangat  dekat  dengan initial  crack yang  mempengaruhi hambatan  retak  untuk  merambat  sehingga  sangat  mudah retakan  merambat  pada  spesimen  T1.  Dari  enam  simulasi tersebut, spesimen T3 memiliki nilai K terendah seniali 8,23 x 10 6 MPa.mm 0,5 , dan spesimen T1 dengan nilai K tertinggi senilai 1,07 x 10 7 MPa.mm 0,5 . 2) Simulasi Dua Lubang
Gambar 9 merupakan hasil simulasi spesimen perambatan retak  pada  spesimen  dengan  dua  lubang,  dengan perbandingan nilai K seperti pada Gambar 10.
Gambar 7. Hasil Simulasi Spesimen Satu Lubang
Gambar 8. Perbandingan K pada Spesimen Satu Lubang
Gambar 9. Hasil Simulasi Spesimen Dua Lubang
Gambar 10. Perbandingan K pada Spesimen Dua Lubang

## Gambar 11. Tegangan pada Sumbu Y Spesimen H1
Dari  Gambar  10  dapat  disimpulkan  bahwa  lubang  yang berseberangan  memiliki  nilai  K  yang  lebih  rendah,  atau memiliki kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan spesimen yang  lubangnya  tidak  berseberangan,  dengan  K  pada spesimen V sebesar 6,96 MPa.mm 0,5 dan pada spesimen H1
sebesar 7,09 MPa.mm 0,5 . Sedangkan pada spesimen H1 dan H2,  dapat  dilihat  bahwa  spesimen  H2  mengalami  patah, sehingga  dapat  disimpulkan  semakin  ke  tepi  posisi  lubang maka  semakin  rendah  kekuatan  spesimen  tersebut.  Untuk membandingkan  kekuatan  spesimen  H1  dan  H2,  digunakan parameter  tegangan  pada  sumbu  Y,  searah  dengan  beban yang  diberikan,  seperti  pada  Gambar  11  dan  Gambar  12, dimana  dapat  dilihat  bahwa  spesimen  H1  dapat  menahan beban sebesar 7,3 x 10 6 MPa, sedangkan spesimen H2 hanya sebesar 4,5 x 10 6 MPa.
Gambar 11. Tegangan pada Sumbu Y Spesimen H2

## 3) Simulasi Empat Lubang
Gambar 13. Hasil Simulasi Spesimen Empat Lubang
Gambar 13 merupakan hasil simulasi spesimen perambatan  retak  pada  spesimen  dengan  empat  lubang, dengan perbandingan nilai K seperti pada Gambar 14.
Gambar 14. Perbandingan K pada Spesimen Empat Lubang
Dari  Gambar  14,  dapat  disimpulkan  posisi  lubang horizontal  memiliki  nilai  K  lebih  rendah  atau  memiliki kekuatan spesimen lebih tinggi dari spesimen lubang vertikal. Dari Gambar 14 juga dapat disimpulkan semakin ke tepi letak lubang  maka  semakin  tinggi  nilai  K  atau  semakin  rendah kekuatan spesimen. Dari tiga spesimen tersebut, spesimen H1 memiliki nilai K terendah sebesar 5,96 x 10 6 MPa.mm 0,5 , dan spesimen  V  memiliki  nilai  K  tertinggi  sebesar  8,96  x  10 6 MPa.mm 0,5 .
Gambar 15. Hasil Simulasi dengan Variasi Jumlah Lubang
B. Pengaruh Jumlah Lubang terhadap Kekuatan Spesimen
Untuk membandingkan kekuatan tiap spesimen berdasarkan  jumlah  lubang,  digunakan  spesimen  dengan lubang yang sesuai, yaitu spesimen dua lubang dan spesimen empat lubang, yang posisinya memiliki kesesuaian.
Gambar 15 merupakan hasil simulasi spesimen perambatan  retak  pada  spesimen  dengan  variasi  jumlah lubang, dengan perbandingan nilai K seperti pada Gambar 16.
Gambar 16. Perbandingan K pada Simulasi dengan Variasi Jumlah Lubang
Dari  Gambar  16  dapat  dilihat  nilai  K  pada  spesimen  E1, sebesar  5,96  x  10 6 MPa.mm 0,5 lebih  rendah  dibandingkan dengan  spesimen  D,  sebesar  6,96  x  10 6 MPa.mm 0,5 yang menunjukkan  kekuatan  spesimen  empat  lubang  lebih  tinggi dibandingkan  dengan  spesimen  dua  lubang,  yang  berarti semakin  banyak  jumlah  lubang  maka  semakin  tinggi kekuatan spesimen. Namun jika membandingkan spesimen D dengan spesimen E2, spesimen empat lubang vertikal, nilai K
spesimen  E2  lebih  tinggi  dibandingkan  spesimen  D,  yaitu 8,96  x  10 6 MPa.mm 0,5 atau  kekuatan  spesimen  E2  lebih rendah dari spesimen D. Sehingga selain jumlah lubang perlu diperhatikan  letak  lubang  tersebut  dalam  menentukan pengaruh lubang terhadap kekuatan spesimen.

## C. Pengaruh Variasi Material terhadap Kekuatan Spesimen
Jenis  material  yang  dibandingkan  pada  penelitian  ini adalah  AISI  1020  dan  AA  2024  –  T3,  dengan  spesimen seperti  pada  Gambar  5,  dengan  perbandingan  K  sebagai berikut

## Gambar 17. Perbandingan K pada Simulasi dengan Variasi Material
Dari Gambar 17 didapatkan hasil bahwa nilai K pada AA 2024  –  T3  lebih  rendah  daripada  AISI  1020,  menunjukkan kekuatan  spesimen  dari  AA  2024  –  T3  lebih  tinggi dibandingkan AISI 1020.

## IV. KESIMPULAN

## A. Kesimpulan
Posisi lubang menentukan kekuatan spesimen. Umumnya, pada  sumbu  X  semakin  jauh  letak  lubang  dari  initial  crack maka semakin tinggi kekuatan spesimen, dan pada sumbu Y semakin  dekat  letak  lubang  dengan  initial  crack  maka semakin tinggi kekuatan spesimen.
Jumlah  lubang  mempengaruhi  kekuatan  spesimen. Semakin  banyak  jumlah  lubang  maka  semakin  tinggi kekuatan  spesimen,  atau  semakin  besar  energi  yang dibutuhkan  untuk  retakan  dapat  merambat,  dengan  nilai  K pada spesimen empat lubang sebesar 5,96 x 10 6 MPa.mm 0,5 lebih rendah dibandingkan dengan nilai K pada spesimen dua lubang sebesar 6,96 x 10 6 MPa.mm 0,5
Spesimen  paduan  aluminium  AA  2024  –  T3  memiliki kekuatan lebih tinggi dari spesimen baja AISI 1020, dengan nilai K pada spesimen satu lubang AA 2024 – T3 sebesar 3,94 x  10 6 MPa.mm 0,5 ,  dan  AISI  1020  sebesar  9,95  x  10 6 MPa.mm 0,5 .

## B. Saran
Ukuran  dari  mesh  dan  jumlah  contour  yang  digunakan ditingkatkan agar hasil yang didapatkan lebih presisi.
Melakukan penelitian secara eksperimental perlu dilakukan sebagai validasi dari simulasi yang dilakukan

## DAFTAR PUSTAKA
[1] H. Tada, P. C. Paris, and G. R. Irwin, The Stress Analysis of Cracks
Handbook . St. Louis, Missouri: Paris Productions, 1985.
[2] G.  Irwin,  “Plastic  zone  near  a  crack  and  fracture  toughness,”  in
Sagamore Research Conference Proceedings 4 .
[3] Y. Liao, Y. Li, M. Huang, B. Wang, Y. Yang, and S. Pei, “Effect of hole relative size and position on crack deflection angle of
repaired structure,” Theor. Appl. Fract. Mech. , vol. 101, pp. 92– 102, 2019.
[4] J. R. Rice, “Weight runction theory for three-dimensional elastic crack  analysis,”  in Fracture  Mechanics:  Perspectives  and Directions (Twentieth Symposium) , 1989, pp. 29–57.
[5] T.  L.  Anderson, Fracture  Mechanics:  Fundamentals  and Applications . Boca Raton, Florida: CRC Press, 2005.