Jurnal Mekanikal, Vol. 8 No.2: Juli 2017: 768-776 e-ISSN 2502-700X p-ISSN 2086-3403 ANALISIS DEFLEKSI PADA MATERIAL BAJA KARBON RENDAH DENGAN MENGGUNAKAN VARIASI POSISI PEMBEBANAN Kristian Selleng Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Tadulako Jl. Sukarno-Hatta Km.9 Tondo, Palu 94119 Email: Abstract: Deflection Analysis on Low Carbon Steel Materials with Variations of Loading Position. The aim of this research is to analyze the deflection on low carbon steel materials theoretically and experimentally with variations of loading positions. Double integration method is used for theoretical analysis, while the testing methods used for experimental analysis. The support used were a the hinge roller with the materials such as low carbon steel with dimensions of length 600 mm, width 30 mm and thickness 5 mm. The results of the study obtained: the maximum deflection occurs at loading position of 150 mm (yeksp =1,2913 mm; yteo = 1,1957 mm), loading position of 300 mm (yeksp =1,9183 mm; yteo = 1,7391 mm), and loading position of 450 mm (yeksp =1,2943 mm; yteo = 1,1957 mm). Deflection occurs of experimentally and teoretically at loading position of 300 mm is greater when compared with at loading position of 150 mm and 450 mm. The value of deflection obtained experimentally was greater than value obtained theoretically with the maximum error percentage of 9.43%. Keyword: Deflection, low carbon steel, variations of loading position. Abstrak: Analisis Defleksi pada Material Baja Karbon Rendah dengan Variasi Posisi Pembebanan. Tujuan penelitian ini adalah menganalisis defleksi pada material baja karbon rendah secara teoritis dan secara eksperimental dengan variasi posisi pembebanan. Metode integrasi ganda digunakan untuk analisis secara teoritis, sedangkan metode pengujian digunakan untuk analisis eksperimental. Tumpuan yang digunakan dalam penelitian adalah engsel rol dengan bahan berupa baja karbon rendah dengan dimensi panjang 600 mm, lebar 30 mm dan tebal 5 mm. Hasil penelitian yang diperoleh adalah: defleksi maksimum yang terjadi pada posisi pembebanan 150 mm (yeksp =1,2913 mm; yteo = 1,1957 mm), posisi pembebanan 300 mm (yeksp =1,9183 mm; yteo = 1,7391 mm), dan posisi pembebanan 450 mm (yeksp =1,2943 mm; yteo = 1,1957 mm. Defleksi yang terjadi secara eksperimental maupun secara teoritis pada posisi pembebanan 300 mm lebih besar jika dibandingkan dengan defleksi yang terjadi pada posisi pembebanan 150 mm dan 450 mm. Nilai defleksi yang diperoleh secara eksperimental lebih besar jika dibandingkan dengan secara teoritis dengan prosentase kesalahan maksimum 9,34 %. Kata Kunci: Defleksi, baja karbon rendah, variasi posisi pembebanan. PENDAHULUAN industri manufaktur otomotif semakin pesat demi untuk memenuhi kebutuhan hidup manusia. Setiap industri harus menghasilkan suatu produk yang berkualitas tentunya harus seiring dengan harga yang terjangkau. Salah satu faktor penunjang kualitas suatu produk adalah material yang digunakan dalam mendesain produk tersebut. Dengan Perkembangan bidang industri seperti tinggi dan demikian pemilihan material yang sesuai dan standar merupakan hal yang sangat penting sebagai bahan baku dalam industri. Baja merupakan salah satu jenis bahan bangunan yang berdasarkan pertimbangan ekonomi, sifat dan kekuatannya, cocok untuk pemikul beban. Dengan demikian baja banyak dipakai sebagai bahan struktur, seperti untuk rangka utama bangunan bertingkat sebagai kolom dan balok, sistem 768
Jurnal Mekanikal, Vol. 8 No.2: Juli 2017: 768-776 e-ISSN 2502-700X p-ISSN 2086-3403 penyangga atap dengan bentangan panjang seperti gedung olahraga, hanggar, menara antena, jembatan, penahan tanah, fondasi tiang pancang, bangunan pelabuhan, struktur lepas pantai, dinding perkuatan pada tangki-tangki minyak, pipa penyaluran minyak, air, atau gas. (Kristian, 2014). reklamasi pantai, Menurut Popov, E.P (1993), bahwa kemampuan untuk menentukan beban maksimum yang dapat diterima oleh suatu konstruksi sangat penting. Olehnya itu, dalam aplikasi keteknikan, kebutuhan tersebut haruslah disesuaikan dengan pertimbangan ekonomis dan pertimbangan teknis, seperti kekuatan, kekakuan, dan kestabilan. Hal penting yang harus menjadi perhatian dalam mendesain konstruksi elemen mesin, pesawat pengangkat dan konstruksi jembatan adalah besarnya defleksi pada elemen yang diakibatkan oleh beban sendiri maupun beban luar. Hal ini dapat mengakibatkan kerusakan pada struktur yang dipengaruhi oleh adanya komponen menyimpang fungsi utamanya, walaupun tegangan yang terjadi masih lebih kecil daripada tegangan yang diijinkan. Beam merupakan salah satu tipe elemen yang sering mengalami defleksi. dari yang jauh dari tumpuan pada posisi L/2 memberikan hasil defleksi lebih besar jika dibandingkan dengan peletakan posisi pembebanan pada L/4, baik secara metode elemen hingga dengan program matlab maupun secara eksperimental. Selain daripada itu hasil penelitian juga dilakukan oleh Munandar, dkk (2011), menunjukkan bahwa defleksi maksimum yang terjadi pada balok baja ST 50 baik secara eksperimental maupun teoritis terjadi pada jarak pembebanan L/2 (panjang batang = 200 mm), yakni sebesar 0,14 mm dan 0,13 mm dan defleksi minimum terjadi pada jarak pembebanan L/4 (panjang batang = 200 mm) sebesar 0,013 mm dan 0,014 mm, serta persentase kesalahan antara hasil penelitian secara eksperimental dengan teoritis berkisar antara 2 % -8%. jika mengalami batang Suatu pembebanan itu beban lateral, baik terpusat maupun beban terbagi rata, maka batang tersebut mengalami defleksi. Jenis pembebanan tumpuan dapat merupakan mempengaruhi defleksi pada suatu balok adalah jenis tumpuan yang digunakan. Menurut S. Timoshenko (1986), bahwa jenis-jenis tumpuan yang sering digunakan ada 3 yaitu : dan posisi hal dua yang bahwa defleksi secara eksperimental lebih besar jika dibandingkan dengan defleksi teoritis, dan besarnya defleksi maksimum cenderung terjadi pada pertengahan batang untuk tumpuan jepit-jepit. Demikian juga dengan penelitian yang dilakukan oleh Viktus K. Koten (2005) bahwa peningkatan defleksi yang terjadi seiring dengan besarnya gaya yang diberikan padanya dan defleksi pada pertengahan maksimum rentang batang ketika menggunakan tumpuan engsel-roll. Sedangkan menurut Mustafa dkk (2013), bahwa Adanya perbedaan posisi peletakan pembebanan dan besarnya beban yang diberikan mempengaruhi perbedaan hasil defleksi yang diperoleh. Peletakan pembebanan Menurut Mustafa (2007), yang diperoleh secara terjadi a. Tumpuan jepit (fixed support) Tumpuan jepitan merupakan tumpuan yang dapat menahan momen dan gaya dalam vertikal maupun horizontal. arah Gambar 1. Tumpuan jepit b. Tumpuan engsel Tumpuan engsel merupakan tumpuan yang dapat menahan gaya horizontal 769
Jurnal Mekanikal, Vol. 8 No.2: Juli 2017: 768-776 e-ISSN 2502-700X p-ISSN 2086-3403 disamping gaya vertikal yang bekerja padanya. Rx Ry Gambar 2. Tumpuan engsel c. Tumpuan rol Tumpuan tumpuan rol merupakan yang bisa menahan komponen gaya vertikal yang bekerja padanya. yang sepanjang dipergunakan menyelesaikan untuk persoalan tersebut adalah hanyalah defleksi yang diakibatkan oleh gaya-gaya yang bekerja tegak lurus terhadap sumbu balok, defleksi kecil dibandingkan dengan panjang baloknya, dan irisan yang berbentuk bidang datar akan tetap berupa bidang datar walaupun terdeformasi. batang. Asumsi yang terjadi relatif Konsep dasar penggunaan metode integrasi ganda dapat dianalisis pada suatu struktur sedehana yang mengalami lenturan seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 3. Tumpuan rol Salah satu variabel yang sangat berpengaruh dalam penentuan defleksi adalah elastisitas suatu material. Elastisitas merupakan sifat yang menyebabkan sebuah benda kembali ke bentuk semula apabila gaya yang bekerja padanya dihilangkan. Sifat elastis ini digolongkan menjadi dua bagian, yaitu elastis sempurna dan elastis parsial. Sebuah benda yang kembali semula sepenuhnya dikatakan elastis sempurna, dimana usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya luar selama deformasi sepenuhnya ditransformasikan regangan. menjadi tidak kembali Sedangkan benda yang sepenuhnya semula dikatakan elastis parsial, dimana sebagian dari usaha yang dilakukan oleh gaya luar selama deformasi diubah ke dalam bentuk panas yang timbul dalam benda tersebut selama berlangsungnya deformasi non elastic. kepada bentuk energi potensial kepada bentuk Gambar 4. Balok sederhana yang mengalami lenturan Berdasarkan Gambar 4 diperoleh bahwa : = (1) Oleh karena besarnya d relative sangat kecil, maka tg d d saja, sehingga persamaan (1) menjadi : = 1 =
(2) Jika dx bergerak kekanan maka besarnya d kan semakin berkurang sehingga diperoleh persamaan : Salah yang dapat menyelesaikan untuk dipergunakan persoalan-persoalan defleksi pada balok adalah metode integrasi ganda (doubel ini sangat cocok integrations). Metode dipergunakan untuk mengetahui defleksi satu metode 1 = −
(3) Defleksi relatif sangat kecil sehingga = , sehingga persamaan (3) menjadi = :
770
Jurnal Mekanikal, Vol. 8 No.2: Juli 2017: 768-776 e-ISSN 2502-700X p-ISSN 2086-3403 1 = −
= − (4) Jika persamaan dimasukkan ke dalam persamaan tegangan lentur , maka akan diperoleh persamaan kurva defleksi:
= − (5) yang dilakukan dengan melakukan pengujian defleksi untuk menganalisis dan defleksi menggunakan metode integrasi ganda untuk menganalisis secara teoritis. Pada analisis defleksi secara tepritis, metode integrasi ganda menjadi dasar yang digunakan untuk menurunkan persamaan defleksi sesuai dengan tumpuan sederhana seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Adapun metode penelitian adalah secara eksperimental ini adalah untuk menganalisis defleksi yang terjadi pada balok baja karbon rendah baik secara teoritis maupun secara eksperimental dengan variasi posisi pembebanan. Tujuan penelitian METODE PENELITIAN A. Metode Penelitian Gambar 5. Tumpuan sederhana dengan posisi beban a (150 mm, 300 mm dan 450 mm) Persamaan defleksi yang digunakan berdasarkan Gambar 5 adalah: Untuk : x a y = − Pbx 6EIL ( L − b − x) (6) Untuk : x ≥ a y = − Pbx 6EIL ( L − b − x) + P(x − a) 6EI (7) Momen inersia balok dapat dihitung berdasarkan penampang balok pada Gambar 6. Gambar 6. Penampang balok Sehingga momen inersia (I) adalah: I = bh 12 (8) Prosentase kesalahan defleksi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: 771
Jurnal Mekanikal, Vol. 8 No.2: Juli 2017: 768-776 e-ISSN 2502-700X p-ISSN 2086-3403 PK = Hasil Eksp − Hasil Teoritis Hasil Eksp x 100% (9) B. Peralatan, Bahan dan Metode Pengambilan Data yang digunakan dalam penelitian ini adalah seperangkat alat uji defleksi yang terdiri dari : 1. Dial gauge dengan skala terkecil 0,01 mm untuk mengukur besarnya defleksi yang terjadi. Peralatan b. Meletakkan dial gauge setiap jarak 150 mm; 300 mm; dan 450 mm dengan menset dial gauge pada posisi nol. c. Memberikan beban sebesar 0,5 kg; 1,0 kg; 1,5 kg; 2,0 kg dan 2,5 kg dan mencatat besarnya defleksi yang terjadi untuk masing-masing beban yang diberikan. 2. Mistar sebagai pengukur jarak. 3. Tumpuan terdiri dari tumpuan engsel dan tumpuan rol untuk menumpu batang uji selama pengujian defleksi. 4. Pembebanan yang diberikan sama untuk ketiga variasi posisi pembebanan yang digunakan yaitu sebesar 0,5 kg; 1,0 kg; 1,5 kg; 2,0 kg dan 2,5 kg. 5. Panjang batang yang digunakan adalah 600 mm. dalam penelitian ini adalah baja karbon rendah berbentuk balok dengan panjang 600 mm, lebar 30 mm, tebal 5 mm, dengan nilai modulus elastisitas (E) 20700 kg/mm2 dan momen inersia (I) = 313 mm4. Bahan yang digunakan Untuk pembebanan dengan posisi pembebanan 300 mm dan 450 mm, prosedurnya sama saja dengan pada posisi pembebanan 150 mm. Bedanya adalah peletakan bebannya. Adapun langkah penentuan defleksi secara teoritis adalah: a. Menggambar variasi engsel-rol pembebanan yang digunakan. rumus yang sistematika tumpuan posisi dengan sesuai tumpuan dan b. Menggunakan berdasarkan kondisi posisi pembebanan yang diberikan. c. Menghitung inersia berdasarkan bentuk material yang digunakan. momen pelaksanaan penelitian ini adalah balok ditumpu pada tumpuan engsel pada salah satu ujungnya dan tumpuan rol pada ujung yang lain. Sistematika dalam pelaksanaan langkah pengujian defleksi secara eksperimental sebagai berikut: Untuk posisi pembebanan 150 mm dari tumpuan engsel: a. Batang uji ditumpu pada tumpuan engsel pada salah satu ujungnya dan tumpuan rol pada ujung lainnya. Adapun pembebanan dengan d. Menghitung defleksi sesuai dengan pembebanan yang diberikan. HASIL DAN DISKUSI Dalam menganalisis defleksi yang terjadi pada penelitian ini mengacu pada Tabel 1, Tabel 2, Gambar 7 dan Gambar 8. Hasil perhitungan secara teoritis seperti yang tercantum pada Tabel 1 diperoleh berdasarkan sampai persamaan persamaan 8. 6 772
Jurnal Mekanikal, Vol. 8 No.2: Juli 2017: 768-776 e-ISSN 2502-700X p-ISSN 2086-3403 Tabel 1. Hasil Pengujian Defleksi Secara Eksperimental dan Teoritis untuk Posisi Pembebanan 150 mm, 300 mm dan 450 mm. Posisi Beban P (mm) 150 300 450 Beban (kg) P 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 Defleksi Secara Eksperimental Teoritis Eksperimental Teoritis Eksperimental y (mm) 300 0,0000 0,2013 0,2483 0,1573 0,0000 0,0000 0,4056 0,4995 0,3150 0,0000 0,0000 0,6109 0,7548 0,4730 0,0000 0,0000 0,8152 1,0130 0,6374 0,0000 0,0000 1,0465 1,2913 0,8017 0,0000 0,0000 0,1957 0,2391 0,1522 0,0000 0,0000 0,3913 0,4783 0,3043 0,0000 0,0000 0,5870 0,7174 0,4565 0,0000 0,0000 0,7826 0,9565 0,6087 0,0000 0,0000 0,9783 1,1957 0,7609 0,0000 0,0000 0,2483 0,3627 0,2453 0,0000 0,0000 0,5065 0,7413 0,4995 0,0000 0,0000 0,7648 1,1270 0,7578 0,0000 0,0000 1,0330 1,5126 1,0230 0,0000 0,0000 1,3113 1,9183 1,2913 0,0000 0,0000 0,2391 0,3478 0,2391 0,0000 0,0000 0,4783 0,6957 0,4783 0,0000 0,0000 0,7174 1,0435 0,7174 0,0000 0,0000 0,9565 1,3913 0,9565 0,0000 0,0000 1,1957 1,7391 1,1957 0,0000 0,0000 0,1575 0,2486 0,2013 0,0000 0,0000 0,3157 0,5005 0,4066 0,0000 0,0000 0,4740 0,7568 0,6139 0,0000 0,0000 0,6384 1,0150 0,8202 0,0000 0,0000 0,8037 1,2943 1,0485 0,0000 0,0000 0,1522 0,2391 0,1957 0,0000 0,0000 0,3043 0,4783 0,3913 0,0000 0,0000 0,4565 0,7174 0,5870 0,0000 0,0000 0,6087 0,9565 0,7826 0,0000 0,0000 0,7609 1,1957 0,9783 0,0000 0 150 450 600 Teoritis 773
Jurnal Mekanikal, Vol. 8 No.2: Juli 2017: 768-776 e-ISSN 2502-700X p-ISSN 2086-3403 Tabel 2. Prosentase Kesalahan Antara Hasil Pengujian Defleksi Secara Eksperimental dan Teoritis. Posisi Beban P (mm) 150 300 450 Beban (kg) P 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 150 2,81 3,53 3,92 4,00 6,52 3,68 5,58 6,20 7,41 8,82 3,41 3,59 3,70 4,65 5,33 PK (%) 300 3,68 4,26 4,95 5,58 7,41 4,09 6,16 7,41 8,02 9,34 3,79 4,45 5,21 5,77 7,62 450 3,29 3,38 3,49 4,50 5,10 2,50 4,26 5,33 6,50 7,41 2,81 3,76 4,39 4,59 6,70 600 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Gambar 7. Grafik Hubungan Defleksi (y) Terhadap Jarak (x) Untuk Pembebanan Maksimum (P = 2,5 kg). bahwa semakin besar nilai x (diukur dari tumpuan engsel pada sisi kiri balok) memberikan defleksi yang semakin besar sampai pada pertengahan balok mencapai maksimum. Setelah melewati pertengahan rentang balok, defleksinya semakin kecil sampai akhirnya menjadi nol pada tumpuan rol Gambar 7 menunjukkan yang ada di sisi kanan balok. Fenomena penurunan defleksi tersebut hampir sama dengan fenomena yang terjadi pada jarak dari tumpuan engsel di sisi kiri sampai pada pertengahan balok. Hal tentunya dipengaruhi kondisi tumpuan sederhana yang masing-masing hanya memberikan gaya aksi dan reaksi secara vertikal yang 774 ini
Jurnal Mekanikal, Vol. 8 No.2: Juli 2017: 768-776 e-ISSN 2502-700X p-ISSN 2086-3403 sama. Kondisi letak pembebanan 150 m; 300 m; maupun 450 m. Berdasarkan Tabel 1 dan Gambar 7 diperoleh bahwa defleksi maksimum untuk posisi pembebanan 150 mm (yeksp =1,2913 mm; posisi pembebanan 300 mm (yeksp =1,9183 mm; yteo = 1,7391 mm), dan posisi pembebanan 450 mm (yeksp =1,2943 mm; yteo = 1,1957 mm). Hal ini menjelaskan bahwa defleksi ini terjadi pada yteo = 1,1957 mm), yang terjadi baik secara eksperimental maupun teoritis pada posisi pembebanan 300 mm lebih besar jika dibandingkan dengan defleksi yang terjadi pada posisi pembebanan 150 mm dan 450 mm. Hal ini tentunya dipengaruhi oleh letak pembebanan yang berada di tengah balok dengan kondisi tumpuan yang digunakan adalah engsel rol. secara Gambar 8. Grafik Hubungan Defleksi (y) Terhadap Beban (P) Pada Pertengahan Batang Gambar 8 menunjukkan bahwa defleksi yang terjadi semakin meningkat seiring dengan penambahan pembebanan, baik secara teoritis maupun eksperimental untuk posisi (letak) pembebanan 150 mm; 300 mm; dan 450 mm dari tumpuan engsel. Hal ini mengindikasikan bahwa hasil yang diperoleh maupun eksperimental sesuai dengan konsep teori yang digunakan. Pada Gambar 8 juga menunjukkan bahwa hasil defleksi secara lebih besar dibandingkan eksperimental dengan hasil secara ini tentunya kekakuan dipengaruhi material dan pembebanan secara langsung sehingga menyebabkan pergeseran material uji yang lebih besar pada saat pengujian. Selain daripada itu adanya asumsi material yang digunakan adalah homogen dimana nilai modulus elastisitas dan momen inersia dalam tidak mengalami secara teoritis teoritis. Hal oleh perubahan perhitungan secara teoritis. Fenomena ini tidak terjadi dengan hasil yang diperoleh secara eksperimental, dimana tidak adanya jaminan yang digunakan seperti yang diasumsikan pada perhitungan secara teoritis. homogenitas material Dari Tabel 2, menunjukkan bahwa perbedaan hasil defleksi yang diperoleh secara eksperimental dan teoritis tidak terlalu dengan prosentase kesalahan maksimum sebesar 9,34 % yang terjadi pada posisi beban 300 mm, jarak 300 mm, dengan pembebanan 2,5 kg. jauh perbedaannya, KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diperoleh pada penelitian ini adalah: 1. Defleksi maksimum yang terjadi adalah untuk posisi pembebanan 150 mm (yeksp 775
Jurnal Mekanikal, Vol. 8 No.2: Juli 2017: 768-776 e-ISSN 2502-700X p-ISSN 2086-3403 =1,2913 mm; yteo = 1,1957 mm), posisi pembebanan 300 mm (yeksp =1,9183 mm; yteo = 1,7391 mm), dan posisi pembebanan 450 mm (yeksp =1,2943 mm; yteo = 1,1957 mm), sehingga kondisi posisi pembebanan 300 mm memberikan defleksi lebih besar jika posisi dibandingkan pembebanan 150 mm dan 450 mm. 2. Defleksi yang terjadi semakin meningkat penambahan dengan dengan Variasi Posisi Pembebanan.' Prosiding Digital SNTTM XII ISBN 978- 979-8510-61-8. Universitas Lampung. Popov, E.P. 1993. Mechanics of Materials. Erlangga, Jakarta. Timoshenko, Dasar-dasar Perhitungan Kekuatan Bahan. Restu Agung, Jakarta. S. 1986. seiring pembebanan yang diberikan. terjadi yang dengan 3. Defleksi secara jika eksperimental teoritis dibandingkan dengan secara dengan prosentase kesalahan tertinggi sebesar 9,34 %. lebih besar DAFTAR PUSTAKA Arfandy, Munandar, F. 2014. 'Analisis Eksperimental Dan Teoritis Lendutan Pada Balok Dengan Variasi Ketebalan Dan Pembebanan.' 456789/446. Diakses pada tanggal 18 Desember 2011. Koten, 'Analisis Eksperimental dan Teoritis Terhadap Defleksi Lateral Balok dengan Tumpuan Engsel-Rol.' Jurnal Pembangunan Wilayah Masyarakat, Volume 4 No 2. Victus K. 2005. Kristian Selleng. 2014. 'Analisis Lendutan pada Material Baja Karbon Rendah dengan Variasi Pembebanan'. Jurnal Ilmiah Mekanika ISSN 2086-3403 Vol. 5 No. 2. Universitas Tadulako. Mustafa. 2007. 'Perbandingan Analisa Teoritis dan Eksperimental Defleksi pada Balok Segi empat dengan Variasi Material.' Jurnal Ilmiah Matematika Dan Terapan ISSN 1829-8133 Vol. 4 No. 2. Universitas Tadulako. Mustafa, Naharuddin, Kristian Selleng dan Ardi Rahmanto. 2013. 'Aplikasi Simulasi Penentuan Program Matlab Lendutan pada Baja Ringan Profil U untuk 776