Faktor Keamanan Dalam Perancangan Elemen Mesin

Materi pertemuan ke II 

• Gaya beban  / load itu dapat dibagi menjadi 3 macam yaitu : 

1. Dead or steady load : adalah  gaya beban yang diberikan atau terjadi secara konstan dan tidak    berubah ubah atau biasa disebut muatan mati  
2. Live or Varying load : adalah gaya beban yang diberikan itu berubah ubah atau berpindah pindah 
3. Suddenly Applied or Shock load : adalah gaya beban yang berawal dari steady load lalu secara tiba tiba berubah menjadi gaya beban yag bertekanan besar 

• Gaya Tegangan (Stress) : Gaya yang berasal dari dalam benda yang terjadi karena adanya gaya luar 

Gaya tegangan dibagi menjadi 4 macam yaitu : 

1. Tegangan dan Regangan tarik ( Tensile and Strain ) : Tegangan tarik terjadi karena akibat bekerjanya gaya tarik pada luas suatu penampang sehingga bendanya mengalami perpanjangan .
2. Tegangan dan Regangan tekan ( Compresssive stress and Strain ) : Tegangan yang terjadi karena suatu gaya tekan pada suatu satuan luas penampang luas material elemen mesin sehingga mengalami pemendekan 
3. Tegangan dan Regangan geser (Shear stress and Strain ) : tegangan yang terjadi karena 2 gaya geser yang saling berlawanan arah terhadap suatu bidang geser pada bidang penampang elemen mesin sehingga bidang penampang tersebut mengalami tegangan geser 
4. Tegangan luluh ( Crushing/Bearing stress ) : Tegangan  yang timbul akibat terpusatnya gaya tekan pada suatu daerah kontak yang sangat kecil , tegangan ini terjadi umumnya pada komponen mesin yang berfungsi sebagai penyambung / pengunci , contoh : pasak , paku keling , pin , baut dll

Bearing Stress 

 

 

Faktor Konsentasi Tegangan

   Konsentrasi tegangan terjadi pada daerah-daerah benda yang dimensinya berubah drastis, misalnya di sekitar lubang, discontinuity, defect, dll. Pemicu lain dari konsentrasi tegangan diantaranya adalah fillet, notch, inclusion, dll. Konsentrasi tegangan akan menurunkan umur fatik (fatigue life). Besarnya konsentrasi tegangan dapat diketahui dengan menghitung faktor konsentrasi tegangan (stress concentration factor), dimana SCF merupakan perbandingan antara tegangan tertinggi yang berada di sekitar discontinuity (σ max) dengan tegangan yang terjadi pada kondisi mulus (σ nom).

Kt= σ max / σ nom

Metode-Metode Mencari Tegangan

Untuk mengetahui besarnya Stress Concentration Factor (SCF), maka terlebih dahulu harus diketahui berapa nilai tegangan maksimal (σ max) dan tegangan nominal (σ nom) yang terjadi pada suatu struktur maupun benda yang diuji. Ada beberapa cara untuk mengetahuinya, antara lain adalah sebagai berikut:

Photoelasticity

yaitu dengan cara memancarkan sinar terpolarisasi melewati material yang bersifat pholestatic (plastic transparan) yang akan menghasilkan pola yang berwarna-warni pada permukaan material. Pola warna inilah yang digunakan sebagai indikasi dari intensitas tegangan yang terjadi..

Brittle Coating

yaitu dengan cara menyiapkan sejenis  lacqkuer atau pernis yang disiapkan secara khusus dengan cara disemprotkan pada benda atau material yang diuji. Setelah pernis yang disemprotkan tadi sudah kering, maka benda atau specimen tersebut dapat dilihat  di bagian mana tegangan maksimal yang terjadi. Sebuah pola yang berupa retakan kecil akan muncul pada permukaan benda tersebut. Pola tersebut dapat digunakan sebagai tempat peletakan strain gauges untuk perhitungan tegangan yang presisi. Namun, metode ini sangat sensitive terhadapat temperature dan kelembaban.

Electrical Strain Gauges

Alat ini merupakan yang paling popular dan diterima secara luas untuk menghitung strain dan menganalisa stress. Alat ini tersusun dari kisi-kisi metal foil yang sangat sensitive terhadap sebuah regangan/ strain. Kisi-kisi ini diikat pada sebuah backing plastic. Ketika alat ini ditempelkan pada material atau struktur yang diuji dan mengalami deformasi, maka hambatan listrik pada alat ini akan berubah secara proporsional mengikuti deformasi yang terjadi. Hambatan yang berubah akan menyebabkan voltasi berubah. Perubahan voltasi ini akan dikonversi oleh alat tersebut menjadi regangan. Sedangkan tegangan yang terjadi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan hokum hooke.

Finite Element Method (FEM)

yaitu dengan cara menggambarkan model material atau strukutur yang diuji menggunakan aplikasi CAD. Kemudian model yang digambarkan tersebut dianalisa dengan menggunakan software FEM sperti ansys, patran-Nastran, dll. Setelah melalui proses analisa, dapat diketahui daerah mana saja yang mengalami tegangan paling tinggi dan tegangan nominal.

Faktor Keamanan Dalam Perancangan Elemen Mesin

Faktor Keamanan pada awalnya didefinisikan sebagai suatu bilangan pembagi kekuatan ultimate material untuk menentukan “tegangan kerja” atau “tegangan design”. Perhitungan tegangan design ini pada jaman dulu belum mempertimbangkan faktor-faktor lain seperti impak, fatigue, stress konsentrasi, dan lain-lain, sehingga faktor keamanan nilainya cukup besar yaitu sampai 20-30. Seiring dengan kemajuan teknologi, factor keamanan dalam design harus mempertimbangkan hampir semua  faktor yang mungkin meningkatkan terjadinya kegagalan.

 

Berikut adalah beberapa tingkat ketidak-pastian yang harus dipertimbangkan untuk elemen yang mendapat beban statik :

1.      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 sistem suspense 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 ketidakpastian, maka insinyur harus menggunakan faktor keamanan yang semakin konservatif.

2.      Tingkat ketidak-pastian kekuatan material. Idealnya insinyur mesin harus memiliki pengetahuan dan data yang luas tentang kekuatan material, baik pada kondisi fabrikasi, maupun setelah menjadi komponen mesin. Data-data tersebut haruslah di test pada temperatur dan kondisi lingkungan yang sesuai dengan kondisi aplikasi komponen tersebut. Tetapi dalam kenyataan hal ini sangat sulit dipenuhi.

Kebanyakan data yang tersedia adalah hasil uji pada kondisi temperatur kamar dan pembebanan yang ideal serta ukuran yang berbeda dengan komponen yang sebenarnya. Juga perlu dicatat bahwa sifat material dapat berubah cukup signifikan selama komponen digunakan. Jadi parameter ketidak pastian data material ini perlu dipertimbangkan dalam penentuan faktor keamanan.

3.      Tingkat ketidak-pastian metodologi design dan analysis. Metodologi design dan jenis analisis juga sangat menentukan faktor keamanan dalam suatu perancangan 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.

4.       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 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 merupakan pertimbanganutama dalam menentukan faktor keamanan. Angka numerik faktor keamanan yang disarankan sesuai dengan beberapa parameter dan tingkat ketidakpastian.