2. analisa tegangan
DESCRIPTION
mekanika kekuatan materialTRANSCRIPT
TEGANGAN TARIK dan KOMPRESI PADA PENAMPANG MIRING
PP
p
q
P
p
q
n
xS
Batang yang mendapat beban P dipotong miring menurut penampang p-q keadaan seimbang terjadi karena gaya P = gaya tegang pada penampang p-q tsb.
A
Maka:
cos
ASP
sehingga :
cosA
PS
dimana : P = gaya axial, S = tegangan pd penamp. miring1
Bila x adalah tegangan batang (dipotong normal terhadap sumbu x), maka :
cosxx SA
P dan
Dari persamaan diatas tampak bahwa : semakin besar sudut harga S semakin kecil, dan S = 0 untuk = /2,
serta S = x untuk = 0
Tegangan S pada penamp. p-q mempunyai komponen kearah normal dan kearah tangensial :
Komponen kearah normal tegangan normal (n),
Komponen kearah tangensial tegangan geser ()
2
Tegangan normal :
P
p
q
n
xS
n
2coscos xn S
Tegangan geser : 2sin2
1sincossin xxS
3
Tegangan normal maksimum terjadi pd harga = 0, yaitu :
xmaksn )(
Tegangan geser maksimum terjadi pd harga = 45o, yaitu :
xmaks 2
1
4
Bila diperhatikan penampang p-q dan p1-q1 dan batang ditarik dengan gaya P, maka tegangan pada elemen batang adalah seperti pada gambar.
P P
p
q
p1
q1
n
n
(+) (+)
Tegangan normal yg terjadi n diberi tanda positif,
tegangan geser pada penamp. p-q dan p1–q1
menimbulkan kopel searah putaran jarum jam diberi tanda positif.
5
ANALISA TEGANGAN KONDISI 2 DIMENSI dan 3 DIMENSI
• Bila diasumsikan tegangan-teganganx, y
dan xy diketahui, maka dapat dihitung kondisi tegangan pada bidang miring dengan sudut terhadap sumbu x seperti pada gambar dibawah .
• Untuk sembarang sudut didapat harga
dan
Transformasi Tegangan 2 Dimensi
6
Tegangan 2 Arah pada Bidang Miring
y
xx
x
y
y
xy
xy
yx
yx
y
xx
y
xyyx
dxdy
7
• Tegangan normal dan tegangan geser pada bidang miring tersebut dapat dihitung dengan persamaan :
cos2θsin2θ22 τσ xy
σyσxσyσx
cos2θsin2θ2 ττ xy
yx σσ
8
• Untuk suatu harga tertentu diperoleh harga maksimum dan minimum = 0
2xy
2yxyx
maks 22
22
22min
xy
yxyx
9
Tegangan maksimum dan minimum pada bidang
miring tersebut tegangan utama (principal
stress)
Dimana :
1 = tegangan utama maksimum
2 = tegangan utama minimum
2
xy
2
yyxxyyxx
21 22
,
10
Arah Tegangan Utama (Directions of Principal Stress) :
2
2tan
yx
xyp
Tegangan Utama (1)
Tegangan Utama (2)
p
p
2
1
11
Atau dapat dihitung dengan rumus :
Pada sudut tertentu akan diperoleh tegangan geser maksimum :
22
2, xyyyxx
minmaks
221
maks
12
Arah tegangan geser maksimum pada bidang miring :
s
s
½(x + y)
½(x + y)
½(x + y)
½(x + y)
xy
yx
s
2
2tan
13
Menghitung Tegangan Utama 2 Dimensi (Biaxial Stress) dgn Lingkaran MOHR
xx
yy
2
1
max xy
Sumbu utama I
Sumbu utama II
2θθ1
1
2
xx
xx
yy
yy
xy
yx
Lingkaran MOHR
2
xy
xy
14
Menggambarkan seluruh gaya yang bekerja
pada benda kerja Diagram Benda Bebas (Hk.
Statika Newton)
Meninjau keadaan tegangan pada suatu elemen
kecil di daerah tertentu pada benda kerja
daerah deformasi (khusus untuk pembentukan
logam deformasi plastis)
Langkah – Langkah Dasar Analisa Tegangan untuk menentukan TEGANGAN UTAMA :
15
Kondisi tegangan pada elemen secara umum :
16
xx , yy , zz , xy ,yz , zx ,yx ,zy , xz
dimana :
xy = yx , yz = zy , zx = xz
Tegangan pada Sebuah Titik (Multiaxial Stress)
x
y
z
x
y
y
x
z
z
xy
yx
xz
zy
yz
zx
x
y
z
xx
yy
yy
xx
zz
zz
xy
yx
xz
zy
yz
zx
17
Tegangan yang bekerja pada sebuah titik dalam
kondisi 3 dimensi dapat ditulis dalam bentuk matrik
sbb :
333231
232221
131211
ij
= tegangani,j = 1,2,3
18
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
ij
Bila angka indeks (1,2,3) pada i,j diganti dengan arah
sumbu (x,y,z) dengan angka indeks yang sama
menjadi tegangan normal , sedangkan angka indeks
yang tidak sama menjadi tegangan geser :
19
Kondisi tegangan 2 dimensi Lingkaran Mohr
Kondisi tegangan 3 dimensi Lingkaran Mohr tidak bisa dipakai, kecuali kedua tegangan geser yang lain = 0
Menghitung ketiga tegangan utama :
20
x
y
z
zz
xx
xx
yy
yy
zz
xz
xy
zx
yxyz
zx
Menghitung Tegangan Utama 3 Dimensi(Multiaxial Stress)
xx
zz
xy
xz
yx
yz zxzy
x
y
z
O
K
L
J
YY
21
xx
zz
xy
xz
yx
yz zxzy
x
y
z
O
K
L
J
YY
Bidang miring KJL Bidang Utama (Luas KJL = A)
Arah tegangan cosinus arah l, m dan n (sudut antara dengan
sumbu x, y, z) l = cos , m = cos , n = cos Komponen dalam masing-masing sumbu Sx, Sy, Sz
x
y
z
m
l
n
Sx
Sy
Sz
O
22
Karena seimbang jumlah gaya dalam masing-masing sumbu = 0
Komponen : Sx = .l Sy = .m Sz = . n
Luas : KOL = A.l JOK = A.m JOL = A.n
Jumlah gaya dalam arah sumbu x :
.A.l – xx.A.l – yx. A.m – zx.A.n = 0
( – xx) l – yx.m –zx.n = 0
23
Arah sumbu y : – yx.l + ( – yy). m –zy.n = 0
Arah sumbu z : – xz.l –yz.m + ( – zz). n = 0
Ketiga persamaan diatas adalah persamaan linear homogen dalam l, m, n , penyelesaian pers. tsb dengan membuat determinannya = 0
Arah sumbu x : ( – xx). l – yx.m –zx.n = 0
24
- xx
- yy
- zz
- yx - zx
- xy - zy
- xz- yz
= 0
Membuat determinannya = 0
25
Solusinya persamaan pangkat 3 dalam Tegangan
Utama ():
3 – (xx + yy + zz) 2 + (xxyy + yyzz+ xxzz – xy2 –
yz2 –xz
2) - (xxyyzz + 2 xyyzxz – xxyz2 – yyxz
2-
zzxy2) = 0
26
3 – I1 2 + I2– I3 = 0
dimana koefisien invarian I1,2,3 adalah :
I1 = (xx + yy + zz)
I2 = (xxyy + yyzz+ xxzz – xy2 – yz
2–xz2)
I3 = (xxyyzz + 2 xyyzxz – xxyz2 – yyxz
2-zzxy2)
Persamaan Tegangan Utama tsb diatas dapat ditulis sbb :
27
Akar pers pangkat 3 dalam fungsi teg utama dapat diperoleh dengan cara trial and error, atau dapat menggunakan rumus seperti dibawah ini :
28
Akar pers pangkat 3 dalam fungsi teg utama dapat diperoleh dengan cara trial and error, atau dapat menggunakan rumus seperti dibawah ini :
29
)cos( 22111 I3I2I
3
1
)cos(
3
4I3I2I
3
12
2113
)cos(
3
2I3I2I
3
12
2112
Dimana :
II
IIII
221
32131arccos
32
279231
30
Arah tegangan utama dalam bentuk cosinus (l,n,m) :
1nml 222
0
0
1
1
zyyyxy
zxyxxx
n
m
n
ln
m
n
l
31
Tegangan Utama (dalam kondisi 3 dimensi)
1
2
2
3
3
1, , 3 = tegangan utama
x
y
z
x
y
y
x
z
z 1
xy
yx
xz
zy
yz
zx
32
CONTOH SOAL (1) :
Sebuah batang lurus mempunyai penampang uniform A mendapat beban gaya tarik axial P.
Tentukan :
a)Tegangan normal dan tegangan geser yang bekerja pada suatu bidang miring dengan sudut terhadap sumbu batang (ccw).
b)Besar dan arah tegangan gesar maksimum pada batang tersebut.
33
Penyelesaian :
Tegangan normal terhadap sumbu batang x
= P/A, luas penampang miring dengan sudut terhadap sumbu batang = A/sin kondisi keseimbangan gaya pada arah sumbu batang :
A P
x
P
'
m
n
)/Asin (P 'atau P(A/sinθ' σσ )
34
= ’ cos dan = ’ sin
'
P
Untuk x = P/A , maka :
= x sin cos dan = x sin2
35
Dari trigonometri :
sin 2= 2sincos dan sin2 = (1- cos 2)/2
Maka harga dandapat ditulis menjadi :
2sin2
1x )2cos1(
2
1x dan
Harga akan maksimum bila = 45o, akan maksimum bila = 90o
36
CONTOH SOAL (2)
Luas penampang sebuah batang adalah 850
mm2 mendapat beban gaya tarik axial sebesar 60 kN pada kedua ujungnya.
Tentukan : tegangan normal dan tegangan geser pada bidang miring dengan sudut = 30o terhadap arah beban.
37
Penyelesaian :
Ditanyakan : tegangan normal dan tegangan geser pada bidang miring dengan sudut = 30o terhadap arah sumbu beban
Penyelesaian :
MPax
A
P6,70
850
1060 3
x
Diketahui : luas penampang batang A = 850 mm2, beban gaya axial P = 60 kN
38
= 30o
30,6 MPa
= 17,65 MPa
P=60 kN
2x2
1 sin )2x2
1 cos1( dan
MPao 65,1760cos16,702
1
MPao 6,3060sin6,702
1
39
CONTOH SOAL (3)
Luas penampang sebuah batang adalah 850
mm2 mendapat beban gaya tarik axial sebesar
60 kN pada kedua ujungnya.
Tentukan : tegangan geser maksimumnya
40
CONTOH SOAL (4) :
Jelaskan pada soal diatas dengan menggunakan penyelesaian secara grafis
Sebuah batang lurus mempunyai penampang uniform A mendapat beban gaya tarik axial P.
Tentukan :
a)Tegangan normal dan tegangan geser yang bekerja pada suatu bidang miring dengan sudut terhadap sumbu batang (ccw).
b)Besar dan arah tegangan geser maksimum pada batang tersebut.
41
CONTOH SOAL (5) :
Sebuah elemen kecil pada suatu komponen mendapat beban multiaxial sebagai berikut :
ksiij
553
5107
372
Ditanyakan :a)Gambar kondisi tegangan multiaxial pada elemen kubus tersebutb)Cos arah (l,m,n) dari tegangan utama
42
Penyelesaian :
43
Tegangan normal dan tegangan geser pd penampang miring pq dari suatu batang tarik :
2sincos212
xxn dan
Harga2 n dan dapat dicari secara grafis bila
besarnya x dan diketahui, dengan cara berikut :
Penyelesaian :
x
y
z
xx= 2ksi
yy = 10 ksi
yy = 10 ksi
xx = 2ksi
zz = -5 ksi
zz = -5 ksi1
xy = 7 ksi
yx
xz
zy
yz
zx
44
xx = 2 ksi , yy = 10 ksi, zz = -5 ksi,
xy = 7 ksi, yz = 5 ksi, zx = -3 ksi
dimana koefisien invarian I1,2,3 adalah :
I1 = (xx + yy + zz) = 3 ksi
I2 = (xxyy + yyzz+ xxzz – xy2 – yz
2–xz2)
= - 143 (ksi)2
I3 = (xxyyzz + 2 xyyzxz – xxyz2 – yyxz
2- zzxy2)
= 95 (ksi)3
Sehingga :
45
Arah tegangan utama :
46
n = 0.183
47