bab ii teori dasar - powered by...
TRANSCRIPT
BAB II TEORI DASAR
2.1. Metode Elemen Hingga
Analisa kekuatan sebuah struktur telah menjadi bagian penting dalam alur kerja pengembangan
desain dan produk. Pada awalnya analisa kekuatan dilakukan dengan menggunakan rumusan-rumusan
teoritis yang telah banyak tercantum pada buku-buku panduan mekanika struktur dan teknik. Tetapi hal
tersebut memiliki banyak kekurangan, salah satunya adalah harusnya dilakukan penyederhanaan-
penyederhanaan serta pengidealisasian kondisi-kondisi yang akan dianalisa agar dapat dimasukkan ke
dalam rumusan teoritis tersebut. Hal ini dapat menyebabkan berkurangnya akurasi dan ketepatan hasil
analisa yang dihasilkan serta akan sangat sulit diaplikasikan pada bentuk struktur yang kompleks.
Untuk mengatasi hal tersebut dikembangkanlah berbagai macam metode analisa yang dapat
mengatasi hal tersebut. Salah satu metode tersebut adalah metode elemen hingga. Metode elemen hingga
adalah sebuah metode yang menggunakan pendekatan numerik untuk menganalisa sebuah struktur untuk
mendapatkan solusi pendekatan dari suatu permasalahan.
2.1.1. Konsep Dasar
Untuk dapat memahami dengan mudah konsep dasar dari metode elemen hingga dapat diambil
contoh sederhana dari salah satu bentuk struktur mekanika sebagaimana terlihat pada Gambar 2.1. Seperti
yang sudah diketahui, banyak struktur mekanika terbuat dari beberapa batang yang terhubung dengan
menggunakan sambungan-sambungan sehingga membentuk sebuah struktur. Setiap titik penghubung
batang-batang tersebut adalah yang disebut sebagai titik nodal.
Gambar 2.1 Tipikal struktur mekanika (a) struktur batang (b) struktur bertingkat [2]
Metode elemen hingga menggunakan prinsip yang sama dengan struktur sederhana tersebut
dimana setiap struktur yang akan dianalisa dibagi terlebih dahulu menjadi elemen-elemen kecil seperti
layaknya struktur yang ditunjukkan pada Gambar 2.1. Analisa untuk struktur tersebut dapat dilakukan
dengan mengetahui terlebih dahulu bagaimana perilaku setiap elemen individual tersebut, kemudian
elemen-elemen tersebut dihubungkan sedemikian rupa sehingga gaya-gaya kesetimbangannya dan
kompabilitas dari perubahan posisi-posisi struktur tersebut sesuai pada setiap nodalnya.
Setelah kedua hal tersebut dipenuhi, baru analisa dapat dilakukan dengan menerapkan
perhitungan-perhitungan numerik yang berdasarkan analisa struktur sederhana pada setiap elemen-elemen
struktur tersebut. Perhitungan-perhitungan numerik tersebut di representasikan dengan menggunakan
metode matriks untuk menganalisis struktur secara kesinambungan. Karena analisis dilakukan pada setiap
elemen maka kedekatan hasil analisis terhadap kondisi sebenarnya sangat bergantung pada jumlah elemen
yang dibagi pada struktur yang dianalisa tersebut. Gambar 2.2 menunjukkan contoh model elemen hingga
yang diterapkan pada sebuah struktur konstruksi sederhana.
Gambar 2.2 Contoh idealisasi metode elemen hingga pada stuktur (a)
Tembok Dam (b) Plat terlipat [2]
2.1.2. Pemodelan Elemen Hingga
Setelah mengetahui kondisi-kondisi dasar yang perlu diketahui dalam melakukan analisa struktur,
hal lain yang perlu dilakukan kemudian adalah pembuatan model itu sendiri. Pada saat ini pemodelan
elemen hingga telah dilakukan dengan bantuan perangkat lunak dan komputer. Walaupun telah
dimudahkan dengan piranti lunak tersebut tetapi tetap ada beberapa langkah yang harus dilakukan dalam
melakukan pembuatan model untuk dianalisa dengan menggunakan elemen hingga.
Tahapan langkah tersebut dapat dijabarkan secara garis besar menjadi sebagai berikut :
1. Pembuatan geometri awal struktur yang akan dianalisis
2. Penentuan jumlah elemen yang akan diberikan pada model geometri tersebut
3. Pembuatan elemen dari hasil pemodelan geometri struktur yang akan dianalisa (mesh
generation )
4. Pemberian kondisi batas ( constraint/boundary condition ) Kondisi batas diperlukan untuk menentukan bagaimana model tersebut tertumpu pada
dudukannya dalam kondisi nyata. Hal ini sangat menentukan bagaimana hasil dari analisa
model geometri tersebut. Berbagai macam kondisi batas yang biasa digunakan antara lain
fixed-fixed, fixed-free, free, dsb.
5. Penentuan jenis material dan properti dari material yang digunakan, hal ini berkenaan dengan
massa jenis dari material tersebut, modulus elastisitas (young modulus, E ), poisson’s ratio,
dll.
6. Pemberian kondisi pembebanan ( loading condition ). Kondisi pembebanan yang diberikan
pada model struktur bergantung dengan kondisi nyatanya. Hal ini dilakukan untuk
mendapatkan hasil yang sedekat mungkin dengan kondisi kenyataanya. Beban yang biasa
digunakan antara lain beban gaya, momen, atau tekanan baik statik maupun dinamik.
7. Analisa
Langkah ini merupakan langkah terakhir dalam tahapan analisa metode elemen hingga.
Analisa dilakukan dengan bantuan perangkat lunak FEM ( Finite Element Method ). Jenis
analisa yang dapat dilakukan juga bervariasi dari jenis analisa statik, dinamik, buckling,
maupun analisa perpindahan panas.
2.2. Analisa Struktur Statis
Analisa statis digunakan untuk mengetahui kekuatan serta kondisi kritis yang dimiliki oleh
struktur yang dianalisa tersebut. Kondisi kritis merupakan kondisi dimana kegagalan dari struktur paling
mungkin terjadi dan dapat tercapai karena pada kondisi tersebut terdapat tegangan maksimum yang
dialami oleh struktur tersebut.
Tegangan maksimum dapat dijelaskan dengan lebih mudah melalui Gambar B.3 dibawah. Pada
gambar tersebut digambarkan sebuah batang yang tidak bermassa yang memiliki dua gaya P yang sama
besar dan berlawanan arah yang terletak di setiap ujung batang tersebut. Pada batang tersebut diberikan
potongan imajiner pada bidang x-x. Dalam analisa struktur diutamakan keseimbangan gaya-gaya yang
bekerja sesuai dengan metode irisan yang menyebutkan hakekat gaya-gaya yang ada di dalam suatu benda
mengimbangi gaya-gaya luar terpakai. Sehingga pada potongan imajiner tersebut perlu gaya yang setara
seperti yang terlihat pada Gambar 2.3 (b) dan (c).
Gambar 2.3 Urutan langkah analisis tegangan sebuah batang tak bermassa [6]
Kemudian berdasarkan definisi tegangan normal, maka tegangan yang berlaku tegak lurus pada
potongan tersebut dapat diterjemahkan menjadi persamaan b-1 sebagai berikut,
(2-1)
Pada umumnya gaya P adalah gaya resultan sejumlah gaya pada suatu sisi atau sisi yang satunya lagi dari
potongan tersebut. Aplikasi analisa pada batang ini kemudian diaplikasikan pada analisa struktur secara
keseluruhan terutama pada struktur yang terdiri dari banyak batang yang membentuk kerangka seperti
terlihat pada contoh Gambar 2.4. Agar semua bagian dari kerangka tersebut dapat dianalisis, maka gaya-
gaya yang bekerja di setiap batang pada kerangka tersebut haruslah dihitung dan dianalisa. Dengan
dianalisanya semua bagian maka dapat diambil gambaran secara menyeluruh kondisi yang terjadi pada
saat kerangka struktur tersebut mengalami pembebanan.
Untuk dapat dianalisa di setiap bagian kerangka struktur tersebut maka perlu dilakukan
pemotongan imajiner pada struktur kerangka batang tersebut seperti yang dilakukan pada batang individu.
Hal ini dimaksudkan agar di setiap batang dapat di analisis gaya-gaya yang bekerja dan bagaimana
dampaknya pada keseluruhan kerangka batang seperti terlihat pada Gambar 2.5 sebagai berikut,
Gambar 2.4. Contoh kerangka struktur yang mengalami pembebanan [6]
\
Gambar 2.5. Contoh kerangka struktur yang mengalami pembebanan dan telah dipotong secara imajiner [6]
Pada Gambar 2.5 (c) digambarkan diagram benda bebas kerangka batang dan bagaimana gaya yang
bekerja pada batang FC dan AB, sedangkan gaya-gaya yang bekerja pada batang CG dan AB
digambarkan pada diagram benda bebas pada Gambar 2.5 (d).
Untuk kerangka struktur yang sederhana analisa dengan cara seperti ini masih dapat dilakukan
secara manual. Tetapi pada kerangka struktur yang kompleks hal ini dapat sangat sulit untuk dilakukan.
Oleh karena itu pada kerangka struktur yang kompleks digunakan bantuan perangkat lunak komputer
untuk dilakukan analisa. Cara analisa dengan menggunakan metode elemen hingga didasari oleh cara
analisa kerangka struktur seperti ini.
2.3. Hukum Hooke
Hukum Hooke merupakan hubungan antara tegangan dan regangan yang dapat dikatakan
berbentuk linier untuk semua bahan, yang menuju kepada idealisasi dan generalisasi yang berlaku pada
semua bahan atau material berdasarkan pustaka [1]. Dalam bentuk lambang hukum Hooke dapat
diterjemahkan menjadi persamaan dimana tegangan berbanding lurus dengan regangan seperti berikut,
(2-2)
Tetapan E merupakan tetapan pembanding tegangan dan regangan yang disebut sebagai modulus
elastisitas atau disebut juga sebagai modulus Young. Sedangkan σ pada persamaan (b-2) merupakan
tegangan dan ε adalah regangan. Secara grafis tetapan E adalah kemiringan dari garis lurus yang ditarik
dari titik asal ke titik A pada diagram regangan dan tegangan seperti yang terlihat pada Gambar 2.6
sebagai berikut,
(a) (b)
Gambar 2.6 Diagram tegangan dan regangan untuk baja lunak (a) dan bahan rapuh (b) [6]
Penjelasan tersebut menekankan bahwa hukum Hooke hanya berlaku pada batas proporsional dari
bahan yang ditunjukkan pada titik A pada diagram regangan dan tegangan tersebut. Oleh karena itu secara
fisis nilai modulus Young menunjukkan nilai kekakuan bahan terhadap beban yang diberikan, dan
merupakan suatu sifat yang pasti dari bahan. Pada baja nilai E berharga antara 200 sampai 210 x 109
N/m2.
2.4. Perbandingan Poisson (Poisson’s Ratio)
Salah satu karakteristik penting yang perlu diperhatikan dalam melakukan analisa menggunakan
metode elemen hingga adalah diketahuinya perbandingan Poisson dari material tersebut. Perbandingan
Poisson menunjukkan perbandingan antara regangan lateral dan aksial dari suatu bahan material. Dari hal
tersebut dapat diperlihatkan bahwa pada suatu benda padat jika dihadapkan pada suatu gaya tarik aksial
maka benda tersebut akan menyusut secara lateral dan sebaliknya saat ditekan benda padat tersebut akan
menuai ke samping seperti yang terlihat pada Gambar 2.7 berikut ini,
Gambar 2.7 Penyusutan dan pemuaian lateral dari benda-benda yang mengalami efek dari
Poisson [6]
Seperti layaknya modulus Young, perbandingan Poisson juga termasuk sebagai konstanta yang
menjadi sifat tertentu dari suatu bahan. Perbandingan Poisson ditunjukkan sebagai ν (nu) dan
didefinisikan dalam persamaan menjadi sebagai berikut,
(2-3)
Harga dari ν tersebut berubah-berubah untuk bahan yang berbeda tetapi masih dalam ruang yang
cukup sempit. Pada umumnya harga ν berkisar dari 0,25 sampai 0,35 dengan harga ekstrim mencapai 0,1
pada material getas seperti beton dan maksimum 0,5 untuk material ulet seperti karet. Selain itu efek
Poisson tidak akan menambahkan tegangan apapun kepada benda tersebut kecuali bila deformasi
melintang dihalangi atau dicegah.
2.5 Buckling
Buckling atau penekukan dapat didefinisikan sebagai sebuah fenomena kegagalan yang terjadi
akibat tekanan kompresif yang terjadi pada sebuah struktur sehingga menyebabkan terjadinya perubahan
bentuk struktur tersebut berupa defleksi lateral ke bentuk kesetimbangannya yang lain berdasarkan
pustaka [3].
2.5.1 Beban Kritis
Beban aksial maksimum yang dapat diterima sebuah kolom atau struktur sebelum mencapai
buckling disebut sebagai beban kritis (Pcr ). Penambahan beban yang melebihi beban kritis tersebut akan
menyebabkan kegagalan pada struktur tersebut.
Gambar 2.8 Ilustrasi Pembebanan pada Batang Kolom [10]
Terlihat pada Gambar 2.8 Saat P < Pcr maka batang kolom masih akan tetap berada dalam
keadaan lurus tanpa terjadi defleksi. Tetapi saat P > Pcr maka batang kolom akan mengalami defleksi.
Fenomena ini akan dapat diperjelas dengan mengasumsikan terdapat sebuah mekanisme dua batang yang
memiliki massa yang dapat diabaikan dan dihubungkan dengan pin di tiap ujungnya. Seperti terlihat pada
Gambar 2.9
(a) (b)
Gambar 2.9 Ilustrasi Mekanisme 2 Batang dengan Menggunakan Pegas [10] Pada Gambar 2.9 (a) terlihat batang berada pada posisi vertikal dengan diberi tahanan pegas pada
titik B. Diasumsikan pegas tersebut memiliki tahanan k tanpa regangan dan pada mekanisme tersebut
diberi beban vertikal P. Dengan memberikan sedikit defleksi Δ pada mekanisme tersebut, maka posisi
mekanisme tersebut akan berubah dari posisi kesetimbangannya menjadi posisi seperti pada Gambar 2.9
(b). Pada posisi ini pegas akan memberikan gaya yang berlawanan sebesar F = k Δ. Dan gaya P akan
memberikan gaya horizontal sebesar Px = P tan θ yang memiliki kecenderungan untuk semakin
mendorong batang menjauh dari titik kesetimbangannya melawan gaya pulih pegas.
Karena θ diasumsikan sangat kecil maka dapat diperoleh tan θ ≈ θ dan Δ = θ(L/2). Sehingga gaya
pulih pegas dapat menjadi F = k θ(L/2), dan gaya pendorong menjadi 2 Px=2 P θ.
Dari persamaan-persamaan tersebut dapat terlihat jika gaya pulih pegas lebih besar daripada gaya
pendorong yaitu saat k θ(L/2) > 2 P θ, maka akan diperoleh
(2-4)
dimana mekanisme berada dalam keadaan stabil setimbang dalam arti gaya pulih pegas dapat
mengembalikan mekanisme tersebut dalam kondisi vertikal semula.
Sebaliknya jika gaya pulih pegas lebih kecil daripada gaya pendorong pada mekanisme tersebut
dimana k θ(L/2) < 2 P θ, maka akan diperoleh
(2-5)
Dimana mekanisme tersebut tidak berada dalam keadaan stabil setimbang, sehingga mekanisme
tersebut akan mengalami defleksi dan tidak dapat dikembalikan ke posisi semula.
Nilai P yang diperoleh dengan memenuhi persamaan k θ(L/2) = 2 P θ adalah yang disebut sebagai beban
kritis, dimana
(2-6)
Pembebanan ini menunjukkan sistem berada dalam kondisi kesetimbangan netral. Pada kondisi
ini gangguan yang terjadi tidak akan membuat mekanisme tersebut semakin menjauh dari titik
kesetimbangan tetapi juga tidak akan mengembalikan ke posisi semula pada posisi stabil setimbang.
Mekanisme akan tetap berada dalam posisi terdefleksi.
Titik transisi atas ketiga kondisi kesetimbangan tersebut disebut sebagai titik percabangan dua
(bifurcation point) dimana beban .
2.5.2 Rumus Euler pada Kolom Ideal
Untuk menyederhanakan perhitungan dan analisis pada fenomena buckling maka kolom dan
batang di asumsikan sebagai kolom ideal. Yang disebut sebagai kolom ideal pada hal ini adalah yang
memenuhi syarat berikut antara lain, kolom yang memiliki profil lurus sempurna sebelum pembebanan,
terdiri atas material yang homogen serta bersifat elastis linier, dan beban yang diaplikasikan pada kolom
melalui centroid penampang dari batang tersebut.
Untuk menentukan beban kritikal dan bentuk penekukan pada kolom ideal, dapat didekati melalui
persamaan momen internal pada kolom yakni,
(2-7)
Untuk menggunakan persamaan ini perubahan defleksi pada batang haruslah diasumsikan sangat kecil.
(a) (b)
Gambar 2.10 Diagram Benda Bebas pada Batang Kolom [10]
Dari Gambar 2.10 dapat terlihat Diagram Benda Bebas dari perubahan defleksi yang terjadi pada
kolom. Dari DBB tersebut dapat terlihat perubahan defleksi dan momen internal M menunjukkan arah
positif. Sehingga dapat diperoleh besar momen internal dari batang tersebut adalah .
Sehingga persamaan 2-7 dapat menjadi,
(2-8)
Dengan menggunakan metode persamaan diferensial, solusi umum dari persamaan tersebut adalah,
(2-9)
Dua konstanta tersebut ditentukan dari kondisi batas pada ujung-ujung batang, karena pada
sehingga . Dan karena saat , maka
Persamaan ini dapat diselesaikan jika tetapi solusi tersebut hanyalah akan menjadi solusi yang
tidak berarti karena . Solusi lain adalah,
Yang dipenuhi jika,
(2-10)
dimana
Untuk mendapatkan nilai P terkecil maka , sehingga diperoleh rumus untuk mencari beban kritis
dari sebuah kolom,
(2-11)
Yang biasa disebut sebagai rumus Euler.
2.5.3 Rumus Euler pada Kolom Ideal dengan Berbagai Macam Tumpuan
Rumus Euler yang telah diperoleh pada persamaan 2-11 hanya berlaku pada batang atau kolom
yang memiliki tumpuan pin pada ujung-ujungnya atau dapat disebut juga dapat berotasi pada ujung-
ujungnya. Tetapi pada prakteknya sebuah batang dapat ditumpu dengan berbagai macam tumpuan lain
seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.11
.
K=1 K=0,7 K=0.5 K=2 Gambar 2.11 Ilustrasi Berbagai Macam Tumpuan pada Batang Kolom [10]
Dalam hal ini panjang L dalam persamaan menggambarkan jarak tumpuan antara titik dimana
terdapat momen nol. Jarak ini disebut sebagai Panjang Efektif, Dan menurut ketentuan dalam desain
panjang efektif telah memiliki formula,
Dimana K merupakan konstanta yang disebut koefisien panjang efektif. Nilai spesifik K telah
tercantum pada Gambar 2.11. Sehingga persamaan Euler untuk kolom dengan berbagai tumpuan menjadi,
(2-12)
2.5.4 Analisa Buckling pada Perangkat Lunak MSC Nastran 4.5
Pada perangkat lunak MSC Nastran 4.5, analisa buckling dibuat berdasarkan teori-teori yang
telah disebutkan di atas. Tetapi pada perangkat lunak MSC Nastran 4.5 hasil dari proses akhir tidaklah
langsung berupa nilai beban kritis dari struktur yang dianalisa melainkan berupa nilai eigen. Sehingga
untuk mendapatkan nilai beban kritis nilai eigen tersebut harus dimasukkan ke dalam persamaan
sederhana yakni,
(2-13)
Oleh karena itu pada analisa dengan menggunakan perangkat lunak MSC Nastran 4.5 nilai eigen
yang dihasilkan dapat juga diartikan sebagai besarnya faktor keamanan yang dimiliki oleh struktur
tersebut. Semakin kecil nilai eigen yang dihasilkan semakin besar kemungkinan terjadinya kegagalan
akibat terjadinya buckling. Oleh karena itu nilai eigen yang besar cukup diharapkan pada analisa sebuah
struktur untuk menunjukkan tingkat keamanan yang besar dari struktur tersebut dari kemungkinan
terjadinya gagal akibat buckling.
2.6 Gaya Impuls
Gaya Impuls merupakan gaya yang bekerja pada selang waktu yang pendek seperti yang biasa
terjadi pada peristiwa tumbukan berdasarkan pustaka [7]. Sebagai contoh gaya yang bekerja pada
tumbukan sebuah bola dengan tembok, serta tendangan pada bola. Pada peristiwa tersebut gaya yang
bekerja merupakan gaya impuls. Agar dapat dapat dipandang dengan lebih jelas bagaimana gaya impuls
bekerja, diumpamakan bola tersebut sebagai suatu partikel atau benda titik yang dipukul hingga terpental.
Kemudian supaya gaya pukulan yang bekerja dapat dihubungkan dengan gerak partikel, dapat digunakan
hukum II Newton, sebagai berikut,
(2-14)
Dari persamaan (2-14) diintegralkan hingga diperoleh,
Dengan memisalkan massa partikel tidak berubah terhadap kecepatan atau waktu maka dapat diperoleh,
(2-15)
Untuk gerak satu dimensi persamaan (2-15) dapat ditulis menjadi,
(2-16)
Hal ini menunjukkan jika fungsi F(t) diketahui maka perubahan mv dapat diketahui dengan menghitung
integral . Integral ini disebut sebagai impuls dan dinyatakan dalam I.