chapter iii v skripsi

43
 BAB III METODE ANALISA DAN APLIKASI III.1 Elemen Segitiga Isoparametrik dengan Tiga Node Untuk keperluan analisa suatu continum yang berupa luasan, diperlukan pengambilan elemen berupa elemen berbentuk luasan pula. Bagian ini akan membahas permasalahan yang ada disekitar elemen segitiga dengan tiga node seperti matrik kekakuan elemen, Plain Strain dan Plain Stress serta vektor-vektor gaya yang bekerja pada elemen. Secara terperinci hal-hal yang disebutkan di atas akan ditinjau dalam sistem Koordinat Lokal, Global dan Sistem Koordinat. Akan dibandingkan apakah keuntungan dan kerugian dalam penggunaan setiap sistem koordinat yang dipakai. III.1.1 Elemen Segitiga dengan Tiga Node Perhatikan sebuah elemen segitiga dengan 3 node dalam gambar di bawah ini: Gambar 3.1 Elemen segitiga dengan penomoran Lokal Dalam urutan penomeran dilakukan dengan arah berlawanan dengan perputaran jarum  jam (CCW). Elemen segitiga dalam gambar diatas disebut elemen Isoprametrik. Elemen Isoparametrik adalah elemen yang menggunakan koefisien interpolasi yang sama antara fungsi displacement dan fungsi koordinat spasial.  Langkah 1 : Menen tukan fungsi displacement Koordinat lokal tiap dari tiap node dinyatakan dalam : u = untuk arah horisontal v = untuk arah vertikal Universitas Sumatera Utara

Upload: hasmaomo

Post on 05-Nov-2015

20 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

BAB III SKRIPSI

TRANSCRIPT

  • BAB III

    METODE ANALISA DAN APLIKASI

    III.1 Elemen Segitiga Isoparametrik dengan Tiga Node

    Untuk keperluan analisa suatu continum yang berupa luasan, diperlukan pengambilan

    elemen berupa elemen berbentuk luasan pula. Bagian ini akan membahas permasalahan yang

    ada disekitar elemen segitiga dengan tiga node seperti matrik kekakuan elemen, Plain Strain

    dan Plain Stress serta vektor-vektor gaya yang bekerja pada elemen. Secara terperinci hal-hal

    yang disebutkan di atas akan ditinjau dalam sistem Koordinat Lokal, Global dan Sistem

    Koordinat. Akan dibandingkan apakah keuntungan dan kerugian dalam penggunaan setiap

    sistem koordinat yang dipakai.

    III.1.1 Elemen Segitiga dengan Tiga Node

    Perhatikan sebuah elemen segitiga dengan 3 node dalam gambar di bawah ini:

    Gambar 3.1 Elemen segitiga dengan penomoran Lokal

    Dalam urutan penomeran dilakukan dengan arah berlawanan dengan perputaran jarum

    jam (CCW). Elemen segitiga dalam gambar diatas disebut elemen Isoprametrik.

    Elemen Isoparametrik adalah elemen yang menggunakan koefisien interpolasi yang sama

    antara fungsi displacement dan fungsi koordinat spasial.

    Langkah 1 : Menentukan fungsi displacement

    Koordinat lokal tiap dari tiap node dinyatakan dalam :

    u = untuk arah horisontal

    v = untuk arah vertikal

    Universitas Sumatera Utara

  • koordinat lokal dalam kaitan dengan Koordinat Global dihubungkan lewat persamaan:

    u ( x , y ) = 1 + 2 x + 3 y .....pers 3.1 (a)

    v ( x , y ) = 1 + 2 x + 3 y .....pers 3.1 (b)

    Kenakan syarat batas bahwa:

    Pada x = x1 , dan u = u1 Pada x = x2 , dan u = u2 Pada x = x3 , dan u = u3

    Pada persamaan 3.1 a diperoleh sistem persamaan linier berikut:

    u1 = 1 + 2 x1 + 3 y1

    u2 = 1 + 2 x2 + 3 y2 u3 = 1 + 2 x3 + 3 y3

    Ketiga persamaan ini, dalam bentuk matriks ditulis sebagai :

    3

    2

    1

    33

    22

    11

    3

    2

    1

    1

    1

    1

    yx

    yx

    yx

    u

    u

    u

    .....pers. 3.2

    Atau {q1} = [ A1 ] {}

    dimana {q1} = Matriks Displacement Horisontal Lokal

    [ A1 ] = Matriks Absis Global

    {} = Matriks Koefisien

    Demikian pula, syarat batas:

    Pada y = y1 , dan v = v1 Pada y = y2 , dan v = v2 Pada y = y3 , dan v = v3

    Yang dikenakan pada persamaan 3.1 (b) diperoleh :

    3

    2

    1

    33

    22

    11

    3

    2

    1

    1

    1

    1

    yx

    yx

    yx

    v

    v

    v

    Atau {q2} = [ A ] {} .....pers 3.3

    Universitas Sumatera Utara

  • Untuk selanjutnya yang akan diturunkan hanya untuk u saja, sedangkan untuk v diambil

    analogi dengan hasil yang diperoleh dari u.

    Dari persamaan 3.2 diturunkan :

    {} = [ A1 ]-1

    {q1} .....pers. 3.4

    Dimana [ A1 ]-1

    adalah invers dari matriks [ A1 ]

    1

    1

    33

    22

    11

    1_mindet

    int

    1

    1

    1

    Adarianer

    Adariajo

    yx

    yx

    yx

    A

    331

    221

    111

    1

    1

    1

    ccc

    bbb

    aaa

    A matriks ajoint .....pers. 3.4(a)

    Dimana = dterminan dari matriks [ A1 ]

    = (x2y3-x3y2) (x1y3-x3y1) + (x1y2-x2y1)

    = 2 kali luas elemen segitiga

    Catatan :

    Ajoint dari satu matriks diperoleh dengan menghitung matrik kofaktor kemudian

    transpose pada hasil dari matriks kofaktor tersebut

    33

    22

    11

    1

    1

    1

    1

    yx

    yx

    yx

    A matriks kofaktornya adalah :

    )()()(

    )()()(

    )()()(

    12121221

    13131331

    23232332

    xxyyyxyx

    xxyyyxyx

    xxyyyxyx

    Transpose matriks ini (ubah baris menjadi kolom, dan kolom menjadi baris) diperoleh

    121323

    121323

    122113312332

    xxxxxx

    yyyyyy

    yxyxyxyxyxyx

    Universitas Sumatera Utara

  • Matriks diatas diubah menjadi:

    321

    3

    321

    21

    ccc

    bbb

    aaa

    Dimana :

    a1 = x2 y3 - x3 y2 b1 = y2 - y3 c1 = x3 - x2

    a2 = x3 y 1 - x1 y3 b2 = y3 - y1 c2 = x1 - x3

    a3 = x1 y2 - x2 y1 b3 = y1 - y2 c3 = x2 - x1 ....pers. 3.5

    Kembali kita tinjau persamaan 3.1(a) :

    u = 1 + 2 x + 3 y

    atau

    3

    2

    1

    1

    yxu

    atau yxu 1

    Substitusikan {} dari persamaan 3.5 ke persamaan ini, dan akan dihasilkan :

    11

    11 qAyxu

    ....pers. 3.6

    Dimana :

    3

    2

    1

    1

    u

    u

    u

    q

    Demikian pula untuk v (ordinat lokal)

    21

    11 qAyxv

    Dimana :

    3

    2

    1

    2

    v

    v

    v

    q

    Tinjau kembali persamaan 3.6 dengan syarat substitusi [ A1]-1

    dari persamaan 3.5 (a)

    3

    2

    1

    321

    3

    321

    21

    11

    u

    u

    u

    ccc

    bbb

    aaa

    yxu

    Universitas Sumatera Utara

  • 3

    2

    1

    333222111

    1

    u

    u

    u

    ycxbaycxbaycxbau

    3

    2

    1

    321

    u

    u

    u

    NNNu ....pers 3.7 (a)

    3

    2

    1

    321

    v

    v

    v

    NNNv ....pers 3.7 (b)

    Dimana : ycxbaN 11111

    ycxbaN 22221

    ycxbaN 33331

    Ni = shape function dari node ke-i

    Gabungkan kedua persamaan 3.7 (a) dan 3.7 (b) diperoleh:

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    321

    \321

    2

    1

    000

    000

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    NNN

    NNN

    N

    N

    ....pers. 3.8

    Dalam bentuk simbol ditulis:

    {u}= [ N ] {q} .....pers 3.8 (a)

    Langkah 2: Menurunkan persamaan Strain dan Energi Strain

    Sebelum menurunkan persamaan srai dan energi Strain terlebih dahulu akan dibahas

    defenisi dari Strain, Stress dan hubungan dari keduanya.

    Anggap terjadi deformasi yang kecil pada suatu kontinum sejauh u, v dan w berturut-turut

    pada arah sumbu x, y dan z.

    Komponen longitudinal Strain pada masing-masing arah sumbu x,y dan z adalah:

    Universitas Sumatera Utara

  • xux

    ,

    y

    vy

    z

    wz

    .....pers. 3.9

    Shearing Strain masing-masing:

    x

    v

    y

    uxy

    y

    w

    z

    vyz

    z

    u

    x

    wzx

    .....pers 3.10

    Kedua persamaan 3.9 dan 3.10 ditulis dalam bentuk matriks menjadi :

    w

    v

    u

    xz

    yz

    xy

    z

    y

    x

    zx

    yz

    xy

    z

    y

    x

    0

    0

    0

    00

    00

    00

    .....pers. 3.11

    Gambar 3.2 Tensile Stress pada bidang x dalam arah sumbu x

    Gambar 3.3 normal stress dan shear stress pada bidang x dan y

    Untuk kasus uniaxial (lihat gambar 3.2) hubungan Stress-Strain adalah:

    Universitas Sumatera Utara

  • = E x ....pers. 3.11(a)

    Dimana E = modulus elastisitas

    Dalam kasus ini Strain dalam arah y dan z tidak sama dengan nol, tetapi y= z = -v x

    Dimana v = poison ratio dari material

    Plane Stress

    Dalam kasus ini, komponen-komponen dari Normal Stress dan Shear Stress bekerja dalam

    dua arah saja (tidak pada arah sumbu z) sehingga:

    z = zx = zy = 0

    Hubungan antara Stress dan Strain adalah :

    yxx vv

    E

    )1( 2

    xyy vv

    E

    )1( 2

    xyxyxy Gv

    E

    )1(2

    Persamaan konstitutif dalam bentuk matriks dibentuk dari persamaan di atas adalah:

    xy

    y

    x

    xy

    y

    x

    vv

    v

    v

    E

    2

    100

    01

    01

    1 2 ....pers. 3.12

    Atau dapat diringkas = c } ....pers. 3.12 a

    Dengan = vektor stress/tegangan

    c = matriks konstitusi untuk plane stress

    = vektor strain/regangaN

    Universitas Sumatera Utara

  • Plane Strain

    Gambar 3.4 Stress pada satu titik dalam kasus plane Strain

    Hubungan Stress Strain dalam kasus ini adalah :

    yxx vvvv

    E

    )1(

    )21)(1(

    yxy vvvv

    E )1(

    )21)(1(

    )()21)(1(

    yxyxz vvv

    vE

    xyxyxy Gv

    E

    )1(2

    Hubungan-hubungan di atas dalam bentuk matrik ditulis sebagai

    xy

    y

    x

    xy

    y

    x

    vvv

    vv

    vv

    E

    2

    2100

    01

    01

    )21)(1(

    .....pers 3.13

    Atau {} = [C] ( ) .....pers. 3.13 (a)

    Dimana [C] adalah matriks konstituif untuk kasus plane Strain

    Tinjau kembali persamaan 3.9 dan 3.10 dalam bentuk diferensial parsial

    x

    ux

    ,

    y

    vy

    x

    v

    y

    uxy

    Ketiga persamaan ini dalam bentuk matriks:

    Universitas Sumatera Utara

  • v

    u

    xy

    y

    x

    xy

    y

    x

    0

    0

    .....pers. 3.14

    Substitusi

    v

    upersamaan 3.8 ke persamaan terakhir ini:

    xy

    y

    x

    xy

    y

    x

    0

    0

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    321

    \321

    000

    000

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    NNN

    NNN

    .....pers. 3.15

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    332211

    321

    321

    000

    000

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    x

    N

    y

    N

    x

    N

    y

    N

    x

    N

    y

    N

    x

    N

    y

    N

    y

    Nx

    N

    x

    N

    x

    N

    xy

    y

    x

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    332211

    321

    321

    000

    0001

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    bcbcbc

    ccc

    bbb

    xy

    y

    x

    .....pers. 3.16

    Besarnya b dan c lihat persamaan 3.5

    Ingat = x2y3- x3y2 x1y3 - x3y1 + x1y2 - x2y1

    = 2 kali luas elemen segitiga

    Dalam bentuk simbol dapat ditulis :

    { } = [ B ] { q } .....pers. 3.16(a)

    Universitas Sumatera Utara

  • Energi Strain

    Energi Strain dari suatu continum dalam kasus perhitungan Plane Stre ss adalah:

    dcU T }]{[}{2

    1 .....pers. 3.17

    Dimana adalah volume kontinum dan [c] dinyatakan dalam persamaan 3.43

    Substitusi persamaan 3.16(a) ke persamaan 3.17 diperoleh :

    dqBcBqU TT }]{][[][}{2

    1 .....pers. 3.18

    Diingatkan [A.B]T

    = [B]T.[A]

    T

    Volume elemen d dalam persamaan 3.18 dapat diganti dengan

    d = h. dA

    dimana h = tebal elemen

    dA = luas elemen

    Masing-masing {q}T, [B]

    T , [c], dan [B] dan {q} bukan fungsi luasan dA , sehingga matriks-

    matriks tersebut dapat dikeluarkan dari tanda integral.

    Persamaan 3.18 diubah menjadi:

    A

    TT dAhqBcBqU .}]{][[][}{2

    1

    Jadi Energi Strain dari satu elemen segitiga adalah:

    AhqBcBqU TT .}]{][[][}{2

    1

    .....pers. 3.19

    Dimana A= luas elemen =21 kali determinan

    Langkah 3 : Menurunkan Fungsi Energi Akibat Pembebanan

    Ada 3 jenis pembebanan yaitu :

    1. Gaya terkonsentrasi pada node

    2. Gaya terdistribusi sepanjang sisi elemen

    Universitas Sumatera Utara

  • 3. Gaya berat dari elemen (body force)

    Masing-masing jenis gaya tersebut di atas dijelaskan secara rinci sebagai berikut :

    1. Gaya terkonsentrasi pada node (Node Force)

    Energi potensial V akibat gaya F diberikan (dengan komponen Fx dan Fy) adalah :

    V : - Fx u - Fy v .....pers. 3.20

    Energi potensial dari node 1 yang dikenai gaya (dengan komponen Fx1 dan Fy1 )

    adalah : V1 : - Fx1 u1 - Fy1 v1 .....pers. 3.21

    Kembangkanlah persamaan ini untuk semua node pada elemen maka diperoleh energi

    potensial akibat gaya terkonsentrasi pada node-node adalah:

    T

    NFNF qqV }{}{ .....pers. 3.22

    Untuk elemen segitiga:

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    }{

    y

    x

    y

    x

    y

    x

    NF

    F

    F

    F

    F

    F

    F

    q

    2. Gaya terdistribusi sepanjang sisi elemen

    Gaya terdistribusi dapat berupa tiap satuan panjang sisi atau gaya tiap satuan luas

    permukaan (disebut vektor stress traksi = T ). Contoh dari vektor stress traksi nampak

    pada gambar 3.5 berikut ini:

    Gambar 3.5 Contoh Stress Traksi

    Gaya yang bekerja pada luasan dA adalah:

    Universitas Sumatera Utara

  • ndATFd .. traksigayaarahn

    Energi potensial akibat gaya Fd adalah : (gunakan persamaan 3.21) adalah:

    dAvTudATdV YxT

    Dimana u dan v adalah komponen Displacement dai sembarang node pada elemen. Jika

    h adalah tebal elemen pada gambar 3.5 maka:

    dST

    TvuV

    y

    x

    s

    T

    ][

    Substitusi [ u v ] dari 3.8 (a) ke persamaan ini didapatkan :

    dShT

    TNqV

    y

    xT

    s

    T

    T

    ]

    Ditinjau kembali : [ A . B ]T = [B]

    T. [A]

    T

    Karena {q}T

    bukan fungsi dari S maka term ini dapat dikeluarkan dari integrasi,

    sehingga persamaan akhir dapat ditulis sebagai :

    dST

    TNqhV

    y

    xT

    s

    T

    T

    ] .....pers.3.23

    3. Gaya berat dari elemen (Body Force)

    Gaya yang dikenakan pada setiap massa elemen dari suatu kontinum disebut Body

    Force. Salah satu contoh dari body force adalah gaya gravitasi. Satuan dari body force

    adalah gaya/volume. Sebuah elemen yang dikenai gaya body Bx memiliki energi

    potensial :

    vdBuBddV yBF

    dAhB

    Bvu

    y

    x

    dimana u dan v adalah Displacement sembarang node dalam elemen.

    Universitas Sumatera Utara

  • Dari persamaan terakhir diperoleh energi potensial sebesar :

    dAB

    BNqhV

    y

    xT

    s

    T

    BF

    ] .....pers.3.24

    Langkah 4 : Jumlah Energi

    Jumlah energi dari sebuah elemen terdiri dari energi Strain U dan energi akibat pembebanan

    (baik pembebanan tunggal pada node (VNF), energi dari body force (VBF) dan energi dari

    gaya traksi (VT).

    Jadi = U + VNF + VBF + VT

    dAB

    BNqhds

    T

    TNqh

    F

    F

    F

    F

    F

    F

    qdqBcBqy

    xT

    A

    T

    y

    xT

    S

    T

    y

    x

    y

    x

    y

    x

    TT

    ][}{][}{}{}]{][[]}[{2

    1

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    .....pers.3.25

    Langkah 5: Penggunaan dari prinsip energi minimum

    Pembebanan yang dihasilkan adalah

    dAB

    BNhds

    T

    TNh

    F

    F

    F

    F

    F

    F

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    dBcBy

    xT

    Ay

    xT

    S

    y

    x

    y

    x

    y

    x

    T

    ][][]][[][

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    .....pers. 3.26

    Universitas Sumatera Utara

  • Atau [ k ] { q } = { Q }NF + { Q }T + { Q }BF .....pers. 3.26(a)

    Dimana :

    [ k ] = [B]T . [c] . [B] h. A adalah mariks kekakuan elemen (pers. 3.26(b))

    { q } = vektor displacement nodal elemen

    { Q }NF = vektor gaya pada node elemen

    { Q }T = vektor gaya resultan dari gaya terdistribusi pada sisi elemen

    { Q }BF = vektor gaya resultan dari distribusi body force

    III.1.2 Elemen Segitiga dalam Sistem Koordinat Lokal

    Sistem koordinat lokal hanya berlaku untuk titik-titik atau node pada elemen itu saja. Untuk

    elemen segitiga, biasanya node 1 diambil sebagai titik asal sistem koordinat dan sumbu x

    diambil pada sisi 1-2 dari elemen tersebut (lihat gambar berikut ini)

    Gambar 3.6 Elemen Segitiga Dalam Sistem Koordinat Lokal

    Langkah-langkah yang dilakukan seperti pada perhitungan dengan menggunakan Sistem

    Koordinat Global.

    Langkah 1: Menentukan fungsi Displacement

    (perhatikan, tanda bar diatas x dan y menandakan Koordinat Lokal)

    Substitusi syarat batas dalam persamaan ini, seperti juga pada perhitungan dengan Koordinat

    Gloal diperoleh:

    Universitas Sumatera Utara

  • 3

    2

    1

    33

    2

    3

    2

    1

    1

    01

    001

    yx

    x

    U

    U

    U

    Atau { q1 } = [ A1 ] {} .....pers. 3.27

    Demikian pula untuk Displacement nodal v

    13

    2

    1

    Aq

    v

    v

    v

    .....pers. 3.28

    Dari persamaan 3.27 yakni { q1 } = [ A1 ] {} maka

    { } = [ A1 ]-1

    {q1} .....pers. 3.27(a)

    Maka kofaktor dari [ A1 ] adalah

    22

    3

    23332

    0

    00

    xx

    y

    xxyyx

    Transpose dari matriks terakhir ini disebut ajoint dari [ A1 ]

    Ajoint [ A1 ] =

    321

    321

    321

    2223

    33

    32

    0

    00

    ccc

    bbb

    aaa

    xxxx

    yy

    yx

    Dimana a1 = x2y3 a2 = 0 a3 = 0

    b1= -y3 b2 = y3 b3=0

    c1=x3-x2 c2 = - x3 c3 = x2

    determinan = 2 kali luas segitiga = 2. . x2. y3

    Dari persamaan 3.28 diperoleh :

    { } = [ A1]-1

    { q2} ...pers. 3.28(a)

    11

    1 int.det

    1AajoA

    Universitas Sumatera Utara

  • Substitusi persamaan 3.27(a) dan 3.28 (a) ke persamaan 3.26 didapatkan:

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    21

    321

    000

    000

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    NNN

    NNN

    v

    u ...pers. 3.29

    Dimana 32

    23231

    )()(

    yx

    xxyxxyN

    32

    332

    yx

    yxxyN

    32

    21

    yx

    yxN

    Dalam bentuk simbolik persamaan 3.29 ditulis sebagai {u} = [ N ] {q} pers. 3.29(a)

    Langkah 2 : Menurunkan Strain dan Energi Strain

    Gunakan persamaan 3.46 dan 3.47

    xy

    y

    x

    xy

    y

    x

    0

    0

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    321

    \321

    000

    000

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    NNN

    NNN

    substitusikan harga masing-masing Ni dari persamaaan 3.29 ke persamaan di atas, diperoleh :

    Universitas Sumatera Utara

  • 3

    3

    2

    2

    1

    1

    233323

    2323

    33

    320

    000

    00001

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    xyxyxx

    xxxx

    yy

    yxxy

    y

    x

    diringkas menjadi : { } = [ B ] { q } .....pers. 3.30

    Langkah 2 : Menentukan Persamaan energi akibat pembebanan

    Langkah ini seperti yang pernah dijelaskan. Hanya saja harus diadakan transformasi dari

    Koordinat Global ke Koordinat Lokal. Untuk itu akan dijelaskan pada bagian berikutnya.

    Langkah 4 : Penjumlahan energi yang timbul

    Demikian pula untuk langkah 4 ini. Persamaan sebelumnya dapat dipakai, hanya saja

    Koordinat Global yang dipakai harus ditransformasikan ke Koordinat Lokal

    Langkah 5 : Penggunaan dari prinsip energi Minimum

    Persamaan dapat dipakai dengan catatan bahwa semua koordinat dinyatakan dalam Sistem

    Koordinat Lokal:

    yxNFyxNFyxNFyxyxQQQqK }{}{}{}{][ .....pers.3.31

    III.1.3 Transformasi Koordinat Lokal ke Global

    Dari hasil pembahasan sebelumnya mengenai penggunaan Koordinat Global dan

    penggunaan Sistem Koordinat Lokal dapat ditarik kesimpulan bahwa matriks-matriks yang

    disajikan dalam Sistem Koordinat Lokal mempunyai elemen-elemen matriks yang lebih

    sederhana. Dengan alasan ini maka penggunaan Sistem Koordinat Global akan menimbulkan

    round of error yang lebih besar dibandingkan dengan jika menggunakan Sistem Koordinat

    Lokal.

    Universitas Sumatera Utara

  • Di pihak lain, jika suatu kontinum dibagi menjadi banyak elemen, maka setiap elemen

    akan memiliki Sistem Koordinat Lokal yang hanya berlaku bagi dirinya sendiri. Hal ini tentu

    akan memepersulit perhitungan karena akan melibatkan banyak Sistem Koordinat Lokal.

    Untuk mengatasi hal ini perlu dilakukan transformasi dari Sistem Koordinat Lokal ke

    global.

    Matriks Transformasi Koordinat Global ke Lokal

    cossin

    sincosT

    Matriks Transformasi Koordinat Lokal ke Global

    cossin

    sincos1T

    yang merupakan invers atau Transpose dari matriks T

    Catatan : Matriks T adalah Matriks Orthogonal sehingga T-1

    =TT

    Untuk merotasikan sebuah bar (dengan 2 node pada ujung-ujungnya) diperlukan

    Matriks Transformasi berordo 4 x 4. Karena setiap node mempunyai 2 derajat kebebasan

    yaitu x dan y.

    Untuk merotasikan sebuah elemen segitiga, diperlukan transformasi sebanyak 2 x 3

    derajat kebebasan sehingga diperlukan matriks berordo 6 x 6 . Jadi transformasi gaya pada

    Sistem Koordinat Global dilakukan perhitungan sebagai berikut :

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    1

    1

    1

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    00

    00

    00

    y

    x

    y

    x

    y

    x

    y

    x

    y

    x

    y

    x

    F

    F

    F

    F

    F

    F

    T

    T

    T

    F

    F

    F

    F

    F

    F

    .....pers.3.32

    Dimana

    cossin

    sincos1T .....pers.3.32(a)

    Universitas Sumatera Utara

  • Secara simbolik persamaan 3.32 ditulis

    { Q }xy = [ T1*] [ Q ] .....pers.3.32(b)

    Untuk mentransformasikan matriks kekakuan

    { Q }xy = [ T1*] [ k ] [T1* ]T

    .....pers.3.33

    III.1.4 Gabungan/ Assemblage Elemen

    Perhatikan suatu continum yang dibagi menjadi 2 buah elemen segitiga dalam gambar berikut

    ini :

    Gambar 3. 7 Penggabungan 2 buah Elemen Segitiga [Dasar-dasar metode Elemen Hingga,

    Yerri Susatio, 2004]

    Elemen 1 : Berbatas node 1, 4 dan 3

    Elemen 2 : Berbatas node 1, 2 dan 3

    Node 1 : Diberi nomor 1 untuk Displacement datar global

    Diberi nomor 2 untuk Displacement tegak global

    Node 2 : Diberi nomor 3 untuk Displacement datar global

    Diberi nomor 4 untuk Displacement tegak global

    Node 3 : Diberi nomor 5 untuk Displacement datar global

    Diberi nomor 6 untuk Displacement tegak global

    Node 4 : Diberi nomor 7 untuk Displacement datar global

    Diberi nomor 8 untuk Displacement tegak global

    Matriks kekakuan Global adalah gabungan dari matriks kekakuan elemen-elemen penyusun

    dengan memperhatikan urutan di atas. Matriks kekakuan global berukuran 8 x8.

    Universitas Sumatera Utara

  • Perhatikan matrik berukuran 8 baris x 8 kolom pada halaman berikutnya. Yang

    diarsir tegak adalah matriks kekakuan elemen 2, sedangkan elemen 1 diwakili oleh elemen-

    elemen matriks dengan baris dan kolom bernomor 1,2,5,6,7,8 (diarsir datar).

    Daerah yang diarsir tegak maupun datar (daerah overlap) berarti jumlah dari dua

    elemen atau dengan kata lain terdapat node-node yang sama yang juga dipakai oleh kedua

    elemen. Dalam gambar 3.17 diatas, ode global 1, 2, 5, dan 6 (lihat matriks dibawah) kedua

    sub matrik diarsir baik datar maupun tegak.

    III.1.5 Elemen Segitiga dalam Koordinat Natural

    Jika sebelumnya telah dibahas tentang penggunaan Sistem Koordinat Lokal dan

    Global, serta hubungan antara Sistem Koordinat Lokal-Global atau sebaliknya.

    Bagian ini akan membahas tentang penggunaan sistem Koordinat Natural dalam menyatakan

    fungsi Displacement. Elemen segitiga yang dianalisa, bersifat Isoparametrik. Artinya

    koefisien-koefisien dari fungsi Displacement, sama dengan koefisien-koefisien yang dipakai

    dalam fungsi koordinat spasial/Shape function. Tahapan yang dilakukan dalam analisa

    dengan Sistem Koordinat Natural diperinci sebagai berikut :

    Universitas Sumatera Utara

  • Langkah 1 : Pemilihan Fungsi Displacement

    Fungsi Displacement nodal dinyatakan dalam Koordinat Natural adalah:

    u = L1 u1 + L2 u2 + L3 u3

    v = L1 v1 + L2 v2 + L3 v3 .....pers.3.34

    mengingat bahwa L1 + L2 + L3 = 1 maka persamaan 3.34 dapat dinyatakan sebagai:

    u = L1u1 + L2u2 + ( 1 - L1 - L2 ) u3

    v = L1v1 + L2v2 + ( 1 - L1 - L2 ) v3 .....pers.3.34 (a)

    Dengan pertimbangan bahwa elemen yang diambil bersifat Isoparametrik, maka fungsi

    koordinat spasial, dapat dinyatakan sebagai :

    x = L1 x1 + L2 x2 + L3 x3 .....pers.3.35

    atau

    x = L1 x1 + L2 x2 + ( 1 - L1 - L2 ) x3 .....pers.3.35 (a)

    dan = L1y1 + L2y2 + ( 1 - L1 - L2 ) y3 .....pers.3.35 (b)

    Gambar 3. 8 Elemen Segitiga dalam Koordinat Global dan Koordinat Natural

    Perhatikan dalam gambar 3. 8 diatas, bahwa L1 dinyatakan dalam arah tegak lurus sisi

    1, L2 dinyatakan dalam arah sisi 2, dan L3 dinyatakan dalam arah tegak lurus pada sisi 3.

    Langkah 2 : Penurunan Strain Elemen

    Dari persamaan 3.34(a) dan persamaan 3.35 dapat dihitung besarnya :

    Universitas Sumatera Utara

  • .......,.........,.......,.........,2121 L

    x

    L

    xdan

    L

    u

    L

    u

    Turunkan persamaan 3.34(a) terhadap L1 diperoleh :

    111 L

    y

    y

    u

    L

    x

    x

    u

    L

    u

    .....pers.3.36

    Turunkan persamaan 3.34(a) terhadap L2 diperoleh :

    222 L

    y

    y

    u

    L

    x

    x

    u

    L

    u

    .....pers.3.37

    Susun kembali kedua persamaan 3.36 dan 3.37 menjadi satu sistem persamaan simultan:

    111 L

    y

    y

    u

    L

    x

    x

    u

    L

    u

    .....pers 3.38

    222 L

    y

    y

    u

    L

    x

    x

    u

    L

    u

    dalam bentuk matriks persamaan 3.38 ditulis sebagai :

    y

    ux

    u

    L

    x

    L

    x

    L

    y

    L

    x

    L

    u

    L

    u

    22

    11

    2

    1 .....pers 3.39

    Hitung besar elemen-elemen matriks [ Q ] dengan menurunkan persamaan 3.35(a) dan

    persamaan 3.35(b)

    ,311

    xxL

    x

    ,32

    2

    xxL

    x

    ,311

    yyL

    y

    ,32

    2

    yyL

    y

    Elemen-elemen matriks [ Q ] diperoleh dari meurunkan persamaan 3.34 (a) terhadap L1 dan

    L2.

    Universitas Sumatera Utara

  • ,311

    uuL

    u

    ,32

    2

    uuL

    u

    Substitusikan harga-harga ini ke dalam persamaan 3.39 (a), didapatkan :

    y

    ux

    u

    yyxx

    yyxx

    uu

    uu

    3232

    3131

    32

    31 maka :

    32

    31

    3232

    31311

    uu

    uu

    yyxx

    yyxx

    jy

    ux

    u

    .....pers. 3.40

    Dimana j = determinan Jacobian

    = (x1-x3) (y2-y3) - (x2-x3) - (y1-y3)

    Ubah bentuk

    32

    31

    uu

    uu menjadi

    3

    2

    1

    32

    31

    110

    101

    u

    u

    u

    uu

    uudan substitusikan ke persamaan 3.40

    3

    2

    1

    123123

    2113321

    u

    u

    u

    xxxxxx

    yyyyyy

    j

    x

    ux

    u

    .....pers. 3.41

    Hal yang sama berlaku untuk displacement v, diperoleh persamaan yang sama seperti 3.41

    3

    2

    1

    123123

    2113321

    v

    v

    v

    xxxxxx

    yyyyyy

    j

    x

    vx

    v

    .....pers. 3.41

    Gabungkan kedua persamaan 3.40 dengan persamaa 3.41, dan akan diperoleh :

    Universitas Sumatera Utara

  • 3

    3

    2

    2

    1

    1

    2\11213313223

    123123

    211332

    000

    0001

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    yyxxyyxxyyxx

    xxxxxx

    yyyyyy

    j

    x

    v

    y

    u

    y

    vx

    u

    Dalam bentuk simbol ditulis:

    { } = [ B ] { g }

    Perhatikan kembali persamaan 3.12 dan persamaan 3.28. Kedua persamaan tersebut

    dan persamaan 3.41 menyatakan hal yang sama. Disimpulkan bahwa pernyataan strain dalam

    bentuk sistem koordinat adalah sama.

    Energi Strain U telah dituliskan dalam persamaan 3.

    U = {g}T

    [B]T [c] [B] {g} h A

    [K] = [B]T [c] [B] hA

    Matriks [K] adalah matriks kekakuan dari elemen

    Langkah 3: Menentukan Gaya Nodal Ekuivalen

    Gaya Nodal : (gaya yang bekerja pada node-node elemen)

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    Fy

    Fx

    Fy

    Fx

    Fy

    Fx

    Q NF .....pers. 3.42

    Gaya terdistribusi pada sisi elemen

    dsT

    TNhQ

    y

    xT

    S

    T

    }{ .....pers. 3.43

    Gaya body terdistribusi :

    dBB

    NhQy

    xT

    A

    BF}{ .....pers. 3.44

    Universitas Sumatera Utara

  • Dimana { Q }T dan { Q }BF adalah vektor kolom berorde 6x1

    Persamaan 3.32 (a) dalam bentuk lain dapat ditulis dengan

    3

    3

    2

    2

    1

    321

    321

    1

    000

    000

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    LLL

    LLL

    v

    u .....pers. 3.45

    Ingat L1 + L2 + L3 = 1 dan matriks [N] disebut juga Matriks Shape Function

    Persamaan 3.45 dalam bentuk simbol ditulis :

    { U } = [ N ] {q}

    Dalam kaitan dengan Koordinat Natural, persamaan 3.73 ditulis sebagai.

    dsTy

    Tx

    L

    L

    L

    L

    L

    L

    hQS

    T

    4

    4

    3

    3

    1

    1

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    .....pers. 3.43 (a)

    Universitas Sumatera Utara

  • III.2 Elemen Quadrilateral Empat Node Isoparametrik

    Pernyataan umum untuk matriks kekakuan dari semua bidang tebal h dalam metode

    elemen hingga adalah :

    dABCBhKT

    A

    .....pers. 3.44

    Untuk elemen quadrilateral, matriks [ B ] dari suatu elemen tidak lagi merupakan

    konstanta yang dapat dikeluarkan dari integrasi, karena kedua matrik tersebut masih

    merupakan fungsi dari Koordinat Natural s dan t. Kesulitan yang akan dihadapi adalah dalam

    menghitung integral.

    Ada tiga hal yang perlu untuk mendapatkan perhatian dalam menganalisa jenis elemen ini:

    1. Koordinat natural dari elemen Quadrilateral

    2. Koefisien dari fungsi interpolasi (shape function) untuk elemen ini

    3. Integrasi numerik dari perkalian dari [B]T [C] [B] untuk seluruh luasan elemen.

    III.2.1 Koordinat Natural dari Elemen

    Elemen Quadrilateral dengan empat buah node dilukiskan dalam gambar berikut ini:

    Gambar 3. 9 Elemen Quadrilateral

    Penomeran node ditentukan dalam arah lawan perputaran jarum jam (CCW). Dua sumbu

    Koordinat Natural s dan t berpotongan tidak harus tegak lurus. Dalam gambar disamping,

    akan ditentukan Koordinat Natural dari ke empat node dari elemen tersebut. Untuk itu

    perhatikan gambar berikut ini.

    Universitas Sumatera Utara

  • t

    4 3

    (-1,1) (1,1)

    1 2

    (-1,-1) (1,-1)

    Gambar 3.10 Koordinat Natural untuk Elemen Quadrilateral

    Dalam sistem koordinat natural, ke empat node dari elemen dinyatakan dalam (s,t) seperti

    nampak pada gambar 3. 9. Diingatkan kembali bahwa kedua sumbu koordinat ini tidak harus

    tegak lurus.

    Fungsi interpolasi atau fungsi Displacement dakam arah x dan y adalah :

    u (s,t) = N1 u1 + N2 u2 + N3 u3 + N4 u4

    v (s,t) = N1 v1 + N2 v2 + N3 v3 + N4 v4 ....pers. 3.45

    Untuk koordinat Global:

    x (s,t) = N1 x1 + N2 x2 + N3 x3 + N4 x4

    y (s,t) = N1 y1 + N2 y2 + N3 y3 + N4 y4 ....pers. 3.46

    Besarnya Shape Function untuk setiap node (diperoleh dari interpolasi Lagrange) adalah :

    4

    )1).(1(1

    tsN

    4

    )1).(1(2

    tsN

    4

    )1).(1(3

    tsN

    4

    )1).(1(4

    tsN

    ....pers. 3.46(a)

    Catatan N1 + N2 + N3 + N4 =1 artinya jumlah shape function dari suatu titik = 1

    III.2.2 Strain Elemen Matriks Displacement

    Gunakan kembali persamaan 3.45 dan 3.46 untuk menghitung Strain dari Elemen

    Quadrilateral.

    Universitas Sumatera Utara

  • sy

    y

    u

    s

    x

    x

    u

    s

    u

    t

    y

    y

    u

    t

    x

    x

    u

    t

    u

    ....pers. 3.47

    Kedua persamaan yang terdapat pada 3.47 dalam bentuk matriks ditulis :

    y

    ux

    u

    s

    y

    s

    xs

    y

    s

    x

    t

    us

    u

    ....pers. 3.47(a)

    Maka :

    t

    ux

    u

    s

    x

    s

    xs

    y

    t

    y

    Jy

    ux

    u

    1 ....pers. 3.47(b)

    Dimana : J = Determinan Jacobian

    =

    s

    y

    t

    x

    t

    y

    s

    x

    Diferensialkan persamaan 3.45 terhadap s:

    44

    33

    22

    11 x

    s

    Nx

    s

    Nx

    s

    Nx

    s

    N

    s

    x

    1

    4

    1

    xs

    N

    s

    x

    i

    i

    ....pers. 3.48

    Demikian pula untuk s

    y

    ,

    t

    x

    ,

    t

    y

    i

    i

    i ys

    N

    s

    y

    4

    1

    ....pers. 3.48(a)

    ii

    i xt

    N

    t

    x

    4

    1

    ....pers. 3.48(b)

    ii

    i yt

    N

    t

    y

    4

    1

    ....pers. 3.48(c)

    Universitas Sumatera Utara

  • Turunan dari masing-masing Shape Function terhadap s dan t menghasilkan persamaan-

    persamaan berikut ini:

    )1(4

    11 ts

    N

    , )1(

    4

    11 ts

    N

    )1(4

    12 ts

    N

    )1(

    4

    12 st

    N

    )1(4

    13 ts

    N

    )1(

    4

    13 st

    N

    )1(4

    14 ts

    N

    )1(

    4

    14 st

    N

    ....pers. 3.49

    Determinan Jacobian J dihitung sebagai berikut:

    s

    y

    t

    x

    t

    y

    s

    xJ

    i

    i

    ii

    i

    ii

    i

    ii

    i

    i ys

    Nx

    t

    Ny

    t

    Nx

    s

    N

    4

    1

    4

    1

    4

    1

    4

    1

    jii

    j

    iii

    i

    xt

    N

    s

    N

    s

    N

    t

    Ny )({

    44

    ....pers. 3.50

    Dalam bentuk matrik, persamaan 3.49 ditulis sebagai

    4

    3

    2

    1

    4321

    x

    x

    x

    x

    ayyyyJ ....pers. 3.50 (a)

    Dimana [ a ] adalah matrik yang elemen-elemennya memenuhi persamaan:

    ))(())((t

    N

    s

    N

    s

    N

    t

    Na

    jiji

    ji

    ....pers. 3.50 (b)

    Dalam bentuk yang lebih terperinci, elemen matrik [ a ] masing adalah:

    0))(())(( 111111

    t

    N

    s

    N

    s

    N

    t

    Na

    Universitas Sumatera Utara

  • )1(8

    1)}1(

    4

    1)}{1(

    4

    1{)}1(

    4

    1)}{1(

    4

    1{))(())(( 2121

    21tstts

    t

    N

    s

    N

    s

    N

    t

    Na

    )(8

    1))(())(( 3131

    31st

    t

    N

    s

    N

    s

    N

    t

    Na

    )1(8

    1))(())(( 4141

    41

    s

    t

    N

    s

    N

    s

    N

    t

    Na

    Demikian seterusnya untuk semua elemen matriks [ a ]. Disimpulkan matrik [ a ] adalah :

    0)1(1

    10)1(

    )(101

    110

    8

    1][

    ttss

    tsts

    stst

    sstt

    a ....pers. 3.51

    Lihat kembali persamaan 3.47 (b). Dari persamaan tersebut, tinjau pada bagian:

    ][1

    t

    u

    s

    y

    s

    u

    t

    y

    Jx

    u

    (a)

    Dari persamaan 3. 44 dapat ditentukan

    ii

    i

    us

    N

    s

    u

    4

    1

    , ii

    i

    ut

    N

    t

    u

    4

    1

    sedangkan t

    y

    dan

    s

    y

    Diperoleh dari persamaan 3. 48 (a) dan persamaan 3.48 (c)

    Substitusikan: s

    u

    ,

    t

    u

    ,

    t

    y

    ,

    s

    y

    ke persamaan (a) diperoleh:

    })({1 4

    1

    4

    1

    j

    jijii

    ii

    ut

    N

    s

    N

    s

    N

    t

    Ny

    Jx

    u

    Dalam bentuk matriks ditulis :

    x

    u

    u

    u

    u

    yyyyJx

    u

    3

    3

    2

    1

    4321

    1 ....pers. 3.52

    Bagian kedua dari persamaan 3.47(b) adalah :

    Universitas Sumatera Utara

  • )])(())([(1

    t

    u

    s

    x

    t

    u

    t

    x

    Jy

    u

    })({1 4

    1

    4

    1

    j

    jijii

    ii

    ut

    N

    s

    N

    s

    N

    t

    Nx

    Jy

    u

    Dalam bentuk matrik, persamaan terakhir ini ditulis sebagai

    x

    u

    u

    u

    u

    axxxxJy

    u

    4

    3

    2

    1

    4321

    1 ....pers. 3.53

    Untuk Displacement ke arah vertikal ( = v ), persamaan 3.47(b) di ubah menjadi

    (Ganti semua u dengan v)

    t

    vs

    v

    s

    x

    t

    xs

    y

    t

    y

    Jy

    vx

    v

    1 ....pers. 3.54

    Dari persamaan tersebut, ditulis :

    )])(())([(1

    t

    v

    s

    y

    s

    v

    t

    y

    Jx

    v

    4

    3

    2

    1

    4321

    1

    v

    v

    v

    v

    ayyyyJ

    ....pers. 3.54(a)

    Dari persamaan 3.47 (b) juga diperoleh:

    )])(())([(1

    t

    v

    s

    x

    s

    v

    t

    x

    Jx

    v

    Universitas Sumatera Utara

  • y

    v

    v

    v

    v

    axxxxJ

    4

    3

    2

    1

    4321

    1

    ....pers. 3.54(b)

    Diingatkan kembali tentang defenisi dari Strain :

    xy

    y

    x

    dimana x

    v

    y

    uxy

    Ambil y

    u

    dari persamaan 3.51 da ambil

    x

    v

    dari persamaan 3.52 kemudian jumlahkan, maka

    didapatkan :

    4

    3

    2

    1

    4321

    4

    3

    2

    1

    4321 ][1

    ][1

    v

    v

    v

    v

    ayyyyJ

    u

    u

    u

    u

    axxxxJx

    v

    y

    uxy

    Sehingga

    }]{[][

    4

    4

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    qB

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    v

    u

    B

    xy

    y

    x

    ....pers. 3.55

    Dari persamaan 3.50 berikut ini akan dihitung berapakah harga dari B1j ?

    j

    i

    j ayJ

    B 1

    4

    1

    1)12(,1

    1

    dimana j =1, 2, 3, 4 ....pers. 3.56(a)

    B1,j = 0 untuk j = 2, 4, 6, 8 ....pers. 3.56(b)

    Universitas Sumatera Utara

  • Dengan kata lain ; B1,genap = 0

    Dari persamaan 3.53 diperoleh:

    j

    i

    j axJ

    B 1

    4

    1

    12,2

    1

    dimana j = 1, 2, 3, 4 .....pers. 3.56(c)

    B2,j = 0 untuk j = 1, 3, 5, 7 ....pers. 3.56(d)

    Dengan kata lain B2,gasal = 0

    Dari persamaan 3.51 dan 3.52 diperoleh

    B3,j = B2,(j +1) untuk j = 1, 3, 5, 7 ....pers. 3.56(e)

    = B1,(j -1) untuk j = 2, 4, 6, 8 ....pers. 3.56(f)

    Agar penulisan lebih sederhana, diadakan peringkasan sebagai berikut :

    xm, n = xm - xn dan

    ym, n = ym - yn

    maka elemen-elemen matriks [ B ] dinyatakan sebagai berikut :

    )(8

    13243243211 ytysy

    JBB

    )(8

    11434313413 ytysy

    JBB

    )(8

    12321423615 ytysy

    JBB

    )(8

    12321133817 ytysy

    JBB

    )(8

    12334423122 xtxsx

    JBB

    )(8

    14143133324 xtxsx

    JBB

    )(8

    11421243526 xtxsx

    JBB

    Universitas Sumatera Utara

  • )(8

    13212313728 xtxsx

    JBB ....pers. 3.56(g)

    Dimana,

    4

    3

    2

    1

    4321

    0)1(1

    10)1(

    )(101

    110

    8

    1

    y

    y

    y

    y

    ttss

    tsts

    stst

    sstt

    xxxxJ ....pers. 3.56(h)

    Sehingga diperoleh Matriks Kekakuan :

    dABEBhKT

    A

    ; atau ....pers. 3.57 (a)

    dsdttsJtsBEtsBhKT

    ),(),(),(

    1

    1

    1

    1

    ....pers. 3.57(b)

    Formula di bawah untuk integral numerik Gauss 2x2 titik :

    ),(),(,(

    ),(),(,(

    ),(),(,(

    ),(),(,(

    22222222

    12121212

    21212121

    11111111

    tsJtsBEtsBwhw

    tsJtsBEtsBwhw

    tsJtsBEtsBwhw

    tsJtsBEtsBwhwK

    T

    T

    T

    T

    ....pers. 3.58

    Universitas Sumatera Utara

  • BAB IV

    HASIL & PEMBAHASAN

    IV.1 Umum

    Perhitungan secara manual dengan Metode Elemen Hingga adalah suatu metode

    perhitungan yang mengaplikasikan sistem matriks dalam perhitungannya. Dimana dalam

    analisanya dikenal dua metode utama yaitu Metode Kekakua langsung ( Direct Stiffness

    Method/Displacement Method ) dan Metode Fleksibilitas (Flexibility Method/Force Method).

    Metode Kekakuan Langsung merupakan metode yang didasarkan pada konsep

    kekakuan (stiffness) dan displacement (translasi dan rotasi) adalah sebagai variabel utama

    yang tidak diketahui dan dicari lebih dulu. Kemudian respon struktur lainnya yaitu reaksi

    tumpuan dan gaya-gaya dalam (gaya aksial, momen lentur, momen torsi dan gaya geser) akan

    diselesaikan kemudian. Secara berurutan, persamaan-persamaan yang digunakan dalam

    formulasi adalah persamaan aksi-deformasi, persamaan keseimbangan dan persamaan

    kompatibilitas. Pada Metode Fleksibilitas, gaya (reaksi tumpuan dan gaya-gaya dalam)

    merupakan variabel utama yang tidak diketahui dan dicari lebih dulu.

    Secara berurutan persamaan yang digunakan dalam formulasi adalah persamaan aksi-

    deformasi, persamaan kompatibilitas dan persamaan keseimbangan.

    Dalam perhitungan kali ini, Metode Kekakuan Langsung (Direct Stiffness Method)

    adalah formulasi yang digunakan. Secara singkat dan berurutan, prosedur perhitungan yang

    harus ditempuh adalah:

    1. Semua kekakuan elemen (dalam bentuk matriks kekakuan) dievaluasi sesuai dengan

    hubungan antar aksi dan deformasi dengan referensi koordinat lokal elemen

    tersebut.

    2. Matriks kekakuan elemen ditransformasikan ke sistem koordinat global.

    Universitas Sumatera Utara

  • 3. Matriks kekakuan elemen-elemen (dalam koordinat global) disuperposisikan

    (dengan mempertimbangkan kompatibilitas) menjadi matriks kekakuan struktur.

    4. Berdasarkan pembebanan yang bekerja, disusun vektor gaya dengan referensi

    koordinat global.

    5. Kondisi batas displacement paa titik-titik nodal tumpuan maupun kondisi batas

    gaya pada titik-titik nodal bebas diformulasikan dalam bentuk vektor displacement

    dan vektor gaya. Selanjutnya digunakan kondensasi statis untuk memperoleh

    matriks kekakuan (stiffness matrix) struktur tereduksi.

    6. Matriks kekakuan struktur yang telah tereduksi tersebut memberikan persamaan

    keseimbangan struktur yang solusinya menghasilkan displacement di setiap titik

    nodal. Selanjutnya, reaksi di setiap titik nodal tumpuan dapat diperoleh.

    7. Tahap terakhir adalah penghitungan gaya-gaya dalam dan tegangan-tegangan dalam

    untuk setiap elemen.

    Universitas Sumatera Utara

  • Adapun data-data yang dipergunakan dalam analisa ini adalah sebagai berikut :

    1. Panjang bentang L = 10 meter = 1000 cm

    2. Lebar bentang h = 2 meter = 200 cm

    3. Tebal balok t = 20 cm

    4. Beban Horizontal PI= 50 ton= 500 KN= 500000N

    PII = 50 ton= 500 KN = 500000N

    E = 21 x 10 6

    N/cm2 ; v = 0,3

    5. Perletakan jepit-jepit

    200 mm

    2000 mm

    1000 mm

    P = 500KN P = 500KN

    Universitas Sumatera Utara

  • Total nilai K

    380769231 75000000 -57692308 -5769230,8 0 -75000000 -323076923 5769230,8

    75000000 943269231 5769230,8 -20192308 -34615385 0 -5769230,8 -923076923

    -57692308 5769230,8 380769231 -75000000 0 -5769230,8 0 75000000

    K =

    -5769230,8 -20192308 -75000000 943269231 -34615385 -923076923 75000000 0

    0 -34615385 0 -34615385 57692308 34615385 -57692308 34615385

    -75000000 0 -5769230,8 -923076923 34615385 943269231 5769230,8 -20192308

    -323076923 -5769230,8 0 75000000 -57692308 5769230,8 380769231 -75000000

    5769230,8 -923076923 75000000 0 34615385 -20192308 -75000000 943269231

    Setelah diperoleh nilai K kemudian akan disusun Matriks Kekakuan Gabungan untuk 80

    Elemen Segiempat atau 99 titik global, seperti yang terdapat di dalam Lampiran 3

    Rumus :

    Gaya = Matriks Kekakuan x Perpindahan

    Atau { F } = [ K ] {d}

    Selanjutnya akan dicari besarnya perpindahan yang terjadi adalah :

    {d} = [ K ]-1

    x { F }

    Sehingga akan diperoleh besarnya perpindahan u dan v untuk setiap titik global.

    Besarnya perpindahan yang didapat dengan pembagian Elemen Segiempat dengan 99

    titik global adalah :

    di titik 20 (titik tinjau 1) diperoleh :

    u = -0,07100814 cm dan

    v = 0,0102564

    dititik 56 (titik tinjau 2) diperoleh :

    u = -0,0764021 cm dan

    v = 0,0124371 cm

    Universitas Sumatera Utara

  • IV. 3 Elemen Segiempat (Linear Quadrilateral)

    KOORDINAT GLOBAL

    91

    1 2 11 12 21 22 31 32 41 42

    3

    2 19 20 37 38 55 56 73 74

    21

    100 cm 100 cm 100 cm 100 cm 100 cm 100 cm 100 cm 100 cm 100 cm 100 cm

    25 cm

    1000 cm

    22 39 40 57 58 75 76 92 4

    17 35 36 53 54 71 72 89 90 99 18

    15 33 34 51 52 69 70 87 88 98 166

    13 31 32 49 50 67 68 85 86 97 14

    11 29 30 47 48 65 66 83 84 96 12

    9 27 28 45 46 63 64 81 82 95 10

    7 25 26 43 44 61 62 79 80 94 8

    5 23 24 41 42 59 60 77 78 93 6

    25 cm

    25 cm

    25 cm

    25 cm

    25 cm

    25 cm

    25 cm

    Universitas Sumatera Utara

  • IV. 5 Grafik dan Perbandingan

    Secara Eksak Elemen Segitiga Elemen Segitiga Keterangan Titik tinjau

    1 = -0,064285178 cm 1 = -0,087057419 cm 1 = -0,071008140 cm

    = titik 12

    = titik 20

    2 = -0,064285178 cm 2 = -0,085233640 cm 2 = -0,07640210 cm

    = titik 30

    = titik 56

    Grafik Perbandingan

    : secara eksak

    : elemen segiempat

    : elemen segitiga

    0

    -0,064285178 -0,064285178

    00

    -0,087057419 -0,08523364

    00

    -0,07100814

    -0,0764021

    0

    -0,12

    -0,115

    -0,11

    -0,105

    -0,1

    -0,095

    -0,09

    -0,085

    -0,08

    -0,075

    -0,07

    -0,065

    -0,06

    -0,055

    -0,05

    -0,045

    -0,04

    -0,035

    -0,03

    -0,025

    -0,02

    -0,015

    -0,01

    -0,005

    2,5E-16

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

    Universitas Sumatera Utara

  • 0-0,064285178 -0,064285178

    00

    -0,087057419 -0,08523364

    00

    -0,07100814-0,0764021

    0

    -0,12-0,115

    -0,11-0,105

    -0,1-0,095

    -0,09-0,085

    -0,08-0,075

    -0,07-0,065

    -0,06-0,055

    -0,05-0,045

    -0,04-0,035

    -0,03-0,025

    -0,02-0,015

    -0,01-0,005

    2,7E-16

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

    BAB V

    KESIMPULAN DAN SARAN

    V.1 KESIMPULAN

    1. Dalam tugas akhir ini dibuat suatu verifikasi yang digunakan untuk membandingkan

    hasil-hasil yang didapat dari perhitungan manual dan program Exel. Besarnya

    perpindahan yang didapat dengan pembagian Elemen Segitiga yakni 80 elemen dengan

    55 titik global adalah : di titik 12 (titik tinjau 1) diperoleh u = -0,087057419 cm dan v =

    0,191331061 cm dan di titik 32 (titik tinjau 2) diperoleh u = -0,08523364 cm dan v =

    0,2201640 cm. Sedangkan untuk pembagian dengan Elemen Segiempat dengan 99 titik

    global adalah : di titik 20 (titik tinjau 1) diperoleh u = -0,07100814 cm dan v = 0,0102564

    dan dititik 56 (titik tinjau 2) diperoleh u = -0,0764021 cm dan v = 0,0124371 cm

    Secara Eksak Elemen Segitiga Elemen SegiEmpat Keterangan Titik tinjau

    1 = -0,064285178 cm 1 = -0,087057419 cm 1 = -0,071008140 cm

    = titik 12

    = titik 20

    2 = -0,064285178 cm 2 = -0,085233640 cm 2 = -0,07640210 cm

    = titik 30

    = titik 56

    Grafik Perbandingan

    : secara eksak : elemen segiempat : elemen segitiga

    Universitas Sumatera Utara

  • 2. Sedangkan dengan perhitungan secara eksak akan diperoleh perpindahan akibat gaya 1 =

    -8,035178 x 10-2 dan perpindahan akibat momen 2 = -5,62500 x 10-2. Sehingga besarnya

    diperoleh adalah 1 - 2 = -6,4285178 x 10-2

    atau -0,064285178 cm

    3. Adapun selisih antara setiap Elemen dengan nilai Eksak adalah :

    Selisih dengan Elemen Segitiga

    Titik tinjau 1 = -0,087057419 cm (-0,064285178cm ) = 0,022772319 cm

    Titik tinjau 2 = -0,08523364 cm (-0,064285178cm ) = 0,020948462 cm

    Selisih dengan Elemen Segiempat

    Titik tinjau 1 = -0,07100814 cm (-0,064285178cm ) = 0,00672304 cm

    Titik tinjau 2 = -0,0764021 cm (-0,064285178cm ) = 0,012116922 cm

    4. Jika dibandingkan antara hasil yang diperoleh dengan cara perhitungan Exel dan

    eksak terdapat selisih. Dan nilai yang lebih mendekati adalah nilai Elemen Segiempat,

    yakni memiliki selisih paling kecil sebesar : 0,00672304 cm

    5. Data yang di input ke dalam program Exel haruslah tepat. Kalau tidak tepat maka

    hasil keluaran output pasti akan salah juga.

    6. Diperlukan tingkat konsentrasi dan ketelitian dalam melakukan perhitungan di Exel

    saat melakukan penjumlahan matriks sera perkaliannya agar kesalahan tidaklah besar.

    Universitas Sumatera Utara

  • V.2 SARAN

    1. Perbedaan hasil dari perhitungan Microsoft Exel dengan perhitungan secara eksak

    disebabkan karena pembulatan koma .

    2. Dalam mengerjakan soal Metode Elemen Hingga sangatlah diperlukan ketelitian dan

    tingkat konsentrasi agar meminimalkan kesalahan dalam penjumlahan atau

    penggabungan matris dari setiap elemen-elemen yang ada.

    Universitas Sumatera Utara