lap pengukuruan regangan (1)

24
LAPORAN PRAKTIKUM FENOMENA DASAR MESIN PERCOBAAN PERCOBAAN PERCOBAAN PENGUKURAN REGANGAN & PERCOBAAN PENGUKURAN REGANGAN & TEGANGAN PADA BEJANA TEKAN TEGANGAN PADA BEJANA TEKAN NAMA : HARI MARDIYATNO NIM : 0711421 ASISTEN :

Upload: fhail-mechanical

Post on 29-Dec-2014

250 views

Category:

Documents


19 download

TRANSCRIPT

Page 1: Lap Pengukuruan Regangan (1)

LAPORAN PRAKTIKUM

FENOMENA DASAR MESIN

PERCOBAAN PERCOBAAN PERCOBAAN PENGUKURAN REGANGANPERCOBAAN PENGUKURAN REGANGAN & TEGANGAN PADA BEJANA TEKAN& TEGANGAN PADA BEJANA TEKAN

NAMA : HARI MARDIYATNONIM : 0711421ASISTEN :

JURUSAN TEKNIK MESINJURUSAN TEKNIK MESINSEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI MANDALASEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI MANDALA

20082008

Page 2: Lap Pengukuruan Regangan (1)

1

1. Tujuan Percobaan.

Percobaan ini bertujuan untuk mengukur tegangan dan regangan pada bejana tekan dengan menggunakan strain gage. Hasil pengukuran kemudian dibandingkan dengan perhitungan teoretis. Untuk keperluan ini dipakai bejana mini (Do = 210 mm, L = 350 mm) dengan tekanan kerja maksimum 10 atm.

2. Landasan Dasar

Dari mekanika kekuatan material, telah dipelajari bahwa struktur akan mengalami perubahan bentuk bila dibebani. Sebagai contoh, ambil kasus batang yang ditarik seperti tersaji di Gambar 1.

Gambar 1 Defleksi pada batang yang mengalami beban tarik

Perubahan panjang yang terjadi dapat diturunkan dari Hukum Hooke (Popov, 1986):

σ = E ε (1)

dimana σ = F/A menyatakan tegangan yang terjadi [MPa], F: gaya aksial [N], A: luas penampang [m2], ε = ΔL/L menyatakan regangan yang terjadi, ΔL: perubahan panjang [m], L: panjang mula-mula [m].

Dengan demikian: (2)

Yang ingin diketahui dari pengukuran adalah besarnya tegangan (stress level). Manfaat pengukuran tegangan antara lain adalah:

a. memperoleh konfirmasi perhitungan teoritis b. memperoleh besar tegangan di tempat yang sulit dihitung secara

teoretis

Page 3: Lap Pengukuruan Regangan (1)

2

Masalahnya, tegangan tak bisa diukur secara langsung, karena merupakan efek yang dialami bagian dalam benda. Yang bisa diukur (diindera) adalah perubahan bentuk. Dengan demikian, prinsip dasar pengukuran tegangan adalah memanfaatkan hasil pengukuran perubahan bentuk dan mengubahnya menjadi tegangan (atau gaya) melalui relasi atau hukum dasar mekanika.

Sensor Regangan: Strain Gage

Sensor atau alat ukur regangan lazim disebut strain gage (Doebelin, 1990; Dally & Riley, 1991). Di antara sekian banyak jenis, yang paling populer adalah strain gage jenis tahanan listrik. Sketsa strain gage jenis ini disajikan di Gambar 2.

Gambar 2 Strain gage jenis tahanan listrik

Pada saat digunakan, strain gage jenis ini dilekatkan (dengan lem khusus) ke permukaan bagian struktur yang akan diukur regangan/tegangannya. Dengan andaian bahwa perlekatannya baik, perubahan bentuk permukaan struktur dapat diikuti oleh strain gage. Dengan demikian perubahan tersebut dapat membuat strain gage terdefleksi (bertambah panjang). Perubahan panjang ini yang menyebabkan perubahan tahanan pada strain gage, yang dapat dijelaskan pada rumus berikut:

(3)

di mana: R = Tahanan [ohm] ρ = Tahanan spesifik material [ohm-m] L = Panjang [m] A = Luas penampang [m2]

Akibat perubahan panjang dan luas penampang karena pembebanan, nilai tahanan strain gage akan berubah proporsional dengan regangan yang terjadi. Prinsip kerja di atas dinyatakan di Gambar 3.

Page 4: Lap Pengukuruan Regangan (1)

3

Gambar 3 (a) kondisi awal (b) penurunan tahanan akibat tekanan (c) penambahan tahanan akibat tarikan

Untuk strain gage jenis tahanan listrik, berlaku relasi sebagai berikut:

ΔR/R = Sg × ε (4)

Pada relasi di atas, ΔR/R menyatakan fraksi perubahan tahanan strain gage terhadap nilai tahanan nominalnya, Sg menyatakan gage factor (semacam faktor kalibrasi), dan ε menyatakan besarnya regangan mekanik yang dialami strain gage.

Pengujian dengan strain gage termasuk uji tak merusak, meskipun untuk melekatkan strain gage, permukaan benda harus dihaluskan (dengan amplas) dan dibersihkan dari kotoran. Mengingat konstruksinya, strain gage pada umumnya hanya dapat dibebani sampai regangan maksimum sekitar 0,5% = 0,005 = 5000 με (1 με menyatakan regangan sebesar 10-6).

Sebagai gambaran, tahanan nominal strain gage jenis tahanan listrik yang paling mudah diperoleh adalah R = 120 Ω± 1%. Nilai gage factornya adalah +2,0± 1%. Kalau digunakan di baja, yang regangan mulurnya εy = 0,005, besar perubahan tahanan sesuai persamaan (4) akan menghasilkan ΔR=1,2 Ω. Untuk bisa membaca perubahan regangan sebesar 1 με, sensitivitas perubahan tahanan harus bisa mencapai ΔR=240 μΩ. Sensitivitas sebesar ini jelas di luar jangkauan Ohmmeter biasa. Untuk meningkatkan sensitivitas dan kemudahan pencatatan data, pengukuran perlu menggunakan rangkaian listrik jembatan Wheatstone (Wheatstone bridge circuit).

Rangkaian jembatan Wheatstone ditunjukkan di Gambar 4. Jembatan Wheatstone terdiri atas empat tahanan (resistor), yakni R1 dan R2 yang dirangkai seri antara titik A dan C serta R3 dan R4 yang juga dirangkai seri antara titik A dan C, yang kemudian dirangkai lagi secara paralel. Antara titik A dan C diberi medan tegangan arus searah sebesar V, sedangkan keluaran jembatan dinyatakan sebagai beda tegangan antara titik B dan D. Tiap resistor di rangkaian jembatan Wheatstone dapat disubstitusi dengan strain gage. Bila satu saja yang merupakan strain gage, rangkaian disebut ¼ atau quarter bridge, bila dua yang merupakan strain gage disebut ½ atau half

Page 5: Lap Pengukuruan Regangan (1)

4

bridge, dan bila semua (keempat-empatnya) merupakan strain gage disebut rangkaian full bridge.

Gambar 4 Rangkaian listrik Jembatan Wheatstone

Dengan menggunakan hukum Kirchhoff, dapat diturunkan bahwa saat resistor (strain gage) mengalami perubahan tahanan, antara titik B dan D terjadi perubahan tegangan sebesar:

(5)

dengan: V = tegangan medan jembatan Wheatstone ΔRi = pertambahan tahanan pada strain gage ke-i karena adanya regangan Ri = tahanan nominal strain gage ke-i

Sebagai gambaran, rangkaian jembatan ¼ dengan satu strain gage 120Ω, pada tegangan medan, V = 2 V, akan menghasilkan perubahan tegangan saat baja mulai luluh sebesar, ΔE = 5 mV. Tegangan sebesar ini memang terlalu kecil untuk dideteksi dengan voltmeter. Tetapi, mengingat keluaran berupa tegangan arus searah (DC voltage), keluaran jembatan dapat diperkuat dengan amplifier. Dalam percobaan, digunakan strain amplifier yang khusus untuk pengukuran regangan dengan strain gage. Terlepas dari kemudahan aplikasinya, strain gage mempunyai beberapa keterbatasan, antara lain ketidaklinieran, histerisis, thermal zero shift, dll (Doebelin, 1990, Dally & Riley, 1991).

Dalam percobaan ini, yang menjadi obyek ukur adalah bejana atau silinder berdinding tipis (rasio R/t > 10). Untuk silinder/bejana tekan berdinding tipis berlaku hubungan antara tekanan dan tegangan sebagai berikut (Popov, 1986):

Page 6: Lap Pengukuruan Regangan (1)

5

Untuk memperoleh σt dan σl dari pengukuran, pada dinding bejana dipasang strain gage, masing-masing pada arah melingkar dan memanjang. Keluaran strain gage akan memberikan regangan tangensial, εt, dan regangan longitudinal, εl. Hubungan antara tegangan dan regangan dinyatakan oleh hukum Hooke universal berikut (Popov, 1986):

(8)

Pada persamaan di atas, subskrip r, t, dan l secara berturut-turut menyatakan arah radial, tangensial, dan longitudinal, sedangkan ν dan E masing-masing menyatakan bilangan nisbah Poisson dan modulus elastisitas. Untuk bejana berdinding tipis, dari mekanika (dan juga dari pertimbangan praktis), tegangan pada arah radial, σr, dapat dianggap sama dengan nol. Oleh sebab itu, persamaan di atas dapat direduksi menjadi sebagai berikut:

(9)

Bertolak dari hubungan di atas, tegangan dapat dihitung dari regangan hasil pengukuran dengan menggunakan persamaan berikut:

(10)

Tegangan hasil perhitungan sesuai perumusan di atas dapat dibandingkan dengan perhitungan teoretis [pers. (6) dan (7)]. Selain tegangan di atas, dapat dihitung juga regangan pada arah radial, dengan menggunakan hukum Hooke, sesuai persamaan:

(11)

dengan: σt = tegangan dalam arah tangensial [MPa] σl = regangan dalam arah longitudinal [MPa] ν = bilangan nisbah Poisson E = modulus elastisitas [MPa]

Page 7: Lap Pengukuruan Regangan (1)

6

3. Perangkat Percobaan dan Alat Ukur

Gambar 5 Set up percobaan beserta instrumentasi.

Gambar 5 menunjukkan perangkat percobaan yang dipakai. Dalam percobaan ini tekanan dihasilkann oleh sebuah pompa tangan jenis positive displacement dengan air sebagai fluida kerja (untuk keamanan percobaan). Katup berguna untuk menutup dan membuka aliran fluida sehingga tekanan pada silinder dapat ditetapkan pada harga yang dikehendaki. Tekanan dalam silinder diukur dengan manometer dalam satuan kg/cm2. Regangan pada arah tangensial dan longitudinal dideteksi oleh strain gage yang masing-masing dirangkai dalam jembatan Wheatstone ¼. Keluaran jembatan dikondisikan dengan menggunakan strain amplifier (Kyowa tipe DPM-210A). Tegangan keluaran amplifier kemudian dibaca oleh perangkat akuisisi data yang terpasang di komputer. Proses akuisisi data dilakukan dengan perangkat lunak berbasis grafis LABTECH®.

Gambar 5 Bejana Tekan yang digunakan dalam percobaan. Di sisi depan tampak strain gage yang sudah ditempel di dinding luar bejana, manometer, dan perangkat jembatan Wheatstone.

Page 8: Lap Pengukuruan Regangan (1)

7

4. Prosedur Percobaan

Sesudah rangkaian strain gage terpasang pada tempatnya, lakukan langkah-langkah sebagai berikut:

a. Hidupkan amplifier dan komputer

b. Lakukan balancing rangkaian jembatan Wheatstone sehingga ΔE =

0 dengan menekan tombol autobalance di panel depan amplifier. Bila

perlu, lakukan fine tuning dengan memutar sekrup R shift dengan

obeng kecil.

c. Untuk akuisisi data, jalankan paket program LABTECH®, panggil

program data akuisisi sesuai petunjuk asisten, dan isikan informasi

yang diperlukan.

d. Lakukan penentuan faktor kalibrasi dengan mengatur tombol

atenuasi (attenuator switch) sehingga diperoleh angka konversi

tegangan (dalam V) ke regangan (dalam με).

e. Untuk membebani bejana, gunakan pompa tangan. Naikkan tekanan

secara bertahap dari 1 sampai 6 kgf/cm2. Untuk setiap tahap, tahan

posisi tuas pompa tangan, kemudian catat data tegangan keluaran

jembatan Wheatstone untuk strain gage arah tangensial dan

longitudinal. Sesudah mencapai tekanan tertinggi, turunkan tekanan

dengan membuka katup pembalik secara bertahap dan catat juga data

tegangan keluaran jembatan.

e. Ubah data regangan dalam V menjadi με untuk diproses lebih lanjut.

5. Data Pengamatan

a. Dalam percobaan bejana tekan, tekanan yang diperoleh

dihasilkan oleh sebuah pompa tangan jenis Posiivef displacement

dengan air sebagai fluida kerja. Bejana tekan tersebut mempunyai

spesifikasi sebagai berikut :

1) Diameter luar, Do = 210 mm2) Tebal dinding, t = 1,34 mm

Page 9: Lap Pengukuruan Regangan (1)

3) Baham : Baja karbon rendah, E = 207 Gpa, v = 0,3 (Popov 1986)

b. Dari percobaan tersebut diperoleh data hasil pengamatan dalam

percobaan bejana tekan ini adalah sebagai berikut :

8

No.

Dat

a

Tekanan

(Bar)

Tegangan Eksperimen Tegangan Teoritik

Tangensial

(Mpa)

Longitudina

l

(Mpa)

Tangensial

(Mpa)

Longitudina

l

(Mpa)

1 0.00 0.30 0.882 0.01 0.36 1.223 0.06 0.33 1.044 0.11 1.15 1.545 0.14 0.16 0.206 0.22 0.95 0.537 0.25 1.02 0.878 0.30 0.95 0.539 0.44 1.92 1.86

10 0.55 4.23 2.8211 0.69 3.16 0.9812 0.88 4.74 1.7913 1.04 0.50 1.8914 1.25 2.68 2.1715 1.33 9.71 5.4016 1.69 11.19 5.7017 1.99 8.98 5.2518 2.28 9.88 6.2419 2.40 12.88 7.0220 3.99 25.44 13.15

c. Tugas ( yang ditanyakan dan yang akan dicari )

1) Hitung tegangan tangensial dan longitudinal teoritik untuk

tiap – tiap bejana.

2) Gambar Kurva tegangan Tangensial dan Longitudinal

terhadap Tekanan (Kurva t dan i vs p) teoritik dan

eksperimental.

3) Buat analitis dan kesimpulan dari percobaan ini!

Page 10: Lap Pengukuruan Regangan (1)

9

6. Perhitungan dan Analisis

a. Perhitungan.Perhitungan yang dilakukan adalah Menghitung tegangan tangensial dan longitudinal teoritik.

1) Menghitung Tegangan tangensial

Rumus yang digunakan :

2) Menghitung Tegangan longitudinal

Rumus yang digunakan :

Dimana : P = Tekanan r = Jari – jari silinder

t = Tebal silinder

Contoh PerhitunganDiketahui : P = 0,001

r = 105 mmt = 1,34 mm

Tegangan tangensial : 0,001 x 105 / 1,34 = 0,0783 MPa

Tegangan longitudinal : 0,001 x 105 / 2 x 1,34 = 0,0391 MPa

Page 11: Lap Pengukuruan Regangan (1)

10

3) Hasil perhitungan teganan tangensial dan tegangan longitudinal teoritik sebagai berikut :

No. DataTekanan

(Bar)

Tekanan

(MPa)

Tegangan Teoritik

Tangensial

(Mpa)

Longitudina

l

(Mpa)

1 0.00 0 0 02 0.01 0.001 0.0784 0.03923 0.06 0.006 0.4701 0.23514 0.11 0.011 0.8619 0.43105 0.14 0.014 1.0970 0.54856 0.22 0.022 1.7239 0.86197 0.25 0.025 1.9590 0.97958 0.30 0.030 2.3507 1.17549 0.44 0.044 3.4478 1.7239

10 0.55 0.055 4.3097 2.154911 0.69 0.069 5.4067 2.703412 0.88 0.088 6.8955 3.447813 1.04 0.104 8.1493 4.074614 1.25 0.125 9.7948 4.897415 1.33 0.133 10.4216 5.210816 1.69 0.169 13.2425 6.621317 1.99 0.199 15.5933 7.796618 2.28 0.228 17.8657 8.932819 2.40 0.240 18.8060 9.403020 3.99 0.399 31.2649 15.6325

4) Gambar Kurva tegangan Tangensial dan Longitudinal terhadap Tekanan (Kurva t dan i vs p) teoritik dan eksperimental. Adalah sebagai Berikut :

Page 12: Lap Pengukuruan Regangan (1)

Grafik Tegangan Longitudinal vs Tekanan

-11357

911131517

0 0.1 0.2 0.3 0.4

Tekanan

Te

ga

ng

an

Lo

ng

itu

din

al

Tegangan Longitudinal Teoritik Tegangan Longitudinal Eksperimen

11

a) Gambar Kurva tegangan Tangensial terhadap Tekanan (Kurva t vs p) teoritik dan eksperimental.

b) Gambar Kurva tegangan Longitudinal terhadap Tekanan (Kurva t vs p) teoritik dan eksperimental

Grafik Tegangan Tangensial vs Tekanan

-3

2

7

12

17

22

27

32

0 0.1 0.2 0.3 0.4Tekanan

Te

ga

ng

an

Ta

ne

ns

ial

Tegangan Tangensial teoritik Tegangan Tangensial Eksperimen

Page 13: Lap Pengukuruan Regangan (1)

Grafik Tegangan Tanensial & Longitudinal Teoritik vs Tekanan

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0.1 0.2 0.3 0.4

Tekanan

Te

ga

ng

an

Te

ori

tik

Teg Tangensia Teoritikl Teg Longitudinal Teoritik

12

c) Gambar Kurva tegangan Tangensial dan Longitudinal Teoritik terhadap Tekanan.

b. Analisis.

1) Tegangan Tangensial terhadap Tekanan (Kurva t vs p) teoritik dan eksperimental.

Dari hasil garis kurva yang dihasilkan dapat kita lihat bahawa tegangan tangensial eksperimen cenderung terjadi fluktuatif atau gejalan naik turun hal ini disebabkan karena hasil dari pengambilan data eksperimen angka yang didapat naik turun, tetapi untuk tegangan tangensial teoriik cenderung naik ini disebabkan karena data yang diambil tidak ada penurunan angka sehingga hasil yang didpatpun naik.

2) Tegangan Longitudinal terhadap Tekanan (Kurva t vs p) teoritik dan eksperimental

Sama halnya dengan grafik diatas bahwa hasil garis kurva yang dihasilkan dapat kita lihat bahawa tegangan longitudinal eksperimen cenderung terjadi naik turun hal ini disebabkan karena hasil dari pengambilan data eksperimen angka yang didapat naik turun, tetapi untuk tegangan longitudinal teoriik cenderung naik ini disebabkan karena data yang diambil tidak ada penurunan , sehingga dengan peneraan rumus yang telah

Page 14: Lap Pengukuruan Regangan (1)

ditentukan maka hasilnya pun akan naik ketida datanya angkanya bertambah.

Page 15: Lap Pengukuruan Regangan (1)

13

3) Gambar Kurva tegangan Tangensial dan Longitudinal Teoritik terhadap Tekanan

Dari perhitungan yang dilakukan sehingga didapat grafik yang menunjukan bahwa tegangan tangensial lebih besar dibanding dengan tegangan longitudinal terhadap tekanan yang sama (MPa).

7. Kesimpulan.

Dari perhitungan percobaan diatas maka dapat disimpulkan bahwa :

a. Semakin besar tekanan yang diberikan maka Tegangan Tangensial akan semakin besar pula.

b. Begitu juga dengan tegangan longitudinal akan semakin besar bila tekanan yang diberikan juga semakin besar.

c. Tekanan yang diberikuan sama untuk tegangan tangensial dan tegangan longitudinal maka akan lebih besar tegangan tangensial, apabila pada sebuah tabung maka tegangan yang diterima kesamping lebih besar dari pada tekan kebawah dan atas.

8. Pustaka

Dally, J.W. and Riley, W.F., Experimental Stress Analysis, 3rd ed., McGraw-Hill, 1991

Doebelin, E.O., Measurement Systems – Application and Design, 4th ed., McGraw-Hill, 1990

Popov, E.P., Mekanika Teknik (Mechanics of Materials), terjemahan Zainul Astamar, Penerbit Erlangga, 1986.