II TEORI DASAR

A. Pengertian Puntiran

Puntiran adalah suatu pembebanan yang penting. Sebagai contoh,

kekuatan puntir menjadi permasalahan pada poros-poros, karena elemen

deformasi plastik secara teori adalah slip (geseran) pada bidang slip,

modulus kekakuan adalah konstanta yang penting, yang diperoleh dari

pengujian puntir (dalam banyak kasus). Deformasi puntiran tidak

menunjukkan tegangan uniform pada potongan lintang seperti halnya pada

deformasi lenturan. Untuk mendapat deformasi puntiran dengan tegangan

yang uniform perlu dipergunakan batang uji berupa silinder tipis.

Patahan karena puntiran dari bahan getas terlihat pada arah

kekuatan tarik, yaitu pada 45 C terhadap sumber puntiran, sedangkan bagi

bahan yang liat patahan terjadi pada sudut tegak lurus terhadap sumbu

puntiran setelah gaya pada arah sumbu terjadi dengan deformasi yang besar,

dari hal tersebut sangat mudah menentukan keliatan dan kegetasan.

B. Diagram Tegangan-Regangan

Kekuatan bahan bukanlah kriteria satu-satunya yang harus

diperhitungkan dalam perencanaan struktur. Kekakuan bahan selalu sama

pentingnya. Dengan derajat lebih kecil, sifat seperti kekerasan, ketangguhan,

dan keliatan menetapkan pemilihan bahan sifat ini ditetapkan dengan

membuat pengujian bahan dan membandingkan hasilnya dengan standar

yang telah ada.

Gaya luar (eksternal) yang diberikan pada suatu benda harus

diimbangi oleh gaya penentang yang ada di dalam bahan. Bahan yang

mempunyai gaya internal tadi dikatakan berada dalam keadaan tegang.

Untuk lebih mengerti hakekat gaya internal ini, marilah kita perhatikan apa

yang terjadi bila suatu benda diberi beban. Mula-mula harus ditegaskan

bahwa dalam praktek, semua beban bekerja sedikit demi sedikit. Proses

pembebanan ini dapat diselesaikan dalam selang waktu yang sangat singkat,

namun tak akan pernah sesaat.

Bila gaya dikenakan pada suatu benda, maka bentuk benda akan

berubah dan molekul-molekulnya bergeser sedikit dari posisi awalnya.

Pergeseran ini mengakibatkan timbulnya gaya-gaya antar molekul, yang

tergabung untuk menentang gaya yang ditimbulkan oleh beban tadi. Bila

beban bertambah, perubahan bentuk benda makin besar dan gaya-gaya antar

molekul juga bertambah sampai pembebanan mencapai harga akhirnya.

Gaya-gaya di dalam benda mengadakan reaksi yang sama dan

berlawanan, sehingga keadaan setimbang tercapai. Bahan sekarang dalam

keadaan tegang dan terenggang. Dapat dilihat nanti bahwa kedua keadaan

ini pasti berhubungan, tegangan dalam bahan harus didampingi regangan

dan sebaliknya. Untuk menyederhanakan perhitungan, seringkali lebih

mudah bila diperhatikan ‘benda tegar’, namun ini hanya merupakan suatu

konsep; karena ada bahan yang tegar sempurna, dan tidak ada benda nyata

yang dapat menahan beban, tanpa sebelumnya mengalami perubahan

bentuk.

Bila benda berbeban yang disebutkan diatas dibagi menjadi dua

oleh suatu bidang khayal, maka tiap bagian harus berada dalam keadaan

setimbang karena pengaruh gaya luar yang bekerja padanya dan gaya-gaya

internal (yaitu gaya antar molekul) yang bekerja pada bidang khayal ini.

Intensitas tegangan (untuk mudahnya biasanya disebut ‘tegangan’) di suatu

titik pada bidang, didefinisikan sebagai gaya internal per satuan luas.

Tegangan dibedakan menjadi dua jenis. Bila gaya internal tegak lurus

pada bidang yang diamati, maka didapat tegangan normal atau langsung,

dan sesuai dengan arah gaya, dapat bersifat tarik (tensile) atau mampat

(compressive). Bila gaya internal sejajar dengan bidang yang diamati,

didapat tegangan tangensial atau geser. Seringkali resultan gaya pada

elemen luasan membentuk sudut dengan bidang luasnya. Dalam keadaan

semacam itu, gaya tersebut diuraikan menjadi komponen normal dan

tangensial, serta menghasilkan kombinasi tegangan-tegangan normal geser.

Perubahan bentuk benda yang terjadi pada keadaan tegang disebut

regangan. Ada dua macam regangan. Bahan dapat membesar atau mengecil

dan menghasilkan regangan normal; atau lapisan-lapisan bahan dapat

bergeser yang satu terhadap yang lain dan menghasilkan regangan geser.

Untuk batang dalam keadaan tarik atau komprensi sederhana, akibat yang

paling jelas terlihat adalah perubahan panjang batang, yaitu regangan

normal. Intensitas regangan (biasanya disebut ‘regangan’ saja) untuk

regangan normal, didefinisikan sebagai perbandingan perubahan ukuran

terhadap ukuran semula. Bila definisi ini diterapkan pada perubahan

panjang batang, maka :

Apabila suatu spesimen dijepit pada sebuah alat uji puntiran dan

beban serta perubahan sudut puntir diamati secara serempak, maka terjai

perubahan tegangan dan regangan pada spesimen.

Gambar 1 Diagram Tegangan Regangan

Dari sumbu O ke suatu titik yang disebut batas proporsional masih

merupakan garis lurus seperti terlihat pada gambar 2.1 dari sini kita menarik

kesimpulan hubungan terkenal pertama yang diberi dalil oleh Robert Hooke

pada tahun 1675, bahwa tegangan sebanding dengan regangan.

Tegangan

Strain

Kekuatan patah sebenarnya

Kekuatan Tertinggi

Kekuatan Patah

Titik mulur

Batas Proporsional

Batas Elastik

Konsep lain yang dikembangkan dari kurva tegangan- tegangan

adalah batas elastis, yaitu batas tegangan dimana bahan tidak kembali lagi

ke bentuk semula apabila beban dilepas tetapi akan tetap pada deformasi

tetap yang disebut Permanent Set. Titik mulur, dimana bahan memanjang

mulur khususnya terjadi terhadap baja struktur. Kekuatan mulur, sangat

berkaitan dengan titik mulur. Untuk bahan yang tidak memiliki definisi

mulur yang baik, kekuatan mulur ditetapkan dengan metode pergeseran.

Metode ini berupa penarikan suatu garis sejajar ke garis singgung awal

kurva tegangan- tegangan. Garis ini dimulai pada pergeseran regangan

sebesar 0,2 % atau 0,002 m/m, seperti diperlihatkan pada gambar 2.2.

Perpotongan garis ini dengan kurva disebut kekuatan mulur.

Gambar 2 Kekuatan mulur ditetapkan dengan metode pergeseran

Tegangan

ReganganPergeseran 0,2 %

Kekuatan Mulur

o

Tegangan maksimum atau lebih umum disebut kekuatan maksimum,

merupakan ordinat tertinggi pada kurva tegangan- tegangan. Kekuatan patah

atau tegangan patah pada spesimen.

C. Puntiran Poros Berpenampang Lingkaran.

Akibat puntiran murni pada poros berpenampang lingkaran adalah

timbulnya tegangan geser murni dalam bahan. Bila poros dibagi menjadi

dua bagian oleh bidang transversal khayal, akan terlihat bahwa permukaan-

permukaan pada kedua pihak dari bidang ini cenderung berputar, relatif

yang dianggap terdiri dari lapisan-lapisan tipis transversal yang jumlahnya

tak terhingga, masing-masing relative berputar sedikit terhadap lapisan

berikutnya bila torsi diberikan, akibatnya poros akan terpuntir. Pergerakan

angular salah satu ujung relative terhadap yang lain disebut sudut puntiran.

Tegangan puntir disebabkan oleh momen puntir yang bekerja pada

penampang batang. Dalam menganalisa tegangan puntir, momen torsi yang

biasanya dinyatakan dalam vektor rotasi diubah menjadi vektor translasi

dengan menggunakan aturan tangan kanan. Lipatan jari tangan

menunjukkan arah vektor rotasi dan jari jempol menunjukkan vektor

translasi. Seperti halnya gaya aksial, tegangan puntir muncul (momen puntir

ada) bila batang tersebut dipotong. Metode irisan tetap digunakan untuk

mendapatkan momen puntir dalam, sehingga tegangan puntir dapat dicari.

Momen puntir dalam ini yang akan mengimbangi momen puntir luas

sehingga bagian struktur tetap dalam kondisi seimbang.

Gambar 3 Poros yang mengalami Puntiran

Untuk mencari hubungan antara momen puntir dalam dengan

tegangan pada penampang batang bulat, perlu dibuatkan asumsi sbb:

1. Potongan normal tetap di bidang datar sebelum maupun sesudah

puntiran.

2. Regangan geser berbanding lurus terhadap sumbu pusat.

3. Potongan normal tetap berbentuk bulat selama puntiran.

4. Batang dibebani momen puntir dalam bidang tegak lurus sumbu

batang.

5. Tegangan puntir tidak melebihi batas proporsional.

6. Tegangan geser berubah sebanding dengan regangan linear.

Gambar 4 Potongan Penampang

T

T

dA

s

Berdasarkan asumsi yang diambil (butir 2 dan 6) maka tegangan

geser maksimum terletak pada keliling penampang sehingga dapat dicari

hubungan antara tegangan geser dengan jarak terhadap sumbu pusat.

Gaya geser inilah ( ) nantinya akan mengantisipasi momen

torsi luar.

Besar adalah momen inseria polar dari luas penampang, yang

dinotasikan sebagai Ip sehingga :

Besarnya tegangan secara umum :

Dimana :

= tegangan geser

= jarak titik yang dinyatakan terhadap pusat.

I p = Momen inersia polar penampang luas.

c = jari-jari lingkaran

Dalam mendesain bagian-bagian struktur yang menyangkut kekuatan,

maka tegangan geser yang memenuhi syaratlah yang dipilih. Karena batang

yang mengalami puntiran sering dipakai untuk meneruskan gaya, maka

percobaan puntiran pada batang sering dilakukan.

D. Sifat-sifat Mekanik

Bagaimanapun baiknya suatu kristal dipersiapkan, pasti memiliki

cacat-cacat kisi yang akan mempengaruhi sifat-sifat yang berkaitan dengan

strukstur kristal tersebut. Dengan mengamati sifat mekanik logam, akan

diperoleh sifat-sifat cacat kisi tersebut. Pada beberapa cabang industri,

pengujian mekanik yang biasa dilakukan seprti uji tarik, kekerasan, impak,

creep dan fatik, digunakan untuk mempelajari keadaan cacatnya (defect

state) tetapi untuk memeriksa kualitas produk yang dihasilkan berdasarkan

suatu standar spesifikasi.

1. Tensile Strength, biasanya dilakukan pengujian tarik terhadap suatu

material logam untuk mengetahui seberapa besar ketahanan material

tersebut terhadap beban tarik.

2. Kekerasan, didefinisikan sebagai ketahanan suatu material logam

terhadap penetrasi, memeberikan sifat-sifat deformasinya.

3. Impak, Suatu bahan mungkin memiliki kakuatan tarik (Tensile

Strength) yang tinggi tetapi tidak memenuhi syarat untuk kondisi

pembebanan kejut (tumbukan)

4. Creep (pemuluran), didefinisikan sebagai aliran plastis pada kondisi

tegangan yang konstan.

5. Fatik, adalah fenomena yang berkaitan dengan perpatahan logam

secara premature karena tegangan rendah yang terjadi berulang kali

dan terutama berperanan penting dalam industri penerbangan.

E. Sifat-sifat Kimia

1. Kelarutan

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi atau menentukan

kelarutan yaitu:

a. Temperatur larutan: Umumnya kalau temperatur naik kelarutan

meningkat.

b. Berat molekul, Struktur molekul: Berat molekul besar maka

kelarutan kecil.

c. Kristalinitas: Menyangkut derajat kristalinitas. Bahan yang

memiliki kristalinitas tinggi seperti polietilen dan polipropilen

mempunyai kelarutan yang kurang, tetapi polimer berkristal yang

biasa larut.

d. Kepolaran: Bahan polimer mudah sekali larut dalam pelarut polar.

e. Pelarut campuran: Klau ke dalam suatu pelarut dimana polimer

bisa larut dibubuhkan pelarut lain, kadang-kadang kelarutannya

meningkat.

2. Tahanan Kimia

Ketahanan kimia berada di daerah luas mulai dari bahan

yang sukar diserang oleh setiap bahan kimia seperti

politetraflouroetilen sampai ke bahan mudah larut dalam pelarut

organik seperti dalam asetat dan alkohol, umpamanya polivinil asetat.

Sifat-sifat ini sampai sejauh tertentu dapat dianggap

ditentukan oleh struktur molekul bahan polimer.

Polimer mempunyai kelompok eter, ester dan amida mudah

terhidrolisa oleh asa. Selulosa, poliester, poliamid, dan polimetil

akrilat mempunyai kecenderungan tersebut. Apabila polietilen

bersentuhan dengan asam belerang pekat atau asam nitrat, akan

diserang dan terurai menerima akibat dari sulfunasi, nitrasi dan

oksidasi pada cinin bensin. Resin urea, resin melami dan resin epoksi

menjadi lemah didalam asam kuat. Terutama resin fenol dan resin

metil metakrilat menerima akibat pengoksidasian asam, sedangkan

resin fenol, resin urea, resin melamin dan banyak resin kondensasi

formalin lain sangat dipengaruhi oleh alkali kuat.

F. Puntiran pada kawat baja

Tali/kawat baja sering dipakai pada mesin-mesin pengangkat sebagai

salah satu perangkat mesin pemindah bahan. Dibandingkan dengan rantai,

tali baja mempunyai keunggulan sebagai berikut :

1. Lebih ringan

2. Lebih tahan terhadap sentkan

3. Operasi yang tenang walaupun pada kecepatan operasi yang tinggi

4. Keandalan operasi yang lebih tinggi

Tali baja terbuat dari kawat baja dengan kekuatan b = 130 sampai 200 kg/mm2.

dimana dalam proses pembuatannya kawat baja diberi perlakuan panas

tertentu dan digabung dengan penarikan dingin, sehingga menghasilkan sifat

mekanis kawat baja yang tinggi.

Salah satu hal yang dapat menyebabkan puntiran pada kawat baja

yaitu proses pembuatan yang dilakukan dengan pemintalan ( penganyaman )

yang akan menyebabkan timbulnya gaya internal pada kawat baja. Hal lain

yang dapat menyebabkan puntiran adalah kawat diberi pembebanan maka

pintalan tadi cenderung akan mengecil sehingga juga akan menyebabkan

puntiran pada kawat.

Pada saat tali ditekuk maka akan timbul gaya-gaya yang rumit pada

kawat yang terdiri dari tarikan, tekanan dan puntiran, oleh karena itu

sangatlah sulit untuk mendeteksi gaya-gaya yang terjadi.

G. Tali Baja Anti Puntir

Perkembangan terakhir pada pembuatan tali baja menghasilkan jenis

tali baja yang anti puntir. Tali yang demikian diproduksi oleh The Odessa

Rope Works. Pada tali ini sebelum dipintal setiap kawat dan untaian

dibentuk sesuai dengan kedudukannya di dalam tali. Akibatnya tali yang

tidak dibebani tidak akan mengalami tegangan internal.

Tali ini mempunyai kecenderungan untuk terurai walaupun ujung tali

ini tidak disimpul. Sifat ini akan mempermudah penyambungan anyaman

tali.

Diantara keunggulan tali ini dibandingkan tali biasa yaitu :

1. Distribusi beban yang merata pada setiap kawat sehingga tegangan

internal yang terjadi minimal

2. Lebih fleksibel

3. Keausan tali lebih kecil bila melewati puli dan digulung pada drum,

karena tidak ada untaian atau kawat yang menonjol pada kontur tali,

dan keausan kawat terluar seragam, juga kawat yang putus tidak akan

mencuat ke luar

4. Keselamatann operasi yang lebih baik

H. Beberapa Pengertian Dasar

1. Tegangan adalah perbandingan antara gaya dengan luas penampang

benda yang dikenakan gaya tersebut.

2. Regangan adalah perbandingan antara panjang saat diberi beban

dengan panjang mula-mula.

3. Ketangguhan adalah ukuran besarnya energi yang diperlukan untuk

mengubah bentuk suatu material.

4. Kekerasan adalah ketahanan suatu material yang terhadap penetrasi

yang diberikan pada permukaannya.

5. Momen adalah hasil kali gaya dengan jarak gaya ke titik pusat.

I. Hal-hal yang Mempengaruhi Kekuatan Material Terhadap

Puntiran

1. Panjang batang, semakin panjang batang yang dikenai beban puntir

maka puntiran akan semakin besar

2. Sifat-sifat material antara lain modulus geser, struktur material, dan

jenis material.

3. Luas penampang batang atau material dimana gaya puntir bekerja.

4. Bentuk penampang batang yang dikenai puntiran.

5. Arah gaya puntir pada batang

J. Karakteristik Baja dan Kuningan

1. Karakteritik Baja

Baja karbon merupakan unsur pengeras besi yang efektif dan

murah oleh karena itu umumnya sebagian besar baja komersial hanya

mengandung karbon dengan sedikit paduan lain. Baja karbon rendah

(C < 0,3%) memiliki kekuatan sedang dengan keuletan yang sangat

baik dan digunakan dalam kondisi anil atau normalisasi untuk

keperluan konstruksi jembatan, bangunan, kendaraan, dan kapal laut.

Baja karbon (0,3 < C < 0,7 %) sedang dapat dicelup untuk

membentuk martensit disusul dengan penemperan untuk

meningkatkan ketangguhan disamping kekuatan yang telah

dimilikinya.

Baja karbon tinggi (0,7 < C < 1,7 %) biasanya dicelup agar

keras disusul dengan penemperan pada sehingga dapat dicapai

kekuatan yang memadai dengan keuletan yang memenuhi persyaratan

untuk per,die dan perkakas potong.

Modulus Elastisitas baja : E = 2,01

2. Karakteristik Kuningan

Berbeda dengan baja karbon kuningan adalah logam tahan karat,

selain itu juga kuningan memiliki keuletan yang lebih baik

dibandingkan dengan baja. Tetapi tingkat kekerasan dan ketangguhan

kuningan lebih rendah dibandingkan dengan baja. Sedangkan untuk

konduktivitas listrik kuningan lebih baik daripada baja.

Modulus Elastisitas Kuningan E = 9.17

K. Macam-macam Diagram Tegangan-Regangan

Berikut ini adalah macam-macam diagram tegangan-regangan untuk

beberapa material:

Baja Karbon rendah

Besi Cor

Bahan Polimer

Paduan Al-2%Cu

L. Modulus Elastisitas

Modulus elastisitas adalah penjabaran matematis dari suatu

kecenderungan objek atau bentuk untuk berubah bentuk ketika diberikan

suatu gaya. Modulus elastisitas dari suatu objek ditentukan sebagai puncak

dari kurva tegangan-regangannya:

Dimana:

lambda ( = modulus elastisitas

tegangan ( = gaya yang menyebabkan perubahan dibagi

dengan luas permukaan dimana gaya itu diberikan

regangan ( ) = rasio perubahan yang disebabkan oleh

tegangan pada bentuk asli dari suatu objek.

Karena tegangan diukur dalam pascal dan regangan adalah

perbandingan tanpa satuan, satuan untuk lambda adalah pascal. definisi

alternatif adalah modulus elastisitas adalah regangan yang dibutuhkan untuk

memperpanjang material dua kalinya. Hal ini tidaklah selalu benar untuk

seluruh material karena terkadang nilainya jauh lebih besar daripada

tegangan batas (yield stress) dari suatu material atau suatu titik dimana

perpanjangan menjadi tidak lagi linear (seimbang). Konsep dari modulus

elastisitas yang konstan tergantung pada perkiraan bahwa kurva tegangan

regangan selalu lurus. Pada kenyataannya, kurva tersebut hanya lurus

hingga batas tertentu. Karena benda yang ditarik atau ditekan secara

berlebihan akhirnya akan gagal (patah), dan benda pada tekanan tinggi dapat

menanggung proses yang akan mempengaruhi kurva tegangan regangan,

misalnya reaksi kimia atau penekukan (buckling). Ada tiga modulus

elastisitas primer yang masing-masing menjelaskan bentuk deformasi yang

berbeda, seperti di bawah ini :

1) Modulus Young (E) menjelaskan elastisitas kekakuan, atau

kecenderungan suatu benda untuk berubah sepanjang suatu sumbu

ketika gaya yang berlawanan diberikan sepanjang sumbu tersebut; hal

ini dijelaskan sebagai perbandingan tegangan tekan terhadap tegangan

tarik. karena modulus elastisitas yang lain dapat dijelaskan dari ini,

Modulus Young sering dianggap sebagai modulus elastisitas. modulus

Young adalah persamaan matematika dari prinsip pengecualian Pauli.

2) Modulus geser atau modulus kekakuan (G) menjelaskan

kecenderungan suatu objek untuk bergeser (perubahan bentuk pada

volume konstan) ketika bergerak pada gaya yang berlawanan; hal ini

ditentukan sebagai tegangan geser dan regangan geser. modulus geser

adalah bagian dari perubahan viskositas.

3) Modulus bulk (kepadatan/ K) menunjukkan elastisitas secara

volumetric, atau kecenderungan suatu volume objek untuk berubah

akibat suatu penekanan; Hal ini didefinisikan sebagai tegangan

volumetrik, dan sebagai kebalikan dari kemampuan untuk ditekan.

modulus bulk adalah penurunan dari modulus Young secara tiga

dimensi.

TABEL MODULUS ELASTIS BERBAGAI JENIS MATERIAL

No Material E(N/m2)

1 Baja Karbon Struktural 0,5% - 0,25 200-207

2 Baja Nikel (3-3,5%) 200

3 Duralinium 69

4 Tembaga (Copper),Cold Rolled 110-120

5 Gelas 69

6 Dine (Cemara) dengan grafin 10,34

7 Beban dalam tekanan 27,6

8 Brass 90

9 Aluminium 70

III.METODOLOGI PERCOBAAN