Memahami Tegangan dan Momen pada Konstruksi

Pada bab sebemumnya telah dipelajari mengenai pengujian logam dengan cara merusak seperti pengujian tarik, pengujian pukulan takik, pengujian kekerasan. Pengujian yang dimaksudkan untuk mengetahui batas kekuatan dan sifat-sifat mekanik suatu logam.

 

 Dalam pengujian tarik, spesimen mengalami penarikan secara terus menerus hingga patah. Ketika pembebanan (penarikan) dilakukan, dalam batang uji terjadi pertambahan panjang dan pengecilan ukuran penampang spesimen, serta diiringi terjadinya tegangan.

 

Tegangan yang terjadi pada komponen akibat pembebanan yang berlebih dapat mengakibatkan terjadinya kerusakan/patah. Demikian pula dalam suatu konstruksi juga mengalami tegangan akibat adanya beban-beban yang bekerja. Maka setelah mempelajari bab ini, diharapkan kamu dapat memiliki pengetahuan dan pemahaman mengenai tegangan dan momen yang terjadi pada konstruksi.

Bagan Materi Pembelajaran

 

Kata Kunci : Tegangan, Momen, Gaya, Regangan

A. Tegangan

Pernahkah kamu mengamati proses pengangkatan material seperti gambar disamping? Untuk dapat mengangkat beban berat, dibutuhkan konstruksi yang tersusun dari bahan baja yang juga memiliki kekuatan. Salah satu penerapannya adalah pada rantai baja.

Dalam baja yang digunakan terdapat sifat-sifat mekanik material seperti kekuatan, kekerasan, kekakuan, batas kelelahan, dan sebagainya yang memiliki peran penting untuk menunjang terbentuknya konstruksi yang kokoh dan kuat.

Ketika pembebanan, pada konstruksi akan terjadi tegangan-tegangan, semakin kecl beban maka tegangan yang terjadi juga kecil, dan sebaliknya. Tegangan-tegangan yang terjadi dalam suatu material dan struktur dapat menyebabkan deformasi dan kerusakan ketika tegangan melebihi batas kekuatan konstruksi dan bahan.

Sebagai contoh, perhatikan perubahan-perubahan yang terjadi pada spesimen pengujian tarik berikut ini:

 

Pada gambar diatas, deformasi mulai terjadi ketka adanya beban (tarikan) yang bekerja, sehingga menyebabkan batang bertambah panjang dan mengecilnya penampang, sehingga terjadi patah. Terjadinya deformasi karena adanya tegangan pada batang akibat gaya tarikan yang membesar sampai batas maksimalnya.

Dalam hal ini kerusakan batang tidak terjadi secara langsung, namun didahului dengan gejala-gejala berupa deformasi dan perubahan bentuk dan ukuran.

Terjadinya deformasi (perubahan bentuk) pada material maupun konstruksi sangat berkaitan erat dengan tegangan dan regangan.

Video Tarikan Pegas

Pengetahuan tegangan yang terjadi pada material dan konstruksi merupakan salah satu hal yang paling penting dipahami oleh seorang perancang. Tegangan merupakan salah satu faktor penentu kokoh atau tidaknya suatu konstruksi. Maka besarnya tegangan pada bahan harus diketahui sebagai dasar dalam melakukan perancangan.

Adapun pembahasan mengenai tegangan, meliputi : tegangan normal dan tegangan geser

1. Tegangan Normal

Telah diketahui bahwa tegangan terjadi karena adanya gangguan berupa gaya gaya yang bekerja pada batang yang berakibat terjadninya deformasi.

Besarnya tegangan dapat dihitung dengan membandingkan antara gaya yang bekerja terhadap luasan,sebagaimana persamaan berikut ini :

σ=F/A

Keterangan :

σ = Tegarangan (N/m²) = Pa (Pascal)

F = Gaya (N)

A = Luas Penampang (m²)

 

Tegangan normal merupakan tegangan yang arah beban sejajar dengan batang material. Berdasarkan jenis gaya yang bekerja, tegangan normal dibedakan menjadi dua, yaitu :

a. Tegangan Tekan

Tegangan tekan dapat terjadi apabila gaya-gaya yang bekerja menuju ke arah batang, sehingga batang menjadi tertekan.

Bedasarkan ilustrasi diatas, dapat dijelaskan bahwa deformasi yang terjadi berupa batang menjadi pendek dan penampang menjadi lebih besar, padat dan keras.

b. Tegangan Tarik

Tegangan tarik terjadi ketika adanya gaya tarik pada kedua ujung batang, sehingga batang terjadi deformasi pertambahan panjang dan penampang mengecil

Seiring bertambahnya panjang batang mengalami regangan, yakni perbandingan antara pertambahan panjang pada daerah elastisitas dengan panjang awalnya.

ε=∆L/L

Keterangan :

ε = Regangan (dibaca epsilon)

∆L= Selisih Panjang akhir dan awal

L =Panjang Awal

Berdasarkan tegangan dan regangan pada material, maka dapat diketahui modulus elastisitas material/modulus young (E) melalui persamaan berikut :

E=σ/ε

Keterangan :

E = Modulus elastisitas (N/m²)

ε = Regangan (dibaca epsilon)

σ = Tegarangan (N/m²) = Pa (Pascal)

2. Tegangan Geser

Tegangan geser merupakan tegangan yang bekerja dalam arah tangensial terhadap permukaan benda. Tegangan geser memenuhi persamaan berikut :

τ=F_s/A

Keterangan :

τ = Tegangan Geser (N/m²)

F_s = Beban/Gaya (N)

A = Luas Penampang (m²)

Tegangan geser terjadi pada suatu benda ketika terdapat dua gaya atau lebihh yang bekerja dengan arah yang berlawanan dan berimpit.

Tegangan geser menyebabkan perubahan bentuk elemen dimana elemen yang semula berbentuk persegi berubah bentuk menjadi miring dengan kemiringan tertentu.

Perubahan sudut dalam kondisi ini disebut sebagai regangan geser dan dinyatakan dengan  γ.

Rasio antara tegangan geser (τ) dengan regangan geser γ disebut modulus elastis geser (G) dan dinyatakan dengan persamaan berikut.

G=  τ/γ

Keterangan :

G = Modulus Elastisitas geser (N/m²)

τ= Tegangan Geser (N/m²)

γ = regangan geser

B. Momen

Pada materi subbab kedua ini, kamu akan mempelajari mengenai momen gaya. Cobalah kamu perhatikan bagaimana seseorang yang menghidupkan mesin diesel dengan cara memutar poros engkol terlebih dahulu. Bagaimanakah gerakan engkol ketika memutar poros tersebut?. Ya, ketika memutar poros akan terbentuk suatu gerakan rotasi terhadap satu titik sumbunya. Dalam gerakan rotasi terdapat momen gaya atau torsi yang bekerja terhadap poros tersebut.

Gerakan rotasi merupakan salah satu bentuk gerakan yang terjadi yang diakibatkan oleh gaya. Terjadinya gerakan rotasi (putaran) merupakan hasil kerja dari gaya terhadap satu titik(sumbu), yang selanjutnya disebut momen gaya.

Secara matematis, mmen gaya dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

M = F.L

Keterangan :

M = Momen Gaya (Nm)

F = Gaya (N)

L = Jarak gaya terhadap titik pusat (m)

Momen memiliki besaran dan arah yang searah dengan garis kerjanya terletak sepanjang sumbu putarnya. Momen dapat diberi tanda positif atau negatif bergantung dari perjanjian yang umum. Suatu momen adalah positif (+) jika momen itu berputar searah jarum jam, dan berharga negatif (-) jika berputar berlawanan arah putaran jarum jam.

Telah dipahami bahwa dalam konsep momen, posisi gaya selalu tegak lurus terhadap titik sumbu putarnya, maka apabila terdapat suatu gaya yang bekerja dengan kemiringan tertentu maka dalam perhitungan momen gaya tersebut harus ditegakluruskan terhadap titik pusatnya. Perhatikan gambar berikut !.

Untuk menghitung momen dari gaya F yang membetuk kemiringan tertentu adalah :

M=F.sin⁡ α .L

Keterangan :

M = Momen Gaya (Nm)

F= Gaya (N)

L = Jarak gaya terhadap titik pusat (m)

α= Kemiringan gaya (⁰)

Selain itu, contoh penerapan momen adalah pada pembuatan ulir, seperti gambar 11.16.

Dalam pembuatan ulir, tap diputar sambil ditekan hingga terbentuk ulir pada pelat. Ketika pemutaran tap ulir, maka terjadi momen seperti gambar 11.17

Pada gambar diatas dijelaskan bahwa terdapat dua gaya yang bekerja pada jarak L secara berlawanan arah mengakibatkan gerak rotasi dan terjadi momen kopel.

Sebagai contoh, apabila diketahui gaya tangan sebesar 30N, panjang lengan 20cm, serta berputar searah jarum jam, maka besarnya momen gaya dapat dihitung sebagai berikut :

Diketahui : F = 30 N

L = 20 cm = 0,2m

Jawab : M = F x 2L

M = 30 x 2 x 0,2 = 12Nm