TUGAS AKHIR SAYA. 12 2009 021

(1)

BAB I PENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANG

Secara umum, baja adalah logam yang terdiri dari campuran sebagian besar besi, dengan kandungan karbon antara 0.2% - 2.14% beratnya tergantung ‘grade’nya. Karbon dan elemen lainnya berfungsi sebagai pengeras, sehingga menghasilkan logam yang lebih keras dan kuat daripada besi. . Baja adalah suatu jenis bahan bangunan yang berdasarkan pertimbangan ekonomi, sifat, dan kekuatannya, cocok untuk pemikul beban. Oleh karena itu baja banyak dipakai sebagai bahan struktur, misalnya untuk rangka utama bangunan bertingkat sebagai kolom dan balok, sistem penyangga atap dengan bentangan panjang seperti gedung olahraga, hanggar, menara antena, jembatan, penahan tanah, fondasi tiang pancang, bangunan pelabuhan, struktur lepas pantai, dinding perkuatan pada reklamasi pantai, tangki-tangki minyak, pipa penyaluran minyak, air, atau gas.

Perancangan sebuah konstruksi dengan material baja sebagai bahan utamanya haruslah mengetahui kurva tegangan regangan pada material tersebut, dikarenakan jika peranancangan melebihi titik ultimate material maka konstruksi tersebut berada pada tegangan maksimun yang dapat diterima oleh material dan perancangan tersebut sangat membahayakan.

(2)

Penggunaan sensor diperkirakan dapat mengurangi biaya, meningkatkan efisiensi dan mempermudah pemakaian dengan tampilan hasil pada LCD.

1.2 RUMUSAN MASALAH

Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, maka akan dilakukan percobaan untuk mengukur tegangan dan regangan terhadap suatu batang kantilever bila diberi beban berbeda-beda.

1.3 TUJUAN

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengukur tegangan dan regangan pada batang kantilever menggunakan sensor strain gauge berbasis labjack dengan material baja tipe plat JIS-G 3101 SS400 dan diberi beban bervariasi dari 0.25kg -1,5 kg.

1.4 RUANG LINGKUP KAJIAN

Studi literatur dari buku-buku yang berkaitan, informasi yang didapat dari internet.

1.5 METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini dimulai dengan :

1. Menyiapkan peralatan yang digunakan

 Menentukan material yang akan di uji dan menentukan dimensinya.

 Menentukan sensor regangan, Mikrokontroller dan Sofware yang digunakan dalam pengujian.

2. Perakitan seluruh komponen dan menguji alat tersebut 3. Melakukan percobaan dengan pembebanan dari

0,25 kg, 0,5 kg, 0,75 kg, 1 kg, 1,25 kg dan 1,5 kg. 4. Pengolahan data

5. Perhitungan pengujian dan teoritik

(3)

2.1 Baja (steel)

Secara umum, baja adalah logam yang terdiri dari campuran sebagian besar besi, dengan kandungan karbon antara 0.2% - 2.14% beratnya tergantung ‘grade’nya. Karbon dan elemen lainnya berfungsi sebagai pengeras, sehingga menghasilkan logam yang lebih keras dan kuat daripada besi. . Baja adalah suatu jenis bahan bangunan yang berdasarkan pertimbangan ekonomi, sifat, dan kekuatannya, cocok untuk pemikul beban. Oleh karena itu baja banyak dipakai sebagai bahan struktur, misalnya untuk rangka utama bangunan bertingkat sebagai kolom dan balok, sistem penyangga atap dengan bentangan panjang seperti gedung olahraga, hanggar, menara antena, jembatan, penahan tanah, fondasi tiang pancang, bangunan pelabuhan, struktur lepas pantai, dinding perkuatan pada reklamasi pantai, tangki-tangki minyak, pipa penyaluran minyak, air, atau gas.Menurut ASM handbook vol 1:139 (1993), baja dapat diklasifikasikan berdasarkan komposisi kimianya seperti kadar karbon dan paduan yang digunakan. Berikut merupakan klasifikasi baja berdasarkan komposisi kimianya :

2.1.2 Sifat fisik baja

Sifat fisik dan mekanik baja meliputi : berat, berat jenis, daya hantar panas dan konduktivitaslistrik Sifat mekanis suatu bahan adalahkemampuan bahan tersebut memberikan perlawanan apabiladiberikan beban pada bahan tersebut. Atau dapat dikatakan sifat mekanis adalah kekuatan bahandidalam memikul beban yang berasal dari luar. Sifat mekanis pada baja meliputi:

1. Kekuatan Baja.

(4)

P = beban yang membebani baja,

A = luas penampang baja.

Pada waktu baja diberi beban, maka terjadi regangan. Pada waktu terjadi regangan awal, dimana baja belum sampai berubah bentuknya dan bila beban yangmenyababkan regangan tadi dilepas, maka baja akan kembali ke bentuk semula. Regangan inidisebut dengan regangan elastis karena sifat bahan masih elastis. Perbandingan antara tegangandengan regangan dalam keadaan elastis disebut dengan “ Modulus Elastisitas/Modulus Young”.

Ada 3 jenis tegangan yang terjadi pada baja, yaitu :

 Tegangan , dimana baja masih dalam keadaan elastic  Tegangan leleh, dimana baja mulai rusak/leleh

 Tegangan plastis, tegangan maksimum baja, dimana baja mencapai kekuatan maksimum.

2. Keuletan Baja (ductility)

Kemampuan baja untuk berdeformasi sebelum baja putus.Keuletan ini berhubungan dengan besarnya regangan/strain yang permanen sebelum baja putus.Keuletan ini juga berhubungandengan sifat dapat dikerjakan pada baja.Cara ujinya berupa uji tarik.

3. Kekerasan Baja

Kekerasan baja adalah ketahanan baja terhadap besarnya gaya yang dapat menembus permukaan baja. Caraujinya dengan kekerasan Brinell, Rockwell, ultrasonic, dll

4. Ketangguhan Baja (toughness)

(5)

2.2 DASAR-DASAR MEKANIKA 2.2.1 Tegangan dan Regangan

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

Gambar 2.1Defleksi 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

(6)

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.

2.2.2 Diagram Tegangan-Regangan

Gambar 2.2kurva tegangan regangan

Istilah-istilah yang ada di Kurva regangan tegangan :

Proporsional, yaitu batas dimana pertambahan berbanding lurus dengan pertambahan tegangan yang sesuai dengan hukum HOOKE.

Titik Elastisitas, di mana pada titik ini perubahan logam masih dalam keadaan elastis dan jika titik ini dilampaui, maka akan terjadi perubahan plastis pada logam tersebut.

(7)

Titik Ultimate, pada titik ini akan terjadi tegangan maksimum yang dapat diterima oleh spesimen.

Titik Fracture, dimana pada titik ini spesimen akan patah.

Deformasi terbagi atas 2 jenis, yaitu :

a. Deformasi Elastis, Suatu perubahan bentuk yang segera hilang kembali bila beban yang menyebabkan deformasi tersebut dihilangkan.

b. Deformasi Plastis, Suatu perubahan bentuk yang tetap ada walaupun bahan yang menyebabkan deformasi tersebut ditiadakan.

2.3 Strain Gauge

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.

Gambar 2.3Strain gage jenis tahanan listrik

(8)

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]

Tahanan nominal straine gauge tahanan listrik yang paling mudah diperoleh adalah R = 120 Ω± 1%, nilai gauge factor nya 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 Ohm meter biasa. Untuk meningkatkan sensitivitas dan kemudahan pencatatan data, pengukuran perlu menggunakan rangkaian listrik jembatan Wheatstone (Wheatstone bridge circuit).

2.4 Jembatan Wheatstone

(9)

pengukuran terhadap suatu tahanan yang nilainya relatif kecil sekali umpamanya saja suatu kebocoran dari kabel tanah/ kartsluiting dan sebagainya.Jembatan Wheatstone adalah alat yang paling umum digunakan untuk pengukuran tahanan yang teliti dalam daerah 1 sampai 100.000 Ω. Jembatan Wheatstone terdiri dari tahanan R1, R2, R3, dimana

tahanan tersebut merupakan tahanan yang diketahui nilainya dengan teliti dan dapat diatur

Metode Jembatan Wheatstone adalah susunan komponen-komponen elektronika yang berupa resistor dan catu daya seperti tampak pada gambar berikut:

Gambar 2.4Jembatan Wheatstone

Hasil kali antara hambatan hambatan berhadapan yang satu akan sama dengan hasil kali hambatan hambatan berhadapan lainnya jika beda potensial antara c dan d bernilai nol. Persamaan R1 . R3 = R2 .R4 dapat diturunkan dengan menerapkan Hukum Kirchoff dalam rangkaian tersebut. Hambatan listrik suatu penghantar merupakan karakteristik dari suatu bahan penghantar tersebut yang mana adalah kemampuan dari penghantar itu untuk mengalirkan arus listrik, yang secara matematis dapat dituliskan:

R = ρ. (L/A)

(10)

L : Panjang penghantar (m) A : Luas penghantar ( m²)

2.5 Mikrokontroller LABJACK

Akuisisi data atau proses mendapatkan data merupakan proses yang penting dalam sistem pemantauan dan pengendalian sistem. Fenomena fisik seperti suhu, tegangan, posisi, laju atau kecepatan, gaya, tekanan, radioaktivitas, intenstitas cahaya, resistansi, kelembaban, konsentrasi gas, medan magnet, frekuensi dan level suara. Akuisisi data yang digunakan adalah Labjack U3 HV. Labjack U3 HV adalah perangkat akuisisi data yang berfungsi sebagai alat pengukuran dan perangkat otomasi yang menyediakan masukan atau keluaran analog dan masukan atau keluaran digital. Akuisisi data inilah yang digunakan peneliti untuk membaca input dari intensitas radiasi, suhu dan kelembaban. Sama halnya dengan pengoperasian sebuah minimum sistem yang berbasis mikrokontroler yang diprogram sesuai dengan perancangan yang diinginkan, sehingga dapat membaca dan merubah masukan dan keluaran berupa data analog dan data digital baik berupa besaran volt atau ampere.

Gambar 2.5 Mikrokontroller Labjack U3-HV

Labjack U3-HV sendiri mempunyai beberapa fitur seperti :

 16 fleksible I/O

(11)

 2 Counters (32-Bits)

 12 Bits analog input

 4 HV input dengan range -10/20

2.6 Penyedia daya DC 5 volt

Gambar 2.6 Penyedia daya DC 5 volt

2.7 Material

Gambar 2.7 Material baja tipe plat JIS-G 3101 SS400

BAB III

(12)

Dalam pengujian tegangan dan regangan batang kantilever ini,

diperlukan beberapa peralatan atau komponen yang menunjang prosedur

pengujian ini, komponen tersebut antara lain :

 Batang kantilever (sebagai batang uji).

 Strain gauge (sensor).

 Mikrokontroler ( Lab Jack U3 HV )

 Penyedia daya DC 5 volt.

 Laptop / Komputer

 Penggaris

 Jangka sorong

3.2 Metode Penelitian

Penelitian yang akan dilakukan menggunakan sebuah sensor strain gauge yang dirangkai dengan jembatan Wheatstone sebagai pengindera dari tekanan pada bahan yang akan diuji. Penggunaan sensor diperkirakan dapat mengurangi biaya, meningkatkan efisiensi dan mempermudah pemakaian dengan tampilan hasil pada LCD. Besaran regangan akan diindera oleh sensor strain gauge. Keluaran sistem sensor ini berupa tegangan analog dari konfigurasi jembatan Wheatstone yang menghasilkan tegangan dalam orde mV yang kemudian akan dikuatkan dengan penguat instrumentasi sehingga menghasilkan tegangan dalam orde volt. Hasil keluaran tersebut akan diproses pada mikrokontroler berbasis Labjack.

3.3 Langkah Penelitian

(13)

serta memasang sensor strain gauge dan mengukur tahanan dengan diberi beban yang berbeda beda.

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan