Bab 3. Gaya-Gaya Dalam
3.1. PendahuluanGaya Dalam adalah gaya yang menahan gaya rambat pada konstruksi untuk mencapai keseimbangan. Misal suatu balok dijepit diujung atasnya dan dibebani oleh gaya P (gb. 3.1) searah sumbu balok, maka balok tersebut dipastikan timbul gaya dalam. Gaya dalam yang mengimbangi gaya aksi (beban) bekerja sepanjang sumbu batang, sama besar, dan berlawanan arah dengan gaya aksi. Gaya dalam tersebut dinamakan gaya normal, dan dinyatakan
sebagai NX bila gaya normal terletak di titik berjarak X dari B.
A
B
X
P P
N X
Gambar 3.1. Gaya Normal bekerja sepanjang sumbu batang
Bila terdapat beban dengan arah tegak lurus terhadap sumbu batang (gb. 3.2), maka akan timbul gaya (P`) dan momen (M`) pada jarak X dari titik B.
A
B
X
P
P
L P`
M M`
X X
Gambar 3.2. Gaya Lintang dan Momen Lentur pada jarak X dari B.
Gaya dalam yang menahan aksi P` dan momen M` adalah LX dan
MX. Gaya dalam yang tegak lurus terhadap sumbu batang
dinamakan Gaya Lintang/Geser (Shear Force) diberi notasi LX dan
momen yang mendukung lentur dinamakan Momen
Lentur/Lengkung (Bending Moment) bernotasi MX.
3.1.1. Perjanjian Tanda Gaya Dalam.
Gaya normal diberi tanda positif (+) apabila gaya cenderung menimbulkan sifat tarik pada batang dan negatif (-) bila gaya cenderung menimbulkan sifat tekan (gb. 3.3.a.). Gaya lintang disebut positif apabila gaya cenderung menimbulkan patah dan searah jarum jam, dan negatif bila sebaliknya.
+
-+
-a. Gaya Normal b. Gaya Lintang
+
Gambar 3.3. Perjanjian tanda gaya-gaya dalam
Momen lentur diberi tanda positif apabila gaya menyebabkan sumbu batang cekung ke atas, dan bila cekung ke bawah diberi tanda negatif.
3.2. Perhitungan Gaya Dalam. 3.2.1. Gaya Dalam pada Kantilever
Misal sebuah kantilever mendapat beban P1 = 10 ton dengan tg
= 4/3 pada titik A, dan P2 = 12 ton pada titik C, seperti gambar 3.4.
Tentukan besarnya gaya normal, gaya lintang dan momen lentur dititik I dan II.
Langkah 1.
Mencari keseimbangan gaya luar. P1 diuraikan menjadi X1 = P cos
= 10 x 3/5 = 6 ton dan Y1 = P sin = 10 x 4/5 = 8 ton, sehingga
Gambar 3.4. Kantilever dengan beban miring P1 dan P2
Langkah 2.
Mencari keseimbangan gaya dalam. Kita lihat pada titik I, dengan
menganggap A-I sebagai freebody yang seimbang, maka akan
tampak gaya-gaya dalam yang harus mengimbangi gaya luar (lihat gambar 3.5).
Dengan persamaan statik tertentu dapat dihitung:
H = 0 - 6 + NI = 0 NI = 6 Ton
V = 0 - 8 + LI = 0 LI = 8 Ton
MI = 0 - 8 . 1 + MI = 0 MI = 8 Tm
Mengingat tanda gaya dalam sesuai perjanjian maka hasil hitungan
perlu dicermati: NI =
-
6 Ton, LI =-
8 Ton, dan MI =-
8 TmBegitu juga dengan titik II, dimana A-II dianggap freebody, maka
akan tampak gaya-gaya dalam yang mengimbangi gaya luar (lihat gambar 3.6).
Dengan persamaan statik tertentu dapat dihitung:
H = 0 6 + NII = 0 NII = - 6 Ton
Gambar 3.6. Keseimbangan gaya dalam pada batang A-II
X Nx Lx Mx
0 - 6 T - 8 T 0
1 - 6 T - 8 T - 8 Tm
2 - 6 T - 8 T - 16 Tm
2
Bila beban merupakan terbagi rata, perlu diperhatikan bahwa gaya lintang dan momen lentur pada batang akan tergantung dari jarak beban terhadap titik tumpuan.
4 m 2 m
Gambar 3.7. Kantilever dengan beban terbagi merata
Gaya luar dari batang pada gambar 3.7 diperoleh: HB = 0, VB = q . 4
= 10 . 4 = 40 Ton, dan MB = (q . 4) (2 + 2) = (10 . 4) 4 = 160 Tm.
Bila terdapat elemen kecil beban q . dx pada jarak x dari A, maka pada titik C akan mendapat reaksi gaya lintang dL = q . dx dan momen lentur dM = (q . dx) . x (gambar. 3.8). Dengan memperhatikan hal tersebut dapat disimpulkan sbb:
Gambar 3.8. Keseimbangan gaya dalam pada titik C
- Nilai L tergantung jarak dari A ke C, misal pada jarak 1 m,
jarak 4 m LC = -40 T, sehingga nilai gaya lintang L semakin
jauh jarak dari A semakin besar nilai (negatif) L, namun perlu
diingat nilai VB = nilai LC, sehingga gaya dalam pada batang
CB sebesar LC.
- Untuk nilai M, jarak selain mempengaruhi besar beban (q.x)
juga mempengaruhi letak resultan beban ( x), sehingga misal
pada jarak 1 m, maka M = -5 Tm, pada jarak 4 m MC = -80
Tm. Nilai MC tidak sama dengan nilai MB, berarti pada CB akan
mendapat momen lentur yang berbeda. Untuk batang CB, M =
(q . AC) ( AC + x) dimana x adalah jarak titik pada batang CB,
sehingga diperoleh M = (-10 . 4) (2 + x) = -80 - 40.x. misal pada jarak 1 m, maka M = - 80 - 40 = -120 Tm, dan pada
jarak 2 m, maka MB = - 80 - 80 = -160 Tm.
3.2.1.3. Gaya Dalam pada Kantilever dengan Beban Momen Bila beban merupakan momen, seperti gambar 3.9 dibawah ini:
M
B A
M B
Gambar 3.9. Kantilever dengan beban momen
Maka gaya dalam yang ada hanya momen lentur bernilai negatif (batang cekung ke bawah).
3.2.2. Gaya Dalam pada Balok Sederhana
3.2.2.1. Gaya Dalam pada Balok Sederhana dengan Beban Terpusat
6 4
P = 2 T
A B
V A V B
Gambar 3.10. Konstruksi balok sederhana
Dari keseimbangan gaya luar didapat VA = (4/10) x 2 = 0,8 T, dan VB
= (6/10) x 2 = 1,2 T. Gaya dalam akan ditinjau pada titik P berada,
serta AP dan PB dianggap sebagai freebody (lihat gambar. 3.11).
Keseimbangan gaya dalam, (ditinjau dari A ke B): Untuk 0 x 6, MX = VA . x = 0.8 . x, dan LA = VA
Untuk 6 x 10, MX = VB . (10 – x) = 1,2 . (10 – x) dan LB = - VB
Sehingga didapat LA = 0,8 T dan LB = -1,2 T dan pada titik P gaya
lintang yang terjadi adalah (LA + LB) = (0,8 – 1,2) = -0,4 T.
B
V B
M B
B
L A
V A
MA LA
Gambar 3.11. Gaya dalam pada titik pembebanan
Untuk momen lentur didapat: pada jarak 0 (titik A) M0 = 0, jarak 6,
M6 = 0,8 x 6 = 4,8 Tm, atau M6 = 1,2 (10 – 6) = 1,2 (4) = 4,8 Tm,
dan pada jarak 10, M10 = 1,2 (10 – 10) = 0
3.2.2.2. Gaya Dalam pada Balok Sederhana dengan Beban Terbagi Merata
membagi balok tersebut menjadi 3 bagian, untuk ditinjau gaya-gaya dalamnya.
4 3
q = 2 T/m
A B
V A V B
3 C D
Gambar 3.12. Balok sederhana dengan beban terbagi merata
Dari keseimbangan gaya luar diperoleh:
MB = 0 VA . 10 – (q . 4) . (2 + 3) = 0, VA = ((2 . 4) . 5)/10 = 4 T
MA = 0 (q . 4) . (2 + 3) - VB . 10 = 0, VB = ((2 . 4) . 5)/10 = 4 T
Keseimbangan gaya dalam (ditinjau dari titik A) lihat gambar 3.13: Untuk 0 x 3, MX = VA . x dan LX = VA LA = VA = LC
M0 = 0, M3 = 4 . 3 = 12 Tm dan L0 = 4 T dan L3 = 4 T
A B
V A V B
C D
L A L B
M A
L C L D
M B
M D
M C
Gambar 3.13. Gaya-gaya dalam yang terjadi pada balok
Untuk 3 x 7, MX = VA . x – (q . (x – 3)) . (x – 3) dan LX = VA – q
(x – 3)
M3 = 4 . 3 – 0 = 12 Tm, M5 = 4 . 5 – (2. 2) . (2) = 16 Tm, dan M7 =
4.7 – (2 . 4) . (4) = 12 Tm, dan L3 = 4 – 0 = 4 T, L5 = 4 – 2(2) = 0,
Untuk 7 x 10, MX = -VB . (x – 10) dan LX = - VB LB = - VB = LD
M7 = - 4 (7 – 10) = 12 Tm, M10 = - 4 (0) = 0, dan L7 = - 4 T dan L10 =
- 4 T.
Jadi pada titik berjarak 5 m dari A (= L), gaya lintang = 0 dan
momen lentur menjadi maksimum.
Yang perlu diperhatikan adalah persamaan diatas, dimana terdapat persamaan garis linier (gaya lintang) dan persamaan garis eksponensial (parabola) (momen).
3.2.2.3. Gaya Dalam pada Balok Sederhana dengan Beban Momen
Balok sederhana dengan beban momen seperti gambar 3.14.
6 4
M = 10 Tm
A B
V A V B
Gambar 3.14. Balok dengan beban momen
Dari keseimbangan luar didapat VA = - M/L = M/L () = 1 T, VB = M/L
= 1 T
Keseimbangan dalam:
0 x 6, MX = VA . x dan LX = VA
M0 = 0, M6 = -1 . 6 = - 6 Tm, dan L0 = -1 T, L6 = -1 T
6 x 10, MX = VB . (10 – x) dan LX = - VB
M6 = 1 (10 – 6) = 4 Tm, M10 = 1 (0) = 0, dan L6 = - 1 T, L10 = - 1 T
3.2.2.4. Gaya Dalam pada Balok Sederhana Berpinggul dengan Beban Terpusat
10 m
P = 4 T
A B
V A V B
2 m
Gambar 3.15. Balok pinggul dengan beban terpusat
Keseimbangan luar: dengan Beban Terbagi Merata
Gambar 3.16. Balok berpinggul dengan beban terbagi merata
Keseimbangan dalam:
0 x 6, MX = VA . x dan LX = VA
M0 = 1,2 . 0 = 0, M6 = 1,2 . 6 = 7,2 Tm dan L0 = 1,2 T, L6 = 1,2 T
6 x 10, MX = VA . x – (q/2)(x - 6)2 dan LX = VA – q (x – 6)
M6 = 1,2 . 6 – (2/2) (6 – 6)2 = 7,2 Tm, M8 = 1,2 . 8 – (2/2) (8 – 6)2 =
5,6 Tm,
M10 = 1,2 . 10 – (2/2) (10 – 6)2 = - 4 Tm, dan L6 = 1,2 – 2 (6 – 6) =
1,2 T, L7 = 1,2 – 2 (7 – 6) = - 0,8 T, L10 = 1,2 – 2 (10 – 6) = - 6,8 T
10 x 12, MX = – (q/2)(12 - x)2 dan LX = q/2 . (12 – x)
M10 = - (2/2) (12 – 10)2 = - 4 Tm, M12 = - (2/2) (12 – 12)2 = 0, dan L10
= (2/2) . (12 – 10) = 2 T, L12 = (2/2) (12 – 12) = 0
3.2.2.6. Gaya Dalam pada Balok Sederhana Berpinggul dengan Beban Momen
Bila beban berupa momen pada balok berpinggul (gambar 3.17)
10 m
M = 24 Tm
A B
V A V B
2 m
Gambar 3.17. Balok berpinggul dengan beban momen Keseimbangan luar:
VA = - M/L = - 24/10 = - 2,4 T, dan VB = M/L = 24/10 = 2,4 T
Keseimbangan dalam:
0 x 10, MX = VA . x dan LX = VA
M0 = 2,4 . 0 = 0, M10 = 2,4 . 10 = 24 Tm, dan L0 = L6 = 2,4 T
10 x 12, MX = – M dan LX = 0
M10 = - 24 Tm = M12 dan L10 = L12 = 0
1. Tentukan Gaya-gaya dalam dari kantilever dibawah ini:
45,0°
q = 400 kg/m P = 1000 kg
4 m 3 m 5 m
2. Tentukan Gaya-gaya dalam dari balok sederhana dibawah ini:
3 m 3 m
4 m
q = 600 kg/m
30,0°
P = 2000 kg
3. Tentukan Gaya-gaya dalam dari balok sederhana berpinggul ini:
4 m 3 m
3 m
q = 600 kg/m P = 2000 kg
45,0°
