1 BAB I
PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Perencanaan adalah suatu kreasi untuk mendapatkan suatu hasil akhir dengan mengambil suatu tindakan yang jelas, atau suatu kreasi atas sesuatu yang mempunyai kenyataan fisik.Dalam bidang teknik, hal ini masih menyangkut proses dimana prinsip–prinsip ilmiah dan alat-alat teknik seperti matematika, komputer, dan bahasa dipakai dalam menghasilkan suatu rancangan yang kalau dilaksanakan akan memenuhi kebutuhan manusia.
Perencanaan mesin mencangkup semua perencanaan mesin, berarti perencanaan dari sistem dan segala yang berkaitan dengan sifat mesin, elemen mesin, struktur, dan instrumen, sehingga didalamnya menyangkut seluruh disiplin teknik mesin, seperti mekanika fluida, perpindahan panas, dan termodinamika serta ilmu-ilmu dasar dalam perencanaan elemen mesin.
Seorang perancang pastilah tidak hanya akan memikirkan bagaimana bentuk, struktur, komponen mesin yang akan dipakai, dan sebagainya. Akan tetapi seorang perancang juga harus memperhitungkan factor safety (faktor keamanan) dari mesin atau konstruksi yang akan dibuatnya. Oleh karena itu, factor safety (faktor keamanan) akan sangat dipikirkan dan diaplikasikan oleh seorang perancang guna menghasilkan sebuah produk yang aman bagi si-pembuat maupun si-pemakai.Disini saya akan sedikit menyampaikan tentang apa yang dimaksud dengan factor safety (faktor keamanan), kode dan standar keamanan dalam merancang, dan juga Organisasi Standar Internasional, yang nantinya diharapkan dapat dimanfaatkan oleh seorang perancang sebelum perancang tersebut merancang suatu konstruksi.
2 BAB II
PEMBAHASAN I. DEFENISI
Faktor Keamanan Istilah safe stress, allowable stress atau permissible
stress dan design stress memiliki pengertian yang sama. Tegangan yang
digunakan dalam mendesain sebuah mesin harus memiliki faktor keamanan agar kegagalan tidak terjadi. Tegangan tersebut biasa disebut juga allowable
stress. Namun ada juga yang mendefenisikan bahwa factor keamanan ini
adalah faktor yang digunakan untuk mengevaluasi keamanan dari suatu bagian mesin. Faktor keamanan ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain :
a. Variasi sifat-sifat bahan
b. Pengaruh ukuran dati bahan yang diuji kekuatannya c. Jenis beban
d. Pengaruh permesinan dan proses pembentukan
e. Pengaruh perlakuan panas terhadap sifat fisis dari material f. Pengaruh pelumasan dan umur dari elemen mesin
g. Pengaruh waktu dan lingkungan dimana peralatan tersebut dioperasikan
h. Syarat-syarat khusus terhadap umur dan ketahanan uji mesin i. Keamanan manusia secara keseluruhan harus diperhatikan
Penggunaaan faktor keamanan yang paling banyak terjadi bila kita membandingkan tegangan dengan kekuatan, untuk menaksir angka keamanannya.3 Katakanlah, sebuah elemen mesin diberi effek yang kita sebut sebagai F. Kita umpamakan bahwa F adalah suatu istilah yang umum, dan bisa saja berupa suatu gaya, momen puntir, momen lentur, kemiringan, lendutan, atau semacam disorsi. Kalau F dinaikkan, sampai suatu besaran tertentu, sedemikian kalau dinaikkan sedikit saja, akan
3 mengganggu kemampuan mesin tersebut, untuk melakukan fungsinya secara
semestinya. Kalau kita nyatakan batasan ini, sebagai batas akhir, harga F sebagai fu , maka faktor keamanan dapat dinyatakan sebagai :
Bila F sama dengan Fu, n=1, dan pada saat ini tidak ada keamanan sama sekali. Akibatnya sering dipakai istilah batas keamanan (margin safety). Batas keamanan dinyatakan dengan persamaan:
Istilah faktor keamanan dan batas keamanan banyak dipakai dalam praktik industri, yang arti dan maksutnya diketahui jelas. Begitupun, istilah Fu dalam persamaan (1-1), adalah istilah yang terlalu umum untuk semua jenis kegiatan, merupakan angka tersendiri yang secara statistik
bervariasi. Karena alasan ini, suatu faktor keamanan dengan n > 1 tidak
menghalangi terjadinya kegagalan. Karena hubungan antara tingkat
bahaya dengan n ini, beberapa pengarang cenderung menggunakan istilah
faktor perencanaan sebagai pengganti “faktor keamanan”. Sejauh anda
mengerti akan maksudnya, istilah manapun bias dipakai. Faktor
keamananadalah faktor n dari persamaan pertama.
Lebih lanjut, penggunaaan faktor keamanan yang paling banyak terjadi, bila kita menbandingkan tegangan dengan kekuatan, untuk menaksir angka keamananya. Faktor keamanan dipakai mempertanggung jawabkan dua efek yang terpisah, dan biasanya tidak saling berhubungan. Bila banyak bagian-bagian yang harus dibuat, dari berbagai pengiriman bahan yang berbeda, atau ditemukan adanya variasi kekuatan dari berbagai
4 bagian tersebut, karena alasan yang berbeda beda, termasuk karena adanya perbedaan dalam pembuatan, pengerjaan panas dan dingin, dan bentuk geometrinya. Bila suatu bagian dipasangkan, katakanlah pada sebuah konstruksi dan konstruksi tersebut diteriman oleh pemakai yang mewah, akan didapati adanya variasi beban yang berlebihan diluar jangkauan pengawasan pabrik dan perencanaanya. Jadi, faktor keamanan secara terpisah dipakai oleh perencana untuk memperhitungkan ketidak tentuan yang mungkin terjadi atas kekuatan suatu bagian mesin dan ketidak tentuan yang mungkin terjadi atas beban yang bekerja pada bagian mesin tersebut.di bawah ini akan menjelaskan beberapa fakor untuk mentukan keamanan suatu peencanaan antara lain:
1. Beban
Jenis beban yang diterima oleh elemen mesin sangat beragam, dan biasanya merupakan gabungan dari beban dirinya sendiri dan beban yang berasal dari luar.
a. Beban berdasarkan sifatnya o Beban konstan (steady load)
o Beban tidak konstan (unsteady load) o Beban kejut (shock load)
o Beban tumbukan (impact) b. Beban berdasarkan cara kerja
o Gaya aksial (Fa) = gaya tarik dan gaya tekan o Gaya radial (Fr)
o Gaya geser (Fs)
o Torsi (momen puntir) T o Momen lentur (M)
Gaya merupakan aksi sebuah benda terhadap benda lain dan umumnya ditentukan oleh titik tangkap (kerja), besar dan
5 arah.Sebuah gaya mempunyai besar, arah dan titik tangkap tertentu yang digambarkan dengan anak panah. Makin panjang anak panah maka makin besar gayanya.
garis kerja
Resultan Gaya
Sebuah gaya yang menggantikan 2 gaya atau lebih yang mengakibatkan pengaruh yang sama terhadap sebuah benda, dimana gaya-gaya itu bekerja disebut dengan resultan gaya.
2. Material
Selain bentuk desain dan dimensi, penentuan material untuk proses pembuatan gerbong barang juga sangatlah penting. Perlu berbagai macam dasar untuk menentukan
material apakah yang akan digunakan untuk membuat konstruksi gerbong. Setiap material memiliki karakteristik yang berbeda-beda. Komposisi kimia, density, modulus elastisitas, tensile strength, yield strength, dan hardness dari setiap material juga sangat berbeda-beda.
Semua itu harus ditentukan secara tepat untuk bisa mendapatkan hasil yang bagus. Secara garis besar material dibagi dalam beberapa kelompok besar. Fungsi yang spesifik dari material bisa ditentukan apabila induk materialnya sudah diketahui. Setiap material mempunyai struktur, mechanical properties, physical properties, dan modification properties yang berbeda-beda.
Semua klasifikasi ini dapat diketahui berdasarkan pengelompokan engineering material. Breakdown material bisa dilihat dalam flowchart seperti gambar di bawah ini :
6 Dalam menentukan factor keamanan suatu perencanaan dapat di lihat dari segi materialnya. Nah, dalam bagian ini ada beberapa yang hal menyangkut material. Faktor keamanan merupakan angka yang harus dipenuhi dalam mendesain tegangan struktur. Untuk memenuhi tujuan ini, faktor keamanan dapat dimasukan kedalam desain melalui ultimate stress, yield stress, endurance limit, creep strength atau kriteria kekuatan lainya. Pernyataan dari beberapa desainer, bahwa kegagalan terjadi ketika sebuah mesin tidak mampu menjalankan fungsinya dan sebagian besar elemen mesin tidak berjalan sebagaimana mestinya setelah menerima deformasi tetap sehingga diperlukan faktor keamanan dari bagian-bagian elemen mesin dengan kriteria batas luluh.
Berbagai macam jenis properties dari setiap material juga bisa dijadikan dasar dalam pemilihan materialnya. Karena dari data tersebut bisa diketahui nilai tegangan, yield strength, ultimate tensile strength, poison ratio, dan lain sebagainya. Material yang akan dipilih datanya tidak boleh melebihi data yang ada pada tabel material properties sehingga keamanan dari konstruksi gerbong bisa lebih terjaga. Physical properties material juga
7 akan menunjang dalam memilih material yang akan digunakan.
Pada intinya, sebelum melakukan pemilihan material harus ada dasar ataupun data-data yang bisa mendukung alasan pemilihan material tersebut. Namun ada hal penting juga yang tidak boleh dilewatkan yaitu masalah cost. Material yang mechanical propertiesnya bagus belum tentu harganya murah sehingga hal ini bisa menjadi bahan pertimbangan juga. Material yang ada harus disesuaikan dengan aplikasinya sehingga semuanya akan menjadi seimbang, baik itu masalah mechanical properties, physical properties, serta cost dari material itu sendiri karena untuk pembuatan unit cross beam yang banyak juga akan membutuhkan material yang banyak pula.
8 Gambar. Cost Material
Dibawah batas luluh, deformasi yang dihasilkan proporsional terhadap beban yang dikenakan. Tegangan luluh terjadi ketika beban yang dikenakan menyebabkan adanya deformasi plastis. Sedangkan ultimate stress merupakan tegangan maksimum yang mampu dicapai oleh material sebelum mengalami patah.
Di sisi lain, sejak faktor keamanan digunakan oleh desainer selama bertahun- tahun, ultimate stress mulai digunakan untuk menentukan faktor keamanan. Tabel 1.1 memperlihatkan aturan nilai faktor keamanan untuk pemula. Perlu digarisbawahi, bahwa desain tegangan yang sama tidak perlu digunakan
9 ketika faktor keamanan didasarkan pada ultimate stress sama ketika desain tegangan didasarkan pada batas luluh.
Tujuan menggunakan faktor keamanan adalah untuk menentukan hal sebagai berikut:
a. Pembebanan maksimum yang akan terjadi pada mesin atau struktur.
b. Memperkirakan kekuatan terhadap material yang digunakan. c. Distribusi actual stress.
d. Penentuan dimensi dari struktur yang akan kita rancang.
e. Antisipasi terhadap beban berlebih yang mungkin terjadi saat perlakuan tertentu.
Tabel 1.1 Faktor keamanan menurut tipe pembebanan dan material a. Tegangan (σ)
Salah satu masalah utama dalam mekanika bahan adalah menyelidiki tahanan dalam dari suatu benda, yaitu gaya-gaya yang ada di dalam suatu benda yang
10 mengimbangi gaya-gaya luar. Gaya-gaya dalam merupakan vektor dalam dan bertahan dalam keseinbangan terhadap gaya-gaya luar. Dalam mekanika bahan perlu menentukan intensitas dari gaya-gaya ini dalam berbagai potongan dengan tujuan untuk mengetahui kemempuan bahan tesebut. Biasanya intensitas gaya diuraikan menjadi tegak lurus dan sejajar dengan irisan yang dibuat. Tegangan (stress) secara sederhana dapat didefinisikan sebagai gaya persatuan luas penampang.
b. Regangan
Regangan (strain) merupakan pertambahan panjang suatu struktur atau batang akibat pembebanan.
Secara umum hubungan antara tegangan dan regangan dapat dilihat pada diagram tegangan – regangan berikut ini :
11 Dari diagram tegangan regangan pada Gambar 1 di atas, terdapat tiga daerah kerja sebagai berikut :
Daerah elastis merupakan daerah yang digunakan dalam desain konstruksi mesin.
Daerah plastis merupakan daerah yang digunakan untuk proses pembentukan material.
Daerah maksimum merupakan daerah yang digunakan dalam proses pemotongan material.
Dalam desain komponen mesin yang membutuhkan kondisi konstruksi yang kuat dan kaku, maka perlu dipertimbangkan hal-hal sebagai berikut :
o Daerah kerja : daerah elastis atau daerah konstruksi mesin.
o Beban yang terjadi atau tegangan kerja yang timbul harus lebih kecil dari tegangan yang diijinkan.
o Konstruksi harus kuat dan kaku, sehingga diperlukan deformasi yang elastis yaitu kemampuan material untuk kembali ke bentuk semula jika beban dilepaskan.
o Perlu safety factor (SF) atau faktor keamanan sesuai dengan kondisi kerja dan jenis material yang digunakan.
c. Modulus Elastisitas (E)
Perbandingan antara tegangan dan regangan yang berasal dari diagram tegangan regangan dapat dituliskan sebagai berikut :
Menurut Hukum Hooke tegangan sebanding dengan regangan, yang dikenal dengan deformasi aksial :
12 Syarat yang harus dipenuhi dalam pemakaian persamaan di atas adalah sebagai berikut :
Beban harus merupakan beban aksial
Batang harus memiliki penampang tetap dan homogeny
Regang tidak boleh melebihi batas proporsional Tabel 1. Beberapa harga E dari bahan teknik
d. Modulus Geser (G)
Modulus geser merupakan perbandingan antara tegangan geser dengan regangan geser.
No. Materia
l
E (GPa)
1. Steel and nickel 200 – 220
2. Wrought iron 190 – 200 3. Cast iron 100 – 160 4. Copper 90 – 110 5. Brass 80 – 90 6. Aluminium 60 – 80 7. Timber 10
13 e. Posision Ratio
Suatu benda jika diberi gaya tarik maka akan mengalami deformasi lateral (mengecil). Jika benda tersebut ditekan maka akan mengalami pemuaian ke samping (menggelembung). Penambahan dimensi lateral diberi tanda (+) dan pengurangan dimensi lateral diberi tanda (-). Possion ratio merupakan perbandingan antara regangan lateral dengan regangan aksial dalam harga
mutlak.
Gambar .Perubahan Bentuk Akibat Gaya Tarik &Tekan Harga ν berkisar antara : 0,25 s/d 0,35.
Harga ν tertinggi adalah dari bahan karet dengan nilai 0,5 harga ν terkecil adalah beton dengan nilai : 0,1.
Efek ν yang dialami bahan tidak akan memberikan tambahan tegangan lain, kecuali jika deformasi melintang dicegah
14 Tabel 2. Harga ν Beberapa Material
Kita akan memilih 2 contoh buah kasus yang menunjukan perbedaan yang jelas dalam penggunaan faktor keamanan. Kasus ini tergantung pada apakah faktor keamanan dipilih sebagai suatu besaran, atau sebagai faktor yang dimasukan kedalam komponen.
Kasus 1. Seluruh faktor keamanan dipakai terhadap kekuatan
Disini, tegangan σ dan µ disebut tegangan aman (safety strees) atau tegangan perencanaan (design strees). Perhatikan, bahwa
Ss adalah suatu tegangan geser. Karena hanya ada faktor keamanan
yang dipakai dalam persamaan n haruslah mencakup juga kelonggaran atau ketidak tentuan beban dan tegangan. Anda perlu mencatat bahwa hubungan dalam persamaan 1-3 secara tidak langsung juga menunjukan bahwa tegangan berbanding lurus terhadap beban. Kalau ada keraguan atas perbandingan lurus tersebut, maka Kasus-1 tak dapat dipakai.
Kalau suatu bagian mesin sudah direncanakan dan bentuk geometri, beban dan kekuatanya diketahui maka faktor keamanan dapat dihitung untuk mengevaluasi keamanan dari rencana
15 tersebut. Cara pendekatan ini juga dapat dipergunakan, bila riwayat kegagalan dari bagian mesin tersebut sudah diketahui, dan siperencana ingin mempelajari mengapa beberapa bagian mesin tertentu sering rusak.
Kasus 2. Seluruh faktor keamanan tersebut dipakai terhadap pembebanan,
atau terhadap tegangan yang timbul akibat pembebanan tersebut.
Di sini Fp disebut beban yang diperkenankan (allowable load), atau beban yang diizinkan (permissible load), dan p disebut tegangan yang diperkenankan, atau tegangan yang diinginkan . Hubungan persamaan selalu perlu dipakai bila tegangan tidak berbanding lurus dengan beban. Tegangan yangdidapat dari beban yang diinginkan juga bias disebut sebagai tegangan yang diizinkan. Karenanya, Persamaan (1-5) dapat dipakai untuk tujuan perencanaan, dengan memilih suatu bentuk geometri tertentu, sedemikian rupa sehingga tegangan yang diizinkan tidak pernah lebih besar dari kekuatan S.
Kode dan Standar
Standar, adalah sekumpilan spesifikasi untuk bagian-bagian mesin, bahan atau proses untuk mendapatkan keseragaman, efisiensi, dan mutu tertentu. Salah satu kegunaan standar yang penting adalah untuk memberi suatu batasan akan jumlah jenis dalam spesifikasi.
16 Kode, adalah sekumpulan spesifikasi untuk keperluan analisa, perencanaan, cara pembuatan, dan kadang-kadang jenis konstruksi. Tujuan kode adalah untuk mendapatkan suatu tingkat tertentu dari keamanan, efisiensi, dan performans atau mutu. Perlu diamati, bahwa kode keamanan tidak menyatakan secara tidak langsung tentang suatu keamanan yang mutlak ( absolute safety). Pada kenyataannya, tidak mungkin didapat suatu keamanan yang mutlak. Kadangkala, suatu kejadian tak terduga terjadi. Merencanakan bangunan yang tahan terhadap kecepatan angin 120 mph, tidak berarti bahwa si perencana mengira bahwa angin dengan kecepatan 150 mph tidak mungkin; ini hanya bararti bahwa kemungkinan itu sangat kecil. Dibawah ini adalah perkumpulan organisasi dan himpunan yang terdaftar dan telah mengembangkan spesifikasi untuk standar dan kode perencanaan atau kode keamanan :
NO SINGKATA N
KEPANJANGAN
1 AA Aluminum Association
2 AFBMA Anti-Friction Bearing Manufacturing Association
3 AGMA American Gear Manufacturing Association
4 AIAA American Institute of Aeronautics and
Astronautics
5 AISC American Institute of Steel Construction
6 AISI Amerinan Iron and Steel Institute
7 ANSI American National Standards Intitute
8 API American Petroleum Institute
9 ASCE American Society of Civil Engineers
10 ASLE American Society of Lubrikation Engineers
11 ASM American Society of Metals
12 ASME American Society of Mechanical Emgimeers
13 ASTM American Society for Testing and Materials
14 AWS American Welding Society
17
16 NIST National Institute for Standards and Technology
17 IFI Industrial Fasteners Intitute
18 ISO International Standards Organization
19 SAE Sociaty of Automotive Engineers
20 SEM Society for Experimental Mechanics
21 SESA Society for Experimental Strees Analysis
18 B AB II I
PE NUT UP
Kesimpulan :
1. Faktor keamanan adalah faktor yang digunakan untuk mengevaluasi keamanan dari suatu bagian mesin.
2. Seorang perancang harus memahami dan selalu mengaplikasikan pengetahuannya tentang faktor keamanan guna keselamatan si pembuat dan si pemakai.
3. Nilai atau batas-batas faktor keamanan telah ditentukan dalam tabel.
4. Seorang perancang harus mengacu pada standarisasi dan kode-kode yang telah ada.
19
DAFTAR PUSTAKA
Shigley, Joseph E., Mitchel, Larry D. & Harahap, Gandhi (1983).”Perencanaan
Teknik Mesin.” Jakarta; Erlangga.
Achmad, Zainun (1999).”Elemen Mesin-1.” Bandung; Refika Aditama. Titherington, D.& Rimmer, J.G. (1969).”Mechanical Engineering
Science.”
London; Mc. Graw Hill Publishing Company Limited.
Collins, Jack A. (2003).”Mechanical Design of Machine Elements and
Machines
A Failur Prevention Perspective.” Amerika; John Wiley &
Sons. Maitra, Gifin M. & Prasad, L.V. (1995).”Handbook of
Mechanical Design
(Second Edition). New Delhi; Mc. Graw-Hill.
Ugural, Ansel C. (2003).”Mechanical Design An Integrated Approach.” Boston; Mc. Graw Hill.
