Tegangan, Regangan, Modulus Young, Poisson Ratio dan Sifat Mekanis Bahan

Tegangan, Regangan, Modulus Young dan Poisson Ratio

1. Tegangan

Sebuah batang lurus yang mempunyai penampang konstan di seluruh panjangnya, mengalami gaya aksial yaitu beban yang mempunyai arah yang sama dengan sumbu elemen, sehingga mengakibatkan terjadinya tarik atau tekan pada batang. Kondisi tarik atau tekan terjadi pada struktur, misalnya pada elemen di rangka batang pada jembatan, dan kondisi tekan terjadi pada strukur, yaitu pada elemen kolom di gedung.

Intensitas gaya (gaya per satuan luas) disebut tegangan dan diberi notasi σ (sigma), gaya aksial P yang bekerja pada penampang merupakan distribusi tegangan, dan A merupakan luas penampang, maka besar tegangan :

Dimana :

𝜎 = Tegangan (N/m² atau Pascal (Pa))

F = Gaya (N)

A = Luas penampang (m2).

Adapun jenis-jenis tegangan adalah sebagai berikut :

a. Tegangan Normal

Tegangan normal yaitu intensitas gaya yang bekerja secara normal atau tegak lurus terhadap penampang.

b. Tegangan Tarik

Jika sepasang gaya tarik aksial menarik pada suatu batang, dan mengakibatkan batang tersebut mengalami peregangan atau pertambahan panjang.

Umumnya terjadi pegas, rantai, tali, paku keling dan lain-lain yang diberi beban W akan mengalami tegangan tarik yang besarnya tergantung pada beratnya.

c. Tegangan Tekan

Jika sepasang gaya tekan aksial mendorong pada suatu batang, sehingga mengakibatkan batang tersebut cenderung mengalami perpendekan atau terjadi penekanan pada batang tersebut.

d. Tegangan Geser

Tegangan geser merupakan tegangan yang bekerja dalam arah tangensial terhadap permukaan bahan atau dalam kata lain jika suatu benda bekerja dengan dua gaya yang berlawanan arah, tegak lurus sumbu batang, tidak segaris gaya namun pada penampangnya tidak terjadi momen.

Tegangan geser dinotasikan dengan τ (tou), yaitu gaya gesek dibagi luasan, dengan satuan N/m2 atau N/mm2, dan dinyatakan dengan persamaan:

Contoh tegangan geser misalnya misalnya terjadi pada sambungan dengan baut dengan menggunakan plat pengapit, dimana akibat aksi beban yang bekerja pada batang dan plat pengapit akan cenderung menggeser baut, dan kecenderungan ini ditahan oleh tegangan geser pada baut.

e. Tegangan Puntir

Tegangan puntir merupakan tegangan yang diakibatkan oleh gaya putar. Tegangan puntir sering terjadi pada poros roda gigi dan batang torsi pada mobil, juga saat melakukan pengeboran. Jadi, merupakan tegangan tangensial.

f. Tegangan Lengkung

Tegangan lengkung adalah tegangan yang diakibatkan karena adanya gaya yang menumpu pada titik tengah suatu beban sehingga mengakibatkan benda tersebut seakan-akan melengkung. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Sedangkan rumus untuk tegangan lengkung ini adalah :

F = Ra + Rb τb = Mb/Wb

Dimana :

Mb = momen lengkung

Wb = momen tahanan lengkung

2. Regangan

Suatu batang lurus akan mengalami perubahan panjang apabila dibebani secara aksial, yaitu menjadi panjang jika mengalami tarik dan menjadi pendek jika mengalami tekan.

Dengan demikian konsep perpanjangan per satuan panjang, atau disebut regangan, yang diberi notasi ε (epsilon) dapat dihitung dengan persamaan:

Dimana :

Regangan = pertambahan panjang/panjang mula-mula atau ε=∆l/lo

ΔL = perubahan panjang (perpanjangan) (satuan panjang)

L = panjang awal (panjang semula) (satuan panjang)

Karena pembilang dan penyebutnya memiliki satuan yang sama, maka regangan adalah sebuah nilai nisbi, yang dapat dinyatakan dalam persen dan tidak mempunyai satuan.

3. Modulus Young

Modulus elastisitas yaitu rasio unit tegangan terhadap unit regangan, sering disebut Modulus Young, merupakan perbandingan antara tegangan dan regangan aksial dalam deformasi yang elastis, sehingga modulus elastisitas menunjukkan kecenderungan suatu material untuk berubah bentuk dan kembali lagi ke bentuk semula bila diberi beban (SNI 2826-2008). Nilai modulus elastisitas setiap bahan berbeda-beda.

Dapat disimpulkan bahwa regangan (ε) yang terjadi pada suatu benda berbanding lurus dengan tegangannya (σ) dan berbanding terbalik terhadap ke elastisitasannya. Ini dinyatakan dengan rumus :

Bila nilai E semakin kecil, maka akan semakin mudah bagi bahan untuk mengalami perpanjangan atau perpendekan.

4. Poisson Ratio

Poisson Ratio yaitu rasio regangan pada arah lateral (tegak lurus terhadap pembebanan) terhadap arah aksial. Jadi, angka poisson adalah nilai perbandingan antara regangan horizontal dan regangan vertikal. Dinyatakan dengan rumus:

Dimana :

μ = angka poisson

εh = regangan horizontal (lateral strain)

εv = regangan vertikal (axial strain)

Sifat-Sifat Mekanis Bahan

1. Batas proporsional (proportional limit), yaitu tegangan maksimum yang terjadi selama diberikan beban, sehingga tegangan merupakan fungsi linier dari regangan.
2. Batas elastis (elastic limit), yaitu tegangan maksimum yang terjadi selama diberikan beban, sehingga tidak terjadi perubahan bentuk atau deformasi ketika pembebanan dipindahkan.
3. Titik leleh, yaitu titik dimana terjadi peningkatan atau penambahan regangan tanpa adanya penambahan tegangan. Setelah pembebanan mencapai titik leleh, maka selanjutnya dikatakan terjadi kelelehan.
4. Tegangan maksimum, terjadi dimana titik maksimum pada kurva diketahui sebagai tegangan maksimum atau tegangan puncak dari bahan.
5. Tegangan putus, terjadi di titik dimana tegangan putus dari bahan.
6. Keuletan, yaitu suatu sifat yang menggambarkan kemampuan logam menahan deformasi hingga terjadinya perpatahan.