Memahami Beban Aksial Dalam Rekayasa

Sebagai mahasiswa teknik atau insinyur, Anda tahu betapa pentingnya struktur untuk dapat menangani berbagai jenis beban.

Tapi pernahkah Anda berpikir tentang masalah unik yang ditimbulkan oleh beban aksial? Berbeda dengan gaya geser, beban puntir, dan beban lentur, beban aksial menerapkan gaya langsung di sepanjang sumbu struktur.

Ini berarti bahwa ketika merancang, membangun, dan memelihara struktur, serangkaian hal baru perlu diperhitungkan.

Pada artikel ini, saya akan membahas secara mendetail tentang beban aksial dan membahas semua yang perlu Anda ketahui untuk membangun struktur yang dapat menangani gaya penting ini.

Jadi pasang sabuk pengaman, dan mari kita mulai!.

Pengantar Beban Aksial

Definisi formal:

Sebuah gaya dengan resultan yang melewati pusat massa bagian tertentu dan tegak lurus terhadap bidang bagian tersebut.

Beban aksial adalah jenis beban yang memberi tekanan pada anggota struktural di sepanjang sumbunya.

Tidak seperti gaya geser, beban puntir, dan beban lentur, beban aksial menciptakan lebih banyak tegangan tekan daripada gaya tarik atau geser.

Gaya Geser, Beban Torsional, dan Beban Tekuk: Perbedaan

Gaya geser menyebabkan tegangan tersebar di sepanjang bidang benda, sedangkan beban puntir menyebabkan tegangan tersebar di sekitar sumbu longitudinal benda.

Ketika beban dibengkokkan, itu menciptakan tegangan normal dan tegangan geser melintang.

Tegangan normal mencakup tegangan aksial dan transversal, sedangkan tegangan geser transversal mencakup tegangan geser torsional dan transversal.

Pentingnya Beban Aksial

Beban aksial penting karena dapat mengubah struktur implan dan tulang di sekitarnya.

Dalam rekayasa, beban aksial adalah bagian yang sangat penting dalam pembuatan kolom, balok, dan rangka.

Dalam biomekanik, beban aksial dapat mengubah cara tulang bergerak, yang dapat menyebabkan patah tulang atau penggantian sendi, serta cedera lainnya.

Karena itu, penting dalam bidang teknik dan kedokteran untuk memahami cara kerja beban aksial.

Perbedaan antara Pembebanan Aksial dan Pembebanan Melintang

Tip: Nyalakan tombol keterangan jika Anda membutuhkannya. Pilih "terjemahan otomatis" di tombol pengaturan, jika Anda tidak terbiasa dengan bahasa Inggris. Anda mungkin perlu mengeklik bahasa video terlebih dahulu sebelum bahasa favorit Anda tersedia untuk diterjemahkan.

Anggota Struktural dan Beban Aksial

Gulungan dan kolom adalah dua jenis umum dari elemen struktural yang sebagian besar dibuat untuk membawa beban aksial.

Gulungan: Karakteristik dan Aplikasi

Truss adalah bagian struktural yang dibuat untuk membawa gaya aksial pada bagiannya.

Gaya-gaya ini dapat berupa tegangan, kompresi, atau tegangan/kompresi reversibel, tergantung pada beban kasus terburuk dan kombinasi beban.

Anggota truss menggunakan lebih sedikit bahan untuk menopang jumlah berat yang sama.

Ini membuatnya bagus untuk jembatan atau atap yang harus kuat tetapi tidak terlalu berat.

Tetapi anggota rangka bebas bergerak dan hanya dapat membawa beban dalam satu arah.

Ini berarti bahwa mereka tidak cukup kuat untuk menahan beban yang bergerak ke samping atau ke samping.

Kolom: Karakteristik dan Aplikasi

Kolom adalah bagian vertikal dari rangka bangunan baja yang menahan gelagar lantai atau lantai yang mengalami beban tekan aksial yang berat.

Mereka sebagian besar dibuat untuk menahan beban aksial tekan, tetapi tergantung pada bagaimana mereka diatur dan bagaimana mereka dibuat, mereka juga dapat menahan gaya tekuk dan geser.

Kolom bisa berbentuk bulat, persegi, atau persegi panjang, dan bisa terbuat dari beton, baja, atau kayu, antara lain.

Anggota Bingkai: Karakteristik dan Aplikasi

Bergantung pada bagaimana mereka dipasang dan dibuat, balok dan kolom dapat memikul beban transversal dan aksial sepanjang panjangnya.

Mereka sering digunakan untuk menahan lantai, atap, dan dinding dalam proyek bangunan dan konstruksi.

Namun, tidak seperti batang rangka, batang rangka tidak harus hanya mendukung beban aksial; mereka juga dapat mendukung beban melintang.

Menentukan Beban Aksial Maksimum

Saat membangun struktur, penting untuk mengetahui berapa banyak beban aksial yang dapat ditangani oleh anggota atau struktur tertentu.

Menghitung Beban Aksial Maksimum untuk Kolom

Untuk mengetahui berapa banyak beban aksial yang dapat ditangani kolom, Anda dapat mengetahui KL/r-nya dan kemudian mencari nilai cFcr dalam sebuah tabel.

Tegangan pada penampang kolom dapat dicari dengan menggunakan persamaan AP=f, di mana f diasumsikan sama di seluruh penampang.

Tekuk dikenal sebagai keadaan batas kegagalan untuk kolom, dan Persamaan memberikan Pcr beban tekuk kritis untuk kolom (3.1).

Tetapi untuk sepenuhnya mengetahui beban tekuk kritis untuk kolom tertentu, Anda memerlukan lebih banyak persamaan dan metode, dan desain harus memperhitungkan bagaimana ujung kolom dan sifat material.

Mendekati Daya Dukung Beban Maksimum

Melakukan desain baja dan melihat rasio interaksi adalah cara yang baik untuk mendapatkan gambaran kasar tentang bobot paling berat yang dapat dipikul oleh member.

Rasio interaksi adalah rasio antara berat terberat yang dapat dibawa anggota dan berapa banyak berat yang sebenarnya dipikulnya.

Kebalikan dari rasio itu memberi tahu Anda berapa banyak lagi berat yang dapat dibawa oleh setiap anggota sebelum rusak.

Penting untuk diingat bahwa metode ini hanya memberikan perkiraan.

Beban maksimum aktual yang dapat dipikul anggota mungkin lebih rendah atau lebih tinggi dari nilai yang dihitung.

Merancang untuk Beban Aksial Maksimum

Saat merancang struktur, anggota diukur secara kasar berdasarkan gambar arsitektur dan dokumen terkait lainnya, dan bobotnya diketahui menggunakan informasi dari sebagian besar kode dan literatur teknik sipil lainnya.

Tetapi struktur harus dibangun untuk menangani beban kritis, yang merupakan beban terbesar yang dapat bekerja padanya.

Ini dilakukan dengan menjumlahkan semua beban yang dapat dipikul oleh struktur selama masa pakainya.

Ini termasuk beban hidup dan beban mati, serta beban yang disebabkan oleh angin, gempa bumi, dan kemungkinan beban lainnya.

Beban Kritis pada Kolom Ramping Panjang

Beban kritis adalah beban paling aksial yang dapat ditahan oleh sebuah kolom sebelum mulai bengkok.

Rumus Euler: Menghitung Beban Kritis

Rumus Euler dapat digunakan untuk mencari beban kritis: Pcr = (2EI)/(KL)2, dimana Pcr adalah beban kritis Euler, E adalah modulus elastisitas Young, I adalah momen kedua minimum luas penampang kolom (area momen inersia), K adalah faktor panjang efektif kolom, dan L adalah panjang kolom yang tidak didukung.

Signifikansi Beban Kritis

Beban kritis penting untuk mengetahui berapa lama, kolom tipis bereaksi terhadap gaya tekan aksial karena tidak bergantung pada seberapa kuat material tersebut.

Ini berarti bahwa ketika membangun struktur tipis yang mungkin bengkok, para insinyur perlu memberi perhatian ekstra pada rasio kelangsingan, yaitu panjang kolom dibagi dengan jari-jari girasi terkecilnya.

Rasio kelangsingan yang tinggi berarti bahwa beban kompresi yang kecil lebih mungkin menyebabkan struktur patah.

Tekuk terjadi ketika kolom lurus yang dikompresi sepanjang panjangnya tiba-tiba melengkung. Ini adalah status batas kegagalan untuk kolom.

Sel Beban Aksial dan Aplikasinya

Sel beban yang mengukur gaya sepanjang sumbu tunggal disebut sel beban aksial.

Prinsip Kerja Sel Beban Aksial

Sel beban aksial bekerja dengan mengubah gaya yang diterapkan padanya menjadi sinyal listrik yang dapat dibaca dan ditulis.

Mereka menggunakan pengukur regangan untuk mengukur seberapa banyak beban aksial mengubah bentuk sesuatu.

Ketika gaya diterapkan pada sel beban di sepanjang sumbunya, pengukur regangan menekuk, yang mengubah resistansinya.

Perubahan resistansi tersebut kemudian diubah menjadi sinyal listrik yang dapat diukur.

Aplikasi Sel Beban Aksial

Load cell yang dipasang secara aksial digunakan di berbagai bidang, seperti kedirgantaraan, otomotif, dan manufaktur.

Beberapa cara umum penggunaan sel beban aksial adalah:

• Mengukur gaya pada bagian struktural bangunan dan jembatan, seperti balok dan kolom, saat sedang dibangun atau digunakan.
• Pengujian menggunakan, seperti mencari tahu berapa banyak kekuatan yang dibutuhkan untuk menekan atau meregangkan sesuatu, atau berapa banyak kekuatan yang dibutuhkan untuk mematahkan atau mengubah bentuk sesuatu.
• Mengawasi hal-hal seperti pengepres hidrolik, derek, dan lift untuk memastikan semuanya bekerja dengan aman.
• Saya akan mencantumkan lebih banyak di bagian bawah artikel ini.

Aspek Lain dari Beban Aksial

Beban Angin Aksial

Beban angin aksial adalah gaya yang dimiliki aliran angin pada bangunan.

Di masa lalu, kekuatan angin, terutama di daerah pesisir, telah menyebabkan banyak bangunan roboh.

Insinyur sipil menggunakan persamaan ASCE 7-16 yang dimodifikasi 2.2, yang memperhitungkan ketinggian struktur di atas permukaan tanah dan betapa pentingnya bagi kehidupan dan properti orang, untuk mengetahui kecepatan dan tekanan angin pada ketinggian yang berbeda di atas permukaan tanah.

Insinyur sipil menggunakan rumus yang memperhitungkan hal-hal seperti area yang diproyeksikan, tekanan angin, koefisien hambatan, koefisien paparan, faktor respons hembusan, dan faktor penting untuk mengetahui beban angin aksial.

Salah satu rumusnya adalah F = A x P x Cd, dimana F adalah gaya atau beban angin, A adalah luas proyeksi benda, P adalah tekanan angin, dan Cd adalah koefisien drag.

Kekuatan kelelahan

Menghitung kekuatan lelah struktur di bawah beban aksial dan lentur dapat dilakukan dengan menggunakan metode analitik berdasarkan rasio kekuatan lelah untuk beban aksial dan lentur.

Dalam metode ini, kekuatan lelah di bawah beban putar diubah menjadi kekuatan lelah di bawah beban aksial.

Untuk mengetahui cara kerja model analitik, uji fatik siklus tinggi juga dapat dilakukan pada kedua kondisi pembebanan.

Juga, model tegangan bidang dapat digunakan untuk mengetahui berapa lama suatu material akan bertahan ketika digunakan pada permukaannya, di mana salah satu tegangan utama biasanya nol.

Terakhir, kurva SN dapat digunakan untuk mencari tegangan ijin maksimum pada siklus N dan faktor reduksi kekuatan lelah kf.

Bantalan Bola dan Beban Aksial Maksimum

Bantalan bola radial dengan penahan (atau sangkar) sebagian besar dibuat untuk menangani beban radial, tetapi juga dapat menangani beban aksial.

Jumlah beban aksial yang dapat diberikan pada bantalan bergantung pada ukurannya dan biasanya diberikan sebagai persentase dari nilai beban radial bantalan.

Ketika perbedaan antara diameter lubang dan diameter cincin luar besar, bantalan dapat menahan beban aksial hingga 50% dari beban statis radial.

Lintasan pada bantalan berpenampang tipis lebih dangkal, yang membuatnya kurang mampu menangani beban aksial.

Bantalan kontak sudut harus digunakan jika bantalan perlu menangani beban aksial yang berat.

Ini dibuat berbeda di bagian dalam dari bantalan bola dalam alur, sehingga mereka dapat menangani beban aksial yang lebih tinggi.

Beban aksial maksimum untuk bantalan bola dengan diameter dalam tertentu bergantung pada beberapa hal, seperti ukuran bantalan, kedalaman lintasan bantalan, dan apakah bantalan tersebut menerima beban radial atau momen yang berat atau tidak.

Jumlah beban aksial yang dapat diletakkan pada bantalan sering diberikan sebagai perkiraan peringkat beban radial bantalan.

SKF menyediakan beban aksial dan radial minimum untuk bantalan tunggal dan pasangan bantalan yang dipasang secara tandem atau saling membelakangi/bertatap muka.

Tekanan terbesar yang dapat diberikan pada bantalan bola tergantung pada bagaimana bantalan tersebut dibuat di dalamnya.

Pembebanan Aksial pada Struktur

Ketika gaya diletakkan pada struktur langsung di sepanjang sumbu struktur, ini disebut pembebanan aksial.

Ketika ada beban titik, tegangan di dekat titik pembebanan jauh lebih tinggi daripada tegangan rata-rata.

Ini menyebabkan deformasi yang sangat rumit karena keadaan tegangannya sangat rumit.

Tegangan normal dan tegangan geser keduanya adalah cara untuk mengukur tegangan rata-rata pada penampang.

Ke mana pun di sepanjang penampang Anda melihat, jumlah tekanannya sama.

Beban titik adalah gaya dari luar yang terkonsentrasi di area kecil.

Kasus penggunaan

Berikut adalah beberapa cara agar beban aksial dapat digunakan:

Digunakan dalam:	Keterangan:
Desain Kolom	Kolom adalah contoh yang bagus dari anggota struktural yang dibuat untuk mendukung beban aksial. Misalnya, pada bangunan, kolom menopang berat lantai dan atap di atasnya, yang menciptakan beban aksial tekan yang harus ditahan oleh kolom. Beban aksial adalah hal penting untuk dipikirkan saat merancang kolom untuk memastikan kolom tidak akan bengkok atau patah karena gaya.
Jembatan	Saat merancang jembatan, beban aksial juga merupakan hal yang sangat penting untuk dipikirkan. Beban aksial tekan disebabkan oleh berat jembatan dan kendaraan yang dibawanya. Jembatan harus mampu menahan beban tersebut. Jembatan juga dapat dipengaruhi oleh hal-hal seperti angin, gempa bumi, dan lalu lintas, yang semuanya dapat menyebabkan momen lentur dan gaya geser. Untuk membuat jembatan yang aman dan bermanfaat, penting untuk mengetahui bagaimana muatan ini berinteraksi satu sama lain.
Desain Menara	Beban aksial tekan tinggi ditempatkan pada menara seperti menara transmisi, menara sel, dan turbin angin. Saat membuat struktur ini, Anda harus memikirkan antara lain cara memuatnya, bahan, serta tinggi dan lebar menara. Untuk memastikan struktur ini aman dan bertahan lama, Anda perlu mengetahui bagaimana beban aksial memengaruhinya.
Manufaktur dan pengujian	Beban aksial juga merupakan konsep penting dalam pembuatan dan pengujian, di mana bahan dan produk harus mampu menahan beban tertentu tanpa patah atau berubah bentuk. Dengan alat pengujian seperti sel beban aksial, Anda dapat mengetahui berapa banyak beban aksial yang dapat diambil oleh bahan atau produk sebelum rusak.
Aplikasi luar angkasa	Beban aksial bisa menjadi sangat penting saat merancang roket, misil, dan kendaraan lain untuk digunakan di luar angkasa. Beban aksial dapat disebabkan oleh berat kendaraan, kecepatannya, atau getarannya. Untuk membuat sistem yang aman dan efektif, penting untuk mengetahui bagaimana beban aksial mempengaruhi bagian struktur kendaraan.

Kesimpulan

Seperti yang telah kita lihat dalam artikel ini, beban aksial adalah bagian penting dari perancangan dan pembangunan struktur yang dapat menahan gaya yang diberikan padanya.

Saat bekerja dengan gaya penting ini, ada banyak hal yang perlu dipikirkan, mulai dari memahami tantangan unik kolom panjang dan tipis hingga menambahkan sel beban aksial ke perangkat teknik Anda.

Namun beban aksial juga menjadi pengingat bahwa teknik adalah bidang rumit yang selalu berubah.

Saat kami terus mendorong batas dari apa yang mungkin, kami pasti akan menghadapi masalah baru yang mengharuskan kami untuk berpikir kreatif dan bekerja sama untuk menyelesaikannya.

Jadi, lain kali Anda bekerja dengan beban aksial, tetap berpikiran terbuka dan bersiaplah untuk belajar.

Siapa yang tahu hal-hal baru apa yang ada di tikungan berikutnya?