Kasus-kasus Khusus Stress Analysis pada Silinder

Pada postingan sebelumnya, saya sudah menjelaskan bagaimana stress analysis dilakukan pada sebuah silinder. Pada postingan tersebut, silinder yang saya analisis adalah silinder yang kedua ujungnya ditumpu oleh fixed support sehingga regangan arah aksial sama dengan nol. Dengan kata lain, analisis berubah menjadi plane strain, yakni: strain hanya terjadi pada bidang melintang silinder saja, yaitu radial strain dan tangential strain.

Berkenaan dengan kondisi ujung-ujung silinder, ada dua kondisi yang bisa terjadi: closed-end dan open-end. Dalam kasus dimana silinder memiliki ujung-ujung tertutup (closed-end), besarnya axial stress bisa signifikan sehingga penting untuk dihitung. Dalam kasus silinder closed-end, axial strain bisa nol dan bisa pula bernilai signifikan, tergantung pada bagaimana kedua ujung silinder ditumpu. Jika tumpuan pada kedua ujung siilinder tidak memungkinkan terjadinya axial strain, maka axial strain sama dengan nol. Namun jika tumpuan pada ujung-ujung silinder memungkinkan terjadinya axial strain, maka besarnya axial strain bisa sangat signifikan dan karenanya penting untuk dihitung.

Namun dalam kasus dimana silinder memiliki ujung-ujung terbuka (open-end), besarnya axial stress biasanya dianggap nol dan karenanya tidak perlu dihitung. Sebabnya adalah karena ujung silinder terbuka, sehingga tidak ada resistensi dari material terhadap gaya aksial yang bekerja. Karena axial stress sama dengan nol, maka axial strain juga sama dengan nol.

Sampai disini kita bisa menyimpulkan bahwa dalam kasus silinder, jika axial stress sama dengan nol maka axial strain juga sama dengan nol. Namun jika axial strain sama dengan nol maka belum tentu axial stress juga sama dengan nol, dan bahkan axial stress akan bernilai signifikan jika besarnya tekanan ke arah aksial juga signifikan.

Berkenaan dengan tebal dinding silinder, ada dua kondisi yang bisa terjadi: silinder dinding tebal dan silinder dinding tipis. Perlu kita ketahui bahwa silinder dinding tipis hanyalah merupakan kasus khusus dari silinder dinding tebal. Pada silinder dinding tipis, distribusi stress pada ketebalan dinding dianggap seragam karena memang nilai maksimal dan minimalnya tidak jauh berbeda akibat tipisnya dinding. Biasanya, sebuah silinder dianggap sebagai silinder dinding tipis jika hasil bagi diameter oleh tebal dindingnya sama dengan atau lebih dari kisaran angka 15 – 20.

Berkenaan dengan tekanan yang bekerja secara radial pada dinding-dinding silinder, ada 3 kondisi yang mungkin terjadi. Pertama, ada tekanan yang signifikan dari luar dan dari dalam, misalnya pada pipa-pipa didalam sebuah ketel (boiler) atau dalam kasus shrink fit. Kedua, tekanan yang signifikan hanya bekerja pada dinding luar silinder, misalnya pada pipa bawah laut (tekanan dari luar akibat tekanan hidrostatis air laut). Dalam hal ini, kita cukup memodifikasi persamaan yang ada dengan cara menge-nol-kan tekanan internal pi. Adapun kondisi ketiga adalah, tekanan yang signifikan hanya bekerja pada dinding dalam silinder, misalnya pada pressure vessel yang diletakkan di ruang bertekanan atmosfir. Dalam hal ini, kita juga cukup memodifikasi persamaan yang ada dengan cara menge-nol-kan tekanan eksternal (po).

Pada shrink fit (dan juga compound cylinder yang dipasang dengan cara shrink fit), area pertemuan antara shaft (silinder kecil) dan hub (silinder besar) mengakibatkan tekanan eksternal pada shaft dan tekanan internal pada hub.

Kasus-kasus khusus stress analysis pada silinder juga berkenaan dengan jenis analisis: apakah analisis elastis ataukah plastis. Analisis elastis dilakukan untuk menghitung besar dan posisi tegangan maksimal dimana benda masih bisa recovery (elastis), artinya tegangan yang bekerja tidak boleh melampaui yield point, dan kalau bisa berada dalam jarak yang aman terhadap yield point dengan menerapkan angka keamanan (SF) yang pas. Sedangkan analisis plastis dilakukan untuk menganalisis tegangan sedemikian sehingga tegangan yang bekerja berada diantara yield point (dimana material mulai bersifat plastis) dan tegangan ultimate (dimana seluruh bagian material berubah menjadi plastis).

Analisis elastis-plastis merupakan gabungan antara analisis elastis dan plastis, misalnya diterapkan pada silinder yang didesain untuk mengalami deformasi plastis pada sebagian volumenya sampai pada radius tertentu, tetapi bagian yang lainnya dari silinder tersebut tetap plastis. Katakan misalnya pada silinder dengan radius internal 50 mm dan radius eksternal 100 mm, deformasi plastis didesain terjadi mulai dari dinding terdalam sampai dengan kedalaman radius 70 mm, sedangkan mulai dari radius 70 mm hingga dinding terluar harus tetap dalam kondisi elastis.