factor of safety
TRANSCRIPT
Oleh : M. Didik Suryadi (06503241001)
Jurusan Pendidikan Teknik Mesin
Universitas Negeri Yogyakarta
Ahad, 11 Januari 2009
FACTOR OF SAFETY
(Faktor Keamanan)
I. PENDAHULUAN
A. Perencanaan
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.1
B. Permasalahan
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 of safety (faktor keamanan) dari mesin atau konstruksi yang akan
dibuatnya. Oleh karena itu, factor of safety (faktor keamanan) akan sangat
1 Elemen mesin-1, hal 1
1
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 of 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
II. PEMBAHASAN
A. Faktor Keamanan
Faktor keamanan adalah faktor yang digunakan untuk
mengevaluasi keamanan dari suatu bagian mesin.2 Faktor keamanan ini
dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain :
1. Variasi sifat-sifat bahan
2. Pengaruh ukuran dati bahan yang diuji kekuatannya
3. Jenis beban
4. Pengaruh permesinan dan proses pembentukan
5. Pengaruh perlakuan panas terhadap sifat fisis dari material
6. Pengaruh pelumasan dan umur dari elemen mesin
7. Pengaruh waktu dan lingkungan dimana peralatan tersebut
dioperasikan
8. Syarat-syarat khusus terhadap umur dan ketahanan uji mesin
9. 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
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 :
(1-1)
2 Perencanaan Teknik Mesin, jilid 1, hal 113 Elemen Mesin-1, hal 3
3
Bila F sama dengan Fu, n=1, dan pada saat ini tidak ada
keamanan sama sekali. Akibatnya sering dipakai istilah batas keamanan
(margin of safety). Batas keamanan dinyatakan dengan persamaan :
(1-2)
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 keamanan
adalah faktor n dari persamaan (1-1).
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 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
4
M = n - 1
suatu bagian mesin dan ketidak tentuan yang mungkin terjadi atas beban
yang bekerja pada bagian mesin tersebut.
Kita akan memilih tiga 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
(1-3)
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 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. Nutuk tujuan ini,
Persamaan (1-3) dipakai dala bentuk :
(1-4)
5
atau
atau
Kasus 2 Seluruh faktor keamanan tersebut dipakai terhadap pembebanan,
atau terhadap tegangan yang timbul akibat pembebanan tersebut.
(1-5)
Di sini Fp disebut beban yang diperkenankan (allowable load),
atau beban yang diizinkan (permissible load), dan 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.
Kasus 3 Faktor keamanan total atau faktor keamanan menyeluruh, dipakai
terhadap semua bagian dari mesin, dan faktor yang tersendiri dipakai
secara terpisah terhadap kekuatan dan terhadap beban, atau terhadap
tegangan yang terjadi akibat beban tersebut. Kalu misalnya, ada dua beban
yang bekerja, maka faktor keamanan total atau faktor keamanan
menyeluruh adalah :
( )
Di mana ns dipakai untuk memperhitungkan semua variasi atau ketidak-
tetapan yang menyangkut kekuatan n1 terhadap ketidak tetapan yang
menyangkut beban 1 dan n2 terhadap ketidak-tetapan yang menyangkut
beban 2.
Kalau tidak menggunakan suatu faktor keamanan , seperti ns
terhadap kekuatan sebetulnya kita mengatakan, bahwa ada keadaan biasa
6
Fp = n.F atau σp = n.σ
n = ns.n1.n2
dan wajar, maka kekuatan yang didapat tersebut tak akan pernah kecil.
Jadi, harga terkecil dari kekuatan tersebut, dapat dihitung sebagai berikut :
(1-6)
Kalau kita menggunakan faktor keamanan, seperti n1 terhadap
suatu beban atau tegangan yang timbul akibat beban tersebut. Sebetulnya
kita mengatakan , bahwa bebab atau tegangan yang timbul tersebut tidak
akan pernah lebih besar. Jadi, beban atau tegangan terbesar, sesuai dengan
kasus ini adalah :
(1-7)
Di mana nj adalah komponen dari faktor keamanan total [ n1 atau n2
dalam persamaan ( a ), yang diperhitungkan secara terpisah terhadap
ketidak tetapan yang menyangkut tegangan atau beban. Hal ini sesuai
dengan peryataan tentang σp dan Fp sebagai harga yang diperkenankan
atau dizinkan .
Untuk kasus ini, hubungan tegangan dengan beban, dapat
dinyatakan dengan persaman umum berikut ini :
σp = C£ ( x1,x2,x3,…..,xi) F (n1 F1,n2F2,n3F3…..,njF3) (1-8)
di mana C = konstanta
£ = fungsi dari bentuk geometri
F = fungsi beban, biasanya gaya dari momen
X1= ukuran bagian mesin yang direncanakan
F1 = beban luar yang bekerja pada bagian mesin tersebut
7
σp = nj.σ atau Fp = nj.F
nj = faktor keamanan yang dipakai untuk
memperhitungkan variasi beban masin-masing
Tentunya, suatu persamaan yang sama dengan persamaan (1-8) juga dapat
ditulis untuk tegangan geser. Persamaan (1-8) dipakai untuk perencanaan,
dengan menghitungnya, untuk semua ukuran x1 yang tidak diketahui.
Akhirnya, adalah penting untuk dicatat, bahwa kekuatan dan
tegangan dalam suatu bagian mesin adalah berbeda-beda dari satu titik
ketitik yang lain dalam elemen tersebut. Berbagai cara pengerjaan logam,
seperti penempaan, rolling dan pembentukan dingin menyebabkan adanya
variasi kekuatan tersebut dari satu titik ketitik yang lain dalam bagian
mesin tersebut. Tegangan juga berubah dari titik ketitik yang lain. Jadi,
perlu diingat bahwa kekuatan tegangan, kekuatan, dan keamanan hanya
berlaku pada suatu titik tertentu saja. Di dalam beberapa kasus mereka
harus dievaluasi pada beberapa titik, dalam merencana atau menganalisa
suatu bagian mesin.4
Faktor keamanan dipilih untuk memastikan tegangan geser yang
diijinkan tidak melebihi ukuran batas tegangan untuk material, tetapi
pertimbangan secara umum akan mempengaruhi nilai faktor keamanan
tersebut. Yang mempengaruhi adalah :
1. Sifat dari material itu sendiri dan spesifikasi keandalannya
2. Sifat pembebanan (sifat mampu beban)
3. Sifat ketahanan material dari korosi
4. Kemungkinan dampak dari pengerjaan pemesinan
5. Akibat kegagalan (kelelahan) material pada waktu proses
pembentukan.5
Untuk komponen mesin yang mengalami beban bervariasi terus-
menerus, maka faktor keamanan dihitung berdasarkan ketahanan lelah
bahan yang digunakan. Menurut pendapat J. P. Vidosic angka keamanan
4 Perencanaan Teknik Mesin, jilid 1, hal 11-135 Mechanical Engineering Science, page 53
8
disesuaikan berdasarkan tegangan luluhnya, dan kemudian J. P. V idosic
memberikan angka keamanan sebagai berikut :
1. n = 1.25 + 1.5 : Untuk bahan yang sesuai dengan
penggunaan pada kondisi terkontrol dan beban
tegangan yang bekerja dapat ditentukan
dengan pasti.
2. n = 1.5 + 2 : Untuk bahan yang sudah diketahui dan pada
kondisi lingkungan beban dan tegangan yang
tetap dan dapat ditentukan dengan mudah.
3. n = 2 + 2.5 : Untuk bahanyang beroperasi pada
lingkungan biasa dan beban serta tegangan
dapat ditentukan.
4. n = 2.5 + 4 : Untuk bahan getas dibawah kondisi
lingkungan, beban, dan tegangan.
5. n = 3 + 4 : Untuk bahan belum diuji yang digunakan
pada kondisi lingkungan, beban, dan tegangan
rata-rata atau untuk bahan yang sudah
diketahui baik yang bekerja pada tegangan
yang tidak pasti.6
Akan tetapi berdasarkan Ir. Zainun Achmad, MSC., beliau
menambahkan tiga poin dari apa yang telah disampaikan J. P. Vidosic,
yaitu :
6. Beban Berulang : Faktor-faktor seperti yang ditetapkan pada
nomor 1sampai 6 yang sesuai, tetapi harus
disalurkan pada batas ketahanan lelah dari
pada kekuatan luluh bahan.
6 Mechanical Design An Integrated Approach, page 12
9
7. Gaya Kejut : Faktor yang sesuai pada nomor 3 sampai 5
tetapi faktor kejut termasuk dalam beban
kejut.
8. Bahan Getar : Dimana tegangan maksimum digunakan
secara teoritis, harga faktor keamanan
dipresentasikan pada nomor 1 samapai 5 yang
diperkirakan 2 kalinya.7
Menurut D. Titherington dan J. G. Rimmer dalam bukunya yang
berjudul “Mechanical Engineering Science” mengatakan bahwa, untuk
mendefinisikan faktor keamanan yang mana memungkinkan untuk
mengetahui tegangan yang didijinkan pada suatu konstruksi adalah dengan
cara melakukan suatu perhitungan, yang mana perhitungannya adalah
sebagai berikut 8:
B. 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.
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.
7 Elemen Mesin-1, hal 4-58 Mechanical Engineering Science, page 52
10
Faktor keamanan = tegangan mulur asal : tegangan yang diijinkan
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.9
Dibawah ini adalah perkumpulan organisasi dan himpunan yang
terdaftar dan telah mengembangkan spesifikasi untuk standar dan kode
perencanaan atau kode keamanan :
NO SINGKATAN 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
15 NASA Natinal Aeronautics and Space Administration
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 Analysis9 Perencanaan Teknik Mesin, jilid 1, hal 15
11
22 SPE Society of Plastic Engineers
The following is a partial list of societies and organization* that have established
spesifications for standards and safety or design codes.10
III. KESIMPULAN
Kesimpulan :
10 Mechanical Design An Integrated Approach, page 13
12
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.
DAFTAR PUSTAKA
13
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.
http://www. Allowable Stress Vessel.com
14