Analisis Beban Fatigue pada Pengelasan (Welding)

Fatigue (kelelahan) menyebabkan lebih dari 90 persen kegagalan pada komponen baja yang dilas. Fatigue pada peralatan stasioner merupakan masalah besar, namun hal ini sangat penting pada peralatan bergerak, yang mengalami beban tak terduga, sehingga rentan terhadap kegagalan fatigue.

Fatigue adalah suatu proses dimana material yang mengalami beban bersiklus di bawah tegangan kegagalan material dalam kondisi tidak rusak yang lama-kelamaan menimbulkan retakan sehingga menyebabkan kegagalan komponen. Jumlah siklus kegagalan tidak hanya tergantung pada sifat elastis material dan beban tetapi juga pada berbagai faktor seperti tegangan sisa, ketangguhan patah material, diskontinuitas, ukuran butir, suhu, geometri, permukaan akhir, atau adanya korosi. Karena lasan memodifikasi hampir semua faktor ini secara lokal, maka tidak mengherankan bahwa prediksi umur fatigue di dalam dan di sekitar lasan merupakan hal yang menarik dan banyak diteliti.

Untuk insinyur yang merancang struktur baja las yang mengalami pembebanan dinamis, umur fatigue biasanya menjadi prioritas utama. Baik mengelas bersama-sama beberapa bagian yang relatif sederhana atau membuat struktur yang besar dan kompleks, kelelahan las cenderung menjadi mode kegagalan yang paling umum jika bagian atau struktur mengalami tegangan yang berfluktuasi.

Kurva Material S-N

Untuk berhasil melakukan evaluasi kelelahan struktur baja, perlu untuk mengevaluasi umur kelelahan setiap komponen struktur. Resistensi detail diwakili oleh kurva S-N yang sesuai, yang diperoleh sebagai hasil pengujian sampel yang dikenai tegangan variabel dengan amplitudo konstan dan variabel. Ini ditentukan sebagai hubungan antara tegangan variabel, S dan jumlah perubahan tegangan, N. Dengan cara itu, data tentang hambatan setiap detail dengan geometri yang sesuai, kualitas kinerja, pengaruh lingkungan, dan cara pembebanan diperoleh.

Seperti yang ditunjukkan gambar di atas, variasi tegangan sebesar 10% dapat berarti perbedaan lebih dari dua faktor dalam jumlah siklus hingga gagal (atau bahkan lebih pada paduan baja). Dengan demikian, menentukan tegangan pada lasan dengan tingkat keandalan yang baik sangat penting untuk memprediksi umur kelelahan las.

Geometri Las

Lasan umumnya diklasifikasikan berdasarkan posisi relatif dari komponen-komponen yang disambung. Dalam contoh ini, kita akan menganalisis lasan fillet, yaitu lasan di mana dua komponen disambungkan membentuk sudut. Lasan fillet adalah solusi umum yang digunakan saat menyambung pipa, pelat tegak lurus, atau pelat yang tumpang tindih. Sebuah las fillet diperlukan untuk mencapai fusi lengkap ke akar dan menyajikan dimensi minimum (dalam hal ketebalan tenggorokan atau panjang kaki) melalui panjangnya untuk dianggap dapat diterima.

Sebagian besar lasan yang dihasilkan di lapangan tidak akan menjalani pemeriksaan yang cukup untuk menjamin penetrasi lasan yang lengkap melalui ketebalan pelat yang disambung. Itulah salah satu alasan mengapa cukup umum untuk menggunakan hanya throat las sebagai jalur beban dan menganggap bahwa bahan dasar tidak berkontribusi pada kekakuan sambungan las saat melakukan analisis tegangan las.

Nominal Stress Method

Ini adalah pendekatan yang paling sering digunakan untuk penilaian umur kelelahan struktur baja yang rentan terhadap kelelahan, dan juga diadopsi dalam standar. Pendekatan ini didasarkan pada tegangan rata-rata pada penampang yang sesuai. Tegangan telah dihitung dengan mekanika struktur klasik dengan asumsi teori elastik linier. Efek lokal yang menyebabkan pembesaran tegangan (konsentrasi) diabaikan, tetapi mempertimbangkan modifikasi geometris yang memiliki dampak signifikan pada variasi tegangan (misalnya, memotong lubang). Efek lokal secara implisit diperhitungkan oleh kurva S-N.

Kategori detail dan kurva S-N yang sesuai berdasarkan tegangan nominal tersedia di sebagian besar pedoman desain. Karena kategori detail bergantung pada geometri elemen, pembebanan, dan lokasi retak, detail las yang dipertimbangkan harus serupa dengan detail yang diberikan dalam pedoman.

Pendekatan berbasis tegangan nominal tidak cocok untuk detail kompleks geometris yang tidak dapat ditetapkan ke kurva S-N yang sesuai atau jika tegangan nominal tidak mungkin dihitung. Dalam hal ini perlu digunakan pendekatan yang mempertimbangkan efek lokal (local approach).

Notch Stress Method

Metode lain untuk menghitung umur kelelahan sambungan las adalah dengan menganalisis geometri akhir lasan. Ini disebut metode effective notch stress. Metode ini mensyaratkan bahwa struktur dimodelkan sebagai padatan, sehingga penggunaan cangkang untuk mendekati perilaku struktur dihalangi. Tegangan yang dihitung menggunakan model rinci ini dapat langsung dibandingkan dengan kurva S-N, yang tidak spesifik untuk jenis sambungan. Untuk alasan yang dijelaskan sebelumnya, lasan menyajikan tingkat variabilitas yang tinggi dalam bentuknya, sehingga metode ini mengasumsikan profil las yang efektif berdasarkan ketebalan throat las dan radius notch tertentu.

Konsentrasi tegangan lokal disebabkan oleh notch dan ketidaksempurnaan lain di dalam sambungan las, yang mengurangi umur kelelahan sambungan las. Tegangan di dalam lasan adalah jumlah tegangan lokal yang disebabkan oleh geometri detail dan tegangan karena las itu sendiri. Tegangan notch (jari kaki atau akar) dari lasan bisa sangat tinggi tergantung pada ketajaman notch atau radius. Untuk notch yang sangat tajam (jari-jari notch menjalin nol), regangan elastis teoretis mencapai hingga tak terhingga. Namun, dengan regangan tak terbatas itu, tidak mungkin untuk dihitung.

Hot Spot Method

Alternatif lain untuk menghitung umur fatigue sambungan las adalah metode hot spot. Metode ini didasarkan pada tegangan representatif yang diturunkan dari distribusi tegangan ideal di sekitar lasan. Tegangan representatif ini kadang-kadang disebut tegangan struktural, tegangan geometris, atau tegangan titik panas, yang merupakan denominasi yang digunakan di bawah ini. Umumnya, tegangan tegak lurus terhadap lasan di dekat jari kaki memiliki distribusi nonlinier sepanjang ketebalan:

Distribusi tegangan melalui ketebalan dapat dibagi menjadi tiga bagian:

1. Tegangan membran, yang konstan sepanjang ketebalan
2. Tegangan lentur, yang didistribusikan secara linier melalui ketebalan dan dikompensasi sendiri
3. Stres nonlinier, yang juga dikompensasikan sendiri

>>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL TENTANG ELEMEN MESIN LAINNYA!

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.

https://www.hindawi.com/journals/ace/2018/3597356/ (diakses pada tanggal 22 Desember 2021)

https://www.comsol.com/blogs/how-to-predict-the-fatigue-life-of-welds/ (diakses pada tanggal 22 Desember 2021)

https://www.machinedesign.com/materials/metals/article/21832060/fatigue-in-weldedsteel-structures (diakses pada tanggal 22 Desember 2021)

Author: admin