Mekanika Bahan Bab 2
Mekanika Bahan Bab 2
Mekanika Bahan Bab 2
UNIVERSITAS LAMPUNG
A
x
dA
r
y
x
O
Gambar 2.1 Potongan Penampang
Secara metematis momen inersia ditentukan dengan persamaan-persamaan berikut :
Momen Inersia terhadap sumbu x :
Ix = y2 dA
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Momen inersia pada Persamaan 2.1, Persamaan 2.2, dan Persamaan 2.3 selalu bertanda
positif, sedangkan momen inersia perkalian pada Persamaan 2.4 dapat bertanda
negatif.
Momen inersia pada keempat persamaan diatas penggunaannya terbatas pada momen
inersia bidang tunggal, sedangkan secara umum banyak bidang/penampang
merupakan gabungan dari beberapa penampang tunggal. Misalnya penampang yang
berbentuk L adalah gabungan dari dua penampang segi empat. Untuk menyelesaikan
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
dA
x
x
r
y
xo
y
Ix = y
Ix =
2
2
dA 2 yy ' dA y' 2 dA
ydA 0 , sehingga :
Ix = Ixo + Ay2
(2.5)
x dA 2xx' dA x' dA
Iy = x dA 2 x' xdA x' dA
2
Iy =
xdA 0 , sehingga :
Iy = Iyo + Ax2
Momen inersia polar :
2
2
Ip = x x' y y' .dA
x
Ip = x
Ip =
(2.6)
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
Sehingga :
Ip = Ipo + Ar2
(2.7)
Sehingga :
Ixy = Ixyo + Axy
(2.8)
3. Contoh-Contoh
Contoh 2.1
Hitunglah momen inersia (Ix, Iy, Ip, Ixy ) penampang segi empat dengan lebar b dan
tinggi h terhadap sumbu x dan sumbu y yang melalui titik berat penampang.
y
dy
y
h
b
Penyelesaian :
dA = bdy
Ix =
y2dA
1
h
2
Ixo =
y2bdy
1
h
2
Ixo = b
Ixo = b
y3
2h
12 h
. 18 h 3 1 3 . 1 8 h 3
Ixo = 112 bh 3
1
Dengan cara yang sama dapat dihitung Iyo, dengan dA = h dx, sehingga dapat
diperoleh:
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
10
Iyo =
1
12
b3h
y 2 dA I y I x =
1
12
(bh3 + b3h)
dy
h
y
x
b
Ixy =
xydA
h
Ixy =
bybdy
b 2 ydy
0
h
Ixy =
Ixy =
2 1
Ixy = b2h2
Untuk menghitung Ixyo gunakan rumus 2.8.
Ixy = Ixyo + Axy
b2h2 = Ixyo + bh.b.h
Ixyo = 0
Maka Momen Inersia perkalian segi empat Ixyo = 0
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
11
Contoh 2.2
Hitunglah momen inersia (Ix, Iy, Ip, Ixy ) penampang segi tiga dengan alas b dan tinggi
h terhadap sumbu x dan sumbu y yang melalui titik berat penampang
y
dA
dy
y
h
x
b
b
Penyelesaian :
dA = bdy
b: b = 2 3 h: ( 2 3 h-y)
b = b ( 2 3 h y )
h
b
( 2 h y ) dy
dA =
h 3
Ix = y2dA
2
2 h
3
Ix =
1 h
3
2 h
3
Ixo =
1 h
3
Ix =
Ixo
b . 14 y 4
3 b. 3 y
h
3
243
Ixo =
243
16
18
2 h
3
1 h
3
b. 13 . 8 27 h 3 b . 1 4 .1681 h 4 2 3 b. 13 . 1 27 h 3 b . 1 4 . 181 h 4
h
h
by 2 b y 3 ) dy
h
Ixo =
Ixo =
b ( 2 3 h y ) dy
h
36
bh 3 15324bh 3
bh 3
Dengan cara yang sama dapat dihitung Iy, dengan dA = h dx, sehingga dapat diperoleh
Iyo = 136 b 3 h
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
12
y 2 dA I y I x =
36
(bh3 + b3h)
dA
h
h
x
x
dx
b
h: h = (b-x) : b
h(b x)
h =
b
Ixy =
xydA
b
Ixy =
Ixy =
x 12
0
h (b x) h (b x)dx
b
b
h2
(b x) 2 dx
2
b
Ixy =
h2 2
2
3
0 2b 2 (b x 2bx x ) dx
b
Ixy = (
0
h2 x h2 x2 h2 x3
)dx
2
b
2b 2
1
h2
Ixy = 1 4 h 2 x 2 h 2 x 3 2 x 4
3b
8b
2
2
2
2
2
2
Ixy = 1 4 b h 13 b h 18 b h
Ixy =
24
b2h2
24
b 2 h 2 = Ixyo +
bh. 13 b. 13 h
Ixyo = 172 b 2 h 2
Momen Inersia perkalian segitiga pada gambar diatas, Ixyo = 172 b 2 h 2 .
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
13
Contoh 2.3
Hitunglah momen inersia (Ix, Iy, Ip, Ixy ) penampang lingkaran dengan jari-jari r
terhadap sumbu x dan sumbu y yang melalui titik berat penampang
y
dA
Penyelesaian :
dA = d d
Ix =
dA
r 2
Ixo =
sin 2 .d .d
sin 2 .d .d
0 0
r 2
Ix =
0 0
Ix =
r 2
sin
.d
0 6
Ixo =
4
1
1
4 r ( 2 2 cos 2 ) d
0
Ix =
4 1
sin 2
r ( 0) (0 0)
Ix =
Ixo = r4
Momen inersia penampang lingkaran terhadap sumbu yang melalui pusat lingkaran
akan bernilai sama yaitu r4.
Sehingga :
Iyo = r4
Ipo = Ixo + Iyo
Ipo = r4 + r4
Ipo = r4
Apabila sumbu x atau sumbu y merupakan sumbu simetri penampang maka Ixy = 0
Dengan demikian untuk penampang lingkaran Ixyo = 0.
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
14
Contoh 2.4
Hitunglah momen inersia (Ix, Iy, Ip, Ixy ) penampang setengah lingkaran dengan jarijari r terhadap sumbu x dan sumbu y yang melalui titik berat penampang.
y
dA
d
x
Penyelesaian :
Momen inersia penampang setengah lingkaran terhadap sumbu x, prinsipnya sama
dengan momen inersia lingkaran penuh terhadap sumbu x. Kalau pada lingkaran penuh
batas-batas sudutnya dari = 0 sampai = 2, namun pada penampang setengah
lingkaran batas-batas sudutnya dari = 0 sampai = .
Ix =
dA
Ix =
sin 2 .d .d
sin 2 .d .d
0 0
r
Ix =
0 0
Ix =
sin
4
4
.d
0 6
Ix =
r 4 ( 1 2 1 2 cos 2 )d
0
Ix =
Ix =
Ix =
4 1
sin 2
r ( 2 0) (0 0)
r 4
0
4 1
r =
4
Ixo
4r
+ 2 r
3
1
4r
Ix = 8 r - 2 r
3
4
8r
Ixo = 18 r 4 9
o
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
15
Ixo = r 4 18 2
9
dA
Iyo =
cos 2 . .d .d
cos 2 .d .d
0 0
Iyo
0 0
o
Iy
cos
.d
0 6
Iyo =
4
1
1
4 r ( 2 2 cos 2 ) d
0
Iyo
Iyo
Iyo =
4 1
sin 2
r [( 2 0) (0 0)]
r 4
0
4
Ipo = r 4 18 2 + 18 r4
9
Ipo = r 4 1 4 2
9
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
16
segiempat
x
O
Ix = 112 bh 3
Iy = 112 b 3 h
Ip = 112 (bh 3 b 3 h)
Ixy = 0
b
y
b/3
segitiga
Ix = 136 bh 3
Iy = 136 b 3 h
Ip = 136 (bh 3 b 3 h)
Ixy = 172 b 2 h 2
h
h/3
O
x
b
y
lingkaran
D = 2r
x
O
Ix = 1 4 r 4
Iy = 1 4 r 4
Ip = 1 2 r 4
Ixy = 0
4r/3
setengah lingkaran
O
y
2r
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
Ix = r 4 18 2
9
4
1
Iy = 8 r
8
Ip = r 4 1 4 2
9
Ixy = 0
17
12,7 mm
152 mm
12,7 mm
102 mm
Penyelesaian :
1. Hitung posisi titik berat penampang, untuk ini sudah dihitung pada contoh 1.4.
2. Gambarkan salib sumbu x dan sumbu y pada titik berat penampang sebagai berikut:
y
12,7 mm
1
152 mm
x
O
12,7 mm
50,22 mm
2
102 mm
25,22 mm
3. Bagi penampang menjadi bidang 1 dan bidang 2 seperti pada gambar.
4. Hitung momem inersia terhadap sumbu x sebagai berikut :
Ix = Ixo + Ay2
Ix = 112.12,7.1523 12,7.152.(76 50,22) 2 112.89,3.12,7 3 89,3.12,7.(50,22 6,35) 2
Ix = 3716663,467 + 1282960,055 + 15243,383 + 2182681,908 = 7197548,813 mm4
5. Hitung momen inersia terhadap sumbu y sebagai berikut :
Iy = Iyo + Ax2
Iy = 112.12,7 3.152 12,7.152.(25,22 6,35) 2 112.89,33.12,7 89,3.12,7.(57,35 25,22) 2
Iy = 25946,185 + 687370,848 + 753662,404 + 1170783,602 = 2637763,093 mm4
6. Hitung momen inersia polar sebagai berikut :
Ip = Ix + Iy
Ip = 7197548,813 + 2637763,093 = 9835311,906 mm4
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
18
25 mm
225 mm
25 mm 150 mm
25 mm
Penyelesaian :
1. Hitung posisi titik berat penampang, untuk ini sudah dihitung pada contoh 1.5.
2. Gambarkan salib sumbu x dan sumbu y pada titik berat penampang sebagai
berikut :
y
25 mm
99,04
x
2
2
225 mm
150,96
25 mm
150 mm
25 mm
3. Bagi penampang menjadi 3 bagian yaitu bidang1 dan 2 bagian bidang 2 seperti pada
gambar.
4. Hitung momem inersia terhadap sumbu x sebagai berikut :
Ix = Ixo + Ay2
Ix1 = 112.200.253 200.25.86,54 2
= 37706274,67 mm4
Ix2 = 2. 112.25.2253 2.25.225.38,46 2
Ix
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
= 64101618,00 mm4 +
= 101807892,67 mm4
19
10 mm
200 mm
10 mm
120 10 a 10 120 mm
Penyelesaian
Ix = 4( 112 .120.103 + 120. 10. 1052 ) + 2. 112 .10. 2203
Ix = 52960000 + 17746666,67 = 70706666,67 mm4
Iy = 4[ 112 .10.1203 + 10.120 (70 + 1 2 a)2] + 2. 112 .103.220 + 2.10.220 (5+ 1 2 a)2
Iy = 4[1440000 + 1200 (4900 + 70a + 0,25 a2)] + 36666,67 + 4400 (25 +5a + 0,25 a2)
Iy = 5760000 + 23520000 + 336000a + 1200 a2 + 36666,67 + 110000 + 22000a +
1100a2
Iy = 2300 a2 + 358000a + 29426666,67
Ix = Iy
70706666,67 = 2300 a2 + 358000a + 29426666,67
2300 a2 + 358000a 41280000 = 0
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
20
a2 + 155,65 a 17947,83 = 0
a12 =
a1 =
155,65 309,86
= 77,105 mm
2
120 mm
90 mm
2. Tentukan Ix, Iy, Ixy bidang kombinasi segi empat dengan setengah lingkaran
berikut ini :
60 mm
60 mm
120 mm
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
21
80 mm
10 mm
120 mm
dA
x
y cos
y
y
x cos
x sin
y' dA
Ix = ( y cos x sin )
Ix =
dA
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
22
x' dA
Iy = ( x cos y sin )
2
Iy =
dA
x' y' dA
Ixy = (x cos + y sin )(y cos - x sin ) dA
Ixy =
= 2 sin cos
= cos2 - sin2
= 1 2 + 1 2 cos 2
= 1 2 - 1 2 cos 2
cos 2 I xy sin 2
2
2
Dengan cara yang sama dapat ditentukan Iy dan Ixy sebagai berikut :
Iy =
Ix Iy
Ix Iy
2
Ix Iy
cos 2 I xy sin 2
sin 2 I xy cos 2
2
Dari Persamaan 2.9.
Ixy =
Ix Iy
(2.10)
(2.11)
Ix Iy
(2.12)
cos 2 I xy sin 2
2
2
Persamaan 2.11 dan Persamaan 2.12 masing-masing dikuadratkan kemudia
dijumlahkan sehingga diperoleh :
Ix -
Ix Iy
Ix Iy
2
2
(2.13)
I x'
I x' y '
I xy
2
2
Persamaan 2.13 adalah persamaan lingkaran dengan bentuk (x-a)2 + y2 = r2
2
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
23
Ixy
r
Ix
O
a
Gambar 2.4 Lingkaran dengan Salib Sumbu Ix dan Sumbu Ixy
Dari Gambar 2.4. diatas dapat ditentukan Momen inersia maksimum dan momen
inersia minimum
Imaks = OM = OC +CM
Imin = ON = OC CM
Sehingga :
Ix Iy
I maks
I min
Ix Iy
2
Ix Iy
2
I xy 2
Ix Iy
2
I xy 2
Pada saat terjadi Imaks dan Imin maka Ixy = 0, sehingga dari Persamaan 2.11 diperoleh:
Ix Iy
2
sin 2 I xy cos 2 0
tg 2
2 I xy
Ix Iy
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
24
Contoh 2.8
Penampang seperti tergambar,
1. Tentukan Ix, Iy, Ixy terhadap sumbu x dan sumbu y yang melalui titik berat
penampang
2. Tentukan sumbu utama dan momen inersia utama
y
10 mm
100 mm
10 mm
60 mm
10 mm
60 mm
Penyelesaian :
Ix = 112 .60.103 + 60.10.552 +
Ix = 5,08.106 mm4
1
12
.10.1203 + 120.10. 02 +
1
12
1
12
.120.103 + 120.10.02 +
.60.103 + 60.10.(-55)2
1
12
.10.603 + 10.60.352
I maks
Ix Iy
2
Ix Iy
2
I xy 2
5,08.10 6 1,84.10 6
5,08.10 6 1,84.10 6
I maks
2
2
I min
Ix Iy
2
Ix Iy
2
2,31.10 6
I xy 2
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
25
5,08.10 6 1,84.10 6
5,08.10 6 1,84.10 6
I maks
2
2
2,31.10 6
Sumbu Utama
tg 2
2 I xy
Ix Iy
2(2,31.10 6 )
tg 2
1,4259
5,08.10 6 1,84.10 6
= 27,48 (berlawanan jarum jam)
sumbu min
sumbu maks
27,48
http://mahasiswasipilunila.wordpress.com
26