Balok sederhana menahan beban terpusat P pada a = 5 m dari tumpuan A. Cari lendutan δP di bawah beban.
P = 5 kNa = 5 mL = 6 mE = 11 GPa (kayu struktural)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Lendutan balokSulit
Balok sederhana menahan beban merata w. Lendutannya tidak boleh melebihi bentang/360. Cari momen inersia terkecil Ireq yang memenuhi batas ini.
w = 8 kN/mL = 2 mE = 70 GPa (aluminium)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Tekuk kolomSedang
Kolom sepanjang L dari aluminium dengan tumpuan jepit di bawah dan bebas di atas. Dengan rumus Euler, cari beban tekuk kritisnya Pcr.
L = 1 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Tekuk kolomSulit
Kolom bulat pejal sepanjang L dari aluminium dengan tumpuan jepit di bawah dan sendi di atas. Kolom harus menahan 100 kN dengan faktor keamanan 3 terhadap tekuk. Cari diameter terkecil d.
P = 100 kNn = 3L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
3Larutan
1.Reaksi tumpuan balok
Jawaban: RB = 43,75 kN
Kesetimbangan statis: benda diam memenuhi ΣFx = 0, ΣFy = 0, dan ΣM = 0 terhadap titik mana pun. Mengambil momen terhadap satu tumpuan menghilangkan reaksi tumpuan itu dari persamaan.
Diagram benda bebas
Ganti tumpuan dengan gaya reaksi. Rol memberi satu reaksi vertikal; dengan beban vertikal saja, sendi juga memberi satu reaksi vertikal.
Kesetimbangan
Momen terhadap A, positif berlawanan arah jarum jam. Lalu kesetimbangan gaya vertikal.
ΣMA = 0: RB·8 = 25·4 + 50·5
RB = 350/8 = 43,75 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 43,75 = 31,25 kN
Jawaban
RB = 43,75 kN
2.Reaksi tumpuan balok
Jawaban: RB = 17,5 kN
Kesetimbangan statis: benda diam memenuhi ΣFx = 0, ΣFy = 0, dan ΣM = 0 terhadap titik mana pun. Mengambil momen terhadap satu tumpuan menghilangkan reaksi tumpuan itu dari persamaan.
Diagram benda bebas
Ganti tumpuan dengan gaya reaksi. Rol memberi satu reaksi vertikal; dengan beban vertikal saja, sendi juga memberi satu reaksi vertikal.
Kesetimbangan
Momen terhadap A, positif berlawanan arah jarum jam. Lalu kesetimbangan gaya vertikal.
Resultan beban merata: W = w·ℓ = 5·4 = 20 kN, bekerja di x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·8 = 40·2 + 5·4·3
RB = 140/8 = 17,5 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 17,5 = 42,5 kN
Jawaban
RB = 17,5 kN
3.Gaya geser & momen lentur
Jawaban: Mmax = 180 kN·m
Metode potongan: potong balok di tempat gaya dalam yang ingin dicari dan ambil satu sisi. Gaya geser V mengimbangi gaya vertikal di sisi itu, dan momen lentur M mengimbangi momennya terhadap potongan. Momen maksimum: karena dM/dx = V, momen lentur mencapai puncaknya di tempat gaya geser melewati nol, baik di beban terpusat maupun di dalam beban merata.
Reaksi tumpuan
Kesetimbangan seluruh balok.
ΣMA = 0: RB·8 = 80·3 + 40·6
RB = 480/8 = 60 kN
ΣFy = 0: RA = 120 − 60 = 60 kN
Momen di bawah tiap beban
Ambil bagian di kiri tiap beban.
di bawah P1: M = RA·3 = 60·3 = 180 kN·m
di bawah P2: M = RB·2 = 60·2 = 120 kN·m
Nilai terbesar
Mmax = 180 kN·m (di bawah P1)
Jawaban
Mmax = 180 kN·m
4.Gaya geser & momen lentur
Jawaban: Mmax = 66 kN·m
Metode potongan: potong balok di tempat gaya dalam yang ingin dicari dan ambil satu sisi. Gaya geser V mengimbangi gaya vertikal di sisi itu, dan momen lentur M mengimbangi momennya terhadap potongan. Momen maksimum: karena dM/dx = V, momen lentur mencapai puncaknya di tempat gaya geser melewati nol, baik di beban terpusat maupun di dalam beban merata.
Reaksi tumpuan
Kesetimbangan seluruh balok.
Resultan beban merata: W = w·ℓ = 4·5 = 20 kN, bekerja di x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 45·3 + 4·5·2,5
RB = 185/5 = 37 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 37 = 28 kN
Di mana V = 0?
V(3⁻) = RA − w·3 = 16 kN
V(3⁺) = 16 − 45 = −29 kN
Gaya geser berganti tanda di titik beban, jadi maksimum berada di bawah beban.
Momen maksimum
Mmax = RA·3 − w·3²/2 = 28·3 − 4·3²/2 = 66 kN·m
Jawaban
Mmax = 66 kN·m
Terjadi di x = 3 m dari A.
5.Rangka batang: metode titik buhul
Jawaban: elemen CG
Elemen gaya-nol: pada simpul, gaya-gaya harus seimbang ke segala arah. Jika simpul tidak memiliki beban dan tumpuan, dan dua dari tiga elemennya segaris, maka keseimbangan melintang garis itu hanya melibatkan elemen ketiga, sehingga gayanya nol. Jika hanya dua elemen bertemu di simpul tak berbeban dan keduanya tidak segaris, keduanya nol.
Simpul G
FG dan GH terletak pada satu garis lurus dan simpul tidak membawa beban. Menyeimbangkan gaya melintang garis itu hanya menyisakan CG.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Periksa dengan metode simpul
Menyelesaikan semua simpul memberikan gaya elemen berikut (T = tarik, C = tekan).
Metode titik buhul: setiap titik buhul rangka berada dalam kesetimbangan, jadi ΣFx = 0 dan ΣFy = 0 di setiap titik buhul. Mulai dari titik buhul dengan paling banyak dua gaya batang tak diketahui. Hasil negatif berarti batang mengalami tekan.
Reaksi tumpuan
Kesetimbangan seluruh rangka. Momen terhadap A, positif berlawanan arah jarum jam.
ΣMA = 0: Cy·6 = 55·5 − 10·2 → Cy = 42,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 42,5 = 12,5 kN
ΣFx = 0: Ax = 10 kN
Titik buhul C
Rol hanya memberi reaksi vertikal, jadi titik buhul C hanya punya dua gaya batang tak diketahui. Anggap keduanya tarik.
sin γ = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
Lendutan balok: lendutan diperoleh dengan mengintegrasikan kelengkungan M/(EI) dua kali. Kasus standar tersedia dalam tabel, misalnya PL³/(3EI) untuk kantilever dengan beban ujung dan 5wL⁴/(384EI) untuk balok sederhana dengan beban merata penuh. Lendutan akibat beban terpisah dijumlahkan (superposisi).
Satuan konsisten
Hitung dalam N dan mm: P dalam N, w dalam N/mm (kN/m = N/mm), L dalam mm, E dalam N/mm² (GPa × 1000), I dalam mm⁴.
P = 5000 N, a = 5000 mm, b = 1000 mm, L = 6000 mm
EI = 1,32 × 10¹² N·mm²
Lendutan di bawah beban
δP = Pa²b²/(3EIL) = 5000·5000²·1000²/(3·1,32 × 10¹²·6000) = 5,261 mm
Jawaban
δP = 5,261 mm
8.Lendutan balok
Jawaban: Ireq = 4,286 × 10⁶ mm⁴
Lendutan balok: lendutan diperoleh dengan mengintegrasikan kelengkungan M/(EI) dua kali. Kasus standar tersedia dalam tabel, misalnya PL³/(3EI) untuk kantilever dengan beban ujung dan 5wL⁴/(384EI) untuk balok sederhana dengan beban merata penuh. Lendutan akibat beban terpisah dijumlahkan (superposisi).
Batas lendutan
δallow = L/360 = 2000/360 = 5,556 mm
Momen inersia yang diperlukan
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·8·2000⁴/(384·70000·5,556) = 4,286 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 4,286 × 10⁶ mm⁴
Jawaban
Ireq = 4,286 × 10⁶ mm⁴
9.Tekuk kolom
Jawaban: Pcr = 6,909 kN
Tekuk Euler: kolom langsing menjadi tidak stabil pada Pcr = π²EI/(KL)², dengan KL panjang efektif: K = 1 untuk sendi–sendi, 2 untuk jepit–bebas, 0,7 untuk jepit–sendi, dan 0,5 untuk jepit–jepit. Kolom menekuk terhadap sumbu dengan I terkecil. Rumus berlaku untuk kolom langsing yang tegangan kritisnya tetap di bawah tegangan leleh.
Momen inersia terkecil
Persegi panjang menekuk terhadap sumbu lemahnya, dengan dimensi terkecil dipangkatkan tiga.
Tekuk Euler: kolom langsing menjadi tidak stabil pada Pcr = π²EI/(KL)², dengan KL panjang efektif: K = 1 untuk sendi–sendi, 2 untuk jepit–bebas, 0,7 untuk jepit–sendi, dan 0,5 untuk jepit–jepit. Kolom menekuk terhadap sumbu dengan I terkecil. Rumus berlaku untuk kolom langsing yang tegangan kritisnya tetap di bawah tegangan leleh.
Beban kritis yang diperlukan
Pcr = n·P = 3·100000 = 300000 N
KL = 0,7·2500 = 1750 mm
Selesaikan untuk diameter
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·300000·1750²/(π³·70000))^(1/4) = 72,15 mm
Jawaban
d = 72,15 mm
Periksa: kelangsingan KL/r adalah 97,03, jadi kolom langsing dan rumus Euler berlaku.