1. PENDAHULUAN
Struktur-struktur yang dilas sangat rawan terhadap kelelahan. Hal ini disebabkan oleh banyaknya tempat pengintian retak pada sambungan las. Keadaan ini bertambah parah bila perancangan sambungan las tidak didasarkan atas design code yang ada.
Penentuan tegangan yang diizinkan pada sambungan las yang dibebani secara berulang harus didasarkan pada harga-harga empirik (Diberikan oleh suatu Design Code).
Memperkecil risiko terjadinya kegagalan lelah hendaklah dilakukan selama tahap-tahap desain, fabrikasi dan inspeksi. Tiap personil yang terlibat dalam tahap-tahap ini hendaknya memiliki pengetahuan yang jelas tentang faktor-faktor yang mempengaruhi sifat lelah.
Dalam tulisan ini, hanya akan dibahas faktor-faktor yang mempengaruhi sifat lelah pada tahap desain.
2. KELELAHAN PADASAMBUNGAN LAS
Kelelahan adalah suatu proses kerusakan kumulatif, berupa perambatan retak yang progresif yang terjadi di dalam bahan bila dibebani secara berulang.
Kelelahan terjadi bila:
- bekerja beban berulang.
- terjadi perambatan retak.
Gambar 1a. Beban statik
Gambar 1b. Beban berulang
Gambar 2. Kelelahan melibatkan perambatan retak.
2.1 PENGARUH KONSENTRASI TEGANGAN
Pengaruh konsentrasi tegangan merupakan faktor yang paling penting dalam kasus lelah. Konsentrasi tegangan memberikan tegangan yang tinggi dan dapat menyebabkan pengintian retak. Jika keadaan ini terjadi dalam kondisi pembebanan berulang, maka tahap pengintian yang sudah terjadi akan dilanjutkan dengan tahap perambatan retak.
Sumber konsentrasi tegangan pada sambungan las adalah:
- Perubahan geometri (Gbr.3a)
- Bentuk profil lasan (Gbr.3b)
- Cacat mikroskopik pada lasan (Gbr.3c)
a. Bentuk geometri b. Bentuk profil las c. Cacat las
Gambar 3. Sumber konsentrasi tegangan pada sambungan las.
2.2 PENGARUH TAKIK PADA KURVA S-N
Pada kurva S-N (Kurva Bentang tegangan vs. Siklus pembebanan), tahap pengintian retak dan tahap perambatan retak sudah termasuk di dalamnya (Gbr.4). Jika terdapat cacat atau takik pada bahan, maka tahap inisiasi retak tidak ada dan umur lelah dihitung hanya dari lamanya perambatan retak saja.
Hal ini penting pada sambungan las, karena adanya cacat cacat las yang bersifat sebagai takik.
Adanya cacat-cacat las menyebabkan umur lelah sambungan las yang dibebani pada suatu bentang tegangan menjadi lebih pendek jika dibandingkan dengan bahan yang tidak dilas.
Gambar 4. (a) Tahap pengintian dan perambatan retak. (b) Pengaruh pengelasan pada kurva S-N
2.3 PENGARUH FREKUENSI PEMBEBANAN
Pada prinsipnya, umur lelah tidak tergantung pada lamanya pembebanan, tetapi tergantung pada jumlah siklus pembebanan. Pada temperatur ruang, frekuensi pembebanan tidak berpengaruh pada sifat lelah (Gbr.5). Frekuensi merupakan suatu faktor yang berpengaruh pada fatik bila disertai oleh terjadinya korosi.
Pada temperatur ruang dapat diasumsikan bahwa hanya jumlah siklus pembebanan yang penting untuk diperhitungkan.
Beban yang diterapkan secara tiba-tiba (beban kejut) biasanya diperlakukan melalui pemberian suatu faktor pada beban yang bekerja dan selanjutnya, penyelesaian permasalahan dilakukan secara statik.
Tegangan
Gambar 5. Frekuensi pembebanan.
2.4 LASAN YANG TIDAK MEMBAWA BEBAN
Efek profil lasan dan keberadaan cacat-cacat pada kaki lasan mempunyai implikasi yang penting pada lasan yang tidak membawa beban. Meskipun sebuah lasan tidak membawa beban, ia tetap mempengaruhi kekuatan lelah bahan.
Gambar 6 menunjukkan sebuah batang-tambahan yang disambungkan ke batang utama melalui sambungan las sudut. Batang utama dibebani, sedangkan batang-tambahan tidak dibebani. Karena adanya konsentrasi tegangan dan tempat pengintian retak pada kaki lasan, maka kekuatan lelah batang utama akan turun.
Gambar 6. Batang-tambahan yang dilas pada batang utama.
3. PENDEKATAN DESAIN YANG BARU
Pada desain struktur las akhir-akhir ini, ketentuan desain terhadap kelelahan didasarkan atas asumsi bahwa tegangan rata-rata tidak berpengaruh terhadap kelelahan, sehingga kriteria desain sambungan las menjadi:
- Bentang tegangan tidak melampaui bentang tegangan yang diizinkan.
- Tegangan maksimum tidak melampaui tegangan izin statik.
4. TEGANGAN YANG DIIZINKAN
Tegangan yang diizinkan pada sambungan las yang dibebani secara berulang harus mengacu pada hargaharga empirik. Harga-harga ini ada pada suatu design code. Pada tulisan ini, tegangan yang diizinkan pada sambungan las didasarkan pada Structural Welding Code - Steel, ANSI/AWS D1.1-96, dengan batasan penggunaan sebagai berikut:
- Berlaku untuk baja karbon dan baja paduan rendah.
- Tidak diperuntukkan bagi baja dengan kekuatan luluh minimum yang lebih besar dari 100 ksi (690 MPa).
- Tidak diperuntukkan bagi baja yang ketebalannya kurang dari 1/8 inci (3,2 mm).
- Tidak berlaku untuk batang yang berbentuk tabung.
Tabel-tabel yang ditampilkan adalah :
- Tabel 1, memuat tegangan izin statik untuk sambungan las dari batang bukan berbentuk tabung (nontubular).
- Tabel 2, memuat ketentuan tegangan lelah untuk sambungan las dari batang bukan berbentuk tabung.
Istilah-istilah pada Tabel 1:
- Matching filler metal = logam pengisi (filler metal) yang berada satu grup dengan logam induk.
- Faying surfaces = permukaan-permukaan bahan (logam induk). yang berkontak pada las isi bulat (plug weld) atau pada las isi memanjang (slot weld).
Tabel 1. Tegangan izin statik untuk sambungan las dari batang bukan berbentuk tabung.
| Jenis Las | Tegangan pada Las | Tegangan yang Diizinkan | Tingkat Kekuatan Logam Pengisi yang Dibutuhkan | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Tegangan tarik tegak lurus daerah efektif. | Sama dengan logam induk | Digunakan matching filler metal. | |||
| Las alur penetrasi penuh (CJPG Welds - Complete Joint Penetration Groove Welds) | Tegangan tekan tegak lurus daerah efektif. | Sama dengan logam induk | Boleh digunakan logam peng si dengan tingkat kekuatar yang sama atau satu klasifikasi (10 ksi[69 MPa] lebih rendah dari matching filler metal | ||
| Tegangan tarik atau tekan yang sejajar dengan sumbu las. | , , | Boleh digunakan logam pengi si dengan tingkat kekuatan yang sama atau lebih rendah dari matching filler metal. | |||
| Tegangan geser pada daerah efektif. | 0,30 x kekuatan tarik nominal dari logam pengisi, kecuali tegangan geser pada logam induk tidak melebihi 0,40 x kekuatan luluh dari logam induk. | ||||
| Tegang- Sambungan tidak didetegak lu sain untuk rus daerah efek Didesain utk tif Didesain utk | 0,50xkekuatan tarik nominal dari logam pengisi, kecuali tegangan pada logam induk tidak melebihi 0,60xkekuatan luluh logam induk | · | |||
| Las alur penetrasi sebagi- an (PJPG Welds - Partial Joint Penetration Groove Welds) | Tegangan tarik atau te- kan sejajar dengan sumbu las | , , , | Boleh digunakan logam pent si dengan tingkat kekuata sama atau lebih rendah da matching filler metal | ||
| Tegangan geser sejajar dengan sumbu las | 0,30 x kekuatan tarik nominal dari logam pengisi, kecuali tegangan geser pada logam induk tidak melebihi 0,40 x kekuatan luluh logam induk. | ||||
| Tegangan tarik tegak lurus terhadap daerah efektif. | |||||
| Las sudut | Tegangan geser pada daerah efektif | 0,30 x kekuatan tarik nominal dari logam pengisi | Boleh digunakan logam pengi si dg.tingkat kekuatan yg. sama atau lebih rendah dari | ||
| (Fillet welds) | Tegangan tarik atau tekan sejajar sumbu las | 1 2 | matching filler metal. | ||
| Las isi bulat dan isi memanjang. (Plug and Slot Welds) | Tegangan geser sejaja: dgn. Faying Surface: (pada daerah efektif) | yang sama atau lebih rendah | |||
Tabel 2. Tegangan-tegangan yang diizinkan pada sambungan las batang tidak berongga yang mengalami beban berulang - Menurut Structural Welding Code, ANSI/AWS D1.1-96.
| KONDISI UMUM | KEADAAN | ATEGORI CON EGANGAN (GBR BBR.7) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Logam induk yang tidak dilas | Logam induk dengan permukaan-permukaan yang dirol atau dibersihkan. Sisi-sisi yang dipotong dengan Pemotongan Gas Oksigen dengan kehalusan ANSI sebesar 1000 atau kurang. | A 1,2 | ||||||
| Built-up member | Logam induk dan logam las pada members tanpa attachments, built-up dari pelat-pelat atau bentuk-bentuk yang disambung dengan CJPG Welds atau PJPG Welds yang kontinyu atau oleh fillet welds yang kontinyu yang sejajar dengan arah tegangan yang bekerja. | B 3,4,5, | .7 | |||||
| Tegangan lentur yang dihitun (transverse stiffener) dari web | lintang | C | 6 | |||||
| Logam induk pada ujung dari dilas yang mempunyai ujung-uju | tes yang | I | 3 | 7 | ||||
| Las Alur (Groove welds) | Logam induk dan logam las p bagian yang dirol dan dilas ya digerinda dan diperiksa dengan | ng memp | ounyai profil sama | I | 3 | 8,9 | ||
| Logam induk dan logam las p CJPG pada transisi lebar atau untuk memberikan kemiringan 1:2,5 untuk kekuatan luluh yang radius R≥2 ft (0,6m) dan las dip | tebal, d (slope) y g kurang | lengan las yang d yang tidak lebih ta dari 90 ksi (620 N | digerinda ijam dari MPa) dan | В | 1 | 10,11a | ı,11b | |
| Sambungan las alur | Logam induk pada detail ti- ap panjang yg. disatukan oleh las alur dan dibebani oleh be- ban lintang atau memanjang, atau kedua-duanya, bila las yg. melintang arah tegangan diperiksa dgn. NDT dan deta-\nil membentuk radius transisi R, dgn. Ujung las digerinda bila | Pem- beban an lo- ngitu- dinal | embebana Bahan d bal sam | gn. Te- a, tidak a; sam- web ti- | Bahan Tebal sama, ditirusl | igerin- masuk | Contoh (Gbr.7) | |
| B C D E | B C D E | C C D E | E E E | 13 13 13 12,13 | |||
| TABEL 2 ( Lanjutan) | · · · · · · · · · · · · · · · · · · · | ||
|---|---|---|---|
| KONDISI UMUM | KEADAAN | KATEGORI TEGANGAN (GBR.7) | CONTOH (GBR.7) |
| Las alur (Groove welds) | Logam induk dan logam las yang berada atau berdampingan dengan sambungan las alur penetrasi penuh (CJPG welds), baik tidak terdapat transisi atau bila terdapat transisi dengan kemiringan yang tidak lebih dari 1:2,5 untuk kekuatan luluh yang kurang dari 90 ksi (620 MPa) dan radius R≥2 ft (0,6 m) untuk kekuatan luluh ≥90 ksi, dan bila pada kedua kasus tadi reinforcement tidak dibuang dan las diperiksa dengan uji tak merusak | C | 8,9,10,11a, 11b |
| Sambungan las alur atau las sudut | Logam induk pada bagian yang dilas alur atau las sudut yang menerima pembebanan longitudinal, serta bagian tersebut membentuk radius transisi R yang kurang dari 2 inci dan bila panjang bagian (L) sejajar dengan garis kerja tegangan adalah | · | |
| C D E | 12,14,15,16 12 12 | |
| Sambungan las sudut | Logam induk pada bagian yang dilas sudut yang sejajar dengan arah tegangan tanpa memperhatikan panjang bagian, bila bagian tersebut membentuk radius transisi R sebesar 2 inci atau lebih besar dan dengan akhir-las yang digerinda. | В | 13 |
| a. Bila R≥24 inci (610 mm) b. Bila 24 inci R≥6 inci (100 mm) | č | 13 | |
| Ď | 13 | |
| Las sudut | Tegangan geser pada leher las sudut | F | 8a |
| Logam induk pada las terputus-putus yang mengikat pangaku lintang (transverse stiffeners) dan konektor geser jenis lantak (stud-type) | С | 7,14 | |
| Logam induk pada las terputus-putus yang mengikat pengaku longitudinal (longitudinal stiffeners) | E | ** | |
| Las lantak (stud welds) | Tegangan geser pada daerah geser nominal dari konektor geser jenis B | F | 14 |
| Las isi bulat dan isi memanjang (Plug and slot welds) | Logam induk yang berdampingan dengan / atau dihubungkan dengan las isi bulat dan las isi memanjang. | E | - |
Catatan: Nomor-nomor tiap contoh dirujuk oleh Tabel 2.
Gambar 7. Contoh-contoh kategori kelelahan.
Lasan-lasan pengaku lintang pada web atau flens dari girder.
Gambar 8. Kurva-kurva bentang tegangan desain untuk kategori A sampai dengan F, Struktur nonredundant - Batang bukan berbentuk tabung .
5. CATATAN PENUTUP
Dari uraian pada Bagian 1 sampai dengan 4, dan pengamatan pada Tabel 1, Tabel 2, Gambar 7 serta Gambar 8, dapatlah disarikan hal-hal berikut:
- Sambungan las yang dibebani secara berulang sangat rawan terhadap kelelahan.
- Kekuatan lelah bahan akan turun dengan adanya sambungan las.
- Desain struktur las terakhir menganggap bahwa tegangan rata-rata tidak berpengaruh pada kelelahan.
- Tegangan yang diizinkan pada sambungan las yang dibebani secara berulang harus mengacu pada harga harga empirik.
6. PUSTAKA
- 1. Welding Institute of Canada, Fatigue Fundamentals, 1987.
- 2. Welding Institute of Canada, Fatigue Applications, 1987.
- American Welding Society, Structural Welding Code - Steel, ANSI/AWS D1.1-96, Miami, FL: American Welding Society, 1996.
- Blodgett, O. W., Design of Welded Structures, 12<sup>th</sup> Printing, Cleveland, OH: The James F. Lincoln Arc Welding Foundation, 1982.