BAB 1

PENGENALAN

1.1 Latarbelakang

Kerusi merupakan sebuah perabot untuk duduk, menyandarkan belakang,

meletakkan tangan, dan amnya digunakan oleh seorang sahaja. Kerusi juga mempunyai

empat kaki untuk menyokong tempat duduk di atas lantai. Tanpa tempat bersandar dan

tempat meletakkan tangan ia dikenali sebagai bangku. Kerusi untuk tempat duduk lebih

dari seorang adalah seperti sofa, bangku panjang, settee, couch, loveseat, atau recliner.

Kerusi yang terdapat dalam kereta atau panggung wayang turut dipanggil sebagai tempat

duduk. Perabot kerusi biasanya boleh digerakkan atau dipindahkan. Tempat bersandar

sesebuah kerusi kebiasaannya tidak ditutup sepenuhnya untuk membolehkan

pengudaraan. Terdapat juga tempat bersandar kerusi diperbuat daripada bahan yang

berongga-rongga atau terdapat lubang untuk tujuan perhiasan dan pengudaraan.

Seperti yang sedia kita maklum, kerusi mempunyai kegunaannya yang tersendiri

dan mengikut kesesuaian yang ditetapkan. Contohnya kerusi di perhentian bas, kerusi di

kedai makan, kerusi di perpustakaan, kerusi di sekolah, kerusi di majlis, dan sebagainya

mempunyai kegunaan yang berlainan. Kerusi tersebut haruslah digunakan ditempat yang

sesuai dengan tempat, situasi, atau acara untuk tujuan keselesaan pengguna.

1

1.2 Pernyataan Masalah

Daripada pemerhatian yang dilakukan terdapat banyak kerusi kegunaan pelajar di

bilik-bilik kuliah yang telah rosak. Oleh itu, kajian ini dijalankan bagi mengenalpasti

punca-punca kegagalan dan mencadangkan penambahbaikan ke atas struktur kerusi

tersebut.

1.3 Objektif Kajian

Objektif bagi kajian ini adalah untuk menyiasat kegagalan yang berlaku pada

struktur kerusi kegunaan pelajar di UTeM dan mencadangkan penambahbaikan.

1.4 Skop Kajian

1. Mengkaji struktur kerusi kegunaan pelajar di UTeM.

2. Mengenalpasti bahagian yang kritikal pada kerusi apabila dikenakan beban.

3. Melakukan analisis kegagalan statik secara teori.

4. Melakukan analisis kegagalan statik dengan menggunakan perisian MSC

NASTRAN/PATRAN.

5. Melakukan analisis kegagalan lesu pada komponen kerusi yang berkaitan.

6. Analisis keputusan dan kesimpulan.

2

1.5 Kepentingan Kajian

Kajian ini akan dapat memperluaskan lagi pemahaman terhadap struktur sebuah

kerusi dan bagaimana nilai kekuatan yang diperolehi boleh dinilai ketepatannya. Selain

itu, kajian ini dapat menilai jangka hayat kerusi apabila beban dikenakan berkali-kali.

Perbezaan hasil ujian yang didapati boleh difahami dengan jelas puncanya dengan

menenalpasti titik genting kegagalan pada kerusi tersebut.

3

BAB 2

KAJIAN ILMIAH

STRUKTUR KERUSI

2.1 Pengenalan

Dalam kajian ilmiah ini membincangkan tentang kekuatan bahan kerusi yang

digunakan dan faktor-faktor yang mempengaruhi kegagalan kerusi pelajar. Pemahaman

mengenai sifat kekuatan pada bahan kerusi akan memudahkan bagi menganalisis

kegagalan struktur kerusi secara statik. Manakala pemahaman bagi faktor-faktor yang

mempengaruhi kegagalan kerusi pelajar pula akan membolehkan kita membuat

anggapan di mana titik genting kegagalan pada sesebuah kerusi. Di dalam bab ini juga,

semua aspek menjadi maklumat yang berguna harus dikaji dan diselidiki. Pelbagai

maklumat dan aspek harus dikumpulkan bagi memulakan sesuatu analisis.

Maklumat-maklumat mengenai kajian berkenaan syarikat-syarikat pengeluar

kerusi pelajar dan tesis PSM diperolehi melalui sistem komputer iaitu internet

sepenuhnya. Di samping itu maklumat-maklumat tersebut turut diperolehi daripada

Pejabat Pembangunan UTeM dan perpustakaan UTeM bagi mendapatkan sumber

rujukan mengenai kerusi pelajar yang tersedia ada dan buku-buku rujukan dan jurnal

yang berkaitan bagi sokongan kajian ini.

4

2.2 Definasi kerusi

Menurut Kamus Dewan, kerusi didefinisikan sebagai tempat duduk yang

mempunyai kaki dan tempat bersandar (dan biasanya juga mempunyai tempat

meletakkan tangan). Manakala menurut MACMILLAN English Dictionary, kerusi

didefinisikan sebagai sebuah perabot bagi seseorang untuk duduk, dengan tempat

bersandar, kaki, dan kadangkala dengan dua tempat meletakkan tangan.

2.3 Jenis-Jenis Kerusi

Terdapat pelbagai jenis struktur kerusi untuk kegunaan pelajar di UTeM. Berikut

adalah jenis-jenis kerusi pelajar:-

a) Kerusi pelajar dengan meja

Spesifikasi : a) Mempunyai meja jenis papan serpihan (chip board)

b) Berwarna biru gelap

c) Diperbuat daripada plastik (polypropylene)

5

d)Bingkai kerusi diperbuat daripada keluli lembut jenis geronggang

b) Kerusi pelajar dengan meja

Spesifikasi: a) Diperbuat daripada plastik (polypropylene)

b) Berwarna kuning cair

c)Bingkai kerusi diperbuat daripada keluli lembut jenis geronggang

d) Mempunyai meja jenis papan serpihan (chip board)

c) Kerusi pelajar dengan meja

Spesifikasi: a) Diperbuat daripada plastik (polypropylene)

6

b) Berwarna biru cair

c) Bingkai kerusi diperbuat daripada keluli lembut jenis geronggang

d) Mempunyai meja jenis papan serpihan (chip board)

d) Kerusi pelajar dengan meja

Spesifikasi: a) Diperbuat daripada plastik (polypropylene)

b) Berwarna biru gelap

c) Mempunyai meja jenis papan serpihan (chip board)

d) Bingkai kerusi diperbuat daripada keluli lembut jenis geronggang

e) Kerusi Menunggu

7

Spesifikasi: a) Terdapat tiga kerusi tersedia

b) Diperbuat daripada bahan plastik(polypropylene)

c) Mempunyai meja jenis papan serpihan (chip board)

d) Berwarna biru gelap

2.4 Statistik Kerosakan

Berikut merupakan statistik kerosakan kerusi pelajar di UTeM:-

Jadual 2.1: Statistik kerosakan kerusi di UTeM

Tempat Bilangan

Kerosakan

Jenis Kerosakan

1 - Engsel pada meja kerusi tercabut

8

Bilik Taklimat 1 14

2 Bilik Taklimat 2 44

-Engsel pada meja kerusi tercabut

3 Bilik Kuliah 2 1 - Kerosakan pada kaki kerusi

9

4

Makmal

Measurement &

Instrumentation

2

- Kerosakan pada kaki kerusi

i)

ii)

10

Berdasarkan statistik kerosakan kerusi pelajar di atas kebanyakkan jenis

kerosakan adalah pada engsel meja dan juga pada bingkai kaki kerusi. Di mana engsel

pada meja yang tercabut dan bingkai kaki kerusi yang patah terutama yang berdekatan

dengan sambungan yang dikimpal. Antara punca yang menyebabkan jenis kerosakan ini

mungkin adalah disebabkan oleh perbuatan pelajar itu sendiri contohnya perbuatan

vandalisme. Selain itu, penggunaan yang terlalu kerap dan digunakan dalam tempoh

yang lama turut menjadi punca berlakunya kerosakan terutamanya pada kerusi yang

telah karat pada bahagian tertentu.

Oleh kerana skop kajian yang dijalankan hanya tertumpu kepda kerosakan secara

mekanikal atau yang disebabkan oleh kegagalan lesu maka kerusi yang dikaji adalah

pada jenis kerosakan di mana bingkai kaki kerusi yang patah. Maka struktur kerusi yang

akan dikaji adalah jenis kerusi pelajar dengan meja.

11

2.5 Struktur dan Komponen Kerusi

Berikut merupakan spesifikasi kerusi yang dikaji:-

Rajah 2.1: Spesifikasi kerusi yang dikaji

12

Rangka badan

Tempat Duduk

Meja tulis

2.6 Ciri-ciri Bahan Kerusi yang Dikaji

Jadual berkala terdapat 103 unsur-unsur. Bagaimanapun, satu jumlah bahan-

bahan yang besar adalah mungkin apabila ini digabungkan dalam pelbagai pecahan-

pecahan sebagai sebatian-sebatian. Banyak usaha ahli-ahli sains bahan dan jurutera

menumpukan bagi mendapatkan resepi-resepi khususnya daripada hasil sebatian-

sebatian itu dengan struktur molekul, sehingga mengakibatkan satu profil yang dipanggil

ciri-ciri. Bahan-bahan kerusi yang dikaji meliputi termoplastik, besi lembut, dan papan

serpihan.

2.6.1 Termoplastik (polypropylene)

Polimer termoplastik adalah bahan yang boleh dilembutkan menerusi pemanasan

dan dikeraskan menerusi penyejukkan secara berulang kali. Termoplastik merupakan

bahan yang fleksibel, penebat suhu dan elektrik, tahan impak, ringan, sensitif pada suhu,

lembut, dan tahan kakisan. Bahan ini juga kukuh dari ciri-ciri mekanikalnya iaitu

mempunyai kekuatan alah (32MN/m²), modulus kekenyalan (3300 MN/m²), mudah

dibentuk dengan menggunakan proses penyuntikan plastik dengan takat lebur (88ºC).

Apabila terdapat ikatan silang yang pesat, polimer menjadi tegar dan tidak boleh

dibentuk bila dihabakan. Komponen dalam kerusi bagi bahan ini adalah tempat duduk

kerusi.

13

2.6.2 Besi lembut (mild steel)

Besi lembut adalah bentuk besi yang paling umum dan harganya adalah murah dan

ia menyediakan ciri-ciri bahan yang boleh diterima dalam pelbagai aplikasi.Besi lembut

mempunyai kandungan karbon yang rendah (lebih 0.3%) dan ianya bukan terlalu rapuh

atau mulur. Ia mudah dibentuk apabila dipanaskan, maka ia boleh ditempa. Ianya juga

selalu digunakan di mana kuantiti besi yang besar perlu dibentuk, contohnya seperti

struktur besi. Density bagi besi ini ialah 7,861.093 kg/m³ (0.284 lb/in³), kekuatan

tegangan adalah maksimum 500Mpa (72.500 psi) dengan modulus Young 210 Gpa.

2.6.3 Papan serpihan (chip board)

Papan serpihan atau chipboard produk papan kejuruteraan dikeluarkan dari

kilang partikel kayu, seperti serpihan-serpihan kayu, pengetaman kilang papan, atau juga

abuk gergaji, dan resin sintetik atau ikatan sesuai yang lain yang ditekan dan

dilemparkan. Papan serpihan merupakan jenis fiberboard, sejenis bahan komposit,

namun ianya diperbuat daripada kepingan papan yang besar daripada medium-density

fiberboard dan papan keras.

14

BAB 3

KAJIAN ILMIAH

ANALISIS KEGAGALAN

3.1 Pengenalan

Definisi kegagalan adalah mana-mana perubahan pada bahagian mesin yang

membuatkan ia tidak dapat menunjukkan fungsi tersendiri. Seperti yang diketahui,

terdapat dua jenis kegagalan iaitu kegagalan statik dan kegagalan lesu. Kajian ini hanya

tertumpu kepada dua jenis kegagalan tersebut. Kebiasaannya kriteria kekuatan alah

digunakan untuk bahan-bahan mulur. Teori kegagalan mulur adalah berdasarkan alah

(yield).

3.2 Kegagalan Statik

Kegalan statik disebabkan oleh tindakan beban pegun atau beban yang bertindak

sekali sehingga sesuatu komponen gagal seperti ujian tegangan. Tegangan yang melebihi

kekuatan sesuatu bahan menyebabkan bahagian tersebuat gagal.

15

Rajah 3.1: Gambar rajah tegasan-terikan bagi keluli struktur biasa dalam

tegangan tidak mengikut skala

(Sumber: Gere, M.G. dan Timoshenko, S. P. (1997))

3.2.1 Teori Kegagalan Statik

Antara teori-teori yang digunakan untuk kegagalan :

a) Teori tegasan normal maksimum untuk bahan rapuh

Kegagalan berlaku pada suatu anggota yang dikenakan dengan gabungan

daya apabila tegasan utama yang terhasil melebihi nilai tagasan alah sesuatu

bahan.

σ1 > σ2σ3 gagal apabila σ1 = σy σy: Daya alah

16

b) Teori tegasan ricih maksimum

Kegagalan berlaku apabila tegangan ricih maksimum mengalami anggota

mencapai tahap daya yang terhasil pada bahan apabila ia gagal dalam ujikaji

tegangan mudah.

σy: Daya alah

Structural component is safe as long as the maximum shearing stress is less than

the maximum shearing stress in a tensile test at yield, i.e.,

c) Distortion Ernergy Theory Teori tenaga herotan ( Teori Von Mises) untuk

bahan mulur

Biaxial

Structural component is safe as long as the distortion energy per unit

volume is less than that occurring in a tensile test specimen at yield.

3.2.2 Contoh- Contoh Kegagalan Statik

17

Antara contoh yang membawa kepada kegagalan statik adalah apabila

sesuatu mesin digunakan melebihi had yang telah ditetapkan. Contohnya pada

sebuah lif. Sistem pada lif telah menetapkan jumlah berat penumpang yang

mampu ditampung. Namun sekiranya ianya melebihi had tampung, lif akan

rosak.

Selain itu kegagalan statik pada sebuah kren turut boleh berlaku sekiranya beban

yang dikenakan pada pemberat melebihi had kekuatan alah pada tali kren tersebut, dan

menyebabkan tali pada kren putus.

3.3 Kelesuan

Kelesuan adalah satu bentuk kegagalan yang berlaku pada struktur yang

dikenakan atau mengalami tegasan dinamik dan turun-naik (contoh: jambatan,

kapalterbang, dan komponen mesin). Di bawah keadaan sedemikian adalah mungkin

kegagalan berlaku pada tahap tegasan yang lebih rendah dari kekuatan tegangan atau

kekuatan alah untuk beban statik. Sebutan “lesu” digunakan adalah kerana kegagalan

jenis ini biasanya berlaku selepas bahan mengalami kitaran tegasan atau terikan yang

berulang-ulang pada jangka masa yang panjang. Kelesuan adalah penting kerana ia

adalah penyebab utama yang terbesar kegagalan dalam logam, dianggarkan sumbangan

kelesuan adalah 90% dalam semua kegagalan logam; polimer dan seramik juga boleh

mengalami kegagalan jenis ini. Kelesuan adalah sejenis kegagalan yang merbahaya dan

tersembunyi yang berlaku secara tiba-tiba tanpa sebarang amaran (Aziz A. dan Bahrin S.

(1999)).

18

Kegagalan lesu adalah keupayaan satu bahan untuk menjalani beberapa kitaran

beban (load cycle) tanpa pematahan. Pengukuran kegagalan lesu adalah had ketahanan,

di mana tekanan pada keluli patah apabila dikenakan ribuan atau jutaan kali beban.

Menurut Smith dan Hashemi (2006), kegagalan lesu juga adalah kegagalan yang

berlaku apabila spesimen yang mengalami retak lesu dalam dua bahagian atau ternyata

dikurangkan dalam kekuatan.

Kegagalan lesu mempunyai tabii kegagalan rapuh walupun dalam logam yang

biasanya mulur kerana tiada atau jika ada, amat sedikit ubah bentuk plastik yang besar

berkaitan dengan kegagalan jenis ini. Proses kelesuan berlaku dengan permulaan retak-

lesu dan diikuti oleh perambatan retak-lesu, dan biasanya permukaan patah adalah

serenjang kepada arah tegasan tegangan yang dikenakan.

3.3.1 Gambar Rajah S-N

Seperti sifat mekanik, sifat lesu bahan boleh ditentukan dari ujian simulasi

makmal. Ujian tersebut perlu direka supaya ia menyerupai sehampir mungkin keadaan

tegasan perkhidmatan yang akan dihadapi bahan berkenaan dari segi tahap tegasan,

frekuensi masa, corak tegasan, dan sebagainya. Satu gambar rajah skema untuk ujian

putar-lentur yang biasa digunakan untuk ujian lesu ditunjukkan dalam rajah di bawah;

tegasan mampat dan tegangan dibebankan serentak semasa ia dilentur dan diputar. Ujian

juga kerapkali dijalankan menggunakan kitar tegasan tegangan-mampatan ekapaksi

berselang-seli (Aziz, A. dan Bahrin, S. (1999)).

Plot bagi Tegasan(S) lawan nombor kitar (N) diperlukan untuk menyebabkan

kegagalan bagi spesimen dalam ujikaji lesu. Data bagi setiap lengkung pada gambar

rajah S-N diperolehi dengan menetapkan jangka hayat lesu (fatigue life) bagi spesimen

tertakluk kepada pelbagai jumlah turun naik tegasan. Paksi tegasan tersebut boleh

19

mewakili amplitud tegasan, maksimum tegasan atau minimum tegasan. Satu skala log

hampir kerap digunakan bagi skala N dan kadangkala pada skala S.

(a)

(b)

Rajah 3.2: Amplitud tegasan (S) melawan logaritma bilangan kitar ke gagal lesu

(N) untuk (a) bahan yang mempamerkan had lesu (b) bahan yang

tidak mempamerkan had lesu

20

(Sumber: Aziz, A. dan Bahrin, S. (1999))

Kekuatan lesu (Sf) bermula apabila nilai Sut pada N=0 dan menurun secara

logaritma dengan peningkatan kitar.

Dalam sestengah bahan pada kitar 106 – 107, gambar rajah S-N dalam plateaus

dan kekuatan lesu seterusnya menjadi tetap. Plateau ini dikenali sebagai limit daya tahan

(Se) dan sangat penting kerana tegangan di bawah limit ini akan menyebabkannya dikitar

tanpa menyebabkan kegagalan lesu.

Kekuatan lesu atau limit daya tahan (Se) selalunya diambilkira melalui ujikaji

bahan standard (contohnya, ujikaji rasuk berputar).Namun, ianya haruslah diubahsuai

untuk mengambilkira perbezaan fizikal dan suasana di antara ujikaji bahan kerja dan

bahagian sebenar dianalisis:

Sf (or Se) = Ksurface Ksize Kload Ktemperature Kreliability Sf’ (or Se’)

Sf (atau Se) = kekuatan sebenar

Sf’ (atau Se’) = kekuatan yang didapati dari ujikaji standard

3.3.2 Tegasan Berkitar

Menurut Azizan Aziz dan Shamsul Bahrin (1999), tegasan berkitar mungkin

berbentuk atau mempunyai tabii berpaksi (tegangan-mampatan), lenturan atau kilasan.

Secara am terdapat tiga kemungkinan ragam/mod tegasan – masa turun naik yang

21

berbeza. Pertama, diwakili oleh satu tegasan yang nalar dan berbentuk sinus bersandar

masa seperti yang ditunjukkan oleh Rajah 3a dimana amplitudnya adalah simetri

merujuk kepada satu tahap tegasan purata sifar. Contohnya berselang-seli dari tegasan

tegangan maksimum (σmaks) kepada tegasan mampat minimum (σmin) dengan magnitud

yang sama. Ini dirujuk sebagai kitar balikan. Kedua, dikenali sebagai kitar tegsan

berulang seperti yang dipaparkan oleh Rajah 3b; maksimum dan minimum tak simetri

relatif kepada tahap tegasan sifar. Ketiga, amplitud dan frekuensi paras tegasan mungkin

berubah secara rawak (Rajah 3c).

22

Rajah 3.3: Perubahan tegasan dengan masa yang menyebabkan kegagalan patah

(a) Kitar tegsan berbalik, iaitu tegasan ulang-alik dari tegasan tegangan

maksimum (+) ke tegasan mampat maksimum (-). (b) Kitar tegasan

berulang yang mana tegasan maksimum dan minimum tidak simetri

merujuk kepada tahap sifar; tegasan purata σm, julat tugasan σr dan

amplitude tegasan σa ditunjukkan. (c) Kitar tegasan rawak

(Sumber: Aziz, A. dan Bahrin, S. (1999))

3.3.3 Kriteria Kegagalan Lesu

Berikut merupakan langkah penyelesaian yang jeneral:

1) Dapatkan jumlah limit daya tahan sebenar, Se atau lesu,Sf.

2) Dapatkan tegasan nominal, σa,0 dan σm,0 pada bahagian penting.

3) Tetapkan pemusatan tegangan Kf dan Kfm untuk menentukan σa dan σm.

4) Kira faktor keselamatan terhadap lesu, nf.

5) Kira faktor keselamatan terhadap kitar alah pertama ny.

6) Tentukan bahagian yang mengalami risiko lesu atau alah.

3.3.4 Contoh-Contoh Kegagalan Lesu

Terdapat banyak kegagalan yang disebabkan oleh kegagalan lesu. Kegagalan

yang disebabkan lesu boleh membawa bencana sekiranya tidak dikenalpasti dari awal

terutamanya untuk kegunaan pengangkutan penumpang seperti landasan keretapi,

pesawat kapal terbang, kereta, dan sebagainya. Adalah penting untuk kita mengenalpasti

kegagalan lesu yang terdapt pada sesuatu bahan untuk tujuan keselamatan.

23

Antara contoh fenomena yang disebabkan oleh kegagalan lesu adalah seperti

berikut:

a) Landasan keretapi yang disebabkan oleh berat keretapi

i) Hatfield Rail Crash

Rajah 3.4: Kemalangan Keretapi Hatfield

(Sumber: BBC NEWS (Oktober 2000))

Hatfield rail crash merupakan kemalangan landasan keretapi yang berlaku pada

17 Oktober 2000 di Hatfield, Hertfordshier, UK. Kajian mendapati bahawa terdapat

serpihan daripada landasan semasa keretapi melintasinya yang juga dikenali sebagai

‘gauge corner cracking’. Keretakan tersebut adalah disebabkan oleh beban lebih

daripada roda di mana roda tersebut berhubung dengan permukaan landasan. Bebanan

yang berulangkali menyebabkan retak lesu semakin bertambah dan apabila ianya

mencapai saiz yang kritikal, maka landasan tersebut gagal secara terbahagi.

24

ii) Penggunaan kebuk tekanan

Rajah 3.5: Dandang bagi keretapi stim bersendi Merddin Emrys yang dibina pada

tahun 1879 dan masih digunakan untuk mengangkut penumpang di

sepanjang landasan keretapi tolok sempit Fetiniog di Wales Utara

(Sumber: Ashby, M. F. dan Jones, D. R. (1980))

Menurut Ashby dan Jones (1980), bagi kebuk tekanan yang dikenakan beban

berkitar maka retak boleh membesar disebabkan lesu. Kebuk yang pada mulanya

diluluskan selamat mungkin akan menjadi tidak selamat kerana berlakunya pembesaran

25

retak ini. Tahap pertumbuhan retak boleh ditentukan melalui ujian lesu pada sekeping

keluli yang telah diretakkan dari jenis yang sama dengan yang digunakan untuk

membuat kebuk tekanan. Oleh itu, jangka hayat yang selamat bagi kebuk tekanan boleh

dianggarkan melalui kaedah yang digambarkan.

Dandang stim (Rajah 3.5) diuji dengan ujikaji tekanan dan ujian seumpama ini

selalunya dilakukan setahun sekali. Jika kegagalan tidak berlaku pada kebuk tekanan

dalam keadaan dua kali ganda tekanan kerja, makan tegasan guna biasa adalah setengah

(paling tinggi) daripada nilai tegasan yang diperlukan untuk menghasilkan patah segera.

Jika kegagalan sebenarnya berlaku semasa ujian hidraulik ini maka tidak ada sesiapa

pun yang akan mendapat kecederaan kerana tenaga yang tersimpan di dalam air yang

termampat adalah sangat kecil. Ujian berkala adalah penting kerana retak di dalam

dandang stim boleh membesar akibat lesu, kakisan, tegasan kakis dan lain-lain. Tatacara

ini selamat kerana retak di dalam kegunaan seumpama ini akan membesar secara

perlahan-lahan (Ashby, M. F. dan Jones, D. R. (1980)).

b) Kemalangan kapal terbang

i) Cebu Douglas C-47 plane (Mt. Pinatubo)

Kemalangan kapal Cebu Douglas C-47 terjadi pada 17 Mac 1957 di Mount

Manunggal, Cebu, Filipina. Kajian mendapati bahawa terdapat kegagalan lesu pada besi

di mana sebuah drive shaft telah patah menyebabkan kegagalan kuasa pada board kapal

(Wikipedia).

26

ii) De Havilland Comet

Logam lesu menjadi kepekaan terhadap jurutera kapal terbang dalam 1954

setelah tiga penumpang daripada jet de Havilland Comet meletup di tengah udara dan

terhempas. Penyiasat daripada Royal Aircraft Establishment di Farnborough, England,

memberitahu bahawa penyiasatan umum yang mana penjuru tajam di sepanjang tingkap

pembukaan kapal (tingkap antena ADF kedepan di atap) ditunjukkan sebagai permulaan

bagi retak. Kulit permukaan bagi kapal terbang adalah terlalu nipis, dan retak daripada

tegangan – tegangan pembuatan wujud di penjuru tersebut. Kesemua tingkap kapal

terbang direka degan cepat degan penjuru bulatan.

iii) Aloha Airlines flight 243, Boeing 737-200

27

Rajah 3.6: Aloha Airlines flight 243, a Boeing 737-200, diambil pada April

28, 1988. Kegagalan pertengahan rangka kapal terbang adalah

disebabkan oleh kewujudan karat lesu

(Sumber: Steven Minkowski dan Gamma Liaison, 1988)

(c) Kegagalan lesu pada bar

Rajah 3.7: Kegagalan lesu bagi bar yang dibebaskan secara kitaran dalam tegangan;

keretakan tersevar secara beransur-ansur di keseluruhan keratan rentas

sehinggalah kegagalan berlaku secara mengejut

(Sumber: Gere, M.G. dan Timoshenko, S. P. (1997))

3.3.5 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kegagalan Lesu

28

Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi kegagalan lesu. Faktor-faktor

tersebut haruslah dikaji lebih awal untuk tujuan keselamatan dan mengkaji jangka hayat

lesu. Antara faktor-faktor yang terlibat adalah seperti berikut:

a) Kemasan Permukaan

Semakin kasar, semakin mudah untuk gagal kerana keretakkan mudah terjadi

pada bahagian kasar.

Permukaan kasar menyebabkan tegangan pusat bagi benda-benda halus

(microscopic) yang mengurangkan kekuatan kesu. Compressive residual stresses

tegasan baki secara mampatan boleh diterangkan dalam permukaan dengan

contoh shot peening untuk meningkatkan hayat lesu. Teknik tersebut untuk

membentuk tegangan permukaan sering dirujuk sebagai peening, sebarang

mekanisma yang digunakan untuk membentuk tegangan. Laser peening dan

ultrsonic impact treatment rawatan hentakan ultrasonic juga boleh membentuk

tegangan mampatan permukaan dan meningkatkan jangka hayat bagi komponen.

Pembaikkan ini biasanya dilihat hanya untuk kitar lesu tinggi.

b) Saiz butiran (grain size)

Bagi kebanyakkan logam, butiran alah (grain yield) yang lebih kecil maka

hayat lesu semakin panjang. Namun, kewujudan permukaan yang cacat atau

goresan akan menyebabkan kesan yang lebih besar daripada coarse grained

alloy.

29

c) Keboleharapan

Data yang diperolehi oleh sesuatu untuk komponen mengenai rekod

kegagalan.

d) Jenis bahan

Hayat lesu seperti sifat semasa kitaran beban adalah sangat berbeza bagi

bahan yang berbeza. Contohnya, komposit dan polimer berbeza dari segi bahan.

f) Penumpuan Tegasan, Kf

Beban terpumpun selalunya bertindak ke atas keluasan yang kecil dan

menghasilkan tegasan yang terlalu tinggi dalam kawasan yang kecil iaitu

apabila beban dikenakan pada sambungan pin. Bar juga biasanya mempunyai

lubang atau lain-lain perubahan dalam dimensi. Ketidaksekatan ini

menghasilkan corak tegasan yang tidak licin dan juga menyebabkan tegasan

yang tinggi di kawasan yang terlalu kecil. Tegasan setempat yang tinggi

terhasil oleh lubang, alur, takukan, alur kunci, bahu, ulir dan dan lain-lain

perubahan bentuk secara mendadak dan begitu juga tegasan tinggi terhasil

30

daripada beban dan tindak balas terpumpun, dikenali sebagai penumpuan

tegasan atau kenaikan tegasan (Gere, M.G. dan Timoshenko, S. P., 1997).

Tempat yang mempunyai penumpuan tegasan tinggi seperti lubang,

lekuk, pengecutan garis pusat lebih mudah untuk gagal.

Sekata

Pengecutan diameter

Takik

Lubang bulat

Rajah 3.8: Garisan beban pada beberapa jenis plat yang dikenakan beban paksi

31

g) Kesan Persekitaran

Menurut Aziz dan Bahrin (1999), faktor persekitaran juga akan

mempengaruhi perlakuan lesu bahan. Dua faktor kegagalan lesu berbantukan

persekitaran akan disentuh di sini secara kasar iaitu lesu haba dan lesu kakisan.

Lesu haba biasanya teraruh pada suhu ternaik oleh tegasan haba turun-naik;

tegasan mekanik dari sumber tidak semestinya wujud. Punca kepada tegasan-

tegasan haba ini adalah akibat kekangan kepada pengembangan dan/atau

pengecutan dimensi yang biasanya berlaku dalam bahagian struktur di bawah

keadaan suhu yang berubah-ubah. Magnitud tegasan haba yang mungkin

terbentuk oleh perubahan suhu ΔT adalah bersandar kepada pekali

pengembangan haba a1 dan modulus keanjalan E menurut persamaan

σ = a1 E ΔT

Kegagalan akibat tindakan serentak tegasan berkitar dan serangan kimia

dikenali sebagai lesu kakisan. Persekitaran mengakis mempunyai pengaruh

yang memudaratkan dan mengakibatkan hayat lesu yang pendek. Bahkan

persekitaran ambien biasa akan memberi kesan kepada perlakuan beberapa

bahan. Lubang kecil mungkin terbentuk hasil daripada tindakbalas kimia antara

persekitaran dan bahan. Lubang ini boleh menjadi titik penumpuan tegasan dan

seterusnya sebagai tapak penukleusan retak. Tambahan pula, kadar perambatan

retak meningkat akibat persekitaran mengakis. Tabii tegasan akan

mempengaruhi perlakuan lesu. Sebagai contoh, mengurangkan frekuensi

32

aplikasi beban memanjangkan masa pada mana retak terdedah kepada

persekitaran dan memendekan hayat lesu.

Beberapa pendekatan untuk mencegah lesu kakisan wujud adalah seperti

menggunakan salutan, memilih bahan yang tahan kakisan serta mengurangkan

keupayaan mengakis persekiataran. Adalah baik juga meminimakan kegagalan

lesu biasa dengan mengurangkan tahap tegasan tegangan (Aziz A. dan Bahrin

S. (1999)).

Rajah 3.9: Mekanisma perambatan retak lesu

(a) Sifar atau bebanan mampat maksimum

(b) Beban tegangan kecil

(c) Bebanan tegangan maksimum

(d) Beban mampat kecil

(e) Sifar atau beban mampat kecil

(f) Beban tegangan kecil

(Sumber: Aziz A. dan Bahrin S. (1999))

33

3.4 Kajian Terdahulu

Kajian terdahulu meliputi kajian-kajian yang berkaian dengan kajian yang

melibatkan kegagalan statik dan kegagalan lesu atau apa-apa yang berkaitan dengan

PSM yang dikaji. Tujuan mengkaji kajian-kajian terdahulu adalah untuk dijadikan

sebagai rujukan dan sebagai garis panduan dalam membuat kajian. Kajian yang

diperoleh adalah berdasarkan jurnal-jurnal terdahulu.

3.4.1 Moment loads on Branch-pipe Juntion, Beban momen pada sambungan paip

oleh D. G. Moffat

Melalui artikelnya, membincangkan mengenai implikasi two run ends fixed

(TREF) untuk beban momen yang dikaji oleh Rodabough dan Moore. Menurutnya,

tegasan maksimum adalah pada bahagian penyambungan. Terdapat dua cara dalam

melakukan kajian di atas model two run end fixed, iaitu melalui kaedah ujikaji dan juga

melalui kaedah unsur terhingga.

34

Melalui ujikaji yang dilakukan oleh Moffat dan Mistry, beliau menimbangkan

tentang kesan beban ke atas sambungan. Beliau telah menggunakan lapan model untuk

tujuan ujikaji tersebut.

Daripada ujikaji tersebut, pekali tegasan dan Maximum Von Mises Effective

Stresses tegasan efektif maksimum von mises diperolehi dari setiap sambungan dan

setiap kategori momen. Tegasan di sekitar bahagian sambungan dan di setiap kombinasi

momen turut dikaji.

Kesimpulan dari kajian yang dilakukan didapati tegasan statik yang paling

maksimum berlaku pada bahagian sambungan chord dan brace . Tegasan yang diperoleh

bergantung kepada diameter chord. Dalam ujikaji ini juga didapati bahawa terdapat

perbezaaan dalam tegasan antara sambungan tubular yang dikekang sebelah sahaja

dengan sambungan turbular yang dikekang pada kedua- dua hujungnya.

3.4.2 Fatigue Behaviour of T joints: Square Chords and Circular Braces Kelakuan

lesu bagi sambungan T:…….. oleh P. Ghandi dan Stig Berge

Tujuan utama yang dijalankan oleh Ghandi dan Berge adalah untuk mengkaji

kelesuan sambungan turbular yang digabungkan pada bahagian chord yang

bersegiempat dengan brace yang bulat. Keputusan yang diperolehi akan dibandingkan

dengan nilai rintangan kelesuan sambungan pelbagai jenis model sama ada segiempat

dengan segiempat ataupun bulat dengan bulat.

35

Ujikaji statik yang dijalankan terhadap tujuh sambungan turbular T yang dibuat

dengan menggunakan chord yang bersegiempat dengan brace yang bulat bertujuan

untuk menunjukkan tegasan elastik dan faktor penumpuan tegasan.

Jumlah keseluruhan sebanyak sembilan ujian kelesuan telah dijalankan pada

sambungan turbular T yang dibina dengan bahagian chord yang bersegiempat dan brace

yang berbentuk bulat. Kesemua beban paksi yang dikenakan adalah beban mampatan

paksi pada brace. Ujikaji kelesuan yang dilakukan terhadap pelbagai geometri

sambungan. Tiga parameter geometri yang utama adalah nisbah diameter, β (d/D),

kekerasan chord, γ (D/2T), dan nisbah ketebalan, г (t/T).

3.4.3 FEM Algorithm for Chair Optimization Permodelan FEM untuk

pengoptimisasian kerusi oleh Jerzy Smardzewski dan Tomasz Gawronski

Objektif bagi kajian yang dijalankan adalah untuk mengkaji keberkesanan

kaedah pengoptimuman statik dengan menentukan isipadu bahan yang paling minimum

dalam fungsi masa dan nombor sample.

Kesimpulannya, ujikaji mendapati bahawa pengoptimuman statik bagi struktur

pembinaan kerusi dengan bantuan Kaedah Monte-Carlo dikamirkan dengan suasana

FEM membolehkan had bahan dikurangkan kepada 53% daripada isipadu awal dalam

17saat bagi penggunaan kerja.

3.4.4 Fatigue Crack Growth for Constant Amplitude Loading

36

Model perkembangan retak lesu di bawah beban kelebaran tetap telah

dibangunkan disebabkan keseimbangan tenaga semasa retak semakin berkembang.

Tegasan dan terikan elastik-plastik retak hujung yang terdekat dikira berdasarkan

formula asas Hutchinson, Rice dan Rosengren (HRR). Kadar perkembangan retak lesu

secara lurus dan berdekatan bahagian bendul bagi da/dN lawan lengkuk ΔK boleh

didapati daripada asas model yang dicadangkan dibawah syarat ciri-ciri kitar rendah lesu

(low cycle fatigue) yang terdapat pada benda kerja yang licin.

Kesimpulan daripada kajian, ciri-ciri perkembangan retak lesu bagi besi telah

disiasat dengan terperinci dan model perkembangan retak lesu bagi beban kelebaran

tetap telah diterbitkan. Kadar perkembangan retak lesu seperti yang ditafsirkan oleh

model bergantung kepada ciri-ciri kitar rendah lesu (LCF) bagi bahan contohnya, n’, σ’f,

dan ε’f. Model yang tersedia mengambil kira jumlah kemuluran hilang bagi bahan di

antara kitar zon plastik dengan mengambilkira tenaga terikan plastik yang terdapat

dalam lingkungan dan kitar lengkuk tegasan-terikan.

3.4.5 Fatigue Crack Path in Cu-Ni-Mo Alloyed PM Steel oleh A. Bergmark dan L.

Alzati

Tujuan utama kajian adalah untuk mencari batas retak dalam hubungan martensit

kaya-Cu dan austenit kaya-Ni dan juga di bawah permukaan. Langkah-langkah mengisar

dilakukan dalam sekitar 20µm, dan permukaan retak bagi setiap aras dicatit dengan

menggunakan light optical microscope (LOM). Kajian turut menggunakan ujikaji lesu

terhadap PM steel bars untuk mengawal pemindahan lengkungan satah. Perkembangan

batas retak secara terperinci ditunjukkan apabila benda kerja diuji dalam lengkungan

37

empat titik pada 220 ± 220 MPa. Ujikaji dihentikan apabila terdapat penyesuaian

ditingkatkan kepada 1.5% setelah 91 kitarkilo.

Dengan menggunakan perkembangan retak 3D, terdapat dua posisi di mana

terdapat kewujudan retak disebabkan kawasan kaya-Ni diselidik.

Kesimpulannya, austenit kaya-Ni dikelilingi dengan martensit yang menghalang

retak daripada memasuki ke austenit. Keputusan menunjukkan bahawa austenit seperti

itu bukan merupakan penghenti retak.

3.4.6 Constitutive Dependence in Finite-Element Modeling of Crack Closure During

Fatigue oleh H. Andersson, C. Persson, T. Hansson, S. Merlin, dan Jarvstrat

Tujuan kajian dijalankan adalah untuk menganalisis dan membandingkan dengan

keputusan ujikaji bagi kesan pemilihan hubungan mustahak (constitutive relation) pada

ramalan tegasan pembukaan retak bagi retak lesu dengan menggunakan kaedah unsur

terhingga.

Dua ujikaji berbeza didapati hubungan tegasan-terikan bagi IN718 pada 550ºC

digunakan untuk menyesuaikan parameter bahan kepada kinematik lurus dan model

mustahak Bodner-Partom viscoplatic. Nilai ujikaji bagi tegasan permukaan retak yang

didapati dengan kaedah keupayaan jatuh bagi kes dua beban dianalisis. Dua kes beban

yang berbeza, kawalan beban dan kawalan pemindahan dikaji dan didapati bahawa

kaitan antara ujikaji dan huraian tegasan pembukaan retak ternyata berbeza dengan

penerangan bahan, kriteria pembukaan dalam simulasi dan kes bahan. Ujikaji

38

menunjukkan bahawa langkah berhati-hati dalam pemilihan penerangan bahan,

pembukaan kriteria bagi simulasi perkembangan retak.

BAB 4

KAEDAH UNSUR TERHINGGA

4.1 Pengenalan

Analisis dengan menggunakan komputer merupakan satu bidang yang agak baru

ketika ini. Kebanyakan analisis tersebut melibatkan sesuatu struktur yang lebih

kompleks. Teknologi komputer pada hari ini juga memudahkan peluang untuk

merekabentuk. Antara perisian analisis unsur terhingga yang terdapat di pasaran adalah

MSC NASTRAN/PATRAN, COSMOS-M, ABAQUS, LUSAS, ANSYS dan

39

sebagainya. Skop projek hanya melibatkan analisis penyelesaian masalah dengan

menggunakan perisian MSC NASTRAN/PATRAN.

Kaedah unsur terhingga (FEM) atau juga dikenali sebagai anlisis usur terhingga

(FEA), merupakan teknik perkomputeran yang sering digunakan untuk mendapat

penyelesaian yang hampir dengan masalah nilai sempadan dalam kejuruteraan. Secara

ringkasnya, masalah nilai sempadan merupakan satu masalah secara matematik di mana

satu atau lebih pembolehubah tidak bersandar harus memenuhi persamaan pembezaan

dan memenuhi keadaan spesifik pada sempadan bagi domain. Masalah nilai sempadan

juga dikenali sebagai masalah lapang (field problem). Field tersebut merupakan domain

kepada interest dan kebanyakkan sering mewakili sebuah struktur fizikal. Pembolehubah

lapang (field variables) merupakan pembolehubah tidak bersandar bagi faedah yang

dikuasai (interest governed) dari persamaan pembezaan. Eadaan sempadan merupakan

nilai spesifik bagi pembolehubah lapang (atau yang berkaitan dengan terbitan-terbitan)

pada sempadan bagi field. Bergantung kepada jenis masalah fizikal yang dianalis,

pembolehubah lapang mungkin meliputi pemindahan fizikal, suhu, fluks haba (flux

heat), dan kelajuan bendalir (Hutton D. V. (2004)).

Kaedah unsur terhingga merupakan kaedah berangka untuk menyelesaikan

masalah bidang kejuruteraan dan matematik fizik. Bidang masalah tertentu untuk kajian

kejuruteraan dan matematik fizik kebanyakan diselesaikan dengan menggunakan kaedah

unsur terhingga termasuklah analisis struktur, pemindahan haba, aliran bendalir, beban

kenderaan, dan keupayaan elektromagnetik (Logan (2001)).

Dalam kaedah unsur terhingga, untuk mendapatkan penyelesaian bagi masalah

yang kompleks, sesuatu struktur itu haruslah dibahagikan kepada beberapa unsur yang

kecil dan disambung melalui nod. Ini adalah bertujuan untuk memudahkan penyelesaian

dibuat. Oleh kerana masalah ini dipermudahkan maka keputusan yang diperoleh adalah

40

satu keputusan yang menghampiri penyelesaian sebenar sahaja. Walaupun keputusan

bukan yang sebenar namun ia merupakan kaedah yang paling baik buat masa ini dan

kejituan keputusan yang diperoleh boleh dipertingkatkan lagi dengan menambah lebih

banyak unsur.

Rajah 4.1: Unsur yang bersambung dengan nod

4.2 Asas Analisis Keadah Unsur Terhingga

Teknik dan terminologi umum bagi analisis unsur terhingga diterangkan seperti

rujukan gambar rajah di bawah. Gambar rajah menggambarkan sebuah isipadu bagi

sesetengah bahan yang diketahui sifat-sifat fizikalnya. Isipadu tersebut mewakili domain

41

Nod

Unsur

bagi sempadan nilai masalah yang dikaji. Secara ringkasnya, dengan menganggap kes

bagi dua dimensi dengan sebuah pembolehubah lapang (field variable), Φ(x,y) untuk

ditetapkan pada setiap titik P(x,y) seperti dalam persamaan yang diketahui memenuhi

nilai-nilai sama seperti setiap titik. Pastikan bahawa ini mengandungi sama seperti

gambaran penyelesaian matematik bagi pembolehubah bersandar.

Rajah 4.2: (a) Dua dimensi domain umum pada pembolehubah lapang Φ(x,y)

(b) Tiga nod unsur terhingga dikenali sebagai domain

(c) Pertambahan unsur-unsur menunjukkan separuh unsur mesh

bagi domain

(Sumber: Hutton D. V. (2004))

Contohnya dengan pertimbangkan rasuk julur (cantilever beam) seperti dibawah:

42

Rajah 4.3: Rasuk jalur

Analisis unsur terhingga bermula dengan anggaran lingkungan dari kepentingan

kepada nombor mesh-mesh (unsur segitiga). Setiap mesh dihubungkan untuk berkongsi

nod dan seterusnya menjadi unsur terhingga.

4.3 Proses dalam FEA

Berikut merupakan langkah-langkah prosedur bagi proses yang terlibat dalam

analisis unsur terhingga (FEA):-

a) Mendiskretkan domain

43

b) Pemilihan model penyisipan (interpolation model) yang betul

c) Penerbitan matriks kekakuan unsur dan vektor beban

d) Perhimpunan persamaan unsur untuk mendapatkan keseluruhan

persamaan keseimbangan (equilibrium equation)

e) Penyelesaian bagi pembolehubah lapang yang tidak diketahui

(pengamiran keadaan sempadan)

f) Perhitungan unsur terikan dan tegasan.

4.4 MSC Nastran

MSC Nastran merupakan perkara umum kaedah unsur terhingga untuk

penyambungan kompleks yang kecil. Satu bukti dan kaedah standard dalam bidang

struktur analisis untuk empat dekad menunjukkan Nastran menyediakan julat seni

bentuk (modeling) yang luas dan kemampuan analisis, termasuklah lurus statik,

pemindahan, terikan, tegasan, gegaran, pemindahan haba, dan sebagainya. Tambahan

lagi, Nastran boleh mengawal mana-mana bahan jenis plastik dan besi kepada komposit

dan bahan hiper-elastik.

4.5 MSC Patran

Patran adalah pendahuluan kepada pra dan sesudah pemproses bagi simulasi

CAE. Program modeling dan surfacing tool yang maju tersebut membolehkan

penciptaan model unsur terhingga dari garisan. Kelebihan boleh didapati daripada CAD

access tool Patran yang maju untuk berkerja secara langsung dalam CAD model yang

wujud. Degan kemasukan secara lansung, Patran import model geometri tanpa

pengubahsuaian. Sekiranya tiada penterjemahan tempat yang diambil, maka geometri

44

CAD masih tidak berubah. Setelah geometri diimport, Patran akan digunakan untuk

menentukan beban, keadaan sempadan (boundary condition), dan sifat bahan.

Setelah model unsur terhingga siap, hantar model ke analisis struktur. Patran

menyediakan kamiran penuh dengan penyelesaian analisis perisian MSC termasuk

Nastran.

Sebagai sesudah pemproses (post-processor), Patran dengan cepat dan jelas

mempamerkan keputusan analisis dalam struktur, terma, lesu, bendalir, istilah magnet

atau dalam hubungan kepada aplikasi lain di mana keputusan data-data adalalah

berhubung dengan elemen terhingga atau nod.

Patran adalah sebenarnya standard dalam hubungan rekabentuk, analisis, dan

penilaian keputusan dalam situsi tunggal dan tidak berkelim (seamless).

45

BAB 5

KAEDAH KAJIAN

5.1 Pengenalan + flow chart

5.2 yg lain2 tu dlm bentuk sub topic

5.1 Pengenalan

Bab ini menerangkan tentang perkembangan bagi projek dan juga menerangkan

mengenai kaedah kajian yang digunakan untuk menyelesaikannya. Perkembangan

projek ditunjukkan dalam bentuk carta alir (Rajah 5.1). Kaedah kajian atau metodologi

merupakan proses-proses pembangunan dalam kajian bermula dari peringkat Pertama

sehingga peringkat akhir projek iaitu kesimpulan. Tambah

46

5.2 Carta Alir Kaedah Kajian

Berikut merupakan carta alir sepanjang kajian dijalankan:-

47

Rajah 5.1: Carta alir kajian

Terdapat beberapa peringkat dalam menyelesaikan kajian ini agar ianya dapat

disiapkan seperti yang telah dijadualkan. Peringkat pertama adalah kajian ilmiah di

mana kajian yang terdahulu ada dikaji untuk mendapat lebih bahan maklumat dan

MULA

Kajian IlmiahMengkaji struktur kerusi pelajarAnalisis kegagalan statik & kegagalan lesuAnalisis kaedah unsur terhinggaKajian terdahulu

Melukis rekabentuk secara terperinci dengan menggunakan perisian CAD

Analisis kegagalan statik dengan menggunakan MSC NASTRAN/PATRAN

Membuat ujian kegagalan lesu pada komponen kerusi pelajar

Membuat analisis tentang kegagalan lesu pada komponen kerusi pelajar

TAMAT

Kesimpulan

Membuat ujian tegangan pada komponen kerusi

Membuat analisis statik secara teori

48

sebagai rujukan untuk menjana idea dan konsep ke atas kajian. Selain itu, eringakat ini

turut mengkaji struktur kerusi pelajar UTeM bagi menentukan jenis kerusi yang akan

dijadikan sebagai bahan kajian. Analisis teori bagi kegagalan statik dan kegagalan lesu

serta analisis teori kaedah unsur terhingga turut dikaji sebgai pemahaman kepada kajian

yang dijalankan.

Peringkat kedua kajian pula di mana analisis kegagalan statik secara teori

dijalankan. Analisis kegagalan statik secara teori dijalankan bertujuan untuk mencari

maksimum tegasan normal dan maksimum tegasan lentur bagi komponen-komponen

kerusi yang terlibat. Nilai yang tersebut akan dibandingkan dengan nilai yang diperolehi

melalui ujikaji dan melalui analisis FEA.

Manakala di peringkat ketiga, ujian tegangan komponen kerusi dilakukan untuk

menentukan sifat-sifat bahan pada komponen kerusi. Satu gambar rajah tegasan-terikan

akan diplotkan dan gambar rajah tegasan-terikan ini merupakan ciri bahan tersebut dan

dapat menyampaikan maklumat berhubung dengan sifat-sifat mekanikal dan jenis-jenis

kelakuan bahan. Alat? Figure if necessary.

Di Peringkat keempat, rekabentuk struktur komponen kerusi dilukis secara

terperinci dengan menggunakan perisian CAD (MSC SolidWorks). Lukisan hanya akan

tertumpu kepada binkai kerusi sahaja memandangkan kajian yang dilakukan hanya

tertumpu kepada kegagalan yang berlaku pada bingkai kerusi sahaja. Lakaran lukisan

dilakukan terlebih dahulu dan dimensi sebenar komponen kerusi akan ditentukan.

Lukisan komponen tersebut akan dieksport semasa FEA dilakukan pada peringkat

seterusnya.

Pada peringkat yang kelima, analisis kegagalan statik dengan menggunakan

perisian NASTRAN/PATRAN dijalankan bagi menentukan titik kritikal komponen

kerusi tersebut dengan mengiimport lukisan komponen kerusi daripada perisian

49

SolidWorks. Nilai yang didapati daripada FEA akan dibandingkan dengan analisis statik

yang telah dilakukan secara teori.

Manakala di peringkat yang keenam, ujian kegagalan lesu akan dijalankan ke

atas komponen kerusi pelajar UTeM dijalankan. Komponen kerusi yang gagal akan

dipotong mengikut spesifikasi yang ditentukan. Dalam ujian ini gambar rajah S-N

(tegasan melawan bilangan kitaran penyebab kegagalan) diplotkan.

Seterusnya di peringkat ketujuh pula analisis kegagalan lesu pada komponen

kerusi pelajar dilakukan. Berdasarkan graf S-N yang diperoleh, lengkok pada graf

dianalisis dan kebiasaannya lengkok sedemikian mempunyai bentuk umum seperti yang

ditunjukkan dalam Rajah 3.2(a) apabila paksi menegak kebiasaannya adalah dalam skala

lelurus dan paksi mendatar dalam skala log.

Sementara peringkat terakhir adalah dengan membuat kesimpulan terhadap

keseluruhan kajian. Dalam peringkat ini, kesemua keputusan haruslah disimpulkan dan

menentukan sama ada objektif kajian tercapai atau tidak.

5.3 Ujian Tegangan (Tensile Test) –nyatan apa yg akan dilakukan dan kenapa..

Sifat-sifat mekanikal bahan yang digunakan dalam kejuruteraan ditentukan

dengan melakukan ujian ke atas contoh-contoh kecil bahan tersebut. Ujian-ujian

dijalankan dalam makmal menguji bahan lengkap dengan mesin ujian yang

berkemampuan menghasilkan beban ke atas contoh dalam pelbagai cara termasuk

pembebanan statik dan dinamik dalam tegangan dan mampatan (Gere J. M.,

Timoshenko S. P. (1990)).

50

Salah satu ujian tegangan-terikan mekanik yang lazim dijalankan adalah bentuk

tegangan. Ujian tegangan digunakan untuk menentukan beberapa sifat mekanik bahan

yang penting dalam rekabentuk. Dalam ujian ini satu spesimen diubah bentuk lazimnya

sehingga patah menggunakan beban tegangan yang meningkat secara perlahan. Beban

ini dikenakan secara ekapaksi sepanjang paksi spesimen (Aziz A. dan Bahrin S. (1999)).

Mesin ujian tegangan direkabentuk untuk memanjangkan spesimen pada kadar

tetap dan menyukat secara berterusan dan serentak, beban yang dikenakan pada

spesimen dan pemanjangan (menggunakan extensometer). Suatu ujian tegasan-terikan

mengambil masa beberapa minit untuk dijalankan dan spesimen musnah (iaitu spesimen

telah berubah bentuk dan lazimnya juga patah). Hasil daripada ujian tegangan

direkodkan atas carta sebgai beban atau daya melawan pemanjangan.

5.4 Ujian Lesu (Fatigue Test) Nyatakan apa yg akan dilakukan dan kenapa

Satu siri ujian dimulakan dengan membebankan satu spesimen dengan satu kitar

tegasan pada amplitud tegasan maksimum, σmaks biasanya 2/3 daripada kekuatan

tegangan statik. Bilangan kitar sebelum patah direkodkan. Prosedur ini diulangi pada

spesimen yang lain dengan amplitud tegasan maksimum yang berkurangan secara

beransur-ansur. Data diplotkan sebagai tegasan, S melawan logaritma bilangan kitar

sebelum gagal, N untuk setiap spesimen. Nilai S biasanya diambil sebagai amplitud

tegasan, σa; kadangkala nilai σmaks atau σmin mungkin digunakan.

51

BAB 6

ANALISIS STATIK SECARA TEORI

52

6.1 Pengenalan

Anggota struktur kerap diperlukan lebih daripada satu jenis pembebanan.

Misalnya, sebatang aci kilasan mungkin juga mengalami lenturan atau sebuah rasuk

mungkin mengalami tindakan momen lentur dan daya paksi yang bertindak serentak.

Analisis tegasan suatu anggota yang mengalami pembebanan penggabungan begini

biasanya boleh dilakukan dengan menindih-nindihkan tegasan yang disebabkan oleh

setiap beban yang bertindak secara berasingan (Gere, J. M. dan Timoshenko, S. P.

1990).

Analisis bermula dengan menentukan tegasan yang disebabkan oleh daya paksi,

daya kilas, daya ricih, dan momen lentur dengan menggunakan formula tegasan yang

telah diterbitkan. Kemudiannya tegasan-tegasan ini digabungkan pada sebarang titik

khusus di dalam struktur komponen bagi mendapatkan paduan tegasan pada titik

berkenaan. Dengan itu, tegasan σx, σy, τxy bertindak ke atas suatu unsur tegasan di titik

adalah diketahui. Berikutnya, tegasan yang bertindak pada arah condong boleh diperiksa

sama ada dengan menggunakan cara persamaan penjelmaan tegasan atau bulatan Mohr.

Dengan cara ini, seberapa banyak kedudukan genting dalam anggota boleh

dianalisis dan juga dapat dipastikan sama ada rekabentuk tersebut selamat atau jika

tegasan didapati terlalu besar atau terlalu kecil, rekabentuk perlulah diubahsuai.

53

6.2 Contoh Analisis Statik Secara Teori

6.0 Bahan yang digunakan

Keluli lembut

Ketumpatan =

Kekuatan alah

-stress

-shear stress

Modulus young

Modulus ketegaran

Lukiskan gambar rangka kerusi dan labelkan bahagian yang hendak dibuat pengiraan

(contoh : penyokong tengah)

6.1 Pengiraan tegasan lentur maksimum pada sokongan tengah

-Jumlah daya yang dikenakan pada kerusi

-Jumlah daya yang bertindak pada penyokong tengah

-Rajah

-Pengiraan daya tindakbalas dan gandingan pada bahagian sambungan

-Pengiraan tegasan lentur maskimim

-Faktor keselamatan

6.2 Pengiraan tegasan maksimum pada bahagian kaki kerusi

-Sama seperti yg telah dibuat, Cuma pecahkan kepada: Tegasan normal, tegasan

ricih dan tegasn maksimum. Kemudian faktor keselamatan.

54

Element 1

Anggap P = 60kg = 588.6kg

55

Bagi beban seragam, w = P/L = 588.6/0.49 = 1201.2 N/m

Disebabkan ianya simetri;

Maka Ra = Rb =

Momen inersia, M =

Pada bahagian AB;

;

Pesongan pada B;

56

………………………. (1)

Gantikan ke dalam persamaan (1);

Disebabkan yB = 0;

57

Dengan itu, tegasan maksimum bagi momen lentur adalah

= 81.26 MPa

Manakala faktor keselamatan bagi elemen tersebut adalah

;

= 5.5

58

Dimana bahan yang digunakan adalah steel ASTM-A913 Grade 450

Element 2

Pindahkan daya Pmaks pada elemen 1 ke elemen 2 pada point H

Pmaks = 588.6 N

Daya kilas, T = (588.6 x 0.245) = 144.21 Nm

P = P’cos θ = 588.6 cos 17º

Momen, Mz = P’x cos θ

= (562.9) (0.21 sin17º)

= 34.56 Nm

59

θ = 17°

y

x

z

H

Pemalar kilasan,

= 1.473 x 10-7 m4

Tegasan ricih,

Maka faktor keselamatan pada elemen 2 adalah;

60

61