Bagi mahasiswa Teknik Sipil, tentu sudah tidak asing lagi dengan Mekanika Rekayasa atau Analisa Struktur. Di Universitas Pelita Harapan, mata kuliah ini dibagi menjadi empat tahap, yaitu Mekanika Rekayasa 1 sampai Mekanika Rekayasa 3 yang mempelajari analisa struktur metode konvensional dan Mekanika Rekayasa 4 yang merupakan pengenalan terhadap analisa struktur menggunakan metode matriks yang merupakan dasar dari aplikasi komputer analisa struktur seperti SAP2000, ETABS, dll. Sebenarnya analisa struktur menggunakan metode matriks sudah ada sejak lama, bahkan sudah muncul pada saat metode konvensional sedang berkembang. Hanya saja kurang disukai karena perhitungannya yang tidak mudah dan rentan terhadap kesalahan hitung.
Analisa struktur menggunakan metode matriks merupakan dasar dari metode elemen hingga yang saat ini menjadi andalan semua Insinyur, baik dari Teknik Sipil hingga Teknik Mesin. Persamaan matriks yang digunakan ini adalah {F} = [K]{Δ}. Dari rumus ini kita mengetahui bahwa hubungan antara gaya dan lendutan adalah linear. Inilah yang dapat dianalisa Mekanika Rekayasa biasa. Hal ini juga hanya dapat berlaku untuk material yang mempunyai sifat elastik linear. Akan tetapi seperti yang kita ketahui, beberapa material seperti baja, pada tingkat tertentu akan memasuki daerah yang disebut daerah non-linear. Daerah non-linear inilah yang tidak dapat dianalisa menggunakan analisa struktur biasa. Untuk itu diperlukan lebih dari sekedar analisa struktur. Untuk mengatasi kasus non-linear ini, biasanya para insinyur akan meneliti banyak sampel dan menghasilkan sebuah rumus empiris untuk sebuah kasus tertentu. Untuk kasus lain diperlukan rumus lain. Tentunya rumus ini sangat bergantung pada keadaan pada saat sampel sedang diuji. Belum lagi jika diikutkan faktor subjektif lain seperti ketelitian pengujian.
Gambar 1 (sumber : http://www.mathalino.com)
• O-E : Daerah yang dapat dihitung menggunakan analisa struktur biasa (linear)
• E-R : Daerah yang tidak bisa dihitung menggunakan analisa struktur biasa (linear), tetapi harus menggunakan analisa non-linear.
Di era serba digital yang sudah maju ini, sudah tersedia banyak aplikasi simulasi numerik berbasis metode elemen hingga (finite element method). Aplikasi ini dapat mensimulasikan keadaan suatu benda atau struktur dalam berbagai aspek, mulai dari analisis linear, non-linear, pengaruh geometri dan stabilitas. Tentunya diperlukan konfigurasi dan kalibrasi agar dapat mencapai keakuratan seperti keadaan aslinya.
Contoh-contoh aplikasi berbasis metode elemen hingga yang seringkali digunakan dalam jurnal-jurnal internasional (penjelasan diambil dari website dan dokumentasi masing-masing produk) :
1. ABAQUS : “Designed as a general-purpose simulation tool, Abaqus can be used to study more than just structural (stress/displacement) problems……. Abaqus offers a wide range of capabilities for simulation of linear and nonlinear applications. Problems with multiple components are modeled by associating the geometry defining each component with the appropriate material models and specifying component interactions. In a nonlinear analysis Abaqus automatically chooses appropriate load increments and convergence tolerances and continually adjusts them during the analysis to ensure that an accurate solution is obtained efficiently”
2. ADINA : “The ADINA program provides state-of-the-art capabilities for the stress analysis of solids (2D and 3D) and structures in statics and dynamics. The analysis can be linear or highly nonlinear, including effects of material nonlinearities, large deformations and contact conditions.”
3. ANSYS :FEA analysis (finite element) tools from ANSYS provide the ability to simulate every structural aspect of a product:Linear static analysis that simply provides stresses or deformations, modal analysis that determines vibration characteristics, advanced transient nonlinear phenomena involving dynamic effects and complex behaviors.
Dengan kehadiran aplikasi-aplikasi analisa berbasis metode elemen hingga ini, para insinyur dapat memprediksi bagaimana suatu benda atau struktur tersebut akan beroperasi pada keadaan yang sebenarnya. Pada dasarnya, cara kerja metode elemen hingga adalah dengan membagi sebuah benda atau struktur utuh menjadi banyak (sangat banyak) elemen-elemen kecil, lalu menghitung properti masing-masing elemen kecil tersebut lalu menggunakan proses iterasi untuk memperkirakan properti elemen disekitarnya sampai didapatkan hasil akhir dari keseluruhan elemen tersebut.
Contoh simulasi yang dilakukan dengan aplikasi metode elemen hingga dan kondisi yang sebenarnya :
Gambar 2 – Kiri : Simulasi menggunakan aplikasi metode elemen hingga, Kanan : Keadaan sebenarnya (Jim Butterworth, University of Teesside, UK)
Gambar 3 – Perbandingan antara hasil simulasi menggunakan rumus empiris, aplikasi metode elemen hingga, dan keadaan sebenarnya. (Jim Butterworth, University of Teesside, UK)
Dengan adanya aplikasi berbasis metode elemen hingga ini menjadi sebuah keuntungan bagi para insinyur untuk dapat memprediksi bagaimana suatu benda atau struktur tersebut akan beroperasi pada keadaan yang sebenarnya. Banyak riset, thesis serta disertasi yang membuktikan bahwa dengan kalibrasi dan konfigurasi yang benar, hasil simulasi aplikasi metode elemen hingga ini dapat menyerupai kondisi yang sebenarnya. Tentunya hal ini dapat menghemat biaya dan waktu sehingga efisiensi kerja dapat ditingkatkan.
Referensi :
1. Dewobroto, W., Besari, S., (2006), “Simulasi Numerik Berbasis Komputer Sebagai Solusi Pencegah Bahaya Akibat Kegagalan Bangunan”, Jurnal Teknik Sipil, Volume 2, Nomor 2, hal 74-147.
2. Butterworth, J., “Finite Element Analysis of Structural Steelwork Beam to Column Bolted Connections”, United Kingdom : Constructional Research Unit, School of Science and Technology, University of Teesside.
3. Documentation and Website of : ABAQUS, ADINA, ANSYS.
Kontributor:
Yevonnael Andrew / Teknik Sipil UPH 2013
