Faktor Keamanan Dalam Perancangan Elemen Mesin

Faktor Keamanan pada awalnya didefinisikan sebagai suatu bilangan pembagi kekuatan ultimate material untuk menentukan “tegangan kerja” atau “tegangan design”. Perhitungan tegangan design ini pada jaman dulu belum mempertimbangkan faktor-faktor lain seperti impak, fatigue, stress konsentrasi, dan lain-lain, sehingga faktor keamanan nilainya cukup besar yaitu sampai 20-30. Seiring dengan kemajuan teknologi, factor keamanan dalam design harus mempertimbangkan hampir semua faktor yang mungkin meningkatkan terjadinya kegagalan. Dalam dunia modern faktor keamanan umumnya antara 1.2 – 3.

Dalam “modern engineering practice” faktor keamanan dihitung terhadap “significant  strength of material”, jadi tidak harus terhadap ultimate atau tensile strength. Sebagai contoh, jika kegagalan melibatkan “yield” maka significant strength adalah yield strength of material; jika kegagalan melibatkan fatigue maka faktor keamanan adalah berdasarkan fatigue; dan seterusnya. Dengan demikian faktor keamanan didefinisikan sebagai :

N = Significant strength of the material/ Working stress

Beberapa referensi juga mendefinisikan faktor keamanan sebagai perbadingan antara “design overload” dan “normal load”. Penentuan nilai numerik faktor keamanan sangat tergantung pada berbagai parameter dan pengalaman. Parameter-parameter utama yang harus diperhatikan adalah jenis material, tipe dan mekanisme aplikasi beban, state of stress, jenis komponen dan lain-lain. Berdasarkan berbagai pengalaman dan parameter-parameter tersebut, telah dikembangkan Codes yang memuat cara perhitungan dan penentuan faktor keamanan untuk berbagai aplikasi khusus. Misalnya ASME B16.5 untuk Flanges, ASME Pressure Vessel Codes, DNV OS F101 Submarine pipeline, dan Code-code yang lain.

Tingkat ketidak-pastian (uncertainty) juga merupakan hal penting yang menentukan nilai faktor keamanan yang digunakan. Berikut adalah beberapa tingkat ketidak-pastian yang harus dipertimbangkan untuk elemen yang mendapat beban statik :

1.      Tingkat ketidak-pastian beban. Pada situasi tertentu, nilai beban yang bekerja pada suatu komponen mesin dapat ditentukan dengan pasti. Seperti misalnya beban gaya sentrifugal pada motor listrik, beban berat kendaraan, beban pada pegas katup sebuah engine dan lain-lain. Tetapi pada kondisi tertentu, nilai beban yang pasti sangat sulit ditentukan. Misalnya beban yang bekerja pada pegas sistem suspense kendaraan di mana terjadi variasi yang sangat besar tergantung kondisi jalan dan cara kendaraan dikendarai. Bagaimana dengan mesin-mesin yang baru diciptakan di mana belum ada pengalaman sebagai referensi? Jadi semakin tinggi tingkat ketidakpastian, maka insinyur harus menggunakan faktor keamanan yang semakin konservatif.

2.      Tingkat ketidak-pastian kekuatan material. Idealnya insinyur mesin harus memiliki pengetahuan dan data yang luas tentang kekuatan material, baik pada kondisi fabrikasi, maupun setelah menjadi komponen mesin. Data-data tersebut haruslah di test pada temperatur dan kondisi lingkungan yang sesuai dengan kondisi aplikasi komponen tersebut. Tetapi dalam kenyataan hal ini sangat sulit dipenuhi.

Kebanyakan data yang tersedia adalah hasil uji pada kondisi temperatur kamar dan pembebanan yang ideal serta ukuran yang berbeda dengan komponen yang sebenarnya. Juga perlu dicatat bahwa sifat material dapat berubah cukup signifikan selama komponen digunakan. Jadi parameter ketidak pastian data material ini perlu dipertimbangkan dalam penentuan faktor keamanan.

3.      Tingkat ketidak-pastian metodologi design dan analysis. Metodologi design dan jenis analisis juga sangat menentukan faktor keamanan dalam suatu perancangan komponen mesin. Hal-hal yang perlu dieprhatikan antara lain adalah (a) seberapa valid asumsi-asumsi yang digunakan serta persamaan standard dalam perhitungan tegangan, (b) akurasi dalam perhitungan faktor konsentrasi tegangan, (c) akurasi dalam meng-estimasi adanya “tegangan sisa” yang timbul saat pembuatan komponen, (d) kesesuaian teori kegagalan yang digunakan dan penentuan “significant strength” material.

4.       Konsekuensi kegagalan – keamanan manusia dan ekonomi. Konsekuensi kegagalan baik terhadap keselamatan manusia maupun ekonomi juga merupakan parameter pertimbangan utama dalam menentukan faktor keamanan. Jika kegagalan yang terjadi dapat membahayakan keselamatan banyak orang atau menimbulkan konsekuensi ekonomi yang besar, maka faktor keamanan yang konservatif perlu digunakan. Contohnya, faktor keamanan yang tinggi diperlukan pada sarana angkutan transporatsi massa, industri minyak-gas.

Selain hal di atas, faktor ekonomi atau biaya yang dibutuhkan juga merupakan pertimbanganutama dalam menentukan faktor keamanan. Angka numerik faktor keamanan yang disarankan sesuai dengan beberapa parameter dan tingkat ketidakpastian.

( Sumber : Buku ajar Dasar Perancangan Mesin By : Dhimas Satria, Untirta)