Fatigue secara teoritis adalah kelelahan material akibat beban yang berulang-
ulang. Walaupun belum mencapai titik leleh material. Seperti kawat yang kita
bengkokan kedua arah yang berlawanan secara berulang terus menerus
Pertanyaan : (Abraham Imam)

Saya ingin menanyakan beberapa hal mengenai fenomena fatigue dlm disain.
1. Apakah fenomena fatigue itu semata-mata disebabkan karena permukaan geometri
struktur yg tidak sempurna (imperfection), sehingga timbul crack initiation
dan lalu merambat hingga failure ? Beban yg terjadi masih dibawah yield dan
terjadi secara berulang kali. Atau ada sebab lain ?
2. Apakah ada fenomena fatigue dlm sistem struktur plastis (misalnya dlm struktur
yg di disain plastis) ?

Mohon pencerahan dari para ahli2 struktur kita.


Tanggapan 1 :
(Harahap Dame)

Fatigue secara teoritis adalah kelelahan material akibat beban yang berulang-
ulang. Walaupun belum mencapai titik leleh material. Seperti kawat yang kita
bengkokan kedua arah yang berlawanan secara berulang terus menerus. Beban pembengkokan
tidak perlu besar, cukup perlahan namun terus menerus akan membuat kawat
mengalami kelelahan bahan. dari kurva tegangan-regangan akan terlihat tegangan
yang kecil namun regangan yang besar melampaui batas lelehnya bahan.

Dalam disain menurut cara plastis, kita melakukan disain dengan mengabaikan
hal tersebut.Dalam disain plastis kita memfokuskan mekanisme keruntuhan dari
suatu struktur (jadi bukan mekanisme pembebanannya)sedemikian rupa sehingga
diperoleh pratanda sebelum struktur runtuh. Mekanisme ini yang kita atur secara
aman bagi pemakai struktur.

Tanggapan 2 : (Alex Elpianto Kajuputra)

Akibat beban siklik yang terjadi terus menerus akan mengakibatkan penurunan
kapasitas daya tekan batang yang cukup besar. Sebuah beban siklik yang kuat
dapat menyebabkan kapasitas tekan yang ada cuma 50% dari kapasitas awalnya.

Lebih lanjut akibat pemberian regangan tarik awal pada batang tekan dapat menurunkan
kapasitas tekannya sampai 25%.

Hasil tersebut saya kutip dari article "On California Structural Steel
Seismic Design" (Popov E.P. 1986.) dimana Popov melakukan penelitian dengan
memberikan beban siklik pada sebuah batang baja.

Apakah phenomena tersebut di atas dapat dianggap sebagai fatigue failure? Padahal
selama ini banyak yang beranggapan fatigue itu terjadi setelah struktur berumur
cukup panjang (20-30 thn?).

Peraturan-peraturan konvensional yang ada hanya menekankan pada kapasitas statik
ultimit dari batang tekan dengan faktor keamanan tertentu. Pada kenyataannya
perilaku batang tekan akibat beban siklik sangat berbeda dengan yang diperkirakan
oleh peraturan-peraturan tersebut yang berdasarkan pada beban static.

Demikian sekilas info……

Tanggapan 3 : (Humala Oloan)

Menambahkan pencerahan dari Bang Dame,
Fenomena fatigue tsb tdk hanya disebabkan oleh permukaan geometri struktur yg
tidak sempurna saja melainkan meliputi seluruh imperfection didalam material
tsb seperti porosity dll. Fatigue terjadi bila tegangan kerja (Average max and
min stress value for the cycle) melebihi fatigue limit material tsb yang merupakan
fungsi dari jenis material dan imperfection /notch sensitivity.

Tanggapan 4 : (Ismadi Sabandi)

Fatique sangat tergantung dengan factor takikan (Notch), semakin sempurna geometri
permukaan suatu struktur maka fatique life-nya akan semakin tinggi. atau design
beban bekerja pada material dibawah Endurance limit dari kurfa S-N material
tersebut sehingga bisa didapatkan siclicly life yang tak hingga sehingga umur pakai material panjang.

Phenomena fatique kebanyakan terjadinya karena dinamik load dan adanya factor
takikan pada material , pada beban statik tidak pernah ada . Permukaan patahan
fatique selalu ditandai dengan adanya beach mark (garis pantai) pada permukaan
patahan dari material yang terkena fatique. Jika Pa Imam mau menganalisa failure
karena fatique maka harus dilakan foto makro pada permuka patahan dari struktur
dan dilihat apa ada timbul beach mark atau tidak. Jika ada beach mark pasti
fatique failure.

Di Struktur Baja AWS D1.1 mengatur dan mengelompokan beberapa kategori surface
permukaan struktur dan berikut kurfa S-N kalau perlu saya ada. Demikian semoga
bisa membantu

Tanggapan 5 : (A. Taufik)

Fatigue adalah fenomena kegagalan logam dan struktur akibat adanya pembenanan
cyclic yang menghasilkan tegangan baik dibawah maupun diatas yield strength
material. Retak dapat lahir dan merambat sehingga luas permukaan benda tidak
dapat menahan beban lagi dan akhirnya fracture. Biasanya pada saat akhir ini
kegagalannya bersifat tiba2 (catastrophic-failure) walaupun perambatan retaknya
bisa bertahun-tahun.

Untuk melawan fatigue ada beberapa pendekatan yakni :

1. Infinite Life Design berdasarkan Stress – Life Curve (kurva S-N)

Kurva S-N dibuat berdasarkan stress-controlled fatigue test. Untuk baja dari
kurva S-N akan didapat endurance limit, atau batas lelah (bukan titik leleh
!). Dari sini engineer mendisain agar beban operasi tidak menghasilkan stress
diatas batas lelah ini. Dengan demikian komponen mesin akan memiliki umur tidak
terhingga (infinite). Makin keras material semakin tinggi nilai endurance limitnya
sehingga semakin tahan material terhadap crack initiation (utk low strain or
stress).
Semakin kasar permukaan (termasuk adanya cacat mikro maupun makro, sambungan,
lasan, korosi) semakin rendah ketahan fatigue karena adanya stress raiser di
lokasi tersebut. Jadi untuk kasus ini ketahan fatigue dikendalikan oleh tingkat
kekerasan material. Pendekatan ini cocok untuk disain komponen mesin yang memiliki
putaran /rpm tinggi dan komponen struktur.

2. Safe-Life Design berdasarkan Strain-Life Curve (kurva E-N)

Kurva S-N dibuat berdasarkan strain -controlled fatigue test.
Untuk baja dari kurva E-N akan tidak didapat endurance limit, atau batas lelah
tetapi sifat fatigue material (fatigue strength dan fatigue ductility).

Berlainan dengan kurva S-N, kurva E-N dibangun dari test menggunahan cyclic
plastic stress (or strain) deformation. Dari sini engineer dapat melihat ketahan
material terhadap cyclic plastic deformation. Berguna untuk mendisain kompoen
mesin / struktur yang dikenai cyclic strain yang besar.

Untuk high strain or stress ini, semakin ulet material semakin tahan terhadap
low cycle fatigue (kebalikan dari yang tadi) dan semakin keras material semakin
rendah ketahannya terhadap low cycle fatigue. Jadi dalam hal ini ketahan fatigue
dikendalian oleh keuletan material (% elongation).

Penggunaan E-N ini pada pipa thermal, boiler, HE, reactor, dsb.

Kurva S-N dan kurva E-N digunakan untuk melawan fatigue pada komponen yang
tidak memiliki crack initation site (permukaan relatif halus/rata). Namun untuk
melihat perilaku fatigue pada material yang sudah memiliki cacat (pre-crack)
maka digunakan metoda fracture mechanics.

3. Damage Tolerance Design (da/dN vs delta K)

Jika sekarang komponen mesin atau struktur sudah memiliki cacat (retak) akibat
welding, korosi, aus, dsb dan dikenai beban siklik, maka kedua metoda diatas
sudah tidak dapat dipakai lagi. Tapi harus menggunakan pendekatan fracture mechanics.
Pada dasarnya metoda ini melihat perambatan retak (crack growth) untuk memprediksi
perlaku retak dan menentukan ukuran kritis. Retak dalam ukuran tertentu masih
dapat dibiarkan ada, asal dimonitor laju perambatannya dan komponen masih dapat
dibiarkan beroperasi (damage tolerance design). Waktu dari ukuran retak hasil
inspeksi terkini menuju ukuran kritis disebut dengan Remaining Life.

Parameter internal yang mengendalikan perambatan retak sekarang adalah fracture
toughness material, makin tangguh material main tahan terhadap crack propagation
(tapi belum tentu terhadap crack initiation !)

Contoh penggunaan damage tolerance design lebih banyak pada stationary equipment
yang sudah memiliki defect / cacat (pipeline, pressur vessel, pipe, struktur
jembatan, offshore, rig) yang memiliki frekwensi cyclic loading or tempature
relatih rendah dibanding rpm mesin rotating, tetapi bukan berarti benda2 tadi
pada disain awal tidak menggunakan pendekatan S-N curve !.

Dalam masalah fatigue tentu saja faktor : alloying, metal processing, temperature,
jenis pembenanan, stress ratio, lingkungan, semua mempengaruhi pola dan laju
inisiasi dan perambatan retak akibat fatigue ini.sehingga mempengaruhi umur
fatigue dari komponen mesin atau struktur tersebut.

Referensi untuk fatigue test diatur oleh ASTM, untuk disain oleh ASME, SEA,
untuk evaluasi industri darat oleh API, dan untuk disain dan evaluasi struktur
offshore diatur oleh DNV standard code.

Untuk mendalami fatigue dapat dilihat di buku2 dasar mekanik, or you just go
to the internet and type the magic words such as : "fatigue, crack, cyclic
loading, dynamics failure, fatigue of bridge", etc, wait for a while …
you will be amaze ….. then overwhelmed ….. then FATIGUE alias capek / lelah.

Tanggapan 6 : (Sugeng Waluyo)

Ingin urun rembug masalah "fatigue". Tapi saya pakai gaya mahasiswa
saja biar lebih ringan bebannya (maklum asline bukan orang fatigue)

Fatigue sebab utamanya berasal dari retak dan spectrum beban khusus. Sementara
retak sebenarnya merupakan kasus khusus dari stress concentration, atau saya
pribadi mengistilahkan "infinite stress concentration" (ini istilah
made in sugeng, moga-moga tidak terlalu salah). Hanya karena perumusan untuk
stress concentration gagal mengantisipasi fenomena fisik dari retak maka hal
tersebut menjadi kajian lain. Prinsipnya, selama ada diskontinuitas pada material
yg menyebabkan lokal stress didaerah tersebut tidak bisa dihitung dengan cara
konsentrasi tegangan , berarti itulah pemicu kegagalan fatigue.

Secara analitik yg menjadi kajian mekanika retak yaitu, panjang retak, material,
tipe pembebanan terhadap arah retak plus spektrum beban. Jadi apapun bentuk
dan desain komponen atau materialnya kajian yg dilakukan tetap dalam kerangka
hal-hal diatas.

Mungkin itu saja jawaban sederhana saya. Mohon koreksi sebesar-besarnya. Untuk
Bapak/Ibu Pakar-Pakar Fatigue yg pernah mengikuti Full Scale Fatigue Test CN-235
mohon berkenan ikut menyumbangkan ilmunya.

Tanggapan 7 : (Astra Media)

Fatigue alias capek / lelah yang meminjam istilahnya Pa’ A.taufik itu merupakan
kegagalan getas suatu paduan yang menanggung beban yang berfluktuatif dalam
lingkungan korosif, dimana stress levelnya dibawah tegangan luluh dengan penjalaran
retakannya lambat.

Retakan atau patah karena faktor capek paduan dapat berawal dari tempat yang
mengalami pemusatan tegangan, yang mungkin diakibatkan adanya cacat notch tegangan
setempat yang tinggi, bahkan melampaui batas luluh material akibatnya akan terjadi
deformasi plastis dalam skala yang mikroskopis.

Dari tempat tsb akan berawal retak lelah, selanjutnya akan merambat dan perambatan
retakan terjadi sejalan dengan adanya beban yang berfluktuasi, bila retakan
terus merambat mengakibatkan penampang yang tersisa tidak kuat lagi menahan
beban yang ada dengan demikian material akan patah.

Untuk mengendalikan Phenomena capek ini dapat dilakukean mengurangi pembebanan
stress yang bekerja pada material itu dengan heat treatment pengurangen tegangan
dalam dan membuat tegangan kompresi dipermukaan ato istilahnya shot peening.

Demikian sekilas info,jika terdapat kesalahan dalam penjelasan di atas mohon
maaf dan mohon untuk dapat dibetulken,

Tanggapan 8 : (Abraham Imam)

Trima kasih Bapak2 yg sudah urun pendapatnya.
Tentu saja semua masukan tadi memberi pencerahan thd saya dlm memahami fenomena
fatigue ini.

Ternyata fatigue juga bisa terjadi pada disain plastis (tegangan actual melebihi
yield stress). Dan terjadinya fatigue dimulai adanya dikontinuitas karena faktor
alloying, metal processing, temperature, dll, maka menyebabkan konsentrasi tegangan
yg bisa menimbulkan crack (initiation), kemudian merambat hingga failure (umumnya
catastrophic-failure).