Hitung tegangan termal yang timbul pada bahan yang dibatasi penuh dari modulus Young, koefisien muai panas, dan perubahan suhu. Selesaikan perubahan suhu yang menghasilkan tegangan tertentu, atau gaya penahan pada penampang tertentu.
Stres Termal — σ = E·α·ΔT
Kekakuan material, dalam gigapascal (baja ≈ 200 GPa).
Koefisien muai linier per derajat Celcius (baja ≈ 12×10⁻⁶/°C).
Positif untuk pemanasan, negatif untuk pendinginan.
Selesaikan perubahan suhu — ΔT = σ / (E·α)
Kekakuan material, dalam gigapascal.
Koefisien ekspansi linier per derajat Celcius.
Besaran stres yang ingin Anda capai atau pertahankan, dalam megapascal.
Kekuatan Pengekangan — F = σ·A
Kekakuan material, dalam gigapascal.
Koefisien ekspansi linier per derajat Celcius.
Positif untuk pemanasan, negatif untuk pendinginan.
Luas penampang melintang bagian yang ditahan, dalam milimeter persegi.
Tegangan termal adalah tegangan internal yang timbul pada suatu material ketika perubahan suhu melawan sesuatu yang tidak membiarkannya bergerak.
📋
Panduan langkah demi langkah
Cara menggunakan kalkulator ini
3 langkah▸
1
Pilih tab untuk penyelesaian Anda
Gunakan tab Thermal Stress ketika Anda mengetahui modulus, koefisien muai, dan perubahan suhu serta menginginkan tegangan yang dihasilkan. Gunakan tab Solve ketika Anda mengetahui modulus, koefisien muai, dan tegangan target, serta menginginkan perubahan suhu yang menghasilkannya. Gunakan tab Force ketika Anda juga mengetahui luas penampang dan menginginkan gaya penahan pada penyangga.
2
Masukkan nilai yang Anda ketahui
Modulus Young (E) dalam satuan gigapascal (GPa), koefisien muai panas (α) adalah nilai per derajat Celcius (misalnya 0,000012 untuk baja), dan perubahan suhu (ΔT) dalam derajat Celcius — positif untuk pemanasan, negatif untuk pendinginan. Pada tab Force, luas penampang dalam milimeter persegi (mm²).
3
Baca stres dan tandanya
Kartu hasil menunjukkan besaran tegangan dalam megapascal (MPa) beserta apakah tegangan tersebut bersifat tekan (dari pemanasan) atau tarik (dari pendinginan). Baris interpretasi di bawah ini menjelaskan apa artinya bagi anggota yang ditahan.
⚡
Referensi
Rumus dan metodologi
3 rumus▸
Stres Termal pada Anggota yang Terkendala Sepenuhnya
σ = E·α·ΔT
σ (sigma) adalah tegangan termal dalam pascal, E adalah modulus Young dalam pascal, α (alpha) adalah koefisien muai panas linier material per derajat, dan ΔT adalah perubahan suhu dalam derajat. Formula ini hanya berlaku ketika anggota tersebut sepenuhnya terkendali – tidak dapat memperluas atau menyusutkan sama sekali. Contoh: E = 200 GPa (baja), α = 12×10⁻⁶/°C, ΔT = 30°C → σ = 200.000 MPa × 0,000012 × 30 = 72 MPa.
Memecahkan Perubahan Suhu
ΔT = σ / (E·α)
Dengan menata ulang rumus tegangan termal, Anda dapat menemukan perubahan suhu yang akan menghasilkan tegangan tertentu — berguna untuk memeriksa berapa banyak pemanasan atau pendinginan yang dapat ditoleransi oleh bagian yang ditahan sebelum mencapai tegangan maksimum yang diijinkan.
Kekuatan Pengekangan
F = σ·A
Setelah Anda mengetahui tegangan termalnya, mengalikannya dengan luas penampang (A) akan menghasilkan gaya total yang diberikan oleh bagian tertahan pada benda yang menahannya — jumlah yang dibutuhkan seorang insinyur untuk mengukur jangkar, las, atau sambungan ekspansi.
📖
Glosarium
Penjelasan istilah penting
6 istilah▸
Tegangan internal yang timbul pada suatu bahan ketika bahan tersebut dicegah untuk mengembang atau menyusut secara bebas seiring dengan perubahan suhu. Berbeda dengan tegangan mekanis biasa akibat beban yang diterapkan, tegangan termal muncul murni dari perubahan suhu yang terkendali: σ = E·α·ΔT.
Sifat material (α, alpha) yang menggambarkan seberapa besar perubahan panjang suatu material per derajat perubahan suhu, per satuan panjang. Diukur dalam 1/°C atau 1/°F. Baja memiliki suhu sekitar 12×10⁻⁶/°C; aluminium kira-kira dua kali lipat dari suhu sekitar 23×10⁻⁶/°C.
Menjelaskan suatu komponen struktur yang secara fisik tidak dapat berubah panjangnya — terfiksasi pada kedua ujungnya, tertanam dalam struktur yang kaku, atau tidak dapat mengembang atau berkontraksi secara bebas. Tegangan termal hanya terjadi pada bagian yang setidaknya dibatasi sebagian; batang yang berdiri bebas yang dapat mengembang tanpa hambatan menghasilkan tegangan termal nol.
Ukuran kekakuan suatu material, yang didefinisikan sebagai rasio tegangan terhadap regangan pada daerah elastis (E = σ/ε). Baja sekitar 200 GPa. Bahan yang lebih kaku (E lebih tinggi) menghasilkan tegangan termal yang lebih besar untuk perubahan suhu dan koefisien muai yang sama.
Perbedaan antara suhu material saat ini dan suhu saat material tersebut dipasang atau saat bebas tegangan terakhir, dalam derajat. ΔT positif (pemanasan) mendorong kompresi pada bagian tertahan; ΔT negatif (pendinginan) mendorong ketegangan.
Kegagalan pembengkokan atau pembengkokan secara tiba-tiba dalam skala besar yang terjadi ketika tegangan termal tekan pada komponen struktur yang ditahan - seperti panjang rel yang dilas terus-menerus pada hari yang panas - melebihi kemampuan komponen struktur untuk ditahan ketika tetap lurus. Kesenjangan ekspansi dan pra-tarik adalah cara umum untuk mencegahnya.
👥
Skenario
Contoh dalam kehidupan nyata
3 contoh nyata▸
🚆
Rel yang Dilas Terus Menerus
Stres termal akibat lonjakan panas musim panas
Modulus Young (E) 200 IPKKoefisien ekspansi (α) 0,000012 /°CPerubahan suhu (ΔT) 30°C
σ = E·α·ΔT = 200.000 MPa × 0,000012 × 30 = tegangan tekan 72 MPa. Rel dipasang dan ditambatkan pada suhu 'netral' yang ditetapkan; kenaikan suhu sebesar 30°C di atas suhu tersebut pada hari yang panas akan menekannya secara internal karena tidak dapat mengembang — inilah mekanisme di balik tekuk rel ('matahari kekusutan') pada jalur yang tidak teduh.
Pada tab Selesaikan, ΔT = σ / (E·α) = 150 MPa / (200,000 MPa × 0,000012) = 62,5°C. Jika tegangan izin perancang adalah 150 MPa, komponen struktur yang ditahan dapat mentolerir ayunan hingga 62,5°C dari suhu pemasangan bebas tegangan sebelum batas tersebut tercapai.
🔩
Mengukur Jangkar
Kekuatan penahan pada braket 500 mm²
Modulus Young (E) 200 IPKKoefisien ekspansi (α) 0,000012 /°CPerubahan suhu (ΔT) 30°CLuas penampang (A) 500 mm²
Pada tab Gaya, σ = 72 MPa (dari masukan yang sama seperti contoh pertama) dan F = σ·A = 72 MPa × 500 mm² = 36.000 N. Seorang insinyur yang mengukur jangkar atau las yang menahan komponen struktur ini perlu merancang setidaknya gaya penahan ini.
🔗
Referensi
Sitasi kalkulator ini
APA & MLA▸
Gunakan salah satu format ini untuk menyitasi kalkulator dalam makalah, laporan, atau daftar sumber.
Tegangan termal adalah tegangan internal yang timbul pada suatu material ketika perubahan suhu melawan sesuatu yang tidak membiarkannya bergerak. Ini adalah pertimbangan rutin dalam desain rel, saluran pipa, jembatan, dan bangunan — di mana pun material jangka panjang dipasang di tempatnya dan akan terjadi perubahan suhu nyata selama masa pakainya.
Mengapa Pengendalian Lebih Penting Daripada Suhu Saja
▸
Bahan yang benar-benar bebas untuk memuai atau menyusut terhadap suhu - misalnya batang lepas yang diletakkan di atas permukaan tanpa gesekan - tidak akan mengalami tegangan termal apa pun, tidak peduli seberapa besar perubahan suhunya. Tegangan termal hanya muncul ketika ada sesuatu yang mencegah perubahan panjang alami tersebut: penyangga tetap di kedua ujungnya, struktur sekeliling yang kaku, atau las yang menahan bagian pipa pada tempatnya. Rumus σ = E·α·ΔT menggambarkan hal ini secara langsung — rumus ini menghitung tegangan yang diperlukan untuk memaksa material kembali ke bentuk aslinya, panjang tak terkendali setelah perubahan suhu ΔT. Semakin besar perubahan suhu, semakin kaku material (semakin tinggi E), dan semakin besar keinginan untuk memuai per derajat (semakin tinggi α), semakin besar tegangan yang dihasilkan.
Ketegangan, Kompresi, dan Mengapa Rel Gesper
▸
Memanaskan anggota tubuh yang terkekang membuatnya ingin memanjang; karena tidak bisa, ia terjepit secara efektif — tekanan tekan. Pendinginan memiliki efek sebaliknya: anggota ingin menyusut, dan ditahan pada panjang aslinya akan membuatnya tegang. Tegangan termal tekan merupakan modus kegagalan yang lebih dramatis dalam praktiknya, karena komponen struktur ramping yang mengalami kompresi tinggi dapat tiba-tiba tertekuk ke samping, bukan sekadar hancur — hal inilah yang menyebabkan 'ketegaran matahari' pada rel yang dilas terus-menerus pada hari yang panas, ketika rel yang dipasang dan ditambatkan selama cuaca dingin mengalami kompresi jauh melebihi ambang batas tekuknya begitu panas di musim panas tiba.
Mengapa Insinyur Menggunakan Kesenjangan dan Sambungan Ekspansi
▸
Karena tegangan termal pada bagian yang tertahan sepenuhnya berskala langsung dengan perubahan suhu, salah satu mitigasi yang paling efektif adalah dengan tidak menahannya sepenuhnya. Sambungan muai pada jembatan, trotoar, dan saluran pipa memberikan struktur suatu tempat untuk bergerak sehingga tegangan penuh σ = E·α·ΔT tidak pernah timbul. Jika pengekangan penuh tidak dapat dihindari — rel yang dilas, batang penguat tertanam, bejana tekan — perancang justru memperhitungkan kisaran suhu yang diharapkan di awal, memilih suhu pemasangan yang 'netral' dan batas tegangan yang tidak boleh dilampaui oleh komponen struktur, yang persis seperti perhitungan yang dilakukan tab Solve secara terbalik.
❓
Pertanyaan
Pertanyaan umum
6 pertanyaan▸
Apa rumus tegangan termal?+
σ = E·α·ΔT, dengan E adalah modulus Young, α adalah koefisien muai panas bahan, dan ΔT adalah perubahan suhu. Rumus ini berlaku khusus untuk anggota yang sepenuhnya dibatasi — anggota yang tidak dapat memperluas atau berkontraksi sama sekali.
Mengapa rel melengkung saat cuaca panas?+
Rel yang dilas secara terus-menerus ditambatkan pada suhu pemasangan 'netral' yang tetap dan tidak dapat mengembang saat memanas. Pada hari yang panas, kenaikan suhu di atas netral menghasilkan tegangan termal tekan (σ = E·α·ΔT); jika tegangan tersebut melebihi ketahanan tekuk rel, rel tiba-tiba membungkuk ke samping — suatu kegagalan yang disebut 'sun kink'.
Apakah tegangan termal adalah tegangan atau kompresi?+
Hal ini tergantung pada arah perubahan suhu. Memanaskan bagian yang ditahan (ΔT positif) menimbulkan tegangan tekan, karena bahan ingin memuai tetapi tidak bisa. Mendinginkannya (ΔT negatif) menimbulkan tegangan tarik, karena material ingin menyusut tetapi tetap pada panjang aslinya.
Satuan apa yang digunakan kalkulator?+
Modulus Young dimasukkan dalam gigapascal (GPa), koefisien muai dalam 1/°C, dan perubahan suhu dalam derajat Celcius. Hasilnya ditampilkan dalam megapascal (MPa) untuk tegangan dan newton (N) untuk gaya pengekangan pada tab Force.
Bagaimana jika materinya bebas untuk diperluas?+
Bahan yang tidak terikat sama sekali akan menghasilkan tegangan termal nol berapa pun besar perubahan suhunya — rumus σ = E·α·ΔT hanya berlaku untuk bagian yang tidak dapat diubah panjangnya. Inilah sebabnya mengapa sambungan ekspansi dan celah digunakan untuk menghilangkan tekanan termal pada struktur nyata.
Bisakah saya mengatasi perubahan suhu dan bukan stres?+
Ya — gunakan tab Selesaikan. Mengingat modulus Young, koefisien muai, dan tegangan target, maka rumus tersebut akan diatur ulang menjadi ΔT = σ / (E·α), sehingga menghasilkan perubahan suhu yang akan menghasilkan tegangan tersebut pada komponen struktur yang terkekang penuh.
📄
Simpan & bagikan
Dapatkan PDF hasil dengan merek Calculover
Unduh PDF satu halaman berisi hasil Anda. Masukkan alamat email untuk menerima kiat kalkulator sesekali. Tanpa spam, dan Anda dapat berhenti berlangganan kapan saja. Privasi.