KOMPONEN STRUKTUR JALAN REL DAN PEMBEBANANNYA Nursyamsu Hidayat, Ph.D.
Struktur Jalan Rel Struktur Atas
Struktur Bawah
• Struktur jalan rel adalah struktur elastis dengan pola distribusi beban yang rumit • Sbg gambaran, tegangan kontak antara rel dan roda = 6000 kg/cm2 yang harus ditransfer ke subgrade dengan daya dukung 2 kg/cm2.
2
Struktur Jalan Rel • Struktur bangunan atas: rel (rail); penambat (fastening); bantalan (sleeper, tie) • Struktur bangunan bawah: balas (ballast); subbalas (subballast); tanah dasar (improve subgrade); dan tanah asli (natural gorund). Pada kondisi tertentu balas dapat dibagi menjadi balas atas (top ballast) dan balas bawah (bottom ballast)
3
Kriteria Struktur Jalan Rel
Kriteria Struktur Jalan Rel
Kekakuan / Stiffness
Untuk menjaga deformasi vertikal indikator utama umur, kekuatan, kualitas
Elastisitas / Resilience
Untuk kenyamanan: antisipasi patas as roda, peredam kejut, getaran vertikal
Ketahanan terhadap deformasi tetap
Deformasi vertikal>>> akan menyebabkan deformasi tetap ketidak rataan vertikal, horisontal dan puntir
Stabilitas
Jalan rel tetap pada posisi semula perlu mutu balast yang baik
Adjustabillity
Pemulihan ke geometri yang benar jika ada perubahan krn beban 4
Komponen Beban Jalan Rel
5
Gaya Vertikal • Gaya vertikal merupakan gaya yang paling dominan pada struktur jalan rel • Menyebabkan defleksi vertikal
Gaya vertikal
Gaya lokomotif / locomotive
Gaya kereta / car/ coach
Gaya gerbong / wagon
Faktor Dinamis 6
Gaya Lokomotif 1) Lokomotif BB; • artinya beban ditumpu oleh 2 bogie yg masing2 bogie terdiri 2 gandar, dan satu gandar tdr 2 roda • Misal: – Jika berat lokomotif (Wlok) = 56 ton, maka • Gaya kepala bogie (Pbogie/Pb) = 56/2 = 28 ton • Gaya gandar (Pgandar/Pg) = 28/2 = 14 ton • Gaya roda statis (Pstatis/Ps) = 14/2 = 7 ton Note: gaya gandar dikenal sbg beban gandar/axle load
7
Gaya Lokomotif 2) Lokomotif CC; • artinya beban ditumpu oleh 2 bogie yg masing2 bogie terdiri 3 gandar, dan satu gandar tdr 2 roda • Misal: Jika berat lokomotif (Wlok) = 84 ton, maka
– • • •
Gaya kepala bogie (Pbogie/Pb) = 84/2 = 42 ton Gaya gandar (Pgandar/Pg) = 42/3 = 14 ton Gaya roda statis (Pstatis/Ps) = 14/2 = 7 ton
• Di Indonesia ada 2 jenis loko CC – Loko CC-202, Wlok = 108 ton – Loko CC-201 dan 203, Wlok = 84 ton
8
Gaya Kereta/penumpang • Berat kereta plus muatan = 40 ton • Ditumpu 2 bogie (Pb = 20 ton) • Masing-masing bogie tdr 2 gandar (Pg = 10 ton) • Ps = 5 ton
9
Gaya Gerbong / barang • Berbeda dengan kereta/car/coach yang mengutamakan kenyamanan dan kecepatan; gerbong mengutamakan daya muat, yaitu massal dan berat
10
Faktor Gaya Dinamis • Disebabkan oleh getaran dari kendaraan rel akibat angin, dan kondisi geometri jalan. • Untuk mentransformasi gaya statis ke dinamis menggunakan formula (Formulasi TALBOT) – Ip = 1+0,01(V/1,609-5) – Dengan V: kecept KA (km/jam)
• Lok CC-201 dengan V = 100 km/jam dan Ps = 7 ton – Ip = 1+0,01(100/1,609-5)=1,57 – Pd = Ps * Ip = 7 * 1,57 = 10,99 ton 11
Gaya Transfersal / Lateral • Gaya ini disebabkan adanya gaya sentrifugal, ‘Snake motion’, dan ketidak rataan geometri jalan rel, bekerja pada titik yang sama dengan gaya vertikal di rel. • Gaya ini menyebabkan tercabutnya ‘terpon’ dan geseran pelat tandas (base plate) pada bantalan kayu, sehingga dapat merubah geometri jalan rel, bahaya derailment • Besarnya gaya lateral, dibatasi agar rel roda tidak keluar rel, besarnya adalah: – Plateral / Pvertikal < 1,2
• Pada kondisi dimana rel dan roda sama-sama aus, maka pembatasan lebih kecil, yaitu: – Plateral / Pvertikal < 0,75
12
Gaya Longitudinal • Gaya ini diakibatkan terutama oleh perubahan suhu pada rel (thermal strees), dan untuk konstruksi kereta api modern, dimana dipakai rel panjang (long welded nails), gaya ini sangat memegang peranan penting. • Tambahan pada gaya longitudinal ini adalah gaya adhesi (akibat gesekan roda dan rel) dan gaya rem (akibat pengereman kendaraan rel). 13
Perhitungan Komponen-komponen Kalan Rel
14
Distribusi gaya pada struktur jalan rel Beban dari roda (dinamis) diterima oleh rel, tegangan kontak yang terjadi sangat besar, sehingga menentukan dalam pemilihan mutu baja rel.
Beban rel didistribusikan dari dasar rel ke bantalan dengan perantaraan pelat andas (baseplate, bantalan kayu), ataupun alas karet (rubber pad, bantalan beton)
Beban bantalan didistribusikan dari dasar bantalan ke balas, yang seterusnya didistribusikan ke tubuh jalan rel.
15
Distribusi gaya pada struktur jalan rel
16
Teori perhitungan teganan-tegangan pada komponen jalan rel • Rel dianggap sebagai balok panjang tak terhingga, beban terpusat, ditumpu tumpuan elastis, dengan modulus elastisitas jalan rel (track stiffness = k) p ky ………(1) • dengan; – p = reaksi (merata)/satuan panjang – k = modulus elastisitas jalan rel – y = defleksi 17
Teori perhitungan teganan-tegangan pada komponen jalan rel • Persamaan (1) dideferensiasi menjadi d 4y EI ky 0 4 dx
………..(2)
18
Perhitungan beban terpusat (P) dan Momen (M)
19
Perhitungan beban terpusat (P) dan Momen (M) • Solusi untuk P adalah P x y e cos x sin x 2k P x M e cos x sin x 4
……..(3) …..…(4)
• dengan: – k = modulus elastisitas jalan rel k – = dumping factor/characteristic of the system 4 4EI – I = momen inersia rel pada sumbu x-x – E = modulus elastisitas rel = 2,1 x 106 kg/cm2 – P = Pd = beban vertikal (dinamis roda)
20
Perhitungan beban terpusat (P) dan Momen (M) • M = 0, jika cosx1 - sin x1 = 0 4 4EI x1 4 4 k
• M maksimum (M0), jika cosx1 - sin x1 = 0 P Px1 M0 0.318Px1 4 ………………..(5)
21
Perhitungan beban terpusat (P) dan Momen (M) • Y = 0, jika cosx2 + sin x2 = 0 3 3 4 4EI x2 3x 1 4 4 k
• Y maksimum (Y0) P P P Y0 0.393 2k 8kx1 kx1 ………………..(6)
22
Beban ke Bantalan • Maksimum beban merata di kaki rel adalah (persamaan 1 dan 6) P P ky 0.392 x1 PS Q PxS 0.392 x1
– S: jarak bantalan
• Akibat dari superposisi beberapa beban dan kemungkinan kondisi track yang kurang baik maka beban ke bantalan biasanya diambil dua kali lipat, PS PS Q 2 x 0.392 0.786 ……………(7) x x
1
1
23
Kelas jalan dan Komponen Struktur Jalan Rel
24
Contoh Soal 1 • Hitunglah komponen tegangan pada rel untuk Kelas Jalan I dengan kecepatan rencana 150 km/jam. Beban gandar kereta api sebesar 18 ton dan modulus kekakuan jalan rel diperhitungkan sebagai 180 kg/cm2. Hitunglah momen maksimum yang terjadi pada rel apabila digunakan tipe rel 54 dengan modulus elastisitas rel (E) = 2 × 106 kg/cm2 dan momen inersia (I) = 2346 cm4. 25
Contoh Soal 1 • Transformasikan beban statis ke beban dinamis dengan persamaan TALBOT
26
Contoh Soal 1 • Dumping Factor:
27
Contoh Soal 1 • Momen Maksimum:
28
Contoh 2 • Seperti contoh 1, jika tegangan ijin untuk kelas jalan I dengan Rel 54 adalah 1325 kg/cm2, buktikan bahwa tegangan yang terjadi masih dibawah tegangan ijin tsb
29
Contoh 2
30
Contoh 3 • Contoh 1, hitung beban yang ditumpu bantalan jika jarak bantalan adalah 60 cm
31
Latihan • Hitunglah komponen tegangan pada rel untuk Kelas Jalan III dengan kecepatan rencana 100 km/jam. Beban gandar kereta api sebesar 18 ton dan modulus kekakuan jalan rel diperhitungkan sebagai 180 kg/cm2. Hitunglah momen maksimum yang terjadi pada rel apabila digunakan tipe rel 50 dengan E = 2.1 × 106 kg/cm2 dan momen inersia 1960 cm4. 32
Standar Jalan Rel
33
Kecepatan kereta Kecepatan rencana
Kecepatan yang digunakan untuk merecanakan konstruksi Jalan Rel
Kecepatan maksimum
Kecepatan tertinggi yang diinginkan untuk operasi suatu rangkaian kereta pada lintas tertentu
Kecepatan operasi
Kecepatan rata-rata kereta api pada petak jalan tertentu
Kecepatan komersial
Kecepatan rata-rata sebagai hasil pembagian jarak tempuh dengan waktu tempuh
Kecepatan
34
Kecepatan Rencana • Kecepatan Rencana untuk perencanaan struktur jalan rel V rencana = 1,25 x V maks • Kecepatan Recana untuk Perencanaan Jari-jari Lengkung tikungan V rencana = V maks • Kecepatan Rencana Untuk Perencanaan Peninggian Rel
35
Daya Angkut Lintas • Jumlah angkutan anggapan yang melewati suatu lintasan dalan jangka waktu satu tahun • Daya angkut lintas menjerminkan jenis serta jumlah beban total dan kecepatan kereta api yang lewat di lintasasn tersebut dalan satuan waktu tertentu (Ton/Tahun)
36
Daya Angkut lintas
37
Ruang Bebas Bangunan • Ruang diatas sepur yang senantiasa bebas dari segala rintangan dan benda penghalang yang disediakan untuk lalulintas rangkaian kereta api.
38
39
Ruang Bangunan • Bangunan adalah ruang di sisi sepur yang senantiasa harus bebas dari segala bangunan tetap seperti antara lain tiang semboyan, tiang listrik dan pagar • Batas ruang bangunan diukur dari sumbu sepur pada ketinggian 1 – 3,55 meter • Jarak ruang bangunan a. Pada lintas bebas : 2.35 s/d 2.53 m dari kiri kanan sumbu sepur
b. Pada Emplasemen : 1,95 s/d 2.35 di kiri dan kanan sumbu sepur
c.
Pada Jembatan 2.15 m di kiri dan kanan sumbu sepur 40
Penampang Melintang Jalan Rel
41
42
See You Next Week…..!!
43
