Analisis Kekuatan Struktur pada Gerbong Datar
Teddy Andreas, Tono Sukarnoto dan Soeharsono*)Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti, Jakarta
*)Corresponding Author. Email: [email protected]
ABSTRACT. The PPCW railroad flatcars is railroad flatcars used to transport container loads with a maximum load capacity
of up to 42 tons. In its use, these railroad flatcars are used to transport the cement bags in the pallet arrangement resulting in crack in the bottom frame of the PPCW railroad flatcars structure. The purpose of this analysis is to find out stress value and deformation value that occurred in the railroad flatcars due to the cement bags loading. The analysis process begins with modeling according to the original size of the railroad flatcars which is then followed by providing the support, gravity, loads, and material specifications used. Based on the result of analysis that has been obtained from the load of cement bags of 546,000 N and ratchet lashing of 900,000 N on the frame of PPCW railroad flatcars, we obtained the maximum von Mises stress value of 231.91 MPa arising on the bottom frame of the PPCW railroad flatcars structure as the site of cracking and the maximum total deformation value of 19.526 mm arising in the center of the railroad flatcars. The PPCW railroad flatcars made from SS400 with yield strength value of 245 MPa. Therefore, it was found that the value of stress arising in the railroad flatcars is still in the safe area and is allowed.
Keywords: railroad flatcars; stress analysis; von Mises stress; total deformation; crack 1. PENDAHULUAN
Dalam proses industri, proses pengangkutan barang merupakan suatu hal yang sangat penting dalam menunjang keberlangsungan proses pemasaran suatu barang. Pengangkutan massal dikenal sebagai salah satu jenis pengangkutan yang dinilai efektif dan efisien dalam mengangkut barang dalam jumlah yang banyak dan jarak tempuh yang jauh. Dalam dunia pengangkutan massal, kereta api merupakan salah satu jenis transportasi yang memiliki peranan yang penting. Rangkaian kereta api dengan gerbong datar yang ditarik oleh lokomotif merupakan jenis pengangkut barang massal yang umumnya digunakan. Dalam perkembangannya, gerbong datar mulai digunakan untuk mengangkut berbagai jenis barang hasil industri di antaranya peti kemas (container), barang curah cair, barang curah padat, barang retail, dan barang packaging [1]. Berbagai jenis gerbong datar dikembangkan sesuai dengan jenis barang yang akan diangkut. Gerbong datar jenis PPCW merupakan gerbong datar yang digunakan untuk mengangkut beban jenis
container dengan nilai kapasitas muat maksimal hingga
42 ton [2]. Dalam penggunaannya, gerbong datar ini difungsikan untuk mengangkut kantong semen dalam susunan palet. Pengemasan semen menggunakan kantong (sack) dengan massa 40 kg dan 50 kg per kantong yang kemudian disusun di atas palet kayu hingga massa 2 ton per palet kayu. Palet kayu tersebut kemudian disusun dan diikat diatas gerbong datar hingga mencapai massa 40 ton per gerbong datar. Dalam proses pengangkutan ini, timbul suatu masalah keretakan pada bagian dasar rangka dari struktur gerbong datar jenis PPCW. Berdasarkan data pengamatan lapangan, keretakan ini timbul kurang lebih 1/3 dari jumlah gerbong datar yang beroperasi untuk mengangkut semen. Penelitian dilakukan dengan menganalisis kekuatan struktur gerbong datar tersebut dalam mengangkut beban berupa semen. Dalam melakukan proses analisis, penulis menggunakan
perangkat lunak ANSYS yang berbasis metode elemen hingga sebagai media bantu untuk proses analisis kekuatan struktur pada gerbong datar. Proses analisis diawali dengan melakukan pemodelan sesuai ukuran asli gerbong datarnya yang kemudian diikuti dengan memberikan tumpuan, gravitasi, beban, dan spesifikasi material yang digunakan. Hasil analisis yang didapatkan berupa tegangan von Mises serta deformasi total yang terjadi pada gerbong datar. Dari hasil tersebut dapat dilihat besar tegangan dan deformasi yang timbul dan kita bandingkan hasilnya dengan spesifikasi materialnya sehingga didapatkan kesimpulan kuat atau tidaknya gerbong datar dalam mengangkut beban berupa semen dan penyebab keretakan pada gerbong datar dalam mengangkut semen.
Gerbong Datar PPCW
Gerbong datar PPCW merupakan jenis gerbong yang paling sederhana bentuknya dan biasanya digunakan untuk mengangkut barang yang berupa peti kemas. Gerbong datar PPCW memiliki banyak keunggulan dibandingkan gerbong jenis lainnya. Salah satunya karena gerbong ini mampu mengangkut multikomoditi. Namun untuk dapat digunakan sebagai alat angkut multikomoditi, gerbong datar harus dimodifikasi terlebih dahulu. Gerbong datar juga memiliki keunggulan dalam hal fleksibilitas, proses pemuatan yang cepat, dan biaya perawatan yang rendah sehingga sering menjadi pilihan bagi perusahaan-perusahaan untuk mengangkut barang dalam jumlah yang banyak.
Berikut adalah komoditi-komoditi yang dapat diangkut oleh gerbong datar PPCW : [3]
• Petikemas 20, 40 feet & Highcube - Refrigrated Container
- Tank Container - Open Side Container - Custom Car Container
- Wing Box Container • Semen dengan sistem paletizer • Pupuk dengan sistem paletizer • Baja Coil
• Baja Wire Rod • Baja Billet
• Kayu bahan baku Pulp & Paper • Pipa Besi
• Kayu Balok
Gambar 1. Gerbong datar PPCW tak bermuatan.
Gambar 2. Gerbong datar PPCW bermuatan semen. Gerbong datar PPCW memiliki rangka yang terbuat dari bahan JIS G3101 SS400 [Lampiran 1]. Gerbong datar PPCW ini dilengkapi dengan komponen utama sebagai berikut : [4]
• Rangka Dasar: Mild Sheet • Bogie: Jenis Barber - Three Piece • Sistem Pengereman: UIC 540, Air Brake
• Alat Perangkai: Automatic Coupler, AAR No. 10A • Twist Lock: Retractable Type - 12 buah
Berikut adalah data-data teknis gerbong datar PPCW : [4]
• Kapasitas Muat Max : 42 ton
• Kecepatan Max : 80 km/jam
• Lebar Sepur : 1067 mm
• Beban Gandar : 15 ton
• Panjang Rangka Dasar : 14600 mm
• Lebar Gerbong : 2438 mm
• Tinggi Lantai Dari Atas Rel : 935 mm
• Jarak Antar Pusat Bogie : 9800 mm
• Tinggi Pusat Alat Perangkai : 775 mm
• Berat Kosong (maksimum) : 14500 kg
Gambar 3. Gambar teknik gerbong datar PPCW (arsip PT Kereta Api Indonesia)
Pengangkutan Semen
Pengangkutan semen menggunakan gerbong datar PPCW merupakan wujud kerja sama antara PT Kereta Api Indonesia dengan PT Indocement Tunggal Prakarsa Tbk. Proses bongkar muat (loading) semen dilakukan di Stasiun Nambo, Bogor, Jawa Barat yang tergolong sebagai Multi Operator Terminal. Multi Operator
Terminal merupakan salah satu jenis kawasan tempat
bongkar muat angkutan barang menggunakan kereta api yang dapat dikelola oleh lebih dari satu perusahaan dan masih dapat dikerjasamakan dengan pihak lain [5].
Gambar 4. Peta lokasi stasiun Nambo.
Berikut adalah rute-rute yang dilalui oleh gerbong datar PPCW dalam mengangkut semen:
• Nambo - Cisaat, Sukabumi, Jawa Barat • Nambo - Kalimas, Surabaya, Jawa Timur • Nambo - Banyuwangi, Jawa Timur • Nambo - Brambanan, Klaten, Jawa Tengah
Dalam operasi mengangkut semen digunakan sistem paletizer, dimana semen-semen akan disusun diatas suatu palet kayu yang kemudian akan diangkat ke atas gerbong datar menggunakan forklift. Palet kayu memiliki ukuran 1200 x 1000 mm dengan tebal 16 cm dan massa 40 kg seperti terlihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Palet kayu ukuran 1200 x 1000 mm. Semen dikemas menggunakan kantong (sack) dengan 2 variasi massa yaitu 40 kg per kantong dan 50 kg per kantong. Setelah semen dikemas, kantong-kantong semen kemudian akan disusun di atas palet kayu dengan susunan 5 kantong per tingkat. Untuk kantong semen dengan massa 40 kg akan disusun 10 tingkat, sedangkan untuk kantong semen dengan massa 50 kg akan disusun 8 tingkat. Susunan kantong dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Susunan kantong semen.
Dari susunan kantong semen pada gambar di atas, maka didapatkan massa semen per palet kayu yaitu 2000 kg. Palet kayu yang telah tersusun kemudian akan diangkat oleh forklift ke atas gerbong datar. Sebuah
gerbong datar dapat dimuati oleh 20 buah susunan palet kayu, susunan palet kayu dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Susunan palet kayu di atas gerbong datar. Susunan palet diikat menggunakan ratchet lashing yang dikaitkan pada badan gerbong datar berkekuatan 2500 kg.
Setelah 20 palet kayu tersusun di atas gerbong datar, maka akan dilakukan pengikatan pertama menggunakan
ratchet lashing sebanyak 2 x 8 yang diikuti penutupan
dengan terpal lapis pertama. Kemudian dilanjutkan dengan pengikatan kedua menggunakan ratchet lashing sebanyak 2 x 10 yang diikuti penutupan dengan terpal lapis kedua. Kemudian dilanjutkan dengan pengikatan akhir menggunakan tali tambang di sekitar terpal.
Akibat dari sistem pengikatan dan penutupan terpal seperti pada gambar diatas, maka didapat untuk satu gerbong datar massa terpal yang digunakan 2 x 60 kg yaitu 120 kg dan massa ratchet lashing serta tali yang digunakan yaitu 36 kg.
Keretakan pada Struktur Gerbong Datar PPCW
Gerbong datar PPCW yang digunakan untuk
mengangkut barang mengalami keretakan pada
strukturnya ketika difungsikan untuk mengangkut semen. Keretakan dideteksi dengan menggunakan metode Dye
Penetrant Inspection (DPI) sehingga permukaan uji
berwarna merah. Bagian struktur dari gerbong datar PPCW yang mengalami keretakan terletak pada daerah bawah gerbong seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 9 dan Gambar 10.
Gambar 10. Posisi struktur gerbong datar yang mengalami keretakan.
Metode Elemen Hingga
Metode elemen hingga merupakan salah satu cara dalam menyelesaikan masalah yang terdapat di alam dengan solusi numerik. Biasanya kejadian di alam dapat dijelaskan dalam persamaan baik itu dalam bentuk differensial atau integral. Karena alasan tersebut metode elemen hingga menjadi salah satu cara dalam menyelesaikan bentuk differensial parsial dan integral. Umumnya metode elemen hingga memungkinkan pengguna untuk mendapatkan evolusi dalam ruang atau waktu dari satu atau lebih variabel yang mewakili dari suatu sistem fisik.
Bila mengacu pada analisa struktur, metode elemen hingga merupakan metode yang baik dalam menghitung
displacement, tegangan, dan regangan pada suatu struktur
dalam pembebanan tertentu [6]. Faktor Dinamis dan Safety Factor
Dalam melakukan analisis terhadap gerbong datar PPCW, asumsi yang diambil yaitu pembeban dinamis dengan memasukkan nilai faktor dinamis didalam pembebanan statis. Berdasarkan Peraturan Menteri Perhubungan Nomor: KM 43 Tahun 2010 Tentang Standar Spesifikasi Teknis Gerbong (Pasal 9) [Lampiran 2], maka diperoleh :
• Faktor dinamis 1,3.
• Tegangan yang diizinkan 75% dari tegangan mulur bahan.
2. METODE
Penelitian ini menggunakan perangkat lunak ANSYS sebagai media bantu analisis yang berbasis metode elemen hingga dengan menggunakan Static Structural
Analysis System pada gerbong datar PPCW.
Pemodelan gerbong datar PPCW dilakukan pada perangkat lunak CATIA sesuai dengan ukuran asli gerbong datar. Pada proses pemodelan, gerbong datar yang semulanya merupakan bagian-bagian yang dilas akan dijadikan 1 komponen. Hasil pemodelan gerbong datar PPCW ditunjukkan oleh Gambar 12.
Gambar 11. Diagram alir analisis metode elemen hingga pada perangkat lunak ANSYS.
Gambar 12. Hasil pemodelan gerbong datar PPCW. Proses meshing dilakukan pada hasil pemodelan gerbong datar PPCW dengan membagi geometri gerbong menjadi bagian-bagian yang lebih kecil yang tersusun membentuk geometri gerbong datar. Semakin kecil ukuran meshing yang dihasilkan maka akan membuat hasil analisis menjadi semakin detail dan akurat. Hasil proses meshing gerbong datar PPCW ditunjukkan oleh Gambar 13 dengan jumlah nodes sebanyak 58204 buah dan elements sebanyak 30345 buah.
Gambar 13. Hasil meshing gerbong datar PPCW.
(a)
(b)
Gambar 14. Hasil penentuan kondisi batas dan jenis pembebanan gerbong datar PPCW.
Pada gerbong datar PPCW pengangkut semen ditentukan jenis tumpuan yang akan digunakan yaitu tumpuan engsel dan tumpuan rol, dimana masing-masing tumpuan akan diletakkan di bagian pin penghubung gerbong dengan boogie. Percepatan gravitasi yang bekerja pada gerbong memiliki arah sumbu Z+ dengan besar 9,8066 m/s2.
Gaya yang terjadi akibat beban semen akan diwakilkan oleh kaki-kaki palet dengan total gaya sebesar 546000 N, dan akibat beban ratchet lashing akan diwakilkan pada tempat pengaitan ratchet dengan total gaya sebesar 900000 N yang terbagi menjadi 2 bagian yaitu 500000 N dan 400000 N.
Hasil penentuan kondisi batas dan jenis pembebanan pada gerbong datar PPCW ditunjukkan oleh Gambar 14.
Dari hasil penentuan kondisi batas dan jenis pembebanan yang digunakan dalam proses analisis gerbong datar PPCW, kemudian akan ditentukan jenis proses analisis yang akan ditempuh agar sesuai dengan kondisi gerbong datar PPCW di lapangan. Walaupun kenyataan di lapangan terdapat nilai-nilai gaya yang akan berubah seiring dengan berjalannya gerbong datar PPCW di atas rel, proses analisis akan dilakukan dengan jenis
Static Structural karena berdasarkan Peraturan Menteri
Perhubungan Nomor: KM 43 Tahun 2010 Tentang Standar Spesifikasi Teknis Gerbong (Pasal 9) [Lampiran 2] dapat dilakukan analisis beban statis yang mencakup analisis beban dinamis dengan memasukkan faktor dinamis pada beban gerbong datar senilai 1,3.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil analisis dari gerbong datar PPCW pengangkut semen sesuai dengan kondisi batas dan jenis pembebanan serta jenis proses analisis yang telah ditentukan sebelumnya disajikan dalam bentuk tegangan von Mises dan deformasi total.
Hasil analisis tegangan von Mises yang terjadi pada gerbong datar PPCW ditunjukkan oleh Gambar 15 dengan nilai tegangan maksimum sebesar 231,91 MPa yang timbul pada daerah rangka bawah gerbong datar sebagai tempat terjadinya retakan.
Gambar 15. Hasil analisis tegangan von Mises Jika kita melihat lebih detail untuk tegangan von Mises yang timbul pada rangka bawah gerbong datar sebagai tempat terjadinya retakan, daerah-daerah kritis dengan nilai tegangan yang cukup tinggi memang terdapat pada setiap sudut sambungan rangka bawah seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 16.
Gambar 16. Hasil analisis tegangan von Mises rangka bawah. Hasil analisis deformasi total yang terjadi pada gerbong datar PPCW ditunjukkan oleh Gambar 17 dengan nilai deformasi maksimum sebesar 19,526 mm yang timbul pada bagian tengah gerbong datar.
Gambar 17. Hasil analisis deformasi total. 4. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil analisis yang telah diperoleh dari pembebanan berupa semen pada gerbong datar PPCW, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Akibat pembebanan berupa kantong semen sebesar 546000 N dan berupa ratchet lashing sebesar 900000 N pada rangka gerbong datar PPCW, diperoleh nilai tegangan von Mises maksimum sebesar 231,91 MPa yang timbul pada daerah rangka bawah gerbong datar sebagai tempat terjadinya retakan dan nilai deformasi maksimum sebesar 19,526 mm yang timbul pada bagian tengah gerbong datar.
2. Gerbong datar PPCW berbahan SS400 dengan nilai
yield strength sebesar 245 MPa. Oleh karena itu,
didapatkan bahwa tegangan yang timbul pada gerbong datar masih berada di daerah aman dan diperbolehkan.
3. Penyebab keretakan yang terjadi pada bagian dasar rangka dari struktur gerbong datar PPCW bukanlah akibat dari lemahnya struktur gerbong datar dalam menopang beban, sebab nilai tegangan maksimum yang timbul pada gerbang datar masih berada pada
daerah aman. Kemungkinan lainnya akibat
ketidakhomogenan sifat material akibat adanya pengelasan saat proses produksi struktur gerbong datar. Namun secara desain struktur gerbong datar ini sudah memenuhi aspek keamanan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] PT Kereta Api Indonesia, 2017, “Angkutan Barang.” [Online]. Tersedia: https://kai.id/. Diakses pada 18 November 2017.
[2] Aset Produksi PT KAI, 2011, “Album Gerbong.” PT KAI: Bandung.
[3] PT Kereta Api Indonesia, 2017, “Nambo”. [Online]. Tersedia: https://cargo.kai.id/page/deskripsi?id=76. Diakses pada 20 November 2017.
[4] PT Kereta Api Indonesia, 2017, “Sarana Gerbong.” [Online]. Tersedia: https://cargo.kai.id/produk/sarana. Diakses pada 20 November 2017.
[5] PT Kereta Api Indonesia, 2017, “Jenis Terminal dan Peta Jaringan Angkutan Barang”. [Online]. Tersedia: https://cargo.kai.id/. Diakses pada 20 November 2017. [6] Onate, Eugenio, 2009, Structural Analysis with the Finite
Element Method Linear Static. Springer: Barcelona. [7] JIS G3101.
[8] Peraturan Menteri Perhubungan Nomor: KM 45 Tahun 2010 Tentang Standar Spesifikasi Teknis Penomoran Sarana Perkeretaapian.
LAMPIRAN
LAMPIRAN 1. Baja JIS G3101 SS400. [8] Tabel L1. Spesifikasi baja JIS G3101 SS400 Density 7860 kg/m3 Young’s Modulus 190 - 210 GPa
Tensile Strength 400 - 510 MPa Yield Strength 205 - 245 MPa Poisson's Ratio 0.26 Brinell Hardness 160 Melting Point 1430 oC
LAMPIRAN 2. Standar Spesifikasi Teknis Gerbong (Peraturan Menteri Perhubungan Nomor: KM 45 Tahun 2010)
