Komponen dan Disain Rel

(1)

Kuliah

Prasarana

Transportasi

Pertemuan

Minggu

Ke

-

3

3 Komponen dan Disain Rel

Sri Atmaja P. Rosyidi, ST., M.Sc.(C.Eng), P.E.

Staff Pengajar Bidang Transportasi Jurusan Teknik Sipil UMY

(2)

Komponen Rel

Suatu komponen rel terdiri dari 4 bagian, yaitu :

• Permukaan Rel untuk Pergerakan KA,

running surface (Rail Thread) • Kepala Rel (Head)

• Badan Rel (Web) • Dasar Rel (Base)

(3)

Fungsi Rel

Komponen rel berfungsi sebagai :

1. Penerima beban langsung dari kendaraan sebelum didistribusikan ke komponen lainnya.

2. Mengarahkan jalannya kendaraan rel.

3. Unsur pengikat dalam membentuk struktur jalan rel.

Rel merupakan komponen baja longitudinal yang secara langsung menuntun pergerakan roda kereta api secara berterusan. Oleh itu, harus memiliki nilai kekakuan balok tertentu sehingga perpindahan beban titik roda dapat menyebar secara baik pada tumpuan di bantalan dan tidak menimbulkan defleksi permanen pada balok rel di antara titik tumpuan.

(4)

Jenis-Jenis Rel yang digunakan

oleh PT.KA Indonesia

Tipe Berat (kg/m) Tinggi (mm) Lebar Kaki (mm) Lebar Kepala (mm) Tebal Badan (mm) Panjang Standar/ normal (m) R2/ R25 25,74 110 90 53 10 6,80-10,20 R3/ R33 33,40 134 105 58 11 11,90-13,60 R14/ R41 41,52 138 110 68 13,5 11,90-13,60-17,00 R14A/ R42 42,18 138 110 68,5 13,5 13,60-17,00 R50 50,40 153 127 63,8 15 17,00 UIC 54/ R54 54,40 159 140 70 16 18,00/24,00

(5)

Berbagai Ukuran Standar pada

Beberapa Rel Indonesia

(6)

CONTOH GAMBAR

REL INDONESIA … (1)

(7)

CONTOH GAMBAR

REL INDONESIA … (2)

(8)

Penggunaan Rel Berdasarkan

Kelas Jalan Rel (PD.10, 1986)

Kelas Jalan

Tipe Rel

I

II

III

IV

V

R.60/R.54

R.54/R.50

R.54/R.50/R.42

R.42

(9)

Jenis, Komposisi Kimia dan

Kekerasan Rel… (1)

• Rel dipilih dan disusun dari beberapa komposisi bahan kimia sedemikian sehingga dapat tahan terhadap keausan akibat gesekan akibat roda dan korositas. Dalam klasifikasi UIC dikenal 3 macam rel tahan aus (wear resistance rails – WR), yaitu rel WR-A, WR-B dan WR-C.

• Rel yang digunakan di Indonesia (PJKA) saat ini merupakan rel WR-A, dimana termasuk jenis baja dengan kadar yang tinggi (high steel carbon), sedangkan WR-B dan WR-C

merupakan baja dengan kadar C yang sedang dan rendah. • Percobaan di laboratorium (Masutomo et al. 1982)

menunjukkan bahwa rel dengan kadar karbon yang tinggi lebih tahan aus daripada baja berkadar karbon sedang.

(10)

Jenis, Komposisi Kimia dan

Kekerasan Rel… (2)

Jenis Rel

C

Mn

WR-A

0,60 – 0,75

0,80 – 1,30

WR-B

0,50 – 0,65

1,30 – 1,70

WR-C

0,45 – 0,60

1,70 – 2,10

PJKA

0,60 – 0,80

0,90 – 1,10

(11)

Pengukuran

Keausan

Rel

• Keausan rel maksimum yang diijinkan oleh PD 10 tahun 1986 diukur dalam 2 arah yaitu pada sumbu vertikal (a) dan pada arah 45° dari sumbu vertikal (e).

• e_maksimum = 0,54 h – 4

• a_maksimum = dibatasi oleh kedudukan kasut roda dan pelat

sambungan. Nilai maksimum keausan rel vertikal tercapai pada saat yang bersamaan dengan keausan maksimum pada roda dan sayap kasut roda (flens) tidak sampai menumbuk pelat sambung.

(12)

Rel dengan Komposisi Khusus

Jenis rel khusus yang dipakai adalah rel tahan aus yang sejenis rel WIC-WRA, dengan Komposisi Kimia tersebut dalam Tabel berikut ini.

(13)

Sifat Kekerasan Rel Khusus

Sifat pengerasan rel terbagi atas : pengerasan ujung

dan kepala rel. Di bawah ini adalah contoh

(14)

Rel dengan Pengerasan di Kepala

(

Head Hardened Rails

)

Rel dengan pengerasan di kepala banyak digunakan di lintas yang berat dan padat. Besarnya tegangan kontak pada rel, distribusi geser dapat menyebabkan keausan yang tinggi, sehingga dirancang rel dengan pengerasan ujung (end-hardened rails) dan kepala (head hardened rails). Kepala rel dengan tebal 10 mm mempunyai kekuatan hingga 13.000 kg/cm2 _{dan bagian badan 9000 kg/cm}2

sehingga dapat menurunkan keausan akibat beban lelah (fatigue).

(15)

Gambar Rel dengan Pengerasan di

Kepala (

Head Hardened Rails

)

(16)

Contoh Rel yang Digunakan oleh

Negara Lain (North America, etc.)

(17)

KONSEP DISAIN DIMENSI REL … (1)

PERTIMBANGAN GEOMETRIK REL :

1. Permukaan harus cukup lebar untuk membuat

tegangan kontak sekecil mungkin.

2. Kepala rel harus cukup tebal untuk memberikan

umur manfaat yang panjang.

3. Badan rel harus cukup tebal untuk menjaga dari

korosi dan tegangan lentur serta tegangan

horisontal.

4. Dasar rel harus cukup lebar untuk dapat

mengecilkan distribusi tegangan ke bantalan.

5. Dasar rel juga harus tebal untuk tetap kaku dan

(18)

KONSEP DISAIN DIMENSI REL … (2)

6. Momen inersia harus cukup tinggi.

7. Tegangan horisontal direduksi oleh kepala dan

dasar rel yang cukup lebar.

8. Stabilitas horisontal dipengaruhi oleh

perbandingan lebar dan tinggi rel yang cukup

9. Titik Pusat sebaiknya di tengah rel.

10. Geometrik badan rel harus sesuai dengan pelat

sambung.

11. Jari-jari kepala rel harus cukup besar untuk

mereduksi tegangan kontak.

(19)

Konsep Pembebanan

Q : Beban Roda per Rel Y : Beban Lateral per Rel

T : Beban Longitudinal per Rel N : Beban akibat Suhu

(20)

Perhitungan Dimensi Rel

Ym

k

Fm

P

Mm

k

P

Ym

⋅

=

λ

4

2

(21)

Flow Chart of Rail Design

Calculate Ps Calculate Pd

Rail Parameters: Rail Type,

Rail Moment of Inertia, Rail Modulus of Elasticity, Section Modulus Base, Track Stiffness Traffic Design, Speed Design Calculate M_a = 0.85 M_max σ = (M_a× y)/I_x S_base = M_a/W_b

(22)

(23)

Pengaruh Jumlah Gandar Lok. CC

(

)

λ λ λ λ λ 4 82 , 0 sin cos 4 6 1 P Ma x x e P Ma x i = − = − =

∑

(24)

Pengaruh Jumlah Gandar Lok. BB

(

)

λ λ λ λ λ 4 75 , 0 sin cos 4 4 1 P Ma x x e P Ma x i = − = − =

∑

(25)

Tanpa

Pengaruh

Konfigurasi

Gandar

Jika konfigurasi roda tidak diperhitungkan maka

digunakan persamaan reduksi momen sebagai berikut :

4 λ

P

0,85

(26)

Contoh

Perhitungan

• Diketahui Kelas Jalan V dengan daya lintas 2 juta ton per tahun. Tekanan gandar yang dibebankan oleh lokomotif CC sebesar 18 ton. Rencanakan profil rel yang sesuai !

Diketahui :

• Digunakan profil R-42, data perancangan (PD 10 tahun 1986, lihat Tabel) sebagai berikut :

• Kelas Jalan IV dengan V_rencana = 1,25 V_maksimum = 1,25 (80) = 100 km/j

• Kekakuan jalan rel = 180 kg/cm2

• Momen inersia R 42 = 1369 cm4

(27)

Perhitungan

Momen

Maksimum

4 1 1369 10 1 2 4 180 4 5 609 1 100 01 0 1 9000 82 0 6 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ × × × ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ₋ + = = , , , , 4λ P 0,82 Ma Ma = 259217.57 kgcm

(28)

Tinjauan

Tegangan

Ijin

Jalan

Rel

σ

x

=

X

I

y

M

×

=

1369

86

6

57 259217

.

×

.

= 1297.035 kg/cm

2

( < 2000 kg/ cm

2

)…OK!

(29)

Tinjauan

Tahanan

Momen

S

base

=

Wb

Ma

₌

200 259217.57

= 1296.09 kg/cm

2

( < 1343.5 kg/ cm

2

)…OK!

(30)

Aspek

“

Ketahanan

dan

Stabilitas

”

Rel

Disain untuk Pasca Konstruksi ?

Aspek Tinjauan :

1. Ketahanan = Umur Rel

(31)

Umur

Rel

_Rel

Umur rel sangat tergantung kepada mutu rel, keadaaan lingkungan dan beban yang bekerja.

Umur rel dapat ditentukan dari : 1. Kerusakan ujung rel

2. Keausan baik di lurus maupun lengkung 3. Lelah

(32)

1. KERUSAKAN UJUNG REL

Sebelum dikenal rel panjang (long welded rails) dan rel panjang menerus (continuous welded rails), pembatasan umur rel

terletak pada sambungan. Kerusakan sambungan disebabkan oleh :

1. Beban gandar yang berlebihan 2. Lebar celah

3. Mutu rel

4. Beda tinggi rel

5. Diameter roda yang kecil 6. Kondisi kendaraan rel 7. Jari-jari permukaan rel 8. Kekakuan jalan rel

(33)

Beberapa contoh kerusakan struktur jalan rel yang ditimbulkan oleh hantaman roda pada sambungan

1. Tercabutnya tripot dari bantalan 2. Retaknya pelat sambungan rel

3. Longgarnya baut-baut sambungan rel

4. Naiknya lumpur di bawah bantalan sehingga umur bantalan menjadi rendah

(34)

Cara Penanganan Kerusakan

di Ujung Sambungan

• Pemakaian end-hardened rails

• Pemeliharaan yang baik

• Pengelasan Sambungan (periodik sesuai kerusakan di ujung rel).

(35)

2. UMUR REL BERDASARKAN KEAUSAN

Konstruksi rel dapat diukur umur manfaatnya melalui keausan. Meskipun demikian faktor kelelahan dan

masalah shelling akibat beban gandar (tegangan kontak) adalah faktor yang menentukan umur rel.

PT.KAI membatasi besarnya keausan rel berdasarkan asumsi bahwa pada saat rel dan roda pada aus

maksimum, pergerakan roda tidak menumbuk sambungan rel.

(36)

Persamaan

Empiris

AREA

untuk

Perhitungan

Umur

Rel

• AREA (American Railway Engineering Association) membuat model persamaan empiris untuk menentukan umur rel

berdasarkan keausan sebagai berikut : T = K W D0.565

dimana

T = umur rel (juta ton) K = konstanta kondisi rel

W = berat rel (lbs/yard), 1 lb/yd = 0.496 kg/m

(37)

Besaran

nilai

K

Nilai K ditentukan sebagai :

Jalan baru : 0.9538, CWR = 1,3544 – 1,3930 Rel > 123 RE : 0.9810,

(38)

Contoh

Perhitungan

Direncanakan sebuah konstruksi jalan rel baru (tanpa pelumasan) dengan daya lintas 10 juta ton per tahun, dengan menggunakan rel tipe R 54. Jalan rel rencana

bergeometrik sebagai berikut : 10 km bergeometrik lurus, 5 km lengkung horizontal dengan R = 800 m, 10 km dengan R = 650 m dan 15 km dengan R = 450 m.

(39)

Langkah

1 :

Perhitungan

Nilai

K

Untuk jalan baru digunakan nilai K = 0,9538, karena tidak semua jalan merupakan jalur lurus, maka nilai K dihitung sebagai berikut :

K1 = 10 km jalur lurus : 10 × 0,9538 × 1,0 (lihat tabel) = 9,538

K2 = 5 km jalur lengkung R = 800 m : 5 × 0,9538 × 0,74 (lihat tabel) = 3,52906

K3 =10 km jalur lengkung R = 650 m : 10 × 0,9538 × 0,61 (lihat tabel) = 5,81818

K4 = 15 km jalur lengkung R=450 m : 15 × 0,9538 × 0,49 (lihat tabel) = 7,01043

K = Jarak Total K Nilai Total = km 40 K K K K₁ + ₂ + ₃ + ₄ = 0,647

(40)

Penentuan

(41)

Langkah

2 :

Perhitungan

Nilai

T

dan

Umur

Manfaat

Rel

(U)

W = berat rel = 54 kg/m × 2.016 = 108,9 lbs/yd D = 10 juta ton = 11.001 mgt T = K W D0.565 = 0,647 × 108,9 × 11.0010.565 = 273.11 mgt = 248,257 juta ton U = ton/tahun juta 10 ton juta 248,257 = 24,82 tahun

(42)

Percobaan

Keausan

Selain menggunakan persamaan di atas

digunakan pula metode perhitungan keausan

dengan percobaan di laboratorium maupun

lapangan. Beberapa contoh spesifikasi

keausan yang dihasilkan dari percobaan ini

adalah pembatasan keausan 0,056 in/100 mgt

untuk rel 115RE dan 0,058 in/100 mgt untuk 132

RE (University of Illinois), 0,028 in/mgt untuk 136

RE (Zarembski & Abbot), dan lain-lain.

(43)

3. UMUR REL BERDASARKAN LELAH

(

FATIGUE

)

• Jalan rel adalah struktur elastis yang dibebani secara siklus (cyclic), oleh itu, bahaya lelah sangat mungkin terjadi.

• Ciri kerusakan ini adalah dimulainya retak yang semakin lama semakin melebar dan diakhiri dengan patah.

• Jika tegangan total di kepala rel, akibat beban kombinasi tegangan lentur, kontak dan suhu melebihi tegangan

(44)

Tegangan yang Bekerja di Kepala Rel

1. Tegangan Lentur (

Sl

)

Dimana,

Sl = tegangan lentur

M = momen lentur

Wa = tahanan momen atas

Wa

M

Sl

=

(45)

Tegangan yang Bekerja di Kepala Rel

2. Tegangan Kontak (

Sk

), Rumus HR. Thomas :

Dimana,

Sk = tegangan kontak (psi) P = beban dinamis (lbs)

R₁ = Jari-jari roda kereta (inch) R₂ = Jari-jari rel (inch)

3 2 3 1 2 271 , 0 2 1

2 23500

R

P

Sk

×

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

×

=

(46)

Tegangan yang Bekerja di Kepala Rel

3. Tegangan Suhu, (

Ss

)

(

)

(

P P

t

E

L

E

Ss

E

L

Ss

AE

PL

L

t

L

t

L

−

⋅

=

∆

⋅

=

⋅

=

∆

−

⋅

=

∆

⋅

=

∆

α

dimana, L = panjang rel tp = suhu pemasangan(°C)

t = suhu maksimum di lapangan (°C)

(47)

Tegangan yang Bekerja di Kepala Rel

4. Tegangan Lelah (Sf),

Tegangan lelah adalah batas umur rel yang dihitung dengan analisis keausan atau analisis lelah. Besarnya tegangan lelah tergantung mutu rel dan standar

pembuatan rel yang disajikan dalam grafik tegangan vs siklus (Grafik SN Curve)

(48)

Linear Cumulative Damage Theory

Miners mengusulkan perhitungan umur lelah dengan asumsi bahwa :

1. Tegangan kombinasi < tegangan lelah 2. Akibat beban dianggap berterusan

3. Tidak ada retak awal

4. Tidak ada bahaya negatif dari siklus beban

5. Asumsi Beban : Grafik SN adalah linear dan Batas Umur Lelah 107 _siklus

(49)

S

-

N Curve

Tegangan St₁ k St₂ St_n Sf N₂ N_n 107 N₁ Siklus

(50)

Umur

Rel

dari

Grafik

S

-

N

tahun D L rel umur N N N N N D Sf Sti Ne Ni i i n n k 1 ... 3 3 2 2 1 1 1 = = = + + + + = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =

∑

β β β β β

Ni = siklus penyebab failure pada tegangan Sti (siklus) k = slope pada S-N diagram

Ne = batas berulangnya beban jika terjadi lelah βi = siklus yang bekerja untuk setiap beban Sti N = siklus per waktu (siklus/tahun)

(51)

Klasifikasi

Rel

_Rel

Panjang

_Panjang

Klasifikasi rel menurut panjangnya dibedakan atas:

1. Rel Standar, dengan panjang 25 meter (sebelumnya 6 – 10 meter),

2. Rel Pendek, dengan panjang maksimum 100 meter atau 4 x 25 meter,

3. Rel Panjang, adalah rel yang mempunyai panjang

statis, yaitu daerah yang tidak terpengaruh pergerakan sambungan rel, biasanya dengan panjang minimal 200 meter.

(52)

Bagaimana

Rel

Panjang

Dibuat

?

Sambungan rel

adalah titik-titik perlemahan jika

terjadi beban kejut yang besar dapat merusak

struktur jalan rel.

Oleh itu, rel dari pabrik yang diproduksi

25 meter

akan dilas dengan “flash butt welding” dan di

lapangan akan disambung lagi dengan las “thermit

welding” sehingga menjadi rel panjang.

(53)

Bahaya

Pada

Stabilitas

Rel

Panjang

Pada rel panjang dapat terjadi bahaya tekuk

(

buckling

) akibat

gaya longitudinal

dan

perubahan suhu

.

Solusi

: Rel tidak boleh berkembang bebas,

dimana akan dihambat oleh

perkuatan

(54)

Bahaya

(55)

1.

1. Perhitungan

Perhitungan

Panjang

Minimum

Permasalahan yang ditimbulkan dalam rel panjang adalah penentuan panjang minimal rel panjang yang diakibatkan oleh dilatasi pemuaian sebagaimana dituliskan dalam persamaan berikut :

∆L = L × α × ∆T

dimana :

∆L = Pertambahan panjang (m) L = Panjang rel (m)

α = Koefisien muai panjang (˚ C -1)

(56)

Konsep

Penurunan

Rumus

dari

Hukum

Hooke

Gaya yang terjadi pada rel (hukum Hooke) :

L A E ∆L F = × × = E × A × α × ∆T dimana :

E = modulus elastisitas Young (kg/cm2)

A = luas penampang (cm2)

(57)

Penentuan

Panjang

Minimum (L)

Diagram gaya normal :

Diagram gaya lawan bantalan:

Panjang _l: ℓ = O M = r ∆T α A E× × ×

r = tg α = gaya lawan bantalan per satuan panjang L ≥ 2 ℓ ℓ ℓ α α F = E A α∆T = r _l M' O' M O L F = E A α ∆T

(58)

Contoh

Perhitungan

:

Digunakan konstruksi rel dengan bantalan beton pada rel tipe R.42 (E = 2,1 × 106

kg/cm2_{), dimana gaya lawan bantalan diketahui sebesar 450 kg/m, dan}α_{= 1,2}×₁₀-5

˚C -1_{. Jika rel dipasang pada 20}_˚_{C dan suhu maksimum terukur 50}_˚_{C, tentukan}

panjang rel minimum yang diperlukan !

Jawaban :

Gunakan persamaan untuk menentukan nilai ℓ :

ℓ = ( ) 450 20 -50 10 1,2 54,26 10 2,1× 6 × × × −5 × _{= 91,1568 m}

Panjang minimum rel R.42 yang dipersyaratkan dengan bantalan beton = L L = 2 × ℓ = 2 × 91,1568 = 182,3136 m ≈ 200 m (Dibulatkan kelipatan 25 m)

(59)

2. Longitudinal Creep Resistance

(

Gaya/Tahanan

Rayapan

Longitudinal)

…

[1]

1. Gaya akibat suhu

P = EA α (t-tp)

2. Pergerakan sambungan (Gap)

Jika suhu mulai meningkat, rel merayap yang ditahan oleh bantalan dan balas sampai menutup sambungan. Ada bagian yang bergerak (breathing length) dan ada bagian yang tidak bergerak/tetap (static, unmovable) G = EAα2_(t-tp)2_{/ 2r}

(60)

2. Longitudinal Creep Resistance

(

Gaya/Tahanan

Rayapan

Longitudinal)

…

[2]

3. Gaya Tekuk (Buckling Forces) :

Qb

D

Wl

Qb

l

D

C

EI

l

Pb

_s ₂ 2 2 2 2

16 π

π

₊

=

Is = momen inersia (2 Iy) (cm4₎

E = modulus elastisitas rel = 2,1.106 _kg/cm2

C = koefisien torsi penambat (tm/rad, kgm/rad) D = jarak bantalan (cm)

W = tahanan lateral balas (kg/meter) l = panjang ketidaklurusan (meter)

(61)

a.

Tahanan

Torsi

Penambat

Nilai koefisien torsi penambat diperolehi dari pengujian terhadap penambat di laboratorium. Satuan koefisien yang diperolehi adalah ton inch/rad0.5_.

(62)

b.

Tahanan

Momen

Lateral

Diketahui dengan pengujian tahanan momen lateral dari struktur rel, penambat dan bantalan.

(63)

c.

Tahanan

Balas

Diketahui dengan pengujian tahanan lateral dan longitudinal balas. Tahanan lateral dapat diperbesar dengan

memperberat bantalan, penggemukan bahu jalan dan memakai safety caps.

(64)

Distribusi

Gaya

Longitudinal

Tahapan penentuan distribusi gaya longitudinal :

1. Tegangan Pada Suhu Maksimum,

2. Lebar dan Suhu (t₁) dimana celah tertutup (G_maksimum),

3. Penentuan Gaya Longitudinal terhadap berbagai nilai variasi suhunya.

(65)

Contoh

Perhitungan

Distribusi

Gaya

Longitudinal

Diketahui :

R.42 dengan A = 54,26 cm2_{, dan E = 2,1}× ₁₀6 _kg/cm2_,

dipasang pada suhu 26 ˚C pada bantalan beton dengan tahanan balas 450 kg/m. Jika lebar celah direncanakan sebesar 13 mm dan suhu lapangan maksimum dari

pengamatan sebesar 50 ˚C, tentukan distribusi gaya longitudinalnya !

(66)

Langkah

1 & 2 :

1. P maksimum terletak pada t maksimum = 50 ˚C. P _maksimum = EA α (t-tp)

P = 2,1 × 106 _{. 54,26 . 1,2}× ₁₀-5 _˚C-1_{. (50 – 26)}

P = 31.175,6 kg

2. Suhu (t₁) dimana celah tertutup maksimum (G = 0).

e₁ = G/2 = 13/2 = 6,5 mm

e₂ = EA α2 _(t-tp)2_{/2r = 2,1}× ₁₀6_.54,26.(1,2× ₁₀-5 _˚C-1₎2_.

(t₁ – 26)2 _{/ 2 (450)}

dari subtitusi e₁ dalam e₂ diperoleh bahwa : t – 26 ˚C = 19,9 ˚C, sehingga t = 44,9 ˚C

(67)

Langkah

3 :

3. Gaya longitudinal pada saat celah tertutup (t

₁

=

44,9 ˚C) :

P pada t

₁

= EA

α

(t-tp)

P = 2,1

×

10

6

_.54,26.1,2

×

₁₀

-5

_˚C

-1

_{.(44,9 – 26)}

(68)

Diagram

Distribusi

Keterangan :

A, D : Sambungan Rel

AB – CD : Daerah Bergerak (breathing length) B – C : Daerah Statik (static area/unmovable)