Kuliah Prasarana Transportasi Kode MK.CEC 611 Kuliah Minggu Ke-2 STRUKTUR JALAN REL DAN POLA DISTRIBUSI BEBAN

OUTLINES KULIAH 1. Struktur Jalan Rel a. Pengertian Struktur Jalan Rel b. Kriteria Struktur Jalan Rel c. Superstructures dan Substructures 2. Pola Distribusi Pembebanan a. Konsep Pembebanan b. Model Pembebanan BoEF c. Studi Kasus Kuliah Minggu ke-2 2

Prasarana Kereta Api Definisi Jalur dan stasiun kereta api termasuk fasilitas yang diperlukan agar sarana kereta api dapat dioperasionalkan (UU No.13/1992 Bab 1 Pasal 1 ayat 7). Prasarana Kereta Api 1. Jalur dan Jalan Rel 2. Bangunan Stasiun 3. Jembatan 4. Sinyal dan Telekomunikasi Kuliah Minggu ke-2 3

Struktur Jalan Rel Struktur Jalan Rel adalah Struktur Elastik dengan pola distribusi beban yang cukup rumit. Struktur Jalan Rel Konvensional (Teknologi Adhesi Dua Rel) : 1. Struktur Bangunan Atas/Superstructure dengan komponen-komponen rel (rail), bantalan (sleeper/ties), penambat rel (fastening) 2. Struktur Bangunan Bawah/Substructure dengan komponen-komponen balas (ballast), subbalas (subballast), tanah dasar (improved subgrade) dan tanah asli (subgrade) Kuliah Minggu ke-2 4

Struktur Jalan Rel (Sepur/Spoor) Kuliah Minggu ke-2 5

Detail Struktur Jalan Rel (1) Center line Rail Clip Rail Sleeper Ballast Drainage Plants Sub ballast Kuliah Minggu ke-2 6

Detil Struktur Jalan Rel (2) Kuliah Minggu ke-2 7

Detail Struktur Jalan Rel (3) Kuliah Minggu ke-2 8

Kriteria Struktur Jalan Rel 1. Kekakuan (Stiffness) Kekakuan struktur untuk menjaga deformasi vertikal dimana deformasi vertikal yang diakibatkan oleh distribusi beban lalu lintas kereta api merupakan indikator utama dari umur, kekuatan dan kualitas jalan rel. Deformasi vertikal yang berlebihan akan menyebabkan geometrik jalan rel tidak baik dan keausan yang besar diantara komponen-komponen struktur jalan rel. Kuliah Minggu ke-2 13

Deformasi pada Jalan Rel Kuliah Minggu ke-2 14

Kriteria Struktur Jalan Rel 2. Elastisitas (Elastic/Resilience) Elastisitas diperlukan untuk kenyamanan perjalanan kereta api, menjaga patahnya as roda, meredam kejut, impact, getaran vertikal. Jika struktur jalan rel terlalu kaku, misalnya dengan pemakaian bantalan beton, maka untuk menjamin keelastikan struktur dapat menggunakan pelat karet (rubber pads) di bawah kaki rel. Kuliah Minggu ke-2 15

Kriteria Struktur Jalan Rel 3. Ketahanan terhadap Deformasi Tetap Deformasi vertikal yang berlebihan akan cenderung menjadi deformasi tetap sehingga geometrik jalan rel (ketidakrataan vertikal, horisontal dan puntir) menjadi tidak baik, yang pada akhirnya kenyamanan dan keamanan terganggu Kuliah Minggu ke-2 16

Kriteria Struktur Jalan Rel 4. Stabilitas Jalan rel yang stabil dapat mempertahankan struktur jalan pada posisi yang tetap/semula (vertikal dan horisontal) setelah pembebanan terjadi. Untuk ini diperlukan balas dengan mutu dan kepadatan yang baik, bantalan dengan penambat yang selalu terikat dan drainasi yang baik. Kuliah Minggu ke-2 17

Kriteria Struktur Jalan Rel 5. Pengaturan yang tetap (Adjustability) Jalan rel harus bisa diatur/dipelihara untuk dikembalikan ke posisi geometrik yang benar jika terjadi perubahan geometri akibat beban yang berjalan. Kuliah Minggu ke-2 18

Klasifikasi Jalan Rel di Indonesia Peraturan konstruksi jalan rel di Indonesia masih mengacu pada konstruksi tahun 1938 atau Stelsel 1938, Reglemen 10 (R.10) dan Peraturan Dinas No.10 tahun 1986. Klasifikasi jalan rel menurut PD 10 Tahun 1986 dibagi menurut : lebar sepoor/sepur, kecepatan maksimum yang diijinkan, kelandaian vertikal/tanjakan, jumlah jalur, bentuk jalur, daya angkut. Kuliah Minggu ke-2 19

Konsep Lebar Sepur Kuliah Minggu ke-2 20

Klasifikasi Lebar Sepur Jalan rel dibedakan dalam 3 kelompok seperti : 1. Sepur normal/standar (standard gauge) = 1435 mm : Eropa, Turki, USA, Japan, Malaysia (KLIA Express). 2. Sepur lebar (broad gauge) = > 1435 mm : Rusia, Finlandia = 1524 mm, Sepanyol, Portugal, Pakistan, India = 1676 mm 3. Sepur sempit (narrow gauge) = < 1435 mm : Indonesia, Amerika Latin, Japan, Afrika Selatan = 1067 mm, Malaysia (KTM Berhad), Thailand, Birma, Kamboja = 1000 mm Kuliah Minggu ke-2 21

Kecepatan Maksimum yang Diijinkan Kelas Jalan V maks (km/j) d 1 (cm) b (cm) c (cm) I 120 30 150 235 II 110 30 150 235 III 100 30 140 225 k 1 (cm) 265 315 265 315 240 270 d 2 (cm) e (cm) k 2 (cm) 15 50 25 375 15 50 25 375 15 50 22 325 a (cm) 185 237 185 237 170 200 IV 90 25 140 215 240 250 15 35 20 300 170 190 V 80 25 135 210 240 250 15 35 20 300 170 190 Kuliah Minggu ke-2 22

Klasifikasi menurut Tanjakan Lintas Kelandaian : 1. Lintas Datar, kelandaian : 0 10 2. Lintas Pegunungan, kelandaian : 10 40 3. Lintas dengan Rel Gigi, kelandaian : 40 80 4. Kelandaian di emplasemen : 0 1,5 Kuliah Minggu ke-2 23

Klasifikasi menurut Jumlah Jalur 1. Jalur Tunggal : jumlah jalur di lintas bebas hanya satu, diperuntukkan untuk melayani arus lalu lintas angkutan jalan rel dari 2 arah. 2. Jalur Ganda : jumlah jalur di lintas bebas > 1 ( 2 buah) dimana masing-masing jalur hanya diperuntukkan untuk melayani arus lalu lintas angkutan jalan rel dari 1 arah saja. Kuliah Minggu ke-2 24

Klasifikasi menurut Daya Angkut Kelas Jalan Daya Angkut Lintas (dalam 10 6 Ton/Tahun) I > 20 II 10 20 III 5 10 IV 2,5 5 V < 2,5 Kuliah Minggu ke-2 25

POLA DISTRIBUSI BEBAN JALAN REL Apa itu? 1. Beban 2. Gaya 3. Momen 4. Lendutan Kuliah Minggu ke-2 26

Konsep Pembebanan Pada Rel Beban yang bekerja pada struktur jalan rel : 1. Gaya Vertikal, Gaya ini adalah gaya dominan yang menyebabkan defleksi vertikal. Beban vertikal yang dihasilkan dari : Gaya Lokomotif, Gaya Kereta, Gaya Gerbong. Beban vertikal diperhitungkan berdasarkan beban gandarnya. 2. Faktor Dinamis, Faktor dinamis diakibatkan oleh getaran-getaran kendaraan, akibat beban angin dan kondisi geometrik jalan. Untuk mentransformasikan gaya statis ke dinamis digunakan formulasi TALBOT. Kuliah Minggu ke-2 27

Konsep Pembebanan Pada Rel Formulasi TABLOT : V Ip = 1 + 0,01 ( - 5) 1,609 dimana, V = kecepatan kereta api (km/jam) Beban dinamis (Pd) diperoleh dari perkalian faktor dinamis terhadap beban statis (Ps) yang diperhitungkan. Pd = Ps Ip Kuliah Minggu ke-2 28

Konsep Pembebanan Pada Rel 3. Gaya Transversal/Lateral Gaya ini disebabkan oleh gaya sentrifugal, snake motion dan ketidakrataan geometrik jalan rel yang bekerja pada titik yang tidak sama dengan gaya vertikal. Gaya ini dapat menyebabkan tercabutnya penambat rel dan anjoknya kereta api (derailment). Besarnya gaya lateral dibatasi sebagai berikut : P lateral / P vertikal < 1,2 atau 0,75 (kondisi aus) Kuliah Minggu ke-2 29

Konsep Pembebanan Pada Rel 4. Gaya Longitudinal Gaya ini diakibatkan oleh perubahan suhu pada rel (thermal stress) dan untuk konstruksi KA moderen menggunakan rel panjang (long welded rails), gaya ini sangat penting dalam analisis gaya. Gaya longitudinal juga merupakan gaya adhesi (akibat gesekan roda dan kepala rel) dan gaya pengereman. Efek gaya ini akan dibahas pada perhitungan stabilitas rel panjang menerus. Kuliah Minggu ke-2 30

Jenis Pembebanan pada Rel Q : Beban Roda per Rel Y : Beban Lateral per Rel T : Beban Longitudinal per Rel N : Beban akibat Suhu Kuliah Minggu ke-2 31

Distribusi Gaya Vertikal Kuliah Minggu ke-2 32

Depresi dan Tekanan pada Rel Kuliah Minggu ke-2 33

Perhitungan Dimensi Rel Rel didisain menggunakan konsep beam-on-elasticfoundation model (BoEF) dengan mengasumsikan bahwa: Setiap rel akan berperilaku sebagi balok menerus yang diletakkan di atas tumpuan elastik. Modulus fondasi jalan rel (sebagai tumpuan), k, didefinisikan sebagai gaya tumpuan per unit panjang rel per unit defleksi rel. Modulus fondasi jalan rel disini termasuk juga pengaruh penambat, bantalan, balas, subbalas dan subgrade. Kuliah Minggu ke-2 34

Konsep BoEF F (x) (kg/cm 2 ) y (x) F(x) = k y(x) F (X) (kg/cm 2 ) Kuliah Minggu ke-2 35

Konsep Model BoEF Kuliah Minggu ke-2 36

Persamaan Dasar Model BoEF Model dapat dituliskan dalam persamaan diferensial sebagai : 4 d y EI dx 4 + k y = 0 Kuliah Minggu ke-2 37

Perhitungan Defleksi Tanah Penyelesaian PD tersebut untuk defleksi rel, y(x) pada setiap jarak x sepanjang rel akibat dari pembebanan P, adalah : y( x) = λ = 4 Pλ e 2k k EI 1 4 λ x ( cosλx + sinλx) Gaya tumpuan fondasi jalan rel ditentukan sebagai : F( x) = k y( x) Kuliah Minggu ke-2 38

Perhitungan Slope, Momen dan Gaya Geser Slope (kemiringan), bending moment, and shear force at any distance along the rail from the point load, P, are given by: 2 Pλ θ( x) = e k P M( x) = e 4λ P V( x) = e 2 λx λx λx ( sinλx) ( cosλx sinλx) (cosλx) Kuliah Minggu ke-2 39

Perhitungan Slope, Momen dan Gaya Geser Maximum The maximum values of deflection, bending moment, and shear force at any distance along the rail from the point load, P, are given by: Ym Mm Fm = = = P λ 2 k P 4 λ k Ym Kuliah Minggu ke-2 40

Distribusi Beban pada Balas di Bawah Rel dan Reaksi Tekanan Balas pada Luas Bantalan An upper bound value of rail seat load, Qm, the ballast pressure, Pb, on the sleeper bearing are, Ab, and also the modulus of foundation can be estimated by : Qm = Pb = Fm S, 2Qm Ab,and k where = S P Ym = 4 3 ( 64EI ) 31 sleeper spacing Kuliah Minggu ke-2 41

Contoh Soal 1 Hitunglah komponen tegangan pada rel untuk Kelas Jalan I dengan kecepatan rencana 150 m/jam. Beban gandar kereta api sebesar 18 ton dan modulus kekakuan jalan rel diperhitungkan sebagai 180 kg/cm 2. Hitunglah momen maksimum yang terjadi pada rel apabila digunakan tipe rel 54 dengan E = 2 10 6 kg/cm2 dan momen inersia 2346 cm 4. Kuliah Minggu ke-2 42

Perhitungan Beban Dinamis Beban dinamis (P d ) dihitung dengan mengkalikan beban statik gandar (Ps) dengan faktor dinamis (I p ). Ps merupakan beban roda kereta yang diperoleh dari beban statik gandar dibagi 2 (karena setiap gandar terdapat 2 komponen roda). P d V = P s 1 + 0,01 5 1,609 150 P d = 9000 1 + 0,01 5 = 16940.30 kg 1,609 Kuliah Minggu ke-2 43

Perhitungan Damping Factor λ = 4 k 4EI X λ = 4 = 0.0098960 cm 6-1 4 180 2 10 2346 Kuliah Minggu ke-2 44

Perhitungan Momen Maksimum M m = P d 4λ M 16940.30 = m 4 = 427958.266 kgcm 0,00989 Kuliah Minggu ke-2 45

Contoh Soal 2 Berapakah deleksi yang timbul pada jarak 3 meter dari titik beban roda pada contoh soal 1. Catatan : Defleksi pada jarak 3 meter = 300 cm dari titik defelksi maksimum di bawah roda. Kuliah Minggu ke-2 46

Perhitungan Defleksi Pλ y( x) = 2k e λx ( cos λx + sin λx) dimana, λx = 0.0098960 cm -1 (300 cm) = 2.9688 16940. 30( 0. 0098960) ( 2. 9688) maka, y( 3 meter) = e [ cos( 2. 988) + sin( 2. 988) ] = 0.025126 cm. 2( 180) Kuliah Minggu ke-2 47

Assignment 2 Write a resume about the railroad structures including the structural components, and the detail figures of rail track in the cut and fill structure. Do example problems in Chapter 4 of the lecture note. Paper Works : (1). Change your topic if it is same with other students, (2). Write the paper outline in order to start writing the paper. Kuliah Minggu ke-2 48