BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kebutuhan sarana transportasi semakin meningkat seiring dengan

bertambahnya jumlah penduduk. Karena transportasi mempunyai peranan

penting bagi sektor perekonomian. Dari beberapa jenis metode transportasi

yang ada menggunakan kendaraan, infrastruktur dan operasi tertentu untuk

memindahkan manusia, hewan dan komoditas dari satu lokasi ke lokasi

lainnya. Setiap metode transportasi mempunyai kelebihan serta

kekurangan, dan akan dipilih berdasarkan ongkos, kapabilitas, rute, dan

kecepatan.

Kereta api adalah salah satu jenis metode transportasi darat,

dimana kereta bergerak di atas 1 set rel paralel yang lebih dikenal dengan

rel kereta. Kereta api umumnya digerakkan oleh sebuah lokomotif yang

menggandeng beberapa gerbong penumpang atau barang. Lokomotif itu

sendiri berdaya uap, diesel, ataupun listrik. Secara umum sistem rel pada

kereta api mempunyai tahanan gaya gesek yang kecil sehingga kereta api

lebih efisien dalam penggunaan energi jika dibandingan dengan sarana

transportasi darat lainnya.

Rel merupakan struktru balon menerus yang diletakkan di atas

tumpuan bantalan berjarak konstan antar rel (gauge). Bantalan juga

berfungsi sebagai penuntun / mengarahkan pergerakan roda kereta api. Rel

juga di sediakan untuk menerima secara langsung dan menyalurkan beban

kereta api kepada bantalan tanpa menimbulkan defleksi yang berarti pada

bagian balok rel dia antara tumpuan bantalan. Oleh sebab itu, desain

bentuk dan geometrik rel harus dapat berfungsi menahan gaya akibat

pergerakan dan beban kereta api.

1

1.2 Tujuan

Tugas ini bertujuan untuk :

1. Mengetahui fungsi, bentuk, dimensi, bagian, proses produksi dan material

komponen rel.

2. Mengetahui klasifikasi dan ukuran rel yang digunakan di Indonesia.

3. Mengetahui perencanaan / desain komponen rel.

1.3 Manfaat

Manfaat tugas ini yaitu menambah wawasan tentang pemilihan bahan dan

proses komponen rel.

1.4 Batasan Masalah

Pada pemilihan bahan dan proses yang dibahas dibatasi untuk komponen

rel saja.

2

BAB II

TEORI DASAR

Pemilihan bahan dan proses balok rel harus didesain sedemikian

rupa sehingga dapat dipertanggung jawabkan secara teknis dan ekonomis.

Secara teknis diartikan balok rel yang digunakan harus dapat menahan

beban dari kereta api dan memiliki umur yang panjang. Sedangkan secara

ekonomis adalah pemilihan material yang tepat agar balok rel dapat dibuat

dengan biaya sekecil mungkin namun tidak mengurangi kekuatannya.

2.1 Jenis – Jenis Rel

Rel berguna untuk memindahkan tekanan roda-roda kereta api ke atas

bantalan dan juga sebagai penghantar roda-roda tersebut. Pada saat ini

digunakan tiga macam profil rel antara lain :

1. Rel berkepala dua (double-headed rail)

Rel ini mempunyai dua kepala yang sama, denga maksud supaya dapat

dibalik. Akan tetapi dalam prakteknya tidak mungkin, karena kepala

bawah sudah tertekan dan bentuknya sudah berubah akibat defleksi.

Perkembangan dari rel ini dibuat kepala atas lebih besar daripada

kepala bawah yang lebih dikenal dengan nama “bull head rail”.

Gambar 2.1 Profil rel berkepala dua.

3

2. Rel vignola (flat-bottom rail)

Rel dengan kepala bawah datar yang pertama kali digunakan secara

internasional. Ditemukan oleh Charles Vignoles dan dipakai oleh

negara Inggris.

(a) (b)

Gambar 2.2 Profil (a) bullhead rail dan (b) flat-bottom rail

3. Rel alur (grooved rail)

Ciri utama rel alur yaitu mempunyai kaki yang sangat lebar. Untuk

memperkecil aus di lengkungan, maka alur harus diperlebar dan lingir

alur dibuat lebih tebal. Rel alur biasanya digunakan untuk trem

ataupun pada permukaan berumput.

Gambar 2.3 Profil Rel alur

4

2.2 Kondisi Kerja Rel

Pembebanan dan pergerakan kereta api di atas struktur rel menimbulkan

berbagai gaya pada rel. Gaya – gaya tersebut diantaranya gaya vertikal,

gaya transversal, dan gaya longitudinal.

Gambar 2.4 Gaya yang bekerja pada balok rel.

Dimana dari gambar dapat dilihat Q adalah gaya vertikal, Y adalah gaya

lateral dan T adalah gaya longitudinal, sedangkan N adalah gaya akibat

perubahan suhu (termasuk gaya longitudinal).

Perhitungan beban dan gaya dari kondisi kerja rel ini perlu dipahami untuk

dapat merencanakan dimensi, tipe, dan disain rel, bantalan dan seterusnya

pola distribusinya berfungsi untuk merencanakan tebal lapisan balas dan

sub balas.

1. Gaya Vertikal; Q

Gaya ini adalah beban yang paling dominan dalam struktur rel. Gaya

vertikal menyebabkan terjadinya defleksi vertikal yang merupakan

indikator terbaik untuk penentuan kualitas, kekuatan dan umur rel. Secara

global, besarnya gaya vertikal dipengaruhi oleh pembebanan lokomotif,

kereta maupun gerbong.

5

a. Gaya Lokomotif

Jenis lokomotif akan menentukan jumlah bogie dan gandar yang akan

mempengaruhi berat beban gandar di atas rel yang dihasilkan.

b. Gaya Kereta

Karakteristik beban kereta dipengaruhi oleh jumlah bogie dan gandar

yang digunakan. Selain itu, faktor kenyamanan penumpang dan

kecepatan (dynamic factor) mempengaruhi beban yang dihasilkan.

c. Gaya Gerbong

Prinsip pembebanan pada gerbong adalah sama dengan lokomotif dan

kereta. Meskipun demikian, kapasitas muatan gerbong sebagai

angkutan barang perlu diperhatikan dalam perencanaan beban.

Perhitungan gaya vertikal yang dihasilkan beban gandar oleh lokomotif,

kereta dan gerbong merupakan beban statik, sedangkan pada

kenyataannya, beban yang terjadi pada struktur rel merupakan beban

dinamis yang dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti hambatan udara,

kondisi geometrik dan kecepatan rangkaian kereta api. Oleh karena itu,

diperlukan transformasi gaya statik ke gaya dinamik untuk merencanakan

beban yang lebih realistis. Persamaan TALBOT (1918) memberikan

transformasi gaya berupa pengkali faktor dinamis sebagai berikut :

Ip =1 + 0,01 ( V1,609

−5) (2.1)

dimana,

Ip = Faktor dinamis,

V = Kecepatan rencana (km/jam)

6

2. Gaya Lateral (transversal); Y

Gaya ini terjadi akibat adanya gaya sentrifugal (ketika rangkaian kereta api

berada di lengkung horizontal), gerakan ular rangkaian (snake motion) dan

ketidak rataan geometrik rel yang bekerja pada titik yang sama dengan

gaya vertikal. Gaya ini dapat menyebabkan tercabutnya penambat akibat

gaya angkat, pergeseran pelat andas dan memungkinkan terjadinya

derailment (keluarnya roda kereta dari rel). Syarat pembatasan besarnya

gaya lateral supaya tidak terjadi derailment adalah :

F lateral

F vertikal

<1,2 (2.2)

F lateral

F vertikal

<0,75 , untuk rel dan roda yang aus (2.3)

Secara skematis gaya lateral dapat diberikan seperti gambar di bawah ini:

Gambar 2.5 Skematik gaya lateral pada komponen rel.

3. Gaya Longitudinal; T

Gaya longitudinal dapat diakibatkan oleh perubahan suhu pada rel

(thermal stress). Gaya ini sangat penting di dalam analisis gaya terutama

untuk konstruksi rel panjang (long welded rails). Gaya longitudinal juga

merupakan gaya adhesi (akibat gesekan roda dan kepala rel) dan gaya

akibat pengereman roda terhadap rel.

7

2.3 Gambar Komponen Rel

Suatu komponen rel terdiri dari 4 bagian utama, yaitu :

1. Permukaan rel untuk pergerakan kereta api (running surface),

2. Kepala rel (head),

3. Badan rel (web),

4. Dasar rel (base),

Seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini :

Gambar 2.6 Bagian utama rel.

Ukuran / dimensi bagian – bagian profil rel dijelaskan menurut tabel. Untuk

Indonesia dimensi yang digunakan sesuai dengan Peraturan Dinas 10 tahun

1986. Penamaan tipe rel untuk tujuan klasifikasi rel disesuaikan dengan berat

(dalam kilogram, kg) untuk setiap 1 meter panjangnya, misal : tipe R54 berarti

rel memiliki berat sekitar 54 kg untuk setiap 1 meter panjangnya.

8

Gambar 2.7 Profil rel R60 dan R54

Tabel 2.1 Klasifikasi tipe rel di Indonesia.

18,00/ 24,00167014015954,40UIC 54/

R54

17,001563,812715350,40R50

16,574,315017260,34R60

13,60-17,0013,568,511013842,18R14A/

R42

11,90-13,60-17,0013,56811013841,52R14/

R41

11,90-13,60115810513433,40R3/

R33

6,80-10,2010539011025,74R2/

R25

Panjang Standar/

normal (m)

Tebal Badan

(mm)

LebarKepala

(mm)

LebarKaki

(mm)

Tinggi

(mm)

Berat

(kg/ m)Tipe

18,00/ 24,00167014015954,40UIC 54/

R54

17,001563,812715350,40R50

16,574,315017260,34R60

13,60-17,0013,568,511013842,18R14A/

R42

11,90-13,60-17,0013,56811013841,52R14/

R41

11,90-13,60115810513433,40R3/

R33

6,80-10,2010539011025,74R2/

R25

Panjang Standar/

normal (m)

Tebal Badan

(mm)

LebarKepala

(mm)

LebarKaki

(mm)

Tinggi

(mm)

Berat

(kg/ m)Tipe

Sedang untuk klasifikasi rel untuk negara lain ada standarnya masing –

masing. Dan setiap profil rel memiliki dimensi momen inersia, jarak terhadap

garis netral luas penampang yang berbeda untuk keperluan perencanaan dan

pemilihan dimensi yang tepat untuk struktur rel.

2.4 Proses Produksi Rel

Proses produksi rel kereta api terbagi menjadi 2 bagian utama yaitu

steelmaking dan rolling. Dijelaskan seperti dibawah ini :

1. Steelmaking (pembuatan logam)

Bahan baku berupa besi scrap (bekas) kemudian dimasukkan ke dalam

tungku untuk dilebur. Lalu diberikan penambahan unsur kimia paduan

seperti karbon, mangan, silikon, fosfor dan sulfur untuk menambah

kekuatan baja. Hasil dari proses ini berupa baja setengah jadi berprofil

bloom (berpenampang kotak dengan dimensi < 150 x150 mm).

9

Gambar 2.8 Baja berprofil bloom.

2. Rolling (pengerolan)

Baja berprofil bloom dipanaskan kembali pada tungku gas dan diteruskan

ke alat rol kemudian menghasilkan besi dengan profil yang di inginkan.

Umumnya besi tersebut dipotong lagi sesuai dengan standar panjang rel

yang digunakan.

Gambar 2.9 Penampang mesin rol yang membentuk profil rel kereta api.

10

BAB III

METODOLOGI

11

Pemilihan bahan struktur rel

Penentuan batasan – batasan (constraints)

Analisa batasan – batasan (constraints)

Penentuan indeks material

Penggunaan bagan material

Bahan yang digunakan

BAB IV

PEMBAHASAN

Dari penjelasan sebelumnya dapat diambil kesimpulan bahwa struktur rel

mengalami beban vertikal (bending) dengan beberapa batasan (constraints) yaitu

kekakuan (stiffness) dan kekuatan (strength). Kedua batasan ini digunakan untuk

memenuhi objektif dari pemilihan bahan yaitu massa dan harga. Lalu pemakaian

faktor bentuk (shape factor) dapat memaksimalkan pemilihan material dengan

performa yang optimal.

Maka untuk pemilihan bahan struktur rel dapat dituliskan :

Fungsi lintasan kereta apimenahan beban kereta api

Batasan panjang ditentukan, Lprofil penampang R60,

Objektif minimumkan massa, mminimumkan harga, Cm

Variabel bebas pemilihan material

Gambar 4.1 DBB struktur rel .

12

Di generalisasikan bahwa struktur rel adalah balok yang dijepit pada kedua

ujungnya dan memiliki beban yang terdistribusi (karena beban pada struktur rel

adalah beban dinamik). DBB dan potongan bagian dari struktur rel dapat dilihat

seperti pada gambar 4.1. Dengan rumus untuk massa dari struktur rel adalah :

m=ρ A L (4.1)

dengan I,

I = b4

12 (4.2)

Tabel 4.1 Indeks massa material

Batasan

(Constraint)

Rumus Umum Rumus Objektif

m = ρ A L

Indeks

Kekakuan

(Stiffness)

384 EI

L3 ( s32 )

12 . L

52 .[ ρ

E12 ] E

12

ρ

Kekuatan

(Strength)16

b4

4 b h2 (16 F )23 . L

53 .[ ρ

σ f

23 ] σ f

23

ρ

Sedangkan untuk pemilihan material dengan objektif harga dapat dijelaskan

seperti dibawah ini :

Tabel 4.2 Indeks harga material

Batasan

(Constraint)

Rumus Umum Rumus Objektif

C = A LCm ρ

Indeks

Kekakuan

(Stiffness)

384 EI

L3 ( s32 )

12 . L

52 .[ ρ Cm

E12 ] E

12

ρCm

Kekuatan

(Strength)16

b4

4 b h2 ( 616

F

L2 )23 . L3 .[ ρ Cm

σ f

23 ] σ f

23

ρCm

13

Lalu indeks berikutnya didapat dari data standar komponen rel sebagai berikut :

Gambar 4.2 Sifat mekanik komponen rel standar.

E=σε

(4.3)

Dengan mensubtitusikan nilai kekuatan yield dan persentasi penambahan panjang

dari tabel diatas didapat nilai E = 57,3 MPa. Maka m2 ≥ 57

Dari beberapa indeks yang telah didapat, nilai kekuatan dan kekakuan dari suatu

material dapat dibuat lebih efisien dengan mengaplikasikan bentuk yang tepat.

Efisien dalam artian penggunaan material yang lebih sedikit untuk kondisi beban

kerja yang sama. Misalnya sebuah batang baja berprofil I-beam akan lebih efisien

dibanding yang berprofil solid.

Faktor bentuk / geometri tingkat ke efesienan dari suatu material dari beban yang

diberikan pada bentuk yang berbeda. Mumpunyai nilai 1 untuk penampang solid

dan semakin tinggi berarti semakin efisien material tersebut.

Φ = variabelbentuk objekvariabel bentuk acuan

(4.4)

Misalkan untuk faktor bentuk pada benda yang mengalami beban bending maka

digunakan :

14

Φ = SSo

= EIEIo

= II o

(4.5)

Untuk faktor geometri struktur rel, profil persegi dijadikan acuan dan

dibandingan dengan profil rel R60.

y

x

Gambar 4.3 Geometri penampang solid dan rel.

dimana;I = momen inersia; rel R60 = 3055 cm4

A= luas penampang; rel R60 = 73,7 cm2

Φ = II o

= 4 πI

A2 = 7

Yang artinya adalah penampang rel R60 mampu menahan defleksi dari beban

bending 7 kali dibandingkan dengan penampang solid/persegi dengan luas yang

sama.

15

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Setelah mendapat indeks material lalu langkah selanjutnya adalah screening

pemilihan material menggunakan material selection chart. Material selection

chart berisikan informasi sifat material vs sifat material. Untuk pemilihan

material struktur rel material selection chart yang dipakai adalah modulus

Young vs densitas, modulus Young vs densitas*harga (stiffness constraint)

dan batas elastis vs densitas, batas elastis vs densitas*harga (strength

constraint).

Gambar 5.1 Bagan densitas – modulus Young.

Hasil screening material menggunakan program CES EDUPACK 4.5 dengan

acuan indeks m1 dan m2 memberikan daerah pemilihan material. Dari daerah

pemilihan tersebut material yang paling optimal nilai kekakuan dan ringan

terletak pada area kanan atas untuk itu material yang dipilih, yaitu :

16

Tabel 4.3 Hasil pemilihan material terkaku dan teringan.

Tabel 5.1 Hasil pemilihan material terkaku dan teringan.

Material Density (kg/m^3) Young Modulus (GPa)

High carbon steel 7800-7900 200 -215

Low alloy steel 7800-7900 205-217

Nickel-based superalloys 7750-8650 150-245

Stainless steel 7600-8100 189-210

Tungsten alloys 1,78 x 104 – 1,96 x 104 310-380

Gambar 5.2 Bagan densitas*harga – modulus Young.

Sedang hasil untuk screening material menggunakan program CES EDUPACK

4.5 dengan acuan indeks m1 dan m2 untuk material yang terkaku dan termurah

adalah :

17

Tabel 5.2 Hasil pemilihan material terkaku dan termurah.

Material Price (IDR) Young Modulus (GPa)

High carbon steel 4.381-7.885 200 -215

Low alloy steel 4.381-11.390 205-217

Nickel-based superalloys 87.610 – 262.800 150-245

Stainless steel 26.280 – 105.100 189-210

Tungsten alloys 140.200 – 262.800 310-380

Gambar 5.3 Bagan densitas– kekuatan.

Tabel 5.3 Hasil pemilihan material terkuat dan teringan.

Material Density (kg/m^3) Strength (GPa)

High carbon steel 7800-7900 550 - 1640

Low alloy steel 7800-7900 550 - 1760

Nickel-based superalloys 7750-8650 400 - 2100

Stainless steel 7600-8100 480 - 2240

18

Tungsten alloys 1,78 x 104 – 1,96 x 104 720 - 3000

Gambar 5.4 Bagan densitas * harga – kekuatan.

Tabel 5.4 Hasil pemilihan material terkuat dan termurah.

Material Price (IDR) Strength (GPa)

High carbon steel 4.381-7.885 550 - 1640

Low alloy steel 4.381-11.390 550 - 1760

Nickel-based superalloys 87.610 – 262.800 400 - 2100

Stainless steel 26.280 – 105.100 480 - 2240

Tungsten alloys 140.200 – 262.800 720 - 3000

Dari proses pemilihan bahan mengunakan material selection chart didapat 5 jenis

material yang memenuhi kriteria sebagai bahan struktur rel yaitu :

- High carbon steel

- Low alloy steel

- Nickel-based superalloys

19

- Stainless steel

- Tungsten alloys

DAFTAR PUSTAKA

Banks, J.H. 2002. Introduction to Transportation Engineering. MacGraw

Hill. 2nd Edition. Boston. 502 p.

Esveld, C. 1989. Modern Railway Track. MRT Publication. Germany.

Hay, W.W. 1982. Railroad Engineering. Second Edition. Wiley.

Hidayat, H. & Rachmadi. 2001. Rekayasa Jalan Rel. Catatan Kuliah.

Penerbit ITB. Bandung.

PJKA. 1986. Perencanaan Konstruksi Jalan Rel (Peraturan Dinas No.10).

Bandung.

PJKA. 1986. Penjelasan Perencanaan Konstruksi Jalan Rel (Peraturan

Dinas No.10). Bandung.

20

21