Beban dan Gaya pada Rel

Pembebanan dan pergerakan kereta api di atas struktur jalan rel menimbulkan berbagai gaya pada rel. Gaya-gaya tersebut diantaranya gaya vertikal, gaya transversal (lateral) dan gaya longitudinal.

Gambar 1. Gaya yang Bekerja pada Rel

Secara umum, gaya-gaya yang bekerja pada rel dijelaskan dalam gambar 1. Perhitungan beban dan gaya ini perlu dipahami secara benar untuk dapat merencanakan dimensi, tipe dan disain rel, bantalan dan seterusnya pola distribusinya berfungsi untuk merencanakan tebal lapisan balas dan subbalas.

Gaya Vertikal
Gaya ini adalah beban yang paling dominan dalam struktur jalan rel. Gaya vertikal menyebabkan terjadinya defleksi vertikal yang merupakan indikator terbaik untuk penentuan kualitas, kekuatan dan umur jalan rel. Secara global, besarnya gaya vertikal dipengaruhi oleh pembebanan oleh lokomotif, kereta maupun gerbong.
Gaya Lokomotif (locomotive),
Jenis lokomotif akan menentukan jumlah bogie dan gandar yang akan mempengaruhi berat beban gandar di atas rel yang dihasilkannya.
Gaya Kereta (car, coach),
Karakteristik beban kereta dipengaruhi oleh jumlah bogie dan gander yang digunakan. Selain itu, faktor kenyamanan penumpang dan kecepatan (faktor dinamis) mempengaruhi beban yang dihasilkan.
Gaya Gerbong (wagon),
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 jalan rel merupakan beban dinamis yang dipengaruhi oleh faktor aerodinamik (hambatan udara dan beban angin), kondisi geometrik dan kecepatan pergerakan 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:

dimana,

Ip = Faktor dinamis,

V = Kecepatan rencana (dalam km/jam)

Gaya Transversal (Lateral)

Gaya ini terjadi akibat adanya gaya sentrifugal (ketika rangkaian kereta api berada di lengkung horizontal), gerakan ular rangkaian (snake motion) dan ketidakrataangeometrik jalan rel yang bekerja pada titik yang sama dengan gaya vertikal. Gaya inidapat menyebabkan tercabutnya penambat akibat gaya angkat (uplift force), pergeseranpelat andas dan memungkinkan terjadinya derailment (anjlog atau keluarnya rodakereta dari rel). Syarat pembatasan besarnya gaya lateral supaya tidak terjadi anjlog adalah:

Secara skematis gaya lateral dapat diberikan dalam gambar 2 di bawah ini.

Gambar 2. Skematik Gaya Lateral pada Komponen Rel

Gaya Transversal (Lateral)

Gaya longitudinal dapat diakibatkan oleh perubahan suhu pada rel (thermal stress). Gaya ini sangat penting di dalam analisis gaya terutama untuk konstruksi KA yang menggunakan rel panjang (long welded rails). Gaya longitudinal juga merupakan gaya adhesi (akibat gesekan roda dan kepala rel) dan gaya akibat pengereman roda terhadap rel.