## Analisis Perilaku Struktur Bantalan Jalur Kereta Api dengan Metode Elemen Hingga
Muhammad Adib K 1 , adib@api.ac.id Dimas Adi P 2 , dimas@ppi.ac.id Arinda L 3 , arinda@ppi.ac.id
Teknologi Bangunan dan Jalur Perkeretaapian 1 , Politeknik Perkeretaapian Indonesia Madiun 1

## ABSTRAK
Bantalan kereta api di Indonesia rata - rata terbuat dari material beton bertulang, dalam Peraturan Menteri Perhubungan nomor 60  Tahun  2012  disebutkan  bahwa  salah  satu  persyaratan  material  bantalan  beton  merupakan  bantalan  beton  dengan  struktur prategang. Metode Elemen Hingga (MEH) merupakan salah satu analisa numerik yang banyak digunakan untuk memecahkan masalah perhitungan struktur. Penggunaan MEH dengan aplikasi membantu mempermudah engineering untuk melakukan iterasi perhitungan,  sehingga  didapatkan  hasil  pendekatan  yang  menyerupai  kondisi  struktur  sesungguhnya.  Model  bantalan  beton kereta api yang digunakan adalah untuk lebar spoor 1067 mm dengan tipe N-67 produksi PT WIKA. Benda Uji dimodelkan sebagai Elemen Hingga pada aplikasi MEH dan kemudian dilakukan analisis. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa perilaku struktur dari Bantalan Beton KA menggunakan MEH. Spesifikasi bantalan beton prategang dengan kuat tekan beton fc’ = 54 Mpa dan kuat tarik tulangan baja fy = 1400 Mpa. Properti material untuk memodelkan bantalan beton merujuk pada penelitian [1]. Berdasarkan hasil analisa menggunakan software MEH didapatkan nilai tegangan tekan ( compressive stress ) bantalan beton sebesar  11,706  Mpa  dan  tegangan  tarik  ( Tensile  stress )  bantalan  beton  sebesar  4,326  Mpa,  selanjutnya  untuk  nilai  lendutan ( displacement )  didapatkan  hasil  0,083  mm  terletak  di  tengah  bantalan.  Disimpulkan  pula  berdasarkan  hasil  evaluasi  pada persamaan (Attard and Setunge, 1996) bahwa model benda uji bantalan beton dapat menumpu beban yang dipersyaratkan. Kata Kunci: Kereta Api, Bantalan Kereta Api, Prategang, Metode Elemen Hingga (MEH)

## ABSTRACT
Railway sleepers in Indonesia are generally made of reinforced concrete material, in the Minister of Transportation Regulation number  60  of  2012  it  is  stated  that  one  of  the  requirements  for  the  concrete  sleeper  material  is  a  concrete  sleeper  with  a prestressed  structure.  Finite  Element  Method  (FEM)  is  one  of  the  most  widely  used  numerical  analysis  to  solve  structural calculation problems. The use of FEM with the application helps make it easier for engineering to perform calculation iterations, so that the approximate results are obtained that resemble the actual structural conditions. The model of the railway concrete cushion used is for the spoor width of 1067 mm with the N-67 type produced by PT WIKA. The test object is modeled as a finite element in the FEM application and then analyzed. This study aims to analyze the structural behavior of KA Concrete Sleepers using FEM. Specifications for prestressed concrete sleepers with concrete compressive strength fc' = 54 Mpa and tensile strength of  steel  reinforcement  fy  =  1400  Mpa.  Material  properties  for  modeling  concrete  sleepers  refer  to  research  (Fistcar,  2019). Based on the results of the analysis using FEM software, the compressive stress value of the concrete sleeper is 11.706 Mpa and the tensile stress (Tensile stress) of the concrete sleeper is 4.326 Mpa, then for the displacement value, the result is 0.083 mm located in the middle of the sleeper. It was also concluded based on the evaluation results in the equation (Attard and Setunge, 1996) that the concrete sleeper test object model can support the required load.
Keywords: Railway, Sleepers, Prestress, Finite Element Methode (FEM)

## 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang dan Studi Pustaka
Masa  pandemi  Covid  19  memaksa  sektor  Pendidikan untuk  berinofasi,  karena  pembatasan  tatap  muka langsung  sebagai  upaya  pencegahan  penularan  virus maka  pembelajaran  dilakukan  dengan  sistem  during [2]. Tidak hanya dalam pembelajaran para peneliti juga
dituntut  berinofasi  dalam  melakukan  penelitian. Sebagai contoh terkendalanya pengujian suatu struktur akibat dari beberapa laboratorium pengujian yang tutup dan terjadi antrian sebagai akibat berkurangnya tenaga laboratorium.  Beberapa  metode  untuk  mendapatkan hasil  yang  akurat  dan  dengan  tuntutan  waktu  yang harus  terpenuhi  dalam  sebuah  analisa  struktur diantaranya  dengan  pendekatan  analisa  numerik manual dan analisa numerik menggunakan aplikasi.

## Tabel 1 Kriteria Bantalan Beton
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  menganalisa perilaku  struktur  dari  bantalan  beton  kereta  api menggunakan  analisa  numerik  menggunakan  aplikasi berbasis Metode Elemen Hingga (MEH) sebagai upaya alternatif  analisa  struktur  selain  pengujian  langsung dalam laboratorium.
Sleeper atau bantalan kereta api merupakan salah satu komponen jalan rel, bantalan memiliki fungsi meredam dan meneruskan beban – beban yang berada diatasnya untuk  diteruskan  ke  balas  dan  mempertahankan  lebar jalan rel serta mempertahankan kestabilan kea arah luar jalan rel [3], [4].
Berdasarkan  PM  60  Tahun  2012  bantalan  dibagi menjadi  tiga  yaitu  bantalan  kayu,  bantalan  baja  dan bantalan  beton  [5]–[8].  Pemelihan  jenis  bantalan didasarkan  pada  kelas  dan  kondisi  lapangan  akan ketersedian  bahan  baku  [6].  Bantalan  beton  yang digunakan harus berupa bantalan beton prategang [9]. Spesifikasi  bantalan  beton  dibagi  menjadi  dua  yaitu untuk  bantalan  beton  yang  dipergunakan  pada  lebar jalan rel 1067 mm dan untuk lebar jalan rel 1435 mm [8].
Metode  Elemen  Hingga  (MEH)  dikembangkan  oleh Boeing  dan  BellAerospace  pada  tahun  1950  untuk industry  pesawat  terbang  [10].  Namun  artikel  jurnal pertama  yang  menggunakan  metode  ini  sudah diperkenalkan  oleh  Turner  et.al  tetapi  belum menyebutkan  penggunaan  istilah finite  element methode (FEM) [9], [11]. Istilah finite element methode (metode  elemen  hingga)  pertama  kali  digunakan Clough  pada  tahun  1960  lewat  tulisan  tentang elastisitas [12].

## 2 METODE PENELITIAN

## 2.1 Metode Penelitian
Secara  garis  besar  metode  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  terurai  dalam  diagram  alir  Gambar  1. Penelitian ini menggunakan jenis penelitian eksperimen  simulasi  yaitu  penelitian  yang  dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari suatu perlakukan yang secara  sadar  ditambahkan  oleh  peneliti  melalui software simulasi  analisis.  Penelitian  ini  ditujukan untuk  mendapatkan  nilai  tegangan  dan  regangan
bntalan beton kereta api serta nilai momen maksimum yang dapat dipikul bantalan.
Langkah  penelitian  yang  dilakukan,  diawali  dengan studi  Pustaka  dilanjutkan  dengan  pengumpulan  data meliputi data primer dan data sekunder. Data sekunder antara lain gambar spesifikasi bantalan dan spesifikasi material  bantalan  tersebut.  Selanjutnya  dilakukan analisis dan perhitungan untuk mendapatkan spesifikasi  teknis  untuk  input properti pada Software MEH  sebagai  data  primer.  Setelah  pengambilan  data Langkah berikutnya yaitu memodelkan bantalan beton pada Software serta running perhitungan.  Dari  hasil analisis  atau running pada software kemudian  ditarik kesimpulan.
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

## 2.2 Material Properti Bantalan Beton
Model  bantalan  beton  yang  digunakan  mengacu  pada Bantalan  WIKA  tipe  N-67  pada  penelitian  Fistcar, Wawarisa A 2021. Bantalan merupakan bantalan beton prategang  untuk  lebar  jalan  rel  1067  yang  digunakan pada lintas Surabaya - Mojokerto. Spesifikasi bantalan beton yang digunakan memiliki ukuran 2000 mm x 250 mm x 215 mm, kuat tekan beton Fc’ = 54 Mpa/ K.600, dimensi tulangan 8 ɸ 9, kuat leleh baja Fy = 1400 Mpa. Geometri bantalan beton dapat dilihat pada gambar 2.
Metode pengujian dan pembebanan pada penelitian ini mengadopsi  dari American  Railway  Engineering  and Maintenance  of  Way  Association (AREMA)  Part  4 Concrete  Ties 2010  dan  Silva,  Ramon  et,  al  2020. Dalam  penelitian ini  Langkah  pembebanan  dilakukan pada  pembebanan  momen  positif  tengah  bantalan.
Mulai Studi Pustaka 1. Data Primer 2. Data Sekunder Pemodelan Elemen Hingga Analisa Elemen Hingga Kesimpulan dan Saran selesai
Setting tumpuan dan perletakan bantalan dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 2. Gambar Geometri Bantalan Beton KA
Berdasarkan  gambar  diatas,  terlihat  bantalan  beton memiliki  luas  permukaan  berbeda-beda  di  setiap potongannya, jumlah tulangan atas sebanyak 4 buah ɸ 9 dan tulangan bawah sebanyak 4 buah ɸ 9.
Momen  lentur  desain  bantalan  beton  untuk  momen negative  dudukan  rel  75000  kg/cm;  momen  positive dudukan  rel  150000  kg/cm;  momen  negative  tengah bantalan  93000  kg/cm  dan  momen  positive  tengah bantalan 66000 kg/cm.
Gambar 3. Gambar Geometri Pengujian
Properti material yang diinputkan pada software MEH didekati  dengan  persamaan  empiris.  Pendekatan digunakan untuk menentukan hubungan tegangan leleh terhadap regangan palstis pada Tarik beton, Tarik baja tulangan  dan  tekan  beton.  Properti  material  yang digunakan mengacu pada penelitian [1].
Kuat  tekan  beton  didekati  dengan  persamaan Saatcioglu  dan  Razvi  (1999)  sedangkan  kuat  Tarik beton  didekati  dengan  persamaan  Hsu  dan  Zhang (1996)  dengan  rumus  split  hasil  silinder  beton  mutu biasa Attard dan Setunge (1996). Kuat leleh Tarik baja didekati  dengan  persamaan  Mander  (1998).  Properti material sebagai input software MEH telah dilakukan verifikasi terhadap persamaan empiris [1].
Gambar 4. Kurva Tegangan-Regangan Beton Akibat Tekan. Sumber: [1].
Berdasarkan  hasil  evaluasi  perhitungan  empiris didapatkan  properti  material  beton  dan  baja  tulangan untuk pemodelan bantalan beton sebagai berikut.
a. Potongan A, B dan C Bantalan Beton
b. Potongan D Bantalan Beton
c. Tampak Samping Bantalan Beton
d. Tampak Atas Bantalan Beton

## Tabel 2 Properti Material Baja tulangan
Properti Nilai Material Baja Tulangan  Fy 1400 Mpa Density (ton/mm³) 0.00000000785 Modulus Elastisitas, Et (Mpa) 200000 Poison Rasio, v 0.3 Yeild Strength (Leleh) 1400 Yeild Strength (Ultimate) 1800 Tabel 3 Properti Material Beton
Properti Nilai Material Beton Fc' 54 Mpa Density (ton/mm³) 0.0000000024 Modulus Elastisitas, Ec (Mpa) 35459.71989 Poison Rasio, v 0.2 Dilation Angle, ψ 40 Eccentricity, ɛ 0.1 FBo / FCo 1.16 Yield surface parameter, K 0.667 Viscosity Parameter, μ 0.001 Yeild Strength (Tekan) 54 Yeild Strength (Tarik) 4.19
Gambar 5. Kurva Tegangan-Regangan Beton Akibat Tarik, Sumber: [1].
Gambar 6. Kurva Tegangan-Regangan Tulangan Akibat Tarik, Sumber: [1].

## 2.3 Pemodelan Bantalan Beton
Pemodelan  benda  uji  dilakukan  pada  software  MEH, dimana  benda  uji  bantalan  beton  dimodelkan  tiga dimensi dengan pemodelan elemen beton menggunakan  elemen  solid  CD38R,  elemen  baja tulangan  atas  dan  bawah  menggunakan  elemen  truss T3D2. Input yang diberikan pada elemen T3D2 adalah luas  penampang  A  =  mm2,  tulangan  atas  2-2  (D9)  = 63,585  mm2  dan  tulangan  bawah  4  (D9)  =  63,585 mm2.
Gambar 7. Pemodelan Bantalan Beton KA
Tampak  pada  gambar  bagian  atas  merupakan  elemen beton yang sudah dimodelkan sebagai bantalan KA dan gambar bagian bawah merupakan elemen baja tulangan yang  sudah  di assembly kan  menjadi  satu  dengan elemen beton.

## 2.4 Analisis FEM
Metode  yang  digunakan  adalah  Fenite  Element Methode  atau  metode  elemen  hingga  yaitu  dengan membagi  elemen  struktur  (bantalan  Beton)  menjadi elemen-elemen  lebih  kecil,  tujuan  dari  pembagian
tersebut  adalah  untuk  menyelesaikan  persamaan numerik  untuk  mendapatkan  solusi  dari  persamaan diferensial  (diferensial  biasa  dan  diferensial  parsial) dalam suatu analisa agar mendekati bentuk dari suatu elemen tersebut. Dalam hal ini analisa FEM dilakukan menggunakan  software  untuk  mendapatkan  tingkat ketelitian  yang  baik  akibat  dari  pembagian  elemen- elemen yang sangat banyak.

## 3 ANALIS DATA DAN HASIL PENELITIAN
Analisis  data  diawali  dengan  penginputan  properti material  sesuai  Tabel  2  dan  Tabel  3  dan  dilanjutkan dengan  proses assign material,  pemberian  beban  dan boundary  condition (tumpuan).  Pembebanan  yang digunakan  mengacu  pada  beban  desain  dari  bantalan beton KA, dimana beban desain positif tengah bantalan sebesar  660  kg/m  =  6,6  N/mm  pada  luas  area pembebanan 22800 mm 2 . Konfigurasi pembebanan dan boundary  condition dapat  dilihat  pada  Gambar  8. Dibawah ini.
Gambar  8. Konfigurasi  Pembebanan  dan Boundary Condition
Langkah berikutnya yaitu meshing atau membagi atau merajang  bantalan  beton  KA  menjadi  bagian-bagian yang  lebih  kecil  lagi  untuk  penganalisisan software. Semakin  banyak  perajangan  yang  dilakukan  maka semakin  optimal  pula  hasil  analisa  dari software nya. Namun hal tersebut berpengaruh pada kecepatan iterasi yang dilakukan.
Setelah  dilakukan meshing pada  benda  uji,  kemudian dilakukan run  analysis. Hasil  Output  berupa  perilaku struktur dari bantalan beton kereta api N-67. Perilaku struktur  yang  dianalisis  antara  lain  tegangan  tekan ( compressive stress ) bantalan beton dan tegangan tarik ( tensile  stress )  bantalan  beton  serta  lendutan ( displacement ).  Hasil  analisis  dapat  dilihat  pada Gambar 10 dan Gambar 11 di bawah ini.
Berdasarkan hasil analisis didapat nilai tegangan tekan ( compressive  stress )  bantalan  beton  sebesar  11,706 MPa;  tegangan  tarik  ( tensile  stress )  bantalan  beton sebesar 4,326 MPa dan lendutan ( displacement ) akibat pembebanan yang dilakukan sebesar 0,083 mm.
Gambar 9. Meshing pada Model Bantalan Beton KA
Gambar 10. Tegangan ( Stress ) bantalan beton KA
Gambar 11. Lendutan ( Displacement ) bantalan beton KA
Hasil  yang  didapat  kemudian  dievaluasi  berdasarkan persamaan  (Attard  and  Setunge,  1996)  dalam  ACI Journal  untuk  tegangan  tekan  ( compressive  stress ) beton maks adalah 0,85Fc’ sebesar 45,9 MPa (11,706 MPa < 45,9 MPa) dan Tegangan tarik ( tensile stress ) beton  maks  adalah  0,32Fc 0.67 sebesar  4,6329  MPa (4,326  MPa  <  4,6329  MPa).  Dari  hasil  evaluasi didapatkan  bahwa  bantalan  beton  dapat  menumpu beban yang dipersyaratkan.
Terlihat pula pada gambar-gambar hasil analisis, secara visual  belum  terdapat  retakan  ( crack )  pada  model benda  uji.  Hal  tersebut  dikarenakan  properti  material yang  di  inputkan  pada software merupakan  properti material benda uji yang belum  mengalami deformasi. Seperti yang diketahui berdasarkan prosedur pengujian
American  Railway  Engineering  and  Maintenance  of Way Association (AREMA) Part 4 Concrete Ties 2010 pembebanan pada tengah bantalan merupakan langkah pengujian  ke-4  pada  satu  benda  uji  bantalan  beton. Dimana  langkah  1  sampai  3  benda  uji tersebut sudah dilakukan pembebanan sehingga secara tidak langsung juga sudah mengalami kelelahan struktur.

## 4 KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan  hasil  analisis  data  di  atas,  dapat  diambil beberapa kesimpulan antara lain yaitu benda uji model bantalan  beton  mampu  menerima  beban  desain  yang diberikan sebesar 6,6 N/mm dimana hingga pemberian beban  rencana  maksimum  pada  benda  uji  belum terlihat  keretakan.  Nilai  tegangan  tekan  ( compressive stress )  bantalan  beton  sebesar  11,706  Mpa;  tegangan tarik ( tensile stress ) bantalan beton sebesar 4,326 Mpa dan lendutan ( displacement ) akibat pembebanan yang dilakukan sebesar 0,083 mm. Dapat disimpulkan pula berdasarkan hasil evaluasi pada persamaan (Attard and Setunge, 1996) bahwa model benda uji bantalan beton dapat menumpu beban yang dipersyaratkan.
Saran yang dapat diberikan dalam penelitian ini adalah untuk  dapat  mengevaluasi  hasil  pemodelan  analisa menggunakan  software  MEH  perlu  dilakukan pengujian real di  laboratorium  yaitu  menggunakan benda  uji  dengan  skala  1:1,  sehingga  nilai  properti material setiap langkah pengujian dapat diketahui dan dapat  dimodelkan,  kemudian  saran  dalam  pemodelan Finite  Element menggunakan software disarankan untuk  menggunakan software asli,  hal  tersebut berpengaruh  kepada  hasil  output  progam  yang  lebih optimal  dan  pengujian  eksperimental  lapangan sebaiknya  dilakukan  sebagai  pembanding  langsung dari eksperimental menggunakan software bantu.

## REFERENSI
[1] W.  A.  (Institusi  T.  S.  N.  Fistcar,  “Pengaruh Parameter  Track  Quality  Indeks  (  Tqi  ) Terhadap Perilaku Bantalan Beton,” 2019.
[2] A. Roziqin, S. Y. F. Mas’udi, and I. T. Sihidi, “An analysis of Indonesian government policies against  COVID-19,” Public  Adm.  Policy ,  vol.
24,  no.  1,  pp.  92–107,  Jan.  2021,  doi: 10.1108/PAP-08-2020-0039.
[3] Z. Zulkifli, “Analisis Kekuatan Komposit Kayu Sebagai  Pengganti  Bahan  Sleeper  Pada  Rel Kereta Api.” Universitas Hasanuddin, 2021.
[4] P.  M.  Perhubungan,  R.  Indonesia,  P.  Teknis, and J. Kereta, “Peraturan Menteri Perhubungan
Republik Indonesia Nomor Pm. 60 Tahun 2012 Tentang Persyaratan Teknis Jalur Kereta Api.” pp. 1–42, 2012.
[5] F.  R.  Fajar  Ramadhan,  “Kajian  Penggunaan Bantalan  Kayu  Dan  Bantalan  Sintetis  Pada
Jembatan Di Lintas Kiaracondong– Cicalengka.”  Politeknik  Transportasi  Darat Indonesia-STTD, 2021.
[6] F. D. Sentanu, “Pekerjaan pengecoran abutment jembatan kereta api BH 182 WTT 46, 5 dengan beton mutu tinggi untuk percepatan pembukaan lebih  cepat  (Fast  Track)  di  Sumobito, Jombang.,”  in Prosiding  SENTRA  (Seminar Teknologi dan Rekayasa) , 2021, no. 6, pp. 129– 137.
[7] F. Ilhami, “Perencanaan Jalan Kereta Api Baru Antara  Stasiun  Banjar–Stasiun  Cijulang.” Universitas Siliwangi, 2019.
[8] Z. A. M. Zam, “Analisis Perubahan Lengkung Geometrik Jalan Keretaapi Terhadap Kecepatan Kereta  Api  Pada  Proyek  Peningkatan  Jalan Kereta Api Penggantian Bantalan Dan Rel R. 54 Lintas Araskabu-Siantar.” Universitas Quality, 2021.
[9] M.  A.  Kurniawan,  D.  Malaiholo,  and  W. Riyanta,  “Perilaku  Struktur  Bantalan  Beton Kereta  Api  Berlubang  Akibat  Beban  Pada Tengah  Bantalan,” J.  Kacapuri  J.  Keilmuan Tek. Sipil , vol. 4, no. 2, pp. 213–222, 2022.
[10] A. Puspawan, F. Febriansyah, A. Suandi, and N. Supardi, “The Heat Transfer Flow Analysis Of The  Jis  G  3106  Sm520b  Steel  Plate  Cutting Process  Using  Cnc  Flame  Cutting  Machine  In The  Manufacture  Of  The  Bottom  Plate  Box Girder,” Rekayasa  Mek.  Mech.  Eng.  Sci. Journal, Pure Inter Discip. , vol. 5, no. 1, 2021.
[11] W.  F.  Tjong,  “Pengantar  Metode  Elemen HIngga untuk Analisis Struktur-Teori, Perumusan,  Implementasi  Komputer,  dan Aplikasi,” Pengantar  Metode  Elemen  HIngga untuk  Analisis  Struktur-Teori,  Perumusan, Implementasi Komputer, dan Aplikasi . Rajawali Pers, PT RajaGrafindo Persada, 2021.
[12] P.  B.  Kosasih, Teori  dan  Aplikasi  Metode Elemen Hingga . Yogyakarta: CV Andi Offset.