## PEMODELAN SAMBUNGAN LAS PADA STRUKTUR BALOK KOLOM BAJA BERBASIS PROGRAM ELEMEN HINGGA
Gati Annisa Hayu 1) dan Machmud Budi Sulistyo 2)
1) Program Studi Teknik Sipil, Universitas Pertamina, Jakarta, DKI Jakarta
2) Jurusan Teknik Sipil, Universitas Jember, Jember, Jawa Timur gati.hayu@universitaspertamina.ac.id

## ABSTRACT
In steel construction the selection of types and installation details of connection is an important thing that cannot be ignored. There are three types of steel connections, namely bolts, welds, and rivets. Welding connections have a good strength if conducted in proper quality control. In addition, these connections are also inexpensive and easy to implement. The focus of this study is the modelling of welding connections which can produce outputs that  are  close  to  the  experimental  results.  The  modelling  is  done  by  using  finite  element program. There are two models carried out; Model-1 uses tie constraint interaction type, meanwhile Model-2 uses merge and chamfer type. Results show that Model-2 is closer to the experimental result with an accuracy of 97.75% for its ultimate load. The deformation that  occurred  in  Model-2  also  resembles  the  experiment  deformation.  In  terms  of  energy dissipation,  the  experimental  result  is  78,036.396  kN.mm  while  the  result  of  Model-2  is 94,456.982 kN.mm. Thus, the accuracy level of Model-2 is 82.62%.
Keywords: displacement, dissipation energy, finite element, steel structure, welded joints

## ABSTRAK
Pada  konstruksi  baja  pemilihan  jenis  dan  detail  pemasangan  sambungan  adalah faktor  penting  yang  tidak  dapat  diabaikan.  Terdapat  tiga  jenis  sambungan  baja,  yaitu: baut, las, dan paku keling. Sambungan las akan menghasilkan kekuatan yang baik apabila dilakukan  suatu  kontrol  kualitas  yang  tepat.  Selain  itu,  sambungan  las  merupakan sambungan  yang  murah  dan  mudah  diaplikasikan.  Fokus  dari  penelitian  ini  adalah melakukan  pemodelan  sambungan  las  pada  struktur  balok  kolom  menggunakan  program bantu  elemen  hingga  yang  mana  hasilnya  akan  mendekati  hasil  dari  suatu  eksperimen yang  sudah  pernah  dilakukan.  Terdapat  dua  pemodelan  yang  dilakukan;  Model-1 menggunakan  interaksi  jenis  tie  constraint  interaction,  sementara  Model-2  menggunakan tipe  merge  and  chamfer.  Hasil  penelitian  menunjukan  bahwa  Model-2  lebih  mendekati hasil eksperimen dengan tingkat akurasi beban ultimate sebesar 97.75%. Bentuk deformasi yang terjadi pada model ini juga mendekati hasil eksperimen. Dalam hal energi disipasi, hasil  eksperimen  adalah  sebesar  78,036.396  kN.mm  sementara  hasil  untuk  Model-2 adalah  94,456.982  kN.mm.  Tingkat  keakuratan  hasil  energi  disipasi  Model-2  mencapai 82.62%.
Kata kunci: perpindahan, elemen hingga, energi disipasi, sambungan las, struktur baja

## PENDAHULUAN
Baja merupakan material yang banyak  digunakan  di  bidang  konstruksi. Selain sebagai tulangan, material baja juga digunakan pada bangunan gedung ataupun jembatan, seperti: jembatan penyeberangan orang,  jembatan  rangka  baja,  bangunan hotel,  perkantoran,  dan  lain  sebagainya (Sulistiyo,  Hayu,  &  Hidayah,  2019). Moment-resisting  steel  frame atau  rangka baja  pemikul  momen  didesain  dengan asumsi bahwa struktur mampu menyediakan  kekuatan,  kekakuan,  dan kemampuan  disipasi  energi  yang  cukup untuk menahan gempa yang parah (Calado, Castiglioni, & Bernuzzi, 2000).
Struktur rangka baja pemikul momen dengan  sambungan  las  dianggap  sebagai salah  satu  rangka  pemikul  momen  terbaik hingga  terjadinya  gempa  Northidge  pada tahun  1994.  Akibat  gempa  yang  besar, rangka  baja  pemikul  momen  mengalami kegagalan  getas  ( brittle  failure) pada bagian  sambungan.  (Aydin  et  al,  2015). Beberapa  rangka  pemikul  momen  baja terdeteksi  mengalami  kegagalan  karena kerapuhan.  Oleh  karenanya,  kajian  teoritis dan  eksperimen  dilakukan  dibeberapa negara seperti Amerika, Jepang, dan Eropa untuk  mengamati  perilaku  siklik  dari sambungan las (Calado & Mele, 2000).
Sambungan  antar  komponen  baja adalah  hal  penting  yang  tidak  dapat diabaikan.  Selain  las,  jenis  sambungan pada konstruksi baja adalah baut dan paku keling.  Sambungan las memiliki kekuatan yang  baik  apabila  dilaksanakan  dibawah kontrol  mutu  yang  tepat.  Selain  itu, sambungan ini juga relatif murah. Sambungan  baut  mutu  tinggi  merupakan alternatif lain dalam penyambungan struktur  baja.  Ditinjau  dari  segi  biaya, kinerja, dan tingkat kepraktisan, sambungan  baut  mutu  tinggi  mampu mengungguli  paku  keling  (Dewobroto, 2016).
Pemilihan  jenis  sambungan  dan detail  pemasangan  sambungan  merupakan ciri khas dari konstruksi baja. Apapun jenis sambungannya diharapkan mampu menyediakan  keandalan  dan  daktilitas yang  tinggi  pada  struktur.  Terdapat  dua konsep  untuk  menjamin  keandalan  dan daktilitas  tinggi  pada  struktur,  yaitu memperkuat sambungan dan atau memperlemah balok terhadap kolom untuk menghindari  kegagalan  kolom  (Sofias, Kalfas, & Pachuomis, 2014).
Sebagai  upaya  untuk  mengetahui kekuatan  dan  karakteristik  dari  berbagai jenis  sambungan  baja,  maka  dilakukan eksperimen  di  laboratorium.  Pengujian  di laboratorium  dianggap  efektif  karena
mampu  memberikan  hasil  yang  baik.
Namun demikian, diperlukan data pengujian yang banyak untuk mendapatkan  hasil  yang  akurat.  Hal  ini tentu  saja  membutuhkan  tenaga,  waktu, dan  biaya  yang  tidak  sedikit  (Subchan, Hayu, & Hidayah, 2019).
Seiring dengan perkembangan teknologi komputasi, seperti finite element method, saat  ini  memungkinkan  untuk melakukan simulasi yang kompleks dengan banyak parameter dengan menggunakan  program  elemen  hingga (Mohamadi-shooreh  &  Mofid,  2013).
Selain itu, kesulitan pelaksanaan eskperimen yang berfokus pada sambungan menjadikan penggunaan program  elemen  hingga non-linier untuk analisis  sambungan  dan  penentuan  kurva momen-rotasi  menjadi  lumrah  dilakukan. (Abdollahzadeh  &  Shabanian,  2013). Pemodelan  elemen  hingga  dirasa  mampu menghemat waktu dan biaya serta menampilkan  visual  yang  lebih  detail. Kemampuannya dalam menampilkan perilaku yang sebenarnya pada sambungan menjadikannya  sebuah  alternatif  absah sebagai  standard  pengujian  dan  sumber pengetahuan  yang  mahal  untuk  perilaku sambungan (Sabatka et al, 2014).
Diperlukan  suatu  pendekatan  algoritma
yang  tepat  untuk  mendapatkan  hasil  yang akurat.
Pada penelitian ini dilakukan pemodelan  sambungan  las  pada  balok- kolom  baja  IWF  dengan  menggunakan program  elemen  hingga.  Dua  pemodelan dilakukan untuk mengetahui jenis pemodelan  yang  dapat  menghasilkan keluaran yang mendekati hasil eskperimen. Parameter  yang  ditinjau  meliputi  bentuk kurva  histeresis,  kontur  tegangan  dan deformasi, serta energi disipasi.

## KAJIAN PUSTAKA
Data material, konfigurasi sambungan,  dan  juga  pembebanan  pada penelitian ini disesuaikan dengan penelitian  yang telah dilakukan oleh Yang dan  Kim  pada  tahun  2007  (Yang  &  Kim, 2007).    Salah  satu  eksperimen  yang dilakukan  adalah  las  sempurna  ( fully welded).
Komponen yang dimodelkan meliputi  balok  baja  IWF  dengan  bentang 120 cm, kolom baja IWF degan tinggi 220 cm,  dan  sambungan  las.  Mutu  baja  yang digunakan  adalah  SS400.  Data  material dan  konfigurasi  sambungan  las  baja  yang digunakan  ditampilkan  pada  Tabel  1  dan Gambar 1.

## Tabel 1. Data Material
Kolom
H 125 x 125 x 6.5 x 9
fy flange 347 MPa fy web 333 MPa fu flange 466 Mpa fu web 461 MPa ε flange 25.5 % ε web 33.75% Balok H 250 x 125 x 6 x 9 fy flange 328 MPa fy web 322 MPa
fu flange 447 Mpa fu web 423 MPa ε flange 31.25 % ε web 32.5% Ukuran Las flange 9 mm web 6 mm Sudut las 45°
Sumber: Yang & Kim, 2007
Gambar 1. Konfigurasi Sambungan Las (Sumber: Yang & Kim, 2007)

## METODE PENELITIAN
Metode  penelitian  diawali  dengan membuat  pemodelan  sambungan  las  pada balok  kolom  baja  IWF  menggunakan program  bantu  elemen  hingga.  Terdapat dua jenis pemodelan yang dilakukan, yaitu Model  1  dan  Model  2  yang  dibedakan berdasarkan asumsi algoritma interaksinya.
Hubungan  tegangan  dan  regangan plastisitas  baja  diklasifikasikan  menjadi perfectly  plastic,  elasto-plastic  strain hardening, dan elasto-plastic strain softening (Ray, 2015).  Pada penelitian ini perilaku  balok  kolom  baja  dimodelkan dengan perfectly  plastic dimana  setelah melewati  batas  elastisnya,  baja  tidak mengalami strain  hardening. Dengan demikian  hanya  diperlukan  data  fy  dan nilai regangan plastis sebesar 0.
Tahap  penentuan  interaksi  antar komponen  merupakan  tahap  yang  penting dalam pemodelan elemen hingga.
Pemilihan  interaksi  yang  tepat  akan menghasilkan output yang  akurat.  Telah disebutkan  sebelumnya  bahwa  jenis  las yang digunakan adalah las sempurna yang menjamin tidak ada slip diantara balok dan kolom.  Untuk  menghasilkan  perilaku  las sempurna  maka  Model  1  menggunakan interaksi tie  constraint. Hal  ini  serupa dengan  pemodelan  yang  dilakukan  oleh Atei  dkk  (Ataei,  Bradford,  &  Liu,  2017), Li  dkk  (Li,  Uy,  &  Wang,  2019),  Sabbagh dkk (Sabbagh et al, 2013) dan Xu dkk (Xu et  al,  2017)  yang  menggunakan  interaksi jenis tie  constraint untuk  menghasilkan perilaku  las  sempurna.  Sementara  itu Model 2 menggunakan merge pada seluruh komponen penyusun.

## Gambar 2. Pemodelan Balok-Kolom dengan Elemen Hingga
Pada Model 1 balok dan kolom tidak dilakukan merge sehingga perintah constraint dapat  dilakukan.  Bagian  sayap kolom  perlu  dipartisi  sedemikian  rupa sehingga  dapat  sesuai  dengan  permukaan balok IWF yang melekat padanya.
Sementara  itu  seluruh  komponen  pada Model  2  dilakukan merge. Sambungan  las antar  komponen  diwakili  dengan  perintah chamfer.
Gambar 3. Interaksi Model 1
Ukuran las 9 mm diaplikasikan pada pertemuan  sayap  kolom  dengan  sayap balok.  Ukuran  las  6  mm  diaplikasikan diantara sayap kolom dengan badan balok. Komponen  balok  dan  kolom  digabung menjadi  satu  untuk  selanjutnya  diberi ukuran las sesuai data eksperimen.

## Gambar 4. Interaksi Model 2
Pembebanan yang diberikan merupakan  pembebanan  siklik  vertikal yang  diaplikasikan  pada  jarak  1000  mm dari as kolom.  Input  beban  menggunakan kenaikan displacement dimulai dari nilai 0 mm,  ±3  mm  hingga  ±100  mm,  dan berakhir  Kembali  ke  0  mm.  Total steps untuk  mewakili  pemberian  beban  adalah 73 steps. Pada  kedua  ujung  kolom  dipilih boundary  condition terjepit  sempurna ( encastre) dimana  kedua  ujung  kolom  ini dianggap  mampu  menahan  rotasi  maupun translasi.  Pemodelan  kedua  ujung  kolom serupa  dengan  pemodelan  yang  dilakukan oleh  Li  et  al.  pada  tahun  2019  (Li,  Uy,  & Wang, 2019).

## Gambar 5. Ilustrasi Pembebanan Siklik
(Sumber: Sulistiyo, Hayu, & Entin, 2019)
Gambar 6. Grafik Input Pembebanan Siklik

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Kurva Histeresis
Hubungan  antara  kapasitas  beban dan  perpindahan  disajikan  dalam  kurva histeresis pada Gambar 7 dan 8. Kapasitas beban adalah  beban  yang  mampu  dipikul oleh  balok  selama  diberi  beban  siklik. Beban berbanding  lurus  dengan  nilai perpindahan,  sehingga  semakin  besar  nilai perpindahan yang diberikan maka semakin besar pula gaya yang dipikul oleh balok.
Gambar  7  dan  8  menampilkan perbandingan kurva histeresis antara pemodelan  elemen  hingga  dengan  hasil eksperimen.  Terlihat  bahwa  antara  hasil pemodelan  (biru)  dengan  eksperimen (oranye)  tidak  jauh  berbeda.  Namun demikian  bentuk  kurva  sedikit  berbeda pada bagian akhir.
Gambar 7. Perbandingan Kurva Histeresis Model 1 dan Eksperimen

## Gambar 8. Perbandingan Kurva Histeresis Model 2 dan Eksperimen
Model  1  mengalami  leleh  pertama dengan nilai beban sebesar ±43.85 KN dan deformasi sebesar  ±10.38  mm.  Sementara itu,  Model  2  mengalami  leleh  pertama dengan nilai beban sebesar ±42.79 kN dan nilai deformasi sebesar ±8.62 mm.
-150 -100 -50 0 50 100 150 0 10 20 30 40 50 60 70 Grafik Pembebanan
Beban  ultimit  yang  dihasilkan  oleh Model  1  dan  Model  2  masing-masing adalah 68.52 kN dan 66.43 kN. Sementara hasil eksperimen memiliki kapasitas beban ultimit  sebesar  66.6  kN.  Dengan  demikin nilai  keakuratan  Model  1  dan  Model  2 terhadap  hasil  eksperimen  adalah  sebesar 97.21% dan 99.75%.
X=100%- (XF-XE)
XF x 100% ...........   (1)
Dimana  X  adalah  nilai  keakuratan pemodelan,  X F hasil  pemodelan  elemen hingga,  dan  X E adalah  hasil  eksperimen laboratorium.
Model  2  mempunyai  kekuatan  leleh yang  lebih  kecil  dibandingkan  dengan Model  1.  Perbedaan  nilai  beban  diantara keduanya  adalah  2.42%.  Hal  yang  sama juga ditunjukkan oleh nilai beban ultimitnya,  Model  2  menghasilkan  nilai beban  yang  lebih  kecil  sebesar  3.1% dibandingkan Model 1.
Ditinjau  dari displacement ,  hasil eksperimen  memiliki  nilai  sebesar  59.5 mm  ketika  mencapai  beban ultimate sebesar  66.6  kN.  Model  1  memiliki perpindahan  sebesar  58.3  mm  dengan beban  yang  bekerja  sebesar  60  kN. Sementara  Model  2  memiliki  perpindahan sebesar  59.3  mm  dengan  beban  yang bekerja  sebesar  60.37  mm.  Dapat  dilihat bahwa  dengan  nilai  perpindahan  yang
hampir  sama,  pemodelan  elemen  hingga menghasilkan  kapasitas  beban  yang  lebih kecil. Berdasarkan beban leleh, displacement, dan  beban  ultimitnya,  maka terlihat  bahwa  Model  2  menghasilkan keluaran  yang  lebih  mendekati  hasil eksperimen.

## Gambar 9. Perbandingan Kurva Histeresis Seluruh Model dan Eksperimen
Grafik  sedikit  berbeda  pada  tahap akhir  pembebanan,  ini  dikarenakan input tegangan  pada  program  elemen  hingga tidak melampirkan tegangan ultimit karena baja  terus  berdeformasi  dalam  kondisi perfetly  plastic. Oleh  karenanya  hasil pemodelan  tidak  menunjukkan  perilaku fatik.  Hasil  analisis  yang  sama  juga ditunjukkan pada penelitian yang dilakukan oleh Abdollahzadeh dan Shabanian  (Abdollahzadeh  &  Shabanian, 2013). Pada algoritma interaksi sambungan las  juga  tidak  memasukkan  mutu  las  yang digunakan,  ini  adalah  salah  satu  penyebab mengapa  terdapat  perbedaan  antara  hasil pemodelan dan eksperimen.

## Kontur Tegangan dan Deformasi
Gambar  10  dan  11  merupakan deformasi yang terjadi pada sambungan las hasil  pemodelan  elemen  hingga  dan eksperimen. Kondisi plastis pemodelan las hampir menyamai hasil eksperimen laboratorium.
Gambar 10. Deformasi Pemodelan Elemen
Hingga
Gambar 11. Deformasi Hasil Eksperimen
Kontur  warna  merah  menunjukkan nilai tegangan yang lebih besar dibandingkan  warna  lainnya.  Dari  hasil pemodelan  diketahui  bahwa  pada  area  1 terdapat  kontur  warna  merah  pada  bagian flange kolom  yang  mengalami  tegangan terbesar, yakni 315.3 MPa. Sementara dari hasil percobaan diketahui bahwa pada area yang  sama  telah  terjadi  sobek.  Hasil
eksperimental  juga  menunjukkan  bahwa gradual  tearing terjadi  pada flange kolom dan web balok pada area dekat sambungan las dengan flange kolom (area 2).

## Energi Disipasi
Selain  membandingkan  kapasitas beban yang mampu diterima balok sebagai ukuran  keakuratan  pemodelan,  penelitian ini  juga  membandingkan  energi  disipasi yang  dihasilkan.  Hubungan  antara  gaya dan  perpindahan  akibat  pemberian  beban siklik  menghasilkan  suatu  kurva  yang disebut  dengan hysteresin  loop. Luasan dari hysteresis  loop ini  menunjukkan besarnya energi yang didipasi oleh struktur (Ambarita, Teruna, & Karolina, 2014).
Gambar 12. Hysteretic Loop Pemodelan Elemen Hingga
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa  luasan hysteresis  loop atau  energi disipasi adalah sebesar 78,036.396 kN.mm atau  sebesar  78.036  kJ  sementara  itu  hasil pemodelan elemen hingga sebesar 94,456.982 kN.mm atau sebesar 94.457 kJ.
Dengan demikian keakuratan model adalah sebesar 82.62%.

## SIMPULAN DAN SARAN Simpulan
Beberapa  kesimpulan  yang  dapat diambil dari penelitian ini adalah:
1. Ditinjau  dari  segi  kekuatan ultimit yang dihasilkan, Model 2 menghasilkan  keakuratan  lebih baik  dibandingkan  Model  1, yakni sebesar 99.75%.
2. Model  2  dengan  asumsi merged pada seluruh komponen baja dan chamfer menghasilkan output yang mendekati eksperimen.
3. Deformasi  yang  terjadi  pada pemodelan mendekati  deformasi hasil eksperimen.
4. Ditinjau  dari  energi  disipasi yang dihasilkan, Model 2 memiliki tingkat keakuratan sebesar 82.62%.

## Saran
Beberapa  saran  yang  dapat  diambil dari penelitian ini adalah:
1. Memodelkan  perilaku  plastis material baja dengan lebih tepat.
2. Memodelkan interaksi baja dengan input mutu  sambungan las yang digunakan.
3. Menganalisis momen-rotasi pada sambungan  las  balok
kolom.

## DAFTAR PUSTAKA
Abdollahzadeh,  A.,  Shabanian,  S.  M. (2013).  Analytical  and  Experimental Studies  on  Behavior  of  Beam  to Column  Connections  with  Flange Plate  under  Monotonic  Loading. Iranica  Journal  of  Energy  & Environmental, 4 , 2018-211.
Ambarita,  J. , Teruna,  D.  R.,  Karolina,  R.
(2014). Pendekatan Model Hysteretic Steel  Damper  Berdasarkan  Hasil Eksperimental. Jurnal  Hasil  Riset:
JP Civil Engineering.
Ataei, A., Bradford, M. A., Liu, X. (2017). Computational  Modelling  of  the Moment-rotation  Relationship  for Deconstrucable  Flush  End  Plat Beam-to-column  Composite  Joints. Journal  oc  Constructional  Steel Research, 129 , 75-92.
Aydin,  A.  C.,  Kilic,  M.,  Maali,  M.,
Sagiroglu, M. (2015). An
Experimental  Study  on  the  Moment Rotation  of  Bolted  Beam-Column Connections. Proceeding  of The Third  International  Conference  on Advances  in  Civil,  Structural  and Environmental  Engineering ,  141-
146.
Calado, L., Castiglioni, C. A., Bernuzzi, C. (2000). Seismic Behaviour of Welded Beam-to-column Joints: Experimental and Numerical Analysis. Researchgate.
Calado,  L., Mele, E. (2000).  Experimental Behavior  of  Steel  beam-to-column Joints:  Fully  Welded  vs  Bolted Connections. 12WCEE2000.
Dewobroto,  W.  (2016). Struktur  Baja: Perilaku,  Analisis  &  Desain  –  AISC 2010  Edisi  ke-2 .  Penerbit:  Jurusan Teknik Sipil UPH.
Li, D., Uy, B., Wang, J. (2019). Behaviour and  Design  of  High-Strength  Steel Beam-to-column  Joints. Steel  and
Composite  Structures ,  31  (3):  303- 317.
Mohamadi-shooreh,  M.  R.,  Mofid,  M. (2013).  Prediction  of  the  Yielding
Moment of Flush Endplate
Connections  Using  Finite  Element Modeling. Scientia  iranica,  20(2) , 270-277.
Ray,  R.  (2015). Elasto-plastic  Analysis  of Plate  Using  Abaqus ,  Rourkela: Departement  of  Civil  Engineering National  Institut  of  Technology Rourkela.
Sabbagh,  A.  B.,  Chan,  T.  M.,  Mottram,  J. T.  (2013).  Detailing  of  I-beam-to
CHS  Column  Joints  with  External Diagram  Plates  for  Seismic  Actions,
J. Construction Steel Res, 88 , 21-33.
Sabatka,  L.,  Wald,  F.,  Kabelac,  J.,
Godrich,  L.,  &  Navratil,  J.  (2014). Component  Based  Finite  Element
Model  of  Structural  Connections.
Proceeding  of  12 th International Conference  on  Steel,  Space  abd Composite Structures.
Sofias,  C.,  Kalfas,  C.,  Pachuomis,  D.
(2014).  Experimental  and  FEM
Analysis  of  Reduced  Beam  Section
Moment Endplate Connections under Cyclic Loading. Engineering
Structures, 59 , 320-329.
Subchan,  B.,  Hayu,  G.  A.,  Hidayah,  E.
(2019). Analisis Perilaku Efek Retrofit  Kolom  Beton  Berkomposisi Steel Fiber (Engineered Cementitious  Composite  /  ECC) akibat Beban Aksial dengan
Menggunakan  Software  Berbasis Finite  Element  Analysis. Rekayasa Sipil, 13(3) , 207-215.
Sulistiyo,  M.B.,  Hayu,  G.A.,  Hidayah,  E.
(2019).  Analisis  Sambungan  baut Balok Kolom Rangka Baja Struktural dengan Profil IWF Menggunakan Program Bantu
Elemen  Hingga. Rekayasa  Sipil,
13(3) , 199-206.
Xu,  F.,  Chen,  J.,  Chan,  T.M.  (2017).
Numerical  Analysis  and  Punching Shear  Fracture  Based  Design  of Longitudinal Plate to Concrete-filled
CHS Connections. Construction Building Material, 156 , 91-106.
Yang, C., Kim, Y. (2007). Cyclic Behavior of  Bolted  and  Welded  Beam-to- Column Joints. International Journal of  Mechanical  Sciences,  49 ,  635– 649.