Journal homepage: http://iptek.its.ac.id/index.php/jats
Analisis  Numerik  Sambungan  Rigid  Balok-Kolom Bolted  Flange  Plate (BFP) menggunakan Program Bantu ANSYS
Fikri Ghifari 1,* , Budi Suswanto 1 , Yuyun Tajunnisa 2 , Departemen Teknik Sipil, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya 1 , Departemen Teknik Infrastruktur Sipil, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya 2 Koresponden*, Email: fghifari21@gmail.com
Info Artikel Abstract
Diajukan                 01 Desember 2021
Diperbaiki              11 Februari 2022 Disetujui                 11 Februari 2022
Keywords: Steel connection , bolted flange plate , numerical analysis , ANSYS
The  failure of  the  steel  moment  frame  structure in  America  in  1994 due  to  the  Northridge earthquake provided knowledge that steel materials with high ductility properties can become brittle  if  not  properly  detailed.  The  failures  made  AISC  form  a  task  force  of  the  AISC Connection Prequalification Review Panel (CPRP) to conduct evaluation and research related to  connections.  One  of  the  connections  being  evaluated  was  Bolted  Flange  Plate  (BFP) Connections. This study discusses the numerical analysis of the BFP connection model using the ANSYS program. These analysis results are compared to experimental tests conducted by Yilmaz  et  al.  Numerical  analysis  was  carried  out  to  verify  the  experimental  results  which included moment capacity, rotational capacity, and condition of the panel zone as well as to see the stress contours that occur.The numerical analysis and experimental results showed that the panel  zone  experienced  yielding at the  end of loading. The moment  and rotation  capacities produced by the numerical model are 247.36 kN-m and 4.83%, with a difference between the numerical and experimental models of 4.05%.
Kata kunci: Sambungan baja, bolted flange plate , analisis numerik, ANSYS
Abstrak Kegagalan  struktur  rangka  momen  baja  di  Amerika  pada  tahun  1994  akibat  gempa Northridge memberikan pengetahuan bahwa material baja yang memiliki sifat daktilitas tinggi dapat menjadi getas jika tidak didetailkan dengan baik. Kegagalan-kegagalan yang terjadi  membuat  AISC  membentuk  satuan  tugas the  AISC  Connection  Prequalification Review Panel (CPRP) untuk melakukan evaluasi dan penelitian terkait sambungan. Salah satu sambungan yang dievaluasi adalah sambungan Bolted Flange Plate (BFP). Penelitian ini  membahas  tentang  analisis  numerik  model  sambungan  BFP  dengan  menggunakan program  bantu  ANSYS  kemudian  hasil  analisis  dibandingkan  hasil  pengujian  ekspe- rimental  yang  dilakukan oleh  Yilmaz  dkk.  Analisis  numerik dilakukan untuk  memveri- fikasi hasil eksperimen yang meliputi kapasitas momen, kapasitas rotasi dan kondisi panel zone serta melihat kontur-kontur tegangan yang terjadi. Hasil analisis numerik dan hasil eksperimental menunjukkan panel zone mengalami pelelehan di akhir pembebanan. Kapa- sitas  momen  dan  rotasi  yang  dihasilkan  oleh  model  numerik  adalah  247,36  kN-m  dan 4,83% dengan selisih antara model numerik dan eksperimental sebesar 4,05%.

## 1. Pendahuluan
Kegagalan struktur rangka momen baja di Amerika pada tahun  1994  akibat  gempa  Northridge  memberikan  penge- tahuan  bahwa  material  baja  yang  memiliki  sifat  daktilitas tinggi dapat menjadi getas jika tidak didetailkan dengan baik. Kegagalan  diakibatkan  oleh  performa  sambungan welded flange-bolted web tidak baik dalam menyerap energi gempa [1]. Beberapa kerusakan yang telah teridentifikasi antara lain [2]:
a. Keretakan sambungan las kemudian menyebar ke sayap kolom.
b. Keretakan akibat fenomena heat affected-zone (HAZ). c. Aksi  komposit  plat  beton  dengan  balok  menyebabkan adanya perbedaan antara posisi garis netral pada momen positif  (struktur  komposit)  dengan  posisi  garis  netral
pada  momen  negatif  (struktur non -komposit)  sehingga terjadi  deformasi  aksial  pada  sayap  balok  serat  bawah dan terjadi fracture .
d. Tidak  adanya  plat  menerus  ( continuity  plate )  yang menyebabkan  terjadinya  konsentrasi  tegangan  pada kolom bagian sayap yang dekat dengan badan.
Kegagalan-kegagalan yang terjadi di atas membuat AISC membentuk  satuan  tugas the  AISC  Connection  Prequali- fication Review Panel (CPRP) untuk melakukan evaluasi dan penelitian terkait sambungan [3], salah satunya adalah mela- kukan evaluasi usulan model sambungan Bolted Flange Plate (BFP) yang disempurnakan oleh Sato dkk [4]. Sambungan ini memiliki hirarki keruntuhan supaya tidak terjadi keruntuhan getas antara lain: terjadinya slip baut, kemudian akan terjadi pelelehan  pada  balok  di  ujung  plat  sambung,  dan  yang
Fikri Ghifari dkk, Jurnal Aplikasi Teknik Sipil, Volume 20, Nomor 1, Februari 2022 (49-58) 50
terakhir adalah plat sambung akan mengalami pelelehan [5]. Secara model mekanik, sambungan BFP memiliki kesamaan dengan model sambungan T-Stub . Yang membedakan hanya- lah pada sisi sayap kolom sambungan BFP menggunakan las untuk  menyambungkan  plat  sambung  ke  sayap  kolom. Sehingga  perilaku tension  elongation pada  baut  dan  leleh pada  sayap  sambungan T-Stub digantikan  sepenuhnya oleh las [6].
Sato dkk [4] menguji tiga model sambungan BFP secara eksperimental,  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar  1 . Spesimen diuji dengan protokol beban siklik sesuai dengan AISC Seismic Provision yang dapat dilihat pada Gambar 2 .
Ketika  spesimen  diuji  dan  dilakukan  pengamatan  secara visual,  ketiga  spesimen  tersebut  memiliki  perilaku  yang relatif  sama.  Saat  terjadi  rotasi  0,375%  atau  rotasi  0,5%, ketiga  spesimen  menghasilkan  suara  yang  sangat  keras  di daerah plat sambung. Suara keras terjadi akibat baut pada plat sambung mengalami fenomena slip . Kemudian flaking atau timbulnya bercak-bercak pada daerah sambungan terjadi saat rotasi  2%.  Timbulnya  bercak-bercak  adalah  tanda  bahwa pelelehan telah terjadi pada sambungan tersebut. Saat spesi- men mengalami rotasi 4%, terjadi tekuk lokal pada sayap dan badan balok kemudian balok mengalami  tekuk  torsi lateral (LTB) saat rotasi 5%.
(a) Spesimen BFP-1 (b) Spesimen BFP-2 (c) Spesimen BFP-3
Gambar 1 . Detail spesimen sambungan BFP [4]
Gambar 2 . Protokol pembebanan yang digunakan dalam pengujian spesimen sambungan [4, 7]
Hasil pengujian spesimen menunjukkan bahwa spesimen sambungan mampu mempertahankan sudut rotasi sebesar 6% sebelum  mengalami  kegagalan fracture pada  sayap  balok akibat luas efektif serta spesimen mampu menahan 80% mo- men plastis balok. Walaupun sudut rotasi dan momen yang dihasilkan sangat baik, kurva yang dihasilkan oleh spesimen tidak mengembang membentuk pinching . Hal ini diakibatkan oleh baut yang mengalami slip saat terjadi rotasi 0,375% dan rotasi 0,5%.
Yilmaz  dkk  [8]  melakukan  analisis  perbandingan  sam- bungan extended  end-plate (BSEP-01) dengan  sambungan bolted flange plate (BFP-01) menggunakan profil baja eropa secara  eksperimental.  Detail  konfigurasi  spesimen  sambu- ngan dapat dilihat pada Gambar 3 .
(a) Konfigurasi sambungan BSEP-01
(b) Konfigurasi sambungan BFP-01 Gambar 3 . Detail konfigurasi  spesimen  sambungan Yilmaz dkk [8]
Spesimen diuji dengan protokol beban siklik sesuai dengan AISC Seismic Provision yang dapat dilihat pada Gambar 2 . Hasil pengujian yang akan dianalisis atau dievaluasi adalah
membandingkan kapasitas momen dan membandingkan kur- va histerisis masing-masing spesimen sambungan.
Hasil yang didapatkan adalah bahwa spesimen BSEP-01 memiliki kapasitas momen yang lebih tinggi daripada spesi- men BFP-01 dengan masing-masing kapasitas momen yang dihasilkan sebesar 281,8 kN-m dan 257,4 kN-m [8]. Spesi- men  BFP-01,  saat  terjadi  rotasi  1%,  mengalami  fenomena slip sehingga  kapasitas  momen  hampir  konstan  di  rentang rotasi  1%  hingga  1,85%,  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar  4 .  Di  akhir  pengujian  terlihat  bahwa panel  zone mengalami pelelehan seperti pada Gambar 5 .
Gambar 4 . Kurva histerisis model BFP-01 [8]
Gambar 5. Pelelehan pada panel zone spesimen BFP-01 [8]

## 2. Metode
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  melakukan  evaluasi sambungan BFP-01 yang diuji oleh Yilmaz dkk [8] dengan menggunakan pendekatan analisis numerik.
a. Konfigurasi,  Material,  dan  Metode  pengujian  analisis numerik BFP-01
Fikri Ghifari dkk, Jurnal Aplikasi Teknik Sipil, Volume 20, Nomor 1, Februari 2022 (49-58) 52
Detail  konfigurasi  sambungan  yang  digunakan  dapat dilihat pada Gambar 4(b) . Dalam pengujian eksperimental yang dilakukan oleh Yilmaz dkk [8] menggunakan baja mutu S275 untuk elemen balok dan kolom, baja mutu S355 untuk plat  sambung,  dan  baut  mutu  tinggi grade 10,9.  Modulus elastisitas  yang  diambil  untuk  analisis  numerik  adalah 200.000 MPa. Spesifikasi material dapat dilihat pada Tabel 1 dan kurva tegangan-regangan dapat dilihat pada Gambar 6 dan Gambar 7 .
Tabel 1 . Material model BFP-01
Material Properties baja Yield, 𝑓 (MPa) Ultimate , 𝑓 (MPa) Ultimate elongation, 𝜀 (%) Profil balok dan kolom 284,54 471,34 49,55 [9] Plat sambung 355,68 546,61 47,29 [9] Baut 924,96 1145,31 18,35  [10]
Gambar  6. Kurva  tegangan-regangan  baja mutu  S275  dan S355 [9]
Gambar 7. Kurva tegangan-regangan baut mutu tinggi grade 10,9 [10]
Pemodelan menggunakan sistem sub-assemblage atau ha- nya  memodelkan  balok-kolom  dan  tidak  memodelkan  ge- dung secara menyeluruh dengan perletakan sendi-sendi, se- perti  yang ditunjukkan pada Gambar 8 . Model  akan  dibe- rikan beban siklik, seperti pada Gambar 2 , yang dibebankan di ujung balok seperti pada Gambar 8 .
Gambar 8. Model sub-assemblage b. Pemodelan  model  BFP-01  dengan  program  bantu ANSYS
Tahap awal dalam melakukan pemodelan menggunakan program ANSYS adalah mendefinisikan material yang akan digunakan pada engineering data, seperti yang ditunjukkan pada Gambar  9 .  Data-data  yang  harus  dimasukan  antara lain: Berat jenis baja (7.850 kg/m 3 ); Modulus elastisitas baja (200.000  MPa); Tensile dan compression  yield  strength ; Tensile dan compression  ultimate  strength ;  serta plasticity dari  material  tersebut.  Pada  penelitian  ini  menggunakan model multilinear  kinematic  hardening untuk  mendefini- sikan sifat non-linear dari material baja yang digunakan. Selanjutnya adalah membuat geometry model yang akan dianalisis. Hasil pembuatan model dapat dilihat pada Gam- bar 10 . Di dalam proses pembuatan geometry , model yang memiliki  lubang,  model  berbentuk  lingkaran,  dan  model yang saling bertumpuan perlu dipartisi supaya menghasilkan meshing yang  lebih  baik.  Hasil  partisi  dapat  dilihat  pada Gambar 11 dan Gambar 12 . ANSYS tidak melakukan tahap
assembly karena  proses  tersebut  dilakukan  saat  pembuatan geometry.
Gambar 9. Engineering data
Gambar 10. Geometry model BFP-01
Fikri Ghifari dkk, Jurnal Aplikasi Teknik Sipil, Volume 20, Nomor 1, Februari 2022 (49-58) 54
(a) elemen dengan lubang
(b) elemen baut
Gambar 11. Hasil partisi model BFP-01
Gambar 12. Partisi elemen yang saling menumpu
Langkah  selanjutnya,  setelah geometry dibuat,  adalah mendefinisikan body contact . Tujuan dari body contact ada- lah untuk menentukan perilaku atau hubungan antar elemen struktur. Body  contact yang  akan  digunakan  antara  lain: bonded , frictionless , dan frictional . Bonded digunakan pada elemen yang tersambung secara utuh atau disambung meng- gunakan  las,  contohnya  adalah  plat stiffener dengan  badan dan sayap balok. Frictionless untuk mendefinisikan elemen saling kontak namun mengabaikan friksi, contohnya adalah plat gusset dengan badan balok. Sedangkan frictional untuk elemen yang saling kontak dan memperhitungkan friksi aki- bat  dari pre-tension baut,  contohnya  adalah  kepala  baut dengan  plat  yang  disambung.  Untuk  menentukan koefisien friksi dilakukan proses trial-error dan didapatkan nilai koe- fisien  sebesar  0,2.  Meshing  yang  digunakan  pada  model adalah linear  element tipe hexahedral dengan  bantuan multizone [11] . Jumlah meshing harus diatur dengan baik dan dilakukan trial-error supaya  model  tidak  mengalami
disvergence saat proses analisis. Jumlah nodes pada meshing juga harus diatur tidak melebihi 200.000 supaya lebih efisien dalam  proses running .  Dimensi meshing yang  digunakan adalah 50 mm untuk elemen solid tanpa lubang, 16 mm untuk elemen  dengan  solid  lubang,  dan  8  mm  untuk  baut.  Hasil meshing dapat dilihat pada Gambar 13 .
Boundary  condition di  kedua  ujung  kolom  yang  digu- nakan Yilmaz dkk [8] adalah jenis tumpuan sendi. Sehingga pergerakan  arah  lateral  dan  vertikal  di  kedua  ujung  kolom dibatasi  namun  rotasi  tidak  dibatasi  dengan  bantuan  fitur remote displacement . Sedangkan boundary condition balok anak  didefinisikan  dengan  membatasi  pergerakan  lateral balok induk. Pembebanan model menggunakan beban siklik seperti  pada Gambar  2 dan  diaplikasikan  di  ujung  balok seperti  pada Gambar  8 .  Hasil  penerapan  atau  pemberian beban dalam program ANSYS dapat dilihat pada Gambar 14 . Kemudian baut diberikan pre-tension sebesar 70% dari tegangan tarik baut [8] untuk mendefinisikan tahanan friksi.
(a) meshing area solid = 50 mm
(b) meshing area lubang = 16 mm (c) Meshing pada baut= 8 mm
Gambar 13. Meshing model BFP-01
Gambar 14. Beban siklik di ujung balok pada program ANSYS
Fikri Ghifari dkk, Jurnal Aplikasi Teknik Sipil, Volume 20, Nomor 1, Februari 2022 (49-58) 56

## 3. Hasil dan Analisis
Hasil  yang  dikeluarkan  oleh  program  ANSYS  adalah kontur  tegangan von-mises dan  kurva  histerisis  hubungan reaksi  akibat  beban  dengan displacement yang  terjadi  di ujung  balok.  Kurva  histerisis  yang  diperoleh  akan  diolah menjadi hubungan momen dengan rotasi di muka kolom. a. Distribusi tegangan model sambungan BFP-01
Distribusi tegangan saat pelelehan pertama dapat dilihat pada Gambar  15 .  Pelelehan  pertama  terjadi  saat step -50 dengan displacement balok sebesar 30,2 mm. Dapat dilihat bahwa pelelehan pertama yang terjadi terletak di tiga tempat yaitu sayap balok di ujung plat sambung, dan badan kolom di ujung continuity  plate seperti  yang  ditunjukkan  lingkaran merah  pada Gambar  15 .  Besaran  tegangan  yang  terjadi adalah 295,41 MPa.
Saat  pembebanan  memasuki step- 55  dengan displa- cement balok  sebesar  44,6  mm,  area panel  zone mengha- silkan tegangan yang relatif tinggi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 16 . Dapat dilihat bahwa panel zone memiliki ketebalan yang relatif tipis sehingga menghasilkan tegangan sebesar  443,08  MPa.  Hal  ini  juga  terjadi  pada  pengujian eksperimental  yang  dilakukan  Yilmaz  dkk  seperti  yang ditunjukkan pada Gambar 5 .
Gambar 15. Kontur tegangan saat pelelehan pertama
Gambar 16. Kontur tegangan saat step -55
b. Hasil  kurva  histerisis  model  numerik  dengan  eksperi- mental
Perbandingan  kurva  histerisis  model  numerik  dengan hasil eksperimental dapat dilihat pada Gambar 17 .
Gambar 17. Kurva histerisis model BFP-01
(a)    Pergeseran  sayap  balok  akibat slip baut  di  akhir pengetesan [8].
(b)    Pergeseran  sayap  balok  akibat slip baut  pada pemodelan ANSYS.
Gambar 18. Pergeseran sayap balok
EKSPERIMENTAL NUMERIK
Hasil  model  numerik,  seperti  yang  ditunjukkan  grafik warna biru pada Gambar 17 , menunjukkan bahwa kapasitas momen di muka kolom mempunyai nilai konstan saat rotasi 1,08% hingga 1,63%. Hal ini dikarenakan terjadi fenomena slip pada baut. Sedangkan hasil dari eksperimental menun- jukkan nilai momen konstan saat terjadi rotasi 1,00% hingga 1,85%. Akibat dari slip menyebabkan terjadinya pergeseran sayap  balok,  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar  18 . Pergeseran  sayap  balok  pada  model  numerik  ditunjukkan pada kotak merah Gambar 18(b) .
Kapasitas momen dan rotasi yang dihasilkan oleh pemo- delan  numerik  masing-masing  sebesar  247,36  kN-m  dan 4,83%.  Kapasitas  momen  yang  dihasilkan  oleh  pemodelan numerik memiliki selisih dengan hasil eksperimental sebesar 4,05%  atau  lebih  kecil  10,04  kN-m  daripada  hasil  ekspe- rimental.  Nilai  momen  yang  dihasilkan  relatif  mendekati dengan hasil eksperimental.

## 4. Simpulan
Analisis  numerik  dilakukan  untuk  memverifikasi  hasil eksperimen berupa kapasitas momen, kapasitas rotasi, kon- disi panel  zone ,  dan  melihat  kontur  tegangan  yang  terjadi. Secara numerik, model BFP-01 menghasilkan tegangan yang relatif besar pada panel zone . Hal ini dikarenakan tidak ada doubler plate atau ketebalan panel zone relatif tipis. Ekspe- rimental yang dilakukan Yilmaz dkk [8] juga menunjukkan terjadinya  pelelehan  pada panel  zone di  akhir  pengujian. Kapasitas  momen  dan  rotasi  yang  dihasilkan  oleh  model numerik  masing-masing  sebesar  247,36  kN-m  dan  4,83% dengan  selisih  antara  model  numerik  dan  eksperimental sebesar 4,05%.

## Daftar Pustaka
[1] S. A. Civjan dan M. D. Engelhardt , “ Retrofit of Pre- Northridge Moment-Resisting Connections, ” Journal of Structural Engineering , vol. I, pp. 445-452, 2000.
[2] M.  Bruneau,  C.-M.  Uang  dan  R.  Sabelli,  " Ductile Design of Steel Structures ", New York: McGraw-Hill, 2011.
[3] FEMA,  “ Recommended  Seismic  Design  Criteria  for New  Steel  Moment-Frame  Buildings ,”  Federal Emergency Management Agency, Washington, 2002.
[4] A. Sato, J. Newell dan C.-M. Uang, “ Cyclic Testing of Bolted Flange Plate  Steel Moment Connections For Special  Moment  Frames ,” Structural  System Research Project , San Diego, 2007.
[5] S.  P.  Schneider  dan  I.  Teeraparbwong,  “ Inelastic Behavior  of  Bolted  Flange  Plate  Connections ,” Journal of Structural Engineering , pp. 492-500, 2002.
[6] A.  R.  Tamboli, Handbook  of  Structural  Steel Connection Design and Detail s, New York: McGraw- Hill Education, 2017.
[7] AISC, Seismic  Provisions  for  Structural  Steel Buildings ,  Chicago:  American  Institute  of  Steel Construction, 2016.
[8] O. Yilmaz, S. Bekiroglu, F. Alemdar , G. Arslan, B. Sevim dan Y. Ayvaz, “Experimental Investigation of Bolted  Stiffened  End-Plate  and  Bolted  Flange-Plate Connections,” Latin American Journal of Solids and Structures, pp. 1-12, 2019.
[9] P. Krolo, D. Grandic dan Z. Smolcic, “ Experimental and Numerical Study of Mild Steel Behaviour under Cyclic Loading with Variable Strain Ranges ,” Hinda- wi Publishing Corporation, pp. 1-13, 2016.
[10]   A. S. Daryan dan H. Ketabdari, “ Mechanical Proper- ties  of  Steel  Bolts  with  Different  Diameters  after Exposure to High Tempratures,” Journal of Materials in Civil Engineering , vol. 31, no. 10, pp. 1-11, 2019.
[11]   ANSYS,  ANSYS  Meshing  User's  Guide,  Canons- burg: ANSYS, Inc., 2020.
Fikri Ghifari dkk, Jurnal Aplikasi Teknik Sipil, Volume 20, Nomor 1, Februari 2022 (49-58) 58
Halaman ini sengaja dikosongkan