## PERILAKU SAMBUNGAN BAUT FLUSH END-PLATE BALOK KOLOM MENGGUNAKAN ANSYS WORK BENCH
Muhammad Firdaus*, Agus Setiobudi*, Syahril Alzahri*, R.M. Fadel Satria Albimanzura**
*Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas PGRI Palembang, Jln. Jend. A. Yani Lr Gotong Royong 9/10 Ulu, Palembang, Sumatera Selatan, Indonesia **Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Nama Universitas Sriwijaya, Jln. Raya
Palembang-Prabumulih KM32, Indralaya, Sumatera Selatan, Indonesia
*Email: firdaus@univpgri-palembang.ac.id

## ABSTRAK
Sambungan merupakan komponen bangunan yang sangat penting, karena berperan sebagai penyalur beban antara balok dan kolom. Untuk mengetahui kapasitas sambungan, metode eksperimental adalah cara yang paling  mendekati  kondisi  aktual.  Akan  tetapi  waktu,  biaya,  peralatan  dan  sumber  daya  manusia  harus mnejadi pertimbangan. Dalam paper ini digunakan metode elemen hingga menggunakan Ansys Workbench sebagai cara alternatif dari eksperimental. Jenis sambungan yang dipelajari adalah sambungan flush end plate tebal 20mm, baut diameter 20mm, balok IWF 300x200x8x12 dan kolom IWF 300x250x8x12. Ukuran mesh pada elemen diatur untuk mendapatkan hasil yang optimal dengan tetap mempertimbangkan lamanya proses  perhitungan,  dimana  untuk  diarea  titik  kumpul  ukuran  mesh  5mm  sedangkan  pada  balok  kolom ukuran mesh 10mm. Untuk kontak antar elemen digunakan dua jenis kontak yaitu bonded dan frictional . Adapun fixed dan rolled  constraint ,  digunakan  sebagai  perletakan  di  dalam  simulasi.  Output  yang dikeluarkan dari ANSYS workbench antara lain kontur deformasi, kontur tegangan, dan nilai momen-rotasi. Hasil simulasi  menunjukkan bahwa deformasi terbesar terjadi sebesar  153 mm. Tegangan  yang terbesar terjadi pada bagian baut, sehingga diprediksi terjadi kegagalan tarik pada baut. Perbandingan momen rotasi hasil  simulasi  dan  eksperimen  memberikan  hasil  yang  cukup  memuaskan  dengan  selisih  sebesar  4.8% untuk momen dan 11.4% untuk kekakuan sambungan.
Kata kunci : Sambungan baja, metode elemen hingga, flush end-plate , ANSYS workbench .

## 1. PENDAHULUAN
Baja  merupakan  material  yang  sering  digunakan  dalam  konstruksi.  Material  baja  ini memiliki  keunggulan  dibandingkan  dengan  material  beton  yaitu  sifatnya  yang  lebih  daktail, dimana material ini masih mampu mengalami regangan yang sangat signifikan meskipun dalam kondisi  plastis.  Penggunaan  material  baja  sebagai  balok  dan  kolom  memerlukan  media sambungan  untuk  mengintegrasikan  kedua  komponen  tersebut.  Sambungan  baja  merupakan bagian struktur yang yang sangat penting, karena kegagalan bangunan pada umumnya didominasi oleh  kegagalan  diarea  sambungan  dimana  konsentrasi  tegangan  berada.  Di  dalam perancangannya, sambungan harus didesain mampu memikul beban ultimit dengan penggunaan material yang ekonomis, dan efisien dalam pelaksanaannya.
Pada  umumnya,  sambungan  balok-kolom  diasumsikan  sebagai  sambungan  kaku  ( rigid ) atau  sendi  ( pinned ).  Dimana  pada  kondisi  kaku  sempurna  tidak  terjadi  putaran  sudut  di  ujung balok  dan  besarnya  momen  transfer  dari  balok  ke  kolom  adalah  sama.  Sebaliknya  untuk sambungan sendi tak ada momen yang diterima di sambungan tapi konsekuensinya akan terjadi rotasi maksimum pada ujung balok.
Pada  kenyataannya,  perilaku  sambungan  biasanya  memiliki  sifat diantara  kedua  kondisi ideal tersebut, dan dinamakan dengan semi rigid atau partially restrained . Perilaku sambungan ini memiliki karakteristik yang berbeda, dimana rotasi di area sambungan masih memungkinkan terjadi dengan besaran  momen yang lebih rendah dibandingkan sambungan kaku. Dengan nilai kekakuan rotasi sambungan yang berada diantara 0 dan  , maka analisa untuk sambungan semi
rigid lebih sulit dibandingkan sambungan kaku atau sederhana, hal ini yang memotivasi peneliti untuk mempelajari jenis sambungan ini secara mendalam.
Riset mengenai sambungan semi kaku antara lain oleh  Nawar, Elshafy, Eltaly, and Kandil (2021)  yang  melakukan  kalibrasi  pemodelan  dari  sambungan Flush  end  plate (FEP) menggunakan  Anys  terhadap  hasil  eksperimen  dan  analitik  menggunakan  Eurocode  3  (EC3), dimensi  balok  HEB200  ,  baut  M20mm  dan  variasi  tebal  endplate  10mm,  12mm,  dan  15mm. Pemodelan menunjukkan hasil yang memuaskan terhadap eksperimen, efek dari tebal endplate meningkatkan  kapasitas  sambungan  akan  tetapi  mengurangi  daktilitas  sambungan.  Pengaruh endplate  terhadap  sambungan  juga  dilakukan  oleh  Özkılıç  (2021)  untuk  sambungan  Extended End plate (EEP), pemodelan dilakukan dengan Abaqus dan teori menggunakan EC3. Variasi tebal endplate sambungan adalah 10, 15, 20, 25, dan 30mm. Hasil studi juga membuktikan pengaruh dari tebal    endplate meningkatkan  momen ultimit dari sambungan, dan  mode kegagalan akan beralih  dari  sambungan  ke  balok.  Hal  ini  menunjukkan  efek  dari  tebal  pelat  tidak  akan berpengaruh apabila kapasitas momen balok lebih kecil dari kapasitas sambungan. Song, Uy, Li, and Wang (2022) menyelidiki dua jenis sambungan FEP dan EEP baja stainless dengan kolom fabrikasi 200x200x16x10m dan balok 250x130x6, tebal endplate  yang digunakan adalah  8mm dan 16mm. Uji eksperimental dengan beban monotonic, FEA Abaqus dan EC3 dilakukan dalam riset tersebut. Model elemen hingga yang dikembangkan menunjukkan akurasi yang memuaskan dalam  memprediksi perilaku mendekati kegagalan dari koneksi yang diuji  dengan rasio  antara pemodelan dan eksperimen mendekati 1.
Dari  uraian  diatas  dapat  disimpulkan  pada  umumnya  metode  yang  digunakan  adalah eksperimental (uji skala penuh), finite element , dan parametrik. Uji skala penuh akan memberikan hasil yang paling mendekati kondisi nyata namun dengan konsekuensi sumber daya, alat uji, biaya dan  waktu  yang  relatif  besar.  Pendekatan  parameterik  dilakukan  dengan  menggunakan  rumus baku  dari  literatur  atau  persamaan  empiris  dari  hasil  eksperimen,  ketepatan  hasil  sangat tergantung  dari  penggunaan  persamaan  yang  tepat.  Sedangkan  metode  elemen  hingga  (MEH) merupakan  suatu  pendekatan  numerik  menggunakan  persamaan  differensial  pada  suatu permasalahan  dalam  fisika  maupun  teknik  (Pepper  &  Heinrich,  2017),  dapat  dikatakan  MEH adalah eksperimental dalam bentuk simulasi dan hasilnya akan mendekati hasil uji eksperimen asalkan informasi material dan pemodelan dilakukan dengan benar. Penyelesaian metode elemen hingga  ini  merupakan  suatu  metode  yang  membutuhkan computer  aided  engineering (CAE) dalam penyelesaian masalahnya. Metode ini mampu menjadi alternatif dengan memangkas waktu yang  dibutuhkan,  peralatan  laboratorium  yang  harus  disediakan,    dan  tanpa  membutuhkan material  yang  banyak.  Lebih lanjut  dapat  memprediksi  perilaku  benda uji  atau pola  kegagalan untuk dibuktikan pada saat uji skala penuh dilakukan.
Pada  penelitian  sebelumnya,  telah  dilakukan  riset  mengenai  sambungan  baja flush  end plate dengan metode elemen hingga  menggunakan program Ansys APDL ( ANSYS Parametric Design Language ) oleh Tayu, Handono, and Pandaleke (2017).  Ansys APDL mempunyai tingkat kesulitan yang cukup tinggi sehingga sulit melakukan simulasi, walaupun pengguna mempunyai akses langsung ke pemodelan (Lee, 2021). Ansys Workbench adalah pengembangan lebih lanjut dari  Ansys  APDL,  walaupun  menggunakan  solver  yang  sama,  namun  lebih  mudah  dalam  hal pemodelan  dan  mengkaji  hasil  analisa.  Karena  itu,  tujuan  dari  studi  ini  untuk  mendapatkan kekakuan sambungan dalam bentuk grafik momen-rotasi hasil simulasi, dan dibandingkan dengan hasil eksperimental yang telah dilakukan oleh Shi et al. (2010),

## 2. METODE PENELITIAN

## 2.1. Metode yang digunakan
Metode  yang  digunakan  adalah  elemen  hingga  menggunakan  program  ANSYS Workbench. Proses yang dilakukan dalam studi ini adalah penentuan material yang digunakan (engineering data), pemodelan 3D (3D modelling), pendefinisian kontak antar elemen (contact analysis), meshing , pengaturan pembebanan, analisa momen rotasi dan pembahasan ( Gambar 1 ).
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian.

## 2.2. Material data
Jenis sambungan yang diteliti mengacu pada hasil riset yang telah dilakukan oleh Shi et al. (2010),    dengan  kode  sambungan  SC-01  tipe flush  end  plate .  Konfigurasi  dan  mutu  material seperti  pada Gambar  2 dan  Tabel  1,  dimana  pengaturan  material  bilinear  digunakan  untuk seluruh komponen sambungan dan profil baja. Tebal end plate yaitu 20mm, baut diameter 20mm dengan  jarak  antar  baut  88mm.  Ukuran  balok  IWF  300x200x8x12,  dan  kolom  IWF 300x250x8x12 dengan detail dimensi seperti pada Tabel 2. Pada kolom diberi pengaku (column stiffener) berupa pelat 12mm.
Gambar 2. (a) Detail Sambungan (b) Penebalan flens kolom pada daerah sambungan (Shi et al., 2010).

## Tabel 1
Karakteristik Material (Shi et al., 2010) Material Tegangan Leleh (MPa) Tegangan Ultimit (MPa) Modulus Elastisitas Baja (t<16 mm) 391 559 190707 Baja (t>16mm) 363 573 204228 Baut (M20) 995 1160 204228 Tabel 2 Dimensi Balok dan Kolom Penampang Tinggi (mm) Tebal web (mm) Lebar Flens (mm) Tebal Flens (mm) Balok IWF300x200x8x12 300 8 200 12 Kolom – IWF300x250x8x12 300 8 250 12

## 2.3. Pemodelan 3D dan Kondisi Batas
Ansys Workbench digunakan untuk pemodelan sambungan, karena bersifat simetri, maka pemodelan  hanya  dilakukan  setengahnya  saja  dengan  tujuan  untuk  menghemat  waktu  analisa seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 .  Jenis elemen yang digunakan adalah SOLID185 yang cocok  untuk  pemodelan  3D  dengan  elemen  benda  pejal.  Elemen  ini  mempunyai  8  titik  nodal dengan 3 derajat kebebasan translasi untuk 3 sumbu global untuk setiap titik nodal, jadi dimensi matriks kekakuan untuk satu elemen solid adalah 24. Elemen ini memungkinkan untuk digunakan dalam  analisa  plastisitas,  hiperelastisitas,  kekakuan  tegangan,  rangkak,  defleksi  dan  regangan besar (ANSYS Inc., 2020a) .
Untuk  kondisi  batas  ( constraint ) yang  digunakan  adalah fixed dan rolled .  Posisi  dari constraint tersebut dapat dilihat pada Gambar 3(a), dimana perletakan jepit ( fixed support ) berada di bawah kolom, sementara perletakan rol (pergerakan arah y global saja yang diizinkan) berada di  bagian  depan  atas  kolom.    Batas  simetri  dari  model  seperti  pada  Gambar  3b  dengan perpindahan dalam arah x dan y global saja yang diperbolehkan, Untuk pembebanan diberikan dalam 2 step, pada step 1 sebesar 20 kN dan step 2 sebesar 40 kN, dan diletakkan sejauh 1meter dari  muka  kolom.  Nilai  pembebanan  monotonik  ini  harus  melampaui  kemampuan  elastik sambungan, dengan tujuan untuk mendapatkan respon nonlinear dari struktur secara keseluruhan, dimana perilaku ini dapat dilihat dari kurva momen-rotasi hasil analisa.
Gambar 3. (a) Pemodelan 0.5 simetri dan pembebanan (b) Batas simetri
2.4. Jejaring elemen (Meshing)
Ansys mempunyai fitur jejaring elemen ( meshing ) yang dapat digunakan sesuai keperluan. Dalam pemodelan ini digunakan 2 metode jejaring yaitu Sweep dan Multizone . Elemen dengan metode sweep dihasilkan  dari  permukaan  penampang  acuan  yang  kemudian  dibentuk  secara otomatis  atau  dengan  ukuran  tertentu  yang  diatur  oleh  pengguna,  namun  terbatas  pada  bentuk yang teratur pada sumbu tertentu. Sedangkan metode multizone secara otomatis akan membentuk jejaring elemen pada geometri yang dibatasi area yang terpetakan dalam sumbu tertentu (dimana metode sweep dapat digunakan) dan area yang tidak terstruktur, metode ini lebih cocok dimana metode sweep tidak mampu membuat jejaring elemen pada elemen tersebut ( ANSYS Inc ., 2020b). Gambar  4 menyajikan  hasil  pembentukan  jejaring  elemen,  dimana  baut  dan  mur digunakan  metode  multizone  untuk  merapikan  meshing  yang  ada  dengan  ukuran  mesh  5  mm. Pada bagian end-plate digunakan metode sweep dengan ukuran mesh 5 mm, sedangkan ukuran mesh pada balok dan kolom adalah 10 mm. Pemilihan ukuran elemen akan menentukan ketepatan hasil  dari  pemodelan,  semakin  kecil  semakin  baik.  Akan  tetapi  faktor  waktu  yang  dibutuhkan dalam  perhitungan  dan  konvergen  hasil  analisa  harus  menjadi  pertimbangan.  Dimana  ukuran elemen tidak lagi mempengaruhi hasil analisa.
Gambar 4. Hasil pembentukan jejaring elemen ( Meshing )

## 2.5. Contact
Interaksi  antara  dua  atau  lebih  elemen  tergantung  pada  jenis  kontak  yang  diberikan. Perilaku nonlinear dari struktur selain dari sifat nonlinear material, juga tergantung dari  kontak nonlinear  antara  komponen.  Semakin  banyak  part  yang  ada,  maka  definisi  kontak  juga  akan bertambah.  Ansys  Workbench  mempunyai  fitur  pendefinisian  kontak  secara  otomatis  (auto- detection), sehingga pengguna dapat mengatur jenis kontak yang dipakai,. Namun untuk posisi target  dan  kontak,  perlu  dicermati  terlebih  dahulu  mana  yang  sebagai  target  maupun  kontak. Untuk kasus ini, Tipe CONTA173 dan TARGE170 digunakan dalam pemodelan. Bonded contact digunakan antara balok terhadap endplate, dan baut terhadap mur, dimana antara kedua part tak dapat  dipisahkan  ( cannot  separate )  dan  tak  dapat  bergeser  ( sliding ).  Sedangkan  kontak  antara endplate-kolom, kolom-mur, endplate-baut, dan kolom-baut digunakan frictional contact dengan koefisien  sliding 0.25 (yang umum digunakan). Jenis kontak ini untuk mensimulasikan antara kedua part   memungkinkan terpisah (can separate) dan bergeser ( sliding ) dengan faktor koefisen geser tertentu. Tabel 3 menyajikan informasi kontak yang dipakai dalam pemodelan.
Tabel 3 Kontak pada tiap elemen Elemen Target-Kontak Tipe Kontak Algoritma Target Kontak Endplate - Balok  Balok Endplate Bonded Program Controlled Endplate -Kolom  Kolom Endplate Frictional, Coefficient 0.25 Pure Penalty Kolom-Mur Mur Kolom Frictional, Coefficient 0.25 Pure Penalty Baut-Mur Mur Baut Bonded Program Controlled Endplate -Baut Baut Endplate Frictional, Coefficient 0.25 Pure Penalty Kolom-Baut Baut Kolom Frictional, Coefficient 0.25 Pure Penalty

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Kurva beban-defleksi (Load deflection)
Analisa  elemen  hingga  dilakukan  dengan  menggunakan  Ansys  Workbench,  pengaturan large deflection dilakukan untuk mengetahui respon non-linear dari pemodelan. Intial time step diatur sebesar 0.001s dan maximum time step 0.05s. Pengaturan ini dianggap mencukupi untuk mendapatkan hasil konvergen dari analisa non-linear, dengan menggunakan CPU AMD Ryzen 7 dengan  kapasitas  memory  16GB  waktu  yang  dibutuhkan  adalah  2  jam. Gambar  5 memperlihatkan  deformasi yang terjadi akibat pembebanan yang diberikan. Sedangkan Gambar 6 menampilkan  grafik  beban-defleksi  yang  dibandingkan  dengan  penelitian  sebelumnya. Deformasi  paling  besar  terjadi  pada  bagian  ujung  balok,  karena  lokasi  tersebut  dekat  dengan lokasi beban yang diberikan. Dimana dari pemodelan dengan beban 52 kN defleksi yang terjadi 153mm, sedangkan dari eksperimen beban 50 kN menghasilkan defleksi sebesar 155mm.
Gambar 5. Deformasi pada model
Gambar 6. Grafik Beban-defleksi

## 3.2. Kurva momen-rotasi (Moment-rotation)
Kinerja sambungan pada umumnya dinyatakan dengan kurva momen-rotasi. Karena dari pemodelan  output  yang  dihasilkan  hanya  defleksi  dalam  arah  sumbu  global,  maka  untuk mendapatkan rotasi sambungan dengan menggunakan data perpindahan dititik A,B dan C seperti pada Gambar 7 . Rotasi pada kolom (  Column ) dan balok (  Beam )  dihitung dengan menggunakan persamaan (1) dan (2). Rotasi pada sambungan (  Jount ) adalah selisih dari  Column dan  Beam . Momen pada sambungan (M z ) didapat dari besarnya beban P terhadap L (persamaan 4), dan pada akhirnya kekakuan sambungan didapat dari perbandingan antara M z dan  Jount (persamaan 5).
Gambar 7. (a) Skema rotasi sambungan (b) Posisi beban P sejarak L
𝜙 𝐶𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛 = tan −1 Δ𝑋 𝐴′𝐵′ Δ𝑌 𝐴′𝐵′
........... pers. 1
𝜙 𝐵𝑒𝑎𝑚 = tan −1 Δ𝑌 𝐴′𝐶′
Δ𝑋 𝐴′𝐶′ ........... pers. 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 10 20 30 40 50 60 FEM Experiment by Shi Load-deflection Load - kN Deflection - mm
𝜙 𝐽𝑜𝑖𝑛𝑡 = 𝜙 𝐵𝑒𝑎𝑚 − 𝜙 𝐶𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛 ........... pers. 3 𝑀 𝑧 = 𝑃 𝐿 ........... pers. 4 𝑆 𝑗 = 𝑀 𝑧 𝜙 𝐽𝑜𝑖𝑛𝑡
........... pers. 5
Hasil simulasi dan eksperimen disajikan pada Gambar 8 , dapat dilihat terjadi jarak (gap) antara end plate dan kolom web  di zona tarik karena adanya rotasi pada sambungan. Tegangan yang paling tinggi terjadi pada baut tarik dan hal ini cocok dengan hasil eksperimen yang telah dilakukan oleh Shi et al. (2010) dimana terjadi kegagalan berupa patahnya ( fracture ) baut dizona tarik.
Gambar 8. Rotasi sambungan (a) Simulasi (b)Tegangan pada baut  (c) Eksperimen Shi et al.
(2010)
Untuk hasil momen rotasi yang terjadi apabila dibandingkan dengan uji laboratorium oleh Shi et al. (2010) dapat dilihat pada Gambar 9 . Titik A dan B adalah titik potong garis tangen dari kurva. Nilai M z didapat dari proyeksi gari mendatar dari titik A dan B ke sumbu Y, dan kekakuan sambungan Sj diketahui dari besarnya gradien dari titik 0,0 ke titik A dan B.
Gambar 9. Perbandingan momen-rotasi eksperimental dan elemen hingga
Berdasarkan Tabel 4,  Hasil simulasi menunjukkan prediksi nilai yang lebih rendah untuk momen terhadap eksperimen sebesar 4.8%. Untuk kekakuan sambungan, uji skala penuh menghasilkan kekakuan yang lebih tinggi dibandingkan pemodelan dengan perbedaan 11.4%.
Perbedaan  ini  dapat  diminimalkan  dengan  cara  antara  lain  ukuran  mesh  yang  diperkecil,  dan penggunaan  data  material dari  uji tarik  ketimbang  menggunakan  pendekatan  material bilinear. Walaupun demikian, dengan nilai persentase yang didapat hasil simulasi dapat diterima.

## Tabel 4
Perbandingan Momen Rotasi Penelitian Momen Perbedaan Sj Perbedaan kN m % kNm/rad % Shi, Shi (4) 145 4.8% 15437 11.4% ANSYS Workbench 138 13670

## 4. KESIMPULAN
Adapun kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:
1. Deformasi  maksimum  yang  terjadi  dari  simulasi  sebesar  153mm  pada  beban  52  kN, mendekati hasil uji skala penuh sebesar 155mm saat beban 50 kN diberikan.
2. Tegangan  maksimum  terjadi  pada  komponen  baut,  sehingga  sambungan  berpotensi mengalami kegagalan tarik.
3. Adapun hasil metode elemen hingga dalam paper ini mempunyai perbedaan terhadap hasil uji sebesar 4.8% untuk momen dan 11.4% untuk kekakuan sambungan.

## DAFTAR PUSTAKA
ANSYS Inc.  (2020a). Element Reference : Ansys Inc.
ANSYS Inc. (2020b). Meshing Guide : Ansys Inc.
Lee,  H.  H.  (2021). Finite  Element  Simulations  with  ANSYS  Workbench  2021:  Theory, Applications, Case Studies : SDC Publications.
Nawar, M., Elshafy, A., Eltaly, B., & Kandil, K. (2021). Experimental and Numerical Analysis of Steel Beam-Column Connections. ERJ. Engineering Research Journal, 44 (1), 43-49.
Özkılıç, Y. O. (2021). Investigation of the effects of bolt diameter and end-plate thickness on the capacity  and  failure  modes  of  end-plated  beam-to-column  connections. Research  on Engineering Structures & Material .
Pepper,  D.  W.,  &  Heinrich,  J.  C.  (2017). The  Finite  Element  Method:  Basic  Concepts  and Applications with MATLAB, MAPLE, and COMSOL : CRC Press.
Shi, G., Shi, Y., Wang, Y., & Bijlaard, F. (2010). Monotonic loading tests on semi-rigid end-plate connections  with  welded  I-shaped  columns  and  beams. Advances  in  Structural Engineering, 13 (2), 215-229.
Song, Y., Uy, B., Li, D., & Wang, J. (2022). Ultimate behaviour and rotation capacity of stainless steel end-plate connections. STEEL AND COMPOSITE STRUCTURES, 42 (4), 569-590.
Tayu, B., Handono, B. D., & Pandaleke, R. (2017). Perilaku Sambungan Baut Flush End-Plate Balok Kolom Baja pada Kondisi Batas. Jurnal Sipil Statik, 5 (5).