Analisis Perilaku Balok Kastella Dengan Variasi Jenis Bukaan

## Richard Frans
Universitas Atma Jaya Makassar, Jalan Tanjung Alang, Makassar E-mail: richardfrans.rf@gmail.com
Received 19 May 2020; Reviewed 03 September 2020; Accepted 09 October 2020 Journal Homepage: http://jurnal.borneo.ac.id/index.php/borneoengineering

## Abstract
The main advantage of castellated beam is the increasing of bending capacity caused by the increasing of inertia moment of steel section due to the increasing of depth of the steel section. In addition, some people argue that the opening section of castellated beam become an additional advantage in terms of aesthetics view. In general, there are three opening variations that are very often used in construction, which  are  hexagonal  opening,  circular  opening,  and  diamond  opening.  Many  researches  have  been done  to  compare  the  performance  of  castellated  beam  with  various  opening  but  only  focusing  on  the behavior of castellated beam subjected to monotonic loading. Therefore, in this research, a review of the  behavior  of  castellated  beam  with  various  opening  subjected  to  quasi-static  cyclic  loading  was carried  out  in  order  to  find  out  which  is  better  performance  from  the  opening  variations.  A  finite element  analysis  was  conducted  to  find  out  the  behavior  of  castellated  beam  with  three  variations  of opening.  A  simple  beam  subjected  to  quasi-static  loading  using  displacement  control  technique  was considered  in  this  research.  The  result  shows  that  the  castellated  beam  with  diamond  opening  has  a better performance compared to the other openings (hexagonal opening and circular opening).
Keywords: castellated  beam,  hexagonal  opening,  circular  opening,  diamond  opening,  quasi-static cyclic loading

## Abstrak
Keunggulan  utama  dari  balok  kastella  adalah  peningkatan  kapasitas  lentur  yang  disebabkan  oleh peningkatan  momen  inersia  dari  penampang  akibat  pertambahan  tinggi  dari  profil  balok  tersebut. Selain  itu,  beberapa  orang  berpendapat,  model  penampang  yang  mempunyai  variasi  bukaan  menjadi keunggulan tersendiri dari segi estetika. Secara umum, terdapat tiga jenis variasi bukaan yang sangat sering  dijumpai  dan  digunakan  dalam  dunia  konstruksi  yaitu,  balok  kastella  dengan  bukaan heksagonal,  bukaan  circular,  dan  bukaan  diamond.  Telah  banyak  penelitian  yang  dilakukan  untuk membandingkan  kinerja  balok  kastella  dengan  variasi  bukaan,  akan  tetapi  pada  umumnya  berfokus pada  perilaku  balok  kastella  terhadap  beban  monotonik  (beban  satu  arah).  Oleh  karena  itu,  pada penelitian ini, peninjauan perilaku balok kastella dengan variasi bukaan terhadap beban siklik quasi- statik  dilakukan  dengan  tujuan  untuk  mendapatkan  variasi  bukaan  yang  memiliki  kinerja  terbaik. Analisis elemen hingga digunakan untuk mendapatkan perilaku dari balok kastella dengan tiga variasi bukaan. Pada penelitian ini, struktur balok yang ditinjau adalah balok di atas dua tumpuan sederhana yang  dibebani  secara  siklik  quasi-statik  dengan  teknik  kontrol  perpindahan.  Hasil  yang  didapatkan adalah  balok  kastella  dengan  bukaan  diamond  memiliku  kinerja  yang  lebih  baik  jika  dibandingkan dengan kedua bukaan lainnya (bukaan heksagonal dan bukaan circular).
Kata kunci : balok kastella, bukaan heksagonal, bukaan circular, bukaan diamond, beban siklik quasi- statik

## 1. Pendahuluan
Dewasa  ini,  material  konstruksi  yang  sangat  sering  dijumpai  dalam  berbagai  proyek  infrastruktur adalah  beton,  baja,  kayu  ataupun  komposit  dari  ketiganya  (beton  bertulang,  baja  komposit,  kayu komposit  dan  lain-lain).  Material-material  ini  merupakan  komponen  struktur  utama  dalam menopang beban-beban yang terjadi pada infrastruktur tersebut khususnya material beton dan baja, akan tetapi material baja lebih unggul jika dibandingkan dengan material konstruksi lainnya (beton maupun  kayu)  dari  segi  kekuatan,  kekakuan,  dan  daktailitas  (Frans  dkk,  2018; Dewobroto,  2018; Ravi dan Aiswarya, 2018). Salah satu tipe balok baja yang sedang populer untuk digunakan dalam dunia konstruksi adalah balok kastella (Rugge dan Pasnur, 2017). Balok kastella merupakan balok baja yang mempunyai bukaan (lubang) pada bagian pelat badannya ( web ). Balok kastella dibentuk dengan  memotong  pada  garis  tengah  sebuah  balok  baja  profil  I  ( hot  rolled )  menjadi  dua  bagian kemudian  diangkat  dan  disatukan  kembali  dengan  menggunakan  las  sehingga  tinggi  profil  dapat bertambah  50%  yang  berguna  untuk  menambah  kapasitas  lentur  dari  balok  tersebut  (Wakchaure dan  Sagade,  2012;  Govindrao  dan  Rahti,  2017;  Deshmukh  dan  Kasnale,  2019).  Keuntungan  lain dari  penggunaan  balok  kastella adalah  bukaan  (lubang)  pada  bagian pelat badan  dapat  digunakan untuk melewatkan saluran-saluran pipa dan keperluan ducting (Soltani dkk, 2012).  Secara umum, terdapat  beberapa  bentuk  bukaan  dari  balok  kastella  yang  sering  dijumpai  dan  telah  banyak dilakukan  pengujian  terhadap  kapasitas  dari  bentuk-bentuk  bukaan  tersebut,  yaitu  heksagonal, circular,  dan  diamond.  Jamadar  dan  Kumbhar  (2015)  telah  melakukan  penelitian  secara  numerik dan eksperimental dengan membandingkan balok kastella dengan variasi jenis bukaan. Beban yang diberikan  adalah  beban  monotonik.  Dari  hasil  yang  didapatkan,  balok  kastella  dengan  bukaan diamond  memiliki  kemampuan  (kapasitas)  yang  lebih  tinggi  jika  dibandingkan  dengan  balok kastella dengan bukaan lainnya (heksagonal dan circular). De’nan dkk (2017) melakukan penelitian untuk membandingkan kapasitas lentur dari balok kastella dengan lima variasi bukaan, yaitu model bukaan  c-heksagon,  heksagon, octagon , circle ,  dan  kotak.  Dari  hasil  yang  didapatkan,  balok kastella  dengan  bukaan  c-heksagon  mempunyai  kapasitas  yang  lebih  baik  jika  dibandingkan dengan  bukaan  lainnya.  Panedpojaman  dan  Rongram  (2014)  mengusulkan  persamaan  untuk mendesain  balok  kastella  dengan  bukaan  circular  yang  dominan  terhadap  mekanisme  lentur Vierendeel , dan masih banyak penelitian-penelitian lainnya mengenai kapasitas kinerja dari balok kastella.  Pada  penelitian  ini,  perilaku  balok  kastella  dengan  variasi  bukaan  (bukaan  heksagonal, bukaan circular ,  dan  bukaan diamond )  akan  ditinjau  terhadap  beban  siklik  quasi-statik,  sehingga dapat  disimpulkan  bukaan  mana  yang  memiliki  kinerja  yang  paling  baik  terhadap  beban  siklik quasi-statik.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1. Model Pengujian
Penelitian menggunakan pemodelan elemen hingga dengan menggunakan bantuan perangkat lunak ABAQUS.  Terdapat  tiga  variasi  bukaan  yang  akan  diuji,  yaitu  balok  kastella  dengan  bukaan heksagonal, circular ,  dan diamond .  Sebelum  ketiga  balok  kastella  ini  dimodelkan  secara  elemen hingga, dilakukan optimasi terlebih dahulu untuk mendapatkan kriteria penampang yang optimum (Frans  dkk,  2016).  Kriteria  yang  dimaksudkan  adalah  geometri  penampang  yang  mencakup  rasio tinggi  bukaan,  sudut  bukaan,  dan  jarak  antar  bukaan  dari  balok  kastella.  Struktur  balok  yang digunakan  adalah  struktur  balok  di  atas  dua  tumpuan  sendi.  Untuk  pemodelan  elemen,  terdapat beberapa elemen yang dapat dipilih dalam ABAQUS seperti yang terlihat pada Gambar 1.

## Gambar 1. Tipe elemen dalam ABAQUS (ABAQUS, 2005)
Elemen  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  elemen  S4R  ( shell-4  nodes  with  reduced integration ).  Pemodelan  dengan  menggunakan  elemen  S4R  memberikan  hasil  yang  cukup memuaskan  dimana  hasil  pemodelan  elemen  hingga  yang  didapatkan  hampir  sama  dengan  hasil yang didapatkan dari model eksperimental (Rodrigues dkk, 2014; Frans dkk, 2017). Balok kastella yang  digunakan  berasal  dari parent  beam yaitu  balok  WF200  (Gambar  2).  Pengambilan  profil balok WF 200 mengacu pada penelitian-penelitian sebelumnya (Frans dkk, 2017; Frans dkk, 2018). Gambar 3 menunjukkan struktur balok di atas dua tumpuan sendi yang diuji sedangkan Gambar 4 menunjukkan geometri balok kastella dengan masing-masing bukaan yang telah dioptimasi. Model material yang digunakan adalah elasto-perfect plastic . Pembebanan yang digunakan menggunakan modul  “ step static-general ” dengan penambahan beban yang sesuai dengan protokol pembebanan
yang digunakan.
Gambar 2. Parent beam (profil WF200) Gambar 3. Struktur balok yang ditinjau 100 mm 8 mm 5.5 mm 200 mm L = 3 m Beban siklik quasi-statik
Gambar 4. Geometri balok kastella dengan bukaan, (a). heksagonal, (b). diamond , (c). circle Tabel 1 menunjukkan karakteristik material yang digunakan pada pemodelan elemen hingga. Tipe material diasumsikan sebagai material elasto-plastic .
Tabel 1.  Properti material yang digunakan Modulus Elastisitas 200.000 MPa Poisson ratio 0,3 Tegangan leleh 320 MPa

## 2.2. Riwayat Pembebanan
Pola pembebanan yang digunakan pada penelitian ini adalah pembebanan secara siklik quasi-statik dengan  sistem  kontrol  perpindahan  ( displacement  control ).  Pembebanan  quasi-statik  adalah pemberian beban secara perlahan dan terkontrol terhadap suatu struktur, sehingga deformasi akibat efek dinamis dari beban tersebut dapat diabaikan atau dengan kata lain gaya inersia yang bekerja pada sistem tersebut dapat diabaikan (FEMA 461, 2007).  Prosedur pemberian beban siklik quasi- statik  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  mengikuti  protokol  yang  diberikan  oleh  ATC-24. Perpindahan  leleh  (  y )  menjadi  variabel  acuan  untuk  pemberian  beban.  Menurut  ATC-24, pemberian beban siklik quasi-statik mengikuti ketentuan berikut, yaitu: enam siklus elastis dimana nilai  perpindahan  yang  diambil  lebih  kecil  dari  perpindahan  leleh  dari  struktur  tersebut  (  y ) kemudian  diikuti  masing-masing  tiga  siklus  untuk  nilai  perpindahan  yang  sama  dengan perpindahan leleh (  y ), nilai perpindahan yang besarnya dua kali perpindahan leleh (  y ), dan nilai perpindahan  yang  besarnya  tiga  kali  perpindahan  leleh  (  y ).  Setelah  itu,  pemberian  beban diberikan secara bertahap dengan menambahkan perpindahan sebesar perpindahan leleh sebanyak dua  siklus  sampai  terjadi  kerusakan  siklik  pada  struktur  tersebut  (ATC-24,  1992).  Gambar  5 menunjukkan contoh riwayat pembebanan mengikuti protocol ATC-24.
(a) (b) (c)

## Gambar 5. Riwayat pembebanan berdasarkan ATC-24 (Krawinkler, 2009)

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pengujian  dimulai  dengan  pembebanan  monotonik  dikarenakan  untuk  melaksanakan  pengujian dengan  beban  siklik  quasi-statik  berdasarkan  ATC-24,  nilai  perpindahan  leleh  dari  struktur  harus diketahui  terlebih  dahulu  untuk  membentuk  kurva  riwayat  pembebanan  ( loading  history ). Pembebanan  monotonik  yang  dilakukan  dengan  skema  pengujian  yang  hampir  sama  dengan Gambar 3 hanya saja beban yang bekerja di tengah bentang adalah beban monotonik yaitu beban satu  arah.  Pembebanan  monotonik  dilakukan  terhadap  ketiga  variasi  balok  kastella  (Gambar  4) untuk  mendapatkan  nilai  perpindahan  leleh  dari  masing-masing  variasi  bukaan.  Gambar  6 menunjukkan hubungan antara perpindahan dan gaya reaksi ( reaction force ) untuk masing-masing variasi bukaan dan Tabel 2 menunjukkan nilai perpindahan leleh, gaya reaksi leleh, dan kekakuan struktur dari ketiga variasi bukaan.
Gambar 6. Hubungan antara perpindahan dan gaya reaksi untuk ketiga variasi bukaan
Tabel  2.    Nilai  perpindahan  leleh,  gaya  reaksi  leleh,  dan  kekakuan  balok  kastella terhadap beban monotonik
Variabel yang ditinjau Bukaan heksagonal Bukaan circular Bukaan diamond Perpindahan leleh (mm) 7,84 8,13 7,2 Gaya reaksi leleh (kN) 145,85 151,98 160,8 Kekakuan struktur (kN/mm) 18,6033 18,6937 22,3333
Berdasarkan Gambar 6 dan Tabel  2, nilai perpindahan leleh yang didapatkan untuk ketiga variasi bukaan hampir sama sedangkan nilai kekakuan elastis struktur untuk balok kastella dengan bukaan diamond  lebih  besar  jika  dibandingkan  dengan  balok  kastella  dengan  variasi  bukaan  circular ataupun  bukaan  heksagonal  walaupun  perbedaannya  tidak  signifikan.  Hal  ini  sejalan  dengan penelitian  yang  telah  dilaksanakan  oleh  Jamadar  dan  Kumbhar  (2015).  Setelah  nilai  perpindahan leleh dari pembebanan monotonik didapatkan, nilai perpindahan leleh tersebut menjadi acuan untuk membuat grafik riwayat pembebanan untuk skema pembebanan siklik quasi-statik dan dikarenakan nilai perpindahan leleh antara ketiga variasi bukaan hampir sama, maka diambil nilai perpindahan leleh  yang  seragam  yaitu  sebesar  7,7  mm.  Gambar  7  menunjukkan  grafik  riwayat  pembebanan berdasarkan  nilai  perpindahan  leleh  yang  didapatkan,  yang  selanjutnya  akan  digunakan  dalam skema pembebanan siklik quasi-statik.

## Gambar 7. Grafik riwayat pembebanan untuk beban siklik quasi-statik
Gambar 8  menunjukkan grafik hubungan gaya reaksi dan perpindahan dari balok  kastella dengan variasi bukaan yang dikenai beban siklik quasi-statik sedangkan Tabel 3 menunjukkan karakteristik balok kastella terhadap beban siklik quasi-statik. Dari Gambar 8 dan Tabel 3 dapat terlihat bahwa, pada  kondisi  awal  sampai  terjadi  kelelehan  pertama,  karakteristik  struktur  untuk  ketiga  variasi bukaan relatif sama. Hal ini ditandai dengan tidak terdapat perbedaan yang cukup signifikan antara nilai  perpindahan  leleh  dari  ketiga  bukaan  tersebut.  Kemudian  setelah  terjadi  kelelehan  pertama, terjadi perbedaan perilaku inelastik dari masing-masing variasi bukaan. Perbedaan tersebut dimulai pada siklus ke-17 dimana pemberian perpindahan bernilai 120 mm. Nilai kekakuan pasca leleh dari balok  kastella  dengan  bukaan  diamond  lebih  tinggi  jika  dibandingkan  dengan  bukaan  lainnya, selain  itu  berdasarkan  kurva  histerisis  yang  didapatkan,  untuk  balok  kastella  dengan  bukaan diamond,  luasan  kurva  histerisis  lebih  besar  jika  dibandingkan  dengan  kedua  bukaan  lainnya (heksagonal  dan  circular).  Hal  ini  dikarenakan  nilai  disipasi  energi  yang  dihasilkan  oleh  balok kastella  dengan  bukaan  diamond  lebih  besar  jika  dibandingkan  dengan  bukaan  lainnya,  yaitu
sebesar  3,0151.105  kN-mm,  sehingga  dapat  disimpulkan  bahwa  balok  kastella  dengan  bukaan diamond  mempunyai  kinerja  yang  lebih  baik  jika  dibandingkan  dengan  bukaan  lainnya  terhadap beban siklik quasi-statik.
Gambar 8. Hubungan gaya reaksi terhadap perpindahan balok kastella yang dikenai beban siklik quasi-statik
Tabel 3.  Karakteristik balok kastella terhadap beban siklik quasi-statik
Variabel yang ditinjau Bukaan heksagonal Bukaan circular Bukaan diamond Disipasi energi (kN-mm) 2,57944.10 5 2,6604.10 5 3,0151.10 5 Perpindahan leleh (mm) 6,9909 6,9093 6,0256 Gaya reaksi leleh (kN) 137,0794 139,3104 149,7079 Perpindahan maksimum (mm) 350,2518 358,3708 359,8219 Gaya reaksi maksimum (kN) 208,5678 220,4922 233,3372

## 4. Kesimpulan
Penelitian  ini  meninjau  perilaku  dari  balok  kastella  dengan  variasi  bukaan  terhadap  beban  siklik quasi-statik.  Tipe  bukaan  yang  ditinjau  adalah  bukaan  heksagonal,  bukaan  circular,  dan  bukaan diamond.  Analisis  yang  digunakan  adalah  analisis  elemen  hingga  dengan  menggunakan  bantuan perangkat  lunak  ABAQUS.  Model  balok  yang  ditinjau  adalah  balok  di  atas  dua  tumpuan  sendi. Pembebanan  dilakukan  dengan  teknik  kontrol  perpindahan.  Berdasarkan  hasil  yang  didapatkan, dapat  disimpulkan  bahwa  balok  kastella  dengan  bukaan diamond mempunyai  kinerja  yang  lebih baik  jika  dibandingkan  dengan  bukaan  lainnya  (heksagonal  dan circular )  baik  terhadap  beban monotonik  maupun  terhadap  beban  siklik  kuasi-statik.  Hal  ini  ditandai  dengan  nilai  kekakuan struktur  yang  lebih  tinggi  pada  balok  kastella  dengan  bukaan diamond .  Selain  itu,  pada pembebanan  siklik  kuasi-statik,  nilai  disipasi  energi  pada  balok  kastella  dengan  bukaan diamond lebih tinggi jika dibandingkan dengan kedua bukaan lainnya.
-300 -200 -100 0 100 200 300 -400 -300 -200 -100
0 100 200 300 400
Gay a R ea k si (k N) Perpindahan (mm) Bukaan heksagonal Bukaan circular Bukaan diamond

## Daftar Pustaka
ABAQUS/Standard, 2016, ABAQUS Analysis User’s Guide, Hibbit, Karlsson and Sorenson Inc.,
Providence, RI.
ABAQUS/Standard,  2005,  User’s  Manual  I-III  version  6.5,  Hibbit,  Karlsson  and  Sorenson  Inc., Providence, RI.
Applied Technology Council, 1992, Guidelines for Cyclic Seismic Testing of Components of Steel Structures for Buildings, Report No. ATC-24, Redwood City, CA.
De’nan, F., Keong, C.K., dan Hashim, N. S., 2017, Shapes and Sizes of Web Opening Effects on Bending  Behaviour  of  I-Beam  with  Web  Opening,  AIP  Conference  Proceedings,  Volume 1892, Issue 1, pp 1-8.
Deshmukh,  N.  dan  Kasnale,  A.,  2019,  Parametric  Study  of  Castellated  Beam  with  Coupled Stiffener, International Journal of Advance Research, Ideas and Innovations in Technology, Volume 5, Issue 4, pp 86-92.
Dewobroto,  W.,  2018,  Prospek  dan  Permasalahan  Bangunan  Baja  Tahan  Gempa,  Seminar  Civil Week 2018, Universitas Muhammadiyah Jakarta.
Federal  Emergency  Management  Agency,  2007,  Interim  Testing  Protocols  for  Determining  the Seismic  Performance  Characteristics  of  Structural  and  Nonstructural  Components,  FEMA Report 461, Washington.
Frans,  R.,  Parung,  H.,  Muhiddin,  A.B.  dan  Irmawaty,  R.,  2016,  Optimization  of  Short-Span Hexagonal  Castellated  Beam  using  Fast  Multi  Swarm  Optimization,  International  Seminar on Infrastructure Development (Indonesia, 22 September 2016).
Frans,  R.,  Parung,  H.,  Sandy,  D.  dan  Tonapa,  S.,  2017,  Numerical  Modelling  of  Hexagonal Castellated  Beam  under  Monotonic  Loading,  Procedia  Engineering,  Volume  171,  pp  781- 788, Elsevier.
Frans,  R.,  Parung,  H.,  Muhiddin,  A.B.  dan  Irmawaty,  R.,  2018,  Study  of  The  Behavior  of Composite Castellated Beam, Journal of Engineering and Applied Science, Volume 13, Issue 7, pp 1767-1773.
Govindrao, D.K. dan Rathi, V.R., 2017, Study of Positions of Stiffeners in Sinusoidal Castellated Beam,  International  Journal  of  Engineering  Sciences  &  Research  Technology,  Volume  6, Issue 2, pp 736-739.
Jamadar,  A.M.  dan Kumbhar,  P.D.,  2015,  Parametric  study  of  castellated  beam  with  circular and diamond  shaped  openings,  International  Research  Journal  of  Engineering  and  Technology, Volume 2, pp 715-722.
Krawinkler, H., 2009, Loading Histories for Cyclic Tests in Support of Performance Assessment of Structural  Components,  The  3rd  International  Conference  on  Advances  in  Experimental Structural Engineering (San Fransisco, 15-16 Oktober 2009).
Panedpojaman,  P.  dan  Rongram,  T.,  2014,  Design  Equations  for  Vierendeel  Bending  of  Steel Beams  with  Circular  Web  Openings,  Proceedings  of  the  World  Congress  on  Engineering 2014, Volume II (London, 2-4 Juli 2014).
Ravi, P. dan Aiswarya, S., 2018, Performance Analysis of Castellated Beams with Different Web Openings, International Journal of Engineering Research & Technology, Volume 6, Issue 6, pp 1-3.
Rodrigues,  V.,  Vellasco,  P.C.G.,  Lima,  L.R.O.  dan  Andrade,  S.A.L.,  2014,  Finite  Element Modelling of Steel Beams with Web Openings, Engineering, Volume 6, pp 886-913.
Rugge,  P.P.  dan  Pasnur,  P.K.,  2017,  Review  on  Study  of  Castellated  Beam  With  &  Without Stiffeners, International Journal of Science Technology & Engineering, Volume 3,  Issue 9, 326-328.
Soltani,  M.R.,  Bouchair,  A.  dan  Mimoune,  M.,  2012,  Nonlinear  FE  Analysis  of  the  Ultimate Behavior of Steel Castellated Beams, Journal of Construction Steel Research, Volume 70, pp 101-114.
Wakchaure,  M.R.  dan  Sagade,  A.V.,  2012,  Finite  Element  Analysis  of  Castellated  Steel  Beam, International Journal of Engineering and Innovative Technology, Volume 2, Issue 1, pp 365- 372.