analisa resiko gempa dengan teorema probabilitas total untuk kota

ANALISA RESIKO GEMPA DENGAN TEOREMA PROBABILITAS TOTAL
UNTUK KOTA-KOTA DI INDONESIA
YANG AKTIFITAS SEISMIKNYA TINGGI
Helmy Darjanto 1
Adhi Muhtadi 2
1
Dosen & Praktisi, Anggota Himpunan Ahli Teknik Tanah Indonesia (HATTI)
Email: [email protected]
ABSTRAK
Data digitasi percepatan riwayat waktu adalah bagian dari data gempa yang
diperlukan untuk analisa perambatan gelombang geser seismik pada suatu deposit
tanah. Data ini dapat memberikan gambaran spesifik tentang kondisi geologi dan
parameter-parameter kegempaan, misal nilai maksimum percepatan gempa di
batuan dasar, durasi, dan frekuensi. Oleh karena itu studi tentang pemilihan data
yang sesuai dengan kondisi geologi dan seismologi daerah yang ditinjau sangat
penting untuk mendapatkan hasil analisis kegempaan yang akurat. Sampai saat ini
masih banyak data riwayat gempa di Indonesia yang belum tercatat oleh
karenanya sangat diperlukan adanya pembuatan data digitasi untuk batuan dasar,
misal kota Surabaya & kota-kota lainnya yang aktifitas seismiknya cukup – sangat
tinggi sehingga dalam perencanaan konstruksi bangunan harus memperhitungkan
aspek-aspek kegempaan. Digitasi ground motion ini dibuat dengan
memperhitungkan kondisi tektonik, analisa resiko gempa, dan target spektra di
batuan dasar pada daerah yang ditinjau. Dalam hal ini analisa resiko gempa
menggunakan teorema probabilitas total (Cornel, 1968 & McGuire, 1976)
sedangkan untuk pembuatan data digitasi time histories dibantu dengan piranti
lunak / program SYNTH. Fungsi atenuasi digunakan sesuai dengan jenis gempa
nya: misal kota Surabaya, untuk gempa dangkal menggunakan atenuasi yang
diusulkan oleh Boore et al (1997) sedangkan untuk gempa subduksi menggunakan
atenuasi yang dikembangkan oleh Youngs et al (1997).
Kata kunci: data digitasi, teorema probabilitas total
1. PENDAHULUAN
Gempa bumi adalah satu dari beberapa
bencana alam yang dapat menimbulkan
kerugian yang sangat besar karena dapat
menyebabkan kerusakan struktur bangunan,
sarana infrastruktur, dan juga menimbulkan
korban jiwa. Nilai kerugian dapat menjadi
lebih besar bila kita juga memperhitungkan
terhentinya aktifitas ekonomi dan sosial
masyarakat sebagai akibat kerusakan di
atas.
Indonesia adalah termasuk negara yang
mempunyai resiko gempa cukup tinggi. Hal
ini dikarenakan oleh letak Indonesia yang
berada pada pertemuan empat lempeng
tektonik utama, yaitu lempeng Australia,
lempeng Asia, lempeng Pasifik, dan lempeng
laut Philipina. Interaksi antara ke empat
lempeng utama tersebut
menjadikan
ISBN No. 978-979-18342-0-9
B-7
Indonesia sebagai benar satu negara yang
memiliki aktifitas seismik yang cukup tinggi
dan rawan terhadap bahaya gempa,
(Gambar 1).
Gambar 1. Aktifitas Seismik di Indonesia.
Selain itu dari data pencatatan kejadian
gempa di Indonesia yang dikeluarkan oleh
Helmy Darjanto & Adhi Muhtadi
lembaga-lembaga kegempaan nasional dan
inter-nasional, yaitu bahwa jumlah total
kejadian gempa dengan Ms ≥ 5 yang tercatat
sejak tahun 1897 sampai tahun 2006 adalah
lebih dari 8000 atau > 80 kejadian per
tahun. Oleh karena tingginya aktifitas
seismik
tersebut,
maka
perencanaan
bangunan di Indonesia harus memperhitungkan aspek-aspek kegempaan.
Parameter kegempaan yang diperlukan
dalam perencanaan umumnya dinyatakan
dalam percepatan gempa dan respon
spektra di permukaan. Untuk mendapatkan
hasil analisa yang akurat perlu diketahui
proses perambatan gelombang dari pusat
gempa (fokus) hingga ke permukaan tanah
pada lokasi yang ditinjau. Perambatan
gelombang ini merupakan proses yang
panjang dan kompleks sebagaimana terlihat
pada Gambar 2 di bawah ini :
beserta periodanya. Tahap selanjutnya
adalah penentuan time histories dan analisa
perambatan gelombang, disini pengaruh
kondisi tanah lokal terhadap frekuensi,
percepatan gempa dan respon spektra
permukaan tanah.
Ibukota provinsi seperti kota Aceh,
Surabaya, Jayapura, dan seterusnya yang
kaya akan sumber daya alam minyak dan
gas, merupakan tempat yang potensial bagi
investor sehingga pembangunan struktur dan
infrastruktur hendaknya harus memperhatikan aspek kegempaan untuk menghindari kerugian yang mungkin timbul karena
resiko pengaruh gempa bumi.
Desain data digitasi ground motion
dilakukan dalam frekuensi domain dengan
memperhitungkan kondisi geologi dan
seismologinya, dan sejarah kegempaan di
sekitar lokasi. Target parameter pergerakan
batuan dasar (ground motion parameter)
dikerjakan berdasarkan Teorema Probabilitas Total sedangkan pembuatan time
histories dikerjakan berdasarkan penggunaan data digitasi di suatu lokasi yang
sesuai dengan kondisi kegempaan di lokasi
gempa.
2. TEORI
Gambar 2. Perambatan GelombangGempa
Dari Fokus ke Permukaan
Berdasarkan Gambar 2 di atas, secara umum
analisa kegempaan dapat dibagi ke dalam
beberapa tahapan, yaitu analisa seismotektonik (seismic source identification),
penentuan fungsi atenuasi, analisa probabilitas, penentuan time histories, analisa
perambatan gelombang geser dari batuan
dasar ke permukaan, dan analisa dinamika
struktur.
Analisa seismotektonik meliputi penentuan
lokasi gempa, magnitude, dan mekanisme
gempa yang akan digunakan sebagai data
input untuk analisa probabilitas. Analisa
probabilitas dibutuhkan untuk memperkirakan besarnya parameter gempa untuk
suatu lokasi di batuan dasar. Hasil
analisanya ini adalah berupa percepatan
gempa dan respon spektra di batuan dasar
untuk beberapa periode ulang tertentu
ISBN No. 978-979-18342-0-9
2.1. Koleksi Data Gempa
Data gempa yang digunakan pada studi ini
dikumpulkan dari data gempa terbaru yang
dikeluarkan oleh lembaga kegempaan nasional seperti Catatan Gempa Indonesia yang
dikeluarkan oleh Direktorat Meteorologi dan
Geofisika maupun lembaga-lembaga internasional seperti US. Geological Survey
(USGS), dan National Earthquake Information Center (NEIC).
Pada tahap ini, data gempa yang telah
terkumpul kemudian dipisahkan antara
gempa susulan (aftershock) dan gempa
utama (main shock). Pemisahan data gempa
ini dilakukan dengan menggunakan kriteria
Time and Distance Windows yang diberikan
oleh Uhrhammer (1986), dan Firmansjah
(1999).
2.2. Identifikasi Sumber Gempa
Identifikasi sumber gempa diperlukan untuk
mengetahui sumber-sumber gempa yang
B-8
Analisa Resiko Gempa Dengan Teorema Probabilitas Total
Untuk Kota-Kota Di Indonesia Yang Aktifitas Seismiknya Tinggi
memiliki potensi untuk menghasilkan kejadian gempa yang mempengaruhi suatu daerah tertentu. Suatu sumber gempa menggambarkan suatu area pada sebuah lempeng
yang memiliki karakteristik aktivitas gempa
yang berbeda terhadap lempeng di sekitarnya. Suatu sumber gempa dapat diidentifikasi berdasarkan data-data geologi,
seismologi dan geofisika. Berdasarkan datadata struktur geologi yang digabungkan
dengan data-data kejadian gempa historis,
maka dapat diperkirakan tingkat tegangan
tektonik yang terjadi.
dan kondisi tektonik suatu wilayah. Prosedur
ini dilakukan untuk mengidentifikasi magnitude maksimum yang sesuai untuk sumber
gempa potensial.
Nilai magnitude maksimum dari tiap sumber
gempa yang mempengaruhi wilayah Indonesia dapat dilihat pada Gambar 3.
Zona sumber gempa di Indonesia dapat
diklasifikasikan dalam tiga jenis berdasarkan
mekanismenya, yaitu zona subduksi, zona
transformasi (shallow crustal) dan zona
diffuse seismicity. Seluruh zona sumber
gempa tersebut tergolong aktif tetapi hanya
beberapa sumber gempa saja yang pernah
menghasilkan kejadian gempa dengan Mw >
8.5 dalam kurun waktu dua abad terakhir.
Gambar 3. Magnitude Maksimum.
2.5. Fungsi Atenuasi
Hingga saat ini belum ada fungsi atenuasi
yang dihasilkan secara spesifik untuk
wilayah Indonesia karena kurangnya datadata yang dibutuhkan untuk menghasilkan
suatu fungsi atenuasi. Oleh karena itu,
untuk wilayah Indonesia digunakan fungsi
atenuasi dari wilayah lain yang memiliki
kemiripan tektonik dan geologi dengan
wilayah Indonesia. Dasar pemilihan fungsi
atenuasi ini yang paling penting adalah
berdasarkan mekanisme kejadian gempa,
dimana secara umum dikategorikan dalam
zona gempa subduksi dan zona gempa
shallow crustal.
2.3. Model Zona Sumber Gempa
Hubungan antara data kejadian gempa
dengan model analisis dalam menentukan
tingkat seismic hazard adalah model zona
sumber gempa yang dibuat berdasarkan
data-data pada suatu wilayah. Seluruh
interpretasi seismotektonik dari berbagai
literatur yang ada harus dipertimbangkan
dalam pembuatan model zona sumber
gempa, sehingga berbagai data dari seismologi, geofisika dan geologi digabungkan
untuk menghasilkan model zona sumber
gempa yang baik. Profil hypocenter di
sekitar lokasi yang ditinjau diperlukan untuk
mengkelompokkan
data-data
kejadian
gempa ke dalam zona sumber gempa,
Gambar 2.
Dalam studi ini, dipilih fungsi atenuasi di
batuan
untuk
zona
subduksi
yang
dikembangkan oleh Youngs (1997) dan untuk
shallow crustal yang dikembangkan oleh
Boore, Joyner & Fumal (1997) dan Sadigh
(1997). Pemilihan ini berdasarkan atas studi
yang pernah dilakukan sebelumnya oleh
Firmansjah & Irsyam (2000).
2.6. Analisis Seismic Hazard
Analisis seismic hazard dilakukan dengan
menggunakan teori probabilitas total yang
dikembangkan McGuire (1976) berdasarkan
konsep probabilitas dari Cornell (1968).
Teori ini menggunakan asumsi bahwa suatu
kejadian gempa dengan magnitude, M dan
jarak hiposenter, R sebagai variabel acak
indenpenden yang kontinus. Teorema probabilitas total dapat dinyatakan dalam formula
dasar sebagai berikut,
Gambar 2. Model Zona Sumber Gempa
2.4. Magnitude Maksimum
Magnitude maksimum ditentukan berdasarkan hasil evaluasi dari data yang tersedia
ISBN No. 978-979-18342-0-9
B-9
Helmy Darjanto & Adhi Muhtadi
P[I ≥ i ] = ∫ ∫ P[I ≥i m and r ]. f M (m ). f R (r ).dm.dr
.....(1)
r m
dimana:
fM
fR
P[I≥iM dan R
: fungsi distribusi magnitude
: fungsi distribusi jarak hiposenter
: probabilitas bersyarat dari
intensitas I yang melampaui nilai i pada lokasi
yang ditinjau untuk kejadian gempa dengan magnitude M dan jarak hiposenter R
2.7. Parameter Resiko Gempa
Analisa resiko gempa dengan menggunakan
teorema probabilistik memerlukan parameter a dan b dari persamaan GuttenbergRichter :
.....(2)
log N (m ) = a − b . M
dimana :
N(m) : frekuensi kejadian gempa dengan
magnitude ≥ M, per satuan waktu,
a
: konstanta karakteristik kegempaan
yang merupakan fungsi dari jangka
waktu pengamatan dan tingkat
kegempaan daerah sumber,
b
: konstanta karakteristik kegempaan
yang menunjukkan distribusi besar
dan kecil magnitude gempa.
2.8. De-Agregasi
De-Agregasi dilakukan pada setiap sumber
gempa untuk mendapatkan kontribusi
jumlah kejadian gempa per tahun dari
probabilitas gempa magnitude M dan jarak R
terhadap lokasi yang ditinjau, Gambar 4.
Langkah-langkah untuk pembuatan data
digitasi ground motion di batuan dasar
(Gambar 5) dibagi menjadi 3 tahap, yaitu:
1. Koleksi data gempa,
2. Analisa resiko gempa untuk mendapatkan percepatan gempa maksimum
di batuan dasar (Peak Ground Acceleration, PGA) dan target spektra di
batuan dasar untuk lokasi yang ditinjau,
misal kota Surabaya dengan menggunakan teorema probabilitas total,
3. Mencari data digitasi di suatu lokasi
yang mempunyai kondisi geologi dan
seismologi yang sesuai dengan kondisi
lokasi yang ditinjau,
4. Pembuatan time histories percepatan
gempa di batuan dasar untuk lokasi yang
ditinjau, misal kota Surabaya.
Gambar 5. Langkah-langkah Pembuatan Data
Digitasi Ground Motion di Batuan Dasar
4. HASIL
4.1. Jakarta
Dari hasil perhitungan dengan menggunakan
teorema probabilitas total, input ground
motion untuk wilayah kota Jakarta, sumber
gempa Megathrust lihat Gambar 6.
Gambar 6. Input Motion Kota Jakarta, Sumber Gempa
Megathrust
Gambar 4. De-Agregasi
3. LANGKAH-LANGKAH
ISBN No. 978-979-18342-0-9
Untuk sumber gempa lainnya, misal Benioff,
Shallow Crustal, dan Background dengan
cara yang sama, input ground motion nya
dapat dihitung juga.
B-10
Analisa Resiko Gempa Dengan Teorema Probabilitas Total
Untuk Kota-Kota Di Indonesia Yang Aktifitas Seismiknya Tinggi
5. CATATAN
Masih banyak daerah / kota lainnya di
Indonesia yang perlu dilakukan penelitian
response spectra batuan dan permukaan.
4.2. Surabaya
Dari hasil perhitungan dengan menggunakan
teorema probabilitas total, input ground
motion untuk kota Surabaya, lihat Gambar
7.
Response Spectra ini sangat dibutuhkan
khususnya terhadap bangunan yang khusus,
misal bangunan pencakar langit, jembatan
panjang, dan seterusnya.
6. UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih sebesarbesarnya kepada ustadz Ir. Masyhur Irsyam,
MSE., PhD atas pemberian ilmunya yang
mewarnai dalam penulisan paper ini. Begitu
juga kepada Panitia Seminar Nasional
‘Aplikasi Teknologi Prasarana Perkotaan’
Program Diploma Teknik Sipil FTSP ITS yang
memberikan peluang kepada kami untuk
tampil dalam Seminar Nasional di atas.
Gambar 7. Input Motion Kota Surabaya
4.3. Response Spectra
Dari input motion yang telah dihitung maka
perhitungan selanjutnya response spectra
batuan dan permukaan dapat dikerjakan,
sesuai dengan data tanah lokasi, misal PLTU
– Pacitan, Gambar 8 dan jembatan Suramadu, Gambar 9.
7. REFERENSI
Gambar 8. Response Spectra Permukaan –
PLTU Pacitan
Gambar 9. Response Spectra Permukaan –
Jembatan Suramadu
ISBN No. 978-979-18342-0-9
B-11
1.
Boore et al (1997) Equation for
Estimating
Horizontal
Response
Spectra and Peak Acceleration from
Western North America Earthqukes: A
Summary of Recent Work, Seismological Research Letters. Vol. 68. No. 1,
pp. 128-153.
2.
Darjanto, H et al (2007) Pembuatan
Data Digitasi Ground Motion Untuk
Kota Surabaya, Seminar Teknik Sipil
III, Prodi Pascasarjana Teknik Sipil
FTSP – Institut Teknologi 10 November
Surabaya.
3.
Firmansjah, J (1999) Development of
Seismic Hazard Map for Indonesia,
Seminar HAKI.
4.
Irsyam, M et al (1998) Pembuatan
Digitasi Sintetik di Batuan Dasar Untuk
Kota Jakarta, Laboratorium Mekanika
Tanah, Jurusan Teknik Sipil, Institut
Teknologi Bandung.
5.
Irsyam, M et al (2001) Development of
Earthquake Microzonation and Site
Specific Response Spectra to Obtain
More Accurate Seismic Base Shear
Coefficient, University Research for
Graduate Education Project, Bandung
Institute of Technology.
Helmy Darjanto & Adhi Muhtadi
6.
Irsyam, M et al (2007) Usulan Revisi
Peta Hazard Kegempaan Wilayah
Indonesia, Institut Teknologi Bandung.
7.
Irsyam, M et al (2007) Kumpulan
Materi
Kuliah Rekayasa Gempa
Geoteknik,
Institut
Teknologi
Bandung, tidak dipublikasikan.
8.
9.
McGuire, RK (1974) Seismic Structural
Response Risk Analysis, Incorporating
Peak Response Regression on Earthquake Magnitude and Distance, MIT,
Dept. Civil Eng., Research Report.
10.
Pacheco et al (1992) Seismic Moment
Catalog of Large Shallow Earthquake,
Bulletin of the Seismological Society
of America, Vol. 82, No. 3, pp. 13061349.
11.
Sadigh et al (1997) Strong Ground
Motion Attenuation Relationships for
Shallow Crustal Earthquakes Based on
California
Strong
Motion
Data,
Seismological Research Letters, Vol.
68, No. 1
12.
Youngs, RR et al (1997) Strong Ground
Motion Attenuation Relationships for
Subduction Zone Earthquake, Seismological Research Letters, Vol. 68, No.
1, pp. 58-74.
McGuire, RK (1976) FORTRAN Computer Program for Seismic Risk Analysis
US Geological Survey, Open File
Report, pp. 67-76.
ISBN No. 978-979-18342-0-9
B-12