FULL-105-109 Aplikasi Metode Horizontal to - HFI DIY

Samsul Hidayat / Aplikasi Metode Horizontal To Vertical Spectral Ratio Pada Perhitungan Frekuensi Natural
dan Amplitudo HVSR
105
Aplikasi Metode Horizontal to Vertical Spectral Ratio Pada Perhitungan
Frekuensi Natural dan Amplitudo HVSR
Samsul Hidayat1*, Cari1, Dwa Desa Warnana2, Sorja Koesuma3
1Prodi
Ilmu Fisika, PPs, Universitas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami 36 A Kentingan, Surakarta, Jawa Tengah
Teknik Geofisika, FTSP, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,
Jl. Arief Rahman Hakim, Kampus Keputih Sukolilo Surabaya Jawa Timur
3Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Jawa Tengah
*Email: [email protected]
2Prodi
Abstrak – Salah satu kejadian alam yang dapat menimbulkan kerugian yang sangat besar baik material maupun
nonmaterial adalah kejadian alam gempa bumi. Meningkatnya kejadian gempa bumi di sekitar Gunung Pandan
Bojonegoro perlu disikapi dengan serius melalui kegiatan penelitian geofisika, sebagai upaya mitigasi bencana gempa
bumi. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui persebaran nilai frekuensi natural dan nilai amplitudo HVSR
menggunakan metode mikrotremor, yang dipercaya memiliki kontribusi penting dalam mitigasi bencana gempa bumi.
Pengukuran dilakukan di lereng sebelah utara Gunung Pandan Bojonegoro atau secara geografis terletak antara
07,44276° – 07,44903° LS dan 111,77987° – 111,79110° BT. Pengolahan data menggunakan metode analisis kurva
HVSR dengan software Easy HVSR. Diperoleh nilai frekuensi natural berkisar antara 2,15 Hz hingga 13,4 Hz dan nilai
amplitudo HVSR antara 2,07 hingga 10,83. Berdasarkan data tersebut terdapat satu titik pengukuran yang terindikasi
rentan guncangan gempa bumi, yaitu sisi Barat Laut lokasi penelitian.
Kata kunci: mikrotremor, kurva HVSR, frekuensi natural, amplitudo HVSR
Abstract – One of the natural events that can cause huge losses of both material and non-material is an earthquake.
Increasing events of earthquakes on the surrounding Pandan mountain, Bojonegoro, needs to be addressed seriously
through geophysical research activities, as an effort of earthquake disaster mitigation. This research aims to know the
distribution of the natural frequency value and the HVSR amplitude value using micro tremor method that is believed to
have an important contribution on mitigating earthquake disaster. This research was carried out on the northern slopes
of the Pandan mountain, Bojonegoro, or geographically located between 07.44276° – 07.44903° LS and 111.77987° –
111.79110° BT. The data processing was utilizing the HVSR curve analysis method using Easy HVSR software. The result
determined that the natural frequency value are ranging from 2.15 Hz to 13.4 Hz and the HVSR amplitude value are
ranging from 2.07 to 10.83. Based on these data, it can be concluded that one point of measurement located at the
northwestern side of the research sites, is indicated as vulnerable to an earthquake shake.
Keywords: microtremor, HVSR curve, natural frequency, HVSR amplitude
I. PENDAHULUAN
Sejumlah wilayah di Indonesia berulang kali dilanda
gempa bumi. Salah satu wilayah tersebut adalah wilayah
sebelah selatan Kabupaten Bojonegoro. Gunung Pandan
berada di wilayah Kabupaten Bojonegoro sebelah selatan
yang berbatasan langsung dengan Kabupaten Madiun dan
Kabupaten Nganjuk. Berdasarkan pemetaan yang
dilakukan oleh Pringgoprawiro dan Sukido [1], geologi
Lembar Bojonegoro (Gambar 1), secara umum keadaan
geologi di sekitar Gunung Pandan (ditandai dengan garis
putus-putus warna merah) tersusun oleh batuan breksi
pandan (breksi gunung api) berumur plistosen akhir.
Data gempa bumi yang terekam selama tahun 2016 dari
BMKG (Gambar 2) [2], memvisualisasikan banyaknya
kejadian gempa bumi di sekitar Gunung Pandan Bojonegoro. Dibandingkan tahun-tahun sebelumnya, kejadian
gempa di tahun 2016 mengalami kenaikan yang signifikan. Untuk mengurangi dampak resiko bencana, maka
perlu dilakukan upaya mitigasi bencana. Mitigasi bencana
gempa bumi dapat dilakukan dengan mengkaji kondisi
geologi lokal atau efek tapak lokal (local site effect)
daerah setempat [3-4].
Gambar 1. Peta geologi Lembar Bojonegoro.
Bangunan permukiman penduduk dapat mengalami
kerusakan jika terkena efek guncangan gempa bumi.
Tingkat kerusakan yang mungkin terjadi bergantung dari
kekuatan dan kualitas bangunan, percepatan getaran
tanah, kondisi geologi lokal, dan geotektonik di lokasi
bangunan berdiri [5]. Hal-hal yang dapat dilakukan untuk
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXXI HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 18 Maret 2017
ISSN : 0853-0823
106
Samsul Hidayat / Aplikasi Metode Horizontal To Vertical Spectral Ratio Pada Perhitungan Frekuensi Natural
dan Amplitudo HVSR
mengurangi dampak kerugian akibat guncangan gempa
bumi adalah dengan meningkatkan kekuatan dan kualitas
bangunan, dan mengetahui karakteristik respon tanah
terhadap getaran gempa bumi [6].
Gambar 2. Peta seismisitas di sekitar Gunung Pandan selama
tahun 2016.
Penelitian
mikrotremor
banyak
memberikan
sumbangsih pada mitigasi bencana, keperluan geoteknik,
dan perencanaan kota [7]. Metode pengukuran
mikrotremor dapat diaplikasikan di wilayah pemukiman
padat penduduk karena metode ini tidak menimbulkan
kerusakan pada tanah, ramah lingkungan dan tidak
menimbulkan kebisingan. Pengukuran mikrotremor tidak
membutuhkan sumber getaran buatan, karena yang
direkam adalah getaran yang berasal dari alam.
Perekaman mikrotremor mampu memberikan informasi
karakteristik lapisan tanah berdasarkan parameter
frekuensi natural, periode dominan, dan faktor penguatan
gelombang (amplifikasi) [8] tanpa membutuhkan
informasi geologi yang lain [9]. Metode analisisnya yang
populer saat ini adalah metode analisis kurva HVSR
(horizontal to vertical spectral ratio) yang diusulkan dan
dikembangkan oleh Yutaka Nakamura [10]. Parameter
penting tanah yang dihasilkan dari analisis kurva HVSR
adalah nilai frekuensi natural tanah dan nilai amplitudo
HVSR. Kerusakan bangunan akibat efek guncangan
gempa bumi terjadi pada parameter HVSR frekuensi
natural rendah dan amplifikasi tinggi [5,13]. Penelitian ini
bertujuan untuk mengetahui persebaran nilai frekuensi
natural dan nilai amplitudo HVSR di lokasi penelitian.
II. LANDASAN TEORI
2.1 Mikrotremor
Pustaka [11] memberikan penjelasan, mikrotremor atau
disebut juga ambient noise merupakan getaran tanah
dengan amplitudo pergeseran sekitar 0,1-1 mikron dan
amplitudo kecepatan 0,001-0,01 cm/detik yang dapat
dideteksi dengan seismograf khusus. Mikrotremor dapat
diklasifikasikan menjadi dua jenis berdasarkan rentang
periodenya. Jenis pertama mikrotremor periode pendek
dengan periode kurang dari 1 detik, dan keadaan ini
terkait dengan struktur bawah permukaan yang dangkal
dengan ketebalan beberapa puluh meter. Sumber getaran
mikrotremor periode pendek dapat berasal dari aktivitas
manusia, seperti kebisingan lalu lintas kendaraan, mesin
pabrik dan lain sebagainya. Jenis kedua adalah
mikrotremor periode panjang dengan periode lebih dari 1
detik, keadaan ini terkait struktur tanah yang lebih dalam,
menunjukkan dasar dari batuan keras. Pustaka [12]
memberikan uraian tentang perkembangan penelitian
mikrotremor, diawali penlitian mikrotremor oleh Omori
pada tahun 1908, kemudian Kanai dan Tanaka pada tahun
1961 mengusulkan rekayasa aplikasi mikrotremor, dan
pada
tahun
1970
teknik
penggunaan
rasio
spektrumhorizontal to vertical dari mikrotremor
diperkenalkan oleh Nagoshi dan Igarashi. Nakamura pada
tahun 1989 dalam artikelnya [10] mengajukan metode
baru dalam analisis mikrotremor yaitu metode Horizontal
to Vertical Spectral Ratio (HVSR).
2.2 Metode Horizontal to Vertical Spectral Ratio
(HVSR)
Metode HVSR sangat populer sampai sekarang dan
telah mendunia. Metode HVSR didasarkan pada asusmsi
bahwa perbandingan spektrum horizontal dan vertikal
dari getaran permukaan merupakan fungsi perpindahan
[10]. Fungsi transfer ST pada permukaan tanah dapat
dituliskan pada persamaan
ST =
(1)
dengan SHS spektrum komponen gerak horizontal
dipermukaan tanah dan SHB spektrum komponen gerak
horizontal dari batuan dasar ke permukaan tanah.
Komponen SHS dengan mudah mengalami pengaruh dari
gelombang Rayleigh. Mirzaoglu dan Dykmen [11]
memberikan uraian bahwa metode yang diusulkan
Nakamura pada tahun 1989 didasari dengan beberapa
asumsi sebagai berikut:
 Mikrotremor tersusun dari beberapa jenis
gelombang tetapi yang utama adalah gelombang
Rayleigh yang merambat pada lapisan lunak
(sedimen).
 Pengaruh gelombang Rayleigh
ERW pada
mikrotremor termasuk dalam spektrum komponen
gerak vertikal dipermukaan tanah (VS), tetapi tidak
pada spektrum komponen gerak vertikal di batuan
dasar (VB)
ERW = VS/VB
(2)
 Tidak
ada
penguatan
komponen
vertikal
mikrotremor pada lapisan lunak (sedimen).
 Pada rentang frekuensi 0,2-20 Hz, pengaruh
gelombang Rayleigh pada mikrotremor besarnya
sama untuk komponen vertikal dan horizontal
.
(3)
Asumsi efek gelombang Rayleigh besarnya sama untuk
komponen vertikal dan horizontal, memungkinkan
mendefinisikan spektral rasio menjadi
=
,
.
(4)
(5)
dengan SM fungsi transfer untuk lapisan tanah. Fungsi
transfer SM hanya bergantung pada hasil pengukuran di
permukaan tanah. Pada pengukuran mikrotremor, ada dua
komponen horizontal yang diukur yaitu komponen EW
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXXI HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 18 Maret 2017
ISSN : 0853-0823
Samsul Hidayat / Aplikasi Metode Horizontal To Vertical Spectral Ratio Pada Perhitungan Frekuensi Natural
dan Amplitudo HVSR
(East-West) dan komponen NS (North-South), sehingga
komponen horizontal yang digunakan merupakan resultan
dari kedua komponen. Persamaan (5) dapat dituliskan
menjadi
SM =
.
(6)
Persamaan (6) menjadi dasar perhitungan metode
horizontal to vertical spectral ratio (HVSR).
Sungkono dan Santosa [13] pada kajian literaturnya
memberikan penjelasan bahwa kurva HVSR merupakan
gabungan antara gelombang badan dan gelombang
permukaan. Pada daerah frekuensi natural, HVSR lebih
mendekati gelombang badan, sedangkan untuk frekuensi
yang lebih tinggi, gelombang badan dipengaruhi
gelombang permukaan. Sehingga HVSR lebih dekat
dengan gelombang badan dari pada gelombang
permukaan.
III. METODE PENELITIAN
Penelitian ini merupakan penelitian pendahuluan
sebanyak 8 titik pengukuran mikrotremor. Penelitian
dilakukan di lereng sebelah utara Gunung Pandan
Kabupaten Bojonegoro atau secara geografis terletak
antara 07,44276°–07,44903° LS dan 111,77987°–
111,79110° BT. Perekaman mikrotremor dilakukan
menggunakan alat portable seismograf tiga komponen
SL07 SARA dengan frekuensi sampling 100 Hz. Durasi
waktu perekaman data pada setiap titik sekitar 30 menit.
Data hasil perekaman otomatis tersimpan dalam sd card
yang terpasang pada alat SL07 SARA.
107
komponen vertikal (up-down). Data ini masih dalam
domain waktu. Untuk mendapatkan nilai frekuensi natural
tanah maka data ini perlu diubah dari domain waktu ke
domain frekuensi.
Data hasil perekaman ini kemudian dilakukan analisis
noise atau disebut windowing. Tahap windowing memilah
antara data asli dengan noise. Noise dicirikan dengan
amplitudo yang membesar dengan tiba-tiba. Data yang
terindikasi sebagai noise tidak diikutkan dalam proses
windowing selanjutnya. Proses windowing merupakan
tahapan penting karena akan menentukan kualitas data
yang didapatkan benar-benar data mikrotremor yang
mencerminkan kondisi riil bawah permukaan daerah
penelitian. Panjang window yang digunakan sebesar 40
detik. Tahapan selanjutnya adalah spectral analysis. Pada
spectral analysis, data hasil windowing yang masih dalam
domain waktu diubah ke dalam domain frekuensi dengan
menerapkan proses fast fourier transform (FFT) untuk
masing-masing window pada setiap komponen EW, NS,
dan UD. Kemudian dilakukan penghalusan atau smooting
menggunakan tipe Konno-Ohmachi. Proses selanjutnya,
komponen horizontal (EW dan NS) disatukan dengan ratarata kuadrat. Kemudian dilakukan penghitungan rata-rata
rasio komponen horizontal dengan komponen vertikal
(H/V). Didapatkan kurva HVSR seperti Gambar 4. Dari
kurva HVSR diperoleh informasi nilai frekuensi natural
tanah dan nilai puncak (amplitudo) HVSR.
Gambar 4. Kurva HVSR hasil pengolahan dengan software
Easy HVSR
Gambar 3. Tampilan data mikrotremor dengan menggunakan
software Easy HVSR.
Data hasil perekaman mikrotremor berupa file tiga
komponen yang masing-masing berformat EV0, EV1, dan
EV2. Data mentah ini kemudian diolah menggunakan
software Geopsy yang bertujuan untuk mengkonversi data
mentah yang masih berformat EV0, EV1, EV2 menjadi
berformat SAF sesame (*.saf), agar bisa terbaca pada
software Easy HVSR. File yang sudah berformat (*.saf)
kemudian diolah dengan menggunakan software Easy
HVSR, dan akan menjadi berformat (*.EHV). Pada
Gambar 3 dapat dilihat data mikrotremor yang sudah
diolah menggunakan software Easy HVSR. Ada tiga
komponen yang ditampilkan yaitu dua komponen
horizontal (North-South dan East-West) dan satu
Data posisi titik pengukuran didapatkan dari alat GPS,
berupa data latitude dan longitude. Data latitudelongitude dan data frekuensi natural-amplitudo HVSR
kemudian diolah menggunakan software Surfer 13 untuk
dijadikan peta kontur. Peta kontur dari hasil olahan
kemudian dioverlay dengan peta titik pengukuran yang
telah dibuat dengan menggunakan software Google Earth
Pro. Selanjutnya peta kontur tersebut dianalisis untuk
mengetahui daerah-daerah yang memiliki nilai frekeunsi
natural tinggi maupun rendah, dan nilai amplitudo HVSR
tinggi maupun rendah.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Frekuensi natural merepresentasikan banyaknya
gelombang yang terjadi dalam satuan waktu [13]. Analisis
persebaran frekuensi natural dilakukan untuk mengetahui
kedalaman bidang pantul gelombang di bawah
permukaan. Nakamura [14] memberikan perumusan
tentang frekuensi natural tanah yang dapat dituliskan
sebagai
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXXI HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 18 Maret 2017
ISSN : 0853-0823
108
Samsul Hidayat / Aplikasi Metode Horizontal To Vertical Spectral Ratio Pada Perhitungan Frekuensi Natural
dan Amplitudo HVSR
(7)
dengan fo merupakan frekuensi natural tanah, Vs
merupakan kecepatan gelombang S, dan h merupakan
kedalaman bedrock. Dari persamaan (7) dapat
disimpulkan bahwa frekuensi natural sebanding dengan
kecepatan gelombang S, dan berbanding terbalik dengan
kedalaman bedrock. Nilai frekuensi natural yang lebih
rendah menunjukkan bedrock yang lebih dalam atau
lapisan sedimennya tebal, dan nilai frekuensi natural yang
lebih tinggi menunjukkan bedrock yang lebih dangkal
atau lapisan sedimennya tipis. Daerah yang rentan
mengalami kerusakan bangunan akibat guncangan gempa
bumi terjadi pada daerah dengan geologi lapisan sedimen
tebal [13]. Informasi frekuensi natural juga dapat
bermanfaat untuk perencanaan bangunan. Struktur
bangunan yang mempunyai nilai f0 sama dengan nilai f0
tanah akan mengalami resonansi jika terjadi gempa bumi.
Efek resonansi akan memperkuat getaran gempa bumi
sehingga menyebabkan bangunan roboh saat terjadi
gempa bumi kuat [5].
Berdasarkan peta kontur hasil permodelan pada
Gambar 5, area penelitian memiliki nilai frekuensi natural
yang bervariasi. Nilai frekuensi natural yang didapat
darianalisis kurva HVSR adalah antara 2,15 Hz hingga
13,4 Hz. Titik pengukuran sisi Barat Laut memiliki
frekuensi natural yang paling rendah yaitu 2,15 Hz.
Gambar 5. Peta persebaran frekuensi natural tanah.
Gambar 6. Peta persebaran amplitudo HVSR.
Nilai amplitudo kurva HVSR merepresentasikan
besarnya penguatan guncangan gempa bumi (amplifika-
si). Pustaka [5] memberikan penjelasan tentang korelasi
antara amplitudo HVSR dengan distribusi kerusakan
gempa bumi. Daerah yang mengalami kerusakan
maksimum memiliki nilai amplitudo HVSR yang lebih
besar. Gambar 6 memvisualkan persebaran nilai puncak
(amplitudo) HVSR. Nilai amplitudo HVSR yang didapat
berkisar antara 2,07 sampai 10,83. Titik pengukuran sisi
Barat Laut memiliki nilai amplitudo HVSR yang paling
tinggi yaitu 10,83.
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan,
dapat diuraikan kesimpulan yaitu nilai sebaran frekuensi
natural tanah berkisar antara 2,15 Hz hingga 13,4 Hz, dan
nilai amplitudo HVSR yang didapat berkisar antara 2,07
sampai 10,83. Dari permodelan peta kontur persebaran
frekuensi natural tanah dan persebaran amplitudo HVSR,
sisi Barat Laut lokasi penelitian memiliki kecenderungan
tanah yang rentan terhadap efek guncangan gempa bumi.
PUSTAKA
[1]
Pringgoprawiro dan Sukido, Peta geologi lembar
Bojonegoro, Jawa Timur, Pusat penelitian dan
pengembangan geologi, Bandung, 1992.
[2] BMKG, Peta seismisitas disekitar Gunung Pandan, 2016.
Website: http://repogempa.bmkg.go.id/index_peta.php?id=101&session_id=ZSSjhKO8, diakses 2 Februari 2017.
[3] Mendecki, M.J., Bieta, B., Mateuszow, M., dan Suszka,
P., Comparison of site effect values obtained by HVSR
and HVSRN methods for single-station measurements in
Tarnowek, south-western Poland, Contemp. Trends.
Geosci. 5(1), 2016, pp 18-27.
[4] Sunardi, B., Daryono, Arifin, J., Susilanto, P., Ngadmanto,
D., Nurdiyanto, B., dan Sulastri, Kajian potensi bahaya
gempa bumi daerah Sumbawa berdasarkan efek tapak
lokal, Jurnal Meteorologi dan Geofisika, vol 13, no 2,
2012, hlm 131-137.
[5] Ngadmanto, D., Susilanto, P., Nurdiyanto, B., Pakpahan,
S., dan Masturyono, Efek Tapak Lokal Pada Daerah
Kerusakan Akibat Gempa Bumi Bogor 9 September 2012.
Jurnal Meteorologi dan Geofisika, vol. 14, No. 3, 2003,
hlm. 109-116.
[6] Muhtar dan Alihudien, A., Indek kerentanan dan
amplifikasi tanah akibat gempa di wilayah universitas
Muhammadiyah Jember, Media Teknik Sipil, vol 12, no 2,
2014, hlm 158-162.
[7] Syahruddin, M.H., Aswad, S., Palullungan, E.F., Maria,
Syamsuddin, Penentuan profil ketebalan sedimen lintasan
kota Makassar dengan mikrotremor, Jurnal Fisika, vol. 4,
no.1, 2014, hlm 17-25.
[8] Arifin, S.S. Mulyatno, B. S., Marjiyono, dan Setianegara,
R., Penentuan zona rawan guncangan bencana gempa
bumi berdasarkan analisis nilai amplifikassi HVSR
mikrotremor dan analisis periode dominan daerah Liwa
dan sekitarnya, Jurnal Geofisika Eksplorasi, vol 2, no. 1,
2014, hlm. 30-40.
[9] Nakamura, Y., On the H/V Spectrum, the 14th World
Conference on Earthquake Engineering, Beijing, 12-17
Oktober 2008.
[10] Nakamura, Y., A method for dynamic characteristics
estimation of subsurface using microtremor on the ground
surface, Quarterly report of RTRI, vol. 30 no. 1, 1989, pp
25-33.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXXI HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 18 Maret 2017
ISSN : 0853-0823
Samsul Hidayat / Aplikasi Metode Horizontal To Vertical Spectral Ratio Pada Perhitungan Frekuensi Natural
dan Amplitudo HVSR
[11] Mirzaoglu, M. dan Dykmen, U. Aplication of
microtremors to seismic microzoning procedure, Journal
of The Balkan Geophysical Society, vol.6, no. 3, 2003, pp
143-156.
[12] Mudamakin, P.H., Rudiyanto, A., Rohadi, S., Amalia, R.,
Studi awal respon dinamis berdasarkan pengukuran
mikrotremor di bendungan Karangkates Malang,
Prosiding Seminar Nasional Fisika SNF2015, vol IV,
Jakarta, Oktober 2015, hal 7-12.
[13] Sungkono dan Santosa, B.J., Karakterisasi Kurva
Horizontal-To-Vertical Spectral Ratio: Kajian Literatur
Dan Permodelan. Jurnal Neutrino, vol. 4, no.1, 2011, hlm.
1-15.
[14] Nakamura, Y., Clear identification of Fundamental idea of
Nakamura's technique and its applications. 12thWorld
Conferences on Earthquakes Engineering (12WCEE),
Auckland, 30 January-February 2000.
109
TANYA JAWAB
Anonim
 Bagaimana cara mengetahui data yang didapat benarbenar data mikrotremor?
 Perbedaan warna pada peta kontur, Jelaskan!
Samsul Hidayat, UNS
 Data yang didapat dari perekaman pasti mengandung
noise, maka perlu dilakukan proses windowing yaitu
membuang noise sehingga yang didapat benar-benar
data mikrotremor.
 Data fo dan A yang didapat pada setiap titik diolah
dengan menggunakan software surfer, tiap warna
mencirikan nilai tertentu. Lebih banyak titik
pengukuran maka keakuratan data yang didapat akan
lebih reliable.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXXI HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 18 Maret 2017
ISSN : 0853-0823