1. Pendahuluan
Beberapa waktu yang lalu kita dikejutkan dengan gempa bumi yang melanda Aceh dan Sumatera Utara yang mempunyai kekuatan sangat menakjubkan, mengakibatkan porak-porandanya bangunanbangunan serta menimbulkan gelombang tsunami yang datang beberapa saat kemudian, yang menyebabkan ratusan ribu manusia meninggal seketika. Gempa Sumatra-Andaman (M<sub>w</sub>=9,0) terjadi pada tanggal 26 Desember 2004, berjarak 259 km dari kota Banda Aceh. Epicenter gempa tersebut berada 3,316° LU dan 95,854° BT pada kedalaman 30 km di bawah dasar laut. Setahun setelah kejadian itu, 28 Maret 2005, terulang lagi gempa dengan magnitude \((M_w)\) 8,7 yang berpusat di sekitar kepulauan Nias, pada koordinat 2,076° LU dan 97,013° BT dengan kedalaman 30 km di bawah dasar laut. Goncangan tanah juga menyebabkan kerusakan parah pada infrastuktur seperti bangunan, jalan dan jembatan.
Sumber gempa yang terjadi tersebut berada pada daerah subduksi pertemuan lempeng Indo-Australia dan lempeng Eurasia Pertanyaan yang muncul setelah kejadian-kejadian gempa tersebut adalah berhubungan dengan distribusi sumber gempa pada suatu wilayah serta seberapa besar dampak kerusakan terhadap bangunan yang diakibatkan oleh goncangan tanah itu. Secara umum, properti dari goncangan tanah akan dipelajari dalam studi ini melalui perbandingan selubung respons spektrum desain berdasarkan kriteria SNI 03-1726-2002 dengan selubung respons spektrum desain untuk site ditinjau berdasarkan kejadian gempagempa besar di bawah.
2. Parameter Seismic Hazard
Dalam analisis resiko gempa yang dilakukan, digunakan fungsi atenuasi yang diperoleh dari wilayah lain yang memiliki kemiripan tektonik dan geologi dengan wilayah Indonesia. Fungsi atenuasi yang dipakai pada studi ini adalah persamaan yang dikemukakan oleh Youngs dkk. (1997) untuk mekanisme gempa subduksi. Model gempa atenuasi untuk zona subduksi pada umumnya dapat dibagi dalam dua kategori, yaitu gempa interface dan gempa interslab. Gempa interface terjadi pada zona dengan sudut tujaman rendah pada tumbukan dua lempeng pada zona subduksi. Sedangkan gempa interslab terjadi pada kedalaman lebih dari 50 km. Gempa interslab pada umumnya berupa gempa patahan normal bersudut besar.
Berdasarkan fungsi atenuasi yang dikemukakan oleh Youngs dkk. (1997), maka untuk batuan:
\[\ln(y) = 0.2418 + 1.414M + C_1 + C_2(10 - M)^3 + C_3 \ln(r_{rup} + 1.7818e^{0.554M}) + 0.00607H + 0.3846Z_T\] (1)
dengan deviasi standar = \(C_4 + C_5M\)
Dimana:
y = spectral acceleration (g)
M = momen magnitude
\(r_{rup}\) = jarak terdekat terhadap rupture (km)
H = kedalaman (km)
\(Z_T\) = tipe sumber, bernilai 0 untuk interface
Koefisien-koefisien pada fungsi ini dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Koefisien fungsi atenuasi (Youngs, dkk.,1997)
| Period(s) | \(\mathbf{C_1}\) | \(C_2\) | C3 | C4* | C5* |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,0 | 0,000 | 0,000 | -2,552 | 1,45 | -0,1 |
| 0,1 | 1,188 | -0,0011 | -2,655 | 1,45 | -0,1 |
| 0,2 | 0,722 | -0,0027 | -2,528 | 1,45 | -0,1 |
| 0,3 | 0,246 | -0,0036 | -2,454 | 1,45 | -0,1 |
| 0,4 | -0,115 | -0,0043 | -2,401 | 1,45 | -0,1 |
| 0,5 | -0,400 | -0,0048 | -2,360 | 1,45 | -0,1 |
| 1,0 | -1,736 | -0,0064 | -2,234 | 1,45 | -0,1 |
| 1,5 | -2,634 | -0,0073 | -2,160 | 1,50 | -0,1 |
| 2,0 | -3,328 | -0,0080 | -2,107 | 1,55 | -0,1 |
*standard deviasi untuk magnituda lebih besar dari M8 bernilai sama dengan nilai M7
Gambar 1. Kejadian Gempa Aceh (2004) dan Gempa Nias (2005) berdasarkan data NEIC USGS
3. Analisis Resiko Gempa
Daerah Meukek secara geografis berada pada koordinat 3,35° LU dan 97,11° BT terletak di Propinsi Nangroe Aceh Darussalam. Dalam kajiannya tentang resiko gempa, perlu diidentifikasikan secara seismologi adanya beberapa zona sumber gempa aktif yang memiliki potensi dan kontribusi seismik signifikan terhadap wilayah tersebut seperti zona subduksi Sumatera dan zona patahan Semangko.
Untuk menghitung resiko gempa berdasarkan suatu batas intensitas gempa tertentu pada suatu daerah kajian dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu secara deterministik (Deterministic Seismic Hazard Analysis/ DSHA) dan probabilistik (Probabilistic Seismic Hazard Analysis/PSHA). Pada makalah ini, percepatan gempa di batuan dasar untuk site ditinjau diperoleh dari hasil analisis dengan metode Deterministic Seismic Hazard Analysis.
Metode Deterministik umum digunakan pada awal perkembangan rekayasa gempa. Metode ini merupakan cara analisis yang hanya mengambil satu kejadian gempa maksimum yang kredibel sebagai dasar analisis, yang terdiri dari 4 langkah (Gambar 2), yaitu:
1. Identifikasi dan karakterisasi semua sumber gempa yang berpotensi menghasilkan ground motion yang signifikan.
- 2. Penentuan parameter jarak sumber gempa ke lokasi kajian untuk setiap sumber gempa.
- 3. Seleksi gempa yang diperkirakan akan menghasilkan goncangan terbesar dengan cara membandingkan goncangan yang dihasilkan gempa pada jarak dan lokasi tertentu atau dikenal dengan istilah controlling earthquake.
- 4. Mendefinisikan karakter dari resiko gempa pada wilayah kajian, seperti percepatan puncak, kecepatan puncak dan ordinat respons spektrum.
Suatu evaluasi deterministik dilakukan untuk memperoleh spektra dari masing-masing sumber gempa yang mempunyai potensi signifikan terhadap lokasi ditinjau. Fungsi atenuasi digunakan untuk memperkirakan ordinat spektra (Gambar 3) untuk tujuan di atas. Hasil analisis dengan metode DSHA memperlihatkan kedua kejadian gempa yang telah disebutkan sebelumnya yang memberikan kontribusi terbesar yang berada pada kisaran jarak dan magnituda tertentu (Tabel 2). Informasi jarak dan magnituda tersebut merupakan bagian informasi pemilihan kriteria ground motion dengan karakteristik yang mendekati kondisi yang diinginkan.
Tabel 2. Resiko gempa terhadap daerah Meukek
| Kejadian | Mw | R (km) | H (km) | PGA (g) |
|---|---|---|---|---|
| Gempa Aceh, 2004 | 9.0 | 125 | 30 | 0.126 |
| Gempa Nias, 2005 | 8.7 | 128 | 30 | 0.107 |
Gambar 2. Tahapan analisa resiko gempa dengan metoda DSHA (Reiter, 1990)
Hasil perhitungan pada Tabel 2 memperlihatkan kejadian Gempa Aceh yang memberikan nilai peak ground acceleration yang lebih besar, sehingga akan dipilih sebagai controlling event.
4. Pembuatan Riwayat Waktu Sintetik
Karena sulit didapatkannya riwayat waktu percepatan original untuk kejadian gempa dengan besar magnitude dan jarak yang sebanding dengan kejadian gempa Aceh (2004), maka data riwayat waktu percepatan gempa dicari dengan membuat data digitasi sintetik dengan melakukan simulasi riwayat waktu sintetik yang didapatkan berdasarkan model numerik dari suatu proses fault rupture dengan penjalaran gelombang gempa untuk suatu jarak tertentu. Program SMSIM (Boore, 2000) digunakan dalam pembuatan riwayat waktu sintetik tersebut dengan memakai input data berupa parameter yang digunakan oleh Atkinson dan Silva (2000).
Simulasi dalam domain waktu dapat dibuat dengan langkah-langkah seperti; membangkitkan white noise dengan bentang waktu sepanjang durasi dari riwayat waktu yang diperkirakan (Gambar 4a). White noise kemudian dibentuk dengan suatu pola selubung tertentu (Gambar 4b). White noise yang telah dibentuk tadi kemudian ditransformasikan ke dalam domain frekuensi (Gambar 4c) dan spektrum tersebut dinormalisir oleh akar kuadrat dari kuadarat rata-rata (the square-root of the mean square) nilai amplitudo spektrum (Gambar 4d). Spektrum yang dinormalisir tersebut lalu diskalakan dengan suatu spektrum gerakan tanah target (Gambar 4e). Hasil akhir adalah riwayat waktu yang didapatkan kembali dari transformasi spektrum yang telah diskalakan tadi ke dalam domain waktu (Gambar 4f).
Gambar 5 merupakan hasil keluaran dari program SMSIM yang berupa riwayat waktu sintetik berdasarkan simulasi kejadian gempa dengan magnitude M9,0 dan jarak episenter 125 km.
5. Analisis Respons Dinamik Tanah
5.1 Perambatan gelombang geser 1-dimensi
Perambatan vertikal gelombang geser adalah perambatan gelombang yang hanya akan menyebabkan perpindahan dalam arah horizontal. Profil tanah diidealisasikan sebagai sistem yang homogen dan lapisan visco-elastis dengan lebar tak terhingga. Respons dari sistem ini dihitung melalui perambatan gelombang geser dari batuan dasar ke lapisan permukaan.
Penyederhanaan model yaitu dimana profil tanah diidealisasikan sebagai sistem lumped mass yang terdiskritisasi yang diperlihatkan pada Gambar 6.
Perambatan gelombang dapat diformulasikan ke dalam bentuk:
\[[M].\{\ddot{u}\} + [C].\{\dot{u}\} + [K]\{u\} = -[M].\{I\} \ddot{u}_g\] (2)
dimana;
[M] = matriks massa; [C] = matriks redaman viscous; [K] = matriks kekakuan; {ü} = vektor percepatan relatif nodal; = vektor kecepatan relatif nodal; dan {u} = vektor perpindahan relatif nodal. üg adalah percepatan yang bekerja pada dasar soil column dan {I} adalah vektor satuan. {u&}
Dengan menggunakan prinsip kesetimbangan gaya dan kompatibilitas perpindahan, dan hubungan regangan-perpindahan serta hubungan teganganregangan, maka persamaan gelombang satu dimensi dapat dipecahkan. Bentuk dari persamaan gelombang satu dimensi merupakan persamaan diferensial parsial:
Gambar 3. Deterministik spektra untuk M=9 dan R = 125 km berdasarkan fungsi atenuasi Youngs dkk.
Gambar 4. Langkah-langkah prosedur pembuatan riwayat waktu gerakan tanah berdasar- metoda stochastic (Boore, 2003)
Gambar 5. Riwayat waktu sintetik di lapisan batuan dasar daerah Meukek untuk mekanisme sumber gempa megathrust
Gambar 6. Pemodelan perambatan gelombang 1-Dimensi dengan solusi domain - waktu (Hashash dan Park, 2004)
\[\rho \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = \frac{\partial \tau}{\partial z} = G \frac{\partial^2 u}{\partial z^2} + \eta \frac{\partial^3 u}{\partial z^2 \partial t}\] (3)
dimana:
u = perpindahan
\(\tau = \text{tegangan geser}\)
G = modulus geser
\(\eta\) = viskositas
\(\rho = rapat massa\)
Persamaan (2) dan persamaan (3) dapat diselesaikan secara numerik dengan suatu proses iterasi time step yang bernilai kecil hingga mencakup seluruh durasi data riwayat waktu goncangan Penyelesaian ini ditujukan menghitung distribusi nilai tegangan, regangan pada tiap kedalaman lapisan tanah yang diberikan.
5.2 Parameter dinamik tanah
Sifat dan penyebaran kerusakan akibat gempa terutama dipengaruhi oleh respons tanah terhadap beban siklik. Respons tanah ini ditentukan oleh parameter tanah, dalam hal ini adalah parameter dinamik tanah. Parameter dinamik yang digunakan dalam analisis respons dinamik tanah adalah modulus maksimum (G<sub>max</sub>), kecepatan rambat gelombang geser (V<sub>s</sub>) dan redaman (ξ). Nilai modulus geser dan rasio redaman bergantung pada beberapa faktor, seperti jenis tanah, tekanan keliling, tingkat regangan dinamik, derajat kejenuhan, frekuensi, magnituda tegangan dinamik, dan regangan dinamik.
Parameter dinamik tanah G<sub>max</sub> ataupun V<sub>S</sub> biasanya dikorelasikan dengan kuat geser tanah yang diperoleh dari uji laboratorium ataupun besaran-besaran yang diperoleh dari uji lapangan seperti nilai N-SPT dan q<sub>c</sub> sondir. Dalam studi ini, korelasi yang digunakan berasal dari Imai dan Tonouchi (1982).
\[\begin{array}{ll} \mbox{Untuk tanah berpasir (tanah non-kohesif);} \\ V_S &= 350 \ (N)_{60}^{0.314} \ (fps) \\ G_{max} = 325 \ (N)_{60}^{0.68} \ (ksf) \end{array}\]
\[G_{\text{max}} = 325 \text{ (N)}_{60}^{0.68} \text{ (ksf)}\] (5)
Untuk tanah lempung (tanah kohesif);
\[V_S = 96.9 \text{ (N)}^{0.314} \text{ (m/s)}\] (6)
\[G_{\text{max}} = 4070 \, (\text{N})^{0.68} \, (\text{kpa})\] (7)
5.3 Kondisi tanah lokal
Kondisi tanah lokal diklasifikasikan berdasarkan standard dari SNI 03-1726-2002, UBC 1997 dan NEHRP 1997. Klasifikasi ini dilakukan dengan menggunakan parameter kecepatan gelombang geser rata-rata (V<sub>S</sub>), N-<sub>SPT</sub> atau kuat geser niralir (S<sub>u</sub>) pada tanah hingga kedalaman 30 m lapisan teratas di lokasi yang ditinjau.
Data tanah yang dipergunakan dalam analisis mengacu pada hasil pemboran dan uji SPT di lokasi ditinjau (Gambar 7). Berdasarkan kisaran nilai Nspt terendah, maka nilai rata-rata kecepatan gelombang geser 30 meter pertama lapisan tanah lokasi rencana (Vs30) adalah 145 m/detik, N-SPT-30 = 4 yang diklasifikasikan sebagai kelas tanah lunak menurut SNI 03-1726-2002 dan diklasifikasikan sebagai kelas soft soil profile (Se) menurut UBC 1997 dan NEHRP 1997 (Gambar 8).
Analisis perambatan gelombang geser dilakukan menggunakan program NERA (Bardet dan Tobita, 2001) dengan menggunakan harga G<sub>max</sub> dan V<sub>S</sub> dari korelasi N-SPT. Harga G<sub>max</sub> dan V<sub>S</sub> diperoleh dengan menggunakan korelasi dari Imai dan Tonouchi (1982). Karena data tanah yang ada hanya sampai kedalaman 30 m, maka untuk kedalaman lebih besar dari 30 m, harga V<sub>S</sub> diperoleh dengan cara interpolasi linier hingga ke batuan dasar. Kedalaman batuan dasar diasumsikan sedalam 50 m. Kecepatan gelombang geser di batuan dasar (site class S<sub>B</sub>) diambil sebesar 760 m/detik. Percepatan maksimum di permukaan tanah berdasarkan hasil analisis perambatan gelombang dengan data gempa sintetik berkisar 0.3g.
6. Respons Spektrum Permukaan Tanah
6.1 Respons spektrum desain SNI 03-1726-2002
SNI 03-1726-2002 mensyaratkan penggunaan respons spektrum desain permukaan tanah untuk umur bangunan 50 tahun dan probabilitas terlampaui 10%, sesuai dengan respons spektrum untuk masingmasing jenis tanah dan zona wilayah gempa (Gambar 9 dan 10).
6.2 Respons spektra berdasarkan kode standard
Respons spektrum permukaan tanah desain kelas tanah lunak untuk kejadian Gempa Aceh dapat diperkirakan melalui perhitungan dengan faktor amplifikasi tanah menggunakan peraturan lain yang berlaku. Pada Gambar 11 diperlihatkan perbandingan antara perkiraan respons spektrum pemukaan tanah kelas tanah lunak dari kejadian Gempa Aceh (menurut UBC 1997 dan NEHRP 1997) dengan respons spektrum pemukaan tanah desain kelas tanah lunak-zona gempa 5 untuk umur bangunan 50 tahun dan probabilitas terlampaui 10% (SNI 03-1726-2002).
6.3 Respons spektrum perambatan gelombang
Analisis perambatan gelombang geser dari batuan dasar ke permukaan tanah menggunakan program
NERA (Bardet dan Tobita, 2001) dilakukan dengan tujuan mendapatkan parameter amplifikasi tanah pada tanah lokal dan respons spektrum di permukaan tanah lokasi kajian. Gambar 12, 13 dan 14 berturut-turut menggambarkan hasil analisis respons dinamik tanah terhadap goncangan tanah yang dikerjakan pada lapisan batuan dasar.
Gambar 7. Hasil penyelidikan tanah di lokasi ditinjau N-SPT yang terendah
Gambar 8. Properties dinamik tanah untuk nilai
Gambar 9. Zona Gempa Indonesia dengan percepatan puncak batuan dasar untuk perioda ulang 500 tahun (SNI 03-1726-2002)
Gambar 10. Respons spektra permukaan tanah desain untuk tanah lunak, zona 5 (SNI 03-1726-2002)
Gambar 11. Perbandingan respons spektrum permukaan tanah desain kelas soft soil profile berdasar kejadian Gempa Aceh (2004)
Gambar 12. Distribusi regangan geser maksimum (a) dan percepatan maksimum (b) di kedalaman lapisan tanah
Gambar 13. Riwayat waktu percepatan di permukaan tanah hasil perambatan gelombang gempa berdasarkan data gempa sintetik kejadian Gempa Aceh (2004)
Gambar 14. Respons spektrum percepatan di permukaan tanah hasil perambatan gelombang berdasarkan kejadian Gempa Aceh (2004)
Gambar 15. Perbandingan perkiraan respons spektra permukaan tanah desain berdasarkan kejadian Gempa Aceh (2004)
Gambar 16. Perbandingan respon spektra permukaan berdasar kejadian Gempa Aceh (2004) dengan respons spektra desain untuk tanah lunak pada zona gempa 5 menurut SNI 03-1726-2002
Pada Gambar 15, untuk periode lebih kecil dari 0.8 detik umumnya respons spektra di permukaan tanah hasil perambatan gelombang berdasarkan kejadian gempa Aceh (2004) mempunyai spektral percepatan yang lebih tinggi daripada perkiraan respons spektrum desain menurut UBC 1997 maupun NEHRP 1997. Hal ini memberikan suatu gambaran bahwa begitu pentingnya peninjauan dengan metode site specific response spectra sebagai alat untuk memperkirakan respons percepatan maksimum pada permukaan tanah yang bergantung pada kondisi tanah lokal.
Respons spektrum di permukaan tanah hasil perambatan gelombang di lokasi kajian juga dibandingkan dengan respons spektrum desain menurut SNI 03-1726-2002 dan dapat dilihat pada Gambar 16.
Dalam bentang periode lebih besar dari 0.2 detik dan lebih kecil dari 0.4 detik (Gambar 16), respons spektrum di permukaan tanah hasil perambatan gelombang berdasarkan kejadian gempa Aceh (2004) mempunyai spektral percepatan yang lebih tinggi daripada respons spektrum desain untuk tanah lunak pada zona gempa 5 menurut SNI 03-1726-2002. Hal tersebut akan membahayakan bagi desain pembebanan gempa untuk bangunan-bagunan dengan periode struktur yang rendah. Sehingga dapat dikatakankan bahwa selubung respons spektrum untuk tanah lunak pada zona gempa 5 menurut SNI 03-1726-2002 masih cukup handal pada desain pembebanan gempa untuk seluruh bentang periode spektral lebih besar daripada 0.4 detik.
7. Kesimpulan
- 1. Respons spektrum permukaan hasil perambatan gelombang merupakan sesuatu yang unik untuk masing-masing titik tinjauan Hal ini karena adanya pengaruh frekuansi dari masing-masing material dalam sistem yang dapat menyebabkan perkuatan maupun perlemahan terhadap beban gempa ketika tiba di permukaan tanah. Hal tersebut teramati pada perbedaan nilai spektral percepatan antara yang didapatkan berdasarkan perkiraan dengan memanfaatkan kode standar dan yang didapatkan dengan melakukan suatu analisis site specific.
- 2. Dalam bentang periode lebih besar dari 0.2 detik dan lebih kecil dari 0.4 detik, respons spektrum di permukaan tanah hasil perambatan gelombang berdasarkan kejadian gempa Aceh (2004) mempunyai spektral percepatan yang lebih tinggi daripada respons spektrum desain untuk tanah lunak pada zona gempa 5 menurut SNI 03-1726- 2002. Sehingga dapat dikatakankan bahwa selubung respons spektrum untuk tanah lunak pada zona gempa 5 menurut SNI 03-1726-2002 masih cukup handal pada desain pembebanan gempa untuk seluruh bentang periode spektral lebih besar daripada 0.4 detik.