STUDI KARAKTERISTIK GETARAN GEMPA DI YOGYAKARTA UNTUK MENGEMBANGKAN KRITERIA DESAIN SEISMIK DI YOGYAKARTA

Transkripsi

1 STUDI KARAKTERISTIK GETARAN GEMPA DI YOGYAKARTA UNTUK MENGEMBANGKAN KRITERIA DESAIN SEISMIK DI YOGYAKARTA TUGAS AKHIR SEBAGAI SALAH SATU SYARAT UNTUK MENYELESAIKAN PENDIDIKAN SARJANA TEKNIK DI PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL Disusun Oleh: Herland A. Malau NIM Pembimbing Ir. I Wayan Sengara, MSCE., MSEM., Ph.D PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 STUDI KARAKTERISTIK GETARAN GEMPA DI YOGYAKARTA UNTUK MENGEMBANGKAN KRITERIA DESAIN SEISMIK DI YOGYAKARTA Oleh Herland A. Malau NIM Menyetujui, Bandung, 30 Juni 2008 Pembimbing Ir. I Wayan Sengara, MSCE., MSEM., Ph.D Kelompok Kepakaran Geoteknik Koordinator Tugas Akhir Program Studi Teknik Sipil Ketua Dr. Ir. Endra Susila Dr. Ir. Herlien D. Setio ii

3 Dalam penulisan tugas akhir ini, dari awal hingga akhir, telah banyak pribadi yang telah mendukung. Penulis sangat berterima kasih sebesar-besarnya kepada Tuhan Yesus Kristus atas kehidupan dan berkatnya hingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini, dan penulis juga mengucapkan terima kasih kepada pribadi-pribadi di bawah ini yang telah sangat berjasa selama studi dan pengerjan tugas akhir ini: a. Kedua orang tua, bapak dan mama yang telah sekuat tenaga untuk mendukung studi saya di tengah segala kekurangan yang ada. Terima kasih pak, ma...atas semua doa dan kebaikan kalian. b. Ketiga adikku Rini, Nita dan Febri yang juga telah memberikan dukungan yang luar biasa dengan tak bosan-bosannya menanyakan kapan lulus. Mudah-mudahan ini akan menginspirasi kalian. c. Seluruh keluarga besar: atas segala dukungan doa dan dana selama proses perkuliahan dan semangat untuk terus berjuang dalam segala keadaan guna mencapai masa depan yang lebih baik. d. Seluruh dosen yang telah menjadi guru dan panutan selama proses kuliah di ITB. Terima kasih atas semua ilmu teknik sipil yang telah kalian berikan. e. Seluruh staff tata usaha prodi, perpustakaan, laboratorium dan semua karyawan di lingkungan Teknik Sipil ITB yang telah membantu semua keperluan penulis selama studi di ITB. f. Mas Nunung, atas semua kebaikannya mengajarkan ilmu gempa dan kesediaanya untuk diganggu selama pengerjan tugas akhir ini. Thanks atas EZ FRISK dan NERA nya... g. Seluruh staff di Laboratorium Geoteknik PPAU ITB: Mas Hendarto (atas EZ FRISKnya),mas Aris (atas peta Auto CAD nya), Mas Putu, Pak Made,Uun, Rika, Roy atas semua bantuannya selama pengerjan Tugas Akhir ini. h. Rekan-rekan sipil 2002 terutama yang lulus Juli ini: Gugun, Zaim, Frans dan Toni yang telah saling mengingatkan untuk tetap semangat. Dan juga thanks buat Andar, Reynold, Fajar, Haedar, Eka, Panggih atas iii

4 pinjaman-pinjaman catatan kuliahnya. Buat Erikson, partner KP di Batam, duluanlah dulu awak yah... i. Pakcik, makcik UKSU 02: yang telah menjadi teman dalam berorganisasi, belajar, dan bercanda mulai sejak PPAB hingga sekarang. Semoga persahabatan kita takkan hilang walaupun kita telah berpisah dari kampus kita. Isseiiii...??? j. Uly Artha, atas sms-sms dan teleponnya yang telah banyak memberikan dukungan dan semangat selama ini. k. Rekan rekan alumni BM 02, yang selalu keep kontact walaupun telah berpisah jauh, yang juga tak bosan-bosanya menanyakan kapan lulus. l. Rekan-rekan di UKSU ITB, KBMSB dan ALBUM, yang selama ini telah menjadi tempat berorganisasi dan beraktifitas di tengah kesibukan kuliah selama ini. m. Paguyuban Alumni ITB 70, atas dukungan dana beasiswa selama ini. Kalian telang mengajarkan makna tentang berbagi. n. PT McDermott Indonesia Batam Base, yang telah memberikan kesempatan untuk KP dan magang. o. Para Gandok ers: Rudi, Amry, Ryan, Mossar, Irwin, Irvan, Sabar Toni, Wilmar, Rio, Kiko lupa awak siapa lagi... Terima kasih atas pengalamannya selama ini, kapan kita futsal lagi?? p. Semua pihak yang tak dapat disebutkan satu persatu yang juga telah memberikan kontribusi secara tidak langsung. Aku ucapkan terima kasih sebesar-besarnya. iv

5 KATA PENGANTAR Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas karunia pertolongan dan pengharapan dari-nya, sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Tugas akhir merupakan syarat untuk kelulusan bagi tingkat pendidikan sarjana di Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan. Tugas Akhir yang berjudul Studi Karakteristik Getaran Gempa di Yogyakarta untuk Mengembangkan Kriteria Desain Seismik di Yogyakarta ini bertujuan untuk menghitung percepatan gempa di batuan dasar kota Yogyakarta dan mengetahui respon dinamik tanah yang mempengaruhinya serta membuat respon spektra desain untuk beberapa site tanah. Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, saya selaku penulis, mendapatkan banyak bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis mengucapkan banyak terima kasih, terutama kepada: 1. Ir. I Wayan Sengara, MSCE., MSEM., Ph.D, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan mengarahkan penulis selama pengerjaan tugas akhir ini. 2. Dr. Ir. Bigman M. Hutapea, selaku penguji atas saran dan masukan-masukan yang telah diberikan selama penulisan tugas akhir ini. 3. Dr. Ir.Hasbullah Nawir, selaku penguji atas saran dan masukan-masukan yang telah diberikan selama penulisan tugas akhir ini. 4. Ir. Engkon Kertapati, yang telah memberikan penjelasan tentang patahan Opak dan sumber-sumber gempa lainnya. Penulis mengetahui bahwa laoran Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan dan masih banyak kekurangannya.untuk itu saya terbuka atas saran dan kritik yang mungkin dapat berguna untuk kebaikannya. Harapan saya Laporan Tugas Akhir ini dapat berguna bagi kemajuan dunia pertekniksipilan khususnya rekayasa kegempaan. Bandung, Juni 2008 Penulis v

6 ABSTRAK STUDI KARAKTERISTIK GETARAN GEMPA DI YOGYAKARTA UNTUK MENGEMBANGKAN KRITERIA DESAIN SEISMIK DI YOGYAKARTA Oleh: Herland A. Malau NIM Studi ini menampilkan analisis hazard gempa di kota Yogyakarta untuk menghitung besar percepatan maksimum di batuan dasar (PBA) pada periode ulang 500 tahun serta analisis respon dinamik tanah untuk menghitung percepatan di permukaan tanah. Studi ini dilakukan juga untuk melihat pengaruh yang ditimbulkan oleh patahan Opak terhadap hasil perhitungan PBA. Analisis hazard dilakukan dengan metode Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA) dengan menggunakan program komputer EZ FRISK. Sumber gempa yang digunakan adalah gempa-gempa terbaru dengan kedalaman kurang atau sama dengan 200 km dan dalam radius 500 km dari kota Yogyakarta. Sumbersumber gempa tersebut dimodelkan sebagai zona gempa subduksi dan shallow crustal. Untuk mengatasi ketidakpastian digunakan model logic tree. Parameter seismisitas dihitung dengan menggunakan metode least square, Weichert (1980), serta Kijko & Sellevoll (1989). Untuk menghitung besar ground motion digunakan 4 fungsi atenuasi yaitu, fungsi atenuasi Youngs (1997) untuk zona gempa subduksi, sementara fungsi atenuasi Boore et al. (1997), Sadigh (1997) dan Idriss (2004) digunakan untuk zona gempa shallow crustal. Hasil Analisis menunjukkan bahwa PBA kota Yogyakarta untuk periode ulang 500 tahun adalah g. Analisis respon dinamik tanah dilakukan untuk mengetahui pengaruh kondisi tanah lokal akibat ground motion di batuan dasar dengan menggunakan analisis perambatan gelombang satu dimensi menggunakan program komputer NERA. Input motion sintetik yang digunakan yaitu hasil analisis spectral matching dari berbagai motion gempa dari daerah lain berdasarkan target spektra yang diperoleh. Hasil analisis ini dibandingkan dengan respon spektra desain dari peraturan gempa standar yaitu UBC. Kata kunci: ground motion, hazard, patahan Opak, respon spektra vi

7 ABSTRACT EARTHQUAKE CHARACTERISTIC STUDY OF YOGYAKARTA TO DEVELOP SEISMIC DESIGN CRITERIA IN YOGYAKARTA Oleh: Herland A. Malau NIM This study presents seismic hazard analysis in Yogyakarta city to estimate peak baserock acceleration (PBA) for 500 year return period and soil dynamic response to estimate acceleration in surface. This study also used to look the effect of Opak fault in PBA estimating Seismic hazard analysis is acted with Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA) method using EZ FRISK computer program. Seismic source considered are the latest earthquake to a depth of 200 km within radius 500 km from Yogyakarta. These seismic sources are modeled as subduction and shallow crustal zone. To cover uncertainties, logic tree model is utilized. Seismic parameters are calculated by the method of least square, Weichert(1980) and Kijko & Sellevol (1989). 4 atenuation models are chosen such as, Youngs (1997) atenuation models for subduction zone, then Boore et. Al.(1997), Sadigh (1997) and Idriss (2004) are choosen for shallow crustal zone. The result of the analysis shows that the PBA og Yogyakarta city is g for 500 year return period. Ground response analysis is conducted to know the response of local soil condition to the motion of the of the bedrock using one dimensional shear wave propagation using NERA computer program. Sintetik input motion used in this analysis is from spectral matching from other eathquuake motion in other countries. This result of site response analysis is compared to the UBC standard code. Key word: ground motion, hazard, patahan Opak, respon spektra vii

8 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN KATA PENGANTAR ABSTRAK ABSTRACT DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL i ii v vi vii viii x xiii I PENDAHULUAN 1 II. III. I. 1. LATAR BELAKANG 1 I. 2. MAKSUD DAN TUJUAN 2 I. 3. RUANG LINGKUP I. 4. SISTEMATIKA PENULISAN 2 3 STUDI PUSTAKA DAN TINJAUAN SEISMOTEKTONIK YOGYAKARTA 4 II. 1. UMUM 4 II. 2. BESARAN GEMPA Intensitas Gempa Magnitude Gempa Energi Gempa 9 II.3 MEKANISME GEMPA Pergerakan Lempeng Patahan II.4 RESIKO GEMPA II.5 KONDISI TEKTONIK WILAYAH JAWA II.6 SEJARAH KEGEMPAAN II.7 STUDI PATAHAN OPAK Peristiwa Gempa Sebelum 27 Mei Karakteristik Patahan II.8 KONDISI UMUM GEOLOGI YOGYAKARTA METODOLOGI III. 1. PENGUMPULAN DATA GEMPA 31 III. 2. PENGOLAHAN DATA GEMPA Konversi Magnitude Pemisahan Gempa Utama dan Ikutan viii

9 3.2.2 Kelengkapan Data Gempa 32 III. 3. PEMODELAN SUMBER GEMPA 34 III. 4. FUNGSI ATENUASI Boore, Joyner, Fumal (1997) Sadigh (1997) Youngs et al (1997) 44 III. 5. PERHITUNGAN HAZARD GEMPA DENGAN PSHA Model Probabilistik Parameter Hazard Gempa Metode Least Square Metode Weichert (1980) Metode Kijko & Sellevoll (1989) Magnitude Maksimum III. 6. LOGIC TREE 51 IV. HASIL PSHA DAN PEMBAHASAN HASIL ANALISIS HAZARD GEMPA YOGYAKARTA DAN DIY TARGET RESPON SPEKTRA Target Respon Spektra akibat Sumber Gempa Subduksi Java Benioff II Target Respon Spektra akibat Sumber Gempa Opak fault 61 IV. 1. INPUT MOTION SINTETIK DI BATUAN DASAR 62 V. ANALISIS RESPON DINAMIK TANAH DAN RESPON SPEKTRA DESAIN 66 V. 1. KONDISI BATUAN DASAR 67 V. 2. INPUT MOTION 67 V. 3. PARAMETER DINAMIK TANAH 68 V. 4 KONDISI TANAH LOKAL 68 V. 5 ANALISIS PERAMBATAN GELOMBANG GEMPA DARI BATUAN DASAR KE PERMUKAAN 70 V. 6 RESPON SPEKTRA Respon Spektra Permukaan Perbandingan Respon Spektra yang Dihasilkan dengan Beberapa Respon Spektra 74 VI. KESIMPULAN DAN SARAN 76 VI.1 KESIMPULAN 76 VI.2 SARAN 76 DAFTAR PUSTAKA ix

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Ilustrasi Pusat Gempa Dalam Tanah Atau Batuan 5 Gambar 2.2 Hubungan antara Momen Magnitude dan Skala Magnitude Lainnya. 9 Gambar 2.3 Batas-batas Lempeng Tektonik dan Ilustrasi Pergerakannya 10 Gambar 2.4 Lokasi Gempa Bumi Dunia 11 Gambar 2.5 Tipe-tipe Interaksi Lempeng Tektonik 12 Gambar 2.6 Jenis-jenis Patahan 13 Gambar 2.7 Skema Elemen-elemen Tektonik dalam Pertemuan Lempeng Berupa Zona Subduksi 15 Gambar 2.8 Zona Subduksi di Selatan Jawa sejauh 250 km dari Pantai Selatan Pulau Jawa 15 Gambar 2.9 Seismisitas di Sekitar Pulau Jawa 17 Gambar 2.10 Sejarah Kegempaan di Sekitar Jawa yang Mempengaruhi Yogyakarta 20 Gambar 2.11 Sebaran Gempa Susulan 28 Gambar 2.12 Geologi Daerah Sekitar Patahan Opak 29 Gambar 3.1 Kriteria Time and Distance Windows dari Beberapa Peneliti 32 Gambar 3.2 Hasil Analisis Kelengkapan Data 33 Gambar 3.3 Pemodelan Sumber Gempa Indonesia 35 Gambar 3.4 Sumber Gempa Utama 36 Gambar 3.5 Pemodelan Sumber Gempa 36 Gambar 3.6 Profil Hiposenter Sub Zona I-1 37 Gambar 3.7 Profil Hiposenter Sub Zona I-2 38 Gambar 3.8 Profil Hiposenter Sub Zona I-3 38 Gambar 3.9 Tahapan Analisa Hazard Gempa Dengan Metoda PSHA 46 Gambar 3.10 Hubungan Linear antara Jumlah Kejadian Gempa dan Magnitude 48 Gambar 3.11 Model Logic Tree 52 Gambar 4.1 UHS untuk Beberapa Periode Ulang 53 Gambar 4.2 Hazard untuk Masing-masing Sumber Gempa 54 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Deagregasi yang Mempengaruhi Kota Semarang pada T=0 Nilai PBA di DIY pada T = 0 detik Periode Ulang 500 Tahun Gambar 4.5 Nilai PBA di DIY pada T = 0,2 detik Periode Ulang 500 Tahun x

11 Gambar 4.6 Nilai PBA di DIY pada T = 1 detik Periode Ulang 500 Tahun 56 Gambar 4.7 Nilai PBA di DIY pada T = 0 detik Periode Ulang 1000 Tahun 57 Gambar 4.8 Nilai PBA di DIY pada T = 0,2 detik Periode Ulang 1000 Tahun 57 Gambar 4.9 Nilai PBA di DIY pada T = 1 detik Periode Ulang 1000 Tahun 58 Gambar 4.10 Nilai PBA di DIY pada T = 0 detik Periode Ulang 2500 Tahun 58 Gambar 4.11 Nilai PBA di DIY pada T = 0,2 detik Periode Ulang 2500 Tahun 59 Gambar 4.12 Nilai PBA di DIY pada T = 1 detik Periode Ulang 2500 Tahun 59 Gambar 4.13 UHS Kota Yogyakarta Untuk Periode Ulang 475 Tahun 60 Gambar 4.14 Gambar 4.15 Gambar 4.16 Gambar 4.17 Gambar 4.18 Gambar 4.19 Gambar 4.20 Gambar 4.21 Gambar 4.22 Gambar 4.23 Gambar 4.24 Target Respon Spektra Akibat Sumber Gempa Subduksi Benioff Segmen Java II Diskalakan Pada T=0.2 detik 61 Target Respon Spektra Akibat Sumber Gempa Subduksi Benioff Segmen Java II Diskalakan Pada T=1 detik 61 Target Respon Spektra Akibat Sumber Gempa Opak Fault Diskalakan Pada T=0.2 detik 62 Target Respon Spektra Akibat Sumber Gempa Opak Fault Diskalakan Pada T=1 detik 62 Input Motion Sintetik Berdasarkan Target Spektra Shallow Crustal dengan input motion Parkfield-1966 CO805 diskalakan pada T=0,2 detik Input Motion Sintetik Berdasarkan Target Spektra Shallow Crustal dengan input motion Imperial Valley-1940 I-ELC 180 diskalakan pada T=0,2 detik Input Motion Sintetik Berdasarkan Target Spektra Shallow Crustal dengan input motion Mammoth Lakes-1980 I-CVK 180 diskalakan pada T=1 detik Input Motion Sintetik Berdasarkan Target Spektra Shallow Crustal dengan input motion Imperial Valley-1940 I-ELC 180 diskalakan pada T=1 detik Input Motion Sintetik Berdasarkan Target Subduksi dengan input motion Chi-chi-1999 TCU 089-N diskalakan pada T=0,2 detik Input Motion Sintetik Berdasarkan Target Subduksi dengan input motion Chi-chi-1999 TCU 089-N diskalakan pada T=0,2 detik Input Motion Sintetik Berdasarkan Target Subduksi dengan input xi

12 motion Chi-chi-1999 TCU 049-W diskalakan pada T=1 detik 65 Gambar 4.25 Input Motion Sintetik Berdasarkan Target Subduksi dengan input motion Chi-chi-1999 TCU 089-W diskalakan pada T=1 detik 65 Gambar 5.1 Hubungan antara Percepatan Maksimum di Batuan Dasar dan Permukaan dengan Kondisi Tanah Lokal 67 Gambar 5.2 Respon Spektra yang Telah Dinormalisasikan untuk Kondisi Tanah Lokal yang Berbeda 67 Gambar 5.3 Analisis Perambatan Gelombang dengan Menggunakan Program Komputer NERA 70 Gambar 5.4 Program Komputer NERA 71 Gambar 5.5 Respon Spektra untuk Tanah Tipe C 72 Gambar 5.6 Respon Spektra untuk Tanah Tipe D 73 Gambar 5.7 Respon Spektra untuk Tanah Tipe E 73 Gambar 5.8 Perbandingan Respon Spektra untuk Tanah Tipe E 74 Gambar 5.9 Perbandingan Respons Spektra untuk Tanah Tipe D 75 Gambar 5.10 Perbandingan Respon Spektra untuk Tanah Tipe C 75 xii

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perbandingan Skala MMI dan Skala Lainnya (Wai-Fah Chen,2003) 6 Tabel 2.2 Hubungan antara Resiko Gempa untuk Periode Ulang Tertentu terhadap Masa Layan Bangunan 14 Tabel 2.3 Sesar-sesar di Pulau Jawa yang Mempengaruhi Kegempaan di Sekitar Yogyakarta 16 Tabel 2.4 Sejarah Kegempaan di Wilayah Jawa 18 Tabel 2.5 Catatan Gempa Historis di sekitar DIY dan Jawa Tengah 20 Tabel 2.6 Pola Retak akibat Gempa Yogyakarta 25 Tabel 3.1 Hasil Analisis Kelengkapan Data Gempa Periode Tabel 3.2 Fungsi Atenuasi yang Dibandingkan LAPI ITB (Purwana,2001) 39 Tabel 3.3 Standar Error Fungsi Atenuasi untuk Mekanisme Reverse Slip 40 Tabel 3.4 Standar Error Fungsi Atenuasi untuk Mekanisme Strike Slip 40 Tabel 3.5 Standar Error Fungsi Atenuasi untuk Mekanisme Subduksi 40 Tabel 3.6 Nilai-nilai Konstanta Fungsi Atenuasi Boore 42 Tabel 3.7 Rekomendasi Nilai Kecepatan Geser Rata-rata untuk Digunakan dalam Persamaan Boore et al. 42 Tabel 3.8 Koefisien yang Digunakan dalam Fungsi Atenuasi Sadigh (1997) untuk Menghitung Pseudo Acceleration Response dengan 5% Damping untuk Rock Site (M 6.5) 43 Tabel 3.9 Koefisien yang Digunakan dalam Fungsi Atenuasi Sadigh (1997) untuk Menghitung Pseudo Acceleration Response dengan 5% Damping untuk Rock Site (M > 6.5) 44 Tabel 3.10 Koefisien yang Digunakan dalam Fungsi Atenuasi Youngs (1997) untuk Menghitung Pseudo Acceleration Response dengan 5% Damping untuk Rock Site 44 Tabel 3.11 Parameter Seismisitas Gempa Subduksi 50 Tabel 3.12 Parameter Seismisitas Gempa Shallow Crustal 50 Tabel 3.13 Magnitude Maksimun dan Slip Rate Zona Subduksi 51 Tabel 3.14 Magnitude Maksimun dan Slip Rate Zona Shallow Crustal 51 Tabel 4.1 Nilai PBA Kota Yogyakarta untuk Beberapa Periode 53 Tabel 5.1 Klasifikasi Tanah Menurut SNI xiii