Penaksiran Resonansi Tanah dan Bangunan Menggunakan Analisis Mikrotremor Wilayah Surabaya Jawa Timur

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1,. 1, (2012) Penaksiran Resonansi Tanah dan Bangunan Menggunakan Analisis Mikrotremor Wilayah Surabaya Jawa Timur Dian Nur Aini, Widya Utama, A. Syaeful Bahri Fisika, FMIPA Institut Teknologi Sepuluh pember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya widutama@physics.its.ac.id Abstrak Analisis mikrotremor yang dilakukan di wilayah Surabaya bertujuan untuk menentukan nilai frekuensi natural dari suatu bangunan dan tanah di bawahnya, menentukan bangunan dan tanah terhadap gelombang gempa serta menentukan tingkat kerentanan suatu bangunan terhadap gelombang gempa. Akusisi lapangan dilakukan pada sepuluh bangunan milik pemerintah kota dan tempat umum yang memiliki nilai sejarah Kota Surabaya serta tujuh titik tanah yang mewakili kondisi bawah permukaan setiap bangunan. Akusisi ini digunakan alat Portable Digital Seismograph 3 komponen (2 komponen horizontal: EW-NS dan 1 komponen vertikal) periode pendek merk Taurus (Canada) dengan jenis sensor Feedback Short Period Seismometer tipe DS-4A. Analisis FSR digunakan pada pengolahan data mikrotremor bangunan, sedangkan pada pengolahan mikrotremor tanah digunakan analisis HVSR. Penelitian ini dihasilkan frekuensi natural bangunan komponen NS berkisar Hz dan komponen EW berkisar Hz dan frekuensi natural tanah berkisar antara Hz. Selain itu didapatkan taksiran tanah dan bangunan komponen NS antara % dan komponen EW antara % dengan tingkat rendah pada sembilan bangunan dan tingkat sedang pada satu bangunan. Digunakan pula analisis spektrum dan RDM sebagai perbandingan dalam penentuan frekuensi natural bangunan dan didapatkan kesimpulan bahwa analisis FSR dalam penentuan frekuensi natural bangunan lebih baik daripada analisis spektrum dan RDM. getaran tanah terhadap bangunan karena gempa bumi. Selain itu, Surabaya berada dekat dengan lajur sesar aktif Lasem, Lajur sesar aktif Watu Kosek, lajur sesar aktif Grindulu dan Lajur sesar aktif Pasuruan. Oleh karena itu diperlukan suatu upaya untuk mengurangi resiko bencana terhadap bahaya gempa bumi di Surabaya mengingat kondisi daerah tersebut rawan terhadap kerusakan akibat gempa. Kata Kunci Mikrotremor, Surabaya, FSR, Analisis Spektrum, Resonansi tanah dan Banngunan. S I. PENDAHULUAN alah satu faktor penting yang bisa digunakan untuk memprediksi bahaya gempa bumi pada suatu bangunan adalah dilakukan pengukuran antara frekuensi natural bangunan dan tanah di bawahnya [1]. Jika nilai frekuensi bangunan mendekati nilai frekuensi natural material di bawahnya, maka getaran seismik akan membuat dengan bangunan yang akan meningkatkan stress pada bangunan tersebut [2]. Surabaya merupakan daerah dengan kondisi geologi berupa cekungan endapan aluvial dan batu pasir dengan sedimen berupa batu gamping dan lempung [3]. Nakamura et al. [4] menyatakan bahwa suatu wilayah dengan kondisi geologi berupa endapan aluvial, tuff dan batu pasir mempunyai potensi bahaya lebih besar terhadap efek intensitas getaran tanah akibat amplifikasi dan interaksi Gambar 1 Peta Geologi Surabaya (Sukardi, 1992) dengan kondisi fisiografi bagian dari Pebukitan Kendeng, bagian tengah Pebukitan Rembang-Madura, pedataran aluvium Jawa sebelah utara, pedataran tengah Jawa Timur dan bagian timur lekuk Randublatung. Tatanan stratigrafi yang tersingkap terdiri dari endapan aluvium (Qa), Formasi Kabuh (Qpk), Formasi Pucangan (Qtp) dan Formasi Lidah (Tpl). Menurut Tokimatsu [5], mikrotremor atau yang biasa disebut dengan ambient noise adalah getaran tanah dengan amplitudo mikrometer yang dapat ditimbulkan oleh peristiwa alam ataupun buatan, seperti angin, gelombang laut atau getaran kendaraan yang bisa menggambarkan kondisi geologi suatu wilayah dekat permukaan. Mikrotremor didasarkan pada perekaman ambient noise untuk menentukan parameter karakteristik dinamika (damping ratio dan frekuensi natural)

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1,. 1, (2012) dan fungsi perpindahan (frekuensi dan amplifikasi) bangunan [6][7][4][8]. Teknik HVSR (Horizontal to Vertical Fourier Amplitude Spectral Ratio) pada analisis data mikrotremor telah digunakan secara luas untuk studi efek lokal dan mikrozonasi [9]. Selain sederhana dan bisa dilakukan kapan dan dimana saja, teknik ini juga mampu mengestimasi frekuensi secara langsung tanpa harus mengetahui struktur kecepatan gelombang geser dan kondisi geologi bawah permukaan lebih dulu. Nakamura et al.[4] menyebutkan bahwa metode HVSR untuk analisis mikrotremor bisa digunakan untuk memperoleh frekuensi natural sedimen. II. URAIAN PENELITIAN Penelitian ini digunakan seperangkat alat mikrotremor portable yang terdiri dari alat Portable Digital Seismograph 3 komponen (2 komponen horizontal: EW-NS dan 1 komponen vertikal) periode pendek merk Taurus (Canada) dengan jenis sensor Feedback Short Period Seismometer tipe DS-4A serta dilengkapi digitizer ( logger). akusisi dilakukan pada sepuluh bangunan di Surabaya, diantaranya; Masjid Agung Al-Akbar, Perpustakaan ITS, Museum Tugu Pahlawan, Hotel Mojopahit, Gedung Fakultas Syariah IAIN, DPRD kota Surabaya, BAPEKO, Masjid Muhammad Cheng Hoo, Balai Pemuda dan Apartemen Somerset. Dilakukan pula akusisi tanah sebanyak tujuh titik yang memilki kondisi geologi sama dengan kondisi bawah permukaan setiap bangunan. Penelitian ini secara lebih lengkap bisa dilihat pada gambar 1. Desain Pengukuran Spectral Ratio) untuk data bangunn. Sehingga bisa ditentukan nilai tanah dan bangunan tersebut dari perumusan sebagai berikut: R = fb ft ft x 100% (1) dengan R, f b dan f t berturut-turut adalah, frekuensi natural bangunan, dan frekuensi natural tanah. Sesuai yang direkomendasikan oleh Gosar [1], tingkat kerentanan bangunan terhadap gempa bisa diklasifikasikan menjadi tiga kriteria, yakni; rendah (>±25%), sedang (15-25%) dan tinggi (<±15%). 1. Pengolahan Mikrotremor Tanah Seluruh data akusisi diolah menggunakan software Geopsy. akusisi tanah dianalisis dengan teknik HVSR, yakni rasio amplitude spektrum horizontal dan vertikal dengan persamaan 2 berikut [4]: R t = FNS(T)2 + FEW 2 FZ (T) dengan R(T), F NS, F EW dan F z berturut-turut adalah spektrum rasio vertikal terhadap horizontal, spektrum Fourier di NS, spektrum Fourier di EW dan spektrum Fourier di Z (arah vertikal). Persiapa n 3 Komponen Pemilihan (2) 1-n (EW, NS, Akusisi Mikrotremor Pengolahan data FFT (V) Komponen Vertikal (V) Analisis Sedimen (HVSR) Analisis Bangunan (FSR) FFT (H) Komponen Horizontal (H) Resonansi Struktur Tanah dan Bangunan Rekomendasi Gambar 2. Diagram alir penelitian yang dimulai dengan desain pengukuran, akusisi mikrotremor untuk mendapatkan data awal berupa time domain, pengolahan data yang sebelumnya dilakukan perubahan bentuk data dari time domain ke time frequency, data bangunan dianalisis dengan metode HVSR dan data bangunan dengan metode FSR. Sehingga didapatkan nilai bangunan yang dilanjutkan dengan rekomendasi. Penelitian diawali dengan mendesain konsep akusisi lapangan, sehingga didapatkan gambaran rinci terkait dengan akusisi yang akan dilakukan. tahap selanjutnya adalah akusisi mikrotremor pada titik akusisi yang telah didesain sebelumnya. akusisi dilakukan pengolahan data untuk mendapatkan frekuensi natural yang akan digunakan untuk menentukan tanah dan bangunan. Pengolahan data tersebut digunakan analisis data HVSR (Horizontal to Vertical Spectral Ratio) untuk data tanah dan analisis data FSR (Flooor Analis is Tiap FFT (H) Smoothing EW (f) Smoothing NS (f) Smoothing V (f) Rata-rata HVSR (fo) Komponen Horizontal (H) Phytaghoras HVSR (f)=h(f)/v(f) Gambar 3. Diagaram alir analisis kurva HVSR pada pengolahan data mikrotremor tanah. Diawali dengan pemilihan window stasioner pada masing-masing komponen spektrum dan dilakukan analisis spektrum Fourier. Untuk menghaluskan hasil FFT, digunakan filter smoothing Konno Ohmachi koefisien bandwith 40. Terakhir, penggabungan komponen spektrum menggunakan analisis HVSR

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1,. 1, (2012) Gambar 4 proses analisis data mikrotremor menggunakan metode HVSR pada tanah, a. data awal mikrotremor yang berupa gelombang vertikal dan gelombang horizontal, b. data mikrotremor hasil pemilihan windows dan c. kurva HVSR yang menunjukkan nilai amplifikasi dan frekuensi natural pada puncak kurva. mikrotremor tanah (gambar 4a) pada software Geopsy dilakukan pemilihan window stasioner antara detik non overlapping. Tampak pada gambar 4b, data mikrotremor tanah hasil pemilihan window. Analisis spektrum Fourier dilakukan untuk mengubah data awal akusisi yang berupa domain waktu menjadi domain frekuensi. Hasil FFT dilakukan smoothing Konno Ohmachi dengan koefisien bandwith 40 [10][11]. Pengolahan dilanjutkan dengan analisis HVSR untuk memperoleh nilai HVSR yang ditunjukkan dengan puncak tertinggi kurva HVSR (gambar 3c) dianggap sebagai frekuensi natural tanah. 2. Pengolahan Mikrotremor Bangunan Persiapa n Analisis Spektrum Masingmasing Tanah dan Bangunan 3 Komponen FFT FFT Smoothing NS Smoothing EW f o NS Bangunan f o EW Bangunan Pemilihan (EW, NS) Komponen Horisontal (EW) Komponen Horisontal (NS) Dan 1-n (EW, NS) Gambar 5 menunjukkan alur pengolahan data mikrotremor bangunan menggunakan analisis FSR. akusisi diolah menggunakan analisis spektrum pada setiap komponennya. Hanya hasil analisis spektrum komponen horizontal yang digunakan untuk pengolahan data FSR selanjutnya. Sehingga didapatkan frekuensi natural bangunan yang diestimasi dari puncak FSR tertinggi dan dikorelasikan dengan frekuensi natural bangunan hasil analisis spektrum. Karena hasil analisis FSR biasanya memiliki puncak FSR lebih dari satu. Sebagai perbandingan, frekuensi natural bangunan juga dihasilkan dari analisis spektrum dan RDM. RDM dilakukan dengan treatment Band Pass Filter pada data awal, sehingga dihasilkan frekuensi natural bangunan yang sesungguhnya. 3. Penentuan Resonansi Tanah dan Bangunan natural bangunan yang memiliki nilai mendekati frekuensi natural sedimen diseleksi untuk menghitung rasio keduanya dengan menggunakan persamaan 1 di atas. Sehingga dihasilkan nilai tanah dan bangunan yang memungkinkan untuk dilakukan klasifikasi tingkat kerentanan bangunan tersebut akan terjadi resoanansi ketika dikenai gempa. II. HASIL DAN PEMBAHASAN Tabel 1 tabel frekuensi natural tanah, frekuensi natural bangunan dan tanah dan bangunan menggunakan analisis spektrum. Tanah Spektrum Bangunan % 171.6% % 97.10% % 83.04% % 7.68% % 114.9% % 83.04% % 26.54% % 137.2% % 146.1% % 44.00% Tabel 2 tabel frekuensi natural tanah, frekuensi natural bangunan dan tanah dan bangunan menggunakan analisis RDM. Tanah RDM Bangunan Gambar 5. Diagaram alir analisis FSR pada pengolahan data mikrotremor bangunan. Diawali dengan analisis spektrum window stasioner pada masing-masing komponen spektrum Fourier. Untuk menghaluskan hasil FFT, digunakan filter smoothing Konno Ohmachi koefisien bandwith 40. Hasil analisis spektrum komponen horizontal digunakan untuk pengolahan data FSR selanjutnya. Sehingga didapatkan frekuensi natural bangunan yang diestimasi dari puncak FSR tertinggi dan dikorelasikan dengan frekuensi natural bangunan hasil analisis spektrum % 156.5% % 107.9% % 107.3% % 12.83% % 115.2% % 102.5% Sedang

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1,. 1, (2012) % 28.52% % 134.4% % 147.6% % 45.65% Tabel 3 tabel frekuensi natural tanah, frekuensi natural bangunan dan tanah dan bangunan menggunakan analisis FSR dan amplitudo spektra. Tanah FSR Bangunan % 158.6% % 94.69% % 65.84% % 10.37% % 87.61% % 99.55% % 19.91% % 143.1% % 146.1% % 47.35% Sedang Dari analisis HVSR didapatkan frekuensi natural tanah pada tujuh titik pengukuran di wilayah Surabaya yang digunakan untuk menghitung nilai struktur tanah dan bangunan. Nilai frekuensi natural tanah berkisar Hz. sehingga bisa diindikasikan bahwa Surabaya merupakan wilayah dengan kondisi geologi berupa endapan sedimen karena memilki frekuensi natural kecil. Hal ini diperkuat oleh Sukardi [1] yang menyatakan bahwa Surabaya secara umum dominan daerah dataran rendah, 80% wilayahnya merupakan endapan aluvial dan sisanya merupakan perbukitan rendah yang dibentuk oleh tanah hasil pelapukan batuan tersier/tua. Gambar 6. Peta sebaran frekuensi natural tanah wilayah Surabaya (Utama, dkk., 2011) Penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Utama, dkk. [9] menjelaskan frekuensi natural wilayah Surabaya, ditunjukkan pada gambar 6, bahwa frekuensi natural tanah di Surabaya cenderung rendah dengan ditandai rona warna pada gambar, dari warna ungu sampai merah dengan nilai frekuensi rata-rata Hz Hasil pengolahan dan analisis data mikrotremor didapatkan frekuensi natural tanah, frekuensi natural bangunan, tanah dan bangunan dan tingkat terhadap gempa. Tabel 1 ditunjukkan tanah dan bangunan hasil analisis spektrum komponen horizontal (EW dan NS). Terdapat nilai frekuensi natural bangunan yang kurang stabil pada titik B5 dan B6 komponen EW dan NS. B5 komponen EW dan NS memiliki nilai frekuensi natural berturut-turut Hz dan Hz serta titik B6 komponen EW dan NS berturut-turut Hz dan Hz. Persentase yang didapatkan juga kurang stabil. Seharusnya komponen EW dan NS memiliki kemiripan pada sebuah bangunan. Tabel 2 menunjukkan tanah dan bangunan hasil analisis RDM. Hasil analisis ini lebih stabil daripada hasil analisis spektrum. Ini terlihat pada titik B5 dan B6 yang memiliki kemiripan nilai pada komponen EW dan NS. Namun yang didapatkan pada setiap komponennya belum memiliki kemiripan nilai. Namun interval nilai yang dimilki lebih kecil daripada hasil analisis spketrum. Tabel 3 menunjukkan tanah dan bangunan hasil analisis FSR. Dapat dijelaskan bahwa seluruh hasil analisis FSR tersebut mempunyai kestabilan nilai yang paling tinggi diantara analisis lain yang telah dilakukan. Warnana, dkk. [9] dalam jurnalnya juga menyebutkan bahwa teknik analisis FSR pada bangunan lebih stabil daripada analisis spektrum. Ini dibuktikan dengan pengkuran frekuensi natural bangunan pada setiap lantai bangunan bertingkat. Didapatkan kesimpulan bahwa ada kesesuaian frekuensi natural yang terukur pada masing-masing lantai dan nilai amplifikasi berbanding lurus terhadap ketinggian lantai. Menurut Gosar [12], meskipun frekuensi bangunan yang didapatkan dari analisis HVSR bisa diestimasi dengan baik, namun masih belum ada dasar teori yang mendukung terkait dengan hal tersebut. Sehingga kita tidak bisa mengestimasi frekuensi natural dengan menggunakan teknik HVSR. Sehingga teknik FSR merupakan teknik yang paling ideal dalam penentuan karakterisasi dinamika bangunan. Dari hasil analisis FSR, didapatkan tingkat rendah pada sembilan bangunan dan tingkat sedang pada satu bangunan. Hal ini mengindikasikan bahwa bangunan yang diteliti memiliki kekuatan bangunan yang cukup besar. Sehingga ketika wilayah penelitian terjadi goncangan gempa, bangunan tersebut sulit be dengan gempa yang menjalar dari bawah permukaan gedung, yang mengakibatkan kerusakan gedung bisa diminimalisir. Resonansi tanah dan bangunan ini merupakan salah satu parameter yang bisa digunakan untuk melakukan karakterisasi dinamika bangunan yang berada di wilayah penelitian. Namun perlu didukung oleh parameter lain yang bisa memperkuat hasil penelitian tersebut, diantaranya damping ratio dan amplifikasi yang terjadi pada bangunan ketika dikenai gelombang gempa.

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1,. 1, (2012) III. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari analisis data dan pembahasan dapat disimpulkan bahwa frekuensi natural bangunan komponen NS berkisar Hz dan komponen EW berkisar Hz serta frekuensi natural tanah berkisar antara Hz. Selain itu didapatkan taksiran tanah dan bangunan komponen NS antara % dan komponen EW antara % dengan tingkat rendah pada sembilan bangunan dan tingkat sedang pada satu bangunan. Sehingga bangunan yang diteliti sulit terjadi kerusakan ketika terkena gempa dengan mempertimbangkan parameter dinamika bangunan yang lain. Sebagai data perbandingan, digunakan pula analisis spektrum dan RDM dalam penentuan frekuensi natural bangunan dan didapatkan kesimpulan bahwa analisis FSR dalam penaksiran tanah dan bangunan lebih baik daripada analisis spektrum dan RDM. Microtremor Analysis on Pare-East Java, Indonesia. ATE ISSN: Vol.01 Issue 04. [10] SESAME, Guidelines fr the Implementation of the H/V Spectral Ratio Technique on Ambient Vibrations: Measurements, Processing and Interpretation. ujf%1 Egrenoble.fr/Delivrables/Del %1ED23%1EHV_user_guidelines.pdf,, 62 pp. [11] Konno, Katsuaki. Ohmachi, Tatsuo Ground- Motion Characteristics Estimated from Spectral Ratio between Horizontal and Vertical Components of Microtremor. Bulletin or the Seismological Society of America, Vol. 88,.1, pp , February 1998 [12] Gosar, A Microtremor HVSR Study for Assessing Site Effects in the Bovec Basin (NW Slovenia) Related to 1998 M w 5.6 and 2004 M w 5.2 Earthquake. ELSEIVER Engineering Gelogy 91 (2007) UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada ketua jurusan Fisika Dr. Yono Hadi Pramono M.eng, kepala Laboratorium Geofisika Prof. Bagus Jaya Santosa, seluruh dosen jurusan Fisika, Sungkono, M.Si., Juan Pandu GNR, S.Si., dan keluarga besar laboratorium Geofisika yang telah memberikan bimbingan dan dukungan kepada penulis. DAFTAR PUSTAKA [1] Gosar, A Site effects and Soil-Structure Resonance Study in The Kobarid Basin (NW Slovenia) Using Microtremor. Geofizika, vol [2] P. Kvasnicka, L. Matesic, K. Ivandic Geothechnical Site Classification and Croatian National Annex for Euro Code 8. Geofizika, 2011 in press [3] Sukardi Geologi Lembar Surabaya & Sapulu, Jawa. Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi. Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi. [4] Nakamura, Y. Gurler, Dilek, E. Saita, Jun. Rovelli, Antonio. Donati, Stefano Vunerability Investigation of Roman Colosseum Using Microtremor. 12WCEE. [5] Arai, H., Tokimatsu, K.,2004. S-wave velocity profiling by joint inversion of microtremor H/V spectrum, Bulletin of the Seismological Society of Amerca, 94(1), [6] Herak, Marijan., et al HVSR of Ambient ise in Ston (Croatia): Comparison with Theoretical Spectra and with The Damage Distribution after The 1996 Ston-Slano Earthquake. Springer Science+Business Media B.V. [7] Herak, M Overview of Recent Ambient ise Measurements in Croatia in Free-Field and in Building. Geofizika 2011 in press [8] Nakamura, Yukata On The H/V Spectrum. The 14 th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China [9] Warnana, D., Desa. Triwulan. Sungkono. W, Utama Assessment to the Soil Structure Resonance Using