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: h.darjanto@consultant.com 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 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 ISBN No. 978-979-18342-0-9 B-7
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. 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 2. TEORI 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 ISBN No. 978-979-18342-0-9 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. 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. Gambar 2. Model Zona Sumber Gempa 2.4. Magnitude Maksimum Magnitude maksimum ditentukan berdasarkan hasil evaluasi dari data yang tersedia 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. 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, ISBN No. 978-979-18342-0-9 B-9
Helmy Darjanto & Adhi Muhtadi...(1) P[ I i] = P[ I i m and r]. fm ( m). f R ( r). dm. dr r m dimana: f M : fungsi distribusi magnitude f R : fungsi distribusi jarak hiposenter P[I i M dan R : 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 Guttenberg- Richter : log N ( m ) = a b. M...(2) 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 4. De-Agregasi 3. LANGKAH-LANGKAH Gambar 6. Input Motion Kota Jakarta, Sumber Gempa Megathrust Untuk sumber gempa lainnya, misal Benioff, Shallow Crustal, dan Background dengan cara yang sama, input ground motion nya dapat dihitung juga. ISBN No. 978-979-18342-0-9 B-10
Analisa Resiko Gempa Dengan Teorema Probabilitas Total Untuk Kota-Kota Di Indonesia Yang Aktifitas Seismiknya Tinggi 4.2. Surabaya Dari hasil perhitungan dengan menggunakan teorema probabilitas total, input ground motion untuk kota Surabaya, lihat Gambar 7. 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. Gambar 8. Response Spectra Permukaan PLTU Pacitan Gambar 9. Response Spectra Permukaan Jembatan Suramadu 5. CATATAN Masih banyak daerah / kota lainnya di Indonesia yang perlu dilakukan penelitian response spectra batuan dan permukaan. 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. 7. REFERENSI 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. ISBN No. 978-979-18342-0-9 B-11
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. McGuire, RK (1974) Seismic Structural Response Risk Analysis, Incorporating Peak Response Regression on Earthquake Magnitude and Distance, MIT, Dept. Civil Eng., Research Report. 9. McGuire, RK (1976) FORTRAN Computer Program for Seismic Risk Analysis US Geological Survey, Open File Report, pp. 67-76. 10. Pacheco et al (1992) Seismic Moment Catalog of Large Shallow Earthquake, Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 82, No. 3, pp. 1306-1349. 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. ISBN No. 978-979-18342-0-9 B-12