BAB V ANALISIS RESPON DINAMIK TANAH DAN RESPON SPEKTRA DESAIN
Analisis respon site spesifik dilakukan untuk mengevaluasi respon tanah lokal terhadap gerakan batuan dasar di bawahnya. Kondisi tanah lokal mempengaruhi karakteristik motion di permukaan seperti amplitudo percepatan dan bentuk respon spektra. Perbandingan antara atenuasi percepatan maksimum di suatu lokasi dengan kondisi tanah yang berbeda menunjukkan kecenderungan yang jelas dalam hal perilaku amplifikasi. Gambar 5.1 menunjukkan bahwa percepatan maksimum di permukaan deposit tanah sedikit lebih besar daripada percepatan maksimum batuan pada percepatan rendah dan sebaliknya pada percepatan tinggi.
Gambar 5.1. Hubungan antara Percepatan Maksimum di batuan Dasar dan Permukaan dengan Kondis Tanah Lokal (Wai Fah-Chen,2003)
Gambar 5.2 mengilustraikan efek kondisi tanah lokal terhadap bentuk respon spektra. Terlihat cukup jelas bahwa pada periode sekitar 0,5 detik respon spektra untuk tanah lebih besar daripada batuan. Gambar 5.2 juga dengan jelas memperlihatkan bahwa deep soil dan soft soil deposit menghasilkan proporsi periode tinggi yang cukup besar. Hal ini bisa sangat berpengaruh pada struktur dengan periode panjang seperti jembatan dan
66
gedung tinggi. Hasil ini juga menunjukkan bahwa penggunaan satu respon spektra yang digeneralisasi untuk semua kondisi tanah tidak dapat dibenarkan.
Gambar 5.2 Respon Spektra yang Telah Dinormalisasikan untuk Kondisi Tanah Lokal yang Berbeda 5.1 KONDISI BATUAN DASAR Mempertimbangkan kedalaman batuan dasar di masing-masing wilayah yang ditinjau di DIY yang sangat bervariasi diperlukan suatu kajian geologi dan pengeboran dalam yang detail. Dalam studi ini, dimana kedalaman batuan dasar tidak ditentukan melalui kajian yang detail, maka untuk keperluan perambatan gelombang gempa dari batuan dasar ke permukaan dalam studi ini kedalaman batuan dasar ditetapkan pada kedalaman rata-rata 30 meter. Hal ini dilakukan karena pada kedalaman lebih dari 30 km, faktor amplifikasi akan tidak berpengaruh secara signifiKan terhadap percepatan di batuan dasar. 5.2
INPUT MOTION
Untuk analisis respon site-spesifik, digunakan beberapa input motion untuk sumber gempa subduksi dan shallow crustal berdasarkan hasil spectral matching. Input motions ini diadopsi untuk mengidentifikasi rentang faktor amplifikasi dan respon spektra pada permukaan tanah sebagai akibat dari amplifikasi, durasi, dan frekuensi untuk setiap input motion dibawah pengaruh kondisi geoteknik tanah lokal. Input motions ini dipilih untuk mereprentasikan karakteristik pergerakan batuan dasar dari kejadian gempa di lokasi yang dekat dan lokasi yang jauh seperti yang telah dijelaskan pada Bab 4. 67
5.3
PARAMETER DINAMIK TANAH
Parameter dinamik tanah yang digunakan dalam analisis perambatan gelombang adalah modulus geser maksimum (Gmax), kecepatan gelombang geser (Vs), dan damping ratio ( ς ). Untuk mendapatkan parameter dinamik tanah, diperlukan suatu uji seismik langsung di lapangan seperti seismic down-hole test (SDH), spectral analysis of surface wave (SASW), dan uji lainnya. Selain itu, parameter dinamik tanah juga bisa didapatkan melalui korelasi data hasil penyelidikan geoteknik yang tersedia seperti nilai SPT dari pengeboran, CPT, dan hasil uji laboratorium. Hardin & Black (1969) mengemukakan bahwa modulus geser tanah (G) dan damping ratio ( ς ) tergantung pada beberapa faktor, seperti jenis tanah, confining pressure, tingkat regangan dinamik, derajat kejenuhan, frekuensi, derajat amplifikasi pembebanan, magnituda tegangan dinamik, dan regangan dinamik (RUT XII,2005). Pada kajian ini, parameter tanah ditentukan berdasarkan klasifikasi nilai kecepatan gelombang geser tanah (Vs) masing-masing pada kondisi tanah keras (SC), tanah sedang (SD), dan tanah lunak(SE). 5.4
KONDISI TANAH LOKAL
Penentuan respon tanah selama terjadinya gempa, sangat ditentukan oleh kecepatan gelombang geser tanah (Vs), modulus geser dan damping ratio dari tanah bersangkutan. Kecepatan gelombang geser tanah dapat ditentukan berdasarkan rata-rata korelasi dari hasil N-SPT, CPT dan hasil survey seismik seperti SASW, seismic downhole test, dan hasil uji lainnya. Dalam kajian ini, nilai parameter dinamik tanah ditentukan berdasarkan referensi klasifikasi tanah menurut SNI-1726-2002. Menurut SNI-1726-2002, tanah diklasifikasikan menjadi 5 (lima) klasifikasi yang dapat ditentukan dari harga v s , N -SPT dan su . Tabel klasifikasi tanah menurut SNI-1726-2002 ditunjukkan pada Tabel 5.1. Tabel 5.1 Klasifikasi Tanah Menurut SNI-1726-2002 (RUT XII,2005) Klasifikasi Tanah
Uraian
N
-SPT
(m/s)
SA
Batuan Keras
SB
Batuan
B
vs
su (kPa)
>1500
-
-
760< v s ≤ 1500
-
-
68
SC
Tanah Keras
360< v s ≤ 760
> 50
> 100
SD
Tanah Sedang
180< v s ≤ 360
15< N ≤ 50
50 < su ≤ 100
v s ≤ 180
< 15
< 50
Tanah Lunak
SE
atau, setiap profil dengan tanah lunak yang tebal total > 3m dengan PI>20, wn ≥ 40% dan Su < 25 kPa
Perhitungan parameter-parameter di atas didapat dengan persamaan berikut: n
∑ ti _ i =1 vs = n t ; ∑ i i =1 v si
_ N − SPT =
(5.1)
n
∑ ti
i =1
; ti i =1 ( N − SPT ) i
(5.2)
n
∑
_ Su =
tk t ∑ i i =1 S ui n
(5.3)
dimana, ti = tebal lapisan tanah ke-i, tk = tebal lapisan tanah kohesif pada kedalaman ≤ 30 meter, v si = adalah kecepatan gelombang geser lapisan tanah ke- i,
( N − SPT ) i adalah nilai N-SPT lapisan tanah ke- i, S ui
adalah nilai kuat geser niralir lapisan tanah ke- i.
Khusus dalam studi ini, analisis perambatan gelombang geser dari batuan dasar ke permukaan tanah hanya akan dilaksanakan untuk 3 (tiga) klasifikasi site, yaitu untuk tanah keras (SC, 760 m/s < v s ≤ 1500 m/s), tanah sedang (SD, 360 m/s < v s ≤ 760 m/s), dan tanah lunak (SE, 180 m/s < v s ≤ 360 m/s), dimana klasifikasi site didasarkan pada rata-rata nilai Vs sampai kedalaman 30 meter.
69
5.5
ANALISIS PERAMBATAN GELOMBANG GEMPA DARI BATUAN DASAR KE PERMUKAAN
Perambatan gelombang yang terjadi selama berlangsungnya gempa sangat dipengaruhi oleh kondisi tanah setempat. Perambatan gelombang geser dari batuan dasar ke permukaan dilakukan untuk memperoleh percepatan maksimum, faktor amplifikasi dan respon spektra di permukaan tanah. Analisis ini didasarkan pada anggapan bahwa lapisan tanah terdiri dari beberapa lapis dan respon tanah disebabkan oleh adanya perambatan gelombang geser (S wave) secara vertikal dari batuan dasar ke permukaan. Analisis perambatan gelombang dari batuan dasar ke permukaan dilakukan dengan menggunakan bantuan program NERA (Bardet, 2001). Program NERA adalah program untuk menghitung respon tanah atau lapisan tanah dimana sifat siklik tanah disimulasikan menggunakan model tanah nonlinear seperti skema yang ditunjukkan pada Gambar 5.3. Program ini menghitung respon tanah atau lapisan tanah akibat kejadian gempa. Program ini berdasarkan teori perambatan gelombang 1D.
Gambar 5.3 Analisis Perambatan Gelombang dengan Menggunakan Program Komputer NERA (Bardet,2001) NERA adalah program komputer untuk analisis respon gempa non-linear dari tanah berlapis. Program komputer FORTRAN 90 ini dikembangkan oleh Bardet dan Tobita (2001). NERA menghitung respon sistem tanah-batuan berlapis secara horisontal untuk gelombang yang merambat transient dan vertikal. Program ini berdasarkan pada analisis perambatan gelombang. NERA mengasumsikan bahwa sifat siklik tanah dapat 70
disimulasikan menggunakan model nonlinear. Program ini dapat digunakan untuk analisis respon site-spesifik untuk menentukan percepatan maksimum dan menentukan respon spectra permukaan. Input motion yang dipakai adalah data percepatan sintetik input motion yang telah dikeluarkan khusus untuk karakteristik kegempaan di Yogyakarta karena sesuai dengan yang tertera dalam tujuan studi ini,. Untuk input parameter dinamis tanah yang diperlukan oleh program NERA, dipakai data dari peraturan SNI-1726-2002 untuk tiap site tanah.
Gambar 5.4 Program Komputer NERA 5.6
RESPON SPEKTRA
Respon spektra didefinisikan sebagai respon maksimum dari suatu sistem dengan satu derajat kebebasan (single degree of freedom) terhadap suatu pergerakan (input motion) yang diyatakan sebagai frekuensi natural (atau periode natural) dan rasio redaman. Respon tersebut dapat berupa respon spektra percepatan, kecepatan dan perpindahan. Dalam studi ini hanya ditinjau respon spektra percepatan saja.
71
Respon spektra digunakan untuk mengkarakterisasikan pengaruh getaran gempa terhadap suatu struktur. Dari suatu respon spektra dapat diketahui besarnya gaya-gaya tambahan yang dikenai pada struktur akibat suatu gempa. Dalam prosedur umum, respon spektra di permukaan ditentukan berdasarkan respon spektra di batuan dasar yang telah memperhitungkan aspek probabilistik kejadian gempa akibat sumber-sumber gempa di sekitar lokasi yang ditinjau kemudian dilakukan analisa perambatan gelombang gelombang gempa dari batuan dasar ke permukaan. Dapat dikatakan bahwa respon spektra permukaan dari suatu site dipengaruhi oleh lokasi site relatif terhadap sumber-sumber gempa, seismisitas dari sumber-sumber gempa, mekanisme runtuh dari sumber-sumber gempa, pola perambatan gelombang gempa dari sumber gempa ke lokasi, pengaruh dari lokal site sendiri, dan faktor kepentingan dari suatu struktur yang akan direncanakan. Untuk mendapatkan respon spektra permukaan dapat dilakukan dengan analisa site specific. 5.6.1 Respon Spektra Permukaan
Hasil analisis perambatan gelombang dan respons spektra desain untuk kota Yogyakarta yang memiliki PBA = 0,30g ditunjukkan seperti pada Gambar 5.5 sampai Gambar 5.7 masing-masing untuk tanah lunak (SC), tanah sedang(SD), dan tanah keras(SE). 1.2
Percepatan (g)
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
1
2
3
4
5
Periode (dtk) SCF T=0.2 (Parkfield,1966 CO805) SCF T=1 (Mammoth Lakes, 1980 I-CVK180) Subduksi T=0.2 (Chi-chi 1999, TCU049-W) Subduksi T=1 (Chi-chi 1999, TCU049-W) Desain
SCF T=0.2 (Imperial Valley,1940 I-ELC180) SCF T=1 (Imperial Valley,1940 I-ELC180) Subduksi T=0.2 (Chichi,1999 TCU089-N) Subduksi T=1 (Chi-chi, 1999 TCU089-W)
Gambar 5.5 Respon Spektra untuk Tanah Tipe C
72
6
1.2
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
1
2
3
4
5
6
Periode (dtk) SCF T=0.2 (Parkfield,1966 CO805) SCF T=1 (Mammoth Lakes, 1980 I-CVK180) Subduksi T=0.2 (Chi-chi 1999, TCU049-W) Subduksi T=1 (Chi-chi 1999, TCU049-W) Studi
SCF T=0.2 (Imperial Valley,1940 I-ELC180) SCF T=1 (Imperial Valley,1940 I-ELC180) Subduksi T=0.2 (Chi-chi 1999, TCU049-W) Subduksi T=1 (Chi-chi, 1999 TCU089-W)
Gambar 5.6 Respon Spektra untuk Tanah Tipe D 1 0.9 0.8 Percepatan (g)
Percepatan (g)
1
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
1
2
3
4
5
6
Periode (dtk) SCF T=0.2 (Imperial Valley,1940 I-ELC180)
SCF T=1 (Mammoth Lakes, 1980 I-CVK180)
Subduksi T=0.2 (Chichi,1999 TCU089-N)
Subduksi T=1 (Chi-chi 1999, TCU049-W)
Subduksi T=1 (Chi-chi, 1999 TCU089-W)
Subduksi 1 TCU089-W
Desain
Gambar 5.7 Respon Spektra untuk Tanah Tipe E
73
5.6.2
Perbandingan Respon Spektra Permukaan yang Dihasilkan dengan Beberapa Respon Spektra Desain
Respon spektra hasil perambatan dari batuan dasar ke permukaan akan dibandingkan dengan respon spektra desain berdasarkan peraturan UBC. Perbandingan respon spektra desain ini dapat dilihat pada gambar 5.5-5.7. Respon spektra hasil perambatan gelombang untuk kelas tanah SC pada periode pendek mempunyai percepatan lebih tinggi daripada respon spektra desain berdasarkan UBC. Namun pada periode yang lebih besar dari 0.6 detik respon spektra hasil perambatan gelombang berada pada selubung spektra UBC. Sementara untuk kelas tanah SD dan SE, rekomendasi respon spektra hasil perambatan lebih besar dari respon spektra berdasarkan UBC
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00 0
1
2
3 UBC
4
5
Studi
Gambar 5.8 Perbandingan Respon Spektra untuk Tanah Tipe C
74
6
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00 0
1
2
3 UBC
4
5
6
Studi
Gambar 5.9 Perbandingan Respon Spektra untuk Tanah Tipe D
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0
1
2
3 UBC
4
5
Studi
Gambar 5.10 Perbandingan Respon Spektra untuk Tanah Tipe E
75
6
