Estimasi Nilai PGA, PGV dan PGD Area Jogjakarta Studi Kasus Gempa Jogja 2006 Eddy Hartantyo*), Kirbani Sri Brotopuspito*) *) Laboratorium Geofisika, Fakultas MIPA, UGM Sekip Utara, Bulaksumur Yogyakarta 55281 Email :
[email protected]
Abstract Estimation on peak ground values at Jogjakarta area has been conducted. There are horizontal and vertical components of PGA (Peak Ground Acceleration) and horizontal components of PGV (Peak Ground Velocity) and PGD (Peak Ground Displacement) concluded. The ratio of PGV/PGA has also computed. These estimations uses empirical relations which deduced from large real data. Soils has been classified from their VS30 deduced from USGS database and measurement. Jogja 2006 earthquake parameter was refer to Elnashai et al (2007), i.e. strike slip fault. Distance from this segmented fault has been calculated from several dummy point with excel worksheet. Based on resulted estimation map, the existence of soft layer especially at west part of Opak river increasing all hazard parameters, both PGV, PGA and PGD. Nevertheless, this soft soil giving smaller effect at the vertical component of PGA, compared with no soil (all stiff soil). Keywords: PGA, PGV, PGD, Jogjakarta
Abstrak Estimasi nilai-nilai getaran puncak tanah telah di area Jogjakarta telah dilakukan. Nilai getaran yang dihitung adalah komponen horisontal dan vertikal PGA (Peak Ground Acceleration), komponen horisontal PGV (Peak Ground Velocity) dan komponen horisontal PGD (Peak Ground Displacement). Perhitungan estimasi periode untu nilai puncak juga dihitung menggunakan rasio PGV / PGA. Estimasi menggunakan persamaan-persamaan empirik terbaru yang diturunkan dari banyak data real. Parameter jenis-jenis tanah yang diwakili oleh nilai VS30 disediakan berdasarkan VS30 dari USGS dan VS30 berdasarkan pengukuran MASW. Parameter gempa merujuk kepada Elnashai et al (2007), dan dipilih sesar strike slip fault untuk mekanisme gempa Jogja 2006. Perhitungan jarak titik amat ke fault segmen dan perhitungan estimasinya menggunakan worksheet excel. Berdasarkan peta nilai-nilai estimasi yang dihasilkan, dapat diketahui bahwa; Kehadiran lapisan lunak (soft-layer) terutama pada area sebelah barak sungai Opak, meningkatkan semua parameter kebencanaan yang diperhitungkan baik PGV, PGA maupun PGD. Demikian pula, keberadaan soft-soil memberikan efek terkecil pada nilai komponen vertikal PGA, jika dibandingkan dengan tanpa adanya soft-soil. Katakunci : PGA, PGV, PGD, Jogjakarta
Pendahuluan Aktifnya patahan Opak yang menimbulkan gempa di Jogjakarta pada bulan Mei 2006 yang lalu memberikan dampak cukup besar bagi kondisi sosio-geologi di wilayah Yogyakarta, Klaten dan Boyolali yang mengalami dampak langsung akibat gempa tersebut. Gempa tersebut menimbulkan kerusakan yang tidak merata, di daerah terdampak karena adanya variasi kondisi geologi dangkal (hingga 30m). Variasi geologi dangkal tersebut akan berpengaruh besar terhadap tingkat penguatan getaran tanah (misalkan; PGA, PGV dan PGD), mikrozonasi, pelulukan (liquefaction) dan dominan frekuensi getar horisontalnya (Sitharam et al, 2004). Dalam penelitian ini akan dikaji besarnya parameter getaran puncak yang dikenal dengan nilai PGA (baik komponen horisontal maupun vertikal), PGV maupun PGD. Nilai-nilai tersebut sangat penting diketahui untuk mengestimasi/memprediksi seberapa kuat getaran tanah akan dirasakan ketika terjadi gempa bumi
Berkaitan dengan gempa Jogja, Elnashai et al (2007) mengestimasi besarnya nilai PGA untuk gempa jogja 2006 menggunakan persamaan yang disajikan oleh Campbell (2003). Persamaan ini sudah memasukkan nilai VS30 sebagai nilai yang mempengaruhi nilai hubungan atenuasi (attenuation relationship) suatu area terhadap nilai PGA. Namun, nilai-nilai VS30 yang dipergunakan relatif sama, yaitu nilai dasar untuk asumsi seluruh lapisan lapuk di area Jogjakarta. Burton et al (2010) juga telah mengestimasi nilai PGA untuk area Jogjakarta untuk 475 periode ulang (return period). Nilai PGA ini mengadopsi penguatan dan pelemahan akselerasi dengan membaginya berdasar formasi batuan di Jogjakarta. Setiap formasi batuan memberikan konstanta penguatan dan pelemahan yang nilainya ditentukan berdasarkan jenis batuan yang menyusunnya. Terlihat bahwa area Yogya dan Bantul yang didominasi oleh endapan vulkanik memiliki nilai PGA yang paling tinggi. Hal ini disebebkan karena pada Formasi ini diberikan bobot nilai amplifikasi yang paling besar dibandingkan dengan Formasi-formasi lainnya. Babarapa persamaan-persamaan empirik untuk menentukan nilai puncak getaran tanah. Persamaan empirik diperkirakan dengan mencari hubungan parameter terukur secara langsung dari berbagai area dimana terdapat jaringan yang terekam terus menerus, dan dihubungkan dengan faktor jarak. Parameter-parameter lain yang dipergunakan untuk memperkirakan nilai puncak getaran oleh peneliti berbeda-beda. Parameter-parameter tersebut adalah; • Nilai kekuatan (magnitudo) gempa yang dapat dinyatakan dengan Mw atau Ms. Nilai magnitudo ini berhubungan langsung dengan getaran. Semakin besar magnitudonya, makan akan semakin besar goncangan yang diperoleh pada lokasi yang sama. • Jarak terhadap pusak gempa. Jarak merupakan parameter dominan yang menentukan besarnya nilai puncak goncangan. Semakin jauh posisi titik amat dengan lintasan/garis sesar maka akan memberikan getaran yang lebih lemah. • Mekanisme patahan yang terjadi, apakah patahan normal/naik ataupun patahan geser. Jenis patahan akan mempengaruhi besarnya getaran dalam komponen-komponen horisontal maupun vertikalnya. • Parameter lokal titik amat, yang dapat dirangkum dalam jenis tanah (soft, stiff, bed dan sebagainya). Jenis tanah ini (juga dapat dinyatakan berdasarkan nilai VS30 lokasi setempat) sangat mempengaruhi kekuatan gempa di lokasi amat tersebut. Pada tulisan ini, estimasi nilai PGA komponen horisontal menggunakan persamaan Ambraseys (2005a). Estimasi ini dirumuskan sebagai; log
,
= 2.522 − 0.142 ∙ + −3.1184 + 0.314 ∙ + 0.062 ∙ %' − 0.044 ∙ %
∙ log
+ 7.6 + 0.137 ∙ !" + 0.05 ∙ #$ − 0.084 ∙ %& (1)
dengan; ap,h : nilai peak horisontal acceleration dari suatu titik yang berjarak d dari segmen garis patahan. Nilai Mw adalah momen magnitude, SS adalah nilai faktor keberadaan soft soil, SA adalah nilai faktor stiff soil, dan FN serta FT adalah nilai faktor bentuk patahan yang menimbulkan gempa. Persamaan (1) ini dipilih sebagai rumus untuk estimasi PGA karena persamaan ini berlaku relatif global dan diturunkan berdasarkan kompilasi data yang diambil dari beberapa daerah yang terdapat jejaring seismometer detil. Persamaan (1) tersebut juga sudah memasukkan variasi kelas tanah yang diwakili oleh besarnya nilai VS30 di lokasi tersebut. Parameter patahan/fault juga telah dimasukkan dalam perhitungan (Ambraseys, 2005a). Nilai PGA komponen vertikal diambil dari tulisan Ambraseys (2005b) yang diberikan sebagai; log
,(
= 0.835 − 0.083 ∙ + −2.489 + 0.206 ∙ + 0.005 ∙ %' − 0.082 ∙ %
∙ log
+ 5.6 + 0.078 ∙ !" + 0.046 ∙ #$ − 0.126 ∙ %& (2)
dengan; ap,h : nilai peak horisontal acceleration dari suatu titik yang berjarak d dari segmen garis patahan. Nilai Mw adalah momen magnitude, SS adalah nilai faktor keberadaan soft soil, SA adalah nilai faktor stiff soil, dan FN serta FT adalah nilai faktor bentuk patahan yang menimbulkan gempa. Sedangkan Akkar dan Bommer (2007) memberikan nilai estimasi nilai PGV untuk komponen horisontal. Persamaan tersebut diberikan sebagai; log
*
,
= −1.26 − 1.103 ∙ − 0.085 ∙ − 0.083 ∙ %& + 0.0116 ∙ %+
+ −3.103 + 0.327 ∙
log
+ 5.5 + 0.226 ∙ !" + 0.079 ∙ #$ (3)
dengan; ap,h : nilai peak horisontal acceleration dari suatu titik yang berjarak d dari segmen garis patahan. Nilai Mw adalah momen magnitude, SS adalah nilai faktor keberadaan soft soil, SA adalah nilai faktor stiff soil, dan FN serta FR adalah nilai faktor bentuk patahan yang menimbulkan gempa. Bommer dan Elnashai (1999) memberikan estimasi nilai PGD untuk komponen horisontal. Nilai estimasi tersebut dituliskan sebagai; log
,
= −1.757 + 0.526 ∙
,
− 1.135 ∙ log
+ 3.5 + 0.217 ∙ !" + 0.114 ∙ #$ + 0.32 ∙ (4)
dengan; ap,h : nilai peak horisontal acceleration dari suatu titik yang berjarak d dari segmen garis patahan. Nilai MS adalah surface magnitude, SS adalah nilai faktor keberadaan soft soil, SA adalah nilai faktor stiff soil, dan P adalah nilai variabilitas yang bernilai 0 dan 1 berdasarkan nilai exceedance yang diinginkan. Penentuan nilai Ms ditentukan berdasarkan nilai Mw menggunakan persamaan untuk menghitung momen magnitudo Mo (Hans & Kanamori, 1979) yaitu; = ./∙ ∙ log
− 6.1
(5)
Persamaan (5) dikombinasikan dengan persamaan dari Chen & Chen (1989) yang berbentuk; log log log
= " + 12.2 123 , ≤ 6.4 = 1.5 ∙ " + 9.0 123 6.4 < , ≤ 7.8 = 3.0 ∙ " − 2.7 123 7.8 < , ≤ 8.5 (6)
dapat digunakan untuk menentukan nilai Ms yang digunakan dalam persamaan (4).
Metode Penelitian Parameter gempa yang digunakan mengacu hasil dari Elnashai et al (2007) dan laporan USGS, yang dapat dirangkum sebagai berikut; • Magnitudo : 6.3W USGS • Fault : Strike-slip fault • Hipocenter Depth : 10km • Fault segmen : (110O40’ BT; -8O00’LS) – (110O55’BT; -7O55’LS) Dalam klasifikasi tanah yang digunakan, penulis menggunakan kriteria VS30 sesuai dengan persamaan empirik yang dirujuk. Dalam penelitian ini digunakan dua sumber perhitungan VS30, yaitu VS30 versi USGS dan VS30 hasil pengukuran sebelumnya (Hartantyo, 2010). VS30 versi USGS disusun berdasarkan persamaan kelas empirik nilai VS30 berdasarkan kemiringan topografi. Semakin miring topografinya, maka diasumsikan semakin keras batuannya, sehingga semakin besar nilai VS30nya. Persamaan empirik dibagi dalam dua frame, yaitu frame “stable continent” dan “vulcanic area” (Wald dan Allen, 2007). VS30 yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah menggunakan frame “vulcanic area” akibat keberadaan gunungapi aktif Merapi di sebelah Utara daerah penelitian. Ketelitian posisi topografi menggunakan Gtopo30 beresolusi 30m.
Gambar 1. Peta VS30 yang dideduksi dari proxy topografi (Wald dan Allen, 2007) dari USGS. Nilai-nilai komponen Horisontal-PGA dihitung menggunakan pers (1) untuk berbagai kondisi berikut, yaitu; VS30 USGS (gambar 1), All (semua dianggap sebagai) softsoil, dan All (semua dianggap sebagai) stiffsoil/bed. Nilai-nilai komponen Vertikal-PGA juga dihitung dengan memakai berbagai jenis soil, menggunakan persamaan (2). Nilai-nilai PGV dan PGD menggunakan persamaan (3) dan (4) berturut turut juga untuk berbagai kondisi soil.
Hasil dan Pembahasan Nilai komponen horisontal PGA dapat dilihat pada Gambar 2, dimana terlihat bahwa efek stiff soil pada tebing sebelah kanan sungai Opak menjadi pelemah nilai PGA, karena memiliki nilai VS30 yang tinggi (relatif kokoh). Namun pada area Wonosari dan sebelah barat Sungai Opak memiliki HPGA yang cukup tinggi. Nampak bahwa pengaruh parameter jenis tanah sangat berpengaruh terhadap besarnya nilai H-PGA. Kecepatan VS30 yang rendah di area Prambanan dan Klaten utara, juga menguatkan nilai HPGA. Kondisi ini bersesuaian dengan lokasi-lokasi dengan tingkat kerusakan rumah yang tinggi. Dimana lokasi kerusakan rumah per kilometer persegi cukup tinggi di area Prambanan dan sebelah barat Sungai Opak. Besarnya nilai horisontal PGA di area Jogjakarta akibat gempa bumi 2006 berkisar dari nilai 2 m/s2, terletak pada area dengan nilai VS30 yang rendah dan relatif dekat dengan segmen faultnya. Sedangkan nilai terendah berkisar 0.3 m/s2, berada pada sebagian besar Kulon Progo, Sleman Utara dan Barat, Bantul Barat, serta Gunung Kidul sebelah timur.
-7.6
-7.7
-7.8
2
-7.9
1.6 -8
1.2 0.8
-8.1
0.4 -8.2
0 110.1
110.2
110.3
110.4
110.5
110.6
110.7
110.8
Gambar 2. Kontur Nilai Komponen Horisontal-PGA (m/s2) menggunakan nilai VS30-USGS.
-7.6
-7.7
-7.8
1.1 -7.9
0.9 -8
0.7 0.5
-8.1
0.3 -8.2 110.1
110.2
110.3
110.4
110.5
110.6
110.7
110.8
0.1
Gambar 3. Kontur Nilai Komponen Vertikal-PGA (m/s2) menggunakan nilai VS30-USGS Nilai-nilai komponen vertikal PGA dengan menggunakan VS30 dari USGS dapat dilihat pada gambar 3. Pada gambar terlihat bahwa untuk sesar geser, tidak terlihat kenampakan/efek perubahan nilai VS30 terhadap data komponen vertikal PGA. Nilai komponen vertikal PGA tertinggi, yang diperoleh pada asumsi semua area Jogjakarta adalah soft soil yaitu sebesar 1.1 m/s2 terdapat pada area dimana segmen fault berada. Nilai ini berharga separuh dari nilai komponen horisontalnya, untuk kasus strike slip fault. Sedangkan nilai komponen vertikal PGA terendah di area Jogjakarta hingga 0.1 m/s2 yang terasa pada area Kulon Progo dan Sleman bagian Barat, dan ujung timur Gunung Kidul berbatasan dengan Wonogiri bagian selatan. Hampir sama dengan komponen horisontal PGA, komponen horisontal PGV juga nilainya sangat dipengaruhi oleh parameter VS30 (lihat Gambar 4). Pada gambar ini nampak mirip dengan horisontal PGA, dimana terjadi penguatan kecepatan getaran pada area sebelah barat Sungai Opak dan sebelah barat Wonosari.
-7.6
-7.7
-7.8
22 -7.9
18 -8
14 10
-8.1
6 -8.2 110.1
110.2
110.3
110.4
110.5
110.6
110.7
110.8
2
Gambar 4. Kontur Nilai Komponen Horisontal-PGV (cm/s) menggunakan nilai VS30-USGS Nilai kecepatan maksimum yang diterima medium adalah 22 cm/s, yang terpusat pada area sebelah barat Wonosari hingga area Panggang. Nilai kecepatan terkecil didapatkan berkisar 2 cm/s di area sebelah barat Kulonprogo dan ujung Tenggara Gunung Kidul.
-7.6
-7.7
-7.8
4.5 4
-7.9
3.5 3
-8
2.5 2
-8.1
1.5 1
-8.2
0.5 110.1
110.2
110.3
110.4
110.5
110.6
110.7
110.8
Gambar 5. Kontur Nilai Komponen Horisontal-PGD (cm) menggunakan nilai VS30-USGS Nilai horisontal PGD yang didapatkan (lihat Gambar 5) juga relatif mengikuti bentuk yang sama dengan horisontal PGA, yang nilainya sangat dipengaruhi oleh parameter jenis tanah untuk strike slip fault. Nilai maksimum pergeseran didapatkan sebesar 4.5 cm, dan minimum sebesar 0.5 cm. Analisis terhadap perbandingan PGV dengan PGA pada komponen horisontal sering dipergunakan sebagai salah satu cara menentukan periode getaran maksimum sebuah area. Pada area Jogjakarta, peta perioda getaran maksimum dapat dilihat pada Gambar 6. Terlihat bahwa area dengan nilai VS30 yang besar memiliki nilai perioda getaran maksimum yang relatif lebih besar.
-7.6
-7.7
-7.8
12 11.5 -7.9
11 10.5
-8
10 9.5
-8.1
9 8.5
-8.2 110.1
110.2
110.3
110.4
110.5
110.6
110.7
110.8
8
Gambar 6. Kontur Nilai Rasio Komponen Horisontal-PGV/PGA (sec) menggunakan nilai VS30-USGS Hal ini menunjukkan bahwa tingkat kebencanaan area dengan nilai VS30 rendah di area yang relatif dekat dengan episenter gempa bumi relatif lebih tinggi. Dengan durasi getaran yang lebih besar periodanya memungkinkan perkuatan energi gempa yang dirasakan. Dengan menggunakan pendekatan ini, diperoleh bahwa periode rendah (0.08 detik) didapatkan pada area dengan VS30 tinggi (misalnya di sebelah timur Imogiri, panggang, area puncak merapi, sebagain besar sisi selatan pegunungan selatan, seputar sisi barat Wonogiri, dan beberapa bukit gamping di daerah Kasihan. Sedangkan periode yang lebih tinggi (mencapai 0.1-0.12 detik) diperoleh pada area endapan vulkanik Jogjakarta, Bantul utara, Prambanan dan area yang berjarak lebih dari 60km dari segmen fault.
Kesimpulan 1. Kehadiran lapisan lunak (soft-layer) terutama pada area sebelah barak sungai Opak, meningkatkan semua parameter kebencanaan yang diperhitungkan baik PGV, PGA maupun PGD. 2. Keberadaan Soft-soil memberikan efek terkecil pada nilai komponen vertikal PGA, jika dibandingkan dengan tanpa adanya soft-soil.
Ucapan Terimakasih Terimakasih kepada Lab Geofisika atas suppor peralatan dan komputasi, dan FMIPA atas bantuan pendanaan Hibah Penelitian 2011.
Referensi Akkar, S., dan Bommer, JJ., 2007. Empirical prediction for peak ground velocity from strongmotion records from Europe and the Middle East. Bulletin of Seismological Society of America. Ambraseys, NN., 2005. Archaeseismology and Neocatatrophism, Seismlological Research Letter, 76, p560-564. Bommer, JJ., dan Elnashai, AS., 1999. Displacement spectra for seismic design. Journal of earthquake Engineering 3:p1-32. Hartantyo, E., 2010. Pengukuran Kecepatan Gelombang Shear (Vs) Di Daerah Jogjakarta, Seminar Dies MIPA 2010, FMIPA UGM. Sitharam, T.G., GovindaRaju, L., and Sridharan, A., 2004. Dynamic properties and liquefaction potential of soils, CURRENT SCIENCE, Vol. 87, No. 10, 25 November 2004 Srbulov, M., 2008, Geotechnical Earthquake Engineering, Simplified analysis with case studies and examples, Springer Science and Media. Wald, D.J. and Allen, T.I, 2007. Topographic Slope as a Proxy for Seismic Site Conditions and Amplification, Bulletin of the Seismological Society of America, 2007 Elnashai, Amr S.; Kim, Sung Jig; Yun, Gun Jin; Sidarta, Djoni, 2007, The Yogyakarta Earthquake of May 27, 2007. MAE Center CD Release 07-02, Illinois University.
