## Aplikasi Metode HVSR pada Perhitungan Faktor Amplifikasi Tanah di Kota Semarang

## Windu Partono
Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Jl.Prof. Soedarto, SH, Tembalang, Semarang 50275 E-mail: windu_bapake_dila@yahoo.com

## Masyhur Irsyam
Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Institut Teknologi Bandung E-mail: masyur.irsyam@yahoo.co.id / mahsyur@pri.itb.ac.id
Sri Prabandiyani R.W.
Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Jl.Prof. Soedarto, SH, Tembalang, Semarang 50275 E-mail: sprw@live.undip.ac.id / wardani@live.undip.ac.id

## Syamsul Maarif
Badan Nasional Penanggulangan Bencana

## Abstract
The Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio (HVSR) is a simple method for estimating the resonance frequency of sedimentary layers. This method can also be used for estimating the site amplification factor. By using the resonance frequency and the amplification factor HVSR method can also be used for predicting the depth of the  bed  rock  or  the  thickness  of  sediment  layer  (Nakamura,  1989).  This  paper  presents  results  of  HVSR method applied to ambient vibrations for estimating the amplification factor of sedimentary layer. A total of 16  ambient  vibration  measurements  were  performed  in  the  City  of  Semarang  to  predict  the  amplification factor for the shallow sedimentary layers.
Keywords : HVSR, Amplification factor, Resonance frequency, Ambient vibration.

## Abstrak
Horizontal to Vertical Spectral Ratio (HVSR) adalah satu metode yang sangat mudah untuk memperkirakan frekwensi alami dari lapisan sedimen. Metode ini juga dapat digunakan untuk menentukan faktor amplifikasi dari lapisan sedimen. Dengan menggunakan nilai frekwensi alami dan faktor amplifikasi, metode HVSR juga dapat digunakan untuk memperkirakan elevasi batuan dasar atau ketebalan dari lapisan sedimen (Nakmura, 1989). Tulisan ini menjelaskan hasil analisa HVSR terhadap gelombang ambien (ambient vibtrations) untuk menentukan faktor amplifikasi dari lapisan sedimen. Sebanyak 16 titik pengamatan gelombang ambient telah dilakukan di Kota semarang untuk memperkirakan nilai faktor amplifikasi lapisan sedimen.
Kata-kata kunci : HVSR, Faktor amplifikasi, Frekuensi resonansi, Gelombang ambien.

## Pendahuluan
Beban gempa yang bekerja pada struktur bangunan dapat  ditentukan  dengan  melakukan  perhitungan ground  motion (gerakan  tanah)  di  permukaan. Parameter pergerakan tanah yang diperlukan untuk perencanaan  infrastruktur  tahan  gempa  adalah percepatan  tanah  maksimum  ( Peak  Ground
Acceleration /PGA), respon spektra gempa ( seismic respone  spectra )  dan  riwayat  waktu  percepatan gempa  ( Acceleration  Time  History /TH).  Besarnya PGA,  Respon  Spektra  dan  TH  dapat  ditentukan dengan  melakukan  analisa  perambatan  gelombang gempa  dari  batuan  dasar  ke  permukaan  tanah. Pergerakan gelombang gempa dari batuan dasar ke permukaan dipengaruhi oleh  kondisi lapisan tanah
dimana  gelombang  gempa  merambat  (Irsyam, 2010 dan Towhata, 2008).
Salah  satu  cara  yang  sering  dilakukan  untuk mencari  percepatan  gerakan  tanah  di  permukaan adalah  dengan  menggunakan  faktor  amplifikasi. Faktor  amplifikasi  memberikan  gambaran  tentang perubahan (pembesaran) percepatan gerakan tanah dari  batuan  dasar  ke  permukaan.  Pembesaran percepatan  tanah  dari  batuan  dasar  ke  permukaan disebabkan  karena  perbedaan  kecepatan  gerakan gelombang  geser  (Vs)  di  batuan  dasar  dan  pada lapisan tanah (sedimen). Nilai Vs dari batuan dasar ke permukaan akan makin mengecil. Nilai Vs yang makin  mengecil  menyebabkan  makin  kecilnya nilai  modulus  geser  (Gs)  dan  faktor  redaman  (  ), sehingga  percepatan  tanah  akan  makin  membesar. Semakin  besar  nilai  faktor  amplifikasi  maka semakin  besar  pula  percepatan  gerakan  tanah  di permukaan.
Cara  terbaik  untuk  mencari  faktor  amplifikasi adalah  dengan  melakukan  pengamatan  secara lansung  pengaruh  dari  geologi  setempat  pada  saat mengalami peristiwa gempa. Pengamatan dilakukan  dengan  mengamati  gelombang  gempa yang di tangkap di batuan dasar dan di permukaan tanah.  Dengan  data  pencatatan  gelombang  gempa di  batuan  dasar  dan  di  permukaan,  maka  dapat diprediksi  besarnya  faktor  amplifikasi  lapisan sedimen  pada  satu  titik  pengamatan.  Alat  yang sering  digunakan  untuk  merekam  gelombang gempa  adalah seismometer .  Untuk  menjamin ketelitian  perekaman  gelombang  gempa  maka penempatan seismometer pada umumnya dilakukan  pada  titik-titik  yang  berdekatan  dengan sumber gempa.
Cara  pendekatan  lain  yang  juga  dapat  dilakukan untuk  memprediksi  faktor  amplifikasi  adalah dengan melakukan penelitian microtremor (Nakamura, 1989). Penelitian microtremor dilakukan  dengan memanfaatkan gelombang ambien  ( ambient  vibrations )  yang  muncul  di sekitar  lokasi seismometer .  Pendekatan  analisa untuk  memprediksi  nilai  faktor  amplifikasi  yang diperkenalkan  oleh  Nakamura  sangat  mudah karena  mengabaikan  kondisi  geologi  pada  lokasi pengamatan.  Untuk  mendapatkan  nilai  faktor amplifikasi  Nakamura memperkenalkan  satu metode analisis yang dikenal dengan Horizontal to Vertical Spectral Ratio (HVSR).
HVSR  merupakan  satu  metode  analisa  yang diperkenalkan oleh Nakamura berdasarkan pengalaman beliau melakukan pengamatan perambatan  gelombang  geser  akibat  peristiwa gempa.  Nakamura  dan  Saito  (1983)  melakukan pengamatan  perambatan  gelombang  gempa  untuk
berbagai  kondisi  geologi.  Pada  saat  yang bersamaan  Nakamura  dan  Saito  (1983)  juga melakukan pengamatan terhadap ambient
vibrations atau ambient noise di permukaan. Hasil pengamatan Nakamura dan Saito (1983)
menunjukkan  bahwa  gerakan  tanah  di  permukaan akibat  peristiwa  gempa  dan  akibat ambient vibrations disebabkan  oleh  gelombang rayleigh . Hasil  penelitian  yang  telah  dilakukan  oleh Nakamura  dan  Saito  (1983)  menunjukkan  adanya kesesuaian  antara  nilai  faktor  amplifikasi  tanah yang  dihasilkan  dengan  menggunakan  data pengamatan  gelombang  ambien  dan  gelombang gempa.  Gambar  1  menunjukkan  perbandingan faktor  amplifikasi  berdasarkan  data-data  gempa dan ambient  vibrations yang  dilakukan  oleh Nakamura dan Saito (1983).
Nakamura  (1989)  menyampaikan  bahwa  metode HVSR yang diaplikasikan pada ambient vibrations dapat  digunakan  untuk  memperkirakan  frekwensi alami  dan  faktor  amplifikasi  dari  lapisan  sedimen. Penelitian ambient vibrations dengan menggunakan  metode  HVSR  juga  telah  dilakukan oleh  banyak  peneliti  seperti  Kassaras  dkk.  (2008), Pando  et.al.  (2008),  SESAME  (2004)  dan Rodrigues et.al (2000).
Gambar 1. Perbandingan nilai faktor amplifikasi hasil analisa HVSR dan pengamatan data gempa (Nakamura dan Saito, 1983)

## Metode Penelitian
Konsep  dasar  metode  HVSR  adalah  adanya kesamaan  antara  rasio  spektra  horizontal  ke vertikal  dengan  transfer  gelombang  dari  batuan
dasar ke permukaan (Nakamura, 1989). Nakamura menyampaikan  bahwa  periode  dominan  dan  nilai puncak  dari  spektra  rasio  (H/V)  mempunyai kesamaan  dengan  periode  natural  dan  faktor amplifikasi dari lapisan tanah, nilai H/V diperoleh dari  perbandingan  antara  spektrum  amplitudo fourier komponen  gelombang  horizontal  terhadap gelombang vertikal.
Pengukuran  periode  dominan  tanah  dilakukan dengan  menggunakan ambient  vibrations dengan meminimalkan  atau  mengurangi  getaran tremor yang diakibatkan oleh gerakan manusia dan mesin atau sumber tremor yang lain. Dengan mengurangi getaran  akibat  gerakan  manusia  dan  mesin  maka getaran  yang  dicatat  oleh seismometer hanya berasal  dari  gerakan  tanah.  Karena  gerakan manusia atau  mesin sering terjadi pada siang  hari, maka  proses  pencarian  data  gerakan  tanah  akan lebih  baik  jika  dilakukan  pada  malam  hari  atau pada  tempat-tempat  yang  jauh  dari  aktifitas manusia sehari-hari.
Gelombang  yang  digunakan  pada  penelitian  ini adalah microtremor yaitu ambient  vibrations dengan  amplitudo  rendah.  Gelombang  ini  bisa ditimbulkan  dari  gerakan  tanah,  gerakan  angin, gelombang  laut  atau  getaran  dari  kendaraan. Observasi  mikrotremor  mudah    untuk  dilakukan dan  dapat    diaplikasikan    pada  daerah-daerah dengan  tingkat  seismisitas  tinggi  sampai  rendah. Nakamura  (2008)  menyampaikan  bahwa  nilai faktor  amplifikasi  suatu  tempat  dapat  diketahui dari  tinggi  puncak  spektrum  kurva  HVSR  hasil pengukuran  mikrotremor  di  tempat  tersebut.  Nilai periode  dominan  atau  frekwensi  dominan  yang diperoleh  dari  kurva  HVSR  mempunyai  korelasi dengan tingkat ketebalan dari lapisan sedimen.
Penelitian  faktor  amplifikasi  tanah  di  Kota Semarang  dilakukan  pada  16  titik  pengamatan yang  terbagi  menjadi  dua  baris  pengamatan. Masing-masing baris terdiri dari 8 titik pengamatan.  Pengujian  lapangan  menggunakan alat Feedback Short Period Seismometer. Gambar 2 menunjukkan peralatan yang digunakan pada  penelitian  gelombang  ambien  di  Kota Semarang.
Pengamatan gelombang ambien  dilakukan selama 30  menit  dengan  frekwensi  100  Hz.  Dengan menggunakan  frekwensi  100  Hz,  maka  setiap menit  akan  dihasilkan  6000  data.  Sumber  getaran diambil  dari  getaran  ambien  yang  diperoleh  di sekitar lokasi pengamatan. Peralatan yang digunakan  adalah  GPS, data  logger,  seismometer dan  komputer  laptop.  Gambar  3  menunjukkan  16 titik  pengamatan  yang  dibagi  menjadi  2  baris pengamatan.
a. Seismometer
b. Data logger
c. GPS
d. Komputer
Gambar 2. Peralatan pengujian gelombang ambien.
Gambar 3. Lokasi titik pengamatan
Pada  penelitian  ini,  getaran  ambien  diperoleh  dari getaran  yang  timbul  disekitar  titik seismometer . Getaran ambien yang ditangkap pada seismometer ditangkap  dari  getaran  yang  ditimbulkan  dari gerakan  kendaraan,  gerakan  tumbuhan  akibat tiupan  angin  atau  dengan  menggunakan  getaran yang  ditimbulkan  dari  tumbukan  hamer  di  atas permukaan  tanah.  Getaran  yang  ditangkap  oleh seismometer kemudian  dicatat  oleh data  logger dan ditampilkan ke layar monitor.
Gambar 4 memberikan contoh tiga komponen data gelombang ambien yang di peroleh dari lokasi titik M12.  Dengan  menggunakan  data  gelombang ambien  pada  satu  titik,  maka  dapat  dibuat  grafik hubungan antara H/V dengan frekwensi gelombang.  Gambar  5  menunjukkan  grafik hubungan  antara  H/V  dan  frekwensi  gelombang. Grafik yang terlihat pada Gambar 5 diperoleh dari hasil  analisa  gelombang  ambien  pada  titik  M12 dengan menggunakan software Geopsy .

## Pengolahan Data Pengamatan
Berdasarkan  hasil  pengamatan  gelombang  ambien pada  16  titik  dengan  menggunakan seismometer akan diperoleh tiga komponen gelombang arah NS (utara-selatan),  EW  (timur-barat)  dan  V  (vertical). Ketiga komponen data gelombang ambien tersebut kemudian  diolah  dengan  menggunakan  metode HVSR dan fasilitas software Geopsy. Hasil analisa dengan    metode  HVSR  akan  menghasilkan  grafik hubungan  antara  H/V  dan  frekuensi.  Faktor amplifikasi  tanah  diperoleh  dari  nilai H/V  max pada frequency  dominant (Fo).  Pada  Gambar  5 dapat dilihat nilai faktor amplifikasi pada titik M12 adalah  3.66  dengan  frekwensi  dominan  Fo  =  0.68 Hz.  Gambar  6  menunjukkan  hasil  analisa  HVSR pada 8 lokasi pengamatan di jalur 1 yaitu pada titik M12  sampai  M82.  Gambar  7  menunjukkan  hasil analisa HVSR pada titik M16 sampai M86.
Gambar 4. Contoh gelombang ambien tiga komponen pada lokasi titik M12
Gambar 5. Grafik hubungan H/V dan frekwensi pada M12
Berdasarkan  hasil  analisa  gelombang  ambien dengan  menggunakan  metode  HVSR  pada  16 lokasi pengamatan diperoleh nilai faktor amplifikasi  minimum  1.07  dan  faktor  amplifikasi maksimum  6.7.  Tabel  1  menunjukkan  hasil perhitungan  faktor  amplifikasi  pada  16  lokasi pengamatan  dengan  menggunakan  metode  HVSR. Nilai  faktor  amplifikasi  yang  diperoleh  pada  titik- titik M12, M22, M16 dan M26 secara umum jauh lebih  besar  dibandingkan  hasil  pengamatan  pada 12  titik  yang  lain.  Pada  satu  baris  pengamatan terlihat  posisi  titik-titik  yang  terletak  di  bagian utara  mempunyai  faktor  amplifikasi  yang  jauh lebih besar dibandingkan titik-titik yang terletak di bagian  tengah  atau  di  bagian  selatan.  Hasil perhitungan  faktor  amplifikasi  pada  titik  M82 sedikit  menyimpang  terhadap  pola  perubahan faktor amplifikasi pada satu jalur  yang  sama. Dari hasil  analisa  terhadap  16  titik  pengamatan  terlihat nilai  faktor  amplifikasi  rata-rata  pada  titik-titik yang  terletak  dibagian  utara  Kota  Semarang  jauh lebih  besar  daripada  titik-titik  pengamatan  yang terletak di bagian selatan Kota Semarang.

## Tabel 1. Faktor amplifikasi pada 16 lokasi
pengamatan. Stasiun Frekwensi Dominant - Fo (Hz) Faktor Amplifikasi Ao M12 0,68 3,66 M22 2,40 4,48 M32 2,83 3,36 M42 2,84 2,75 M52 5,02 2,00 M62 3,37 2,04 M72 9,98 1,22 M82 1,53 5,49 M16 0,71 6,70 M26 1,48 5,74 M36 4,82 3,16 M46 6,60 1,82 M56 4,66 2,92 M66 4,33 1,99 M76 5,73 1,07 M86 9,38 1,37

## Hubungan  Faktor  Amplifikasi  dan Kelas Situs Tanah
Menurut  SNI  03-1726-2002  kondisi  tanah  dibagi menjadi  4  yaitu  tanah  keras,  tanah  sedang,  tanah lunak  dan  tanah  khusus.  Tiga  parameter  yang digunakan  untuk  membedakan  jenis  tanah  adalah
nilai  N  rata-rata  ( N ) ,  kecepatan  rambat gelombang geser rata-rata ( ̅̅̅ ) dan  kuat geser nir alir  rata-rata  ( ̅̅̅̅ ).  Nilai ̅ , ̅̅̅ dan ̅̅̅̅ ditentukan dengan  mengambil  data  pengamatan  sampai kedalaman  30  meter.  Hanya  tanah  khusus  yang tidak  menggunakan  ketiga  parameter  tersebut  di atas untuk menentukan kelas tanahnya.
Cara  pendekatan  yang  dilakukan  pada  SNI  03- 1726-2002  juga  digunakan  pada  SNI  1726-201X. Menurut  SNI  1726-201X  jenis  tanah  (kelas  situs) dibagi menjadi 6 yaitu kelas A (SA), kelas B (SB), kelas C (SC), kelas D (SD), kelas E (SE) dan kelas F  (SF).  Menurut  SNI  03-1726-201X,  SA  dan  SB masuk  kategori  batuan  dan  SB  juga  dikenal sebagai batuan dasar. Untuk membedakan masing- masing  kelas  situs,  SNI  03-1726-201X  juga menggunakan  tiga  parameter  yang  sama  seperti SNI  03-1726-2002.  Dari  keenam  kelas  situs  yang digunakan pada SNI 03-1726-201X, kelas situs SA dan  SB  hanya  menggunakan  parameter  kecepatan rambat gelombang geser rata-rata ( ̅̅̅ ). Kelas situs SF  juga  dikenal  sebagai  kelas  tanah  khusus  yang cara penentuannya menggunakan pendekatan yang berbeda dari kelas situs yang lain.
Untuk  menentukan  kelas  situs  tanah  pada  satu lokasi pengamatan, parameter yang sering digunakan  adalah  nilai ̅ .  Penggunaan  nilai ̅ sering  dilakukan  karena  penentuan  harga ̅ menggunakan nilai N-SPT. Pengamatan dengan N- SPT  sering  dilakukan  pada  pekerjaan  pengeboran lapisan  tanah.  Perhitungan  nilai ̅ ditentukan dengan rumus (1):
     n 1 i i i n 1 i i N t t N
......................................................   (1)
dimana:
t i =  tebal lapisan ke i N i =  nilai N-SPT pada lapisan ke i
Berdasarkan  hasil  pengamatan  terhadap  data-data sekunder dari pekerjaan pengeboran yang dilakukan  pada  128  lokasi  pengamatan  di  Kota Semarang,  maka  perkiraan  peta  situs  tanah  atau kelas  tanah  untuk  Kota  Semarang  dapat  dilihat pada  Gambar  8.  Dengan  menggunakan  peta  situs tanah  sebagaimana  terlihat  pada  Gambar  8, kemudian  dilakukan  penempatan  ke  16  lokasi pengamatan. Hasil penempatan 16 lokasi pengamatan  ke  peta  situs  tanah  dapat  dilihat  pada Gambar 8.
Gambar 8. Peta kelas situs tanah berdasarkan data N-SPT dan lokasi pengamatan.
Pada  Gambar  8  terlihat  bahwa  titik  M12,  M22, M16  dan  M26  diperkirakan  terletak  pada  kelas situs  SE  (tanah  lunak).  Titik  M32,  M42,  M52, M62,  M72,  M82,  M36,  M46,  M56  diperkirakan terletak  pada  kelas  situs  SD  (tanah  sedang).  Tiga titik  terakhir  M66,  M76  dan  M86  diperkirakan terletak  pada  kelas  situs  SC  (tanah  keras). Berdasarkan  hasil  analisa  terhadap  16  lokasi pengamatan  diperoleh  hubungan  antara  faktor amplifikasi  terhadap  kelas  situs  tanah  di  Kota Semarang sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Hubungan faktor amplifikasi  dan kelas situs tanah di Kota Semarang
Kelas Situs Faktor Amplifikasi Tanah Keras (SC) 1.48 Tanah Sedang (SD) 2.75 Tanah Lunak (SE) 5.15
Pada  Tabel  2  terlihat  nilai  faktor  amplifikasi  rata- rata  yang  diperoleh  dari  4  titik  pengamatan  M12, M22,  M16  dan  M26  adalah  5.15.  Dari  hasil perhitungan  rata-rata  faktor  amplifikasi  pada keempat  titik  tersebut,  maka  perkiraan  faktor amplifikasi  pada  kelas  situs  SE  di  Kota  Semarang adalah 5.15. Nilai rata-rata faktor amplifikasi yang diperoleh  pada  titik-titik  M32,  M42,  M52,  M62, M72, M82, M36, M46 dan M56 adalah 2.75. Hasil
perhitungan  nilai  rata-rata  faktor  amplifikasi  pada 9  titik  pengamatan  pada  kelas  situs  SD  adalah 2.75. Perkiraan  faktor  amplifikasi  pada  kelas  situs SD  di  Kota  Semarang  adalah  2.75.  Dengan  cara yang sama untuk tiga titik pengamatan M68, M78 dan  M88  diperoleh  nilai  faktor  amplifikasi  kelas situs SC di Kota Semarang adalah 1.48.

## Kesimpulan
Dari  hasil  analisa  terhadap  16  lokasi  pengamatan di  Kota  Semarang  maka  diperoleh  gambaran tentang faktor amplifikasi tanah sebagai berikut:
1. Faktor  amplifikasi  tanah  untuk  wilayah  Kota Semarang berkisar antara 1.07 sampai 6.7.
2. Wilayah Utara Kota Semarang mempunyai nilai faktor amplifikasi terbesar dibandingkan wilayah Semarang bagian Tengah dan Selatan.
3. Faktor amplifikasi untuk kelas situs tanah keras (SC), tanah sedang (SD) dan tanah lunak (SE) di Kota  Semarang  masing-masing  adalah  1.48, 2.75 dan 5.15.
Titik Pengamatan Tanah Keras (SC) Tanah Sedang (SD) Tanah Lunak (SE) Situs Tanah Keterangan

## Daftar Pustaka
Irsyam  M,  2010. Peran  dan  Pengembangan Rekayasa  Geoteknik  Kegempaan  di  Indonesia Dalam Pembangunan Infrastruktur Tahan Gempa , Pidato  Ilmiah  Guru  Besar  Institut  Teknologi Bandung.
Kassaras  I.,  Voulgaris  N.  dan  Makropoulos  K., 2008. Determination  of  Site  Response  in  Lafkada Town  (W.  Greece)  by  Ambient  Vibration Measurements ,  31 st General  Assembly  of  The European  Seismological  Commission  ESC  2008, Hersonissos, Crete, Greece, 7-12 September 2008.
Nakamura  Y.,  1989. A  Methode  for  Dynamic Characteristics  of  Subsurface  using  Microtremor on  the  Ground  Surface ,  Quarterly  Report  of Railway Technical Research Institute, Japan, 30-1, 25-33.
Nakamura  Y.  dan  Saito  A.,  1983. Estimation  of Amplification  Characteristics  of  Surface  Ground and  PGA  Using  Strong  Motion  Records  in  Japan , Proc. 17 th JSCE Earthquake Engineering Symposium, 25-28.
Nakamura  Y.,  2008. On  The  H/V  Spectrum ,  The 14 th World Conference on Earthquake
Engineering, October 12-17, 2008, Beijing, China.
Pando  M.,  Cano  L.,  Suárez  L.E.,  Ritta  R.  dan Montejo  L.A.,  2008. Comparison  of  Site Fundamental  Period  Estimates  Using  Weak- Motion  Earthquakes  and  Microtremors ,  The  14 th World  Conference  on  Earthquake  Engineering, October 12-17, 2008, Beijing, China.
Towhata,  I.,  2008. Geotechnical  Earthquake Engineering.  Springer-Verlag ,  Berlin  Heidelberg, xx+684p.
Rodriguez M., Chavec-Garcia F.J., and Stephenson W.R.,  2000. Site  Effects  in  an  Alluvial  Valley:  A Comparison  of  Estimates  from  Earthquake  and Microtremor Records , !2 WCEE, 2000, Paper No. 1441
SESAME,  2004. Site  Effects  Assessment  Using Ambient  Excitations ,  Report  of  the  WP04  H/V Technique  :  Empirical  Evaluation,  Deliverable D16.04, June 2004.