seismic microzonation · sni 03‐1726‐2002. some improvements in seismic hazard analysis were...

44
[email protected] Seismic Microzonation | 1 SEISMIC MICROZONATION CASE STUDY at WEST SUMATERA, INDONESIA 1. General 1.1 Background The purpose of this study is to propose a revision of the seismic hazard map in Indonesian Seismic Code SNI 0317262002. Some improvements in seismic hazard analysis were implemented in the analysis by considering the recent seismic activities around Java and Sumatra. Microzonation study is performed in order to obtain ground motion parameters such as acceleration, amplification factor and response spectra at the surface of Padang, West Sumatera. Microzonation has generally been recognized as the most accepted tool in seismic hazard assessment and risk evaluation and it is defined as the zonation with respect to ground motion characteristics taking into account source and site conditions. Microzonation does not replace the existing National building and construction codes. Figure 1. Process of seismic hazard assessment

Upload: vokhanh

Post on 27-Apr-2019

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

[email protected] 

Seismic Microzonation | 1   

SEISMIC MICROZONATION 

CASE STUDY at WEST SUMATERA, INDONESIA 

1. General 

1.1 Background 

The purpose of this study is to propose a revision of the seismic hazard map in Indonesian Seismic Code 

SNI 03‐1726‐2002. Some improvements in seismic hazard analysis were implemented in the analysis by 

considering the recent seismic activities around Java and Sumatra. Microzonation study is performed in 

order  to  obtain  ground motion  parameters  such  as  acceleration,  amplification  factor  and  response 

spectra at the surface of Padang, West Sumatera.  

Microzonation has generally been recognized as  the most accepted  tool  in seismic hazard assessment 

and risk evaluation and it is defined as the zonation with respect to ground motion characteristics taking 

into account source and site conditions. Microzonation does not replace the existing National building 

and construction codes. 

 

Figure 1. Process of seismic hazard assessment 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 2   

It  is used  for more detailed  zoning, outlining  the parameters with  a  finer  spatial  resulotion  (grain of 

information) and providing a description of  the hazard parameter with higher accuracy and precision.  

Much more  detailed  basic  data  on  the  local  geological  conditions  are  necessary  to  carry  out  such 

studies. 

 

Goals  of  microzonation  are  the  identification  and  assessment  of  specific  hazards  (ground  motion, 

ground  failure,  permanent  displacement)  with  respect  to  agglomerations,  large  groups  of  house, 

industrial plants and hospital blocks. 

Microzonation  requires analysis of a  large amount of geological,  seismological and geotechnical data. 

History of earthquakes,  faults  regime  in  the  region, attenuation  relationships,  site  characteristics and 

ground amplification, liquefaction susceptibility are additional important inputs required. 

1.2 Objectives 

This project is prepared to do some aims, which are: 

1. Provide a comprehensive summary of the main methods and techniques used in seismic 

microzoning. 

2. Develop recommendations for microzonation procedures in Indonesia. 

3. Identify recommended areas for sismic microzoning. 

4. Provide a detail map for evacuation zone due to earthquake and tsunami. 

5. Identify critical area of landslide due to liquefaction effect or flood. 

6. Vulnerability classes and damage grades could be improved by implementing this seismic 

microzonation. 

 

1.3 General Method 

The microzonation is graded based on the scale of the investigation and details of the study carried 

out.  The  technical  committee  on  earthquake  geotechnical  engineering  (TC4)  of  the  International 

society of soil mechanics and foundation engineering (TC4‐ISSMGE 1993) states that the first grade 

(Level  I) map  can  be  prepared with  scale  of  1:1,000,000  ‐  1:50,000  and  the  ground motion was 

assessed  based  on  the  historical  earthquakes  and  existing  information  of  geological  and 

geomorphological maps.  If  the  scale of  the mapping  is 1:100,000‐1:10,000  and  ground motion  is 

assessed  based  on  the microtremor  and  simplified  geotechnical  studies  then  it  is  called  second 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 3   

grade (Level  II) map.  In the third grade (Level  III) map ground motion has been assessed based on 

the  complete  geotechnical  investigations  and  ground  response  analysis with  a  scale of  1:25,000‐

1:5,000. The following phases should be followed when performing a microzonation study: 

 

Figure 2. Microzonation Management Process 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 4   

2. Comparison Between Turkey and Switzerland Guideline 

Seismic microzonation map  requires  some  important data which are able  to be  taken  from  some 

online databases. Every country has own specific macro and microzonation since it depends on the 

geology map, geotechnical map, topography map and seismotectonic map.  Turkey was recognized 

as a country which has a lot of earthquake occurrence in Europe. Switzerland also has many seismic 

activity due to the location is close to the Alpine’s mountain. 

 

Both  countries  have  several  parameters  to  determine  microzonation  at  each  country.  These 

parameters are: 

a. Population density 

b. Scale of mapping 

c. Grid size 

d. Topography and Geology 

e. Basic Geotechnical Assessment 

f. Dynamic Measurement for shear wave velocity 

g. Building stocks 

h. Ground shaking intensity 

i. Ground Motion Prediction 

j. Surface faulting 

k. Landslides 

l. Liquefactions 

m. Tectonic deformation 

n. Emergency Management 

o. Direct methods 

 

Table 1. Comparison Turkey and Switzerland Guideline 

 Hazard 

Parameters Turkey  Switzerland 

1  Population’s Number 

Min. requirement  : Population > 30.000 inhabitants Adapazari City : 391,102 inhabitant Depends  on  the  damage  cases  and density of people 

Basel city : 166,173 inhabitants  Depends on  the damage cases and density of people 

2  Scale of  Typical scales is  1:5,000,  Local (Communal) is 1:5000 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 5   

mapping  in special cases, the scale is 1:1,000.  

Site Spesific is 1:500 

3  Grid size  For homogeneous areas (in respect of geology and topography), a grid distance of 500m is acceptable. 

Subregional (Cantonal) is 500 m Local (Communal) is 100 m Site Spesific is 5 m 

4  Topography and Geology 

• Digital topographic basic information (topographic map at scale 1:5,000 may be obtained from finer scaled maps) 

 

Topographic effect (rock ridges and steep soil slopes)  

5  Basic Geotechnical Assessment 

• CPT, CPTU and SCPT tests • SPT Test • Laboratory test (Grain size 

distribution) • Ground water table 

• SPT Test • Laboratory  test  (Grain  size 

distribution) • Ground Water table • Atterberg  Limit  (Plasticity 

Index) • Silt Content • Moisture Content • Unit Weight 

6  Dynamic Measurement for shear wave velocity 

• Cross‐hole Seismic • Uphole and Downhole Seismic • SASW (Spectral Analysis of Surface 

Waves) • Microtremor measurements (Single 

station, Nakamura) • Array measurements • Geoelectric soundings • Site response analyses • Modulus reduction curves and 

damping • Pseudo‐static approaches to assess 

the slope stability  

Empirical Method  • Standard Spectral Ratio (SSR) • Surface Borehole Spectral Ratio 

(SBSR) • Horizontal  to  Vertical  Spectral 

Ratio (HVSR) • Noise Spectral Ratio (NSR) • Nakamura’s  Horizontal  to 

Vertical Noise Ratios 

7  Building stocks 

• EPEDA (Emergency Post Earthquake Damage Assessment) ‐ Administrative information ‐ General information ‐ Attributes of damage ‐ Load‐resisting mechanism 

features ‐ Attributes of damage 

• European Macroseismic scale 1998 ‐ Vulnerability Classes  ‐ Damage grade  

• European Macroseismic scale 1998 ‐ Vulnerability Classes  ‐ Damage grade 

 

8  Ground shaking 

• Depth of engineering Bedrock • Groundwater table 

Dynamic ground shaking refers to: • Soil Condition 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 6   

intensity  • Shear wave profile • Material behavior under cyclic 

loading • Predominant period • Basic geotechnical properties of the 

different geotechnical units. • Soil Classification 

‐ Turkish Building Code ‐ NEHRP ‐ Average shear wave velocity 

vs,30 

‐ Amplitude ‐ Frequency 

• Active faults • The locations • Focal depths • Magnitudes of prehistoric • Historical EQ • Recent EQ • Frequency of EQ 

 

9  Ground Motion Prediction 

• Assessment of Regional Hazard ‐ Probabilistic Seismic Hazard 

Assessment (PSHA) • Attenuation 

‐ Boore, Joyner and Fumal (1997) relationship. 

 

• Assessment of Regional Hazard ‐ Probabilistic Seismic Hazard 

Assessment (PSHA) • Attenuation 

‐ Boore 1983; Beresnev & Atkinson 1997 

10  Surface faulting 

• Vertical displacements • Lateral offsets. 

Ex : such as pipelines, streets, railroads or irrigation channels. 

 

11  Landslides  • Local hazard at soil surface (result of the ground shaking map (at surface) 

• Topography • Material strength 

 

• The external driving forces, such as earthquake vibration and static load 

• The resistance of the ground material to movement, and factors such as the geological, geotechnical, and hydrological conditions  

12  Liquefactions  • SPT gives best correlation with liquefaction susceptibility 

• Field data are more reliable. Sieve analysis (fines content) should be determined. 

• SPT and CPT are commonly used for liquefaction assessment 

• Comparison of the thickness of the liquefiable layer with the thickness of the surface crustal layer 

• Liquefaction Potential Index (LPI) is used to quantify the severity of liquefaction at a site. 

13  Tectonic deformation 

  • Tilting,  uplifting  and  down warping 

• Fracturing,  cracking,  and fissuring 

• Compacting and subsidence 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 7   

• Creeping in fault zones 14  Emergency 

Management This information can be used to 

prepare materials and equipment for 

emergency response and to develop training 

scenarios for emergency personnel 

 

• Assessment of center of damage for specific scenarios. 

• In which scenarios own intervention forces are sufficient, where outside help is needed. 

• Preparation of conditional decision schemes/checklists. 

• Training of the whole system divided in decision‐taking training of the involved staff in case of an event, and training of search and rescue teams in simulated damage places. 

• Indentify data and information on local hazards and risks 

• Select all options for planning • Assess  the  feasibility  of 

implementation • Assess the community context • Assess the costs involved • Assss the overall effectiveness 

15  Direct methods 

Direct methods rely on 

observations collected during or after earthquake within the area 

under investigation 

• EPEDA (Emergency Post Earthquake Damage Assessment) 

• questionnaires of field reports are evaluated according to EMS 1998 

• questionnaires of field reports are evaluated according to EMS 1998 

 

 

3. Seismic Microzonation Map 

The final products of the seismic microzonation investigation and mapping process are a set of five 

maps for the territory of the municipality: 

1. Surface faulting map 

2. Ground shaking map 

3. Liquefaction potential map 

4. Landslide and rock fall (slope instability) map 

5. Earthquake‐related flooding susceptibility map 

 

3.1 Microzonation Map for Turkey 

Earthquakes generate shaking in bedrock that is then transmitted through the soil to the ground 

surface. Some soils dampen the ground motion while others amplify it, causing unusually strong 

or prolonged shaking that can increase damage to structures. 

The map below represents ground shaking area at Adapazari  city. Every color describes the 

intensity of ground shaking which are following below: 

• AGS: relative highest shaking level, higher than average • BGS: relative medium shaking level, slightly above average 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 8   

• CGS: relative low shaking level, slightly below average  

 Figure 3. Ground Shaking Map for Adapazari

The  liquefaction map  should  be  applied  to  the  urban master  plan  to  avoid  construction  of 

structures or  infrastructure over areas of high  liquefaction potential. Where such construction 

cannot  be  avoided,  appropriate  structural  provision  for  anticipated  liquefaction  must  be 

required. 

The map of three different zones defined according to the criteria given below. 

AL: High susceptibility ( PL > 15) BL: Medium susceptibility  (5 ≤ PL ≤ 15) CL: Low susceptibility (PL < 5)  

Landslides are very damaging to structures built on or below slopes that fail. It  is preferable to 

avoid  construction  on  or  below  unstable  slopes.  If  construction  is  necessary  in  such  areas  it 

requires special geotechnical site investigation and specifically qualified design and construction. 

The map of three different zones defined according to the criteria given below. 

ASL: High hazard Fs ≤ 1.0 BSL: Medium hazard Fs between 1.0 and 2.0 CSL: Low hazard Fs > 2.0

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 9   

Figure 4. Liquefaction Map for Adapazari Figure 5. Landslide Map for Adapazari

  

3.2 Switzerland Map 

The microzonation study included the mapping of the geological and geotechnical soil conditions

which are known from over 2700 shallow wells. This comprises also detailed lithological

descriptions of the cores, thickness of the strata, groundwater data, and SPT measurements. The

microzonation was performed by means of a qualitative rating scheme that takes into account the

influence of seven characteristic parameters of the local soils which can be the cause of

amplification of ground motion during earthquakes.

Figure below is Qualitative microzonation map of the city of Basel (from Noack, Fäh and

Kruspan, 1999). The expected amplification corresponds to plus and minus one intensity degree

(EMS-scale) from an average regional intensity. The distribution of the vulnerability classes in

the districts are given in percent.

Red colors indicate an increased susceptibility and blue colors show a reduced susceptibility with

respect to a regional value. From observed intensity variations in the area, the rating can be

transformed into plus and minus one intensity degree from the average regional intensity value.

[email protected] 

Seismic Microzonation | 10   

 

 Figure 6. Qualitative microzonation map of the city of Basel 

 

 Figure 7. Damage scenario in Basel assuming an earthquake like the 1356 Basel earthquake with 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 11   

an Intensity of IX in the city 

 Figure 8. Outline of the different steps of a damage scenario in Basel, assuming an earthquake with an intensity between VII and VIII  

The figure 1 corresponds to an event with an intensity between VII and VIII and with a return period

of 475 years (90% probability of non-exceedance in 50 years) (Grünthal and Mayer- Rosa, 1998),

while the figure 2 simulates the 1356 Basel earthquake with an Intensity of IX in the city (Mayer-

Rosa and Cadiot, 1979).

  

4. Subsoil classification schemes on the basis of geological and topographical data 

4.1 Mayor Tectonic of Indonesia Region 

Indonesia is the largest archipelagic state in the world comprising five major islands and

about 300 smaller island groups. Altogether there are 13,667 islands and islets of which

about 6,000 inhabited. The archipelago is situated on a crossroad between two oceans, the

Pacific and Indian oceans, and bridges two continents, the Asian and Australian. Indonesia

has a total area of 9,8 million sq km, of which more than 7,9 million sq km are under water.

Physiographically, the islands of Sumatra, Java and Kalimantan are attached to the Sunda

Shelf of the Asian continent. On this landmass the water depth does not exceed 200 meters.

To the east, Irian Jaya and the Aru islands lie on the Sahul Shelf, which are parts of the

Australian continent. Located between these two shelves is the island group of Nusa

Tenggara, Sulawesi, Maluku and Halmahera. These islands are encircled by deep seas which

in many places reach 5,000 meters.

[email protected] 

Seismic Microzonation | 12   

About 60 Tertiary sedimentary basins, spread out from Sumatra in the west to Irian Jaya in

the east, are identified in Indonesia. So far only 38 basins have been explored and drilled for

petroleum and 14 of them are now producing oil and gas. Seventy three percent of these

basins are located offshore, about one third of them in the deeper sea, with water depth

exceeding 200 m.

Figure 9. Mayor Tectonic map in Indonesia 

 

Figure 10. Minor Tectonic map in Indonesia 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 13   

4.2 Geology Soil Type 

The  figures below describe  the geology  soil  type  in  Indonesia.  It  can be  clearly  seen  that  the  soil 

types are dominated by 3 types, which are Cenozoic, Quaternary and Mesozoic. 

The Cenozoic is the most recent of the three major subdivisions of animal history. The other two are 

the Paleozoic and Mesozoic. The Cenozoic spans only about 65 million years,  from  the end of  the 

Cretaceous and  the extinction of non‐avian dinosaurs  to  the present. The Quaternary  is  the most 

recent geological period of time in Earth’s history, spanning the last two million years and extending 

up to the present day. 

 

Figure 11. Geology map in Indonesia 

 

Based on the figure 2 above, most of soil types in Indonesia consist of Quaternary. It means, 

Indonesia has liquefaction potential due to lack of soil quality. 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 14   

 

Figure 12. Geology map of West Sumatera 

 

Figure 13. Geology map of Padang City 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 15   

 

Figure 14. Geology map of East Padang 

 

These figures above describe geology soil type in West Sumatera and Padang City. Both pictures give 

a information that the main geology soil type is Quaternary 

 

4.3 Topographical Data 

Indonesia's location on the edges of the Pacific, Eurasian, and Australian tectonic plates makes it the 

site of numerous volcanoes and frequent earthquakes. Indonesia has at least 150 active volcanoes, 

including Krakatau and Tambour, both  famous for their devastating eruptions  in the 19th century. 

Recent disasters due to seismic activity include the 2004 tsunami that killed an estimated 167,736 in 

northern  Sumatra,  and  the  Yogyakarta  earthquake  in  2006.  However,  volcanic  ash  is  a  major 

contributor  to  the  high  agricultural  fertility  that  has  historically  sustained  the  high  population 

densities of Java and Bali. 

 

The  topography map and seismic zone  in  Indonesia are really related each other because most of 

the earthquake  location are nearly  to volcano area.  It will be a benefit  for people  if  the Tsunami 

occurs due to big Earthquake. 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 16   

Topography  map  is  provided  by  some  institutions  which  help  scientists  to  develop  seismic 

microzonation map. There are 2 map sources which are used in this report, which are: 

6. GTOPO30 (http://eros.usgs.gov/#/Find_Data/Products_and_Data_Available/gtopo30_info) 

7. The NASA Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM) , http://srtm.csi.cgiar.org/index.asp 

 

 

Figure 15. Topography map of Indonesia by GTOPO30 Data 

 

This map above  is  Indonesia’s  topography map which was modified by GIS Software  (MapInfo 

v.10). The specific region analyzed in this map is West Sumatera (blue line) which is situated at 

West side.   According  to  the map above, most of  the  region  is  located at  the mountain zone. 

Nevertheless,  it  should  be  identified  more  detail  since  we  need  specific  area  which  are 

investigated for seismic microzonation. 

 

 

 

 

 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 17   

4.4 Application to test sites in Indonesia (affected areas) 

Seismic Microzonation needs a specific area which was affected by big earthquake events.  In  this 

case,  West  Sumatera  is  appropriate  target  which  are  situated  at  West  site  of  Indonesia  and 

surrounded by mountains  and  faults. On 30  September 2009,  there was big  earthquake  at West 

Sumatera where the source depth was 87 km and the epicenter from Padang city was 45 km. The 

seismic effect will be explained in the next chapter. 

 

The  figure below describes  the  topography map of West  Sumatera which  is  located at mountain 

zone (Barisan mountain) and also it is near to the South Sumatera Subduction and Sumpur, Sianok, 

Sumani, Sulitik fault. 

 

This maps  is generated by using MAPINFO V.10 and the topography data  is taken from SRTM. The 

target area is shown the green line. 

 

 

Figure 16. Topography map of West Sumatera by SRTM data 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 18   

 

Figure 17. Topography map of Padang City by SRTM data 

 

Figure 18. Topography map of City Center by SRTM data 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 19   

The maps above are detail of topography map which were generated by SRTM data.    It can be clearly 

seen that the main city  is situated at the 50 m  from sea  level. This elevation  is relatively dangerous  if 

Tsunami  occurs  due  to  big  earthquake  event.  Therefore,  the  accessibility  for  evacuation  is  really 

necessary to be provided in this city in order to help inhabitants in the future. 

 

5. Correlation between microzoning and ground motion 

5.1 Available ground motion data 

Indonesia  is  located  in a  tectonically very active area at  the point of  convergence of  three major 

plates  and  nine  smaller  plates  to  create  a  complex  network  of  plate  boundaries.    High  seismic 

According  to earthquake database  in  IRIS.edu,  there were more  than 300.000 earthquake events 

with magnitude (M) larger than 3 and more than 4000 earthquake events with significant magnitude 

(M)  larger  than  6.  Several  great  earthquake  occurrences  in  Indonesia  since  six  years  ago  inquire 

revision of seismic hazard parameters. Some of them are 26 December 2004 earthquake (Mw = 9.3), 

28 March 2005 earthquake (Mw = 8.7), and the latest is 30 September 2009 earthquake (Mw = 7.6). 

These earthquakes have caused  thousands of casualties, destruction and damage  to  thousands of 

infrastructures  and  buildings,  as  well  as  billions  of  US  dollars  required  for  reconstruction  and 

rehabilitation. 

 

Figure 19. Earthquake catalogue in Indonesia 1964‐2010 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 20   

 

Figure 20. Earthquake events in West Sumatera (Radius 500 km from Padang city) 1964‐2010 

 

5.2 Peak Ground Acceleration (PGA) 

The primary goal of GSHAP was to create a global seismic hazard map in a harmonized and 

regionally coordinated fashion, based on advanced methods in probabilistic seismic hazard 

assessments (PSHA). 

 

The GSHAP strategy was to establish Regional Centres which were responsible for the coordination 

and realization of the four basic elements of modern PSHA: 

1. Earthquake catalogue 

2. Earthquake source characterization 

3. Strong seismic ground motion 

4. Computation of seismic hazard. 

These figures below are Peak Ground Acceleration maps in Indonesia and also West Sumatera as 

the specific region.  

[email protected] 

Seismic Microzonation | 21   

Overall, PGA at mountain area is relative higher than flat area. This PGA values are also 

contributed by tectonic regime and ground motion.  

 Figure 21. Maximum PGA of Indonesia for 475 years return period 

 

   

Figure 22. Peak Ground Acceleration of Indonesia (GSHAP) 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 22   

 

Figure 23. Peak Ground Acceleration of West Sumatera (GSHAP) 

 

 

Figure 24. Peak Ground Acceleration of Padang City (GSHAP) 

 

Figure  2  and  3 describe  Peak Ground Acceleration  (PGA)  at West  Sumatera  and  Padang City 

which were  generated  to  create  seismic microzonation.  It  can  be  clearly  seen  that  this  city 

contains high PGA value which is distributed from 0.258g – 0.264g. 

 

 

5.3

G

Th

sh

in

 

Th

lo

Th

th

 

Pa

Ground Shak

round  shakin

his  is caused

haking  increa

ncreases. 

he map  of  g

ogνn(I0) = a ‐ b

he Paramete

hese paramet

Where: 

• N is th

• M is th

•  and

arameters ‘a’

ing Intensity 

ng  is a  term 

 by body and

ases  as magn

ground  shaki

b I0.  

rs ‘a’ and ‘b’ 

ters and mag

e number of 

he minimum 

   are consta

’ and ‘b’ are t

Figur

used  to desc

d  surface  seis

nitude  increas

ng  intensity 

are taken fro

nitudes are:

 

events in a g

magnitude 

ants 

taken from th

re 25. The Ca

cribe  the vibr

smic waves. 

ses  and decr

is  calculated

om Gutenber

iven magnitu

he Completen

talog Comple

ration of  the 

As a general

reases  as dist

d  by  annual

rg–Richter law

de range 

ness graph as 

eteness graph

aliko

Seismic M

ground durin

ization,  the  s

tance  from  t

intensity‐fre

w, where the

following bel

omeini@gmai

Microzonation

ng an earthq

severity of gr

the  causative

equency  rela

e relation bet

low: 

il.com 

n | 23  

quake. 

round 

e  fault 

tions, 

tween 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 24   

This graph is calculated by considering all earthquake events from 3.5 Mag – 9 Mag which were 

taken 500 km from Padang city. These data is shown in the figure 2.   

Base on  the  chart above,  it  can be  clearly  seen  that  there  is a  significant  inclination  for each 

magnitude  class.  It  is  discribed  by  red  dot  as  initial  completeness  year  which  is  reliable  as 

starting year to identify that our data is complete since that year. 

According to the chart, each magnitude class has initial completeness year, which is: 

Table 2. Initial completeness year for each magnitude range  

Magnitude Range Initial 

Completeness Year 1  3.5 – 4.0  1995 2  4.0 – 4.5  2000 3  4.5 – 5.0  2000 4  5.0 – 5.5  2002 5  5.5 – 6.0  2004 6  6.0 – 6.5  2005 7  6.5 – 7.0  2004 8  7.0 – 7.5  2004 9  7.5 – 8.0  2003 10  8.0 – 8.5  2003 11  8.5 – 9.0  2004 12  9.0 – 9.5  2004 

 

This graph explains a relationship between the number of earthquake for each magnitude class. 

The final result of this graph is value of a and b for Gutenberg – Richter equilibrium. 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 25   

 

Figure 26.Relationship between magnitude scale and relative frequency of earthquake 

 

Table 3.Detail calculation of Gutenberg‐Richter Method 

 

 

a and b value 

 

Mw (Magnitude) 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9completeness from 1995 2000 2000 2002 2004 2005 2004 2004 2003 2003 2004 2004completeness time 16 11 11 9 7 6 7 7 8 8 7 7MW start 3.25 3.75 4.25 4.75 5.25 5.75 6.25 6.75 7.25 7.75 8.25 8.75count 4013 8333 7725 4224 1513 343 87 24 16 6 9 0rate 250.813 757.545 702.273 469.333 216.143 57.167 12.429 3.429 2.000 0.750 1.286 0cumulative rate 2473.166 2222.354 1464.808 762.536 293.202 77.060 19.893 7.464 4.036 2.036 1.286 0log(rate) 2.399 2.879 2.847 2.671 2.335 1.757 1.094 0.535 0.301 -0.125 0.109 #NUM!log(cum rate) 3.393 3.347 3.166 2.882 2.467 1.887 1.299 0.873 0.606 0.309 0.109 #NUM!fit (N) 3647.11982 1500.42595 617.276 253.95 104.47 42.98 17.68 7.27 2.99 1.231 0.51 0.208cumulative fit (N) 7776.6509 3100.66056 1236.28 492.92 196.53 78.36 31.24 12.5 4.97 1.98 0.79 0.315

-b arate -0.77147093 6.26209828cum.rate -0.79867676 6.68616126

[email protected] 

Seismic Microzonation | 26   

The ground shaking map is calculated by considering latitude, longitude, epicenter and existing 

intensity which is near to the main earthquake source. Distance each grid (8 km) is important to 

be determined to have accurate result for ground shaking intensity map. 

Detail of calculation for grid is given in term 

R = earth’s radius (mean radius = 6,371km) 

Δlat = lat2− lat1 

Δlong = long2− long1 

a = sin²(Δlat/2) + cos(lat1).cos(lat2).sin²(Δlong/2) 

c = 2.atan2(√a, √(1−a)) 

d = R.c 

Or we could find it in this link 

  http://www.ig.utexas.edu/outreach/googleearth/latlong.html 

 

Figure 27. Ground Shaking Intensity due to great earthquake on 30 September 2009 

 

This map  is under  investigating because  the  intensity  value  is  still mistake  if we  compare  it  to USGS 

shaking map. 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 27   

 

Figure 28. Intensity map from USGS 

 

5.4 Shearwave velocity Map 

USGS  released  a  complete  shearwave  velocity  around  the  world  which  is 

downloadable for everyone. The scientists are able to modify the shearwave velocity 

map by using GIS software  (Mapinfo)  to have specific map,  for  instance,  the map of 

shearwave at West Sumatera as following below. 

 

According to the figure 2 and 3 below, West Sumatera is located at the hard rock soil if 

we  use  Indonesia  code,  but  if  we  use  Euro  code,  there  are  some  area  in  West 

Sumatera which contains soft soil, medium and hard rock soil. 

 

Because of that, Indonesia code should be improved immediately since many damage 

cases  occur  at  the  liquefaction  zone.  This  liquefaction  zone  is  identified  by  low 

shearwave velocity area.  

[email protected] 

Seismic Microzonation | 28   

 

Figure 29. Shearwave velocity map in West Sumatera 

 

Figure 30. Shearwave velocity map in Padang City 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 29   

Table 4. Shearwave velocity from Indonesia code 

 

 

Figure 5. Shearwave velocity from Euro Code (EC‐8) 

 

 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 30   

5.5 Impact on building types 

5.5.1 Population in Indonesia 

The  national  population  from  the  2000  national  census  is  205 million,  and  the  Indonesian 

Central Statistics Bureau and Statistics Indonesia estimate a population of 218 million for 2005. 

130 million people live on the island of Java, the world's most populous island. 

 

In  this  project,  the main  region  taken  for  the  seismic microzonation  analysis  is  number  3 

(yellow). This province has many inhabitants and it is located to the main earthquake sources. 

Therefore, it will be very interesting to be investigated more detail in Seismic microzonation.    

Table 6. Population distribution in Indonesia 

 

ID Province 2000 2005Population 

Density at 2005

1 Nanggroe Aceh Darussalam 3,929,234 4,031,589 712 Sumatera Utara 11,642,488 12,450,911 1743 Sumatera Barat 4,248,515 4,566,126 1094 Riau 3,907,763 4,579,219 515 Jambi 2,407,166 2,635,968 536 Sumatera Selatan 6,210,800 6,782,339 797 Bengkulu 1,455,500 1,549,273 738 Lampung 6,730,751 7,116,177 2119 Kep. Bangka Belitung 899,968 1,043,456 6410 Kepulauan Riau 1,040,207 1,274,848 14111 DKI Jakarta 8,361,079 8,860,381 1274312 Jawa Barat 35,724,093 38,965,440 104913 Jawa Tengah 31,223,258 31,977,968 93014 DI Yogyakarta 3,121,045 3,343,651 105815 Jawa Timur 34,765,993 36,294,280 75316 Banten 8,098,277 9,028,816 96417 Bali 3,150,057 3,383,572 59718 Nusa Tenggara Barat 4,008,601 4,184,411 21119 Nusa Tenggara Timur 3,823,154 4,260,294 9020 Kalimantan Barat 4,016,353 4,052,345 2721 Kalimantan Tengah 1,855,473 1,914,900 1222 Kalimantan Selatan 2,984,026 3,281,993 8823 Kalimantan Timur 2,451,895 2,848,798 1424 Sulawesi Utara 2,000,872 2,128,780 14425 Sulawesi Tengah 2,175,993 2,294,841 3826 Sulawesi Selatan 7,159,170 7,509,704 16127 Sulawesi Tenggara 1,820,379 1,963,025 5328 Gorontalo 833,496 922,176 7629 Sulawesi Barat 891,618 969,429 5930 Maluku 1,166,300 1,251,539 2731 Maluku Utara 815,101 884,142 2832 Irian Jaya Barat 529,689 643,012 733 Papua 1,684,144 1,875,388 6

Total 205,132,458 218,868,791 20,161

[email protected] 

Seismic Microzonation | 31   

The  number  of  population  and  damage  cases  is  related  to  each  other.  It was  shown  in  the 

Turkey and Switzerland guideline  for  seismic microzonation. Damage cases are  just given  in a 

region  as  long  as  there  are  existing  buildings  or  building  stocks  which  are  collapse  due  to 

earthquake events. 

 

Figure 31. Population Density map in Indonesia 

 

According to the map above, the blue line is West Sumatera which is taken as a target for 

seismic microzonation. Detail of population density in this province is 

Table 7. Population distribution in West Sumatera 

 

No District populationPopulation 

Density at 2005

1 Mentawai 76,421 132 Pesisir Selatan 406,666 683 Tanah Datar 338,584 2474 Pariaman 390,204 2455 agam 455,495 2016 Liam Puluh Kota 348,249 1217 Kota Padang 819,740 14788 Kota Solok 59,317 4969 Sawahlunto 56,812 15110 Padang Panjang 47,008 98511 Bukit Tinggi 110,954 181412 Payakumbuh 116,910 130313 Kota Pariaman 79,449 97614 Solok Selatan 144,236 4015 Solok 348,991 10716 Dharmasraya 191,277 6417 Sijunjung 201,627 7018 Pasaman Barat 364,587 9319 Pasaman 252,981 65

Total 4,809,508 8,537

[email protected] 

Seismic Microzonation | 32   

Every district has different damage cases and victims. It depends on the building stocks, vulnerability classes, sub soil properties and distance 

from epicenter. 

Table 8. Damage cases at West Sumatera due to earthquake on 30 September 2009 

 

 

 

 

SeD MD SlD SeD MD SlD SeD MD SlD SeD MD SlD SeD MD SlD SeD MD SlD SeD MD SlD SeD MD SlD SeD MD SlD

1 Mentawai 76,421 0 0 0 4 2 1 13 11 0 0 02 Pesisir Selatan 406,666 2,187 5,376 11,309 12 39 20 8 6 14 9 13 2 4 1 2 1 1 9 31 14 67 48 32 28 49 9 7 203 Tanah Datar 338,584 0 0 0 44 Pariaman 390,204 0 0 0 3 2 4 8 35 agam 455,495 6,685 4,115 2,605 59 22 46 9 12 16 35 26 9 20 1 12 5 9 2 89 72 52 2 1 48 74 2786 Liam Puluh Kota 348,249 145 243 357 3 36 28 5 7 2 24 7 3 1 1 1 1 3 8 6 15 8 1 57 Kota Padang 819,740 29 0 105 5 4 4 1 2 18 8 68 Kota Solok 59,317 57,771 16,418 13,690 257 87 31 187 45 14 104 32 9 135 33 23 47 11 748 225 15 15 666 6 199 Sawahlunto 56,812 11,173 5,886 6,085 114 77 65 12 9 8 16 5 5 16 1 5 52 161 92 97 110 Padang Panjang 47,008 0 0 0 911 Bukit Tinggi 110,954 171 0 920 1 13 1 2 1 37 6 8 2212 Payakumbuh 116,910 0 0 0 3 213 Kota Pariaman 79,449 0 0 0 81 90 47 6,55414 Solok Selatan 144,236 3,240 3,046 2,862 27 0 16 1 6 4 1 1 1 2 9 31 53 2 38 1 5 5 2515 Solok 348,991 0 0 016 Dharmasraya 191,277 17 164 413 23 41 26 5 1 1 6 6 4 6 9 9 3 4 6 1417 Sijunjung 201,627 0 0 50 6 8 318 Pasaman Barat 364,587 0 0 019 Pasaman 252,981 37,587 38,485 40,406 1,606 1,038 903 9 10 2 59 19 14 8 22 8 19 3 15 238 211 169 5 10 5 383 2 431 771

Total 4,809,508 119,005 73,733 78,802 2,114 1,348 1,162 235 94 66 246 104 74 170 82 28 15 41 5 144 153 29 1,331 693 464 55 44 58 1,195 190 839 7,325

RemarkSeD = Severely DamagedMD = Moderately DamagedSlD = Slightly Damaged

Diedserious wound

minor injuries

RefugeesIrigation Mosque Market

populationDistrictNohouse School hospital Office Highway Bridge

[email protected] 

Seismic Microzonation | 33   

The local government also investigated the damage cases in the Padang city. The result of investigation is:  Table 9. Damage cases at Padang City due to earthquake on 30 September 2009 

 

The damage cases in the City center were also provided by local government. These are the 

result of specific investigation at every village. 

Table 10. Damage cases at East Padang due to earthquake on 30 September 2009 

  

Based on the investigation data which were conducted by local government due to 

earthquake on 30 September 2009, the summary of damage cases and maps are: 

id Sub district population deadseriously injured

slightly injured

missedseverely damaged

moderately damaged

slightly damaged

1 Padang Selatan 63,345 20 2 12 0 640 492 1902 Bungus Teluk Kabung 24,116 0 0 0 0 0 0 03 Pauh 53,669 4 1 1 0 357 122 7924 Lubuk Begalung 106,641 23 76 205 2 1842 1739 24925 Padang Utara 76,322 0 0 0 0 0 0 06 Kuranji 120,309 8 6 13 0 920 1031 9067 Nanggalo 58,801 0 0 0 0 0 0 08 Padang Timur 87,174 41 20 63 0 370 337 4389 Koto Tengah 161466 4 3 2 6 1478 1796 438410 Lubuk Kilangan 43,532 3 1 1 0 892 602 33011 Padang Barat 61,437 0 0 0 0 0 0 0

Total 856,812 103 109 297 8 6499 6119 9532

id village deadseriously injured

slightly injured

missedseverely damaged

moderately damaged

slightly damage

1 Kubu Dalam Pr. Karakah 2 0 15 0 3 15 202 Jati Baru 1 1 2 0 9 23 273 Jati 1 0 0 0 95 25 414 Simpang Haru 2 5 0 0 13 0 05 Kubu Marapalam 5 0 0 0 7 4 566 Andalas 2 0 1 0 74 50 757 Sawahan 24 5 15 0 8 23 278 Parak Gadang Timur 2 0 0 0 10 5 459 Sawahan Timur 0 0 0 0 0 0 010 Ganting Parak Gadang 0 2 0 0 128 42 36

Total 39 13 33 0 347 187 327

[email protected] 

Seismic Microzonation | 34   

 

Figure 32. Damage cases in West Sumatera due to earthquake on 30 September 2009 

 

Figure 33. Damage cases in Padang city due to earthquake on 30 September 2009 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 35   

 

Figure 34. Damage cases in Center of city due to earthquake on 30 September 2009 

 

 

Figure 35. Number of victims due to earthquake on 30 September 2009 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 36   

6. Procedures for microzonation 

6.1 Basic data and applications 

Based on the data above, we could conclude those data into a matrix which explains a priority ranking within parameters of seismic microzonation.  Table 11. Ranking or microzonation parameters 

  Microzonation paramaters 

Necessary (High Priority) 

Important  Less Important 

Not important 

1  Population density  √       

2  Scale of mapping    √     

3  Grid size    √     

4  Topography  √       

5  Geology    √   

6  Basic Geotechnical Assessment 

√       

7  Dynamic Measurement for shear wave velocity 

√       

8  Building stocks    √     

9  Ground shaking intensity 

√       

10  Ground Motion Prediction 

       

11  Surface faulting    √     

12  Landslides    √     

13  Liquefactions  √       

14  Tectonic deformation    √     

15  Emergency Management 

  √     

16  Direct methods    √     

 

The parameters above should be fulfilled in order to create a seismic mirozonation in a particular 

region. According to the table, geology data is included in less priority category since it does not 

really help us to identify the liquefaction potential area. 

 

In addition, seismic microzonation is also divided into six (6) functions which are compared to the 

microzonation parameters, which are: 

 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 37   

Table 12. Evaluation of seismic microzonation parameters with respect to function  

 

 

6.2 Preliminary Seismic Microzonation Map 

These  pictures  below  describe  relation  between  some  parameters  which  are  used  to  create 

seismic microzonation. The main area used in the picture below is City Center at Padang City. The 

boundary of the area is drawn by red line. 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 38   

Figure 36. Relation between population density, PGA and damage cases 

 

According  to  the  picture  above,  the main  city  is  located  at  0.262g  –  0.266g  for  Peak Ground 

Acceleration (PGA) and population density and damage cases due to big earthquake event on 30 

September 2009. 

 

Shearwave velocity at City Center  in  the picture below has  relation  to geology  type where  the 

value of velocity  is 300‐400 m/s and the geology type are Quaternary and water (soft soil). The 

map below is nearly representative if we compare it to the Euro Code 8.  

 

Figure 37. Relation between Geology map and shearwave velocity 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 39   

 

Figure 38. Relation between geology and PGA 

 

Liquefaction  potential  is  an  important  factor  that  we  have  to  consider  into  the  seismic 

microzonation.  It will give a  lot of  information related to risky and safe zone where we want to 

build a new infrastructure or reconstruct existing building which was destroyed by earthquake.  

 

There are six CPT tests which were taken last years in Padang city. These data were analyzed by 

Liq‐IT software and the Liquefaction Index is the main parameter to determine the quality of soil 

with respect to liquefaction potential. The summary of the result are: 

 

Table 13. Liquefaction Intex calculation 

 

Input Parameters And Analysis Data

Analysis Type : DeterministicAnalysis Method : Robertson (1998)Fines Correction Method : Robertson (1998)

In‐Situ Data Type CPT‐1 CPT‐2 CPT‐3 CPT‐4 CPT‐5 CPT‐6

1 Depth to Water table (m) 3 3.35 1.35 1.1 1.35 32 Earthquake Magnitude (Mw) 7 7 7 7 7 73 Peak Ground Acceleration (PGA) 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38 0.384 Factor of Safety (FS) 1 1 1 1 1 15 Total Settlement (cm) 3.09 11.64 9.23 5.26 8.45 0.576 Overall Liquifaction Index 6.59 20.8 13.47 8.56 15.44 3.157 Total Lateral Displacement (cm) 109.71 269.55 166.4 86.66 158 40.33

LIQUEFACTION ANALYSIS REPORT

[email protected] 

Seismic Microzonation | 40   

CPT ‐ 1  

CPT ‐ 2 

CPT ‐ 3  CPT ‐ 4 

CPT ‐ 5  CPT ‐ 6 

Figure 39. Liquefaction calculation by LiqIT software 

 

According  to  the  table and pictures above, CPT‐2 and CPT‐5 mentioned  the critical zone where 

the Liquefaction Index are larger than 15. 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 41   

These data are applied into GIS software (Mapinfo) to find the location of CPT tests and these are 

compared  to  th  PGA  and  shearwave  velocity map.  These maps  are preliminary  assessment  to 

indicate liqufaction potential zone in Padang City.  It can be clearly seen that CPT‐2 and CPT‐5 are 

located at PGA 0.262g and if it is compared to sharewave velocity, CPT‐2 and CPT‐5 also situated 

at low shearwave velocity. This value should be evaluated to National code which is given in SNI 

1726‐2002.  

 

Figure 40. Liquefaction map VS PGA map 

 

 

Figure 41. Liquefaction map VS sharewave velocity map 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 42   

These  maps  should  be  improved  by  doing  some  soil  investigations  at  every  grid  which  is 

determined by Mapinfo. The output of this map could be an evaluation for  local government to 

indicate  the  safe  zone  for  inhabitants  or  significant  building,  for  example  power  plant 

infrastructures, Nuclear power plants building and others specific building. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 43   

7. Recommendations and Conclusions 

 

1. High priority parameters are really important to be applied at the target area. 

2. Seismic microzonation is really important to be implemented at the risky area caused by 

earthquake. 

3. Ground shaking, liquefaction and landslide map are necessary to be provided by local 

government as a guideline to relocate inhabitants which are leaving at that zone.   

4. During periodic review of urban master plans, review and revise, if needed the uses for 

lands shown as hazardous on the microzonation maps. 

5. To determine when seismic hazard evaluations are needed before land is subdivided or 

services are provided 

6. Before new building plots are approved, use seismic microzonation maps to assess the 

vulnerability of the lots, access and infrastructure in the event of an earthquake. 

7. Adopt policies to acquire additional seismic hazard information before development of 

areas shown to be potentially hazardous on seismic microzonation maps. 

8. Seek qualified engineering geologists or geotechnical engineers to review site‐specific 

geotechnical reports submitted by applicants for development permits. 

9. Identify potential hazards to be addressed in the selection of sites and design of public 

facilities and infrastructure systems. 

10. To help guide investment in strengthening and mitigation measures for public facilities and 

infrastructure. 

11. Use seismic microzonation maps in establishing priorities for redevelopment to relocate 

existing settlements to less hazardous sites and to create safer land uses and buildings in 

the course of redevelopment. 

12. Use seismic microzonation maps with structural and other information to set priorities for 

seismic retrofit for existing hazardous buildings and facilities. 

13. To inform the public on the earthquake vulnerability of the municipality and the region. 

14. To create realistic scenarios for emergency planning and training exercises for municipal 

level organizations. 

15. To evaluate the vulnerability to earthquake damage in addressing hazardous material 

storage, transport and use. 

 

[email protected] 

Seismic Microzonation | 44   

8. References 

 

1. Amann  P.  and  Heil  M.  (1995).  "Cone  penetration  testing  in  Switzerland",  CPT  ’95, International Symposium on cone penetration testing, Linköping, Sweden, vol. 1, S. 235‐242. 

2. Amann P., Heil M. and Huder J. (1997). "Determination of shear strength of soft lacustrine clays", XIV ICSMFE, Vol. 1, Hamburg 1997, S. 507‐510. 

3. Boore, D.M.,  Joyner, W.B. and Fumal, T.E.  (1997).  "Equations  for Estimating Horizontal Response Spectra and Peak Accelerations  from Western North American Earthquakes: A summary of Recent Work", Seismological Research Letters, (68) 1:128‐153. 

4. EMS‐98  (1998).  European  Seismological  Commission,  Subcommission  on  Engineering Seismology, Working Group Macroseismic  Scales,  "European Macroseismic  Scale  1998, EMS‐98",  Editor  G.  Grünthal.  Luxembourg,  1998.  Homepage:  http://www.gfz‐potsdam.de/pb5/pb53/projekt/ems/ 

5. Fäh D., Kind F. and Giardini D. (2002). "Structural Information Extracted from Microtremor Wavefields", 12th European Conference on Earthquake Engineering, London, 2002. 

6. Finn W.D.L.  (1972).  "Soil  Dynamics  and  Liquefaction  of  Sand",  Proc.  Of  Int.  Conf.  on Microzonation for Safer Construction – Research and Application, Seattle. 

7. Hardin,  B.O.  (1978).  "The  Nature  of  Stress‐Strain  Behaviour  of  Soils",  Earthquake Engineering and Soil Dynamics, ASCE, Vol. 1, pp. 3‐90. 

8. Hardin,  B.O.  and  Drnevich,  V.  (1972).  "Shear  Modulus  and  Damping  in  Soils:  Design Equations and Curves", Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol. 98, No. 7, pp. 667‐691. 

9. Iwasaki, T., F. Tatsuoka, K. Tokida, and S. Yasuda (1978). "A practical method for assessing soil  liquefaction  potential  based  on  case  studies  at  various  sites  in  Japan",  2nd International conference on microzonation, San Francisco, p. 885‐896. 

10. Iyisan, R. (1996). "Correlations between Shear Wave Velocity and In situ Penetration Test Results",  Technical  Journal  of  Turkish  Chamber  of  Civil  Engineers,  7(2):  1187‐1199  (in Turkish).  

11. Jamiolkowski, M., Ghionna, V., Lancellotta, R. and Pasqualini, E. (1988). "New Correlations of Penetratio Tests for Design Practice", Proc. ISOPT‐1, Orlando, FL, Vol. 1: 263‐296. 

12. Kayen,  R.E.,  Mitchell,  J.K.,  Seed,  R.B.,  Lodge,  A.,  Nishio  and  Coutinho,  R.  (1992). "Evaluation  of  SPT‐,  CPT‐,  and  Shear Wave‐Based Methods  for  Liquefaction  Potential Assessment  Using  Loma  Prieta  Data”,  Proc.  4th  Japan‐US  Workshop  on  Earthquake Resistant Design of Lifeline Facilities and Countermeasures for Soil Liquefaction, (1):177‐204. 

13. Lee, S.H.H.  (1990). "Regression models of  shear wave velocities”  Journal of  the Chinese Institute of Engineers,(13)5:519‐532. 

14. Midorikawa,  S.  (1987).  "Prediction  of  Isoseismal  Map  in  the  Kanto  Plain  due  to Hypothetical Earthquake", Journal of Structural Engineering 33B, 43‐48. 

15. Mitchell J. K., Yu H. S. (1998). "Analysis of cone resistance: Review of methods", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 124, N. 2, Feb. 1998, S. 140‐149.