Sensing what matters

“Military operations at sea used to be relatively simple. During the Cold War, for instance, you had to search for Russian submarines on the Atlantic. You were trying to find one specific object in a vast ocean”, says PhD student, Wilbert van Norden. “But nowadays frigates of the Royal Netherlands Navy carry out missions in the Gulf of Aden, near the coast of Somalia, where they’re on the lookout for pirates. But how do you recognize pirates among the hundreds of fishing boats? After all they don’t fly a pirate flag.”
According to Van Norden, the officers who man a modern frigate’s command information centre are overwhelmed with data, because there are ships all around them moving in all directions. Van Norden has developed a decision support system, a program that helps the operators of sensor systems analyze the huge amounts of data they receive, and then to decide which signals to focus on.

‘Sensing what matters’ is the title of his PhD thesis, which he’ll defend next week. He wrote it while working at the Dutch Navy’s Centre for Automation of Mission-critical Systems (CAMS) Force Vision. His research was supervised by professor Catholijn Jonker, of TU Delft’s Man-Machine Interaction section.
“Look, there you see some of the sensors that frigates use,” says Van Norden, aboard the frigate HNLMS Evertsen, while pointing at some electro-optical and infrared sensors and one of the latest armaments: Apar (active phased array radar). “Apar can track targets, scan the surroundings and guide missiles”, he explains. “But don’t pay attention to the ship’s rusty spots; it just returned from Aden and must now be cared for.”

Van Norden is clearly a bit disappointed about seeing those rust spots while showing off the ship, because he’ll soon be joining the crew aboard this vessel and wants it to look as impressively bright and shiny as possible. Van Norden, a lieutenant in the Dutch Navy, is exchanging his desk job ashore for a three-year tour aboard the frigate, where he’ll be responsible for the weapons and computer systems.

The decision support system he developed will not be used on his ship, though, or at least not during his tour of duty. However, he has high hopes that it will be developed further by his colleagues, so that it can be used on a new type of patrol vessel that will soon be put into action.
“Those new patrol vessels are manned by only fifty people”, Van Norden says, adding that this isn’t even a third of the number of crew aboard the frigate he’ll be deployed on. “Aboard that new vessel, automation is of even greater importance: one generic sensor operator is expected to control all sensors together on those ships.”

The system Van Norden developed alerts the operator whenever it notices something unusual. “I basically developed algorithms that describe the behavior of objects around the ship. The operator must enter all kinds of information into the system about the ways objects around him usually act; the area for instance in which fishing boats sail and their speed. If one of the boats changes direction and speeds up, the system will notify the operator. This might suggest to him to use the electro-optical sensor to have a closer look at that boat and see if the crew is armed, for instance.”

Conducting academic research was somewhat out of the ordinary for Van Norden. “In the military we usually think more pragmatically than at a university,” he says. “If a technique works fine, we don’t see why we should study it further. But my supervisors at TU Delft would ask me: ‘but why does it work?’, and then push me to investigate further. I for instance had to test if my method would work for more generic classification problems as well. I guess that makes it more interesting from a scientific perspective.”

‘Het moest maar eens afgelopen zijn met de aanleg van metrolijnen onder oude binnensteden.’ Dat riepen politici in Duitsland, maar ook in Nederland, nadat het stadsarchief van Keulen vorige maand instortte als gevolg van werkzaamheden voor een nieuwe metrolijn.
“Onzin”, vindt ir. Holger Netzel, die deze week bij Bouwkunde zijn proefschrift ‘Building Response due to ground movements’ verdedigt. Een dissertatie over zakkingschade aan gebouwen die te maken krijgen met naburige graafwerkzaamheden.
Als de projecten goed worden bewaakt en er vooraf goede risicoanalyses zijn gemaakt, kun je volgens Netzel prima nieuwe metrolijnen aanleggen. “De vrijwel vlekkeloos verlopen aanleg van een nieuwe subway vlak langs de Big Ben in London is daar een bewijs voor.”
Helaas schort het nogal eens aan gedegen vooronderzoeken. ‘Zestig procent van alle schadegevallen bij ondergrondse bouwwerkzaamheden hadden voorkomen kunnen worden als er gedegen vooronderzoeken waren gedaan en deskundige rekenkundige risicoanalyses bij het ontwerpstadium waren gemaakt’, zo luidt een van Netzels stellingen.
In de bouwwereld kijkt men veel te weinig naar de wijze waarop gebouwen reageren op vervormingen, aldus de promovendus. “Tot tien jaar geleden berekende men de risico’s op schade zelfs helemaal niet. Men keek of er elders in de buurt wel eens vergelijkbare werkzaamheden waren verricht en hoe de gebouwen daar destijds op reageerden.”
De afgelopen jaren wint een rekenmethode om schade te voorspellen aan populariteit: de zogenaamde methode der grensrekken. Men berekent eerst de grondvervormingen die ontstaan door de aanleg van een boortunnel, een bouwput of door verlagingen van de grondwaterstand. Vervolgens wordt berekend hoe de verwachte vervormingen, die onder meer afhankelijk zijn van de grondsoorten – klei, zand of veen – uitwerken op aangrenzende gebouwen.
Netzel heeft de bestaande methode op een aantal cruciale punten verbeterd. “Er was onvoldoende aandacht voor de conditie en de constructiewijze van gebouwen. Zitten er al scheuren in? Is het een bakstenen gebouw of is het van beton? En wat voor fundering heeft het? Die gegevens heb ik opgenomen in het model.”
Bij de oude rekenmethode wordt bovendien voor het gemak aangenomen dat bij de grond-constructie-interactie een volledige overdracht plaatsvindt van de grondvervormingen naar het gebouw. “Maar gebouwen vertonen niet-lineair gedrag”, aldus Netzel. “Zodra de eerste scheuren ontstaan, neemt de schade snel toe. En als een deel van een gebouw aan de voorkant sterker wegzakt dan aan de achterkant, zorgt dit tot meer spanningen in een gebouw dan je op basis van alleen de grondveranderingen zou verwachten.”
De promovendus heeft zijn niet-lineaire rekenmethode getest samen met het Nederlands kenniscentrum voor ondergronds bouwen en ondergronds ruimtegebruik (COB). Langs het tracé van de Sophia Spoortunnel (onderdeel van de Betuwelijn vlakbij Dordrecht) hebben zij de grondvervormingen en de vervormingen van een aangrenzend bakstenen gebouw bestudeerd. De data kwamen overeen met de voorspellingen die Netzel had gemaakt.
Behoren schadegevallen zoals die aan de Vijzelgracht (Noord-Zuidlijn) door deze verbeterde rekentechniek tot het verleden? Nee, dat helaas nu ook weer niet. “De verzakkingen die daar plaatsvonden waren wel erg extreem”, zegt Netzel. “Dat komt door de combinatie van extreme diepte  – er werd een bouwput gegraven van twintig meter diep – en de slappe grond in Amsterdam. Als er dan lekkage ontstaat in de bouwputwand, kan het goed mis gaan, vanwege de grote grond- en waterdrukken op zulke dieptes. En het ontstaan van lekkages in de wanden kun je jammer genoeg niet modelleren.”
Dergelijke lekkages zijn wel te monitoren, door bijvoorbeeld de grondwaterstand in de omgeving in de gaten te houden. Maar in een extreme situatie zoals bij de Vijzelgracht had dat volgens Netzel weinig zin omdat het wel erg snel misgaat als er een soortgelijk lek ontstaat. “Bij de Vijzelgracht is in eerste instantie met radar in de grond gekeken naar de diepwanden. Je kunt gedurende de uitvoering niet zien of de diepwanden volledig dicht zijn. Maar uit de radargegevens kon men wel afleiden dat er lekkagerisico’s waren. Als preventieve maatregel hadden ze diep in de grond langs de wanden materialen kunnen injecteren voorafgaand aan de graafwerkzaamheden, om er zeker van te zijn dat de wand dicht was. Achteraf kan worden geconcludeerd dat de mogelijke risisco’s en consequenties verkeerd zijn ingeschat.” 

Netzel, die samen met twee collega’s geotechnisch adviesbureau Crux heeft opgericht, is zelf ook betrokken bij de aanleg van de Noord-Zuidlijn. Zijn bedrijf helpt de aannemer met het bevriezen van de grond bij station Vijzelgracht.
Netzel heeft ook een visie over hetgeen er in Keulen is misgegaan. “Daar is een zogenaamde hydraulische grondbreuk ontstaan. Doordat er te sterk is bemalen ontstond er een te groot verschil in grondwaterpeil tussen de bouwput en de omgeving. Door de waterstroom zijn de diepwanden bezweken. Om dat te voorkomen hadden ze de damwanden dieper de grond in moeten steken. Dat hadden ze kunnen uitrekenen.”

Delftse spoortunnel
Leidt de aanleg van de spoortunnel in het centrum van Delft tot verzakkingsdrama’s? Veel mensen vrezen het ergste gezien de debacles rondom de aanleg van de metrotunnels in Amsterdam en Keulen. Of huizen rondom de beoogde spoortunnel straks verzakken door de werkzaamheden (die na de zomer beginnen), valt wellicht op te maken uit de satellietbeelden van het Delft Institute for Earth Observation and Space Systems (Deos). Al sinds begin jaren negentig verzamelt Deos satellietbeelden van Delft. Door middel van radarbeelden uit ruimtesondes brengt het instituut natuurlijke verschuivingen of verzakkingen van land en gebouwen in kaart. Deze ontstaan door het inklinken van de aarde, het verschuiven van aardschollen en het seizoensgebonden krimpen en uitzetten van gebouwen als gevolg van temperatuurveranderingen.
“Sinds kort zijn we ons vooral gaan richten op het gebied waar de spoortunnel komt”, zegt Prof.dr.ir. Ramon Hanssen van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. “Als we tijdens of na de aanleg van de tunnel verschuivingen constateren, kunnen we nagaan of die veroorzaakt zijn door natuurlijke processen of door de bouwwerkzaamheden.”
Deos heeft al ervaring op dat gebied. Afgelopen woensdag werd in Zevenaar een analyse gepresenteerd, van Deos en TNO, naar de oorzaak van verzakkingen van gebouwen die grenzen aan een tunnel voor de Betuwelijn. Uit de radargegevens bleek dat de verzakkingen die in 2006 plaatsvonden te maken hadden met de lokale grondgesteldheid en het feit dat de zomer dat jaar erg droog was en dus niet met de tunnel.
Radar is niet de enige methode om te monitoren. In de lezing ‘Ik & de professor’, georganiseerd door de TU en het Algemeen Dagblad, toonde hoogleraar geo-informatica prof.dr.ir. Peter van Oosterom eind vorige maand hoe een geavanceerd meetnet in de stad zelf kleine verzakkingen kan laten zien. Op gebouwen rondom de bouwlocatie zijn talloze reflectoren geplaatst waarmee door middel van afstandmeters de posities van de gebouwen continu in de gaten gehouden worden.
“De twee technieken, de landmetingen en de ruimtemetingen, vullen elkaar aan”, aldus Hanssen. “Het voordeel van de landmetingen – waar de TU overigens niet bij betrokken is – is dat je heel specifiek een gebouw kunt uitkiezen en kunt volgen in de tijd. Het nadeel is dat de methode ontzettend kostbaar is. Daarom is er voor gekozen om alleen de huizen te monitoren die zich binnen een straal van vijftien meter van de bouwput bevinden. Met de radartechniek meet je honderden willekeurige punten binnen een vierkante kilometer. Je kunt er minder specifiek mee werken, maar wel grote gebieden mee onderzoeken.”
Van Oosterom heeft een aantal weken geleden afspraken gemaakt met alle deelnemers aan de spoortunnel over een reeks studentenprojecten rondom de aanleg. Ideeën zijn er te over. Van Oosterom toonde een sheet vol plannen, zoals meewerken aan bovengenoemde monitoring van eventuele verzakkingen. Verder kunnen studenten onder meer 3D-modellen maken van bovengrond en ondergrond en kunnen ze precies in kaart brengen wie wat bezit aan onroerend goed rondom het bouwproject.
Hanssen wil ook kijken of de radartechniek van Deos te combineren valt met de rekenmethode van Netzel. “We zouden studenten kunnen laten onderzoeken of de metingen vanuit de ruimte te matchen zijn met de schade die ontstaat aan gebouwen.”