Praktijkverhaal
Aardbevingen in de cloud
Wat gebeurt er met een gebouw bij een aardbeving? İhsan Bal, lector aardbevingsbestendigheid bij de Hanzehogeschool in Groningen, kan dat razendsnel in kaart brengen dankzij onderzoek met de SURF Research Cloud.
In het kort
Naam: İhsan Bal
Functie: onderzoeker
Organisatie: Hanzehogeschool Groningen
Diensten: SURF Research Cloud en Research Drive
Uitdaging: Verwerking en opslag van enorme datasets voor aardbevingsimulaties
Oplossing: SURF Research Cloud biedt eenvoudige toegang tot veel rekenkracht voor grootschalige simulaties en voor het trainen van AI-modellen voor voorspellingen en analyses.
We schrijven 1999. İhsan Bal is druk bezig met zijn ingenieursstudie in het noordoosten van Turkije als een zware aardbeving Istanboel treft. Het is de stad waar zijn ouders wonen. Op tv ziet hij beelden van beschadigde en ingestorte gebouwen, maar het duurt bijna twee dagen voor hij eindelijk contact met zijn ouders krijgt. Gelukkig staat het huis nog en zijn ze ongedeerd. “Op dat moment vond ik mijn roeping als ingenieur: aardbeving-engineering.”
Experimentele opstelling van een muur op een schuddend platform
Sinds 2017 leidt İhsan een eigen onderzoeksgroep in Groningen. Vroeger was dat de laatste plaats waar je aardbevingen zou verwachten, maar door de gaswinning in het gebied ligt dat nu anders. Gelukkig zijn er tot dusver geen gebouwen ingestort, maar schade is er wel. “Heel veel scheuren in heel veel huizen”, aldus İhsan.
Veel Groningers worstelen met onzekerheid over de nabije toekomst: komen er nieuwe, zwaardere bevingen? Die vraag kan İhsan niet beantwoorden. “Je kunt nooit voorspellen wanneer ergens een aardbeving komt. Bovendien zijn de kunstmatig veroorzaakte bevingen in Groningen een uniek verschijnsel.” Wat hij wel kan, is inzicht geven in de kwetsbaarheid van gebouwen. Als er dan een beving komt, is meteen duidelijk waar instortingsgevaar dreigt en wat er precies hersteld moet worden.
Uitdagingen voor onderzoeker en computer
Makkelijk is dat echter niet. Om te beginnen zijn aardbevingen bewegingen met een hoge frequentie. İhsan legt uit: “Om ze te beschrijven werken we met 600 datapunten per seconde per sensor. Dat betekent dus echt heel veel data.”
Ten tweede zijn alle natuurverschijnselen inherent grillig. Twee aardbevingen met dezelfde kracht kunnen compleet verschillende gevolgen hebben. De studie van aardbevingsbestendigheid draait dan ook om statistiek en kansberekening.
“De SURF Research Cloud was veel gemakkelijker te gebruiken dan ik dacht”
Ten derde is het niet doenlijk om gebouwen geheel aardbevingsproof te maken. Je moet dus altijd een zekere mate van schade accepteren. Maar daarmee worden de gevolgen nog moeilijker te voorspellen: wanneer verschijnt de eerste scheur en hoe lang zal die worden?
Dit alles stelt flinke uitdagingen aan onderzoekers én aan hun computerfaciliteiten, legt İhsan uit. “In Nederland zijn we gewend om rekening te houden met storm. We kunnen simuleren hoe een bepaald gebouw reageert op windbelastingen. Zo’n simulatie duurt een minuut of tien. Maar als je probeert te simuleren wat een aardbeving met hetzelfde gebouw doet, staat de computer 24 of 48 uur te draaien.”
“Je kunt nooit voorspellen wanneer ergens een aardbeving komt. Wat wel kan, is inzicht geven in de kwetsbaarheid van gebouwen."
Volle kracht vooruit met SURF Research Cloud
İhsan en zijn medewerkers hebben dus veel rekenkracht nodig. “Toen ik hier net begon, wilde ik een snellere Linux-computer. Daar had ik ook budget voor. Maar mijn collega’s hier vertelden me dat dat geen goed idee was, want na een paar jaar is die machine helemaal niet snel meer. En ondertussen zit je met het onderhoud. Om maar te zwijgen van databeheer en back-ups.”
“Hun alternatief was de SURF Research Cloud: daar wordt dat allemaal voor je gedaan. Ik heb hun advies gevolgd en dat bleek een goede keus. De Research Cloud was ook veel gemakkelijker te gebruiken dan ik dacht. Het was even wennen dat ik alleen een terminalvenster had, want je logt op afstand in op de server die bij SURF staat, maar zowel bij SURF als hier bij Hanze was men heel behulpzaam. En ict is op zich bekend terrein voor me. Dus binnen een paar dagen kon ik volle kracht vooruit.”
Virtueel schudden
Het allereerste waar İhsan de reken- en opslagkracht van de Research Cloud voor gebruikte was een simulatie van hoe honderden virtuele gebouwen reageerden op vijftig verschillende aardbevingen die ‘in het echt’ waren geregistreerd. “Dat deden we op een Linuxmachine van SURF met 22 CPU-kernen die elk een van die bevingen doorrekenden. Dat schoot lekker op. Steeds stonden 22 exemplaren van zo’n gebouw virtueel te schudden.” Zo werd duidelijk wat voor schade de gebouwen opliepen door verschillende soorten aardbevingen.
“Machine learning is 'statistics on steroids'”
Maar de echte winst kwam in de tweede fase van het onderzoek. Daar gebruikte İhsan de grafische processoren van dezelfde Linuxmachine om met slechts twee aardbevingsregistraties een AI-model van elk virtueel gebouw te trainen. “Dat is de ideale aanpak voor zo’n statistisch vak als het mijne. Machine learning is statistics on steroids.”
De aanpak was een groot succes. “Het trainen ging heel snel en de resultaten waren even betrouwbaar als de uitgebreide simulaties. Met dit soort modellen kunnen we ‘digital twins’ – virtuele modellen – van echte gebouwen gaan maken. Je hoeft vervolgens maar één sensor te installeren, in de kelder van het echte gebouw. Als er een aardbeving optreedt, kun je de meetgegevens loslaten op de digital twin en zie je daar waar de schade optreedt. In een paar seconden heb je een beeld van de toestand op elke verdieping.”
Martinitoren
Zo kunnen we dus veel sneller en adequater optreden als het in Groningen onverhoopt tot zware aardbevingen komt. Is dit straks ook een uitkomst voor de Martinitoren? İhsan lacht: “Die toren heeft geluk, want hij staat ver buiten het aardbevingsgebied. Maar als ingenieur vind ik hem wel bedenkelijk scheef staan.”
Tekst: Aad van de Wijngaart
Headerfoto: RNW.org