진동대 가진 골조 실험체에 대한 스테레오 화상정보 기반 3차원 변위 계측 및 동특성 평가
Stereo Vision-Based 3D Displacement Measurement and Modal Analysis of a Shaking Table-Excited Frame Structure
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초록
본 연구에서는 구조물의 동특성 평가를 위한 스테레오 화상정보 기반 비접촉식 변위 계측 시스템을 제안하고, 이를 실험적으로 검증하였다. 4층 규모의 골조 실험체에 대해 5종의 지진파를 각각 세 가지 최대지반가속도(PGA) 수준(0.1g, 0.3g, 0.5g)으로 단축 진동대 가진 실험을 수행하였다. 고해상도 듀얼 카메라로 구성된 스테레오 화상정보 계측 시스템은 재투영 오차 최소화 및 실험체 기반 좌표계 정합을 포함한단계별 최적화 절차를 통해 정밀하게 캘리브레이션하였다. 화상정보 기반으로 도출된 변위를 Wire LVDT 및 가속도계 계측 결과와 정량적으로 비교하였으며, 모든 실험 조건에서 최대 변위 오차는 ±2 mm 이내, 평균 제곱근 오차(RMSE)는 1.06 mm로 나타났다. 스테레오 화상정보로부터 산정된 주파수응답함수(FRF)를 통해 고유진동수 및 모드형상을 도출하였으며, 가속도계 계측 결과와 높은 상관성을 보였고 대부분의 모드에서 형상 유사도(MAC)가 0.9 이상을 기록하였다. 또한 Half-power bandwidth 기법을 이용하여 감쇠비를 추정하고 Rayleigh 감쇠모델과 비교하였다. 결과적으로 본 3차원 스테레오 화상정보 계측 시스템은 중대형 구조물의 실험적 모달 해석에 충분한 정밀도와 해상도를 제공함이입증되었으며, 구조건전성 모니터링에 적용 가능성을 확인하였다.
Abstract
This study presents and validates a stereo vision-based non-contact system for measuring the dynamic responses of structures. A four-story steel frame specimen was tested on a uniaxial shaking table using five types of ground motions scaled to three peak ground acceleration (PGA) levels (0.1g, 0.3g, and 0.5g). The stereo vision measurement system, comprising synchronized high-resolution cameras, was calibrated through reprojection error minimization and coordinate alignment using physical reference points on the specimen. Vision-based displacement measurements were quantitatively compared with wire-type LVDTs and accelerometers, showing maximum errors within ±2 mm and an average root mean square error (RMSE) of 1.06 mm. Frequency response functions (FRFs) were derived from the vision data to extract natural frequencies and mode shapes, which closely matched accelerometer-based modal results, achieving modal assurance criterion (MAC) values above 0.9 in most modes. Damping ratios were also estimated using the half-power bandwidth method and compared with Rayleigh damping models. The findings demonstrate that the proposed stereo vision-based system provides sufficient accuracy and resolution for experimental modal analysis of multi-story structural frames and offers potential for application in structural health monitoring.