The horizontal relative displacement of high-rise building structures is the major indicator to the structural safety. It is, however, difficult to directly measure the displacement of flexible high-rise buildings. In this paper, a real-time displacement measurement method for high-rise buildings is presented by means of successive estimation of relative displacement and rotational angle using a multi-channel digital image processing technique. First, two Cameras are installed on ground level aiming at two targets at different floors respectively. At the close target location, additional two Cameras are installed and one of them is aiming the target which is directed by the first Camera, and the other Camera is aiming another target located at higher location than the previous two targets. Since the same target is observed with two Cameras at different floors, the rotational angle at the Camera location in-between can be calculated based on the redundant displacement value together with the information on distances from each Camera to the target. After estimating the rotational angle, the relative displacement measured by each Camera can be reconstructed to global displacement. By using this two-Camera based subsystem in series, the global horizontal displacement at the top floor can be finally obtained. To experimentally verify the effectiveness of the proposed method, several sets of targets and Cameras are installed on a full-scale five-story building frame structure, and a series of the experimental tests are conducted
본 논문은 기존의 초고층 건물이나 장대 교량의 동적 변위를 측정하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 대형 구조물을 분절화 하여 각각의 변위를 합산하는 방식으로 접근하였다. 만일 건물이 이상적으로 전단변형만 한다면 건물을 여러 구간으로 나누어 각각 변위를 더해주어 최종적인 변위를 산출할 수 있다. 하지만, 실제 대형 구조물의 변형은 휨 변형으로 단순한 합 만으로는 변위를 산출할 수 없게 된다. 본 연구에서는 변위측정을 위해 영상처리 방법을 사용하였는데, 건물의 휨 변형은 영상의 설치각도 변화를 초래하게 되어 장거리 측량 시 상당량의 오차를 내포하게 된다. 이러한 휨 변형으로 인한 영상기기의 회전변화를 알기 위해 여분의 카메라를 장착하여 같은 타겟을 2대의 카메라가 관찰하면서 생기는 중복성을 이용하여 카메라의 회전요소를 보정하고 최종변위를 산출하는 새로운 방식을 본 논문에서 제안하였다. 본 방식은 건물이나 교량의 동적 변위 측량에 적용될 수 있으며 실험적인 검증을 통해 정확성이 검증되었다. 실험은 우선 실내에서 영상처리 방식과 레이저 변위계와의 비교를 통해 정확성이 검증되었다. 그 다음으로 본 제안된 방식을 유연한 강철 보와 화상 캠을 이용하여 보의 각도변화를 추정하여 이를 통해 최종변위를 산출하였으며 레이저 변위계와의 비교를 한 결과 제안된 방식은 1%이내의 오차를 보여주어 제안된 방식의 타당성을 입증하였다.
마지막 실험으로는 본 방식을 실제의 건물에 적용하기 위하여 모달 테스팅 타워에서 실규모 실험을 수행하였다. 모달 테스팅 타워의 상단에 위치한 가진기를 통하여 사인하중과 백색 잡음을 입력하중으로 하여 카메라를 통해 변위를 측정하여 데이터를 처리하였다. 데이터의 정확성을 검증하기 위하여 외부에 망원렌즈를 장착한 카메라를 통해 비교를 하였으며 그 결과 외부에서 한번에 측정한 값과 본 방식을 통해 얻어진 값의 오차가 0.29mm, 0.34mm으로 기존의 GPS의 1cm에 비해 본 방식의 정밀함이 검증되었다.
