Structural Dynamic Deflection Measurement With Range Cameras

• Published in: Photogrammetric record Vol. 29; no. 145; pp. 89 - 107
• Main Authors: Qi, Xiaojuan, Lichti, Derek D., El-Badry, Mamdouh, Chan, Ting On, El-Halawany, Sherif Ibrahim, Lahamy, Hervé, Steward, Jeremy
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Nottingham Blackwell Publishing Ltd 01.03.2014; Wiley Subscription Services, Inc
• Subjects: Cameras; civil engineering infrastructure; close range photogrammetry; Deflection; Displacement measurement; dynamic deflection measurement; Dynamical systems; Dynamics; Fatigue (materials); Measurement techniques; range camera; Reinforced concrete; Sensors; Three dimensional
• ISSN: 0031-868X; 1477-9730
• DOI: 10.1111/phor.12047

Time‐of‐flight range cameras offer numerous advantages for the measurement of dynamic phenomena, thanks to their ability to directly measure three‐dimensional coordinates of objects at video rates using only one sensor. This paper reports the results of an investigation into the development of a range camera based system for measuring the deflection of reinforced concrete beams subjected to cyclic fatigue loading. New data segmentation methods and reconstruction algorithms have been developed to reconstruct the time‐dependent displacement of the beam with sub‐millimetre amplitude and millihertz‐level frequency precision and accuracy in all three dimensions along the entire beam length. Moreover, sub‐millimetre changes in displacement measurements due to stiffness degradation caused by fatigue are also reported. Résumé Les caméras télémétriques à mesure de temps de vol présentent de nombreux avantages pour la mesure de phénomènes dynamiques, grâce à leur capacité à mesurer directement des coordonnées tridimensionnelles à cadence vidéo en utilisant un seul capteur. Cet article présente les résultats d'une recherche visant à développer un système basé sur une caméra télémétrique et destiné à mesurer les déformations de poutres en béton armé soumises à une charge périodique. De nouvelles méthodes de segmentation de données et de nouveaux algorithmes de reconstruction ont été développés pour restituer le déplacement de la poutre en fonction du temps avec une amplitude inférieure au millimètre et une précision et une exactitude de l'ordre du millihertz sur la fréquence dans les trois dimensions sur toute la longueur de la poutre. En outre, des variations inférieures au millimètre dans les déplacements mesurés, dus à une dégradation de la rigidité causée par l'effort, sont également rapportés. Zusammenfassung Mit einer Time‐of‐flight Entfernungskameras ergeben sich zahlreiche Vorteile für die Messung von dynamischen Prozessen, da 3‐dimensionale Objektkoordinaten mit nur einem Sensor mit Videofrequenz gemessen werden können. Der Beitrag berichtet vom Einsatz einer solchen Kamera für die Bestimmung von Verbiegungen von verstärkten Betonträgern, die zyklisch ermüdungsbelastet werden. Neuentwickelte Segmentierungsmethoden und Algorithmen erlauben die Rekonstruktion der zeitabhängigen Veränderungen des Trägers mit einer Amplitudengenauigkeit von unter 1 mm bei einer Frequenz im Milli‐Hertz Bereich und dies für alle drei Dimensionen über die gesamte Trägerlänge. Es wurden auch Veränderungen der Verschiebungsmessungen im Sub‐Millimeter Bereich, die durch Abbau der Steifigkeit des Trägers auf Grund von Ermüdung hervorgerufen werden, festgestellt. Resumen Cámaras Intervalo de tiempo‐de‐vuelo ofrecen numerosas ventajas para la medición de los fenómenos dinámicos, gracias a su capacidad para medir directamente las coordenadas tridimensionales de los objetos a tipos de vídeo utilizando un solo sensor. En este trabajo se presentan los resultados de una investigación sobre el desarrollo de un sistema basado en cámaras intervalo para medir la deflexión de las vigas de hormigón armado sometidos a cargas de fatiga cíclica. Nuevos métodos de segmentación de datos y algoritmos de reconstrucción se han desarrollado para reconstruir el desplazamiento dependiente del tiempo de la viga con una amplitud inferior al milímetro y la precisión de frecuencia Milihertz‐nivel, y la precisión en las tres dimensiones a lo largo de toda la longitud de la viga. Por otra parte, también se presentan cambios inferiores al milímetro en las mediciones de desplazamiento debido a la degradación de la rigidez causada por la fatiga.