Techniques innovantes de mesure par cameras en extérieur pour l'analyse vibratoire des bâtiments en bois

Innovative video-based techniques for outdoor vibration analysis of timber buildings

• Auteur / Autrice : Yunhyeok Han
• Direction : Franck Renaud, Stefania Lo Feudo, Gwendal Cumunel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides et des structures
• Date : Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Quartz (Saint-Ouen, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Wattrisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Noël Périé, Gaël Chevallier, Lucie Rouleau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Noël Périé, Gaël Chevallier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions en bois

Constructions -- Dynamique

Vibrations

Vision par ordinateur

Mots clés libres

Vision par ordinateur

Mesures par caméras

Vibration

Dynamique des structures

Bâtiment bois

Mesure de champs

Computer vision

Video-Based measurements

Vibration

Structural dynamics

Wooden building

Full-Field measurements

Résumé

Les structures en bois de grande hauteur rencontrent un intérêt croissant en raison de leur durabilité, de leur aspect esthétique et du développement de produits d'ingénierie en bois. De plus, les normes de construction pour ces bâtiments sont quasi inexistantes. Comme ces bâtiments ont un comportement mécanique différent des structures conventionnelles, l'analyse dynamique devient plus critique pour évaluer leur intégrité structurelle et contrôler leurs vibrations dans des conditions sévères. Par ailleurs, les méthodes utilisant des capteurs traditionnels présentent des limites pour la mesure des champs de vibrations, en particulier pour les grandes structures. Les recherches se dirigent donc vers l'application de techniques basées sur la vidéo pouvant mesurer les vibrations. Dans ce contexte, le projet ANR DynaTimberEyes a été proposé, dont l'objectif est d'étudier le comportement dynamique des bâtiments en bois de grande hauteur à l'aide de modélisations numériques et de techniques d'identification optique. En particulier, cette thèse a été réalisée dans le but de développer une méthodologie pour la mesure des vibrations en plein champ à l'aide d'un réseau de caméras. Pour cela, cinq étapes sont nécessaires : (1) étalonnage, (2) synchronisation, (3) acquisition vidéo, (4) suivi de cibles, et (5) calcul des déplacements en 3D. Tout d'abord, une étude bibliographique a été menée pour établir la base de chaque étape et explorer plusieurs méthodes disponibles avec leurs applications. Une étude de cas portant sur une grue a été réalisée, car elle présente des similarités avec les structures en bois de grande hauteur. Dans ce cas, les difficultés rencontrées pour ce type de structures sont décrites, telles que celles liées à l'étalonnage/la distorsion, à la synchronisation et au suivi de cibles. Dans cette thèse, chaque problème est adressé et étudié en appliquant des méthodes existantes avec validation ou en proposant une nouvelle solution. La première étude est l'application et la validation d'une technique d'étalonnage de haute précision pour la correction de la distorsion des optiques. La distorsion de l'objectif est un problème critique dans les mesures par caméra, en particulier lorsqu'une précision inférieure au pixel est requise, comme c'est le cas dans cette thèse. Une méthode peu classique de harpe d'étalonnage combinée à une méthode plus conventionnelle a été appliquée. L'influence de l'erreur de distorsion et l'efficacité des méthodes de correction dans la mesure de champs de déplacements ont été étudiées expérimentalement. Une autre contribution est l'introduction d'une méthode d'horodatage des images utilisant des signaux lumineux codés. La synchronisation est un problème dans les systèmes multi-caméras, en particulier lorsque les connexions physiques entre les caméras ne sont pas pratiques. La méthode de signaux lumineux codés permet de reconstruire l'horodatage des images déjà capturées à partir d'une référence temporelle. La précision de la méthode proposée a été testée en laboratoire et dans des conditions extérieures lors de mesures sur la grue. Pour le suivi de cibles, une méthode de suivi de segments de ligne a été développée pour améliorer la robustesse du suivi dans des environnements extérieurs avec une luminosité variable. Les méthodes conventionnelles, telles que le flux optique Lucas-Kanade (LK) ou la corrélation d'images numériques (CIN), ont des limites en présence de perturbations de luminosité. La méthode proposée, qui permet de suivre des segments de ligne afin de mesurer le déplacement de leurs intersections, est plus résiliente à ces perturbations. La quantification de l'erreur de cette méthode a été réalisée sur des images synthétiques et dans des conditions de laboratoire. La méthode a également été validée avec des données accéléromètriques classiques sur le cas de la grue. Enfin, deux études de cas sur des structures en bois sont présentées pour démontrer le potentiel des méthodes proposées.

Recently, there has been a growing interest in high-rise timber structures due to their sustainability, aesthetic aspects, and the development of engineered wood products. Construction norms for this kind of structure are currently lacking. As these high-rise timber buildings have different mechanical behavior compared with conventional structures, the need for robust dynamic analysis becomes more critical to assess their structural integrity and to control their vibration under severe loading conditions. Moreover, traditional sensor-based methods have limitations for full-field vibration measurement, especially for large structures, which has led to research into the application of video-based techniques that can measure three-dimensional structural vibration. In this context, the ANR project “DynaTimberEyes” is proposed, which aims to study the dynamic behavior of high-rise timber buildings through numerical modeling and optical identification techniques. In particular, this thesis was carried out to develop a methodology for full-field vibration measurement using a camera network. For this purpose, a five-step procedure is followed: (1) camera calibration, (2) camera synchronization, (3) video acquisition, (4) target tracking, and (5) 3D displacement calculation. First, a bibliographic study was conducted to establish each step's background and explore several available methods. Following the established procedure, the existing studies' applications of camera-based displacement measurement techniques for large structures are listed. A case study of a tower crane was used as the first case study because this test conditions are similar to those of a real high-rise timber structure. In this case, the challenges encountered in relation to large structures are described, such as calibration/distortion, synchronization, and target tracking. In this thesis, each challenge is addressed and studied by applying existing methods with validation or by proposing new ones. The first contribution is applying and validating a high-precision calibration technique for lens distortion correction. Lens distortion is a critical issue in camera-based measurements, especially when sub-pixel accuracy is required, such as in displacement measurements of large structures. In this thesis, a calibration harp method combined with a more conventional method is applied. The influence of distortion error and the effectiveness of distortion correction methods in full-field displacement measurement are experimentally investigated. Another contribution is introducing a frame timestamping method using coded light signals. Synchronization is a major issue in multi-camera systems, especially when physical connections between cameras are impractical. The coded light signal method allows the reconstruction of the timestamp of already captured frames within a reference clock. The accuracy of the proposed method is tested in laboratory and in outdoor conditions for the case of the tower crane. A robust line segment tracking method is also developed that improves the robustness of the target tracking method in uncontrolled environments. Conventional methods, such as Lucas-Kanade (LK) optical flow or Digital Image Correlation (DIC), have limitations in the presence of brightness disturbances. The proposed method, which tracks line segments to measure the displacement of their intersections, is more resilient to such disturbances. The error quantification of the proposed method is performed on synthetic images and under laboratory conditions. This method is also validated with classical accelerometer data on the tower crane tests. Finally, two application studies on timber structures are presented to demonstrate the potential of the proposed camera-based dynamic analysis methods.