يُعد معامل المرونة الديناميكي للخرسانة مؤشراً مهماً لتقييم صلابة الخرسانة وحالتها الداخلية ومتانتها. وعلى عكس اختبار المعامل الساكن -الذي يقيس التشوه الناجم عن أحمال ميكانيكية تُطبَّق تدريجياً- فإن اختبار المعامل الديناميكي يقيّم استجابة عينة الخرسانة للاهتزاز، وذلك عادةً عن طريق قياس تردد الرنين الخاص بها.

وتُعد طريقة الرنين مفيدة بشكل خاص لمراقبة الخرسانة المعرضة لدورات التجمد والذوبان، والهجمات الكيميائية، وعوامل التجوية، وغيرها من الظروف المؤثرة على المتانة؛ إذ يمكن أن تكون التغيرات في تردد الرنين حساسة للعيوب الداخلية -مثل الشقوق الدقيقة والمسام- مما يجعل من اختبار المعامل الديناميكي وسيلة فعالة لتقييم التغيرات في أداء الخرسانة.

1. ما هو معامل المرونة الديناميكي للخرسانة؟

يصف معامل المرونة الديناميكي صلابة الخرسانة عند تعرضها لأحمال ديناميكية أو اهتزازية. وعادةً ما يتم تحديد هذا المعامل استناداً إلى التردد الرنيني لعينة خرسانية، إلى جانب كتلتها وأبعادها وكثافتها وعوامل الحساب ذات الصلة.

نظراً لأن الاختبار الديناميكي ينطوي على انفعالات صغيرة جداً، فإنه لا يتسبب عادةً في حدوث أضرار دائمة وملموسة في العينة. وعادةً ما تكون قيمة المعامل الديناميكي -التي يتم الحصول عليها باستخدام طريقة الرنين- أعلى من قيمة المعامل الاستاتيكي الذي يُحدد عبر اختبارات الإجهاد والانفعال التقليدية.

ومن ثم، فإن اختبار المعامل الديناميكي لا يقتصر في فائدته على تحديد الصلابة الديناميكية للخرسانة فحسب، بل يمتد ليشمل مراقبة التغيرات في الحالة الداخلية للخرسانة أثناء اختبارات المتانة.

2. ما هو المعيار المستخدم لتحديد معامل المرونة الديناميكي للخرسانة؟

يُعد المعيار الدولي ASTM C215-19 مرجعاً هاماً، وهو يمثل "طريقة الاختبار القياسية لترددات الرنين الأساسية المستعرضة والطولية والالتوائية لعينات الخرسانة".

تُعنى المواصفة ASTM C215 بقياس ترددات الرنين الأساسية المستعرضة والطولية والالتوائية لعناصر الخرسانة ذات الشكل المنشوري والأسطواني؛ ويمكن استخدام هذه القياسات لحساب كل من معامل يونغ الديناميكي، ومعامل القص الديناميكي، ونسبة بواسون الديناميكية.

يُعد هذا المعيار مفيداً أيضاً لرصد التغيرات في خصائص الخرسانة أثناء اختبارات العوامل الجوية والمتانة. وعند إجراء اختبار معامل المرونة الديناميكي، ينبغي ضبط أبعاد العينة وشكلها وحالتها من حيث الرطوبة ونمط الاهتزاز بشكل دقيق؛ نظراً لأن هذه العوامل قد تؤثر على النتائج المقاسة.

3. كيف تعمل طريقة الرنين؟

تتمثل المبادئ الأساسية لطريقة الرنين في إثارة عينة خرسانية وتحديد ترددها الطبيعي أو تردد الرنين الخاص بها.

عندما يقترب تردد الإثارة من التردد الطبيعي للعينة، تصل استجابة الاهتزاز إلى قيمتها القصوى؛ ويُعرف هذا التردد باسم "تردد الرنين".

واعتماداً على إعدادات الاختبار، يمكن تقييم العينة باستخدام:

الرنين المستعرض؛

الرنين الطولي؛

الرنين الالتوائي.

بعد تحديد تردد الرنين، يتم استخدامه -بالاقتران مع الخصائص الفيزيائية للعينة ومعادلة الحساب المناسبة- لاستنتاج معامل المرونة الديناميكي.

وتُعد طريقة الرنين مفيدة بشكل خاص لدراسات المتانة، إذ تتيح إجراء قياسات متكررة على العينة نفسها لرصد التغيرات في خصائصها الديناميكية.

4. كيف يُحسَب معامل المرونة الديناميكي للخرسانة؟

تعتمد عملية الحساب على هندسة العينة ونمط الاهتزاز المختار. وبشكل عام، يرتبط معامل المرونة الديناميكي بمربع التردد الرنيني، وكثافة العينة، وعامل هندسي أو تصحيحي مناسب.

ويمكن التعبير عن العلاقة المبسطة بالصيغة التالية:

معامل المرونة الديناميكي يتناسب طردياً مع: الكثافة × (التردد الرنيني)² × عامل التصحيح

لذا، يُعد القياس الدقيق للتردد الرنيني أمراً جوهرياً للحصول على نتائج موثوقة لمعامل المرونة الديناميكي.

في الاختبار المعتاد، يسجل القائم بالاختبار أبعاد العينة وكتلتها، ويحدد تردد الرنين الخاص بها، ثم يستخدم إجراء الحساب المناسب لاستخراج معامل المرونة الديناميكي.

تُحدد المواصفة ASTM C215 إجراءات حسابية محددة تتناسب مع مختلف أشكال العينات وأنماط الرنين؛ ولا ينبغي مقارنة القيم الناتجة إلا في حال توفر اتساق في ظروف الاختبار وطرق الحساب.

5. كيفية إجراء اختبار معامل المرونة الديناميكي للخرسانة؟

يتضمن الاختبار النموذجي القائم على الرنين الخطوات التالية:

الخطوة 1: تجهيز العينة

يتم تجهيز عينة خرسانية على شكل منشور أو أسطوانة وفقاً لمتطلبات الاختبار المعمول بها، مع تسجيل أبعادها وكتلتها وعمرها وظروف معالجتها وحالتها من حيث الرطوبة.

الخطوة 2: وضع العينة

توضع العينة على دعامات مناسبة تتوافق مع نمط الاهتزاز المختار؛ إذ تُعد ظروف الدعم السليمة أمراً بالغ الأهمية نظراً لتأثيرها المحتمل على قيمة تردد الرنين المقاس.

الخطوة 3: تطبيق الإثارة الديناميكية

يتم إثارة العينة باستخدام نظام الإثارة المناسب. واعتماداً على المعدات وطريقة الاختبار، يمكن استخدام الاهتزاز القسري أو الإثارة بالصدم.

الخطوة 4: قياس تردد الرنين

يتم تحديد التردد الذي تُظهر عنده العينة أقصى استجابة اهتزازية.

الخطوة 5: حساب المعامل الديناميكي

يتم استخدام تردد الرنين المقاس، إلى جانب كتلة العينة وأبعادها وكثافتها ومعاملات التصحيح المناسبة، لحساب معامل المرونة الديناميكي.

الخطوة 6: تسجيل النتائج وتحليلها

سجّل نتائج الاختبار وقارنها بالقياسات الأولية أو القياسات التي تم الحصول عليها بعد التعرض لاختبارات المتانة.

6. كيف يُستخدم المعامل الديناميكي لتقييم متانة الخرسانة؟

تُعد عملية اختبار معامل المرونة الديناميكي واحدة من أهم التطبيقات لتقييم تدهور الخرسانة أثناء دورات التجمد والذوبان.

إذ يمكن أن تؤدي عمليات التجمد والذوبان المتكررة إلى نشوء إجهادات داخلية وتكون تشققات دقيقة في الخرسانة؛ ومع تزايد الضرر الداخلي، قد تتغير خصائص الصلابة والاهتزاز للعينة، مما يسفر عن انخفاض في التردد الرنيني ومعامل المرونة الديناميكي.

وفي دراسات المتانة، غالباً ما يُستخدم "معامل المرونة الديناميكي النسبي" (RDM) لرصد التغيرات في أداء الخرسانة.

من العلاقات شائعة الاستخدام:

RDM = (fₙ / f₀)² × 100%

حيث:

• fₙ = التردد الرنيني بعد عدد محدد من دورات التعرض أو دورات التجمد والذوبان

• f₀ = التردد الرنيني الأولي قبل التعرض

يشير انخفاض معامل المرونة الديناميكي النسبي عموماً إلى تدهور داخلي تدريجي في عينة الخرسانة.

وهذا ما يجعل اختبار معامل المرونة الديناميكي مفيداً بشكل خاص لتقييم متانة الخرسانة المعرضة لدورات متكررة من التجمد والذوبان وظروف بيئية أخرى.

7. ما الفرق بين معامل المرونة الديناميكي ومعامل المرونة الساكن للخرسانة؟

تُقيِّم اختبارات معامل المرونة الديناميكي والاستاتيكي الخرسانةَ تحت ظروف تحميل مختلفة، وتوفر أنواعاً متباينة من المعلومات حول خصائص المادة.

وعادةً ما يتم تحديد معامل المرونة الديناميكي باستخدام طريقة تعتمد على الرنين؛ إذ تُعرَّض العينة لإثارة ديناميكية ويُقاس تردد الرنين الخاص بها. ونظراً لأن التشوه الحاصل يكون ضئيلاً للغاية، يمكن إجراء الاختبار بشكل متكرر لرصد التغيرات التي تطرأ على العينة دون التسبب في تشوه دائم ملموس.

من ناحية أخرى، يُحدد معامل المرونة الساكن عادةً بناءً على العلاقة بين الإجهاد والانفعال للخرسانة عند تعرضها لأحمال ميكانيكية. وتُعد المواصفة القياسية ASTM C469/C469M مرجعاً شائع الاستخدام لتحديد كل من معامل المرونة الساكن ونسبة "بواسون" للخرسانة تحت تأثير أحمال الضغط.

وبشكل عام، تكون قيمة المعامل الديناميكي أعلى من قيمة المعامل الساكن؛ إذ يتأثر هذا الفرق بعوامل عدة، مثل مستوى الانفعال، وتردد التحميل، وحالة الرطوبة، وتركيبة الخرسانة، وحالة العينة، ووجود تشققات دقيقة داخلية.

لذا، لا ينبغي استخدام قيمة المعامل الديناميكي كبديل مباشر لقيمة المعامل الساكن (أو العكس)، بل يجب اختيار القيمة المناسبة وفقاً لغرض الاختبار والمواصفة القياسية المطبقة.

خاتمة

يمكن تحديد معامل المرونة الديناميكي للخرسانة عن طريق قياس تردد الرنين لعينة خرسانية وتطبيق إجراءات الحساب المناسبة، وذلك استناداً إلى الخصائص الفيزيائية للعينة ونمط الاهتزاز الخاص بها.

وتُعد طريقة الرنين وسيلةً عمليةً لتقييم الصلابة الديناميكية للخرسانة ومراقبة التغيرات في حالتها الداخلية؛ إذ تكتسب أهمية خاصة في اختبارات التجمد والذوبان، وتقييم المتانة، ومراقبة تدهور الخرسانة.

من خلال القياس المتكرر للتردد الرنيني ومعامل المرونة الديناميكي لنفس العينة، يمكن للمختبرات تحديد التغيرات في خصائص الخرسانة أثناء اختبارات المتانة والحصول على معلومات مفيدة حول أدائها على المدى الطويل.

صُمم جهاز TD50082-5 لاختبار معامل المرونة الديناميكي للخرسانة ليقوم تلقائياً بقياس التردد ومعالجة البيانات وحساب معامل المرونة الديناميكي؛ حيث يوفر حلاً مختبرياً فعالاً لتقييم الخصائص الديناميكية والتغيرات المرتبطة بالمتانة في الخرسانة والمواد الأخرى الملائمة.

المعيار المرجعي: ASTM C215-19