مفاهيم الخصائص للمواد الهندسية
في الهندسة الإنشائية، يتم توصيف المواد بخصائص محددة تعكس سلوكها تحت الأحمال المختلفة، هذه الخصائص بالإمكان تقديرها أو تحديدها عن طريق اختبار تلك المواد تحت أحمال مختلفة. تتشارك المواد في بعض الخصائص وتتباين في خصائص أخرى، وبناء على تلك الخصائص يتم تحديد المادة الأنسب للتطبيق الهندسي المرغوب، فمثلا الخرسانة لديها خصائص تناسب ظروف بيئية محددة قد لا تناسب حديد الإنشاء مثلا، والعكس صحيح.
فيما يلي سأتطرق لأهم الخصائص الهندسية وتوضيحها بشكل مبسطمبدئيا يمكن تصنيف المواد إلى نوعين مختلفين بناء على مرونتها
- مواد ذات ممطولية عاليه Ductile Materials
وهي المواد التي تظهر مقدارا عاليا من التشوهات/ الاستطالة قل الفشل، ومن أهم هذه المواد هي الحديد والبلاستيك
- مواد قصفه (هشه) Brittle Materials
وهي المواد التي تفشل بشكل فجائي دون أن يظهر عليها تشوهات/ استطالة عالية، ومن أهم الأمثلة عليها، الزجاج والخرسانة والسيراميك
سلوك المواد
- مواد ذات سلوك مرن Elastic Materials
السلوك المرن يعني أن المادة تقوم بمومة التشوهات او الاجهادات ثم العودة الى وضعها قبل التحميل كشكل وحجم دون تغير وذلك بعد ازالة الاحمال ودون ان تتاثر بمعدل التحميل.
بعض المواد تظهر هذا السلوك تحت الاجهادات الصغيره ولكن مع زيادة تلك الاحمال او الاجهادت، تبدأ المادة بالتشوه الذي يبقى حتى مع ازالة التحميل (التشوهات الدائمة)
السلوك المرن قد يكون سلوكا خطيا بمعنى ان الاجهاد Stress يتناسب طرديا مع زيادة الانفعال Strain وهذا ما يعرف بقانون هوك Hook's Law
معاير المرونة Modulus of Elasticity
وهي نسبة معبرة عن العلاقة بين الاجهاد والانفعال للمواد تحت الاحمال المختلفة، وهذه النسبة تعبر عن مدى مرونة المادة وتعطي فكرة عن مفهوم القساوة Stiffness وهي تعبير عن قدرة تحمل المادة للاحمال ضمن تشوهات صغيرة، فكلما زادت قساوة المادة كلما زادت قدرتها على تحمل احمال عالية ضمن تشوهات محدودة جدا،
Hook's Law: E = σ ε
E: Modulus of Elasticity
σ: Stress
ε: Strain
وبالمقابل يمكن ان يكون السلوك المرن لاخطياً، بمعنى ان الاجهاد ليس بالضرورة ان يتناسب طرديا مع الانفعال.
- مواد ذات سلوك لدن Plastic Materials
اللدونة تعني ان التشوهات التي تحدث للمادة تحت حمل او اجهاد معين، لا يمكن ان تزول بعد ازالة الاحمال، بمعنى انها تشوهات دائمة تبقى في المادة، وتعود فقط التشوهات المرنة Elastic deformations، بحيث يظل هناك تشوه باقي وهو التشوه اللدن Plastic deformation
هناك مواد ايضا تظهر تشوهات تحت تأثير الزمن، واهم هذه التشوهات ما يٌعرف بالزحف للخرسانة وكذلك الاسترخاء لحديد تسليح الخرسانة مسبقة الشد
- الزحف Creep
ويعرف بأنه معدل التشوهات بالنسبة للزمن، هناك نسبة محددة دائمة من الحمل ما يسمى Sustained load وهل تُسبب انفعالات او تشوهات تزداد مع الزمن رغم ثبوت الحمل عند مقدار محدد
- الاسترخاء Relaxation
وهنا يحدث العكس، تحت انفعال او تشوه ثابت، بمرور الزمن يتناقص الحمل او الاجهادا المطبق على ذلك العنصر (المادة) عما كان عليه بداية التحميل والتي تسببت في تشوهات او انفعال محدد بداية التحميل
سلوك المواد تحت اجهادات الكلل (التحميل المتكرر) Fatiuge Behavior
عند تحميل المواد بأحمال صغيره، فهذه عادة لا يؤثر عليها، ولكن عندما تكون تلك الاحمال الصغيره متكررة لعدة مرات ضمن فترة زمنية، وهنا نتحدث عن تكرار ملايين المرات، فإنها تسبب ما يعرف بإجهادات الكلل او التعب Fatigue stress
علي سبيل المثال حديد التسليح المترابط مع الخرسانة، مع احمال الجسور الناتجة من حركة المركبات، قد يحدث تناقص في الترابط يمكن ان يؤدي الى فشل المنشأ نتيجة الحمل المتكرر ملايين المرات على مدار عمر المنشأ، وهناك حد لهذه الاجهادات او الانفعالات والتي ضمنها يمكن للمادة تحمل اجهادات الكلل دون ان يتسبب ذلك في انهيارها او حدوث فشل وهي ما تعرف ب حد التحمل Endurance Limit
هناك العديد من الخصائص ايضا سيتم توضيحها في مقالات قادمة
