1. はじめに
鉄筋コンクリート（RC）の非線形特性は、構造設計において重要な要素です。非線形特性とは、荷重が増加した際に材料が弾性範囲を超えて変形する特性のことで、RC構造物の耐震性能や挙動を正確に予測するためには、これを適切に設定する必要があります。本記事では、非線形特性の設定方法と、参照すべき基準について解説します。
2. 鉄筋コンクリートの非線形特性
RC構造物において、材料は弾性域を超えると塑性変形を示します。具体的には、鉄筋が引張で降伏し、コンクリートが圧縮でひび割れや破壊に至るプロセスが非線形挙動を表します。
2.1. 応力-ひずみ関係
非線形特性を正確に捉えるためには、コンクリートと鉄筋の応力-ひずみ関係を設定します。
- コンクリートの圧縮特性：コンクリートの応力-ひずみ曲線は、最初は直線的ですが、次第に非線形となり、最大圧縮強度に達した後、急激に強度が低下します。
- 鉄筋の引張特性：鉄筋の引張特性は、弾性領域を超えると降伏点に達し、塑性変形を始め、最終的に破断します。
3. 非線形特性の設定方法
3.1. コンクリートの非線形特性
コンクリートの非線形挙動を設定する際は、以下の基準を参考にします。
- 圧縮強度：コンクリートの設計基準強度（fcf_cfc）を基に応力-ひずみ関係を定義。多くの設計では、日本の道路橋示方書やコンクリート標準示方書を参考に、圧縮強度やひび割れ発生後の特性を設定します。
- ひび割れ挙動：ひび割れ後の残留強度を考慮し、応力低減特性を設定。
3.2. 鉄筋の非線形特性
鉄筋の応力-ひずみ曲線は、主に降伏点や塑性領域の特性が重要です。設定には以下の基準が使用されます。
- 降伏強度：鉄筋の降伏点（fyf_yfy）を基に応力-ひずみ関係を定義します。鉄筋の種類（SD295、SD345など）に応じて異なりますが、建築基準法や鉄筋コンクリート構造設計規準を参照します。
- 硬化特性：降伏後の塑性領域での硬化挙動を考慮します。これにより、建物の耐震性を高めるための設計が可能になります。
4. 設定の際に参照する基準類
非線形特性を設定する際には、以下の基準を参照することが推奨されます。
4.1. コンクリート標準示方書
日本建築学会が発行するコンクリート構造に関する設計基準。コンクリートの圧縮強度やひび割れ後の挙動を考慮した設計に必要な基準が網羅されています。
4.2. 道路橋示方書
土木構造物の設計で使用される基準で、鉄筋コンクリート橋梁の非線形挙動に関する詳細な指針が含まれています。特に耐震設計の観点で参照されます。
4.3. 建築基準法
建物の設計・施工に関する規準を定めた法令で、特に鉄筋の降伏強度や塑性変形に関する指針が記載されています。
4.4. FEM解析ソフトウェア
近年では、有限要素法（FEM）を用いた解析が広く普及しており、非線形挙動を正確に解析するためのシミュレーションが行われます。FEM解析を用いることで、応力-ひずみ関係を定量的に把握することが可能です。
5. 設計例：M-φ特性を用いた非線形設計
鉄筋コンクリートの断面特性を表すM-φ特性（曲げモーメントと曲率の関係）を基に、柱や梁の非線形挙動を解析する手法が一般的です。具体的には、柱や梁に作用する曲げモーメントに対して、その断面がどのように変形するか（曲率）を算出し、設計に反映します。
6. まとめ
鉄筋コンクリート構造の非線形特性は、耐震設計や構造安全性の確保に欠かせない要素です。非線形特性を正確に設定するためには、コンクリートと鉄筋の応力-ひずみ関係を理解し、適切な基準類を参照することが重要です。
