2.1 전단시험체 구성 및 노화촉진시험

천연고무 전단시험체는 ^{KS M ISO 1827}에 따라 4개의 플레이트(Fig. 1의 1,2)에 두께 4mm, 너비 25mm, 길이 25mm인 4개의 고무시편(Fig. 1의 4)을 부착한 이중 샌드위치 배열로 제작하였다(Fig. 1). 모든 시험체는 Table 2와 같이 노화촉진온도(3가지)와 노출시간(10가지)을 변수로 하였으며 동일한 노화조건(노화촉진온도 및 노출시간별)에 시험체를 4개씩 제작하여 총 120개의 시험체를 제작하였다.

^{KS M ISO 1134}6에서는 열-산화 노화에 의한 재료특성을 분석하기 위해서는 최소한 3가지 이상의 온도를 선택하고 노출시간은 명확히 제시하고 있지는 않지만 충분한 특성이 나타날 수 있도록 적당한 노출시간을 정하도록 하고 있다. 따라서 이 연구에서는 노화촉진온도 변수를 70℃, 80℃, 90℃로 정하고, 노출시간은 Fresh(노화 촉진을 하지 않은 시험체)를 포함하여 10단계로 결정하였다. 노화촉진시험은 KS M ISO 188에 따라 강제 공기 순환형 건조기 3개(70℃, 80℃, 90℃)를 이용하여 Table 2와 같이 3일~168일까지 수행하였다.

Fig. 1 Design of test specimen

2.2 전단성능시험

50kN 용량의 만능재료시험기(UTM)을 사용하여 하중-변위를 측정하였으며, 하중은 변위제어로 ^{KS M ISO 1827}에 따라 5mm/min의 재하속도로 시험체가 파단될 때까지 재하하였다. Fig. 2는 시험체 설치모습과 파단된 시험체 형상이다.

Fig. 2 Installation of specimen

2.3 시험결과 및 분석

Figs. 3~5는 50kN 노화촉진온도별(70℃, 80℃, 90℃)로 동일한 노출시간을 갖는 4개 시험체의 하중-변위 데이터를 응력-변형률 곡선으로 각각 나타낸 것이다. 응력-변형률 관계곡선을 보면 동일한 노후조건의 시험체라도 최대응력과 최대응력 시 변형률은 상당한 변동성을 보이지만 최대응력에 도달하기 전에는 큰 변동성을 나타내지 않는 것으로 파악된다. 고무재료의 파단 시 최대응력과 최대응력 시 변형률은 변동성이 매우 크기 때문에 실제 탄성받침은 제조사에서 상시 전단변형률 70%~75%, 지진 시 전단변형률 150%를 제시하고 있으며 ^{KS M ISO 1827}에서는 전단탄성계수(G)를 25% 전단변형에서 측정하도록 하고 있다.

Figs. 3~5의 응력-변형률 곡선을 분석해 보면 노출온도가 높을수록 노출시간이 길수록 최대응력과 최대응력 시 변형률이 크게 줄어들고 있다. Fig. 5의 노출온도 90℃에 대한 응력-변형률 곡선을 보면, 노출시간 28일부터는 최대응력 이후로 소성거동이 일부 나타나기도 하는 것으로 보인다.

Table 3~5는 노출시간별로 최대응력(Ultimate Stress)과 최대응력 시 변형률(Strain at Ultimate Stress)의 평균과 평균응력비(Stress Ratio) 및 평균변형률비(Strain Ratio)를 나타낸 것이다. Fresh 대비 50%이하로 저하되는 노출시간을 살펴보면 노화촉진온도 70℃에서는 168일, 노출시간에 대해서 최대응력이 Fresh 대비 50%이하로 저하되지 않았으며, 최대응력 시 변형률은 노출시간 168일에서 Fresh 대비 50%이하로 저하되었다. 노화촉진온도 80℃에서는 최대응력은 112일, 최대응력 시 변형률은 84일에서 Fresh 대비 50%이하로 저하되었다. 노화촉진온도 90℃에서는 최대응력과 최대응력 시 변형률 모두 28일에서 Fresh 대비 50%이하로 저하되었다.

Fig. 6은 Figs. 3~5에서 변동성이 큰 최대응력 발생구간을 제외하고 전단변형률 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300%에 대해서 노화촉진온도별 노출시간에 따른 평균전단응력을 표시한 것이다. 동일 변형률에서 노출시간이 늘어날수록 전단응력이 증가하는 현상을 확인할 수 있으며 이는 천연고무 재료가 열화에 의해 경화됨으로써 발생되는 현상이다.

Fig. 3 Shear stress-strain curve of aged natural rubber(70℃)

Fig. 4 Shear stress-strain curve of aged natural rubber(80℃)

Fig. 5 Shear stress-strain curve of aged natural rubber(90℃)

Fig. 6 Shear stress-strain curves at different aging

2.4 노후촉진에 의한 강성변화

노화촉진온도(70℃, 80℃, 90℃) 및 노출시간(10가지)에 따른 전단강성의 변화를 분석하였다. 전단강성은 Fig. 7과 같이 하중-변위 곡선에서 원점에서 전단변형률 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300%에 해당되는 하중-변위의 기울기로 계산하였다.

Fig. 8은 각각의 전단변형률에서 노출시간에 따른 전단강성 변화를 나타낸 것으로 노출시간이 길수록 전단강성은 증가하며, 이는 노화가 진행될수록 강성이 증가한다고 볼 수 있다. 일반적으로 대부분의 재료는 변형이 커질수록 강성이 줄어들지만 고무재료는 Fig. 8과 같이 전단변형률 75%~100%까지는 강성이 줄어들다가 전단변형률 75%~100% 이후부터는 다시 강성이 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 노화된 고무와 Fresh한 고무 모두 동일하게 나타난다. 이러한 현상은 Fig. 6에서도 확인할 수 있다.

Fig. 9는 각각의 전단변형률(25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300%) 단계에서 노출시간에 따른 전단강성(Shear Stiffness)과 Fresh 대비 강성비(Shear Stiffness Ratio)의 변화를 나타낸 것으로 노화촉진온도가 높을수록 노출시간이 길수록 전체적으로 강성이 증가하는 것으로 나타났다. 노화촉진온도 70℃와 80℃에 노출된 시험체에 비해 노화촉진온도 90℃에 노출된 시험체는 노출시간이 길어질수록 파단이 빨리 발생하여 강성을 구할 수 없는 경우가 많았다.

Table 6에서 지진 시 허용전단변형률인 150%에서의 전단강성을 분석해보면, 노출시간 28일째 Fresh 대비 전단강성비는 노화촉진온도 70℃, 80℃, 90℃에서 각각 1.66배, 1.73배, 2.19배 증가하는 것으로 나타났다. 상시의 허용전단변형률인 75%에서 노출시간 28일째 Fresh 대비 전단강성비는 노화촉진온도 70℃, 80℃, 90℃에서 각각 1.57배, 1.61배, 2.05배 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 ^{KS M ISO 1827}에 따라 전단탄성계수를 산정(전단변형률 25%일 때) 하면 노출시간 168일째 Fresh 대비 전단강성비는 노화촉진온도 70℃, 80℃, 90℃에서 각각 2.00배, 2.08배, 3.03배 증가하는 것으로 나타났다.

이상에서와 같이 탄성받침의 고무재료의 하나인 천연고무는 노화가 진행될수록(노화촉진온도와 노출시간이 증가) 전단강성이 증가하여 경화됨을 알 수 있다. 탄성받침은 유연한 강성으로 교량의 진동주기를 늘려 설계지진력을 감소시키는 기능을 하지만 고무재료의 노화(경화)로 인한 전단강성의 증가는 교량의 진동주기를 감소시켜 지진력을 증가시키는 요인이 되기도 한다. 노화가 진행될수록 전단강성의 증가는 더 크게 발생할 수 있으며 이런 전단강성의 증가는 공용기간이 길어질수록 교량의 내진성능 저하될 수 있음을 의미한다. 다만, 탄성받침은 순수하게 고무로만 형성되는 것이 아니고 고무와 강재 보강판이 적층으로 구성되기 때문에 탄성받침에서의 전단강성의 변화율은 이러한 고무재료의 전단탄성의 변화율 보다는 작을 것이라고 충분히 예측할 수 있다. 추후 고무재료와 동일한 노후조건에서의 탄성받침의 전단변형률 특성 변화에 관한 연구가 필요하다.

Fig. 7 Shear stiffness at origin($k_{h}$)

Fig. 8 Shear stiffness change at different aging

Fig. 9 Shear stiffness ratio change at each strain level