Snažni bočni vjetrovi mogu uzrokovati dinamičku nestabilnost vozila na mostovima, prevrnuti vozila ili uzrokovati sudar s drugim vozilima. Da bi se vozila zaštitila od utjecaja bočnog vjetra, na mostove se postavljaju zaštitni vjetrobrani. Prethodno je pokazano da vjetrobrani uspješno štite vozila od bočnog vjetra na mostovima, ali njihov utjecaj na aerodinamička i aeroelastična svojstva mostova dosad nije istražen, što je izrazito bitno ispitati za viseće i ovješene koji su karakterizirani niskim vlastitim frekvencijama i malim mehaničkim prigušenjem i time izuzetno osjetljivi na djelovanje vjetra. Djelovanje vjetra na mostove se ispituju u okviru aerodinamike i aeroelastičnosti, koja se bavi međudjelovanjem elastičnih, inercijskih i aerodinamičkih sila koje djeluju na sekcije mosta izložene strujanju zraka. Utjecaj vjetra na mostove se nije posebno pručavao sve do urušavanja mosta Tacoma Narrows u SAD-u u studenom 1940. godine. Nakon tada provedene analize dokazano je da se most urušio zbog vibracija uzorokovanih djelovanja vjetra, pa su se ispitivanja aeroelastičnih svojstava mostova od tada počela provoditi kod projektiranja mostova. Vibracije uzrokovane gibanjem tijela uslijed puhanja vjetra su najčešći oblik vibracija kod mostova. Ova vrsta nestabilnosti može se podijeliti na treperenje (engl. flutter ) i galopiranje (engl. galloping). Treperenje mosta nastaje uslijed djelovanja pulzirajućih aerodinamičkih sila koje unose energiju u dinamički sustav mosta pri svakoj oscilaciji, pri čemu se treperenje umanjuje mehaničkim prigušenjem sustava. Kada se ostvari kritična brzina strujanja zraka, ukupno prigušenje (suma mehaničkog prigušenja konstrukcije i aerodinamičkog prigušenja uslijed utjecaja vjetra) postiže nultu vrijednost, te sustav postaje dinamički nestabilan. Ako brzina strujanja zraka postane veća od kritične, postiže se negativno ukupno prigušenje, te svaka daljnja pobuda sustava rezultira divergentnim oscilacijama sekcije mosta. Galopiranje je dinamička nestabilnost tipična za vitke sekcije mosta s pravokutnim ili 'D' poprečnim presjekom, gdje ne dolazi do ponovnog nalijeganja struje zraka na površinu sekcije mosta nakon što se struja zraka prvotno odvojila od mosta na uzvodnom naletnom bridu sekcije mosta. Ova nestabilnost u smjeru okomitom (vertikalnom) na glavni smjer strujanja vjetra uobičajeno ima nisku frekvenciju i relativno velike amplitude oscilacija. Galopiranje se od vibracija uslijed odvajanja vrtloga (engl. Vortex-Induced-Vibration, VIV) razlikuje u tomu što se potonje javljaju kod točno određene brzine strujanja kada se frekvencija odvajanja vrtloga struje zraka izjednači s vlastitom frekvencijom sekcije mosta., engl. lock-in . Lock-in vibracije su prisutne samo u uskom području frekvencija i iščezavaju s daljnim povećanjem brzine strujanja zraka, dok se vibracije kod pojave galopiranja nastavljaju povećavati s povećanjem brzine vjetra. Analiza treperenja sekcije mosta zahtijeva proučavanje dinamičkog odziva mosta, a galopiranje se uobičajeno proučava kao kvazistacionarna pojava. Matematički model za analizu dinamičkog odziva sekcije mosta obuhvaća jednadžbe gibanja u dva stupnja slobode u kojima se kao sile pobude uvrštavaju aerodinamička sila uzgona i moment prevrtanja sekcije mosta uzrokovani gibanjem sekcije mosta. Aerodinamička sila uzgona i moment prevrtanja se mogu izraziti uz pomoć bezdimenzijskih aeroelastičnih koeficijenata (derivativa treperenja), koji su pokazatelji aeroelastične stabilnosti sekcije mosta. U matrici dinamičkog odziva mosta se mogu razlučiti mehaničke matrice krutosti i prigušenja koje se određuju iz dinamičkog odziva mosta bez strujanja zraka, te aerodinamičke matrice krutosti i prigušenja koje ovise o dinamičkom odzivu sekcije mosta uslijed strujanja zraka. Iz dobivenih matrica krutosti i prigušenja sustava računaju se bezdimenzijski aeroelastični koeficijenti (derivativi treperenja). Za određivanje navedenih matrica potrebno je poznavati vlastite frekvencije vibracija te prigušenja sustava, koje se određuju iz izmjerenog dinamičkog odziva sekcije mosta. Težište ovog rada je na aerodinamičkim i aeroelastičnim svojstvima visećih i ovješenih mostova s cestovnim vjetrobranima, i to posebice na analizi vibracija uzrokovanih gibanjem sekcije mosta uslijed puhanja vjetra. Analiza aerodinamičkih svojstava sekcija mostova uključuje određivanje aerodinamičkih sila uzgona i otpora i momenta prevrtanja sekcija mostova, te karakteristike strujanja zraka oko sekcija mostova. Analiza aerodinamičke stabilnosti mostova s ugrađenim cestovnim vjetrobranima obuhvaća određivanje aeroelastičnih koeficijenata i analizu vlastitih frekvencija sekcija mostova uz dva stupnja slobode gibanja za izračun kritične brzine strujanja zraka karakteristične za pojavu treperenja. Hipoteze istraživanja: 1. Dinamička stabilnost sekcija mostova je pogoršana i kritična brzina strujanja vjetra za pojavu treperenja je smanjena kada su cestovni vjetrobrani ugrađeni na sekcije mostova. 2. Smanjenje poroznosti cestovnih vjetrobrana na sekcijama mostova povećava dinamičku nestabilnost mostova. 3. Aerodinamička sila otpora sekcija mostova je veća kada su cestovni vjetrobrani ugrađeni na most. Istraživanja su provedena eksperimentalno u klimatskom zračnom tunelu Instituta za teorijsku i primijenjenu mehaniku u Pragu, Češka. Ovaj zračni tunel je göttingenskog tipa (zatvoreni tok struje zraka), a sastoji se od aerodinamičke i klimatske sekcije. Aerodinamička sekcija je konstruirana s ciljem provedbe eksperimenata vezanih uz djelovanje vjetra na konstrukcije i vozila, pravokutnog je poprečnog presjeka s visinom od 1,8 m i širinom od 1,9 m. Brzina strujanja u aerodinamičkoj sekciji se može podešavati od 0,5 m/s do 35 m/s, a intenzitet turbulencije na ulazu u praznu ispitnu sekciju je manji od 2%. U sklopu istraživanja su korištena tri modela sekcije mosta: Kao-Pin Hsi (Tajvan), Great Belt (Danska-Švedska) i Golden Gate (SAD). Sva tri modela sekcije mosta su izrađena u geometrijskom mjerilu 1:100, dok su duljine sekcija modela ovih mostova (poprečno horizontalno na smjer strujanja zraka) kod svih modela 1 m. Modeli cestovnih vjetrobrana različitih visina i poroznosti su također izrađeni u geometrijskom mjerilu 1:100. U prvom dijelu eksperimentalnog rada istražen je utjecaj poroznosti i visine cestovnog vjetrobrana postavljenog samo na uzvodni rub sekcija mostova na aerodinamička i aeroelastična svojstva sekcija mostova. Pritom su korišteni stupnjevi poroznosti vjetrobrana od 0%, 30% i 50%, te (modelske) visine vjetrobrana od 30 mm, 40 mm i 50 mm. U drugom dijelu eksperimentalnog rada istražen je utjecaj načina postavljanja vjetrobrana na aerodinamička i aeroelastična svojstva sekcija mostova. Pritom su vjetrobrani različitih visina postavljeni na sljedeće načine: a) vjetrobran postavljen samo na uzvodni rub sekcije mosta, b) vjetrobran postavljen samo na nizvodni rub sekcije mosta, c) vjetrobrani postavljeni na oba ruba sekcije mosta. S ciljem dobivanja aerodinamičkih koeficijenata sila i momenta prevrtanja, koristio se eksperimentalni mehanizam razvijen u sklopu ovog doktorskog rada. Ovim mehanizmom je moguće zasebno odrediti aerodinamičke sile otpora i uzgona, kao i moment prevrtanja sekcije mosta. Mjerenja su provedena tenzometrima postavljenim na eksperimentalni mehanizam. Tenzometri su povezani s galvanski izoliranim modulima te se signal pojačava i filtrira tijekom mjerenja. Odziv tenzometara na vanjsko opterećenje je linearan. Konstrukcija mehanizma za određivanje aerodinamičkih sila i momenta prevrtanja je opremljena bočnim ravnim pločama čime se osigurava dvodimenzijsko strujanje zraka, dok je Prandtl-Pitotova cijev korištena za mjerenje brzine strujanja zraka. Aerodinamički koeficijenti sile uzgona, sile otpora, i momenta prevrtanja su bitni za određivanje statičke i dinamičke stabilnosti sekcija mostova s obzirom na pojavu galopiranja sekcija mostova. Procjena dinamičke stabilnosti galopiranja sekcija mostova je provedena uz korištenje Glauert-Den Hartogovog kriterija. Kod provedbe ispitivanja dinamičke stabilnosti mostova, modeli su postavljeni na mehanizam razvijen za potrebe određivanja aeroelastičnog odziva modela sekcije mosta, koji omogućava pomake u vertikalnom smjeru kao i rotaciju modela sekcije mosta. Ovaj mehanizam omogućava precizno i brzo podešavanje prirodnih frekvencija oscilacija u vertikalnom i rotacijskom gibanju, čime se podešava krutost sustava. Konstrukcija mehanizma za aeroelastična ispitivanja je opremljena ravnim bočnim pločama za izbjegavanje nepoželjnog utjecaja dijelova mehanizma na strujanje zraka oko modela sekcije mosta. Referentna brzina strujanja zraka se mjeri Prandtl Pitotovom cijevi koja je postavljena uzvodno od modela sekcije mosta. Vertikalni pomak i torzijski zakret modela sekcije mosta je izmjerena magnetskih osjetnicima. Kinematika eksperimentalnog mehanizma i ponašanje opruga su linearni. Eksperimenti su provedeni metodom slobodnih vibracija, koja uključuje inicijalni pomak modela sekcije mosta u vertikalnom i rotacijskom smjeru, te mjerenja prigušenja slobodnih oscilacija pri različitim brzinama strujanja zraka. Polje brzine strujanja zraka oko modela sekcije mosta je određeno uz primjenu PIV (engl. Particle Image Velocimetry) metode. Zrak koji struji u zračnom tunelu se ispunjava sitnim česticama koje se osvjetljavaju laserskim snopom svjetla u području oko modela sekcije mosta. Raspodjela sitnih čestica u dva bliska vremenska trenutka se mjeri uz pomoć visokofrekventne kamere te se koristi za izračunavanje polja brzine i vrtložnosti strujanja zraka. Postignuti eksperimentalni rezultati ukazuju na značajan utjecaj cestovnih vjetrobrana na aerodinamičke i aeroelastične karakteristike sekcija visećih i ovješenih mostova. U slučaju vjetrobrana postavljenog samo na uzvodni rub sekcije mosta, koeficijent aerodinamičkog otpora se povećava kod smanjenja poroznosti vjetrobrana, te povećavanjem visine vjetrobrana. Ovaj trend je zabilježen kod sekcija svih ispitivanih mostova, te je izraženiji u rasponu pozitivnih napadnih kutova struje zraka, tj. kad zrak nastrujava na sekciju mosta od gore prema dolje. Utjecaj vjetrobrana na povećanje koeficijenta aerodinamičkog otpora je izraženiji za slučaj mostova koji imaju aerodinamičan oblik, odnosno kod kojih je manje izraženo odvajanje struje zraka (npr. Great Belt). Cestovni vjetrobrani mijenjaju trendove i apsolutne vrijednosti koeficijenta aerodinamičkog uzgona, dok je to izraženije za vjetrobrane s većom visinom i manjom poroznosti. Koeficijent aerodinamičkog momenta prevrtanja sekcija mostova je manji kada su cestovni vjetrobrani postavljeni na sekcije mosta u odnosu na sekcije mosta bez vjetrobrana, dok je utjecaj poroznosti vjetrobrana dominantan u odnosu na utjecaj visine vjetrobrana. Raspored vjetrobrana također bitno utječe na koeficijente aerodinamičkih sila uzgona i otpora. U uobičajenom rasponu napadnih kutova struje zraka na most (napadni kut je relativno mali ili jednak nuli), svi istraživani rasporedi postavljanja vjetrobrana doprinose negativnoj sili uzgona, tj. vertikalno prema dolje. Za neke ispitivane konfiguracije, vjetrobrani uzrokuju promjenu smjera aerodinamičke sile uzgona. Raspored vjetrobrana ne utječe značajno na koeficijent aerodinamičkog momenta prevrtanja. Stoga, raspored postavljanja vjetrobrana na sekcije mostova ne utječe na torzijsku divergenciju sekcija mosta. Cestovni vjetrobrani pri svim ispitivanim visinama, poroznosti te rasporedima postavljanja ne utječu na galopiranje mostova, tj. osjetljivost na galopiranje je približno jednaka za sekcije mostova sa i bez cestovnih vjetrobrana; dinamička stabilnost s obzirom na galopiranje sekcija mosta je postignuta kvazistacionarnim pristupom i u dinamičkim testovima. S druge strane, promjena pozitivnog u negativni (i obratno) gradijent sile uzgona s obzirom na kut nastrujavanja zraka, a koja je zabilježena kod nekih ispitivanih konfiguracija, sugerira moguće kritične konfiguracije s obzirom na dinamičku stabilnost uslijed vertikalnog gibanja sekcija mosta. U slučaju vjetrobrana postavljenog samo na uzvodnu stranu sekcije mosta, osjetljivost na torzijski oblik treperenja je značajno povećana. Ovo je izraženije za manje porozne vjetrobrane, dok su utjecaji visine vjetrobrana istodobno uvjetovani aerodinamičkim oblikom sekcije mosta na koji se vjetrobran postavlja. Sekcije mostova koje imaju aerodinamičan oblik (npr. Great Belt) su općenito osjetljivije na torzijski oblik treperenja ako su na njih postavljeni niži vjetrobrani, dok su sekcije mostova koje imaju manje aerodinamičan oblik (npr. Golden Gate) osjetljivije na torzijski oblik treperenja ako su na njih postavljeni viši vjetrobrani. Raspored vjetrobrana također utječe na osjetljivost s obzirom na treperenje sekcija mostova. Vjetrobran postavljen samo na uzvodnu stranu sekcija mosta i vjetrobrani postavljeni na obje strane mosta značajno utječu na torzijski oblik treperenja sekcija mostova, dok postavljanje vjetrobrana samo na nizvodnu stranu sekcija mosta ne utječe značajno na torzijski oblik treperenja sekcija mostova. Vjetrobran postavljen samo na uzvodnu stranu sekcija mosta, te vjetrobrani postavljeni na obje strane sekcija mosta mogu uzrokovati vibracije uslijed periodičnog odvajanja vrtloga. Rezultati analize vlastitih vrijednosti sustava s dva stupnja slobode gibanja za izračun kritične brzine strujanja zraka kod koje se javlja treperenje se općenito podudaraju s trendovima aeroelastičnih koeficijenata treperenja. Osrednjene brzine strujanja zraka su značajno smanjene iznad sekcija mosta nizvodno od vjetrobrana, što potvrđuje zaštitna svojstva vjetrobrana s obzirom na stabilnost vozila koja prometuju mostovima; ovaj rezultat je u skladu s prethodnim istraživanjima. Vjetrobran postavljen samo na uzvodnu stranu sekcija mostova i vjetrobrani postavljeni na obje strane sekcija mostova ukazuju na slične trendove s obzirom na osrednjene brzine strujanja vjetra na gornjoj strani sekcija mostova. Najveća varijanca brzine strujanja zraka je postignuta u smičnom sloju koji se odvaja od vrha uzvodnog vjetrobrana. Karakteristike tog smičnog sloja uvjetuju karakteristike aerodinamičke sile uzgona i momenta prevrtanja sekcija mostova. Predloženi ciljevi istraživanja za ovaj doktorski rad su postignuti i postavljene hipoteze istraživanja su ispunjene. Prikazani rezultati potvrđuju da, dok vjetrobrani štite vozila od bočnih vjetrova, oni također uzrokuju negativne promjene aerodinamičkih koeficijenata sila i momenta prevrtanja, te smanjuju aerodinamičku stabilnost mostova. Moguća tema budućih istraživanja je optimizacija oblika vjetrobrana koji bi pružao zadovoljavajuću zaštitu vozila od bočnog vjetra, te istovremeno ne bi bitno narušavao aerodinamičku stabilnost mostova. Ova svojstva se potencijalno mogu zadovoljiti koristeći vjetrobrane s promjenjivom poroznosti s obzirom na karakteristike nadolazećeg vjetra. Utjecaj mirujućih i prometujućih vozila na aerodinamička i aeroelastična svojstva mostova s vjetrobranima također još nije u potpunosti istražen, kao niti utjecaj tranzijentnih vjetrova (npr. bura, uragan, tornado) na aerodinamičke karakteristike visećih i ovješenih mostova opremljenih cestovnim vjetrobranima.