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Título: Sensitivity and fragility analysis of a railway temperature prediction model
Título(s) alternativo(s): Análise de sensibilidade e fragilidade de um modelo de predição de temperatura de trilhos ferroviários
Autor(es): Frigeri, Ary Vinicius Nervis
Orientador(es): Bosse, Rúbia Mara
Palavras-chave: Ferrovias
Monte Carlo, Método de
Confiabilidade (Engenharia)
Resistência de materiais
Aço - Tratamento térmico
Railroads
Monte Carlo method
Reliability (Engineering)
Strength of materials
Steel - Heat treatment
Data do documento: 1-Abr-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: FRIGERI, Ary Vinicius Nervis. Sensitivity and fragility analysis of a railway temperature prediction model. 2026. Dissertação (Mestrado em Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2026.
Resumo: A previsão da temperatura do trilho é essencial para a segurança ferroviária, uma vez que temperaturas extremas podem levar à flambagem da via e instabilidade estrutural. Este estudo apresenta uma análise de sensibilidade abrangente e avaliação probabilística de um modelo físico validado de temperatura de trilho implementado em MATLAB e integrado com o framework UQLab. Duas abordagens de análise de sensibilidade foram empregadas: uma análise global tratando todos os parâmetros como variáveis aleatórias, e uma análise informada por dados usando medições de campo para variáveis meteorológicas. Os resultados identificam o coeficiente de convecção como o parâmetro mais influente quando todas as variáveis são incertas, enquanto o coeficiente de absorção solar e a área tornam-se críticos quando os parâmetros meteorológicos são medidos. Propriedades do material como densidade, calor específico e volume exibem influência negligenciável nas previsões. Simulações de Monte Carlo compreendendo mais de 3,3 milhões de cenários foram conduzidas para avaliação de confiabilidade para calcular as probabilidades de temperaturas do trilho excederem limites críticos com base nas temperaturas do ar ambiente. Duas abordagens foram empregadas: uma abordagem híbrida usando dados meteorológicos medidos e uma abordagem sintética com cenários meteorológicos gerados estatisticamente. A abordagem sintética permite a estimativa de probabilidade para condições extremas além do conjunto de dados medidos. A literatura indica que a flambagem térmica da via ocorrer a temperaturas em torno de 55 ∘C a 60 ∘C sob certas condições. A 40 ∘C de temperatura ambiente, a abordagem sintética estima 10 % e 0.6 % de probabilidades para temperaturas do trilho atingindo ou excedendo 55 ∘C e 60 ∘C, respectivamente, enquanto a abordagem híbrida produz 51 % e aproximadamente 0.6 % para os mesmos limites. Esta discrepância destaca a importância da cobertura abrangente de cenários para estimativa robusta de probabilidade.
Abstract: Rail temperature prediction is essential for railway safety, as extreme temperatures can lead to track buckling and structural instability. This study presents a comprehensive sensitivity analysis and probabilistic assessment of a validated physical rail temperature model implemented in MATLAB and integrated with the UQLab framework. Two sensitivity analysis approaches were employed: a global analysis treating all parameters as random variables, and a data-informed analysis using field measurements for weather variables. Results identify the convection coefficient as the most influential parameter when all variables are uncertain, while the solar absorption coefficient and area become critical when weather parameters are measured. Material properties such as density, specific heat, and volume exhibit negligible influence on predictions. Monte Carlo simulations comprising over 3.3 million scenarios were conducted for reliability assessment to calculate the probabilities of rail temperatures exceeding critical thresholds based on ambient air temperatures. Two approaches were employed: a hybrid approach using measured weather data and a synthetic approach with statistically generated weather scenarios. The synthetic approach enables probability estimation for extreme conditions beyond the measured dataset. Literature indicates that rail thermal buckling may occur at temperatures around 55 ∘C to 60 ∘C under certain track conditions. At 40 ∘C ambient temperature, the synthetic approach estimates 10 % and 0.6 % probabilities for rail temperatures reaching or exceeding 55 ∘C and 60 ∘C, respectively, while the hybrid approach yields 51 % and approximately 0.6 % for the same thresholds. This discrepancy highlights the importance of comprehensive scenario coverage for robust probability estimation.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40553
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