[EN] Architecture education in Spain presents a vast technical component which includes the capacity for analyzing and designing building structures. The current architectural context encompasses buildings with an increasing structural complexity which demands the necessary use of computer tools. Professionals looking for a building analysis and design software face substantial difficulties when trying to find not only a listing of commercial products available on the market, but also comprehensive studies about their characteristics, especially regarding their functionality and reliability. National codes neither standardize this type of computer tools' performance, nor supply guidelines which enable the comparison of their features and performance or, at least, which enable to validate the functioning of a certain one. Simultaneously, available international bibliography is scarce, dispersed and clueless about how to confront these tasks independently. Therefore, the current doctoral thesis meets the challenge of developing a testbed which enables users to discover and even to quantify the reliability of different building structures analysis and design software available on the Spanish market. The testbed is configured as a study case, whose plan and methodology have been borrowed from the computer engineering field where it presents an important background and theoretical development. Its dynamics invite users to assess software by modelling and solving the structure of an industrial building. This typology, its features and dimensions have been chosen because of their good representation of the daily commissions of the results' recipients. During the process, users must compile the results for twenty check points. Values for support reactions, internal forces and movements in certain points and load cases, as well as the final size for certain elements are to be determined. The results obtained should be compared with those determined by a strict code application. SAP2000 has been used to solve the analysis and a thorough process by hand has been completed to fulfill the design. A user handbook has been elaborated for the testbed. It contains all necessary instructions for the process completion, as well as a set of cards which facilitate the compilation of results and even allow users to determine a final grading from 0 to 10 points. Commercial versions of Generador de Pórticos and Nuevo Metal 3D of CYPECAD, Tricalc and Architrave have been chosen because of their widespread deployment on the nowadays market and have been tested. Their study has verified the testbed validity and has also permitted to draw important conclusions. Prominent among these, is the remarkable value dispersion in some cases. Surprisingly, it is not a consequence of an inaccurate computation, but of the simplifications due to the attractive automation for certain tasks which these software offer to their users, which frequently lead to oversizing. Dispersion is also caused by insufficient law enforcement, as long as the omission of taking into account certain code articles might result in worrying undersizing. It is intended that the manufactured testbed becomes a public tool with free access and use. Hence, interested users will be able to easily accede to it and to share their results with the professional, business and scientific community. / [ES] La formación del arquitecto en España presenta una amplia vertiente técnica, que contempla su capacidad para diseñar y calcular estructuras de edificación. El contexto arquitectónico actual presenta edificios con una complejidad estructural creciente, que requieren necesariamente la utilización de medios informáticos. Los profesionales que buscan un programa de cálculo de estructuras de edificación encuentran serias dificultades en localizar no sólo una relación de los productos comerciales disponibles en el mercado, sino también de estudios rigurosos de sus características, especialmente en aquello relativo a su funcionalidad y su fiabilidad. La legislación nacional actual no regula las prestaciones de este tipo de herramientas informáticas, ni proporciona pautas que permitan comparar sus características y prestaciones o, al menos, que permitan validar el funcionamiento de una de ellas. Paralelamente, la bibliografía internacional disponible es escasa, dispersa y carente de patrones comunes que posibiliten afrontar de manera autónoma tales tareas. Así pues, la presente tesis doctoral asume el reto de elaborar un banco de pruebas que permita a los usuarios conocer e incluso cuantificar la fiabilidad de los programas de cálculo de estructuras de edificación disponibles en el mercado español. El banco de pruebas se configura como un estudio de caso, cuyo planteamiento y metodología se toman del campo de la ingeniería informática, donde sí presenta importantes antecedentes y desarrollo teórico. Su dinámica invita al usuario a evaluar un programa concreto modelizando y calculando la estructura de una nave industrial. Esta tipología, sus características y dimensiones han sido seleccionadas por su representatividad dentro del trabajo diario de los destinatarios de los resultados. Durante el proceso el usuario debe recopilar los resultados para veinte puntos de control en los que se pregunta el valor de reacciones, solicitaciones y movimientos en ciertos puntos e hipótesis de la estructura, así como el valor del dimensionado final de piezas concretas. Los resultados obtenidos serán comparados con aquellos determinados mediante una estricta aplicación de la normativa, utilizando SAP2000 para el análisis y una detallada resolución manual para el dimensionado. Se ha elaborado un manual del usuario del banco de pruebas. Contiene las instrucciones necesarias para el seguimiento del proceso, así como una colección de fichas que permiten recopilar los resultados e incluso determinar una puntuación final de 0 a 10 puntos. Versiones del Generador de Pórticos y del Nuevo Metal 3D de CYPECAD, del Tricalc y del Architrave han sido seleccionadas por su amplia implantación en el mercado estatal actual y han sido sometidas a ensayo. Su estudio ha verificado la validez del banco de pruebas y ha permitido extraer importantes conclusiones. Entre las mismas cabe destacar la notable dispersión de valores en algunos casos. Sorprendentemente, no es consecuencia de una incorrecta computación, sino de las simplificaciones asociadas a la atractiva automatización de tareas que los programas ofrecen a los usuarios y que suelen derivar en sobredimensionados; y también a una insuficiente aplicación de la normativa a considerar, donde la omisión de determinados puntos del articulado puede traducirse en preocupantes infradimensionados. Se pretende que el banco de pruebas elaborado sea una herramienta pública, de acceso y utilización gratuitos. Así pues, los usuarios interesados podrán acceder a la misma con facilidad y compartir sus resultados con la comunidad profesional, empresarial y científica. / [CA] La formació de l'arquitecte a Espanya presenta una ampla vessant tècnica, que contempla la seua capacitat per dissenyar i calcular estructures d'edificació. El context arquitectònic actual presenta edificis amb una complexitat estructural creixent, que requereixen necessàriament de la utilització de mitjans informàtics. Els professionals que busquen un programa de càlcul d'estructures d'edificació troben serioses dificultats a l'hora de localitzar no només una relació dels productes comercials disponibles al mercat, sinó també d'estudis rigorosos de les seues característiques, especialment pel que fa a la seua funcionalitat i fiabilitat. La legislació nacional actual no regula les prestacions d'aquest tipus d'eines informàtiques, ni proporciona pautes que permetin comparar les seues característiques i prestacions o, almenys, que permetin validar el funcionament d'una d'elles. Paral·lelament, la bibliografia internacional disponible és escassa, dispersa i mancada de patrons comuns que possibiliten afrontar de manera autònoma aquestes tasques. Així doncs, la present tesi doctoral assumeix el repte d'elaborar un banc de proves que permeti els usuaris conèixer i, fins i tot, quantificar la fiabilitat dels programes de càlcul d'estructures d'edificació disponibles al mercat espanyol. El banc de proves es configura com un estudi de cas, amb un plantejament i metodologia presos del camp de l'enginyeria informàtica, on sí que presenta importants antecedents i desenvolupament teòric. La seua dinàmica convida l'usuari a avaluar un programa concret modelitzant i calculant l'estructura d'una nau industrial. Aquesta tipologia, les seues característiques i dimensions han estat seleccionades per la seua representativitat dins del treball diari dels destinataris dels resultats. Durant el procés l'usuari deu recopilar els resultats per a vint punts de controls on es pregunta el valor de reaccions, sol·licitacions i moviments a certs punts i hipòtesis de l'estructura, així com el valor del dimensionat final de certes peces. Els resultats obtinguts seran comparats amb aquells determinats mitjançant una estricta aplicació de la normativa, emprant SAP2000 per l'anàlisi i una detallada resolució manual pel dimensionat. S'ha bastit un manual de l'usuari del banc de proves. Conté les instruccions necessàries pel seguiment del procés, així com una col·lecció de fitxes que permeten recopilar els resultats i, fins i tot, determinar una puntuació final de 0 a 10 punts. Versions del Generador de Pórticos i del Nuevo Metal 3D de CYPECAD, del Tricalc i del Architrave han estat seleccionades per la seua ampla implantació al mercat estatal actual i han estat sotmeses a assaig. El seu estudi ha verificat la validesa del banc de proves i ha permès extraure importants conclusions. Entre aquestes cap destacar la notable dispersió de valors en alguns casos. Sorprenentment, no és conseqüència d'una computació incorrecta, sinó de les simplificacions associades a l'atractiva automatització de tasques que els programes ofereixen als usuaris i que solen derivar en sobredimensionaments; i també a una insuficient aplicació de la normativa a considerar, on l'omissió de determinats punts de l'articulat pot traduir-se en infradimensionats preocupants. Es pretén que el banc de proves elaborat siga una ferramenta pública, d'accés i utilització gratuïts. Així doncs, els usuaris interessats podran accedir-hi amb facilitat i compartir els seus resultats amb la comunitat professional, empresarial i científica. / Cabrera Fausto, I. (2016). Banco de pruebas de programas de cálculo de estructuras de edificación disponibles en el mercado español [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63144

[EN] The work implemented in this thesis is concerned with the application of High Performance Computing, Grid technologies and Cloud Technologies to the static and dynamic linear analysis of building and civil engineering structures by means of the finite element method. Thanks to the efficiency of the current numerical methods, embedded in many public domain numerical libraries, and to the availability of communication and synchronization libraries among the processing elements, either by message passing or by shared memory, the application of High Performance Computing to the structural computation has allowed us to carry out a rigorous and realistic analysis of large dimension and complexity structures, with reasonably reduced response times. Besides using state-of-the-art parallel numerical libraries (devoted to the solution of systems of linear equations by means of direct methods with MUMPS, PaStiX and PARDISO or iterative methods with PETSc and hypre or the resolution of the generalized eigenvalue problem with SLEPc), the multilevel parallel programming paradigm has been employed, which combines the development of algorithms using MPI and OpenMP in order to ensure the portability and to obtain the best performance in different operating systems, such as Linux and Windows, on different parallel computational platforms. The linear static calculation has been carried out through of the Stiffness Method where all its different stages have been parallelised. In case of structural dynamics, the second order dynamic equation has been solved by means of the parallelization of several direct time integration methods, as well as through parallel modal analysis techniques, modal superposition time history and response spectrum analysis. In the case of the latter analysis, numerous modal combination methods have been parallelized, accompanied by different directional combination techniques and distinct alternatives that try to provide us with sign of the results. With the aim that the above mentioned HPC-based application could be at the disposal of a wide community of architects and structural engineers, Grid and Cloud services have been implemented and deployed. They offer a secure, reliable and high throughput structural analysis under a service oriented architecture model. On the one hand, the Grid service integrates components, such as GMarte, for the task metascheduling, the results retrieval and the failure tolerance on Grid platforms. On the other hand, the Cloud service incorporates the developments of the European VENUS-C project for its deployment on Microsoft Azure infrastructure or on-premise Cloud platform managed by COMPSs. The competitiveness demonstrated by the structural simulator in its response times, even when launched in a sequential approach, with regard to other well-known software packages, has given place to its incorporation in different software applications. From a research point of view, it is part of a structural optimization system in collaboration with the Continuous Medium Mechanics and Theory of Structures Department (DMMCTE) of the UPV. In a professional environment, the simulator has been incorporated into two commercial applications. First of all, it is one of the three components of Architrave, a software system for the the static and dynamic structural design and analysis, developed by the UPV and with more than 3550 users, equipped with an attractive graphical user interface that is distributed by the Preference company. Professionally, Architrave has been downloaded from 22 countries. Academically, it is being used by students and teachers belonging to 54 universities from 8 different countries. Additionally, the Preference company has incorporated the structural simulator static version to its PrefSuite product, a worldwide commercialized software package in the field of metallic carpentry and 3D structural analysis of curtain walls. / [ES] El trabajo realizado en esta tesis doctoral ha consistido en la aplicación de la Computación de Altas Prestaciones, las Tecnologías Grid y las Tecnologías Cloud al cálculo estático y dinámico lineal de estructuras de edificación e ingeniería civil mediante el método de los elementos finitos. Gracias a la eficiencia de los métodos numéricos actuales, plasmados en librerías numéricas de dominio público, y a la disponibilidad de librerías de comunicación y sincronización entre los elementos de proceso, bien sea mediante paso de mensajes o por memoria compartida, la aplicación de la Computación de Altas Prestaciones al cálculo estructural ha permitido llevar a cabo un análisis riguroso y realista de estructuras de gran dimensión y complejidad, con unos tiempos de respuesta razonablemente reducidos. Además de utilizar librerías numéricas paralelas de dominio público (dedicadas a la resolución de sistemas de ecuaciones lineales mediante métodos directos con MUMPS, PaStiX y PARDISO o métodos iterativos con PETSc y hypre o la resolución del problema de valores propios generalizado con SLEPc) se ha empleado el paradigma de programación paralela multinivel, el cual combina el desarrollo de algoritmos mediante MPI y OpenMP, a fin de garantizar la portabilidad y obtener las mejores prestaciones en distintos sistemas operativos, como Linux y Windows, sobre diferentes plataformas computacionales paralelas. El cálculo estático se ha llevado a cabo mediante el Método de la Rigidez, donde se han paralelizado las diferentes etapas que lo componen. En el caso del análisis dinámico, la ecuación dinámica de segundo orden se ha resuelto mediante la paralelización de numerosos métodos de integración directa, así como mediante técnicas de análisis modal, superposición modal y análisis modal espectral. En el caso concreto del análisis modal espectral, se han paralelizado un amplio número de métodos de combinación modal de los resultados, acompañados de distintas técnicas de combinación direccional y diferentes alternativas que intentan proporcionar el signo de los resultados. Con el objetivo de que dicha aplicación paralela desarrollada pueda estar a disposición de una amplia comunidad de arquitectos e ingenieros estructurales, se han implementado y desplegado sendos servicios Grid y Cloud que ofrecen un análisis estructural por internet seguro, fiable y de alta productividad bajo una arquitectura orientada a servicio. Dichos servicios integran componentes, como GMarte, para la planificación de tareas, la recogida de resultados y la tolerancia a fallos en plataformas Grid o incorporan los desarrollos del proyecto europeo VENUS-C, para el despliegue del servicio sobre Microsoft Azure o sobre una infraestructura Cloud ''on-premise'' gestionada por COMPSs. La competitividad demostrada por el simulador estructural en sus tiempos de respuesta, inclusive a nivel secuencial, con respecto a otros paquetes software disponibles y ampliamente utilizados, ha dado lugar a su incorporación en diferentes aplicaciones. Bajo un entorno de carácter investigador, forma parte de un sistema de optimización estructural, en colaboración con el departamento de Mecánica de los Medios Continuos y Teoría de Estructuras (DMMCTE) de la UPV. En un ámbito profesional, el simulador se ha incorporado en dos aplicaciones comerciales. Por un lado en Architrave, una aplicación de cálculo estático y dinámico estructural, desarrollada por la UPV y con más de 3550 usuarios, dotada de un atractivo interfaz gráfico que se distribuye por parte de la empresa Preference. A nivel profesional, Architrave se ha descargado en 22 países y cuenta, a nivel académico, con alumnos y profesores de 54 universidades de 8 países diferentes. Adicionalmente, la empresa Preference ha incorporado la versión estática del simulador a su producto PrefSuite, un paquete software comercializado a nivel mundial en el ámbito de la carpint / [CA] El treball realitzat en aquesta tesi doctoral ha consistit en l'aplicació de la Computació d'Altes Prestacions, les Tecnologies Grid i les Tecnologies Cloud al càlcul estàtic i dinàmic lineal d'estructures d'edificació i enginyeria civil mitjançant el mètode dels elements finits. Gràcies a l'eficiència dels mètodes numèrics actuals, plasmats en llibreries numèriques de domini públic, i a la disponibilitat de llibreries de comunicació i sincronització entre els elements de procés, bé siga mitjançant pas de missatges o per memòria compartida, l'aplicació de la Computació d'Altes Prestacions al càlcul estructural ha permès dur a terme una anàlisi rigorosa i realista d'estructures de gran dimensió i complexitat, amb uns temps de resposta raonablement reduïts. A més d'utilitzar llibreries numèriques paral·leles de domini públic (dedicades a la resolució de sistemes d'equacions lineals mitjançant mètodes directes amb MUMPS, PaStiX i PARDISO o mètodes iteratius amb PETSc i hypre o la resolució del problema de valors propis generalitzat amb SLEPc) s'ha emprat el paradigma de programació paral·lela multinivell, el qual combina el desenvolupament d'algorismes mitjançant MPI i OpenMP, a fi de garantir la portabilitat i obtenir les millors prestacions en diferents sistemes operatius, com Linux i Windows, sobre diferents plataformes computacionals paral·leles. El càlcul estàtic s'ha dut a terme mitjançant el Mètode de la Rigidesa, on s'han paral·lelitzat les diferents etapes que ho componen. En el cas de l'anàlisi dinàmica, l'equació dinàmica de segon ordre s'ha resolt mitjançant la paral·lelització de nombrosos mètodes d'integració directa, així com mitjançant tècniques d'anàlisi modal, superposició modal i anàlisi modal espectral. En el cas concret de l'anàlisi modal espectral, s'ha paral·lelitzat un ampli nombre de mètodes de combinació modal dels resultats, junt amb de diferents tècniques de combinació direccional i diferents alternatives que intenten proporcionar el signe dels resultats. Amb l'objectiu que aquesta aplicació paral·lela desenvolupada puga estar a la disposició d'una àmplia comunitat d'arquitectes i enginyers estructurals, s'han implementat i desplegat sengles serveis Grid i Cloud que ofereixen una anàlisi estructural per internet segur, fiable i d'alta productivitat sota una arquitectura orientada a servei. Aquests serveis integren components, com GMarte, per a la planificació de tasques, la recollida de resultats i la tolerància a fallades en plataformes Grid o incorporen els desenvolupaments del projecte europeu VENUS-C, per al desplegament del servei sobre Microsoft Azure o sobre una infraestructura Cloud 'on-premise'' gestionada per COMPSs. La competitivitat demostrada pel simulador estructural en els seus temps de resposta, inclòs a nivell seqüencial, pel que fa a altres paquets de programari disponibles i àmpliament utilitzats, ha donat lloc a la seua incorporació en diferents aplicacions. Sota un entorn de caràcter investigador, forma part d'un sistema d'optimització estructural, en col·laboració amb el departament de Mecànica dels Mitjans Continus i Teoria d'Estructures (DMMCTE) de la UPV. En un àmbit professional, el simulador s'ha incorporat en dues aplicacions comercials. D'una banda en Architrave, una aplicació de càlcul estàtic i dinàmic estructural, desenvolupada per la UPV i amb més de 3550 usuaris, dotada d'una atractiva interfície gràfica que es distribueix per part de l'empresa Preference. A nivell professional, Architrave s'ha descarregat en 22 països i compta, a nivell acadèmic, amb alumnes i professors de 54 universitats de 8 països diferents. Addicionalment, l'empresa Preference ha incorporat la versió estàtica del simulador al seu producte PrefSuite, un paquet software comercialitzat a nivell mundial en l'àmbit de la fusteria metàl·lica i el càlcul estructural en 3D de murs cortina. / Alonso Ábalos, JM. (2016). Computación Avanzada en Problemas Estáticos y Dinámicos de Gran Dimensión: Aplicación al Cálculo de Estructuras [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61974 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales