milcapy 0.2.2

Librería para el análisis de estructuras 2D (Frame, Truss, CST, Membrana: Q4, Q8, Q6, Q6i).

Milca Structures

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milcapy

Biblioteca para el análisis estructural de marcos en 2D, con soporte para elementos:

• CST(constant strain triangle)
• Q4(quadrilateral 4 nodos & 2dof por nodo)
• Q6(quadrilateral 4 nodos & 3dof por nodo)
• Q6i(rectangular 4 nodos & 2dof por nodo + modos incompatibles)
• Q8(quadrilateral 8 nodos (los 4 nodos intermedios son condensados) & 2dof por nodo)

Implementa el método de rigidez directa y el método de los elementos finitos para membranas, con solución cerrada en elementos unidimensionales (1D: marcos y armaduras). Además, incorpora conceptos avanzados de análisis matricial de estructuras.

Desarrollado por Amilcar Machacca Mayo
GitHub: Milca-py
Repositorio: MilcaStructures

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Características principales

• Definición de materiales
• Definición de secciones
  • Rectangulares
  • Circulares
  • Genéricas
  • Tipo cáscara
• Definición de nodos
• Definición de elementos
  • Vigas (marcos)
    • Vigas de Timoshenko
    • Vigas de Euler-Bernoulli
  • Armaduras
  • Membranas
    • CST (Constant Strain Triangle)
    • Q4 (Quadrilateral 4 nodos & 2dof por nodo)
    • Q6 (Quadrilateral 4 nodos & 3dof por nodo)
    • Q6i (Rectangular 4 nodos & 2dof por nodo + modos incompatibles)
    • Q8 (Quadrilateral 8 nodos (los 4 nodos intermedios son condensados) & 2dof por nodo)
• Patrones de carga
• Modificadores de propiedades de sección
• Condiciones de frontera
  • Restricciones convencionales
  • Apoyos elásticos
  • Definición de eje local para nodos
• Cargas
  • Cargas nodales
  • Cargas distribuidas (Uniforme y trapezoidal)
  • Peso propio
• Opciones avanzadas
  • Desfase de extremos (brazos rígidos)
  • Liberaciones
• Resultados
  • Obtención de la matriz de rigidez global
  • Vector de cargas por patrón de carga
  • Resultados de los nodos
  • Resultados de los miembros
• Visualización interactiva del modelo

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Instalación

pip install milcapy

Comandos de importacion

from milcapy import (
  SystemModel,
  model_viewer,
  BeamTheoriesType,
  CoordinateSystemType,
  DirectionType,
  StateType,
  LoadType,
  FieldType,
  ConstitutiveModelType,
  IntegrationType,
)

• SystemModel → Plano de contruccion para crear el modelo
• model_viewer → Para visualizar el modelo
• BeamTheoriesType → Tipos de teorías de vigas
  • TIMOSHENKO
  • EULER_BERNOULLI
• CoordinateSystemType → Tipos de sistemas de coordenadas
  • LOCAL
  • GLOBAL
• DirectionType → Tipos de direcciones
  • X
  • Y
  • X_PROJ
  • Y_PROJ
  • GRAVITY
  • GRAVITY_PROJ
  • MOMENT
  • LOCAL_1
  • LOCAL_2
  • LOCAL_3
• StateType → Tipos de estados
  • ACTIVE
  • INACTIVE
• LoadType → Tipos de cargas
  • FORCE
  • MOMENT
• FieldType → Tipos de campos para membranas
  • SX
  • SY
  • SXY
  • EX
  • EY
  • EXY
  • UX
  • UY
  • UMAG
• ConstitutiveModelType → Tipos de estados constitutivos para membranas
  • PLANE_STRESS
  • PLANE_STRAIN
• IntegrationType → Tipos de integración para membranas
  • COMPLETE
  • REDUCED

1. Comandos de modelo

model = SystemModel()

• model (SystemModel) → Modelo vacio creado

2. comando de material

model.add_material('name', 'modulus_elasticity', 'poisson_ratio', 'specific_weight=0')

• name (str) → Nombre del material
• modulus_elasticity (float) → Módulo de elasticidad
• poisson_ratio (float) → Coeficiente de Poisson
• specific_weight (float) → Peso específico (opcional)

3. Comando de seccion

3.1. Comando de seccion rectangular

model.add_rectangular_section('name', 'material_name', 'base', 'height')

• name (str) → Nombre de la sección
• material_name (str) → Nombre del material
• base (float) → Base de la sección
• height (float) → Altura de la sección

3.2. Comando de seccion circular

model.add_circular_section('name', 'material_name', 'diameter')

• name (str) → Nombre de la sección
• material_name (str) → Nombre del material
• diameter (float) → Diámetro de la sección

3.3. Comando de seccion generica

model.add_generic_section('name', 'material_name', 'area', 'inertia', 'k_factor')

• name (str) → Nombre de la sección
• material_name (str) → Nombre del material
• area (float) → Área de la sección
• inertia (float) → Momento de inercia de la sección
• k_factor (float) → Coeficiente de corte de la sección (Ac = A * k_factor)

3.4. Comando de seccion de cascaras

model.add_shell_section('name', 'material_name', 'thickness')

Este tipo de seccion se usa para modelar elementos planos (membranas)

• name (str) → Nombre de la sección
• material_name (str) → Nombre del material
• thickness (float) → Grosor de la sección

4. Comando de nodo

model.add_node('id', 'x', 'y')

• id (int) → ID del nodo
• x (float) → Coordenada x del nodo
• y (float) → Coordenada y del nodo

⚠️ NOTA IMPORTANTE: los ID's deben ser ordenados y secuenciales (1, 2, 3, ...)

5. Comando de elemento marco

5.1. Comando de marco implemetadas con las teorías de viga de Timoshenko y Euler-Bernoulli

model.add_member('id', 'node_i_id', 'node_j_id', 'section_name', 'beam_theory=BeamTheoriesType.TIMOSHENKO')

• id (int) → ID del miembro
• node_i_id (int) → ID del nodo inicial
• node_j_id (int) → ID del nodo final
• section_name (str) → Nombre de la sección
• beam_theory (str ó BeamTheoriesType) → Teoría de la viga (opcional)

VIGAS DISPONIBLES: 'TIMOSHENKO', 'EULER_BERNOULLI'

5.2. Comando de viga de Timoshenko (marco)

model.add_elastic_timoshenko_beam('id', 'node_i_id', 'node_j_id', 'section_name')

• id (int) → ID del miembro
• node_i_id (int) → ID del nodo inicial
• node_j_id (int) → ID del nodo final
• section_name (str) → Nombre de la sección

5.3. Comando de viga de Euler-Bernoulli (marco)

model.add_elastic_euler_bernoulli_beam('id', 'node_i_id', 'node_j_id', 'section_name')

• id (int) → ID del miembro
• node_i_id (int) → ID del nodo inicial
• node_j_id (int) → ID del nodo final
• section_name (str) → Nombre de la sección

6. Comando de elemento de Armadura

model.add_truss('id', 'node_i_id', 'node_j_id', 'section_name')

• id (int) → ID del miembro
• node_i_id (int) → ID del nodo inicial
• node_j_id (int) → ID del nodo final
• section_name (str) → Nombre de la sección

7. Comando de elemento de membrana

7.1. Comando de elemento de membrana CST

El elemento de membrana CST (Constant Strain Triangle) es un elemento finito bidimensional de tres nodos. Se utiliza para modelar membranas planas sometidas a esfuerzos en su plano.

Cada nodo posee dos grados de libertad de traslación (en x y y). La deformación se considera constante dentro del triángulo, por lo que es adecuado para geometrías simples o como base en mallados más refinados.

model.add_cst('id', 'node_ids', 'section_name', 'state=ConstitutiveModel.PLANE_STRESS')

• id (int) → ID del miembro
• node_ids (list[int]) → Un lista de IDs de los 3 nodos
• section_name (str) → Nombre de la sección
• state (ConstitutiveModel) → Estado constitutivo del elemento (opcional)

⚠️ Nota: La enumeración de los nodos debe realizarse en sentido antihorario para garantizar una formulación correcta.
ESTADOS DISPONIBLES: 'PLANE_STRESS', 'PLANE_STRAIN'

7.2. Comando de elemento de membrana Q4

El elemento de membrana Q4 es un elemento finito bidimensional de cuatro nodos con integracion de 4 puntos, con funciones de forma bilineales es un elemento serendipito con formulacion isoparametrica.

Cada nodo posee dos grados de libertad de traslación (en x y y).

model.add_membrane_q4('id', '*node_ids', 'section_name', 'state=ConstitutiveModel.PLANE_STRESS')

• id (int) → ID del miembro
• node_ids (list[int]) → Una lista de IDs de los 4 nodos
• section_name (str) → Nombre de la sección
• state (ConstitutiveModel) → Estado constitutivo del elemento (opcional)

⚠️ Nota: La enumeración de los nodos debe realizarse en sentido antihorario para garantizar una formulación correcta.
⚠️ Nota: Se recomienda discretizar con el elemento Q4 ya que esta tiene una convergencia muy mala con un solo elemento.
ESTADOS DISPONIBLES: 'PLANE_STRESS', 'PLANE_STRAIN'

7.3. Comando de elemento de membrana Q6

El elemento de membrana Q6 (Quadrilateral with degrees of freedom of perforation) es un elemento finito bidimensional de cuatro nodos con integracion de 4 puntos, con funciones de forma 4 bilineales + 4 cuadradas es un elemento serendipito con formulacion isoparametrica.

Cada nodo posee tres grados de libertad; traslacion en x, y y rotacion en z.

model.add_membrane_q6('id', '*node_ids', 'section_name', 'state=ConstitutiveModel.PLANE_STRESS')

• id (int) → ID del miembro
• node_ids (list[int]) → Una lista de IDs de los 4 nodos
• section_name (str) → Nombre de la sección
• state (ConstitutiveModel) → Estado constitutivo del elemento (opcional)

⚠️ Nota: La enumeración de los nodos debe realizarse en sentido antihorario para garantizar una formulación correcta.
ESTADOS DISPONIBLES: 'PLANE_STRESS', 'PLANE_STRAIN'

7.4. Comando de elemento de membrana Q6I

El elemento de membrana Q6I (Quadrilateral with Incompatible Modes) es un elemento finito bidimensional de cuatro nodos con integracion de 4 puntos, con funciones de forma 4 bilineales + 2 cuadradas (modos incompatibles) es un elemento serendipito con formulacion isoparametrica.

Cada nodo posee dos grados de libertad de traslación (en x y y).

model.add_membrane_q6i('id', '*node_ids', 'section_name', 'state=ConstitutiveModel.PLANE_STRESS')

• id (int) → ID del miembro
• node_ids (list[int]) → Una lista de IDs de los 4 nodos
• section_name (str) → Nombre de la sección
• state (ConstitutiveModel) → Estado constitutivo del elemento (opcional)

⚠️ Nota: La enumeración de los nodos debe realizarse en sentido antihorario para garantizar una formulación correcta. ESTADOS DISPONIBLES: 'PLANE_STRESS', 'PLANE_STRAIN'

7.5. Comando de elemento de membrana Q8

El elemento de membrana Q8 es un elemento finito bidimensional de ocho nodos con integracion de 4 puntos ó 9 puntos, con funciones de forma 4 bicuadradas + 4 cuadradas es un elemento serendipito con formulacion isoparametrica.

Cada nodo posee dos grados de libertad; traslacion en x, y.

model.add_membrane_q8('id', '*node_ids', 'section_name', 'state=ConstitutiveModel.PLANE_STRESS', 'integration=IntegrationType.COMPLETE')

• id (int) → ID del miembro
• node_ids (list[int]) → Una lista de IDs de los 4 nodos
• section_name (str) → Nombre de la sección
• state (str ó ConstitutiveModel) → Estado constitutivo del elemento (opcional)
• integration (str ó IntegrationType) → Tipo de integracion (opcional)

⚠️ Nota: La enumeración de los nodos debe realizarse en sentido antihorario para garantizar una formulación correcta.
⚠️ Nota: El elemento Q8 tiene 8 nodos pero sin embargo los 4 faltantes son calculado en el medio de los lados del cuadrilatero y estas a su vez son condensados en los 4 nodos originales del cuadrilatero.
⚠️ Nota: Se recomienda no discritizar con el elemento Q8 ya que esta con un solo elemento da una convergencia muy buena. debido a su que su implementacion es muy robusta. caso que si se discretiza esta se vuelve muy flexible y se aleja de la solucion exacta.
⚠️ Nota: La integracion reducida evita de cierta manera el efecto de bloqueo por cortante.
ESTADOS DISPONIBLES: 'PLANE_STRESS', 'PLANE_STRAIN'
INTEGRACION DISPONIBLE: 'REDUCED' (4 puntos), 'COMPLETE' (9 puntos)

8. Comando de patron de carga

El patron de carga es un conjunto de cargas que se aplican a los miembros del modelo, el modelo puede tener varios patrones de carga y analizarlos por separado.

model.add_load_pattern('name', 'self_weight_multiplier=0', 'state=StateType.ACTIVE')

• name (str) → Nombre del patron de carga
• self_weight_multiplier (float) → Multiplicador del peso propio (opcional)
• state (str ó StateType) → Estado del patron de carga (opcional)

ESTADOS DISPONIBLES: 'ACTIVE', 'INACTIVE'

model.set_state_load_pattern('name', 'state=StateType.ACTIVE')

• name (str) → Nombre del patron de carga
• state (str ó StateType) → Estado del patron de carga

ESTADOS DISPONIBLES: 'ACTIVE', 'INACTIVE'

9. Comandos de asignacion

9.1. Comandos de asignacion modificador de propiedades

model.set_property_modifiers('section_name', 'axial_area=1', 'shear_area=1', 'moment_inertia=1', 'weight=1')

• section_name (str) → Nombre de la sección
• axial_area (float) → Modificador de área transversal (Opcional)
• shear_area (float) → Modificador de área de corte (Opcional)
• moment_inertia (float) → Modificador de momento de inercia (Opcional)
• weight (float) → Modificador de peso (Opcional)

9.2. Comando de condiciones de frontera

9.2.1. Comando de restricciones

model.add_restraint('node_id', 'ux', 'uy', 'rz')

• node_id (int) → ID del nodo
• ux (bool) → Restricción de traslación en el eje x
• uy (bool) → Restricción de traslación en el eje y
• rz (bool) → Restricción de rotación en el eje z

9.2.2. Comando de apoyos elásticos

model.add_elastic_support('node_id', 'kx=None', 'ky=None', 'krz=None', 'CSys=CoordinateSystemType.GLOBAL')

• node_id (int) → ID del nodo
• kx (float) → Constante de rigidez en X
• ky (float) → Constante de rigidez en Y
• krz (float) → Constante de rigidez en Z
• CSys (str ó CoordinateSystemType) → Sistema de coordenadas (opcional)

CSYS DISPONIBLES: 'GLOBAL', 'LOCAL'

9.2.3. Comando de eje local

model.add_local_axis_for_node('node_id', 'angle')

• node_id (int) → ID del nodo
• angle (float) → Ángulo del eje local en grados

9.3. Comando de cargas

9.3.1. Comando de cargas puntuales

model.add_point_load('node_id', 'load_pattern_name', 'fx=0', 'fy=0', 'mz=0', 'CSys=CoordinateSystemType.GLOBAL', 'replace=False')

• node_id (int) → ID del nodo
• load_pattern_name (str) → Nombre del patron de carga
• fx (float) → Fuerza en X (opcional)
• fy (float) → Fuerza en Y (opcional)
• mz (float) → Momento en Z (opcional)
• CSys (str ó CoordinateSystemType) → Sistema de coordenadas (opcional)
• replace (bool) → Reemplazar la carga existente (opcional)

CSYS DISPONIBLES: 'GLOBAL', 'LOCAL'

9.3.2. Comando de asignacion de desplazamientos

model.add_prescribed_dof('node_id', 'load_pattern_name', 'ux=None', 'uy=None', 'rz=None', 'CSys=CoordinateSystemType.GLOBAL')

• node_id (int) → ID del nodo
• load_pattern_name (str) → Nombre del patron de carga
• ux (float) → Desplazamiento en X (opcional)
• uy (float) → Desplazamiento en Y (opcional)
• rz (float) → Rotacion en Z (opcional)
• CSys (str ó CoordinateSystemType) → Sistema de coordenadas (opcional)

CSYS DISPONIBLES: 'GLOBAL', 'LOCAL'

9.3.3. Comando de cargas distribuidas

model.add_distributed_load('member_id', 'load_pattern_name', 'load_start=0', 'load_end=0', 'CSys=CoordinateSystemType.GLOBAL', 'direction=DirectionType.LOCAL_2', 'load_type=LoadType.FORCE', 'replace=False')

• member_id (int) → ID del miembro
• load_pattern_name (str) → Nombre del patron de carga
• load_start (float) → Magnitud de la carga en el inicio (opcional)
• load_end (float) → Magnitud de la carga en el final (opcional)
• CSys (str ó CoordinateSystemType) → Sistema de coordenadas (opcional)
• direction (str ó DirectionType) → Dirección de la carga (opcional)
• load_type (str ó LoadType) → Tipo de carga (opcional)
• replace (bool) → Reemplazar la carga existente (opcional)

CSYS DISPONIBLES: 'GLOBAL', 'LOCAL' DIRECCION DISPONIBLES:

• LOCAL: 'LOCAL_1', 'LOCAL_2', 'LOCAL_3'
• GLOBAL: 'X', 'Y', 'Z', 'X_PROJ', 'Y_PROJ', 'GRAVITY', 'GRAVITY_PROJ'

TIPO DE CARGA DISPONIBLES: 'FORCE'

9.3.4. Comando de cargas de peso propio

model.add_self_weight('load_pattern_name', 'factor=1')

• load_pattern_name (str) → Nombre del patron de carga
• factor (float) → Factor de escala para el peso propio (opcional)

9.4. Comando de desface de exremos (brazos rigidos)

model.add_end_length_offset('member_id', 'la=0', 'lb=0', 'qla=True', 'qlb=True', 'fla=1', 'flb=1')

• member_id (int) → ID del miembro
• la (float) → Desface de longitud final en el nodo inicial (opcional)
• lb (float) → Desface de longitud final en el nodo final (opcional)
• qla (bool) → Si se aplica la carga en el brazo inicial (opcional)
• qlb (bool) → Si se aplica la carga en el brazo final (opcional)
• fla (float) → Factor de zona rigida del brazo inicial (opcional)
• flb (float) → Factor de zona rigida del brazo final (opcional)

9.5. Comando de liberaciones

model.add_releases('member_id', 'pi=False', 'vi=False', 'mi=False', 'pj=False', 'vj=False', 'mj=False')

• member_id (int) → ID del miembro
• pi (bool) → Liberación de fuerza Axial del nodo inicial (opcional)
• vi (bool) → Liberación de cortante del nodo inicial (opcional)
• mi (bool) → Liberación de momento del nodo inicial (opcional)
• pj (bool) → Liberación de fuerza Axial del nodo final (opcional)
• vj (bool) → Liberación de cortante del nodo final (opcional)
• mj (bool) → Liberación de momento del nodo final (opcional)

10. Comandos de analisis

model.solve(load_pattern_name=None)

• load_pattern_name (list[str] ó None) → Nombre de los patrones de carga a resolver (opcional), si es None se resuelve para todos los patrones de carga

11. Comandos de postprocesamiento

11.1. Comando de matriz de rigidez global

matrix: NDAarray = model.get_global_stiffness_matrix()

11.2. Comando de vector de fuerzas global

vector: NDAarray = model.get_global_load_vector('load_pattern_name')

• load_pattern_name (str) → Nombre del patron de carga

11.3. Comando de graficos

Este comando abre una ventana interactiva para visualizar el modelo.

model.show()

12. Comando de resultados

results: Results = model.get_results('load_pattern_name')

• results (Results) → Objeto que almacena todos los resultados del análisis.
• load_pattern_name (str) → Nombre del patrón de carga.

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METODOS DE Results

12.1. Resultados a nivel de modelo

displacements: np.ndarray = results.get_model_displacements()
reactions: np.ndarray = results.get_model_reactions()

• displacements (np.ndarray) → Desplazamientos globales del modelo.
• reactions (np.ndarray) → Reacciones globales del modelo.

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12.2. Resultados a nivel de nodos

displacements: np.ndarray = results.get_node_displacements(node_id)
reactions: np.ndarray = results.get_node_reactions(node_id)

• node_id (int) → Identificador del nodo.
• displacements (np.ndarray) → Desplazamientos del nodo.
• reactions (np.ndarray) → Reacciones en el nodo.

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12.3. Resultados a nivel de miembros

displacements: np.ndarray      = results.get_member_displacements(member_id)
internal_forces: np.ndarray    = results.get_member_internal_forces(member_id)
x_val: np.ndarray              = results.get_member_x_val(member_id)
axial_force: np.ndarray        = results.get_member_axial_force(member_id)
shear_force: np.ndarray        = results.get_member_shear_force(member_id)
bending_moment: np.ndarray     = results.get_member_bending_moment(member_id)
deflection: np.ndarray         = results.get_member_deflection(member_id)
slope: np.ndarray              = results.get_member_slope(member_id)
axial_displacement: np.ndarray = results.get_member_axial_displacement(member_id)

• member_id (int) → Identificador del miembro.
• Cada propiedad retorna un np.ndarray con los resultados correspondientes.

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12.4. Resultados de elementos CST (triángulos finitos)

displacements: np.ndarray = results.get_cst_displacements(cst_id)
strains: np.ndarray       = results.get_cst_strains(cst_id)
stresses: np.ndarray      = results.get_cst_stresses(cst_id)

• cst_id (int) → Identificador del elemento CST.
• displacements (np.ndarray) → Desplazamientos.
• strains (np.ndarray) → Deformaciones.
• stresses (np.ndarray) → Esfuerzos.

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12.5. Resultados de elementos Membrane Q6

displacements: np.ndarray = results.get_membrane_q6_displacements(membrane_q6_id)

• membrane_q6_id (int) → Identificador del elemento Q6.
• displacements (np.ndarray) → Desplazamientos.

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12.6. Resultados de elementos Membrane Q6i

displacements: np.ndarray = results.get_membrane_q6i_displacements(membrane_q6i_id)

• membrane_q6i_id (int) → Identificador del elemento Q6i.
• displacements (np.ndarray) → Desplazamientos.

Ejemplo de uso

from milcapy import SystemModel, BeamTheoriesType, model_viewer

model = SystemModel()

model.add_material(name="concreto", modulus_elasticity=2.1e6, poisson_ratio=0.2)
model.add_rectangular_section(name="vigas", material_name="concreto", base=0.3, height=0.5)
model.add_rectangular_section(name="muros", material_name="concreto", base=0.3, height=2.0)

model.add_node(1, 0, 0)
model.add_node(2, 0, 5)
model.add_node(3, 7, 8.5)
model.add_node(4, 14, 5)
model.add_node(5, 14, 0)

model.add_member(1, 1, 2, "muros", BeamTheoriesType.TIMOSHENKO)
model.add_member(2, 2, 3, "vigas", BeamTheoriesType.EULER_BERNOULLI)
model.add_member(3, 3, 4, "vigas", BeamTheoriesType.EULER_BERNOULLI)
model.add_member(4, 4, 5, "muros", BeamTheoriesType.TIMOSHENKO)
model.add_member(5, 2, 4, "vigas", BeamTheoriesType.EULER_BERNOULLI)

model.add_restraint(1, (False, True, True))
model.add_restraint(5, (False, True, True))

model.add_local_axis_for_node(1, -37*3.1416/180)
model.add_local_axis_for_node(5, +37*3.1416/180)

lengthOffset = 1

model.add_elastic_support(3, ky=10)
model.add_end_length_offset(2, la=lengthOffset, qla=True)
model.add_end_length_offset(3, lb=lengthOffset, qlb=True)
model.add_end_length_offset(5, la=lengthOffset, lb=lengthOffset, qla=True)

model.add_releases(5, mi=True, mj=True)

model.add_load_pattern("Live Load")
model.add_point_load(3, "Live Load", 0, -50, 0)
model.add_distributed_load(2, "Live Load", -10, -5)
model.add_distributed_load(3, "Live Load", -5, -10)
model.add_distributed_load(5, "Live Load", -5, -5)
model.add_load_pattern("Dead Load")
model.add_point_load(3, "Dead Load", 40, -50, 10)
model.add_distributed_load(5, "Dead Load", -5, -5)

model.add_prescribed_dof(1, "Live Load", uy=-0.01, CSys="LOCAL")
model.add_prescribed_dof(5, "Live Load", uy=-0.01, CSys="LOCAL")

model.postprocessing_options.n = 100

model.solve()

model_viewer(model)