UNIVERSIDADE DO ESTADO DO MATO GROSSO – UNEMAT
JOSÉ RICARDO GUBERT CHILÓ
CAPACIDADE DE CARGA DE UMA SAPATA ASSOCIADA
COM ESTACA DO TIPO BROCA.
SINOP
2015/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DO MATO GROSSO – UNEMAT
JOSÉ RICARDO GUBERT CHILÓ
CAPACIDADE DE CARGA DE UMA PLACA ASSOCIADA
COM ESTACA DO TIPO BROCA.
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof. Orientador: Dr. Flávio Alessandro Crispim
Sinop
2015/2
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Recursos materiais...24 Tabela 2 – Cronograma...25
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Tipos de sapata estaqueada ...12
Figura 2- Mecanismos De Ruptura Em Fundações...13
Figura 3- Recalque Em Fundações ...14
Figura 4- Carga Recalque Proposto Por Sales (2000)...15
Figura 5- Carga Recalque Em Radier...17
Figura 6- Modelo Reduzido Do Ensaio De Prova De Carga...17
Figura 7- Localização Do Ensaio...19
Figura 8- Corte esquemático ensaio 1...20
Figura 9- Placa Para Ensaio...20
Figura 10- Sistema hidráulico...21
Figura 11- Viga de reação...21
Figura 12- Corte Do Ensaio...22
Figura 13 - Layout provas de carga...23
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ELU – Estado limite último
ELS – Estado limite de utilização UnB – Universidade de Brasília SPT – Standard penetration test
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Capacidade de carga de uma placa associada com estaca do tipo broca .2. Tema: 30103010 – Fundações e escavações
3. Delimitação do Tema: Fundações
4. Proponente(s): José Ricardo Gubert Chiló 5. Orientador(a): Dr. Flávio Alessandro Crispim
6. Estabelecimento de Ensino: UNEMAT, Universidade do Estado de Mato Grosso. 7. Público Alvo: Acadêmicos e profissionais da área
8. Localização UNEMAT; Avenida dos Ingás, n° 3001, Centro, CEP: 78550-000, Sinop-MT, Tel: 66 3511 2128.
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... I LISTA DE FIGURAS ... II LISTA DE ABREVIATURAS ... III DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... IV 1 INTRODUÇÃO ... 6 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 7 3 JUSTIFICATIVA... 8 4 OBJETIVOS ... 9 4.1 Objetivo Geral ... 9 4.2 Objetivos Específicos ... 9 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 10 5.1 Fundações ... 10 5.1.1 Fundação superficial ... 10 5.1.2 Fundação profunda ... 11 5.1.3 Fundações mistas ... 11
5.2 Mecanismos de ruptura em fundações ... 13
5.3 Uso da estaca para diminuição do recalque ... 14
6 METODOLOGIA ... 19
6.1 Localização dos ensaios ... 19
6.2 Materiais e métodos ... 20
7 RECURSOS MATERIAIS ... 25
8 CRONOGRAMA ... 26
1 INTRODUÇÃO
A fundação é uma parte primordial em uma obra de engenharia civil. Sua principal função é transmitir esforços e momentos gerados pela estrutura para o solo ou o maciço rochoso. No contexto atual os principais tipos de fundação são sapatas, estacas e tubulões, a fundação pode ser dividida em dois grupos, as fundações rasas e as fundações profundas (ABNT,1998). As rasas transmitem a tensão ao solo diretamente por sua base, já as profundas transmitem as tensões pelo atrito lateral juntamente com a resistência de ponta. Existem também as fundações mistas que mesclam características dos dois grupos anteriores.
Atualmente no Mato Grosso, onde as fundações profundas são custosas às fundações rasas são mais utilizadas por serem menos onerosas e necessitarem de mão de obra menos qualificada, entretanto, segundo Soares (2013) em Sinop onde o solo é considerado fraco a solução por fundações rasas tem uma limitação técnica. Aparecendo como uma alternativa ao engenheiro de fundações as fundações mistas por sua vez vêm sendo amplamente desenvolvidas, inclusive sendo o radier estaqueado o método de fundação do maior edifício do mundo atualmente o Burj Khalifah em Dubai com 828m de altura.
Na conjuntura anterior o método de fundações mistas, principalmente sapatas estaqueadas acaba sendo a solução usada para minimizar recalques diferenciais e absolutos sem a necessidade da implantação de fundações profundas.
O referente projeto de pesquisa tem o proposito de verificar a viabilidade técnica de uma placa estaqueada e compara-lá a solução sem a estaca, analisando a capacidade de carga e respectivos recalques de cada método de execução.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
Na construção de uma fundação é necessário ser cauteloso quanto á escolha do tipo de fundação e estudo das características do solo. Segundo Pinto (2012) Soares (2013) e Souza (2013) o solo de Sinop-MT tem baixa capacidade de suporte com tensão admissível da ordem 50 kN/m² e NSPT nas profundidades superficiais da ordem de 3. Assim fundações superficiais não são recomendadas para uso neste solo, porém, tem sido aplicadas em larga escala. É frequente a ocorrência de sapatas de grandes dimensões com consequente concentrações de tensão e recalques diferenciais ocasionando trincas nas edfificações.
Para minimizar este problema têm sido utilizadas sapatas estaqueadas, em razão da facilidade de execução e também em função do baixo custo quando se compara a fundações profundas, a qual é pouco empregada por causa do excessivo custo de execução, principalmente da mobilização de equipamento disponível apenas em locais a mais de 500 km.
O resgate do conceito de estacas como “elementos redutores de recalque”, e não apenas com a função de suportar carga, vem ganhando espaço entre as pesquisas na área de fundações. Novos métodos estão sendo criados explorando as vantagens da associação de um elemento superficial de fundação com um certo numero “ótimo” de estacas. (SALES; 2000)
Dentro deste contexto, este projeto de pesquisa tem como base a seguinte interrogação: A solução por sapatas estaqueadas é uma opção viável no município? Visando é claro o aumento da capacidade de carga e a diminuição dos recalques quando comparada a sapata isolada.
3 JUSTIFICATIVA
No município de Sinop se tornou corriqueira a execução de sapatas estaqueadas em edificações de pequeno e médio porte, entretanto como a execução de fundações rasas tem o objetivo de diminuir custos, o controle de projeto e execução nem sempre é o ideal, carecendo de sondagens e maiores estudos sobre esse tipo de fundação.
Os estudos de fundações de pequeno porte despertam pouco interesse na comunidade científica, pois não envolvem grande quantidade de capital. No entanto para o construtor, podem encarecer ou até inviabilizar a obra, principalmente quando assentes em solos identificados como moles, como por exemplo, as argilas muito compressíveis, ou ainda os solos colapsáveis. (DUARTE; 2012)
Segundo Soares (2013), Sinop apresenta solos com características argilo-arenosas e lençol freático raso, por volta de 2,50 m na época da estiagem e 0,80 m em períodos chuvosos, fundações diretas com NSPT tão baixo podem não atender todos os estados limites, ultimo e de serviço, é nesse contexto que as fundações mistas o aparecem com uma alternativa ao engenheiro de fundações.
Portanto, esse projeto de pesquisa vem estudar as características das sapatas estaqueadas para que possam servir como uma opção para o local, e para locais com características geológicas semelhantes, visando principalmente a diminuição do recalque.
4 OBJETIVOS
4.1 Objetivo Geral
Precisar o comportamento carga/recalque de uma placa estaqueada e compara-la com a placa apenas, obtendo assim o ganho de capacidade de carga referente à utilização da fundação mista.
4.2 Objetivos Específicos
Executar o ensaio de prova de carga em placa no solo de Sinop-MT.
Executar o ensaio de prova de carga em placa estaqueada no solo de Sinop-MT.
Analisar os resultados e a viabilidade técnica e executiva dessa solução de fundação, comparando com o a solução de fundação rasa.
Estabelecer parâmetros para o tipo de fundações estudada, para que possam ser utilizados em futuras edificações.
Fazer uma análise critica da fundação mista utilizada em obras de pequeno e médio porte no município de Sinop.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 Fundações
Em edificações normalmente se define “fundação” como o conjunto de elementos estruturais responsáveis por transferir, ao solo natural, o acréscimo de carga oriundo daquela obra. Alguns autores também denominam “fundação” por “infraestrutura”. Em outras obras, como barragens, o termo “fundação” é empregado para se referir à camada de solo, ou rocha que receberá a sobrecarga que o barramento transferirá ao mesmo (SALES, 2000)
Segundo Neto (2013), a fundação é composta por um sistema constituído pelas sapatas, radiers, blocos, estacas ou tubulões e pelo material constituinte do subsolo, que em geral é o elemento que governa a capacidade de carga de um “sistema” de fundação.
A ABNT (2010) divide fundação em dois grandes grupos: fundações superficiais e profundas.
5.1.1 Fundação superficial
Elementos de fundação em que a carga é transmitida ao terreno, predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base da fundação, e em que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação. Radier é o elemento de fundação superficial que abrange todos os pilares da obra ou carregamentos distribuídos (por exemplo: tanques, depósitos, silos, etc.) (ABNT, 2010).
Sapata associada é a sapata comum a vários pilares, cujos centros, em planta, não estejam situados em um mesmo alinhamento (ABNT, 2010).
Bloco é o elemento de fundação superficial de concreto, dimensionado de modo que as tensões de tração nele produzidas possam ser resistidas pelo concreto, sem necessidade de armadura. Pode ter suas faces verticais, inclinadas ou escalonadas e apresentar normalmente em planta seção quadrada ou retangular (ABNT, 2010).
Sapata é o elemento de fundação superficial de concreto armado, dimensionado de modo que as tensões de tração ele produzidas não sejam resistidas pelo concreto, mas sim pelo emprego da armadura. Pode possuir
espessura constante ou variável, sendo sua base em planta normalmente quadrada, retangular ou trapezoidal (ABNT, 2010).
Sapatas corridas é a sapata sujeita à ação de uma carga distribuída linearmente (ABNT, 2010).
Viga de fundação é o elemento de fundação superficial comum a vários pilares, cujos centros, em planta, estejam situados no mesmo alinhamento (ABNT, 2010).
5.1.2 Fundação profunda
Elemento de fundação que transmite a carga ao terreno pela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas, e que está assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo 3 m, salvo justificativa. (ABNT, 2010)
Estaca é o elemento de fundação profunda executado inteiramente por equipamentos ou ferramentas, sem que, em qualquer fase de sua execução, haja descida de operário. Os materiais empregados podem ser: madeira, aço, concreto pré-moldado, concreto moldado in situ ou mistos (ABNT, 2010).
Caixão é o elemento de fundação profunda de forma prismática, concretado na superfície e instalado por escavação interna. Na sua instalação pode-se usar ou não ar comprimido e sua base pode ser alargada ou não (ABNT, 2010).
Tubulão é o elemento de fundação profunda, cilíndrico, em que, pelo menos na sua etapa final, há descida de operário. Pode ser feito a céu aberto ou sob ar comprimido (pneumático) e ter ou não base alargada. Pode ser executado com ou sem revestimento, podendo este ser de aço ou de concreto. No caso de revestimento de aço (camisa metálica), este poderá ser perdido ou recuperado (ABNT, 2010).
5.1.3 Fundações mistas
A ABNT (2010) não prevê a solução por solução mista, mas na literatura técnica há relatos de utilização de fundações superfificais associadas a estacas curtas.
Segundo Duarte (2012) fundação mista é caracterizada pela associação de fundações superficiais e profundas. Dentre estas se destacam estacas T e estapatas dependendo se há contato ou não da sapata com a estaca. Na Figura 1 (a) tem se a chamada estaca T, sendo que esta através de um engaste transmite parte da tensão diretamente para a estaca sob a mesma. Por sua vez na estapata, Figura 1 (b) não há contato direto entre as partes na execução podendo ou não, este contato, acontecer com o recalque inicial na sapata.
Figura 1 – Tipos de sapata estaqueada (DUARTE,2012)
Para Decourt (1996) Fundações mistas são aquelas compostas por dois elementos, um vertical e um horizontal.
Cintra (1998) afirma que os problemas básicos das fundações mistas são: a determinação dos percentuais de contribuição na carga de cada elemento da fundação e a determinação da rigidez do conjunto.
Segundo Sales (2000) fisicamente, um grupo de estacas, que é a forma tradicional de fundação, poderia ser considerado como uma sapata estaqueada quando o bloco de ligação entre as estacas estiver em contato com o solo, fazendo assim o papel de elemento superficial da fundação (como sapata ou radier).
Sabe-se que uma fundação composta por sapata estaqueada ou radier estaqueado tem maior eficiência na redução dos recalques, pois o contato do elemento de fundação superficial contribui no desempenho de capacidade de carga e redução do recalque para o sistema (GARCIA et al, 2014).
Em suma, a literatura geral define como um misto das duas soluções com novas características, a fundação mista segue o padrão da fundação rasa, mas com menor recalque.
5.2 Mecanismos de ruptura em fundações
As curvas carga-recalque podem ter diferentes formas como mostradas na Figura 2.
Figura 2- Mecanismos de ruptura em fundações (VELOSO E LOPES, 2012).
Há três tipos característicos. No primeiro tipo, a ruptura ocorre bruscamente, após uma curta transição, a curva tem uma tangente vertical (Figura 2 a), e a ruptura é dita generalizada. No segundo tipo (Figura 2 b), quando a ruptura é dita localizada, a curva é mais abatida, quando comparada à primeira, e tem uma tangente inclinada no ponto extremo. O primeiro tipo ocorre nos solos mais rígidos, como areias compactas e muito compactas e argilas rijas e duras. O segundo tipo ocorre em solos mais deformáveis, como areias fofas e argilas médias e moles. Passando para o outro extremo, a ruptura por puncionamento é caracterizada por um mecanismo de
difícil observação (Figura 2 c). À medida que a carga cresce o movimento vertical da fundação é acompanhado pela compressão do solo imediatamente abaixo. (VELOSO E LOPES, 2012).
5.3 Uso da estaca para diminuição do recalque
Veloso e Lopes (2012) relatam que uma fundação, ao ser carregada, sofre recalques que se processam, em parte, imediatamente após o carregamento e, em parte, com o decorrer do tempo. Ainda segundo os autores recalques que ocorrem imediatamente após o carregamento são chamados de recalques instantâneos ou imediatos, indicados como wi na Figura 3. A parcela que ocorre com o tempo está indicada como wt. Assim, o recalque total ou final será:
Figura 3- Recalque Em Fundações (VELOSO E LOPES, 2012).
Davis e Poulos (1972) afirmam que em uma fundação mista é ilógico dimensionar a estaca que ficará embaixo da sapata para carga total da fundação, sendo que esta só terá a função de reduzir recalques.
Neto (2013) diz que nas últimas décadas, tem havido um reconhecimento crescente da utilização de estacas como elementos redutores de recalque em radiers e sapatas, pois além de reduzir os recalques diferenciais, seu uso resulta em um projeto consideravelmente mais econômico sem comprometer a segurança e o desempenho da fundação.
É interessante observar que quando o elemento estrutural de ligação do grupo de estacas está em contato com o solo, o comportamento de grupo de
estacas é influenciado pelo elemento estrutural de ligação. O bloco/radier passa também a exercer tensões sobre o solo de fundação, compartilhando com as estacas na divisão de cargas que antes eram absorvidas apenas pelas estacas no caso de grupos sem contato bloco/solo. Quando o radier se encontra em contato com o solo, maior interação ocorrerá entre os elementos de fundação, proporcionando por parte do bloco maior capacidade de suporte e combate a recalques (GARCIA et al, 2014).
Os projetos de fundação com o bloco-sapata sobre estacas são elaborados empiricamente em função do conhecimento prévio da curva carga - recalque do conjunto (bloco-sapata-estaca) ou da estaca e do bloco-sapata, individualmente. (MARQUES, 2006).
Sales (2000) realizou o ensaio de prova de carga de uma sapata quadrada (1m x 1m x 0,15m) sobre uma estaca do tipo broca de 15 cm de diâmetro e 5 m de comprimento no solo de Brasília (campo Experimental da UnB), citado por ele como uma argila porosa de baixa resistência.
A Figura 4 resume seus resultados e correlaciona com cada elemento submetido ao mesmo teste individualmente.
Figura 4- Carga recalque proposto por Sales (2000)
No teste da sapata sobre uma estaca, até a carga de 70 kN, quando a estaca ainda não estava totalmente mobilizada, o recalque da fundação com a associação dos dois elementos foi aproximadamente quatro vezes menor do que da sapata isolada. Ainda neste intervalo de carga, observa-se que o nível de recalque da
sapata estaqueada é praticamente o mesmo de uma estaca isolada, o que indica que o recalque do sistema é efetivamente controlado pela estaca (SALES, 2000).
Após a total mobilização de carga da estaca (cargas acima de 70 kN), o recalque da sapata estaqueada aumenta sensivelmente, vindo a reduzir a diferença em relação ao da sapata isolada; (SALES, 2000).
Como não foi possível levar o ensaio da sapata sobre uma estaca até próximo à ruptura do solo sob a fundação, ficou inviabilizada a estimativa da majoração da capacidade de carga deste sistema de fundação, em relação às capacidades individuais da sapata e estaca isolada (SALES, 2000).
Pode-se concluir que a inclusão da estaca sob a sapata, fez com que a mesma comandasse a rigidez da fundação até a completa mobilização de sua capacidade de carga. Após este ponto, os recalques passaram a crescer, mas ainda com uma situação vantajosa em relação a de uma sapata isolada (estaca funcionando como "elemento redutor de recalque") (SALES, 2000).
Duarte (2012) realizou uma prova de carga de carga semelhante a de Sales em uma sapata quadrada (0,8m x0,8m) com uma estaca tipo broca com 9 cm de diâmetro e 1,20 m de comprimento. Ressalta-se que existia um espaço de 1,5cm entre o topo da estaca e a base da sapata. Quando comparada a sapata isolada também observou-se a diminuição efetiva do recalque, mas sem grandes ganhos de capacidade de carga.
Garcia et al (2014) realizaram uma análise puramente numérica com o software LCPC CESAR v.5 de um radier estaqueado em assente argiloso e arenoso e concluíram que para um mesmo nível de recalque a carga admissível da fundação mista é maior, claramente visto na Figura 5
Independente do tipo de solo, argiloso ou arenoso, o efeito de contato do radier mostra-se como importante elemento à contribuição no aumento da capacidade de carga e na redução dos recalques do elemento de fundação. As características de resistência mecânica do solo, arenoso ou argiloso, devem ser consideradas como importante condição a permitir a aplicação de radiers estaqueados e o efeito de contato pode ser mais significativo para solos predominantemente argilosos (GARCIA et al, 2014).
Figura 5- Carga Recalque Em Radier (GARCIA et al,2014)
Ferreira et al (2012) ensaiaram sapatas sobre estacas em modelo reduzido, como mostrado na Figura 6.
Figura 6- Modelo reduzido do ensaio de prova de carga (FERREIRA,2012)
Os autores concluíram com base também em outros autores que o modelo reduzido produziu resultados coerentes com os encontrados anteriormente em que a
estaca reduzia consideravelmente os recalques, também observaram que o deslocamento das partículas simulam de forma apropriada os mecanismo de ruptura em cunha.
6 METODOLOGIA
A pesquisa em questão será realizada na área urbana do município de Sinop-MT, sendo realizada um ensaio de prova de carga em placa e outro ensaio de prova de carga em sapata estaqueada.
6.1 Localização dos ensaios
Os ensaios serão realizados no campus universitário da UNEMAT (Universidade do Estado de Mato Grosso) situado no município de Sinop-MT.
Figura 7- Localização do ensaio (Google Earth, 2013)
Para melhor análise do solo foi definido que a execução deveria ser entre os meses de fevereiro e abril sendo que nesse momento o nível do lençol freático está em seu estado máximo.
6.2 Materiais e métodos
A prova de carga seguirá as determinações da ABNT (1984). Conseguindo assim resultados validos, para que publicações futuras possam repetir o ensaio.
Segue o corte esquemático do primeiro ensaio:
Figura 8- Corte esquemático ensaio 1 (cotas em metros) Autoria própria
Para o primeiro ensaio segundo a exigência da norma a placa deve ter no mínimo 0,5 m² para se obter resultados representativos optou se assim por usar uma placa de 0,8m de diâmetro (Figura 8), disponível no acervo da universidade.
Figura 9- Placa para ensaio SOUZA (2013)
Para o sistema de reação será implementado um sistema de estacas tirantes ligados a uma viga de reação (Figura 11). Os blocos de reação irão ter 1,2m de comprimento por 0,8m de largura, sendo constituídos por 8 estacas de 0,3m de diâmetro e 2m de profundidade dimensionadas para resistirem os esforços de tração.
Bloco de reação (MARTINS, 2013)
Extensômetros ligados em um ponto fixo medirão os deslocamentos provenientes da aplicação da carga.
Um conjunto hidráulico com capacidade de 30 toneladas (Figura 10) será utilizado para aplicação de carga.
Figura 10- Sistema hidráulico
Figura 11 – Viga de reação SOUZA (2013)
Para o segundo ensaio será necessária a perfuração com trado manual de uma estaca (tipo broca) de 0,15m de diâmetro por 2 m de comprimento a partir da cota da sapata e posterior concretagem (concreto com fck=25 mpa) da estaca engastada com a sapata circular de 0,8m de diâmetro.
Figura 12- Corte do ensaio (cotas em metros) Autoria própria
A ABNT (1984) faz as seguintes observações sobre o ensaio: A carga será aplicada em estágios de no máximo 20% da carga admissível total estimada, os recalques serão lidos imediatamente após a aplicação da carga e após intervalos de tempo sucessivamente dobrados (1 ;2; 4; 8; 15 minutos... ). O ensaio deve ser mantido até se obter um recalque de 25 mm ou até a carga aplicada atingir duas vezes a cara inicial estimada, caso não se alcance a ruptura a carga máxima deve ser mantida por 12 horas, e a descarga deve ser em descarregamentos sucessivos não superiores a 25% da carga total aplicada, lendo os recalques de maneira idêntica ao carregamento.
Como os ensaios são em conjunto com o projeto de pesquisa do acadêmico Doglas Fank foi elaborado um layout básico da localização das estacas de reação e das posições das provas de carga (Figura 13), onde PC são as provas de carga e a área hachurada os blocos de reação.
Figura 13 – Layout provas de carga (cotas em metros) Autoria própria
Espera se obter a curva carga recalque dos dois casos e compara lá, obtendo assim uma leitura de como a estaca se comporta abaixo da sapata.
7 RECURSOS MATERIAIS
Recursos materiais envolvidos no ensaio:
Tabela 1- Recursos materiais
EQUIPAMENTO
FUNÇÃO CONJUNTO
HIDRAULICO APLICAR A FORÇA EXTENSOMETROS MEDIR DESLOCAMENTOS PLACA DO ENSAIO TRASFERIR YENSAO AO SOLO
MATERIAIS
GRAMPOS PRENDER A VIGA NO SISTEMA DE REAÇÃO
CONCRETO EXECUÇÃO DO ENSAIO FERRAGENS EXECUÇÃO DO ENSAIO VIGA DE REAÇÃO EXECUÇÃO DO ENSAIO
SERVIÇOS ESCAVAÇÃO EXECUÇÃO DO ENSAIO
MÃO DE OBRA EXECUÇÃO DO ENSAIO Fonte: Autoria Propria
8 CRONOGRAMA
Cronograma a ser seguido:
Tabela 2 – Cronograma
ATIVIDADES DEZ JAN FEV MAR ABR MAI JUN
Revisão bibliográfica Escavação e concretagem dos blocos de reação Arranjos dos equipamentos e materiais do ensaio Montagem dos ensaios Realização dos ensaios Analise dos resultados Redação e defesa do artigo
9 REFERENCIAL BIBLIOGRAFICO
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