DE2108264A1 - Gesteinsbolzen - Google Patents

Description

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PATENTANWALT* Dr.-lng. HAMS RUSCHKB DlpL-Ιηίί.ΗΓ'Ν/ A3ULAR

BEiUiS! 33 Alt8Ust3-ViKtcrid-Strala.il

Chester I. Williaas, Grand Rapid« / Michigan (V.St.ν.A.)

α-eatainsbolitn

Gegenstand der Erfindung ist die Ausgestaltung von (iesteinsbolzen derart) dass diesen bei der Einbettung in Beton die größte Haltekraft verliehen wird.

Gresteinsbolzen werden im allgemeinen dazu verwendet, um eine Gesteinaformation in der JNähe von .Bauwerken zu befestigen. Diese Bolzen werden in lange, in das Gestein gebohrte Bohrlöcher eingesetzt, wobei das innen gelegene Ende dea (xeateinsbolzens im allgemeinen mit einer Verankerungsvorrichtung versehen wird. Von dieser Stelle aus erstreckt sich der Bolzenüchaft bis zur Oberfläche, an der üblicherweise am Eingangaende des Bohrloches eine schwere Lagerplatte vorgesehen wird, auf die vom Bolzen aus Kräfte über eine herkömmliche Mutter übertragen werden, die auf den Bolzenöchaft aufgebracht wirdo Dleue Geateinsbolzen weisen im allgemeinen eine Jüänge bia zu 18 m auf. Es ist allgemein Üblich, in das Bohrloch um den Gesteinabolzen herum

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BAD ORtQtNAL

flüssigen Zement einzuspritzen, um eine Verbindung zwischen dem BoIζenscheft und dem umgebenden Gestein herzustellen, und um den Bolzensohaft mit einer Schutzhülle zu umgeben. Der Zement ist anfangsflüssig und wird vorzugsweise in das Bohrloch um den Bolzen·chaft herum einge-spritzt, nachdem die Yerankerung befestigt worden ist· Die· wird vorzugsweise durchgeführt, nachdem der Bolzeneohaft unter eine erhebliche Vorspannung gesetzt worden ist, wie in der noch lohwtbenden Patentanmeldung

offenbart let.

Der Zement haftet sehr stark an einem belagfreien Stahlbolzenschaft, und diese Haftung wird von Technikern benutzt bei der Berechnung der Geeteinsbolzenanordnungen, die für Bauwerke in bestimmten Gesteinformationen erforderlich sind« Jtaohdem der Gesteinsbolsen in das Bohrloch eingesetzt, die Verankerung befestigt und die gewünschte Vorspannung erzeugt worden ist» wird vorzugsweise der Gesteinsbolzen in der gesamten Läng· mit dem umgebenden Gestein so fest wie möglich verbunden, Andere Bedingungen bestehen in denjenigen fällen, in denen der Gesteinebolzen später angesogen und unter Spannung gesetzt werden muss als folge von Verschiebungen an den außen gelegenen Bezirken der Gesteinsformation, die verschiedene Ursachen haben können. Die Haftverbindung des Zementes mit einem herkömmlichen Gesteinsbolzen bestimmt den höchsten Wert bei der Übertragung von Kräften pro Längeneinheit des Bolzenschaftes, da der Widerstand gegen ein Herausziehen dieser Verbindung von der Scherfestigkeit des Zementes in einer an die Außenseite eines zylindrischen Bolzenschaftes unmittelbar angrenzenden Ebene bestimmt wird oder von der Intensität der Haftverbindung, je nachdem, welche Verbindung schwächer ist.

Jeder Belag aus Fett, Öl oder von anderen Fremdstoffen auf der Außenseite eines zylindrischen Bolzenschaftes beeinträchtigt oder verhindert die Haftung des Zementes und damit die Herstellung einer Verbindung. Es ist allgemein üblich, aus Stahl bestehende Teile während des Herstellungsverfahrens mit einem öligen oder einem anderen Material in Berührung zu bringen, und die Gefahr einer Beeinträchtigung der Verbindung des Zementes

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BADORONAL

mit dem Bolzenschaft wurde weitgehend dadurch beseitigt, dase die Außenseite des Bolzenschaftes mit Wellen und Rippen in verschiedenen Formen und Ausführungen versehen wurde. Diese Wellen und Hippen werden im allgemeinen auch an Stangen vorgesehen, die zum Verstärken von Betonbauwerken verwendet werden. Diese Wellen und Rippen bestehen allgemein aus Vorsprüngen an der Außenseite der Stange mit einem im wesentlichen rechteckigen oder halbkreisförmigen Querschnitt in einer die Achse des Bolzenschaftes enthaltenden Ebene. Diese Vorsprünge stellen einen gegenseitigen Eingriff mit dem umgebenden Zement her, so dass beim Abbinden des Zementes eine mechanische Verriegelung erfolgt, die die Haftverbindung ergänzt. Diese zwangsläufige Verriegelung sichert, dass der Widerstand des Gesteinsbolzens im Zement gegen ein Herausziehen mindestens gleich der Scherfestigkeit des die Bolzenstange im Zement umgebenden Zylinders ist. Aufgrund dieser zwangsläufigen Verriegelung zwischen dem Bolzenschaft und dem Zement kann der Bolzenschaft in bezug auf· die umgebende Gesteinsformation natürlich nicht gereckt werden, so dass nach dem Einsetzen des Gesteinsbolzens an der Gebrauchsstel le der Bolzen sich selbst nicht mehr an Veränderungen der Beanspruchung anpassen kann.

Die Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, die Haltekraft von Gesteinsbolzen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung in der Weise gelöst, dass der Bolzenschaft an der Außenseite mit quer verlaufenden Einbuchtungen versehen wird, deren größte neigung in bezug auf die Achse des Bolzenschaftes mindestens an der zur Oberflächenplatte abgewandten Seite weniger als 15° beträgt.

Die quer verlaufenden Einbuchtungen weisen im Querschnitt eine sehr geringe Neigung in bezug auf eine die Achse des Bolzen schaftes enthaltende Ebene auf. Hierdurch wird bewirkt, jdass die Außenseite des Bolzenschaftes gleich einem Keil wirkt und nicht als eine feste mechanische Verriegelung mit dem umgebenden Zement. Kann der Bolzenschaft eine kleine Bewegung in bezug auf den Zement ausführen, bo werden hierbei sofort außerordentlich starke Druckkräfte in einer allgemein kegeligen Form

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BAD ORIGINAL

erzeugt, die auf den Zement zwischen dem Bolzenschaft und der Gesteinsformation einen starken Druck ausüben. Diese Kräfte sind eindeutig verschieden von den Scherkräften, die in der den Bolzenschaft umgebenden Ebene des Zementes wirksam sind. Selbst wenn berücksichtigt wird, dasa auf den Zement in dieser zylindrischen Ebene eine Scherkraft ausgeübt wird, so erzeugen diese außerordentlich starken Druckkräfte, die vom Bolzenschaft nach außen gerichtet sind, an dieser Ebene eine Reibung, die die normale Absehe rbelastung des Zementes übersteigto

Die genannten Einbuchtungen werden vorzugsweise mit einem symmetrischen Querschnitt versehen, obwohl auch ein sägezahnförmiger Querschnitt verwendet werden kann, wenn anzunehmen ist, dass sämtliche Beanspruchungen in einer bestimmten Richtung auftreten. Es ist in diesem J'alle wichtig, dass eine sägezahnförmige Anordnung so orientiert wird, dass die Belastung gegen die schwach geneigte Seite und nicht gegen die steile Seite ausgeübt wird. Es war bei der Ausführung von Gesteinsbolzenankern und von Vorrichtungen, die in Beton eingebettet werden, diese Anordnung umzukehren, so dass die herauszie henden Kräfte definiert werden können als die Scherfestigkeit des Zementes an der den Bolzenschaft unmittelbar umgebenden Ebene. Symmetrische Einbuchtungen weisen noch den Vorzug auf, dass sie die Strömung des Zementes längs des Bolzenschaftes wenig behindern.

Es sind einbuchtungen zu bevorzugen, die eine schraubenförmige oder gewellte Anordnung an der gesamten Außenseite des Bolzenschaftes bilden· Andererseits kann auch ein ringförmiges Muster mit einer Reihe von gleichen Einbuchtungen verwendet werden. Diese Einbuchtungen werden vorzugsweise durch Kaltbearbeitung erzeugt, so dass das Material des Bolzenschaftes an den Einbuchtungen stärker kaltbearbeitet und daher kräftiger ist als dae unmittelbar unter der Oberfläche befindliche Material. Wird ein schraubenförmiges Muster benutzt, so kann die Herstellung in einer Weise erfolgen, die dem Gewindewalzen ähnlich ist. Die Erzeugung der Einbuchtungen kann andererseits auch in einem Stahlwalzstuhl er folgen, wobei das Material zwischen Walzen hindurohgeführt wird. Bei Anwendung dieses Verfahrens werden am Bolzenschaft in dessen gesamter Länge normalerweise zwei

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diametral entgegengesetzte Rippen erzeugt ohne Rücksicht darauf, welches Muster am übrigen Teil des Bolzenschaftes erzeugt wird. Da diese beiden Rippen axial und nicht quer verlaufen, so stören sie nicht die Wirkung des übrigen Teiles des Umfanges des Bolzenschaftes im Zement. Bei Verwendung der gewellten Anordnung, bei der die Achse des Schaftes einen im wesentlichen in einer Ebene gelegenen schiangenlinigen Pfad verfolgt, kann das Material heißgewalzt werden zugleich mit der Herstellung des Materials, oder es kann ein zweiter Arbeitsgang vorgesehen werden, bei dem die Schaftelemente in entsprechend ausgestaltete Pressformen einer schweren Presse eingelegt werden. Da die wirksamsten Ausführungen von Gesteinsbolzen für den Durchlauf des Zementes im Innern hohl ausgestaltet sind, so ist es erwünscht, dass dieser äk Hohlraum im Innern soweit wie möglich geradlinig verläuft. Hierbei wird nicht nur die Strömung .des Zementes am geringsten behindert sondern auch das Entfernen des üblichen und nicht aus Eisenbestehenden Kernmaterials, das beim Walzen für die Erzeugung des Hohlraumes ver-wendet wirde JSiach dem Entfernen dieses Kernmaterials bildet der Bolzenschaft ein Rohr. Weicht das Kernmaterial von einem geradlinigen Verlauf zu sehr ab_f so wird dadurch das Entfernen erschwert. Kann die gewünschte äußere Form des Bolzenschaftes nicht ohne übermäßig starke Abweichung des Kerns von einem geradlinigen Verlauf erzeugt werden, so werden sekundäre Arbeitsgänge erforderlich.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In der j| beiliegenden Zeichnung ist die

Fig.1 eine schaubildliche Darstellung einer Gesteinsbolzenanordnung mit einem nach der Erfindung ausgestalteten Bolzenschaft,

Fig.2 eine Darstellung des an der Oberfläche gelegenen Teiles eines in eine Gesteinsformation eingesetzten Gesteinsbolzens ,

Fig.3 eine gegenüber den Figuren 1 und 2 vergrößert gezeichnete Darstellung eines Teiles eines Bolzenschaftes in einer Aueführungsform der Erfindung,

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Fig· 4 eine Darstellung einer anderen Ausführungsf orm der Erfindung ungefähr im Maßstab der Pig.3,

Pig.5 eine Darstellung des Herstellungsverfahrens für die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung,

Pig ο 6 eine Seitenansicht eines gewellten Gesteinsbolzenschaftes, dessen Achse im wesentlichen in einer Ebene verbleibt,

Pig.7 eine Draufsicht auf den in der Pig»6 dargestellten Bolzenschaft und die

Pig,8 eine Stirnansicht des in den Figuren 6 und 7 dargestellten Bolzenschaftes ο

Die in der Fig»1 dargestellte Gesteinsbolzenanordnung weist eine als Ganzes mit 10 bezeichnete Verankerungsvorrichtung auf. Diese Verankerungsvorrichtung besteht aus einem mit dem Bolzenschaft 12 zusammengeschraubten kegelförmigen Glied 11, aud einer expandierbaren Hülse 13, aus einem Druckring 14-, der auf den Bolzenschaft 12 aufgeschraubt ist, und aus den Gleitringen 15, die als Drucklager zwischen dem Ende der Hülse 13 und dem Druckring wirken.

Das außen gelegene Ende der Gesteinsbolzenanordnung ist durch eine Oberflächenplatte 16 hindurchgeführt, auf die die Bolzenschaftkräfte mittels eines auf das Gewindeende 18 aufgeschraubten herkömmlichen Mutter 17 übertragen werden* Durch eine an der Platte 16 vorgesehene kleine öffnung ist ein Kunststoffrohr 19 hindurchgeführt, durch das je nach der Lage der Achse der Gesteinsbolzenanordnung in bezug auf die Waagerechte Luft abgelassen oder der Zement eingespritzt wird. Die Pig.2 zeigt die Lage der Oberflächenbauteile der Gesteinsbolzenanordnung vor dem Einzementieren des Gesteinsbolzens. An der Stelle, an der der Bolzenschaft 12 aus dem Loch 21 in der Gesteinsformation 22 austritt, ist eine Packung aus einer Kittmasse vorgesehen. Der Bolzenschaft 12 ist hohl, und der in der iig«2 dargestellte Einbau wird durch Einsprictzen von Zement durch das Eohr 19 festzementiert, lenn der Zement das Bohrloch allmählich ausfüllt, wird die Luft durch den Hohlraum im Bolzenschaft 12

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abgelassene Das Einspritzen des Zementes erfolgt vorzugsweise unter Druck, bei dem der anfangs flüssige Zement in innige Berührung gebracht wird innerhalb der gesamten Länge des Gesteinsbolzens sowie mit den Unregelmäßigkeiten der Innenseite des Bohrloches 21 in der Gesteinsformation«

Bei der in der Fig.3 dargestellten Auaführungsform der Erfindung, ist der Bolzenschaft 23 mit einer fortlaufenden ringförmigen Einbuchtung versehen und weist daher die Höhen 24 und die 'liefen 25 auf. Es ist wichtig, dass die Oberfläche der Einbuchtungen nahe an den Höhen 24- eine .Neigung von weniger '- 3 15° in bezug auf die Achse des Bolzenschaftes 23 aufweist.. -i in der Fig.3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung ist mit einem Einbuchtungsmuster ver sehen, das an den entgegeng„- ^ setzten Enden (oder beiderseits der Höhen 24) symmetrisch ist, so dass der Gesteinsbolzen in dessen gesamter Länge Drücke auf die Gesteinsformation übertragen kann. Wird ein Ob_erflächenteii von Kräften festgehalten, die an den innen gelegenen Enden des Gesteinsbolzens wirken, so treten offenbar und unvermeidlich einander entgegenwirkende Kräfte auf. Mit der Anordnung nach der Pig.4 an einem Gesteinsbolzen 26 wird im wesentlichen das gleiche Ergebnis erhalten, an dem eine Reihe von ringförmigen Einbuchtungen 27 vorgesehen sind, die im allgemeinen die gleiche Form aufweisen, wie in der fig.3 dargestellt. Die wendelartig geformten Einbuchtungen bei der Ausführungsform nach der Pig.3 können nach einem dem Gewindewalzen ähnlichen Verfahren erzeugt werden, während die Ausführung nach der Fig.4 durch eine folge W von Walzvorgängen erzeugt werden kann, wobei der Bolzenschaft wiederholt durch den Walzstuhl hindurchgeführt wird. Bei beiden genannten Verfahren wird durch die Kaltbearbeitung des Materials des Bolzenschaftes an den Einbuchtungen der Bolzensohaft dadurch Verfestigt, dass der Querschnitt an der Basis der Einbuchtungen versetzt und vermindert wird. Es ist wichtig, dass bei der wendelartigen Ausführungeform der Querschnitt innerhalb der gesamten Länge konstant bleibt, während bei den in der Fig.4 dargestellten Einbuchtungen der Querschnitt an den Höhen und an den Tiefen der Einbuchtungen sich verändert» Die Verminderung des Querschnittes wird mehr als aufgewogen durch eine erhöhte Festigkeit

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BADORIGtNA^

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aufgrund der Kaltbearbeitung des Materials an den Einbuchtungen.

In der Figo 5 ist ein Verfahren dargestellt, mit dem der Bolzenschaft nach der Fig.1 ausgestaltet werden kann» Die Walzen 28 und 29 sind entsprechend ausgestaltet, und deren Abstand von einander ist so bemessen, dass die axial verlaufenden Kippen

30 und 31 erzeugt werden, wenn das Material zwischen den Walzen hindurchgeführt wird. Die Walzen sind an den Außenseiten 32 und so ausgestaltet, dass außer den axial verlaufenden Hippen 30 und

31 die in der Figo3 dargestellte Form erzeugt wird.

Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen eine wellenförmige Ausgestaltung des Bolzenschaftes, wobei die Abweichungen von der geraden Linie im wesentlichen in einer Ebene gelegen sind. Wird die Achse des (iesteinsbolzens in der Querrichtung als die Mitte zwischen den entgegengesetzten Enden der in der Fig.6 dargestellten Fläche angesehen, so weist die Achse strenggenommen ein zweidimensionales Wellenmuster auf und nicht die in der Fig#1 dargestellte wendelartige Anordnung. Bei Betrachtung der Fig.6 als Seitenansicht, v/eist der üolzenschaft in der Draufsicht scheinbar parallele Seiten auf_o Aus der von der linken Seite der Fig.7 aus gesehenen Darstellung ist diese Anordnung noch deutlicher zu erkennen»

Bei den gleichen, zuvor beschriebenen Beziehungen zwischen der größten Neigung des Umfanges des Bolzenschafte3 und einer die Seite des Schaftes berührenden geraden Linie kann der Bolzenschaft mit einem Wellenmuster versehen werden, das eine kurze Steigung aufweist, ohne dass der in der Mitte gelegene Kanal für den Zement im geringsten ve rformt wird. Ks hat sich gezeigt, dass bei den nachstehend angeführten Beziehungen zwischen dem Schaftdurchme3ser, der Steigung der wellenförmigen Einbuchtungen (die vorzugsweise symmetrisch sind) und der Tiefe der Einbuchtungen ein Bolzenschaft hergestellt werden kann, der eine stärkere Haltekraft aufweist, als bisher beschrieben, wobei für eine Verformung des Zentralkanals für den Zement die geringste Tendenz besteht weder bei der Erzeugung der endgültigen Wellenform durch Heißwalzen noch bei der Durchführung eines sekundären Arbeitsganges.

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BAD ORIGINAL

Schaft- Steigung der Tiefe der Einbuchtungen durchmesser Einbuchtungen vom Grund zum Scheitel

25,4 mm 25,4 mm 1,78 mm

34,9 mm 34,9 mm 2,54 mm

50,8 mm 50,8 mm 2o92 mm

76,2 mm 76,2 mm 4,39 mm

Sämtliche in der Zeichnung dargestellten Auaführungsformen suchen außer ordentlich starke Druckkräfte zu erzeugen, die über den Zement allgemein konisch nach außen in die Gesteinsformation hinein wirken, wenn an der Außenseite des Bolzenschaftes ein ausreichender relativer Schlupf oder Scherabweichung auftreten kann, so dass sich eine Keilwirkung entwickeln kann.

Die Überlegenheit dieser Befestigung durch einen radialen Druck im Gegensatz zu einer bloßen Haftung oder Verriegelung legt die Förderung dieser Wirkung durch absichtliches Auftragen eines Schmiermittels auf der Außenseite des Bolzenschaftes nahe ο In diesem i'alle beträgt der größte Neigungswinkel der Einbuchtungen anscheinend 15°· Um die besten Ergebnisse erzielen zu können, soll der Winkel möglichst 10° betragene Vorläufige Unter suchungen haben ergeben, dass kleinere .Neigungswinkel zu empfehlen sind, wenn erwartet werden kann, dass die Zementhaftung einen freien Schlupf verhindert, der für eine Keilwirkung erforderlich ist. Die axiale Länge der Einbuchtungen besteht aus einem Kompromiß zwischen der Reduktion des Schaftdurchmessers (bei größeren Einbuchtungen) und einer erwünschten Länge der Neigung. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn gekrümmte Einbuchtungen verwendet werden, deren axiale Länge 1/4 bis 1/2 des Schaftdurchmessers und deren 2iefe 1/16 bis 1/30 Sekunde des Schaftdurchmessers beträgt.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   · Gesteinsbolzen, der in eine Masse von Zement eingebettet und in ein Bohrloch, in einer Gesteinsformation eingesetzt wird, welcher Gesteinsbolzen mit einer Oberflächenplatte, mit einer an der Oberflächenplatte normalerweise anliegenden Mutter und mit einem mit der Mutter verschraubten und in das Bohrloch eingesetzten Bolzenschaft versehen ist, der von dem anfangs flüssigen Zement umgeben wird, gekennzeichnet durch an der Außenseite des Bolzenschaftes (12) vorgesehene quer verlaufende Einbuchtungen (27), deren größte .Neigung in bezug auf die Achse des Bolzenschaftes mindestens an der zur Oberflächenplatte (16) abgewandten Seite weniger als 15° beträgt.

   2. (iesteinsbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Einbuchtung (27) ringförmig ausgestaltet ist.

   3. Gesteinsbolzen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen an der gesamten Außenseite des Bolzenschaftes eine Reihe von Einbuchtungen vorgesehen ist»

   4· Gesteinsbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Einbuchtung (25) die form einer Wendel aufweist„

   5· (resteinsbolzen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an im wesentlichen der gesamten Außenseite des Bolzenschaftes (23) mindestens eine wendeiförmige Einbuchtung (25) vorgesehen ist»

   6β Gesteinsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bie 5, dadurch gekennzeichnet} dass das Material des Bolzenschaftes (23,26)

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   an den Einbuchtungen (25,27) stärker kaltbe arbeitet ist als das Innere des Bolzenschaftes..

   7» Gesteinsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtung (25,27) in einer zur Achse des Bolzenschaftes parallelen Ebene einen im wesentlichen symmetrischen Querschnitt aufweist»

   8. Gesteinsbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtungen wellenförmig verlaufen derart, dass die Achse des Bolzenschaftes im wesentlichen koplanar bleibt.

   9ο Gesteinsbolzen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet. — dass die Steigung der Wellen kleiner als das 1-1/2-fache ™ als der Durchmesser des Schaftes (12) ist, und dass die volle Tiefe der Wellen vom Grund zum Scheitel kleiner als 1/10 des Schaftdurchmessers iste

   10. Gesteinsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass" der Bolzenschaft (12) einen Belag aus einem Material trägt, der eine Haftbindung mit dem Zement verhindert_o

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