FR2761099A1 - ANISISMIC DEVICE FOR BUILDINGS AND WORKS OF ART AND BUILDINGS AND WORKS OF ART EQUIPPED WITH SUCH DEVICES - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention se rapporte à un dispositif antisismique pour bâtiments et ouvrages d'art ainsi qu'à des bâtiments et ouvrages d'art équipés de tels dispositifs. The present invention relates to an anti-seismic device for buildings and engineering structures as well as to buildings and engineering structures equipped with such devices.
La protection de bâtiments et d'ouvrages d'art contre les séismes est un problème bien connu, pour la résolution duquel on a proposé de nombreuses solutions, généralement assez coûteuses, d'entretien difficile et d'efficacité relative. The protection of buildings and engineering structures against earthquakes is a well known problem, for the resolution of which many solutions have been proposed, generally quite expensive, difficult to maintain and relatively effective.
L'invention se rapporte à un dispositif de conception nouvelle, relativement peu coûteuse, fiable et d'entretien et de vérification aisés. The invention relates to a device of new design, relatively inexpensive, reliable and easy to maintain and verify.
Un avantage supplémentaire de l'invention est qu'elle pourrait même être appliquée après coup à des ouvrages non protégés déjà bâtis. An additional advantage of the invention is that it could even be applied after the fact to unprotected works already built.
Le dispositif antisismique pour bâtiments et ouvrages d'art conforme à l'invention se caractérise en ce qu'il comprend des câbles précontraints fixés, à une de leurs extrémités, à une structure de sol supportant le bâtiment ou l'ouvrage, et à leur autre extrémité, à une structure d'étage ou de hauteur élevée du bâtiment ou de l'ouvrage, lesdits câbles étant tendus en suivant une courbe optimisée par le calcul en fonction des caractéristiques de construction du bâtiment ou de l'ouvrage, le câble étant tendu dans un plan passant par la direction horizontale de déplacement que l'on veut limiter. The anti-seismic device for buildings and engineering structures according to the invention is characterized in that it comprises prestressed cables fixed, at one of their ends, to a ground structure supporting the building or the work, and to their other end, at a high storey or high structure of the building or structure, said cables being stretched following a curve optimized by calculation as a function of the construction characteristics of the building or structure, the cable being stretched in a plane passing through the horizontal direction of movement which one wishes to limit.
Par structure de sol, on entend toute structure du bâtiment ou de l'ouvrage rigidement liée au sol, telle par exemple qu'un plancher de rez-de-chaussée ou de soussol, voire d'étage inférieur. The term “floor structure” means any structure of the building or of the structure rigidly linked to the ground, such as for example a ground floor or basement floor, or even a lower floor.
Avantageusement, sur chaque câble précontraint, est prévu au moins un ressort-amortisseur de traction. Advantageously, at least one tension damping spring is provided on each prestressed cable.
De façon préférentielle, le dispositif comporte au moins un ressort-amortisseur de traction qui est monté au voisinage de l'extrémité basse d'ancrage du câble à la structure de sol. Preferably, the device comprises at least one traction damping spring which is mounted in the vicinity of the low end for anchoring the cable to the ground structure.
De façon préférentielle, l'extrémité haute du câble est fixée vers une partie haute du bâtiment ou de l'ouvrage, à une certaine distance de son sommet. Preferably, the upper end of the cable is fixed towards an upper part of the building or of the structure, at a certain distance from its top.
Pour définir la courbe que suit le câble, sont prévus des éléments de guidage, avantageusement au niveau au moins de certains planchers, murs ou poteaux du bâtiment ou de l'ouvrage. To define the curve which the cable follows, there are provided guide elements, advantageously at least at certain floors, walls or posts of the building or the structure.
Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, les éléments de guidage au passage d'une structure du bâtiment ou de l'ouvrage, telle notamment que planchers, murs ou poteaux, peuvent être avantageusement des dispositifs frotteurs dissipateurs d'énergie. According to another characteristic of the device of the invention, the guiding elements in the passage of a structure of the building or of the structure, such as in particular floors, walls or posts, can advantageously be friction devices for dissipating energy.
De préférence, il est prévu au moins trois, et de préférence au moins quatre câbles précontraints précités, orientés dans une direction horizontale différente de l'espace. Preferably, at least three, and preferably at least four aforementioned prestressed cables are provided, oriented in a horizontal direction different from the space.
De façon encore préférentielle, au moins deux câbles parallèles pour chaque direction horizontale protégée sont prévus, et lesdits deux câbles sont disposés chacun vers les faces opposées du bâtiment ou de l'ouvrage protégé. Even more preferably, at least two parallel cables for each protected horizontal direction are provided, and said two cables are each arranged towards the opposite faces of the protected building or structure.
D'autres caractéristiques, objets et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels
La figure 1 est une vue schématique illustrant le principe de fonctionnement d'un dispositif conçu conformément à l'invention.Other characteristics, objects and advantages of the invention will appear more clearly with the aid of the description which follows, given with reference to the appended drawings, in which
Figure 1 is a schematic view illustrating the operating principle of a device designed according to the invention.
La figure 2 montre à plus grande échelle le détail entouré II à la figure 1. FIG. 2 shows on a larger scale the detail surrounded II in FIG. 1.
La figure 3 montre de façon très schématique l'ensemble d'un immeuble à protéger. Figure 3 very schematically shows the whole of a building to be protected.
La figure 4 montre de façon schématique l'implantation des câbles dans un bâtiment du type schématisé à la figure 3. FIG. 4 schematically shows the location of the cables in a building of the type shown diagrammatically in FIG. 3.
La figure 5 montre en vue éclatée le plan de base, le plan de sommet et le plan supérieur d'ancrage des câbles du schéma de la figure 4, cette vue permettant de comprendre comment sont disposés les câbles dans l'espace par rapport aux quatre directions indiquées. FIG. 5 shows in exploded view the base plane, the vertex plane and the upper cable anchoring plane of the diagram in FIG. 4, this view making it possible to understand how the cables are arranged in space with respect to the four directions indicated.
La figure 6 montre comment travaillent deux des câbles, dans le cas d'un effort subi par le bâtiment dans le sens indiqué par la flèche dans cette figure. Figure 6 shows how two of the cables work, in the case of a force undergone by the building in the direction indicated by the arrow in this figure.
La figure 7 montre de façon schématique l'implantation d'un câble dans le bâtiment. Figure 7 shows schematically the layout of a cable in the building.
La figure 8 montre à plus grande échelle l'ancrage en fixation basse du câble au niveau du cercle repéré VIII à la figure 7. FIG. 8 shows on a larger scale the anchor in low fixing of the cable at the level of the circle marked VIII in FIG. 7.
La figure 9 montre à plus grande échelle comment s'effectue le passage du câble au niveau d'un plancher du bâtiment, tel que repéré en IX à la figure 7. FIG. 9 shows on a larger scale how the cable passes through a building floor, as indicated in IX in FIG. 7.
La figure 10 montre le déplacement et la déformation d'un câble lors d'un mouvement du bâtiment dans le sens de la flèche A parallèlement au plan dans lequel est tendu ce câble. FIG. 10 shows the displacement and the deformation of a cable during a movement of the building in the direction of arrow A parallel to the plane in which this cable is stretched.
En se reportant à la figure 1, on a illustré de façon schématique un bâtiment référencé dans son ensemble 10 reposant sur le sol 11 et comportant un certain nombre de planchers dont trois ont été référencés 12, 13, 14, 15. Referring to FIG. 1, there is shown schematically a building referenced as a whole 10 resting on the ground 11 and comprising a certain number of floors, three of which have been referenced 12, 13, 14, 15.
Conformément à l'invention, pour protéger un tel bâtiment ou ouvrage à l'encontre de séismes, on prévoit dans le bâtiment un certain nombre de câbles qui seront dirigés, par exemple comme il sera expliqué plus en détail en référence aux figures 4 à 6 qui suivront. According to the invention, to protect such a building or structure against earthquakes, a number of cables are provided in the building which will be routed, for example as will be explained in more detail with reference to Figures 4 to 6 who will follow.
A la figure 1, un câble 16 a été illustré tendu entre un point du sol 17 où il est ancré et un point 18 du plancher supérieur 15 de l'ouvrage. In FIG. 1, a cable 16 has been illustrated stretched between a point on the ground 17 where it is anchored and a point 18 on the upper floor 15 of the structure.
Conformément à l'invention, comme il a déjà été mentionné, le câble 16 est précontraint en tension. According to the invention, as already mentioned, the cable 16 is prestressed in tension.
En outre, vers la partie basse du câble, comme illustré en 19, est prévu un ressort-amortisseur de traction également précontraint en traction qui permettra d'encaisser des efforts de déformation du câble et de dissiper l'énergie correspondante et également d'assurer et maintenir la précontrainte du câble 16 dans le temps. In addition, towards the lower part of the cable, as illustrated in 19, a tension damping spring is also provided, which is also prestressed in traction, which will make it possible to absorb stresses in deformation of the cable and dissipate the corresponding energy and also to ensure and maintain the prestressing of the cable 16 over time.
Comme illustré à la figure 2, il est avantageusement prévu à chaque passage du câble 16 à travers un plancher tel que le plancher 12 un dispositif frotteur 20 qui viendra freiner les mouvements de déplacement du câble lors d'un séisme tendant à déformer le bâtiment, comme on l'expliquera plus en détail notamment en relation avec la figure 6. As illustrated in FIG. 2, it is advantageously provided for each passage of the cable 16 through a floor such as the floor 12 a rubbing device 20 which will slow down the movement movements of the cable during an earthquake tending to deform the building, as will be explained in more detail, in particular in relation to FIG. 6.
Le principe général de l'invention étant ainsi exposé, on supposera que l'on applique le dispositif à un bâtiment tel qu'une tour 21 illustrée à la figure 3 de section parallélépipédique droite, carrée, de 30 mètres de côté à la base et de 100 mètres de hauteur, soit par exemple environ 33 étages. The general principle of the invention being thus set out, it will be assumed that the device is applied to a building such as a tower 21 illustrated in FIG. 3 of square, rectangular parallelepiped section, 30 meters side at the base and 100 meters high, for example around 33 floors.
En se référant à la figure 4, le même ouvrage 21 a été schématisé mais l'on n'en a plus représenté que le périmètre de base au sol référencé 22, le sommet référencé 23 et un étage intermédiaire relativement élevé référencé 24 par exemple au niveau compris entre le 21ème et le 27ème étage dans l'exemple indiqué d'une tour d'environ 33 étages. Referring to FIG. 4, the same structure 21 has been shown diagrammatically, but only the base perimeter on the ground referenced 22, the summit referenced 23 and a relatively high intermediate stage referenced 24, for example, have been shown. level between the 21st and the 27th floor in the example shown of a tower of about 33 floors.
A la même figure 4, on a référencé par les flèches A, B, C, D les quatre directions du bâtiment, par exemple Nord-Sud, Sud-Nord, Est-Ouest, Ouest-Est. In the same figure 4, the four directions of the building have been referenced by the arrows A, B, C, D, for example North-South, South-North, East-West, West-East.
Pour retenir le bâtiment qui serait soumis à une poussée dans le sens de la flèche A (figure 6) sont prévus dans l'exemple illustré deux câbles Al, A2 dont les points d'ancrage bas et haut ont été respectivement référencés al, a2 dans le plan 22 et a'l, a'2 dans le plan 24. To retain the building which would be subjected to a thrust in the direction of arrow A (FIG. 6) are provided in the illustrated example two cables Al, A2 whose bottom and top anchor points have been respectively referenced al, a2 in plane 22 and a'l, a'2 in plane 24.
Ces câbles sont tendus dans des plans verticaux parallèles à la direction A. These cables are stretched in vertical planes parallel to direction A.
I1 est clair que si le bâtiment est soumis à une déformation qui tend à déplacer son sommet 23 dans le sens de la flèche A, les câbles Al, A2 vont être soumis à une traction supplémentaire par suite de l'allongement de la distance séparant les points al, a'l et a2, a'2. It is clear that if the building is subjected to a deformation which tends to move its apex 23 in the direction of arrow A, the cables A1, A2 will be subjected to an additional traction as a result of the lengthening of the distance separating the points al, a'l and a2, a'2.
Avantageusement, les deux câbles Al, A2 sont proches des faces latérales correspondantes du bâtiment, soit ici, par rapport au plan des figures 4 et 6, la face respectivement avant et arrière. Advantageously, the two cables A1, A2 are close to the corresponding lateral faces of the building, that is to say here, with respect to the plane of FIGS. 4 and 6, the face respectively front and rear.
De la même façon, pour résister à une poussée dans le sens de la flèche B, sont prévus deux câbles dirigés dans un sens vertical parallèle à la direction de la flèche B. Likewise, to resist a push in the direction of arrow B, two cables are provided which are directed in a vertical direction parallel to the direction of arrow B.
A la figure 4, pour ne pas surcharger la figure, seul un câble B (vers la face arrière du bâtiment) a été représenté ancré en b et b' respectivement dans les plans 22 et 24. In FIG. 4, in order not to overload the figure, only one cable B (towards the rear face of the building) has been shown anchored at b and b 'respectively in planes 22 and 24.
A la figure 5, on a par contre représenté de façon à permettre de bien identifier leur implantation, les points d'ancrage respectifs bl, b'1 d'un premier câble B (proche de la face avant du bâtiment) et b2, b'2 le deuxième câble B (proche de la face arrière du bâtiment et correspondant à celui illustré à la figure 4). In FIG. 5, on the other hand, the respective anchor points bl, b'1 of a first cable B (close to the front face of the building) and b2, b have been shown so as to allow their location to be clearly identified. '2 the second cable B (close to the rear face of the building and corresponding to that illustrated in Figure 4).
De la même façon, sont prévus deux câbles dans des plans verticaux parallèles à la flèche C dont les points d'implantation ou ancrage au niveau des plans 22 et 24 ont été référencés respectivement cl, c2 et c'1, c'2, et de la même façon deux autres câbles dans des plans verticaux parallèles à la flèche D pour résister à une poussée dans le sens de la flèche D, câbles ancrés respectivement dans le plan 22 et dans le plan 24 aux points référencés dl, d2, d'l, d'2. In the same way, two cables are provided in vertical planes parallel to the arrow C whose implantation or anchoring points at the level of the planes 22 and 24 have been referenced respectively cl, c2 and c'1, c'2, and in the same way two other cables in vertical planes parallel to arrow D to resist a thrust in the direction of arrow D, cables anchored respectively in plane 22 and in plane 24 at the points referenced dl, d2, d ' l, of 2.
On observe à la figure 5 qu'avantageusement, les points d'ancrage al-cl, bl-c2, dl-b2, a2-d2 sont confondus, de même que les points d'ancrage au niveau du plan 24 b'l-d'2, a'l-d'l, a'2-c'2, b'2-c'l ; de la sorte, pour huit câbles dont chaque foix deux disposés parallèlement seront mis en action pour résister au mouvement de déplacement du bâtiment dans une direction, il suffira de prévoir quatre ancrages au sol et quatre ancrages au niveau de l'étage supérieur. It can be seen in FIG. 5 that, advantageously, the anchor points al-cl, bl-c2, dl-b2, a2-d2 are combined, as are the anchor points at the plane 24 b'l- d'2, a'l-d'l, a'2-c'2, b'2-c'l; in this way, for eight cables, each foix two arranged parallel will be put into action to resist the movement of movement of the building in one direction, it will suffice to provide four anchors to the ground and four anchors at the upper floor.
Si l'on veut mieux répartir les efforts, on peut avantageusement écarter les uns des autres les points d'ancrage bas et haut. If we want to better distribute the forces, we can advantageously separate the low and high anchor points from each other.
Mais de façon générale, on adoptera une position symétrique des câbles qui travaillent en opposition pour, à l'état de repos du bâtiment ou de l'ouvrage, équilibrer les forces de compression qu'appliquent sur lui les câbles. But in general, we will adopt a symmetrical position of the cables working in opposition to, in the rest state of the building or the structure, to balance the compressive forces that the cables apply to it.
En se reportant aux figures 7 et 8, on a illustré comment pouvait être réalisé un ancrage au niveau du sol. Referring to Figures 7 and 8, we illustrated how an anchorage could be made at ground level.
A la figure 7, on a représenté la tour 21 en ne référençant, pour ne pas surcharger la figure, qu'un plancher d'étage sur trois et un seul câble 16, qui est tendu dans un plan pratiquement vertical entre un point d'ancrage ll au sol et un point d'ancrage au niveau du plancher référencé 24. In FIG. 7, the tower 21 has been represented by referencing, in order not to overload the figure, only one third floor floor and a single cable 16, which is stretched in a practically vertical plane between a point of anchor ll to the ground and an anchor point at the level referenced 24.
Au niveau de l'ancrage au sol, comme on le voit plus clairement à la figure 8, on a interposé entre l'extrémité inférieure du câble 16 et le plancher inférieur 22 reposant sur le sol un ressort amortisseur de traction 19 qui peut être par exemple du type JARRET, tel qu'explicité ci-après dans l'exemple donné. At the level of the anchoring to the ground, as can be seen more clearly in FIG. 8, there has been interposed between the lower end of the cable 16 and the lower floor 22 resting on the ground a traction damping spring 19 which may be by example of the JARRET type, as explained below in the example given.
Deux articulations 25, 26 permettent un parfait alignement en traction du ressort-amortisseur 19 avec le câble précontraint 16. Two articulations 25, 26 allow perfect alignment in tension of the shock absorber spring 19 with the prestressed cable 16.
L'ancrage de l'axe 25 peut être obtenu par une pièce d'équerre 27 convenablement ancrée au plancher 22 et à un poteau de structure porteur 28. The anchoring of the axis 25 can be obtained by a square piece 27 suitably anchored to the floor 22 and to a support structure post 28.
Comme on le voit plus clairement à la figure 9, à chaque passage de plancher, tel que le plancher intermédiaire 29, on prévoit avantageusement un frotteur 30 qui freine le mouvement du câble 16 et permettra de dissiper de l'énergie lors d'un mouvement de déplacement du bâtiment. As can be seen more clearly in FIG. 9, at each passage of the floor, such as the intermediate floor 29, provision is advantageously made for a wiper 30 which slows down the movement of the cable 16 and will make it possible to dissipate energy during a movement movement of the building.
Dans un exemple de simulation, tel qu'illustré à la figure 10, on a appliqué le dispositif de l'invention comportant les huit câbles tendus comme exposés précédemment à une tour de 100 mètres de hauteur comprenant environ 33 étages sur une base carrée de 30 mètres sur 30 mètres. In a simulation example, as illustrated in FIG. 10, the device of the invention was applied comprising the eight cables stretched as previously exposed to a tower 100 meters high comprising approximately 33 floors on a square base of 30 meters by 30 meters.
Chaque câble est lié au bâtiment à une extrémité, l'extrémité basse référencée A0 au sol par l'intermédiaire d'un ressort-amortisseur de traction du type précédemment indiqué, et à l'autre extrémité haute référencée A7 en surface du plancher du 23ème étage. Each cable is linked to the building at one end, the low end referenced A0 on the ground by means of a traction damping spring of the type previously indicated, and at the other high end referenced A7 on the floor surface of the 23rd floor.
Les câbles sont tendus avec une prétension d'environ 300kN. Le ressort-amortisseur a une précontrainte de 350kN, c'est-à-dire qu'il est toujours placé en position d'installation initiale. The cables are tensioned with a pretension of around 300kN. The shock spring has a pretension of 350kN, i.e. it is always placed in the initial installation position.
Au niveau de chaque étage, le câble traverse le plancher par un trou 32 formant élément de guidage du câble (figure 9) ; pour ne pas surcharger la figure, on n'a référencé les trous que de trois planchers en trois planchers (figure 10). At each level, the cable crosses the floor through a hole 32 forming a cable guide element (Figure 9); in order not to overload the figure, the holes have only been referenced from three floors to three floors (Figure 10).
Les trous ne sont habituellement pas alignés de sorte que le câble suit une certaine courbe et comprime le plancher avec un effort F (figure 9) dépendant de l'angle formé entre le câble et la verticale. The holes are usually not aligned so that the cable follows a certain curve and compresses the floor with a force F (Figure 9) depending on the angle formed between the cable and the vertical.
A l'état stable de repos, le bâtiment est vertical, et les huit câbles engendrent des forces égales et opposées pour tous les planchers, lesquelles forces s'annulent. In the stable state of rest, the building is vertical, and the eight cables generate equal and opposite forces for all the floors, which forces cancel each other out.
Lors d'une déformation dans une direction du bâtiment, par exemple la direction A, seuls les deux câbles dont les traces a, a'l, a2, a'2 sur le plan horizontal sont parallèles à cette direction travaillent (ce sont les seuls qui sont soumis à allongement). During a deformation in a direction of the building, for example direction A, only the two cables whose traces a, a'l, a2, a'2 on the horizontal plane are parallel to this direction work (these are the only ones which are subject to extension).
La figure 6 montre les deux câbles Al, A2 tendus lors d'une déformation du bâtiment dans la direction mentionnée. Figure 6 shows the two cables A1, A2 stretched during a deformation of the building in the direction mentioned.
La figure 10 illustre les déplacements du câble lorsque le sommet du bâtiment se déplace de 1 mètre dans la direction A. Figure 10 shows the cable movements when the top of the building moves 1 meter in direction A.
Dans un exemple de solution réalisable, le câble serait constitué de torons d'acier et aurait une section de diamètre environ 38 millimètres, soit une contrainte initiale de 300 MPa. In an example of a feasible solution, the cable would be made of steel strands and would have a section of diameter about 38 millimeters, ie an initial stress of 300 MPa.
L1 = longueur en place du câble entre les points AO et A7 : 77,9 mètres. L1 = length in place of the cable between points AO and A7: 77.9 meters.
Poids du câble : environ 700 kg. Cable weight: about 700 kg.
La longueur de travail LO du câble au repos, avant installation est telle que LO = AOA1 + A1A2 + A2A3 +
A3A4 + A4A5 + A5A6 + A6A7 - allongement initial (précontrainte) = 77,9 m - 0,111 m = 77,789 m.The working length LO of the cable at rest, before installation is such that LO = AOA1 + A1A2 + A2A3 +
A3A4 + A4A5 + A5A6 + A6A7 - initial extension (prestressing) = 77.9 m - 0.111 m = 77.789 m.
En admettant un déplacement initial latéral de 1 mètre pour le sommet du bâtiment (1 centième de sa hauteur) la distance AOA7 devient égale à 78,165 mètres, soit un allongement de 265 millimètres. Assuming an initial lateral displacement of 1 meter for the top of the building (1 hundredth of its height) the distance AOA7 becomes equal to 78.165 meters, an extension of 265 millimeters.
Cette valeur correspond à un allongement du câble ajoutée à l'allongement du ressort-amortisseur. This value corresponds to an extension of the cable added to the extension of the shock absorber spring.
Si l'on fait travailler le câble jusqu'à 550
MPa, cela donne un allongement supplémentaire du câble dû à la déformation du bâtiment de 102 millimètres, d'où une course ressort de 163 millimètres (265 - 102 = 163).If you work the cable up to 550
MPa, this gives an additional elongation of the cable due to the deformation of the building of 102 millimeters, from where a spring stroke of 163 millimeters (265 - 102 = 163).
Un amortisseur JARRET ayant pour caractéristique course de traction 170 millimètres, précontrainte 350 kN, réaction maxi 700 kN répond aux exigences. A JARRET shock absorber with the characteristic traction stroke 170 millimeters, prestressing 350 kN, maximum reaction 700 kN meets the requirements.
Un tel appareil aurait comme volume approximatif D = 300 millimètres, L = 900 millimètres. Such an apparatus would have as an approximate volume D = 300 millimeters, L = 900 millimeters.
La figure 9 montre des frotteurs coincés entre le câble et le plancher. Ceux-ci dissiperont de l'énergie durant la déformation du bâtiment. En effet, le câble en s'allongeant, se déplacera par rapport au plancher et leurs points de contact se déplaceront le long du câble. De tels frotteurs peuvent être constitués par exemple par des pièces en matière plastique moulée à haute résistance qui frottent sur le câble ou par des macho ire comportant des surfaces frottantes qui sont appliquées à force sur le câble, soit directement, soit indirectement. Figure 9 shows wipers wedged between the cable and the floor. These will dissipate energy during the deformation of the building. Indeed, the cable in lengthening, will move relative to the floor and their contact points will move along the cable. Such wipers can be constituted for example by molded plastic parts with high resistance which rub on the cable or by macho ire comprising friction surfaces which are applied by force to the cable, either directly or indirectly.
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