JP2007101515A - 構造材の内部応力測定方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造体に平常時に加わっている応力に対して、設定時以降に変動した応力変動を、高感度に測定することが可能となる応力センサーを提供する。
【解決手段】力壁１等の被測定構造材における内部応力の測定を要する個所に設けられた、測定を要する応力の力線と軸線を直交させた円孔３に、外周部を密接に嵌合させた円筒体４と、その円筒体４の内孔３に設けられた、円筒体４の軸線に対してゲージ止着面を直交させたゲージ止着板２５と、そのゲージ止着板２５に、円孔３の円形歪みを検出すべく、円孔の軸線に対して、歪み検出方向を放射方向に合致させた、複数の歪みゲージ（ｒ１）〜（ｒ４）を備えること。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造物や機械装置等の基礎構造部材に加わる内部応力を、簡単な構成をもって、高感度で高精度に検出するための、構造材の内部応力測定方法と、その装置に関する。

船や橋梁、鉄塔や大型の建築物、大型及び小型の機械製品等、工業製品の基礎造型体には、造形物の形を維持するための、骨格を形成する、ビーム状の基礎材料、面状の基礎材料、箱状の基礎材料が、内部応力が多く加わる方向に適した、外形や断面形状をもって使用されている。

橋や鉄塔及び大型建築物には、断面形を一定とした、型材の鉄骨が、また船や建築物には板材が、さらにエンジシやタービン、およびバルブやモータ等の機械製品には、ハウジングまたはケース等の箱形材が、それぞれ基礎部材として使用される。

また機械製品の基礎部材には、歯車、軸、ロッド等の動的に動力を伝達する力伝達部材もある。

これらの構造材に加わる内部応力は、構造の基礎研究において作られた計算式に基づき、構造物を破壊しない程度に求められて、造型物の形を、長時間あらゆる環境に対応して、維持するようにしている。

構造物の使用状態における構造材に加わる応力は、非破壊状態で簡便に測定するのが困難で、実験室での破壊試験やそれのシミュレーション結果から予測している。

しかし、耐用年数の計算や保守点検の適性時期を求めるために、実稼働中の実測値を必要とすることが望まれるようになり、従来は、歪みゲージを被測定部位に添着する測定法が多く採用されている。

この、歪みゲージを被測定部位に添着する測定方法は、周知の技術なので、特に特許文献として示さない。

特許文献１には、円筒状の歪みゲージの内部に充填物が充填されて、棒状に一体化されたものが開示され、それの図１０には、ボルトの内部に、ボルトの軸線に沿って、細長い孔を穿孔して、その孔の中に、円筒状の歪みゲージを充填物と一体化して、埋装したものが開示されている。

特許文献２には、一端にダイヤフラムおよびこのダイヤフラムの歪みを検出する歪みゲージ部を有し、他端側に前記ダイヤフラムに圧力を導入するための開口部を有するステムと、一側面から他側面に貫通する貫通穴を有するハウジングとを備えた、圧力センサが開示されている。

特許文献３には、特許文献２と同様に、円環状のケースに設けた、鼓膜状のダイヤフラムに、複数の歪みゲージを配設し、そのダイヤフラムが軸線方向に受ける力に応じて、変形するのを測定する、円環状のロードセルが開示されている。
特開２００５−９１２５０号公報 特開２００４−３０９３３４号公報 特開平１１−２１１５８９号公報

本発明は、造型体を構成する構造材の内部応力を、常時監視する電気信号を得るための構造材の内部応力測定方法とその装置を提供することを目的とするものである。

最近のコンピュータシステムおよび通信手段は、小型化と省電力化が進み、大型構造物や大型機械においても、その小型化されたコンピュータシステムを利用して、構造材の疲労や内部加重の履歴を観測するために、構造材に加わる内部応力を、常時監視するシステムの要求が高まっている。

上記監視システムを達成するには、構造材に加わる内部応力を測定するセンサが必要となり、従来の歪みゲージを被測定部位に直接添着する方法では、安定した測定が困難であるとともに、歪みゲージの添着には、熟練を要し、かつ長期間に亘って安定した測定を保証することが困難である。

そこで、歪みゲージを、被測定部位に着脱可能な歪み検出センサーとして、独立させたものが、特許文献１〜３に開示されている。

しかし、特許文献１のセンサーは、歪みゲージのパターンに応じた方向にしか、内部応力の大きさを測ることができない。

特許文献２は、円孔にセンサーを填め込んで使用するが、力の感じる方向は、壁で仕切られる両側の部屋の気体の圧力差で、壁に加わる内部応力には感応しない。すなわち、このセンサーは、気体の圧力の差を検出するダイヤフラム型の、気体圧力センサーである。

すなわち、この特許文献３のセンサーは、円環状ケースの軸線方向に加わる力を測る圧力センサ（ロードセル）で、主に荷重などの、重さを計る秤に使用される。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、構造体に設けた円孔に、歪みゲージを設けた応力センサーの筒部を嵌合して、その円孔の軸線方向と直交する円孔断面の歪みを、応力センサーにおける筒部の歪みで測ることにより、円孔に集中する内部応力の大きさと、その方向を測るようにしたものである。

特に、平常時に加わっている応力に対して、設定時以降に変動した応力変動を、高感度に測定することが可能となる

また、応力センサーの筒部には、予め歪みゲージが内装されているので、メンテナンス性にすぐれた内部応力測定装置を提供する。

本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。

（１）造型体を構成する構造材の内部応力を測定するに際して、構造材の応力測定部位に円孔を穿設し、その円孔の軸線方向と直交する円孔断面の歪みを、電気センサーで検出することにより。

（２）被測定構造材における内部応力の測定を要する個所に設けられた、測定を要する応力の力線と軸線を直交させた円孔に、外周部を密接に嵌合させた円筒体と、その円筒体の内孔に設けられた、円筒体の軸線に対してゲージ止着面を直交させたゲージ止着板と、そのゲージ止着板に、円孔の円形歪みを検出すべく、円孔の軸線に対して、歪み検出方向を放射方向に合致させた、複数の歪みゲージを備えることにより。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

（ａ）請求項１の発明によれば、内部応力が加わっているあらゆる造形体に対して、既存の円孔を利用したり、造形体をなす構造体に、構造体を脆弱にしない程度の円孔を穿設するなどして、構造体に加わる内部応力を、円孔内に緊密に嵌合した円筒体内の複数の歪みゲージで、円孔の歪み具合をもって検出するので、応力センサーの後付処理が容易で、既存設備に対して簡単に追加でき、その応力センサー取付け以降の構造体に加わる内部応力の相対的変動分を、変動量については絶対値をもって計測することも可能であると共に、内部応力の加わる力線の方向も、測定可能とし、円孔の歪み特性を利用することにより、内部応力の変動を高感度に検出することができる。

（ｂ）請求項２の発明によれば、内部応力が加わっているあらゆる造形体に対して、既存の円孔もしくは、造形体をなす構造体へ、構造体を脆弱にしない程度に穿設した円孔に、応力センサーの円筒体を緊密に嵌合して、円孔の歪み具合を検出するので、予め、複数の歪みゲージを円筒内に装着しておき、現場で歪みゲージの止着作業をすることがなく、取付けに熟練を要しない。また、予め予圧されている内部応力に対して、オフセットのゼロ調整ができるようにすることも可能なので、内部応力のリミット動作のスイッチなどとしても利用できる。さらに、応力センサーとして、取付環境を模擬試験して、相対変動の感度の絶対値を校正したり、内部応力の力線が加わる方向の指向性を校正することができる。

以下、本発明を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図５は、本発明方法の実施要領を示すとともに、その実施要領に基づいて構成された装置の一実施例を示すものである。

図１は、内部応力の測定を所用する力壁（１）に、本発明に係る内部応力測定装置（以下応力センサと略称する）（２）を取り付けた状態の、中央縦断面図を示し、図２は、応力センサ（２）の正面図、図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、図４は、図３における円孔（３）の歪み状態を、力壁（１）に加わる力線の方向に応じて示し、図５は応力センサ（２）の電気回路図を示すものである。

力壁（１）には、壁面と軸線を直交した円孔（３）を穿設して、その円孔（３）には、応力センサ（２）における外側円筒部をなす円筒体（４）の外周（５）を、緊密に嵌合してある。

円孔（３）と円筒体（４）を緊密に嵌合するには、円孔（３）をテーパ穴（３ａ）とし、円筒体（４）を、穴のテーパーと勾配を同じくしたテーパー筒（４ａ）とするのが好ましい。

また、図示のように、テーパ穴（３ａ）に、雌ねじ（３ｂ）を螺設し、テーパ筒（４ａ）に雄ねじ（４ｂ）を螺刻して、円孔（３）に円筒体（４）を螺着してもよい。

この、円孔（３）と円筒体（４）の緊密な嵌合の仕方には、孔と軸共にストレートの径として、互いの嵌合代を極わずか正にして、緊密に嵌合させることも、その嵌合代を若干負にして、その嵌合部の隙間を接着材で固定し、緊密に止着嵌合することもできる。

しかし、図示のようにテーパー嵌合にすることにより、緊密度（内部応力の加え方の大きさ）を加減でき、しかも螺合させることにより、緊密度の調正が容易にできる。

このテーパー嵌合により、円孔（３）の径の加工精度と、応力センサ（２）における円筒体（４）の径の加工精度の許容度を大きくして、互いに緊密に嵌合させることができる。

円筒体（４）の拡径端部には、軸線と直交する断面形を非円形、例えば、正面視６角形のフランジ（６）を設けてあり、そのフランジ（６）は、工具等で回転することにより、円筒体（４）を円孔（３）の中で螺進させて、進退させることができる。

円筒体（４）の中には、フランジ（６）を設けてある入口側に、ストレートの径の案内孔（７）を設け、その案内孔（７）の奧に、奥に向けて縮径するテーパー孔（８）を設けてある。

テーパー孔（８）の縮径終端部には、肉薄の隔壁（９）を設けてある。

隔壁（９）を挟んでテーパー孔（８）の反対側の孔（１０）は、隔壁（９）の肉厚を、薄肉で均一の厚さに調整する切削孔である。

円筒体（４）における開口部の案内孔（７）には、円盤状のフランジ（１１）付きスリーブ（１２）を緩く嵌合し、そのスリーブ（１２）の内孔には、雌ネジ（１３）を螺刻してある。

スリーブ（１２）におけるフランジ（１１）には、案内孔（７）におけるスリーブ（１２）の位置を調節自在にする複数の位置調節ボルト（１４）を係合してある。

各位置調節ボルト（１４）は、それの雄ねじ（１５）部分を、円筒部（４）のフランジ（６）に設けたねじ孔（１６）に螺合し、各位置調節ボルト（１４）それぞれが、軸線方向に進退自在になっている。

各位置調節ボルト（１４）は、スリーブ（１２）におけるフランジ（１１）に設けた貫通孔（１７）を、頭部（１８）側が回転自在に貫通して、雄ねじ（１５）部分を、円筒体（４）のねじ孔（１６）に螺合してある。

また、各位置調節ボルト（１４）の頭部（１８）側は、雄ねじ（１５）の上部でフランジ（１１）の厚みの間部分に設けた溝（１９）に、フランジ（１１）の軸線方向と直交する溝（２０）に嵌合されて係合する係止板（２１）により、位置調節ボルト（１４）の軸線方向への移動が拘束されている。なお係止板（２１）の係合孔（２１ａ）は、スナップリングになっており、強く押し込むと係合するが、容易に離脱しないようになっている。

なお、円筒部（４）のフランジ（６）とスリーブ（１２）のフランジ（１１）の間には、弾性シール材（２２）を挟装してあるが、この弾性シール材（２２）は、両フランジ（６）（１１）の隙間を維持する弾性材としては働かず、この隙間は、各位置調節ボルト（１４）のフランジ（６）に対するねじ込み度合によって調節される。

スリーブ（１２）の雌ネジ（１３）には、有底筒状のねじ筒（２３）を螺合してある。

ねじ筒（２３）の先端底部側には、円筒部（４）の内孔に設けたテーパー孔（８）と同じ勾配で先端に向けて縮径したテーパー面（２４）を設けてある。

このテーパー面（２４）の軸線方向のほぼ中ほどには、ねじ筒（２３）の軸線と直交したゲージ止着面（２５ａ）を有するゲージ止着板（２５）を設けてある。

ねじ筒（２３）には、６角形のねじ回し頭部（２６）が設けられ、そのねじ筒（２３）は、スリーブ（１３）に、工具を介してねじ込めるようになっている。

ねじ筒（２３）のゲージ止着板（２５）における前記円筒体（４）の隔壁（９）と向き合うゲージ止着面（２５ａ）には、ねじ筒（２３）の軸線と直交する放射方向に、歪みゲージの歪み感応方向を合致させた複数の、例えば４個で１組の歪みゲージ（ｒ１）（ｒ２）（ｒ３）（ｒ４）が設けられている（図３参照）。

各歪みゲージ（ｒ１）〜（ｒ４）は、ゲージ止着板（２５）の中心から放射方向向く、長手方向に伸縮したとき抵抗値を変化するように歪み検出抵抗パターン（図示略）が構成されており、それらは、図５に示すブリッジ回路をなすように、その接続配線が、ゲージ止着板（２５）の中央に設けた、通孔（２７）を介して、ねじ筒（２３）の開口部へ蓋状に止着したコネクタ（２８）に、接続されている。

コネクタ（２８）は、それと一体に固定された取り付け板（２９）により、ねじ筒（２３）の頭部（２６）の前面に、ねじ（３０）により止着されている。

次に、応力センサ（２）を、力壁（１）に取り付ける要領を説明する。

力壁（１）の円孔（３）は、既設の孔を利用しても、被測定部に新たに設けてもよい。既設の孔としては、貫通孔、有底孔、ストレート径孔、テーパー径孔、それらの孔にねじを螺設したねじ孔等で、孔の本来の使用目的は問わない。

円孔（３）に応力センサ（２）を螺合し、円筒部（４）のフランジ（６）に工具を係合して、応力センサ（２）を力壁（１）の円孔（３）に、しっかりと緊締する。

この際、フランジ（６）の６角形の向きは、図示のように、特定方向に一致していなくともよい。

円筒部（４）とスリーブ（１２）は、予め組付されており、両フランジ（６）と（１１）間の間隔は、締め込み代をとって、若干大きめにしてある。

ねじ筒（２３）は、先端のテーパー面（２４）を、円筒体（４）のテーパー孔（３ａ）へ当接する直前の位置に、予め設定されており、応力センサ（２）を円孔（３）に取り付け後で、テーパー面（２４）をテーパー孔（３ａ）に密接するようになっている。

この際、力壁（１）に加わる応力の方向を測定する場合、応力センサ（２）の感度が高い方向を、予め設定することができるようになっている。

すなわち、円筒部（４）を円孔（３）に緊締した後、ねじ筒（２３）の頭部（２６）を、工具を介してねじ筒（２３）を奧に進める方向に回転して、その回転が停まるところまでねじ筒（２３）を進める。

その後、力壁（１）に力が加わる方向、例えばＸ−Ｘ方向とすれば、そのＸ−Ｘ方向、若しくは、それと直交するＹ−Ｙ方向のいずれか近い方向に、ねじ筒（２３）の頭部（２６）の正面に設けた位置決めマーク（３１）を、ねじ筒（２３）を後退して合致させる。図２においては、Ｘ−Ｘ方向に、マーク（３１）を合致させている。

さらに、その後、スリーブ（１２）の４本の位置調節ボルト（１４）を、順に少しずつねじ込む方に回転させて、ねじ筒（２３）を奥の方に送りこみ、テーパー面（２４）を円筒部（４）のテーパー孔（３ａ）に、適度の密着力をもって圧接する。

この圧接力は、初期設定時の予圧を調整するとともに、図５のブリッジ回路（Ｒ）を平衡するように、各位置調節ボルト（１４）の位置を調節する。
この際に、力壁（１）が、実際に稼働中の構造部材であれば、内部応力が加わった状態にあり、この内部応力の絶対値を、応力センサ（２）によって、測定することはできない。

しかし、上述の如く、応力センサ（２）を取り付けて、ブリッジ回路（Ｒ）を平衡させると、その後の、ブリッジ回路（Ｒ）に表れる不平衡成分は、内部応力の変動成分として、測定可能となる。

図４は、力壁（１）に加わる内部応力の方向と、円孔（３）の歪み具合を示す図である。

（ａ）は、Ｘ−Ｘ方向に伸長力、もしくはＹ−Ｙ方向に圧縮力が加わった場合の、円孔（３）の歪み楕円（３′）を示す。

（ｂ）は、Ｘ−Ｘ方向に圧縮力、もしくはＹ−Ｙ方向に伸長力が加わった場合の、円孔（３）の歪み楕円（３′）を示す。

（ｃ）は、Ｘ−Ｘ方向とＹ−Ｙ方向に対して、反時計廻りに４５度の角度を進めた、Ｘ′−Ｘ′方向に伸長力、もしくはＹ′−Ｙ′方向に圧縮力が加わった場合の、円孔（３）の歪み楕円（３′）を示す。なお、Ｘ′−Ｘ′方向に圧縮力、もしくはＹ′−Ｙ′方向に伸長力が加わる場合もあるが、（ｂ）の図を４５度、反時計方向に回転させたのと同様なので、図示を省略する。

図４の（ａ）において、力壁（１）に加わる内部応力として、Ｘ−Ｘ方向の伸長力が増すと、それに応じて、円孔（３）周囲に集中する内部応力としては、Ｙ−Ｙ方向に圧縮力を増し、また力壁（１）に加わる内部応力として、Ｙ−Ｙ方向に圧縮力を増しすと、円孔（３）周囲に集中する内部応力としては、Ｘ−Ｘ方向に伸長力が増して、いずれの場合も、円孔（３）の形状は、伸長力の作用する方向に長軸を持つ歪み楕円形（３′）に変形する。

この際、円孔（３）に緊密に嵌合した円筒部（４）は、円孔（３）に追従して変形するとともに、円筒部（４）の変形は、そのテーパ穴（３ａ）に嵌合しているねじ筒（２３）のゲージ止着板（２５）に伝達されて、そのゲージ止着板（２５）を変形する。

ゲージ止着板（２５）には、ねじ筒（２３）に設けたマーク（３１）に対して、支着位置を整合させて、各９０度に分配され、かつ歪み感応方向を、ねじ筒（２３）の軸線方向に対して直交させて放射方向にむけた、４個の歪みゲージ（ｒ１）〜（ｒ４）が設けられている。

各歪みゲージ（ｒ１）〜（ｒ４）は、図５に示すように電気的に接続されている。

すなわち、構造的に、歪み感応方向が、合致しているもの同士（ｒ１）（ｒ４）および（ｒ２）（ｒ３）は、電気的に、歪み変化を、同じに変化したときの電気的出力信号が逆相出力となる、ブリッジ回路における対向辺同士に接続され、これにより、歪み感応方向を、合致しているもの同士（ｒ１）（ｒ４）および（ｒ２）（ｒ３）が、同時に互いの抵抗値の変化を同一方向に増減させると、出力信号は増大する。

また、構造的に、電気的に、歪み変化を、逆に変化したときの電気的出力信号が同相出力となる、ブリッジ回路における電源（Ｅ）に対して直列となる直列辺同士に接続してあり、これにより、歪み感応方向を、直交するもの同士（ｒ１）（ｒ２）および（ｒ３）（ｒ４）が、同時に互いの抵抗値の変化を逆方向に増減させると、出力信号は増大する。

力壁（１）に加わる内部応力は、円孔（３）を楕円形に歪ませるが、その際に、円孔（３）の周囲には、伸長力と圧縮力が互いに直交して現れて、円孔（３）を歪ませるとともに、ねじ筒（２３）のゲージ止着板（２５）を歪み楕円形（３′）と相似形に歪ませる。

円孔（３）に加わる伸長力と圧縮力は、直交して同時に現れるため、ねじ筒（２３）におけるゲージ止着板（２５）に止着された歪みゲージ（ｒ１）〜（ｒ４）は、歪み感応方向を、合致しているもの同士（ｒ１）（ｒ４）および（ｒ２）（ｒ３）が、同時に同じ方向に、抵抗値を増減し、また歪み感応方向を、直交するもの同士（ｒ１）（ｒ２）および（ｒ３２）（ｒ４）が、同時に逆方向に抵抗値を増減する。

これにより、ブリッジ回路（Ｒ）の増幅器（３２）の出力には、歪み楕円形（３′）の歪み具合に応じて、高感度の内部応力対応の電気信号（Ｖ）が得られる。

この電気信号（Ｖ）は、円孔（３）へ応力センサ（２）を設置した際に、初期設定値（通常は、ブリッジ回路の零平衡値）からの、相対値として検出される。

なお、応力センサ（２）は、Ｘ−Ｘ方向、またはＹ−Ｙ方向へ円孔（３）を歪ませたときの力の大きさ対出力信号（Ｖ）の関係を、予め校正しておくことにより、力壁（１）に予め加わっている予圧力を省いた、応力センサ（２）の設定時以降の相対変動値を観測することができる。

しかし、内部応力の方向が、Ｘ−Ｘ方向、またはＹ−Ｙ方向からずれた場合には、校正値と整合しなくなる。

図４の（ｃ）は、内部応力の方向が、Ｘ−Ｘ方向、またはＹ−Ｙ方向から、４５度ずれた場合における円孔（３）の歪み楕円形（３′）を示すもので、この場合には、がＸ−Ｘ方向、またはＹ−Ｙ方向には、歪みを生じない。

力壁（１）に加わる内部応力の力線の方向が定まらない場合には、図３の用に歪みゲージ（ｒ１）〜（ｒ４）を装着すると、不感帯を生じることになる。

図６は、内部応力の力線の方向に対して、応力センサ（２）の感度に不感帯を生じないようにした実施例を示す。

図６における歪みゲージ（ｒ１′）〜（ｒ４′）は、Ｘ−Ｘ方向、Ｙ−Ｙ方向に対して、歪み感応方向を４５度回転させたＸ′−Ｘ′方向、Ｙ′−Ｙ′方向に合致させたもので、それらは、図５と同一のブリッジ回路（図示略）を構成している。

２つのブリッジ回路（Ｒ）は、互いの不感帯をカバーしており、両ブリッジ回路（Ｒ）の出力信号（Ｖ）から、内部応力の方向と大きさを、適正に校正することにより、容易に割り出すことができる。

本発明方法の実施要領に基づいて構成された応力センサの一実施例を示す、中央縦断側面図である。 図１における応力センサの正面図である。 図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線縦断面図である。 本発明方法による応力測定要領を説明するための、力壁に加わる力線の方向に応じて、円孔の歪み状態を、図３と同様断面図を用いて、それぞれ示す説明図である。、図５は乃 応力センサ（２）の歪みゲージの接続要領の一例を示す電気回路図である。 歪みゲージの取付け要領を異えた、別な実施例を示す、図３と同様の断面図である。

符号の説明

力壁（１）
応力センサ（２）
円孔（３）
テーパ穴（３ａ）
円筒部（４）
テーパー筒（４ａ）
外周（５）
フランジ（６）
案内孔（７）
テーパー孔（８）
底壁（９）
孔（１０）
フランジ（１１）
スリーブ（１２）
雌ネジ（１３）
位置調節ボルト（１４）
雄ねじ（１５）
ねじ孔（１６）
貫通孔（１７）
頭部（１８）
溝（１９）
溝（２０）
係止板（２１）
弾性シール材（２２）
ねじ筒（２３）
テーパ面（２４）
壁面（２５）
頭部（２６）
通孔（２７）
コネクタ（２８）
取り付け板（２９）
ねじ（３０）
マーク（３１）
（３２）増幅器

Claims (2)

1. 造型体を構成する構造材の内部応力を測定するに際して、構造材の応力測定部位に円孔を穿設し、その円孔の軸線方向と直交する円孔断面の歪みを、電気センサーで検出することにより、構造材に加わる内部応力を測定することを特徴とする構造材の内部応力測定方法。
2. 被測定構造材における内部応力の測定を要する個所に設けられた、測定を要する応力の力線と軸線を直交させた円孔に、外周部を密接に嵌合させた円筒体と、その円筒体の内孔に設けられた、円筒体の軸線に対してゲージ止着面を直交させたゲージ止着板と、そのゲージ止着板に、円孔の円形歪みを検出すべく、円孔の軸線に対して、歪み検出方向を放射方向に合致させた、複数の歪みゲージを備えることを特徴とする構造体の内部応力測定装置。

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