KR20150047754A - 스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침 - Google Patents

스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침 Download PDF

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KR20150047754A
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Abstract

본 발명은 스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 교량용 지진 격리받침에 관한 것으로, 상면이 교량의 상부 구조물 저면에 결합되고 저면 외측에 수직한 직립단(120)이 돌출 구비되는 상부 플레이트(100)와, 교량의 하부 구조물 상면에 올려지는 하부 플레이트(200)와, 상기 하부 플레이트(200)에 올려져 고정되며 상면이 상기 상부 플레이트(100)에 슬라이드 가능하게 지지되는 받침부재(300)와, 상기 받침부재(300)의 외측과 상기 직립단(120) 사이에 위치되어 지진력에 따른 슬라이드시 탄성 변형력을 발생하는 전단변형부(400)로 구성되는 교량용 지진 격리받침에 있어서, 상기 전단변형부(400)가, 일단이 상기 받침부재(300)의 측면에 고정되고 타단이 상기 직립단(120)에 근접 위치되는 고무 댐퍼(420), 상기 고무 댐퍼(420)에 구비되어 상기 직립단(120)에 밀착 지지되는 금속판(422), 일단이 상기 금속판(422)에 고정되고 타단이 상기 고무 댐퍼(420)의 중심을 통과하여 상기 받침부재(300)에 형성된 슬라이드홈(320)에 슬라이드 되는 로드(440), 상기 로드(440)를 감싸는 형태로 결합되고 일단이 금속판(422)에 지지되고 타단이 상기 받침부재(300)에 지지되어 압축 복원력을 발생하는 스프링(460)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침{polyurethane friction surface seismic isolation bearing using spring and rubber damper}
본 발명은 교량용 지진 격리받침에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교량의 상부 및 하부 구조물 사이에 설치된 받침부재가 수평적 변위력 발생시 전단변형부를 이루는 스프링 및 고무 댐퍼를 통해 압축 및 탄성 복원력을 발생하도록 하고 더불어 변위력 발생후 초기 상태로의 복원력 발생시 전단변형부의 분리됨이 없이 순차적으로 빠르게 초기 상태로 복원될 수 있도록 함과 아울러 폴리우레탄 마찰형 지진 격리 받침의 고무 댐퍼가 갖는 강성에 추가적으로 스프링 강성이 더해져 받침 자체의 강성 증대로 인한 제품 크기를 현격히 줄일 수 있는 스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침에 관한 것이다.
통상, 교량 받침은 교량의 상부 구조물인 상판과 하부 구조물인 교각 사이에서 상부 구조물의 하중을 하부 구조물로 원활하게 전달 및 회전 등 상대적 변위력을 흡수하는 기능을 수행한다. 상기한 교량 받침은 사용되는 주재료에 따라 강재 받침과 고무 받침 등으로 구별되고, 기능에 따라서는 내진 받침과 면진 받침으로 분류된다.
상기 내진 받침은, 포트 받침(Pot Bearing), 탄성 받침(Rubber Bearing), 스페리컬 받침(Spherical Bearing), 디스크 받침(Disk Bearing) 등으로 제시되고 있고, 면진 받침은 납 면진받침(Lead Rubber Bearing: LRB), 스틸 댐퍼(Steel Damper) 등이 제시되고 있으며 최근에는 내진 및 면진 가능한 받침이 출시되고 있는 실정에 있다.
그 한 예로, 대한민국 특허 등록 제10-1051059호 "면진용 디스크 받침"이 출시된 바 있다.
이는 상부 플레이트; 상기 상부 플레이트 아래에 위치하며 횡압력이 가해졌을 때, 상기 상부 플레이트에 대한 전단 변형이 가능한 제1 중간 플레이트; 상기 제1 중간 플레이트 아래에 위치하는 제2 중간 플레이트; 상기 제1 중간 플레이트 및 제2 중간 플레이트 사이에 배치되는 탄성 디스크; 상기 탄성 디스크를 관통하여 배치되며, 상기 제1 중간 플레이트, 상기 제2 중간 플레이트 및 상기 탄성 디스크에 수평 하중을 전달하는 제1 전단 부재; 상기 제2 중간 플레이트 아래에 위치한 하부 플레이트; 및 상기 제2 중간 플레이트 및 하부 플레이트 사이에 배치되어, 제2 중간 플레이트 및 하부 플레이트에 수평 하중을 전달하도록 디스크 형상을 갖는 제2 전단 부재를 포함하며, 상기 제2 전단 부재의 위치를 가이드하기 위하여 상기 제2 중간 플레이트의 하면과 상기 하부 플레이트의 상면에는 각각 상기 제2 전단 부재의 형상에 대응되는 홈이 형성되며, 상기 제2 전단 부재의 수직 방향 두께는 상기 제1 전단 부재보다 작은 것을 특징으로 하고, 상기 상부 플레이트는 하부로 연장되는 측면지지 부재를 포함하며, 상기 측면지지 부재와 상기 제1 중간 플레이트 사이에 배치되어, 상기 상부 플레이트와 상기 제1 중간 플레이트의 전단 변형을 복원하기 위한 복원 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
하지만 상기한 면진용 디스크 받침은, 하부 플레이트와 하부 구조물의 결합시에 콘크리트가 탄성 디스크 쪽으로 침입하는 것을 방지할 수 있지만 지진력 발생에 따른 복원부재의 압축시 복원이 제대로 이루어지지 않아 복원부재와 측면지지 부재 사이에 들뜸 현상이 발생되고 이로인해 수평적 변위력을 제대로 흡수하지 못하는 문제점이 있었다.
이를 해결하고자 복원력을 증대시킨 제품이 대한민국 특허공개 제10-2013-0043856호 "강재 스프링을 이용한 교량용 디스크 받침" 및 대한민국 특허공개 제10-2013-0043857호 "탄성중합체 스프링을 이용한 교량용 디스크 받침"이 출시된 바 있다.
전자의 경우, 강재 스프링을 이용한 교량용 디스크 받침에 대한 것이다.
이는, 교량용 디스크받침(Disk Bearing)에 있어서, 교량의 상부 구조물이 거치되는 상부 플레이트(Top Plate); 교량의 하부 구조물과 연결되는 하부 플레이트(Bottom Plate); 상기 상부 플레이트 하부에 설치되는 중간 플레이트(Middle Plate); 상기 상부 플레이트와 상기 중간 플레이트 사이에 배치되며, 상기 상부 플레이트와 상기 중간 플레이트의 마찰을 방지하고, 외부에서 횡압력이 가해질 때, 상기 상부 플레이트와 상기 중간 플레이트 사이에서 미끄러짐이 일어나 전단 변형이 발생되는 전단 변형부; 상기 중간 플레이트 및 상기 하부 플레이트 사이에 배치되는 탄성 디스크; 상기 중간 플레이트와 상기 하부 플레이트 사이에 상기 탄성 디스크를 관통하도록 배치되는 전단키(Shear Key); 상기 상부 플레이트의 하부로 연장되는 가이드박스; 및 상기 가이드박스와 상기 중간 플레이트 사이에 배치되는 강재 스프링으로서, 디스크 받침의 전단 변형을 복원시키는 강재 스프링 복원부재를 포함하여 구성된 것이다.
하지만, 폴리우레탄 스프링을 강재 스프링으로 대체하여 강성 증가를 기대하기 어려우며 또한, 강재 스프링 복원부재가 외부에 노출되어 강재 스프링의 부식 및 수평 변위력 발생에 따른 순간적 변위력이 발생되면 강재 스프링이 파손 또는 변위력을 제대로 흡수하지 못하는 문제점이 있고, 또한 연속 반복된 변위력이 발생되는 경우 강재 스프링의 탄성력이 저하되는 문제점이 있었다.
후자의 경우, 탄성중합체 스프링을 이용한 교량용 디스크받침에 대한 것이다.
이는, 교량용 디스크받침(Disk Bearing)에 있어서, 교량의 상부 구조물이 거치되는 상부 플레이트(Top Plate); 교량의 하부 구조물과 연결되는 하부 플레이트(Bottom Plate); 상기 상부 플레이트 하부에 설치되는 중간 플레이트(Middle Plate); 상기 상부 플레이트와 상기 중간 플레이트 사이에 배치되며, 상기 상부 플레이트와 상기 중간 플레이트의 마찰을 방지하고, 외부에서 횡압력이 가해질 때, 상기 상부 플레이트와 상기 중간 플레이트 사이에서 미끄러짐이 일어나 전단 변형이 발생되는 전단 변형부; 상기 중간 플레이트 및 상기 하부 플레이트 사이에 배치되는 탄성 디스크; 상기 중간 플레이트와 상기 하부 플레이트 사이에 상기 탄성 디스크를 관통하도록 배치되는 전단키(Shear Key); 상기 상부 플레이트의 하부로 연장되는 가이드박스; 및 상기 가이드박스와 상기 중간 플레이트 사이에 배치되는 탄성중합체 스프링으로서, 디스크 받침의 전단 변형을 복원시키는 탄성중합체 스프링 복원부재로 구성된다.
이에따라, 교량 구조물에 수평력에 의한 변형 발생시 4측면의 탄성중합체 스프링에서 동시에 디스크 받침을 원상태로 복원이 가능하도록 하게 된다.
하지만, 탄성중합체의 경우 안정된 압축 및 복원력이 필요한데 압축 강도가 큰 경우 변위력을 흡수하지 못하는 문제점 및 압축후 복원력이 늦어져 상호간에 오랜시간 이격된 거리가 발생되는 문제점이 있고, 또한 압축 강도가 약하게 하는 경우 전단 변형후 초기상태로 복원되지 못하는 문제점이 있다.
[문헌 1] 대한민국 등록특허번호 제10-1051059호 "면진용 디스크 받침" (등록일: 2011년 7월 15일) [문헌 2] 대한민국 특허공개 제10-2013-0043856호 "강재 스프링을 이용한 교량용 디스크 받침"(공개일 2013년 05월02일) [문헌 3] 대한민국 특허공개 제10-2013-0043857호 "탄성중합체 스프링을 이용한 교량용 디스크 받침"(공개일 2013년 05월02일)
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로,
본 발명의 목적은,
교량의 상부 및 하부 구조물에 수평 변위력 발생시 어느 방향의 변위력에도 4측면에 제공된 스프링 및 고무댐퍼가 동시에 안정된 상태로 복원력을 발생하여 대응하도록 하는데 있다.
또한, 스프링 및 고무댐퍼의 동시 구현으로 강성을 증대시킴에 따라 제품 크기를 현격하게 소형화 시킬 수 있도록 하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상면이 교량의 상부 구조물 저면에 결합되고 저면 외측에 수직한 직립단이 돌출 구비되는 상부 플레이트와, 교량의 하부 구조물 상면에 올려지는 하부 플레이트와, 상기 하부 플레이트에 올려져 고정되며 상면이 상기 상부 플레이트에 슬라이드 가능하게 지지되는 받침부재와, 상기 받침부재의 외측과 상기 직립단 사이에 위치되어 수평적 변위력에 따른 슬라이드시 탄성 변형력을 발생하는 전단변형부로 구성되는 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침에 있어서, 상기 전단변형부가, 일단이 상기 받침부재의 측면에 고정되고 타단이 상기 직립단에 근접 위치되는 고무댐퍼, 상기 고무댐퍼에 구비되어 상기 직립단에 밀착 지지되는 금속판, 일단이 상기 금속판에 고정되고 타단이 상기 고무댐퍼의 중심을 통과하여 상기 받침부재에 형성된 슬라이드홈에 슬라이드 되는 로드, 상기 로드를 감싸는 형태로 결합되고 일단이 금속판에 지지되고 타단이 상기 받침부재에 지지되어 탄성 복원력을 발생하는 스프링으로 구성할 수 있다.
본 발명은, 교량의 상부 및 하부 구조물에 수평 변위력 발생시 어느 방향의 변위력에도 4측면에 제공된 스프링 및 고무 댐퍼가 동시에 안정된 상태로 복원될 수 있도록 하는 효과가 있다.
즉, 수평 변위력이 발생되면 압축 위치에서는 스프링과 고무 댐퍼가 동시에 압축되면서 변위력을 흡수하게 되고 복원 위치에서는 1차적으로 스프링의 탄성 복원력이 발생되고 2차적으로 고무 댐퍼의 탄성 복원력이 발생되어 항상 직립단과 받침부재가 전단변형부를 통해 지지될 수 있는 효과가 있다.
또한, 고무 댐퍼와 스프링이 동시에 탄성 복원력을 발생시키도록 함에 따라 전체 강성이 크게 증가되어 결국 제품 크기를 현격하게 줄일 수 있고 이에따른 자재비를 크게 절감시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침의 절개 사시도,
도 2는 도 1의 평단면도,
도 3은 도 2의 정단면도,
도 4는 본 발명에 따른 동작 상태로 1방향 변위 발생시의 평단면도,
도 5는 도 4의 정단면도,
도 6은 본 발명에 따른 동작 상태로 2방향 변위 발생시의 평단면도,
도 7은 본 발명에 따른 동작 상태로 변위 발생시의 스프링 탄성 복원력과 고무 댐퍼의 압축 상태를 도시한 동작 상태도,
도 8은 본 발명에 따른 다른 실시예의 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 단면도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하며 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등은 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 교량에 적용되는 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침에 있어, 지진력 발생에 따른 교량 상부 구조물의 거동시 탄성력과 복원력을 통해 빠르고 안정되게 대응할 수 있도록 하는 스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침에 관한 것이다.
본 발명은, 도 1 내지 도 7의 도시에 의하여 교량 상부 구조물의 저면을 지지하는 상부 플레이트(100)와, 교량 하부 구조물의 상면에 위치되는 하부 플레이트(200)와, 상기 상부 및 하부 플레이트(100)(200) 사이에 위치되는 받침부재(300)와, 상기 상부 및 하부 구조물의 지진력 발생시 탄성 변형력을 발생하는 전단변형부(400)를 포함한다.
상기 상부 플레이트(100)는, 공지 기술과 같이 금속 등의 소재로 이루어지며, 상면이 교량의 상부 구조물 저면에 결합되고, 저면 외측에 수직한 직립단이 돌출 구비된다. 즉, 상기 상부 플레이트(100)의 표면이 사각의 경우 4개의 직립단(120)이 하향으로 돌출되게 구비된다.
상기 직립단(120)은, 후술될 상기 전단변형부(400)에 포함되는 것으로 상기 전단변형부(400)의 설명시 자세하게 설명하도록 한다.
상기 하부 플레이트(200)는, 공지 기술과 같이 금속 등의 소재로 이루어지며, 교량의 하부 구조물인 교각 상면에 올려져 앵커 등으로 고정된다.
상기 받침부재(300)는, 저면이 상기 하부 플레이트(200)의 상면에 올려져 고정되며, 상면이 상기 상부 플레이트(100)의 저면에 슬라이드부재(500)를 통해 슬라이드 가능하게 지지된다.
상기 받침부재(300)는, 상부받침(330), 하부받침(340), 중심회전받침(350)으로 이루어져 중심핀(360)을 통해 회전 가능하게 서로 고정된 것을 적용할 수 있다.
상기 슬라이드부재(500)는, 공지 기술과 같이 2개의 마찰판으로 이루어져 상호 슬라이드 가능하도록 하게 된다.
상기 전단변형부(400)는, 상기 받침부재(300)의 외측과 상기 직립단(120) 사이에 각각 위치되어 지진력에 따른 슬라이드시 개별적으로 탄성 변형력을 발생하게 되는 것으로, 일단이 상기 받침부재(300)의 측면에 고정되고 타단이 상기 직립단(120)에 근접 위치되는 고무댐퍼(420)와, 상기 고무댐퍼(420)에 구비되어 상기 직립단(120)에 밀착 지지되는 금속판(422)과, 일단이 상기 금속판(422)에 고정되고 타단이 상기 고무댐퍼(420)의 중심을 통과하여 상기 받침부재(300)에 형성된 슬라이드홈(320)에 슬라이드 되는 로드(440) 및 상기 로드(440)를 감싸는 형태로 결합되고 일단이 상기 금속판(422)에 지지되고 타단이 상기 받침부재(300)에 지지되어 압축 복원력을 발생하는 스프링(460)으로 구성된다.
상기 고무댐퍼(420)는, 고무 또는 합성고무 소재로 이루어지며, 일단이 상기 받침부재(300)의 측면에 각각 고정되고 타단이 상기 직립단(120)에 근접 위치된다.
상기 금속판(422)은, 상기 고무댐퍼(420)에 구비되어 상기 직립단(120)에 밀착 지지된다.
상기 로드(440)는, 일단이 상기 금속판(422)에 고정되고 타단이 상기 고무댐퍼(420)의 중심에 형성된 중심홀(424)을 통과하여 상기 받침부재(300)에 형성된 슬라이드홈(320)에 슬라이드 된다.
상기 스프링(460)은, 압축 및 복원력을 갖는 것이며, 상기 고무댐퍼(420)의 중심홀(424) 내에서 상기 로드(440)를 감싸는 형태로 결합되고 일단이 상기 금속판(422)에 지지되고 타단이 상기 받침부재(300)에 지지되어 압축 복원력을 발생하게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 로드(440)를 감싸는 스프링(460)의 양쪽 단부가 상기 받침부재(300)의 슬라이드홈(320) 내부에 위치되도록 함을 도시한 것이다.
즉, 스프링(460)이 상기 슬라이드홈(320)에 지지된 상태에서 상기 고무 댐퍼(420)를 탄력적으로 지지하도록 한 것이다.
이 경우, 고무 댐퍼(420)는 양단이 각각 받침부재(300)와 직립단(120)을 지지하게 되고, 스프링(460)은 슬라이드홈(320)에 지지된 상태에서 고무 댐퍼(420)를 탄력적으로 지지하게 되어 상기 고무 댐퍼(420)가 항상 직립단(120)을 지지하도록 하게 된다.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 상기 받침부재(300)에 서로 대칭되게 형성된 슬라이드홈(320)이 전후 및 좌우 방향으로 연통되도록 연통홀(390)로 형성한 것이며, 2개의 로드(440a)로 4개의 측면을 지지할 수 있음을 보인 것이다.
이 경우 상기 연통홀(390)이 서로 높이 위치를 달리하며 형성될 수 있고, 상기 연통홀(390)에 삽입된 상기 로드(440a)가 동일 위치가 아닌 상하 위치를 달리하며 배치되게 된다.
이상에서와 같이 구성되는 본 발명에 따른 는 스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침의 조립 및 작동 상태를 설명하면 다음과 같다.
조립시에는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와같이 상부 플레이트(100)와 하부 플레이트(200) 사이에 받침부재(300)를 위치시킨 다음 받침부재(300)의 4개 측면과 상기 상부 플레이트(100)의 직립단(120) 사이에 전단변형부(400)를 이루는 로드(440), 스프링(460), 고무 댐퍼(420)가 결합되어 지지되도록 하면 조립이 완료된다.
설치시에는, 교량을 이루는 상부 구조물과 하부 구조물에 상기 상부 플레이트(100)와 하부 플레이트(200)를 앵커로 결합 고정시키면 설치가 완료된다.
설치가 완료된 상태에서 변위력 즉, 도 4에 도시된 바와같이 1방향 변위가 발생되면 변위력 발생지점부의 고무 댐퍼(420)가 압축되고 반대쪽 지점부에는 스프링(460) 복원력이 발생되어 직립단(120)과 고무 댐퍼(420)는 4개의 측면에서 동시에 지지되는 구조를 취하게 된다.
상기와 같은 1방향 변위가 아닌 도 6에 도시된 바와같이 2방향에서 변위력이 발생되어도 변위력 발생지점부의 고무 댐퍼(420)가 압축되고 반대쪽 지점부에는 스프링(460) 복원력이 발생되어 직립단(120)과 고무 댐퍼(420)는 분리됨이 없이 항상 4개의 측면에서 동시에 지지되는 구조를 취하게 된다.
이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하고 도시하였지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 상부 플레이트 120: 직립단
200: 하부 플레이트
300: 받침부재 320: 슬라이드홈
330: 상부받침 340: 하부받침
350: 중심회전받침 360: 중심핀
400: 전단변형부
420: 고무 댐퍼
440: 로드
460: 스프링
500: 슬라이드부재

Claims (3)

  1. 상면이 교량의 상부 구조물 저면에 결합되고 저면 외측에 수직한 직립단(120)이 돌출 구비되는 상부 플레이트(100)와, 교량의 하부 구조물 상면에 올려지는 하부 플레이트(200)와, 상기 하부 플레이트(200)에 올려져 고정되며 상면이 상기 상부 플레이트(100)에 슬라이드 가능하게 지지되는 받침부재(300)와, 상기 받침부재(300)의 외측과 상기 직립단(120) 사이에 위치되어 수평적 변위력에 따른 슬라이드시 탄성 변형력을 발생하는 전단변형부(400)로 구성되는 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침에 있어서,
    상기 전단변형부(400)가,
    일단이 상기 받침부재(300)의 측면에 고정되고 타단이 상기 직립단(120)에 근접 위치되는 고무 댐퍼(420),
    상기 고무 댐퍼(420)에 구비되어 상기 직립단(120)에 밀착 지지되는 금속판(422),
    일단이 상기 금속판(422)에 고정되고 타단이 상기 고무 댐퍼(420)의 중심을 통과하여 상기 받침부재(300)에 형성된 슬라이드홈(320)에 슬라이드 되는 로드(440),
    상기 로드(440)를 감싸는 형태로 결합되고 일단이 금속판(422)에 지지되고 타단이 상기 받침부재(300)에 지지되어 탄성 복원력을 발생하는 스프링(460)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스프링(460)이 상기 받침부재(300)의 슬라이드홈(320)에 삽입된 상태에서 상기 고무 댐퍼(420)를 지지하도록 함을 특징으로 하는 스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침.
  3. 제1항에 있어서,
    서로 대칭되게 형성된 상기 슬라이드홈(320)과 슬라이드홈(320)이 서로 연통되어 하나의 연통홀(390)로 형성되도록 하고 상기 연통홀(390)에 삽입되는 하나의 로드(440a)가 양쪽의 고무 댐퍼(420)를 지지하도록 함을 특징으로 하는 스프링 및 고무 댐퍼를 이용한 폴리우레탄 마찰형 지진 격리받침.
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