KR20180111035A - 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법 - Google Patents

나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리바로드의 직진성을 유지하여 탄성 및 인장강도를 확보하고, 리바로드의 외주면에 표면적을 보다 극대화시켜 콘크리트와의 보다 견고한 결합을 이루어내는 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법에 관한 것으로, 복합소재 리바 심재용 섬유가 감겨져 있는 복수의 보빈크릴 각각으로부터 상기 심재용 섬유들을 다발로 풀어내어 수지함침조에 함침시키는 수지함침단계와, 상기 수지함침조에 함침된 상기 심재용 섬유 다발을 인발성형기를 통해 인발성형하여 리바로드를 형성하는 리바로드형성단계와, 상기 인발성형기로부터 인발성형된 상기 리바로드의 외주면에 와인딩섬유실을 감아 상기 리바로드의 외주면에 와인딩섬유실층을 형성하는 제1 와인딩단계와, 상기 와인딩섬유실층이 형성된 상기 리바로드를 제1 경화실에 투입한 후 열을 가하여 가경화시키는 제1 경화단계와, 상기 제1 경화실에서 가경화되어 나온 상기 리바로드의 상기 와인딩섬유실층 외주면에 리브용 섬유를 나선형으로 감아 리브를 형성하는 제2 와인딩단계와, 상기 리브가 형성된 상기 리바로드를 제2 경화실에 투입한 후 열을 가하여 가경화시키는 제2 경화단계와, 상기 제2 경화실에서 가경화되어 나온 복합소재 리바를 당김부를 통해 후방으로 연속해서 당겨주는 당김단계를 포함하여 이루어진다.

Description

나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING COMPOSITE REBAR HAVING SPIRAL RIB}
본 발명은 종래 콘크리트 속에 보강근으로 사용되는 철근을 대체하여 경량화를 추구함과 동시에 고강성과 함께 우수한 내부식성 및 내구성을 가지고, 콘크리트와의 견고한 결합을 위해 표면적을 극대화시킬 수 있는 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 건축물이나 교량공사에서 시공되는 교각과 같은 구조물은, 도 1에 도시된 바와 같이 콘크리트(1)로 이루어지고, 상기 콘크리트(1) 속에 철근(2)을 심어 보강근, 즉 리바(Rebar)로 사용한다.
이 경우 콘크리트(1)로 이루어진 교각의 형상은 다각기둥이나 원기둥 형상일 수 있고, 내부가 콘크리트(1)로 모두 채워진 중실 또는 도 1에 도시된 바와 같이 중공으로 이루어질 수도 있다. 상기와 같은 다양한 형상은 건축물이나 교량의 설치되는 위치, 크기 및 하중 등을 고려하여 설계된다.
상술한 일반적인 콘크리트 속에 보강근으로 사용되는 철근(2)은 각종 환경적 요인, 예컨대 제설재나 해수환경 등의 영향에 의해 심각한 부식이 발생한다. 더욱이 이를 방지하기 위해 에폭시 코팅을 하더라도 염화 콘크리트 환경하에서는 이러한 철근 부식에 따른 문제를 극복하기 어렵다.
이러한 환경적 요인에 의해 철근이 부식함으로써 녹이 발생하고, 보강재로 사용되는 철근의 단면적이 감소하여 강도가 저하된다. 그에 따라 건축물이나 교량의 내구성이 저하되고, 높은 하중이나 강한 충격에 의해 감속된 허용 응력의 범위를 초과하여 건축물이나 교량이 무너져 큰 참사를 가져온다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래 콘크리트 속의 철근을 대체하여 복합소재 리바를 사용하고 있다. 복합소재 리바는 내식, 내열, 내부식성이 우수할 뿐만 아니라 매우 큰 강도를 지니고 있어 전 산업분야에 걸쳐서 응용분야가 확대되고 있는 반영구적인 소재이다.
이러한 복합소재 리바를 콘크리트 보강근으로 사용할 때, 콘크리트와의 견고한 결합을 위해 리바 외주면의 표면적을 최대한 넓혀 부착성능을 증진하고자 리바의 외주면에 표면 연마공정, 리브 형성을 위한 래핑공정, 규사 또는 가넷 등의 부착성능 증진용 부착공정 등을 수행하기도 한다.
예컨대, 등록특허공보 제10-0861578호의 '콘크리트 구조물 보강용 FRP 리바 및 그 제조방법'에서는 리바로드를 인발 성형한 후 표면 개질한 다음 리브를 형성하고, 수지층을 형성하고 규사를 도포하는 등의 과정을 거치게 된다. 다만, 이러한 복합소재 리바 제조방법은 뛰어난 강도와 부착성능을 증진할 수 있으나 리바로드를 인발성형한 후에 리브나 규사 등을 후접착하는 방식이므로 복잡한 공정과 높은 생산단가와 함께 표면 부착재들의 분리가 일어나기 쉬운 문제가 있다.
또한, 종래 일반적인 풀트루젼(pultrusion) 방식의 경우에는 복합소재 리바로드를 인발성형하면서 고강도 섬유를 함께 와인딩하여 리브를 형성하는 방법으로 연속 대량생산이 가능하지만 고강도 섬유를 와인딩할 때 와인딩 장력에 의해 리바가 형성되는 부위의 리바로드의 둘레가 조여지며 줄어들어 리바로드의 직진성이 유지되지 못해 탄성 및 인장강도가 떨어지는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 복합소재 리바로드를 인발성형하면서 와인딩섬유실층을 함께 와인딩함으로써 리브를 형성하더라도 리바로드의 직진성을 유지하여 탄성 및 인장강도를 확보하고, 리바로드의 외주면에 표면적을 보다 극대화시켜 콘크리트와의 보다 견고한 결합을 이루어내면서도 생산성 향상 및 생산단가를 저감시킬 수 있는 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법은, 복합소재 리바 심재용 섬유가 감겨져 있는 복수의 보빈크릴 각각으로부터 상기 심재용 섬유들을 다발로 풀어내어 수지함침조에 함침시키는 수지함침단계와, 상기 수지함침조에 함침된 상기 심재용 섬유 다발을 인발성형기를 통해 인발성형하여 리바로드를 형성하는 리바로드형성단계와, 상기 인발성형기로부터 인발성형된 상기 리바로드의 외주면에 와인딩섬유실을 감아 상기 리바로드의 외주면에 와인딩섬유실층을 형성하는 제1 와인딩단계와, 상기 와인딩섬유실층이 형성된 상기 리바로드를 제1 경화실에 투입한 후 열을 가하여 가경화시키는 제1 경화단계와, 상기 제1 경화실에서 가경화되어 나온 상기 리바로드의 상기 와인딩섬유실층 외주면에 리브용 섬유를 나선형으로 감아 리브를 형성하는 제2 와인딩단계와, 상기 리브가 형성된 상기 리바로드를 제2 경화실에 투입한 후 열을 가하여 가경화시키는 제2 경화단계와, 상기 제2 경화실에서 가경화되어 나온 복합소재 리바를 당김부를 통해 후방으로 연속해서 당겨주는 당김단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 심재용 섬유, 제1 와인딩섬유실 및 리브용 섬유 각각은, 유리섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유, 현무암 섬유, PVA 섬유, 고강도 폴리에스테르 섬유 중 선택된 어느 하나 또는 이들을 결합한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 당김부의 후방에 설치된 커팅부에 의해 상기 복합소재 리바를 일정한 길이로 커팅하는 커팅단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 커팅부의 후방에 설치된 권취부에 의해 상기 복합소재 리바를 롤형태로 권취하는 권취단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법은, 복합소재 리바로드를 인발성형하면서 와인딩섬유실층을 함께 와인딩함으로써 리브를 형성하더라도 리바로드의 직진성을 유지하여 탄성 및 인장강도를 확보하고, 리바로드의 외주면에 표면적을 보다 극대화시켜 콘크리트와의 보다 견고한 결합을 이루어내면서도 생산성 향상 및 생산단가를 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법의 일 실시예를 도시한 순서도이고,
도 2 내지 4는 도 1의 실시예 중 수지함침단계의 수행과정을 도시한 사시도이며,
도 5 및 6은 도 1의 실시예 중 리바로드형성단계의 수행과정을 도시한 사시도이고,
도 7은 도 1의 실시예 중 제1 와인딩단계의 수행과정을 도시한 사시도이며,
도 8은 도 1의 실시예 중 제1 경화단계의 수행과정을 도시한 사시도이고,
도 9 및 10은 도 1의 실시예 중 제2 와인딩단계의 수행과정을 도시한 사시도이며,
도 11은 도 1의 실시예 중 제2 경화단계의 수행과정을 도시한 사시도이고,
도 12 및 13은 도 11의 실시예를 통해 제조된 복합소재 리바를 도시한 사시도이며,
도 14는 도 1의 실시예 중 당김단계의 수행과정을 도시한 사시도이고,
도 15는 본 발명에 따른 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법에 의해 최종 제작된 리바를 도시한 사시도이며,
도 16은 도 15의 실시예의 단면도이고,
도 17은 본 발명에 따른 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법의 다른 실시예를 도시한 순서도이며,
도 18은 도 17의 실시예 중 커팅단계의 수행과정을 도시한 사시도이고,
도 19는 본 발명에 따른 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법의 또 다른 실시예를 도시한 순서도이며,
도 20은 도 19의 실시예 중 권취단계의 수행과정을 도시한 사시도이고,
도 21은 도 20의 실시예를 통해 최종 제작완료되어 권취된 복합소재 리바를 도시한 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이 수지함침단계(S101), 리바로드형성단계(S102), 제1 와인딩단계(S103), 제1 경화단계(S104), 제2 와인딩단계(S105), 제2 경화단계(S106) 및 당김단계(S107)을 포함하여 이루어지고, 도 17 및 19에 도시된 바와 같이 커팅단계(S108) 및 권취단계(S109)를 더 포함할 수 있다.
수지함침단계(S101)는 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이 복합소재 리바 심재용 섬유(11)가 감겨져 있는 복수의 보빈크릴(100) 각각으로부터 상기 심재용 섬유(11)들을 다발로 풀어내어 수지함침조(200)에 함침시킨다. 수지함침조(200)에는 상기 심재용 섬유(11)의 종류와 요구되는 물성에 따라 비닐에스테르수지, 우레탄수지, 아크릴 수지 또는 에폭시 수지 중에서 선택된 어느 하나가 저장되어 있다. 각각의 보빈크릴(100)로부터 심재용 섬유(11)들을 다발로 풀어내어 상기 심재용 섬유(11)가 수지함침조(200)에 함침되도록 안내하고, 충분히 수지가 함침된 다발의 심재용 섬유(11)들은 수지함침조(200)로부터 후술하는 인발성형기(300)로 안내한다. 인발성형기(300)로 안내된 다발의 심재용 섬유(11)들은 후술하는 리바로드형성단계(S102)에 의해 봉형상의 리바로드(10)로 성형된다.
리바로드형성단계(S102)는 도 5 및 6에 도시된 바와 같이 상기 수지함침조(200)에 함침된 상기 심재용 섬유(11) 다발을 인발성형기(300)를 통해 인발성형하여 리바로드(10)를 형성한다. 이때 리바로드(10)는 인발성형기(300)의 직경에 맞게 인발성형되어 단면상 원형이고, 길이방향을 따라 봉형상을 가지며, 심재용 섬유(11)들이 길이방향을 따라 배열된다. 이렇게 인발성형된 리바로드(10)는 곧바로 가경화시키는 것이 아니라, 리바로드(10)를 이루는 길이방향을 따라 배열된 심재용 섬유(11)들을 보다 밀착시켜 단위면적당 밀도를 높이면서 직경을 최소화하여 보다 큰 강도를 가질 수 있도록 후술하는 제1 와인딩단계(S103)를 수행하게 된다.
제1 와인딩단계(S103)는 도 6 및 7에 도시된 바와 같이 상기 인발성형기(300)로부터 인발성형된 상기 리바로드(10)의 외주면에 와인딩섬유실(21)을 감아 상기 리바로드(10)의 외주면에 와인딩섬유실층(20)을 형성한다. 즉, 리바로드(10)를 이루는 심재용 섬유(11)가 길이방향을 따라 배열된다면, 상기 와인딩섬유실층(20)을 형성하는 와인딩섬유실(21)은 리바로드(10)의 길이방향에 수직으로 외주면에 감겨진다.
이러한 와인딩섬유실층(20)은, 첫째 리바로드(10)의 외주면에 와인딩 장력을 통해 꽉 짜듯이 와인딩섬유실(21)을 감아나가기 때문에 리바로드(10)의 밀도를 높여 강도를 높이고, 둘째 리바로드(10)의 길이방향으로 배열된 심재용 섬유(11)와 함께 길이방향에 수직으로 와인딩섬유실(21)이 배열되므로 보다 큰 강도를 얻을 수 있으며, 셋째 리바로드(10)의 외주면에 와인딩섬유실(21)이 감겨 와인딩섬유실층(20)을 형성하면서 와인딩섬유실층(20) 자체로서 콘크리트와의 접촉면적을 극대화시킬 수 있고, 넷째 리바로드(10)의 직진성을 유지하여 탄성 및 인장강도를 더욱 견고하게 확보할 수 있는 기능을 한다.
제1 경화단계(S104)는 도 8에 도시된 바와 같이 상기 와인딩섬유실층(20)이 형성된 상기 리바로드(10)를 제1 경화실(400)에 투입한 후 열을 가하여 가경화시킨다. 제1 경화실(400)은 120 내지 200℃의 적당한 고온의 분위기하에서 상기 와인딩섬유실층(20)이 형성된 리바로드(10)를 투입하여 이동시키면서 수분 간 통과시킨다.
제2 와인딩단계(S105)는 도 9 및 10에 도시된 바와 같이 상기 제1 경화실(400)에서 가경화되어 나온 상기 리바로드(10)의 상기 와인딩섬유실층(20) 외주면에 리브용 섬유(31)를 나선형으로 감아 리브(30)를 형성한다. 이러한 리브(30)는 스파이럴 그립(spiral grip)이라고도 하며, 콘크리트와의 결합시 리바(40) 외주면의 표면적을 최대한 넓혀 부착성능을 증진시키는 기능을 한다. 상기 리브(30)는 리브용 섬유(31)를 상기 리바로드(10)의 와인딩섬유실층(20) 외주면에 나선형으로 감아나간다.
상기 심재용 섬유(11), 제1 와인딩섬유실(21) 및 리브용 섬유(31) 각각은, 섬유강화 복합소재(FRP: Fiber Reinforced Plastics)로서, 유리섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유, 현무암 섬유, PVA 섬유, 고강도 폴리에스테르 섬유 중 선택된 어느 하나 또는 이들을 결합한 것일 수 있다. 이러한 섬유강화 복합소재는 우수한 내후성, 내수성, 내유성 및 내산화성을 가지며, 섬유재를 수지로 다층 접착하여 경화시킨 복합재료로서, 철강 소재에 비하여 경량으로 만들 수 있는 것은 물론, 제작이 용이하고 기계적인 강도는 오히려 향상될 수 있다. 특히, 상기 섬유강화 복합소재는 고분자 재료에 첨가되는 섬유재의 종류에 따라 강도를 조절할 수 있고, 비중이 1.6 정도로 제작할 수 있어서 비중이 7.85인 강철 소재에 비하여 매우 경량으로 제작할 수 있는 이점이 있다.
제2 경화단계(S106)는 도 11에 도시된 바와 같이 상기 리브(30)가 형성된 상기 리바로드(10)를 제2 경화실(500)에 투입한 후 열을 가하여 가경화시킨다. 제2 경화실(500)은 역시 제1 경화실(400)과 마찬가지로 120 내지 200℃의 적당한 고온의 분위기하에서 상기 와인딩섬유실층(20)의 외주면에 나선형으로 리브(30)가 형성된 리바로드(10)를 투입하여 이동시키면서 수분 간 통과시킨다. 제2 경화단계(S106)에서의 제2 경화실(500)을 통과하면 도 12 및 13에 도시된 바와 같이 복합소재 리바(40)가 제작 완료된다.
이때, 상술한 각각의 단계에서 심재용 섬유(11)부터 리바로드(10)의 인발 및 이동을 위해 상기 리바(40)를 당겨주는 당김단계(S107)가 필요하다. 즉, 당김단계(S107)는 도면부호나 기재상 후순위로 기재되어 있으나, 순서에 상관없이 각 단계의 인발 및 이동을 위해 각 단계와 함께 수행되어 진다. 다만, 당김단계(S107)를 수행하는 당김부(600)가 제2 경화실(500)의 후방에 설치되므로 제2 경화단계(S106) 이후에 당김단계(S107)를 배치한 것이다.
이러한 당김단계(S107)는 도 14에 도시된 바와 같이 상기 제2 경화실(500)에서 가경화되어 나온 복합소재 리바(40)를 상하로 배치된 무한궤도식 당김벨트로 구성된 당김부(600)를 통해 후방으로 연속해서 당겨준다. 상기 당김부(600)가 제2 경화실(500)의 후방에 배치되는 이유는, 상술한 각 단계에서의 중간에 설치되면 당김부(600)에 의해 리바로드(10)나 와인딩섬유실층(20)이 변형될 수 있지만 제작 완료되어 가경화된 복합소재 리바(40)를 당기게 되면 이러한 변형을 방지할 수 있기 때문이다. 결과적으로, 당김단계(S107)의 당김부(600)를 통과한 복합소재 리바(40)는 도 15 미 16에 도시된 바와 같이 제작완료된 상태가 되며, 다만 필요한 길이에 맞게 절단하여 보관할 필요가 있다.
즉, 도 17 및 18에 도시된 바와 같이 커팅단계(S108)는 상기 당김부(600)의 후방에 설치된 커팅부(700)에 의해 상기 복합소재 리바(40)를 일정한 길이로 커팅한다. 이렇게 커팅된 리바(40)는 장형의 봉형상으로 다수를 묶어 보관, 이동 및 사용할 수도 있으나, 도 19 및 20에 도시된 바와 같이 권취단계(S109)를 통해 롤형태로 권취하여 보관할 수도 있다.
권취단계(S109)는 상기 커팅부(700)의 후방에 설치된 권취부(800)에 의해 상기 복합소재 리바(40)를 롤형태로 권취한다. 물론, 권취부(800)에 리바(40)가 롤형태로 충분한 용량만큼 권취된 경우에는 상기 커팅부(700)를 통해 커팅할 필요가 있다. 권취부(800)에 의해 롤형태로 권취된 복합소재 리바(40)는 도 21에 도시된 바와 같이 롤형태로 보관되며, 이러한 롤형태의 복합소재 리바(40)는 사용시 원하는 길이에 맞게 잘라서 사용할 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법은, 복합소재 리바로드(10)를 인발성형하면서 와인딩섬유실층(20)을 함께 와인딩함으로써 리브(30)를 형성하더라도 리바로드(10)의 직진성을 유지하여 탄성 및 인장강도를 확보하고, 리바로드(10)의 외주면에 표면적을 보다 극대화시켜 콘크리트와의 보다 견고한 결합을 이루어내면서도 생산성 향상 및 생산단가를 저감시킬 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
10 : 리바로드 11 : 심재용 섬유
20 : 와인딩섬유실층 21 : 와인딩섬유실
30 : 리브 31 : 리브용 섬유
40 : 리바
100 : 보빈크릴
200 : 수지함침조
300 : 인발성형기
400 : 제1 경화실
500 : 제2 경화실
600 : 당김부
700 : 커팅부
800 : 권취부
S101 : 수지함침단계
S102 : 리바로드형성단계
S103 : 제1 와인딩단계
S104 : 제1 경화단계
S105 : 제2 와인딩단계
S106 : 제2 경화단계
S107 : 당김단계
S108 : 커팅단계
S109 : 권취단계

Claims (4)

  1. 복합소재 리바 심재용 섬유가 감겨져 있는 복수의 보빈크릴 각각으로부터 상기 심재용 섬유들을 다발로 풀어내어 수지함침조에 함침시키는 수지함침단계와,
    상기 수지함침조에 함침된 상기 심재용 섬유 다발을 인발성형기를 통해 인발성형하여 리바로드를 형성하는 리바로드형성단계와,
    상기 인발성형기로부터 인발성형된 상기 리바로드의 외주면에 와인딩섬유실을 감아 상기 리바로드의 외주면에 와인딩섬유실층을 형성하는 제1 와인딩단계와,
    상기 와인딩섬유실층이 형성된 상기 리바로드를 제1 경화실에 투입한 후 열을 가하여 가경화시키는 제1 경화단계와,
    상기 제1 경화실에서 가경화되어 나온 상기 리바로드의 상기 와인딩섬유실층 외주면에 리브용 섬유를 나선형으로 감아 리브를 형성하는 제2 와인딩단계와,
    상기 리브가 형성된 상기 리바로드를 제2 경화실에 투입한 후 열을 가하여 가경화시키는 제2 경화단계와,
    상기 제2 경화실에서 가경화되어 나온 복합소재 리바를 당김부를 통해 후방으로 연속해서 당겨주는 당김단계를 포함하여 이루어진 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 심재용 섬유, 제1 와인딩섬유실 및 리브용 섬유 각각은,
    유리섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유, 현무암 섬유, PVA 섬유, 고강도 폴리에스테르 섬유 중 선택된 어느 하나 또는 이들을 결합한 것을 특징으로 하는 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 당김부의 후방에 설치된 커팅부에 의해 상기 복합소재 리바를 일정한 길이로 커팅하는 커팅단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커팅부의 후방에 설치된 권취부에 의해 상기 복합소재 리바를 롤형태로 권취하는 권취단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법.
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