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Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 1 1. FUNDAMENTOS 1.1. Introdução As estruturas são sistemas físicos constituídos de partes ou componentes interligados e deformáveis, capazes de receber e transmitir esforços. Esses componentes necessitam ser dimensionados de maneira a resistir, sem serem danificados, ao seu próprio peso e às ações que lhe são aplicadas, além de terem rigidez suficiente para não apresentar deformações excessivas que venham a prejudicar o uso e a estética dos mesmos. O projeto estrutural consiste no desenvolvimento de uma forma material capaz de receber as forças atuantes (ações permanentes ou variáveis) e transmiti-las ao solo por meio de fundações com o máximo de eficiência global, envolvendo critérios de economia e segurança. 1.2. As grandezas vetoriais força e momento Força: grandeza vetorial com módulo, direção e sentido. É o resultado da interação entre dois corpos e, portanto, sempre ocorre em pares de ação e reação. Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 2 Diagramas de corpo livre: representações de corpos isolados com indicações de forças externas que atuam sobre os mesmos, como ilustra a figura abaixo. Sistema cartesiano de referência: Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 3 Decomposição bidimensional de uma força: Momento de uma força: O momento de uma força é a medida da tendência que tem a força de produzir giro em um corpo rígido. Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 4 1.3. Condições de equilíbrio Uma estrutura só poderá ser utilizada se estiver em equilíbrio. Uma estrutura é dita em equilíbrio, quando a resultante de todas as forças e o momento em qualquer ponto, forem iguais à zero. NO ESPAÇO: NO PLANO: Exemplo da viga: x y z x y z 0FX =∑ 0MX =∑ Translação 0FY =∑ ; rotação 0MY =∑ 0FZ =∑ 0MZ =∑ 0FX =∑ translação 0FY =∑ rotação 0MZ =∑ Equações de equilíbrio da estática Equações de equilíbrio da estática Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 5 2. NOÇÕES PRELIMINARES DE ESTRUTURAS EM BARRAS 2.1. Introdução Estruturas: são sistemas físicos capazes de receber e transmitir esforços. Transmissão de forças na estrutura de um edifício. 2.2. Classificação das estruturas quanto aos elementos componentes • ESTRUTURAS LINEARES, RETICULARES OU DE BARRAS Duas dimensões são pequenas em relação à terceira. Exemplos: vigas, treliças, pórticos, grelhas, arcos. Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 6 Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 7 Viga Treliça Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 8 Treliça de cobertura Arcos Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 9 Grelha Pórticos Pórticos Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 10 • ESTRUTURAS LAMINARES Uma dimensão é pequena em relação as outras duas. Exemplos: placas (lajes), chapas (paredes), cascas etc. Sydney Opera House-Austrália Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 11 • ESTRUTURAS TRIDIMENSIONAIS As três dimensões são consideráveis. Exemplos: blocos de fundação, barragens etc. →→→→ Na estática das estruturas são estudadas apenas as estruturas em barras. 2.3. Idealização e representação de uma barra Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 12 2.4. Superposição dos efeitos 2.5. Ações atuantes nas estruturas Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 13 2.5.1 Classificação das cargas quanto à forma de ocorrência Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 14 2.5.1 Classificação das cargas quanto à lei de distribuição Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 15 Carga distribuída sobre viga 2.6. Condições de apoio Os deslocamentos (translação e rotação) de uma estrutura podem no todo ou em parte, serem restringidos por vínculos externos denominados APOIOS. Nas direções dos deslocamentos restringidos ocorrem esforços reativos às ações transmitidas pela estrutura aos apoios, denominados REAÇÕES DE APOIO. Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 16 TIPOS PRINCIPAISDE APOIOS: a) Articulado móvel (rotulado móvel ou apoio de 1º gênero): Este tipo de apoio oferece apenas uma reação (V) vertical (eixo y), permitindo assim dois tipos de movimentos (uma translação no eixo x e uma rotação). V V x y ou Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 17 b) Apoio articulado fixo (apoio de 2º gênero) Este tipo de apoio oferece duas reações (V e H), permitindo assim apenas um tipo de movimento (o de rotação). c) Engastamento Este tipo de apoio oferece três reações (V, H e M), não permitindo assim qualquer tipo de movimento. x y V H Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 18 2.7. Esforços seccionais (internos) x y V H M Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 19 Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 20 CONVENÇÃO DOS SINAIS DOS ESFORÇOS SECCIONAIS: Figura - Convenção clássica dos sinais dos esforços seccionais Q - M + M - N: esforço normal N - N + Q + Q: esforço cortante M: momento fletor T: momento torsor lado direito lado direito lado esquerdo lado esquerdo T + T - Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 21 A figura anterior apresenta a convenção clássica. Esforço normal: é positivo se for de tração e negativo se for de compressão. Esforço cortante: é positivo quando “provoca giro no sentido horário”, ou o que dá no mesmo, quando entrando pelo lado esquerdo, for de baixo para cima, e é negativo, em caso contrário. Momento fletor: é preciso escolher uma posição para a definição de lados “superior” e “inferior” da barra. Escolhida essa posição, o momento fletor é positivo quando provoca flexão na barra com concavidade voltada para o lado superior e é negativo, em caso contrário. Ou o que dá no mesmo, o momento fletor é positivo quando “entrando” pelo lado esquerdo esse esforço gira no sentido horário e é negativo, em sentido contrário. Momento torsor: é positivo quando o seu vetor representativo tiver o sentido “de entrar” na seção transversal e negativo quando tiver o sentido “de sair” da seção transversal. Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 22 3. ESTUDO DAS VIGAS Como toda estrutura em barras, as vigas podem ser hipostáticas, isostáticas ou hiperestáticas 3.1. Classificação das estruturas A) QUANTO À ESTATICIDADE • ESTRUTURA HIPOSTÁTICA É aquela cujos vínculos não são suficientes para manter o equilíbrio estático, assim sendo, são inadequadas às construções. • ESTRUTURA ISÓSTATICA É aquela que possui o nº de vínculos estritamente necessário para manter o equilíbrio estático. As reações de equilíbrio são perfeitamente determinadas pelas equações da estática (o número de reações é igual ao número de equações). • ESTRUTURA HIPERESTÁTICA É aquela que possui mais vínculos que o necessário para manter o equilíbrio estático. As equações da estática não são suficientes para o cálculo da estabilidade, pois o número de equações é menor que o número de reações, conduzindo à um sistema indeterminado, apesar de ser uma estrutura estável. 3.2. Vigas mais usuais O modelo de estrutura em viga tem barras dispostas sequencialmente em uma mesma linha reta horizontal, sob carregamento que a solicita no plano vertical, de maneira que desenvolva o momento fletor de vetor representativo normal a esse plano, o esforço cortante e, eventualmente, o esforço normal. a) Biapoiada (simplesmente apoiada) / Isostática b) Biapoiada com balanços / Isostática c) Balanço (viga engastada e livre ou viga engastada) / Isostática Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 23 d) Biengastada / Hiperestática e) Contínua de dois vãos / Hiperestática f) Viga gerber (pode ser decomposta em vigas isostáticas) A viga gerber pode ser definida como um conjunto de vigas em que uma ou mais tem estabilidade e as outras se apóiam sobre elas. É aplicável em estruturas pré-moldadas. Formas de resolução: � Equações de equilíbrio e momentos nulos nas rótulas � Decomposição da estrutura (três vigas isostáticas) rio pilar fundação solo N.A. rótula 0FX =∑ translação 0FY =∑ rotação 0MZ =∑ 0M .RÓT =∑ A B C D E F VC VD HC VC HC VD Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 24 3.3. Determinação e representação dos esforços seccionais 3.3.1. Determinação dos esforços É feito por meio das equações de equilíbrio da estática utilizando a convenção de sinais do item 2.7. 3.3.2. Representação dos esforços São representados graficamente por meio dos diagramas de esforços seccionais traçados transversalmente as linhas de referência. � DIAGRAMA DE MOMENTO FLETOR (D.M.F.): é traçado sempre do lado onde as fibras estão tracionadas. Assim, o momento fletor positivo é traçado no lado inferior da linha de referência (traciona as fibras inferiores) e o momento fletor negativo no lado superior dessa linha (traciona as fibras superiores). No concreto armado os vergalhões ou barras de aço são utilizados para absorver a tração, portanto são colocados no lado onde está atuando este esforço. � DIAGRAMA DE ESFORÇO CORTANTE (D.E.C.): convencionou-se representar esse esforço, quando positivo, no lado superior da linha de referência e, quando negativo, no lado inferior dessa linha. � DIAGRAMA DE ESFORÇO NORMAL (D.E.N.): convencionou-se representar esse esforço, quando positivo, no lado superior da linha de referência e, quando negativo, no lado inferior dessa linha.q + - - D.M.F. Linha de referência M + M - Armadura negativa Armadura positiva + + - - É adequado acrescentar, que na grande maioria das vezes é suficiente esboçar os diagramas dos esforços seccionais com a indicação de seus valores mais característicos, tais como esforços nos apoios e esforços máximos. Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 25 3.3.3. Carregamentos distribuídos mais utilizados na prática com as suas resultantes e os seus pontos de aplicação. Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 26 3.3.4. Alguns casos de carregamento em vigas a) Viga biapoiada com carga concentrada no meio do vão Solução: 1. Reações de apoio: 0H0F AH =⇒=∑ PVV0PVV0F BABAV =+⇒=−+⇒=∑ 2/PV02/-PV0M AAB =⇒=⋅⋅⇒=∑ l l 2/PVB =∴ 2. Momento fletor Considera-se a coordenada x a partir da extremidade esquerda, de maneira que defina a posição da seção transversal genérica S. “Entrando pelo lado esquerdo”, tem-se a equação de momento fletor: 2/x 0; xVMs A l ≤≤⋅= x2/PMs ⋅=∴ (variação linear) 0M0xse =⇒= (momento no apoio A) 4 PM2/xse ll ⋅=⇒= (momento em C) Para x≥ l/2: l P l/2 l/2 A B x y x l 2P/VA = l/2 l/2 2P/VB = S P A B C 2P/VA = x S A 2P/VA = l/2 S x P A (esq.) l 2P/VA = P l/2 l/2 2P/VB = A B 0HA = M + Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 27 l )2/x(PxVMs A −⋅−⋅= ( )x 2 P2/Px2/PMs −=⋅+⋅−=∴ ll 4 PM2/xse ll ⋅=⇒= (momento em C = momento máximo) 0Mxse =⇒= l (momento no apoio B) 3. Esforço cortante Considera-se a coordenada x a partir da extremidade esquerda, de maneira que defina a posição da seção transversal genérica S. “Entrando pelo lado esquerdo”, tem-se a equação de esforço cortante: 2 PVQ02/x0para A +==⇒=<≤ l (constante) 2 PQA =∴ (esforço cortante no apoio A) Seção C: • Esforço cortante imediatamente à esquerda de C: 2 PQQc Aesq +== • Esforço cortante imediatamente à direita de C: 2 PP 2 PPQQc Adir −=−+=−= Para x> l/2: 2 QQ Pcdir −== (esforço cortante no apoio B) Ou “entrando pelo lado direito”: 2 PVQ BB −=−= 4. Esforço normal 0HNNN ACBA ==== 2P/VA = x S A l 2P/VA = P l/2 l/2 2P/VB = A B (esq.) (dir.) Q - Q + Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 28 5. Diagramas dos esforços Com os resultados anteriores, são traçados os diagramas mostrados na próxima figura, onde se observa que a área compreendida pelo trecho do esforço cortante positivo é numericamente igual à área correspondente ao trecho do esforço cortante negativo. E importa observar também que o diagrama do momento fletor é simétrico e que o diagrama do esforço cortante é antissimétrico. b) Viga biapoiada com carga uniformemente distribuída Solução: 1. Reações de apoio: 0H0F AH =⇒=∑ ll ⋅=+⇒=⋅−+⇒=∑ qVV0qVV0F BABAV 2/qV02/-qV0M AAB lll l ⋅=⇒=⋅⋅⋅⇒=∑ 2/qVB l⋅=∴ 2. Momento fletor P A B + - D.E.C. D.M.F. -P/2 +P/2 + Pl/4 C 0HA = A B l 2/qVB l= 2/qVA l= q q.l l/2 l q A B x S 2/qVA l= 2/qVB l= C Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 29 Considera-se a coordenada x a partir da extremidade esquerda, de maneira que defina a posição da seção transversal genérica S. “Entrando pelo lado esquerdo”, tem-se a equação de momento fletor: 2 x x-qxVMs A ⋅⋅⋅= 2 xq 2 xqMs 2 ⋅ − ⋅⋅ =∴ l (variação parabólica) 0M0xse =⇒= (momento no apoio A) 8 qM2/xse 2 l l ⋅ +=⇒= (momento no meio do vão = momento máximo) 0 2 q 2 qMxse 22 = ⋅ − ⋅ =⇒= ll l (momento no apoio B) 3. Esforço cortante Considera-se a coordenada x a partir da extremidade esquerda, de maneira que defina a posição da seção transversal genérica S. “Entrando pelo lado esquerdo”, tem-se a equação de esforço cortante: 2 qVQ AA l⋅=+= (esforço cortante no apoio A) Seção C: • Esforço cortante imediatamente à esquerda de C: 0 2 q 2 q xqQQc Aesq = ⋅ − ⋅ +=⋅−= ll • Esforço cortante imediatamente à direita de C: 0QcQc esqdir == 2 qq 2 qqVQ AB llll ⋅−=⋅−⋅=⋅−+= (esforço cortante no apoio B) 4. Esforço normal 0HNNN ACBA ==== (esq.) q 2/qVA l⋅= x S A (esq.) q 2/qVA l⋅= x S A Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 30 5. Diagramas dos esforços CONSTRUÇÃO GRÁFICA DA PARÁBOLA DO SEGUNDO GRAU: � A partir do ponto médio da linha de referência AB , marca-se transversalmente um segmento representativo de ( )4/q 2l⋅ (dobro do momento fletor máximo ( )8/q 2l⋅ , de maneira a obter o ponto C. � Traçam-se os segmentos ACe BC . � Divide-se cada um desses dois segmentos em um número de partes iguais, como em 4 partes, por exemplo. � Traçam-se segmentos, por união alternada, dos pontos obtidos com as divisões anteriores. � A parábola do segundo grau é traçada a partir dos pontos A e B de forma a tangenciar os referidos segmentos. c) Viga biapoiada com carga distribuída triangular D.E.C. D.M.F. C A B q 2/q l⋅− 2/q l⋅+ + - + 8/q 2l⋅ Divisão em partes iguais C x y A B l q l/3 l 0HA = A B q 3/qVB l= 6/qVA l= 2/q l⋅ Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 31 Solução: 1. Reações de apoio: 0H0F AH =⇒=∑ 2/qVV02/qVV0F BABAV ll ⋅=+⇒=⋅−+⇒=∑ 6/qV03/2/-qV0M AAB lll l ⋅=⇒=⋅⋅⋅⇒=∑ 3/qVB l⋅=∴ 2. Esforço cortante: 6 qVQ AA l⋅=+= (esforço cortante no apoio A) l l l l l ⋅ ⋅ − ⋅ =⇒⋅ ⋅ − ⋅ =⋅ ⋅ −+= 2 xq 6 qQs 2 xxq 6 q 2 xxqVQs 2 A (parábola do segundo grau) 3 qVQ BB l⋅−=−= (esforçocortante no apoio B) 3. Momento fletor: 3 x 2 xxq -xVMs A ⋅ ⋅ ⋅ ⋅= l l l ⋅ ⋅ − ⋅⋅ =∴ 6 xq 6 xqMs 3 (parábola do terceiro grau) 0M0xse =⇒= (momento no apoio A) O momento máximo ocorre na seção do esforço cortante nulo: l l l l 57735,0 3 3 x0 2 xq 6 q0Q 2 ≅=⇒= ⋅ ⋅ − ⋅ ⇒= 2 2 q06415,0 243 qM57735,0xse lll ⋅⋅≅⋅+=⇒= (momento máximo) 0 6 q 6 qMxse 22 = ⋅ − ⋅ =⇒= ll l (momento no apoio B) l 0HA = A B q 3/qVB l= 6/qVA l= S x ⇒ S A 6/qVA l= x x/3 2 xxq ⋅ ⋅ l l xqq0 ⋅ = x qq 0 = l Área do triângulo 2 hb ⋅ Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 32 4. Esforço normal 0HNN ABA === 5. Diagramas dos esforços d) Viga biapoiada sob momento concentrado Solução: 1. Reações de apoio: 0H0F AH =⇒=∑ BABAV VV0VV0F −=⇒=+⇒=∑ l l /MV0-MV0M AAB =⇒=⋅⇒=∑ l/MVB −=∴ 2. Esforço cortante: l MVQ AA =+= (esforço cortante no apoio A) l MVQs A =+= D.E.C. D.M.F. A B l q + 0,57735 l 3/q l⋅− 6/q l⋅ 2 .máx q06415,0M l⋅⋅= - - M b a A B 0HA = l/MVA = l/MVB −= M S b a A B l (esq.) x Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 33 3. Momento fletor: Para 0≤x≤a: xMxVMs A ⋅=⋅= l 0M:0xse == (momento fletor no apoio A) a MM:axse ⋅== l (momento fletor à esquerda da carga momento) Para a≤x≤l: ( )xMMxM-MxVMs A −−=−⋅=⋅= l ll bMM:axse ⋅== l (momento fletor à direita da carga momento) 0M:xse == l (momento fletor no apoio B) e) Viga em balanço sob carga uniformemente distribuída Solução: 1. Reações de apoio: 0H0F AH =⇒=∑ ll ⋅=⇒=⋅−⇒=∑ qV0qV0F AAV b-a ba =∴ =+ l l Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 34 2 qM0 2 q-MV0M 2 AAAB ll l l ⋅ =⇒=⋅⋅−⋅⇒=∑ Esforço cortante: Cortante na seção S: xqVQ AS ⋅−+= (⇒ diagrama linear) Cortante no apoio A (x=0): l⋅=+= qVQ AA Cortante no apoio B (x=l): 0qqqVQ AB =⋅⋅=⋅−+= l-ll 2. Momento fletor: Momento fletor na seção S: 2 x xqMxVM AAS ⋅⋅−⋅+= − (⇒ diagrama parabólico) Momento fletor no apoio A (x=0): 2 qMM 2 AA l ⋅−=−= Momento fletor no apoio B (x=l): 0 2 q 2 qq 2 qMVM 22 2 2 AAB =⋅−⋅−⋅=⋅−−⋅+= ll l l l Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 35 f) Uniforme parcial g) Triangular parcial h) Trapezoidal Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 36 Exemplos: 1 – Seja a viga biapoiada com um balanço. Calcular as reações de apoio, os esforços e desenhar os diagramas dos esforços. a) Reações de apoio: 0H0F BH =⇒=∑ kN0,100VV07102010VV0F BABAV =+⇒=⋅−−−+⇒=∑ kN0,73V05,2205,37105V7100M AAB =⇒=⋅−⋅⋅−⋅+⋅−⇒=∑ kN0,27VB =∴ b) Esforço cortante: ⇒ Considerando o efeito das forças atuantes à esquerda. kN10QD −= kN0,30)210(10Q esq,A −=⋅−+−= kN0,437330V)210(10Q Adi,A =+−=+⋅−+−= kN0,18733025435,210QQ di,Aesq,C =+−=−=⋅−= kN0,2201820QQ esq,Cdir,C −=−=−= kN0,272525,210QQ dir,CB −=−−=⋅−= Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 37 c) Momento fletor: ⇒ Considerando o efeito das forças atuantes à esquerda. 0MD = kNm0,40)1210(210MA −=⋅⋅−+⋅−= kNm25,365,273)25,25,410(5,410MC =⋅+⋅⋅−+⋅−= 05,2200,573)5,30,710(0,710MB =⋅−⋅+⋅⋅−+⋅−= Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 38 2 – Seja a viga biapoiada. Calcular as reações de apoio, os esforços e desenhar os diagramas dos esforços. a) Reações de apoio: 0H0F AH =⇒=∑ kN75,83VV0 2 5,21531520VV0F BABAV =+⇒=⋅−⋅−−+⇒=∑ ( ) kN38,22V05,2 3 1 2 5,2155,13153205V0M AAB =⇒=⋅⋅ ⋅ +⋅⋅−⋅−⋅⇒=∑ kN37,61VB =∴ b) Esforço cortante: ⇒ Considerando o efeito das forças atuantes à esquerda. kN38,22VQ AA =+= kN38,22Q esq,C = kN38,22038,22Q di,C =−= kN62,424538,20,315QQ di,Cesq,B −=−=⋅−= kN75,1837,6162,42VQQ Besq,Bdir,B +=+−=+= 075,1875,18 2 5,215QQ esq,BD =−=⋅−= Notas de aula – Estruturas Isostáticas - Engenharia Civil Professora: Carmem Lage II/2013 39 c) Momento fletor: ⇒ Considerando o efeito das forças atuantes à esquerda. 0MA = kNm76,44238,22MC =⋅= ( ) kNm6,155,1315320538,22MB −=⋅⋅−⋅−⋅= 0MD =
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