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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL CAMPUS DO SERTÃO – DELMIRO GOUVEIA ENGENHARIA CIVIL ANDREZA KARINA SILVA SOUZA JOÃO PAULO RODRIGUES CARDOSO DE OLIVEIRA NEUTEL DAXO ALENCAR NETO CONSTRUÇÃO DA CURVA NATURAL COMPARTIMENTADA DE INCÊNDIO SEGUNDO O EUROCODE 1 DELMIRO GOUVEIA - AL JANEIRO DE 2020 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL CAMPUS DO SERTÃO – DELMIRO GOUVEIA ENGENHARIA CIVIL ANDREZA KARINA SILVA SOUZA JOÃO PAULO RODRIGUES CARDOSO DE OLIVEIRA NEUTEL DAXO ALENCAR NETO CONSTRUÇÃO DA CURVA NATURAL COMPARTIMENTADA DE INCÊNDIO SEGUNDO O EUROCODE 1 Relatório solicitado pelo professor Alverlando Ricardo da disciplina de Eletiva de Projeto de Incêndio como requisito de avaliação parcial. DELMIRO GOUVEIA - AL JANEIRO DE 2020 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 4 1.1. COMENTÁRIOS PRELIMINARES 4 1.2. OBJETIVO 4 1.2.1. Objetivo Geral 4 1.2.2. Objetivos específicos 5 1.3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5 1.3.1. Modelo de incêndio natural compartimentado 6 1.4. METODOLOGIA 8 2. LEVANTAMENTO DA CARGA DE INCÊNDIO, DO FATOR DE ABERTURA E DA INÉRCIA TÉRMICA DO COMPARTIMENTO 9 2.1. CARACTERISTICAS DA EDIFICAÇÃO 9 2.2. CARGA DE INCÊNDIO DO COMPARTIMENTO (qfi,d) 10 2.3. FATOR DE ABERTURA DO COMPARTIMENTO (O) 12 2.4. INÉRCIA TÉRMICA DO COMPARTIMENTO (b) 13 3. CURVAS DE INCÊNDIO 14 3.1. RESULTADOS 14 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS 16 5. REFERÊNCIAS 17 1. INTRODUÇÃO 1.1 COMENTÁRIOS PRELIMINARES Um projeto de segurança contra incêndio necessita de uma apropriada modelagem do incêndio de projeto. A modelagem do incêndio resulta em uma contribuição não apenas nos projetos estruturais de resistência ao fogo, mas também é aplicado ao estudo coerente aos aspectos característicos que é existente em uma situação de incêndio. A modelagem do incêndio propõe obter a relação temperatura-tempo dos gases quentes de um ambiente em chamas. Através do Eurocode 1 (NF EN 1991-1-2, 2003), serão diagnosticadas as curvas nominais e as curvas naturais parametrizadas. Em situações especificas do incêndio, as curvas nominais podem ser construídas por meio da curva normalizada (ISSO 834), da curva hidrocarbonetos e da curva de incêndio exterior. Quanto as curvas naturais parametrizadas, podem ser construídas por modelos simplificados ou avançados. O modelo simplificado de uma curva natural prever a utilização de incêndios localizados e incêndios compartimentados. Se tratando da primeira utilização – incêndios localizados –, ocorrem em edificações com grandes dimensões e espaços vazios, onde a ocorrência da inflamação generalizada é improvável. Por outro lado, na modelagem simplificada, utilizasse-se a compartilhamentos com inflamação generalizada onde a distribuição da temperatura em função do tempo é considerada uniforme. As curvas naturais parametrizadas consideram também as características do compartimento (carga de incêndio, propriedades térmicas dos materiais de vedação, a área de ventilação e as áreas de pisos e paredes) para a determinação do comportamento do incêndio, fazendo com que a sua modelagem seja a mais parecida com um incêndio real. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo Geral Verificar graficamente a curvas de incêndio natural compartimentado, sendo determinado neste as características necessárias para um melhor cumprimento. 1.2.2 Objetivos específicos · Compreender a modelagem do incêndio de acordo com a curva solicitada; · Quantificar a carga de incêndio relacionada a área total do compartimento; · Determinar o grau de ventilação do ambiente estudado; · Caracterizar as propriedades térmicas das vedações do compartimento; · Avaliar o comportamento da curva de incêndio natural em função dos parâmetros que modelam o incêndio. 1.3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Uma das principais características no que concerne o estudo das estruturas submetidas ao fogo é a curva que fornece a temperatura dos gases em função do tempo de incêndio (SILVA, 2004). A Figura 1.1 mostra uma representação da curva temperatura x tempo de um incêndio real com três fases distintas. A primeira corresponde ao setor inicial com baixas temperaturas no qual o incêndio é mensurado com pequenas proporções, sem risco ao usuário ou a estrutura. A segunda fase, denominada fase de aquecimento, dá-se a partir do ponto de “flashover” onde a inflamação é generalizada e a temperatura dos gases se eleva rapidamente. A terceira fase representa a fase de resfriamento, a partir disso, o material combustível extingue-se ocasionando a redução gradativa da temperatura dos gases. Figura 2 – Curva temperatura-tempo de um incêndio real Fonte: Vargas e Silva (2003) 1.3.1 Modelo de incêndio natural compartimentado A principal característica da curva do incêndio natural compartimentado, que a distingue das curvas nominais, é que a mesma possui um ramo ascendente e um ramo descendente, admitindo racionalmente que os gases que envolvem o fogo não têm sua temperatura sempre crescente com o tempo (SILVA, 2004). Este modelo procura representar a elevação de temperatura em função do tempo mais próxima de um incêndio real. O modelo é parametrizado em função de várias variáveis que influenciam a elevação de temperatura em incêndios compartimentados como, por exemplo, a densidade, o calor específico, a condutividade térmica, a carga de incêndio (combustível) e a área de ventilação em relação a área total das superfícies do compartimento, além de considerar a transição entre incêndio controlado pela ventilação e pelo combustível (KAEFER e SILVA, 2003). Para as expressões fornecidas pelo eurocódigo EN 1991-1-2 a curva incêndio natural compartimentado adquire a configuração apresentada na Erro! Fonte de referência não encontrada.. Esse modelo de “curvas paramétricas” é válido para compartimentos com até 500 m² de área de piso, com uma altura máxima do compartimento de 4 m e sem aberturas no teto. Figura 1: Curva incêndio natural compartimentado O algoritmo necessário para a construção da curva natural é descrito por: 1. Os parâmetros necessários para modelagem do incêndio natural devem ser caracterizado; · qfi,d valor de cálculo da carga de incêndio relacionada à área total do compartimento, respeitando os limites de 50 ≤ qfi,d ≤ 1000 [MJ/m2]; · O grau de ventilação, [m1/2], sendo h a altura média das aberturas no compartimento, Av a área de ventilação e At a área total do compartimento avaliado. Deve-se respeitar os limites: 0,02 ≤ 𝑂 ≤ 0,20; · b propriedade térmica das vedações do compartimento em J/m2s 1/2ºC, calculado por , sendo ρ a massa específica, em kg/m³, c o calor específico, em MJ/kg°C, e λ a condutividade térmica, em W/m°C, do material de vedação do ambiente, o intervalo deve ser atendido. · tlim tempo-limite mínimo, determinado pela velocidade de desenvolvimento do incêndio: 25 min para lento (espaço público), 20 min para médio (residência, hospital, hotel, escritório, sala de aula) e 15 min para rápido (biblioteca, shopping, cinema, teatro); · No segundo passo se determina o tempo em que ocorre a temperatura máxima dos gases (tmáx) dentro de um compartimento, segundo a Equação 1.4; , (1.4) Nos casos em que tmax = tlim, o incêndio é considerado como controlado pelo combustível e quando tmax > tlim, o incêndio é considerado controlado pela ventilação. · No terceiro passo determina-se o ramo ascendente da curva natural até o tempo tmax, conforme a Equação 1.5; , (1.5) Na Equação 1.5 o θg é a temperatura dos gases dentro do compartimento, expresso em ºC, t é o tempo em horas (h), e t* é o tempo fictício em (h), calculado segundo a Equação 1.6 (para incêndio controlado pela ventilação) e calculado conforme a Equação 1.7 (para incêndio controlado pelo combustível). , (1.6) , (1.7) O parâmetro Г e Гlim são determinados determinado pelas Equações 1.8 e 1.9: , (1.8) ,(1.9) Olim é o grau de ventilação-limite determinado por 𝑂𝑙𝑖𝑚 = 0,1 ∙ 10−3 ∙ (𝑞fi,𝑑 ⁄ t𝑙𝑖𝑚) e k é um coeficiente que é tomado igual a 1 ou calculado conforme Equação 1.10 caso sejam atendidas todas as seguintes condições: O > 0,004; qfi,d < 75; e b < 1160. , (1.10) 2. No quarto e último passo determina-se o ramo de resfriamento descendente da curva natural, conforme as Equação 1.11, 1.12 ou 1.13; , para ; (1.11) , para ; (1.12) , para ; (1.13) sendo o parâmetro χ = 1 (para o incendio controlado pela ventilação), e representados pela Equação 1.14 caso o incêndio seja controlado pelo combustível. O parâmetro é determinado pela equação 1.15 e é a temperatura máxima dos gases obtida adotando o tempo tmáx. , (1.14) , (1.15) 1.4 METODOLOGIA O presente artigo tem como método inicial o estudo e características acerca da construção das curvas de incêndio, – curva normalizada (ISSO 834), – através de bibliografias anteriormente publicadas. Em seguida, fora realizado um levantamento da carga de incêndio de um compartimento, bem como a caracterização da inércia térmica do ambiente e a determinação do fator de abertura do local. Essas informações são aplicadas na formulação do modelo natural e a curva obtida é comparada com as curvas nominais. 2. LEVANTAMENTO DA CARGA DE INCÊNDIO, DO FATOR DE ABERTURA E DA INÉRCIA TÉRMICA DO COMPARTIMENTO CARACTERISTICAS DA EDIFICAÇÃO O estudo foi procedido em uma edificação composta pela copa, um dormitório e um banheiro. Suas disposições em planta baixa são ilustradas conforme o chalé representado na Figura 2.1. Figura 2.1: Planta-baixa do chalé O compartimento utilizado para o levantamento da carga de incêndio, das propriedades térmicas de vedação do compartimento e para o cálculo do fator de abertura, fora o dormitório. Este possuindo uma altura de 2,80 m, com área de piso de 24,3 m² e uma área total de superfície (At) de 107 m². A mobília do dormitório é composta por uma cama, dois criados mudos, um guarda-roupa, e um sofá. No compartimento se encontra também os seguintes eletrodomésticos: um ar condicionado, e dois abajus. Além destes materiais, encontram-se também roupas, cobertores, toalhas e quadros. CARGA DE INCÊNDIO DO COMPARTIMENTO (qfi,d) O calculo da carga de incêndio é executado a partir da Equação 2.1, considerando a massa ou volume do objeto, assim como com a densidade e o poder calorifico dos materiais que o compõem. Como alguns dos objetos de estudos não possuíam informações pertinentes desejadas, estas foram estimadas para utilização. , (2.1) sendo que Qc é a carga de incêndio em (MJ); mv é massa total de cada material combustível do objeto em (kg); e Hv é o valor do potencial calorífico específico de cada material em (MJ/kg). Após o levantamento da carga de incêndio dos objetos do compartimento em questão, somou-se todos os valores obtidos e dividiu-se pela área total do ambiente, obtendo então a carga de incêndio relacionada à área total do compartimento (qfi,d), em MJ/m2. A Tabela 2.1 apresenta os resultados encontrados. A carga de incêndio total calculada foi de 6505,4 MJ resultando em uma carga de incêndio especifica de 267,72 MJ/m² (considerando apenas a área de piso do compartimento – 24,03 m²). A carga de incêndio específica obtida é bem próxima do valor de 300 MJ/m² sugerido pela NBR 14432 (2000) para ocupações residências. Porém, para o cálculo da curva de incêndio natural compartimentada utiliza-se a densidade de carga de incêndio por área total (qfi,d ). Assim, considerando a área total obteve-se como resposta uma carga de incêndio de 60,79 MJ/m². Tabela 2.1: Levantamento da carga de incêndio Mobília Qt Dimensão Volume (m3)* Material Densid. (kg/m3) Massa (kg) [footnoteRef:1]H MJ/kg** [1: ] Qtotal (MJ) [footnoteRef:2](m x m x m)* [2: ] QUARTO SUÍTE Cama 1 2.00 × 0.95 × 0.45 0.0377 Madeira pinus [footnoteRef:3]400[1] [3: ] 15.08 19 286.52 1.88 × 0.88 × 0.30 0.4963 Espuma de poliuretano [footnoteRef:4]33[2] [4: ] 16.38 23 376.74 Criado mudo 2 0.45 × 0.35 × 0.60 0.0272 Madeira pinus 400 10.89 19 413.82 Guarda roupa 1 1.80 × 0.50 × 2.10 0.2259 Madeira pinus 400 90.36 19 1716.84 Porta 2 0.03 × 0.80 × 2.10 - Madeira - 20 19 760 Quadro 2 0.30 × 0.35 × 0.02 - Madeira - 2 19 76 Ar condicionado 1 0.51 × 0.37 × 0.55 - Metal - 18 - - - Plástico - 4 17 68 sofá 1 0.85x0.90x1.82 0.02 Madeira 300 10.02 19 190.38 0.51 Tecido de poliéster 20 12 31 372 Roupas - - - Tecido de algodão - 12 18 216 Roupas - - - Tecido de poliéster - 1 31 31 Cobertor 3 - - Tecido de poliéster - 4.5 31 418.5 Toalha 4 - - Tecido de algodão - 2 18 144 Roupa de cama 4 - - Tecido de algodão - 2.5 18 180 abajur 2 0.28x0.16x0.16 0.02 Metal 300 17.3 33 1141.8 0.51 Carbono 20 2.6 7 36.4 Cadeira 1 - - Espuma de poliuretano 33 0.05 23 1.15 - - Metal - 3 - - - - Plástico [footnoteRef:5]1400[3] [5: ] 2 17 34 - - Madeira - 1 19 19 - - Tecido de poliéster [footnoteRef:6]1380[4] [6: ] 0.75 31 23.25 Carga total do compartimento (MJ) 6505.4 Carga de incêndio especifica (MJ/m²) 267.711934 Densidade de carga de incêndio em relação a área total (At) – [MJ/m2] 60.7981308 ________________________ * valor mensurado ** NBR 14432 (2000) IPT (2015) Inmetro (2015) PLASTVAL (2015) VASCONCELO (2005) FATOR DE ABERTURA DO COMPARTIMENTO (O) O fator de abertura do compartimento (O) é calculado por meio da Equação 2.2: , (2.2) onde Av é á área total das aberturas para o ambiente externo ao edifício; At é á área total do compartimento (parede, piso e teto); e heq é a altura média das aberturas ; hi é altura da abertura Ai. Para o compartimento em questão: · Av = 4,46 m²; · heq = 3,2 m; · At = 107 m² Portanto o fator de abertura será O = 0,074567 m1/2. INÉRCIA TÉRMICA DO COMPARTIMENTO (b) Para o cálculo da inércia térmica é necessário conhecer as propriedades térmicas da vedação do compartimento. Para isso necessita-se determinar a massa específica (ρ), o calor específico (c) e a condutividade térmica (λ) dos materiais de vedação do ambiente. A estrutura do local foi construída em concreto armado e as paredes em alvenaria revestida por argamassa, conforme Figura 2.2. O teto é composto por uma laje de concreto revestido por argamassa e o piso também é em concreto, entretanto revestido por material cerâmico e argamassa. Figura 2.2: Camadas de materiais da parede Fonte: Inmetro (2015) Nos casos em que os elementos de vedação do compartimento possuírem camadas de materiais diferentes, o Eurocode 1 (NF EN 1991-1-2, 2003) recomenda para a determinação da inércia térmica (b) que: se a inércia térmica do primeiro material de vedação (b1) for menor que o do segundo (b2) considera-se b = b1, caso contrário uma espessura limite (slim) em [m] deve ser calculada para o material exposto conforme a Equação 2.3: , (2.3) sendo tmax calculado conforme a Equação 1.4. Se s1 (espessura da camada 1 em [m]) > slim, usa-se b = b1, caso contrário, aplica-se a Equação 2.4: , (2.4) Para considerar coeficientes b diferentes (piso, parede, teto) aplica-se a Equação 2.5. ,(2.5) sendo que At é a área total do compartimento e Av é a área de todas as aberturas do ambiente. Com base nessas equações, determina-se a inércia térmica do recinto. A Tabela 2.2 apresenta os resultados encontrados. Tabela 2.2[footnoteRef:7]: Cálculo da inércia térmica do ambiente – tlim = 20 min [7: ] Ai (m²) Material s1 (m) ρ (kg/m³) c (MJ/kg°C) λ (W/m°C) bi (J/m2s 1/2ºC) Parede 47,192 Argamassa 0,025 1800 1000 1,15 1361,9 Bloco cerâmico - 1500 920 0,9 Teto 24,03 Argamassa 0,025 1800 1000 1,15 1438,7 Concreto - 2300 1000 1,75 Piso 24,03 Revestimento cerâmico 0,010 1600 920 0,9 1151,0 Argamassa 0,025 1800 1000 1,15 Concreto - 2300 1000 1,75 1233,733 3. CURVAS DE INCÊNDIO RESULTADOS Determinada à carga de incêndio, o fator de abertura e a inércia térmica do compartimento, constrói-se a curva natural compartimentada conforme os passos descritos na seção 1.4.2. A Figura 3.1 ilustra a curva obtida com a utilização de tais passos e equações, apresentando uma relação entre temperatura e tempo de duração do incêndio. Figura 3.1 – Curva natural compartimentada Fonte: Autores (2020). A curva natural é a que mais se aproxima com a realidade da estrutura em uma situação de incêndio, em que para sua caracterização foi levado em consideração diversos aspectos da realidade do ambiente escolhido. Dessa forma, a curva natural não é difundida na realização dos projetos devido a sua grande abrangência do ambiente, de modo que é necessário uma análise detalhada e que requer um bom tempo de estudo e desenvolvimento. A partir disso, a curva padrão desenvolvida e difundida entre os projetistas é a curva padrão (ISO 834) pois leva a resultados mais conservadores do que aqueles encontrados pela curva natural. Devido a baixa carga de incêndio e a alta inércia térmica do ambiente analisado, que contribuem para que o incêndio modelado pela curva parametrizada possua menores temperaturas. A curva natural compartimentada leva em consideração as características do ambiente em chamas. A Figura 3.2 apresenta curvas naturais compartimentadas em função da variação da carga de incêndio, do fator de abertura e da inércia térmica do ambiente. Figura 3.1: Comportamento da curva natural em função de seus parâmetros. Nota-se na Figura 3.2 (a) que quanto maior for a carga de incêndio do compartimento, maior será a temperatura máxima atingida pelos gases. A Figura 3.2 (b) ilustra que o tempo de incêndio é inversamente proporcional ao aumento do fator de abertura. Já a Figura 3.2 (c) mostra que a temperatura máxima dos gases em um ambiente em chamas será menor em um compartimento com maior inércia térmica. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste estudo, o levantamento da carga de incêndio, da inércia térmica e do fator de abertura de um ambiente residencial foi realizado para modelagem do incêndio natural compartimentado. Portanto, a curva natural apresenta-se como uma boa alternativa para análise em situação de incêndio por ter em sua diretriz a consideração de características individuais de cada ambiente, fazendo com que uma leve mudança resulte em uma nova e significativa curva. 5. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14432: Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações. Procedimento. Rio de Janeiro. 2000. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15220: Desempenho térmico de edificações; Rio de Janeiro, 2005 DIAS, P. M. Carga de incêndio em edificações. 48f. Florianópolis, 2007. EN 1991-1-2 (2003). Actions sur les strutctures. Partie 1-2: Actions générales – Actions sur les structures exposées au feu. 62p. GUIMARÃES, P. P. O. Dimensionamento do revestimento contra fogo de estruturas de aço. Trabalho final, mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 2007. 265 p. INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS (IPT). Disponível em: < http://www.ipt.br/informacoes_madeiras3.php?madeira=7>. Acesso em: 10 out. 2015. INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, QUALIDADE E TECNOLOGIA. Disponível em: <http://www.inmetro.gov.br/consumidor/produtos/colchao.asp>. Acesso em: 10 out. 2015. KAEFER E. C. e SILVA V. P. Análise paramétrica de um incêndio conforme o novo eurocode 1. Anais do XXIV Iberian latin-american. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Departamento de Estruturas e Fundações LMC – Laboratório de Mecânica Computacional. São Paulo, SP, Brasil. 2003. PLASTVAL SOCIEDADE ANÓNIMA. Disponível em: < http://www.plastval.pt/index.asp?info=reciclagem/identificacao>. Acesso em: 10 out. 2015. SILVA, V. P. Estruturas de aço em Situação de Incêndio. Zigurate Editora. São Paulo. 2004. Curva Natural Descendente 486.91456923773575 484.960971303973 483.00737337021025 481.05377543644749 479.10017750268474 477.14657956892205 475.1929816351593 473.23938370139655 471.2857857676338 469.33218783387105 467.3785899001083 465.4249919663456 463.47139403258285 461.5177960988201 459.56419816505735 457.6106002312946 455.6570022975319 453.70340436376915 451.7498064300064 449.79620849624365 447.8426105624809 Ascendente 20 57.761507195512706 93.43598631488038 1 127.14336879618313 158.99667291612352 189.10240239331972 217.56092200809854 244.46681156402687 269.90919943999654 293.97207690968196 316.73459433731972 338.27134029483267 358.65260458505418 377.94462609902763 396.20982638185853 413.50702973115853 429.89167060462256 445.41598906849111 460.12921497646676 474.07774152888624 487.30528882448829 Tempo(minuto) Temperatura (C°) 2 ( ) h O t A v A × = l r × × = c b 2200 100 £ × × < l r c lim t q , t O d , fi max ³ × × - × = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ 3 10 2 0 ÷ ÷ ø ö ç ç è æ × - × - × - × - × - × - × = * t e , * t , e , * t , e , g 19 472 0 7 1 204 0 2 0 324 0 1 1325 q G × = t * t lim t * t G × = ( ) ( ) 2 1160 04 0 2 , b O = G ( ) ( ) 2 1160 04 0 2 , b lim O k lim × = G ÷ ø ö ç è æ ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ÷ ø ö ç è æ - × × - × × - + = 1160 1160 75 75 04 0 04 0 1 b d , fi q , , O k ( ) c f G q q × - × × - = t max , g g 625 5 0 , £ f ( ) ( ) c f G q q × - × - × - = × t d max , g g t 3 250 2 5 0 £ < f , ( ) c f G q q × - × - = × t max , g g 250 2 > f f max , g q ÷ ÷ ÷ ø ö ç ç ç è æ × - × = O d , fi q , lim t 3 10 2 0 c G f × × - × = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ O d , fi q , 3 10 2 0 v H v m c Q × = å t A eq h v A O × = A i A i h × å = 1 1 1 3600 r l × × × = c max t lim s 2 1 1 1 1 b lim s s b lim s s b × - + × = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ v A t A i A i b b - × å = 020406080100120 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Tempo (min) Temperatura(ºC) (a) - Carga de incêndio (q) 50 100 150 200 250 020406080100120 0 200 400 600 800 1000 1200 Tempo (min) Temperatura(ºC) (b) - Fator de abertura (O) 0.02 0.060.10 0.140.2 020406080100120 0 200 400 600 800 1000 1200 Tempo (min) Temperatura(ºC) (c) - Inércia térmica (b) 500 1000 1500 2000 800
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