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Estruturas de Madeira Engenharia Civil Prof.: Eduardo de Castro Barbalho Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Universidade Newton Paiva eduardo.barbalho@newtonpaiva.br mailto:eduardo.barbalho@newtonpaiva.br Objetivos da aula Entender o conceito de umidade relativa da madeira; Conhecer os conceitos: água livre e água de impregnação; Saber determinar a unidade; Compreender o conceito de Estabilidade Dimensional; Conhecer as principais características físicas da madeira; Estruturas de Madeira Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Nas madeiras macias (coníferas) cerca de 90% do volume é composto de fibras longitudinais, que são o elemento portante da árvore, além de ter a função de conduzir a seiva por tensão superficial e capilaridade através dos canais formados pelas cadeias de células. Suas fibras têm extremidades permeáveis e perfurações laterais que permitem a passagem de líquidos. Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Nas árvores frondosas, as células longitudinais são fechadas na extremidade; a seiva circula em outras células de grande diâmetro, com extremidades abertas, justapostas, denominadas vasos ou canais. As fibras tem apenas a função de elemento portante. Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Água livre: Contida no interior dos vasos ou traqueídes. Não provoca variações nas dimensões das peças. Água de impregnação: Contida nas paredes dos vasos e fibras Provoca variações nas dimensões das peças. Umidade Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Retirando-se a casca e deixando secar o tronco, evapora-se primeiro a água livre contida no interior das células ocas; a madeira chama-se, então, meio seca, sendo seu teor de umidade cerca de 25% a 30%. Continuando-se a secagem, evapora-se água de impregnação até a madeira atingir um ponto de equilíbrio com a umidade atmosférica, chamando-se, então, seca ao ar. (*as madeiras devem ser utilizadas nestas duas condições). Umidade Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Como a evaporação da umidade é mais rápida nas extremidades (onde as fibras longitudinais estão abertas), a peça pode fendilhar-se durante a secagem. Nota: Pode-se pintar as extremidades da peça com alcatrão para se retardar a evaporação. Umidade Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Umidade de Equilíbrio: É o teor de umidade em que se estabiliza a madeira, depois de algum tempo em contato com o ar atmosférico. Ela é função da temperatura e umidade relativa do ar. Varia entre 12 e 15%. A norma NBR 7190 especifica 12% como referência. Umidade Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Classes de umidade Umidade relativa do ambiente Umidade de equilíbrio 1 65% 12% 2 65%<Uamb<75% 15% 3 75%<Uamb<85% 18% 4 Uamb>85% (longos perídos) 25% Madeira Seca: teor de umidade igual à umidade de equilíbrio. Umidade Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Umidade – Recomendações da NBR 7190 Situação 1: A madeira está protegida das intempéries e não sujeita à reumidificação; Situação 2: A madeira está protegida das intempéries mas, sujeita à reumidificação; Situação 3: A madeira pode estar ou não protegida das intempéries mas, sujeita à reumidificação frequente; Situação 4: A madeira está permanentemente em contato com solo ou com água doce; Situação 5: A madeira está permanentemente em contato com água salgada. Considerar as seguintes situações de risco Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Tratamento em autoclave Produto: CCA (Arsenito de cobre cromatado) Estruturas de Madeira Durabilidade da Madeira – Tratamentos Preservativos Quatro principais tratamentos: a) Creosoto, b) Pentaclorofenol, c) CCA (sais de cromo-cobre-arsênio) e d) CCB (sais de cromo-cobre-boro). Métodos de aplicação dos tratamentos: a) Pincelamento; b) Aspersão; c) Imersão; d) Autoclave (pressão) Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Aproximação ou afastamento das cadeias de celulose Retração ou inchamento da madeira Umidade Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Qual o problema em se utilizar madeira com umidade diferente da umidade acima da umidade de equilíbrio? Afeta as propriedades físico-mecânicas; Diminui a resistência ao ataque de fungos; Afeta nos processamentos tais como colagem, fabricação de aglomerados, fabricação de compensados; Afeta a estabilidade dimensional provocando inchamentos, empenamentos e rachaduras. Umidade Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Determinação da Umidade Experimentalmente segundo a NBR 7190 %100%100 s si s m mm W m água W Estufa – temperatura 103 ± 2º C Massa seca Pesar a cada 6 horas até variação < 0,5% da última massa medida 3 cm 2 cm 5 cm Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira %10,49100 76,28 76,2888,42 100(%) xx m mm W s si 1) Deseja-se determinar a porcentagem de umidade de uma peça de Jatobá, a ser empregada na confecção de um piso. Dela se retira uma amostra, de acordo com as recomendações da NBR7190/1997. A massa inicial do CP é 42,88 g e a massa seca é igual a 28,76 g. Qual é o valor da umidade procurada (U)? Resposta: Determinação da Umidade Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Através de aparelhos elétricos: Aquameter M-70 Easy - Nicawe Determinação da Umidade Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Para se atingir a umidade final de equilíbrio: Secagem em estufa: O tempo depende da espécie e da espessura da peça. Condições controladas para minimizar rachaduras e empenamentos. Secagem ao ar livre: O tempo de secagem para peças de 25mm de espessura nunca é inferior a 4 meses. Estabilidade Dimensional Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Devido à anisotropia, há diferença nas retrações nas três direções, ou seja, a anisotropia da madeira gera retrações ou inchamentos distintos segundo as direções radial, tangencial e axial, que podem provocar parte dos defeitos de secagem: empenamentos e rachaduras. Estabilidade Dimensional Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Estabilidade Dimensional Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Estabilidade Dimensional Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira A secagem pode produzir deformações transversais diferenciais nas peças serradas, dependendo da posição original da peça no tronco. A madeira deve ser utilizada já seca, evitando-se, assim, danos na estrutura tais como: empenamento e rachaduras oriundas da secagem. Estabilidade Dimensional Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Estabilidade Dimensional Aproximação ou afastamento das cadeias de celulose Retração ou inchamento da madeira Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira As madeiras mais estáveis quanto às suas dimensões são as que apresentam menores valores para as retrações e menores diferenças entre as retrações nas três direções consideradas. Exemplos de madeiras excelentes: cedro, sucupira e mogno; Exemplos de madeiras normais: ipê, pinus, peroba-rosa Exemplos de madeiras pouco estáveis: imbuia, jatobá e eucalipto REVISTA DA MADEIRA - EDIÇÃO N°59 - SETEMBRO DE 2001 Estabilidade Dimensional Capítulo3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Densidade básica Massa específica convencional sat s bas V m Densidade aparente Quanto maior a densidade melhores serão as características mecânicas da madeira. Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Viga de madeira exposta ao fogo durante 30 minutos Estruturas de Madeira Resistência ao fogo Peças robustas de madeira, quando expostas ao fogo, formam uma camada superficial de carvão, que age como uma espécie de isolante, impedindo a rápida saída de gases inflamáveis e a propagação de calor para o interior da seção Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Resistência ao fogo Durante um incêndio, as temperaturas atingem mais do que 1000oC. No entanto, o aço, a 500oC, já perdeu 80% de sua resistência, enquanto que o concreto começa a perder resistência a partir dos 80oC. Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 090 0 90 05,0 20 EE E E Estruturas de Madeira Módulo de Elasticidade: E0 = módulo de elasticidade longitudinal Determinado em ensaio Valores médios propostos pela norma E90= módulo de elasticidade normal Determinado em ensaio Ou: Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Resistência à COMPRESSÃO: fc0 = resistência à compressão paralela às fibras Determinado em ensaio Valores médios propostos pela norma fc90 = resistência à compressão normal as fibras Determinado em ensaio Ou: 090 0 90 25,0 4 cc c c ff f f Estruturas de Madeira Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Resistência à COMPRESSAO: Para solicitações inclinadas com relação às fibras da madeira: 2 90 2 0 900 cos cc cc c fsenf ff f Estruturas de Madeira Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Resistência à TRAÇÃO: ft0 = resistência à Tração paralela às fibras Determinada em ensaio Valores médios propostos pela norma ou Estruturas de Madeira Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 00 30,1 ct ff 77,0 0 0 c t f f ou Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Resistência à TRAÇÃO: ft90 = resistência à Tração normal às fibras Determinada em ensaio Estruturas de Madeira Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 Devem ser evitadas em Projeto!! Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Resistência ao CISALHAMENTO: Mais crítico: na direção das fibras (ƒv0) Determinada em ensaio Valores médios propostos pela norma. Estruturas de Madeira Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 0 00 12,0cot 15,0 c cv filedôneasDi ffConíferas Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Lotes homogêneos Uma amostra a cada 12 m 3 Número mínimo de exemplares 12 cps caracterização mínima 6 cps caracterização simplificada Correção dos valores obtidos para a umidade de 12% 100 12%3 1 %12 u ff u 100 12%2 1 %12 u EE u KX Resistência Característica Estruturas de Madeira Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Determinação dos valores característicos a partir de dados de ensaios KX Resistência Característica 1,1 1 2 ... 2 2 1 2 21 xf n fff fX n n wkK Listar os valores f em ordem crescente, desprezando-se o valor mais alto se o número de cp´s for ímpar. Não tomar para fwk valor inferior a f1, nem a 0,7 do valor médio no caso de tração ou compressão e nem 0,54 do valor médio no caso de cisalhamento. Estruturas de Madeira Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estimativa dos valores característicos a partir de valores tabelados para tração ou compressão . 12,12, 7,0 wmwk ff Estruturas de Madeira KXResistência Característica Estimativa dos valores característicos a partir de valores tabelados para cisalhamento . 12,12, 54,0 VmVk ff Estimativa dos valores característicos a partir de valores médios tabelados por espécies (tabelas NBR 7190) Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Estimativa dos valores característicos a partir de valores médios tabelados por classe das espécies (tabelas NBR 7190) Tabela - Classe de Resistência das Dicotiledôneas(Folhosas) Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Tabela - Classe de Resistência das Coníferas Estimativa dos valores característicos a partir de valores médios tabelados por classe das espécies (tabelas NBR 7190) Características Mecânicas da Madeira – NBR7190 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Coeficientes de Modificação: w k d X kX mod Madeira da Qualidade Umidade tocarregamen do Duração 3mod 2mod 1mod 3mod2mod1modmod k k k kkkk RESISTÊNCIA DE CÁLCULO Estruturas de madeira – Critérios de dimensionamento NBR 7190/97 Estruturas de Madeira Coeficiente de Minoração: wc wt wv 1,4 (tensão de compressão) 1,8 (tensão de tração) 1,8 (tensão de cisalhamento) Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Estruturas de madeira – Critérios de dimensionamento NBR 7190/97 TABELA DO COEFICIENTE DE MODIFICAÇÃO Kmod,1 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Estruturas de madeira – Critérios de dimensionamento NBR 7190/97 TABELA DO COEFICIENTE DE MODIFICAÇÃO Kmod,2 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de Madeira Estruturas de madeira – Critérios de dimensionamento NBR 7190/97 TABELA DO COEFICIENTE DE MODIFICAÇÃO Kmod,3 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Estruturas de madeira – Critérios de dimensionamento NBR 7190/97 RIGIDEZ DE CÁLCULO mCefC EkkkE ,03mod2mod1mod,0 Estruturas de Madeira Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Caracterização da madeira Ensaios recomendados pela NBR 7190 Propriedade mecânica Caracterização Mínima Simplificada ƒc0 Tabelada Tabelada ƒc90 ƒt0 x ƒt90 nula nula ƒv0 x ƒe0 ƒe90 E0 Tabelada Tabelada E90 kckc kc kc ff f f ,0,90 ,0 ,90 25,0ou 4 kcke kc ke ff f f ,0,90 ,0 ,90 25,0ou 4 20 ,0 90 mE E kcokt kc kt ff f f ,,0 ,0 ,0 30,1ou 77,0 kcokckv fouff ,,0,0 12,015,0 kcke ff ,0,0 kcke ff ,0,0 Estruturas de Madeira 20 ,0 90 mE E kckc kc kc ff f f ,0,90 ,0 ,90 25,0ou 4 kcke kc ke ff f f ,0,90 ,0 ,90 25,0ou 4 Estruturas de Madeira Estruturas de madeira – Critérios de dimensionamento NBR 7190/97 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Valores Médios de Madeiras Dicotiledôneas nativas e de Florestamento NOME COMUM - DICOTILEDÔNEAS NOME CIENTÍFICO ρap (12%) kg/m³ ƒC0 (MPa) ƒt0 (MPa) ƒt90 (MPa) ƒV0 (MPa) EC0 (MPa) N Angelim Araroba Votaireopsis Araroba 688,0 50,5 69,2 3,1 7,1 12876,0 15,0 Angelim Ferro Hymenolobium spp 1170,0 79,5 117,8 3,7 11,8 20827,0 20,0 Angelim Pedra Hymenolobium Petraeum 694,0 59,8 75,5 3,5 8,8 12912,0 39,0 Angelim Pedra Verdadeiro Dinizia Excelsa 1170,0 76,7 104,9 4,8 11,3 16694,0 12,0 Branquilho Termilalia ssp 803,0 48,1 87,9 3,2 9,8 13481,0 10,0 Cafearana Andira ssp 677,0 59,1 79,7 3,0 5,9 14098,0 11,0 Canafistula Cassia Ferruginea 871,0 52,0 84,9 6,2 11,1 14613,0 12,0 Casca Grossa Vochysia ssp 801,0 56,0 120,2 4,1 8,2 16224,0 31,0 Castelo Gossypiospermum Praecox 759,0 54,8 99,5 7,5 12,8 11105,0 12,0 Cedro Amargo Cedrella Odorata 504,0 39,0 58,1 3,0 6,1 9839,0 21,0 Cedro DoceCedrella ssp 500,0 31,5 71,4 3,0 5,6 8058,0 10,0 Champagne Dipterius Odorata 1090,0 93,2 133,5 2,9 10,7 23002,0 12,0 Cupiúba Goupia Glabra 838,0 54,4 62,1 3,3 10,4 13627,0 33,0 Etiúba Qualea paraensis 1221,0 83,8 86,2 3,3 11,1 19426,0 13,0 Eucalipto Alba Eucalyptus Alba 705,0 47,3 69,4 4,6 9,5 13409,0 24,0 Estruturas de Madeira NOME COMUM - DICOTILEDÔNEAS NOME CIENTÍFICO ρap (12%) kg/m³ ƒC0 (MPa) ƒt0 (MPa) ƒt90 (MPa) ƒV0 (MPa) EC0 (MPa) N Eucalipto Camaldulensis Eucalyptus Camaldulensis 899,0 48,0 78,1 4,6 9,0 13286,0 18,0 Eucalipto Citriodora Eucalyptus Citriodora 999,0 62,0 123,6 3,9 10,7 18421,0 68,0 Eucalipto Cloeziana Eucalyptus Cloeziana 822,0 51,8 90,8 4,0 10,5 13963,0 21,0 Eucalipto Dunnii Eucalyptus Dunnii 890,0 48,9 139,2 6,9 9,8 18029,0 15,0 Eucalipto Grandis Eucalyptus Grandis 640,0 40,3 70,2 2,6 7,0 12813,0 103,0 Eucalipto Maculata Eucalyptus Maculata 931,0 63,5 115,6 4,1 10,6 18099,0 53,0 Eucalipto Maidene Eucalyptus Maidene 924,0 48,3 83,7 4,8 10,3 14431,0 10,0 Eucalipto Microcorys Eucalyptus Microcorys 929,0 54,9 118,6 4,5 10,3 16782,0 31,0 Eucalipto Paniculata Eucalyptus Paniculata 1007,0 72,7 147,4 4,7 12,4 19881,0 29,0 Eucalipto Propinqua Eucalyptus Propinqua 952,0 51,6 89,1 4,7 9,7 15561,0 63,0 Eucalipto Punctata Eucalyptus Punctata 948,0 78,5 125,6 6,0 12,9 19360,0 70,0 Eucalipto Saligna Eucalyptus Saligna 731,0 46,8 95,5 4,0 8,2 14933,0 67,0 Eucalipto Tereticornis Eucalyptus Tereticornis 899,0 57,7 115,9 4,6 9,7 17198,0 29,0 Eucalipto Triantha Eucalyptus Triantha 755,0 53,9 100,9 2,7 9,2 14617,0 8,0 Estruturas de madeira – Critérios de dimensionamento NBR 7190/97 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Valores Médios de Madeiras Dicotiledôneas nativas e de Florestamento Estruturas de Madeira Estruturas de madeira – Critérios de dimensionamento NBR 7190/97 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Valores Médios de Madeiras Dicotiledôneas nativas e de Florestamento NOME COMUM - DICOTILEDÔNEAS NOME CIENTÍFICO ρap (12%) kg/m³ ƒC0 (MPa) ƒt0 (MPa) ƒt90 (MPa) ƒV0 (MPa) EC0 (MPa) N Eucalipto Umbra Eucalyptus Umbra 889,0 42,7 90,4 3,0 9,4 14577,0 8,0 Eucalipto Urophilla Eucalyptus Urophilla 739,0 46,0 85,1 4,1 8,3 13166,0 86,0 Garapa Roraima Apuleia Leiocarpa 892,0 78,4 108,0 6,9 11,9 18359,0 12,0 Guaiçara Luetzelburgia ssp 825,0 71,4 115,6 4,2 12,5 14624,0 11,0 Guarucala Peltophorum Vogelianum 919,0 62,4 70,9 5,5 15,5 17212,0 13,0 Ipê Tabebuia Serratifolia 1068,0 76,0 96,8 3,1 13,1 18011,0 22,0 Jatobá Hymenaea ssp 1074,0 93,3 157,5 3,2 15,7 23607,0 20,0 Louro Preto Ocotea ssp 684,0 56,5 111,9 3,3 9,0 14185,0 24,0 Maçaranduba (Parajú) Manillkara ssp 1143,0 82,9 138,5 5,4 14,9 22733,0 12,0 Mandioqueira Qualea ssp 856,0 71,4 89,1 2,7 10,6 18971,0 16,0 Oiticica Amarela Clarisia Racemosa 756,0 69,9 82,5 3,9 10,6 14719,0 12,0 Quarubarana Erisma Uncinatum 544,0 37,8 58,0 2,6 5,8 9067,0 11,0 Sucupira Diplotropis ssp 1106,0 95,2 123,4 3,4 11,8 21724,0 12,0 Tatajuba Bagassa Guianensis 940,0 79,5 78,8 3,9 12,2 19583,0 10,0 Estruturas de Madeira Estruturas de madeira – Critérios de dimensionamento NBR 7190/97 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Valores Médios de Madeiras Coníferas nativas e de Florestamento NOME COMUM - (CONÍFERAS) NOME CIENTÍFICO ρap (12%) kg/m³ ƒC0 (MPa) ƒt0 (MPa) ƒt90 (MPa) ƒV0 (MPa) EC0 (MPa) N Pinho do Paraná Aracauria Angustifolia 580,0 40,9 93,1 1,6 8,8 15225,0 15,0 Pinus Caribea Pinus Caribea var. Caribea 579,0 35,4 64,8 3,2 7,8 8431,0 28,0 Pinus Bahamensis Pinus Caribea var. Bahamensis 537,0 32,6 52,7 2,4 6,8 7110,0 32,0 Pinus Hondurensis Pinus Caribea var. Hondurensis 535,0 42,3 50,3 2,6 7,8 9868,0 99,0 Pinus Elliottii Pinus Elliottii var. Elliottii 560,0 40,4 66,0 2,5 7,4 11889,0 21,0 Pinus Oocarpa Pinus Oocarpa Shiede 538,0 43,6 60,9 2,5 8,0 10904,0 71,0 Pinus Taeda Pinas Taeda L. 645,0 44,4 82,8 2,8 7,7 13304,0 15,0 Estruturas de Madeira Estruturas de madeira – Critérios de dimensionamento NBR 7190/97 Capítulo 3: Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira Onde: ρap (12%) = Massa Específica Aparente a 12% de Umidade ƒC0 = Resistência à Compressão Paralela às Fibras ƒt0 = Resistência à Tração Paralela às Fibras ƒt90 = Resistência à Tração Normal às Fibras ƒV0 = Resistência ao Cisalhamento EC0 = Módulo de Elasticidade Longitudinal Obtido no ensaio de Compressão Paralelo às Fibras N = Número de Corpos de Prova Ensaiados “A alegria está na luta, na tentativa, no sofrimento envolvido e não na vitória propriamente dita.”. Mahatma Gandi “A força não provém da capacidade física. Provém de uma vontade indomável.”. Mahatma Gandi Mensagem Estruturas de Madeira Obrigado! Estruturas de Madeira
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