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GEOLOGIA Raquel Silva Wetzel A geologia e a engenharia civil Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Definir geologia e suas áreas de atuação. Reconhecer a importância do estudo de geologia na engenharia civil. Descrever a aplicação de conceitos geológicos na construção civil. Introdução Neste capítulo, você verá o que a ciência da geologia estuda e o que ela representa na sociedade, entendendo de que modo alguns conceitos importantes sobre geologia se relacionam com a engenharia civil. Serão apresentadas as etapas iniciais de análise geológica para fins de construção civil e abordados alguns problemas comuns em obras em terra. O que é geologia? A Geologia é uma ciência bastante variada que estuda a Terra em sua origem, estrutura, composição, evolução e mecanismos de funcionamento. Estuda também o surgimento da vida através de fósseis, que são restos ou vestígios de animais e plantas preservados nas rochas ao longo de até bilhões de anos. O profi ssional geólogo procura entender e identifi car todos os processos que mudaram a Terra desde a sua formação. O estudo da geologia possibilita a compreensão de que o planeta Terra funciona como um sistema que está amplamente conectado e que é dinâmico (que está em constante transformação), favorecendo também a conscientização para preservação de diferentes habitats que sustentam a vida. A observação dos processos naturais atuais permite que os processos antigos que fizeram parte da transformação da Terra sejam inferidos através de comparação a partir do registro geológico. O registro geológico é a informação que está contida e preservada nas rochas, que tiveram sua origem em diferentes períodos da Terra. A geologia traz a percepção do tempo de modo diferente a que estamos acostumados. O tempo geológico (Figura 1) se inicia no surgimento do planeta Terra, que data de 4,6 bilhões de anos, e possui éons, eras, períodos e épocas, que são marcados por eventos importantes. Sendo assim, uma rocha facilmente tem milhões, até bilhões de anos. Ela já viu diferentes ciclos de Terra, como glaciações, e ainda verá alguns ao longo de sua vida. Figura 1. Escala de tempo geológico. Fonte: Oliveira ([201–?], documento on-line). James Hutton, naturalista e médico escocês, publicou em 1788 a Teoria da origem da Terra, obra em que trouxe o conceito de que era preciso compreender o passado para entender o presente. Em suas observações percebeu que os processos geológicos ocorriam em períodos muito longos e que as rochas não registravam esse tempo, por exemplo: uma camada de rocha de um metro pode A geologia e a engenharia civil2 corresponder a sedimentos provenientes de um evento de deposição única e rápida no tempo, como um aterramento, ou de uma deposição lenta que demorou milhões de anos para se formar. Hutton trouxe a geologia moderna a partir da relação das descrições das rochas ao estudo do tempo, dando características de ciência a essas descrições. O principal foco de estudo da Geologia são as rochas, pois são elas que nos ajudam a entender e construir a história da Terra, indicando-nos sua idade e em quais condições naturais elas se formaram. Para que você entenda um pouco sobre a conceituação das rochas, a seguir são citadas algumas delas. Segundo o glossário do Serviço Geológico do Paraná (MINEROPAR), por definição, rocha é um: […] agregado natural formado de um ou mais minerais, que constitui parte essencial da crosta terrestre e é claramente individualizado. […] De acordo com sua origem, distinguem-se rochas magmáticas ou ígneas, rochas sedi- mentares e rochas metamórficas. As diversas unidades são definidas pelos seus atributos de: origem, composição mineralógica e textura. Minerais, por sua vez, são definidos como elemento ou composto químico formado, em geral, por processos inorgânicos, o qual tem uma composição quími- ca definida e ocorre naturalmente na crosta terrestre (ROCHA..., [201–], documento on-line). A formação das rochas magmáticas ou ígneas ocorre devido à solidifi- cação do magma (material viscoso de altíssimas temperaturas que existe na subsuperfície da terra) por diferentes tipos de vulcanismo. São exemplos de rochas ígneas o granito e o basalto. As rochas sedimentares se formam pela consolidação de sedimentos provenientes da decomposição de rochas preexistentes. Arenito e calcário são exemplos dessa classe de rochas. Por fim, as rochas metamórficas são formadas pela mudança da estrutura e da forma de qualquer rocha preexistente. O mármore e o gnaisse são exemplos de rochas metamórficas. O movimento das placas tectônicas, conhecido como deriva continen- tal, faz com que os continentes e os oceanos sejam diferentes e variem de posicionamento ao longo do tempo geológico. Já foram diversas as formas dos continentes e muitos deles se formaram “há pouco” na escala de tempo geológico. Há 200 milhões de anos existia um único supercontinente: o Pangeia, cuja fragmentação, há 130 milhões de anos, resultou em Laurásia (América do Norte e Eurásia) e Gondwana (América do Sul, África, Índia, Austrália e Antártida). Há 65 milhões de anos, houve a separação entre a América do Norte e Eurásia e entre América do Sul, África, Oceania e Índia. 3A geologia e a engenharia civil Na abertura do oceano Atlântico (afastamento entre Brasil e África), que tem seu início há 150 milhões de anos, uma das maiores manifestações de basaltos continentais foi gerada. Através desse evento, que ocasionou uma série de rachaduras e falhamentos associados a vulcanismo, desencadeou-se um intenso derrame de lava em direção à superfície continental. Segundo Machado et al. (2005), os basaltos representam 800.000 km3 de lavas que recobriram cerca de 75% de toda superfície da Bacia do Paraná, representados pela Formação Serra Geral, que abrange toda a região centro-sul do Brasil e estende-se até as fronteiras do Paraguai, do Uruguai e da Argentina. A história da Terra é contada a partir de diversos estudos, de diferentes subáreas da Geologia, como: mineralogia (estudo dos minerais); petrografia (caracterização e descrição das rochas); sedimentologia (estudo dos sedimentos presentes nas rochas sedimentares); petrologia (estudo da origem, ocorrência e estrutura das rochas); estratigrafia (estudo dos estratos de rochas sedimentares); paleontologia (estudo dos fósseis); geologia estrutural (estudo das deformações e descontinuidades físicas das rochas que ocorrem na forma de falhas, fraturas e dobras); geomorfologia (estudo das formas da superfície da Terra, as formas do relevo); geoprocessamento (estudo da utilização de tecnologias de sensoriamento remoto para fins geológicos como, por exemplo, imagens de satélite); geoquímica (estudos dos elementos químicos presentes em rochas); geofísica (estudos de métodos físicos para identificação de rochas em subsuperfície e análise de sismos como terremotos); geologia econômica (estudo dos recursos minerais); geologia de engenharia (estudo da aplicação da geologia para fins da construção civil); geologia ambiental (estudo dos métodos de diminuição de impacto ambiental causados pela exploração de recursos minerais), etc. A geologia e a engenharia civil4 O estudo da Terra permite a exploração e melhor aproveitamento de recursos naturais como minérios (Figura 2), petróleo, gás e água, e também é fundamental para a investigação do solo e subsolo para a construção civil. Na exploração dos recursos naturais, o geólogo precisa conhecer, através de métodos adequados, qual a distribuição desse recurso em subsuperfície e, no planejamento, deve incluir técnicas que não alterem em excesso o relevo natural. Na exploração de petróleo, é preciso indicar onde ele está e qual o melhor lugar para perfurar o poço, e da mesma maneira ocorre nas minas de minério. Figura 2. Mina de minério. O Quadrilátero Ferrífero em Minas Gerais, ocupando uma área aproximada de 7.000 km2 na porção centro-sudeste do Estado, é internacionalmente reco- nhecido como um importante terreno com significativos recursos minerais, em especial ouro e ferro. 5A geologia e a engenharia civil Você sabia que para construir um smarthphone são utilizadas substâncias feitas a partir de algo que veio de baixo da Terra ou mesmo tem origem da subsuperfície? Segundo o United States Geological Survey (2016), os minerais são usados para a fabricação do aparelho, envolvendo os dispositivos de exibição, eletrônica e circuito, bateria, dispo- sitivos de áudio e vibração. São eles: sílica e areia (vidro), cassiterita, bauxita, esfarelita, calcopirita, tetraedrita, quartzo, arsenopirita, tantalita, wolframita, spodumênio, grafita e bastnasita. Agora podemos fazer a seguinte reflexão: quantas minas em atividade ao redor do mundo são necessárias para a realização desta tecnologia? Na captação de água potável também é preciso conhecer muito bem a ge- ologia do local, pois pode haver alguma rocha que altere a qualidade da água, tornando-a não ideal para o consumo. Na geologia ambiental, o geólogo faz avaliação do impacto ambiental, para recuperação de área degradada de locais que sofreram algum impacto devido à exploração de recursos ou à construção de empreendimentos. Na construção de empreendimentos ou casas, o estudo da geologia auxilia na identificação de áreas de risco geológico, ou seja, áreas suscetíveis à deslizamentos de terra (Figura 3), por exemplo. Figura 3. Deslizamento de terra. A geologia e a engenharia civil6 O estudo da geologia permite também a compreensão de eventos como terremotos e auxilia no monitoramento e medição desses eventos, através da sismologia. Conforme Press et al. (2006), um terremoto ocorre quando as rochas, sob tensão, repentinamente se rompem ao longo de uma falha nova ou preexistente. Os dois blocos de rocha, em cada lado da falha, deslizam repentinamente, provocando vibrações no solo ou ondas sísmicas, que são frequentemente destrutivas. Em escala global, a maioria dos terremotos ocorre em limites de placas tectônicas, onde as placas convergem, afastam-se ou des- lizam uma em relação à outra. Embora terremotos de grandes proporções não ocorram no Brasil, nosso país possui uma atividade sísmica que não pode ser ignorada. Em geral são tremores de baixa intensidade. Há, contudo, registros ocasionais de terremotos com magnitude próxima a 5, que podem danificar estruturas e causar pânico (COMPANHIA DE PESQUISA DE RECURSOS MINERAIS, 2016). No link a seguir, você pode pesquisar sobre sismos na América do Sul, sendo tais eventos analisados pelo Observatório Sismológico da Universidade de Brasília. É possível buscar eventos por data inicial e final, tipo de evento (terremoto ou explosão), localidade, tipo e faixas de magnitude. https://qrgo.page.link/5kmBh A sismologia estuda os terremotos através das ondas sísmicas emitidas na movimentação de uma falha. As ondas sísmicas informam a localização do terremoto (epicentro), profundidade, energia liberada, e meio percorrido por elas, desde o epicentro até o sismógrafo (Figura 4), que é o medidor das ondas sísmicas. Essa área da geologia abrange principalmente duas subáreas citadas anteriormente, a geologia estrutural e a geofísica. 7A geologia e a engenharia civil Figura 4. Sismógrafo em papel com renderização 3D, medindo as ondas sísmicas. Fonte: Andrey VP/Shutterstock.com. Como você pode perceber, são diversas as áreas de atuação da geologia, pois o estudo dessa ciência interdisciplinar tem implicações muito importantes para o desenvolvimento da sociedade, possibilitando o planejamento urbano, nosso acesso a minérios, que são amplamente usados para a maioria dos objetos que utilizamos no nosso dia a dia, aos recursos não renováveis, como petróleo, que é nossa principal fonte de energia, e à água potável, fonte de vida. Importância da geologia na engenharia civil Todas as construções existentes na sociedade estão sobrepostas à superfície da Terra, exercendo uma carga, um peso, sobre o substrato rochoso, dessa forma é lógica a necessidade de se conhecer o subsolo para garantir a viabilidade técnica e econômica para projetos de qualquer empreendimento. Porém, ao investigar o subsolo, não é somente com a descrição da rocha que geólogos e engenheiros civis se deparam. O relevo é composto por rochas e por solo. Em perfi l vertical, as proporções se alteram, por exemplo: um ponto chamado A pode ter 2 metros de solo no subsolo antes da rocha, e um ponto chamado B pode ter 0,5 metro ou nenhum solo antes da rocha, afl orando a rocha em si. Além da identifi cação do solo, a geologia se relaciona com a construção civil através de etapas de reconhecimento do meio físico para planejamento do projeto e para fi ns de licenciamento ambiental. A geologia e a engenharia civil8 A utilização de rochas e dos depósitos naturais de sedimentos como materiais de construção também é um aspecto que relaciona a geologia e a construção civil. Esses materiais são muito utilizados como agregados para confecção de concreto, blocos para revestimento de fachadas de edifícios, proteção de taludes de barragens etc. Também a descoberta e compreensão de efeitos naturais, como abalos sísmicos e ventos, têm influência na escolha dos materiais apropriados à construção de acordo com os impactos que esta irá sofrer. Solos Segundo Pinto (2006), todos os solos originam-se da decomposição das rochas que constituíam inicialmente a crosta terrestre. A decomposição é decorrente de agentes químicos e físicos. Variações de temperatura provocam trincas, nas quais penetra a água, atacando quimicamente os minerais. O congelamento da água nas trincas, entre outros fatores, exerce elevadas tensões, ocorrendo maior fragmenta- ção dos blocos. A presença da fauna e fl ora promove o ataque químico, através de hidratação, hidrólise, oxidação, lixiviação, troca de cátions, carbonatação, etc. O conjunto desses processos, que são muito mais atuantes em climas quentes do que em climas frios, leva à formação dos solos que, em consequência, são misturas de partículas, pequenas que se diferenciam pelo tamanho e pela composição química. A maior ou menor concentração de cada tipo de partícula num solo depende da decomposição química da rocha que lhe deu origem. O solo é um conjunto de partículas resultantes da decomposição da rocha mãe. Geralmente, os grãos de solo, chamados de areia, silte ou argila, são constituídos de um único mineral. O quartzo é um mineral encontrado em muitos tipos de rocha e forma grãos de areia e silte, pois sua composição é resistente aos agentes de desagregação. Segundo Pinto (2006), minerais como feldspato, gibsita, calcita e mica também podem ser encontrados nesse tamanho. Os minerais feldspatos e micas são menos resistentes ao intemperismo e dão origem a um importante elemento para a engenharia civil, os argilomi- nerais. Os argilominerais representam a porção mais fina do solo, inferior a 2 µm. A composição mineralógica dos argilominerais faz com que eles tenham comportamento distinto em relação aos tamanhos de areias e siltes. O com- portamento dessas argilas pode variar com a presença de água, fazendo com que elas se expandam ou contraiam. Sabemos que a construção civil trabalha com números exatos, ou, pelo menos, com margem de erros previstos. Dessa maneira se comprova a necessidade de diagnosticar bem o subsolo, para que se estime corretamente seu comportamento na presença de cargas e perturbações geradas pelas construções. 9A geologia e a engenharia civil Principais etapas do estudo geológico para construção civil Na engenharia civil a investigação geológica não faz parte só do pré-projeto, mas também faz parte do projeto executivo de obras e fi scalização das etapas construtivas, para fi scalizar e acompanhar o desempenho durante a operação e monitoramento. Quando uma pessoa física, empresa ou mesmo órgãos públicos querem construir algum empreendimento, é necessário que se peça autorização ao órgão competente para licenciamento da área, legislação insti- tuída no Brasil pela Política Nacional do Meio Ambiente (Lei nº. 6.938, de 31 de agosto de 1981). O licenciamento confi gura um instrumento de prevenção e fi scalização das entidades competentes. As etapas de estudo variam muito a depender do tipo do empreendimento, que pode ser de grande escala, como usinas hidrelétricas, ou de pequena escala, como uma estrada, prédio ou loteamentos residenciais. Geralmente, as etapas de estudo geológico para áreas onde se quer cons- truir, abrangem: descrição da geologia regional e local da área em questão com profundidade de limite entre rocha e solo e indicação do nível do lençol freático, composição e granulometria do solo, construção de mapas com todos os elementos relevantes ao projeto, identificação de estruturas (falhas e fraturas) e topografia (medição da forma da paisagem natural). Para que você compreenda melhor, a partir do parágrafo seguinte é apresentado um esboço mais detalhado dessas etapas. Na fase de descrição e caracterização da geologia regional e local, utiliza-se a pesquisa bibliográfica, numa etapa pré-campo. Em campo os profissionais observam e registram, com desenhos, fotos e anotações, a forma da paisagem. A descrição e coleta dos materiais é feita através de testemunhos de sondagem (Figura 5) ou de escavações no subsolo. Dos testemunhos de sondagem ou escavações resulta um perfil que permite descrição da rocha, solo e estimativa do nível do lençol freático, contabilizando a espessura e posição de cada material, para construção do perfil. Em laboratório os perfis gerados dão origem a simulações computacionais. As rochas são analisadas em microscópio. Os solos passam por análise de composição de elementos químicos, classificação de grãos e outros ensaios laboratoriais que podem ser mais específicos, para identificar os argilominerais. A geologia e a engenharia civil10 Figura 5. Testemunhos de sondagem contendo o material coletado; ao lado, construção de perfil geológico com os dados coletados. Fonte: K2 Geologia e Meio Ambiente (2019, documento on-line). A indicação do lençol freático (ou nível da água) é importante por dois motivos: prejuízo para o projeto, quando não indicada, e por risco de poluição por parte do empreendimento. Em uma construção de talude para abertura de estrada, por exemplo, se o nível de água for estimado de forma incorreta a água pode vir a ser um agente determinante para o deslizamento desse talude. Os tipos de estruturas do subsolo rochoso, falhas e fraturas, bem como suas espessuras e posições, indicam quais as técnicas que o engenheiro civil precisa escolher para a execução da obra. As estruturas devem ser representadas em mapas (Figura 6) em escala adequada. 11A geologia e a engenharia civil Imagine que o engenheiro civil responsável pela execução da obra de um prédio, para instalar a fundação do prédio, calcula a carga que a fundação aplicará na sua base e a profundidade em que essa carga deve ser aplicada na rocha, ou solo, para poder instalá-la. Porém, por escassez de dados geológicos ou por interpretações errôneas, o engenheiro acaba por instalar a fundação sobre um material de composição e estrutura não adequadas para a fundação. Uma ocasião dessas geraria, no mínimo, uma mudança brusca no projeto e, se o erro não fosse percebido durante a fase de construção, poderia desenvolver, num momento futuro, fraturas nas paredes do prédio e até mesmo seu colapso. Figura 6. Mapa geológico contendo a descrição das estruturas da região. Fonte: Silva, Alkmin e Pedrosa-Soares (2009, documento on-line). A geologia e a engenharia civil12 Topografia da área consiste na medição do relevo, considerando toda alteração e manifestação do solo a partir de uma linha de superfície para estimar de forma precisa a medição do terreno. Nos estudos geológicos, para fins de estudo de suscetibilidade a movimentos de massa, o relevo é analisado conforme suas inclinações/declividades. A necessidade de cada etapa dos estudos fica a critério do tipo de empre- endimento. Também, conforme a complexibilidade do substrato rochoso, os métodos investigativos e a escala de detalhe podem se ampliar. Aplicação dos conceitos geológicos na construção civil Na fase de identifi cação geológica dos materiais presentes num projeto de obra é importante a compreensão de alguns conceitos geológicos. Nessa fase, geólogos e engenheiros civis precisam trabalhar em equipe para garantir o melhor uso do meio físico, sem gastos desnecessários e sem prejuízo para o ambiente natural. A análise dos materiais começa pela classificação da rocha, que é sedi- mentar, ígnea ou metamórfica. Para fins de construção civil, definir o tipo de rocha quanto a sua gênese é um passo inicial, pois elas possuem diferentes propriedades físicas. Uma rocha sedimentar, como o arenito, é bem diferente de uma rocha ígnea, como o basalto. O arenito apresenta uma porosidade (espaços vazios microscópicos) que não existe nos basaltos geralmente. O basalto é uma rocha extremamente dura, entre seus grãos existe água ou ar, é um “arranjo” mais fechado. Tanto arenitos como basaltos têm amplo uso na construção civil; o arenito é usado para revestimentos de fachadas, e o basalto para britas, por exemplo. Porém, quando o material constitui o subsolo de um projeto, é preferível encontrar materiais mais resistentes, como o basalto. 13A geologia e a engenharia civil Uma área de estudo comum entre geologia e engenharia é a geotécnica, que estuda a aplicação de métodos investigativos para caracterizar o meio físico com fins para construção civil. Segundo Schnaid e Odebrecht (2014), o custo para a execução de sondagens de reconhecimento do subsolo, no Brasil, costuma variar entre 0,2% e 0,5% do valor total de uma obra convencional, valor este que pode aumentar em obras especiais ou que apresentem condições desfavoráveis do subsolo. Sendo assim, as informações obtidas pela sondagem são fundamentais para a previsão dos custos e das soluções para um projeto de construção civil. A observação da geomorfologia do relevo, juntamente à pesquisa biblio- gráfica, muitas vezes já indica o tipo de rocha que se tem na região. A área de estudo pode estar inserida em um relevo plano, de depressão, de morros ou montanhoso, como as serras, que possuem altas declividades. Em muitos casos, os geólogos sabem relacionar a gênese de formação (tipos de rocha) ao tipo de relevo, pois o acervo de mapas geológicos que estão disponíveis para algumas regiões o ajuda compreender alguns processos. Mas nada exclui a intensa análise que deve ser feita no material. Não só o tipo de gênese é importante para compreender algumas propriedades físicas da rocha, pois já que a rocha guarda toda uma história de, no mínimo, milhões de anos, ela pode guardar aspectos bem particulares que devem ser levados em conta. Nesse sentido, um basalto muito fraturado pode ser mais problemático do que um arenito com baixa porcentagem de espaços vazios. Dessa maneira, você pode perceber que cada caso é um caso. A análise de estruturas (geologia estrutural) é muitas vezes decisiva para os projetos. O substrato pode apresentar muitas falhas ou fraturas, que podem ser centimétricas até quilométricas, e alteram o nível de segurança dos empreendi- mentos ou exigem que essa análise seja incorporada com suas particularidades no projeto de execução. O mapeamento das fraturas é fundamental e é uma etapa essencial para obras como hidrelétricas e túneis em maciços rochosos. A caracterização do substrato rochoso é o primeiro passo, pois a partir da classificação das rochas é possível já estimar algumas informações sobre o solo. O comportamento mecânico dos solos é uma área complexa e muito A geologia e a engenharia civil14 relevante a ser estudada em disciplinas como mecânica dos solos, porém, para este momento, vale frisar que o comportamento de um solo pode ser muito diferente do comportamento da rocha que o originou. A maioria dos problemas geológicos da construção civil está relacionada a obras em terra, que são obras de engenharia que se apoiam sobre o solo e utilizam o próprio solo como elemento de construção, como por exemplo, as barragens e os aterros de estradas. Uma obra de terra pode ser entendida como “estrutura”, construída com solo ou blocos de rocha, isto é, na qual o solo e a rocha são os materiais de construção, segundo Massad (2010). Os problemas estão relacionados a recalques e instabilidade de taludes. O recalque é um assentamento e rebaixamento da estrutura da obra devido à reação do solo. Esse comportamento muitas vezes é esperado e estimado no projeto, mas quando não for bem calculado pode acarretar problemas. Por isso a caracte- rização através de ensaios de laboratório indicando composição, estrutura, comportamento sob cargas/peso e comportamento na presença de água, em solos, é uma etapa básica. Com relação à instabilidade de taludes, são várias as escalas de aconteci- mentos de problemas. O talude pode configurar uma encosta natural ou pode ser construído. Sua instabilidade pode gerar problemas como deslizamento de terra em estradas ou em encostas que possuam moradias. Outra problemática que podemos citar acontece em barragens de rejeitos, que também ocorre devido à instabilidade da estrutura. O comportamento mecânico dos materiais é o objetivo principal das análises geoló- gicas para fins de construção civil, por esse motivo a análise microscópica em lâminas petrográficas de rochas é importante, bem como a classificação granulométrica do solo. Porém, esse comportamento não é só resultado de uma estrutura de arranjo das partículas, é também resultado da composição química desses materiais. Sendo assim, é importante você entender que esses estudos possuem em sua essência caráter físico-químico. 15A geologia e a engenharia civil BRASIL. Lei nº. 6.938, de 31 de agosto de 1981. Dispõe sobre a Política Nacional do Meio Ambiente, seus fins e mecanismos de formulação e aplicação, e dá outras providências. Brasília, DF: Presidência da República, [2013]. Disponível em: http://www.planalto.gov. br/ccivil_03/LEIS/L6938.htm. Acesso em: 19 dez. 2019. COMPANHIA DE PESQUISA DE RECURSOS MINERAIS. Laboratório de sismologia da CPRM recebe dados sismológicos nacionais e internacionais em tempo real. 2016. Disponível em: http://www.cprm.gov.br/publique/Noticias/Laboratorio-de-Sismologia-da-CPRM- -recebe-dados-sismologicos-nacionais-e-internacionais-em-tempo-real-4310.html. Acesso em: 19 dez. 2019. K2 GEOLOGIA E MEIO AMBIENTE. 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