Reduciendo el costo de la protección razonable – Tilt-Up y protección contra fuerzas terroristas

Por: Mitch Bloomquist | Asociación de Hormigón Tilt-Up

Se está construyendo en Maryland un edificio de oficinas de cuatro pisos prefabricado de concreto, diseñado para cumplir con los requisitos del Departamento de Defensa de resistencia contra explosiones y colapso progresivo, y se está construyendo de forma especulativa. Sin embargo, antes de profundizar demasiado en los detalles de este proyecto, es útil discutir qué significan exactamente la resistencia contra explosiones y el colapso progresivo y de dónde provienen estos requisitos.

Así como construir un edificio para que resista por completo un impacto directo de un tornado EF5 o un terremoto de magnitud 7 puede ser poco práctico desde el punto de vista de los costos, diseñar un edificio para que proporcione una protección integral contra el rango de posibles ataques terroristas también puede ser prohibitivo en cuanto a costos. Sin embargo, lo que hacemos, a través de códigos y normas de construcción, es proporcionar un nivel razonable de protección a un costo razonable. La definición de "razonable" en todos estos casos puede ser algo compleja.

Para abordar este problema, el Departamento de Defensa (DoD, por sus siglas en inglés) y los servicios militares iniciaron un programa para unificar todos los criterios y estándares técnicos relacionados con la planificación, el diseño, la construcción, la operación y el mantenimiento de las instalaciones del DoD. Como parte de esta unificación, el DoD publicó una serie de Criterios de Instalaciones Unificadas o UFC (Unified Facilities Criteria). El UFC 4-010-01, Estándares Mínimos Antiterroristas del DoD para Edificios, se publicó en julio de 2002 y se actualizó a su versión actual en febrero de 2012.

FUERZA DE PROTECCIÓN ANTITERRORISTA (AT/FP)

La filosofía general en la que se basa UFC 4-010-01 es que se puede y se debe proporcionar un nivel apropiado de protección al personal del DoD para minimizar la probabilidad de bajas masivas por ataques terroristas a edificios propiedad, arrendados, privatizados o de otro modo ocupados, administrados o controlados por o para el DoD.

Mark P. Gardner, P.E., ingeniero gerente de Hinman Consulting Engineers, Inc., brindó servicios de consultoría en explosiones para el proyecto y ayudó a resumir los documentos que describen estos requisitos. “Estos estándares ayudan a los diseñadores a determinar el nivel adecuado de protección para los edificios del DoD donde no se ha desarrollado una amenaza específica”, explicó Gardner. En otras palabras, establecen requisitos ‘razonables’ y prescriben métodos para lograr un cierto nivel de protección.

El documento identifica tres elementos clave como influyentes en la aplicación de estos estándares: el tiempo, la planificación maestra y las prácticas de diseño. Obviamente, para que estas medidas de protección sean efectivas, deben estar implementadas antes de un ataque. Esa es una faceta del problema de los tiempos. La otra es que es más rentable implementar estas estrategias durante el período de construcción inicial. Por lo tanto, muchas de las decisiones tomadas durante las etapas de planificación maestra y diseño del desarrollo afectan directamente el potencial de resistencia a desastres del edificio. Algunas de estas decisiones, cuando están bien informadas, pueden mejorar el potencial del proyecto con poca o ninguna implicación de costo, de ahí su extrema importancia. Otras modificaciones al plan maestro de un desarrollo o al diseño de un edificio conllevan implicaciones de costos, lo que hace necesario el equilibrio entre una protección razonable y un costo razonable.

Parte de UFC 4-010-01 está dirigida a identificar y calificar cuál es un nivel apropiado o aceptable de daño/pérdida. La Tabla 2-1, Niveles de Protección – Edificios Nuevos y Existentes (UFC 4-010-01) describe los diferentes niveles de protección y el daño/rendimiento potencial del edificio asociado con cada nivel. La tabla también presenta la posible lesión resultante.

En el caso de AJBP7, el sujeto de este artículo, se proporcionó un nivel medio de protección. Según la Tabla 2-1, un edificio diseñado para este nivel de protección experimentaría potencialmente daños menores y económicamente reparables como resultado de un ataque de magnitud dada.

“Estos criterios se evalúan al determinar la carga de explosión de aire aplicada al edificio por la amenaza de diseño en la distancia apropiada —explicó Gardner—. Una vez determinada la carga de explosión de aire, se analiza cada elemento del edificio”.“

COLAPSO PROGRESIVO

De conformidad con la norma UFC 4-010-01, los edificios de tres o más plantas que cumplan con la categoría de ocupación requerida también deben cumplir los criterios de colapso progresivo establecidos en la norma UFC 4-023-03 “Diseño de edificios para resistir el colapso progresivo”. El colapso progresivo se define en el comentario de la Norma 7 de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles, Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras (ASCE 7), como “la propagación de un fallo local inicial de un elemento a otro, lo que finalmente resulta en el colapso de toda una estructura o de una parte desproporcionadamente grande de la misma”. La norma establece además que los edificios deben diseñarse “para soportar daños locales sin que el sistema estructural en su conjunto se vea afectado, y sin sufrir daños desproporcionados con respecto al daño local original”. Tal como se discute en el comentario de la norma ASCE 7, «salvo en el caso de sistemas de protección especialmente diseñados, por lo general no es factible diseñar una estructura para que resista el colapso general causado por cargas anormales severas que actúan directamente sobre una gran parte de ella. Sin embargo, las estructuras pueden diseñarse para limitar los efectos del colapso local y para prevenir o minimizar el colapso progresivo».”

Así como los criterios de resistencia a explosiones equilibran la protección razonable y el costo razonable, los niveles variables de resistencia al colapso progresivo se determinan por la Categoría de Ocupación (OC). Cada categoría tiene un requisito de diseño diferente según se presenta en la Tabla 2-2, Categorías de Ocupación y Requisitos de Diseño (UFC 4-023-03). Según Gardner, “Este proyecto se clasificó como OC III según UFC 3-301-01 (que se referencia en UFC 4-023-03). Solo se requeriría que fuera OC II según IBC, pero los criterios del DoD son más estrictos para 500 o más ocupantes”.”

La Categoría de Ocupación III incluye tanto un requisito de Camino Alterno (AP) como un requisito de Resistencia Local Mejorada (ELR) para resistir el colapso progresivo. El método de Camino Alterno (AP) se describe en el documento como a menudo el enfoque más práctico para estructuras de muros de carga. Básicamente, este método requiere que la estructura inmediatamente adyacente al área afectada sea capaz de transferir las cargas alrededor del área afectada hacia la cimentación, aislando así la falla y evitando la propagación del daño. El requisito de Resistencia Local Mejorada (ELR) para la Categoría de Ocupación III exige que la capacidad de corte de cada muro, y sus conexiones a los diafragmas del edificio, sea mayor que la capacidad de flexión en el primer piso para prevenir una falla frágil en el nivel más bajo.

AJBP7 – UNA NUEVA SOLUCIÓN

El trabajo e interés de Gardner en aplicar estos estándares a la construcción de concreto prefabricado (tilt-up) no es nuevo. El equipo de diseño de AJBP7 ha estado estudiando estos temas durante años. AJBP7, una empresa conjunta entre Konterra Realty y Boston Properties, es el resultado de una extensa investigación sobre nuevas aplicaciones de protección antiterrorista (AT/FP) para la construcción de concreto prefabricado llevada a cabo por Hinman Consulting, Powers Brown Architecture, Haynes Whaley Associates y Harvey-Cleary Builders.

El grupo desarrolló un estudio de caso de investigación en 2011 para determinar la factibilidad de aplicar los requisitos de los Criterios Unificados de Instalaciones (UFC) del DoD para resistencia a explosiones de nivel medio y colapso progresivo al diseño de un edificio de oficinas existente. Eligieron un edificio prototipo en Texas que permitía retranqueos que cumplían con los criterios de explosión. “El equipo creó un método de análisis único para tener en cuenta los desafíos de analizar la fachada de concreto prefabricado en voladizo para la carga de explosión aérea y diseñar el edificio para los requisitos de colapso progresivo”, explicó Gardner. “El resultado del estudio fue definitivo: es factible utilizar el diseño de concreto prefabricado en voladizo para lograr altos niveles de protección contra fuerzas para resistencia a explosiones y colapso progresivo sin columnas perimetrales”.”
La investigación sugirió que el costo adicional por un edificio de hormigón precolado que incorporara resistencia a explosiones de nivel medio del DoD y resistencia al colapso progresivo sin columnas perimetrales sería de alrededor de $15 por pie cuadrado sobre los métodos de construcción convencionales sin estas capacidades. “Sabíamos por nuestro trabajo en nuestro producto ‘oficina de valor’ que podíamos ahorrar dinero a los propietarios en comparación con los métodos de construcción convencionales y entregar un proyecto de mayor calidad”, dijo Jeffrey Brown, AIA de Powers Brown Architecture. “Lo que descubrimos a través de esta investigación fue que los ahorros continuaban acumulándose a medida que agregábamos capacidades de resistencia a explosiones y al colapso progresivo al proyecto”.”

Tate Armstrong, presidente de Konterra Realty LLC, compartió el entusiasmo del equipo ante el potencial del sistema tilt-up en este mercado. “Esta tecnología de construcción se presta para una eficiencia de costos explosiva”. Típicamente, la única manera para que una inversión como esta tenga sentido es contar con un inquilino que requiera este rendimiento. Con los ahorros que ofrece el tilt-up tanto en costos como en plazos, Konterra pudo tomar la decisión sin la seguridad de un inquilino que requiriera AT/FP.

“Esta es una inversión a largo plazo para nosotros”, explicó Armstrong. El mercado objetivo del proyecto es un grupo de usuarios gubernamentales o una comunidad de inteligencia de terceros o un contratista de defensa. Sin embargo, según Armstrong, ese inquilino podría terminar siendo el segundo o tercer inquilino en arrendar el espacio. En ese caso, AJBP7 está listo. “Hay que ser flexible para satisfacer las necesidades de este mercado”, dijo Armstrong.

AJBP7 es parte de un campus más grande de edificios con capacidades de rendimiento similares. Armstrong explicó que AT/FP es el tema del desarrollo. El proyecto se encuentra en Annapolis Junction, una comunidad no incorporada en el condado de Anne Arundel, Maryland, a poca distancia de Fort George G. Meade. Fort Meade, una instalación del Ejército de los Estados Unidos, es el centro preeminente de la nación para información, inteligencia y ciberseguridad.

Otro tema del desarrollo, tal como lo describió Armstrong, es la calidad. Como propietarios con un interés a largo plazo en el desarrollo, parte del razonamiento de Konterra para emplear la construcción con moldes deslizantes fue el nivel de durabilidad y flexibilidad que podían esperar de la construcción de concreto con moldes deslizantes.

El proyecto es pionero en el mercado de muros prefabricados de cuatro pisos con colapso progresivo, ya que no tiene columnas perimetrales. Este es un gran beneficio que afecta la eficiencia de la planificación del espacio interior.

En camino a través de los detalles

AJBP7 consta de 32 paneles de concreto prefabricados, típicamente de 30 pies de ancho y 64 pies de alto. El panel más alto en el trabajo tiene 68 pies de altura y pesa 125 toneladas. “Recientemente construimos un proyecto prefabricado de cuatro pisos en Houston con paneles de 9½ pulgadas de espesor”, dijo Matt Armentrout, de Harvey-Cleary Builders. “Los paneles en este proyecto tuvieron un espesor promedio de 15 pulgadas”. Para este proyecto, el espesor mínimo del panel se determinó en 11 pulgadas para la resistencia a explosiones y colapso progresivo. Las características arquitectónicas, como las ventanas corridas que pasan frente a las patas de los paneles, requirieron empotramientos de 4 pulgadas en la cara exterior de los paneles, aumentando así el espesor total de los paneles a 15 pulgadas.

En algunos casos, un edificio de cuatro pisos de concreto prefabricado (tilt-up) podría estar compuesto por paneles de tres pisos con paneles de un piso apilados encima. En el pasado, esto se hacía en parte para adaptarse a las capacidades de las grúas y la logística de arriostramiento. Ahora se están construyendo algunos edificios de cinco pisos de concreto prefabricado de manera similar. En este caso, las cuestiones de continuidad y los esfuerzos para mantener las juntas de los paneles al mínimo hicieron que la decisión de usar paneles de cuatro pisos fuera sencilla.

El vicepresidente de Haynes Whaley, Tom Heffernan, P.E., y el asociado Brian Barna, P.E., trabajaron estrechamente con Gardner durante todo el proyecto. El diseño de resistencia contra explosiones y colapso progresivo comienza en los cimientos. Los cimientos fueron diseñados para varias condiciones de carga diferentes debido a los requisitos de colapso progresivo. “Tuvimos que asegurarnos de que los cimientos pudieran soportar la carga si una de las patas del panel se desprendía y esa carga se transfería a otro punto”, dijo Heffernan. En lugar de una serie de zapatas corridas en las uniones de los paneles, se diseñó una zapata continua para soportar los muros perimetrales basándose en las grandes cargas de colapso progresivo y la dependencia de la pata del panel interior para transferir las cargas en un escenario de colapso progresivo. Para facilitar el montaje, los paneles tienen canales de apoyo en cada extremo que se conectan a placas de apoyo ancladas a los cimientos.

El módulo de 30 pies para el ancho del panel se basó en los requisitos de colapso progresivo. Barna señaló que limitar las juntas de los paneles, limitando así las instancias de discontinuidad que necesitarían ser cubiertas con grandes conexiones de acero, fue un factor determinante en esta decisión.

Los pasadores moldeados en el panel de pared se solapan con el armazón de la losa de la primera planta a lo largo de todo el perímetro del edificio en un área de 3 metros (las dimensiones varían según cada proyecto), lo que se conoce comúnmente como “banda de vertido”. Una vez que los paneles y las columnas de acero interiores se han alineado a plomo, esta banda se rellena y se vierte el hormigón para extender la losa hasta la cara del panel y unir el armazón. Este es un detalle típico de un proyecto convencional de construcción con paneles prefabricados; sin embargo, para este proyecto se reforzaron los pernos para resistir la tensión de una fuerza de explosión que intentara separar el panel del edificio durante la respuesta de rebote del panel ante la onda de choque. Por esta misma razón, se reforzaron las conexiones de los ángulos de borde de la cubierta continua en cada piso elevado con placas incrustadas en los paneles de pared. “En un proyecto convencional, estas conexiones están diseñadas para arriostrar los paneles en cada piso, absorber las cargas laterales fuera del plano y actuar como colectores para transferir las cargas laterales a los paneles que actúan como muros de corte”, explicó Barna. «En este caso, estas conexiones también están diseñadas para resistir las cargas de los paneles fuera del plano causadas por las fuerzas de la explosión». Tres refuerzos por panel por piso, justo por encima del cabezal de la ventana, también ayudan a unir los paneles al diafragma para distribuir tanto las cargas de la onda expansiva como las del colapso progresivo. Se utilizó concreto ligero sobre cubierta metálica en cada nivel de piso para reducir la carga de colapso progresivo al disminuir el peso de la estructura.

Debido a las presiones descendentes de las cargas de explosión, la estructura del techo consiste completamente en vigas de acero en lugar de un sistema más típico de viguetas de acero de celosía abierta. Las vigas se espaciaron de manera similar a las vigas del piso en los niveles intermedios; por lo tanto, se utilizó una cubierta de acero de 3 pulgadas de profundidad para acomodar la mayor luz entre soportes.

Quizás el elemento más atípico del diseño son las conexiones panel a panel. Tradicionalmente, los paneles prefabricados no se conectan entre sí, excepto quizás en las esquinas de un edificio. En estructuras prefabricadas antiguas donde la conexión de paneles era más común, el coeficiente de contracción del concreto y el movimiento térmico básico a menudo causaban que estas conexiones fallaran o dañaran el muro de concreto.

Debido al requisito de "ruta alternativa" para este proyecto, el equipo de diseño utilizó placas grandes que se extienden sobre las juntas de los paneles y se conectan a placas empotradas en cada panel para unir la estructura. Estas placas permiten la transferencia de carga a través de las juntas en caso de una sección dañada, evitando que la destrucción se propague a otras partes de la estructura. Hay cuatro placas empotradas en cada lado de cada panel, ocho en total. Las placas empotradas, increíblemente grandes, cada una de hasta 1.5 metros de alto x 45.7 cm de ancho con hasta 20 espárragos anclados, pesaban en promedio 136 kg y tuvieron que ser colocadas con grúa móvil. Las conexiones de los paneles se alternaban entre una placa de conexión soldada a las placas empotradas en cada lado de la junta y una placa de conexión soldada a la placa empotrada en un lado de la junta y asegurada con una conexión deslizante atornillada en el otro lado de la junta. Este patrón alterno continuó alrededor del edificio, permitiendo el movimiento en el plano de los paneles.

Había aproximadamente 1,370 anclajes en 32 paneles, sin incluir los anclajes de blast de ventana para 208 aperturas. Además del peso de algunos de los anclajes, la densidad del refuerzo de acero dificultó la colocación. “Muchos paneles requerían más de 14,000 libras de varilla de refuerzo para ser colocadas en los paneles de 15 pulgadas de espesor con numerosos recesos de profundidad, ingletes, encofrados, cartelas, etc.”, relató Roy Bean, vicepresidente de construcción de Southland Concrete, el subcontratista de tilted-up en el proyecto. “Nos enfrentamos a muchos desafíos para instalar correctamente todos los anclajes con la extraordinaria cantidad de varilla de refuerzo requerida, lo que hizo que el peso de algunos paneles superara las 248,000 libras en el gancho”.”

Según Bean, la cantidad de refuerzo en los paneles también presentó el desafío de asegurar una consolidación completa, lo cual se logró utilizando varios tipos de equipos, dependiendo de la ubicación dentro del panel.

Más allá de la complejidad del refuerzo, el único otro aspecto del proceso que preocupaba especialmente a Bean era el encaje de las juntas entre paneles. Las juntas entre paneles suelen coincidir debido a la utilización de moldes comunes. Sin embargo, “Debido a la ubicación de las camas de colada, la trayectoria de la grúa y otros factores, no pudimos colocar todos los paneles en secuencia y, por lo tanto, no pudimos utilizar moldes comunes para algunos de los bordes de los paneles de revestimiento”, explicó Bean. “Con la altura y el grosor de estos paneles, eso era una preocupación”. Resultó no ser un problema y todo encajó perfectamente. Con un grosor promedio de panel de 15 pulgadas, la madera dimensional simple no se podía usar por sí sola para el encofrado. Southland prefabricó secciones de encofrado de 16 pies utilizando madera dimensional revestida con overlay de densidad media. Asegurarse de que estos encofrados se mantuvieran a plomo durante todo el proceso fue fundamental para el éxito del proceso de montaje.

Los paneles se fundieron en tres losas de fundición separadas y la losa del piso del edificio. “El sitio, a pesar de ser grande, tenía acceso limitado a una carretera de circunvalación”, dijo Bean. A diferencia de cualquier otro edificio único, la planificación fue clave para el flujo de trabajo desde el inicio de la entrega/colocación del material hasta el final, mientras se erigían y arriostaban los paneles en el exterior a los anclajes helicoidales y se retiraban los mismos.”

El montaje de los paneles masivos presentó varios desafíos para la ingeniería de izaje y arriostramiento. Milton Littlefield, EI, ingeniero de tilt-up de Meadow Burke, diseñó el sistema de izaje y arriostramiento para el proyecto. Explicó que debido a las grandes aberturas en los paneles y las depresiones profundas (algunas de 4 pulgadas), muchos paneles requirieron el uso de soportes reforzados apilados de doble altura. “Al usar los soportes reforzados apilados, pudimos montar los paneles de manera segura utilizando el refuerzo existente en los paneles, lo que redujo la necesidad de refuerzo adicional y mantuvo los costos adicionales al mínimo”.”

Sin embargo, las grandes aberturas no redujeron el peso de los paneles lo suficiente para la grúa disponible para el trabajo. Para reducir aún más el peso, Haynes Whaley especificó concreto liviano. Según el Apéndice D de ACI 318, el cambio a concreto liviano conlleva una reducción del 25 por ciento en la capacidad de los anclajes de pernos con cabeza para las placas empotradas. Para contrarrestar esto y mantener el tamaño de las placas empotradas manejable, el equipo utilizó concreto de 6,000 psi para los paneles prefabricados inclinables para aumentar la capacidad de conexión para los estados límite del Apéndice D y compensar la reducción.

El apuntalamiento de los paneles de cuatro pisos desde el interior del edificio habría planteado múltiples desafíos. Principalmente, habrían creado un espacio demasiado estrecho para el montaje eficiente de la estructura de acero. Inicialmente, Harvey Cleary presupuestó y planificó cimientos continuos en forma de tira en el exterior del edificio, a los que se apuntalarían los paneles. Una vez retirados los apuntalamientos, el plan era enterrar los cimientos y dejarlos en su lugar. Cuando el propietario solicitó que no se dejaran las cimientos en su lugar, el costo potencial no presupuestado de retirarlas obligó al contratista a considerar el uso de anclajes helicoidales. “Al principio nos mostramos muy escépticos respecto a utilizar anclajes helicoidales en este proyecto debido a nuestra falta de familiaridad con ellos”, explicó Mark Tillotson, gerente principal de proyectos de Harvey-Cleary Builders. “Dada la altura y el peso de estos paneles, no estábamos necesariamente interesados en probar algo nuevo. Queríamos seguir con lo que estábamos acostumbrados, lo que sabíamos que funcionaba”. Después de consultar con Meadow Burke (fabricante del sistema de anclajes helicoidales) y aprender más sobre el sistema, el proyecto siguió adelante con los anclajes helicoidales.

Gordon Bell, un contratista independiente, se desempeñó como consultor de Southland Concrete y supervisó la instalación de los anclajes helicoidales. “El sitio se preparó correctamente y contaban con personal calificado y equipo adecuado listo para trabajar”. El rol de Bell durante todo el proceso fue asegurar que los anclajes se colocaran de manera segura en la posición correcta y que alcanzaran la capacidad especificada por Meadow Burke. “Durante la instalación, se lleva un registro que documenta la capacidad de sujeción de cada anclaje”, explicó Bell. Al finalizar el proceso de instalación, se emite un informe al contratista general, al subcontratista de paneles prefabricados y al fabricante (en este caso Meadow Burke) que demuestra que cada anclaje cumple con su capacidad especificada, la cual es el doble de la carga de la arriostración. “Los paneles se arriostraron utilizando las arriostraciones de longitud fija Super 52 pies de Meadow Burke y el sistema de anclaje Brace Badger”, dijo Littlefield. “Al usar esta combinación, pudimos manejar cargas de arriostramiento de más de 10,000 libras”.”

El proyecto busca la Certificación LEED Oro para el núcleo y la envolvente. Pasos como el reciclaje de las losas de fundición y el uso de otros hormigones reciclados como relleno para las juntas de asentamiento contribuyeron al esfuerzo. La Certificación LEED es solo un elemento adicional de calidad al proyecto que refuerza el interés a largo plazo de Konterra Realty y Boston Property en el mismo.

Armstrong dijo que están entusiasmados con lo que han hecho aquí y esperan continuar innovando en este mercado. Según Brown, esto es solo el comienzo. “El equipo continuará empujando los límites de la construcción de concreto prefabricado”.”

Se enfrentaron numerosos desafíos en este proyecto; la colaboración, la planificación y la persistencia los superaron. La estructura sirve como un testimonio de la versatilidad, la economía y la fortaleza del tilt-up como sistema de construcción para satisfacer las diversas necesidades de una amplia gama de requisitos de edificios.

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Fundada en Houston en 1976, y con oficinas en Reston, Virginia y Austin, Texas, Haynes Whaley Associates ofrece servicios de ingeniería estructural para una amplia gama de proyectos comerciales, públicos e institucionales. Trabajamos a nivel nacional, con proyectos en 40 estados, el Distrito de Columbia y ubicaciones internacionales. Como empresa enfocada exclusivamente en la ingeniería estructural de edificios, nuestro objetivo principal es lograr el diseño del arquitecto manteniendo el presupuesto y los requisitos de cronograma del propietario. Apoyamos esta misión manteniendo un espíritu de colaboración entre todos los miembros del equipo durante el proceso de diseño y construcción. Haynes Whaley es considerada líder en el diseño de sistemas estructurales para edificios de oficinas e industriales de tilt-up (hormigón prefabricado con vertido lateral), con más de 150 millones de pies cuadrados de experiencia en proyectos. Estos proyectos van desde 20,000 pies cuadrados hasta más de 1,000,000 pies cuadrados y han sido diseñados para alcanzar los objetivos de cada propietario en cuanto a eficiencia de costos, funcionalidad y mantenibilidad.

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