El acero como material...

Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional de Cuyo

El acero como

material

estructural

Definición

El acero está compuesto principalmente

por hierro, al cual se incorpora además

una reducida cantidad de carbono

(usualmente entre 0.2 y 2.0%) y de otros

elementos (tales como manganeso,

cromo, vanadio, tungsteno, etc.) para

conferirle propiedades especiales.

EL ACERO

2

Estática AplicadaAceros y productos de acero

Fabricación

El acero se fabrica básicamente por la fundición del mineral de hierro en un horno. Existen distintos

tipos de hornos, si bien en la actualidad se usan principalmente dos tipos: hornos de arco eléctrico y

hornos básicos de oxígeno.

De estos hornos se obtiene el acero fundido a una temperatura del orden de los 1400 a 1600 ºC según

un proceso que se denomina “colada”.

El material fundido se extrae del horno y se deja solidificar en lingoteras (obteniendo tochos de acero) o

bien se procesa en forma continua (colada continua). Este último procedimiento es más eficiente

porque permite ahorrar energía y mano de obra.

EL ACERO

3


El producto obtenido de los hornos en forma de lingotes, palanquilla

(barras de sección cuadrada), desbastes rectangulares, etc., es luego

sometido al proceso de laminación para obtener distintos productos.

EL ACERO

4


EL ACERO

5


Laminación en caliente

El acero salido de los hornos se recalienta a una temperatura de 1200 a 1300 ºC y se lo fuerza a pasar

entre dos rodillos que giran con sentido contrario y cuya separación es menor que el espesor de la

pieza que se lamina. De esta forma, a través de sucesivas pasadas se logra que el material laminado

adopte distintas formas, como perfiles o chapas.

EL ACERO

6


Esquema del proceso de laminación continuaDetalle del material pasando entre los rodillos de laminación

Laminación

EL ACERO

7


Laminación de un perfil I Perfil a la salida de la laminadora

Tratamientos térmicos

Las propiedades del acero dependen de su composición química, sin embargo, también pueden ser

afectadas por tratamientos posteriores al proceso de fabricación. Se denomina tratamientos térmicos

a distintos procesos que implican cambios de temperatura del acero en estado sólido. Éstos modifican

las propiedades del acero debido a los cambios en su estructura cristalina.

Los tres tratamientos principales son:

• Enfriamiento: consiste en calentar la pieza metálica a altas temperaturas y luego enfriarla

rápidamente sumergiéndola en un fluido. Se obtiene un material más duro y resistente, pero más frágil.

• Templado: consiste en calentar la pieza a unos 1150 ºC y luego dejarla enfriar al aire. Este proceso

alivia esfuerzos internos y mejora la ductilidad del material.

• Destemplado: se logra calentando el material y luego enfriándolo lentamente y en forma controlada

en un horno. Se mejora la ductilidad y se reduce la tensión de fluencia y la dureza del material.

EL ACERO

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Propiedades del acero

Las propiedades mecánicas del acero, necesarias en diversas etapas

del cálculo y diseño estructural, se relacionan con su resistencia y su

deformabilidad. Estas propiedades, usualmente, se obtienen de un

ensayo estático uniaxial de tracción

El ensayo consiste aplicar fuerzas de tracción a una probeta de

acero (como se indica en la figura de la derecha), midiendo durante

la prueba la fuerza aplicada y las deformaciones en la zona central

de la probeta. Los resultados se presentan usualmente mediante

una curva tensión-deformación, como la que mostramos en esta

diapositiva.

EL ACERO

9


http://nl.zwick.com


EL ACERO

10


Tensión

Deformación

Límite de proporcionalidad

Módulo de elasticidad, E

Resistencia a la tracción o

tensión última

Deformación máxima, εu

Tensión de fluencia

Deformación de fluencia, εy

Rotura por tracción


EL ACERO

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Tensión

Deformación


Resistencia a la tracción


Rango inelástico

Rango elástico: en el cual la tensión es directamente proporcional a la deformación y además el material no presenta deformaciones permanentes si se realizan ciclos de carga y descarga.

Rango inelástico: el material si presenta deformaciones permanentes si se realizan ciclos de carga y descarga (línea de trazo azul en el gráfico).

Rango elástico


EL ACERO

12


Tensión

Deformación


Resistencia a la tracción


Rango inelástico

Rango plástico

Rango de endurecimiento por deformación

Rango de estricción

Rango plástico: el material fluye (se deforma) a tensión constante.

Rango de endurecimiento por deformación: el material se deforma pero muestra un aumento de la resistencia.

Rango de estricción: el material continúa elongándose, pero la sección transversal se reduce en la zona donde finalmente se producirá la rotura por tracción.

Rango elástico


En las diapositivas previas mostramos las principales características mecánicas del acero a partir de la curva obtenida de un ensayo de tracción. A modo de resumen, definimos las propiedades mecánicas de interés para el cálculo y diseño estructural:

Módulo de elasticidad, E: es una medida de la rigidez del material. Gráficamente queda representado por la pendiente de la curva tensión-deformación en rango elástico (que en dicha zona es una recta). Los aceros estructurales tienen un módulo de elasticidad prácticamente constante, del orden de 200.000 MPa.

Resistencia a la tracción, Fu: tensión máxima que puede resistir el acero.

Tensión de fluencia, Fy: es la tensión para la cual el material se deforma a tensión constante (meseta en el diagrama tensión-deformación). Los aceros aleados no presentan una zona de fluencia bien definida y por lo tanto este valor se determina en forma convencional (según se indica en la diapositiva siguiente) .

EL ACERO

13




EL ACERO

14


Tensión de fluencia, Fy: en el caso de aceros aleados , que no presentan una zona de fluencia bien definida , este valor se determina con el siguiente procedimiento (presione la tecla avanzar):

Tensión

Deformación0.005 0.010

1. Se traza una línea paralela a la recta de comportamiento elástico (recta inicial), con una separación (offset), en términos de deformación, de 0.002 o 0.2%.

0.002

0.002 2. Se determina la tensión de fluencia como la tensión en el punto de intersección de la recta trazada en el paso anterior y la curva tensión-deformación.



Deformación de fluencia, εy: la deformación a la cual se inicia la fluencia.

Deformación máxima, εu: la deformación correspondiente a la máxima tensión o resistencia de tracción. Es importante que desde el punto de vista estructural no se considera la rama descendente previa a la rotura. En los aceros al carbono esta deformación es del orden del 0.20 (o 20%).

Ductilidad: es la capacidad del material de deformarse en rango inelástico y se define como la relación

entre la deformación máxima y la de fluencia : μ = εu / εy.

Esta propiedad es muy importante para construcciones sismorresistentes de acero, dado que en estos casos los códigos de diseño usualmente admiten que la estructura se deforme en rango inelástico (este aspecto se verá nuevamente en el módulo de Cargas aplicadas sobre estructuras).

EL ACERO

15


Tensión

Deformación

Resisten. a la tracción


Ductilidad, μ

εy εu

Tipos de acero

La industria siderúrgica produce una amplia gama de

aceros para una gran cantidad de aplicaciones. Desde

el punto de vista estructural, podemos considerar

tres categorías principales:

• Aceros al carbono

• Acero de alta resistencia y baja aleación

• Aceros aleados

EL ACERO

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Aceros al carbono

Estos aceros se caracterizan por tener carbono y manganeso como los principales elementos que se

agregan al hierro. En la medida que se incrementa el porcentaje de carbono se aumenta la resistencia

y la dureza, pero disminuye la ductilidad y la soldabilidad del acero. La tensión de fluencia de estos

aceros usualmente varía entre 220 y 350 MPa.

Los aceros al carbono puede subdividirse en cuatro grupos:

• Aceros con bajo carbono: contienen menos del 0.15 % de carbono.

• Aceros dulces: 0.15 a 0.29% de carbono. La mayoría de los aceros al carbono de uso estructural caen

en esta categoría.

• Aceros con contenido medio de carbono: 0.30 a 0.59 % de carbono.

• Aceros con contenido alto de carbono: 0.60 a 1.70 % de carbono

TIPOS DE ACERO

17


Curvas tensión-deformación típicas

TIPOS DE ACERO

18


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Ten

sió

n (

MP

a)

Deformación

A514

A572

A36

Aceros de uso estructural. Según normas IRAM-IAS U500-042

Laminados en caliente

Acero F-22

Acero F-24 – Tensión de fluencia Fy = 240 MPa


Acero F-30


TIPOS DE ACERO

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El acero es un material con múltiples aplicaciones estructurales. En esta clase describiremos su uso en

productos como: chapas de acero, perfiles laminados, tubos estructurales, perfiles conformados en frío,

perfiles soldados, barras, cables, bulones y soldadura.

PRODUCTOS DE ACERO

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Aceros y productos de acero

Descripción general

Las chapas de acero se fabrican mediante

el proceso de laminación descripto

previamente (en la Clase 1 de este

módulo). Las chapas de acero se fabrican

dentro de una amplia variedad de

espesores, usualmente expresados en

pulgada por una cuestión de tradición

(aún en los países donde se usa el sistema

internacional).

CHAPAS

21


CHAPAS

22


Aplicaciones

Las chapas de acero se usan para fabricar miembros

estructurales completos, tales como vigas o columnas

(secciones armadas), o bien para construir elementos

de refuerzo, placas de continuidad, rigidizadores

(especialmente en conexiones y vínculos).

En la foto superior vemos la conexión interna de una

estructura de acero, mientras que en la foto inferior

mostramos el detalle del vínculo de una columna

tubular. En ambos casos se han empleado chapas de

acero de distintas formas y espesores.

CHAPAS

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Chapas para cubiertas y cerramientos

Las chapas para cubiertas y cerramientos se fabrican a partir de chapas finas, las cuales usualmente se

protegen mediante un proceso de galvanizado o pre-pintado, debido a que estarán expuestas a la

intemperie. Estas chapas se producen con formas diversas (en los esquemas se presentan dos casos

típicos, si bien se producen una amplia variedad de secciones) con el objeto de darle a la chapa mayor

resistencia y rigidez (mientras mayor es la altura de la onda o de los trapecios, mayor es la resistencia

y rigidez). Los espesores usuales varían entre 0.7 y 1.2 mm

CHAPAS

24


Chapa sinusoidal

Chapa trapezoidal

Chapas para cubiertas y cerramientos

CHAPAS

25


Losas mixtas con chapa colaborante

El sistema de losas mixtas con chapa colaborante es usado para

la construcción eficiente de pisos, combinando adecuadamente

el acero y el hormigón. Para ello se utiliza una chapa

galvanizada y plegada (con espesores usuales entre 0.8 y 1.2

mm) que cumple una doble función: (i) servir de encofrado

perdido, al momento del hormigonado, y (ii) resistir los

esfuerzos inducidos en el piso en forma conjunta con el

hormigón (una vez que éste ha fraguado). El trabajo conjunto

entre ambos materiales se logra por que la chapa cuenta con

superficie rugosa.

Este sistema permite agilizar el proceso constructivo y es

ampliamente usado en mucho países.

CHAPAS

26


Losas mixtas con chapa colaborante

CHAPAS

27


Conectores soldados a la viga

Chapa plegada con conformación superficial

http://www.alcor.com.ar/

Armadura de refuerzo


Los perfiles laminados son barras de acero industrializadas que se fabrican con secciones

transversales diversas para optimizar ciertos parámetros mecánicos. Como su nombre lo indica,

estos perfiles se fabrican mediante el proceso de laminación.

Una de las principales ventajas de estos perfiles es que se producen en distintas formas y medidas

que se encuentran comercialmente disponibles para uso en diversas aplicaciones estructurales.

Además, se fabrican con distintas calidades de acero para adaptarse a las necesidades de cada

caso.

En las próximas diapositivas describimos los tipos de perfiles más usuales.

PERFILES LAMINADOS

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Perfiles I (o doble T)

Estos perfiles cuentan con dos “alas” paralelas, conectadas entre si por un “alma” ubicada en el

centro. De esta forma se consigue una sección que presenta buenas características, en términos de

rigidez y resistencia, para miembros sometidos a flexión. Observamos que los perfiles I presentan dos

ejes de simetría

PERFILES LAMINADOS

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Perfil I estándar Perfil I ancho (W) - IPB

x

y

x

y

Perfiles canal (o U, o C)

Estos perfiles cuentan con dos “alas” paralelas, conectadas entre si por un “alma” . Al igual que en el

caso de los perfiles I, se consigue una sección que presenta buenas características, en términos de

rigidez y resistencia, para miembros sometidos a flexión. Observamos que los perfiles canal presentan

un solo eje de simetría (el eje x).

PERFILES LAMINADOS

30


x

y

Perfiles ángulo (o L)

Estos perfiles se caracterizan por tener dos elementos planos vinculados entre si en forma

perpendicular, y se utilizan principalmente como miembros en vigas reticuladas o bien en secciones

armadas. Observamos que estos perfiles presenta un solo eje de simetría (el eje 1), para el caso del

perfil de alas iguales, o bien no tiene eje de simetría, en el caso del perfil de alas desiguales.

PERFILES LAMINADOS

31


Perfil ángulo de alas iguales Perfil ángulo de alas desiguales

x

y

x

y

Perfiles T

Estos perfiles se caracterizan por tener dos elementos planos vinculados entre si en forma

perpendicular, y se utilizan en aplicaciones similares a las de los perfiles ángulos. Observamos que

estos perfiles presenta un solo eje de simetría (eje vertical).

Los perfiles T se obtiene directamente por laminación o bien se producen a partir de cortar por la

mitad, a lo largo del alma, un perfil laminado I.

PERFILES LAMINADOS

32


x

y


Los tubos o secciones huecas de acero tienen espesor constante y se fabrican con sección rectangular,

cuadrada o circular (como vemos en la figura inferior). La principal ventaja es que se logran secciones

de buena rigidez y resistencia, con un consumo reducido de material. Se los emplea para la

construcción de columnas, miembros de vigas reticuladas o como vigas (particularmente la sección

rectangular). Además, este tipo de secciones, al ser cerradas, son muy adecuadas para miembros

sometidos a torsión.

TUBOS ESTRUCTURALES

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Tipos de tubos estructurales

Los tubos se dividen, según el proceso de fabricación en dos tipos:

• Tubos soldados (o con costura): este tipo se fabrican a partir de una chapa que, luego de ser

calentada en un horno , se hace pasar por rodillos que le dan la forma tubular. Los bordes de la chapa

se cierran mediante una soldadura longitudinal continua. La soldadura exterior es sometida a un

desbarbado para darle una adecuada terminación. En el caso de tubos circulares también se aplica un

proceso de fabricación con costura helicoidal.

• Tubos sin costura: estos se fabrican a partir de una barra sólida que se calienta y luego se perfora

longitudinalmente para formar un tubo. Finalmente, se pasa el tubo por un proceso de laminado que

le confiere las dimensiones y espesor apropiado.

Debido a la mayor complejidad del proceso de fabricación, los tubos sin costura son más caros que los

soldados . Estos últimos son los más usados para aplicaciones estructurales.

TUBOS ESTRUCTURALES

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Denominación

Los tubos estructurales se denominan mediante sus dimensiones (en pulgadas o en mm). A

continuación presentamos algunos ejemplos:

• Tubo rectangular: 100x50x3.2 (indica el alto, la anchura y el espesor, en mm.)

• Tubo cuadrado: 100x100x3.2 (indica el lado del cuadrado y el espesor, en mm.)

• Tubo circular: 100x3.2 (indica el diámetro exterior y el espesor, en mm.)

En Estados Unidos es usual designar a los tubos estructurales rectangulares y cuadrados con las siglas

HSS (hollow structural section) y a los tubos circulares con la letra P.

TUBOS ESTRUCTURALES

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Estos perfiles, también denominados perfiles de chapa plegada, se obtienen a partir de chapas planas

que son plegadas para obtener distintas secciones. El proceso de fabricación es más simple que el de los

perfiles laminados.

En general, para este tipo de perfiles no existen secciones estándar y cada fabricante fija las

características del producto. A modo de descripción, podemos indicar que, usualmente, la altura total

de la sección está comprendida entre 60 y 300mm, mientras los espesores varían entre 1.6 y 3.2mm.

Por sus características, estos perfiles se usan para vigas y correas, de longitudes relativamente

reducidas, que deben soportar cargas bajas o medias.

Las secciones de los perfiles conformados en frío, como se fabrican con chapas relativamente finas, se

pueden reforzar mediante pliegues, o bien con “pestañas” que se disponen en los bordes libres de la

chapa.

PERFILES CONFORMADOS EN FRÍO

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Ejemplos de perfiles de chapa plegada


37


Perfil C Perfil U Perfil C reforzado Perfil Z

Perfil galera (o “hat”) Perfil silo


Estos perfiles se denominan a partir de sus dimensiones principales y el espesor. Por ejemplo:

Perfil C 200 x 80 x 20 x 3.2 (indica la altura, 200mm, la anchura del ala, 60mm, la dimensión de la

pestaña, 20 mm, y el espesor de la chapa, 3.2 mm).


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Los perfiles soldados y miembros armados se fabrican con chapas planas, con varios perfiles laminados

vinculados entre si o con una combinación de perfiles y chapas. Estos se producen con el objetivo de

optimizar el diseño estructural adoptando formas y secciones que se ajustan en forma muy eficiente a

las particularidades de cada caso. Es decir que los perfiles soldados y miembros armados se diseñan a

medida para una situación particular, a diferencia de los perfiles laminados que se fabrican con

medidas estándares y están disponibles comercialmente.

En la diapositiva siguiente mostramos algunos ejemplos, tomados de una amplia gama de

posibilidades que surgen de combinar chapas, perfiles o ambos.

PERFILES SOLDADOS

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PERFILES SOLDADOS Y MIEMBROS ARMADOS

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Perfil I soldado Perfil I soldado con alas desiguales

Perfil tipo “cajón”

Perfiles laminados canal soldados

Perfiles laminados canal soldados con chapas

Perfil laminado Ireforzado


El acero estructural se produce también en forma de barras macizas (de sección circular, cuadrada o

rectangular) y cables, formados por alambres de acero enrollados en forma helicoidal en una o más

capas.

Las barras de acero se usan en miembros sometidos a tracción, por ejemplo tensores, o bien como

refuerzo localizado en conexiones y vínculos. Los cables se emplean como miembros traccionados,

particularmente en puentes colgantes y atirantados, riendas para antenas, etc..

BARRAS Y CABLES

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Los bulones o pernos son medios de conexión formado por un vástago cilíndrico y una cabeza,

usualmente de forma hexagonal, dispuesta en un extremo. El vástago se encuentra parcial o

totalmente roscado de modo de permitir el ajuste del bulón mediante una tuerca. Normalmente se

coloca una arandela delante de la tuerca para mejorar el ajuste del bulón.

En los casos que se requiere una adecuada resistencia a la corrosión, los bulones se someten a un

proceso de galvanizado.

BULONES

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Tipos de bulones

Los bulones se fabrican en una amplia variedad de tipos y con

distintas calidades de acero, variando la situación en cada país.

Las normas ASTM especifican características de los pernos; sin

embargo los más usados (incluidos en el reglamento ANSI/AISC

360-10, Tabla J3.2) son:

• Bulones comunes (o de acero al carbono): A307, con una

resistencia nominal de tracción de 310 MPa.

• Bulones de alta resistencia: incluye dos tipos:

A325, con una resistencia nominal de tracción de 620 MPa.

A490 , con una resistencia nominal de tracción de 490 MPa.

La denominación del bulón se indica normalmente en la cabeza del mismo.

BULONES

43



La soldadura es un proceso que permite conectar elementos de acero mediante la fusión del material

en una zona localizada. El aumento de temperatura necesario para producir la fusión se obtiene

mediante un arco eléctrico. En la actualidad se aplican distintos procedimientos, cuya descripción está

fuera de los alcances de este módulo (este tema se verá con más profundidad en la tercer etapa del

curso). El más simple y utilizado es el proceso de soldadura por arco metálico protegido (SMAW,

Shielded Metalic Arc Welding).

ELECTRODOS PARA SOLDADURA

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Tipos de electrodos

Los electrodos se fabrican según distintos tipos y calidades, dependiendo del proceso de soldadura,

del tipo de acero a soldar y de otras condiciones. En Estados Unidos, las especificaciones de American

Welding Society, AWS, A.5.1 y A5.5 definen las características de los electrodos, en los cuales se utiliza

acero con una tensión mínima de fluencia comprendida entre 50 y 98 Mpa.


45


Tipos de electrodos

La denominación que utiliza la AWS para identificar los electrodos considera el proceso de soldadura,

la tensión de fluencia del acero y las condiciones de uso del electrodo. Como ejemplo, un electrodo

E60XX es para ser usado en soldadura por arco protegido, con una tensión de fluencia de 60 ksi (415

MPa) y “XX” representa números que indican el uso del electrodo.


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Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional de Cuyo

Aspectos

estructurales

de las

construcciones

de acero

Principales características de las construcciones de

acero

Material con alta resistencia a fluencia y rotura

Secciones esbeltas, posibilidad de cubrir grandes luces, diversidad de formas, etc.


acero

Material con alta resistencia a fluencia y rotura

Secciones esbeltas Problemas de pandeo global y local.


acero

Resistencia al fuego

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 200 400 600 800 1000

Temperatura (oC)

Va

rlo

r re

lati

vo

Módulo de elasticidad

Resistencia a fluencia

Proceso constructivo industrializado:

Reducción en los tiempos de obra.

Es conveniente modular para optimizar el diseño y la construcción.

Estructuras versátiles para solucionar distintos problemas y adaptarse a situaciones diversas.


acero

Rose Center for Earth and Space

New York

Ontario College of Art and Design

Ampliación

Naves industriales


acero

Uniones

Sistema industrializado que se construye por partes.

Medios de unión:

- Soldadura

- Bulones (comunes o de alta resistencia

Resulta de fundamental importancia el diseño de los detalles.


acero


acero

Control de calidad:

- Materiales: perfiles, chapas, bulones, electrodos (análisis químicos, propiedades mecánicas, dimensiones).

- Fabricación en taller: control dimensional, uniones soldadas y abulonadas.

- Montaje en obra: control dimensional, uniones soldadas y abulonadas.

Mantenimiento:

Control de la corrosión.

Rehabilitación estructural

Rehabilitación es el proceso por el cual se diseñan soluciones

destinadas a mejorar la respuesta estructural de la construcción

(particularmente ante la ocurrencia de un sismo), confiriéndole

mayor resistencia, ductilidad o rigidez, eliminando irregularidades

estructurales, disminuyendo la masa innecesaria, etc.

Los elementos de acero representan una solución muy conveniente

por:

-Posibilidad de trabajar “en seco”

-Rapidez constructiva.

-Fácil montaje.

Refuerzo con riostras de acero

Escuela Normal, Mendoza

Ejemplo de rehabilitación sísmica de un edificio

Residence Hall, Berkeley

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