댐퍼의 위치가 부속실 및 방화문에서의 열 유동 특성에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구
문효준·고권현*·유홍선†
중앙대학교 기계공학부, *동양대학교 건축소방행정학과
Numerical Study on the Effect of Damper Position on Characteristics of Thermal Flow at the Vestibules and Fire Door
Hyo-Jun Moon · Gwon-Hyun Ko* · Hong-Sun Ryou†
School of Mechanical Engineering, Chungang Univ.
*Dept. of Architecture and Fire Administration, Dongyang Univ.
(Received December 4, 2012; Revised January 3, 2013; Accepted February 1, 2013)
요 약
급기가압 제연시스템은 재실자의 피난활동 및 피난시간에 직접적인 영향을 미치므로 건축물의 화재안전에 있어 핵심 적인 설비이다. 하지만 댐퍼의 위치에 따라 방화문에서 부속실로 연기가 유입되는 현상이 발생할 수 있으며 이에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 댐퍼위치에 따른 부속실과 방화문에서의 열 유동특성 및 연기가 부속실로 유입 되는 현상을 FDS 5.5를 이용하여 수치해석으로 분석하였다. 또한 실제 현상을 구현하기 위해 재실자의 피난을 가정하여 방화문이 개방되고 폐쇄되는 효과를 설정하였으며 열 방출률을 변화시키면서 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과, 열 방출률이 200 kW에서 400 kW 일 때는 댐퍼의 위치가 방화문의 정면일 때 다른 댐퍼의 위치보다 연기가 부속실로 유 입되는 현상을 나타났다. 하지만 열 방출률이 400 kW 이상일 경우에는 댐퍼의 위치에 대한 영향이 크지 않았다.
ABSTRACT
The pressurized smoke control system is important for fire safety in building because it is directly concerned with egress time of people. Even though the damper plays an essential role in the pressurized smoke control system, the phe- nomena of backflow smoke occurs for a certain the damper position. The research for a position of damper effects on dis- tribution of air flow at the fire door is not performed. In this study, numerical simulation using FDS 5.5 was carried out to analyze the effect of the position of damper on flow distribution at the fire door. To simulate real situation, effects of opening and closing of fire door was considered. As a result, when HRR was between 200 kW and 400 kW, in the case which the damper was on the opposite wall of the fire door, the back flow to the vestibules was large compared to the two other cases of damper position. But when HRR was above 400 kW, Effect on damper position was not occurred.
Keywords : Pressurized smoke control system, Damper, CFD, Back flow, Air flow
1. 서 론
건축물 화재 시 급기 가압 제연시스템은 부속실 및 피난 안전구역을 가압하여 연기 및 유독가스의 유동을 제어함 으로써 화재가 발생한 공간으로부터 연기가 유입되는 것 을 방지하여 인명피해를 최소화 할 수 있는 건축물의 가장 핵심적인 소방시설이다.
국내의 화재안전기준에 따르면 계단실 및 부속실 동시 제연, 부속실 단독 제연 및 계단실 단독 제연으로 구분할 수 있으며 현재 국내 대부분의 건축물에서는 급기 가압을
통한 부속실 단독 제연시스템이 적용되고 있다. 부속실 단 독 제연방식의 경우, 급기 가압 제연시스템의 성능은 급기 량, 부속실의 누설면적, 방화문의 크기 및 댐퍼의 위치와 특성 등 다양한 변수와 상관관계를 가지고 있다(1). 특히 재실자가 피난을 위해 부속실의 방화문을 일시적으로 개 방하는 경우 방화문 면적에서는 0.7 m/s의 방연풍속을 유 지해야 한다(2).
하지만 부속실과 옥내 사이의 일정한 차압이 유지되고 방연풍속을 만족하더라도 부속실의 댐퍼 위치에 따른 공 급되는 공기의 방향성, 연기의 부력, 밀도 차이 및 와류
†Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
†TEL: +82-10-3269-5280, FAX: +82-2-820-3669
ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2013.27.1.031
있다.
급기 가압 제연시스템의 급기량과 연기거동에 관한 연 구로 이재빈 등 은 제연댐퍼 송풍량에 따른 차압 및 연기 거동 특성에 대해 수치해석을 수행하여 피난 시나리오에 따른 적절한 송풍량을 제안하였으며(5)방연풍속의 특성에 대한 연구로는 홍대화 등 은 부속실 면적에 따른 방연풍속 의 특성에 대해 수치해석 연구를 수행하였고(6)박경환 등 은 승강로 가압을 이용한 차압 및 방연풍속에 대해 실험적 으로 분석하였다(7). 김정엽 등은 급기 가압 제연시스템에 서 방연풍속의 형성과 특성에 대해 수치해석적 연구를 수 행하였다(8). 또한 Shermaan C.P. 등 은 홍콩의 초고층 건 축물을 대상으로 화재 시 출입문에서 누설되는 기체의 흐 름이 온도와 압력에 미치는 영향을 해석적으로 분석하여 연기가 확산되지 않는 최적의 틈새 높이를 제시하였다(9). 또한 유우준 등 은 부속실 단독가압방식에서 출입문 크기 변화를 고려한 개방 및 폐쇄력에 대한 실험적 연구를 수행 하였다(1).
하지만 화재안전기준에서는 댐퍼의 위치는 방화문에서 가장 먼 곳에 설치해야한다는 기준만 제시되어 있으며(2) 댐퍼의 설치위치에 대한 부속실 및 방화문의 공기유동 특 성에 미치는 영향에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 건축물의 화재 발생 시 부속실 단 독 가압 제연시스템에서 댐퍼의 설치 위치에 따른 방화문 에서의 열 유동특성 및 연기 유입 현상에 대해 수치해석을 수행하였다. 실제 현상을 구현하기 위해 방화문이 개방되 고 폐쇄되는 효과를 적용하여 댐퍼 위치와 열 방출률에 따 른 열 유동특성을 분석하였다.
and Technology)에서 개발한 CFD 기반의 FDS(Fire Dynamics Simulator, Version 5.5)를 사용하였다. FDS는 화원에서 발 생되는 열과 연기 거동을 해석하기 위한 모델이며 저속 (Low Mach Number)의 열 유동에 대해 Navier-Stokes 방 정식을 기반으로 수치해석을 수행하며 난류 유동해석은 Smagorinsky의 와류 점성모델과 함께 사용된 LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하였으며 연소모델은 혼합 분율(Mixture Fraction) 모델이 사용된다.
또한 FDS에서 사용된 지배방정식은 질량, 운동량, 에너 지 및 상태 방정식으로 다음과 같으며 자세한 사항은 참고 문헌에서 찾을 수 있다(10).
(1)
(2)
(3)
(4)
2.2 모델링 및 경계조건
본 연구에서는 구획화재 연구에서 널리 사용되는 ISO 9705의 Room Corner Test에서 제시된 공간의 규격을 이 용하였으며(11) 수치해석 대상공간의 개략도는 Figure 1과 같으며 계산 도메인은 Figure 2와 같다. 길이 3.6 m, 폭
∂ρ∂t
---+∇ρu=0
∂
∂t----( )+∇ρuu+∇p=ρf+∇τρu ij
∂
∂t----( )+∇ρhu=Dpρh
---+q·'''−∇q+ΦDt p=ρRT
---M
Fig. 1. The geometry using the ISO 9705 (room corner test).
2.4 m 및 높이 2.4 m의 공간 3개를 폭 0.8 m, 높이 2.0 m 의 문으로 연결하여 건축물의 부속실과 옥내로 가정하였 다. 화원은 가로 1.0 m, 세로 1.0 m의 면적으로 설정하였 다. 화원은 프로판으로 설정하였으며 화원의 크기변화에 따른 댐퍼의 위치 영향을 분석하기 위해 100 kW부터 600 kW까지 구분하여 수치해석을 수행하였다. 또한 화재 발생 시 최악의 조건을 고려하여 각 시뮬레이션에서는 열 방출 률을 일정하게 설정하였다.
(5)
또한 댐퍼는 루버(Louver)를 제외한 형상으로 설정하였 으며 댐퍼에서 부속실로 공급되는 유동의 방향은 U방향으 로 설정하였다. 또한 공기의 유량은 화재안전기준에서 제 시하는 (5)식으로 산정하였다(2). 여기서, QDoor은 부속실에 서 방화문을 통과하는 공기의 유량이며 M은 건축물 층 수 에 따른 효과에 대한 상수이다. 이에 따라 댐퍼에서 부속 실로 공급되는 공기의 유속, 입구 속도 경계조건은 5.54 m/s로 설정하였으며 출구 경계조건은 대기압으로 설정하 였다.
또한 본 연구에서는 댐퍼의 위치가 방화문에서의 유동분 포에 미치는 영향을 분석하기 위해 Table 1과 같이 댐퍼의 설치 위치에 따른 수치해석 케이스를 구분하였다. 시간에 따른 경계조건의 변화는 다음의 Figure 3와 같다. 부속실에 서의 댐퍼 위치는 화재안전기준에서 제시하는 바에 따라 옥내로 연결되는 방화문에서 가장 먼 곳에 설치하였다(2).
격자 크기의 적정성을 판단하기 위해 공간적인 영향을 받지 않도록 댐퍼에서부터 2 m 떨어진 위치에서 계산된 속도 값을 이용하였으며 결과는 Figure 4과 같다. 격자 테 스트 결과에 따라 수치해석에서 사용된 격자 크기는 0.05 m
×0.05 m×0.05 m이며 격자의 수는 약 61만 개이다.
3. 결과 및 고찰
3.1 속도 분포
댐퍼에 위치에 따른 방화문에서 U-velocity에 미치는 영 향을 분석하기 위해 방화문 높이에 따른 속도분포를 Figure 5에 나타내었다.
여기서 U-velocity는 방화문의 높이에 따라 0.1 m 간격 으로 계산된 값으로 방화문이 개방된 10초 동안의 평균
U-velocity이며 여기서, 음수 값은 옥내에서 부속실로 흐르
는 유동 방향을 나타낸다.
Figure 5(a)의 CASE A는 상단부에서의 U-velocity가 하 단부보다 높았다. 또한 열 방출률이 증가함에 따라 하단부 의 U-velocity는 증가한 반면 상단부의 U-velocity는 감소 하였으며 열 방출률이 300 kW에 도달하였을 때 방화문 상단부에서의 속도는 역방향으로 나타났다. 열 방출률이 400 kW와 500 kW일 때는 방화문 1.6 m 높이에서 화재공 간에서 부속실로 유동이 진행되었으며 1.8 m에서의 유체 의 유속은 약 0.7 m/s이였다.
QDoor=M AV ---0.6
⎝ ⎠
⎛ ⎞
Figure 2. Computational domain.
Figure 4. The result of the grid independent test.
Figure 3. Changing the events of boundary condition.
Table 1. Classification of Cases
CASE Position of Damper
A The damper is posed on wall of the opposition of the fire door.
B The damper is posed on side wall of the fire door.
C The damper is posed on ceiling in the fire room.
부의 U-velocity 차이가 증가하였으며 열 방출률이 400 kW 일 때부터 방화문 상단부에서는 역방향의 유동이 나타났 다. 열 방출률이 500 kW로 증가함에 따라 방화문의 높이
1.6 m에서부터 상단부까지 부속실로 유동이 진행되었으며
이 대 상단부에서의 속도는 약 0.4 m/s이였다.
CASE C의 경우 천정에서 아래쪽으로 향하는 공기유동
이 바닥과 충돌하기 때문에 0.2 m 높이에서의 속도가 약 2.5 m/s로 방화문 하단부에서의 U-velocity는 다른 CASE와 유사하지만 높이 0.2 m 이상에서는 급격하게 감소하였다.
이는 댐퍼의 위치가 바닥으로부터 0.2 m에서부터 1.0 m 이기 때문에 측면과 정면에 설치되었을 경우에는 방화문 하단부에 공기 유동이 집중되기 때문이다. 따라서 댐퍼의 위치가 정면일 경우, 열 방출률이 약 300 kW일 때부터 방 화문을 통해 화재공간에서 부속실로 유체가 유동하는 현 상이 나타났으며 열 방출률이 증가함에 유체가 부속실로 역류하는 유속은 증가하였다. 하지만 댐퍼가 측면 또는 천 정일 경우, 부속실로 유체가 유입되는 현상은 열 방출률이 400 kW에서부터 나타났다.
이는 댐퍼에서 공급되는 공기의 방향이 CASE A의 경 우 하단부에 집중되어 있으며 방화문을 지접적으로 통과 하기 때문이다. 하지만 CASE B와 CASE C의 경우 부속 실의 공급된 공기는 부속실에 방화문으로 직접 통과하지 않고 축척되어 부속실의 압력이 상승함으로써 상대적으로 적은 열 방출률일 경우 연기의 유입을 최소화한다. 따라서 열 방출률이 일정한 크기 이하일 경우, 댐퍼의 위치가 정 면일 때 연기가 방화문의 상단부에서 부속실로 유입되었 지만 열 방출률이 증가함에 따라 댐퍼의 위치에 대한 영향 이 감소하였다.
Figure 6는 시간에 따라 방화문에서 유동의 변화를 분석
하기 위해 방화문이 개방된 후 10초 동안 방화문 높이 1.8 m에서 시간에 따른 속도 변화이다. Figure 6(a)는 열 방출 률이 300 kW인 경우로 CASE A에서 12초부터 약 3초 동 안 유동이 화재공간에서 부속실로 진행되었다.
반면에 CASE B와 C의 경우, 방화문에서의 대부분의 유동은 부속실에서 화재공간으로 진행되었다. 또한 CASE A와 비교하여 유속이 진동하는 현상이 발생하지 않았다.
따라서 다른 케이스에서는 CASE A보다 방화문에서의 유 동이 안정적이며 댐퍼의 성능이 효과적이라고 판단되며 또한 열 방출률이 300 kW일 경우, CASE C는 댐퍼에서 공급되는 유량을 더 적게 산정하여도 제연성능에 큰 영향 을 미치지 않는다고 사료된다. 하지만 열 방출률이 500 kW일 때, 10초 동안 평균 속도는 CASE A는 약 0.7 m/s, 다른 CASE는 약 0.4 m/s이며 모든 CASE에서 유동이 부 속실로 진행되었다. 따라서 열 방출률이 증가하면 댐퍼 위 Figure 5. U-velocity with height of fire door (a) CASE A (b)
CASE B (c) CASE C.
치가 제연성능에 미치는 영향이 감소하였다.
3.2 속도 벡터
일반적으로 화재가 발생하면 화재로 인한 플럼(Fire
plume)이 생성되며 생성된 플럼에서 연기가 발생한다. 연
기는 밀도 차이에 의한 부력에 의해 상승하여 천정에 충돌 (Impinging)하는 현상이 발생한다. 천정면에 충돌한 연기 는 천정을 따라 유동하게 되며 이를 천정 분출 유동 (Ceiling jet flow)가 형성된다. 이러한 천정 분출 유동은 구획된 공간(Confined compartment room)에서 방화문의 상단부로 분출된다(3,4,12). 따라서 본 연구에서는 댐퍼의 위 치에 따른 화재 공간에서 형성된 천정 분출 유동이 방화문 을 통해 유입되는 현상을 분석하기 위해 열 방출률이 300
kW인 경우, 방화문이 개방되고 4초 후의 속도 벡터를 Figure 7에 나타내었다.
Figure 7(a)에서 속도 벡터의 방향을 보면 방화문 상단부 에서 유체는 화재 공간에서 부속실로 진행되었지만 Figure 7(b)와 (c)에서는 유체가 부속실로 유입되는 현상이 발생 하지 않았다.
CASE A의 경우, 댐퍼에서 유입된 공기의 유동이 하단
부에 집중되고 방화문 상단에서는 화재공간으로 흐르는 공기의 유속이 상대적으로 작기 때문에 화재로부터 발생 한 연기가 천정을 따라 전파된 후 방화문의 상단으로 유입 된다. 또한 연기가 수직으로 상승하려는 부력과 방화문 하 단부에 집중된 공기의 관성력으로 화재 공간에서는 와류 Figure 6. U-velocity with time at 1.8 m height of fire door
(a) HRR is 300 kW (b) HRR is 500 kW. Figure 7. Velocity vector plot of cross section X-X’ at 4 second after fire door was opened when HRR is 300 kW (a) CASE A (b) CASE B (c) CASE C.
속실로 유입되지 않는다.
이는 CASE A의 경우, 댐퍼로부터 부속실로 공급되는 공기의 유동이 방화문 하단부에 집중되어 있는 반면 CASE B와 CASE C의 경우, 방화문 높이에 따라 고르게 분포되 기 때문이다.
따라서 화재공간에서 천정면을 따라 흐르는 연기는 댐 퍼의 위치가 정면일 때 공기의 유동분포가 하단부에 집중 되고 이로 인해 와류가 발생하여 방화문 상단부에서 부속 실로 유입되었다.
3.3 압력 분포
부속실 단독가압 제연시스템은 부속실에 공기를 공급하 여 화재가 발생한 옥내와 피난안전구역인 부속실 사이의 일정한 압력 차이를 형성시켜 부속실로 연기가 유입되는 것을 방지하는 것이 목적이다. 댐퍼 위치가 부속실과 화재 공간의 압력 차이에 미치는 영향을 보고자 압력분포를 Figure 8에 나타내었다. 열 방출률이 300 kW일 때, 방화문 이 개방된 시간동안 댐퍼 위치에 따른 부속실과 화재공간
이 화재공간보다 낮았다. 반면 CASE B와 CASE C에서는 부속실의 압력이 화재공간의 압력보다 낮지 않았다. 이는 댐퍼의 위치가 정면일 경우, 댐퍼에서 공급된 공기가 방화 문으로 통해 직접적으로 통과하여 동압의 효과로만 연기 의 유입을 방지하지만 CASE B와 CASE C의 경우, 댐퍼 에서 부속실로 공급된 유동이 부속실에 축척되면서 압력 이 증가하기 때문이다.
따라서 CASE A의 경우, 댐퍼에서 공급된 공기의 속도 를 이용하여 연기의 유입을 방지하기 때문에 열 방출률이
300 kW 이하일 때는 제연이 가능하지만 이상에서는 부속
실의 압력이 낮아지고 방화문 하단부에 공기의 유동이 집 중되기 때문에 방화문 상단부에서 연기가 유입되는 현상 이 발생하였다.
3.3 온도 분포
일반적으로 연기의 위치는 급격한 온도변화로 예측할 수 있으며(13)부속실로 연기가 유입되는 현상을 보기 위해
Figure 9에 열 방출률의 변화에 대한 방화문 1.9 m에서의
온도를 나타내었다.
CASE A의 경우에는 1.9 m에서의 온도가 열 방출률이
150 kW부터 급격하게 증가하였다. 하지만 CASE B와
CASE C는 약 200 kW에서 증가하였다. 또한 열 방출률을
300 kW로 설정하였을 경우, CASE B의 1.9 m에서의 온도 가 약 50oC로 CASE A의 온도와 큰 차이를 보이지 않았 다. CASE C의 경우, 열 방출률이 400 kW 이상에서 급격 하게 증가하였다.
Figure 9. Averaging temperature distribution at 1.9 m height of fire door in term of heat release rate.
Figure 8. Averaging pressure distribution of computational domain when HRR is 300 kW (a) CASE A (b) CASE B (c) CASE C.
Figure 9의 (1)구간은 열 방출률이 150 kW 이하일 경우, 모든 케이스에서 온도가 상온과 대비하여 증가 폭이 크지 않았다. 즉 열 방출률이 150 kW 이하 일 경우, 댐퍼의 위 치에 따른 영향이 적었으며 모든 케이스에서 제연성능이 보장된다. 하지만 Figure 9의 (2)구간과 같이 열 방출률이
150 kW 이상이면 모든 케이스에서 연기가 부속실로 유입
되어 온도가 상승하였다. 하지만 이 경우 댐퍼의 위치에 따른 온도 차이를 확인할 수 있었다. 따라서 열 방출률이
150 kW부터 약 300 kW까지 댐퍼의 설치 위치에 따른 효
과가 나타났으며 CASE A 일 때 다른 케이스와 비교하여 온도가 가장 높았다.
Figure 9의 (3)구간의 약 300 kW 이상에서는 모든 케이 스에서 온도는 급격하게 증가하였다. 따라서 (3)구간에서 는 댐퍼의 설치 위치에 대한 영향을 받지 않고 모든 케이 스에서 연기 유입현상이 발생하였다.
Figure 10(a), (b) 및 (c)는 열 방출률이 300 kW일 때, 방 화문이 개방된 시간동안 댐퍼의 위치에 따른 평균 온도분 포도이며 (d), (e) 및 (f)는 열 방출률이 500 kW 일 경우 평균 온도분포도이다. Figure 10(a)는 방화문 상단부의 온
도가 약 50oC인 반면 (b)와 (c)에서는 30oC로 나타났다.
하지만 열 방출률이 500 kW인 경우, Figure 10(d), (e) 및 (f)에서 확인 할 수 있듯이 모든 케이스에서 방화문의 약
1.5 m에서부터 온도는 급격하게 증가하여 50oC 이상으로
온도가 분포하였다.
일반적으로 댐퍼에서 일정한 유량의 공기를 부속실로 공 급하여도 열 방출률이 증가함에 따라 화재공간에서 부속실 로 유입되는 연기의 양은 증가한다. 하지만 일정한 열 방출 률 이하에서는 댐퍼의 위치에 따라 부속실로 유입되는 연 기의 양을 최소화 할 수 있으며 본 수치해석의 결과에 따라
300 kW 이하에서는 댐퍼의 위치가 천정이나 측면벽에 설
치될 경우 정면일 때보다 연기유입량이 감소한다.
4. 결 론
본 연구에서는 건축물의 화재 발생 시 부속실 단독 가압 제연시스템에서 댐퍼의 설치 위치에 따른 방화문에서의 열 유동특성 및 연기 유입 현상에 대해 FDS를 이용하여 수치해석 연구 수행하였다. 또한 실제 현상을 구현하기 위 해 방화문이 개방 및 폐쇄되는 효과를 적용하여 댐퍼 위치 와 열 방출률에 따른 열 및 연기 유동특성을 분석하였다.
(1) 댐퍼의 위치가 방화문의 정면에 위치할 경우, 열 방 출률이 150 kW부터 연기가 부속실로 유입되는 현상이 나 타났으며 댐퍼의 위치가 천정이나 측면일 경우와 비교하 여 열 방출률이 증가함에 따라 방화문 상단부에서 유동의 역방향 속도가 급격하게 증가하였다.
(2) 댐퍼가 방화문의 정면에 설치된 경우, 댐퍼의 위치에 대한 영향으로 댐퍼에서 공급된 공기의 유동이 방화문의 하단부에 집중되고 방화문을 통해 직접적으로 통과하기 때문에 부속실의 압력이 감소하였다. 하지만 댐퍼 위치가 측면이나 천정일 경우 댐퍼에서 공급된 유동이 부속실에 축척되어 부속실의 압력이 증가하였다. 따라서 댐퍼의 위 치가 측면이나 천정일 경우, 열 방출률이 400 kW 이하 일 때 부속실과 화재공간의 압력차이로 인한 제연성능을 보 장하며 댐퍼에서의 유량을 댐퍼의 위치가 정면일 때보다 적게 산정하여도 제연성능에 큰 영향을 미치지 않는다.
(3) 열 방출률이 150 kW 이하에서는 모든 댐퍼 위치에 서 연기가 부속실로 유입되지 않았으며 150 kW에서 300 kW에서는 연기가 유입되지만 댐퍼 위치에 대한 영향을 확인 할 수 있었다. 하지만 열 방출률이 400 kW 이상일 경우, 댐퍼의 위치에 따른 영향이 감소하였으며 모든 댐퍼 의 설치 위치에서 연기가 유입되었다.
현재 특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비의 화재 안전기준(NFSC 501A)을 참고하면 부속실의 방화문과 제 연댐퍼의 거리에 대한 기준은 있지만 댐퍼의 설치 위치에 대한 기준은 미흡한 상태이다. 본 연구는 향후 건축물의 부 속실 단독 급기 가압 제연시스템의 설계 및 기준 제정을 위 한 기초 자료로 활용될 수 있다는데 큰 의의가 있다.
Figure 10. Averaging temperature distribution of fire door (a) HRR=300 kW, CASE A (b) HRR=300 kW, CASE B (c) HRR=
300 kW, CASE C (d) HRR=500 kW, CASE A (e) HRR=500 kW, CASE B (f) HRR=500 kW, CASE C.
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