설계법 개발을 위한 인천국제공항 콘크리트 포장 거동 계측 설계

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(1)2016-12-학회지3(기술기사) 2016.12.15 5:56 PM 페이지86. 프린텍1. 기술정책정보 기술기사. 설계법 개발을 위한 인천국제공항 콘크리트 포장 거동 계측 설계. 정 진 훈 | 인하대학교 토목공학과 교수 조 남 현 | 인천국제공항공사 공항연구소 선임연구원 송 정 태 | 인천국제공항공사 공항연구소 소장 안 호 현 | 티엠 이엔씨 이사 김 장 락 | 로드텍 이사 곽 평 진 | 한국공항공사 차장. 1. 머리말. 반영한 역학적-경험적 설계법을 개발하는 것을 목표 로 한다. 연구진은 이러한 설계법을 개발하기 위해. 인천국제공항의 항공 교통량은 개항 이래 3배 이. 인천국제공항 3단계 건설 사업 현장에 계측기를 설. 상 증가하였고, 2030년에는 현재 대비 약 2.5배의. 치하여 시공완료한 상태이며, 본 기사에서는 전반적. 항공수요가 예측되고 있으며 이와 더불어 지속적으. 인 계측 계획, 계측기 설계, 시공의 현황 및 시공중. 로 초대형 항공기가 개발되고 있다. 그리고 국내 15. 특이사항을 소개하였다.. 개 공항 중 활주로 약 60% 이상이 설계공용년수 20 년을 초과하고 있으며 포장의 노후로 지속적인 재포 장이 요구되고 있는 실정이다. 하지만 현재 국내 공. 2. 기존 국내₩외 공항포장 설계법. 항 포장의 설계는 환경하중을 고려하지 않은 경험적 설계로 포장 파손이 빈번히 발생하고 있다. 따라서. 미₩연방항공국(FAA)은 항공기의 대형화가 진행. 국내 항공 및 환경 하중을 동시에 고려한 역학적-경. 됨에 따라 다양한 현장실험을 통해 공항포장 설계법. 험적 설계법의 개발이 필요한 실정이다. 본 과업에. 을 개발해 왔다. 현재 FAA AC 150/5320-6A를 시. 서는 조사, 계측, 실내₩외 실험, 구조해석 및 설계연. 작으로 FAA AC 150/5320-6E까지 개발이 되었으. 구를 통해 교통하중뿐만 아니라 기존 설계법들이 고. 며, 미 국방부에서는 군 공항 설계에 적용되는 UFC. 려하지 못한 온도하중 및 습도하중까지 설계인자로. (Unified Facilities Criteria)를 개발하였다.. 86. 한국도로학회.

(2) 2016-12-학회지3(기술기사) 2016.12.15 5:56 PM 페이지87. 프린텍1. 설계법 개발을 위한 인천국제공항 콘크리트 포장 거동 계측 설계. 한 반면, AC 150/5320-6E는 모든 항공기를 FAARFIELD에 입력하여 포장구조계산에 개별 적 용시킨다. 또한 모든 항공기의 연평균 이륙횟수를 적용하여 산정한다. 하지만 기존의 공항포장 설계법 들은 교통하중에 대해서는 고려하고 있지만 환경하 중에 대한 고려는 부족한 실정이다. 본 연구진은 국 외 현황과 인천공항 사례를 보다 면밀히 조사, 분석 하고 기존 문제점 및 국내 적용의 한계점을 파악하 여 그림 2와 같은 방향으로 합리적 설계프레임 구축 을 위한 다양한 방안을 검토할 것이다. 그림 1. 공항포장 설계법의 현황. 그림 1은 국외의 공항포장 설계법의 발전 현황을 나타낸 것이다. 기존의 국내 공항포장 설계에는 UFC와 FAA AC 150/5320-6D, FAA AC 150/5320-6E를 주로 적용하고 있다. 국내 군 공항. 시작 입력변수 교통하중, 환경하중 포장재료, 포장구조. 두께 혹은 줄눈간격 조정. 손상기준 만족. 콘크리트 포장의 응력계산. 최대응력 산출. 피로모형 (SCI=80). 슬래브 두께 및 줄눈간격결정. End. 그림 2. 설계프레임 개발 방향. 에 많이 적용되는 UFC의 경우 콘크리트 휨강도, 지 반 반력 계수, 항공기 총 하중 및 통행 수준 등 다양 한 설계인자를 이용하여 Westergaard 모델을 통해. 3. 계측 계획. 두께를 산정한다. 인천국제공항을 포함한 대부분의 국내 공항에 적용되고 있는 AC 150/5320-6D는 휨. 인천국제공항 3단계 건설 사업은 2009년부터. 인장강도, 노상반력계수, 설계 항공기의 총 하중, 설. 2017년 까지 총 9년간 4조 9천억원을 투입하여 제2. 계 항공기의 연간이륙횟수 등을 이용한 노모그래프. 여객터미널, 여객계류장, 화물계류장 등 공항인프라. 를 통하여 콘크리트 포장의 두께를 결정한다. 설계. 의 단계적 확장을 계획한 사업이다. 3단계 사업의. 자 입장에서 노모그래프를 이용한 설계는 간편하지. 핵심인 제2여객터미널은 창조적인 디자인과 최신의. 만 새로운 항공기가 도입되었을 경우 포장두께에 대. 친환경 기술을 도입하여 연 1,800만명을 처리할 수. 한 설계 대안을 도출하기 어려울 뿐만 아니라 등가. 있는 시설로 건설된다. 여객계류장은 총 56개소가. 단륜하중(ESWL) 사용으로 다양한 형태의 항공기. 건설되며 대형기와 소형기를 병행 계류할 수 있는. 기어가 포장 구조에 미치는 특성을 반영하기 어렵다. MARS 시스템을 제2여객터미널에 도입하여 운영할. 는 단점이 있다. 이와 달리 AC 150/5320-6E는 역. 예정이다. 3단계 건설 사업의 총 시설 규모는 여객. 학적-경험적 설계법으로 변화하면서 유한요소해석. 터미널 35만, 여객계류장 64만 8천㎡, 화물계류장. 및 다층탄성해석 기반의 설계 프로그램인. 41만 8천㎡로 2018년부터 운영할 예정이다.. FAARFIELD를 이용하여 설계하며, 구조해석을 통. 본 과업의 연구를 진행하기 위해 계측기를 설치할. 해 얻은 값을 설계인자로 반영하고 있다. AC. 위치는 인천국제공항 제2여객터미널 계류장 지역 시. 150/5320-6D는 가장 큰 포장두께를 요구하는 항. 설공사 현장으로 그림 3과 같다. 계측기를 통해 항. 공기를 설계 항공기로 선정하여 포장의 두께를 산정. 공기 운항에 의한 동적하중 뿐만 아니라 환경하중을. 제18권제4호(2016. 12). 87.

(3) 2016-12-학회지3(기술기사) 2016.12.15 5:56 PM 페이지88. 프린텍1. 기술정책정보 기술기사. 고려하여 복합적인 작용에 의한 슬래브 응력을 검토. 하장비(HWD: Heavy Weight Deflectometer)를. 하고, 환경하중에 의한 포장 거동과 팽창줄눈부의. 통한 포장 건전성, 하중전달률, 지반 지지력 등의 실. 거동을 분석할 것이다. 계측기의 설치는 인천국제공. 험을 진행하여 초기 계측 결과를 전반적으로 검토할. 항의 3단계 시공계획을 고려하여 항공기 운항에 차. 것이다. 또한 초기 계측 결과를 통해 센서 설치위치. 질이 없도록 하였으며 항공기 주행 방향을 고려하여. 를 확인하고 생존률을 검토할 것이다.. 포장 층별 매립 위치를 선정하였다.. 계측기 설치 위치. 계측데이터 수집장치. 그림 4. 동적하중재하장비 (HWD) 그림 3. 계측기 설치 평면 위치도. 포장 거동을 분석하기 위한 계측 데이터는 각각의 하중 특성을 고려한 측정 목적에 따라 표 1과 같이. 공항 포장에 작용하는 하중은 크게 상시적으로 작. 분류하였으며, 측정 빈도에 따른 데이터의 구성 및. 용하는 환경하중과 비주기적으로 작용하는 항공기. 저장방법을 표 2와 같이 정리하였다. 상시계측은 매. 하중으로 분류할 수 있다. 환경하중의 경우 본 연구. 10분 단위로 데이터를 생성하여 일 144개, 연간 약. 에서는 상시계측을 통해 일주기, 년 주기를 갖는 온 표 1. 하중특성에 따른 계측데이터의 분류. 도 및 습도에 대하여 계측을 계획하였다. 온도의 경 우 포장체의 깊이별로, 습도의 경우 포장 하부의 주. 구분. 하중특성. 계측항목. 기적 변화를 측정한다. 또한 환경하중에 의한 포장체. 상시 계측. 환경하중 (온도/습도). 온도계, 함수량계, 정적변형률계, 다웰바 변형률계, 수평변위계. 의 내부 거동과 줄눈에서 콘크리트 슬래브의 Curling으로 발생되는 전단력을 부담하는 다웰바에 대한 응답을 측정한다. 비주기적으로 발생되는 항공 기 하중은 정기계측을 통해 측정되며, Triggering에 의하여 저장되는 동적 신호에 대응하여 항공기의 영 상 이미지를 저장하도록 계획하였다. 이는 항공기의. 정기 동적하중 동적변형률계 계측 (항공기하중/HWD) 표 2. 측정빈도에 따른 계측데이터의 구성 및 저장방법 구분. 상시계측. 위한 전경(광각) 이미지와 항공기 기어의 위치를 확 인하기 위한 확대(망원) 이미지로 수집을 계획하였 다. 계측 시스템이 구축된 이후 그림 4의 동적하중재. 88. 한국도로학회. 저장방법. 1회/10분 정적항목`:`1회/10분에 대한 DB저장. 종류에 따른 하중을 파악하고, 정확한 항공기 하중의 재하위치를 확인하기 위한 것으로, 항공기의 구분을. 측정빈도. 정기계측 (하중시험시). 동적항목`:`1회/10분에 대한 500Hz 1회/10분 대표값의 DB저장(대푯값`:`평균, 최대, 최소, 표준편차) 500Hz. Triggering을 통한 시계열 저장.

(4) 2016-12-학회지3(기술기사) 2016.12.15 5:47 PM 페이지89. 프린텍1. 설계법 개발을 위한 인천국제공항 콘크리트 포장 거동 계측 설계. 52,000개의 데이터를 확보하게 된다. 이러한 장기. 간격 및 각 층별 중심에 매설할 계획이다. CCTV카. 계측 데이터는 일단위의 단주기 거동과 년 단위의. 메라는 항공기 종류 및 항공기 기어 위치를 정기계. 장주기 거동을 포함한다. 콘크리트 슬래브 거동의. 측하는 목적으로 설치한 것이다. 따라서 항공기의. 정기계측은 하중의 작용 시 구간별 단면별 각 계측. 이동경로를 탐색하기 좋으며 항공기 안전에 문제가. 기의 응답을 측정한다. 이러한 정기계측 데이터는. 없는 장비인 정치장 펜스 위에 설치할 계획이다.. 하중별/구간별/단면별 구분에 따른 측정 데이터 시 표 3. 계측기 종류 및 수량. 계열 파일로 저장된다. 구분. 센서명. 수량. 계측내용. 동적변형률계 246 동적하중 시 변형률 정기계측. 4. 계측기 설계 계류장 지역에 슬래브를 구역별로 구분하였으며, 항공기 유도선을 고려하여 직선부와 곡선부 계측기 설치 위치를 그림 5와 같이 선정하였다. 그에 따른 계측기 종류 및 수량은 표 3과 같다. 환경하중(온도/. 정적변형률계 (깊이별 2개). 8. 온도, 습도 변화 시 변형률 상시계측. 정적변형률계 (깊이별 5개). 60. 온도, 습도 변화 시 변형률 상시 계측. 다웰바 변형률계 30 다웰바 변형률 상시계측 수평변위계 함수량계. 6. 팽찰줄눈부의 수평거동 상시계측. 6. 포장하부 함수비 상시계측. 습도)에 대한 포장 거동분석을 위하여 온도계, 정적. 온도계. 변형률계, 다웰바 변형률계, 함수량계의 매립을 계획. CCTV 카메라. 2. 하였고, 동적하중(항공기하중)에 대한 슬래브 응력. 총계. 390. 32 콘크리트, 아스팔트, 하부층 온도 상시계측 항공기 종류 및 항공기 기어 위치 정기계측. 검토를 위하여 동적변형률계 매립을 계획하였다. 또 한 환경하중에 의한 팽창줄눈 거동 분석을 위하여 팽. 구역별 계측기의 평면배치에 대하여 단면내부의. 창줄눈이 시공될 2개 구간(D-1, D-2)에 수평변위계. 포장층별(슬래브, 기층, 노상) 수량 및 단면 위치를. 매립을 계획하여 줄눈부 내에 발생하는 팽창 및 수축. 그림 6과 같이 계획하였다. 동적변형률계의 경우 응. 변위를 계측할 것이다. 온도계는 환경하중에 의한. 력 및 변형이 가장 크게 발생하는 콘크리트 슬래브. 포장의 거동특성을 확인하기 위해 정적 변형률계와. 상하부에 2점식으로 설치되었다. 하지만 정적변형률. 함께 슬래브 구간 A-1, A-2, B-1, B-5에 일정한. 계는 깊이별 2점식과 5점식으로 설치하였다. 정적변 형률계와 동적변형률계는 동일한 제품으로 동적하중 에 대한 응답의 측정이 가능하기 때문에 필요 시에 는 정적변형률계의 데이터를 활용할 계획이다. 동적 변형률계는 항공기 하중에 따른 최대 변형률이 측정 될 수 있는 가장 일반적인 방향인 슬래브 끝단에 나 란한 방향으로 설치하였다. 온도계는 슬래브중앙에 100mm 간격으로 총 5개, 아스팔트, 린콘크리트층 의 중앙에 각각 1개, 하부층에 1개를 설치하였다. A-1, A-2 구간의 슬래브중앙에는 온도계와 같은 간 격으로 정적변형률계를 함께 설치하여 환경하중에. 그림 5. 구역별 계측기 매립 평면도. 의한 포장의 거동특성을 확인할 것이다. 함수량계는. (인천국제공항 제2여객터미널 계류장 지역). 하부층 함수비 변화를 계측하기 위해 하부층 슬래브. 제18권제4호(2016. 12). 89.

(5) 2016-12-학회지3(기술기사) 2016.12.15 5:47 PM 페이지90. 프린텍1. 기술정책정보 기술기사. 정적 변형률계(깊이별 2개). 정적 변형률계(깊이별 5개). 데이터 수집을 진행한다. 정적 데이터로거 한개당 멀티플렉서는 최대 7개의 연결이 가능하며, 멀티플. Concrete Pavement Slab. Concrete Pavement Slab. Bond Breakable AC Layer Lean Concrete Layer. Bond Breakable AC Layer Lean Concrete Layer. Sub-grade Layer. Sub-grade Layer. 렉서 한개당 계측기는 최대 16개를 연결할 수 있음 을 고려하여 계획하였다. 함수량계는 정적 데이터를 계측하지만 함수량계 시스템에 사용하는 데이터로거 및 멀티플렉서는 별도로 함수량계 전용 인터페이스. 동적 변형률계(깊이별 2개). 온도계(깊이별 8개). Concrete Pavement Slab. Concrete Pavement Slab. Bond Breakable AC Layer Lean Concrete Layer. Bond Breakable AC Layer Lean Concrete Layer. Sub-grade Layer. Sub-grade Layer. 를 사용하였다. 또한 함수량계와 함수량계 전용 멀 티플렉서까지의 거리가 20m 내외에 위치해야 하므 로 양측에 함수량계 전용 멀티플렉서를 따로 계획하 였다. 동적 데이터로거에 동적 데이터로거 모듈을 최대 64EA까지 연결할 수 있지만 동적 데이터는 초 당 데이터 수집량이 많아 효율적인 데이터 처리 및. 수평변위계. 관리를 위해 동적 데이터로거를 2개로 나누어 연결. Concrete Pavement Slab. Concrete Pavement Slab. Bond Breakable AC Layer Lean Concrete Layer. Bond Breakable AC Layer Lean Concrete Layer. 블은 타설할 경우 손상될 것을 방지하여 린콘크리트 층에 매설하는 방안을 제시하였다. 그림 8은 현장에. 함수량계 Sub-grade Layer. 하였다. 계측기와 데이터로거를 연결하는 신호케이. Sub-grade Layer. 서 타설 전 계측기와 데이터로거를 연결한 신호케이 블 사진이며, 모든 신호케이블은 한 곳으로 모여 계. 그림 6. 계측기별 매립 단면도. 측실 수집장치로 집결된다.. 의 끝단에 설치한다. 수평변위계는 깊이별 수평변위 차이를 계측하기 위해 팽창줄눈부의 상중하 3개소에 설치하였다. 팽창 줄눈부의 기존 타설된 슬래브에 5cm 직경의 구멍을 12cm 깊이로 천공하고 끝단에 지그앵커를 고정하는 방법으로 설치하였다. 새로 타 설되는 D-1, D-2 구간의 수평변위계가 고정되는 구 간을 제외한 부분은 보호박스를 사용하여 콘크리트 에 묻히지 않도록 하였다. 변위계의 최대 변위는 50mm이며 수축변위와 팽창변위를 모두 확인하기 위해 최대 변위의 중간값인 25mm를 초기값으로 고 정하였다. 다웰바 변형률계는 온도 및 습도에 의한 축방향 응력을 검토하기 위해 자유단 쪽의 다웰바 상하면에 설치하였다. 계측기와 데이터로거 연결 시스템은 그 림 7과 같다. 정적데이터의 경우 정적 데이터로거 2 개와 멀티플렉서 10개를 통해 온도계, 다웰바 변형 률계, 정적 변형률계, 수평 변위계를 모두 연결하여. 90. 한국도로학회. 그림 7. 데이터로거 연결 시스템.

(6) 2016-12-학회지3(기술기사) 2016.12.15 5:48 PM 페이지91. 프린텍1. 설계법 개발을 위한 인천국제공항 콘크리트 포장 거동 계측 설계. 을 보여주고 있다. 정적변형률계, 온도계, 함수량계 가 설치된 A-1, A-2구간과 동적변형률계, 수평변위 계가 설치된 C-3구간을 11월 1일 타설하였으며, 동 적변형률계, 온도계, 다웰바 변형률계가 설치된 B1, B-5구간을 11월 2일에 타설하였다. 동적변형률. (a) 동적변형률계. (b) 정적변형률계. (c) 온도계. (d) 함수량계. (e) 수평변위계. (f) 다웰바 변형률계. (g) 정적데이터로거. (h) 동적데이터로거. 그림 8. 신호케이블 배선 현황. 5. 계측기 시공 10월 28일까지 계측기 설치와 거푸집 설치를 모 두 마무리 한 후 11월 1일부터 포장 타설을 시작하 였다. 그림 9는 계측기 설치 계획 구간의 시공 일정. 그림 9. 계측기 시공 일정. 그림 10. 계측기 및 계측 데이터 로거. 제18권제4호(2016. 12). 91.

(7) 2016-12-학회지3(기술기사) 2016.12.15 5:48 PM 페이지92. 프린텍1. 기술정책정보 기술기사. 것을 가장 중요하게 생각하여 계측기 주변에 보호캡 을 설치하였다. 보호캡 안을 콘크리트로 채우고 보 호캡을 제거해도 계측기가 밀리는 현상이 없을 정도 로 주변을 25cm높이 이상 채운 후 보호캡을 제거하 는 방식으로 진행하였다. 배합설계의 굵은골재 최대 치수가 40mm로 매우 크므로 펌프카를 이용한 다짐 (a) 보호캡 설치. (b) 보호캡 내부 타설. 은 진행할 수 없었으며, 소형 바이브레이터를 이용 한 다짐을 실시하였다. 이러한 과정을 거쳐 타설 완 료한 후의 전경은 그림 12와 같다. 타설 전, 중, 후 로 나누어 계측 데이터를 점검한 결과 동적변형률계 1개와 다웰바변형률계 1개를 제외한 나머지 계측기 는 모두 정상적인 범위 내의 데이터 값을 보였으며 추후 데이터 분석을 통해 일주기 경향을 분석하여 추가적인 계측기 이상여부를 판단할 예정이다.. (c) 보호캡 내부 다짐. (d) 계측기 위치 표시. (e) 보호캡 제거. (f) 타설 마무리. 그림 11. 시공 순서. 계가 설치된 C-1구간은 11월 3일에 설치하였으며, 다웰바 설치를 위한 양생기간이 필요하여 약 일주일 후인 11월 10일에 B-2, B-4, B-6, C-2를 포함한 가운데 슬래브를 모두 타설하였다. 앞의 그림 10은 계측계획에 따라 실제 현장에 설치한 계측기와 데이 그림 12. 계측기 구간 타설 후 전경. 터로거의 모습이다. 동적 및 정적변형률계는 깊이별 로 고정하기 위해 슬래브 하단을 기준으로 높이를 측정하여 철제 지그를 제작하였으며, 온도계는 플라 스틱 지그를 제작하여 설치하였다. 다수의 계측기가. 6. 결론. 설치되어 있는 공간에 콘크리트를 타설하기 위해 연 구진은 많은 회의를 통해 그림 11과 같은 시공 순서. 인천국제공항에서 초기 건설된 콘크리트 포장이. 를 고안하였다. 타설 중 계측기의 망실을 방지하는. 공용된 지 14년이 되어 점차 설계 수명에 가까워지. 92. 한국도로학회.

(8) 2016-12-학회지3(기술기사) 2016.12.15 5:43 PM 페이지93. 프린텍1. 설계법 개발을 위한 인천국제공항 콘크리트 포장 거동 계측 설계. 고 있다. 또한 한국공항공사에서 운영하고 있는 김 포공항 등 국내 14개 공항의 22개 활주로 중 14개 가 콘크리트포장으로 건설되어져 있고 많은 공항에 서 포장의 노후로 단계적인 재포장이 예상되고 있 다. 따라서 본 과업은 합리적으로 포장의 잔존수명 을 예측하고, 신설 포장의 조기 파손을 최소화하여 공항 콘크리트 포장의 전반적인 성능 향상을 도모할 수 있도록 역학적-경험적 공항 콘크리트 포장 설계 기준 및 방법을 개발하는 것을 최종 목적으로 한다. 이러한 역학적-경험적 설계법 개발의 기초자료 및 검증 자료인 콘크리트 포장 거동 계측 데이터 확보 를 위해 필요한 온도계, 습도계, 변형률계, 변위계 등을 대상 포장 구간 내 매설하였으며 11월 10일 부 로 시공이 완료된 상황이다. 추후 수집되는 데이터 분석 및 HWD를 통한 초기계측을 통해 계측기의 생 존여부를 확인할 것이며, 시공 구간의 양생이 완료 되는 시점부터 계측기 설치구간 및 인근 비교구간을 선정 후 Profiling을 실시하여 연구가 진행되는 중 슬래브의 변화양상을 기록할 것이다. 참고문헌. 도로의 계측시스템과 계측결과자료 소개. 기술정보 도로교통 제95호. 김도완, 김지원, 권순민, 윤경구 (2003),“콘크리트포장 변형률계 현장매설방법 개선연구 및 적용사례” , 한 국도로학회 학술발표회 논문집 v.5, pp.173~180). 유승권, 윤한주 (2006),“인천국제공항 2단계건설 공항 포장 설계고찰” , 한국도로학회 학술발표회 논문집, v.8, n.2, pp.61~70). 이경하, 서영국, 권순민, 이재훈, 손덕수 (2008), 시험 도로 계측시스템을 이용한 포장거동 및 공용성 데이 터베이스 구축과 활용에 관한 연구, 한국도로공사 발 간자료. 인천국제공항공사(1999), 인천국제공항공사 시험포장 보고서, 인천국제공항공사. D. R. Brill (2012)“2013_FAARFIELD Software Overview” , Federal Aviation Administration. FAA (1995), Standards for airport pavement design and evaluation, AC 150/5320-6D, Office of Airport Safety and Standards, U.S. Department of Transportation. FAA (2009), Standards for airport pavement design and evaluation, AC 150/5320-6E, Office of Airport Safety and Standards, U.S. Department of Transportation.. 권순민, 안성순, 정진훈, 이재훈, 배성호 (2004), 시험. 회비 납입 안내 회원 여러분께서 납부하시는 회비는 학회 운영의 소중한 재원으로 쓰이고 있습니다. 회원 제위께서는 체납된 회비를 납부하시어 원활한 학회운영에 협조하여 주시기 바랍니다. 회비납부는 한국씨티은행`:`102-53510-243 (예금주(사)/한국도로학회) <학회사무국>. 제18권제4호(2016. 12). 93.

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