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1 Journal of the Korea Academia-Industrial coopen Society Vol. 14, No. 2 pp , 원덕희 1, 한택희 1, 박우선 1, 박종섭 2, 강영종 3* 1 한국해양과학기술원연안개발에너지연구부, 2 상명대학교건설시스템공학과 3 고려대학교건축사회환경공학과 Transverse Reinforcement for Circular Internally Confined Hollow RC column Deok Hee Won 1, Taek Hee Han 1, Woo Sun Park 1, Jong Sub Park 2 and Young Jong Kang 3* 1 Coastal Engineering and Ocean Energy Research Division, Korea Institute of Ocean Science and Technology 2 Department of Civil Engineering, Sang Myung University 3 Department of Architecture, Civil & Environmental Engineering, Korea University 요약최근지진의발생빈도가과거에비해서증가하면서교량구조물에도내진성능에대한연구가활발하게진행되고있다. 그중교량하부구조물의경우에는횡방향하중에저항하기위하여소성힌지부분에심부구속횡철근을배근하여횡방향구속효과를증대시키고있다. 이것은심부구속횡철근배근을통하여교각에필요한강성및연성을확보하여내진성능을향상시키고자하는것이다. 현재심부구속횡방향철근량산정에대한설계기준은국내의도로교설계기준과국외의대다수설계기준이동일한설계기준을사용하고있고, 이는중실철근콘크리트기둥을대상으로제안되어있다. 이식을내부구속중공 RC 기둥에그대로적용하기에는그구성요소가상이하고거동특성이다르기때문에무리가따른다. 본연구에서는내부구속중공 RC 기둥에현행기준을적용하였을때의해석적방법에의한변위연성도분석을통하여특성을분석하고경제성있고합리적인설계가될수있도록수정식을제안하였다. Abstract Recently, bridge structures has progressed the researches about seismic performance by occurrence of earthquake increased compared with the past. In the substructure of bridge, confining transverse reinforcement has arranged in plastic hinge region to resist the lateral load which increased the lateral confining effect. Columns are increased the seismic performance through secure of the stiffness and ductility The design specification for arrangement of confining transverse reinforcement same specification of domestic and international that suggested to solid reinforced concrete column(rc). This design specification have limits for Internally Confined Hollow RC(ICH RC) column because of different the component and performance characteristics of column. In this paper suggested the modified equation for economics and nal design through investigation of displacement ductility when applied the existing specification at the steel composite hollow RC column. Key Words : Column, Internally Confined, Transverse Reinforcement, Longitudinal Reinforcement 본논문은한국해양과학기술원 (KIOST) 의창의연구사업중기관역량강화사업인 " 해상풍력지지구조물건설기술개발연구, ( 과제번호 :PE99122)" 의연구비로수행되었으며, 서울산업통상진흥원에서시행한 2011년도 " 특허기술상품화기술개발지원사업 (PA110020)" 의부분지원으로수행되었습니다. * Corresponding Author : Young Jong Kang (Korea University) Tel: yjkang@korea.ac.kr Received November 22, 2012 Revised December 17, 2012 Accepted February 6,

2 한국산학기술학회논문지제 14 권제 2 호, 서론 최근지진의발생빈도가과거에비해서증가하면서교량구조물에도내진성능에대한연구가활발하게진행되고있다. 그중교량하부구조물의경우에는횡방향하중에대하여저항하기위하여소성힌지부분에심부구속횡철근을배근하여횡방향구속효과를증대시키고있다. 이것은심부구속횡철근배근을통하여교각에필요한강성및연성을확보하여내진성능을향상시키고자하는것이다. 국내외적으로가장널리적용되고있는철근콘크리트교각횡구속효과와콘크리트강도연구그리고재료강도횡구속철근의형태, 축하중비등의다양한연구를많은연구자들에의하여연구가되어졌다. 국내에서는 1992년도로교표준시방서 [1] 에교량의내진설계기준이처음도입되었는데이는미국의 AASHTO[2] 기준을바탕으로내진설계기준이제정되었다. RC 기둥의내부가보강되지않을경우에는내측이구속되지않아내측중공부부분의취성파괴로이어질가능성이크며, 내부에횡철근으로보강할경우에는횡철근의링좌굴로인하여 3축구속상태에이르지못하게되어그성능이좋지못하다. 이에반해 ICH RC 교각은 Fig. 1과같이중공 RC 교각내측에강관을삽입하여구속콘크리트를 3축구속상태로만들어주어기둥의연성도와강도및강성이증대된다. ICH RC 기둥의연성도는중실 RC 에비해중공비가커질수록변위연성도가증가하는경향성을보인다고연구되어졌다.( 최준호등 2007)[8] 이렇듯 Eq (1) 을적용하여설계하였을경우에는요구변위연성도보다더욱크게설계될수있다. ICH RC 교각의경제적인설계를위하여심부구속횡철근이감소되어적용되었을경우에대한거동특성파악이매우필요한실정이다. (1) 여기서, 는기둥의총단면적 ( ), 는나선철 근외측표면을기준으로한기둥심부의면적 ( ), 는콘크리트의설계기준압축강도 ( ), 는횡방향철근의설계기준항복강도 ( ) 이다. Eq (1) 은도로교설계기준 (2010)[3] 에제정되어있는것으로 AASHTO - LRFD 4th Ed.(2007)[2] 과동일한기준을사용하고있으며, 본기준은중심축력을받는기둥에서콘크리트의피복이탈락된후콘크리트심부만으로저항하는축강도가콘크리트피복이탈락되기이전의축강도이상이되기위한횡구속철근비를산정하는식으로둘중큰값을적용한다. 그러나이는중실 RC 단면에국한된식으로서국내연구자로는이재훈 (2009)[4], 이대형 (2005)[5] 등이있으며, 국외에서는 Nadim et al.(2003)[6] 등이있다. 그러나본설계식을중실 RC 기둥이외의타형식의기둥에적용하였을경우에는알맞은성능평가가이루어지지않을가능성이크다. 그중에강합성단면들의경우에는 Eq (1) 을적용하기에는한계가따른다. Han et al.(2010)[7] 에의해제안된강합성기둥인내부구속중공 RC 교각 (Internally Confined Hollow RC Pier, ICH RC) 은중공 RC 교각의내부가보강되지않거나혹은내부횡철근으로보강되는형식에비해서성능이매우우수하다. 중공 [Fig. 1] Section of ICH RC column 본연구에서는 Han et al.(2010)[7] 에의해제안된이론및프로그램을이용하였다. 이는비선형거동과탄소성거동을모두고려할수있는 P- 이론을프로그램화시킨것이다. 본이론에서는횡방향철근, 종방향철근또는콘크리트의변형률중하나가각각의극한변형률에도달하는경우를파괴로판단하고해석을종료하여안전측 ( 실험결과에비해작은연성도로평가 ) 의값을제공하도록되어있다. 본이론및프로그램을이용하여제안된단면의연성도를평가하였으며, 설계기준에의하여설계를하고심부구속횡방향철근비를감소시켰을때의연성도를분석하여내부구속중공 RC 교각의최적심부구속횡방향철근비를제안하였다. 2. 설계기준적용시거동분석 2.1 설계기준적용 본절에서는 Eq (1) 을통하여산정된심부구속횡철 928

3 근량을내부구속중공 RC 교각에적용하였을경우에대하여거동분석을하였으며, 변위연성도변화에가장큰영향을미치는인자를도출해냈다. 내부구속중공 RC 기둥의구속콘크리트는내측중공부가내부튜브로구속되어있고외부측은횡방향철근에의하여구속되어져있다. 횡방향철근의파괴보다내부튜브가먼저파괴되지않을경우에구속콘크리트의재료모델은중실 RC 기둥과동일하다. 이때내부튜브는중실 RC 기둥의콘크리트의역할을해준다. 기둥의외측을구속하고있는횡방향철근은구속콘크리트와내부튜브를모두구속해주는역할을한다. 이렇기때문에 Eq (1) 의계산시전체면적 ( ) 과구속콘크리트의면 적 ( ) 은횡철근이구속하고있는모든면적즉, 중공부 분의면적까지포함해야할것으로판단된다. [Table 1] Common section properties(unit : N,mm) Spec. Dimension Diameter 2,500.0 Thickness of cover concrete 60.0 longitudinal rebar min. transverse rebar [Fig. 2] Ductility of displacement by hollow Fig. 2는 Table 1, 2의제원과물성치를적용하여기둥의설계하였을경우에중공비별변위연성도변화를나타낸것이다. 일반적으로변위연성도는횡방향철근량에큰영향을받는것으로나타나는데위의해석에서는횡철근비를 로하여설계를하였음에도불구하고변위연성도가중공비 0.5까지는거의유사하나중공비 0.6 부터는매우큰기울기를가지고증가하는것을볼수있다. 이는심부구속횡방향철근량이외에도변위연성도변화에영향을미치는인자가있을것으로판단된다. slenderness 23.0 strength of concrete 21 yield strength of rebar 350 yield strength of 235 Elastic modulus of steel 210,000 Elastic modulus of rebar 200,000 Elastic modulus of concrete 26,115 [Fig. 3] Lateral force by hollow [Table 2] Section properties(unit : N,mm) Hollow Diameter of hollow section Thickness of Fig. 3은각기둥의최대횡하중작용시구성요소들이분담하고있는내력비를나타낸것이다. 중공비 0.0 즉, 중실 RC에가까워질수록구속콘크리트와종방향철근이거의모든힘에저항하는것으로나타났으나, 내부구속중공 RC에서는점차그비율이바뀌는것으로나타났다. 중공비가증가한다는것은중공부의직경이커지는것인데이는콘크리트의면적이감소하고내부튜브와종방향철근과의거리가가까워진다는것을의미한다. 이에따라서구속콘크리트저항하는비율이점차감소하고내부튜브가저항하는비율이증가하는것으로판단되며, 이때종방향철근이저항하는비율도점차감소한다. 929

4 한국산학기술학회논문지제 14 권제 2 호, 구성요소별변위연성도변화분석 Table 3은 2.1절에서해석한모델의재료모델을분석한것으로, 최대응력시변형률, 최대응력, 극한변형률을나타냈다. 동일한횡철근량과함께내부튜브의두께가필요두께로설계가되었기때문에구속콘크리트는 3축구속상태에놓이게되어중공비에따른재료모델이모두동일한것으로나타났다. [Table 3] Nonlinear material model of confined concrete by hollow Strain at peak stress Peak Axial Stress(MPa) Ultimate Strain [Table 4] Displacement ductility by change the thickness of Thickness of Ductility displacement [Table 5] Properties of analysis models by diameter Hollow Longitudin al rebar Transverse rebar Slender ness D D D D D D [Fig. 4] Ratio of displacement ductility by diameter Fig. 4와같은결과를 Eq (2) 로산정된곡률반경과비교를하였다. 여기에서곡률반경 ( ) 은콘크리트구조설계기준 2007의 Eq 을이용하여산정하였다. (2) Table 4는내부튜브두께변화에따른변위연성도변화를나타낸것으로내부튜브의두께가변하여도변위연성도는모두동일한것으로나타났다. 이는변위연성도변화에큰영향을미치지못하는것으로나타났다. 다음으로는단면직경의변화가변위연성도에미치는영향성을평가하기위하여 Table 5에서보는바와같이기둥의직경을 700mm~3500mm로선정하였으며, 직경별로중공비를 0.0~0.9까지변화시키면서해석을수행하였다. 각단면직경별로종철근비와심부구속횡방향철근비는 Eq (1) 에의하여산정된값으로하였으며, 세장비는 23으로설정하였다. 각모델별로해석을수행한결과 Fig. 4와같이변위연성도변화가나타났는데직경이작을수록중공비에따라더작은기울기의변위연성도의증가를보이는것으로보아단면특성이변위연성도에큰영향을미치는것으로판단된다. 여기서, : 콘크리트의탄성계수, : 튜브의탄성계수, : 튜브의 2차모멘트, : 단면전체의 2차모멘트, : 단면전체면적, : 튜브의단면적 [Fig. 5] Compare displacement ductility and radius of curvature(d1000) 930

5 3. 심부구속횡방향철근량산정수정식제안 [Fig. 6] Compare displacement ductility and radius of curvature(d2500) 3.1 수정식연구본절에서는 2절의연구를통해가장큰영향을미치는것으로판단되는곡률반경을이용하여수정식을제안하였다. 수정식제안의기본적인특징은내부구속중공 RC 기둥이중실 RC 기둥과성능이유사하게발휘되도록하기위함을목표로하고있기때문에 Eq (1) 심부구속횡방향철근량산정식을기본으로하여감소계수 를곱하여줌으로써 Fig. 2와같이중공비가증가할수록변위연성도가증가되지않고필요연성도이상으로만발현되도록산정하는식을제안한다. 이를통하여과도한횡철근보강및이에따른내부튜브두께의증가를방지하여경제성을확보할수있도록 Eq (3) 을제안하였다. (3) [Fig. 7] Compare displacement ductility and radius of curvature(d3500) 여기서, : 단면전체면적, : 구속콘크리트면적, : 콘크리트강도, : 횡방향철근강도, : 감소계수 Fig. 5~7은중공비별변위연성도와곡률반경을비교한것이다. 곡률반경의변화와변위연성도의변화가거의일치하지는않지만전체적인상승추이를비교하면거의유사한것으로볼수있다. 여기에서 는중공비 0.0의값을기준으로나타낸비율을의미한다. 중공비변화에따른변위연성도변화는곡률반경과구성요소의하중저항분담비등의복합적인작용에의하여증가하는것으로볼수있으나, 그중에서곡률반경이변위연성도증가추이와거의유사한것으로보아가장큰영향을미치는것으로판단된다. 현재도로교설계기준에서요구하는변위연성도크기를 3을기준으로설정되어있기때문에중공비가커짐에따라변위연성도가증가하는본내부구속중공 RC 기둥의경우에는불필요하게기준보다더큰변위연성도를발휘할필요가없을것이다. 이때심부구속횡방향철근량을중공비에따라서감소시켜적용한다면경제성있는내부구속중공 RC 기둥을설계할수있을것으로판단된다. (4) (5) 여기서, : 중실 RC의곡률반경, : 내부구속중공 RC의곡률반경, : 기둥의직경 Eq (4) 의감소계수는중실 RC의곡률반경 ( ) 과내부구속중공 RC의곡률반경 ( ) 의비율로나타나며지수 를적용하여 Eq (3) 과같이심부구속횡방향철근량산정식에곱하여줌으로써중공비에따른내부구속중공 RC 기둥의변위연성도가중공비가 0인중실 RC 기둥과거의유사하게발휘되도록유도한다. 3.2 수정식의적용 3.1절에서제안된수정식을검증하기위하여직경 2500mm 단면을대상으로선정하였으며, 종방향철근비는 0.01, 세장비는 23, 지수 ( ) 는산정식에의해 2.01, 931

6 한국산학기술학회논문지제 14 권제 2 호, 2013 재료물성치는 Table 3과같다. Table 7에서보는바와같이감소계수를적용하여횡방향철근비를감소시켜적용하였으며, 이에따라내부튜브를산정하여적용하였다. Table 7은 Table 6의수정모델과비교를하기위한비교군으로써수정제안식을적용하지않은모델이다. [Table 6] Confining transverse reinforcement by modified equation Transv erse rebar Reduct ion coeffic ient radius of curvat ure of radius of curvature thickness of internal tube [Table 7] Confining transverse reinforcement by existing specification Korean Highway Bridge Design Specifications Transverse rebar thickness of [Fig. 8] Compare displacement ductility by modified equation and existing specification Fig. 8은 Table 6~7을이용하여해석을수행한결과를나타낸것이다. 도로교설계기준을적용한것과수정식을통하여설계된모델을비교한것으로변위연성도가필요연성도인중공 RC( 중공비 0) 와거의유사한변위연성도를나타내는것으로변위연성도가중공비에맞게감소된것을볼수있었으며, 이는제안된수정식이요구하는성능을잘나타내는것으로판단된다. [Table 8] Reduction of modified models contrast the existing specification Transverse rebar Comparison thickness of internal tube % % 0.0% % 3.7% % 5.9% % 9.8% % 10.6% % 16.7% % 21.3% Table 8 Eq (1) 의산정대비수정모델의심부구속횡방향철근비와내부튜브의두께의감소율을나타낸것으로심부구속횡방향철근비의경우도로교설계기준대비로비교하였을경우에는약 2%~39% 의철근량감소가발생하였으며, 내부튜브두께의경우에는 4%~21% 의감소율을보이는것으로나타나수정식에의한모델은기존도로교설계기준식에의한설계와동일한변위연성도를발휘하면서심부구속횡방향철근비와내부튜브의두께를감소시켜경제성을확보할수있도록해주는것으로판단된다. 3.3 매개변수연구 제안된수정식은다양한조건에서도유사한결과가도출이되어야자기의역할을할수있을것이다. 본절에서는심부구속횡방향철근비에영향을미치는직경, 횡방향철근강도, 콘크리트강도에대해서매개변수연구를수행하여수정식을검증한다. Table 9는매개변수모델을나타낸것으로, 변수는직경, 콘크리트강도, 횡방향철근강도이다. 전체모델의세장비는 23, 종철근비는 0.02를공통으로적용하였으며, 횡방향철근비는수정식에의하여산정된것을사용하였다. 이에의하여산정된내부튜브두께를적용하여해석을수행하였다. 해석시강재의물성치는표 3을적용하 932

7 였다. 콘크리트의강도에따른모델은콘크리트구조설계기준에서합성구조물에적용가능한강도가 21MPa 이상으로되어있기때문에 21MPa~30MPa까지선정하였다. 그리고횡방향철근강도에따른모델은 KSD 3504에서제시된철근강도및제원을사용하고, 콘크리트강도는 21MPa를공통으로적용하였다. 두가지변수모두직경은 2500mm로선정하였다. [Table 9] Properties of analysis models by variable Diameter Strength of concrete strength of transverse rebar transverse rebar thickness of D D D D D D D MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa [Fig. 10] Change the displacement ductility by concrete strength [Fig. 11] Change the displacement ductility by strength of transverse reinforcement 4. 결론 Fig. 9~11은각변수에대한변위연성도변화를나타낸것이다. 세가지변수모두변위연성도가도로교설계기준모델에대비해부분적으로 2% 정도로감소하는구간이나타나긴하지만전체적으로도로교설계기준과유사하면서약간더크게변위연성도를발휘하게해주는것으로볼수있다. [Fig. 9] Change the displacement ductility by diameter 본논문은내부구속중공 RC 기둥의거동특성분석을통하여변위연성도에영향을미치는인자를도출하여심부구속횡방향철근량산정식을수정하는수정식을제안함으로써기둥의제원에따라변하는변위연성도를도로교설계기준의요구성능수준으로맞추는연구를수행하였다. (1) 내부구속중공 RC 기둥은기존도로교설계기준에맞추어설계를할경우중공비가커질수록변위연성도가증가한다. (2) 중공비가커질수록변위연성도가증가하는데이는부재의강성이작아짐으로써연성도가증대되고또한내부튜브의직경이커짐으로써내부튜브의하중분담율이증가하고이와동시에종철근의하중분담율을감소시켜교각의연성도를증가시키는것으로판단된다. (3) 중공비에따른변위연성도변화와곡률반경변화추이가거의유사한것으로나타났으며, 이를토대 933

8 한국산학기술학회논문지제 14 권제 2 호, 2013 로기존의심부구속철근량산정식에감소계수 ( ) 를곱해주어중공비에따라동일한변위연성도가발휘되도록횡방향철근비를조절할수있게해준다. 직경이커질수록곡률반경비 ( ) 와변위연성도비가차이가나는것을고려하여직경에따라서기울기를증가시켜주는지수 ( ) 를제안하였다. (4) 수정식에의하여설계된모델의경우에는변위연성도가도로교설계기준에서요구하는수준을발휘하였으며, 그하안오차는 2% 로나타났다. (5) 수정식에의하여설계를할경우심부구속횡방향철근비가도로교설계기준에비해약 2%~39% 감소되는것으로나타났으며, 내부튜브역시 3%~21% 씩감소되어경제성을확보가능하다. (6) 본연구를통하여내부구속중공 RC 기둥이도로교설계기준의요구변위연성도를발휘할수있는수정식을제안함으로써기둥의과다설계를방지하고심부구속횡방향철근량을감소시킴으로써시공성을확보할수있을것으로판단된다. References Kang(2010) Compressive strength of circular hollow reinforced concrete confined by an internal steel tube, Construction and Building Materials, Vol. 24, issue 9 pp DOI: [8] Jun-Hon Choi, Ki Young Yoon, Taek Hee Han, Young Jong Kang (2007) Behaviors of Hollow RC Columns with Internal Steel Tube by Hollow Ratio, Korea Society of Hazard Mitigation, vol.7 No. 3, pp.1-7. 원덕희 (Deok Hee Won) [ 정회원 ] 2008 년 8 월 : 고려대학교사회환경시스템공학과 ( 구조공학석사 ) 2011 년 8 월 : 고려대학교건축사회환경공학과 ( 구조공학박사 ) 2011 년 9 월 ~ 2012 년 6 월 : 고려대학교연구교수 2012 년 6 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원연수연구원 강구조, 합성구조, 신재생에너지, 해양구조 [1] Korea Road & Transportation Association(1992), Korean Highway Bridge Design Specifications [2] AASHTO, LRFD Bridge Design Specifications, American Association of State Highway and Transportation Officials, SI Unit, 3rd ed., Washington, DC, USA, [3] Korea Road & Transportation Association(2010), Korean Highway Bridge Design Specifications [4] Jae-Hoon Lee, Hyeok-Soo Son(2009) Modified Equation for Ductility Demand Based Confining Reinforcement Amount of RC Bridge Columns, Journal of the korea concrete institute, vol.21 No.2, pp DOI: [5] Dae-Hyoung Lee, Chang-Kyu Park, Hyun-Jun Kim, Young-Soo Chung (2005) A Seismatic Performance Analysis of Circular RC Bridge Piers Ⅰ. Evaluation of Influence Parameters of Confinement Steel Ratio, Journal of the korea concrete institute, Vol.17 No. 4, pp [6] Nadim I, Wehbe, M, Saiid Saiid, and David H. Sanders(2003) Seismic performance of Retangular bridge columns with moderate confinement, ACI Structural Journal, Vol. 96, issue 2 pp [7] Taek Hee Han, Ki Young Yoon, Young Jong 한택희 (Taek Hee Han) [ 정회원 ] 1995 년 2 월 : 고려대학교토목공학과 ( 공학사 ) 2001 년 2 월 : 고려대학교토목환경공학과 ( 공학석사 ) 2006 년 2 월 : 고려대학교토목환경공학과 ( 공학박사 ) 2006 년 3 월 ~ 2007 년 1 월 : 고려대학교공학기술연구소연구조교수 2007 년 3 월 ~ 2007 년 10 월 : 고려대학교 BK21 건설글로벌리더양성사업단연구전임강사 2007 년 11 월 ~ 2008 년 12 월 : Auburn University 토목공학과연구원 2009 년 1 월 ~ 2011 년 1 월 : 서울메트로기술연구소전문위원 2011 년 1 월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원연안개발 에너지연구부선임연구원 합성구조, 해양에너지, 비선형구조해석 934

9 박우선 (Woo-Sun Park) [ 정회원 ] 1986년 2월 : 한국과학기술원토목공학과 ( 공학석사 ) 2011년 8월 : 한국과학기술원토목공학과 ( 공학박사 ) 1991년 3월 ~ 1999년 2월 : 한국해양연구원선임연구원 1999년 3월 ~ 현재 : 한국해양과학기술원 ( 전한국해양연구원 ) 책임연구원 해양및항만구조물, 해양에너지 박종섭 (Jong-Sup Park) [ 정회원 ] 1994 년 2 월 : 고려대학교토목환경공학과 ( 공학사 ) 1996 년 8 월 : 고려대학교토목환경공학과 ( 공학석사 ) 2002 년 12 월 : Auburn University ( 공학박사 ) 2005 년 9 월 ~ 현재 : 상명대학교건설시스템공학과교수 구조공학, 교량공학, 강구조좌굴, 유지보수 강영종 (Young-Jong Kang) [ 정회원 ] 1985 년 2 월 : 고려대학교대학원토목공학과 ( 구조공학석사 ) 1992 년 6 월 : Auburn 대학교 Civil Engineering ( 구조공학박사 ) 1993 년 3 월 ~ 1994 년 2 월 : 공주대학교토목공학과전임강사 1994 년 3 월 ~ 현재 : 고려대학교건축사회환경공학부교수 강구조, 합성구조, 신재생에너지, 철도, 해양구조 935

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