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문제 정의
- 전환부 궤도시스템은 국내 최초로 개발된 신형식 궤도시스템으로써 전환부 궤도시스템의 성능평가기준 및 방법은 아직까지 명확하게 정립되지 않은 실정이다. 따라서 이러한 성능평가기준 및 방법을 정립하기 위한 다양한 실험적 접근방법이 필요하며 이에 본 연구에서는 전환부 궤도시스템의 구조 및 재료적 건전성 평가 방법의 일환으로 300만회 피로 시험 전, 후의 고유진동수 및 감쇠비의 변화수준을 비교, 검토함으로써, 피로하중에 따른 전환부 궤도시스템의 구조 및 재료적 특성의 변화 여부를 검토하여 전환부 궤도시스템의장기 내구성능(구조 및 재료적 건전성)을 평가하였다. Fig.
- 본 연구에서는 국내 철도설계기준을 준용하여 개발한 한국형 전환부 궤도시스템에 대한 정, 동적 거동특성 및 동특성 분석을 위한 실험 및 해석을 수행하였다. 또한 피로효과를 고려한 전환부 궤도시스템의 장기 내구성능을 평가하고자 피로시험 및 수치해석을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구의 전환부 궤도시스템은 Hannover-Berlin 구간에 적용된 강합성 형식의 전환부 궤도시스템의 장점을 벤치마킹하여 개발된 시스템으로써 국내에서 사용되는 궤도용품과 설계기준에 적합하게 설계 및 제작하였다.
- 6은 동적 가진시험에 적용된 주기하중의 예로써 최대하중의 크기는 고정시킨 상태에서 하중진폭의 변화가 전환부 궤도시스템의 거동에 미치는 영향을 검토하기 위해 초기하중(Median load)부터 동적하중 변동의 수준을 매개변수로 설정하여 각각 5%, 15% 및 25%까지 고려함으로써 최대하중 170kN, 200kN 및 220kN을 각각 만족시킬 수 있는 진폭하중의 형태로 가진하였다[20-24,27]. 즉, 최대하중은 고정된 상태에서 초기하중과 하중의 변동수준(하중진폭)만이 변화할 때 전환부 궤도시스템의 동적거동을 분석함으로써 공용중 발생가능한 열차하중의 변동수준에 따른 구조적 거동특성을 파악하고자 하였다[27]. 또한 피로효과의 경우 최대하중의 크기뿐만 아니라 초기하중 대비 하중진폭의 수준이 발생응력의 변동수준(응력범위)에 직접적인 영향을 미치게되므로 하중진폭이 클수록 발생응력 범위가 증가하여 피로 적으로 취약할 수 있다.
제안 방법
- 300만회 피로시험에 따른 전환부 궤도시스템의 중립축 변화 및 발생응력의 수준을 파악하고자 주형상면, 하부강판의상, 하면 및 매입철근까지 총 13개의 스트레인게이지를 부착하였으며, 고유진동수 및 감쇠비 산출을 위해 전환부 궤도시스템의 주형과 궤간중심의 콘크리트 상면에 가속도계(2g)를 설치하여 가속도를 측정하였다. 가진주파수의 수준(최대 10Hz)과 시스템의 고유진동수(약 38Hz)를 감안하여 측정시 Sampling rate를 500Hz로 설정하여 측정을 수행하였다.
- 5. 본 연구결과 도출된 강합성 전환부 궤도시스템의 구조적 거동특성을 바탕으로 향후 전환부 궤도시스템의 설계 및 현장적용을 위한 성능요구조건 및 검토항목을 도출하였으며, 장기 내구성능 확보 여부를 판단할 수 있는 실험 및 해석적 평가기법을 제시하였다.
- KTX 열차하중에 대한 전환부 궤도시스템의 정적변위를 검토하였다. 하중재하 방법은 전환부 궤도시스템 경간 중앙부레일에 열차하중을 재하하였으며, 자중을 포함하는 KTX 열차하중에 대한 전환부 궤도시스템의 최대 정적 변위를 검토하였다.
- Table 1은 해석모델에 적용한 입력제원을 나타낸 것이며, 해석 시 고려한 열차하중은 KTX(170kN)와 디젤 동력차 (220kN)의 설계하중과 피로시험에 적용한 최대하중(220kN) 을 고려하여 해석을 수행하였다[20-24].
- 300만회 피로시험에 따른 전환부 궤도시스템의 중립축 변화 및 발생응력의 수준을 파악하고자 주형상면, 하부강판의상, 하면 및 매입철근까지 총 13개의 스트레인게이지를 부착하였으며, 고유진동수 및 감쇠비 산출을 위해 전환부 궤도시스템의 주형과 궤간중심의 콘크리트 상면에 가속도계(2g)를 설치하여 가속도를 측정하였다. 가진주파수의 수준(최대 10Hz)과 시스템의 고유진동수(약 38Hz)를 감안하여 측정시 Sampling rate를 500Hz로 설정하여 측정을 수행하였다. 측정을 위한 센서설치 위치도와 센서설치 전경은 각각 Fig.
- 강재의 허용응력은 시험체에서 사용된 강재인 SM490과 하부강판의 두께 28mm를 고려하여 190MPa를 적용하여 주형하부플랜지의 인장응력을 검토하였다.
- 강재주형은 Shell element를 이용하였으며 주형 내부에 충진되는 콘크리트는 Solid element로 모델링하였다. 또한, 레일은 Beam element로 모델링하여 UIC 60레일의 재료 및 단면특성이 반영되었으며 레일요소 위를 이동하는 열차하중의 효과가 레일체결장치를 통해 전환부 궤도시스템에 전달될 수있도록 모사하기 위하여 레일체결장치는 정적 스프링 강성을 갖는 Spring element (Elastic link element)로 모델링하여 레일과 전환부 궤도시스템의 콘크리트단면에 일정간격 (600mm)으로 연결하였다[20-24].
- 고속철도 교량상 콘크리트궤도 표준단면을 이용하여 교량단부에 부설될 전환부 궤도구조의 높이와 폭을 결정하였으며, 국내 철도설계기준을 준용하여 설계하였다[13,20-24]. 전환부 궤도시스템의 경간은 경부고속철도교량의 최대 유간 조사결과를 고려하여 2.
- 국내 철도하중에 대한 전환부 궤도시스템의 구조적 거동 특성 및 장기 내구성능을 분석하고자 초기하중의 크기와 동적 하중진폭의 수준 변화를 고려한 실험하중을 산정하여 정, 동적 재하시험 및 피로시험을 수행함으로써 하중진폭 및 피로효과를 고려한 전환부 궤도구조의 중립축 검토 및 동특성(고유진동수, 감쇠비)의 변화를 검토하였다[20-24]. 전환부 궤도시스템의 정적응력을 측정하여 중립축을 검토하였고, 동적 재하시험을 통해 획득한 자유진동파형을 이용하여 측정 고유진동수 및 감쇠비를 산출하였다.
- 전환부 궤도시스템이 설치되는 구간의 레일면고는 인접 궤도의 레일면고와 일치하여야 하며, 이러한 레일면고가 고정된 조건에서 교량바닥판의 PCL 사이의 제한된 공간에 전환부 궤도용 받침을 설치하면서 전환부 궤도시스템이 TCL (Track concrete layer)로써의 성능과 기능을 만족할 수 있어야 한다. 따라서 전환부 궤도구조자체의 형고가 비교적 낮으면서도 충분한 강성과 중량을 확보할 수 있어야 하므로 받침의 높이(0.084m) 및 궤도 전단보강(Cam plate)의 높이를 고려하여 0.33m로 설계하였다[20-24]. 전환부 궤도시스템을 구성하는 궤도구성품으로는 UIC 60 레일과 Rheda 2000 Biblock 침목을 적용하였으며 레일체결시스템은 Vossloh system 300-1(skl-15)을 적용하였다.
- 전환부 궤도시스템의 정적응력을 측정하여 중립축을 검토하였고, 동적 재하시험을 통해 획득한 자유진동파형을 이용하여 측정 고유진동수 및 감쇠비를 산출하였다. 또한 300만회 피로시험 전, 후의 전환부 궤도시스템의 균열 발생경향 및 동적응답 측정결과를 비교, 검토함으로써 전환부 궤도시스템의 300만회 피로시험에 대한 구조적 건전성 및 장기 내구성능을 검토하였다[20-24].
- 정적하중 500kN인 Actuator와 별도로 구성된 재하 프레임을 통해 레일상면을 가력하여 시험체를 가진시키는 방식으로 300만회 가력시험을 실시하여 피로시험 전, 후의 중립축, 고유진동수 및 감쇠비의 변화 수준을 분석하였다[20-24]. 또한 고유진동수 및 감쇠비를 측정하기 위한 자유진동 신호를 얻기 위해 Actuator의 Quick Release기능을 이용하여 일정 주파수(5Hz, 10Hz)를 가진한 후 시험하중을 시험체에서 일시에 완전히 제거하는 방식으로 자유진동신호를 추출하였다. 본 연구의 실내시험에서 적용한 하중케이스는 Table 2와 같다[20-24,27].
- 전환부 궤도시스템의 구조적 특징 및 구성품의 특성을 반영한 수치해석모델을 이용하여 전환부 궤도시스템의 정, 동적 거동특성을 비롯한 중립축 및 고유진동수를 검토하였다. 또한 이를 실물스케일로 제작한 시험체를 이용하여 정, 동적 재하시험을 실시하고 300만회 피로시험 전, 후의 실험결과를 상호 비교, 분석하였다.
- 전환부 궤도시스템을 구성하는 궤도구성품으로는 UIC 60 레일과 Rheda 2000 Biblock 침목을 적용하였으며 레일체결시스템은 Vossloh system 300-1(skl-15)을 적용하였다. 또한 전환부 궤도구조의 구조부재인 주형과 하부강판은 일반 구조용 강재인 SM490을 사용하고 도상층을 구성하는 콘크리트 단면은 설계기준강도 45MPa의 콘크리트로 설계함으로써 충분한 강성 및 발생응력에 대한 안전율을 확보할 수 있도록 강합성 구조로 설계하였다. 전환부 궤도시스템에 적용된 받침은 탄성받침으로써 탄성고무의 두께는 30mm이고 평면치수는 150×250mm 이며, 정적 스프링강성은 121.
- 본 연구에서는 국내 철도설계기준을 준용하여 개발한 한국형 전환부 궤도시스템에 대한 정, 동적 거동특성 및 동특성 분석을 위한 실험 및 해석을 수행하였다. 또한 피로효과를 고려한 전환부 궤도시스템의 장기 내구성능을 평가하고자 피로시험 및 수치해석을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 강재주형은 Shell element를 이용하였으며 주형 내부에 충진되는 콘크리트는 Solid element로 모델링하였다. 또한, 레일은 Beam element로 모델링하여 UIC 60레일의 재료 및 단면특성이 반영되었으며 레일요소 위를 이동하는 열차하중의 효과가 레일체결장치를 통해 전환부 궤도시스템에 전달될 수있도록 모사하기 위하여 레일체결장치는 정적 스프링 강성을 갖는 Spring element (Elastic link element)로 모델링하여 레일과 전환부 궤도시스템의 콘크리트단면에 일정간격 (600mm)으로 연결하였다[20-24].
- 반복 피로하중에 따른 전환부 궤도시스템의 균열 발생위치와 균열을 유발하는 하중의 수준을 검토하였으며, Fig. 16은 300만회 반복 피로시험 후 전환부 궤도시스템에 발생된 피로균열의 위치를 해석결과 도출된 응력 Contour와 비교하여 나타낸 것이다[20-24].
- 본 연구에는 전환부 궤도시스템의 수치모델을 이용하여 휨 모드 및 비틀림 모드를 포함한 10차 모드까지의 고유진동 수를 검토하였으며 수치모델을 이용한 해석 고유진동수 및 모드형상 분석결과(1차 모드)는 Fig. 13과 같다.
- 본 연구에서는 하중조건별 초기하중(Median load)까지 정적재하 후 가진을 시작하여 Actuator의 Quick-release기능을 활용하여 일정시간 가진 후 일시에 하중을 제거함으로써 자유진동신호를 측정하였으며, 측정된 자유진동신호에 대한 FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 수행하여 시험체의 측정 고유진동수를 분석하였다[20-24,27]. Fig.
- 본 연구에서는 한국형 전환부 궤도시스템의 정, 동적 거동특성을 실험적으로 입증하고 실내시험 결과와의 비교분석을 위해 범용 유한요소해석 프로그램인 MIDAS civil 2012를 이용하여 수치해석을 수행하였다[20-22]. 전환부 궤도시스템의 구조적 형상을 반영할 수 있도록 Fig.
- 또한 피로효과의 경우 최대하중의 크기뿐만 아니라 초기하중 대비 하중진폭의 수준이 발생응력의 변동수준(응력범위)에 직접적인 영향을 미치게되므로 하중진폭이 클수록 발생응력 범위가 증가하여 피로 적으로 취약할 수 있다. 이에 본 연구에서 수행한 피로시험 시에는 초기하중으로부터 하중 변동의 수준을 25%까지 고려함으로써 하중진폭이 큰 상태에서 최대하중 220kN을 300만회 반복재하하는 피로시험을 수행하였다[20-24,27].
- 고속철도 교량상 콘크리트궤도 표준단면을 이용하여 교량단부에 부설될 전환부 궤도구조의 높이와 폭을 결정하였으며, 국내 철도설계기준을 준용하여 설계하였다[13,20-24]. 전환부 궤도시스템의 경간은 경부고속철도교량의 최대 유간 조사결과를 고려하여 2.4m(받침간 거리)로 선정하였으며, 전환부 궤도의 폭은 일반구간의 궤도폭인 2.8m를 기준으로 상부는 2.8m, 하부는 2.9m인 변단면으로 설계하였다[20-24]. 전환부 궤도시스템이 설치되는 구간의 레일면고는 인접 궤도의 레일면고와 일치하여야 하며, 이러한 레일면고가 고정된 조건에서 교량바닥판의 PCL 사이의 제한된 공간에 전환부 궤도용 받침을 설치하면서 전환부 궤도시스템이 TCL (Track concrete layer)로써의 성능과 기능을 만족할 수 있어야 한다.
- 전환부 궤도시스템의 구조적 특징 및 구성품의 특성을 반영한 수치해석모델을 이용하여 전환부 궤도시스템의 정, 동적 거동특성을 비롯한 중립축 및 고유진동수를 검토하였다. 또한 이를 실물스케일로 제작한 시험체를 이용하여 정, 동적 재하시험을 실시하고 300만회 피로시험 전, 후의 실험결과를 상호 비교, 분석하였다.
- 본 연구에서는 한국형 전환부 궤도시스템의 정, 동적 거동특성을 실험적으로 입증하고 실내시험 결과와의 비교분석을 위해 범용 유한요소해석 프로그램인 MIDAS civil 2012를 이용하여 수치해석을 수행하였다[20-22]. 전환부 궤도시스템의 구조적 형상을 반영할 수 있도록 Fig. 4와 같이 3차원 요소로 모델링 하여 KTX 및 디젤동력차 하중에 대한 전환부 궤도시스템의 거동을 검토하였다[20-22].
- 국내 철도하중에 대한 전환부 궤도시스템의 구조적 거동 특성 및 장기 내구성능을 분석하고자 초기하중의 크기와 동적 하중진폭의 수준 변화를 고려한 실험하중을 산정하여 정, 동적 재하시험 및 피로시험을 수행함으로써 하중진폭 및 피로효과를 고려한 전환부 궤도구조의 중립축 검토 및 동특성(고유진동수, 감쇠비)의 변화를 검토하였다[20-24]. 전환부 궤도시스템의 정적응력을 측정하여 중립축을 검토하였고, 동적 재하시험을 통해 획득한 자유진동파형을 이용하여 측정 고유진동수 및 감쇠비를 산출하였다. 또한 300만회 피로시험 전, 후의 전환부 궤도시스템의 균열 발생경향 및 동적응답 측정결과를 비교, 검토함으로써 전환부 궤도시스템의 300만회 피로시험에 대한 구조적 건전성 및 장기 내구성능을 검토하였다[20-24].
- 2mm/3m)을 만족하는 것으로 분석되었다[4,20-24]. 정적 하중에 의해 발생한 주형 및 매입철근의 변형률을 측정한 후 각 측정 부재의 탄성계수를 고려하여 응력으로 환산하였으며 이를 통해 전환부 궤도시스템의 합성거동특성 및 중립축 위치를 검토하였다[20,24].
- 정적하중 500kN인 Actuator와 별도로 구성된 재하 프레임을 통해 레일상면을 가력하여 시험체를 가진시키는 방식으로 300만회 가력시험을 실시하여 피로시험 전, 후의 중립축, 고유진동수 및 감쇠비의 변화 수준을 분석하였다[20-24]. 또한 고유진동수 및 감쇠비를 측정하기 위한 자유진동 신호를 얻기 위해 Actuator의 Quick Release기능을 이용하여 일정 주파수(5Hz, 10Hz)를 가진한 후 시험하중을 시험체에서 일시에 완전히 제거하는 방식으로 자유진동신호를 추출하였다.
- KTX 열차하중에 대한 전환부 궤도시스템의 정적변위를 검토하였다. 하중재하 방법은 전환부 궤도시스템 경간 중앙부레일에 열차하중을 재하하였으며, 자중을 포함하는 KTX 열차하중에 대한 전환부 궤도시스템의 최대 정적 변위를 검토하였다.
대상 데이터
- 전환부 궤도시스템에 적용된 받침은 탄성받침으로써 탄성고무의 두께는 30mm이고 평면치수는 150×250mm 이며, 정적 스프링강성은 121.45kN/mm이다[20-24].
- 33m로 설계하였다[20-24]. 전환부 궤도시스템을 구성하는 궤도구성품으로는 UIC 60 레일과 Rheda 2000 Biblock 침목을 적용하였으며 레일체결시스템은 Vossloh system 300-1(skl-15)을 적용하였다. 또한 전환부 궤도구조의 구조부재인 주형과 하부강판은 일반 구조용 강재인 SM490을 사용하고 도상층을 구성하는 콘크리트 단면은 설계기준강도 45MPa의 콘크리트로 설계함으로써 충분한 강성 및 발생응력에 대한 안전율을 확보할 수 있도록 강합성 구조로 설계하였다.
이론/모형
- 또한, 본 연구에서는 실물스케일의 전환부 궤도 시험체를 이용한 실내시험을 통해 획득한 가속도파형의 자유진동응답 측정결과를 이용하여 대수감소법(Logarith mic decrement)으로 감쇠비를 산정하였다[20-24,27].
성능/효과
- 1. 전환부 궤도시스템의 측정 및 해석 중립축 및 고유진동수를 비교, 분석한 결과, 중립축은 약 6%, 고유진동수는약 1.2%의 차이가 나타나 전환부 궤도시스템의 수치해석모델은 실물 시험체의 거동을 잘 반영하는 것으로 분석되었다.
- 2. 전환부 궤도시스템의 고유진동수는 38.08Hz로써 국내 운행 열차속도 대역에서 공진발생의 위험은 없는 것으로 분석되었으며, 전환부 궤도시스템의 측정 감쇠비(2.46%)는 국내 설계기준에서 제시하는 강합성 구조의 감쇠비 하한치를 만족하는 것으로 나타났다. 또한 300만회 피로시험 전, 후의 중립축의 위치, 감쇠비 및 고유진동수의 변화가 매우 미소한 것으로 나타나 피로하중에 따른 전환부 궤도시스템의 구조적인 손상(단면강성 및 질량변화) 및 재료적 특성의 변화는 발생하지 않은 것으로 분석되었다.
- 3. 300만회 피로시험 후 발생된 균열의 위치는 수치해석 결과 도출된 전환부 궤도 단부의 인장응력과 압축응력의 경계면의 위치와 일치하였다. 또한 균열발생 위치에서의 해석 최대응력은 콘크리트의 허용응력 대비 약 10% 미만으로 나타났다.
- 4. 전환부 궤도시스템의 정, 동적 재하시험 결과, 처짐 및 응력, 가속도 등과 같은 정·동적 거동특성이 성능요구조건을 모두 만족하며 국내 철도하중에 대한 충분한 구조안정성을 확보하는 것으로 분석되었다.
- 동적재하시험 및 해석결과, Fig. 12와 같이 가진하중의 크기 및 진폭에 큰 영향을 받지 않고 전환부 궤도시스템의 성능요구조건(0.9mm) 및 국내 궤도면틀림 허용기준(1.2mm/3m)을 하회하는 것으로 나타났다[4,20-24].
- 46%)는 국내 설계기준에서 제시하는 강합성 구조의 감쇠비 하한치를 만족하는 것으로 나타났다. 또한 300만회 피로시험 전, 후의 중립축의 위치, 감쇠비 및 고유진동수의 변화가 매우 미소한 것으로 나타나 피로하중에 따른 전환부 궤도시스템의 구조적인 손상(단면강성 및 질량변화) 및 재료적 특성의 변화는 발생하지 않은 것으로 분석되었다.
- 300만회 피로시험 후 발생된 균열의 위치는 수치해석 결과 도출된 전환부 궤도 단부의 인장응력과 압축응력의 경계면의 위치와 일치하였다. 또한 균열발생 위치에서의 해석 최대응력은 콘크리트의 허용응력 대비 약 10% 미만으로 나타났다. 이는 수치모델을 이용한 콘크리트 응력해석을 통해 전환부 궤도의 균열발생 위치를 파악하였으며, 응력해석 및 중립축 검토결과를 바탕으로 단부 콘크리트의 균열은 구조적 건전성에 영향을 미치는 수준이 아닌 것으로 분석되었다.
- 측정 감쇠비 분석결과, 고유 진동수와 마찬가지로 가진 하중의 크기와 주파수에 영향을 받지 않고 일정한 수준을 유지하는 것으로 나타났다. 또한 최대 측정 감쇠비(2.46%)는 설계기준에서 제시하는 강합성 구조의 감쇠비 하한 값(2.23%)을 만족하는 것으로 분석되었으며, 피로시험 전, 후 감쇠비의 차이가 약 1.26% 수준으로 매우 미소하게 나타나 강합성 구조인 전환부 궤도시스템의 300만회 피로하중에 대한 구조 및 재료적 건전성을 입증하였다[20-24].
- Hannover-Berlin 구간에 적용된 전환부 궤도시스템은 2주형 강합성 구조로 설계 및 시공되어 있으며 강재로 된 주형 속에 철근 콘크리트를 채우고 그 위에 일정 레일지지점간격(600mm)으로 직결식 탄성 레일체결장치(ERL, Elastic ribbed plate support)를 시공하였다[4]. 또한, 교량바닥판을 기준으로 인접 레일과의 레일면고(Rail level, R.L)를 유지할 수 있는 전환부 궤도의 높이 및 받침(Port Bearing)의 높이가 결정되었다.
- 시험조건별 고유진동수 산출 결과, Fig. 15(a)와 같이 전환부 궤도시스템의 고유진동수는 가진 하중의 크기(하중진폭) 및 가진 주파수 변화에 영향을 받지 않았으며, 피로시험 전, 후의 고유진동수의 차이가 매우 미소한 것(0.82%)으로 나타나 피로시험에 따른 전환부 궤도시스템의 단면강성의 변화 및 질량의 손실은 발생하지 않은 것으로 분석되었다[20-24]. 또한 해석 고유진동수와 측정고유진동수의 차이가 약 1.
- 또한 균열발생 위치에서의 해석 최대응력은 콘크리트의 허용응력 대비 약 10% 미만으로 나타났다. 이는 수치모델을 이용한 콘크리트 응력해석을 통해 전환부 궤도의 균열발생 위치를 파악하였으며, 응력해석 및 중립축 검토결과를 바탕으로 단부 콘크리트의 균열은 구조적 건전성에 영향을 미치는 수준이 아닌 것으로 분석되었다.
- 전환부 궤도시스템의 강재 주형과 콘크리트 단면에 대한 정적 응력 검토결과, Fig. 10(c)와 같이 강재 주형의 휨응력은 8MPa로 나타나 설계기준(190MPa)을 만족하는 것으로 분석되었으며, 콘크리트의 압축응력은 2MPa로 설계기준(0.4fck =18MPa)을 만족하여 강재와 콘크리트단면 모두 충분한 안전율을 확보하는 것으로 분석되었다[20-24].
- 15(b)는 300만회 피로시험 전, 후에 대한 시험조건별 감쇠비 측정결과를 나타낸 것이다. 측정 감쇠비 분석결과, 고유 진동수와 마찬가지로 가진 하중의 크기와 주파수에 영향을 받지 않고 일정한 수준을 유지하는 것으로 나타났다. 또한 최대 측정 감쇠비(2.
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