capi - diseño hidráulico de estructuras de cruce

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Ing. Giovene Prez Campomanes Email: [email protected] Blog: ingenieriahidraulicaunmsmimf.blogspot.com

DISEO HIDRAULICO DE ESTRUCTURAS DE CRUCE

1. Introduccin: En el recorrido de un canal, pueden presentarse diversos

accidentes y obstculos como son: Depresiones del terreno, debido a

quebradas secas, fallas o cursos de agua y en otros la necesidad de cruzar

las vas de comunicacin (carreteras, lneas frreas u otro canal).

Las soluciones mediante estructuras hidrulicas son las siguientes:

Alcantarilla

Acueducto

Puente canal

Sifn

Tnel

2. Alcantarillas:

Son estructuras que permiten el paso de agua por debajo de vas, pero con

la diferencia de que en stas la tubera est al mismo nivel del agua que en

el canal de riego.

Estas estructuras se deben disear con una capacidad suficiente para

eliminar la mxima avenida de la cuenca hidrogrfica aguas arriba de la

ubicacin de la alcantarilla.

2.1 Tipos de salida en la alcantarilla:

Tipo I Salida sumergida: alcantarilla llena

Tipo II Salida no sumergida: Alcantarilla llena

Tipo III Salida no sumergida: Parcialmente llena.

Tipo IV Salida no sumergida: Flujo subcritico en la alcantarilla.

Tipo V Salida no sumergida: Flujo subcritico en la alcantarilla y flujo

supercritico en la salida.

Tipo VI Salida no sumergida: Flujo supercritico en la alcantarilla, flujo

supercritico en la entrada.

2.2 Consideraciones hidrulicas:

Se debe tener en cuenta los siguientes factores:

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Pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del

lugar.

Pendiente del fondo de la alcantarilla.

Altura de ahogamiento permitido a la entrada.

Tipo de entrada.

Rugosidad de las paredes de la alcantarilla.

Altura del remanso de salida.

Fig. N 01 se observa el paso del agua a travs de una alcantarilla

2.3 Criterios de diseo:

Las alcantarillas son diseadas para una presin hidrosttica interna

mnima.

La eleccin del dimetro de la alcantarilla se hace en funcin del

caudal de tal forma que no sobrepase la velocidad admisible

promedio.

El diseo hidrulico de una alcantarilla consiste en la seleccin de su

dimetro de manera que resulte una velocidad promedio de 1.27

m/seg.

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Fig. N02. Se observa alcantarillas con control de entrada sumergida y no sumergida

La pendiente mnima de la alcantarilla es de 0.005( So=5 o/oo).

El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mnima de terreno

para caminos parcelarios es de 0.60 m y para cruces con caminos

principales(la panamericana), de 0.9 m.

Las transiciones de concreto son necesarias en los siguientes casos:

En los cruce de ferrocarriles y carreteras principales

En las alcantarillas con dimetros mayores a 36, y con velocidades

mayores a 1.06 m/s.

La pendiente de la alcantarilla debe ser igual a la pendiente del

canal.

La transicin tanto de entrada como de salida en algunos casos se

conectan a la alcantarilla mediante una rampa con inclinacin

mxima de 4:1.

El talud mximo del camino encima de la alcantarilla no debe ser

mayor a 1.5:1.

En cruce de canales con camino, las alcantarillas no deben

disearse en flujo supercritico.

Se debe determinar la necesidad de collarines en la alcantarilla.

Normalmente las alcantarillas trabajan con nivel de agua libre,

llegando a mojar toda su seccin en periodos con caudales

mximos.

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Las prdidas de energa mximas pueden ser calculadas segn la

frmula:

De donde:

Pe= perdida de entrada

Pi= perdida por friccin

Ps= perdida de salida

Va= Velocidad de alcantarilla

2.4 Tipos de Alcantarilla por su capacidad:

Alcantarilla de un tubo: Para caudales iguales o menores a 1.2 m3/s

Longitud de transicin:

Dimetro interno mnimo: Di = 0.51 m

Alcantarillas de 2 tubos: Para caudales que oscilan entre 0.5 m3/s y

2.2. m3/s.

Longitud de transicin:

Longitud de proteccin en la entrada

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Longitud de proteccin en la salida:

Dimetro interno mnimo: Di = 0.51 m

Alcantarilla de 02 ojos: Para caudales que oscilan entre 1.5 m3/s, y 4.5

m3/s.

Seccin del ojo= ancho * altura = D * 1.25 D.

Capacidad mxima de la alcantarilla:

Entrada y salida con proteccin de enrocado y con espesor de la capa

de roca de 0.25 m.

Longitud de las transiciones:

b= Plantilla del canal

Longitud de proteccin en la entrada

Longitud de proteccin de la salida:

Dimetro interno mnimo:

Alcantarilla de 03 Ojos: Para caudales que oscilan entre 2.3 m3/s y

10.5 m3/s.

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Seccin del ojo = Ancho * Altura = D * 1.25 D

Entrada y salida con proteccin de enrocado y con espesor de la capa

de 0.25 m.

Longitud de transiciones:

b= Plantilla del canal

Longitud de proteccin de la entrada:

Lp>=3 D

Longitud de la proteccin de la salida:

Lp>= 5 D

Dimetro interno mnimo:

Collarines para los tubos:

Estos se construyen cuando existe la posibilidad de una remocin de las

partculas del suelo en los puntos de emergencia y existe peligro de falla

de la estructura por tubificacin, debido al agua que se mueve

alrededor de la periferia del tubo en toda su longitud.

h e

tubo (m) (m)

18" 1,52 0,15

21" 1,6 0,15

24" 1,68 0,15

27" 1,9 0,15

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30" 2,13 0,15

36" 2,6 0,15

42" 2,82 0,2

48" 3 0,2

54" 3,5 0,2

60" 3,65 0,2

Tabla N01 se muestra las caractersticas de los collarines en las alcantarillas.

2.5 Para el diseo de una alcantarilla, el proyectista se debe fijar en:

Existen dos tipos de alcantarillas: flujo con control a la entrada y flujo

con control a la salida.

Una alcantarilla que trabaja con control a la entrada recibe el nombre

de alcantarilla hidrulicamente corta.

Una alcantarilla que trabaja con control a la salida recibe el nombre

de alcantarilla hidrulicamente larga.

Cuando la altura de agua en la entrada no es determinante en el

diseo de una alcantarilla la seleccin del tipo de entrada no reviste

mayor importancia.

DATOS PARA LA SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIAS

Transicin de Tierra

Vmax= 1,06 m/s

Transicion de

Concreto Vmax=

1,52 m/s Tuberas

Caudal (m3/s) Caudal (m3/s) Dimetro ( pulg.) Dimetro ( cm.) rea ( m2)

0 -0,076 0-0,11 12 30,48 0,073

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0,077 - 0,112 0,111-0,173 15 38,1 0,114

0,123 - 0,176 0,174-0,249 18 45,72 0,164

0,177 - 0,238 0,250-0,340 21 53,34 0,223

0,239-0,311 0,341-0,445 24 60,96 0,292

0,312-0,393 0,446-0,564 27 68,58 0,369

0,394-0,487 0,565-0,694 30 76,2 0,456

0,488-0,589 0,695-0,841 33 83,82 0,552

0,590-0,699 0,842-1,00 36 91,44 0,656

0,700-0,821 1,001-1,175 39 99,06 0,771

0,822-0,954 1,176-1,362 42 106,68 0,894

0,955-1,096 1,363-1,563 45 114,3 1,026

1,097-1,246 1,564-1,778 48 121,92 1,167

1,247-1,407 1,779-2,008 51 129,54 1,318

1,408-1,578 2,009-2,251 54 137,16 1,478

1,579-1,756 2,252-2,509 57 144,78 1,646

1,757-1,946 2,510-2,781 60 152,4 1,824

1,947-2,146 63 160,02 2,011

2,147-2,356 66 167,64 2,207

2,357-2,574 69 175,26 2,412

2,575-2,803 72 182,88 2,626

Tabla N 02 se muestra los datos para la seleccin de los dimetros de la tubera

EL VALOR DE Ke, PARA LAS DIFERENTES CONDICIONES DE ENTRADA

TIPO DE ENTRADA VARIACION PROMEDIO

Para entradas con aristas

rectangulares instaladas al ras en

los muros de cabeza verticales

0,43-0,70 0,5

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Para entradas con aristas

redondeadas instaladas al ras en

muros de cabeza verticales r/D >=

0,15

0,08 -0,270 0,1

Para tubo de concreto de espiga o

de campana instalado al ras en el

muro de cabeza vertical

0,10 -0,33 0,15

Para tubos de concreto salientes

con extremos de espiga o campana 0 0,2

Para tubos de acero o de metal

ondulado 0,5-0,9 0,85

Tabla N 03 se muestra los valores de los coeficientes para los diversos tipos de entrada

2.6 Hay casos en que las recomendaciones anteriores deben variarse.

En zonas recientemente niveladas de declive relativamente suave,

puede haber sedimentacin; la alcantarilla puede colocarse unos

centmetros ms alta que el lecho de la corriente, pero considerando

la misma pendiente

Cuando la altura del terrapln es reducida, el colocar la alcantarilla

mas baja que el lecho de la corriente produce sedimentacin y

reduce el rea hidrulica, as como debe usarse una estructura

ancha de poca altura, como un tubo abovedado, en algunos casos

se puede elevarse la cota del camino.

Bajos terraplenes altos no siempre es necesario colocar el conducto

al mismo nivel que el fondo de la corriente, si se puede admitirse

una elevacin de agua a la entrada, la alcantarilla se puede colocar

en un nivel ms alto, reduciendo su longitud.

Bajo terraplenes altos, generalmente ocurre mayor asentamiento en

el centro de seccin; la alcantarilla debe colocarse con una contra

flecha: la mitad aguas arriba casi horizontal , dndose la cada

necesaria en la mitad aguas abajo.

En terrenos con pendientes fuertes, como las laderas, no siempre es

necesario dar a las alcantarillas la misma pendiente abrupta; puede

drsele la pendiente critica y una salida con vertedero, que evite la

socavacin ; esto acorta el conducto y rebaja la cubierta.

En pendientes fuertes tambin es posible colocar bajo el terraplen un

tubo con codo, aun que generalmente no se aconseja. Una entrada

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a un pozo colector permite dar a la alcantarilla una pendiente

correcta.

2.7 Se ha comprobado que los siguientes factores afectan la vida de

una alcantarilla:

Gasto que fluye a travs de la alcantarilla

Velocidad del flujo

Contenido de los sedimentos abrasivos

Concentracin de iones hidrogeno(PH) en el agua

Concentracin de iones hidrogeno(PH) en el suelo

Contenido de carbono de calcio, sulfatos y slidos disueltos en el

agua.

Caractersticas geolgicas de los manantiales, presencia de

compuestos orgnicos en el agua y afectacin de la hoya por

materiales contaminantes.

2.8 DISEO DE UNA ALCANTARILLA:

Disear una alcantarilla similar a la que se muestra en la fig. adjunta

que permita el cruce del canal, con un camino y cuyos parmetros se

indican.

Datos del canal datos de la alcantarilla

Q= 0.50 m3/s n=0.014

B=0.80 m S=0.005 (mnimo)

Z=1 L1=3D o 5

n=0.025 L2=4D 0 5 mnimo

S=0.0005 ancho del camino= 6.0 m

Pendiente de la transicin a la

orilla = 1.5:1

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3 Acueducto: Es un conducto que fluye como canal encima de un puente

diseado, para resistir la carga de agua y su propio peso para atravesar

una va de transporte o para cruzar una depresin o curso de agua no muy

profunda.

Desde el punto de vista de la estructura civil, los acueductos pueden ser de

dos tipos:

Acueducto sobre una estructura de soporte (puente).

Canal cuyas paredes y base forman parte estructural del puente


Estas obras constan de transicin de entrada y transicin de salida,

siendo siempre rectangular la seccin de la canoa.

La energa de la canoa debe ser en lo posible igual a la energa del

canal, para lo cual se trata de dar velocidades en la canoa igual a la del

canal, desprecindose las prdidas de carga en este caso, normalmente

suele darse a las transiciones, ngulos de 12 30.

La pendiente en la seccin de la canoa, debe ajustarse lo mas

cercano posible a la pendiente del canal a fin de evitar cambios en la

rasante.

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Se recomienda disear considerando un tirante en la canoa igual al

del canal.

La condicin de flujo en la canoa debe ser subcritico F< 1.

Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante

del obstculo, se puede utilizar como estructura de cruce un puente

canal( acueducto) o un sifn invertido.

El puente canal se puede utilizar cuando la diferencia de niveles entre la

rasante del canal y la rasante del obstculo permite un espacio libre

suficiente para lograr el paso.

3.2 Elementos hidrulicos de un puente canal:

Transicin de entrada

Conducto elevado

Transicin de salida

3.3 Diseo de un acueducto:

Un canal como se observa en el perfil longitudinal de la figura adjunta, se debe

atravesar un rio. La depresin est ubicado el rio tiene una longitud de 25 m. El

canal de seccin trapezoidal , con talud 1.5, trazado en tierra con una

pendiente del 0.5 o/oo debe conducir un caudal de 0.8 m3/s.

Se pide disear un puente canal que permita salvar la depresin.

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4 Sifn:

Es una estructura que cruza el desnivel por medio de un conducto

que se desplace por debajo del accidente topogrfico, lo cual dar lugar a la

configuracin de un sifn invertido.

Fig. N 03 se muestra el esquema de un sifn invertido

El canal, por medio de los sifones, incorporar estructuras que trabajarn bajo

presin.

Los sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados. Las

estructuras superficiales se apoyan sobre el suelo, en trincheras, tneles o

galeras, los cuales permiten una mejor accesibilidad. Las estructuras

enterradas son ms simples y normalmente de menor costo, ya que no

cuentan con soportes, pero su desventaja est asociada al mantenimiento, por

cuanto su accesibilidad resulta ms complicada.

La magnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifn,

puede variar entre 2 a 4 m/s.

La velocidad de flujo est asociada tambin al tipo de material del conducto;

Zurita considera los siguientes valores:

Conductos de fbrica 1.0 a 1.5 m/s

Tubos de hormign 1.5 a 2.5 m/s

En todos los casos se deber incorporar elementos que permitan la

limpieza peridica de los sedimentos que se acumulen en los sectores bajos

a consecuencia de las reducidas velocidades de flujo que se presenten durante

la operacin del sistema.

4.1 Sifones invertidos:

Son estructuras cerradas que trabajan a presin y se utilizan para el transporte

del agua por debajo de depresiones, canales y vas.

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Es una estructura utilizada para atravesar depresiones o vas de comunicacin

cuando el nivel de la superficie libre de agua del canal mayor es mayor que la

rasante del cruce y no hay espacio para lograr el paso de vehculos o el paso

del agua.

La diferencia entre el sifn invertido y el acueducto reside en que la seccin del

sifn se apoya directamente en las laderas de la depresin, en cambio el

acueducto conserva su rasante apoyado en la estructura del puente.

Las secciones ms recomendadas en los sifones invertidos son:

Seccin Rectangular: Con una relacin H/B = 1.25 y con una seccin

mnima de H = 1.0 metros y B = 0.80 metros.

Seccin Circular : Con un dimetro mnimo de 30, pueden ser en

algunos casos proyectarse bateras de conductos circulares

Transiciones con un ngulo de 12 30, tanto en el ingreso y a la salida se

instalan rejas para evitar el ingreso de troncos.

4.2 Normas para el diseo de sifones invertidos:

Cuando el caudal por conducir es grande y supera un conducto de

6.00 metros de dimetro se disea una batera de sifones.

Para cargas pequeas entre 0 y 5 metros, se prefiere las secciones

cuadradas y rectangulares.

4.3 Para el diseo de los sifones invertidos indican:

Cruce de carreteras

Cruce de vas frreas

Cruce con canal o dren

Cruce de ros y arroyos

El relleno con tierra sobre la tubera debe ser mayor de 0.6 m, para evitar

daos por las cargas que producen los vehculos.

Los sifones deben tener un dimetro superior a 61 cm (24") para facilitar su

limpieza.

4.4 Partes de un sifn invertido:

Consta de las siguientes partes:

Desarenador

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Desage de excedencias

Compuerta de emergencia y rejilla de entrada

Transicin de entrada

Conducto o Barril

Registros para limpieza y vlvulas de purga

Transicin de salida


Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los

requerimientos de cobertura, pendiente de tubo, ngulos de doblados y

sumergencia de la entrada y salida.

Si el sifn cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de

cobertura.

Las prdidas de carga por la entrada y salida para las transiciones tipo

cubierta partida, se pueden calcular rpidamente con los valores 0.4 hv y

0.65 hv respectivamente.

La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la

pendiente mnima del tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda

transicin de concreto a la entrada y la salida cuando el sifn cruce

caminos principales en sifones con mayor o igual a 36 y para

velocidades en el tubo mayores a 1 m/seg.

Con la finalidad de evitar desbordes aguas arriba del sifn debido a la

ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar

en un 50% o 0.30 m como mximo al borde libre del canal en una longitud

mnima de 15 m a partir de la estructura.

A fin de evitar remansos aguas arriba, las perdidas totales computadas se

incrementan en 10%.

En el diseo de la transicin de entrada se recomienda que la parte superior

de la abertura del sifn, este ligeramente debajo de la superficie normal del

agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y

en el diseo se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifn o 1.1 como

mnimo o tambin 3.

En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para

permitir un drenaje del tubo para su inspeccin y mantenimiento.

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En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya

sea que el sifn opere a flujo parcial o flujo lleno, con un coeficiente de

friccin menor que el asumido en el diseo, por esta razn se recomienda

usar n = 0.008. Cuando se calculan las prdidas de energa.

Con la finalidad de evitar la cavitacin a veces se ubica ventanas de

aireacin en lugares donde el aire podra acumularse.

Cuando el sifn, cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el

gasto mximo de la creciente.

4.6 Diseo hidrulico del sifn invertido:

El desnivel entre las gradientes de energa en la entrada y la salida algunas

veces se predetermina y en otras ser igual a la suma de todas las prdidas

producidas en el contorno.

Las prdidas de carga importantes son:

a. En la transicin de entrada y salida

b. Perdida rejilla de ingreso y salida

c. Por friccin en transiciones

d. Por friccin en el sifn

e. En los codos o cambios de direccin

f. Por cambio de seccin en la salida.

La simbologa a emplearse:

: Longitud transicin de entrada

: longitud transicin de salida

: longitud del sifn

: velocidad del canal de entrada

: Velocidad del canal de salida

: Velocidad en el sifn

: Pendiente del sifn

: Pendiente del canal

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: Aceleracin de la gravedad

a. Perdidas de carga en las transiciones de entrada y salida:

Las prdidas de carga en las transiciones son:

Donde :

kt : 0.1 en la transicin de entrada

kt : 0.2 en la transicin de salida

b. Perdidas de carga en las rejillas:

Se calcula segn Kirschmer:

De donde:

Kr : coeficiente que depende de la forma de la reja

: ngulo que hace la reja con la horizontal

s : espesor de la reja

b : luz entre rejas

Fig. N 04 se muestra el esquema de un sifn invertido

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Para rejillas completamente sumergidas se emplea la formula de Creager:

Siendo:

Donde:

ag = rea bruta de la estructura de rejillas

an = rea neta de paso entre rejillas

V = velocidad neta a travs de rejillas.

c. Perdida de carga en la entrada y salida:

De donde:

h3 = prdida de carga por entrada al conducto

v = Velocidad del agua en el barril

Ke = Coeficiente que depende de la forma de entrada

d. Perdida de carga de friccin en el sifn:

R= radio hidrulico

L = longitud total del conducto

v = velocidad del agua en el conducto

S = pendiente de la lnea de energa

e. Perdida de carga debida a codos y cambios de direccin:

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: ngulo de reflexin del sifn

Valores de Ke

Compuerta en pared delgada - contraccin suprimida en lados y

en el fondo 1

Para entradas con arista en ngulo recto 0,5

Para entrada con arista ligeramente redondeada 0,23

Para entradas con arista completamente redondeada R/D = 0,15 0,1

para entrada abocinada circular 0,004

Tabla N.04 se muestra los coeficientes de entrada en las compuertas ubicadas en los sifones

f. Perdidas ampliacin: segn Borda; la perdida de carga es:

Segn Archer:

4.7 Diseo de un sifn invertido:

Un canal trapezoidal de ancho de solera de 1m , talud 1, en la tierra(n=0.025),

esta trazado con una pendiente de 0.5 % y conduce un caudal de 1 m3/s.

En cierto tramo de su perfil longitudinal como se muestra en la figura.

Realizar el diseo hidrulico del sifn invertido

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5. Practica dirigida:

1. Disear una alcantarilla similar a la que se muestra en la figura adjunta, que permite el cruce del canal, con un camino y cuyos parmetros se indican.

Datos del canal datos de la alcantarilla para el cruce de un camino parcelario

Q:0.80 m3/s n: 0.014

b: 0.80 m S:0.005 minimo

Z: 1 L1:3D o 5 minimo

n: 0.025 L2: 4D o 5 minimo

S: 0.0005 Ancho del camino: 7.00 m.

Talud de la orilla del camino: 1.5:1

La elevacin en A: 100.50 (de acuerdo al plano topogrfico)

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2. Calcular hidrulicamente la alcantarilla en el cruce del canal La mora, con un camino parcelario, la pendiente del canal es de 0.8/oo, y que no es posible modificarlo, ni antes ni despus del cruce, puesto que el canal ya est construido, adems el lecho y los taludes son de material pedregoso (canto rodado medio).

Caractersticas del canal en tierra:

Q: 4.5 m2/s, b: 2.2 m, n: 0.035, Z: 1.5, Y:

3. Un canal trapezoidal de ancho de solera de 1.2 m, talud 1, en tierra (n:

0.025), esta trazado con una pendiente de 1 o/00, y conduce un caudal de

1.2 m3/s. En cierto tramo de su perfil longitudinal como se muestra en la

figura adjunta, se tiene que construir un sifn invertido, se pide realizar el

diseo hidrulico del sifn invertido?

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