GENERALIDADES Y ESPECIFICACIONES DEL CONCRETO REFORZADO

1.1 Antecedentes históricos del concreto

La mayoría de la gente piensa que el concreto se ha estado usando durante muchos

siglos, pero no es así. En efecto, los romanos utilizaron una especie de cemento, llamado

puzolana, antes del nacimiento de Cristo. Encontraron grandes depósitos de ceniza

volcánica arenosa, cerca del Vesubio y en otros lugares de Italia. Cuando mezclaron este

material con cal viva y agua, además de área y grava, dejando endurecer la mezcla, se

produjo una substancia rocosa que utilizaron en la construcción. Se podría pensar que

resultaría una especie de concreto relativamente pobre, en comparación con las normas

actuales, pero algunas estructuras de concreto romanas siguen en pie hoy en día. Un

ejemplo notable es el Partenón, que se encuentra en Roma y fue terminado en el año de

126 de nuestra era.

El arte de hacer concreto puzzolanico se perdió durante la edad media y no fue resucitado

hasta los siglos dieciocho y diecinueve. En Inglaterra se descubrió en 1796 un depósito de

piedra natural de cemento que fue vendida como “cemento romano”. Se descubrieron

otros depósitos de cemento natural tanto en Europa como en América, que fueron

explotados durante varias décadas. 

En 1824, Joseph Aspidin, un albañil ingles, después de largos y laboriosos experimentos,

obtuvo una patente para un cemento que el llamo “cemento portland” debido a que su

color era muy similar al de la piedra de una cantera en la isla de Portland en la costa

inglesa. El hizo un cemento con ciertas cantidades de arcila y piedra caliza que pulverizo

y quemo en la estufa de su casa moliendo después la escoria resultante para obtener un

polvo fino. En los primeros años tras su invención, ese cemento se uso principalmente en

estucos1. Este extraordinario producto fue aceptado poco a poco por la industria de la

construcción y fue introducido a los Estados Unidos en 1868; el primer cemento portland

fue fabricado en los Estados Unidos durante la década de los 70 de siglo pasado.

Los primeros usos del concreto reforzado no son bien conocidos. Muchos de los trabajos

iniciales, fueron hechos por dos franceses, Lambot y Joseph Monier, Alrededor de 1850,

Lambot construyo un bote de concreto reforzado con una red de alambres barras

paralelas. Sin embargo, se le acredita a Monier la invención del concreto reforzado. En

1867 el recibió una patente para la construcción de receptáculos de concreto reforzado

con una malla de alambre de hierro. Su meta al trabajar con este material era obtener un

bajo peso sin tener que sacrificar resistencia.

De 1867 a 1881 Monier recibió patentes para la fabricación de durmientes, losas de piso,

arcos, puentes peatonales, edificios y otros elementos de concreto reforzado en Francia y

en Alemania. Otro francés, François Coignet, construyo estructuras simples de concreto

reforzado y desarrollo métodos básicos de diseño. En 1861 publico un libro en el que se

presentaba un buen número de aplicaciones. Fue la primera persona en darse cuenta que

la adición de mucha agua a la mezcla reducía considerablemente la resistencia del

concreto. Otros europeos que experimentaron con el concreto reforzado en sus

etapas iníciales fueron los ingleses William Fainbairn y William B. Wilkinson, el

alemán G.A. Wayss y otro francés, François Hennebique.

William E. Ward construyo el primer edificio de concreto reforzado en Estados

Unidos en Port Chester, N.Y., en 1875. En 1883 presento una disertación ante la

American Society of Mechanical Engineers donde afirmaba haber obtenido la idea

del concreto reforzado al observar a trabajadores ingleses en 1867 intentando

limpiar el cemento endurecido de sus herramientas de hierro.

Thaddeus Hynatt, un americano, fue probablemente la primera persona en

analizar correctamente los esfuerzos en una viga, de concreto reforzado y en 1877

publico un libro de 28 páginas titulado An Account of Some Experiments with

Portland Cement Concrete, Combined with Iron as a Building Material. En este

libro encomio el uso del concreto reforzado y dijo que “las vigas laminadas tienen

que aceptarse con base en un acto de fe”. Hyatt puso mucho énfasis en la alta

resistencia del concreto al fuego.

E.L. Ransome, de San Francisco, supuestamente uso concreto reforzado en los

primeros años de la década de 1870 y fue el inventor de las barras corrugadas,

para las que obtuvo una patente en 1884. Estas barras, que eran escuadradas en

su corte transe versal, se torcían en frio con una vuelta completa en una longitud

de no más de 12 veces el diámetro de la barra (el propósito de torcerlas era

proporcionar mejor adherencia entre el concreto y el acero.) En 1890, en San

Francisco, Ransome construyo el museo Leland Standford Jr. Se trata de un

edificio de concreto reforzado de 312 pie de largo y dos pisos de altura en el que

se uso como refuerzo de tensión, el alambre de los cables de desecho del sistema

de tranvías. Este edificio sufrió pocos daños en el sismo de 1906. Desde 1980 el

desarrollo y uso del concreto reforzado en los Estados unidos ha sido muy rápido.

El concreto nos permite crear edificios, calles, avenidas, carreteras, presas y

canales, fabricas, talleres y casas, dentro del más alto rango de tamaño y

variedades nos dan un mundo nuevo de comodidad, de protección y belleza

donde realizar nuestros mas ansiados anhelos, un mundo nuevo para trabajar,

para crecer, para progresar, para vivir.

1824: - James Parker, Joseph Aspdin patentan al Cemento Portland, materia que

obtuvieron de la calcinación de alta temperatura de una Caliza Arcillosa.

1845: - Isaac Johnson obtiene el prototipo del cemento moderno quemado, alta

temperatura, una mezcla de caliza y arcilla hasta la formación del “clinker”.

1868: - Se realiza el primer embarque de cemento Portland de Inglaterra a los

Estados Unidos.

1871: - La compañía Coplay Cement produce el primer cemento Portland en los

Estados Unidos.

1904: -La American Standard For Testing Materials (ASTM), publica por primera

vez sus estandares de calidad para el cemento Portland.

1906: - En C.D. Hidalgo Nuevo León se instala la primera fabrica para la

producción de cemento en México, con una capacidad de 20,000 toneladas por

año.

1992: - CEMEX se considera como el cuarto productor de cemento a nivel

MUNDIAL con una producción de 30.3 millones de toneladas por año.

1.2 Características físicas y mecánicas del concreto

El indicador fundamental de la resistencia de el concreto es la resistencia

especifica a la comprensión denominada f”c. Este es el esfuerzo unitario de

compresión utilizado en el diseño estructural y el objetivo en el diseño de una

mezcla. En general, se indica en unidades de lb/pulg2, por lo que es común

referirse a la calidad estructural del concreto al denominarlo simplemente

mediante un número: por ejemplo, concreto de 3000 lb. 

En el diseño por resistencia, este valor se utiliza para representar la resistencia

última a la comprensión del concreto. En el caso del diseño por esfuerzo de

trabajo, los esfuerzos máximos admisibles se basan en este límite, especificado

como una fracción de f”c. La tabla indica los diversos esfuerzos admisibles que se

usaron en el método de los esfuerzos de trabajo en tal reglamento. 

El ACI code de 1989 contiene parte de estas condiciones en el método del diseño

descrito en el apéndice A. el uso de estas referencias se explica en las varias

secciones de esta parte. El valor del modulo de elasticidad del concreto se

establece mediante una fórmula que incorpora variables del peso (densidad) del

concreto y su resistencia. La distribución de los esfuerzos y la deformaciones en el

concreto reforzado dependen del modulo del concreto, ya que el modulo del acero

es una constante. Cuando se somete a un esfuerzo excesivo y de larga duración,

el concreto tiende a sufrir una deformación plástica por fatiga, un fenómeno en el

cual la deformación se incrementa con el tiempo bajo esfuerzos contaste. Esto

influye en las deflexiones y en la distribución de esfuerzos entre el concreto y el

refuerzo. Algunas de estas condiciones que percuten en el diseño se estudian en

el diseño de vigas y columnas.

La dureza del concreto se refiere, en esencia, a su densidad en la superficie.

Esta depende, principalmente, de la resistencia básica, que se indica por medio

del valor del esfuerzo de comprensión. Sin embargo, las superficies pueden ser un

poco más blandas que la masa central del concreto, debido a la desecación

acelerada en la superficie. Algunas técnicas se utilizan para endurecer las

superficies deliberadamente, en especial las de la parte superior de las losas. El

trabajo fino con llana tendera a llevar hacia la superficie un material muy rico en

cemento, lo cual da por resultado una densidad mejorada. También se utilizan

endurecedores químicos, lo mismo que selladores que atrapen el agua superficial.

El modulo de elasticidad Ec del concreto terminado es una medida de su

resistencia a la deformación. La magnitud de Ec depende de w, el peso del

concreto, y de f”c, su resistencia. Su valor se puede determinar mediante la

expresión.

Ec=w1.533√f”c para valores de w comprendidos entre 90 y 155lb/pie3 para

concreto de peso normal (145lb/pie3), Ec se puede considerar como igual a

57000√ f”c{ Ec=w1.50.043√f”c para valores de w entre 1440 y 2480kg/m3. Para

concreto de peso normal (2320kg/m3), 

Ec puede considerarse como igual a 4730√f”c} en el diseño de miembros de

concreto reforzado, se emplea el termino n. Este representa la relación entre el

modulo de elasticidad del acero y el de concreto, o bien, n=Es/EcEs se considera

como de 29000 kilolibras/ pul2 {200000MPa}. Considere un concreto para el cual

f”c es 4000 lb/pul2 y w es 145 lb/pie3 por tanto, Ec=57000√f”c=57000

√4000=3600000 lb/pul2y n =Es/Ec=29000/3600=8.055. los valores en n par cuatro

resistencias diferentes del concreto se dan en la tabla. Al igual que en la práctica

común. Tal como se explico en otras secciones, existen varias formas de control

que pueden aplicarse para garantizar el tipo deseado de material en la forma de

concreto terminado. Las tres propiedades de mayor interés son el contenido de

agua de la mezcla húmeda, la densidad y la resistencia a la comprensión del

concreto terminado. Los medios generales para controlar el producto final son: el

diseño de la mezcla, el manejo de la mezcla húmeda y el curado del concreto

después de ser colado.

Además de las propiedades básicas estructurales, existen varias propiedades del

concreto que se relacionan con su uso como material de construcción y, en

algunos casos, son su integridad estructural.

PROPIEDADES:

Trabajabilidad: este término se refiere, en general, a la propiedad del concreto

húmedo mezclado para ser manipulado, colocado en las cimbras y darle un

acabado mientras aun es fluido. Un cierto grado de trabajabilidad es esencial para

el cimbrado y acabado adecuado del material. Sin embargo, la naturaleza, fluida

de la mezcla queda determinada, en gran parte, por la cantidad de agua presente,

por lo que la manera más fácil de volverla más manejable es añadir agua. Hasta

cierto punto esto puede ser aceptable, pero el agua adicional por lo común

significa menor resistencia, mayor porosidad y mayor contracción, que son en

realidad propiedades indeseables. A menudo se utilizan la vibración, los aditivos y

otras técnicas para facilitar el manejo del concreto sin incrementar el contenido de

agua, a fin de obtener el concreto de la mejor calidad.

Impermeabilidad. En general, es aconsejable un concreto no poroso. Este puede

ser primordial para muros o para pisos, compuestos de losas de pavimentación,

pero por lo común es bueno para proteger el refuerzo de la corrosión. La

impermeabilidad se obtiene al fabricar un concreto bien mezclado de alta calidad

(con bajo contenido de agua, etc.), bien colado en las cimbras y con superficies

densas con poco agrietamiento o huecos. Sin embargo, se está sometido a la

presencia continua de agua, el concreto se saturara por ser absorbente. Cuando la

penetración del agua deba ser evitada de manera definitiva, deben usarse

barreras aprueba de la humedad o impermeables. 

Densidad. El peso unitario del concreto, en esencia, está determinado por la

densidad del agregado grueso (comúnmente, dos tercios o más del volumen total) y por

la cantidad de aire en la masa de concreto terminado. El concreto que fragua al aire pesa

alrededor de 145 lb/pie3, con agregado de grava ordinaria y el aire limitado a no más del

4% del volumen total. El uso de agregados fuertes pero ligeros puede reducir el peso de

100lb/pie3, con resistencias comparables, en general, con las obtenidas cuando se utiliza

grava. Las densidades bajas se alcanzan con la inclusión de aire de hasta un 20% del

volumen y mediante el uso de agregados muy ligeros, pero la resistencia y otras

propiedades se reducen con rapidez.

Resistencia al fuego. El concreto es incombustible, por lo que su naturaleza aislante y

protectora contra el fuego se utiliza para preservar el refuerzo de acero. Sin embargo

cuando se expone durante periodos largos al fuego, el material se deforma y agrieta, lo

cual produce el colapso estructural o una capacidad reducida que requerirá el reemplazo

o reparación después del fuego. El diseño para resistencia al fuego requiere las siguientes

consideraciones básicas:

1.- Espesor de las partes. Las losas o muros delgados se agrietaran con rapidez, lo que

permite la penetración del fuego o gases.

2.- Recubrimiento del esfuerzo. 

Se requiere que sea más grueso para tener una resistencia mayor al fuego.

3.- La naturaleza del agregado. Algunos son más vulnerables que otros a la acción del

fuego.

Las especificaciones de diseño y los reglamentos de construcción se ocupan de estos

temas, algunos de los cuales se analizan en la explicación en la explicación de las

ilustraciones del diseño de edificios, en el capítulo 12.

Contracción (producida por la reducción de la humedad). Los materiales mezclados con

agua, como el yeso, el mortero y el concreto, tienden a contraerse durante el proceso de

endurecimiento. En el caso del concreto simple, la contracción es, en promedio, de

aproximadamente un 2% del volumen. Por lo general, el cambio dimensional real de los

miembros estructurales es menor debido a la presencia de varillas de acero; sin embargo,

es necesario hacer algunas consideraciones en cuanto a los efectos de la contracción.

Los esfuerzos provocados por estas son, en cierto modo, similares a los que son

provocados por los cambios de temperatura; la combinación origina especificaciones de

refuerzo mínimo en dos dimensiones en muros y losas. Para la estructura en general, la

contracción casi siempre se maneja limitando el volumen de cada vaciado de concreto, ya

que la contracción mayor por lo común se produce rápidamente en el concreto fresco. En

situaciones especiales, es posible modificar el concreto con aditivos o cementos

especiales que provocan una ligera expansión para compensar la contracción normal.

Consistencia: Está definida por el grado de humedecimiento de la mezcla, depende

principalmente de la cantidad de agua usada. 

Segregación: (Cangrejera): Es una propiedad del concreto fresco, que implica la

descomposición de este en sus partes constituyentes o lo que es lo mismo, la separación

del Agregado Grueso del Mortero. 

Es un fenómeno perjudicial para el concreto, produciendo en el elemento llenado,

bolsones de piedra, capas arenosas, cangrejeras, etc. 

La segregación es una función de la consistencia de la mezcla, siendo el riesgo mayor

cuanto más húmeda es esta y menor cuando más seca lo es. 

En el proceso de diseño de mezclas, es necesario tener siempre presente el riesgo de

segregación, pudiéndose disminuir este, mediante el aumento de finos (cemento o

Agregado fino) de la consistencia de la mezcla. 

Generalmente procesos inadecuados de manipulación y colocación son las causas del

fenómeno de segregación en las mezclas. La segregación ocurre cuando parte del

concreto se mueve más rápido que el concreto adyacente, por ejemplo, el traqueteo de

las carretillas con ruedas metálicas tiende a producir que el agregado grueso se precipite

al fondo mientras que la lechada asciende a la superficie. 

Cuando se suelta el concreto de alturas mayores de 1/2 metro el efecto es similar.

También se produce segregación cuando se permite que el concreto corra por canaletas,

sobre todo si estas presentan cambios de dirección. 

El excesivo vibrado (meter y sacar) de la mezcla produce segregación. 

Exudación: (Estado Plástico): Se define como el ascenso de una parte del agua de la

mezcla hacia la superficie como consecuencia de la sedimentación de los sólidos. Este

fenómeno se presenta momentos después de que el concreto ha sido colocado en el

encofrado. 

La exudación puede ser producto de una mala dosificación de la mezcla, de un exceso de

agua en la misma, de la utilización de aditivos, y de la temperatura, en la medida en que a

mayor temperatura mayor es la velocidad de exudación. 

La exudación es perjudicial para el concreto, pues como consecuencia de este fenómeno

la superficie de contacto durante la colocación de una capa sobre otra puede disminuir su

resistencia debido al incremento de la relación agua cemento en esta zona.

Durabilidad:

El concreto debe ser capaz de resistir la intemperie, acción de productos químicos y

desgaste, a los cuales estará sometido en el servicio. Gran parte de los daños por

intemperie sufrido por el concreto pueden atribuirse a los ciclos de congelación y

descongelación.

1.3 Características físicas y mecánicas del acero de refuerzo

El Acero es una mezcla de metales (aleación) formada por varios elementos químicos,

principalmente hierro y carbón como componente minoritario (desde el 0,25% hasta el

1,5% en peso). 

El acero es una combinación de hierro con carbono donde este ultimo material es el qué

mayor efecto tiene en las propiedades del acero, también se puede decir que es una

aleación en caliente de carbono con el metal hierro y puede tener más aleaciones como el

azufre, fósforo, manganeso, etc. en la producción del acero, se tiene el producto final

cuando se le elimina todo el óxido que trae de su estado natural siendo el material más

importante para la construcción.

Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas

dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución. Antes del

tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una mezcla de tres sustancias,

ferrita, perlita, cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas

cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita es un

compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y

muy quebradiza. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita, con una

composición específica y una estructura características, sus propiedades físicas

con intermedias entre las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de un

acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos

tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido de carbono más rígido se vuelve

el acero pero más quebradizo a la vez.

El acero es uno de los más importantes materiales estructurales. Entre sus

propiedades de particular importancia en los usos estructurales, están la alta

resistencia, comparada con cualquier otro material disponible, y la ductilidad.

El acero como un material estructural tiene diversas cualidades deseables, como

alta resistencia, gran rigidez (resistencia a la deformación) y gran ductilidad, es el

material más fuerte, versátil y económico disponible para la industria de la

construcción, y su gran ductilidad le permite resistir grandes deformaciones a

niveles altos de esfuerzo sin romperse. El acero es un producto fabricado de

acuerdo con una estricta disciplina de control de calidad establecido en la fábrica.

El acero puede ser, ya sea aleado, o aleado y tratado térmicamente para obtener

tenacidad, ductilidad y gran resistencia, según lo requiera la aplicación. El acero

es producido en una amplia gama de formas, tamaños y grados que proporcionan

máxima flexibilidad en el diseño. La falla o el colapso de las estructuras de acero o

con acero, por lo general es precedida por deflexiones muy visibles. 

Entre los tipos de aceros se encuentran:

1. Acero al Carbono: Es aquel que tiene entre 0,1 y 1,9% de carbono en su

contenido y no se le añade ningún otro material (otros metales). 

2. Acero de baja aleación: Es aquel acero al que se le añaden otros metales para

mejorar sus propiedades.

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO.

Las propiedades mecánicas dependen, principalmente, de la composi¬ción

química, los procesos de laminado y el tratamiento térmico de los aceros; otros

factores que pueden afectar estas propiedades son las técnicas empleadas en las

pruebas, tales como la rapidez de carga de la muestra, las condiciones y

geometría de la muestra, el trabajo en frío y la tempera¬tura existente al llevarse a

cabo la prueba. Estos factores pueden producir una apreciable variedad de

resultados para un mismo tipo de acero. 

• Resistencia al desgaste. Es la resistencia que ofrece un material a dejarse

erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.

• Tenacidad. Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin

producir Fisuras (resistencia al impacto). 

• Maquinabilidad. Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de

mecanizado por arranque de viruta. 

• Dureza. Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. 

• Elasticidad: corresponde a la capacidad de un cuerpo para recobrar su forma al

dejar de actuar la fuerza que lo ha deformado.

• Plasticidad: es la capacidad de deformación de un metal sin que llegue a

romperse si la deformación se produce por alargamiento se llama ductilidad y por

compresión maleabilidad.

• Fragilidad: es la propiedad que expresa falta de plasticidad y por lo tanto

tenacidad los metales frágiles se rompen en el límite elástico su rotura se produce

cuando sobrepasa la carga del límite elástico.

• Ductilidad: es la capacidad que tienen los materiales para sufrir deformaciones a

tracción relativamente alta, hasta llegar al punto de fractura.

Re silencia: Es la capacidad que presentan los materiales para absorber energía

por unidad de volumen en la zona elástica.

• Resistencia a la tensión: La resistencia a la tensión se define como el cociente de

la carga axial máxima aplicada sobre la muestra, dividida entre el área de la

sección transversal original. En algunos casos, éste es un valor arbitrario, útil para

propósitos de referencia, porque la resistencia real a la tensión debe basarse en la

curva real de esfuerzo-deformación.

• Punto de fluencia: Se define el punto de fluencia como el esfuerzo en el material

para el cual la deformación presenta un gran incremento sin que haya un aumento

correspondiente en el esfuerzo. Algunos aceros presentan inicialmente un punto

su-perior de fluencia pero el esfuerzo se reduce después hasta llegar a una par¬te

plana, la cual se denomina esfuerzo inferior de fluencia. El punto superior de

fluencia es el que aparece en las especificaciones de diseño de todos los aceros.

• Resistencia a la fatiga: Se llama resistencia a la fatiga al esfuerzo al cual el acero

falla bajo aplicaciones repetidas de carga; se denomina tam¬bién límite de

aguante.

PROPIEDADES FÍSICAS

• Propiedades de los cuerpos: encontramos entre otras

Materia, Cuerpo, Estado de agregación, Peso, Masa, Volumen, Densidad, peso

especifico (m/v)

• Propiedades Térmicas: están referidas a los mecanismos de calor existen tres

mecanismos:

• Conducción: se produce cuando la fuente emisora está en contacto directo con el

que se desea aumenta Tº

• Radiación: Se produce porque la fuente de calor se encuentra en contacto en

forma directa con el ambiente. Esta fuente emisora genera rayos infrarrojos que

sirven de medio de transferencia de calor.

• Propiedades Eléctricas: Están relacionadas con la capacidad de conducir la

corriente eléctrica.

• Propiedades Magnéticas: Están referidas a la capacidad que poseen los

materiales metálicos para inducir o ser inducidos por un campo electromagnético,

es decir actuar como imán o ser atraídos por un imán.

DESVENTAJAS DEL ACERO

• Oxidación: Los aceros tienen una alta capacidad de oxidarse si se exponen al

aire y al agua simultáneamente y se puede producir corrosión del material si se

trata de agua salina. 

• Transmisor de calor y electricidad: El acero es un alto transmisor de corriente y a

su vez se debilita mucho a altas temperaturas, por lo que es preferible utilizar

aceros al níquel o al aluminio o tratar de protegerlos haciendo ventilados y evitar

hacer fábricas de combustible o plásticos con este tipo de material. Estas dos

desventajas son manejables teniendo en cuenta la utilización de los materiales y el

mantenimiento que se les dé a los mismos.

• Esfuerzos residuales o remanentes: son los que existen en un miembro de acero

antes de la aplicación de cualquier carga externa. Se relacionan con la

deformación plástica que ocurre durante el proceso de fabricación. Por ejemplo,

esos esfuerzos pueden deberse a enfriamiento desigual a tempera¬tura ambiente

de los perfiles después de laminarlos en caliente o de soldar¬los; también pueden

deberse a operaciones como enderezamiento en frío me¬diante rotación o

calibración; o pueden derivarse de operaciones de fabrica¬ción, como corte con

flama, curvado en frío y otros más.

Bibliografía

Diseño simplificado de concreto reforzado. Autor: Parker, Ambrose. Editorial:

Limusa.

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Estructuras de acero: Comportamiento y LRFD. Autor: Sriramulu Vinnakota,

editorial Mc Graw Hill.

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