柱梁半剛接合構造および鋼構造骨組
【課題】強度・剛性に優れ、しかもこれを低価格で実現可能な柱梁半剛接合構造および鋼構造骨組を提供する。
【解決手段】鋼管柱１の端部を接合部材２を介して梁３に接合する。接合部材２を含む接合部を半剛接合として構成するとともに、鋼管柱１が弾性を保つように鋼管柱１および接合部材２の断面サイズを設定する。鋼管柱１は角形鋼管により構成されるとともに、接合部材２はアングルにより構成され、接合部材２と鋼管柱１および梁３とをボルト締結または溶接により結合する。
【解決手段】鋼管柱１の端部を接合部材２を介して梁３に接合する。接合部材２を含む接合部を半剛接合として構成するとともに、鋼管柱１が弾性を保つように鋼管柱１および接合部材２の断面サイズを設定する。鋼管柱１は角形鋼管により構成されるとともに、接合部材２はアングルにより構成され、接合部材２と鋼管柱１および梁３とをボルト締結または溶接により結合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、典型的には山形鋼等を用いて角形鋼管柱の両端を梁に接合する構造システム、特に柱梁半剛接合構造および鋼構造骨組に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
住宅等の建築物において、柱と梁によって構成される鉄骨構造が使用される。この種の骨組構造において、たとえば特許文献１には外壁の構造躯体となる上部階の柱と下部階の柱の間に梁を貫通させ、各階の柱間の外壁の開口部の大きさに合わせて、上部階および下部階の柱が互いに梁の任意位置に配置されるようにしたものが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特許第２９９２５８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
柱が大きな軸力と曲げを受ける従来の剛接合骨組は耐力低下が著しく、そのままでは直ぐに崩壊する等の問題がある。また、大変形時には柱を弾性に保つことができず、強度・剛性を確保するのが必ずしも容易でなかった。
【０００５】
本発明はかかる実情に鑑み、特に強度・剛性に優れ、しかもこれを低価格で実現可能な柱梁半剛接合構造および鋼構造骨組を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の柱梁半剛接合構造は、鋼管柱の端部を接合部材を介して梁に接合するようにした接合構造であって、前記接合部材を含む接合部を半剛接合として構成するとともに、前記鋼管柱が弾性を保つように該鋼管柱および前記接合部材の断面サイズを設定することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の柱梁半剛接合構造において、前記鋼管柱は角形鋼管により構成されるとともに、前記接合部材はアングルにより構成され、前記接合部材と前記鋼管柱および前記梁とをボルト締結または溶接により結合することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の柱梁半剛接合構造において、前記鋼管柱の水平耐力が、下記式を満足するように前記鋼管柱および前記接合部材の断面サイズを設定することを特徴とする。
ΣＨ＜Ｈy
ここに、ΣＨは安全限界時における前記鋼管柱の転倒モーメントから得る水平耐力、フランジアングル水平耐力およびウェブアングル水平耐力の総和、Ｈyは柱頭位置で換算した前記鋼管柱の水平耐力である。
【０００９】
また、本発明の鋼構造骨組は、鋼管柱を介して梁を相互に結合してなる多層複数スパンの鋼構造骨組であって、その骨組の少なくとも中柱部位に、上記いずれかの柱梁半剛接合構造を持つことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば典型的態様において、梁と鋼管柱の接合部にアングルを使用する。この接合部のアングルおよび梁の断面サイズを所定の関係式に従って決めることにより、大変形時でも柱を弾性に保つことができ、必要な強度・剛性を確保することができる。本構造システムにより柱に生じる応力を制御することができるため、柱の力学的合理性が向上するばかりか、柱を実質的に細くできるためデザイン上の利点もある。また、溶接を必要としない両端半剛接合の柱により構造物を構成することで、特に大地震時におけいても柱の損傷等がなく、低価格で性能に優れた構造物を実現することができる。
【００１１】
具体的には上式、すなわちΣＨ＜Ｈyのようにフランジアングルおよびウェブアングルを設計することで、柱を弾性に保つことができる。
また、本発明による柱梁半剛接合構造を持つ鋼構造骨組では、極めて安定した弾塑性挙動を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明による好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した両端半剛接合の角形鋼管柱からなる構造システムを示している。このシステムでは山形鋼２（アングル）を用いて、角形鋼管柱１の両端が梁３に接合される。なお、各山形鋼２はこの例ではボルト４によって、角形鋼管柱１あるいは梁３に締結される。
【００１３】
本発明において、接合部材である山形鋼２を含む接合部を半剛接合として構成するとともに、角形鋼管柱１が弾性を保つように該鋼管柱１および山形鋼２の断面サイズを設定する。まず、半剛接合を有する角形鋼管柱の設計するにあたり、角形鋼管柱を弾性に保つ梁接合部の設計式を導く。
図２は、角形鋼管の片持柱の柱梁接合部および柱に作用する曲げモーメント（Ｍ）分布を示している。柱を弾性に保つための方法として、安全限界（層間変形角θ＝１／３０）となる水平変位δ1/30における剛性・強度条件を求める。
【００１４】
半剛接合柱の剛性・強度条件
半剛接合柱の剛性は、柱の転倒モーメント、フランジアングルおよびウェブアングルの初期剛性の総和ΣＫで表される。強度は、安全限界時における各水平耐力の総和ΣＨで評価する（（１）式、（２）式参照）。
ΣＫ＝Ｋc＋Ｋf＋Ｋw （１）
ΣＨ＝Ｈc(1/30)＋Ｈf(1/30)＋Ｈw(1/30) （２）
ここに、
Ｋc；転倒前の柱剛性（＝Ｋe／２、Ｋe；柱の弾性剛性）
Ｋf；フランジアングルの初期剛性
Ｋw；ウェブアングルの初期剛性
Ｈc(1/30)；δ1/30の時に転倒モーメントから得る水平耐力
Ｈf(1/30)；δ1/30の時のフランジアングル水平耐力
Ｈw(1/30)；δ1/30の時のウェブアングル水平耐力
【００１５】
柱の強度条件
柱の水平耐力Ｈyは、図２（ｂ）に示す（ａ）の位置での柱の降伏曲げモーメントを柱頭位置での水平耐力に換算した（３）式により与えられる。
Ｈy＝Ｍy／ｌ′ （３）
ここに、
Ｍy；柱の降伏曲げモーメント（軸力を考慮する）
ｌ′；柱頭からアングル端部までおの距離（図２（ｂ）参照）
【００１６】
以上から柱を弾性に保つための強度条件は、つぎの（４）式で与えられる。これは、（２）式で求めたΣＨが、（３）式で求めたＨyを下回るように柱およびアングルの断面サイズを設計することを意味する。
ΣＨ＜Ｈy （４）
【００１７】
つぎに、計算例として、図３は□＝２００×２００×６（ｍｍ）の柱を用いる場合の計算結果を示す。アングル幅ｗf＝ｗw＝２００（ｍｍ）、アングル高さｈf＝７５（ｍｍ）で、フランジアングル厚さｔfをパラメータとしてｔf＝８（ｍｍ）および１５（ｍｍ）で計算を行った。柱軸力比（軸力／降伏軸力）は０．１で、降伏応力度をσy＝３２０（Ｎ／ｍｍ）とした。図３において実線は（１）および（２）式で得られた柱（Ａ）の結果を、点線は（３）式で得られた柱（Ｂ）の結果をそれぞれ示している。
【００１８】
図３のグラフから層間変形角θ＝１／３０となる変位δ1/30において、柱（Ａ）および柱（Ｂ）の水平耐力を比較する。ｔf＝８（ｍｍ）の場合、柱（Ａ）は柱（Ｂ）の強度を下回り、（４）式の条件を満足する。ｔf＝１５（ｍｍ）の場合には、柱（Ａ）が柱（Ｂ）の強度を上回ることから、図２（ｂ）の（ａ）位置で柱を弾性に保つことができない。
【００１９】
つぎに、骨組安定化のために必要な半剛接合の強度および剛性について説明する。
半剛接合を用いた骨組の安定性について調べるために多層複数スパン、たとえば２層４スパンの鋼構造骨組の解析を行う。図４は、解析モデルの例を示している。解析対象は、ｉ）全ての柱に半剛接合を用いた半剛接合骨組、ii）隅柱を剛接合とし、中柱には半剛接合を用いた混合骨組である。また、これらの骨組の解析結果との比較・検討のために、iii）全ての柱に剛接合を用いた剛接合骨組についても解析を行った。
【００２０】
柱の断面は、□＝４００×４００×９（ｍｍ）、梁の断面は、□＝６００×２００×１１×１７（ｍｍ）である。比較のために各骨組の柱梁の断面は同一とした。半剛接合柱に取り付くフランジアングルの厚さは、ｔf＝１０（ｍｍ）である。
解析は２層目柱頭の変位制御で行った。隅柱には軸力比（軸力／降伏軸力）０．３の鉛直荷重Ｐc(0.3)を、中柱には軸力比（軸力／降伏軸力）０．６の鉛直荷重Ｐc(0.6)を、梁の３等分点には小梁からの荷重Ｐbをそれぞれ載荷した。
【００２１】
解析結果から、１層目柱頭変位が１方向に累積しないで、安定化するための強度・剛性の条件は、次式となる。
ΣＦ≧０．０８ΣＰ （５）
ｋBＥＩ≧Ｐ（２ｈ）2／π2 （６）
ここに、ΣＦ；骨組の層の水平強度
ΣＰ；全鉛直荷重
ｋBＥＩ；柱の曲げ剛性
ｈ；階高
【００２２】
図５は、各解析モデルの弾塑性挙動を示している。（５）式、（６）式を満足する解析モデルｉ）およびii）の挙動は極めて安定している。これに対して、解析モデルiii）では必ずしも良好な安定性が得られない。
【００２３】
なお、本発明は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更、設定可能であり、上記実施形態と同様な作用効果を得ることができる。
たとえば、上記実施形態で示した寸法等の数値例は、それらに限定されることなくその他種々採用可能である。また、アングルは、溶接によっても柱梁に固定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態における両端半剛接合の角形鋼管柱からなる構造システムを示す図である。
【図２】本発明の実施形態における角形鋼管の片持柱の柱梁接合部および柱に作用する曲げモーメント分布を示す図である。
【図３】本発明の実施形態における柱の計算結果の例を示す図である。
【図４】本発明に係る鋼構造骨組の例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る解析モデルの弾塑性挙動を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１ 角形鋼管柱
２ 山形鋼
３ 梁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、典型的には山形鋼等を用いて角形鋼管柱の両端を梁に接合する構造システム、特に柱梁半剛接合構造および鋼構造骨組に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
住宅等の建築物において、柱と梁によって構成される鉄骨構造が使用される。この種の骨組構造において、たとえば特許文献１には外壁の構造躯体となる上部階の柱と下部階の柱の間に梁を貫通させ、各階の柱間の外壁の開口部の大きさに合わせて、上部階および下部階の柱が互いに梁の任意位置に配置されるようにしたものが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特許第２９９２５８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
柱が大きな軸力と曲げを受ける従来の剛接合骨組は耐力低下が著しく、そのままでは直ぐに崩壊する等の問題がある。また、大変形時には柱を弾性に保つことができず、強度・剛性を確保するのが必ずしも容易でなかった。
【０００５】
本発明はかかる実情に鑑み、特に強度・剛性に優れ、しかもこれを低価格で実現可能な柱梁半剛接合構造および鋼構造骨組を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の柱梁半剛接合構造は、鋼管柱の端部を接合部材を介して梁に接合するようにした接合構造であって、前記接合部材を含む接合部を半剛接合として構成するとともに、前記鋼管柱が弾性を保つように該鋼管柱および前記接合部材の断面サイズを設定することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の柱梁半剛接合構造において、前記鋼管柱は角形鋼管により構成されるとともに、前記接合部材はアングルにより構成され、前記接合部材と前記鋼管柱および前記梁とをボルト締結または溶接により結合することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の柱梁半剛接合構造において、前記鋼管柱の水平耐力が、下記式を満足するように前記鋼管柱および前記接合部材の断面サイズを設定することを特徴とする。
ΣＨ＜Ｈy
ここに、ΣＨは安全限界時における前記鋼管柱の転倒モーメントから得る水平耐力、フランジアングル水平耐力およびウェブアングル水平耐力の総和、Ｈyは柱頭位置で換算した前記鋼管柱の水平耐力である。
【０００９】
また、本発明の鋼構造骨組は、鋼管柱を介して梁を相互に結合してなる多層複数スパンの鋼構造骨組であって、その骨組の少なくとも中柱部位に、上記いずれかの柱梁半剛接合構造を持つことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば典型的態様において、梁と鋼管柱の接合部にアングルを使用する。この接合部のアングルおよび梁の断面サイズを所定の関係式に従って決めることにより、大変形時でも柱を弾性に保つことができ、必要な強度・剛性を確保することができる。本構造システムにより柱に生じる応力を制御することができるため、柱の力学的合理性が向上するばかりか、柱を実質的に細くできるためデザイン上の利点もある。また、溶接を必要としない両端半剛接合の柱により構造物を構成することで、特に大地震時におけいても柱の損傷等がなく、低価格で性能に優れた構造物を実現することができる。
【００１１】
具体的には上式、すなわちΣＨ＜Ｈyのようにフランジアングルおよびウェブアングルを設計することで、柱を弾性に保つことができる。
また、本発明による柱梁半剛接合構造を持つ鋼構造骨組では、極めて安定した弾塑性挙動を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明による好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した両端半剛接合の角形鋼管柱からなる構造システムを示している。このシステムでは山形鋼２（アングル）を用いて、角形鋼管柱１の両端が梁３に接合される。なお、各山形鋼２はこの例ではボルト４によって、角形鋼管柱１あるいは梁３に締結される。
【００１３】
本発明において、接合部材である山形鋼２を含む接合部を半剛接合として構成するとともに、角形鋼管柱１が弾性を保つように該鋼管柱１および山形鋼２の断面サイズを設定する。まず、半剛接合を有する角形鋼管柱の設計するにあたり、角形鋼管柱を弾性に保つ梁接合部の設計式を導く。
図２は、角形鋼管の片持柱の柱梁接合部および柱に作用する曲げモーメント（Ｍ）分布を示している。柱を弾性に保つための方法として、安全限界（層間変形角θ＝１／３０）となる水平変位δ1/30における剛性・強度条件を求める。
【００１４】
半剛接合柱の剛性・強度条件
半剛接合柱の剛性は、柱の転倒モーメント、フランジアングルおよびウェブアングルの初期剛性の総和ΣＫで表される。強度は、安全限界時における各水平耐力の総和ΣＨで評価する（（１）式、（２）式参照）。
ΣＫ＝Ｋc＋Ｋf＋Ｋw （１）
ΣＨ＝Ｈc(1/30)＋Ｈf(1/30)＋Ｈw(1/30) （２）
ここに、
Ｋc；転倒前の柱剛性（＝Ｋe／２、Ｋe；柱の弾性剛性）
Ｋf；フランジアングルの初期剛性
Ｋw；ウェブアングルの初期剛性
Ｈc(1/30)；δ1/30の時に転倒モーメントから得る水平耐力
Ｈf(1/30)；δ1/30の時のフランジアングル水平耐力
Ｈw(1/30)；δ1/30の時のウェブアングル水平耐力
【００１５】
柱の強度条件
柱の水平耐力Ｈyは、図２（ｂ）に示す（ａ）の位置での柱の降伏曲げモーメントを柱頭位置での水平耐力に換算した（３）式により与えられる。
Ｈy＝Ｍy／ｌ′ （３）
ここに、
Ｍy；柱の降伏曲げモーメント（軸力を考慮する）
ｌ′；柱頭からアングル端部までおの距離（図２（ｂ）参照）
【００１６】
以上から柱を弾性に保つための強度条件は、つぎの（４）式で与えられる。これは、（２）式で求めたΣＨが、（３）式で求めたＨyを下回るように柱およびアングルの断面サイズを設計することを意味する。
ΣＨ＜Ｈy （４）
【００１７】
つぎに、計算例として、図３は□＝２００×２００×６（ｍｍ）の柱を用いる場合の計算結果を示す。アングル幅ｗf＝ｗw＝２００（ｍｍ）、アングル高さｈf＝７５（ｍｍ）で、フランジアングル厚さｔfをパラメータとしてｔf＝８（ｍｍ）および１５（ｍｍ）で計算を行った。柱軸力比（軸力／降伏軸力）は０．１で、降伏応力度をσy＝３２０（Ｎ／ｍｍ）とした。図３において実線は（１）および（２）式で得られた柱（Ａ）の結果を、点線は（３）式で得られた柱（Ｂ）の結果をそれぞれ示している。
【００１８】
図３のグラフから層間変形角θ＝１／３０となる変位δ1/30において、柱（Ａ）および柱（Ｂ）の水平耐力を比較する。ｔf＝８（ｍｍ）の場合、柱（Ａ）は柱（Ｂ）の強度を下回り、（４）式の条件を満足する。ｔf＝１５（ｍｍ）の場合には、柱（Ａ）が柱（Ｂ）の強度を上回ることから、図２（ｂ）の（ａ）位置で柱を弾性に保つことができない。
【００１９】
つぎに、骨組安定化のために必要な半剛接合の強度および剛性について説明する。
半剛接合を用いた骨組の安定性について調べるために多層複数スパン、たとえば２層４スパンの鋼構造骨組の解析を行う。図４は、解析モデルの例を示している。解析対象は、ｉ）全ての柱に半剛接合を用いた半剛接合骨組、ii）隅柱を剛接合とし、中柱には半剛接合を用いた混合骨組である。また、これらの骨組の解析結果との比較・検討のために、iii）全ての柱に剛接合を用いた剛接合骨組についても解析を行った。
【００２０】
柱の断面は、□＝４００×４００×９（ｍｍ）、梁の断面は、□＝６００×２００×１１×１７（ｍｍ）である。比較のために各骨組の柱梁の断面は同一とした。半剛接合柱に取り付くフランジアングルの厚さは、ｔf＝１０（ｍｍ）である。
解析は２層目柱頭の変位制御で行った。隅柱には軸力比（軸力／降伏軸力）０．３の鉛直荷重Ｐc(0.3)を、中柱には軸力比（軸力／降伏軸力）０．６の鉛直荷重Ｐc(0.6)を、梁の３等分点には小梁からの荷重Ｐbをそれぞれ載荷した。
【００２１】
解析結果から、１層目柱頭変位が１方向に累積しないで、安定化するための強度・剛性の条件は、次式となる。
ΣＦ≧０．０８ΣＰ （５）
ｋBＥＩ≧Ｐ（２ｈ）2／π2 （６）
ここに、ΣＦ；骨組の層の水平強度
ΣＰ；全鉛直荷重
ｋBＥＩ；柱の曲げ剛性
ｈ；階高
【００２２】
図５は、各解析モデルの弾塑性挙動を示している。（５）式、（６）式を満足する解析モデルｉ）およびii）の挙動は極めて安定している。これに対して、解析モデルiii）では必ずしも良好な安定性が得られない。
【００２３】
なお、本発明は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更、設定可能であり、上記実施形態と同様な作用効果を得ることができる。
たとえば、上記実施形態で示した寸法等の数値例は、それらに限定されることなくその他種々採用可能である。また、アングルは、溶接によっても柱梁に固定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態における両端半剛接合の角形鋼管柱からなる構造システムを示す図である。
【図２】本発明の実施形態における角形鋼管の片持柱の柱梁接合部および柱に作用する曲げモーメント分布を示す図である。
【図３】本発明の実施形態における柱の計算結果の例を示す図である。
【図４】本発明に係る鋼構造骨組の例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る解析モデルの弾塑性挙動を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１ 角形鋼管柱
２ 山形鋼
３ 梁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管柱の端部を接合部材を介して梁に接合するようにした接合構造であって、
前記接合部材を含む接合部を半剛接合として構成するとともに、前記鋼管柱が弾性を保つように該鋼管柱および前記接合部材の断面サイズを設定することを特徴とする柱梁半剛接合構造。
【請求項２】
前記鋼管柱は角形鋼管により構成されるとともに、前記接合部材はアングルにより構成され、前記接合部材と前記鋼管柱および前記梁とをボルト締結または溶接により結合することを特徴とする請求項１に記載の柱梁半剛接合構造。
【請求項３】
前記鋼管柱の水平耐力が、下記式を満足するように前記鋼管柱および前記接合部材の断面サイズを設定することを特徴とする請求項２に記載の柱梁半剛接合構造。
ΣＨ＜Ｈy
ここに、ΣＨは安全限界時における前記鋼管柱の転倒モーメントから得る水平耐力、フランジアングル水平耐力およびウェブアングル水平耐力の総和、Ｈyは柱頭位置で換算した前記鋼管柱の水平耐力である。
【請求項４】
鋼管柱を介して梁を相互に結合してなる多層複数スパンの鋼構造骨組であって、
その骨組の少なくとも中柱部位に、請求項１〜３のいずれか１項に記載の柱梁半剛接合構造を持つことを特徴とする鋼構造骨組。
【請求項１】
鋼管柱の端部を接合部材を介して梁に接合するようにした接合構造であって、
前記接合部材を含む接合部を半剛接合として構成するとともに、前記鋼管柱が弾性を保つように該鋼管柱および前記接合部材の断面サイズを設定することを特徴とする柱梁半剛接合構造。
【請求項２】
前記鋼管柱は角形鋼管により構成されるとともに、前記接合部材はアングルにより構成され、前記接合部材と前記鋼管柱および前記梁とをボルト締結または溶接により結合することを特徴とする請求項１に記載の柱梁半剛接合構造。
【請求項３】
前記鋼管柱の水平耐力が、下記式を満足するように前記鋼管柱および前記接合部材の断面サイズを設定することを特徴とする請求項２に記載の柱梁半剛接合構造。
ΣＨ＜Ｈy
ここに、ΣＨは安全限界時における前記鋼管柱の転倒モーメントから得る水平耐力、フランジアングル水平耐力およびウェブアングル水平耐力の総和、Ｈyは柱頭位置で換算した前記鋼管柱の水平耐力である。
【請求項４】
鋼管柱を介して梁を相互に結合してなる多層複数スパンの鋼構造骨組であって、
その骨組の少なくとも中柱部位に、請求項１〜３のいずれか１項に記載の柱梁半剛接合構造を持つことを特徴とする鋼構造骨組。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−２１４２３９（Ｐ２００６−２１４２３９Ａ）
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０７７８（Ｐ２００５−３０７７８）
【出願日】平成１７年２月７日（２００５．２．７）
【出願人】（５０４２５８５２７）国立大学法人 鹿児島大学 (284)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月７日（２００５．２．７）
【出願人】（５０４２５８５２７）国立大学法人 鹿児島大学 (284)
【Ｆターム（参考）】
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