geotecnica e laboratorio la progettazione geotecnica · combinazione di regoledi...

Corso di Laurea a ciclo Unico in Ingegneria Edile-Architettura

Geotecnica e Laboratorio

Prof. Ing. Marco Favaretti

e-mail: [email protected]

website: www.marcofavaretti.net

La progettazione geotecnica

PROGETTAZIONE GEOTECNICA1. Progettazione 10. Soluzione

2. Indagini 11. Verifiche

3. Sperimentazione 12. Relazioni

4. Elaborazione 13. Esecuzione

5. Interpretazione 14. Controlli

6. Caratterizzazione 15. Monitoraggio

7. Ipotesi 16. Collaudo

8. Modellazione 17. Esercizio

R. Jappelli: Principi di progettazione geotecnica, Hevelius Editore, 1999

3

PROGETTAZIONEdeve essere sviluppata per

funzioni (capacità portante,

drenaggio, sostegno, ecc.) e

riferita sempre a stati limite,

ultimi e di servizio che il

progettista deve immaginare

CALCOLI

MISURE PRESCRITTIVE

PROVE SU MODELLO

MEDODO OSSERVAZIONALE

COMBINAZIONE DEI METODI CITATI

• Peso di terra e roccia

• Tensioni nel terreno

• Pressioni del terreno

• Pressioni acqua libera

• Pressioni acqua pori

• Forze di filtrazione

• Carichi

• Sovraccarichi

• Forze di ormeggio

• Rimozione di carichi

• Scavo di terreno

• Carichi dovuti al

traffico

• Azioni indirette

AZIO

NI

•Terreno

•Roccia

•altro

Proprietà del suolo

Dati geometrici

Progettazione con calcoli

Valori limite degli spostamenti

Modelli di calcolo

SLE

SLU

• Analitici• Semi-empirici• Numerici

EQU perdita di equilibrio statico

STR/GEO rottura o deformazione eccessiva di struttura o terreno

UPL sollevamento

HYD sifonamento

•DA 1•DA 2•DA 3

5

Misure prescrittive

Combinazione di regole di progetto conservative, spesso di caratterelocale, unite ad un rigido controllo dell’esecuzione al fine di evitare ilconseguimento di SL.

Le regole di progetto sono spesso stabilite dalle autorità nazionali olocali, mediante regolamenti edilizi, manuali governativi diprogettazione ecc..

Questo tipo di progettazione può essere appropriata rispetto alprogetto analitico (calcoli) quando l’esperienza comparabile interreni e strutture similari sia davvero documentata e suggerisca uncomportamento geotecnico similare.

6

Prove su modello

EC7 riconosce il ruolo delle prove su modello in piccola o grandescala al fine di progettare l’opera geotecnica mediante calcoloanalitico, misure prescrittive o metodi osservazionali.

Particolare attenzione deve essere posta a:• Tempo di prova• Effetto scala• Differenza varie tra prove su modello e comportamento reale

EC7 fornisce poche indicazioni per la progettazione tramite prove.

7

Metodo osservazionaleEC7 riconosce il ruolo metodo osservazionale nella

progettazione e nella costruzione di strutture geotecniche,

ma fornisce poche indicazioni.

Alcune azioni devono essere considerate:

• stabilire i limiti del comportamento,

• stabilire il campo di variazione di un comportamento

• proporre un piano di monitoraggio e un piano di

emergenza da implementare qualora i prefisssati limiti di

comportamento vengano superati.

8

Supervisione, monitoraggio e manutenzione

Supervisione: controllo che le ipotesi di progetto siano verificate;quantificare le eventuali differenze; verificare che l’opera vengacostruita secondo progetto.

Monitoraggio: misure delle deformazioni del terreno, delle azioni,delle pressioni di contatto al fine di definire il grado di performancedella struttura.

Manutenzione: assicura la sicurezza e l’efficienza nel tempodell’opera secondo le attese del progettista e del committente. Ilpiano di manutenzione.

9

6.1.2 PRESCRIZIONI GENERALI

Le scelte progettuali devono tener conto:

• delle prestazioni attese delle opere

• dei caratteri geologici del sito

• delle condizioni ambientali.

I risultati dello studio rivolto alla caratterizzazione emodellazione geologica (§ 6.2.1.) devono essere esposti inuna specifica relazione geologica.

Nor

me

Tecn

iche

per

le c

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10

Le analisi di progetto devono essere basate su:

• modelli geotecnici dedotti da specificheindagini

• prove che il progettista deve definire inbase alle scelte tipologiche dell’opera odell’intervento e alle previste modalitàesecutive.

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1. scelte progettuali

2. programma e risultati delle indagini

3. caratterizzazione e modellazione geotecnica

4. calcoli per il dimensionamento geotecnico delle opere

5. descrizione delle fasi e modalità costruttive

devono essere illustrati in una specifica relazione geotecnica.

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6.2 ARTICOLAZIONE DEL PROGETTO

Il progetto delle opere e dei sistemi geotecnici devearticolarsi nelle seguenti fasi:

• caratterizzazione e modellazione geologica del sito;

• scelta del tipo di opera o d’intervento e programmazionedelle indagini geotecniche;

• caratterizzazione fisico-meccanica dei terreni e delle roccee definizione dei modelli geotecnici di sottosuolo;

• descrizione delle fasi e delle modalità costruttive;

• verifiche della sicurezza e delle prestazioni;

• piani di controllo e monitoraggio.

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6.2.1 CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONE GEOLOGICA

DEL SITO

La caratterizzazione e la modellazione geologica del sito

consiste nella ricostruzione dei caratteri litologici,

stratigrafici, strutturali, idrogeologici, geomorfologici e, più

in generale, di pericolosità geologica del territorio.

In funzione del tipo di opera o di intervento e della

complessità del contesto geologico, specifiche indagini

saranno finalizzate alla documentata ricostruzione del

modello geologico.Nor

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6.2.1 CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONE GEOLOGICA DEL SITO

….

Esso deve essere sviluppato in modo da costituire utile

elemento di riferimento per il progettista per inquadrare i

problemi geotecnici e per definire il programma delle

indagini geotecniche.

Metodi e risultati delle indagini devono essere

esaurientemente esposti e commentati in una relazione

geologica.

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6.2.2 INDAGINI, CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONEGEOTECNICALe indagini geotecniche devono essere programmate infunzione del tipo di opera e/o di intervento e devonoriguardare il volume significativo di cui al § 3.2.2, e devonopermettere la definizione dei modelli geotecnici di sottosuolonecessari alla progettazione.I valori caratteristici delle grandezze fisiche e meccaniche daattribuire ai terreni devono essere ottenuti mediantespecifiche prove di laboratorio su campioni indisturbati diterreno e attraverso l’interpretazione dei risultati di prove emisure in sito.

Per valore caratteristico di un parametro geotecnico deveintendersi una stima ragionata e cautelativa del valore delparametro nello stato limite considerato.

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...

Per modello geotecnico si intende uno schemarappresentativo delle condizioni stratigrafiche, del regimedelle pressioni interstiziali e della caratterizzazione fisico-meccanica dei terreni e delle rocce comprese nel volumesignificativo, finalizzato all’analisi quantitativa di unospecifico problema geotecnico.

È responsabilità del progettista la definizione del pianodelle indagini, la caratterizzazione e la modellazionegeotecnica.

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...

Le indagini e le prove devono essere eseguite e certificatedai laboratori di cui all’art.59 del DPR 6.6.2001, n.380. Ilaboratori su indicati fanno parte dell’elenco depositatopresso il Servizio Tecnico Centrale del Ministero delleInfrastrutture.

Nel caso di costruzioni o di interventi di modesta rilevanza,che ricadano in zone ben conosciute dal punto di vistageotecnico, la progettazione può essere basata sullaesperienza e sulle conoscenze disponibili, ferma restando lapiena responsabilità del progettista su ipotesi e scelteprogettuali.Nor

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INDAGINI GEOTECNICHELa loro programmazione presuppone conoscenza delle questioni progettuali.

Devono essere affidate ad operatori con documentata esperienza

Indagini preliminari(idoneità del sito; confronto con siti

alternativi; eventuali variazioni progettuali)

Indagini di progetto(distinzione tra opere provvisionali e

definitive; identificazione delle difficoltà costruttive)

Controllo e monitoraggio(importante qualora venga seguito il

metodo osservazionale)

Indagini sul terreno(prove in situ e in laboratorio; definizione

della natura dei terreni e dei loro principali parametri fisici e meccanici)

Indagini sulle costruzioni esistenti (importanti in zone

fortemente urbanizzate)

PROGETTAZIONE GEOTECNICA

1. Progettazione 10. Soluzione








19

Struttura Spaziatura Configurazione

In elevazione e industriale 15÷40 m Griglia

Area estesa ≤ 60 m Griglia

Sviluppo lineare (strade, ferrovie, canali, tubazioni, argini, gallerie, opere di sostegno)

20÷200 m -

Dighe, opere di ritenuta 25÷75 m Sezioni verticali

Opere speciali (ponti, pile, fondazioni di macchine) n. 2÷6 per fondazione

23

Strade/Aeroporti Za ≥ 2 m

Trincee /Tubazioni Za ≥ 2 m e Za ≥ 1.5 b

Piccole gallerie b < Za < 2b

25

Categorie Geotecniche – EN 1997-1

Le categorie geotecniche sono definite nell’EC7 attraverso regole di applicazioni e non mediante principi e possono essere utilizzate come metodo per la definizione del rischio geotecnico.

26

Categoria Geotecnica n.1

Opere civili relativamente semplici e di modeste dimensioniche vengono progettate sulla base della esperienza e diindagini geotecniche di tipo qualitativo, essendo il rischio perla vita umana trascurabile.

si impiegano metodi ordinari per il progetto e la costruzione della struttura; non devono essere previsti scavi sotto il livello di falda (eccetto nel caso l’esperienza locale indichi che lo scavo sia eseguibile senza difficoltà).

27

Esempi di opera di catg.1 (versione ENV):

edifici semplici ad 1 o 2 piani, caratterizzati da un carico per pilastro ≤ 250 kN e di 100 kN/m di parete,

i muri di sostegno di altezza ≤ 2 m

scavi modesti (non armati) ≤ 2 m destinati ad opere di drenaggio o per la posa in opera di tubazioni interrate.


28

opere civili ordinarie: (opere di sostegno, pile e spalle di ponti, costruzioni di terra, tiranti ed ancoraggi, gallerie in roccia di elevata resistenza non fratturata)

fondazioni tradizionali: (superficiali, a platea, su pali), senza che sussistano rischi notevoli dovuti a situazioni geotecniche particolari o a carichi applicati elevati;


29

Le opere civili, o parte di esse, non contemplate dalle due categorie precedenti.

Opere non usuali o, comunque, di notevoli dimensioni, oppure di strutture che debbano sorgere su terreni di caratteristiche particolarmente difficili o in zone altamente sismiche (dighe, scavi a molti livelli, edifici con carichi eccezionali, grandi ponti, gallerie, ecc.).


30

Categorie Geotecniche

CG Rischio Requisiti della Indagine geotecnica

1 Trascurabile Indagine di ampiezza limitata – spesso basata sull’esperienza locale

2 Medio Indagine basata su EN 1997-2

3 Elevato

Indagine di ampiezza non inferiore a quanto richiesto per CG 2 – può essere necessario prevedere indagini supplementari e prove di tipo avanzato

La categoria geotecnica della struttura influenza il livello di supervisione e di monitoraggio definiti nella sezione 4 dello EN 1997-1.

31

Non è necessario classificare tutte le parti di un progetto. Alcuni progetti possono prevedere parti a cui attribuire categorie differenti.

Categorie Geotecniche

SPERIMENTAZIONE

in laboratorio, su provini ricavati da campionirappresentativi del terreno in sito; possono esseresottoposti a qualsivoglia stato di sollecitazione.

in sito, direttamente sul terreno, nelle suecondizioni reali; i risultati delle prove vanno spessoelaborati con teorie più o meno semplici;










33

FINALITA’ PROVA COESIVI GRANULARI

Profilo stratigrafico• Sondaggi• Prove penetrometriche• Dilatometro

DININ

DININ

Rilievo di falda• Piezometri• Sondaggi• Pozzi

DDD

DDD

Caratteristiche di permeabilità

• Prove emungimento• Prove in foro di sondaggio• Misure piezometriche

--D

DD, R

-

Parametri di deformabilità

• Pressiometro Menard• Pressiometro autoperforante• Prove penetrometriche statiche• Prove penetrometriche dinamiche• Dilatometro• Prova di carico con piastra• Cross-hole, Down-hole

D, RD

NRNREDD

D, RDEEEDD

Parametri di resistenza al taglio

• Pressiometro• Prove penetrometriche statiche• Prove penetrometriche dinamiche• Dilatometro• Vane Test• Prova di carico con piastra

DE

NRE

D, ED

DEEE--

D (determinazione diretta) IN (determinazione indiretta) NR (non rilevabile) E (determinazione empirica) R (con riserva)

34(§) Affidabilità della prova H (alta) M (media ) L (bassa)

Prove in situ § Roccia Terre a grana grossa Terre a grana fine

SPT

H - -

M -

• Tipo di terreno• Geometria strati• Granulometria• Contenuto d’acqua• Densità• Resistenza al taglio• Compressibilità• Prove chimiche

• Geometria strati• Contenuto d’acqua• Densità• Compressibilità• Prove chimiche• Limiti Atterberg

L - - • Resistenza al taglio

CPTCPTMCPTU

H - • Geometria strati• Compressibilità

• Geometria strati• Resistenza al taglio

M -

• Tipo di terreno• Quota di falda• Pressione neutrale• Densità• Resistenza al taglio

• Tipo di terreno• Pressione neutrale• Densità• Compressibilità• Permeabilità

L • Tipo di roccia • Permeabilità -

35§ Applicabilità: H (alta) M (media ) L (bassa)

Prove in situ § Roccia Grana grossa Grana fine

Prove di carico su piastra

H - • Geometria strati• Compressibilità

• Geometria strati• Resistenza al taglio

M • Resistenza al taglio - -

L - - -

Prove penetrometriche

dinamicheDPLDPMDPH

DPSH

H - • Estensione strati -

M -• Densità• Resistenza al taglio• Compressibilità

• Geometria strati• Compressibilità

L - • Tipo di terreno • Tipo di terreno• Resistenza al taglio

36

Prova di laboratorio Ghiaia/sabbia Limo Argilla

Densità ρ ρ ρ

Edometrica - Eed – cc - cv Eed – cc - cv

P Eed - cc

Taglio diretto c’/φ’� c’/φ’ c’/φ’

P c’R/φ’R c’R/φ’R - cu c’R/φ’R - cu

Triassiale E’ – G – c’/φ’ E’ – G – c’/φ’ – cu - cv E’ – G – c’/φ’ – cu –cv

P Eed - cc

Taglio anulare c’R/φ’R c’R/φ’R c’R/φ’R

P: possibile applicazione

CASTEGNERO (VI)

38

n.9 CPTn.3 sondaggi (punti 2,6,7)

Profondità max = 30 m

CASTEGNERO (VI)

43

C.P.T.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Resistenza alla puntaqc[MPa]

Prof

ondi

tà[m

]_

CPT 1

CPT 2

CPT 3

CPT 4

CPT 5

CPT 6

CPT 7

CPT 8

CPT 9

CASTEGNERO (VI)Prove penetrometriche statiche (CPT)

Standard Penetration Test (SPT)

0 10 20 30 40

N30

30

25

20

15

10

5

0

prof

ondi

tà d

al p

.c.(m

)

44

CAST

EGN

ERO

(VI)

45

CASTEGNERO (VI)Prove penetrometriche statiche (CPT) s

cfqF =

TERRENO F

Torbe e argille organiche ≤ 15

Limi e argille 15÷30

Limi sabbiosi e sabbie limose 30÷60

Sabbie e sabbie con ghiaia > 60

100qfRc

sf ⋅=qc: resistenza di punta

fs: resistenza d’attrito laterale

A.G.I., 1977

46

CASTEGNERO (VI) – TERRENI COESIVI

Camp.Prof.

(m)

γ

(kN/m3)

w0

(%)

wl

(%)

Ip

(%)USCS

M (kPa)

(σ = 25, 50, 100 kPa)

cv

(m2/s)

k

(m/s)

S2/1 2.7/3.3 19.2 34 51 26 CH 1516/1900/2559 1E-7 3E-10

S2/2 5.0/5.6 18.2 48 54 27 CH 1271/1732/2420 2E-7 6E-10

S2/3 10.2/10.8 18.0 24 39 16 CL 1730/2617/4118 6E-7 9E-10

S6/1 3.5/4.1 19.3 36 50 25 CL 1564/2016/2586 2E-7 5E-10

S6/2 5.7/6.3 19.4 38 46 21 CL 1627/1828/2121 2E-7 7E-10

S6/4 11.7/12.3 19.2 29 35 13 CL 1906/2603/3936 7E-7 1E-9

S7/1 5.0/5.6 19.2 31 47 23 CL 4580/3195/4851 6E-7 8E-10

S7/3 11.0/11.6 19.8 32 32 7 ML/OL -

S7/4 13.2/13.8 19.5 30 45 21 CL 4067/3672/5506 8E-7 8E-10

ELABORAZIONE(non interpretazione)

Gli sperimentatori si limitino ad un'accurataesposizione dei metodi di prova e dei risultati,astenendosi da interpretazioni e suggerimenti.

operazioni (numeriche e grafiche) eseguite per iltrattamento dei valori ricavati da semplici misuree/o da esperimenti veri e propri per trarne icosiddetti valori derivati.










Camp.Prof.

(m)

γ

(kN/m3)

w0

(%)

wl

(%)

Ip

(%)USCS

M (kPa)

(σ = 25, 50, 100 kPa)

cv

(m2/s)

k

(m/s)

S2/1 2.7/3.3 19.2 34 51 26 CH 1516/1900/2559 1E-7 3E-10

S2/2 5.0/5.6 18.2 48 54 27 CH 1271/1732/2420 2E-7 6E-10

S2/3 10.2/10.8 18.0 24 39 16 CL 1730/2617/4118 6E-7 9E-10

S6/1 3.5/4.1 19.3 36 50 25 CL 1564/2016/2586 2E-7 5E-10

S6/2 5.7/6.3 19.4 38 46 21 CL 1627/1828/2121 2E-7 7E-10

S6/4 11.7/12.3 19.2 29 35 13 CL 1906/2603/3936 7E-7 1E-9

S7/1 5.0/5.6 19.2 31 47 23 CL 4580/3195/4851 6E-7 8E-10

S7/3 11.0/11.6 19.8 32 32 7 ML/OL -

S7/4 13.2/13.8 19.5 30 45 21 CL 4067/3672/5506 8E-7 8E-10

48

CASTEGNERO (VI) – TERRENI COESIVI

49

CASTEGNERO (VI)

50

Prova di taglio diretto

φ’p

φ’cv

φ’R

51

Interpretazione di prove di taglio diretto

52

Criterio di rottura di Mohr-Coulomb

INTERPRETAZIONE

E’ materia del progettista o dell'esperto che ha

formulato il piano degli esperimenti.

Interpretare i risultati di un’indagine significa spiegare le

eventuali incertezze ed errori commessi nel corso

dell’indagine, attribuire un significato, commentare.










CARATTERIZZAZIONEGEOTECNICA

Per lo sviluppo dei calcoli si attribuisce ad ognistrato un valore della grandezza considerata, sceltosulla base dei risultati delle indagini con criterideterministici, probabilistici, semiprobabilistici.

Importante atto di sintesi, con il quale il progettistasceglie e precisa i valori dei parametri che sono alla basedei suoi calcoli e verifiche.










55

-50.00

-47.00

-50.00

-47.00

-50.00

-17.50-17.20

-45.00-44.20

-41.00

-38.50

-37.40

-35.90

-34.70-34.00

-28.20

-30.70

-24.00

-19.00

-39.00

-46.00

-42.10

-40.00

-37.50-36.70

-33.70

-32.70

-28.30

-30.20

-29.00

-21.70

-18.40

-3.20

-10.00

-13.40

-8.60

-5.20

-4.00

S2-1.90

-0.90

-16.10

-13.20

-9.80

-7.20

-5.30

S1-2.50

-39.40

-44.80

-41.00

-35.30

-37.40

-36.00

-33.80

-27.40

-25.00

-10.00

-14.70

-12.60

S4-1.60

AS

LA

LA

LS + S

LA

LS + SLA

ALA

SLAS

LA

ALS + S

LA

RIPORTORIPORTO

LAS

A

LALS + S

LA

LS + SLA

ALA SLA S

LALS

SLA

S

LA

56

CASTEGNERO (VI)Possibile semplificazione del profilo

stratigrafico del terreno di fondazione

C.P.T.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Resistenza alla puntaqc[MPa]

Prof

ondi

tà[m

]_

CPT 1

CPT 2

CPT 3

CPT 4

CPT 5

CPT 6

CPT 7

CPT 8

CPT 9

57

c

0vcu N

qc σ−=

Porto Caleri - ROSOLINA (RO)

Nc ≈ 15 (NC)≈ 20 (OC)

50

kg/cm2

100

kg/cm2

IPOTESI

azioni applicate (es. verticali, centrate, statiche,dinamiche).

configurazione geometrica del sistema (es.:semispazio infinito);

proprietà meccaniche dei materiali (es. elastico,plastico, rigido) e contatti (es. liscio, impermeabile);










MODELLAZIONE

Gli errori di calcolo sono spesso trascurabilirispetto a quelli derivati dall'incertezza sui valoridei parametri.

Formulazione del problema mediante un modello-teoriaesistente in modo tale che il comportamento simulato delsistema si discosti il meno possibile da quello reale.










SOLUZIONE

Scaturisce da una valutazione di sintesi, confortata dalle conoscenzescientifiche e tecniche, illuminate dalla immaginazione.

VERIFICHE

Il progettista controlla a posteriori che la soluzione, alla quale èpervenuto con la ricerca progettuale, rispetti i prefissati requisiticon i necessari margini di sicurezza.










Relazione Geologica

inquadramento geologico mirato ad accertare e descrivere lo statonaturale (terreni e acque in assenza di azioni esterne)

Relazione sulle Indagini Geotecniche

raccoglie e descrive i risultati delle esplorazioni e prove in sito

Relazione sulle Indagini di Laboratorio

contiene il piano degli esperimenti, i risultati delle prove (standarddi riferimento), diagrammi riassuntivi.

Relazione (di progettazione) geotecnica

Tutte le Relazioni possono essere scritte dal progettista ocompilate da esperti; il vigile controllo del progettista ènecessario per garantire l'indispensabile visione unitaria.

Contiene considerazioni progettuali sugli aspetti geotecnici (attivitàdi progetto, indagini, modellazione con i risultati (calcoli e verifichegeotecniche), prescrizioni e raccomandazioni per l'esecuzione, per icontrolli e per l'esercizio)










ESECUZIONE

I fattori costruttivi esercitano un'influenzadominante sul comportamento dei terrenie nella valutazione di tutti gli aspetti checoncorrono alla sicurezza.

Importanza di una visione unitaria dei variaspetti della progettazione, costruzione eproduzione.










CONTROLLI SU TERRENI E MANUFATTI

Controlli preventivi: in fase di progetto, in corsod'opera ed in fase di collaudo; possono esseredistruttivi o non, deterministici o statistici.

Possono essere continui, saltuari, a posteriori.

Prescritti in fase di progetto, vengono eventualmente adattati in corso d'opera.










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