Puente colgante
Un puente colgante es un tipo de puente en el que el tablero se cuelga debajo de cables de suspensión en tirantes verticales. Los primeros ejemplos modernos de este tipo de puente se construyeron a principios del siglo XIX. Los puentes colgantes simples, que carecen de tirantes verticales, tienen una larga historia en muchas partes montañosas del mundo.
Además del tipo de puente más comúnmente llamado puente colgante, que se trata en este artículo, existen otros tipos de puentes colgantes. El tipo cubierto aquí tiene cables suspendidos entre torres, con cables colgantes verticales que transfieren las cargas vivas y muertas de la plataforma debajo, sobre la cual cruza el tráfico. Esta disposición permite que la plataforma esté nivelada o que se arquee hacia arriba para obtener espacio libre adicional. Al igual que otros tipos de puentes colgantes, este tipo a menudo se construye sin el uso de cimbras.
Los cables de suspensión deben estar anclados en cada extremo del puente, ya que cualquier carga aplicada al puente se transforma en una tensión en estos cables principales. Los cables principales continúan más allá de los pilares hasta los soportes a nivel de la cubierta y continúan hasta las conexiones con anclajes en el suelo. La calzada está sostenida por cables o varillas de suspensión verticales, llamados colgadores. En algunas circunstancias, las torres pueden asentarse en un risco o en el borde de un cañón donde el camino puede continuar directamente hacia el tramo principal; de lo contrario, el puente generalmente tendrá dos tramos más pequeños, que se extienden entre cualquiera de los dos pilares y la carretera, que puede estar sostenido por tirantes o su propia armadura. En este último caso, habrá muy poco arco en los cables principales externos.
Historia
Los primeros puentes colgantes eran cuerdas colgadas a través de un abismo, con una plataforma posiblemente al mismo nivel o colgada debajo de las cuerdas de modo que la cuerda tuviera forma de catenaria.
Precursora
(feminine)El siddha tibetano y constructor de puentes Thangtong Gyalpo originó el uso de cadenas de hierro en su versión de puentes colgantes simples. En 1433, Gyalpo construyó ocho puentes en el este de Bután. El último puente encadenado superviviente de Gyalpo fue el puente Thangtong Gyalpo en Duksum en ruta a Trashi Yangtse, que finalmente fue arrastrado por las aguas en 2004. Los puentes de cadenas de hierro de Gyalpo no incluían un puente de plataforma suspendida, que es el estándar en todos los puentes colgantes modernos en la actualidad. En cambio, tanto la barandilla como la capa para caminar de los puentes de Gyalpo usaban cables. Los puntos de tensión que llevaba la regla fueron reforzados por las cadenas de hierro. Antes del uso de cadenas de hierro, se cree que Gyalpo usaba cuerdas de sauces retorcidos o pieles de yak. Es posible que también haya usado un paño bien atado.
Puentes de cadena
El primer puente colgante de cadenas de hierro del mundo occidental fue el puente Jacob's Creek (1801) en el condado de Westmoreland, Pensilvania, diseñado por el inventor James Finley. El puente de Finley fue el primero en incorporar todos los componentes necesarios de un puente colgante moderno, incluida una plataforma suspendida que colgaba de vigas. Finley patentó su diseño en 1808 y lo publicó en la revista de Filadelfia, The Port Folio, en 1810.
Los primeros puentes de cadena británicos incluyeron Dryburgh Abbey Bridge (1817) y Union Bridge de 137 m (1820), con luces que aumentaron rápidamente a 176 m con Menai Bridge (1826), "el primer puente colgante moderno importante&# 34;. El primer puente de las cadenas en los territorios de habla alemana fue el Puente de las Cadenas en Nuremberg. El puente colgante de hierro de Sagar con un tramo de 200 pies (también llamado puente Beose) fue construido cerca de Sagar, India durante 1828-1830 por Duncan Presgrave, Mint and Assay Master. El puente colgante de Clifton (diseñado en 1831, terminado en 1864 con un tramo central de 214 m), es similar al puente de Sagar. Es uno de los más largos del tipo de cadena de arco parabólico. El puente colgante de Marlow actual fue diseñado por William Tierney Clark y fue construido entre 1829 y 1832, reemplazando un puente de madera río abajo que se derrumbó en 1828. Es el único puente colgante que cruza el Támesis sin mareas. El Puente de las Cadenas Széchenyi (diseñado en 1840, inaugurado en 1849), que cruza el río Danubio en Budapest, también fue diseñado por William Clark y es una versión a mayor escala del Puente Marlow.
Una variación interesante es Thornewill y Warham's Ferry Bridge en Burton-on-Trent, Staffordshire (1889), donde las cadenas no están unidas a los pilares como es habitual, sino que están unidas a las vigas principales, que están así en compresión. Aquí, las cadenas están hechas de placas planas de hierro forjado, de ocho pulgadas (203 mm) de ancho por una pulgada y media (38 mm) de grosor, remachadas entre sí.
Alambre-cable
El primer puente colgante de alambre fue el Puente Araña en las Cataratas de Schuylkill (1816), un puente peatonal modesto y temporal construido tras el colapso del cercano Puente de las Cadenas de James Finley en las Cataratas de Schuylkill (1808). La luz de la pasarela era de 124 m, aunque su tablero sólo tenía 0,45 m de ancho.
El desarrollo de los puentes colgantes de alambre y cable se remonta al puente colgante temporal simple en Annonay construido por Marc Seguin y sus hermanos en 1822. Se extendía solo 18 m. El primer puente colgante permanente de cable de alambre fue el Puente Saint Antoine de Guillaume Henri Dufour en Ginebra de 1823, con dos vanos de 40 m. El primero con cables ensamblados en el aire con el método moderno fue el Grand Pont Suspendu de Joseph Chaley en Friburgo, en 1834.
En los Estados Unidos, el primer gran puente colgante de alambre-cable fue el Wire Bridge en Fairmount en Filadelfia, Pensilvania. Diseñado por Charles Ellet Jr. y terminado en 1842, tenía una luz de 109 m. El puente colgante de las Cataratas del Niágara de Ellet (1847–48) fue abandonado antes de su finalización. Se utilizó como andamio para el ferrocarril de dos pisos y el puente para carruajes de John A. Roebling (1855).
El puente Otto Beit (1938–1939) fue el primer puente colgante moderno fuera de los Estados Unidos construido con cables de alambre paralelos.
Estructura
Componentes principales del puente
Dos torres/pilares, dos cables de suspensión, cuatro anclajes de cables de suspensión, múltiples cables de suspensión, la plataforma del puente.
Análisis estructural
Los cables principales de un puente colgante formarán una catenaria; en cambio, los cables formarán una parábola si se supone que tienen peso cero. Se puede ver la forma a partir del aumento constante de la pendiente del cable con la distancia lineal (plataforma), este aumento de la pendiente en cada conexión con la plataforma proporciona una fuerza neta de apoyo hacia arriba. Combinado con las restricciones relativamente simples impuestas sobre el tablero real, eso hace que el puente colgante sea mucho más simple de diseñar y analizar que un puente atirantado en el que el tablero está comprimido.
Comparación con puente atirantado
Los puentes atirantados y los puentes colgantes pueden parecer similares, pero son bastante diferentes en principio y en su construcción.
En los puentes colgantes, grandes cables principales (normalmente dos) cuelgan entre las torres y se anclan en cada extremo al suelo. Los cables principales, que pueden moverse libremente sobre los apoyos de las torres, soportan la carga del tablero del puente. Antes de instalar la plataforma, los cables están bajo tensión por su propio peso. A lo largo de los cables principales, cables o varillas más pequeños se conectan a la plataforma del puente, que se levanta en secciones. Mientras se hace esto, la tensión en los cables aumenta, al igual que la carga viva del tráfico que cruza el puente. La tensión en los cables principales se transfiere al suelo en los anclajes y por compresión hacia abajo en las torres.
En los puentes atirantados, las torres son las principales estructuras portantes que transmiten las cargas del puente al suelo. A menudo se utiliza un enfoque en voladizo para soportar la plataforma del puente cerca de las torres, pero las longitudes más alejadas de ellas están soportadas por cables que van directamente a las torres. Por diseño, todas las fuerzas horizontales estáticas del puente atirantado están equilibradas para que las torres de soporte no tiendan a inclinarse o deslizarse y, por lo tanto, solo deben resistir las fuerzas horizontales de las cargas vivas.
Ventajas
- Los lazos principales más largos son alcanzables que con cualquier otro tipo de puente.
- Es posible que se requiera menos material que otros tipos de puentes, incluso en los lados que pueden alcanzar, lo que lleva a un costo de construcción reducido.
- Excepto por la instalación de los cables temporales iniciales, se requiere poco o ningún acceso desde abajo durante la construcción y por lo tanto una vía de agua puede permanecer abierta mientras el puente se construye arriba.
- Pueden soportar mejor los movimientos del terremoto que los puentes más pesados y rígidos.
- Las cubiertas de puente pueden tener secciones de cubierta reemplazadas para ampliar los carriles de tráfico para vehículos más grandes o añadir ancho adicional para caminos de ciclismo / peatonal separados.
Desventajas
- Se puede exigir una rigidez considerable o un perfil aerodinámico para evitar que el puente vibra bajo vientos altos.
- La rigidez relativamente baja de la cubierta en comparación con otros tipos de puentes (no-suspensión) hace más difícil llevar un tráfico ferroviario pesado en el que se producen cargas vivas concentradas elevadas.
- Algunos accesos a continuación pueden ser necesarios durante la construcción para levantar los cables iniciales o para levantar unidades de cubierta. Ese acceso se puede evitar a menudo en la construcción de puentes con soporte de cable.
Variaciones
Subestimado
En un puente colgante de tramo inferior, también llamado puente atirantado bajo cubierta, los cables principales cuelgan completamente debajo de la cubierta del puente, pero aún están anclados al suelo de manera similar al tipo convencional. Se han construido muy pocos puentes de esta naturaleza, ya que el tablero es intrínsecamente menos estable que cuando está suspendido debajo de los cables. Los ejemplos incluyen el Pont des Bergues de 1834 diseñado por Guillaume Henri Dufour; el puente Micklewood de James Smith; y una propuesta de Robert Stevenson para un puente sobre el río Almond cerca de Edimburgo.
El acueducto de Delaware de Roebling (iniciado en 1847) consta de tres secciones sostenidas por cables. La estructura de madera esencialmente oculta los cables; y de una vista rápida, no es evidente de inmediato que es incluso un puente colgante.
Tipos de cables de suspensión
Los principales cables de suspensión de los puentes más antiguos solían estar hechos de una cadena o barras unidas, pero los cables de los puentes modernos están hechos de varias hebras de alambre. Esto no solo agrega fuerza, sino que mejora la confiabilidad (a menudo llamada redundancia en términos de ingeniería) porque la falla de algunos hilos defectuosos en los cientos que se utilizan representa una amenaza muy pequeña de falla, mientras que un solo enlace defectuoso o barra ocular puede causar la falla de todo un puente. (Se descubrió que la falla de una sola barra ocular fue la causa del colapso del puente Silver Bridge sobre el río Ohio). formulados uno por uno en el aire desde una pasarela temporal.
Terminaciones de cable de suspensión
Los enchufes vertidos se utilizan para hacer una terminación de cable permanente de alta resistencia. Se crean insertando el cable de suspensión (en los soportes de la plataforma del puente) en el extremo angosto de una cavidad cónica que está orientada en línea con la dirección prevista de tensión. Los cables individuales se extienden dentro del cono o "capucha", y luego se llena el cono con soldadura de plomo-antimonio-estaño fundido (Pb80Sb15Sn5).
Tipos de estructuras de cubierta
La mayoría de los puentes colgantes tienen estructuras de armaduras abiertas para soportar el lecho de la carretera, particularmente debido a los efectos desfavorables del uso de vigas de placa, descubiertas en el colapso del puente del puente Tacoma Narrows (1940). En la década de 1960, los desarrollos en la aerodinámica de los puentes permitieron la reintroducción de estructuras de placas como vigas cajón poco profundas, vistas por primera vez en el puente Severn, construido entre 1961 y 1966. En la imagen del puente Yichang, observe el borde de entrada muy afilado y las vigas inferiores inclinadas en el puente colgante que se muestra. Esto permite utilizar este tipo de construcción sin el peligro de desprendimiento de vórtices y los consiguientes efectos aeroelásticos, como los que destruyeron el puente original de Tacoma Narrows.
Fuerzas
En cualquier puente operan tres tipos de fuerzas: la carga muerta, la carga viva y la carga dinámica. La carga muerta se refiere al peso del propio puente. Como cualquier otra estructura, un puente tiene tendencia a colapsar simplemente debido a las fuerzas gravitatorias que actúan sobre los materiales de los que está hecho el puente. La carga viva se refiere al tráfico que se mueve a través del puente, así como a los factores ambientales normales, como los cambios de temperatura, las precipitaciones y los vientos. La carga dinámica se refiere a factores ambientales que van más allá de las condiciones climáticas normales, factores como ráfagas repentinas de viento y terremotos. Los tres factores deben tenerse en cuenta al construir un puente.
Uso distinto de carretera y ferrocarril
Los principios de suspensión utilizados a gran escala también aparecen en contextos menos dramáticos que los puentes de carretera o ferroviarios. La suspensión de cables livianos puede resultar menos costosa y parecer más elegante para una bicicleta o un puente peatonal que los fuertes soportes de vigas. Un ejemplo de esto es el puente Nescio en los Países Bajos, y el puente peatonal suspendido Riegelsville de 1904 diseñado por Roebling que cruza el río Delaware en Pensilvania. El puente colgante peatonal más largo, que cruza el río Paiva, Geoparque Arouca, Portugal, se inauguró en abril de 2021. El puente de 516 metros cuelga 175 metros sobre el río.
Cuando un puente de este tipo atraviesa un espacio entre dos edificios, no hay necesidad de construir torres especiales, ya que los edificios pueden anclar los cables. La suspensión por cable también puede verse aumentada por la rigidez inherente de una estructura que tiene mucho en común con un puente tubular.
Secuencia de construcción (tipo de cable trenzado)
Los puentes colgantes típicos se construyen usando una secuencia que generalmente se describe a continuación. Dependiendo de la longitud y el tamaño, la construcción puede demorar entre un año y medio (la construcción del puente Tacoma Narrows original tomó solo 19 meses) hasta una década (la construcción del puente Akashi-Kaikyō comenzó en mayo). 1986 y se inauguró en mayo de 1998, un total de doce años).
- Donde las torres se fundan en los muelles submarinos, los caisson son hundidos y cualquier fondo blando se excava para una fundación. Si la roca base es demasiado profunda para ser expuesta por la excavación o el hundimiento de un caisson, los pilings son conducidos a la roca base o en suelos duros de sobrecarga, o una gran almohadilla de hormigón para distribuir el peso sobre suelos menos resistentes puede ser construido, preparando primero la superficie con una cama de grava compactada. (Tal almohadilla también puede dar cabida a los movimientos de una falla activa, y esto se ha implementado sobre las bases del puente Rio-Antirio con soporte por cable.) Los muelles se extienden entonces por encima del nivel de agua, donde están cubiertos con bases pedestales para las torres.
- Cuando las torres se fundan en tierra seca, se utilizan excavaciones profundas o pilings.
- Desde la fundación de la torre, torres de columnas individuales o múltiples se levantan utilizando hormigón armado de alta resistencia, piedra o acero. El hormigón se utiliza con más frecuencia en la construcción moderna de puentes de suspensión debido al alto costo del acero.
- Grandes dispositivos llamados sillas, que cargará los cables de suspensión principales, se colocan sobre las torres. Típicamente de acero fundido, también se pueden fabricar usando formas rematadas, y están equipadas con rodillos para permitir que los cables principales se muevan bajo construcción y cargas normales.
- Anchorages se construyen, generalmente en tándem con las torres, para resistir la tensión de los cables y formar como el sistema de anclaje principal para toda la estructura. Estos suelen estar anclados en roca de buena calidad, pero pueden consistir en pesos muertos de hormigón armado masivo dentro de una excavación. La estructura de anclaje tendrá múltiples aperturas oculares encerrado dentro de un espacio seguro.
- Pasillos suspendidos temporales, llamados pasarelas, se levantan luego utilizando un conjunto de cables guía colocados en su lugar a través de winches colocados en la cima de las torres. Estas pasarelas siguen la curva establecida por los diseñadores de puentes para los cables principales, en un camino matemáticamente descrito como arco catenario. Las pasarelas típicas suelen estar entre ocho y diez pies de ancho y se construyen utilizando grata de alambre y listones de madera.
- Gantries se colocan sobre las pasarelas, que soportarán los principales rodillos de cable. Luego, se instalan cables adjuntos a winches y, a su vez, se instalan los principales dispositivos de giro por cable.
- El alambre de alta resistencia (típicamente 4 o 6 medidores de alambre galvanizado de acero), se tira en un bucle por poleas en el viajero, con un extremo fijado en un anclaje. Cuando el viajero llega al anclaje opuesto, el bucle se coloca sobre una barra de anclaje abierta. A lo largo de la pasarela, los trabajadores también tiran los cables de cable a su tensión deseada. Esto continúa hasta que se complete un paquete, llamado "meta de cable" y se empaqueta temporalmente con alambre de acero inoxidable. Este proceso se repite hasta que se complete el cable final. Los trabajadores luego eliminan las envolturas individuales en las hebras de cable (durante el proceso de giro, la forma del cable principal se asemeja estrechamente a un hexágono), y luego todo el cable se comprime por una prensa hidráulica itinerante en un cilindro estrechamente empaquetado y se envuelve con alambre adicional para formar la sección circular final. El alambre utilizado en la construcción del puente de suspensión es un alambre de acero galvanizado que ha sido recubierto con inhibidores de la corrosión.
- En puntos específicos a lo largo del cable principal (cada uno es la distancia exacta horizontalmente en relación con los siguientes) los dispositivos llamados "bandas de cable" se instalan para llevar cuerdas de alambre de acero llamadas Cables de altavoces. Cada cable de tirante está diseñado y cortado a longitudes precisas, y se enrollan sobre las bandas de cable. En algunos puentes, donde las torres están cerca o en la orilla, los cables de tirante pueden ser aplicados solamente al lazo central. Los primeros cables de tirante fueron equipados con joyas de zinc y un conjunto de lavados de acero, que formaron el soporte para la cubierta. Los cables de tirantes modernos llevan un ajuste tipo grillete.
- Se utilizan mangueras especiales de elevación pegadas a los tirantes o desde los cables principales para levantar secciones prefabricadas de la cubierta de puentes al nivel adecuado, siempre que las condiciones locales permitan llevar las secciones por debajo del puente por barcaje u otros medios. De lo contrario, se puede utilizar un derrick cantilever itinerante para extender la cubierta una sección a la vez comenzando desde las torres y trabajando hacia fuera. Si la adición de la estructura de cubierta se extiende desde las torres las porciones terminadas de la cubierta se lanzarán hacia arriba bastante hacia arriba, ya que no hay fuerza descendente en el centro del lapso. Una vez terminada la cubierta, la carga agregada arrastrará los cables principales a un arco matemáticamente descrito como una parabola, mientras que el arco de la cubierta será como el diseñador previsto – generalmente un arco ascendente suave para la limpieza agregada si sobre un canal de envío, o plano en otros casos, como un lazo sobre un cañón. Los soportes de suspensión arqueados también dan a la estructura más rigidez y fuerza.
- Con la finalización de la estructura primaria se instalan o completan diversos detalles como iluminación, barandillas, pintura de acabado y pavimento.
Tramos más largos
Los puentes colgantes generalmente se clasifican por la longitud de su tramo principal. Estos son los diez puentes con los tramos más largos, seguidos de la longitud del tramo y el año en que el puente se abrió al tráfico:
Puente | País | Duración | Año |
---|---|---|---|
Çanakkale 1915 Puente | Turquía | 2023 m (6637 pies) | 2022 |
Akashi Kaikyō Bridge | Japón | 1991 m (6532 pies) | 1998 |
Puente Yangsigang | China | 1700 m (5577 pies) | 2019 |
Puente de Xihoumen | China | 1650 m (5413 pies) | 2009 |
Great Belt Bridge | Dinamarca | 1624 m (5328 pies) | 1998 |
Puente de Osman Gazi | Turquía | 1550 m (5085 pies) | 2016 |
Yi Sun-sin bridge | Corea del Sur | 1545 m (5069 pies) | 2012 |
Runyang Bridge | China | 1490 m (4888 pies) | 2005 |
Cuarto puente de Nanjing Yangtze | China | 1418 m (4652 pies) | 2012 |
Humber Bridge | Reino Unido | 1410 m (4626 pies) | 1981 |
Yavuz Sultan Selim Bridge | Turquía | 1408 m (4619 pies) | 2016 |
Otros ejemplos
(Cronológico)
- Union Bridge (Inglaterra/Escocia, 1820), el mayor lapso (137 m) de 1820 a 1826. El puente de suspensión más antiguo del mundo todavía transportaba tráfico de carretera.
- Acueducto Delaware de Roebling (USA, 1847), el puente de suspensión de alambre más antiguo aún en servicio en los Estados Unidos.
- John A. Roebling Suspension Bridge (USA, 1866), luego el puente de suspensión de alambre más largo del mundo a 1.057 pies (322 m) lazo principal.
- Brooklyn Bridge (USA, 1883), el primer puente de suspensión de alambre de acero.
- Bear Mountain Bridge (USA, 1924), la suspensión más larga (497 m) de 1924 a 1926. El primer puente de suspensión para tener una cubierta de hormigón. Los métodos de construcción pioneros en la construcción haría posible varios proyectos mucho más grandes a seguir.
- Benjamin Franklin Bridge (USA, 1926), reemplazó Bear Mountain Bridge como el tramo más largo a 1.750 pies entre las torres. Incluye una línea de metro activa y estaciones de carro nunca utilizadas en el lapso.
- Puente de Bahía San Francisco-Oakland (USA, 1936). Esta fue una vez el puente de alto nivel de acero más largo del mundo (704 m). La porción oriental (un puente de cañón) ha sido reemplazada por un puente de suspensión autoanclado que es el más largo de su tipo en el mundo. También es el puente más amplio del mundo.
- Golden Gate Bridge (USA, 1937), el puente de suspensión más largo de 1937 a 1964. También fue el puente más alto del mundo de 1937 a 1993, y sigue siendo el puente más alto de los Estados Unidos.
- Puente de Mackinac (USA, 1957), el puente de suspensión más largo entre anclajes en el hemisferio occidental.
- Si Du River Bridge (China, 2009), el puente más alto del mundo, con su cubierta alrededor de 500 metros sobre la superficie del río.
- Puente de Rod El Farag (Egipto, 2019), un moderno puente de suspensión con cable de acero egipcio que cruza el río Nilo, que se completó en 2019 y mantiene el récord mundial de Guinness para el puente de suspensión más amplio del mundo con una anchura de 67,3 metros, y con una extensión de 540 metros.
Colapsos notables
- Broughton Suspension Bridge (Inglaterra) – Puente de cadena de hierro construido en 1826. Uno de los primeros puentes de suspensión de Europa, colapsó en 1831 debido a la resonancia mecánica inducida por las tropas marchando en paso. Como resultado del incidente, el Ejército Británico emitió una orden que las tropas deben "romper paso" al cruzar un puente.
- Puente de Plata (USA) – Puente de la cadena Eyebar, construido en 1928, que colapsó a finales de 1967, matando a cuarenta y seis personas. El puente tenía un diseño de baja intensidad que era difícil de inspeccionar. El colapso inspiró la legislación para garantizar que los puentes más antiguos fueran inspeccionados y mantenidos periódicamente. Tras el colapso se cerró inmediatamente un puente de diseño similar y finalmente se demolió. Se había construido un segundo puente similar con un mayor margen de seguridad y permanecía en servicio hasta 1991.
- Tacoma Narrows Bridge, (USA), 853 m – 1940. El puente de Tacoma Narrows era vulnerable a la vibración estructural en vientos sostenidos y moderadamente fuertes debido a su estructura de cubierta de dirección de placas. El viento causó un fenómeno llamado fluttering aeroelástico que condujo a su colapso sólo meses después de la terminación. El colapso fue capturado en la película. No hubo muertes humanas en el colapso; varios conductores escaparon de sus coches a pie y llegaron a los anclajes antes de la caída del lazo.
- Puente de suspensión de Yarmouth (Inglaterra) – Construido en 1829 y colapsado en 1845, matando a 79 personas.
- Peace River Suspension Bridge (Canadá) El soporte de suelo del ancla norte para el puente de suspensión, que se completó en 1943, falló durante unos días en octubre de 1957, y el puente entero posteriormente colapsó.
- El 30 de octubre de 2022, Jhulto Pul, puente de suspensión peatonal sobre el río Machchhu en la ciudad de Morbi, Gujarat, India se derrumbó, lo que dio lugar a la muerte de al menos 141 personas.
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