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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.2 pp.1-9
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.2.001

Experimental Evaluation on Structural Performance of Circular CFT Columns Reinforced with FRPs

Wonho Choi1, Jaengyoun Shin2, Jaeyong Ryoo3, Yong-Pil Park4, Sungmo Choi5
1Graduate Student, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
2Chief Executive Officer, YoungLim Architectural Office, Seoul, Korea
3Post Doctor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea
4Project Manager, Awon Structural Engineering, Seoul, Korea
5Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2019년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Choi, Sungmo Department of Architetural Engineering, University of Seoul, 163, Seoulsiripdaero, Dongdaemun-gu, Seoul, Korea. Tel: +82-2-6490-2759, Fax: +82-2-6490-2749, E-mail: smc@uos.ac.kr
November 12, 2018 December 3, 2018 April 23, 2019

Abstract


Concrete filled steel tubes are widely used as columns in many structural systems and suffer local buckling problems by yielding the steel and reducing the confining effect. To overcome these drawbacks, we propose a method to delay local buckling by reinforcing steel with FRP. This paper focuses on the compression performance of the FRP reinforced CFT under cyclic compression. Two types of FRP(Aramid FRP, SRF Polyester Belt) are reinforced, analyzed and discussed outside the CFT with a variety of reinforcement thicknesses and reinforcement layers. In addition, we will evaluate the experimental values of the test body based on the proposed formula used in CFRP and determine whether it can be used.



FRP 보강 원형 CFT 기둥의 구조성능 실험평가

최 원호1, 신 쟁연2, 류 재용3, 박 용필4, 최 성모5
1서울시립대학교 건축공학과 석사과정
2영림건축사사무소 소장 석사수료
3서울시립대학교 건축공학과 박사후 연구원
4아원구조엔지니어링 소장 박사수료
5서울시립대학교 건축학부 교수

초록


콘크리트로 채워진 강관기둥은 많은 구조 시스템에서 기둥으로 널리 사용되며 강재가 항복하고 구속효과가 감소하여 국부 좌굴이 발생한다. 이러한 단점을 극복하기 위해 FRP를 보강하여 국부 좌굴을 지연시키는 방법을 제안한다. 이 논문은 반 복 압축하에서 FRP로 보강된 CFT의 압축성능에 관한 것이다. 두 가지 유형의 FRP (Aramid FRP, SRF Polyester Belt)가 다양한 보강두께와 겹수로 CFT 외부에서 보강하여 비교 분석된다. 또한, CFRP에서 제안 및 사용된 공식에 기초하여 시험 기관의 실험 값을 평가하고 그것이 사용될 수 있는지를 결정할 것이다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    18CTAPC142864-01

    1. 서 론

    1.1 연구 배경 및 목적

    합성구조는 2가지 이상의 서로 다른 특성을 가지는 재료로 구성되며, 각각의 재료적 특성을 유지하면서 우수한 성능을 발휘할 수 있는 시스템이다. 합성구 조시스템 중 강재와 콘크리트로 구성되는 콘크리트 충전강관기둥(이하 CFT 기둥)은 강관 내부에 콘크리 트를 충전한 구조부재로 콘크리트 구속효과와 강재 의 국부좌굴 지연효과로 인해 기둥 내력이 향상되는 부재이다.

    그러나 강관두께가 얇은 CFT 기둥은 강관 항복 이후 구속효과 감소와 강재의 국부좌굴이 동시에 발 생되어 부재의 내력이 급격하게 저하되며 파괴되는 특성이 있다. 이러한 CFT 기둥의 특성을 보완하기 위해 본 연구에서는 아라미드섬유강화수지(AFRP)와 폴리에스테르 고연성벨트(SRF)를 CFT 기둥 외부에 덧붙여 보강하였다. 강관과 AFRP, SRF에 의한 콘크 리트의 구속효과가 증가되어 충전콘크리트 내력 상 승과 강관의 좌굴 지연에 의한 연성능력 상승효과를 기대할 수 있다.

    본 논문에서는 CFT 기둥 단면의 판폭두께 비와 AFRP와 SRF의 보강두께를 변수로 하여 반복 중심 축하중을 받는 원형 CFT 기둥의 구조성능 실험을 수행하였다. 이를 통해, AFRP, SRF로 보강된 CFT 기둥의 압축 성능 및 압축 변형 능력을 평가하고자 한다.

    1.2 선행 연구 분석

    기존 연구에서는 CFT 기둥의 단점인 강관 항복 이 후 국부좌굴이 발생되어 부재의 내력이 급격히 저감 되는 현상을 보강하는 방법으로 탄소섬유쉬트(CFRP) 를 활용한 보강이 주로 사용되었다.

    Ding (2018)은 원형 CFT 기둥에 CFRP를 보강하 여 중심 압축실험을 진행하였다. CFRP를 이용한 보 강은 CFRP 2겹(Layer, 0.334㎜)까지는 최대내력과 연 성이 증가하는 반면, 3겹(0.501㎜) 이상의 보강에서는 내력과 연성능력의 증가는 크지 않다는 결과를 얻었 다. 또한, CFRP는 CFRP의 파괴(fracture) 시까지 원형 CFT 기둥의 축력과 구속효과의 증가에 기여하는 것 을 검증하였다.

    Park (2010)는 CFRP 쉬트로 보강된 원형 CFT 기 둥의 연성능력을 실험적으로 평가하였다. CFRP 쉬트 보강을 통해 강관의 국부좌굴을 지연시키고 이로 인 해 파괴점(최대내력점)을 지연시켜 소성변형능력의 향상을 확인하였다. 국내외 실험결과에 근거하여 구 속효과를 고려한 압축내력 설계식을 제안하였다. 국 외 설계식 대비 실험결과에 더 근접하고 향상된 설 계식으로 평가된다.

    Tao (2007)는 화재로 내력이 떨어진 원형 및 각 형 CFT 기둥에 대하여 CFRP 보강 후 축력과 휨 거 동을 평가하였다. CFRP의 보강겹수의 증가에 따라 연성능력은 감소한 반면, 축력과 강성은 증가하는 것으로 나타났다. 일방향으로만 CFRP를 보강하는 경 우, 보의 휨 성능 보강에는 효과가 제한적이라는 것 을 실험적으로 검증하였다.

    Lam (2002)은 기존의 FRP로 구속된 콘크리트의 압축강도데이터 199개의 실험결과를 3가지로 분류하 여 구속량(fl)에 따른 구속된 콘크리트의 압축강도(f'cc) 와 비구속된 콘크리트압축강도(f'co)의 강도 상승비율 을 산정한 후 선형회귀분석을 통해서 직선의 기울기 값인 구속유효계수(k1)를 정의하였다.

    CFRP 쉬트 부착을 통한 CFT 기둥의 보강효과에 대한 연구는 국내외적으로 다수 진행되었다. 본 연구 에서는 아라미드섬유쉬트(Aramid FRP, 이하 AFRP)와 SRF에 의한 CFT 기둥 보강 시 기존 내력식 적용 가 능 여부 및 실험을 통한 내력산식 검증, 최대 내력 이후 갑작스런 내력 저감 방지를 위한 연성능력을 검토하고자 한다.

    2. FRP 보강 CFT 기둥 성능평가

    2.1 강관과 FRP의 콘크리트 구속효과

    콘크리트 외부에 강관 또는 FRP로 구속하여 축방향 압축을 가할 경우 콘크리트는 횡방향으로 팽창하지 만 이러한 팽창은 외부에 있는 강관 혹은 FRP에 의 해 Fig. 1처럼 구속된다. 구속력은 구속압(fl )의 크기 에 따라 결정되는데 강관두께, FRP 보강량, 구속재 료의 강도, 그리고 내부콘크리트의 직경에 의해 결 정된다. 구속압은 FRP로 구속되어 있을 경우 식 (1), 강관으로 구속될 경우 식 (2)에 의해 산정된다.

    f 1 = 2 f F R P t F R P d = ρ F R P f F R P 2
    (1)

    f 1 = 2 f y t y d = ρ s t y 2
    (2)

    여기서 f1은 구속압, fy, ts는 강재의 항복강도 및 두께, fFRP , tFRP는 FRP의 인장강도 및 두께, ρs , ρFRP 는 기둥을 감싼 강관과 FRP의 체적비, d는 강관 내 부에 구속된 콘크리트의 직경이다.

    2.2 구속유효계수

    내부 충전된 콘크리트의 구속정도에 따라 콘크리트 의 강도 향상을 예측할 수 있고 이를 위해 정량화된 압축강도 예측식이 필요하다. 강관 혹은 FRP로 구속 된 내부충전콘크리트에 대한 압축강도 예측을 위해 구속유효계수(confinement effectiveness coefficient)의 개념이 도입되었다(Richart 1928;Lam 2002 등).

    Richart (1928)는 강재로 구속된 콘크리트에 대한 압축실험을 통해 구속효과로 인한 내부충전콘크리트 의 압축강도상승을 확인하였고, 구속된 콘크리트의 압축강도를 정량화하기 위해 구속유효계수의 개념을 도입하였다. 구속된 콘크리트의 압축강도와 구속되 지 않은 콘크리트의 압축강도의 비율을 ‘구속의 효 율성’으로 정의하였다. 구속된 콘크리트의 강도평가 를 위한 모델들은 식 (3)의 형태를 따르고 있다.

    f c c f c o = 1 + k 1 f l f c o
    (3)

    • fcc : 구속된 콘크리트의 압축강도

    • fco : 비구속된 콘크리트의 압축강도

    • fl : 횡방향 구속력[식 (1, 2) 참고]

    • kl : 구속유효계수

    횡방향 구속력 fl은 식 (5)에 의해 산정이 되며, 강재로 구속된 콘크리트의 구속유효계수 값은 4.1로 제시하고 있다.

    강관으로 구속된 콘크리트의 구속유효계수에 대 한 대표적 연구는 Lam (2002)에 의해 진행되었다. 강 도모델을 비교하기 위하여 기존의 FRP로 구속된 콘 크리트의 압축강도 데이터 199개의 실험결과를 3가 지로 분류하였다. 첫 번째 분류로 Set 1은 flat coupon 에 의한 인장강도 실험을 한 경우, Set 2는 ring 시험 체를 통한 splitting test를 한 경우, Set 3은 제조사에 서 제공한 FRP의 인장강도를 바탕으로 한 시험체 군으로 분류하였다. Lam은 구속량(fl)에 따른 구속된 콘크리트의 압축강도(fcc)와 비구속된 콘크리트의 압 축강도(fco)의 강도상승비율을 산정한 후 선형회귀분 석을 통해서 직선의 기울기를 산정하였으며 직선의 기울기 값을 구속유효계수(k1)으로 정의하였다. 실험 데이터를 바탕으로 구속유효계수 2.0을 제안하였다.

    2.3 기둥의 압축내력식

    ACI Committee 440는 FRP로 구속된 콘크리트 응력- 변형률 관계에 대하여 Mander (1988)의 제안식을 수 정하여 사용하고 있다. FRP로 보강된 CFT 기둥은 강 관과 FRP로 동시에 구속되어 있으므로 구속효과로 인한 횡방향 구속력 (fl)은 식 (4)로 정의되고 있다.

    f 1 = 2 f F R P t F R P + 2 f s t s d = ρ F R P f F R P + ρ s f s 2
    (4)

    • fFRP : 축하중으로 인한 횡방향 팽창으로 발생 하는 FRP 인장강도

    • fs : 축하중으로 인한 횡방향 팽창으로 발생 하는 강관 인장강도

    • tFRP : FRP 두께

    • ts : 강관 두께

    • ρFRP : 기둥을 완전히 감싼 경우 FRP 체적 비

    • ρs : 기둥을 완전히 감싼 경우 강관 체적 비

    • d : 내부충전콘크리트 직경

    구속효과를 고려한 콘크리트 압축강도식을 바탕 으로 FRP 보강된 원형 CFT 기둥의 압축강도설계식 이 식 (5)과 같이 제안되었다.

    P o = f c c A c + f y A s
    (5)

    • fcc : 식 (4)를 이용한 FRP와 원형강관으로 구 속된 콘크리트 압축강도

    • fy : 강관의 항복강도

    • Ac : 기둥부재의 콘크리트 단면적

    • fy : 기둥부재의 강관 단면적

    식 (5)를 이용하여 FRP 보강 후의 내력을 산정정 하고 실험을 통한 최대 내력과 비교하여 보강효과를 비교 평가하고자 한다.

    2.4 에너지 소산(Energy Dissipation)

    연성은 구조물이 파괴에 이르기까지 에너지를 흡수 는 능력이다. 에너지 소산능력을 평가하기 위하여 누적 소산 에너지를 분석하였으며, 구조물이 파괴 전까지 소산되는 에너지는 Fig. 2와 같이 하중-변위 곡선의 내부 면적으로 구할 수 있다.

    3. AFRP, SRF를 활용한 판폭두께 비가 다양한 원형 CFT 기둥의 보강성능 실험

    3.1 실험계획

    실험체는 직경 220㎜, 두께 2.3㎜, 3.2㎜, 4.5㎜, 길이 600㎜ 원형강관에 콘크리트를 채워 제작하였고 FRP 쉬트는 AFRP와 폴리에스테르 소재의 SRF을 원형 CFT 기둥 외부에 감아 보강하였다. 실험체 리스트는 Table 1과 같다. 보강효과가 극대화될 것이라 예상되 는 강관 두께 2.3㎜로 제작된 실험체 7개, 조밀과 비 조밀 단면의 원형 CFT 기둥 각각 4개를 제작하여 AFRP와 SRF의 보강효과를 평가하고자 한다. 이때 가력방법은 실제 구조물에 작용하는 활하중의 유무 에 따른 반복하중의 효과를 적용하고자 중심반복가 력 방법을 채택하였다.

    3.2 소재별 재료적 특성

    강관은 SM275를 사용하였고, 강재의 인장강도시험은 KS B 0802 시험법에 의해 수행되었다. 실험결과는 Table 2와 같다.

    설계강도 50MPa 콘크리트에 대해 KS F 2404규정 에 의한 28일 압축강도 시험결과는 Table 3과 같다.

    실험체 보강에 사용된 AFRP와 폴리에스테르 소 재의 SRF의 재료적 특성은 Table 4, 5와 같다.

    3.3 가력방법

    실험체는 5,000kN 시험기(UTM)에서 수행했으며 가 력방법은 중심반복가력방식으로 가력속도는 분당 5 ㎜로 하였다. Fig. 3과 같이 초기에는 3㎜ 변위까지 가력 후 다시 초기점으로 이동 후 다시 3㎜까지 가 력하는 방식으로 최대가력범위 81㎜까지 가력범위별 로 각각 3회씩 실시했다. 가력 중 압축강도가 예상 내력의 50% 이하가 될 경우는 반복가력을 정지하고 파괴 시까지 단조가력을 실시했다.

    3.4 실험체의 예상내력

    설계식 (3)과 (5)를 이용하여 총 15개의 실험체에 대 한 FRP 보강된 원형 CFT 기둥의 압축내력을 Table 1과 같이 산정하였다. k1값은 Lam (2002)이 제안한 2.00을 적용하였다.

    4. 실험결과

    4.1 하중-변위 관계

    실험체별 파괴형상은 Fig. 4에 나타냈다. 실험체는 모두 최대내력에 도달한 이후 강재에 좌굴이 발생하 였다. 강관에 좌굴 발생 이후 AFRP는 큰 소리를 내 며 바로 찢어지는 것을 확인했다. 반면에 SRF 공법 은 좌굴발생 지점에서 FRP겹 사이로 폴리에스테르 가 새어나오는 현상이 확인되었고 FRP 파괴까지는 평균 2사이클의 시간이 소요되었다. 강재에 좌굴이 추가로 발생되며 접합부위 용접면이 갈라지면서 콘 크리트가 쏟아지며 실험이 중단되었다.

    4.2 실험체 파괴모드

    실험체는 모두 최대내력에 도달한 이후 강재에 좌굴 이 발생하였다. 대부분 4사이클(가력 변위량 7㎜)에 서 좌굴 발생 최대 내력이 발생되었다. 실험체별 파 괴 형상은 Fig. 5에 나타냈다. 대부분의 실험체는 내 부 강재의 국부좌굴에 의해 수평방향의 변위가 발생 하면서 FRP의 찢어짐 또는 접합부위의 탈락에 파괴 되었다.

    4.3 AFRP, SRP 보강에 의한 CFT 기둥의 내력 상승효과

    Table 6은 무보강 실험체와 보강실험체의 내력을 비 율로 나타낸 표이다. 대부분의 실험체에서 내력이 증가된 것을 확인하였다. 그중 판폭두께 비가 가장 큰 D/t가 95.65인 실험체들에서 무보강과 비교하였을 경우 내력증가비율이 1.03~1.16으로 보강효과가 다소 큰 것으로 확인되었다.

    4.4 하중-변형률 곡선

    Fig. 6은 스트레인 게이지의 부착과 LVDT의 설치위 치를 도식화한 그림이다. 또한 Fig. 7은 실험체 중 C90Sb 실험체의 하중-변형률 곡선을 정리한 그래프 로 Hoop 방향과 축방향 모두 FRP보다 강관에 변형 이 크게 생긴 것을 확인하였다. 이를 통해 축하중에 대해 FRP보다 강관에 더 큰 응력이 발생한다는 것 을 확인하였다.

    4.5 AFRP, SRF 보강된 CFT 기둥의 변형성능 효과

    하중-변위 곡선으로부터 산출된 누적소산에너지의 증 가 비율을 Table 7에 나타내었다. D/t가 95.65인 실험 체는 무보강 대비 보강실험체의 누적소산에너지 증 가비율이 3.57~6.5로 확인되었고, D/t가 48.89인 실험 체의 증가비율은 1.3~2.45, D/t가 68.75인 실험체의 증 가비율은 0.67~1.01로 확인되었다. 판폭두께 비가 가 장 큰 D/t (95.65)의 실험체에서 변형성능의 효과가 가장 크게 나타난 것을 확인하였다.

    4.6 최대내력과 예상내력의 비교

    각 실험체별 예상내력과 실험최대내력을 비교하여 Table 8에 나타내었다. 예상내력은 재료의 공칭강도를 통한 Pnominal과 재료 실험을 통한 Pmaterial에 대하여 각각 산 정하여 비교 평가하였다. D/t (95.65)에서는 Pu/Pmaterial가 0.63~0.77, D/t (68.75)에서는 0.69~0.77, D/t (48.89)에서는 0.70~0.76으로 나타났다. 대부분의 실험체가 예상내력에 도달하지 못하고 파괴되었다. 따라서 k1=2.0 통해 계산 한 예상내력은 본 연구에 적용한 아라미드 FRP, 폴리에 스테르 소재의 SRF에는 적용할 수 없다 판단된다.

    5. 분석 및 고찰

    5.1 보강 소재별 CFT 기둥의 내력 상승 효과

    Fig. 8은 FRP 종류별 보강실험체의 무보강 실험체 대비 내력증가비율을 나타낸 그래프이다. AFRP로 보강된 실험체의 경우 무보강 실험체와 비교하여 3~16% 내력이 증가된 것을 확인하였다. SRF의 경우 무보강 실험체와 비교하여 -12~4% 내력이 증감된 것을 확인하였다. 일반적으로 CFRP (carbon fiber reinforced palstic)을 CFT에 보강하였을 경우 Fig. 9와 같이 본 연구의 실험결과보다 내력이 더 크게 상승한다. 본 연구에 사용한 FRP가 작은 내력 상승을 나타내는 이유는 AFRP와 SRF의 폴리에스테르 소재가 가지는 작은 탄성계수로 인해 내력에 관여를 못 하기 때문 이라고 판단된다.

    5.2 AFRP와 SRF 두께와 겹수, Strip 유무에 따른 내력

    Table 9은 FRP 두께에 따라 CFT 기둥의 내력 변화 를 나타낸 표이다. AFRP와 SRF 모두 보강두께를 변 화시켜도 내력 상승비율은 4% 이내로 내력 상승에 는 영향을 미치지 않는 것으로 확인하였다. Table 10 은 AFRP 보강겹수에 따라 CFT 기둥의 내력 변화를 나타낸 표이다. 겹수가 증가하여도 내력 변화는 1.1%로 확인되어 두께와 마찬가지로 내력 상승에는 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. Table 11은 Strip 유무에 따라 CFT 기둥의 내력 변화를 나타낸 표이다. 축 방향으로 Strip을 추가 보강한 실험체는 내력증가율이 약 11%로 가장 큰 보강효과를 발휘하 였다.

    5.3 FRP 종류별 변형성능

    FRP 종류에 따른 누적소산에너지의 증가 비율을 Fig. 10에 나타내었다. AFRP와 SRF 모두 판폭두께 비가 가장 큰 D/t=95.65의 실험체들이 변형성능에 가 장 효과적인 것으로 나타났다. AFRP 보강의 경우 57~509% 증가한 반면, SRP 보강의 경우 571~650% 증가하여 보강효과가 큰 것으로 나타났다.

    6. 결 론

    압축반복하중을 받는 FRP 보강 원형CFT 기둥의 실험적 성능평가를 통해 다음의 결론을 도출하였다.

    • 1) 무보강 실험체 대비 AFRP 보강 실험체는 3~ 16%, SRF 보강 실험체의 경우 내력증가는 거 의 없었다. 기존 연구의 CFRP (탄소섬유) 보강 원형 CFT 기둥 실험체의 경우 평균 20~64% 증가되는데 이와 비교하였을 때 낮은 내력증 가비율을 나타내는 이유는 AFRP와 SRF 소재 의 폴리에스테르가 CFRP보다 낮은 탄성계수 를 가지기 때문이라 판단된다.

    • 2) AFRP와 SRF 모두 보강두께나 보강겹수를 증 가시켜도 내력증가가 5% 이하로 보강효과가 크지 않는 것으로 나타났다. 축방향으로 strip 을 추가 보강한 경우 strip을 무보강 실험체 대 비 11% 내력이 증가하여 큰 보강효과를 확인 하였다. Strip 보강이 실험체의 내력을 향상시 키는 데 효과적임을 확인하였다.

    • 3) AFRP와 SRF 보강한 원형 CFT 기둥의 경우, 판폭두께 비가 클수록 보강효과가 크게 나타냈 다. 실험체 D/t=(95.65)에서 AFRP의 경우 357~ 509% 증가하였지만 SRF의 경우 571~650% 증 가하였다. AFRP와 SRF 두 종류 모두 CFT 기 둥의 변형성능을 충분히 증진시킨 것으로 판 단된다.

    감사의 글

    본 논문은 국토교통기술촉진연구사업(18CTAPC142864- 01) 지원에 의해 작성되었습니다.

    Figure

    KOSACS-10-2-1_F1.gif
    Confinement Effect of Ssteel Tube
    KOSACS-10-2-1_F2.gif
    Definition of Energy Dissipation
    KOSACS-10-2-1_F3.gif
    Cyclic Loading Displacement-Time Graph
    KOSACS-10-2-1_F4.gif
    Load-Displacement Graph
    KOSACS-10-2-1_F5.gif
    Failure Mode of Specimens
    KOSACS-10-2-1_F6.gif
    Test Setup: Schematic View
    KOSACS-10-2-1_F7.gif
    Load-Strain Graph
    KOSACS-10-2-1_F8.gif
    Comparison of Strength Increase Ratio between Reinforcement and Unreinforcement
    KOSACS-10-2-1_F9.gif
    Comparison of Strength Increase Ratio between CFRP Reinforcement and Unreinforcement
    KOSACS-10-2-1_F10.gif
    Comparison of Energy Dissipation Increase Ratio between Reinforcement and Unreinforcement

    Table

    Specimen Lists
    Material Properties of Steel
    Material Properties of Concrete
    Material Properties of Aramid Sheet
    Material Properties of SRF Polyester Belt
    Strengthen Effect of FRP Reinforcement
    Energy Dissipation Increase Ratio between Reinforcement and Unreinforcement
    Maximum Strength Analysis
    Effect of FRP Reinforcement According to FRP Thickness
    Effect of FRP Reinforcement According to FRP Layer
    Effect of FRP Reinforcement According to Strip

    Reference

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