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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.2 pp.46-52
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.2.046

Seismic Performance Evaluation of Ductile Iron Water Pipe with EZ-LOK Joint

Bubgyu Jeon1, Jaebong Kim1, Dawoon Yun2, Seongwoo Ahn3
1Research Professor, Seismic Research and Test Center, Pusan National University, Yangsan, Korea
2Associate Researcher, Seismic Research and Test Center, Pusan National University, Yangsan, Korea
3Senior Researcher, Machinery Testing Center, Korea Testing Certification, Gunpo, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Jaebong Seismic Research and Test Center, Pusan National University, Busandaehak-ro 49, Mulgeum, Yangsan, Kyungnam, Korea. Tel: +82-51-510-8185, Fax: +82-51-510-8180 E-mail: kjb@pusan.ac.kr
March 3, 2020 March 13, 2020 March 13, 2020

Abstract


Several ruptures and leaks of water pipes were reported in the Kyongju and Pohang earthquakes. Therefore, securing the seismic safety of water pipe facilities is critical for continuous and stable water supply. Water pipes are usually buried under the road or a fill-up ground. Therefore, the deformation by seismic waves, permanent deformation of the ground, and soil liquefaction cause the bending deformation of the water pipes. Excessive bending deformation can cause damage and leaks to the pipe joints. Therefore, the allowable deformation angle of the water pipe joints should be calculated to accurately assess the seismic safety of the water pipes for the deformation of the ground caused by the earthquake. The water pipe systems used various types of water pipes depending on the site and installation conditions. Cast iron water pipes have been in use for long, and improved products are commonly used. This study evaluated cast iron water pipes with EZ-LOK joints manufactured by Korea Iron and Steel Co., Ltd. using a four-point bending test method, and evaluated the seismic safety of buried cast iron water pipes referring to evaluation results and seismic design criteria.



EZ-LOK 조인트가 적용된 주철 매립 상수도관의 지진 안전성 평가

전 법규1, 김 재봉1, 윤 다운2, 안 성우3
1부산대학교 지진방재연구센터 연구교수
2부산대학교 지진방재연구센터 전임연구원
3한국기계전기전자시험연구원 책임연구원

초록


경주지진과 포항지진으로 수도관 파열과 상수도관 누수가 보고되었다. 따라서 상수도 시설의 지진안전성 확보는 지 속적이고 안정적인 물공급을 위하여 중요한 이슈이다. 상수도관은 주로 도로 하부나 일반 성토지반에 매설되어있기 때문에 지 진파에 의한 변형뿐만 아니라, 지반의 영구변형, 사면의 불안정성 및 지반 액상화 등에 의한 배관의 굽힘 변형이 발생하게 된 다. 이러한 배관의 굽힘 변형이 과도하게 발생 되면 배관 이음부 변위허용량을 초과하여 손상 및 누수로 이어지게 된다. 따라 서, 상수도관 이음부의 허용 변형각이 산출되어야 지진으로 인한 지반의 변형에 대하여 상수도관의 지진안전성을 정확하게 평 가할 수 있다. 상수도 시스템은 현장 상황과 설치 여건에 따라 다양한 종류의 상수도관을 이용하고 있다. 그중 주철 상수도관은 오랜 기간 사용되고 개선되어 일반적으로 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 한국주철관공업(주)에서 제작한 EZ-LOK 조인트가 적용된 주철 상수도관에 대하여 4점 굽힘시험을 수행하였으며, 매설된 주철 상수도관의 내진 및 내침하 설계기준인을 참조하여 지진안전성을 평가하였다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    20CTAP-B132921-04

    1. 서 론

    세계적으로 규모 5.0 이상의 지진은 1935년부터 2018년까지 꾸준히 증가 추세를 보이고 있으며 (Discovering Future World Events Through Scripture), 지진으로 인한 인적 피해와 경제적 피해가 점점 심 각해지고 있다. 국내에서도 2016년에 규모 5.8의 경 주지진과 2017년에 규모 5.4의 포항지진이 발생하였 으며, 각각 71건의 수도관 파열과 45건의 상수도관 누수가 보고되었다(JoongAng Ilbo, 2017;Ministry of Public Safety and Security, 2019). 따라서 상수도 시설 의 지진안전성 확보는 지속적이고 안정적인 물공급 을 위하여 중요한 이슈이다. 상수도관은 주로 도로 하부나 일반 성토지반에 매설되어있기 때문에 지진 파에 의한 변형뿐만 아니라, 지반의 영구변형, 사면 의 불안정성 및 지반 액상화 등에 의한 배관의 굽힘 변형이 발생하게 된다. 이러한 배관의 굽힘 변형이 과도하게 발생 되면 배관 이음부 변위허용량을 초과 하여 손상 및 누수로 이어지게 된다. 따라서, 상수도 관 이음부의 허용 변형각이 산출되어야 지진으로 인 한 지반의 변형에 대하여 상수도관의 지진안전성을 정확하게 평가할 수 있다.

    상수도 시스템은 현장 상황과 설치 여건에 따라 다양한 종류의 상수도관을 이용하고 있다. 상수도 배관은 재료에 따라 크게 주철관과 PVC관으로 구분 할 수 있다. 주철 상수도관은 오랜 기간 사용되고 개선되어 일반적으로 널리 사용되고 있다. 그러나 고베지진으로 매립 주철 상수도관의 이음부에서 손 상이 집중되어 누수가 발생하였다(Donald, 2013). 이 에 따라 미국과 일본의 주철 상수도관 제조사들은 끼워넣기 이음방식(bell-and-spigot joint)으로 유연하 게 작동하는 이탈방지 조인트를 개발하였으며, 시험 적인 방법으로 성능 평가를 수행하기 시작하였다 (Cornell University, 2009;Oda et al., 2017;Nobuhiro et al., 2017;Pariya-Ekkasut et al., 2017;Berger et al., 2018). 우리나라의 한국주철관공업(주) 또한 유사한 형식의 EZ-LOK 조인트를 개발하여 주철 상수도관 이음부의 변위순응력 향상을 시도하였으며, 유압식 시험기를 이용한 실증시험으로 EZ-LOK 조인트가 적 용된 배관의 지진안전성을 평가하였으나, 동적 지진 변위의 가력에 의한 성능 검증을 목적으로 하여 내 진설계기준과 연계가 어려웠다. 최근 국민안전처에 서 공고한 내진설계기준 공통적용사항(Ministry of the Interior and Safety, 2017)에 기반하여 상하수도 시설물의 내진설계기준 개선을 위한 연구가 수행 되었으나 매립 상수도관의 지진안전성 평가를 위 한 시험방법은 제시되지 않았다(Korea Water and Wastewater Association, 2017). 그러므로 본 연구에서 는 한국주철관공업(주)에서 제작한 EZ-LOK 조인트 가 적용된 주철 상수도관에 대하여 4점 굽힘시험을 수행하였으며, 매설된 주철 상수도관의 내진 및 내 침하 설계기준인 ISO 16134를 참조하여 지진안전성 을 평가하였다(ISO 16134, 2006).

    2. 지진에 의한 매립 배관의 피해

    지진에 의한 매립 상수도관의 손상은 지진에 의한 액 상화 및 구조물의 변형, 지반의 영구변형, 부등 침하 로 인해 발생하는 과도변위에 의한 것이다. 현재까지 확인된 바에 의하면 지진에 의한 매립 배관의 파손은 지반 변동, 부등 침하, 액상화 및 구조물의 변형에 의 한 이차적인 피해 등으로 정리될 수 있다. 주철 매립 상수도관의 경우, 주로 이음에서 손상이 발생하는 것 으로 보고되고 있다(Donald, 2013). 그리고 지하에서 지상 구조물로 연결되는 요소에서 구조물과 지반 거 동의 위상차에 의한 상대변위의 영향으로 파손되기도 한다. 1989년 발생한 Loma Prieta 지진은 주철 상수도 관에 심각한 손상을 초래하였으며, Northridge 지진의 경우에도 상수도관에서 손상이 보고되었다. 일본의 Kobe 지진 당시 상수도관의 피팅과 이음부에서 피해 가 집중되었으며, 1,600여개 소에서 누수가 발생하여 급수가 중단되고 화재진압에 큰 어려움이 발생하였 다. 2011년 동일본 대지진으로 보고된 매립 배관의 피해는 주로 구조물의 변형 및 파손, 지반의 액상화, 지반파괴 등의 변위지배적인 거동에 의한 것으로 관 경이 작은 배관에서 집중되는 경향이 나타났다 (Miyazima, 2015). Table 1은 대표적인 국외 매립 배 관의 피해사례를 정리한 것이다(Park et al., 2006).

    3. EZ-LOK 조인트가 적용된 주철 매립 상수도관

    본 연구에서는 주철(구상흑연주철, GCD 450) 상수도 관의 지반순응력을 확보하기 위하여 개발된 EZLOK 조인트의 지진안전성을 평가하였다. 한국주철 관공업(주)에서 개발한 EZ-LOK 조인트는 Fig. 1과 같이 벨(Bell)과 스피곳(Spigot)으로 구성되어 끼워넣 기 방식으로 결합하는 관 이음부이다. 배관 삽입부 에 용접된 링(Spigot ring)과 고정편의 걸림에 의하여 이탈을 방지하는 구조로서 외부의 충격이나 지진 및 부등 침하 등의 지반변형에 효율적으로 대처하는 것 을 목적으로 개발되었다. 본 연구에서는 문헌조사의 결과를 바탕으로 하여, 상용 중인 주철 상수도관 중, 비교적 외경의 크기가 작은 주철 상수도관(한국주철 관, DN 200 규격)을 대상으로 하였다. Table 2는 시 험체의 상세정보이다.

    4. 주철 매립 상수도관의 4점 굽힘 시험

    4.1 시험의 구성 및 방법

    본 연구에서는 상수도관의 지진 안전성 한계상태를 누수로 가정하였으며, EZ-LOK 조인트로 연결된 주 철 상수도관의 변형능력을 평가하기 위하여 4점 굽 힘 시험을 수행하였다. 시험체는 Fig. 2와 같이 UTM(Universal Testing Machine)에 설치하였다. UTM 은 대형 구조시험을 위하여 하부에 강재 정반을 확보하고 있으며 최대용량은 1,000kN, 최대변위는 300mm이다. 시험체 내부에 물을 채우고 600kPa 내 부수압을 가압한 후, 동적 영향을 배제하기 위하여 1mm/sec 이하의 속도로 누수가 발생할 때까지 단방 향 변위제어로 시험을 수행하였다. Fig. 3은 4점 굽 힘 시험의 개념도이다. 이 시험은 국제공인 시험기 관인 부산대학교 지진방재연구센터에서 수행하여 시 험 장비 또는 측정 등으로 인한 불확실성을 최소화 하여 시험 결과의 신뢰성을 확보하였다.

    4점 굽힘 시험을 수행하기 위하여 시험체의 이 음부인 EZ-LOK 조인트 중앙을 기준으로 좌우로 2,500mm 떨어진 위치에 지지점을 형성하였다. 또한, 중앙에서 시험체의 엔드캡을 제외한 전체 시험대상 품 길이의 각각 1/3 위치인 두 지점에서 수직방향으 로 가력하는 하중 작용점이 되도록 설계하였으며, 유연한 EZ-LOK 조인트로 인해 발생할 수 있는 자중 으로 인한 시험체의 처짐을 방지하기 위하여 체인블 록을 이용하여 배관의 수평을 유지하였다. 체인블록 은 하중 작용점과 충분한 거리를 두어 변위 제어에 의한 하중재하 시험결과에 영향을 미치는 변수가 발 생하지 않도록 조정되었다. 모든 지점은 회전 및 축 방향 이동이 가능하도록 구성하였으며, 강재 가이드 를 설치하여 시험 중 시험체가 위치를 이탈하지 않 도록 구성하였다. 작용 변위는 UTM에 내장된 변위 계를 이용하여 계측하였으며, 변형률은 8개의 변형 률계(Stain Gauge)를 이용하여 시험체의 축방향 변형 률을 계측하였다. 시험체의 정확한 수직방향 변위거 동을 계측하고자 검교정된 4개의 와이어변위계를 이 용하였다. Fig. 4는 변형률계와 변위계의 설치 위치 이다.

    4.2 시험 결과

    Fig. 5는 누수 발생 시의 시험체 사진으로서 변형각 을 표현하였으며, Fig. 6은 누수 발생 시 손상이 발 생한 EZ-LOK 조인트의 형상이고 Fig. 7은 UTM의 Actuator에서 계측된 하중 및 변위 응답이다. 누수는 누수가 발생하기 시작하는 first leakage와 이음부 의 손상에 의해 본격적인 누수가 발생하는 normal leakage로 구분하였다. 시험은 변위 제어에 의해 변 형각을 유발하였으며, 130mm 가력 후 시험체의 건 전성을 확인하기 위하여 육안점검을 수행하였다. 육 안점검 후 시험체의 이상이 없음을 확인하고 이음의 손상에 의한 본격적인 누수가 발생할 때까지 시험을 계속 진행하였다.

    Fig. 8은 각 위치의 변형률 응답으로써, 시험체 상부의 대칭되는 위치의 변형률 응답이 서로 유사한 것으로 확인되었다. 시험체 하부 대칭 위치의 변형 률 응답의 경우, 이음부에서 거리가 먼 대칭 위치인 SG2와 SG8의 변형률 응답은 서로 유사하나, 이음부 와 가까운 대칭 위치인 SG4와 SG6의 변형률 응답은 차이가 있다. 이는 EZ-LOK 조인트 이음부 형상의 영향으로, 스피곳 이음부는 관 몸통에 변형이 발생 하였으나 벨 이음부는 벨의 하부에 변형이 집중된 결과로 판단된다. Fig. 9는 각 위치의 변위계에서 계 측된 변위응답이며, 붉은색 선은 하중분산용 지그에 서 시험체의 중심을 계측한 LVDT 1과 하중분산용 지그의 가력변위를 계측한 LVDT 2의 값을 더하여, 시험체 중앙부 즉, 이음부의 처짐을 계산한 값이다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이 시험체 누수점의 변형각 을 식 (1)에 따라 계산하였으며 first leakage와 normal leakage에서의 변형각은 각각 15.4°와 16.1°이다. 여기 서, 식 (1)의 δleakage는 first leakage와 normal leakage에 대한 이음부 중심의 처짐량으로서 각각 337.4mm, 354.16mm이며, l은 시험체 중앙부에서 지점까지의 길이로 2500mm이다.

    θ = 2 × tan 1 ( δ l e a k a g e / l )
    (1)

    5. EZ-LOK 조인트가 적용된 주철 상수도관의 지진안전성 평가

    5.1 내진 성능의 분류

    Table 3은 주철관의 내진 및 내침하 설계를 위해 제 시된 국제기준인 ISO 16134의 성능 기준이다. ISO 16134에 따라 EZ-LOK 조인트가 적용된 주철 매립 상수관인 시험체의 단방향 변형각은 M-2 등급에 해 당한다.

    5.2 지진안전성 평가

    본 연구에서는 Fig. 10과 같이 기반암 위 20m의 홍 적점토로 구성된 지반에 1.2m 깊이로 EZ-LOK 조인 트가 적용된 주철 상수도관이 매립된 것으로 가정하 고 ISO 16134에 따라 지진안전성을 평가하였다.

    본 연구에서는 국내 실정을 고려하여 내진설계기 준 공통적용사항을 참고하였으며, 지진구역은 I, 재 현주기는 2,400년, 지반종류는 S3의 얕고 연약한 지 반으로 가정하고, Fig. 11의 수평설계지반운동의 가 속도 표준설계응답스펙트럼을 작성하였다. Fig. 11에 서 시간이력의 최대 가속도값을 의미하는 영주기 가 속도(Zero Period Acceleration)는 0.32g이다. 영주기 가속도 값을 ISO 16134의 계산에서 필요한 지표설계 가속도로 정의하고 식 (2)와 식 (3)을 이용하여 지반 의 수평 변위 진폭 Uh(x)을 계산하였다. 수평변위 진폭은 0.0189m이다. 여기서, 식 (2)의 TG는 지하층 의 우세 주기이고 식 (3)의 a는 지표설계가속도이다. H 는 토층의 두께, x는 지표면으로부터 관 중심까지 의 깊이(h+D/2)로서 각각 20m와 1.311m이다.

    T G = 4 × ( H i / V s i )
    (2)

    U h ( x ) = ( T G 2 π ) 2 × a × cos π x 2 H
    (3)

    내진설계기준 공통적용사항의 S3 지반 지표층의 평균 전단 탄성파 속도는 260m/s 미만이다. ISO 16134에 의해 계산된 평균 전단 탄성파 속도는 163.56m/s이다. 따라서 본 논문에서는 163.56m/s를 평 균 전단 탄성파 속도로 사용하였다. 여기서 식 (4)의 VDS는 지표층의 평균 전단 탄성파 속도이며 Hii 번째 층의 두께, Vsii번째 층의 평균 전단 탄성파 속도이다. 식 (5)는 기반암 위 20m의 지표면에서 12m 깊이까지의 첫 번째 토층(Vs1)에 대한 평균 전 단 탄성파 속도를 계산한 것이며, 식 (6)은 12m에서 20m까지 깊이 두 번째 토층(Vs2)의 평균 전단 탄성 파 속도를 계산한 것이다. 식 (7)은 기반암에서의 평 균 전단 탄성파 속도를 계산한 것이며, 식 (5), (6), (7)에서 N값은 JIS A-1219, ASTM D-1586 및 BS 1377 등에 규정된 표준 관입 시험에 따라 적용하여 야 하나, 본 연구에서는 특정된 지역이 존재하지 않 으므로 각각 3, 5, 50으로 가정하였다. 파장(L)은 식 (8), (9), (10)을 이용하여 계산할 수 있으며, 관 축 방 향의 지반 응력(εG)은 식 (11)로 부터 계산할 수 있다. 관 이음부의 축방향 팽창량/수축량(u)과 이음부의 변 형각(θ)은 각각 식 (12), (13)에 의해 계산할 수 있다.

    V D S = H i / ( H i / V s i )
    (4)

    V s 1 = 61.8 × N 0.211 = 77.92 m / s , ( N = 3 )
    (5)

    V s 2 = 61.8 × N 0.211 = 86.79 m / s , ( N = 5 )
    (6)

    V B S = 172 × N 0.211 = 351.92 m / s , ( N = 50 )
    (7)

    L 1 = V D S × T G
    (8)

    L 2 = V B S × T G
    (9)

    L = 2 L 1 × L 2 L 1 + L 2
    (10)

    ε G = π × U h ( X ) L
    (11)

    u = ± ε G × l
    (12)

    θ = ± 4 × π 2 × l × U h ( X ) L 2
    (13)

    Table 4는 식 (12)로부터 계산된 이음부의 수축량 /팽창량과 EZ-LOK 조인트 DN 200의 규격을 함께 나타내었으며 Table 5는 4점 굽힘 시험으로부터 계 산된 변형각과 식 (13)으로부터 계산된 변형각을 함 께 나타내었다. 식 (12), (13)에서 l은 이음부 사이의 길이로 관 길이와 동일하다.

    5.3 지반변형에 대한 안전성 평가

    ISO 16134에 따라 Fig. 12와 같이 지진에 의하여 야 기된 지반 변형에 대한 배관의 총 팽창량/수축량과 관 직각 방향의 최대변위량을 계산하였다. EZ- LOK 조인트 주철 매립 상수도관의 이음부 개수를 12개 (설치 길이= 78m)로 가정하여 식 (14)와 식 (15)에 따라 계산하였다. 여기서 Ei는 이음부의 총 팽창량/ 수축량이고, β는 이음부의 유동거리/관길이 이며, n 은 이음부 개수, l은 관 길이이다. θ는 이음부의 최 대 변형각을 나타낸다. 이음부 총 팽창량/수축량(Ei) 과 연직 방향 최대처짐량 (Hmax)는 Table 6과 같다. 본 연구에서는 양방향 변형이 발생할 수 있는 것으 로 가정하여 0.5의 안전률을 고려하였다. Table 6과 같이, 12개의 EZ-LOK 조인트 이음부를 가지는 길이 78m의 주철 매립 상수도관은 0.336m의 길이 방향 변위와 7.49m 이상의 관 직각 방향 변위에 대응 가 능함을 확인하였다.

    E i = β × n × l 100
    (14)

    H max = l × ( 2 tan θ + 2 tan2 θ + tan3 θ )
    (15)

    6. 요약 및 결론

    지진에 의한 매립 상수도관의 파손은 액상화, 단층 및 지하구조물의 이동 등에 의해 야기되는 길이 방 향 또는 길이 직각방향의 상대변위에 의해 발생한 다. 이때, 매립 상수도관의 주된 파손은 배관 이음부 에 집중되며 특히 비교적 외경이 작은 배관이 위험 한 것으로 조사되었다. 따라서 본 연구에서는 한국주 철관공업(주)에서 개발한 이탈방지 조인트인 EZ-LOK 조인트에 의해 접합된 길이 6m, 외경 222mm의 소구 경 주철 상수도관을 대상으로, 지반변형에 대응하는 변위 순응력을 점검하기 위하여 4점 굽힘시험을 수 행하였으며, ISO 16134 규격을 참조하여 지진안전성 을 평가하였다.

    본 연구에서는 4점 굽힘시험의 결과를 바탕으로 국내외 내진설계기준에 기반하여 EZ-LOK 조인트가 적용된 매립 주철 상수도관의 지진안전성을 평가하 였다. 그 결과 재현주기 2400년, 지진구역 I, S3 지반 조건에서 안전한 것으로 평가되었으며, 액상화 및 단층 등의 지반파괴로 발생하는 상대변위에 대하여 각 이음부에서 28mm의 길이방향 변형과 15.4°이상의 횡방향 변형에 대응할 수 있을 것으로 분석하였다. 단, 이 연구에서는 지반조사가 필요한 연약지반의 경우는 고려하지 않았다. 본 연구의 결과는 매립 주 철 상수도관의 지진안전성 분석을 위하여 지반 액상 화 및 지반-배관 상호작용을 고려한 해석적 연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비지원(과제번호 20CTAP-B132921-04)에 의해 수 행되었습니다. 시험 시료를 제공해주신 한국주철관 공업(주)에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-11-2-46_F1.gif
    EZ-LOK Joint Structure and Characteristic
    KOSACS-11-2-46_F2.gif
    Test Specimen on the UTM
    KOSACS-11-2-46_F3.gif
    Conceptual Diagram of 4 Point Bending Test
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    Sensor Location
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    Joint Deflection Angle of Leakage Points
    KOSACS-11-2-46_F6.gif
    Photo of Failure by Leakage
    KOSACS-11-2-46_F7.gif
    Load-Displacement Relationship
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    Strain Responses
    KOSACS-11-2-46_F9.gif
    Displacement Responses by Wire Type Displacement Meter
    KOSACS-11-2-46_F10.gif
    Soil Model and Buried Conditions for Ductile Iron Water Pipes
    KOSACS-11-2-46_F11.gif
    Standard Design Spectrum for Horizontal Direction (Zone=I, Recurrence Period=2400, Soil Type=S3)
    KOSACS-11-2-46_F12.gif
    Total Expansion/Shrinkage and Maximum Vertical Displacement of EZ-LOK Joint according to ISO 16134

    Table

    Examples of Buried Pipe Damage by Earthquakes
    Test Specimen Specification(DN 200 Manufactured by K orea C ast Iron P ipe ind. C o., Ltd)
    Seismic Performance Classification for Ductile Iron Pipes (ISO 16134)
    Comparison of Seismic Design and Design Specification of Ductile Iron Water Pipe with EZ-LOK Joint according to ISO 16134
    Comparison of Seismic Design and Test Results of Ductile Iron Water Pipe with EZ-LOK Joint according to ISO 16134
    Joint Deflection and Expansion Performance

    Reference

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