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Recinto Universitario Augusto C. Sandino

UNI_RUACS.

Sede Regional del Norte.

Universidad Nacional De Ingeniería.

Asignación: Diseño de espesores de Pavimento Flexible

con carpeta de adoquin tramo condega-Palacaguina.

Ingeniería Civil.

V Modulo.

Realizado Por: Edgar Ramón Martínez Tercero.

Dany Josué Rivas Martínez.

Vicente Edman Estrada Castro.

Irela Damaris Lira Olivas.

Catedrático: Ing. Msc. José Fernando Bustamante Arteaga.

Fecha: 29 de octubre de 2011

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Universidad Nacional de Ingeniería.

Diseño de espesores de Pavimento Flexible- Tramo Carretera Condega Palagüina.

Introducción. El presente trabajo nombrado Diseño de espesores de Pavimento Flexible- con

carpeta de adoquín, Tramo de carretera Condega Palacaguina, es presentar el

Diseño de espesores de carpeta, Base y Subbase, en correspondencia con los datos de

transito obtenidos en el tramo de estudio, tales como Tipos de vehículos, TPDA.

El calculo de espesores se hizo en función del efecto del daño que produce el paso de un

eje con una carga y para que resistan un determinado numero de de cargas aplicadas

durante su vida útil.

Por consiguiente los vehículos de diferente peso y diferente # ejes se transformaron en

ejes equivalentes de 80KN (18000 Kips), denonimado # ESAL .

A su vez el calculo del # Esal fue obtenido del aforo, el tipo de vehículos, el tiempo de

proyección a 20 años entre otras variables de carácter demográfico y tasa de crecimiento

económico de la zona.

El Tramo de carretera en estudio esta clasificada como troncal principal, por lo

Objetivo.

Proponer el Diseño óptimo para Diseño de espesores de tramo de carretera

Condega-Palacaguina con carpeta de adoquín.

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Metodología.

Estudio de Transito: En base a los datos proporcionados por el aforo, se determinó el TPDA tomando en cuenta el volumen del transito, composición del transito así como los factores de distribución del transito tales como factores día, factor semana y factor temporada de la Estacion 111 Condega Palacaguina.. Determinación de transito por carril de Diseño Td.

El transido de Diseño Td, se obtiene de la operación matemática:

Td= TPDA*Fc*fs*fc*365. donde: TPDA: Transito Promedio Diario. Fc: Factor de crecimiento. fs: factor de distribución por sentido fc: factor de Distribución por carril.

Fc=((1+Tn)n-1)/Tn. Donde: n: período de Diseño. Tc Tasa de crecimiento, se determina tomando encuenta el PIB, el crecimiento

poblacional entre otros factores. Tn=To*(1+i)n siendo:

Tn: El transito proyectado. To: Transito inicial. i; tasa de crecimiento inicial.

Determinación y cálculo de ejes equivalentes de Diseño (No ESAL).

Tomando en cuenta la diferencia entre los vehículos que circulan por una carretera cuyos pesos y cantidad de ejes difieren entre sí, éstos producen diferentes tensiones y deformaciones al pavimento, por lo que al igual las distintas capas que conforman una carretera se comportan de distinta manera al tipo y peso de según sea las características del vehículo. En base a dicha diferencia el volumen de transito TPDA, se transforma en ejes equivalentes de una determinada carga, que a su vez producirán el mismo daño que toda la composición de transito mixto de los vehículos. La carga uniformada según AASTHO es de 80KN (18000 Kips) y la conversión se hace a través de factores equivalentes de carga LEF (Load equivalent Factor). Haciendo uso del diagrama de cargas máximas permisibles por tipo de vehiculo, se determina la carga máxima por tipo de eje, sea este eje simple, eje doble o triple, siendo el total de carga máxima permisible la sumatoria por carga de cada eje. Seguidamente se procede a realizar el calculo del factor equivalente de carga (LEF) cuyo valor numérico expresa la relación entre la perdida de servicialidad causada por la carga de un tipo de eje de 80 KN y la producida por un eje estándar por un mismo eje. Este factor se obtiene de las tablas 3.7, 3.8, 3.9 Capitulo 3, Pag 12, 13, 14 del Manual

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Centroamericano para diseño de Pavimentos. Los factores de carga para pavimento flexible para ejes simples, dobles y triple se relacionan con el peso en Kips de cada eje por tipo de vehiculo, vs el índice de servicialidad final de la carretera Pt=2.5, y el numero estructural SN=5. El # Esal resulta de el producto entre factor de carga calculado para cada eje y el Valor corregido del Transito por carril de Diseño (TD). El # Total ESAL de Diseño será la sumatoria de los # ESAL individuales por cada eje. Calculo de espesores. Para el cálculo de espesores de capas de rodamiento, base y subbase se utilizó el método AASTHO 93 conocido como método de verificaron de capas el cual depende de las siguientes variables: W18= Transito estimado por carril a lo largo de la vida útil de la carretera (# Esal). R= Confiabilidad. S0= Desviación estándar de todas la variables. Mr= Modulo resilente efectivo de la Subrasante. ΔPSI= Perdida de Servicialidad de la carretera. Sn: # estructural. Variables a considerar en este método

Variables de tiempo: Período de Diseño y la vida útil del pavimento.

Variables de en función del transito: Confiabilidad R, Perdida de servicialidad,(Δ PSI).

Determinación del # estructural requerido.

Las variables consideradas para determinar el # estructural requerido son las siguientes. La cantidad estimada de ejes equivalentes (ESAL) por carril, para el perído de

Diseño. La confiabilidad R. La desviación estandar para pavimento flexible. Modulo de resilencia efectivo. Perdida de servicialidad.

Para el cálculo de # estructural requerido la expresión que esta directamente relacionada es la siguiente: Sn=a1D1+ a2D2m2 + a3D3m3.

Los valores a1, a2, a3, son los coeficientes estructurales de capa adimensionales. Los valores m1, m2, m3, son los coeficientes de drenaje. Los valores D1, D2, D3, son los espesores de capa.

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Resultados Obtenidos.

Tabla de Datos de transito para el Diseño de Pavimento:

Tipo de Vehìculos TD

Motos 150

Autos 295

Jeep 135

Camionetas 290

Liv. 2-5 Ton. 105

McBus 15 pas 95

MnBus 15-30 Pas 21

Bus 145

C2 5+ton 290

C3 70

Tx-Sx <= 4e 15

Tx-Sx >= 5e 46

Cx-Rx <= 4e 4

Cx-Rx >= 5e 3

Totales 1664

Los datos presentados en la tabla anterior nos muestra los valores TD, los cuales deben ser trasladados a valores TPDA. El tramo en estudio corresponde a carretera Condega-Palacaguina tomando como referencia los factores de expansion día, semana y temporada de la estacion No 111. Dichos factores son multiplicados por cada valor TD dando como resultado datos estimados ó TPDA por grupo de vehículos. La sumatoria Del TPDA total es mostrada en la tabla siguiente.

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CLASIFICACION VEHICULAR. TRAFICO PROMEDIO DIARIO TPDA

Tipo vehiculos Total Datos Iniciales Factor Dia Factor Sem Factor Temp TPDA

Autos 295 1 1 0,84 247,8

Jeep 135 1 1 0,98 132,3

Camionetas 290 1 1 0,98 284,2

Liv. 2-5 Ton 105 1 1 0,95 99,75

Mc Bus 15 Pas 95 1 1 1,02 96,9

Mn Bus 15-30 Pas 21 1 1 1,65 34,65

Bus 145 1 1 1,02 147,9

C2 5+Ton 290 1 1 1,06 307,4

C3 70 1 1 1,25 87,5

Tx-Sx˂=4e 15 1 1 2,75 41,25

Tx-Sx˃=5e 46 1 1 1,03 47,38

Cx-Rx˂=4e 4 1 1 1 4

Cx-Rx˃=5e 3 1 1 1 3

1514 1534,03

Determinación de transito por carril de Diseño Td.

Por tratarse de una autopista regional el período de Diseño n=20 años.

PERIODO DE DISEÑOTIPO DE CARRETERA

20 – 40 AñosAutopista Regional

Troncales Sub-urbanas15 – 30 Años

Tabla 2.5: Periodo de Diseño

Troncales Rurales

Colectoras Sub-urbanas

Colectoras Rurales10 – 20 Años

Fuente: Manual Centroamericano de Normas para

el Diseño de Carreteras Regionales, SIECA 2001.

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El factor de distribución por dirección para la carretera en estudio corresponde según la tabla 2.6 a un fs=0.5 para dos carriles en direcciones opuestas.

El valor de fc para el tramo de carretera en estudio según tabla 2.7 corresponde a un valor fc=1, por ser una carretera con un carril en una sola dirección. Según datos xxx la tasa de crecimiento poblacional de Nicaragua corresponde a un valor Tc=2.5%. Ejemplo de calculo Fc=((1+Tc)n-1)/Tc. Fc=((1+0.025)20-1)/0.025.=25.54

Tn=To*(1+i)n

Tn=248(1+0.025)20= 406 autos.

Td= TPDA*Fc*fs*fc*365. Td= 248*25.54*0.5*1*365= 1155008,19 ≈ 1155008.

Tabla 2.7: Factor de Distribución por Carril.

NUMERO DE CARRILES EN UNA SOLA

DIRECCION

1

2

Factor LD11

1

0.80 – 1.0034

0.60 – 0.800.50 – 0.75

Fuente: Manual Centroamericano de Normas para el

Diseño de Carreteras Regionales, SIECA 2001.

50

4540

LD10NUMERO DE CARRILES EN AMBAS

DIRECCIONES

Tabla 2.6: Factor de Distribución por Direccion.

2

4

6 o Mas

Fuente: Manual Centroamericano de Normas para el

Diseño de Carreteras Regionales, SIECA 2001.

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Este mismo procedimiento se efectúa en la siguiente tabla.

Tipo vehiculos TPDA fs fc Fc TD TD

Corregido

Autos 247,8 0,5 1 25,54 1155008,19 1155008

0,5 1 25,54 1155008,19 1155008

Jeep 132,3 0,5 1 25,54 616656,915 616657

0,5 1 25,54 616656,915 616657

Camionetas 284,2 0,5 1 25,54 1324670,41 1324670

0,5 1 25,54 1324670,41 1324670

Liv. 2-5 Ton 99,75 0,5 1 25,54 464939,7375 464940

0,5 1 25,54 464939,7375 464940

Mc Bus 15 Pas 96,9 0,5 1 25,54 451655,745 451656

0,5 1 25,54 451655,745 451656

Mn Bus 15-30 Pas 34,65 0,5 1 25,54 161505,3825 161505

0,5 1 25,54 161505,3825 161505

Bus 147,9 0,5 1 25,54 689369,295 689369

0,5 1 25,54 689369,295 689369

C2 5+Ton 307,4 0,5 1 25,54 1432806,77 1432807

0,5 1 25,54 1432806,77 1432807

C3 87,5 0,5 1 25,54 407841,875 407842

0,5 1 25,54 407841,875 407842

Tx-Sx˂=4e 41,25

0,5 1 25,54 192268,3125 192268

0,5 1 25,54 192268,3125 192268

0,5 1 25,54 192268,3125 192268

0,5 1 25,54 192268,3125 192268

Tx-Sx˃=5e 47,38

0,5 1 25,54 220840,549 220841

0,5 1 25,54 220840,549 220841

0,5 1 25,54 220840,549 220841

0,5 1 25,54 220840,549 220841

0,5 1 25,54 220840,549 220841

Cx-Rx˂=4e 4

0,5 1 25,54 18644,2 18644

0,5 1 25,54 18644,2 18644

0,5 1 25,54 18644,2 18644

0,5 1 25,54 18644,2 18644

Cx-Rx˃=5e 3

0,5 1 25,54 13983,15 13983

0,5 1 25,54 13983,15 13983

0,5 1 25,54 13983,15 13983

0,5 1 25,54 13983,15 13983

0,5 1 25,54 13983,15 13983

Total TD 15426677,19

9

Determinación de Pesos Máximos permisibles por tipo de vehiculo.

De la tabla de diagramas de cargas permisibles se asigna a todos los tipos de vehículos los pesos máximos permisibles por cada eje, sea este eje simple, eje doble ó eje triple. Ejemplo: Para el un vehiculo T2-S2 (Tx-Sx˂=4e), se le asigna las siguientes cargas permisibles: Primer eje simple: 5 Ton (11 Kips) Segundo Eje Simple: 9 Ton (19.8 Kips) Eje doble: 16 Ton (35.2 Kips)

DIAGRAMA DE CARGAS PERMISIBLES APLICADOS EN LOS PUNTOS DE CONTROL

PESOS MAXIMOS PERMISIBLES POR TIPO DE VEHICULOS

TIPO ESQUEMAS PESO MAXIMO AUTORIZADO

DE DE Peso Máximo VEHICULOS VEHICULOS Total (1) Ton - Met.

8.25 8.25

6.67 6.66 6.66

5.00 9.00 9.00 23.00

8.00 8.00

6.67 6.66 6.66

8.00 8.00

8.00 8.00 8.00 8.00

8.00 8.00 6.67 6.66 6.66

4.50 9.00 4.0 a 4.0 a 21.50

4.50 9.00 6.5 b 6.5 b 26.50

5.00 4.0 a 4.0 a 29.00

5.00 8.00 8.00 6.5 b 6.5 b 34.00

5.00 4.0 a 5.0 a 5.0 a 35.00

5.00 8.0 b 8.0 b 6.5 b 5.0 b 5.0 b 37.50

NOTA: El peso máximo permisible será el menor entre el especificado por el fabricante y el contenido en esta columna.a : Eje sencillo llanta sencilla.b : Eje sencillo llanta doble.

C3-R3

T3-S2

T3-S3

C2-R2

C3-R2

T2-S3

T2-S1

T3-S1

C2

C3

C4

T2-S2

3er. Eje 4to. Eje 5to. Eje 6to. Eje

5.00

5.00

37.00

34.00

30.00

41.00

5.00 9.00

5.00 9.00

5.00 9.00 30.00

21.50

25.00

16.00 20.00

16.00

16.00

20.00

16.00

16.00

16.00 16.00

15.00

16.50

20.00

5.00 10.00

5.00

5.00

1er. Eje 2do. Eje

10

Total carga permisible: 66 Kips.

Factor Esal:

Obtenido de las siguientes tablas.

Ejemplo: Para un auto con peso de eje de 2.2 Kips, para un SN: 5 y Pt: 2.5 el factor esal se obtiene interpolando.

Carga en Kips SN: 5

2 0.0002

2.2 Factor a encontrar

4 0.002 Interpolando factor Esal : 0.0038

11

12

Calculo del No ESAL.

Ejemplo. Para el peso 2.2 Kips correspondiente al eje simple de un auto, según calculo anterior el factor el factor Esal=0.0038. El Td= 1,155 008.00

Esal Diseño=0.0038*1, 155 008.00= 4389.03 El total Esal de Diseño sera las sumatoria de los Esal de Diseño individual de todos los ejes simples+ejes dobles+ejes triple.

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Tabla resumen de calculo de Esal de Diseño para un SN:5, Pt: 2.5.

Tipo vehiculos PesoxEje Ton Mec

PesoxEje Kips

Tipo de Eje

Trans Actual 2011 Tn 2031 Td Corregido

Factor Esal Esal Diseño

Autos 1 2,2 Simple

248 406 1155008 0,0038 4389,03

1 2,2 Simple 0,0038 4389,03

Jeep 1 2,2 Simple

132 217 616657 0,0038 2343,30

1 2,2 Simple 0,0038 2343,30

Camionetas 1 2,2 Simple

284 466 1324670 0,0038 5033,75

2 4,4 Simple 0,0036 4768,81

Liv. 2-5 Ton 3,33 7,33 Simple

100 163 464940 0,0256 11902,46

6,67 14,67 Simple 0,4481 208339,50

Mc Bus 15 Pas 3,33 7,33 Simple

97 159 451656 0,0256 11562,39

6,67 14,67 Simple 0,4481 202386,94

Mn Bus 15-30 Pas 3,33 7,33 Simple

35 57 161505 0,0256 4134,54

6,67 14,67 Simple 0,4481 72370,56

Bus 3,33 7,33 Simple

148 242 689369 0,0256 17647,85

6,67 14,67 Simple 0,4481 308906,38

C2 5+Ton 5 11,00 Simple

307 504 1432807 0,1385 198443,74

10 22,00 Simple 2,1800 3123518,76

C3 5 11,00 Simple

88 143 407842 0,1385 56486,10

16,5 36,30 Doble 1,428 582398,20

Tx-Sx˂=4e

5 11,00 Simple

41 68

192268 0,1385 26629,16

9 19,80 Simple 1,459 280519,47

16 35,20 Doble 1,264 243027,15

Tx-Sx˃=5e

5 11,00 Simple

47 78

220841 0,1385 30586,42

9 19,80 Simple 1,459 322206,36

20 44,00 triple 0,72 159667,72

Cx-Rx˂=4e

5 11,00 Simple

4 7

18644 0,1385 2582,22

16 35,20 Doble 1,264 23566,27

16 35,20 Doble 1,264 23566,27

Cx-Rx˃=5e

5 11,00 Simple

3 5

13983 0,1385 1936,67

16 35,20 Doble 15426677 1,264 17674,70

20 44,00 triple 0,72 10109,82

Total Esal

Diseño 5963436,84

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Datos para el cálculo de espesores.

Datos de Materiales Para Diseño

Material Mr ai M

Carpeta Adoquin 2760(400000) 0.42 1.15

Base Granular 29000 0.135 1.15

Subbase Granular 16600 0.08 1.15

Subrasante 22500 - -

De acuerdo a los módulos resilentes se obtiene que SN=5 SN1= 2.3 para proteger la base. SN2= 3.8 para proteger la subbase.

D1= 2.4/0.42=5.71” ≈5.75”. Nota:

SN1*= 0.42*10”= 2.31 SN2=4 de grafico modulo resilente.

D2= (SN2-SN1)/(a2m2)= (4-2.31)/(0.135*1.15)= 10.88”≈11”.

SN2*= a2*m2*D2*= 0.135*1.15*11”= 1.71.

D3= SN-(SN1*-SN2*)/(a3m3)= 5-(2.31-1.71)/(0.08*1.15)= 10.65”≈10.75”

Sn3*= a3*m3*D3= 0.08*1.15*10.75”=1.

Tc 2.5

CBR Sub Rasante 15

CBR Sub Base 45

CBR Base 90

MaC 400.000

Po 4.2

Pt 2.5

R 85

So 0.45

buen drenaje m= 1.15

carpeta de rodamiento adoquín

Período de Diseño 20 años

No Ejes equivalentes 5,963 436.84

15

SN= 2.31+1.71+1=5.0 2≥ SN=5 Espesores Minimos Sugeridos para concreto asfaltico.

De la tabla anterior se deduce que para un No Esal 5,963,436.84 el espesor minimo recomendable es mínimo de 9cm. Como nuestra carpeta esta considerada con adoquines de 10cm de espesor, se cumple la Norma. Por lo recalculamos el espesor de base dejando la carpeta con adoquines de 4” (10cm espesor) D1= 4”. : SN1*= 0.42*4”= 1.68 SN2=4 de grafico modulo resilente.

D2= (SN2-SN1)/(a2m2)= (4-1.68)/(0.135*1.15)= 14.94”≈ 15”

Datos de Materiales Para Diseño

Material Espesor

Carpeta Adoquin 4 pulg (10cm)

Base Granular 15”

Subbase Granular 11”

Subrasante 22500

16

Conclusiones.

1. Según los cálculos el espesor de carpeta de rodamiento es de 5.75”, sin

embargo basados en No ESAL de 5, 963 436.84 ,la capa asfáltica basados

requiere como mínimo una espesor de 9 cm, por lo tanto el espesor de la

carpeta recomendada es de 10cm. Para carpeta de adoquín.

2. En vista que el modulo resilente para de Base y Subase no sobrepasan los

40000 PSI, se debe construir base y subbase.

Recomendaciones.

1. En la Práctica no deben colocarse capas menores que los mínimos

requeridos, ya que las de valor menor al mínimo requerido son menos

estables. Por lo tanto se debe garantizar pasar el mínimo requerido para

mantener la estructura del pavimento en mejores condiciones para absorber

los efectos que producen lo suelos expansivos.

2. Se recomienda utilizar materiales con valores de CBR buenos, para evitar

deformaciones excesivas en la base y subbase.

3. Los materiales para subrasante deben ser suelos con preferencias

granulares con porcentajes de inchamientos según AASTHO-T193 y que no

tengan características inferiores a los suelos que se encuentran en el

tramo. Por lo tanto los suelos A-8 no deben ser utilizados para este

propósito por estar constituidos de materiales vegetales y fangosos.

4. El material de Subbase debe tener mayor CBR que el material de

subrasante determinada por AASTHO-T193 y AASTHO T180.

5. El material de Base debe estar constituido por piedra de buena calidad,

triturada y mezclada con material de relleno o bien con combinación de

piedra y grava, con arena y suelo en su estado natural. El CBR debe estar

determinado por AASTHO- T193 y AASTHO T180 y el inchamiento por

AASTHO- T193

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Bibliografía.

1. Manual de Pavimentos SIECA.

2. Libro de Diseño de Pavimentos AASTHO 1993.

3. Asignatura de Diseño de Pavimentos Flexible UNI-Norte

Glosario:

Subrasante: Es la capa de terreno de una carretera que la estructura del

pavimento y que se extiende hasta una profundidad que no afecte la carga de

diseño que corresponde al transito previsto. Esta capa puede estar formado en

corte ó terraplén.

Subbase: Es la capa de la estructura de pavimento destinada fundamentalmente

a soportar, transmitir y distribuir con uniformidad las cargas aplicadas a la

superficie de rodadura de pavimento, de tal forma que la capa de la subrasante la

pueda soportar absorbiendo las variaciones inherentes a dicho suelo que puedan

afectar la subbase. Por lo tanto la subbase debe controlar los cambios de volumen

y elasticidad que serían dañinos para el pavimento.

Subbase: Es la del pavimento que tiene como función primordial distribuir y

transmitir las cargas ocasionadas por el transito, a la subbase y através de ésta a

la subrasante, y es la capa sobre la cual se coloca la capa de rodadura.

Adoquines: Son elementos construidos con material pétreo y cemento, pudiendo

tener varias formas, todas ellas regulares, y que son colocados sobre una cama

de arena de 3-5 cm de espesor, la que tiene la función primordial absorver las

irregularidades que pudiera tener la base, proporcionando a los adoquines un

acomodamiento y apoyo uniforme en toda la superficie.

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Superficie de Rodadura: Es la capa superior de la estructura de pavimento por

donde circularan todos los ejes ESAL calculados para el período de Diseño.

Confiabilidad (R). : Se refiere al grado de seguridad o confiabilidad de que el

diseño de una estructura de pavimento pueda llegar al fin de su período de diseño

en buenas condiciones.

Servicialidad (Po) : La servicialidad en un estructura de pavimento es la

capacidad que tiene éste de servir al tipo y volumen de transito para el cual fue

diseñado. El índice de servicialidad se califica entre 0-5, siendo cero malas

condiciones y cinco una condición perfecta.

Período de Diseño: Es el tiempo total para el cual se diseña un pavimento en

función de la proyección del transito y el tiempo que se considere apropiado para

que las condiciones del entorno se comiencen a alterar desproporcionalmente.

La vida útil del Pavimento: Es el tiempo que transcurre entre la construcción del

mismo y el momento en que alcanza el mínimo de servicialidad.

Modulo de Resilencia (Mr): Es la característica especial que define la propiedad

de los materiales que conforman la subrasante, tales como CBR, plasticidad,

granulometría, tipo de suelo, resistencia al corte, drenaje, susceptibilidad a las

variaciones de temperatura, densidad y humedad.

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