diseño de pavimento con aashto y pca, base estabilizada y base granular

DISEÑO DE PAVIMENTOS DE CONCRETO

DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS: METODO DE DISEÑO AASTHO 93

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

TIPO DE VÍA

Carretera Primaria Multicarril, dos carriles por sentido (tramo de CA-1) 3.60 por carril, hombros de concreto de 2.0 metros, confinados.

TIPO DE PAVIMENTO

JPCPDATOS UTILIZADOS EN EL DISEÑO

Tráfico y Cálculo de ESAL’s

Período de diseño: 25 años (Dato proporcionado), el cual se encuentra en el rango de

valores recomendados para pavimentos de concreto en Autopistas Regionales, según el

capítulo 7 del “Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos”.

Tipo de Carretera Período de Diseño (Años)Autopistas Regionales 20 – 40Troncales suburbanas 15 – 30

Troncales ruralesColectoras Suburbanas 10 – 20

Colectoras ruralesFuente: Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos

Espesor estimado del pavimento:

Para calcular los ESAL’S que se aplicarán a una estructura de Pavimento Rígido es

necesario asumir en primera instancia, el espesor de la losa que se necesita para las cargas

que se van a imponer.

Se consideró de 10 pulg. Dado que es una carretera multicarril, con un nivel considerable

de tráfico.

Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos Página 1


Índice de Serviciabilidad Final (Pt):

También se tendrá que elegir el valor del índice de Serviciabilidad final aceptable, de

acuerdo con el “Manual Centroamericano para Diseño de Pavimento”, en el cual para

caminos muy importantes presenta un valor de 2.5

Pt = 2.5 (para caminos muy importantes)

CÁLCULO DEL FACTOR CAMIÓN PARA CADA TIPO DE VEHICUL0

Utilizando un espesor de Losa asumido de 10 pulgadas y un Índice de Serviciabilidad final de 2.5, obtenemos los factores equivalentes de carga, de tablas encontradas en la Guía AASHTO para el diseño de estructuras de pavimento 1993.



Tasa de crecimiento anual: De la tabla 3-20 del Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos se obtiene que para una tasa de crecimiento anual g = 2% (valor proporcionado) y un período de diseño T = 25 años (Valor proporcionado), el factor de crecimiento de tránsito es de 32.03.

Factor de distribución por dirección: El pavimento consta de cuatro carriles, dos en cada

dirección por lo que se utiliza un factor de dirección del 45 %.

Número de carriles en ambas direcciones

LD

2 504 45

6 o más 40Fuente: Guía para el diseño de estructuras de pavimento, AASHTO 1993

Factor de distribución por carril: Ya que se poseen dos carriles por sentido, se ha tomado

un valor de 0.9, que es el valor medio del rango propuesto por AASHTO 1993.

Número de carriles en una sola dirección

LC

1 1.002 0.80 – 1.003 0.60 – 0.804 0.50 – 0.75

Fuente: Guía para el diseño de estructuras de pavimento, AASHTO 1993.

CÁLCULO DEL ESAL’S DE DISEÑO

ESAL's

Tipo de Vehículo Cantidad de vehículos al año

Factor de Crecimiento

Tránsito de diseño LEF ESAL's de

diseñoAutomóvil 6239 32.03 72939837 0.00076 55434Pick Up 4257 32.03 49768374 0.01698 845067



Microbus Liviano 1474 32.03 17232460 0.01797 309667Microbus Mediano 355 32.03 4150287 0.9718 4033249Autobus 524 32.03 6126058 3.5944 22019502Camión C2 1165 32.03 13619957 2.508 34158852C3 106 32.03 1239241 2.704 3350907C4 43 32.03 502711 1.898 954145T2S1 25 32.03 292274 3.172 927092T2S2 2 32.03 23382 3.918 91610T3S1 3 32.03 35073 3.918 137415

Total de Vehículos 14193 ESAL's de diseño 66827507

Factor de Dirección 0.45Factor de Carril 0.90ESAL's por carril de tránsito 27,065,140

Diseño del pavimento:

Confiabilidad (R): Se considera para el diseño un valor de 90 tomado de la tabla siguiente

para Autopistas regionales, el cual se encuentra en el rango propuesto.

Tipo de Carretera Niveles de confiabilidad RSuburbanas Rurales

Autopista Regional 85 – 99.9 80 – 99.9Troncales 80 - 99 75 – 95Colectoras 80 - 95 50 – 80

Fuente: Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos

Desviación estándar (So): Para pavimentos de concreto hidráulico se recomienda un valor

entre 0.3 y 0.4, para pavimentos nuevos se recomienda usar un valor 0.35, tomando un

valor medio de estas recomendaciones se utiliza para este diseño el valor de la desviación

estándar de 0.35.



Módulo de Ruptura del Concreto (MR): Dada las condiciones de tráfico para esta

carretera, se considera el módulo de ruptura de 45 Kg/cm2 a los 28 días (640 PSI).

Módulo de Elasticidad del concreto (Ec): Para un módulo de ruptura del concreto de 45

Kg/cm2 a los 28 días (640 PSI) y utilizando la siguiente tabla de correlación entre MR y Ec,

encontramos que Ec es de 4, 320,000 PSI.

Módulo de Elasticidad (PSI) Módulo de Ruptura (PSI)3,400,000 5003,700,000 5504,100,000 6004,400,000 6504,700,000 7005,100,000 7505,400,000 800

Fuente: Guía para el diseño de estructuras de pavimento, AASHTO 1993.

Coeficiente de Transmisión de Carga (J): Para pavimento de concreto hidráulico en el que

la transferencia se de carga se genere por el uso de dovelas, con hombros (soporte

lateral), y los ESAL’s están entre 10 y 30 millón adoptamos una valor para “J” de 2.7, como

lo podemos ver en la tabla siguiente:

ESAL´s

(Millones

)

Con dovela y

reforzado con malla

Fricción entre

agregados

Con refuerzo

continuoTipo de

pavimentoSoporte lateral Soporte lateral Soporte lateral

No Si No Si No SiCalles y caminos vecinales

Hasta 0.3 3.2 2.7 3.2 2.8 ----- -----

0.3 a 1 3.2 2.7 3.4 3.0 ----- -----

1 a 3 3.2 2.7 3.6 3.1 ----- -----

3 a 10 3.2 2.7 3.8 3.2 2.9 2.5 Caminos principales

y autopistas

10 a 30 3.2 2.7 4.1 3.4 3.0 2.6

Más de

30

3.2 2.7 4.3 3.6 3.1 2.6

Fuente: Guía para Diseño de Estructuras de Pavimento, AASHTO 1993



Coeficiente de drenaje (Cd):

Este valor se obtiene a partir del tipo de suelo que existe en este tramo de carretera; por

lo cual, supondremos que la calidad del drenaje es Excelente.

Calidad del drenaje Tiempo en que tarda el agua en ser evacuadaExcelente 2 horas

Bueno 1 díaMediano 1 semana

Malo 1 mesMuy malo El agua no evacua

Fuente: Guía para Diseño de estructuras de Pavimento, AASHTO 1993

Para definir el porcentaje de tiempo en que la estructura del pavimento está expuesta a

niveles de humedad próximos a la saturación, tomamos como un promedio de 15 días

consecutivos durante la época lluviosa en el que la estructura estará en saturación,

representando esto el 4.11% del total de días al año, ubicándonos en la columna 2 de la

tabla siguiente “Valores de coeficiente de drenaje” para valores de Cd con humedades

cercanas a la saturación del 1% al 5% y definido anteriormente la calidad del drenaje como

excelente se considera un valor de coeficiente de drenaje de 1.15.

Calidad del

drenaje

% de tiempo en que la estructura del pavimento está expuesta a

niveles de humedad próximos a la saturación

Menos del 1% 1% - 5% 5% - 25% Mas del 25%

Excelente 1.25 – 1.20 1.20 – 1.15 1.15 – 1.10 1.10Bueno 1.20 – 1.15 1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00

Mediano 1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90 0.90Malo 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90 0.90 – 0.80 0.80

Muy malo 1.00 – 0.90 0.90 – 0.80 0.80 – 0.70 0.70Fuente: Guía para Diseño de estructuras de Pavimento, AASHTO 1993



Variación del Índice de Serviciabilidad ( Δ PSI):

Pt = 2.5 (para carreteras muy importantes) ; Po = 4.5 (Para pavimentos de concreto)

ΔPSI =Po – Pt = 4.5 – 2.5 = 2.0

Módulo de reacción K de la sub rasante: Se determina a partir de los valores de módulo

resiliente de la sub rasante y del módulo resiliente de la sub base y el espesor de la misma.

- Módulo resiliente de la Sub rasante: Se calcula como una correlación del CBR de

diseño. El cual se ha seleccionado del rango entre 200 a 450 psi, ya que en los datos proporcionados en la tarea el valor de k = 200 psi, por lo que se elige un valor de CBR = 20%



Fuente: Guía para Diseño de estructuras de Pavimento, AASHTO 1993

La Guía de Diseño AASHTO (1993), permite calcular El Modulo de Resilencia de la

sub-rasante a partir del CBR de Diseño obtenido en la Campaña Geotécnica. Para

este proyecto se ha calculado bajo la siguiente correlación:

M R=2,555×CBR0.64(PSI )

M R=2,555×(20%)0.64

M R=17 ,380.0PSI

UTILIZANDO UNA BASE GRANULAR

- Espesor de la sub base: Se propone para la construcción de este pavimento un

espesor de 6 pulg. de sub base granular.

- Módulo resiliente de la sub base: corresponde a una base granular por lo que se

establece un valor de 30,000 PSI, el cual se encuentra en el rango de 15, 000 a 45,

000 PSI.



Fuente: Programa WinPas, Diseño de Pavimentos Rígidos.

Otra manera de comprobar que este valor se encuentre dentro del rango, es a través de la ecuación de módulo de resilencia:

M R=2,555×CBR0.64(PSI )

MR=2,555×(40%)0.64

MR=27 ,084.0 PSI ok , esta dentrodel rango .



NOMOGRAMA PARA DETERMINAR EL MÓDULO DE REACCIÓN COMPUESTO DE LA

SUBRASANTE

Con el espesor asumido de la subbase = 6 pulgadas; el módulo resilente de la subrasante =

17, 380 PSI y el módulo de Elasticidad de la subbase = 30,000 PSI. Se obtiene un Módulo

de reacción compuesto de la subrasante (k) = 900 PCI.

FUENTE: GUIA PARA DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS, AASHTO, 1993.



NOMOGRAMA PARA CORREGIR EL MÓDULO DE REACCIÓN EFECTIVO POR

PÉRDIDA POTENCIAL DE SOPORTE EN LA BASE:

- Pérdida de soporte (Ls): Para una sub base granular se considera la utilización de

un valor de 1.00 según la tabla que se presenta a continuación “Valores del factor

de pérdida de soporte Ls, por el tipo de sub base”.

Tipo de Sub base o Base Factor de pérdida de soporte

Subbases granular tratada con cemento

(Mr de 7,000 a 14,000 MPa)0.00 a 1.00

Subbases tratadas con cemento

(Mr de 3,500 a 7,000 MPa)0.00 a 1.00

Bases asfálticas

(Mr de 2,500 a 7,000 MPa)0.00 a 1.00

Subbases estabilizadas con asfalto

(Mr de 300 a 2,000 MPa)0.00 a 1.00

Estabilización con cal

(Mr de 150 a 1,000 MPa)1.00 a 3.00

Materiales granulares sin tratar

(Mr de 100 a 300 MPa)1.00 a 3.00

Suelos Finos y sub rasantes naturales

(Mr de 20 a 300 MPa)2.00 a 3.00




-

Utilizando los valores anteriores el valor del módulo de reacción K de la sub

rasante nos da de 260.0 PCI.

UTILIZANDO UNA BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO AL 4 %



- Espesor de la sub base: Se propone para la construcción de este pavimento un

espesor de 6 pulg. de sub base estabilizada con cemento.

- Módulo resiliente de la sub base: corresponde a una base estabilizada con

cemento por lo que se establece un valor de 700,000 PSI, el cual se encuentra en el

rango de 500, 000 a 1, 000, 000 PSI.

- Fuente: Programa WinPas, Diseño de Pavimentos Rígidos.

NOMOGRAMA PARA DETERMINAR EL MÓDULO DE REACCIÓN COMPUESTO DE LA

SUBRASANTE



Con el espesor asumido de la subbase = 6 pulgadas; el módulo resilente de la subrasante =

17, 380 PSI y el módulo de Elasticidad de la subbase = 700,000 PSI. Se obtiene un Módulo

de reacción compuesto de la subrasante (k) = 1500 PCI.

NOMOGRAMA PARA CORREGIR EL MÓDULO DE REACCIÓN EFECTIVO POR

PÉRDIDA POTENCIAL DE SOPORTE EN LA BASE:

-

- Pérdida de soporte (Ls): Para una sub base estabilizada con cemento, se considera

la utilización de un valor de 1.00 según la tabla que se presenta a continuación

“Valores del factor de pérdida de soporte Ls, por el tipo de sub base”.

Tipo de Sub base o Base Factor de pérdida de soporte

Subbases granular tratada con cemento

(Mr de 7,000 a 14,000 MPa)0.00 a 1.00

Subbases tratadas con cemento

(Mr de 3,500 a 7,000 MPa)0.00 a 1.00

Bases asfálticas

(Mr de 2,500 a 7,000 MPa)0.00 a 1.00

Subbases estabilizadas con asfalto

(Mr de 300 a 2,000 MPa)0.00 a 1.00

Estabilización con cal

(Mr de 150 a 1,000 MPa)1.00 a 3.00

Materiales granulares sin tratar

(Mr de 100 a 300 MPa)1.00 a 3.00

Suelos Finos y sub rasantes naturales

(Mr de 20 a 300 MPa)2.00 a 3.00




Utilizando los valores anteriores el valor del módulo de reacción K de la sub rasante nos da

de 375.0 PCI.



NOMOGRAMA AASHTO: DISEÑO DE PAVIMENTO DE CONCRETO CON BASE GRANULAR.



DATOS:

K = 260 PCI Cd = 1.15 J = 2.7

EC = 4, 320, 000 PSI ∆PSI = 2.0 R = 90

MR = 640 PSI SO = 0.35 ESAL’S = 27 Millones.

Espesor de la LOSA DE CONCRETO = 10 pulgadas y una BASE GRANULAR = 15 cm



NOMOGRAMA AASHTO: DISEÑO DE PAVIMENTO DE CONCRETO CON BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO AL 4%.


DATOS:

K = 375 PCI Cd = 1.15 J = 2.7

EC = 4, 320, 000 PSI ∆PSI = 2.0 R = 90

MR = 640 PSI SO = 0.35 ESAL’S = 27 Millones.

Espesor de la LOSA DE CONCRETO = 9.5 pulgadas o 10.0 pulgadas y una BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO AL 4% = 15 cm

DISEÑO DE PAVIMENTO CON LA METODOLOGÍA PCA

UTILIZANDO SUBBASE GRANULAR


1. Consideraciones para el diseño

1.1 Módulo de Ruptura del concreto: MR = 45 Kg/cm2

1.2 Módulo de Reacción compuesto:

El módulo de reacción de la subrasante es de 200 PCI y proponiendo una base

granular de 15 cm de espesor, el valor compuesto del suelo en el que estará la losa

de concreto se incrementa a un valor de 225 PCI igual a 61 MPa/m según la

siguiente tabla:

1.3 Período de diseño: 25 años (Valor solicitado)

1.4 Tránsito:

1.4.1 Tasa de crecimiento anual: 2%

1.4.2 Factor de proyección: 1.275, el cual se saca de la tabla siguiente



1.5 Factor de seguridad de carga:

1.6 Esfuerzo equivalente

Eje sencillo: Utilizando una espesor de losa de 210 mm y un K del conjunto

subrasante/subbase de 61 MPa/m, obtenemos de la siguiente tabla un esfuerzo

equivalente de 1.28.



Eje tándem: Utilizando una espesor de losa de 210 mm y un K del conjunto

subrasante/subbase de 61 MPa/m, obtenemos de la siguiente tabla un esfuerzo

equivalente de 1.09.



1.7 Relación de Esfuerzos:

Es la relación que existe entre el esfuerzo equivalente y el módulo de ruptura,

quedando valores de 0.28 y 0.24 para ejes sencillos y ejes tándem respectivamente.



1.8 Factor de Erosión

Ejes sencillos: Utilizando un espesor de losa de 210 mm y un K del conjunto

subrasante/subbase de 61 MPa/m, obtenemos de la siguiente tabla un factor de

erosión de 2.31.



Ejes tándem: Utilizando un espesor de losa de 210 mm y un K del conjunto

subrasante/subbase de 61 MPa/m, obtenemos de la siguiente tabla un factor de

erosión de 2.40.



1.9 Cargas por Eje

Los automóviles, pickup y microbús liviano no se consideran para el diseño por este

método ya que las cargas que transmiten al pavimento son bastante bajas y

prácticamente no generan daño alguno.

Microbús mediano: No se toma en cuenta el eje direccional por su bajo peso, solo

se considera el eje trasero que tiene un peso de 8 Ton equivalente a 79 KN, siendo

este un eje simple.

Autobús: Solamente se considera el eje trasero con una carga de 10.80 Ton

equivalente a 106 KN, eje simple.

C2: Eje trasero con peso de 10 Ton equivalente a 99 KN, eje simple.

C3: Eje trasero con peso de 16.50 Ton equivalente a 162 KN, eje tándem.

C4: Eje trasero con peso de 20 Ton equivalente a 196.2 KN, eje Tridem. Ya que el

nomograma no trae para ejes Tridem esta carga se divide entre tres y se utiliza la

escala de un eje simple. Para este caso la carga nos da 20/3 = 6.667 Ton, lo que

hace que en el nomograma la repeticiones de cargas admisibles sean ilimitadas, es

por eso que no aparecerá en la tabla del diseño.



T2S1: El eje direccional no se toma en cuenta por tener bajo peso, solamente se

utilizan los ejes simple trasero del cabezal y el eje simple del remolque con la misma

carga 9 Ton equivalente a 89 KN.


utilizan los ejes simple trasero del cabezal con peso de 9 Ton equivalente a 89 KN y

el eje tándem del remolque con un peso de 16 Ton equivalente a 157 KN.


utilizan los ejes tándem trasero del cabezal con peso de 16 Ton equivalente a 157

KN y el eje simple del remolque con un peso de 9 Ton equivalente a 89 KN.

1.10 Repeticiones esperadas

Se calcula para cada tipo de eje según los pesos que se mostraron en el numeral

anterior.

Peso de Eje Tipo de Eje

Cantidad de repeticiones diarias en ambas

direcciones

Eje de Vehículos considerados

79 Sencillo 355 Eje trasero Microbús mediano

89 Sencillo 55

Dos ejes del T2S1 (trasero del cabezal y

del remolque) y un eje del T2S2 (trasero del cabezal) y un eje del T3S1 (del remolque).

99 Sencillo 1165 Eje Trasero del C2106 Sencillo 524 Eje trasero del Autobús157 Tándem 5 Eje del remolque del



T2S2 y eje trasero del cabezal T3S1

162 Tándem 106 Eje trasero del C3

Afectando este valor por los siguientes factores:

- Factor de dirección: Para carreteras de 4 carriles es de 0.45.

- Factor carril: Para dos carriles en una dirección y un TPDA por sentido de 6387

es de 0.84

- Factor de crecimiento anual: Para una tasa de crecimiento del 2% es de 1.2812.

FCA= (1+0.02 )25−10.02×25

=1.2812

- Período de diseño: La cantidad en años es multiplicada por la cantidad de días

al año, es decir: 25 años multiplicado por 365 días.

Por lo tanto cada valor de repetición esperado para cada tipo de eje será

multiplicado por: 0.45x 0.84 x 1.2812 x 25 x 365, quedando los resultados de la

siguiente manera:

Peso de

EjeTipo de Eje

Cantidad de repeticiones

esperadas en el carril de

diseño al final de la vida

útil.

79 Sencillo 1568809



89 Sencillo 243055

99 Sencillo 5148344

106 Sencillo 2315650

157 Tándem 22096

162 Tándem 468433

1.11 Repeticiones admisibles

Fueron encontradas a partir del nomograma y colocadas en la tabla que a

continuación se presenta:

CÁLCULO DE ESPESOR DE PAVIMENTO

Proyecto: Diseño de pavimento, Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos

Espesor de tanteo: 210 mm Juntas con dovelaSI

_X_NO__

Módulo de reacción compuesto: 61 MPa/m Berma de ConcretoSI

_X_NO__Módulo de Ruptura: 4.5 MPa Período de diseño 25 añosFactor de seguridad, Fsc 1.2

Carga por Eje

KN

Carga por Fsc

KN

Repeticiones esperadas

Análisis por fatiga Análisis por erosiónRepeticiones admisibles

Porcentaje de fatiga

Repeticiones admisibles

Porcentaje de daño

Esfuerzo equivalente 1.28 Factor de erosión 2.31Eje Sencillos Relación de esfuerzos 0.28

106 127.2 2315650 Ilimitado 5000000 46.3199 118.8 5148344 Ilimitado 18000000 28.6089 106.8 243055 Ilimitado Ilimitado79 94.8 1568809 Ilimitado Ilimitado



Esfuerzo equivalente 1.09 Factor de erosión 2.4Ejes Tándem Relación de esfuerzos 0.24

162 194.4 468433 Ilimitado Ilimitado157 188.4 22096 Ilimitado Ilimitado

Total 0 74.91

Se realizaron varias iteraciones para llegar al espesor de losa de concreto de 210

mm, el cual es el valor que se considera para este diseño el que me genera un

porcentaje de daño más cercano a 100% e inferior a este. Por lo tanto para las

condiciones de la carretera y proponiendo una base granular de 15 cm de espesor

se debe construir una losa de concreto de 210 mm para soportar las cargas y ser

funcional en las condiciones existentes.

DISEÑO DE PAVIMENTO CON LA METODOLOGÍA PCA

UTILIZANDO SUBBASE CEMENTADA

Se realiza de la misma manera que lo mostrado en el diseño anterior, las variaciones están el

valor del módulo de reacción compuesto que nos da de 640 PCI equivalente a 174 MPa/m

utilizando la subbase cementada al 4% de un espesor de 15 cm.

Este valor también modifica los valores de esfuerzos equivalentes y por consiguiente la

relación de esfuerzos así como el valor del factor de erosión, pero estos se calculan de la

misma manera mostrada en el diseño anterior, obteniendo como resultados lo que se muestra

en la siguiente tabla:



CÁLCULO DE ESPESOR DE PAVIMENTO

Proyecto: Diseño de pavimento, Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos

Espesor de tanteo: 200 mm Juntas con dovelaSI

_X_NO__

Módulo de reacción compuesto: 174 Mpa/m Berma de ConcretoSI

_X_NO__Módulo de Ruptura: 4.5 Mpa Período de diseño 25 añosFactor de seguridad, Fsc 1.2

Carga por Eje

KN

Carga por Fsc

KN

Repeticiones esperadas

Análisis por fatiga Análisis por erosiónRepeticiones admisibles

Porcentaje de fatiga

Repeticiones admisibles

Porcentaje de daño

Esfuerzo equivalente 1.16 Factor de erosión 2.3Eje Sencillos Relación de esfuerzos 0.26

106 127.2 2315650 Ilimitado 7000000 33.0899 118.8 5148344 Ilimitado 25000000 20.5989 106.8 243055 Ilimitado Ilimitado79 94.8 1568809 Ilimitado Ilimitado

Esfuerzo equivalente 0.97 Factor de erosión 2.28Ejes Tandem Relación de esfuerzos 0.22



162 194.4 468433 Ilimitado Ilimitado157 188.4 22096 Ilimitado Ilimitado

Total 0 53.67

Al igual que en el diseño anterior se hicieron diferentes iteraciones para llegar al valor de

espesor de losa que nos genere un valor de daño más cercano a 100%. Por lo tanto el espesor

de la losa es de 200 mm utilizando una base cementada al 4% de 15 cm de espesor.


diseño de pavimento con aashto y pca, base estabilizada y base granular

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