APLICACIONES DEL GEORADAR DE SUBSUELO EN OBRAS

CIVILES

Bernardo Caicedo Hornaza*, Elkin Mancera Carmona**, Julián Alfonso Tristancho ***

RESUMEN

El radar de subsuelo o Georadar es una técnica no destructiva, que esta basada en la emisión y propa-gación de ondas electromagnéticas en un medio, con la posterior recepción de las reflexiones que seproducen en sus discontinuidades. El Georadar se ha convertido en una herramienta tecnológica con ungran presente en aplicacionf s de ingeniería civil y en muchas otras áreas de investigación que necesitanun conocimiento preciso de subsuelo. En este articulo se realiza una breve descripción de la técnica deGeoradar aplicada en la inspección de obras civiles, recorriendo desde sus aspectos teóricos de funciona-miento, hasta trabajos prácticos realizados.

PALABRAS CLAVES: Georadar, GPR, estructura de pavimentos, detección no destructiva,redes hidráulicas, reflexión

1 . INTRODUCCIÓN

La industria de la construcción se enfrenta ac-tualmente a un mercado de competencia, don-de prima la calidad y el costo; por eso la fallade cualquier elemento y/o miembro estructu-ral puede ocasionar perdidas o retrasos impor-tantes en el avance de las obras. Es entoncesdonde las técnicas no destructivas para la ins-pección de obras civiles, se convierten en unapoderosa herramienta para hacer un diagnosti-co de alta calidad y relativo bajo coste.

La técnica de Georadar o GPR (GroundPenetrating Radar) es una técnica nodestructiva, relativamente reciente, pues pese

a que los primeros ensayos datan de las prime-ras décadas del siglo XX. Solo hasta la décadade los 70's se logro el desarrollo de un métodopractico. Los primeros estudios fueron realiza-dos en el área de la geología y glaciología, perorápidamente se paso al campo de la ingenieríacivil.

Las primeras etapas de la investigación fueronencaminadas a la determinación de las propie-dades electromagnéticas de los materiales ainvestigar, y los rangos de frecuencias que pre-sentaban un funcionamiento optimo, en reso-lución y penetración. Ya a finales de los 80's einicio de los años 90's se completa el diseño yla construcción de los primeros equipos, talescomo se conocen en la actualidad.

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Profesor Asociado, Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. e-mail: bcaicedo@uniandes.edu.co

Ingeniero Civil, Investigador CIMOC, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. e-mail: elelkin@hotmail.com

Ingeniero Mecánico, Investigador, CIMOC, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. e-mail: jutrista@uniandes.edu.co

3 2 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

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Con el desarrollo técnico y,, tecnológico alcan-zado, los campos de investigación en aplicacio-nes practicas, se expandieron rápidamente,creándose congresos internacionales sobre eltema y sus aplicaciones en geofísica. Uno delos congresos mas importantes a nivel mundiales el dnternational Conference on GroundPenetrating Radar el cual se realiza cada 2 añosdesde 1986. En el congreso del año 2002, rea-lizado en Santa Barbara, USA, se tuvo una par-ticipación de 24 países y una agenda divididaen sesiones con aplicaciones en:

• Arqueología^nstrcic.ción e spec án

• Detección de minas• Evaluación de materia• G lacloto,?1a• Hidrología• ingeniería• Puentes y pavime ntos

A partir de l a agenda de este congreso, se pue-de ver la importancia y alcance en diferentescampos, que el Georadar tiene on la actuali-dad.

NCiP1Q L'"- ONANiIENTQ

La .écnica de Georadar esta basada en la emi -

sión y recepción de ondas electromagnétic as.

Los principios de funcionamiento de unGeoradar no difieren mucho de los de un Ra-dar común, lo clue cambia es el medio de pro-pagación; el primero es un material sólido (ge-neralmente no homogéneo), mientras que enel segundo se trata aire (material homogéneo).La incidencia de la energía de una onda elec-tromagnética sobre las heterogeneidades, pro-vocara fenómenos de reflexión, refracción ydifracción que serán detectados por la antenareceptora. Por lo tanto lo que un GPR detecta-ra, son los cambios en propiedades de los ma-teriales del subsuelo, pues estas propiedades,junto con las características de la onda, seránlas que rigen la propagación de la energía por elmedio.

Facultad de I r? á e n l e r í a

Propagación y retrospección de Ondas

Los principios físicos que rigen el comporta-miento de las ondas electromagnéticas al serpropagadas son: la óptica geométrica y la teo-ría de campos electromagnéticos. A partir deestos dos conceptos es posible llegar a un mo-delo de propagación y atenuación de la onda,Las variables que rigen este modelo son las pro-piedades electromagnéticas del medio de pro-pagación (material en estudio), como lo son laconductividad, permitividad dieléctrica y per-meabilidad magnética (ver Tabla 1).

--(erial Conduct viciad6 (.115"v1)

Velocidadv l^l!ns¡

Atenuaci5nc((dB/nl)

Aire 0 i 0 3 l U

Agua ().01 i 0.03--1

^ í?.1)1Arena Seca í3.(i 1 0.15

0.5-2 0.17 0.^1 1

^raa ito 0.13 ^ C).01 1

Propiedades electro7nagnBtzccis de los ma-

En la Figura 1 y la Figura 2 se puede observarla simulación realizada en Gpr2dmax 1 , el cualsimula el comportamiento de una onda elec-tromagnética que viaja a través de un cubo deconcreto, en el centro de este cubo se encuen-tra tubo metálico de 10 cm. Es importante ano-tar que esta simulación corresponde a una si-mulación bidimensional.

Figura 1. Propagación inicial del frente de onda

La primera etapa es la generación de la ondapor la antena transmisora, el frente de ondaatraviesa un espacio vació (aire), y luego choca

Tablateriales

con el material en estudio. De este primer cho-que se produce un reflexión inmediata la cualllega a la antena receptora del radar. En la par-te derecha de la Figura 1, se puede observar laenergía percibida por la antena receptora a tra-vés del tiempo; esta gráfica es conocida comoTRAZA.

La segunda etapa es viajar a través del mediohomogéneo, sin presentar ningún cambio sig-nificativo en la señal recibida por la antena. Enel momento que el frente de onda llega hastala tubo metálico se presenta una reflexión sig-nificativa, la cual retorna hacia el GPR y espercibida por la antena receptora. Como sepuede observar (Figura 2), la señal en la trazapresenta un nuevo pico que se puede ubicarfácilmente.

Si se toma el tiempo que transcurrió entre laemisión de la señal y la llegada de la reflexión,se puede calcular la profundidad del objetoreflector, conociendo la velocidad de propaga-ción que presenta el medio, mediante una re-lación muy sencilla de velocidad sobre la mi-tad del tiempo medido, pues tiene que reco-rrer dos veces el mismo trayecto uno de ida yuno de vuelta.

Figura 2. Reflexión del frente de onda

Al igual que las transmisiones de radio frecuen-cia (ondas de radio como el AM y el FM) lamagnitud de la frecuencia central de oscilaciónde la antena, determina su capacidad de pene-tración y su resolución. Es así que si se tieneuna antena con frecuencia de oscilación alta(por ej.: 800 0 1000 MHz), se generan longitu-des de onda de amplitud baja, lo que implicabuena resolución, pero baja penetración. Si se

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elige una antena con una frecuencia baja (porej.: 100 o 250 MHz) la penetración aumenta,pero se disminuye la resolución, que puede darel equipo. En la Tabla 2 se encuentran los valo-res de penetración, a una perdida de resolu-ción máxima del 25 U/ü, para diferentes frecuen-cias de las antenas.

Frecuenciacentral (MHz)

Penetración(m)

1000 0.5

500 1,0

200 2.0

100 5.0

10 50.0

Tabla 2. Penetración promedio de as de di-

ferentes frecuencias

La información que estos Radagramas aportanes variada, pero principalmente se trabaja contiempos de llegada. El tipo de estudio desubsuelo más básico consiste en determinarvelocidades de propagación promedio, y juntocon los tiempos de propagación registrados paracada evento, localizar la discontinuidad en laque se ha producido la reflexión, determinan-do tanto su situación horizontal como la pro-fundidad a la se encuentra,

2.2. Analogía con la reflexión sísmica

La técnica de GPR, es similar a la sísmica dereflexión, pues los fenómenos asociados con lapropagación de la energía son básicamente losmismos. La diferencia se fundamenta en la fre-cuencia de las ondas y el método de propaga-ción, que utiliza cada técnica. Mientras los GPRgeneralmente utilizan un rango de frecuenciadel orden de 10 a 1000 MHz y como métodode propagación las características electromag-néticas de los materiales; la reflexión sísmicarara vez sobrepasa los 1000 Hz y su propaga-ción se basa esencialmente en las propiedadesmecánicas de los suelos.

Otro aspecto importante es que mientras lasísmica de reflexión, es una técnica de baja ve-

U S D ^ ., i ^_^ ANOS

utadur de Ayo',iri^in

t itlad central

I ratisnllsión

NutiiclUmmtdo

tleeellc11111

locidad de ensayo, debido al método de gene-ración de las ondas (golpe o explosión) y a lossensores de medición (Geofonos); la técnicade Georadar en cambio, al usar una señal elec-tromagnética, y con los sistemas electrónicosde alta velocidad de la actualidad es capaz ge-nerar una serie de ondas en unos pocosnanosegundos y procesarlos en el orden demilisegundos, haciendo que la técnica puedaser considerada continua y de alta velocidad.La similaridad entre estas dos técnicas de re-flexión, llega a tal punto que es posible hacerel procesado de los datos recolectados por unGPR, con software que fue diseñado original-mente para sistemas de reflexión sísmica y vi-ceversa.

2.3. Descripción de los equipos

En la Figura 3 se muestran los componentesprincipales, de un Georadar, cada unidad estaencargada en realizar una serie de tareas, comose describe a continuación:

• Unidad central: Controla el comportamientode la antena y realiza la transmisión de datosa algún medio de grabación.

• Sistema de posicionado: Posicionan alGeoradar de acuerdo a una referenciatopográfica dada. Generalmente se utilizandos métodos: Odómetros para ubicación li-neal o GPS para tener una ubicacióntridimensional.

• Computador de adquisición: Su funciónprincipal es la de almacenar los datos en unmedio magnético y mostrar las medicionesrealizadas.

2.4. El Ramac X3M®

A finales de 2001 el CIMOC (Centro de In-vestigación en Obras Civiles) de la Universi-dad de Los Andes adquirió a la compañia sue-ca MALA Geoscience, una unidad de GeoradarX3M (Figura 4) con una antena biestática aco-razada de .800 MHz, Este equipo tiene comocaracterísticas principales su confiabilidad, fá-cil manejo y modularidad. Todos los proyectosprácticos descritos en este articulo se realiza-ron con este equipo.

Un

Figura típica de tan GeoradarFigura 4. Gen,- d RAMA C – X3M

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• Antena: Es la encargada de generar los pul-sos electromagnéticos y recibir las reflexio-nes ocasionadas. Existen dos tipo de ante-nas: las monoestáticas y biestáticas. Las pri-meras están compuestas por una solo ele-mento encargado de transmitir, conmutar yrecibir, mientras la biestáticas la componendos elementos separados.

F a c u l; a d de I„ g e n. e r í a

El X3M utiliza un encoder u odómetro comomedio estándar de ubicación, y adicionalmentepuede ser adicionando un GPS, al computa-dor de adquisición para realizar tareas desincronización de posición. El sistema puedegenerar intervalos pulsos electromagnéticos deacuerdo, a uno de los siguientes criterios: tiem-po, distancia o pulso manual. Esto permite ad-ministrar de una mejor manera la memoria uti-lizada y la resolución de la medición.

Ubicar radagramas para las zonas de inte-rés.Descartar anomalías producidas durantela medición,Selección de escala y paletaAplicación de filtros pasa banda.Correcciones estáticas,Aplicar ganancias a la señal (Filtros trans-versales)Realizar stacking. (Filtros longitudinales)Obtención de tiempos de propagación paracada anomalía.Calculo de profundidades a partir de lasvelocidades de los medios.Correlación de resultados con la informa-ción existente. o resultados de otros me-todos.Interpretación final d

3.

7,.

S.

10,

tados.

PROCESAMIENTO DE DATOS oS

Los registros almacenados de las medicionesen el computador, son conocidos cornoRADAG RAMAS. Los Radagramas son una re-presentación gráfica de las Trazas generadascada vez que se produce un pulso electromag-

co, durante la medición. Corno ya se des-las Trazas corresponden a un vector de

energía recibida por reflexión vs tiempo trans-currido desde la generación del pulso,

Una importante etapa es la selección de los fil-tros y el ajuste de sus parámetros, por eso acontinuación se realizara una breve descripciónde los principales filtros existentes.

Fi a típico 3.1. Filtros transversales

3G

En un Radagrama se utiliza una paleta de colo-res para agrupar los rangos de energía recibi-dos, como se puede ver en la Figura 5, Figura 7y Figura 10, cada uno de estos Radagramas uti-lizan distintas paletas.

En ocasiones es posible realizar las interpreta-ciones directamente en campo, pero general-mente es necesario realizar un largo procesode interpretación. En este proceso se busca re-saltar las anomalías que corresponden a las se-riales de interés y disminuir o eliminar el rui-do. Es de suma importancia anotar que el tra-bajo realizado en escritorio depende del traba-jo realizado en campo, si se tiene una buenainformación de campo, donde se describa to-das las posibles anomalías que fueron registra-das, el trabajo de oficina se hace mucho massencillo y eficaz.

El procesado de la información puede ser resu-mido en los siguientes pasos:

Los filtros transversales afectan al Radagramasolo en el eje Y (eje temporal), lo que quieredecir que es aplicado independientemente so-bre cada una de las trazas, Se busca eliminar elruido electrónico inherente de cada traza, Seutilizan algoritmos de filtrado en frecuencia,para eliminar las bandas de ruido de la señalmedida, Entre los principales filtros de este tipoestán:• Correcciones estóticas: Correcciones debidas

al cambio de topografía,• Ganancias: Amplificación de la señal, para

disminuir el efecto de la atenuación,• Pasa Banda: Elimina una banda de ruido de

cada uno de los registros.

3.2. Filtros longitudinales

Este tratamien': .al se aplica, en la di-rección X (eje e- ^_), del Radagrama, Elobjetivo de estos filtros es la eliminación delruido de fondo en la medición, ocasionado ge-

UN, avtRsit:r.L ,;s LOS ANEJES

3 7

neralmente por la irregularidad del terreno(presente en unas cuantas trazas) o por reflec-tores externos (presente en casi todas las tra-zas). Los algoritmos utilizados son estadísticosy sus principales filtros son:• Stackiog: Lee el numero indicado de trazas

y calcula el promedio, sustituyendo el origi-nal por este.

• Eliminar traza promedio: Calcula la trazapromedio de todo el Radagrama y la resta atodas las trazas.

• Eliminación de fondo: Aplica horizontalmen-te un filtro pasa altas. Destaca solamente lospuntos con un cambio muy fuerte en elRadagrama.

DETER

DE ESPESORES EN

: >ITQS

4.1. Metodología

Tan solo, hace dos años se introdujo el uso deGeoradares en la determinación de los espeso-res de las estructuras de los pavimentos comoherramienta para determinar el deterioro vialy su periodo de mantenimiento; campo en elcual resulta muy práctico el uso de métodosno destructivos para llevar a cavo la mediciónde las mismas, de una manera rápida y sin oca-sionar daños que en algunas ocasiones puedenser el inicio de deterioros futuros.

Inicialmente es importante tener claro que laspropiedades electromagnéticas de los materia-les varían de acuerdo a las condiciones in situ,grado de compactación, humedad, composiciónquímica, condiciones atmosféricas, etc; por locual no es posible ubicarlos, en rangos que nospermitan definir sin ningún tipo de incertidum-bre a que material corresponde el tipo de señalrecibida.

Por lo anteriormente mencionado se realizancalibraciones antes de tomar las medicionesdefinitivas con el Georadar.

F acultad de lngenler{a

Figura 6. Apique de calibre cián, estructura asja rica

Para la realización de las calibraciones se to-man medidas con el Georadar, y posteriormen-te por intermedio de apiques o núcleos (Figura6). De esta manera se miden los espesores dela estructura de pavimento de forma directa(en campo), y de forma indirecta (Georadar).Este proceso se repite cuantas veces sea nece-sario hasta llegar a una calibración que satisfa-ga las expectativas y necesidades de las medi-ciones futuras.

4.2, Levantamiento de la información

Para obtener los rendimientos adecuados encampo se adapta el equipo a un vehículo que loarrastra sobre las vías a medir a velocidad baja(<10 km/h, depende en gran parte de la capa-cidad del equipo de adquisición de datos).

4.3. Resultados obtenidos

De la medición se obtienen perfiles continuosde las estructuras de pavimento, encontrandoen ellos niveles constantes en amplitud de lastrazas que conforman el radagrama (Figura 7);cada uno de estos niveles corresponde a unacapa de la estructura. De igual manera se pue-den presentar cambios significativos en lasamplitudes que determinan posibles anomalíasen la estructura y/o presencia de otros elemen-tos en la misma.

El procesamiento de la información obtenidase realiza mediante el programa Reflex®, el cualtiene un módulo especializado para determi-nar espesores de capa. Para ello es necesarioubicar las amplitudes pico, y realizar un traza-do sobre ellas, determinando el tiempo deretrospección de la onda. Reflex® permite apli-car diferentes velocidades a cada una de estasretrospecciones de acuerdo a las calibracionesrealizadas, y con ello se genera un reporte finalde espesores.

Figura 7. Determinación de capas de pavimentomediante REFLEX-VV ®

5. DETECCION DE REDES

La detección de tuberías es una de las aplica-ciones mas extendidas del Georadar. Su apli-cación es directa pues se tiene un elementoinmerso con propiedades electromagnéticasmuy diferentes (concreto, PVC, Hierro cola-do, etc..) al del material huésped (suelo o ma-terial relleno). Para la realización de estos levan-tamientos de redes, el equipo es acondicionadoen forma de carro portátil, para ser arrastradoen forma mani :i1 por el operario (Figura 8).

Figura 8.RAMAC-X3M enoperación sobre laAvenida Calle 13 –Bogotá

3 8

Cuando el Georadar pasa sobre un objeto deperfil circular, se presenta un efecto fácilmen-te apreciable sobre el Radagrama. Este efectoconsiste en la generación de parábolas, que sonproporcionales al diámetro de la tubería que seesta detectando.

Figura 9. .1 ' ^te^ = ac ` f ^ C ille

Bogotá

5.1. Detección de redes clandestinas

Las redes clandestinas, son un importante fac-tor de perdida , en los acueductos municipa-les. El problema de detectar estas irregularida-des, es la necesidad de utilizar métodosdestructivos y sus costos asociados, tanto enpersonal como en material. El uso del Georadarcomo método de inspección, presenta comoprincipales ventajas el ser un ensayo no des-tructivo y una velocidad de medición alta.

La metodología propuesta, es la ejecución deun censo, ubicando a los posibles infractores,para luego realizar la inspección medianteGeoradar. Se plantea la realización de dos me-diciones por cada predio (antes y después delcontador). El objetivo de estas dos medicio-nes, es el de cubrir la mayoría de las posiblesformas de fraude y además tener un respaldode la primera medición.

En la Figura 10 se puede observar un Radagramatípico de la medición de un predio. Se apreciauna tubería de 4in, que corresponde a una redde alimentación. A dos metros y medio se en-

U a i,- .S D A DE OS ANDES

cuentran dos reflexiones seguidas, de un diá-metro no mayor a tin, lo cual indica la presen-cia de dos tuberías de alimentación para un solopredio.

Figura 10.rrio Qui;iel o – Be...

5,2. Levantamiento tridimensional de redes

La ciudad de Ibagué, presentaba hace unospocos meses un indice de agua no facturadadel orden 30%; para solucionar este problema,la alcaldía y la empresa de acueducto (IBAL),realizaron un levantamiento y monitoreo com-pleto de la red de acueducto de la ciudad.

Uno de los puntos de estudio fue la planta detratamiento de agua «LA POLA», planta cons-truida a finales de la década de los 50's, am-pliada y actualizada a mediados de los 70's yprincipios de los 90's. Los cambios realizadosno fueron debidamente documentados, provo-cando un alto nivel de incertidumbre, frente ala distribución del líquido tratado. Al hacer unbalance de masa a la entrada de la planta, con-tra la cantidad de liquido a la salida, se encon-tró una discrepancia importante. Por lo cual seplanteo la necesidad de realizar un levantamien-to de redes, y así verificar que estaba pasandocon el agua no registrada.

La metodología que fue llevada a cabo, consis-tió en la generación de Radagramas, en cortesparalelos a una distancia fija (en este caso de 5m). Para ello se realizo un levantamiento topo-

gráfico y se dividió en una cuadricula de 5 x 5m, por donde luego se realizó la medición conel Georadar. A partir de los cortes medidos yde un trabajo de geofonía realizado anterior-mente, se ubico cada una de las tuberías y ac-cesorios de la planta, con sus diámetros res-pectivos. Cada Radagrama se convirtió en uncorte bidimensional v al hacer una interpolaciónde la tubería entre cada uno de estos cortes, secreó un levantamiento tridimensional de lastuberías ubicadas (Figura 11).

Figura 11. L<-vrnnto:rrieiro r,-idiniensiore e l de Ire I'lcrnra L^l

POLA – 1bag«r

6. POSIBLES APLICACIONES

El uso de georadar para solucionar problemasen la ingeniería civil, es cada vez mas extendi-do. La accesibilidad que estos equipos presen-tan, son cada vez mayores, pues los costos aso-ciados disminuyen, además los desarrollos enhardware y software los hacen mas eficientesen cuanto a manejo y análisis. A continuaciónse describen algunas aplicaciones de esta téc-nica.

6.1. Análisis estructural

Debido al alto contraste electromagnético en-tre el concreto y el acero, mediante un estudiode Georadar es posible determinar la estratifi-cación y distribución de las varillas d 2 refuerzopara cualquier estructura. De igual manera esposible determinar la existencia de grietas den-

c(t2)líyé'si2

L:. )

aval ? a d de ! fi a e n i e r a 39

tro de la estructura, debidas al proceso cons-tructivo o desgaste del mismo.

6.2. Investigación sobre túneles

Una de las preocupaciones mas grandes en elmantenimiento de túneles es la ubicación devacíos y zonas débiles (de espesor bajo), puesel progreso de estas puede provocar el colapsodel túnel. El Georadar es una eficaz herramien-ta pues es capaz de determinar los vacíos, zo-nas de debilitamiento y otras heterogeneidades,antes que se conviertan en un serio problema.

6.3. Taludes y muros

El objetivo es la búsqueda de zonas débiles,vacíos y fallas no visibles en el exterior. Adicio-nalmente es posible determinar donde el in-cremento de humedad, puede iniciar un pro-ceso de rápida degradación e incremento deempujes.

6.4. Estudio de suelos

Esta técnica puede ser usada como complemen-to a las exploraciones de campo, las cuales serealizan de manera puntual a muy altos costos.Realizando mediciones con el Georadar se ob-tiene una estratigrafía continua del perfil en-contrando los cambios en el mismo que nopueden ser detectados por las perforaciones.

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• La técnica de GPR, es similar a la sísmica dereflexión, pues los fenómenos asociados conla propagación de la energía son básicamen-te los mismos.

• La selección del equipo (principalmente laantena) es de fundamental importancia, deacuerdo a las necesidades de resolución vsmáxima penetración.

• El trabajo de campo y sus anotaciones, sonla etapa de mayor cuidado en el momentode utilizar el Georadar.

• La técnica del Georadar, al igual que la ma-yoría de los ensayos geofísicos, necesitan te-

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ner un nivel de información alto de la zona amedir, para poder descartar efectos o ruidosya conocidos de los resultados finales.

• La alta heterogeneidad de las capas desubsuelo presentes en los medios de estu-dio, impiden al Georadar tener un alto con-traste.

8. REFERENCIAS

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http://www.terraplus.com/sramac.htm

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