(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自重Ｗを有する免震対象物を摩擦係数μを有する滑り面を介して支持部上に滑動自在に支持する滑り免震機構であって、
前記免震対象物と前記支持部との間に復元ばねを設けて該復元ばねに対して予荷重Ｆを与えるとともに、前記予荷重Ｆを  Ｆ＝（０．１〜０．４）μＷ  の範囲に設定してなり、
前記摩擦係数μを  μ＝０．０５〜０．２  の範囲に設定してなることを特徴とする滑り免震機構。
【請求項２】
請求項１記載の滑り免震機構であって、
前記復元ばねを定荷重ばねとして該復元ばねに前記予荷重Ｆとしての予引張力が生じるような所定の限界変位を与えるとともに、該限界変位以上の変位を許容しつつ該限界変位以下に復元することを規制する状態で前記復元ばねを前記免震対象物と前記支持部との間に介装してなることを特徴とする滑り免震機構。
【請求項３】
請求項１記載の滑り免震機構であって、
前記復元ばねを、該復元ばねのばね定数と前記免震対象物の自重Ｗとにより定まる固有周期が４秒以上となるコイルばねによる引張ばねとして該復元ばねに前記予荷重Ｆとしての予引張力が生じるような所定の限界変位を与えるとともに、該限界変位以上の変位を許容しつつ該限界変位以下に復元することを規制する状態で前記復元ばねを前記免震対象物と前記支持部との間に介装してなることを特徴とする滑り免震機構。
【請求項４】
請求項１記載の滑り免震機構であって、
前記復元ばねを、該復元ばねのばね定数と前記免震対象物の自重Ｗとにより定まる固有周期が４秒以上の皿ばねからなる圧縮ばねとして該復元ばねに前記予荷重Ｆとしての予圧縮力が生じるような所定の限界変位を与えるとともに、該限界変位以上の変位を許容しつつ該限界変位以下に復元することを規制する状態で前記復元ばねを前記免震対象物と前記支持部との間に介装してなることを特徴とする滑り免震機構。
【請求項５】
請求項１，２，３または４記載の滑り免震機構であって、
前記復元ばねを、前記免震対象物が前記支持部に対して水平各方向に復元力を持たせるように複数配置してなることを特徴とする滑り免震機構。
【請求項６】
請求項５記載の滑り免震機構であって、
前記各復元ばねを、前記免震対象物の水平各方向への変位に追随して水平面内において回転自在な状態で前記支持部に対して設置してなることを特徴とする滑り免震機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建物や精密機器等を対象とする免震構造に関連し、特に免震対象物を滑り面を介して支持部上に滑動自在に支持する滑り免震機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、免震構造においては免震装置として積層ゴムや滑り支承が一般的に用いられているが、部分免震（床免震）では装置高さを抑えるため、免震対象物を支持する構造床の上に鋼板と滑り材とを重ねてその上に免震対象物を設置することが行われる。
【０００３】
このような滑り免震機構は構造がシンプルで床段差も小さく安価に施工できるという長所がある反面、変位の制御が困難であって地震後に大きな残留変位や回転角（鉛直軸まわりの回転）を生じてしまう場合もあり、地震後に継続使用する際の障害となる。
すなわち、この種の滑り免震機構における摩擦係数をμ＜0.05と十分に小さくすれば加速度は小さくなるものの変位や残留変位が大きくなってしまう。逆に、摩擦係数をμ＞0.2と大きくすれば残留変位を小さくできるものの加速度が大きくなって免震効果が小さくなってしまう。
【０００４】
そのため、免震対象物と構造床との過大な相対変位を規制し残留変位を小さくするために、たとえば特許文献１に示されるように免震対象物の過大変位をストッパーにより拘束するようにしたり、特許文献２〜５に示されるように原位置に復元させるための復元ばねを設けるものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１０８０１３号公報
【特許文献２】特公昭５８−３６１４４号公報
【特許文献３】特公平７−６２４０９号公報
【特許文献４】特開２００１−２２７１９７号公報
【特許文献５】特開２００１−２６３４１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、免震対象物の過大変位をストッパーにより拘束するものではストッパー衝突時に大きな加速度を生じてしまうので本来の免震効果が得られず、好ましくない。
【０００７】
また、復元ばねにより復元力を得るものでは、復元ばねのばね剛性により短周期化して免震性能が低下してしまうことが不可避である。
特に、リニアガイドやベアリング等の転動機構を利用して摩擦係数をμ＜0.01と十分に小さくしたうえで、復元ばねに摩擦抵抗力以上の大きな予荷重（通常は予引張力）を与えれば残留変位を完全に無くすことが知られているが、その場合には復元ばねのばね剛性により滑り開始時の抵抗力が大きく増大することになるから、加速度に対して摩擦抵抗力（ひいては摩擦係数）を増加したことと同じになり、必然的に免震性能が損なわれてしまう。また、摩擦係数を過度に小さくすることは摩擦減衰も期待できないためにオイルダンパー等の他の減衰要素を付加する必要も生じる。
【０００８】
そのため、摩擦抵抗をあまり小さくせずに復元ばねによる予荷重を残留変位を無くすことができる範囲で可及的に小さくする必要があるとされ、一般的には摩擦係数をμ＝0.1程度としたうえで滑り出し荷重に相当する予荷重を与えることが通常である。
具体的には、滑り面の摩擦係数μ、免震対象物の自重Ｗ（質量Ｍ、重力加速度ｇとするとＷ＝Ｍｇ）とすると、滑り出し荷重はμＷとなるから、復元ばねによる予荷重Ｆをその滑り出し荷重と同等、つまり  Ｆ＝μＷ  と設定するのであるが、その場合においては免震対象物の加速度は（μＭｇ＋Ｆ）／Ｍとなり、復元ばねを設けない場合の加速度μｇに対して（１＋Ｆ／μＭｇ）倍にまで大きく増大してしまうことになるから、免震性能が大きく低下してしまうことは不可避である。
【０００９】
上記事情に鑑み、本発明は免震性能を大きく損なうことなく残留変位を可及的に小さくし得る有効適切な滑り免震機構を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の発明は、自重Ｗを有する免震対象物を摩擦係数μを有する滑り面を介して支持部上に滑動自在に支持する滑り免震機構であって、前記免震対象物と前記支持部との間に復元ばねを設けて該復元ばねに対して予荷重Ｆを与えるとともに、前記予荷重Ｆを  Ｆ＝（０．１〜０．４）μＷ  の範囲に設定してなり、前記摩擦係数μを  μ＝０．０５〜０．２  の範囲に設定してなることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の滑り免震機構であって、前記復元ばねを定荷重ばねとして該復元ばねに前記予荷重Ｆとしての予引張力が生じるような所定の限界変位を与えるとともに、該限界変位以上の変位を許容しつつ該限界変位以下に復元することを規制する状態で前記復元ばねを前記免震対象物と前記支持部との間に介装してなることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の滑り免震機構であって、前記復元ばねを、該復元ばねのばね定数と前記免震対象物の自重Ｗとにより定まる固有周期が４秒以上となるコイルばねによる引張ばねとして該復元ばねに前記予荷重Ｆとしての予引張力が生じるような所定の限界変位を与えるとともに、該限界変位以上の変位を許容しつつ該限界変位以下に復元することを規制する状態で前記復元ばねを前記免震対象物と前記支持部との間に介装してなることを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の滑り免震機構であって、前記復元ばねを、該復元ばねのばね定数と前記免震対象物の自重Ｗとにより定まる固有周期が４秒以上の皿ばねからなる圧縮ばねとして該復元ばねに前記予荷重Ｆとしての予圧縮力が生じるような所定の限界変位を与えるとともに、該限界変位以上の変位を許容しつつ該限界変位以下に復元することを規制する状態で前記復元ばねを前記免震対象物と前記支持部との間に介装してなることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項１，２，３または４記載の滑り免震機構であって、前記復元ばねを、前記免震対象物が前記支持部に対して水平各方向に復元力を持たせるように複数配置してなることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の滑り免震機構であって、前記各復元ばねを、前記免震対象物の水平各方向への変位に追随して水平面内において回転自在な状態で前記支持部に対して設置してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば以下の効果が得られる。
(1)滑り免震は単純な構成で薄くできることから、床段差が小さい免震をローコストに実現できる特徴があるものの、従来一般の滑り免震では残留変形が大きいという問題があったが、本発明のように免震床の滑り出し荷重より大幅に小さい予荷重を作用させることで、免震効果を殆ど低下させず（加速度を大きく増加させず）に残留変位を大幅に低減することができ、地震後に免震床を原位置に復帰させる手間をかけず継続使用することが可能となる。
すなわち、従来の復元ばねは免震床の滑り出し荷重以上の予荷重を付与して地震後に強制的に原位置に完全復帰させるようにしていたが、本発明ではその10〜40％の小さな予荷重で残留変位を使用上問題のない程度まで抑制できる。
したがって、復元ばねや接合部に要するコストを大幅に低減できてコストパフォーマンスに優れるばかりでなく、予荷重が小さいので加速度の増加が従来の復元ばねに比べて格段に小さくなり、免震効果を殆ど低下させない。
【００１８】
(2)復元ばねを設けない従来型の滑り免震では残留変位だけでなく残留回転角も生じるが、本発明によれば残留変位だけでなく水平面内での回転による残留回転角も大幅に低減させることができる。
(3)コンパクトで高さの小さい復元ばねを使用可能であるので、免震床の可動範囲に容易に収納可能であり、使用上の邪魔になりにくい。
(4)設置工事に特別な施工技能を必要とせす、新築だけでなく既存の構造床にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態であるすべり免震機構の概略構成を示すもので、通常時の状態を示す図である。
【図２】同、変位した状態を示す図である。
【図３】同、復元ばねとしての定荷重ばねを示す図である。
【図４】同、解析モデルを示す図である。
【図５】同、解析結果を一覧として示す図である。
【図６】同、解析結果を示す図である。
【図７】同、解析結果を示す図である。
【図８】同、解析結果を示す図である。
【図９】同、解析結果を示す図である。
【図１０】同、解析結果を示す図である。
【図１１】同、解析結果を示す図である。
【図１２】同、解析結果を示す図である。
【図１３】同、解析結果を示す図である。
【図１４】同、他の実施形態を示す図であって、復元ばねとしてのコイルばねを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１〜図３に本発明の実施形態である滑り免震機構の概略構成を模式的に示す。
これは、基本的には従来一般の滑り免震機構と同様に、免震対象物１を免震床２を介して支持部（構造床）４上に水平変位自在に支持して設置するもので、免震床２の底面には滑り材３を一体に固着して支持部４上を水平各方向に滑らかに滑動可能とすることにより、免震対象物１は通常時には図１に示すように定位置（原位置）に安定に静止しているが、地震時には免震床２が支持部４上を水平各方向に滑動することによってたとえば図２に示すように原位置から任意の方向に変位可能かつ回転可能とされているものである。
なお、本実施形態では滑り材３による摩擦係数μはこの種の滑り免震機構において一般的であるμ＝0.05〜0.2の範囲とすることで十分であり、リニアガイドやベアリング等の転動機構のようにμ＜0.01と過度に小さくする必要はない。
【００２１】
本実施形態では、複数台（図示例では４台）の復元ばね５を免震床２の各角部と支持部４との間にそれぞれ介装するとともに、それら復元ばね５に予荷重としての予引張力Ｆを与えておき、それら復元ばね５によって地震時における免震対象物１の水平各方向への過大変位を拘束しかつ原位置に復元させるようにしている。
但し、上述したように従来のこの種の滑り免震機構では免震対象物１を原位置に完全に復元させるように復元ばね５に対して滑り出し荷重に相当するような大きな予引張力を与えるものであったのに対し、本実施形態では予引張力Ｆを従来に比べて十分に小さく設定することを主眼とする。
【００２２】
具体的には、本発明においては、免震対象物１の自重Ｗ、支持部４に対する滑り材３の摩擦係数μとした場合、復元ばね５に与える予引張力Ｆを滑り出し荷重μＷの0.1〜0.4倍、すなわち  Ｆ＝(0.1〜0.4)μＷ  の範囲に設定する。
つまり、上述したように従来において復元ばね５を設ける場合にはその予引張力Ｆを滑り出し荷重以上（Ｆ≧μＷ）とする必要があり、少なくともＦ＝μＷとすることが通常であるのに対して、本実施形態では予引張力Ｆを従来の場合に比べて10〜40％程度とするに留め、それによって以下で実証するように免震効果を大きく損なうことなく残留変位を十分に低減することを可能としたものである。
【００２３】
なお、復元ばね５としては各種のばねを採用可能であるが、特に図３に示すような定荷重ばね６を用いることが好適である。
これは、（ａ）に示すようにゼンマイ状のばね材７を２つのドラム８に対して逆方向に巻回した構造のもので、（ｂ）に示すように一般の線ばねやゼンマイばねでは変形量（伸び出し量）に応じてばね反力が変化するのに対し、定荷重ばね６はばね反力が変形量に依存せずに一定のばね反力で大きく変形（伸び出し）可能なものである。
【００２４】
そして、本実施形態では、図１〜図２に示すように、上記の定荷重ばね６を支持部４に設置したケース９内に収容してワイヤー１０を介して免震対象物１に接続するが、その際、ワイヤー１０に戻り止めのストッパー１１を設けておくことにより定荷重ばね６を上記の予引張力Ｆが生じるような所定の限界変位を与えた状態でケース９内に収容する。
すなわち、ワイヤー１０をたとえばドラム８の径の1.5倍程度引き出した状態で戻り止めのストッパー１１をケース９に対して係止することにより、定荷重ばね６を上記の限界変位まで変位させて上記の予引張力Ｆを与えた状態でケース９内に収容しておき、そのうえでその限界変位以上の変位（さらなる伸び出し）は支障なく許容しつつ限界変位以下に復元する（縮退する）ことを規制することにより、予引張力Ｆが低減したり消失することなく常に一定の予引張力Ｆが与えられた状態を維持するようにしている。
【００２５】
これにより、図２に示すように免震対象物１が水平各方向に変位した際には、変位方向後方側（図２（ｂ）における左側）の定荷重ばね６はワイヤー１０により引っ張られて限界変位以上の変位が生じる（その際には予引張力Ｆに相当する反力が生じる）が、変位方向前方側（同、右側）の定荷重ばね６はワイヤー１０が弛むだけで限界変位以下に復元することはない（その際には引張ばねとしては機能し得ない）。
したがって、本実施形態の定荷重ばね６の荷重−変位特性は、図３（ｃ）に示すように予引張力Ｆに相当する荷重が作用するまでは変位せず、予引張力Ｆを超える荷重が作用した際には予引張力Ｆに相当する一定の反力（復元力）のままで変位する（伸び出す）ような特性を呈するものとなる。
【００２６】
なお、定荷重ばね６を収容するケース９は支持部４に対して単に固定することでも良いが、図１（ｂ）や図２（ｂ）に示しているように、ケース９の中心部をピン１２により支持部４に対して水平面内において回転自在に軸支することも好ましく、それにより免震対象物１の変位方向に追随してケース９が自由に回転してケース９や定荷重ばね６に無用な偏心荷重が作用することを回避することができる。
【００２７】
以下、特定の地震波に対する時刻歴応答解析により本発明の優位性を実証する。
解析モデルは図４に示す１質点系モデルとし、免震構造物１および免震床２の質量をm1＝1000kgとし、復元ばね５としての定荷重ばね６（ばね剛性kc）および減衰要素１３（減衰定数c1：周期4秒で0.1％の減衰を付与する程度）で支持し、摩擦力f1が質量m1の動きと逆向きに作用すると仮定する。
解析ケースは、
・case１：復元ばねのない（予引張力Ｆ＝0）従来型免震の場合
・case２：完全に復元させるために予引張力Ｆ＝1μＷとした従来型免震の場合
・case３：復元ばね（定荷重ばね）による予引張力Ｆ＝0.1μＷとした本発明の場合
とする。
地震波は、
・kokuji Level 2
・El Centro 50cm/s
・Taft 50cm/s
・Hachinohe 50cm/s
・Kobe 原波
の５波とした。
【００２８】
解析結果を図５に一覧として示す。
また、一例として、kokuji Level 2の場合における各ケースの応答波形を図６〜図８に示す。各図は上段から変位、速度、加速度および地震動加速度を示す。（図７、図８の最上段における破線はcase１の場合を示す。）
【００２９】
この結果から、たとえばkokuji Level 2の場合においては、復元ばねのないcase１では残留変位は約23cmにもなり、完全復元のために大きな予引張力Ｆ＝１μＷを与えたcase２では当然に残留変位がゼロになるのに対し、本発明のcase３ではＦ＝0.1μＷとわずかな予引張力を与えるに留めたにも拘わらず残留変位はわずか1.5cmでしかなく、実質的に残留変位が問題にならない程度にまで低減させることができることがわかる。
また、加速度については、case１の場合の102.05cm/s2に比較してcase２では198.38cm/s2と約２倍にもなるのに対し、本発明のcase３では110.35cm/s2とcase１に比較して僅か1.1倍程度に増大するに留まることがわかる。
【００３０】
図５に示されるように他の地震波についても同様の結果が得られるものであり、以上の結果から、本発明によれば予引張力Ｆをcase２の場合の僅か10％程度とするのみで、case２のように免震性能が大きく低下してしまうようなことなく、case２に匹敵するような十分な残留変位の低減効果を得ることができることがわかる。
【００３１】
次に、予引張力Ｆの大きさと残留変位および加速度の低減効果との関係を、各地震波について図９〜図１３に示す。
これらの図において横軸は予引張力比（Ｆ/μＷ）であり、Ｆ/μＷ＝0が従来型免震のcase１に該当し、Ｆ/μＷ＝1が従来型免震のcase２に該当し、Ｆ/μＷ＝0.1が本発明のcase３に該当する。
各図において左上段は残留変位（絶対値）を示し、左下段は残留変位低減率（復元ばねがある場合の残留変位を復元ばねがない場合の残留変位からの低減率で規準化した値。すなわち、１−復元ばねのある場合の残留変位／復元ばねのない場合の残留変位）を示す。
また、右上段は加速度（絶対値）を示し、右下段は加速度増加率（復元ばねがない場合の加速度に対する復元ばねがある場合の加速度の倍率）を示す。
【００３２】
これらの図から以下のことがわかる。
残留変位は予引張力Ｆ＝0.1μＷとすることで復元ばねのない場合（Ｆ＝0）に比較して大幅に低減する。但し、地震波がHachinoheの場合については、予引張力Ｆ＝0.1μＷでは残留変位が1.2ｃｍとあまり低減効果が得られないが、Ｆ＝0.2μＷとすると残留変位は0.2ｃｍに大幅に改善される。
また、いずれの地震波についても、予引張力を滑り出し荷重の0.1〜0.4倍程度与えることにより残留変位を10％以下と大幅に低減できる。その時の加速度の増加分は規準化した値Ｆ／μＷに比例し、仮にＦ＝0.2μＷの場合には加速度の増加は20％の増加に留まる。
さらに、残留変位低減率は予引張力に比例するのではなく、予引張力の小さな領域から大きな低減率を発揮でき、予引張力をＦ＝0.1〜0.4μＷとすることで十分な残留変位の低減が可能である。また、そのときの加速度の増加分は1.1〜1.4倍に留まり、予引張力を従来通りの滑り出し荷重で与えた場合には2倍程度にもなるに対してその上昇を大幅に小さくすることができる。したがって小さな予引張力で加速度の増加率を極力抑え、残留変位を大きく減らすことができる。
【００３３】
なお、予引張力比Ｆ／μＷ＜0.1の範囲では残留変位が十分に低減されない（残留変位低減効果が十分に得られない）ので有効ではない。また、予引張力比Ｆ／μＷ＞0.4の範囲では加速度がそれに比例して増大するので免震性能が大きく低下するばかりでなく、残留変位低減効果が頭打ちになるので無駄であり有効ではない。
以上のことから、本発明においては予引張力比を0.1〜0.4の範囲とする、すなわち予引張力Ｆを滑り出し荷重μＷの0.1〜0.4倍として  Ｆ＝（0.1〜0.4)μＷ  の範囲に設定すべきであり、それが最も合理的であり有効である。
【００３４】
以上で本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、復元ばね５に付与する予荷重を滑り出し荷重の0.1〜0.4倍の範囲に設定する限りにおいて、適宜の設計的変更や応用が可能である。
たとえば、本発明においては復元ばね５として上記実施形態のような定荷重ばね６を用いることが好適ではあるが、それに限るものではなく、他の形式のばねを用いることも可能である。
但し、その場合には、復元ばね５のばね定数と免震対象物１の自重Ｗとにより定まる固有周期が4秒以上となるように設定することが好ましく、そのような設計とすればどのような地震波であっても応答を小さくすることができるので有効である。
【００３５】
特に、復元ばね５としては、上記のようにそのばね定数と免震対象物１の自重Ｗとにより定まる固有周期が4秒以上となるようなコイルばねを引張ばねとして用いることも好適である。
その場合には、図１４（ａ）に示すようにコイルばね１４に対して定荷重ばね６の場合と同様に上記の予引張力Ｆが生じるような所定の限界変位を与えた状態でケース９内に収納し、戻り止めのストッパー１１によって限界変位以上の変位を許容しつつ限界変位以下に復元することを規制する状態で設置すれば良い。
このようなコイルばね１４を復元ばね５として用いる場合には、その復元特性は（ｂ）に示すように反力（復元力）が変位に依存するような特性を呈するものとはなるが、実質的に定荷重ばね６を用いる場合と同様に機能し同様の効果が得られるものとなる。
【００３６】
さらに、復元ばね５としては皿ばねを圧縮ばねとして用いることも考えられる。その場合も上記と同様に皿ばねのばね定数と免震対象物の自重Ｗとにより定まる固有周期が4秒以上となるようにしたうえで、皿ばねに予荷重としての予圧縮力Ｆが生じるような所定の限界変位を与え、かつその限界変位以上の変位を許容しつつ限界変位以下に復元することを規制する状態で設置すれば良い。
【符号の説明】
【００３７】
１  免震対象物
２  免震床
３  滑り材
４  支持部（構造床）
５  復元ばね
６  定荷重ばね（復元ばね）
７  ばね材
８  ドラム
９  ケース
１０  ワイヤー
１１  ストッパー
１２  ピン
１３  減衰要素
１４  コイルばね（復元ばね）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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