Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural “ESTUDIO DE

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

“ESTUDIO DE TÉCNICAS DE REPARACIÓN PARA VIVIENDAS DE LA ZONA METROPOLITANA DE TOLUCA AFECTADAS POR ASENTAMIENTOS”. Escamilla Hernández Luís Alejandro∗ * y Germán Cabrera Marco Antonio RESUMEN La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento que han presentado las estructuras reparadas en la zona centro de la ciudad de Toluca a mediados de la década de los 80’s en casas habitación, que van desde la reparación de daños ligeros hasta la reestructuración total del inmueble. Se realiza el análisis estructural de viviendas seleccionadas en las condiciones originales y en el estado actual. Con los resultados obtenidos se podrá dar a conocer recomendaciones generales para implementar la reparación mas apropiada de los inmuebles dañados por los agrietamientos del terreno que se presentan en el valle de Toluca. ABSTRACT The purpose of this work, is to analyze the behavior that has displayed the structures repaired in the zone off the Down town of Toluca City, in the middle of the decade of the 80' s, that go, from the repair of slight damages to the total reconstruction of the building. The structural analysis of selected houses is made in the original conditions and the present state. With the obtained results it will be possible to be presented recommendations general to implement the appropriate repair but of the buildings damaged by the cracking of the land that appears in the valley of Toluca. ANTECEDENTES Desde el principio de los tiempos, los asentamientos humanos se han desarrollado a un costado de espejos de agua, ya sean lagos, lagunas o agua corriente en forma de ríos. Con el paso del tiempo y el incremento de las poblaciones el vital líquido es utilizado para todo tipo de actividades industriales y agrícolas con la conocida consecuencias de contaminación. La humanidad ha buscado diferentes formas de satisfacer la necesidad de proveer a la población del vital líquido, ya en la antigua Roma existían grandes acueductos para llevar el agua desde los manantiales ubicados a kilómetros de distancia a las urbes que lo requerían. En Machu Pichu actualmente corre agua por los canales que los Incas labraron sobre la piedra, para abastecer de agua a la mística ciudad. En el medio oriente se ha satisfecho la necesidad de abastecer de agua a la población desde tiempos inmemorables mediante pozos artesanos. En la actualidad, la mayoría de las ciudades del centro del país obtiene un gran porcentaje de agua para consumo humano de los mantos acuíferos que se localizan en el subsuelo de los valles en que se desarrollan las poblaciones, dado el excesivo crecimiento se ha tenido que recurrir a la sobreexplotación, es decir se extrae mayor cantidad de agua del subsuelo de la que naturalmente se recarga a través de la lluvia y/o el escurrimiento. Esta acción repercute en el agrietamiento del suelo, ya que los huecos que originalmente estaban ocupados por agua, poco a poco quedan vacíos perdiendo cohesión entre las partículas y con el paso del tiempo se rompen, generando grietas que se propagan hasta la superficie afectando todo lo que se encuentra sobre de ella. Cabe destacar que las fallas del terreno se clasifican en cuatro. ∗

M en I. Facultad de Ingeniería Universidad Autónoma del Estado de México (UAEM), Cerro de Coatepéc s/n, C.U. Toluca México, C.P. 50130, Telf. 2154512 ext. 258. e-mail: [email protected]

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XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural

Veracruz, Ver., 2008

La consolidación, que es la compresión paulatina de los diferentes estratos del suelo, provocando asentamientos mas o menos regulares en las estructuras en lapsos de tiempo muy prolongados, como es el más conocido caso de la basílica de Guadalupe y el edificio de las capuchinas (figura1), la catedral metropolitana y muchos edificios históricos de Ciudad de México. Otro fenómeno es la falla por capacidad de carga del terreno, que se presenta cuando los estratos del terreno no son capaces de soportar una sobrecarga en su superficie, de esta forma las estructuras sufren asentamientos irregulares en cuestión de horas. Un caso muy conocido de este fenómeno se recuerda con los silos de Trascona en Canadá en los años treinta del siglo XX (figura 2).

Otro caso de fallas se debe a la licuación del terreno, este se fenómeno se presenta en suelos del tipo arenoso con algún grado de saturación, este problema ocurre en suelos arenosos sueltos, cuyas condiciones especiales de drenaje propician la anulación de su resistencia al esfuerzo cortante durante un sismo, convirtiéndolos así en un material equivalente a un fluido, provocando asentamientos de las estructuras de forma repentina, caso más popular son los edificios de condominios que se vinieron abajo en el sismo de Niigata, Japón en 1964. (Figura 3)

FIGURA 1 asentamiento en el templo de las capuchinas Basílica de Guadalupe D.F.

FIGURA 2. Falla de los silos de Trascona, Canadá, por falta de capacidad de carga del suelo

FIGURA 3. Falla de condominios por licuación del suelo durante el sismo de Niigata, Japón en 1964

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El cuarto caso es el que nos ocupa, se trata de la fractura del terreno de desplante, que tiene dos explicaciones aceptadas, la primer explicación es que el suelo (del tipo cohesivo) a medida que va perdiendo humedad también pierde la cohesión entre sus partículas, de tal forma que se generan grietas que se prolongan por todo el estrato y poco a poco pasan a los estratos superiores que ya han perdido humedad hasta llegar a la superficie, generando grietas de longitud variable afectando todo tipo de estructura desplantada en su superficie (figuras 4 y 5). La segunda explicación válida se soporta en la primera e indica que existe además algún tipo de consolidación en los valles la cual no es uniforme debido a que los estratos rocosos del subsuelo no lo son, entonces los estratos mas blandos se deslizan sobre la capa dura de terreno provocando este fenómeno.

FIGURA 4 Daños en casa habitación provocados por falla en el piso

FIGURA 5 Daños en edificios provocados por falla en el piso

públicos

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Geológicamente, el Valle de Toluca se formó hace unos sesenta millones de años y es parte de una serie de lagos antiguos, sobre un relieve de rocas andesíticas que afloran en varias elevaciones, la mayoría de las cuales están integradas o están por integrarse a la gran mancha urbana que une o unirá a la ciudad con varias poblaciones aledañas. El fenómeno de agrietamiento del suelo que se presenta en el Valle de Toluca desde la década de los ochenta, no es un problema aislado, ya que se ha observado en varios lugares de la república mexicana como Querétaro, Qro. Celaya, Gto. Morelia, Mich. Ameca Jal. y otros, en donde las principales causas ha sido la desmedida sobreexplotación del acuífero, así como también se atribuye a la presencia de fallas geológicas. En el valle de Toluca el fenómeno se ha presentado en varios sitios, ya que se tiene registro desde 1968 de agrietamientos en regiones agrícolas del municipio de Xonacatlán, así mismo en la cuenca del alto Lerma, donde existen gran número de pozos de extracción de agua para proveer a la demanda del Distrito Federal, en donde se presentaron mas de cien fallas y fisuras reportadas en 1971, en el valle de Ixtlahuaca, al sur de Cocotitlán Estado de México se presentó una gran falla en 1974 A mediados de la década de los ochenta, el problema se agudiza en el centro de la ciudad de Toluca afectando la infraestructura urbana, aparece repentinamente una grieta en el suelo con desniveles de hasta 20cm afectando varias colonias de la urbe, donde resultaron dañadas más de cuatrocientas viviendas principalmente, además de centros médicos, escuelas y edificios públicos. Las autoridades municipales en conjunto con acuerdos estatales y federales restringieron considerablemente la extracción del agua en la zona centro con lo cual los asentamientos se han visto reducidos considerablemente.

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Posteriormente se han reportado daños en las colonias colindantes al cerro de la Teresona, las colonias los Ángeles, Carlos Hank, las Américas y otras con inmuebles afectados. Cabe destacar que los daños acumulados en la infraestructura debidos al fenómeno de asentamientos del terreno, supera con mucho los daños ocasionados por sismos en el mismo periodo del tiempo, ya que han resultado afectadas mas de 500 viviendas unifamiliares, edificios de departamentos que han tenido que ser desocupados edificios públicos que han tenido que ser demolidos así como infraestructura industrial que ha sido reparada, remodelada o retirada definitivamente. Los daños en las viviendas principalmente han sido atendidos desde diferentes enfoques, que van desde el abandono total hasta el constante mantenimiento de la estructura. El ayuntamiento de Toluca en un principio tomó el caso, brindando todo el apoyo a los propietarios de las residencias afectadas, ofreciendo proyectos individuales para cada caso en el que en aquella época contenía un proyecto técnico de reparación, los materiales y la mano de obra, así como la asesoría técnica en el proceso de reparación. En casos posteriores se ofreció el apoyo limitado, ya sea únicamente el proyecto individualizado, el material o bien la mano de obra y la asesoría técnica. El tipo de vivienda dañada responde a un conjunto de proyectos tipo que fueron edificados a principios de los sesenta, consisten en casas habitación construidas con muros de tabique rojo recosido y losas de concreto reforzado, según el nivel de la vivienda, son estructuras confinadas con dalas y castillos o sin ese confinamiento. El daño en la estructura de las viviendas responde principalmente al agrietamiento de sus muros, con grietas diagonales sobre los muros perpendiculares al agrietamiento y con desplomes en los muros sensiblemente paralelos a la grieta. De esta forma el daño de la estructura resistente se clasificó con cuatro categorías que se mencionan a continuación: Daño ligero. Cuando en un muro se presentan grietas menores a 0.2mm de espesor y longitudes menores al 30% de la longitud portante del muro. Daño moderado. Si la longitud de la grieta supera el 30% y está por debajo del 60% o bien el espesor de la grieta está por abajo del 3.0mm de espesor. Daño fuerte. Si la longitud del la grieta supera el 60% de la longitud del muro y por abajo del 80%, además de que el espesor está por debajo de 5.0mm. O bien el desplome es tal que pone en peligro la estabilidad del muro. Daño severo. Si los muros superan las limitaciones descritas arriba. Esto se expresa de mejor forma en la tabla 1 TABLA 1 Clasificación del daño en muros dependiendo de la longitud y espesor de la grieta

ESPESOR DE GRIETA 0.0 – 0.2mm 0.2 – 3.0mm 3.0 – 5.0mm >5.0mm

PORCENTAJE DE DAÑO EN EL MURO 10%

20%

DAÑO LIGERO

30%

40%

50%

DAÑO DAÑO

MODERADO

60%

70%

80%

90%

100%

FUERTE DAÑO

SEVERO

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Cabe destacar que los daños encontrados en las inspecciones realizadas se concentran principalmente en los muros y en consecuencia cuando los daños son mayores, estos afectan losas de cubierta o entrepiso, cancelería y algún tipo de acabado arquitectónico. Los proyectos de reparación se clasifican en cuatro grandes rublos que se detallan a continuación: Para las casas que presentaron daños leves en sus muros, se recomendó la Reparación de los elementos afectados (R), procedimiento que incluye el rajueleo de la grieta, inyectado de la misma con mortero fluido y recuperación del aplanado En el caso de muros con daños moderados se recomendó la Reparación y Refuerzo del elemento (RR), mediante el retiro del aplanado existente, el rajueleo de la grieta para la inyección con mortero fluido y la adición de un tramo de malla electrosoldada como refuerzo, debidamente anclada a los muros mediante conectores de cortante espaciados en tramos más o menos constantes; cuando la longitud de la grieta era pequeño solamente se reforzaba la zona dañada, cuando se acercaba al 50% de la longitud del muro, la malla se colocó en toda la superficie del muro expuesto. Cuando los daños que presentó el muro fueron clasificados con daños fuertes, el procedimiento recomendado consistió en la Reparación, Refuerzo y Reestructuración del elemento (RRR). La reestructuración además de los procedimientos ya mencionados consistió en la inserción de elementos confinantes a base de castillos y dalas de concreto reforzado. Para casos extremos en los que los muros de las viviendas respondieron a una clasificación de daño severo, la recomendación final fue la sustitución del elemento, la cual consintió en demoler el elemento afectado y reponerlo de la misma característica procurando proveer el refuerzo y los elementos confinantes recomendados en los procedimientos ya mencionados. Es importante mencionar que las viviendas afectadas, en su mayoría presentaban muros con daños variados, es decir incluían más de una clasificación de los daños, lo cual derivó en que las viviendas tuvieran distinto tratamiento cada una. Es preciso mencionar que hubo casas con distribución de daños ligeros en la mayoría de sus muros, así mismo hubo casos en el que la afectación fue tal que el dictamen tubo que ser de demolición parcial o total, en el caso de la demolición parcial se construyó en el mismo predio un equivalente en función y metros cuadrados a la bien demolido, con características tales que se consideraron resistentes en su momento. En el caso de la demolición total del inmueble hubo acuerdos entre el municipio y el propietario para canjear el predio por otro de valor económico similar. Cabe destacar que hubo algunos proyectos especiales de recimentación. Estos casos se presentaron en inmuebles muy cercanos a la grieta con daños generalizados en toda la construcción pero sin llegar a ser severos. El procedimiento de reparación consistió en la construcción de una losa de recimentación con contratrabes de gran peralte integrándolas a la estructura de los muros, los cuales fueron reparados según correspondió a su daño. En la actualidad el problema del agrietamiento del terreno en la zona metropolitana del valle de Toluca no ha desaparecido ya que se siguen presentando nuevos agrietamientos del suelo de la zona urbana, en el año 2003 Protección Civil municipal comunico que se venían formando nuevas grietas en la zona oriente de la ciudad, con una longitud conjunta aproximada de 8362 m. El conjunto de grietas se extiende a lo largo de la zona industrial de la ciudad y ha afectado nuevas colonias que se han formado por el crecimiento natural de la población. La afectación de la infraestructura es alarmante ya que actualmente el municipio no presta atención a los daños en los inmueble privados y los propietarios tratan de recuperar su inversión realizando reparaciones que en la mayoría de los casos no es ni la más adecuada ni la mas económica.

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El estudio de los agrietamientos del terreno se ha realizado desde diferentes perspectivas, estudios geológicos e hidráulicos han dado diferentes resultados, sin embargo los estudios estructurales de las edificaciones dañadas han sido limitados. Se tiene acceso a los proyectos de reparación practicados por la empresa PESISA a 28 inmuebles de 5 colonias de la zona centro de la ciudad, en los cuales se puede ver con precisión el estudio practicado a cada caso y los detalles de las reparaciones practicadas para cada elemento. En este trabajo se realiza el análisis estructural de las viviendas seleccionadas en las condiciones originales, (antes de las reparaciones de la década de los ochenta) y en el estado actual de los inmuebles, verificando la existencia de modificaciones, ampliaciones, restauraciones y/o reparaciones intermedias, con el fin de determinar el comportamiento de las mismas a través del tiempo. Al momento de la redacción del presente artículo se han visitado 6 inmuebles diferentes cuyas afectaciones fueron de moderadas a fuertes, solo se refieren tres casos representativos entre las que se encuentra un par de proyectos con recimentación. Cabe destacar que la investigación aún no concluye y en este caso solo se presentan los avances de la misma restando los análisis estructurales de las edificaciones en estado actual y poder obtener las conclusiones contundentes. Las viviendas visitadas así como la clasificación general del daño se mencionan en la tabla 2 TABLA 2 Conjunto de viviendas visitadas y su clasificación de daño

No 1 2 3 4 5 6

DIRECCIÓN FELIPE VILLANUEVA 702 VENUSTIANO CARRANZA 1503 PASEO TOLLOCAN 1243 FELIPE VILLANUEVA 713 ESTEBAN PLATA 227 ESTEBAN PLATA 301

CLASIFICACIÓN DEL DAÑO Daño severo con recimentación Daños fuertes con sustitución de elementos Daño severo con recimentación Daños fuertes con sustitución de elementos Daños moderados Daños moderados

TRABAJOS DE CAMPO Se realizó una visita a las viviendas seleccionadas con el propósito de observar la evolución del comportamiento de las mismas a través del tiempo, encontrándose circunstancias diferentes para cada vivienda seleccionada, pero con una constante, los daños estructurales de la época no han evolucionado considerablemente A continuación se detallan aspectos importantes de tres de las viviendas visitadas, una de cada tipo referenciada en la tabla 2

Felipe Villanueva 702 Esta edificación fue una de las más dañadas en especial por su sistema constructivo y es de las más importantes para el estudio ya que el propietario del inmueble fue el primero que dio aviso a las autoridades de la presencia de la grieta. En el predio, además de existir la construcción de la casa habitación que hoy se refiere, existía una construcción con una papelería que tubo que ser demolida ya que la grieta pasaba justo por debajo de su cimentación afectando esta construcción considerablemente

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El caso de estudio, se trata de una casa habitación de 270m2 construida en dos nivele y medio ya que cuenta con dos niveles habitacionales y en la azotea un cuarto de lavado y servicio. El sistema estructural empleado es a base de muros de carga de tabique hueco sin refuerzo interior. Se destaca que los castillos de confinamiento son castillos ahogados en los extremos de los muros, situación que contribuyó considerablemente a la disminución de la capacidad de carga de los elementos. La losa de entrepiso debido a la distribución de los muros de planta baja, es aligerada de concreto reforzado, la de cubierta está dividida en dos secciones, las losas exteriores son de concreto reforzado con distribución a dos aguas y en el centro es losa plana para alojar el área de tendido y el cuarto de lavado y servicio. Los daños fueron generales por toda la vivienda y se considera que ésta sufrió daños en un 70% de sus elementos debido a que la grieta del piso pasó por en medio del predio ocupado. El daño consistió principalmente en grietas diagonales en muros, de magnitudes de fuerte a severo, desplomes en la mitad de los muros y desniveles en el piso de planta baja. La reparación propuesta consistió en reparar las grietas del muro rellenándolas con concreto fluido, cabe destacar que en este caso hubo la necesidad de rellenar algunos huecos de los muros. Posteriormente se reforzó cada muro con castillos en sus extremos y se recubrió dicho muro con malla electrosoldada para después plantear un aplanado de mortero cemento-arena. Este proceso se realizó a la par de una recimentación integral de la vivienda que consiste en una losa de cimentación unida por contratrabes distribuidas en una retícula triangular. Se ligó los muros existentes con la losa de cimentación mediante un procedimiento de anclaje de varillas practicado en la base de cada muro. (Ver figura 6)

FIGURA 6 Croquis de anclaje de la recimentación

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En la visita de reconocimiento que se realizó recientemente se puede observar que la estructura actual prácticamente no ha sido modificada en su distribución arquitectónica, sin embargo se ha realizado un cambio de uso, ya que con el paso del tiempo la ubicación ha resultado mas comercial que habitacional, actualmente se usa como academia de artes plásticas. Desde el punto de vista estructural se ve que la estructura no presenta afectaciones considerables ya que los muros no exhiben agrietamientos, algunos conservan un desplome que en el trabajo de reforzamiento original no fue posible de corregir. Así mismo se observan daños por falta de mantenimiento ya que al ser muros de tabique hueco se han realizados perforaciones para colgar algún elemento decorativo y presenta fisuramientos que no han sido resanados adecuadamente. Cabe destacar que actualmente en la fracción del predio en el que se demolió la estructura del negocio, existe una construcción ligera que sirve como negocio de compra-venta de artículos decorativos.

Venustiano carranza 1503 Construcción desplantada en un predio de 199.6m2 con un área de construcción de 348m2 en dos plantas, el primer nivel es utilizado como oficinas y locales comerciales mientras que el segundo como casa habitación. El sistema estructural es a base de muros de tabique rojo recocido confinados por dalas y castillos. El sistema de piso y cubierta es de losa maciza de concreto reforzado. Debido a los asentamientos diferenciales del terreno de desplante algunos muros (principalmente de planta baja ) han sufrido daños severos, como agrietamiento diagonal. El procedimiento de reparación recomendado fue la restitución de los muros dañados, apuntalando la edificación, demolición de los muros dañados y una reconstrucción posterior. Finalmente se sugirió la revelación de la estructura para recuperar su nivel de servicio. En el recorrido actual se pudo constatar que los muros recomendados si fueron restituidos y salvo ligero mantenimiento no ha sufrido mayor alteración , el inmueble ha sido modificado en diferentes formas, sin embargo sigue prestando un servicio seguro y constante. En las figuras siguientes se puede observar el estado original del inmueble y el estado actual del mismo.

FIGURA 7 Daños originales de la vivienda

FIGURA 8 Situación actual.

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Paseo Tollocan 1243 Se trata de una casa habitación desplantada en un terreno de 431m2 en dos niveles con 140m2 la planta baja y 142m2 en el nivel superior. La memoria de cálculo original refiere un sistema estructural a base de muros de carga de tabique rojo recocido, así como las losas de entrepiso y cubierta de concreto reforzado. La edificación ha sufrido grietas en muros exteriores e interiores con un 38% del total de los muros dañados. Las grietas que aparecieron el piso tienen una trayectoria tal que afectó toda la edificación, de esquina a esquina, considerando que el inmueble quedó fuertemente dañado. El procedimiento de reparación para esta vivienda refiere que se reparen los muros con daño mediano mediante la adición de malla electrosoldada en cada una de las caras accesibles, los daños fuertes se siga un procedimiento similar con la adición de castillos, y los muros que se repongan se desplanten sobre una cadena de desplante rígida. Así mismo se propuso una recimentación total del inmueble con una losa de cimentación rigidizada por contratrabes formando retículas triangulares, (ver figura 9).

FIGURA 9 Planta de recimentación de la vivienda estudiada

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Al hacer recorrido en el transcurso de esta investigación, se encontró que la edificación ha sido demolida recientemente, se sabe que la reparación general de los muros se realizó conforme a lo estipulado, pero no se ejecutó la recimentación. El terreno actual está en carácter de terreno baldío y se tubo la oportunidad de realizar algunas observaciones. Tales como que el terreno a simple vista no acusa la presencia de alguna grieta, pero observando con cuidado se observa que el terreno no tiene un nivel uniforme y presenta hendiduras siguiendo la supuesta trayectoria de la grieta. Otra observación que se pudo realizar es que una de las edificaciones vecinas presenta antiguos agrietamientos en sus muros de colindancia sin embargo no representa peligro para la estabilidad de la estructura. (Ver figura 10 )

FIGURA 10 Estructura colindante al predio en estudio.

CONCLUSIONES Después de haber realizado la recopilación de la información existente, visitado algunos inmuebles en su estado actual y verificar la evolución de los daños en las estructuras se concluye: — Las reparaciones propuestas en ese tiempo fueron adecuadas, ya que no se ha incrementado sustancialmente el daño en los inmuebles. — Las reparaciones practicadas obedecieron a las técnicas y materiales disponibles de la época — La mayoría de las edificaciones han sufrido un cambio de uso, lo cual implica que el destino original de vivienda ha sido superado. — Por otro lado, la evolución de la grieta en el terreno ha sido frenada, ya que se ha evitado el bombeo de agua en la zona de afectación. RECOMENDACIONES — Concluir esta investigación para tener resultados más precisos que muestre de un parámetro del comportamiento de las edificaciones. — Utilizar como base de reparación, estos sistemas en los casos en que se requiera, ya que han demostrado ser eficaces en este tipo de deterioro. — Estar actualizado y emplear materiales de reparación de tecnología reciente, con base a los resultados obtenidos de técnicas ya probadas como las que se mencionaron arriba. — Mantener un monitoreo constante de la evolución de la grieta y en la medida de lo posible evitar construir sobre la trayectoria para evitar afectaciones a la infraestructura.

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AGRADECIMIENTOS Se agradece a la empresa hoy extinta PROYECTOS ESTUDIOS Y SISTEMAS SA DE CV por las facilidades brindadas para recabar los datos de las viviendas dañadas. Así mismo se hace un reconocim,iento público a los actuales propietarios de los inmuebles visitados por permitirnos hacer los recorridos y valuar el actual estdo en que se encuentran sus propiedades. BIBLIOGRAFÍA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21.

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