Curso Estruturas Hidráulicas Introducción

8/20/2019 Curso Estruturas Hidráulicas Introducción

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ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS

FACULTAD DE INGENIERIAIng. Esp. M.I.R.H Harry Alejandro Pineda Padilla

Programa Ingeniería CivilUniversidad Tecnológica de Choco

Abril de 2015


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1. INTRODUCCIÓN A LASESTRUCTURAS HIDRÁULICAS

El ingenio humano ha permitido que los hombres puedan vivlejos de los cauces naturales llevando el agua desde ellos a loscentros de consumo. Esta independencia creciente del lugar deconsumo respecto a la fuente, conseguida gracias alavancetécnico de las estructuras hidráulicas y demás obras deconducción del agua, es la que ha permitido la extensióngeográfica y el desarrollo de la humanidad.

Las estructura hidráulicas son las obras de ingeniería necesariapara lograr elaprovechamiento de los recursos hídricos ycontrolar su acción destructiva. Trabajan en la mayoría de locasos en combinación con elementos y equipos mecánicos. Sconstruyen en beneficio del hombre y el desarrollo de lahumanidad.


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Según su objetivo funcional:1. Obras para suministro de agua.

Abastecimientos a poblaciones e industrias.Regadíos.

Mantenimiento de la capa freática. El agua utilizada puede sersuperficial o subterránea.

2. Obras que la utilizan como elemento pesante.Saltos de agua, en todas sus variedades (uso energético)Obras para navegación.

3. Obras de defensa.Embalses amortiguadores de crecidas.Corrección y protección de cauces naturales.

4. Obras de drenaje.

Canales, Canaletas, Culverts, Transiciones, Colectores.

1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas

TIPO DE ESTRUCTURAS

HIDRÁULICAS


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Para lograr cualquiera de las finalidades citadas no suele bastar una solaobra, siendo necesario un conjunto de ellas diferenciadas por la misiónque han de cumplir y que son las siguientes:


TIPO DE ESTRUCTURAS

HIDRÁULICAS

Unapresa o di

que que sirve para elevar el nivel natural del agua enel río al objeto de poder desviarla hacia un cauce artificial. Esta presasuele servir también para crear un embalse que retiene lasaportaciones sobrantes en ciertas épocas, guardándolas para las deescasez.

Una serie deconducciones que sirven para transportarla por estoscauces artificiales hasta el lugar de su utilización.Una instalación para su uso: red de abastecimiento, centralhidroeléctrica, red de riego, etc.; parte de esta instalación consistiráen obras y otra en maquinaria específica para ese uso (bombas,turbinas, aparatos para riegos, depuración, etc.)


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EmbalsePresa

Captación

Tratamiento

Conducción

Distribución


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Presas de embalse con sus obras accesorias de desviación, captación yvertimiento de excesos.Presas de derivación y sus correspondientes obras de desviación y de

captación.Conductos a superficie libre.Conductos a presión.Obras de protección contra inundaciones.

Obras de protección por ataques de ríos o quebradas contra susmárgenes, o contra estribos y pilas de puentes.Obras de encauzamiento de corrientes naturales.Puertos y obras de protección de playas.Instalaciones para explotación de aguas subterráneas.


TIPO DE ESTRUCTURAS

HIDRÁULICAS


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PRIORIDAD DE USO DEL RECURSO

HÍDRICO1. Agua Potable2. Uso Agrícola

3. Uso Energético4. Uso Industrial y otros


El agua es vital para todos los procesos de la supervivencia y eldesarrollo. De allí la importancia de las estructuras hidráulicas, qucorrectamente proyectadas, diseñadas y construidas permiten el mejoraprovechamiento de los recursos hídricos poniéndolos en función de lanecesidades del hombre y su entorno.


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USOS DE UNA ESTRUCTURA

HIDRÁULICA Al proyectar una obra hidráulica se debe buscar en lo posible queutilización sea de uso múltiple para beneficiar varios sectores deeconomía, entre los cuales están:


1. Hidroenergía : utilización de la energía de las aguas fluvialesmarítimas.

2. Transporte acuático: utilización de las aguas fluviales, de lagosmares para la navegación y flotación de madera.

3. Mejoramiento hídrico : utilización de aguas para irrigación de tierraspara la extracción de aguas excesivas de tierras sobresaturadas.

4. Suministro de agua para el consumo humano5. Control de avenidas e inundaciones6. Recreación7. Drenaje y control en vías8. Control de contaminación ambiental-Drenaje Urbano


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Estructuras de contención.

Mantienen un desnivel entre aguas arriba y aguas abajo. Son en genepresas que interceptan la corriente de los ríos en los cañones o val

fluviales elevando el nivel de aguas arriba y generando un embalse envaso topográfico natural.

Estructuras de regulación.

Deben controlar la acción erosiva de las corrientes en el fondo y orilla dcauces.. Las estructuras reguladoras no crean como regla general embalsino que actúan sobre la dirección y la magnitud de las velocidades de fluPueden pertenecer a este grupo los diques, las baterías de espolones, lazudes, etc. Además de su función protectora pueden garantizar lprofundidades y condiciones necesarias para navegación y flotaciónmaderas, crear condiciones para captación de aguas en los ríos, ganar tieral mar, etc.


Clasificación de las estructuras hidráulicas


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Estructuras de conducción del agua.Transportan el agua de un punto a otro, o unendos fuentes de caudales.



Canales: cauces artificiales hechos en el terreno superficial yfuncionando por gravedad.Tuberías: conducciones que funcionan a flujo libre o apresión. Su construcción implica la desmantelación de lascapas superiores del terreno y son preferibles a un canal entopografías difíciles o con vegetación tupida.Túneles: conducciones que funcionan a flujo libre o a presión.No producen el desmantelamiento de las capas superiores delterreno y se usan en topografías de alta montaña.


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Estructuras de evacuación de aguas de exceso



Son los vertederos, rebosaderos o aliviaderos que sirven paraevacuar el agua sobrante en forma controlada durante épocas decreciente. En algunos casos estas estructuras se construyen en elcuerpo de la presa y en otras separadamente.

Obras de toma de agua

Captan el agua para conducirla al sitio de consumo.


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Estructuras de Drenaje Especiales en vías



Son las estructuras encargas del control y manejo de las aguaslluvias sobre los taludes viales, el control y manejo deencausamiento de cursos de agua que cruzan las vías, control deaguas lluvias a lo largo de las vías.


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Obras de disipación de la energía del agua.



Tienen por fin amortiguar el poder erosivo del agua evitando suacción destructora. Pueden ser las canaletas amortiguadoras,salto de trampolín sumergido, salto de squi, bafles, etc.

Estructuras hidráulicas especialesSirven a uno o varios sectores de la economía hidráulica pero no a todoEstán aquí incluidos los edificios de centrales hidroeléctricas, pozoscarga, almenaras, esclusas navegables, elevadores de arcos, muelles,sedimentadores, redes de distribución para riego o drenaje, colectoresestaciones de bombeo, plantas de tratamiento, pasos para peces, etc.


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Estructuras principales, auxiliares o temporales

Estructuras principalesGarantizan el trabajo normal del nudo hidráulico para cumplir con lafunción para la cual fue proyectado: presa, vertedero, bocatoma,disipador de energía.

Estructuras auxiliaresSon necesarias para realizar la operación de las principales. A estascorresponden los campamentos, talleres, vías terrestres, acueductos,iluminación, telecomunicaciones, etc.

Estructuras temporalesNecesarias mientras se construyen las principales: son las ataguías yconducciones de desvío.


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Según su localización en el sistema fluvialEstructuras en el curso altoGeneran por lo regular cargas o presiones altas, donde la altura sobrepasa losmetros. Se dan en cañones estrechos, con buenas cimentaciones; las presas sorígidas; altas y esbeltas, y los embalses pequeños y profundos.

Estructuras en el curso medioGeneran cargas o alturas de presión medias con alturas desde 8 a 40 metros. Los rcorresponden a zonas meándricas y entrenzadas, con cañones ampliossedimentación en los cauces. Los embalses son medianos y grandes, las subpresioson apreciables. Las presas son por lo regular de gravedad y de tipo flexible.

Estructuras de cauce bajoEn ellas el nivel normal de contención no sobrepasa los 8 metros. Las presas sontipo rígido en concreto reforzado; las subpresiones son altas, los vertederos vincorporados a la estructura principal de contención, losvalles son aluviales y bastante amplios.


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VIABILIDAD DEL PLANEAMIENTO URBANO

SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI

1-Determinante en la capacidad ambiental para los asentamientos.

2-Determinante para la determinación de la disponibilidad de los servicios públicos básicos.

3-Requisito para la concesión de licencias de construcción.

Sistema Abastecimiento

Capacidad Ambiental deSuministro

Demanda de AguaPoblacional

PLANEAMIENTO DE PROYECTOS



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MEJORA DE LA COMPETITIVDAD DE UNA SOCIEDAD –INCREMENTO DELAS CONDICIONES ECONÓMICAS


Sistema

Abastecimiento

Demanda de Agua

Poblacional

Demanda propia de la población

Demanda Industrial- Comercial




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VALORACIÓN ECONÓMICA DE LAS CONDICIONES CON SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO


Sistema

Abastecimiento

Ahorro en costos detratamiento de

Enfermedades hídricas

Control de la capacidadHídrica Ambiental

Ingresos por efecto de lacapacidad Industrial

Municipio


1 I d ió l E Hid á li


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ETAPAS DE DESARROLLOHIDRÁULICOTeóricamente, cabe considerar tres fases en el desarrollo hidráulico de u

región o país:• Desarrollo inconexo o “de oportunidad” . Es el período durante el

cual se considera hay agua sobrada para las necesidades y ello condua no cuidar su utilización: se toma simplemente de donde más conviensin pensar si perjudicará o no a otros posibles usos más adelante.

• Desarrollo integral. El agua ya no es sobrada para las necesidades yello obliga a prever y ordenar su uso óptimo. Las cuencas hidrográfise usan como conjunto y se proyectan las obras de forma que sobtengan usos variados y con la mejor utilización total..

• Etapa de superaprovechamiento. Cuando se sobrepasa la utilizaciónde alrededor del 80% de los recursos naturales, es preciso extremar aúmás la ordenación del uso del agua y la coordinación entre recursosusos, porque nos aproximamos al límite de posibilidades. Para ello

reforman las obras y se extrema el cuidado al usar el agua.


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1. Cálculo del costo del embalse para varias alturas del llenado.2. Cálculo del costo del beneficio que se puede obtener al

garantizar una demanda para varias alturas de llenado.3. Cálculo del beneficio neto.4. Selección del proyecto con mayores beneficios, considerando

si es necesario y posible, otros factores como el social y elecológico.

Al hacer una optimización de este tipo, se comprueba que el río sinproyecto puede proporcionar algún tipo de beneficio y por otro lado, quse llega un momento en que un incremento en la altura de la presa nosignifica un incremento en el beneficio neto. Esto se explica por el hechde que no se puede extraer del río mas allá de los aportes que suministra

en un período determinado.

ETAPAS DE DESARROLLO HIDRÁULICProcedimiento general para la planeación de un

Proyecto Multipropósito


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Procedimiento general para la planeación de un

Proyecto Multipropósito-Análisis basado enRiesgos

ETAPAS DE DESARROLLO HIDRÁULIC

1. El análisis basado en riesgo determina el tamaño de unaestructura hidráulica basado en el nivel de riesgo que puedegenerar para la sociedad el fallo de la misma.

2. Se debe estimar el tamaño óptimo que implique un nivel deconfiabilidad del sistema y un nivel económico de construcció

y mantenimiento.


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Proyecto Multipropósito-Análisis basado enRiesgos


Tamaño

Costos

COSTOS ASOCIADOS AL RIESGO DE FALLA

COSTOS INVERSIÓN- OPERACIÓN

Esquema de determinación de tamaños óptimosbasados en Análisis de Riesgo

COSTOTOTAL

TAMAÑO ÓPTIMO


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Proyecto Multipropósito


Estimación CostosInversión

Estimación CostosOperación año i

Estimación IngresosOperación año i

Determinación VPNCostos e Ingresosaños N

Determinaciónmayor VPN por

proyecto

Determinaciónproyecto

1 I t d ió l E t t Hid á li


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ESTUDIOS GENERALES PARA ELDISEÑO

Análisis de las necesidades en agua-DemandaEsquema director de acondicionamiento de lascuencasInventario y comparación económica de zonas depresasEstudios de factibilidad

Estudios de impacto y de ambienteEstudios geológicos y hidrogeológicos

Análisis económico



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Componentes del Sistema de Abastecimiento

Fuentes de Abastecimiento

Aguas superficiales

Aguas subterraneas

Captación Aducción

Sedimentadores

Conducciones

Planta Tratamiento AguaPotable PTAP

Almacenamientos

Redes Distribución

Bocatomas Filtros

Embalses

Pozos

Expresas

Matrices

Redes Matrices

Redes Menores

Sectorización

(Control Pérdidas)

Estaciones de Bombeo



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Concepto de Diseño según Norma ISO 9000:2000

Se “planea” un proceso ó producto para lo cual se deberá realizar la “revisión”, “verificación” y “validación” del producto de Diseño.

PRODUCTODE DISEÑO

Entradas1-OBJETO DEL DISEÑO 2-PARÁMETROS DEDISEÑO 3-CRITERIOS DE DISEÑO

4-NORMATIVIDAD DEDISEÑO.

5-FUNCIONALIDAD DELDISEÑO

Salidas1-DISEÑO COMO TAL2-VALORES DEFINIDOS ENEL DISEÑO 3-CUMPLIMIENTO DEREQUISITOS Y NORMAS 5-NIVEL DE OPERATIVIDAD

DEL DISEÑO

PROCESO GENERAL DE DISEÑO



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Concepto de Diseño según Norma ISO 9000:2000

Revisión

Verificación

Validación

PROCESO GENERAL DE DISEÑO



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S S S S C O O

Criterios Generales de Diseño

Localización del proyecto

Demanda de Agua

Disponibilidad de Abastecimiento



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Localización del proyecto

Topografía

Climatología

Hidrología

Geología



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Demanda de Agua

Población y Demanda

Nivel de Complejidad del Proyecto

Entidades Responsables



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Disponibilidad de Abastecimiento

Estudio Hidrológico

Relación con las Entidades Ambientales



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Estructura General del Proyecto de Diseño

Estudios Previos Diseños Detallados

Aspectos Legales Aspectos Ambientales

Definición Proyecto

Marco institucional

POT

Construcción Interventoría Operación



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Estructuración del Proyecto de Diseño

Estudios Previos

Diseños Detallados


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Estudios Previos

Definición y alcance del Proyecto

Población Afectada

Diagnóstico Sistema Existente

Marco Lega e Institucional


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Estudios Previos



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Estudios Previos

Alternativas para localización del Proyecto

Localización de bocatomas

Trazados de ConduccionesLocalización de PTAP

Análisis inicial Geotécnico-Geológico



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Estudios Previos

Predimensionamientos de los Componentes

Estimaciones de la Población

Cálculo de la Demanda de Agua



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Estudios Previos

Predimensionamientos de los Componentes

Bocatoma --- Q=100 l/s H=2m

Conducciones ---- L=2.0 Km

PTAP ---- Q=120 l/s V=1000 m3



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Estudios Previos

Valoración Inicial de Costos de Inversión yOperación

Bocatoma --- Co=K bQ ó Co=KVconcretoConducciones ---- Co=K tf(D)L

PTAP ---- Co=K ptap Q ó Co=KptapVcontacto



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Diseños Detallados

Localización detallada de componentes

Estudios Geotécnicos de Capacidad y Estabilidad

Diseños Hidráulicos Detallados-Definiciones de alturas,pérdidas, accesorios, esquemas de operación.


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Proyecciones de Población y Demanda de Agua

T

P

CRECIMIENTOSATURADO

CRECIMIENTO LÍNEAL

CRECIMIENTO EXPONENCIAL

CRECIMIENTOMODERADO

Tipos de crecimiento de la Población

DECRECIMIENTO



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T

P

Concepto General de la Proyección de la Población

PERÍODO DECALIBRACIÓN

PERÍODO DEPROYECCIÓN

Escenario Alto

Escenario Medio

Escenario Bajo

PERÍODO DEDISEÑO

Proyecciones de Población y Demanda de Agua


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Proyecciones de Población-Métodos

Método Aritmético-Líneal



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Método Aritmético-Líneal

T

P


PERÍODO DEPROYECCIÓN PERÍODO DEDISEÑO

PROYECCIÓN



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Método GráficoT

P


PERÍODO DEPROYECCIÓN PERÍODO DE

DISEÑO

POBLACIÓNESTUDIO

POBLACIÓN A

POBLACIÓN B

POBLACIÓN C

PROMEDIO CURVASPROLONGADAS


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Método Geométrico



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Método Geométrico

T

P


PERÍODO DEPROYECCIÓN PERÍODO DEDISEÑO

PROYECCIÓN



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Método Exponencial



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Método Wappus

)(200

)(200

ci f

ci f ci f T T i

T T i P P

))(()(200

ciucciuc

ciuc

P P T T P P i

0)(200 ci f T T i



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Método con Tasas y Efectos Económicos

Población Total t

Población Total t+1

Migración ij, t Natalidad t Mortalidad t

PIBj t Exportación t Importación t

Pob i t+1



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Consumo de Agua

Dotación Neta Residencial

q. = d neta [L/h/día]Consumo estimado por habitante por día



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Consumo de Agua

q. = d neta [L/h/día]

Estimación mediante la Facturación corriente si se dispone deélla.

Tablas de Facturación Agrupación porEstratos y Usos

Suman Facturaciones Agrupadas

Doti= Fact i /NUsuariosi



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Consumo de Agua

q. = d neta [L/h/día]

Correcciones a la Dotación neta

Tamaño de la Población Por Efecto de la Temperatura



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Consumo de Agua

Correcciones a la Dotación neta-Por pérdidas

3.8 PÉRDIDAS

Rangos

3.8.1 Pérdidas en Aducción (Agua Cruda) < 5% QT

3.8.2 Necesidades Planta Tratamiento 3% - 5% QM

3.8.3 Pérdidas en Conducción (Agua Tratada) < 2% QM

3.8.4 Pérdidas Técnicas Red Distribución ANC=VP-VF

Nivel de complejidad del sistema Porcentajes máximos admisibles de pérdidastécnicas para el cálculo de la dotación bruta

Bajo 40%

Medio 30%

Medio alto 25%

Alto 20%

IANC para estimación de tarifas según Resolución CRA 1975 de 2000 es 30%

B.2.5.5 Pérdidas Comerciales para diseño 7%


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Demanda de Agua

Qmedio=Caudal medio de produccióndbruta =Dotación bruta ajustada por pérdidasp=Población Proyectada (para el período de diseño)

Caudal Medio Diario



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Demanda de Agua

QMdiario= K1 Q medio

Caudal Máximo Diario – Máximo Horario

QMhorario= K2 Q Mdiario

K1 = 1.2 – 1.3

K2 = 1.4 – 1.6



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Demanda de Agua

Caudal Máximo Diario – Máximo Horario



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Demanda de Agua Urbana

Curva de Variación Diaria del Caudal Típica (Bogotá)

[Horas]

PATRÓN CONSUMO

DÍA

0.6

1.5

0.8

0 6 12 24

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