Estruturas de Concreto - Concreto Protendido 2

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    20-Nov-2015

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ESTRUTURAS DE CONCRETO PROTENDIDO

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| Concreto Protendido

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1 - CONCEITO DE CONCRETO PROTENDIDO

1.1 - DEFINIO DE PROTENSO

A protenso pode ser definida como o artifcio de introduzir, numa estrutura, um estado prvio de tenses, de modo a melhorar sua resistncia ou seu comportamento, sobre ao de diversas solicitaes.

1.2 - PROTENSO APLICADA AO CONCRETO

O artifcio de protenso tem importncia particular no caso do concreto, pelas seguintes razes:

a) O concreto um dos materiais de construo mais importantes. Seus ingredientes so disponveis a baixo custo em todas as regies habitadas na terra.

b) O concreto tem boa resistncia a compresso.

c) O concreto tem pequena resistncia a trao, da ordem de 10% de resistncia compresso. Alm de pequena, pouco confivel. De fato, quando no bem executado sua retrao pode provocar fissuras, que eliminam a resistncia a trao do concreto, antes mesmo de atuar qualquer solicitao.

Sendo o concreto um material de propriedades to diferentes a compresso e a trao, o seu comportamento pode ser melhorado aplicando-se uma compresso prvia (isto , protenso) nas regies onde as solicitaes produzem tenses de trao.

O artifcio da protenso, aplicada ao concreto, consiste em introduzir na viga esforos prvios que reduzam ou anulem as tenses de trao no concreto sobre a ao das solicitaes em servio. Nessas condies, minimiza-se a importncia da fissurao como condio determinante de dimensionamento da viga.

A protenso do concreto realizada, na prtica, por meio de cabos de ao de alta resistncia, tracionados e ancorados no prprio concreto.

Fig.1 - Viga de concreto armado convencional, sujeita a uma solicitao de flexo simples. A parte superior da seo de concreto comprimida e a inferior tracionada, admitindo-se fissurada para efeito de anlise. Os efeitos de trao so resistidos pelas armaduras de ao.

Fig.2 - Aplicao de um estado prvio de tenses na viga de concreto, mediante cabos de ao esticados e ancorados nas extremidades. P = esforo transmitido ao concreto pela ancoragem do cabo, geralmente denominado esforo de protenso.

Como as tenses de trao so desprezadas por causa da fissurao do concreto, verifica-se que uma parte substancial da rea da seo da viga no contribui para inrcia da mesma. Com a protenso aplicam-se tenses prvias de compresso que pela manipulao das tenses internas, pode-se obter a contribuio da rea total da seo da viga para a inrcia da mesma.

Sendo os cabos de ao tracionados e ancorados, pode-se empregar neles aos com alta resistncia , trabalhando com tenses elevadas, assim temos:

concreto com elevada resistncia a compresso,

aos com elevada resistncia a trao,

O estado prvio de tenses, introduzido pela protenso na viga de concreto, melhora o comportamento da mesma, no s para solicitaes de flexo, como tambm para solicitaes de cisalhamento.

1.3 - ARMADURAS DE VIGAS PROTENDIDAS

As armaduras de vigas protendidas so de dois tipos:

- armaduras protendidas;

- armaduras no protendidas.

As armaduras protendidas so constitudas pelos cabos de ao, pr esticados e ancorados nas extremidades. Os diversos tipos de armaduras protendidas sero analisados mais adiante.

As armaduras no protendidas so constitudas pelos vergalhes usuais de concreto armado, utilizados nas seguintes posies:

a) Armaduras longitudinais, geralmente denominadas suplementares; destinam-se a melhorar o comportamento da viga e controlar a fissurao da mesma, para cargas elevadas.

b) Armaduras da alma, geralmente constitudas por estribos, e denominadas armaduras transversais; destinam-se a resistir aos esforos de cisalhamento.

c) Armaduras locais, nos pontos de ancoragem dos cabos de protenso, denominadas armaduras de fretagem; destinam-se a evitar ruptura local do concreto nos pontos sujeitos a tenses muito elevadas.

d) Armaduras regionais, denominadas armaduras de introduo de tenses; destinam-se a garantir o espalhamento de tenses, aplicadas localmente, para a seo total da viga.

1.4 - COMPORTAMENTO DE VIGAS PROTENDIDAS SOB AO DAS SOLICITAES

Sob ao de cargas, uma viga protendida sofre flexo, alterando-se as tenses de compresso aplicadas previamente. Quando a carga retirada, a viga volta sua posio original e as tenses prvias so restabelecidas.

Se as tenses de trao provocadas pelas cargas forem inferiores s tenses prvias de compresso, a seo continuar comprimida, no sofrendo fissurao.

Sob ao de cargas mais elevadas, as tenses de trao ultrapassam as tenses prvias, de modo que o concreto fica tracionado e fissura. Retirando-se a carga, a protenso provoca o fechamento das fissuras.

1.5 - SENTIDO ECONMICO DO CONCRETO PROTENDIDO

As resistncias de concreto, utilizadas em concreto protendido, so duas a trs vezes maiores que as utilizadas em concreto armado. Os aos utilizados nos cabos de protenso tm resistncia trs a cinco vezes superiores s dos aos usuais de concreto armado.

O sentido econmico do concreto protendido consiste no fato de que os aumentos percentuais de preos so muito inferiores aos acrscimos de resistncia utilizveis, tanto para o concreto como para o ao de protenso.

1.6 - VANTAGENS TCNICAS DO CONCRETO PROTENDIDO

a) Reduz as tenses de trao provocadas pela flexo e pelos esforos cortantes.

b) Reduz a incidncia de fissuras.

c) Reduz as quantidades necessrias de concreto e ao, devido ao emprego eficiente de materiais de maior resistncia .

d) Permite vencer vos maiores que o concreto armado convencional; para o mesmo vo, permite reduzir a altura necessria da viga.

e) Facilita o emprego generalizado de pr-moldagem, uma vez que a protenso elimina a fissurao durante o transporte das peas.

f) Durante a operao da protenso, o concreto e o ao so submetidos a tenses em geral superiores s que podero ocorrer na viga sujeita s cargas de servio. A operao de protenso constitui, neste caso, uma espcie de prova de carga da viga.

2 - SISTEMAS DE APLICAO DA PROTENSO

2.1 - INTRODUO

A protenso do concreto feita por meio de cabos de ao, que so esticados e ancorados nas extremidades.

Os cabos de ao, tambm denominados armaduras de protenso, podem ser pr-tracionados ou ps-tracionados.

As vigas com armaduras pr-tracionadas so executadas seguindo os esquemas da Fig.3. A armadura protendida fica aderente ao concreto, em toda a extenso da viga.

Nas vigas com armaduras ps-tracionadas, os cabos so esticados aps a cura do concreto. A armadura protendida ancorada nas extremidades, podendo ficar aderente ao concreto, ao longo da viga, por meio de uma injeo de nata de cimento.

Os sistemas com armaduras pr-tracionadas so mais adequados para instalaes fixas (fbricas). Os sistemas com armaduras ps-tracionadas so mais utilizados quando a protenso realizada na obra.

Fig. 3 a) as armaduras de ao (1) so esticadas entre dois encontros (2), ficando ancoradas provisoriamente nos mesmos; b) o concreto (3) colocado dentro das frmas, envolvendo as armaduras; c) aps o concreto haver atingido resistncia suficiente, soltam-se as ancoragens dos mesmos (2), transferindo-se a fora para a viga, por aderncia (4) entre o ao e o concreto.

2.2 - SISTEMAS COM ARMADURAS PR-TRACIONADAS

Os sistemas com armaduras pr-tracionadas so geralmente utilizados em fbricas, onde a concretagem se faz em instalaes fixas, denominados leitos de protenso. Os leitos so alongados, permitindo a produo simultnea de diversas peas.

A Fig.4 mostra a seqncia construtiva de vigas com armaduras pr-tracionadas, em um leito alongado com capacidade para trs vigas. A ancoragem das armaduras no concreto faz-se por aderncia, num comprimento de ancoragem lbp (Fig.5). Quando a tenso na armadura reduzida, ela tende a voltar ao seu dimetro sem carga ((o); o aumento do dimetro mobiliza atrito no concreto, o que auxilia a ancoragem.

Fig.4 As armaduras (1) so colocadas atravessando os montantes (2), e fixando-se em placas de ancoragem (3), por meio de dispositivos mecnicos (4), geralmente constitudos por cunhas. A placa de ancoragem da esquerda fixa, a da direita mvel. Com auxlio de macacos de longo curso, esticam-se as armaduras, empurrando-se a placa de ancoragem mvel, at se alcanar o esforo de protenso desejado; a placa de ancoragem mvel ento fixada por meio de calos(5) mantendo as armaduras esticadas. O concreto (6) compactado dentro das frmas, envolvendo as armaduras protendidas, que ficam aderentes. Aps a cura do concreto, os macacos so recolocados em carga na placa de ancoragem mvel, retirando-se lentamente a tenso nas armaduras. A seguir, as armaduras so cortadas, junto s faces de viga. Como o encurtamento das armaduras impedido pela aderncia das mesmas com o concreto, resulta que as vigas ficam protendidas. No desenho da figura, so fabricadas simultaneamente trs vigas de concreto protendido (6).

lbp

Fig.5 Esquema de um fio pr-tracionado ancorado no concreto (lbp = comprimento de ancoragem por aderncia; 0 dimetro da armadura sem carga; 1 = dimetro da armadura protendida).

O comprimento da ancoragem (lbp) varia com a qualidade do concreto, a superfcie da armadura, a tenso de protenso etc. Os comprimentos obtidos experimentalmente variam de 100 a 140 para fios entalhados, 45 a 90 para cordoalhas de sete fios.

O esquema de protenso da Fig. 4 com armaduras retilneas, pode ser modificado de modo que as armaduras tenham uma trajetria poligonal no interior de cada viga (Fig.6).

As vigas com armadura poligonal so mais eficientes, pois a excentricidade da armadura maior no meio do vo, onde atuam maiores momentos fletores.

Fig.6 Esquema de execuo de vigas com armaduras pr-tracionadas poligonais em leito alongado, permitindo a execuo simultnea de vrias vigas, em srie. 1 armaduras pr-tracionadas; 2 placa de ancoragem; 3 concreto de viga; 4 pontos de apoio das armaduras poligonais; 5 pontos de rebaixamento das amaduras poligonais.

2.3 - SISTEMAS COM ARMADURAS PS-TRACIONADAS

Nos sistemas com armaduras ps-tracionadas, as armaduras de protenso so esticadas aps o endurecimento de concreto, ficando ancoradas na face do mesmo.

Estes sistemas podem apresentar uma grande variedade, dependendo dos tipos de cabos, percursos dos mesmos na viga, tipos e posicionamentos das ancoragens etc.

2.4 - CLASSIFICAO DOS SISTEMAS DE ARMADURAS PS-TRACIONADAS

Quanto posio relativa entre os cabos e a pea de concreto, podem ser distinguidas duas categorias: cabos internos e cabos externos viga.

Os cabos internos podem apresentar uma trajetria qualquer, sendo geralmente projetados com uma seqncia trechos retilneos e curvilneos.

Os cabos externos so geralmente retilneos ou poligonais; neste ltimo caso, os desvios do cabo so feitos em selas de apoio, colocados lateralmente viga.

Quanto ligao entre as armaduras protendidas e o concreto, existem duas categorias de cabos: cabos aderentes e cabos no-aderentes.

Nos cabos internos aderentes, utilizam-se bainhas metlicas, que podem ser lisas ou onduladas.

Os cabos internos com bainhas de papel ou de plstico (lisos) so considerados no-aderentes.

Os cabos externos, sem ligao direta com a viga ao longo do cabo, so evidentemente do tipo no-aderente; esse tipo de cabo muito utilizado em projeto de reforo de obras.

3 - MATERIAIS UTILIZADOS EM CONCRETO PROTENDIDO

Os principais materiais utilizados em concreto protendido so:

concreto

armaduras no-protendidas

armaduras protendidas

3.1 - CONCRETO

As principais propriedades mecnicas do concreto acham-se relacionadas com sua resistncia compresso simples (fck). Essa resistncia usualmente determinada em ensaios de ruptura de corpos de prova padronizados.

A resistncia trao simples do concreto (fct) pode ser determinada em ensaios de trao simples de corpos de prova prismticos em cujas extremidades so coladas peas metlicas onde se prendem as garras da mquina de ensaio.

3.2 - ARMADURAS NO-PROTENDIDAS

As armaduras no protendidas so realmente formadas pelos vergalhes usualmente empregados em concreto armado. Em estruturas protendidas, essas armaduras recebem as designaes de convencionais ou suplementares

Os aos empregados como armadura suplementar so designados pelas letras CA (concreto armado) seguidos do valor caracterstico do limite de escoamento em kgf/mm.

As armaduras no protendidas podem tambm ser constitudas por aos de alta resistncia (designao CP), aplicados sem protenso. Esse emprego , entretanto, pouco corrente, devido ao maior custo dos aos tipo CP.

3.3 - ARMADURAS PROTENDIDAS

Os aos utilizados como armaduras de protenso podem ser divididos em trs categorias:

-Fios trefilados de ao carbono, com dimetros variando entre 3mm e 8mm, fornecidos em rolos ou bobinas com grande comprimento de fio.

-Cordoalhas, constitudas por fios trefilados, enrolados em forma de hlice, como uma corda; so tambm fornecidas em bobinas, com grande comprimento.

-Barras de ao baixa liga, laminadas a quente, fornecidas em peas retilneas de comprimento limitado.

As principais propriedades mecnicas dos aos de protenso so as seguintes:

-Limite de elasticidade, maior tenso. O limite de elasticidade definido, convencionalmente, como a tenso que produz uma deformao unitria de 0,01%.

- Limite de escoamento convencional trao, igual tenso para a qual o ao apresenta uma deformao unitria residual de 0,2%, aps descarga.

- Mdulo de elasticidade, inclinao da parte elstica do diagrama.

- Resistncia ruptura por trao, igual ao esforo de ruptura da barra dividido pela rea de seo inicial (rea da seo com carga zero).

- Alongamento unitria de ruptura.

Os aos de protenso so geralmente designados pelas letras CP (Concreto Protendido), seguidas da resistncia caracterstica ruptura por trao, em kgf/mm.

As armaduras protendidas, ancoradas com tenses elevadas apresentam, com o passar do tempo, uma perda de tenso devida relaxao normal (RN).

Nos fios e cordoalhas pode-se fazer um tratamento termo-mecnico que reduz a perda por relaxao, sendo o ao denominado de relaxao baixa (RB). O tratamento consiste em aquecimento a 400 C e tracionamento at a deformao unitria de 1%.

Os aos de protenso devem sempre ser instalados com tenses elevadas, a fim de que as inevitveis perdas de protenso representem um percentual moderado da tenso aplicada (em geral 20% a 30%). Nessas condies, os esforos de protenso efetivos, atuando sobre o concreto, representaro cerca de 70% a 80% do esforo inicial instalado.

As tenses nas armaduras protendidas so entretanto limitadas a certos valores mximos, a fim de se reduzir o risco de ruptura dos cabos, e tambm de evitar perdas exageradas por relaxao do ao.

4 - EQUIPAMENTOS DE PROTENSO

4.1 - EQUIPAMENTOS PARA ARMADURAS PR-TRACIONADAS

Nas peas de concreto protendido com armaduras pr-tracionadas, a ancoragem se faz por aderncia com o concreto. As armaduras so tracionadas, por meio de macacos ou talhas; o concreto compactado envolvendo as armaduras protendidas; aps a cura do concreto, soltam-se as amarras que prendem as armaduras, transferindo-se os esforos para o concreto, por aderncia.

4.2 - EQUIPAMENTOS PARA ARMADURAS PS-TRACIONADAS

Tipos mais usuais de armaduras ps tracionadas

No estgio atual de industrializao dos processos de protenso, as armaduras mais usuais so formadas por cordoalhas ou por barras.

As armaduras ps-tracionadas so geralmente colocadas no interior do concreto, ficando isoladas do mesmo por meio de bainhas; as bainhas permitem o alongamentos das armaduras, na ocasio da protenso, que realizada aps a cura do concreto. Uma vez esticados e ancorados os cabos, as bainhas so geralmente injetadas com nata de cimento, a qual desempenha duas funes essenciais:

a) Estabelecer um grau de aderncia mais ou menos eficaz, entre as armaduras protendidas e o concreto;

b) Oferecer protenso mecnica e qumica para as armaduras, impedindo a corroso das mesmas.

4.3 - BAINHAS PARA ARMADURAS PS-TRACIONADAS

As bainhas so geralmente fabricadas com chapas metlicas, podendo ser lisas ou onduladas. As bainhas onduladas so de uso mais corrente, permitindo realizar com facilidade as curvas indicadas no projeto. As bainhas devem atender as seguintes condies:

a) Terem resistncia e estanqueidade suficientes para impedir entrada de nata de cimento em seu interior, durante a concretagem.

b) Permitem os alongamentos dos cabos, durante a protenso com atrito reduzido.

c) Terem rea suficiente para permitir boa acomodao dos cabos e passagem da nata de injeo.

4.4 - CABOS DE FIOS TREFILADOS

Os primeiros cabos utilizados para protenso foram feitos com fios trefilados. O engenheiro francs Eugene Freyssinet inventou as famosas ancoragens com cunha central, que constituram o produto bsico da indstria de protenso durante muitos anos.

4.5 - CABOS E CORDOALHAS

As cordoalhas de uso mais corrente so as de 7 fios, com dimetro nominal 1/2 ou 5/8. Os cabos so constitudos por cordoalhas, colocadas lado a lado, no interior das bainhas. Nas ancoragens, cada cordoalha presa individualmente por meio de cunhas encaixadas em furos cnicos.

A protenso feita por meio de macacos furados, que se apiam na placa de ancoragem ou na placa de apoio.

As ancoragens que permitem o esticamento dos cabos denominam-se ancoragens vivas ou ativas. Quando os cabos so protendidos nas duas extremidades, utiliza-se em ambas ancoragens ativas. Muitas vezes a protenso efetuada apenas em uma extremidade do cabo, o que permite o emprego de apenas um macaco. As ancoragens dos lados no protendidos denomina-se ancoragens mortas ou passivas, que podem ser constitudas por ancoragens ativas com cunhas pr-cravadas, por laos ou alas nas cordoalhas, ou por aderncia e atrito entre as cordoalhas e o concreto.

4.6 - ARMADURAS DE PROTENSO EM BARRAS

As barras de protenso so utilizadas individualmente, cada cabo formado por uma barra dentro de uma bainha.

As operaes de protenso e injeo dos cabos de barras so anlogas as dos cabos de cordoalhas. As barras so fabricadas em comprimentos limitados a cerca de 12 m, para fins de transportes, de modo que, em cabos longos, necessrio emendar as barras, com auxlio de luvas rosqueadas.

4.7 - INJEO DOS CABOS PS-TRACIONADOS

Os cabos protendidos no interior de bainhas so injetados com uma nata de cimento, que protege as armaduras e estabelece um grau de aderncia entre os cabos e o concreto.

A nata de injeo deve ser homognea, com consistncia de tinta espessa. Em geral, obtm-se uma nata adequada misturando-se cimento e gua, na proporo de 1:0,4 em peso, acrescentando-se um aditivo plastificante e expansor.

5 - TRAADO GEOMTRICO DAS ARMADURAS DE PROTENSO

5.1 - PEAS PROTENDIDAS COM ARMADURAS PR-TRACIONADAS

Nas peas protendidas com armaduras pr-tracionadas, o traado geomtrico das armaduras , em geral, muito simples, em decorrncia do prprio processo construtivo. As armaduras so retilneas ou poligonais.

5.2 - PEAS PROTENDIDAS COM ARMADURAS PS-TRACIONADAS

Nas peas protendidas com armaduras ps-tracionadas, colocadas no interior de bainhas flexveis, os cabos podem assumir uma forma qualquer, evitando-se entretanto um grande nmero de curvas, para limitar as perdas por atrito.

Fig. 7 Tipos de cabos de protenso utilizados em vigas simplesmente apoiadas:

1- cabo retilneo, ancorado nas faces extremas da viga.

2- Cabo curvo, ou parte retilneo e parte curvilneo, ancorado nas faces extremas da viga.

3- Nicho de ancoragem ativa, na face extrema da viga.

4- Cabo curvo, ou parte retilneo e parte curvilneo, ancorado na parte superior da viga.

5- Nicho de ancoragem ativa, na face superior da viga.

6 - APLICAES PRTICAS DO CONCRETO PROTENDIDO

6.1 - CONCRETO PROTENDIDO COM ARMADURAS PR-TRACIONADAS

As peas protendidas com armaduras pr-tracionadas so geralmente fabricadas em usinas, havendo grande interesse em padronizar os tipos construtivos, para economia de formas.

Geralmente, as peas so fabricadas sem blocos de ancoragem, o que constitui uma simplificao muito conveniente para as formas metlicas, permitindo a produo de elementos com comprimentos variveis sem modificar as formas laterais.

Painel Premo Struder

Painel Duplo T

Telhas Premo

Viga I

Fig. 8 - Exemplo de seo de peas com armaduras pr-tracionadas.

6.2 - CONCRETO PROTENDIDO COM ARMADURAS PS-TRACIONADAS

O concreto protendido usado com maior freqncia na construo de vigas para edifcios, pontes etc.

O nmero de aplicaes do concreto protendido to grande, que no se pode mencionar todas elas num trabalho elementar. Como estruturas protendidas de grande porte, podem ser citadas as plataformas martimas de explorao de gs ou petrleo, os invlucros de proteo de centrais atmicas, as torres de concreto e as pontes estaiadas. A introduo de tirantes de ancoragem protendidos, em rochas e solos, causou profundas alteraes nos projetos de engenharia de solos.

7 - TIPOS DE PERDA DE PROTENSO

7.1 - INTRODUO

Perdas de protenso so todas as perdas verificadas nos esforos aplicados aos cabos de protenso.

As perdas de protenso podem ser classificadas em dois grupos:

a) Perdas imediatas, que se verificam durante a operao de esticamento e ancoragem dos cabos, a saber:

- perdas por atrito, produzidas por atrito do cabo com peas adjacentes, durante a protenso;

- perdas nas ancoragens, provocadas por movimentos nas cunhas de ancoragem, quando o esforo transferido de macaco para aplaca de apoio;

- perdas por encurtamento elstico de concreto;

b) Perdas retardadas, que se processam ao longo de vrios anos, a saber:

- perdas por retrao e fluncia do concreto, produzidas por encurtamento retardado do concreto, decorrentes do comportamento viscoso deste complexo material;

- perdas por relaxao do ao, produzidas por queda de tenso nos aos de alta resistncia, quando ancorados na extremidade, sob tenso elevada.

8 - EXECUO E CONTROLE DA PROTENSO

8.1 - PROGRAMA DE PROTENSO

O programa de protenso um relatrio emitido pelo projetista, contendo as informaes essenciais para o controle das operaes de protenso dos cabos.

O programa de protenso deve fornecer, no mnimo, os seguintes dados:

- ao de protenso a ser empregado;

- cabo de protenso adotado;

- esforo mximo de protenso, por cabo;

- resistncia necessria do concreto, na poca da protenso;

- coeficientes admitidos para perdas por atrito ao longo do cabo;

- alongamento previsto para o cabo, sob ao do esforo mximo;

- esforo de cravao das cunhas, quando for o caso;

- penetrao prevista para as cunhas, ao se transferir o esforo do macaco para a ancoragem, quando for o caso;

- seqncia de protenso dos cabos, vinculada s etapas de construo da obra.

CONCLUSO

A aplicao do concreto protendido, principalmente em peas pr-fabricadas apresenta vrias vantagens como podemos observar. Mas como foi visto antes, preciso de um intenso controle de todo o sistema para que nada de errado venha a acontecer.

Um dos pontos que me chamou a ateno mas que no muito falado nos livros so os problemas apresentados na hora da execuo da protenso referentes a segurana do local.

A protenso um trabalho que apresenta um alto risco de acidentes se no for executado com os devidos cuidados. As cordoalhas so protendidas quase na sua tenso mxima e se houver algum descuido ou as condies de segurana forem precrias podem acontecer graves acidentes.BIBLIOGRAFIA:

PFEIL, Walter Concreto Protendido, Introduo, Livros Tcnicos e Cientficos Editora S.A., volume 1, 1985.Norma NBR 6118 Projeto de Estruturas de Concreto

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