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Persönliches:
Prof. Dr.-Ing. habil. Udo Wittek verstorben

Nachrichten: Jury nominiert Bauwerke für den Deutschen Brückenbaupreis 2016
Neue Betontechnologien

Zuschrift zu: Polónyi, S.: Zuviel Stahl im Beton? Stahlbeton - 120 Jahre Welterfolg auf der Basis eines falschen Ansatzes. Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014), Heft 9, S. 628-636.
Zuschrift von Dipl.-Ing. Tim Bönninger, Schwerte

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Türme und Maste sind nach Brücken das zweitwichtigste Ingenieurbauwerk der Gegenwart. Dieses Prädikat resultiert aus ihrer Präsenz und ihrer Vielfältigkeit hinsichtlich Alter, Nutzung, Konstruktion und Materialien. Fortschreitende technische Neuerungen, zum Beispiel die Offshore-Windindustrie und die LTE-Mobilfunktechnologie, erfordern auch in Zukunft die Weiternutzung vorhandener und die Errichtung neuer Bauwerke.
Stahlmaste und -türme sind vielseitig einsetzbar, leicht zu warten und kostengünstig zu ersetzen. Dank der Verzinkung sind konkurrenzfähige Standzeiten auch ohne zusätzlichen Korrosionsschutz erreichbar. Stahlanwendungen im Bereich der Maste und Türme sind wegen ihrer vergleichsweise leichten Bauweise gut zu modularisieren und typisieren. Auch die Eigenschaften heutiger Stahlsorten bezüglich Schweißbarkeit, Festigkeit und Zähigkeit haben zum Erfolg der Bauweise beigetragen. Die Inspektionszyklen dieser Ingenieurbauwerke sind sehr von ihrer Nutzung abhängig und in den entsprechenden Normen und Vorschriften festgelegt.

Towers and masts made of steel - Examples of their range of use and construction.
Towers and masts constitute nowadays after bridges the second most important engineering structure. This claim is reasoned by presence and the diversity in terms of age, use, construction and materials. Technical innovations (e. g. offshore wind industry and LTE mobile technology) will continue to require the use of the existing and construction of new buildings.
Steel masts and towers are versatile, easy to maintain and their replacement is inexpensive. Thanks galvanizing competitive life expectations can also be reached without additional corrosion protection. Steel masts and towers can easily modularized and standardized due to light design. Moreover the modern steel grades with respect to their weldability, strength and ductility have contributed to the success of this type of structure. The needed inspection cycles given in the pertinent standards and regulations depend highly on the kind-of-use oft he considered structures.

Gewalzte Winkel sind typische Profile im Mast-, Turm- und Freileitungsbau. Je nach Länge des Profils können bei Druckbeanspruchung Versagensmodi von Drill- bzw. Biegedrillknicken, reinem Knicken und Interaktion mit lokalem Stabilitätsversagen auftreten. Die derzeitigen Normenwerke DIN EN 1993-1 (Stahlbau), DIN EN 1993-3 (Türme und Maste) sowie DIN EN 50341-1 und DIN EN 50341-3-4 (beide Freileitungsbau) regeln die Stabilitätsnachweise zum Teil unterschiedlich. Im vorliegenden Beitrag werden die wesentlichen Unterschiede herausgearbeitet und sowohl mit Versuchsergebnissen aus der Literatur als auch mit Finite-Elemente-Rechnungen, hier insbesondere hinsichtlich der Imperfektionsempfindlichkeit, verglichen.

Buckling resistance of L-profiles in towers, masts and open line constructions.
Rolled L-profiles are typical cross sections in towers, masts and open line constructions. Depending on the length, the dominant failure mode can change from lateral torsional to global and to local buckling. Current standards such as DIN EN 1993-1 (steel structures), DIN EN 1993-3 (towers and masts) and DIN EN 50341-1 and -3-4 (both open line constructions) are using different approaches to design against stability failure. In the study presented here, the main differences between the standards are shown. The results are furthermore compared with experimental results and finite element calculations, particularly with respect to imperfection sensitivity.

Heutzutage finden Gittermasttürme eine weltweite Anwendung in Sende- und Freileitungsmasten sowie Windkraftanlagen. Windturbinen mit Stahlgittermasttürmen schienen von Rohrtürmen schon fast vollständig verdrängt und erleben zurzeit eine Renaissance. Die Ursache liegt in der kostengünstigen Lösung zum Erreichen größter Höhen, welche die Nutzung größerer Windgeschwindigkeiten ermöglichen. Somit können Wirkungsgrad und Turbinenleistung der Anlage gesteigert und die Rotorfläche verringert werden. Des Weiteren können die Fundamente von Gittermasttürmen im Vergleich zu Rohrtürmen konstruktiv wirtschaftlicher ausgeführt werden. Der Einsatz von verschraubten Winkelprofilen erlaubt einen einfachen Transport zur Baustelle und eine schnellen Aufbau des Gittermastturmes auf unwegsamem Gelände. Zudem kann der langzeitige Korrosionsschutz der Winkelprofile durch Verzinkung nahezu aufwandslos sichergestellt werden. Neu entwickelte größere Winkelprofile aus hochfestem Stahl erlauben eine noch wirtschaftlichere und nachhaltige Ausführung von Gittermasttürmen und machen Gittermasttürme langfristig über den Einsatz in Windkraftanlagen hinaus zu einer konkurrenzfähigen Lösung. In diesem Beitrag werden die von ArcelorMittal neu entwickelten Winkelprofile L300 aus hochfestem Stahl vorgestellt. Außerdem werden für die Winkelprofile neue Knickspannungskurven entsprechend EC 3 ermittelt, welche eine wirtschaftlichere Bemessung gegenüber den bisherigen in EC 3 vorgeschlagenen Kurven erlauben. Anschließend wird anhand einer Fallstudie das Potential der neuen Winkelprofile in Gittermasttürme aufgezeigt.

New and innovative steel profiles for lattice towers - Results from research and application.
Nowadays, lattice towers are applied worldwide in telecommunication, transmission and wind turbine towers. Wind power stations with lattice towers have nearly been totally replaced by tube towers, but currently undergo a renaissance. The reason is the cost efficient solution for the achievement of big heights, which allow the exploitation of higher wind speeds. In this way, the degree of efficiency and the turbine output are improved with a smaller disk area. In addition, the fundaments of lattice towers are more economic in their execution than those of tube towers. The application of bolted angle profiles simplifies the transport and the erection of lattice towers in rough terrain. Moreover, the hot dip galvanization process of the angles assures a long-lasting corrosion protection without extra effort. Newly developed heavy angle profiles using high strength steel allow an even more economic and sustainable design of lattice towers, which will become a competitive solution in future. In this paper, the newly developed angles L300 of ArcelorMittal using high strength steel are presented. Additionally, appropriate reduction curves according to EC 3 are determined for the angles. Finally the potential of the new angles in lattice towers is highlighted in a case study.

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Schraubenverbindungen im Turm- und Mastbau werden immer dann als gleitfest vorgespannte Verbindungen der Kategorien B oder C nach DIN EN 1993-1-8 ausgeführt, wenn die Verformungen und der Schlupf in den Verbindungen minimiert werden müssen, wie zum Beispiel bei Funkmasten und Türmen von Windenergieanlagen. Wesentliche Einflussparameter auf die Tragfähigkeit einer gleitfesten Verbindung sind die Höhe der Vorspannkraft in den Schrauben und die Reibeigenschaften der gepaarten Oberflächen - beschrieben durch die Haftreibungszahl. Ein möglichst hoher und über die Lebensdauer der Struktur garantierter Gleitwiderstand ist wünschenswert, um die Anzahl der Schrauben und die Flächen der aufwändig und damit kostenintensiv herzustellenden Verbindungen gering zu halten und der Forderung der Industrie nach wartungsfreien Verbindungen nachzukommen. Aus diesen Gründen erfolgen derzeit umfangreiche Untersuchungen zur Ermittlung der Haftreibungszahl gleitfester Verbindungen auf Basis der DIN EN 1090-2 im Rahmen des europäischen RFCS-Forschungsvorhabens SIROCO unter Berücksichtigung unterschiedlicher Vorspannkraftniveaus und Beschichtungsarten, die im vorliegenden Beitrag auszugsweise am Beispiel von Alkali-Zink-Silikat beschichteten und spritzverzinkten gleitfesten Oberflächen vorgestellt werden.

Slip-resistant connection in towers and masts - testing and coating.
Bolted connections in towers and masts are executed as slip-resistant connections of categories B or C according to EN 1993-1-8 when deformations and slip have to be minimized, e. g. in radio masts and towers of wind turbines. The load bearing capacity of slip-resistant connections is mainly influenced by the level of preloading in the bolts and the friction of the faying surfaces - described by the slip factor. The highest possible and over the service life of the structure guaranteed slip resistance is desirable in order to keep the number of bolts and the faying surfaces of the complex and therefore expensive connections low and to meet the demand of the industry for maintenance-free connections. For these reasons, at present, extensive studies on the determination of the slip factor of slip-resistant connections on the basis of EN 1090-2 are carried out as part of the European RFCS research project SIROCO taking into account different preloading levels and coating types. Within the present contribution, first results are presented for alkali zinc silicate coated and zinc spray metallized faying surfaces.

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Im Stahlbau werden häufig Schrauben zur Herstellung von sicheren und haltbaren Verbindungen eingesetzt. Dennoch ist diese bewährte Fügetechnologie mit einigen signifikanten Nachteilen verbunden. Hierzu zählen im Wesentlichen die großen Streuungen beim Einbringen der Vorspannkraft für das drehmomentgesteuerte Anziehverfahren, die Gefahr des Losdrehens bei zyklischer Belastung durch Querverschiebung der Bauteile sowie die geringe Schwingfestigkeit bei Axialbelastung. Die bereits in den 1930er Jahren für die Luft- und Raumfahrttechnik entwickelte Schließringbolzentechnologie weist diesbezüglich Vorteile auf. Im Zuge verschiedenster Anforderungen aus dem Flugzeug-, Nutzfahrzeug-, Schienenfahrzeug- und Landmaschinenbau, der Wehrtechnik und dem Stahlbau wurde diese Fügetechnologie stets weiterentwickelt. Der Einsatz der vornehmlich im Maschinenbau angewendeten Schließringbolzentechnologie wurde dabei meist auf Einzelfalluntersuchungen gestützt, da keine einheitlichen Regeln zur Ausführung und Bemessung von Schließringbolzenverbindungen im Stahlbau zur Verfügung standen. Im Rahmen mehrerer AiF-Forschungsvorhaben der Industriellen Gemeinschaftsforschung sowie durch Zulassungsuntersuchungen konnten am Fraunhofer-Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik (AGP) sukzessive die notwendigen Bemessungsregeln erarbeitet werden. Diese werden im Rahmen des Beitrages vorgestellt, um die Vorteile dieser Fügetechnik weiteren Anwendern nutzbar zu machen. Dazu werden sowohl Einblicke in die bauaufsichtliche Verwendbarkeit gegeben als auch aktuelle Anwendungsbeispiele vorgestellt.

Design and execution of joints with lock-bolts for steel structures.
A large number of mechanical joints for steel structures is generated with conventional bolts. Still, this proven joining technology has some significant disadvantages. These include the big scattering of inserting the preload using the torque-tightening method, the risk of self-loosening by cyclic loads causing a cross movement of the components as well as the low fatigue resistance for axial loads. The lock-bolt technology was already invented in the 1930s and mainly used for the aviation and space industry in support of its evident advantages. Due to demands from different industrial markets, like aviation, truck, trailer, rail, bus, agriculture, mining, military and steel construction industry, the lock-bolt technology was further developed and applied. Its application, particularly in the mechanical engineering sector, was mainly possible due to individual investigations performed by the users of the technology. These investigations were costly but necessary due to the lack of consistent design rules, which hindered a broader implementation and the calculation of lock-bolt connections in the construction and building industry. Within the scope of several research projects funded by the AiF (German Federation of Industrial Research Associations) the Fraunhofer-Application Center for Large Structures in Production Engineering successively developed calculation rules, which will be introduced to the reader within the scope of this paper with the aim to utilise the advantages of this joining technique. Furthermore, the applicability in the building industry with general technical approvals will be exemplified and current applications demonstrated.

Freileitungsmaste aus Stahl - traditionell in Deutschland als geschraubte oder genietete Gittermastkonstruktionen mit einfachen Profilformen und Verbindungen ausgeführt - gehörten einst zu den Sinnbildern technischer Erschließung und Sicherung des nationalen Wohlstandes. Heute werden Freileitungsmaste eher als Belastung der natürlichen Ressourcen und Einschränkung der Freiräume betrachtet. Im Vorfeld neuer Trassen-Planungen wurden bereits massive Proteste der betroffenen Bürger gegen den Bau von Freileitungen formuliert. Im Zuge der Energiewende ist es daher von elementarer Bedeutung, das Image der Freileitungen als einen notwendigen und akzeptierten Teil unserer industriellen Gesellschaft zu verbessern. Zugleich sollte das große Potential des modernen Stahlbaus und moderner Stähle auch beim Freileitungsbau gewinnbringend ausgeschöpft werden können und diesen Markt für eine große Zahl an Stahlbaufirmen öffnen. Dies kann nur gelingen, wenn für Entwurf und Konstruktion von Freileitungsmasten aus Stahl neben modernen Produktions-, Fertigungs- und Ausführungstechnologien sowie wirtschaftlichen Aspekten insbesondere auch gestalterische Betrachtungen berücksichtigt werden. Folgerichtig wird das Forschungsprojekt interdisziplinär von Ingenieuren und Architekten bearbeitet. Ziel ist es, einen neuen Freileitungs-Masttyp aus Stahl zu entwickeln, der neben technisch und wirtschaftlich höchsten Anforderungen in seiner Gestalt eine neue Zeit, die Zeit der Energiewende der Bundesrepublik Deutschland symbolisiert.

Overhead line tower for the turnaround in energy policy - architectural, technical and economic aspects.
In Germany, overhead line towers in steel are traditionally constructed as lattice towers still using simple construction steel materials, angle profiles, bolted joints or even rivet connections. Lattice towers represent technical progress and national affluence for a long time, but this view has changed completely. Currently, overhead line towers are condemned with regard to aesthetic and the impact on man and environment. The German turnaround in energy policy is already accompanied by strong public protests. On the other hand, most German steel manufacturer are no more specialized in planning and building lattice tower constructions. In the course of the energy turnaround it is therefore essential to change the recent negative image of overhead line towers into an accepted and urgently required part of a modern industrial society. Moreover, the potential of modern steel and sophisticated steel constructions should be introduced into the construction of overhead line towers. This will only be successful, is the design and construction of overhead line tower in steel includes modern steel production, manufacturing and erecting technologies combined with economy and architectural requirements. Consequently, steel engineers and architects will cooperate in this interdisciplinary research project. The research target is to develop a new steel construction of overhead line towers, which achieves highest technical, economic and aesthetic quality and thus, will support as well as symbolize the change in energy policy in Germany.

Seit 2005 werden in den europäischen Forschungsprojekten HISTWIN (High-Strength Steel Tower for Wind Turbines, 2006-2009) und HISTWIN 2 (High steel tubular towers for wind turbines, 2010-2013) Untersuchungen zur Optimierung von konventionellen sowie polygonalen Stahltürmen von Windenergieanlagen durchgeführt. Die maximale Nabenhöhe von Windenergieanlagen mit Stahlrohrtürmen ist aufgrund der über das Straßennetz transportfähigen Dimensionen und der daraus resultierenden Durchmesserrestriktionen auf ca. 100 bis 120 m begrenzt. Im Rahmen dieser europäischen Forschungsprojekte wurde ein Beitrag zur Lösung dieses Problems durch die Entwicklung einer innovativen Reibverbindung geleistet, welche eine vertikale Segmentierung des Turms ermöglichen sollen. Kommt das Verbindungskonzept überdies anstelle konventioneller Ringflansche zum Einsatz, so ist nicht mehr die Ermüdung im Bereich der Ringflanschverbindung das kritische Bemessungsdetail, vielmehr verschiebt sich die bemessungsrelevante Größe hin zur Stabilität der Turmschale. In diesem Artikel liegt der Schwerpunkt auf den theoretischen Untersuchungen zur möglichen Erhöhung des Stabilitätswiderstandes und gleichzeitig möglicher Materialeinsparung durch die Verwendung eines polygonalen Querschnitts anstelle eines kreisförmigen Querschnitts. Im Rahmen dieser materialbasierten Wirtschaftlichkeitsstudie wurden die Untersuchungen auf Längsspannungen (keine Schubspannungen) und lokales Stabilitätsversagen (Beulen, kein Knicken) beschränkt. Darüber hinaus wurde eine Ovalisierung des Querschnittes nicht berücksichtigt und die Beulfeldkanten als fest unterstellt.

Economic feasibility studies on polygonal and circular towers for wind turbines.
Since 2005 numerous studies regarding functional and cost optimisation of circular and polygonal steel wind towers are conducted within the scope of the European research projects HISTWIN (High-Strength Steel Tower for Wind Turbines, 2006-2009) and HISTWIN 2 (High steel tubular towers for wind turbines, 2010-2013). The maximum hub height of wind turbines built with tubular steel towers is limited to approximately 100 to 120 m. This is due to restrictions regarding the maximum tower foot diameter to allow for road transportation logistics. Within the framework of the European research projects a contribution to solving that problem was made by introducing an innovative friction connection, allowing for a vertical segmentation of the tower. By use of this friction connection instead of a conventional ring flange connection, the critical design detail changes from fatigue of the ring flange connection to stability of the tower shell. The main focus of this article lies on the investigations of the possible increase of stability resistance and potential material savings by using polygonal cross sections instead of circular cross sections.

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HV-Schraubengarnituren mit großen Durchmessern kommen bevorzugt in Ringflanschverbindungen von Windenergieanlagen zum Einsatz. Zur Gewährleistung eines zuverlässigen Korrosionsschutzes werden die Garnituren feuerverzinkt. Der Einfluss der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit großer HV-Schrauben wurde bislang jedoch nicht abschließend untersucht. Zudem sind Wöhlerlinien, die für die Bemessung der Schrauben in Ringflanschverbindungen angewendet werden, nur begrenzt für große Schraubendurchmesser validiert. Anhand der in diesem Beitrag vorgestellten experimentellen Untersuchungen wird der Einfluss der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit großer HV-Schrauben systematisch analysiert. Es zeigt sich, dass durch die Feuerverzinkung die zyklische Beanspruchbarkeit der Schrauben maßgeblich reduziert wird. Der zugrundeliegende Schädigungsmechanismus kann mit Hilfe abgebrochener Schwingversuche gekerbter Proben dokumentiert und beschrieben werden. Die Ergebnisse der Schwingversuche an hochfesten Schrauben M36 werden mit gültigen normativen Regelwerken verglichen.

Fatigue strength of hot-dip galvanized high-strength bolt systems in ring-flange connections of wind turbines - Assessment of the boundary layer effect for bolts with large diameters.
High-strength bolt systems with large diameters are widely used in ring-flange connections of wind turbines. For reliable protection against corrosion, the bolts are hot-dip galvanized. However, until now the effect of galvanizing on the fatigue strength of bolts with large diameters is still under investigation. Moreover, applicable S-N curves for the verification of bolts in ring-flange connections are mostly validated on smaller bolts. In the investigations, presented in this paper, the effect of hot-dip galvanizing on the fatigue strength of large-size bolts is systematically analyzed. The results show that the cyclic load bearing capacity of the bolts is significantly reduced by the zinc coating. The corresponding damage mechanism is documented by use of aborted fatigue tests on notched specimens. Based on the fatigue test results on high-strength bolts M36 valid normative regulations are discussed.

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In der industriellen Fertigung von Schiffen, Pipelines und Mobilkränen werden hochfeste Feinkornbaustähle, die durch Vorteile bezüglich Schweißeignung und mechanisch-technologischer Eigenschaften gekennzeichnet sind, im Dickblechbereich eingesetzt. Konventionell werden Feinkornbaustähle durch mehrlagige Lichtbogenschweißverfahren mit relativ geringer Schweißgeschwindigkeit gefügt. Dabei sind sowohl der Verbrauch von Zusatzmaterial als auch die benötigte Fertigungszeit hoch. Hier stellt das Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen eine potentielle Alternative dar. Dabei werden die Vorteile des MSG-Schweißens und des Laserstrahlschweißens kombiniert bzw. die Nachteile kompensiert. Im Rahmen der vorgestellten Untersuchungen werden Laserstrahl-MSG-Hybridschweißprozesse zum einen mit einem integrierten induktiven Vorwärmprozess und zum anderen mit einem integrierten nachlaufenden MSG-Prozess für Feinkornbaustähle der Güten S690QL (t = 15 mm und t = 20 mm), L485MB (t = 23 mm) und L450MB (t = 30 mm) entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe des Laserstrahl-MSG-Hybridschweißens qualitativ hochwertige Schweißverbindungen an Dickblechen mit nur einer Lage erzeugt werden können. Zudem konnte die Robustheit des Laserstrahl-MSG-Hybridschweißens bezüglich der überbrückbaren Spaltbreite sowie Kantenversatz demonstriert werden.

Laser-GMA hybrid welding of high-strength fine-grained steels using in steel construction.
For industrial manufacturing of ships, pipelines or cranes, thick plates made of high-strength fine-grained steels are used, which are characterized by advantages with respect to weldability and mechanical properties. Steel structures made of thick plates are conventionally joined using multi-layer arc welding procedures, but this causes long production times and requires a high consumption of filler material. A potential alternative is laser-GMA hybrid welding technology, which combines the best advantages of laser beam welding with those of conventional gas metal arc welding. In the context of these investigations, the laser-GMA hybrid welding with an integrated inductive preheating process, and a laser-GMA hybrid welding process with a trailing GMA-welding process were developed for welding high-strength fine-grained steels with the grades of S690QL (t = 15 mm and t = 20 mm), L485MB (t = 23 mm) and L450MB (t = 30 mm). The results show that it is able to generate high quality welding seams by using a single-layer laser-GMA hybrid welding process. Furthermore, the robustness of the laser-GMA hybrid welding process for bridging gap widths as well as vertical edge offsets could be demonstrated.

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Der Einsatz von Korrosionsschutzsystemen, bestehend aus organischen Beschichtungssystemen oder metallischen Überzügen, wird in teils umfangreichen technischen Regelwerken für die Anwendung auf dünnem Blech bis 3 mm Blechdicke bis hin zu massiven Stahlbaukonstruktionen mit Tragsicherheitsnachweis umfassend beschrieben. Nach Bestimmung der vor Ort vorhandenen Korrosivitätskategorie und Festlegung der gewünschten Schutzdauer können geeignete Korrosionsschutzsysteme für ein bestimmtes Objekt aus Tabellen ausgewählt werden. Des Weiteren lassen sich zahlreiche Hinweise zur korrosionsschutzgerechten Konstruktion, zur Oberflächenvorbereitung und -vorbehandlung des Substrates und zu den Verarbeitungsbedingungen des Korrosionsschutzsystems in einschlägigen Regelwerken finden. Ein fachgerechter Korrosionsschutz an Stahlkonstruktionen muss durch Umsetzung der in Regelwerken genannten Qualitätssicherungsmaßnahmen sowohl bei der Planung als auch bei der Ausführung der Korrosionsschutzarbeiten erfolgen.

Professional corrosion protection for towers and masts made of steel.
The usage of corrosion protection systems, consisting of organic or metallic coatings, are comprehensively described in partly extensive technical rules for the application on thin metal sheets (3 mm sheet thickness maximum) up to massive steel structures with ultimate limit state design. After determining of existing on-site corrosion category and defining the desired term of protection time, the appropriate corrosion protection systems for a particular object can be selected from tables. Furthermore, numerous comments can be found for corrosion-resistant construction, for surface preparation and pretreatment of the substrate and the processing conditions of the corrosion protection system in the relevant regulations. A professional corrosion protection for steel structures must be carried out by implementation of technical rules mentioned in quality assurance measures, both in planning and in the execution of corrosion protection work.

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