Die Kunst der vermessungstechnischen Überwachung technischer Bauwerke liegt nicht nur in der Verwendung der besten Sensorik, sondern vor allem im richtigen Messkonzept und der daraus folgenden, bestmöglichen Interpretation der Daten. In der heutigen Zeit gilt dies mehr denn je, denn bei Sensoren gibt es eine dynamische Entwicklung. Infrastrukturmanagement wird immer stärker digitalisiert und holt den Abstand, den es zur „Digitalen Fabrik“ im deutschen Maschinen- und Anlagenbau zweifelsohne noch gibt, mit Siebenmeilenstiefeln auf. Entscheidend bei der Digitalisierung des Monitorings ist daher, das passende Gesamtkonzept für das jeweilige Projekt zu finden.

Bahnverkehr in Hochgeschwindigkeit (KI-Bild). Die Ausbau- und Neubaustrecke Karlsruhe-Basel bringt auch höchste Anforderungen an die Vermessung.
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Der Tunnel Rastatt
Ein herausragendes Beispiel hierfür ist der Eisenbahntunnel Rastatt, ein „Meilenstein“ für den Aus- beziehungsweise Neubau der Strecke Karlsruhe–Basel. Herausragend deshalb, weil der Tunnel nicht nur das Stadtgebiet und einen Fluss unterquert, sondern auch in einem geologisch anspruchsvollen Gebiet liegt: der Oberheinischen Tiefebene, die Teil einer größeren Grabenbruchzone darstellt und für die kleinere, dafür aber viele seismische Aktivitäten normal sind. In der Summe hat auch dieser Sachverhalt dazu geführt, dass bei der Bautätigkeit des Tunnel Rastatts die Überwachung eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe ist, schließlich gilt es Senkungen (und Hebungen) bei Hochgeschwindigkeitsstrecken der DB AG während der Bauphase (geplante Fertigstellung 2026) tunlichst genau zu beobachten.
Der gesellschaftliche Druck für den Bahnausbau ist groß, der geologische an dieser Stelle aber kaum geringer. In der Folge wurde beim Tunnel Rastatt in den letzten Jahren auch technologisch alle Register gezogen.

Das Messverfahren
Gefordert war seitens der Deutschen Bahn ein Messkonzept, das eine sehr genaue Beobachtung von Bewegungen des Tunnels in der Bauphase erfordert, vor allem bei den Injektionen in den baulichen Untergrund zwecks Stabilisierung des Bauwerks.
Der Schlüssel dazu sind die Fugen zwischen den Tübbingen, bei denen es galt, deren verhalten hochgenau und in sehr enger Taktung (quasi Echtzeit) zu überwachen (und natürlich in wirtschaftlich vertretbarem Rahmen). Vor allem ging es dabei um die sogenannten Relativbewegungen zwischen benachbahrten Längsfugen. Je nach Belastungssituation und anderen Faktoren kann die Konvergenz in Teilabschnitten sehr unterschiedlich ausfallen – es kann aber auch größere, geologisch bedingte Senkungen geben. Daher waren die Bewegungswerte in 3D so wichtig. Verjüngt sich die Fuge beispielsweise, beult sie sich aus oder biegt sie sich: Die Einzelwerte sind entscheidend, um das gesamte Bewegungs- bzw. Deformationsverhalten des Bauwerks aus den Messwerten „herauszulesen“.

Die Aufgabe
Den Zuschlag für diese nicht nur vermessungstechnisch anspruchsvolle Aufgabe bekam das Unternehmen TABERG Ingenieure, das bereits seit Beginn des Projektes Tunnel Rastatt für die Beweissicherung und für sämtliche Immissionsmessungen der Baustelle verantwortlich war. Dazu zählen zum Beispiel auch Schall und Erschütterung, aber auch Bodenbewegungen, die in dem Fall konkret Auswirkungen auf umliegende Bauwerke und Privathäuser haben können. Daher hat das Unternehmen schon seit Jahren auch vermessungstechnische Arbeiten an der Oberfläche durchgeführt. In der Folge kam auch der Auftrag für die Entwicklung des neuen, erweiterten Messkonzepts.
„Das Know-how im Bereich Monitoring spielte eine wichtige Rolle“, so Martin Schwall, Inhaber der TABERG ISB GmbH & Co. KG und unter anderem bekannt für seine überregional unternehmerischen Aktivitäten im Bereich der Vermessung mit der IngenieurTeam GEO GmbH (siehe Beitrag BG Ausgabe Nr. 1/2024, Seite 30f.).
TABERG konnte mit einem Messkonzept überzeugen, das einerseits die neuesten am Markt befindlichen Technologien für die Messung von Fugen, Rissen und kleinen Bauteilbewegungen berücksichtigte und hat auf dieser Basis ein Mess- und Überwachungskonzept entwickelt, das den Projektanforderungen standhielt.

Ingeneurtechnisch durchdachte Anordnung der Sensoren an den Fugen zwischen den Tübbingen. Damit gewinnt man tiefe Insights in das Bewegungsverhalten des Tunnels.
Foto: TABERG ISB GmbH & Co. KG

Während der Sensor von SuessCo Bewegungen an der Fuge im Nanometerbereich messen kann, gibt es auch noch ergänzende Absolutwertmessungn via Tachymeter.
Foto: TABERG ISB GmbH & Co. KG

Sensorik und Messkonzept
Bei den Sensoren musste die Wahl auf die neue Sensorgeneration der Firma SuessCo Sensors aus Österreich (siehe Beitrag ) fallen, die genau diese Anforderungen als Innovation auf dem Sensormarkt bereits unterstützen kann. Die installierten Sensoren messen zweimal pro Minute (bis in den Nanometer-Bereich), nach fünf Messungen (2,5 Minuten) werden die Ergebnisse gesammelt übertragen. Dies geschieht über ein im Tunnel installiertes Mobilfunknetz.
Die geforderte Einsatzzeit pro Batterie (50 Tage) unterschritt die Möglichkeiten des Sensors (bis zu 10 Jahre) um ein Vielfaches. Die Darstellung der Werte geschieht in einem Online-Dashboard, wobei die Grenzwerte für die Benachrichtigungen nach umfangreicher Abstimmung mit allen betroffenen Experten der jeweiligen Personen definiert wurden. Für Absolutwertmessungen wurde zudem ein per Tachymeter präzise vermessenes Festpunktfeld angelegt.
Bei der Interpretation der Daten galt es, stark interdisziplinär zu denken, verschiedene Fachaufgaben miteinander zu verknüpfen und teamorientiert zusammenzuarbeiten, quer über alle Fachrichtungen. Geophysik, Bauphysik, Bauteilekenntnisse (die Tübbinge werden im BIM-orientierten Verfahren implementiert) und weitreichende Erfahrungen beim Bau von Tunneln spielten wichtige Rollen, die auf unterschiedlichste Akteure verteilt waren.
Das Projekt lief sehr erfolgreich und wir konnten ein maßgeschneidertes Messkonzept entwickeln, das dem neuesten Stand des Echtzeitmonitorings entspricht und gleichzeitig auch schnell und kostenschonend installiert werden konnte“, so Mohammed Ismail (leitender Projektingenieur bei TABERG ISB).
www.deutschebahn.de
www.taberg-isb.de

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Donnerstag-Nachmittag in Baden-Württemberg: ein verkehrsreiches Wochenende steht an, doch die Infrastruktur droht zu streiken. Konkret steht eine Brücke im Verdacht, der Belastung nicht standzuhalten. Fachleute, Verkehrsexperten und Politiker diskutieren. Ist der Verdacht technisch begründet? Muss man ihn ernst nehmen? Soll man sie gleich sperren? Die Risikoeinschätzung läuft auf Hochtouren. Dort wo Gefahr ist, gibt es auch Rettung, wusste schon der schwäbische Dichter Friedrich Hölderin. Beim Vermessungsspezialisten nicht weit entfernt gibt es eine neue Überwachungslösung, die ist schnell, hochgenau und Plug & Pay installierbar. Also Freitag morgens zum Vermessungs-Shop fahren, zur Mittagszeit die neue Technik installieren und ein schnelles, aber hoch verlässliches Insight gewinnen: Die Brücke hat nur auf Temperaturschwankungen reagiert und hält der Verkehrsbelastung stand. Also Rettung: Der Verkehr konnte noch Freitagabend freigegeben werden.
Das Besondere bei dieser Geschichte: Sie ist nicht frei erfunden. Sie ist echt (beziehungsweise sehr ähnlich). Sie könnte jedenfalls theoretisch derzeit fast überall auf der Welt (außer in China natürlich) passieren. Denn alle Länder besonders der westlichen Welt haben ähnliche Probleme mit ihren Brücken. In den 1960er und 1970er Jahren vielerorts in Betrieb genommenen kommen sie in die Jahre – und waren damals beileibe nicht für das massive Verkehrsaufkommen der vergangenen Jahrzehnte ausgelegt.

Fiktiver Messschrieb für die Bewegung von Infrastruktur (wie Brücken) im Bereich von Mikrometern. SuessCo Sensors nutzt dafür die passende Metapher des Pulsschlags.

Hintergrund der Firma SuessCo
Entscheidender Hauptakteur der Geschichte ist das österreichische Unternehmen SuessCo Sensors GmbH, das seit nunmehr 8 Jahren allerlei interessante Neuentwicklungen im, grob gesagt, IOT-Umfeld, getätigt hat und seit vier Jahren eine Technologie auf den Markt gebracht hat, die eine Miniaturisierung von 3D- und 6D-Sensorik sowie Kommunikationstechnologie darstellt, extrem klein ist, sehr energieeffizient, hochgenau und auch noch Plug & Play installierbar. Kein Wunder, dass die sogenannte erfinderische Höhe so offensichtlich ist, dass das Unternehmen die Patentanmeldung für Europa und die USA(!) schon erfolgreich gemeistert hat.
Hauptgegenstand der Messungen sind zwar „nur“ Risse, Fugen und Brückenlager, das hat es aber in sich. Es gibt zwar schon viele Sensoren dieser Art auf dem Markt, aber nicht in 3D bzw. 6D (mit Rotation), der Genauigkeit in allen Dimensionen und der integrierten Kommunikationstechnik. Das von außen kleine, geradezu aufreizend unscheinbare Objekt benötigt lediglich LTE-M oder in besonderen Empfangs-Situationen wie etwa dem Tunnelbau WiFi, um seine Daten an eine zentrale Auswertungssoftware zu senden. Aufgrund der hohen Energieeffizienz überlebt das Objekt bis zu zehn Jahre autonom am Einsatzort, es kann aber auch am (PV-)Netz versorgt werden (was meist nicht nötig ist). Über eine simple Batterieklappe kann die Einsatzzeit nahezu beliebig verlängert werden, falls die notwendigen Batterietypen auch noch in 70 Jahren verfügbar sind (Vorsicht Ironie).
Die Sensorik – auch die ist für die erfinderische Höhe groß und nicht-trivial, wie es beim Patentverfahren so schön heißt – hat ihren Anteil. Sie basiert auf Magnetfeldsensoren, die nicht nur wenig Energie verbrauchen, sondern auch Messwerte im Bereich von rund 50 Mikrometern(!) liefern. „Das wird derzeit zwar selbst im Brückenmotoring noch nicht gefordert, aber wer weiß, wofür es noch genutzt werden kann“, sagt Ernst Windhör, Co-Gründer der Firma. Ursprünglich stammt die Technik aus dem Bereich von Bremstechnik im Automobilbereich, besser gesagt aus den ABS-Entwicklungen, wo kleinste Deformationen und Messgrößen eine entscheidende Rolle spielen.
Bei der Suche nach neuen Anwendungsfeldern für die Technik stießen die Wiener, deren Technischer Co-Gründer Professor Dieter Süss ist, eine weltweite Koryphäe auf dem Gebiet der mathematischen Modellierung von magnetischen Materialien. Kurz: Der Physiker ist vor allem für den wissenschaftlichen Sensor-Teil zuständig.

Einer von vielen Anwendungsfällen sind Brücken, hier zum Beispiel für die Erfassung kleinster Bewegungen bei Lagern (Beton, Stahl und mitunter hochelastische Baustoffe). Quelle: SuessCo Sensors GmbH

Booster für Ingenieursvermessung
Damit sorgt die Technik für neue Erkenntnisgewinne von Ingenieuren, die das Verhalten von Infrastruktur aller Art hinsichtlich ihrer Bewegung supergenau messen können. „Man kann sehr gut sehen, ob eine Bewegungs-Anomalie ursächlich auf eine mechanische oder thermische Belastung zurückgeht“, sagt Windhör. Was abstrakt klingen mag, beschreibt exakt einen der Vorteile (wie in Baden-Württemberg erlebt). Beispiele dieser Art gibt es bereits viele. Bei einer Brücke in Ostösterreich fand die SuessCo-Technologie beispielsweise heraus, dass das aufkommende Brückenproblem gar nicht vom Strömungsdruck des akuten Hochwassers herrührte, sondern von großen Temperaturschwankungen. Damit überrascht man selbst so manchen Fachmann.
Ein weiterer Clou: Es ist sogar kostengünstig. „Als wir anfingen, uns speziell mit Brückenmonitoring zu beschäftigen, dachte ich intuitiv, das sieht aus wie ein Patient auf der Intensivstation: große Mengen an Sensoren und Kabeln suggerierten ein solches Bild, dass nicht nur auf großen Leiden des Patienten hindeutet, sondern unter betriebswirtschaftlicher Sicht auch auf hohe Kosten“, so Windhör, der unter anderem studierter Betriebswirt ist. Der Start-Up-Ehrgeiz war also geweckt und wenig später stellte sich prompt der Erfolg ein. Der aktuelle Trend geht auch dahin. Anstatt alle Brücken auf einmal neu bauen zu müssen, fragt man eher nach validem Monitoring, um die Nutzungsdauer zu verlängern. Die Hamburger Köhlbrandbrücke mit den beim Bund aufgehängten Forschungsprojekt „Digitaler Zwilling“ lässt grüßen.
Die Liste der schon umgesetzten Projekte ist bereits lang. Sie reichen von der schnellsten Achterbahn der Welt in Abu Dhabi bis hin zu den derzeit modernsten und spektakulärsten Brücken wie der Friesenbrücke. Experten wissen: die Brücke ist drehbar und in der Höhenlage verstellbar, da sie einen Kreuzungspunkt von Wasserstraße und ICE-Trasse kreuzt. Noch ambitionierter geht kaum.
Beim Start-up zählt aber nicht nur die Spitze des technologisch Machbaren, sondern auch die Breite, also die Skalierbarkeit. Hier stehen besonders Brücken und Tunnel im Fokus (siehe die Rastatt-Geschichte rechts). In Mexiko wird derzeit eine Brücke für die Verkehrsbelastung der WM-Zeit im Sommer getestet.

Metapher des Pulsschlags der Brücke
Aktuell gibt es auch die erste Anbahnung für ein Projekt rund um alpine Gefahren. Hier sucht man auch nach immer genaueren, autonomen und einfach installierbaren Sensoren und will lernen, das komplexe Feld zu verstehen. Oder anders gesagt: Man muss lernen, denn das Georisiko ist gigantisch. Bei den Brücken stehen Risse und Fugen im Fokus, aber nicht nur. Viele Anwendungen befassen sich auch mit dem Verhalten der Brückenlager, die aus magnetischen Materialien (Stahl) etc. oder modernen Polymeren bestehen, deren langfristige Elastizität entscheidend ist und bisher nur „manuell“ überwacht werden konnten. Dafür hat heutzutage niemand mehr Zeit, Geld und Personal. „Wir liefern den Pulsschlag der Brücke“, sagt Windhör, sich wohl bewusst, dass dies nur eine Metapher ist. Die aber sitzt! Genauso wie die Frage nach dem „Kilometerstand“ der Brücke, „die jeder Brücken-Experte sofort versteht, aber sich mit der Antwort noch sehr schwertut“, berichtet Windhör von typischen Gesprächssituationen bei Projektanbahnungen.
SuessCo ist klar, dass es mit dem Infrastruktur- und Geomonitoring auf einem Gebiet unterwegs ist, das die Chancen der Digitalisierung noch bei weitem nicht ausschöpft. Hier ist nicht nur Disruption gefragt, sondern vor allem Zusammenarbeit. Die SuessCo-Technologie kann in verschiedenen Projekten verschiedene Rollen einnehmen. Zum Beispiel arbeitet die im österreichischen St-Pölten ansässige Firma auch mit AUGMENTERRA GmbH, die auf satellitenbasierte inSAR-Technologie spezialisiert sind. Damit kann man langfristige Erdbewegungen erkennen, wie sie etwa bei Absenkungen durch Steinkohlebergbau auftauchen und auch für Infrastruktur relevant sein können. Hier kann die SuessCo-Technologie zur Validierung oder Ergänzung der Messmethoden eingesetzt werden – oder umgekehrt, je nach Anwendungsfall.

www.suessco.com

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Der Calmont an der Mosel ist nicht nur eine bekannte Lage, sondern der steilste Weinberg Europas. Ein ideales Terrain für das anspruchsvolle Monitoring-Projekt. Quelle: TRIGIS GeoServices GmbH

BIM revolutioniert seit einiger Zeit die Methoden der Geotechnik und eröffnet völlig neue Möglichkeiten in Planung und Umsetzung. Neben den zahlreichen Infrastrukturbauwerken ist das erklärte Ziel, auch geologische Strukturen digital zu erfassen und für die weitere Verarbeitung verfügbar zu machen.
Hierbei ist es wichtig, eine digital durchgängige fachliche Risikobewertung zu etablieren, die den geologischen Untergrund integriert, um die Planungs- und Bauprozesse zu unterstützen. Insbesondere bei der Planung, Ausführung und dem Betrieb von Schutzbauwerken gegen alpine Naturgefahren gibt es ein großes Potential zur Implementierung der BIM-Methodik und des Geo-Monitorings.

Die Idee
Im Rahmen des Forschungsprojekts „smartROCK“ wurde überprüft, wie sich die BIM-Methodik konsistent im Lebenszyklus von Schutzbauwerken gegen alpine Naturgefahren umsetzen lässt und welches Digitalisierungspotential die gesamten Bearbeitungsschritte von der Erkundung, über die Planung bis hin zur Ausführung bieten. Das mFUND-Verbundprojekt lief ab 2022 und wurde kürzlich erfolgreich abgeschlossen. Unter Beteiligung der Partner w&p geoprojekt GmbH, TRIGIS GeoServices GmbH und Geobrugg AG wurde der Calmont, Europas steilster Weinberg bei Cochem an der Mosel, genauer unter die vermessungstechnische Lupe genommen. Praxispartner war der Landesbetrieb Mobilität Rheinland-Pfalz (LBM).
„Wir haben uns als Planungsbüro, Vermessungsdienstleister und Bauteillieferant zusammengetan, um die BIM-Methodik in der Felssicherung zu etablieren“, sagt Steffen Gauger, Projektleiter bei TRIGIS. Im Zentrum steht die Überwachung, die aber viele Phasen des Infrastrukturmanagements betrifft: Vermessung, Kartierung, Standsicherheitsanalysen, Steinschlagsimulation, Planung, Ausschreibung, Bauausführung und Bauüberwachung.

Geologie und Sicherung
Geologisch befindet sich das Untersuchungsgebiet im „Rheinischen Schiefergebirge“, in dem tonige und quarzitische Sandsteinschichten anstehen. Gut sichtbar erkennt man dort zum Beispiel den Wechsel der jeweiligen Schichten (Kaulen und Felsengrate), was weinbautechnisch ein interessantes Terroir erzeugt. Am Fuß des Hanges befinden sich bereits Sicherungsbauwerke, welche aber nicht mehr dem Stand der Technik genügen.

Das 3D-Modell des Weinbergs. Hier gibt es einige Besonderheiten bei der Modellierung. Quelle: TRIGIS GeoServices GmbH

Photogrammetrie als Planungsgrundlage
Zu Beginn wurde beschlossen, das rund 15 Hektar große Gebiet per Drohne zu befliegen, um die notwendige Datengrundlage für 3D-Modellierung und Texturierung der Oberflächen zu erzeugen.
Die erste Messkampagne diente der Gewinnung eines Überblicks und der detaillierten Aufnahme der bestehenden Stützmauern. Der Calmont hat eine Steilheit von bis zu 68°, einige Felspassagen sind sogar überhängend, was eine Herausforderung für die Berechnung der Punktwolke darstellt. Es wurden Nadir- und Oblique-Aufnahmen gemacht, um die Berechnungen der Punktwolke auch in horizontaler Projektion zu ermöglichen. Bei der Flugplanung musste für jeden Streifen die Flughöhe angepasst werden, um einen geeigneten Datensatz zu erreichen. Das Untersuchungsgebiet weist einen Höhenunterschied von 170 Metern auf.
Die zweite Messkampagne wurde zur detaillierteren Aufnahme eines kritischen Felsbereiches durchgeführt: „Dafür haben wir ein weiteres Drohnensystem eingesetzt und die Steuerung der Flughöhe nochmal verfeinert“, so Gauger. Die Planung der Flughöhe wurde dafür nicht wie in der ersten Phase relativ zum Startpunkt, sondern anhand des DGMs der ersten Vermessung berechnet. TRIGIS verfolgte dabei zwei unterschiedliche Ansätze, einmal die „virtuelle“ Echtzeit-Berechnung der Flughöhe anhand des zuvor erfassten DGMs, das auf der Drohne selbst gespeichert wurde und zum anderen erfolgte eine direkte Berechnung der Flughöhe aus der on-the-fly-Berechnung der erfassten Bilder. Beide Verfahren erfordern eine große Engineering-Leistung und verweisen auf die Kompetenz und Erfahrung von TRIGIS im Umfeld von Vermessung und UAVs. Wobei in das Verfahren sogar eine Qualitätssicherung eingebaut war, indem die „die Auswertesoftware auch die Fehlergröße für die berechneten Werte lieferte“, beschreibt Gauger.
Konkret ist das der Re-Projektionsfehler (R), der bei der inneren Orientierung der Bildverbünde eine entscheidende Rolle spielt. Für die äußere Orientierung wurden wie üblich Kontrollpunkte am Boden genutzt.
Aus der bearbeiteten Punktwolke wurde dann ein Digitales Geländemodell abgeleitet, genauso wie ein Orthophotomosaik, dieses dann in Nadir- und Horizontal-Variante (Auflösung 2,5 cm und 2,0 cm). Ebenso wurde ein sehr detailliertes 3D-Mesh (Tiled Model) erzeugt.

BIM-Modellierung der Infrastruktur
Die 3D-Modellierung diente zum Beispiel als Grundlage für die GIS basierte Erfassung von Risikostellen oder für 3D-Steinschlagsimulationen. Im Weiteren entstanden Höhenlinien sowie ein Lage- und Höhenplan. „Besonders erwähnenswert ist die Darstellung der vielen Trockenmauern im Weinberg, wie auch die Schienenführung der Monorackbahn sowie die bestehenden Fangzäune“, beschreibt Gauger. Mit dem Forschungspartner Geobrugg AG wurden dabei auch die wichtigsten Bauteile für die Sicherungsbauwerke modelliert. Im Laufe des Prozesses wurde ein Attributkatalog (LOIN-Anhang) für die Bauteile von Sicherungsbauwerken erarbeitet. Anhand der generierten Visualisierungsmodelle wurde der Raumbedarf, die optische Wirkung sowie auch für die Planung notwendigen Stückzahlen und Kalkulationen erstellt. Auch die Punkte für die Bohrungen wurden koordinatengetreu ausgelesen. Das gesamte Projekt basiert durchgehend auf BIM-Verfahren, die digitalen Erfassungsmethoden und modellgestützten Planungen wurden also konsequent genutzt, um Effizienz und Qualität zu steigern. Im Ergebnis des Forschungsprojektes wurde ein BIM-Leitfaden für die Planung, Ausführung und den Betrieb von Schutzbauwerken gegen alpine Gefahren erarbeitet. Dieser dient als Grundlage und zur Standardisierung der Implementierung der BIM-Methodik zur Abwehr von Naturgefahren. „Auf jeden Fall haben wir gesehen, dass die Vermessung heute die dafür notwendigen Techniken und Verfahren bereitstellt, man muss nur wissen, wie man die Möglichkeiten effizient ausschöpft und für die jeweils sehr individuellen Projekte fachlich adaptiert“, so der Vermessungsingenieur.
www.smartrock.wittundpartner.com
www.wittundpartner.com
www.geobrugg.com
www.trigis.de

Auf Grundlage des per UAV realisierten 3D-Modells werden auch die Felssicherungen geplant. Quelle: TRIGIS GeoServices GmbH

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