Comprender el desafío de las roturas prematuras

La rotura de los tornillos para madera, aunque es poco común, es un fenómeno que puede ocurrir, sobre todo en los entornos y en las aplicaciones más difíciles.  
 

Estos casos aislados —las roturas prematuras suceden aproximadamente en 1 de cada 1.000 proyectos— se producen prevalentemente en las conexiones metal-madera, en las que las condiciones son más exigentes.  
Precisamente, debido a su poca frecuencia, durante años ha sido difícil encontrar un denominador común para todos los casos; sin embargo, los actores del sector, como diseñadores, fabricantes y organismos de normalización, finalmente están empezando a comprender los factores que contribuyen a estos problemas y a abordarlos. 

Los edificios de madera modernos, por sus grandes dimensiones, requieren tornillos de altas prestaciones para aprovechar al máximo las conexiones complejas y garantizar resistencia y fiabilidad, también en caso de solicitaciones importantes y continuas a lo largo del tiempo.  
 
Para lograr este nivel de rendimiento, especialmente en los tornillos de alta resistencia, hay que prestar atención al diseño, a los modos de instalación y a las condiciones ambientales, sobre todo en lo que se refiere a la humedad.  

Qué es la fragilización por hidrógeno y cómo puede dañar los tornillos  

La fragilización por hidrógeno (HE) es un fenómeno por el cual la absorción de átomos de hidrógeno por parte de los materiales metálicos, especialmente por los aceros de alta resistencia, como en los tornillos, afecta sus prestaciones, ya que reduce su ductilidad y capacidad. Esto hace que los tornillos sean más frágiles y susceptibles a roturas prematuras cuando se someten a esfuerzos. 

Para que se produzca la fragilización por hidrógeno, deben presentarse simultáneamente tres factores clave: 

• Hidrógeno. 

• Tensión continua. 

• Material susceptible. 

Principales causas de las roturas provocadas por el hidrógeno: los dos tipos de fragilización por hidrógeno  

Hay dos tipos de fragilización por hidrógeno, que se diferencian fundamentalmente por el momento en que se produce la absorción: durante la producción o después de la instalación de la fijación. 

• Fragilización interna por hidrógeno (IHE): ocurre en los procesos de fabricación, como el decapado o el galvanizado electrolítico, durante los cuales los átomos de hidrógeno se infiltran en la microestructura del tornillo y quedan atrapados en ella. 

• Fragilización ambiental por hidrógeno (EHE): ocurre durante la vida útil del producto, cuando los tornillos absorben hidrógeno de fuentes externas, sobre todo en ambientes húmedos, debido principalmente a la corrosión. 

Internal Hydrogen Embrittlement – IHE (Fragilización interna por hidrógeno): 

Durante la producción, algunos procesos hacen que los tornillos queden expuestos a condiciones favorables para la absorción de hidrógeno. En consecuencia, se forma hidrógeno atómico en la superficie del metal y se difunde en el interior del acero. 

Los procesos más influyentes son el decapado, seguido del galvanizado electrolítico, mientras que, en los tornillos para madera, el tratamiento térmico tiene menor importancia. 

Las soluciones ácidas utilizadas durante el decapado generan hidrógeno como subproducto, que se difunde en el material del tornillo. Este proceso es el que más contribuye a la absorción de hidrógeno durante la producción, sobre todo en los tornillos de alta resistencia en los que la microestructura retiene el hidrógeno con mayor eficacia. 

Durante el electrogalvanizado, el hidrógeno se genera en la superficie del tornillo y se puede difundir por el material. 

Los procesos de producción de los tornillos Rothoblaas incluyen medidas a la vanguardia para minimizar los riesgos de absorción de hidrógeno, a saber: 

• Optimización de los ciclos de tratamiento térmico para favorecer la difusión del hidrógeno antes del enfriamiento. 

• Adopción de inhibidores en los baños de decapado para eliminar la generación de hidrógeno. 

• Tratamientos después de la galvanización para la deshidrogenación a 150-200 °C en los tornillos de mayor longitud. 

• Almacenamiento de los tornillos en lugares secos y controlados para preservar su integridad. 

Aunque estas medidas son habituales en el sector, Rothoblaas garantiza su estricta aplicación en todas sus plantas de producción. Además, los ensayos específicos sobre la fragilización por hidrógeno, realizados de acuerdo con la norma ISO 15330, son fundamentales para el control de calidad y para garantizar el cumplimiento de las normas de seguridad, ya que evalúan las prestaciones mecánicas de fijaciones pertenecientes a diferentes lotes de producción. 

Environmental or External Hydrogen Embrittlement - EHE (Fragilización ambiental o externa por hidrógeano)  

En la EHE, los átomos de hidrógeno se difunden del exterior a la estructura cristalina del metal y se acumulan en los límites de grano, las inclusiones o las dislocaciones.

La corrosión es el principal factor que genera hidrógeno en las superficies metálicas debido a las reacciones electroquímicas en presencia de agua, especialmente en condiciones ácidas o ricas en cloruros.

El hidrógeno producido por estas reacciones permea en el metal y, en presencia de microfisuras, puede acumularse en sus extremos y, favoreciendo su propagación, desencadenar el proceso de fragilización. Este debilitamiento localizado se ve agravado aún más por la formación de picaduras por corrosión y capas de óxido, que favorecen la absorción de hidrógeno, sobre todo cuando se alternan condiciones húmedas y secas. 
Teniendo en cuenta el impacto de la corrosión, se comprende porqué la humedad desempeña un papel crucial en la fragilización ambiental por hidrógeno (EHE), ya que su presencia está directamente relacionada con la corrosividad concreta de la madera, como se describe en las categorías de corrosión de la madera establecidas por la norma EN 14592:2022 (véase Smartbook Rothoblaas). 

¿Cómo se produce la fragilización por hidrógeno EHE? Fases de absorción de hidrógeno 

La absorción de hidrógeno ocurre principalmente en dos fases críticas: 

1) Exposición durante la fase de construcción: durante la construcción de edificios, antes de cerrar la estructura, las fijaciones suelen encontrar una humedad ambiental considerable.  
El agua estancada y una exposición prolongada a la lluvia o a la condensación pueden acelerar la corrosión y favorecer la penetración del hidrógeno en los tornillos.  
El uso de protecciones temporales, como láminas, sellantes, lonas o cubiertas, y el mantenimiento de unas condiciones lo más secas posibles en las conexiones son esenciales para reducir los riesgos en esta fase.  
En caso de dudas sobre las condiciones de humedad o cuando se prevean una humedad alta y una protección limitada, se recomienda elegir materiales o revestimientos para tornillos con una elevada resistencia a la corrosión. 

2) Condiciones de servicio: durante la fase de diseño, si se prevé que las conexiones estén expuestas a niveles de humedad altos o inciertos, por ejemplo en escenarios con clase de servicio 2, es esencial adoptar un enfoque más prudente.  
En este sentido, se puede considerar la conexión como parte de una clase de servicio superior a la identificada para toda la estructura con el fin de tener en cuenta los riesgos a largo plazo.

Esta opción prevé aplicar coeficientes de seguridad más elevados y elegir revestimientos avanzados o materiales resistentes a la corrosión. 

Garantizar una protección adecuada a largo plazo, usando láminas, sellantes y otros sistemas de protección permanente, sigue siendo crucial para garantizar la durabilidad y la fiabilidad de la conexión. 

Técnicas para prevenir roturas por fragilización por hidrógeno: elección de materiales en función de la exposición ambiental 

La elección del material y del revestimiento de los tornillos requiere un análisis esmerado de las condiciones de corrosividad que la conexión soportará no solo durante la fase de construcción, sino también durante toda la vida útil del edificio.  

En la lista de comprobaciones de los factores que se deben tener en cuenta durante la elección están: 

• Corrosividad de la madera: como las principales reacciones tienen lugar en el interior de la madera, la categoría de corrosividad de la madera (T1 a T5, según la norma EN 14592:2022) desempeña un papel fundamental en la fragilización por hidrógeno, siendo el factor más importante a evaluar. 

• Corrosión atmosférica: la corrosión de la parte expuesta del tornillo también tiene un papel significativo en la EHE, aunque generalmente menos importante que la corrosividad de la propia madera.  
  Factores ambientales, como la presencia de cloruros derivados de la salinidad, habitual en las obras en la costa y en los elementos prefabricados transportados por mar, o el cloro de las piscinas, aceleran el proceso de corrosión.  
  Además, el agua puede quedar estancada debajo de las placas de acero, lo que aumenta el contenido de humedad local en la madera y hace que los agentes corrosivos se concentren en las fijaciones, con lo cual se empeora aún más el riesgo de corrosión y, por consiguiente, la fragilización por hidrógeno. 

Elegir el material y el revestimiento adecuados para las condiciones específicas es tan importante como evaluar con esmero las condiciones de exposición, siendo la implantación de un plan de gestión de la humedad un elemento muy útil para reducir los riesgos. 

 Sin embargo, incluso eligiendo el material y el revestimiento adecuados, la instalación incorrecta de las fijaciones o las cargas sostenidas no intencionadas pueden dañar o afectar el revestimiento y, por lo tanto, favorecer la corrosión y la EHE. 

Tensión sostenida no intencionada: factores de estrés que intensifican la difusión del hidrógeno 

Mientras las cargas derivadas de fuerzas de tracción son una condición natural para los tornillos en las aplicaciones estructurales, los factores de estrés no intencionados pueden aumentar significativamente el riesgo de roturas.  
De hecho, estos factores de estrés sobrecargan el tornillo y crean condiciones que pueden provocar fallos incluso en ausencia de fragilización por hidrógeno (HE). 
 
Cuando se combinan con el HE, intensifican la difusión de hidrógeno y el debilitamiento del material, y, por lo tanto, aceleran la rotura prematura. 

Esto ocurre porque las cargas permiten que los átomos de hidrógeno migren a puntos de alta concentración de estrés, como microfisuras, límites de grano o el radio de unión debajo de la cabeza del tornillo. La acumulación de hidrógeno en estos puntos debilita la microestructura del material y provoca la formación de grietas, que pueden propagarse y desencadenar la rotura. 

Para reducir los riesgos de roturas prematuras, es esencial identificar y controlar los principales factores de estrés no intencionados, especialmente durante la fase de instalación. 

¿Cuáles son los posibles factores de estrés no intencionados? 

1) Par de instalación: cada tipo de tornillo tiene un intervalo de par definido para una correcta instalación, un par mínimo para garantizar un apriete completo y uno máximo más allá del cual la integridad del tornillo puede verse afectada. Superar este límite - exceso de par- añade factores de estrés al tornillo, que pueden acumularse y provocar roturas prematuras. 

Por sí solo, el exceso de par puede hacer que los tornillos fallen, incluso si no hay fragilización por hidrógeno, y puede dañar los revestimientos protectores, sobre todo en las conexiones acero-madera.  
 
La aplicación de una fuerza excesiva debajo de la cabeza del tornillo o a lo largo de la rosca puede desgastar el revestimiento y, por consiguiente, exponer el tornillo a elementos corrosivos y aumentar el riesgo de EHE. 

Los atornilladores de impacto y de percusión pueden generar pares de torsión muy elevados, lo que aumenta la probabilidad de que se produzca un exceso de par. Estas herramientas, aunque son eficientes, no disponen de los mecanismos de control necesarios para mantener un par adecuado durante la instalación, sobre todo en aplicaciones acero-madera. Rothoblaas recomienda explícitamente evitar el uso de atornilladores de percusión en las conexiones acero-madera. 

Para reducir el riesgo de un exceso de par: 

• Utilizar dispositivos de control de par (como TORQUE LIMITER).  

• Usar plantillas para evitar desalineaciones y reducir las fuerzas ejercidas durante la instalación. 

2) Ángulos de instalación incorrectos: los tornillos desalineados distribuyen la carga de manera irregular, lo que genera concentraciones de estrés en puntos específicos que aumentan la vulnerabilidad de la fijación a las roturas.  
Incluso en materiales poco susceptibles, cualquier grieta sometida a cargas en un ambiente corrosivo puede propagarse y provocar roturas a causa de la EHE, un riesgo que, a menudo, podría evitarse con modos de instalación correctos. 

Cuando el ángulo incorrecto se combina con un exceso de par, el tornillo puede doblarse para alinearse con el agujero, lo que hace que la cabeza entre en contacto total con la placa. Esto puede provocar: 

• Pretensado 

• Flexión 

• Daños del revestimiento, que afectan aún más la integridad del tornillo.

3) Hinchazón de la madera: la madera es un material dinámico que responde a los cambios de la humedad ambiental expandiéndose y contrayéndose. La hinchazón puede ejercer fuerzas considerables, sobre todo en las conexiones acero-madera en las que la rigidez de la placa metálica limita la madera e impide que pueda deformarse libremente. 

Investigaciones realizadas por la Universidad de Alberta y Rothoblaas demuestran que, en comparación con los valores medidos bajo condiciones de instalación correctas, este esfuerzo de tracción inducido puede ser significativo: la combinación de un par de apriete dos veces mayor al valor recomendado y la hinchazón de la madera puede generar un nivel de esfuerzo superior al 65% de la capacidad última de tracción del tornillo. (Ftens ≃ 0,65 ftens,k). 

4) Rigidez de la conexión: la rigidez de la conexión también tiene un papel importante en la distribución y la absorción del estrés. Las conexiones madera-madera con maderas blandas, al ser más flexibles, permiten una mejor disipación de la energía y esto reduce la concentración del estrés en los tornillos.  

Un caso intermedio es el de las conexiones en productos de madera de ingeniería, como LVL y CLT, que son naturalmente más rígidos debido a su mayor densidad y composición estructural en comparación con las maderas blandas. 
 
El extremo opuesto en términos de rigidez lo representan las conexiones acero-madera, sobre todo aquellas que implican a placas de acero, que, a menudo, son significativamente más rígidas. 
En condiciones de elevada rigidez, los factores de estrés no intencionados pueden concentrarse más en los tornillos. 

El exceso de par aumenta la rigidez de la conexión y hace que sea más vulnerable al estrés provocado por la hinchazón y, en consecuencia, a los fallos.  

Incorporar en el diseño evaluaciones que tengan en cuenta todos estos factores puede reducir el riesgo de roturas prematuras, tanto relacionadas con la fragilización por hidrógeno como con otras solicitaciones provocadas por la carga. En resumen: 

Susceptibility to Hydrogen Embrittlement: the role of core hardness 

As material strength increases to meet tensile load requirements, the steel becomes harder, less ductile and more prone to hydrogen-related damage.  

The risk of failure is particularly relevant for fasteners with high core hardness when exposed to unintentional stress and hydrogen sources.   

Hardness thresholds 

The core hardness threshold above which fasteners are considered susceptible to Hydrogen Embrittlement is generally set at 360 HV (Vickers Hardness), according to the following scale: 

• Below 360 HV: the risk of failure related to Hydrogen Embrittlement is minimal (though not completely eliminated), regardless of the application conditions. 

• Between 360 HV and 390 HV: the risk is considered manageable, provided the contributing factors are evaluated and mitigated. 

• Above 390 HV: susceptibility to Hydrogen Embrittlement increases significantly, requiring a thorough assessment of all other risk factors to ensure a safe and reliable connection. 

Failure, whether dependent on Hydrogen Embrittlement or otherwise, can still occur even in fasteners with a core hardness below 360 HV. At the same time, using screws with a hardness exceeding 390 HV remains feasible if other contributing factors, such as moisture exposure and installation practices, are carefully evaluated and effectively managed. 

Conformidad: un compromiso global  

En Rothoblaas, suministrar productos que cumplan con las más rigurosas normas internacionales de seguridad, prestaciones y durabilidad es un compromiso fundamental.  
Nuestros tornillos estructurales se ensayan y evalúan rigurosamente para garantizar la fiabilidad de las conexiones de madera en todo el mundo, desde Japón hasta Canadá, lo que los convierte en una de las soluciones de fijación mejor certificadas a nivel global. 

Estas certificaciones, emitidas por organismos públicos y privados, garantizan el cumplimiento de criterios rigurosos mediante evaluaciones frecuentes y controles de calidad continuos y periódicos. 

Desde esta perspectiva, también queremos ser pioneros con respecto a la norma CSA O86:2024, la primera norma mundial para construcciones de madera que estable los requisitos de dureza de los tornillos, lo que marca un paso significativo a la hora de abordar las roturas relacionadas con la fragilización por hidrógeno. Rothoblaas se toma muy en serio esta normativa y, por ello, ha incorporado sus principios en el desarrollo de sus productos. 

Las fijaciones Rothoblaas ya están diseñadas y probadas para cumplir con la mayoría de requisitos establecidos por las normas a nivel mundial: 

• Conformidad ISO 2702: norma que se centra en los requisitos de dureza para reducir el riesgo de fragilización ambiental por hidrógeno (EHE). 

• Ensayos de fragilidad por hidrógeno: realizados de acuerdo con la norma ISO 15330.  

• Control de calidad de la dureza del núcleo: cada lote de producción se somete a rigurosos controles de calidad para garantizar el cumplimiento de los umbrales de dureza. Bajo pedido, los tornillos se pueden fabricar para satisfacer requisitos específicos del proyecto, como los límites de 360 HV o 390 HV. 

 Una responsabilidad compartida para el éxito a largo plazo 

Garantizar la fiabilidad y la seguridad de las conexiones de madera es una responsabilidad compartida entre diseñadores, constructores y fabricantes. Cada fase requiere un enfoque proactivo, desde la selección de materiales y revestimientos apropiados hasta la implantación de modos de instalación correctos y estrategias de gestión de la humedad. 

El uso de herramientas como una matriz de reducción de riesgo puede proporcionar un enfoque sistemático para evaluar y abordar los factores clave en juego.  
 
El secreto para reducir los riesgos de roturas prematuras está en combinar soluciones tecnológicas, diseño esmerado e instalaciones correctas: un presente y un futuro seguros para los edificios de madera se construyen juntos.  

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