Comprendre le défi des ruptures prématurées

Bien que rares, les ruptures de vis pour bois peuvent se produire, en particulier dans les utilisations et les environnements les plus contraignants.  
 

Ces cas isolés (des ruptures prématurées sont observées dans environ un projet sur mille) surviennent principalement dans les assemblages métal-bois, où les conditions sont plus exigeantes.  
Du fait de leur rareté, il a été difficile jusqu’à maintenant d’identifier un dénominateur commun à tous les cas de rupture. Toutefois, avec l’aide des concepteurs, constructeurs et organismes de normalisation, l’industrie commence à comprendre et à affronter les facteurs qui contribuent à déclencher ces problèmes. 

Les grands bâtiments en bois modernes requièrent des vis hautes performances afin d’assurer résistance et fiabilité en cas d’assemblages complexes, y compris quand elles sont soumises à des sollicitations importantes et constantes dans le temps.  
 
Ce niveau de performance, surtout pour les vis haute résistance, demande d’apporter une grande attention à la conception, aux pratiques d’installation et aux conditions environnementales, en particulier celles liées à l’humidité.  

Qu’est-ce que la fragilisation par l’hydrogène et de quelle façon peut-elle abîmer les vis ?  

La fragilisation par l’hydrogène (FPH) survient quand l’absorption d’atomes d’hydrogène dans les matériaux métalliques, en particulier dans les aciers haute résistance, affecte les performances des vis en réduisant leur ductilité et leur capacité. Ce phénomène rend les vis plus fragiles et plus vulnérables aux ruptures prématurées sous contrainte. 

Trois facteurs clés doivent être présents au même moment pour que la fragilisation par l’hydrogène se produise : 

• la présence d’hydrogène ; 

• une tension constante ; 

• un matériau susceptible. 

Causes principales des ruptures provoquées par l’hydrogène : les deux types de fragilisation par l’hydrogène  

Il existe deux types de fragilisation par l’hydrogène qui, fondamentalement, se différencient selon que l’absorption a lieu pendant la production ou après l’installation de la fixation. 

• Fragilisation par l’hydrogène interne (IHE) : Elle se vérifie pendant les processus de production, tels que le décapage ou la galvanisation électrolytique, au cours desquels les atomes d’hydrogène s’infiltrent dans la microstructure des vis où ils restent prisonniers. 

• Fragilisation par l’hydrogène externe (EHE) : Elle a lieu pendant la vie utile du produit, quand les vis absorbent l’hydrogène depuis des sources extérieures, en particulier dans des environnements humides, principalement à cause de la corrosion. 

Internal Hydrogen Embrittlement (IHE) : 

Pendant la production, certains processus exposent les vis à des conditions favorables à l’absorption d’hydrogène. L’hydrogène atomique se forme alors à la surface du métal et s’introduit à l’intérieur de l’acier. 

Les processus les plus susceptibles de causer ce phénomène sont le décapage, suivi de la galvanisation électrolytique. Le traitement thermique par contre à un rôle assez réduit dans le cas des vis pour bois. 

Les solutions acides utilisées dans le décapage génèrent de l’hydrogène en sous-produit, qui se répand dans le matériau de la vis. Ce processus est celui qui contribue le plus à l’absorption d’hydrogène pendant la production, surtout en ce qui concerne les vis haute résistance, dont la microstructure retient plus efficacement l’hydrogène. 

Pendant l’électrozingage, l’hydrogène est généré à la surface de la vis et peut se répandre dans le matériau. 

Les processus de production des vis Rothoblaas comprennent des mesures à l'avant-garde pour minimiser les risques d’absorption d’hydrogène : 

• optimisation des cycles de traitement thermique pour favoriser la diffusion de l’hydrogène avant le refroidissement ; 

• adoption d’inhibiteurs dans les bains de décapage pour supprimer la production d’hydrogène ; 

• application de traitements post-galvanisation pour la déshydrogénation à 150 – 200 °C pour les vis plus longues ; 

• stockage des vis dans des environnements secs et contrôlés pour préserver leur intégrité. 

Certes, ces mesures représentent la norme dans notre secteur, mais Rothoblaas garantit son application cohérente dans tous les sites de production. De plus, l’entreprise conduit des tests spécifiques sur la fragilisation par l’hydrogène, conformément à la norme ISO 15330. C’est un passage fondamental pour le contrôle de la qualité, qui garantit le respect des standards de sécurité, en évaluant les performances mécaniques des fixations appartenant à différents lots de production. 

Environmental or External Hydrogen Embrittlement – EHE  

Dans l’EHE, les atomes d’hydrogène se répandent à l’extérieur de la structure cristalline du métal, en s’accumulant aux joints de grain, dans les inclusions ou dans les dislocations.

La corrosion est le principal facteur générant de l’hydrogène sur les surfaces métalliques. Elle se produit au moyen de réactions électrochimiques en présence d’eau, en particulier dans des environnements acides ou riches en chlorures. 

L’hydrogène produit par ces réactions pénètre dans le métal et, en présence de microfissures, il peut s’accumuler dans leurs extrémités, en favorisant la propagation et en déclenchant le processus de fragilisation. Cette fragilisation localisée est aggravée par la formation de corrosion par piqûres et de couches de rouille, qui favorisent l’absorption d’hydrogène, en particulier lorsque des cycles humides et secs alternent. 
Compte tenu de l’impact de la corrosion, on comprend pourquoi l’humidité joue un rôle crucial dans la fragilisation par l’hydrogène externe (EHE). En effet, sa survenue est directement liée à la corrosivité, en particulier en présence de bois, tel qu’il est décrit dans les classes de corrosivité du bois définies dans la norme EN 14592:2022 (voir le Smartbook Rothoblaas). 

 

Comment se produit la fragilisation par l’hydrogène EHE ? Les phases de l’absorption d’hydrogène 

L’absorption de l’hydrogène survient principalement lors de deux phases critiques : 

1) Exposition pendant la phase de construction : pendant la construction des bâtiments, avant que la structure ne soit fermée, les fixations sont souvent soumises à une forte humidité environnementale.  
Les stagnations d’eau, les expositions prolongées à la pluie ou à la condensation peuvent accélérer la corrosion, en favorisant la pénétration d’hydrogène dans les vis. L’utilisation de protections temporaires, telles que des membranes, des produits d’étanchéité, des toiles ou des toitures et le maintien de conditions les plus sèches possibles au niveau des assemblages sont essentiels pour réduire les risques au cours de cette phase.  
Quand les conditions d’humidité sont incertaines ou quand n'est prévue qu’une protection limitée en présence d’une humidité importante, il est conseillé de choisir des matériaux et des revêtements pour vis hautement résistantes à la corrosion. 

2) Conditions de service : si, pendant la phase de conception, il est prévu que les assemblages soient exposés à des taux d’humidité élevés ou incertains (par exemple dans des scénarios à la limite de la classe de service 2), il est fondamental d’adopter une approche prudente.

L’une des mesures pouvant être appliquées consiste à considérer l’assemblage comme faisant partie d’une classe de service supérieure à celle déterminée pour toute la structure, afin de tenir compte des risques sur le long terme.  
Ce choix prévoit donc d’appliquer des coefficients de sécurité plus élevés et de sélectionner des revêtements avancés ou des matériaux résistants à la corrosion. 

Afin de préserver la durée de vie et la fiabilité de l’assemblage, il est crucial d'utiliser des membranes, des produits d’étanchéité et d’autres systèmes permanents permettant d’assurer une protection sur le long terme. 

Techniques pour prévenir la fissuration assistée par l’hydrogène : choix des matériaux en fonction de l’exposition environnementale 

Le choix des matériaux et du revêtement des vis requiert une étude attentive des conditions de corrosivité auxquelles la fixation sera soumise pendant la phase de construction, ainsi que pendant toute la vie utile du bâtiment.  

Dans la liste des facteurs à considérer pendant la sélection, on trouve : 

• La corrosivité du bois : Étant donné que les principales réactions surviennent à l’intérieur du bois, la classe de corrosivité du bois (de T1 à T5 selon la norme ISO 14592:2022) joue un rôle essentiel dans la fragilisation par l’hydrogène. C’est lui en effet le facteur le plus important à évaluer. 

• Corrosion atmosphérique : bien que moins problématique que la corrosion du bois, la corrosion de la partie exposée de la vis joue elle aussi un rôle important dans l’EHE.  
  Des facteurs environnementaux, tels que la présence de chlorures produits par une salinité élevée sur les sites de construction côtiers et dans les éléments préfabriqués transportés par bateau, ou encore le chlore des piscines, accélèrent le processus de corrosion.  
  De plus, l’eau peut rester piégée sous les plaques d’acier, ce qui augmente localement la teneur d’humidité dans le bois et la concentration des agents corrosifs vers la fixation. La conséquence est alors une aggravation du risque de corrosion et donc, de fragilisation par l’hydrogène. 

Dès lors, il est crucial de sélectionner le matériau et le revêtement appropriés en fonction des situations spécifiques, mais aussi d’évaluer avec soin les conditions d’exposition. La mise en œuvre d’un plan de gestion de l’humidité devient alors un élément très utile pour réduire les risques. 

 Cependant, un choix adapté du matériau et du revêtement ne suffit pas. Une mauvaise installation des éléments de fixation ou des charges non intentionnelles peuvent abîmer ou affecter le revêtement, favorisant ainsi la corrosion et l’EHE. 

Tension non intentionnelle : des facteurs de stress qui intensifie la diffusion de l’hydrogène 

Tandis que, dans les utilisations structurelles, les charges dérivant de contraintes de traction sont une condition naturelle pour les vis, les facteurs de stress non intentionnels peuvent grandement augmenter le risque de rupture.  
En effet, ces facteurs de stress surchargent la vis et créent les conditions pouvant amener à la fissuration, y compris en l’absence de fragilisation par l’hydrogène (FPH). 
 
Associés à la FPH, ces facteurs intensifient la diffusion de l’hydrogène et l’affaiblissement du matériau, accélérant ainsi la rupture prématurée. 

En effet, ces charges permettent aux atomes d’hydrogène de migrer vers les points où les stress sont les plus concentrés : les microfissures, les joints de grain, le rayon de raccord sous la tête de la vis. L’accumulation d’hydrogène à ces endroits affaiblit la microstructure du matériau et entraine la formation de fissures, qui peuvent se propager et provoquer la rupture. 

Pour réduire le risque de rupture prématurée, il est fondamental d’identifier et de contrôler les principales sources de tension non intentionnelle, en particulier pendant la phase d’installation. 

Quelles sont les sources possibles de tension non intentionnelle ? 

1) Couple d’installation : chaque type de vis a un intervalle de couple de serrage à respecter pour une installation correcte. Celui-ci comprend un couple minimal pour assurer le serrage complet et un couple maximal à ne pas dépasser pour ne pas abîmer la vis. Le fait de dépasser cette limite (serrage avec excès de couple) ajoute des facteurs de stress aux vis, qui peuvent s’accumuler et provoquer des ruptures prématurées. 

Même en l’absence de fragilisation par l’hydrogène, l’excès de couple peut causer à lui seul la fissuration de la vis et peut abîmer les revêtements de protection, en particulier dans les assemblages acier-bois.  
 
L’application de forces excessives sous la tête de la vis ou le long du filet peut entrainer l’enlèvement du revêtement, exposant la vis aux éléments corrosifs, ce qui augmente le risque d’EHE. 

Les visseuses à percussion sont capables de générer des torsions très élevées, qui augmentent le risque d’excès de couple. Bien que très efficaces, ces outils ne permettent pas de garder suffisamment le contrôle pour maintenir le couple de serrage approprié pendant l’installation, en particulier dans les utilisations acier-bois. Rothoblaas recommande explicitement d’éviter l’utilisation de visseuses à percussion pour les assemblages acier-bois. 

Pour diminuer le risque d’excès de couple : 

• utiliser des appareils de contrôle du couple de serrage (comme TORQUE LIMITER) ;  

• utiliser des gabarits afin de prévenir les désalignements et de réduire les forces exercées pendant l’installation. 

2) Angles d’installation erronés : les vis désalignées créent des distributions de charge irrégulières, ce qui entraine une concentration du stress à des endroits spécifiques, qui augmentent la vulnérabilité de la fixation aux fractures.  
Toute fissure soumise à des charges dans un environnement corrosif peut se propager et provoquer des ruptures à cause de l’EHE, même dans les matériaux les moins susceptibles. Or ce risque pourrait souvent être évité, grâce à des pratiques d’installation correctes. 

Quand un angle erroné est associé à un excès de couple, la vis peut se plier pour s’aligner au trou, ce qui force sa tête à entrer complètement en contact avec la plaque. Cela peut alors provoquer les phénomènes suivants : 

• prétension, 

• flexion, 

• endommagement du revêtement, ce qui affecte encore plus l’intégrité de la vis. 

3) Gonflement du bois : le bois est un matériau dynamique qui répond aux variations du taux d’humidité de l’environnement en se dilatant et en se contractant. Le gonflement peut exercer des forces considérables, en particulier dans les assemblages acier-bois, où la rigidité de la plaque métallique empêche au bois de se déformer librement. 

Des recherches menées par l'Université de l'Alberta et Rothoblaas montrent que, par rapport aux valeurs mesurées dans des conditions d'installation correctes, cette contrainte de traction induite peut être significative: la combinaison d'un couple de serrage excessif deux fois supérieur à la valeur recommandée et du gonflement du bois peut entraîner un niveau de contrainte supérieur à 65 % de la capacité ultime de traction de la vis. (Ftens ≃ 0,65 ftens,k). 

4) Rigidité de l’assemblage : la rigidité de l’assemblage a elle aussi un rôle dans la distribution et dans la résorption des stress. Les assemblages bois-bois avec des bois tendres qui sont plus flexibles permettent de mieux dissiper l’énergie, en réduisant la concentration de stress sur les vis.  

Ensuite viennent les assemblages impliquant des produits en bois d’ingénierie comme le LVL et le CLT, qui sont naturellement plus rigides en raison de leur plus grande densité et composition structurelle par rapport aux bois tendres. 
 
Enfin, à l’opposé en matière de rigidité, on trouve les assemblages acier-bois, en particulier ceux qui impliquent des plaques en acier épais, beaucoup plus rigides. 
 
En présence d’une rigidité importante, les stress non intentionnels risquent de se concentrer encore plus sur les vis. 

L’excès de serrage augmente la rigidité de l’assemblage, en le rendant plus vulnérable aux stress entrainés par le gonflement et donc plus enclin à la fissuration.  

Intégrer dans la conception des évaluations qui tiennent compte de tous ces facteurs peut réduire le risque de rupture prématurée, qu’il soit lié à la fragilisation par l’hydrogène ou à d’autres sollicitations causées par la charge. En bref : 

La susceptibilité à la fragilisation par l’hydrogène : la dureté de noyau 

Avec l’augmentation de la résistance du matériau nécessaire pour supporter les charges de traction, l’acier devient plus dur, moins ductile et plus vulnérable aux dommages causés par l’hydrogène.  

Le risque de rupture est particulièrement important dans les fixations avec un noyau très dur, qui sont exposées à des stress non intentionnels et à des sources d’hydrogène.  

Seuils de dureté 

Le seuil de dureté de noyau au-delà duquel les fixations sont considérées comme étant susceptibles à la fragilisation par l’hydrogène est généralement fixé à 360 HV (Vickers Hardness), selon cette échelle : 

• Inférieur à 360 HV : le risque de rupture lié à la fragilisation par l’hydrogène est minimal (même s’il n’est pas complètement éliminé), indépendamment des conditions d’utilisation ; 

• entre 360 HV et 390 HV : le risque est considéré comme gérable, à condition que les facteurs contribuant à la fragilisation soient évalués et atténués ; 

• supérieur à 390 HV : la susceptibilité à la fragilisation par l’hydrogène augmente de façon importante et demande une évaluation approfondie de tous les autres facteurs de risque afin d’assurer un assemblage sûr et fiable. 

Des ruptures (liées ou pas à la fragilisation par l’hydrogène) peuvent se vérifier, même dans des fixations avec une dureté de noyau inférieur à 360 HV. Dans le même temps, il reste possible d’utiliser des vis avec une dureté supérieure à 390 HV, si les autres facteurs contribuant à la fragilisation (tels que l’exposition à l’humidité et les pratiques d’installation) sont soigneusement évalués et gérés de manière efficace.

Conformité : un engagement mondial  

Rothoblaas s’engage à fournir des produits qui satisfont les normes internationales de sécurité, de performances, de durabilité et de conformité les plus élevées.  
Nos vis structurelles sont rigoureusement testées et évaluées pour assurer des assemblages en bois fiables partout sur le globe, du Japon au Canada. Elles se placent parmi les solutions de fixation les plus certifiées au monde. 

Ces certifications délivrées par des organismes publics et privés garantissent le respect de critères stricts, à l’aide d’évaluations régulières et de contrôles de la qualité continuels et périodiques. 

Dans cette optique, nous sommes également des pionniers en ce qui concerne la norme CSA O86:2024, la première norme mondiale pour les constructions en bois, qui règlemente les critères de dureté des vis. Cette norme marque une avancée importante pour faire face aux ruptures liées à la fragilisation par l’hydrogène. Rothoblaas prend cette règlementation au sérieux et intègre ses principes dans le développement de ses produits. 

Les fixations Rothoblaas sont déjà conçues et testées pour satisfaire la majeure partie des paramètres de référence reconnus au niveau mondial : 

• conformité ISO 2702 : une norme qui se concentre sur les critères de dureté pour atténuer le risque de fragilisation par l’hydrogène externe (EHE) ; 

• test sur la fragilisation par l’hydrogène, conduit conformément à la norme ISO 15330 ; 

• contrôle de la qualité sur la dureté de noyau : chaque lot de production est soumis à des contrôles de qualité strictes pour assurer la conformité aux seuils de dureté. Sur demande, les vis peuvent être produites pour satisfaire les prescriptions spécifiques de chaque projet, comme par exemple les limites de 360 HV ou 390 HV.  

 Une responsabilité partagée pour un succès à long terme 

Assurer la fiabilité et la sécurité des assemblages en bois est une responsabilité partagée qui implique les concepteurs, les constructeurs et les producteurs. Chaque phase requiert une approche proactive, de la sélection des matériaux et des revêtements appropriés à la mise en œuvre de pratiques correctes d’installation et de stratégies de gestion de l’humidité. 

L’adoption d’outils tels qu’une matrice d’atténuation des risques peut fournir une approche systématique pour évaluer les principaux facteurs en jeu et y faire face.  
 
La clé pour atténuer les risques de rupture prématurée se trouve dans l’union de solutions technologiques, d’une conception attentive et de techniques d’installation éclairées. Un présent et un futur sûrs pour les bâtiments en bois ne peuvent se construire qu’ensemble.  

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