Viti strutturali per legno: quando l'idrogeno causa rotture fragili senza preavviso

Il mercato richiede viti strutturali per legno sempre più performanti e durevoli. Questa esigenza comporta l’impiego di leghe metalliche ad alta resistenza e di trattamenti superficiali adeguati a garantirne l’utilizzo anche in ambienti particolarmente aggressivi. Tuttavia, tali caratteristiche possono aumentare la suscettibilità delle viti al fenomeno dell’infragilimento da idrogeno, una problematica rara ma potenzialmente critica, che interessa prevalentemente le connessioni tra elementi lignei e piastre metalliche. Questo fenomeno è particolarmente pericoloso in quanto porta a un meccanismo di rottura fragile, senza alcun segnale di preavviso.

Che cos'è l'infragilimento da idrogeno nelle viti strutturali

L'infragilimento da idrogeno è una significativa perdita permanente di resistenza e duttilità che può verificarsi in alcuni acciai quando sono presenti atomi di idrogeno sulla superficie della vite e viene applicata una sollecitazione.

L'infragilimento si manifesta quando gli atomi di idrogeno migrano verso le zone di massima sollecitazione, causando la formazione di microfessurazioni.

Una volta formatasi una fessura, l’idrogeno migra verso la sua punta (Figura 1), favorendone la continua propagazione fino a quando la sezione resistente effettiva dell’elemento di fissaggio risulta talmente ridotta da provocarne il cedimento per sovraccarico.

Questi cedimenti si verificano improvvisamente, senza preavviso, dopo che la vite è stata sottoposta a carico per un determinato periodo di tempo.

Affinché si verifichi l'infragilimento da idrogeno, devono essere contemporaneamente presenti le seguenti tre condizioni:

• un acciaio suscettibile all'infragilimento da idrogeno;
• idrogeno atomico (ioni H+, non gas H₂);
• sollecitazioni, derivanti dal serraggio o dai carichi applicati.

Se un’applicazione presenta queste condizioni, sussiste il rischio di infragilimento da idrogeno. La probabilità di rottura e il tempo necessario affinché essa si manifesti dipendono dall’entità di ciascuna di queste condizioni. Pertanto, l’attenzione del progettista nei confronti di questa problematica dovrebbe essere commisurata alla probabilità che tutte e tre le condizioni siano presenti contemporaneamente nell’applicazione.

Acciai suscettibili all'infragilimento da idrogeno: la soglia dei 38 HRC

Quali acciai sono sensibili all’infragilimento da idrogeno?

La suscettibilità di un elemento di fissaggio all’infragilimento da idrogeno aumenta con l’aumentare della resistenza a trazione e della durezza.

È generalmente riconosciuto che elementi di fissaggio di buona qualità con una durezza effettiva (non specificata) inferiore a 38 HRC sulla scala Rockwell C (corrispondente a una resistenza a trazione inferiore a circa 1200 MPa) non siano normalmente suscettibili all’infragilimento da idrogeno.

I produttori di elementi di fissaggio stabiliscono spesso limiti reologici conservativi, come ulteriore margine di sicurezza, al fine di tenere conto delle variazioni che possono verificarsi durante il processo produttivo.

Fonti di idrogeno nelle viti strutturali: produzione e ambiente di esercizio

Quando sono presenti atomi di idrogeno (H+)?

Gli atomi di idrogeno possono essere introdotti in un elemento di fissaggio durante la produzione oppure derivare dall’ambiente di utilizzo.

Fonti di idrogeno derivanti dalla produzione

L’idrogeno può essere presente nel processo di produzione dell’acciaio; tuttavia, la quantità contenuta in un acciaio di buona qualità è generalmente inferiore al livello che può causare problemi. Il modo più comune con cui l’idrogeno viene introdotto durante la produzione di ancoraggi ed elementi di fissaggio è attraverso i processi di pulizia e rivestimento. In particolare, i processi di pulizia prevedono spesso l’utilizzo di acidi che generano idrogeno.

Ad aggravare il problema contribuisce il fatto che molti rivestimenti diffusi, come la zincatura elettrolitica (EN ISO 2081), possono introdurre idrogeno durante il processo di deposizione e, al contempo, creare una barriera attorno all’elemento di fissaggio che ne ostacola la diffusione verso l’esterno.

I produttori gestiscono normalmente le fonti interne di idrogeno riducendo al minimo i tempi di pulizia e sottoponendo gli elementi di fissaggio a un trattamento termico successivo al rivestimento per diverse ore, al fine di favorire la diffusione dell’idrogeno attraverso il rivestimento e la sua fuoriuscita dall’elemento di fissaggio. In alcuni casi si ricorre inoltre alla pulizia meccanica o alcalina per evitare l’introduzione di idrogeno.

Nei casi in cui l’idrogeno interno non venga correttamente gestito durante il processo produttivo, la rottura si verifica generalmente in tempi brevi dopo la messa in opera.

Fonti esterne di idrogeno

L’idrogeno può provenire anche dall’ambiente di esercizio.

I rivestimenti a base di zinco proteggono galvanicamente l’acciaio dalla corrosione in ambienti umidi o bagnati.

Tuttavia, questo processo comporta il passaggio di una corrente elettrica attraverso l’acqua (H₂O), con conseguente produzione di idrogeno (H⁺) e ioni idrossido (OH⁻), come illustrato in Figura 2.

Poiché la formazione di idrogeno è legata ai fenomeni corrosivi, le rotture causate dall’idrogeno generato esternamente richiedono solitamente tempi molto più lunghi per manifestarsi rispetto a quelle dovute all’idrogeno presente all’interno del materiale. Il cedimento dell’acciaio associato a questa forma di infragilimento può infatti verificarsi dopo periodi variabili da alcune settimane a diversi anni.

Sollecitazione e infragilimento da idrogeno: il rischio nelle connessioni legno-metallo

Quando la sollecitazione diventa pericolosa in relazione al fenomeno dell’infragilimento da idrogeno?

La pericolosità della sollecitazione aumenta con l'avvicinarsi del carico applicato ai valori di rottura della vite. Pertanto, in presenza degli altri due fattori critici analizzati nei paragrafi precedenti, è opportuno limitare i carichi di esercizio in modo da conservare un ampio margine di sicurezza.

Particolare attenzione deve essere rivolta ai collegamenti in cui le viti uniscono piastre metalliche a elementi lignei. In tali configurazioni le viti sono infatti frequentemente soggette sia a coppie di serraggio eccessive, sia a carichi aggiuntivi indotti dal rigonfiamento del legno (indotto a sua volta da variazioni di umidità). Il problema risulta tanto più significativo quanto maggiore è lo spessore della piastra metallica, a causa della sua minore deformabilità.

I collegamenti legno-legno, invece, risultano sensibilmente meno suscettibili a questo meccanismo. In tali casi, infatti, il rigonfiamento del legno può essere in parte compensato dalla progressiva penetrazione della testa della vite, riducendo l'incremento delle sollecitazioni nella vite.

Prevenzione dell'infragilimento da idrogeno: la strategia Simpson Strong-Tie | Friulsider

Come riduce Simpson Strong-Tie | Friulsider il rischio di infragilimento da idrogeno delle proprie viti strutturali?

Come illustrato, l’infragilimento da idrogeno può rappresentare una problematica significativa per le viti ad alta resistenza.

Simpson Strong-Tie | Friulsider è consapevole di questa problematica associata alle viti ad alte prestazioni e per questo motivo dedica particolare attenzione sia alla selezione degli acciai impiegati nei propri elementi di fissaggio che alla ricerca di rivestimenti alternativi in grado di garantire elevate prestazioni ma, allo stesso tempo, ridurre il rischio di infragilimento da idrogeno.

Scelta del materiale

Il tipo di acciaio viene selezionato con cura, mantenendo una durezza per la maggior parte delle viti inferiore a 36 HRC sulla scala Rockwell C (corrispondente a una resistenza a trazione inferiore a circa 1140 MPa), così da garantire sia un’adeguata resistenza meccanica che da ridurre significativamente il rischio di infragilimento da idrogeno.

Rivestimento

Viene dedicata particolare attenzione alla ricerca e allo sviluppo di rivestimenti che garantiscano una resistenza alla corrosione adeguata all’impiego previsto e che, allo stesso tempo, limitino l’assorbimento di idrogeno durante il processo di rivestimento:

• Impreg® + (utilizzato per le viti strutturali come SSH - SSH - Viti per legno - Friulsider e SSF - SSF - Viti per legno - Friulsider): trattamento superficiale a base di zinco e nichel. Grazie alla forte combinazione di differenti leghe metalliche il rivestimento risulta molto resistente e adatto ad ambienti corrosivi.

• E-Coat rivestimento non metallico (utilizzato per le viti strutturali come SDCF - SDCF - Viti per legno - Friulsider e SDCFC - SDCFC - Viti per legno - Friulsider): applicato con la tecnica della verniciatura elettroforetica. È un processo che tramite corrente elettrica deposita il materiale protettivo sull’elemento di fissaggio. Successivamente, il rivestimento viene polimerizzato in forno al fine di garantirne l’adesione e la durabilità. Questo processo risulta particolarmente adatto a ridurre il rischio di infragilimento da idrogeno.

Oltre a questi accorgimenti è bene ricordare che solitamente i produttori mitigano il rischio di infragilimento da idrogeno mediante l’esecuzione di test specifici durante le fasi di sviluppo e di controllo qualità.

Tali prove consentono di verificare che gli elementi di fissaggio possano essere utilizzati nell’applicazione prevista in corrispondenza del carico nominale.

FAQ TECNICHE: Infragilimento da idrogeno viti strutturali legno: cause e soglie di rischio (38 HRC)

Che cos'è l'infragilimento da idrogeno nelle viti strutturali?

È una perdita permanente di resistenza e duttilità che può colpire alcuni acciai quando atomi di idrogeno presenti sulla superficie della vite migrano, sotto sollecitazione, verso le zone di massima tensione. Questo genera microfessurazioni che si propagano fino al cedimento per sovraccarico della sezione resistente residua. Il cedimento è fragile, improvviso e senza segnali di preavviso, a differenza delle rotture duttili convenzionali.

In quali contesti applicativi è più probabile il fenomeno?

Riguarda prevalentemente le connessioni tra piastre metalliche ed elementi lignei, dove le viti sono spesso soggette a coppie di serraggio elevate e a carichi aggiuntivi indotti dal rigonfiamento del legno per variazioni di umidità. Il rischio cresce con lo spessore della piastra metallica, meno deformabile. Le connessioni legno-legno sono meno esposte, perché il rigonfiamento del legno è in parte assorbito dalla penetrazione della testa della vite.

Quali norme regolano il tema dell'infragilimento da idrogeno e delle viti strutturali per legno?

La norma ISO 15330 definisce il test di precarico per la rilevazione dell'infragilimento da idrogeno negli elementi di fissaggio in acciaio. La EN 14592 disciplina i requisiti dei connettori a gambo cilindrico (tra cui le viti) per strutture in legno. La EN ISO 2081 regola i rivestimenti elettrolitici di zinco, citati nell'articolo come possibile fonte di idrogeno in fase di produzione. 

Quali sono i vantaggi di una corretta gestione del rischio da idrogeno?

Una gestione corretta consente di impiegare acciai ad alta resistenza — necessari per prestazioni meccaniche elevate — senza esporre la connessione al rischio di rottura fragile improvvisa. Permette inoltre di utilizzare rivestimenti anticorrosivi performanti anche in ambienti aggressivi, mantenendo margini di sicurezza adeguati nel tempo e riducendo il rischio di cedimenti imprevisti in esercizio.

Come si affronta il tema in fase di posa e progettazione?

Il progettista deve limitare i carichi di esercizio mantenendo un ampio margine rispetto ai valori di rottura, soprattutto nelle connessioni legno-metallo con piastre spesse. È opportuno evitare coppie di serraggio eccessive e considerare gli effetti del rigonfiamento igrometrico del legno nel dimensionamento della connessione, prediligendo, dove possibile, acciai con durezza inferiore alle soglie critiche.

Quali controlli garantiscono la durabilità delle viti rispetto a questo rischio?

I produttori riducono le fonti interne di idrogeno minimizzando i tempi di pulizia acida e applicando trattamenti termici post-rivestimento per favorirne la fuoriuscita. Vengono inoltre eseguiti test specifici in fase di sviluppo e controllo qualità per verificare l'idoneità del prodotto al carico nominale previsto. [Verificare specifica tecnica/norma] per i protocolli di prova adottati caso per caso.

Quali errori evitare nella scelta e nell'impiego delle viti strutturali ad alta resistenza?

Va evitato l'impiego di acciai con durezza non controllata in ambienti umidi o corrosivi senza un rivestimento adeguato, così come il serraggio eccessivo nelle connessioni legno-metallo con piastre spesse. È un errore inoltre sottovalutare gli effetti a lungo termine della corrosione galvanica dei rivestimenti zincati, che può generare idrogeno anche dopo mesi o anni di esercizio.