Vis pour bois et assemblages : prévenir les ruptures grâce à une installation correcte

Les vis pour bois ont un rôle central dans les assemblages structurels, en particulier dans les nœuds plus complexes unissant acier et bois. Leur utilisation croissante dans des bâtiments de plus en plus grands et dans des systèmes hybrides a fait émerger de nouvelles questions : que se passe-t-il quand ces vis se cassent plus vite que prévu ?
Et, encore plus important, à quel point l’installation a-t-elle une incidence sur le risque de rupture des vis ?

Les ruptures prématurées ne sont pas une anomalie qui ne dépendrait que de la qualité du produit : elles sont la conséquence d’un équilibre instable entre les tensions mécaniques, les conditions environnementales et les méthodes d’installation.

Le graphique ci-dessous extrait du livre blanc de Rothoblaas « Premature Failure in Timber Screws: Insights into Hydrogen Embrittlement and Stress-Driven Risk » illustre l’évolution dans le temps et les mécanismes de différents types de ruptures de vis pour bois : des ruptures les plus immédiates et en conditions sèches – dues par exemple à un excès de couple (overtorque) ou à une fragilisation par l’hydrogène interne (IHE) – à celles différées dans le temps et en conditions « mouillées » – dues par exemple à la corrosion sous tension (Stress Corrosion Cracking) causée par l’humidité (HI-SCC).

Comme on peut le voir, les vis pour bois peuvent commencer à céder bien avant l’effondrement structurel. Dans de nombreux cas, l’élément déclencheur est déjà présent au moment de l’installation, mais il ne se manifeste qu’avec l’accumulation de conditions défavorables.

L’excès de couple dans les vis pour bois : quand « bien serrer » devient « trop serrer ».

Parmi les principales causes de ruptures précoces en conditions sèches, on trouve l’excès de couple pendant l’installation (overtorque), qui mine la résistance des vis.
Il s’agit d’une condition où le couple de serrage dépasse les valeurs maximales recommandées pour la vis, ce qui génère des tensions résiduelles le long de la tige, qui réduisent sa capacité à se déformer plastiquement.

Un excès de 20–30 % par rapport à l’intervalle de couple recommandé suffit pour affecter significativement la résistance à la traction du connecteur.

Ce phénomène se présente plus souvent qu’on ne le pense, spécialement sur les sites de construction où, en voulant « bien serrer », on peut facilement arriver à dépasser les limites techniques.

Mais le problème n’est pas limité à la force appliquée manuellement : il s’aggrave particulièrement quand des visseuses à percussion sont utilisées dans des assemblages bois-acier, surtout en présence de plaques épaisses ou très rigides.

Dans ces configurations, les vis se cassent plus facilement, parce que le connecteur n’est pas libre de s’adapter comme il le fait dans les assemblages bois-bois. La tête de la vis s’arrête contre la plaque en acier, tandis que la visseuse continue à imprimer la rotation.
La vis peut ainsi subir une torsion parasite non nécessaire. L’effort résiduel se concentre aussi bien dans la zone sous la tête que dans la première partie de la tige filetée, là où l’on observe fréquemment des fractures.

La déformation plastique localisée peut créer des microfractures dans le revêtement de protection, ce qui facilite les mécanismes de corrosion en présence d’humidité.

En laboratoire, les tests d’utilisation des visseuses à percussion sur des assemblages acier-bois ont montré que les valeurs de couple peuvent dépasser de 230 % la limite indiquée par le producteur, sans que l’opérateur s’en aperçoive. Non seulement cet excès sollicite trop la vis, mais il produit également un autre effet insidieux : il abime le filetage dans le bois. Lorsque la vis continue de tourner alors qu’elle est arrivée en bout de course sur la plaque, elle n’avance plus dans le bois, mais déchiquète les fibres qu’elle avait compactées pendant l’insertion, ce qui peut affaiblir sa résistance à l’arrachement.

Même en l’absence de rupture immédiate, une vis pour bois abimée par un excès de couple peut se casser de façon prématurée sous l’effet des charges. Cela est particulièrement vrai en présence d'accumulation d’évènements tels que l’humidité, des vibrations ou des fléchissements localisés du bois.

L’utilisation de visseuses à percussion n’est pas un problème en soi. Le risque ne se présente qu’avec des configurations rigides, en particulier dans les assemblages acier-bois. Dans les connexions bois-bois caractérisées par une plus grande capacité de déformation et de distribution des sollicitations, il est possible d’utiliser ces outils en toute sécurité, tant que l’insertion est effectuée dans le respect des limites de couple déclarées.

Mauvais alignement : une menace invisible pour les vis pour bois

L’insertion désaxée d’une vis, même minime, peut provoquer des déformations permanentes (flexions) le long de la tige. Les données récoltées confirment que cette condition peut réduire de façon importante la capacité de traction de la vis (jusqu’à 30 % dans certains cas) en fonction de l’ampleur de la courbure. En conditions sèches, ces déformations peuvent être un élément déclencheur de défaillance mineure immédiate.

Si l’humidité pénètre dans la connexion par contre, les microfractures qui se sont formées pendant l’insertion deviennent des accès privilégiés pour la corrosion et l’absorption d’hydrogène. C’est dans ces situations que le connecteur peut céder, même s’il est soumis à des charges bien inférieures à celles prévues.

Gonflement du bois : pourquoi les vis se cassent-elles ?

Le gonflement du bois dû à l’humidité peut exercer des pressions importantes sur les vis, en particulier dans les assemblages acier-bois. Selon une étude réalisée par l’Université d’Alberta, le gonflement associé à l’excès de serrage peut créer une charge axiale égale à 65 % de la capacité de traction de la vis, avant même qu’une charge extérieure ne soit appliquée.

L’effet invisible des mécanismes de rupture microscopiques

Les microfissures créées pendant l’installation sont causées par un excès de couple, des courbures en cas d’insertion désaxée et des chocs violents de la tige, du filet ou de la tête de la vis contre les plaques en acier. Bien que sans danger dans un premier temps, ces discontinuités peuvent évoluer en fractures une fois soumises à des charges ou agir comme des points d’absorption de l’hydrogène en présence d’humidité. Leur dangerosité augmente de façon exponentielle si la vis pour bois est installée dans des conditions humides et/ou en contact avec des bois agressifs. Dans ces conditions, même les vis de faible dureté peuvent être fragilisées par l’environnement.

Tous ces facteurs qui mettent à risque la durabilité des vis peuvent s’accumuler dans différentes phases de l’installation et de la pose.

La qualité de l’installation est donc le résultat d’une chaine intégrée d’actions techniques :

• le concepteur a pour tâche de spécifier clairement les caractéristiques d’installation, avec le moment de torsion maximal, les contraintes angulaires et les conditions environnementales du projet.
  Il doit également prévoir un plan de gestion de l’humidité (Moisture Management Plan) afin de limiter l’exposition de la structure à l’humidité, en particulier pendant les phases de construction.

• le producteur doit assurer que les connecteurs sont conçus et testés pour résister aux charges et aux conditions prévues, en fournissant des caractéristiques techniques et des instructions d’installation appropriées.

• l’installateur doit respecter les indications du concepteur et du producteur, en utilisant des outils adaptés : les gabarits, guides de perçage et trous pilotes peuvent grandement améliorer la précision de l’alignement, tandis que les visseuses à contrôle de couple permettent de respecter les limites dans dépasser les seuils critiques.

Bonnes pratiques et outils utiles pour éviter les ruptures des vis pour bois

Contrôler l’alignement ne signifie pas que « aller tout droit ». Les montages dans des environnements exposés doivent être protégés. Les membranes, les produits scellants et une bonne planification logistique peuvent faire toute la différence.

Les produits Rothoblaas tels que TORQUE LIMITER ou les gabarits JIG VGU sont désormais des alliés indispensables que tout installateur doit avoir dans sa boîte à outils.

Même la vis la plus résistante peut céder si elle est traitée avec trop de négligence. Les données collectées par Rothoblaas et ses partenaires de recherche (KIT et University of Alberta) confirment à quel point le montage est une phase critique pour les vis pour bois : chaque installation erronée est un facteur déclencheur potentiel.

Installer avec soin, respecter les recommandations, comprendre les mécanismes de rupture : voilà la voie à suivre pour que les vis continuent à supporter, sans céder, les architectures du futur, y compris les plus grandes et exigeantes.

Rothoblaas a accepté cette mission. Apprenez-en plus sur notre engagement ici : Premature Failure in Timber Screws: Insights into Hydrogen Embrittlement and Stress-Driven Risk