Tornillos para madera y conexiones: evitar roturas con una correcta instalación

Los tornillos para madera desempeñan un papel fundamental en las conexiones estructurales, sobre todo en los nodos más complejos entre acero y madera. Con su uso creciente, tanto en edificios cada vez más grandes como en sistemas de construcción híbridos, han surgido nuevas dudas: ¿por qué estos tornillos se rompen antes de lo previsto?
Y más importante todavía, ¿cómo influye la instalación en la probabilidad de rotura de los tornillos?

Las roturas prematuras no son una anomalía relacionada con la calidad del producto: son el resultado de un equilibrio inestable entre las tensiones mecánicas, las condiciones ambientales y los métodos de instalación.

El siguiente gráfico, tomado del libro blanco de Rothoblaas “Premature Failure in Timber Screws: Insights into Hydrogen Embrittlement and Stress-Driven Risk”, ilustra el desarrollo temporal y los mecanismos de los distintos tipos de rotura de los tornillos para madera: desde los más inmediatos y en condiciones “secas”, como el exceso de par (overtorque) y la fragilización interna por hidrógeno (IHE), hasta los que se producen más tarde y en condiciones “húmedas”, como el agrietamiento por corrosión bajo tensión provocado por humedad (HI-SCC).

La implicación es clara: los tornillos para madera pueden empezar a fallar mucho antes de que ocurra su colapso estructural. A menudo, la causa que lo provoca está presente desde el momento en que se instalan, pero solo se manifiesta a medida que se suman condiciones desfavorables.

Par excesivo en los tornillos para madera: cuando “apretar bien” se convierte en “demasiado”.

Entre las principales causas de rotura prematura en condiciones secas se encuentra el exceso de par durante la instalación, comúnmente conocido como overtorque, que disminuye la resistencia de los tornillos.
Esto ocurre cuando el par de apriete supera los valores máximos recomendados para el tornillo, lo que genera tensiones residuales a lo largo del cuello y, por consiguiente, una reducción de la capacidad de deformación plástica.

Basta un aumento del 20–30 % del intervalo de par recomendado para que la resistencia a la tracción del conector se vea afectada de manera significativa.

Este fenómeno ocurre con más frecuencia de lo que se podría pensar, especialmente en las obras, donde el querer “apretar bien” puede llevar a superar fácilmente los límites técnicos.

Sin embargo, el problema no se limita a la fuerza aplicada manualmente: se agrava, sobre todo, cuando se utilizan atornilladores de impacto en las conexiones madera-acero y, en particular, si hay placas gruesas o muy rígidas.

En estas condiciones, los tornillos se rompen con más facilidad: el conector no puede adaptarse libremente, como sucede en las conexiones madera-madera, y la cabeza del tornillo se detiene contra la placa de acero, mientras que el atornillador sigue girando.
Como consecuencia, el tornillo puede sufrir una torsión "parásita" no necesaria: la fuerza residual se concentra tanto en la zona bajo la cabeza como en la primera parte del cuello roscado, donde es más común que ocurran las roturas.

La deformación plástica localizada puede crear microfisuras en el revestimiento protector, lo que facilita los procesos de corrosión cuando hay humedad.

En el laboratorio, el uso controlado de atornilladores de impacto en conexiones acero-madera ha mostrado que el par alcanzado puede superar incluso en un 230 % el límite recomendado por el fabricante, sin que el operador se dé cuenta. Este exceso no solo solicita excesivamente el tornillo, sino que también provoca un segundo efecto perjudicial: el daño de la contrarrosca en la madera. Cuando el tornillo llega al final de su recorrido en la placa, pero sigue girando, ya no penetra en la madera, sino que tritura las fibras que habían sido compactadas durante la inserción, lo que puede debilitar su resistencia a la extracción.

Incluso si no se rompe de inmediato, un tornillo para madera dañado por haber sido sometido a un par excesivo, puede romperse prematuramente bajo carga, especialmente cuando se presentan factores combinados, como humedad, vibraciones o fallos localizados de la madera.

El uso de atornilladores de impacto no es problemático en sí mismo: el riesgo solo se presenta en configuraciones rígidas, generalmente acero-madera. En conexiones madera-madera, donde la capacidad de deformación y de distribución de las solicitaciones es mayor, estas herramientas se pueden usar sin problemas siempre que, durante la inserción, se respeten los límites de par indicados.

Ángulos incorrectos: una amenaza oculta para los tornillos para madera

La inserción de un tornillo con un ángulo incorrecto, incluso mínimo, puede provocar deformaciones permanentes (flexiones) a lo largo del cuello. Los datos recopilados confirman que esta condición puede reducir considerablemente la capacidad de tracción del tornillo, hasta un 30 % en algunos casos, según el ángulo de inserción. En condiciones secas, estas deformaciones suponen un menor riesgo de fallo inmediato.

No obstante, si la humedad penetra en la conexión, las microfisuras que se forman durante la inserción favorecen la corrosión y la absorción de hidrógeno. En estas condiciones, el conector puede fallar, incluso si está sometido a cargas mucho más bajas de lo esperado.

Hinchazón de la madera: ¿por qué se rompen los tornillos?

La hinchazón de la madera debido a la humedad puede ejercer una fuerte presión en los tornillos, especialmente en las conexiones acero-madera. Según un estudio realizado por la Universidad de Alberta, la combinación de hinchazón y overtorque puede generar una carga axial igual al 65 % de la capacidad de tracción del tornillo, incluso antes de aplicar una carga externa.

El efecto oculto de los mecanismos microscópicos de rotura

Como se ha ilustrado anteriormente, las microgrietas durante la instalación son causadas por un par excesivo, ángulos de inserción erróneos e impactos violentos del cuello, la rosca o la cabeza del tornillo contra las placas de acero. Aunque inicialmente estas pequeñas grietas no son problemáticas, a la larga pueden causar roturas bajo carga o actuar como puntos de absorción de hidrógeno en presencia de humedad. Su peligrosidad aumenta exponencialmente si el tornillo para madera se inserta en condiciones de humedad y/o en contacto con maderas agresivas. En estos casos, incluso los tornillos de baja dureza pueden volverse susceptibles a la fragilización ambiental.

Todos estos factores que ponen en riesgo la durabilidad de los tornillos pueden concentrarse en diferentes fases de la instalación y la colocación.

Así pues, una buena instalación es fruto de una cadena integrada de acciones técnicas:

• El proyectista es responsable de especificar claramente los requisitos de instalación: momento de torsión máximo, limitaciones de ángulo y condiciones ambientales de diseño.
  También debe prever un plan de control de la humedad (Moisture Management Plan) para limitar la exposición de la estructura a condiciones de humedad, especialmente durante la fase de construcción.

• El fabricante debe garantizar que los conectores estén diseñados y probados para soportar las cargas y las condiciones previstas y, además, debe proporcionar especificaciones técnicas e instrucciones de instalación adecuadas.

• El instalador debe seguir las instrucciones del proyectista y del fabricante, utilizando herramientas apropiadas: plantillas, guías de perforación y agujeros piloto pueden mejorar considerablemente la precisión angular, mientras que los atornilladores con control de par permiten respetar los límites sin superar umbrales críticos.

Buenas prácticas y herramientas útiles para evitar roturas en los tornillos para madera

Controlar la alineación no consiste únicamente en “mirar derecho”. Los montajes en lugares expuestos deben protegerse: las láminas, los sellantes y una buena planificación logística pueden marcar la diferencia.

Los productos Rothoblaas, como el limitador de par TORQUE LIMITER o la plantilla JIG VGU, deben formar parte del equipo de cualquier instalador.

Incluso el tornillo más resistente puede fallar si no se manipula con esmero. Los datos recopilados por Rothoblaas y sus socios de investigación (KIT y Universidad de Alberta) confirman que el montaje es una fase crítica para los tornillos para madera: toda instalación incorrecta puede ser una causa de rotura.

Instalar con cuidado, seguir las recomendaciones y comprender los mecanismos de rotura: si se respetan estos requisitos, los tornillos seguirán sosteniendo los edificios del futuro, incluso más grandes y más exigentes, sin romperse.

Rothoblaas ha aceptado esta misión. Descubre aquí nuestro compromiso: Premature Failure in Timber Screws: Insights into Hydrogen Embrittlement and Stress-Driven Risk