Introduction de la technologie de la construction en acier

Si le premier âge industriel était celui du fer et de la vapeur, le deuxième âge industriel, qui a commencé vers 1880, pourrait être appelé celui de l’acier et de l’électricité. La production de masse de ce nouveau matériau et de cette nouvelle forme d’énergie a également transformé la technologie du bâtiment. L’acier a d’abord été fabriqué en grandes quantités pour les rails de chemin de fer. Le laminage des rails en acier (adapté de la technologie de laminage du fer forgé) et d’autres formes telles que les angles et les canaux a commencé vers 1870 ; il a permis d’obtenir un métal beaucoup plus résistant et moins cassant. L’acier a été choisi comme principal matériau de construction pour deux structures construites pour l’exposition de Paris de 1889 : la tour Eiffel et la galerie des machines. La tour de Gustave Eiffel mesurait 300 mètres (1 000 pieds) de haut, et sa forme parabolique incurvée est devenue un symbole de Paris. Sa hauteur n’a pas été dépassée jusqu’au couronnement du Chrysler Building de 318,8 mètres (1 046 pieds) de haut à New York en 1929. La Galerie des Machines a été conçue par l’architecte C.-L.-F. Dutert et l’ingénieur Victor Contamin, avec de grands arcs à trois charnières d’une portée de 114 mètres (380 pieds) et s’étendant sur plus de 420 mètres (1 400 pieds). Sa portée libre de 48 727 mètres carrés (536 000 pieds carrés) n’a jamais été égalée ; en fait, elle était si grande qu’aucune utilisation régulière n’a pu être trouvée après la fermeture de l’exposition, et ce magnifique bâtiment a été démoli en 1910.

Les premiers gratte-ciel à ossature métallique

Alors que ces structures prodigieuses étaient au centre de l’attention, une nouvelle technologie plus importante se développait : les tours d’habitation à ossature en acier. Cela a commencé à Chicago, une ville dont le quartier central des affaires était en pleine expansion. La pression exercée sur la valeur des terrains au début des années 1880 a conduit les propriétaires à exiger des bâtiments plus hauts. L’architecte-ingénieur William Le Baron Jenney a relevé ce défi en construisant le Home Insurance Company Building (1885), un immeuble de 10 étages dont la structure était presque entièrement métallique. La charpente était constituée de colonnes en fonte soutenant des poutres en fer forgé, ainsi que de deux étages de poutres en acier laminé qui ont été remplacées pendant la construction ; il s’agissait de la première utilisation à grande échelle de l’acier dans un bâtiment. La charpente métallique était entièrement recouverte de briques ou de tuiles d’argile pour la protection contre le feu, car le fer et l’acier commencent à perdre leur résistance s’ils sont chauffés à plus de 400 °C (750 °F). Le Manhattan Building de Jenney (1891) comportait le premier contreventement vertical en treillis pour résister aux forces du vent ; le contreventement à cadre rigide ou à portique a été utilisé pour la première fois dans le Old Colony Building voisin (1893) par les architectes William Holabird et Martin Roche. L’ossature entièrement en acier est finalement apparue dans le Ludington Building de Jenney (1891) et le Fair Store (1892).

Les fondations de ces immeubles de grande hauteur posaient un problème majeur, étant donné le sol argileux mou du centre de Chicago. Les semelles traditionnelles, qui remontaient aux Égyptiens, se sont avérées inadéquates pour résister au tassement dû aux lourdes charges des nombreux étages, et des pieux en bois (une invention romaine) ont été enfoncés jusqu’à la roche-mère. Pour le Stock Exchange Building de 13 étages (1892), l’ingénieur Dankmar Adler a utilisé les fondations à caissons utilisées dans la construction des ponts. Un puits cylindrique renforcé par une gaine en planches a été creusé à la main jusqu’à la roche et rempli de béton pour créer un pilier solide destiné à recevoir les lourdes charges des colonnes en acier.

En 1895, une technologie mature de construction de gratte-ciel avait été mise au point : la charpente de poutres en I en acier laminé avec des assemblages boulonnés ou rivetés, des contreventements diagonaux ou en portique, des tuiles d’argile ignifuges et des fondations en caisson. L’ascenseur électrique assurait le transport vertical, mais les autres technologies environnementales étaient encore assez simples. L’éclairage intérieur était encore largement assuré par la lumière du jour, bien que complété par la lumière électrique. Il y avait un chauffage à la vapeur mais pas de refroidissement, et la ventilation dépendait de l’ouverture des fenêtres ; ces bâtiments nécessitaient donc des espaces au sol étroits pour donner un accès adéquat à la lumière et à l’air. L’introduction du moteur à combustion interne (inventé par Nikolaus Otto en 1876) sur le chantier a été tout aussi importante pour la construction des tours ; il a remplacé le cheval et la force musculaire humaine pour les tâches de levage les plus lourdes. Au cours des 35 années suivantes, des bâtiments à ossature métallique de plus en plus hauts ont été construits ; à Chicago, le Masonic Temple (1892) de Daniel Burnham et John Root atteignait 22 étages (91 mètres ou 302 pieds), mais le leadership est ensuite passé à New York avec le Manhattan Life Building (1894) de 26 étages. Le Singer Building (1907) de l’architecte Ernest Flagg s’élève à 47 étages (184 mètres ou 612 pieds), le Woolworth Building (1913) de Cass Gilbert atteint une hauteur de 238 mètres (792 pieds) avec 55 étages, et l’Empire State Building (1931) de Shreve, Lamb & Harmon, avec ses 102 étages, atteint 381 mètres (1 250 pieds). La course à la construction de bâtiments plus hauts s’est brusquement arrêtée avec la Grande Dépression et la Seconde Guerre mondiale, et la construction de gratte-ciel n’a repris qu’à la fin des années 1940.

Construction de longue portée en acier

Les structures de longue portée en acier se sont développées plus lentement que les tours au cours des années 1895 à 1945, et aucune n’a dépassé la portée de la Galerie des Machines. Les arcs en treillis à deux charnières (constitués d’un seul élément articulé à chaque extrémité) et à trois charnières (constitués de deux éléments articulés à chaque extrémité et au point de rencontre au sommet) étaient largement utilisés, les plus grands exemples étant deux grands hangars à dirigeables pour la marine américaine dans le New Jersey – le premier construit en 1922 avec une portée de 79 mètres (262 pieds), le second en 1942 avec une portée de 100 mètres (328 pieds). Le treillis plat a également été utilisé, atteignant une portée maximale de 91 mètres (300 pieds) dans le Glenn L. Martin Co. Aircraft Assembly Building (1937) à Baltimore. Le soudage à l’arc électrique, une autre technologie importante de l’acier, a été appliqué à la construction à cette époque, bien que le principe en ait été développé dans les années 1880. Les premiers bâtiments multi-étages entièrement soudés étaient une série d’usines pour la Westinghouse Company, à partir de 1920. Le cadre rigide soudé est devenu un nouveau type de structure pour les travées moyennes, atteignant une longueur de 23 mètres (77 pieds) dans le Cincinnati Union Terminal (1932), mais l’utilisation généralisée du soudage n’a pas eu lieu avant 1945.

Réintroduction du béton

Le deuxième âge industriel a également vu la réapparition du béton dans une nouvelle relation composite avec l’acier, créant une technologie qui allait rapidement assumer un rôle majeur dans la construction. La première étape de ce processus a été la création de ciments artificiels plus résistants. Le mortier de chaux, composé de chaux, de sable et d’eau, était connu depuis l’Antiquité. Il a été amélioré à la fin du 18e siècle par l’ingénieur britannique John Smeaton, qui a ajouté de la brique en poudre au mélange et a fabriqué le premier béton moderne en ajoutant des cailloux comme granulat grossier. Joseph Aspdin a breveté le premier véritable ciment artificiel, qu’il a appelé ciment Portland, en 1824 ; ce nom impliquait qu’il était de la même qualité que la pierre de Portland. Pour fabriquer du ciment portland, Aspdin a brûlé du calcaire et de l’argile dans un four ; l’argile a fourni des composés de silicium qui, combinés à l’eau, ont formé des liaisons plus solides que les composés de calcium du calcaire. Dans les années 1830, Charles Johnson, un autre cimentier britannique, a compris l’importance de la combustion à haute température de l’argile et du calcaire jusqu’à une chaleur blanche, moment où ils commencent à fusionner. À cette époque, le béton ordinaire était utilisé pour les murs et remplaçait parfois la brique dans les arches de plancher qui s’étendaient entre les poutres en fer forgé dans les usines à charpente métallique. Des blocs de béton préfabriqués étaient également fabriqués, mais ils n’ont pas concurrencé efficacement la brique avant le XXe siècle.

L’invention du béton armé

La première utilisation du béton armé a été faite par le constructeur français François Coignet à Paris dans les années 1850. La maison entièrement en béton de Coignet à Paris (1862), dont les toits et les planchers sont renforcés par de petites poutres en I en fer forgé, existe toujours. Mais le développement du béton armé a commencé avec le brevet déposé en 1867 par le jardinier français Joseph Monier pour de grands pots de fleurs en béton renforcés par une cage de fils de fer. Le constructeur français François Hennebique a appliqué les idées de Monier aux planchers, en utilisant des tiges de fer pour renforcer les poutres et les dalles en béton ; Hennebique a été le premier à réaliser que les tiges devaient être pliées vers le haut pour prendre un moment négatif près des supports. En 1892, il a fermé son entreprise de construction et est devenu ingénieur-conseil, construisant de nombreuses structures avec des cadres en béton composés de colonnes, de poutres et de dalles. Aux États-Unis, Ernest Ransome a suivi le travail d’Hennebique en construisant des bâtiments d’usine en béton. Les structures de grande hauteur en béton ont suivi le paradigme de la charpente métallique. Parmi les exemples, citons l’Ingalls Building (1903) de 16 étages à Cincinnati, qui mesurait 54 mètres (180 pieds) de haut, et le Royal Liver Building (1909) de 11 étages, construit à Liverpool par le représentant anglais d’Hennebique, Louis Mouchel. Cette dernière structure a été le premier gratte-ciel d’Europe, sa tour d’horloge atteignant une hauteur de 95 mètres (316 pieds). La hauteur des bâtiments en béton a progressé lentement en raison de la résistance et de la rigidité beaucoup plus faibles du béton que de l’acier.

Entre 1900 et 1910, la théorie élastique des structures a enfin été appliquée au béton armé de manière scientifique. Emil Morsch, l’ingénieur en chef de la société allemande Wayss et Freitag, a formulé la théorie, qui a été vérifiée par des tests expérimentaux détaillés à l’université technique de Stuttgart. Ces essais ont établi la nécessité de barres déformées pour une bonne liaison avec le béton et ont démontré que la quantité d’acier dans un élément doit être limitée à environ 8 % de la surface ; cela garantit la rupture élastique lente de l’acier, par opposition à la rupture fragile et brutale du béton, en cas de surcharge accidentelle. En 1930, l’ingénieur américain Hardy Cross a introduit des méthodes de relaxation pour l’analyse approximative des cadres rigides, ce qui a considérablement simplifié la conception des structures en béton. Dans le bâtiment Johnson-Bovey (1905) à Minneapolis, Minnesota, l’ingénieur américain C.A.P. Turner a utilisé des dalles de plancher en béton sans poutres (appelées dalles plates ou plaques plates) qui utilisaient des motifs diagonaux et orthogonaux de barres d’armature. Le système encore utilisé aujourd’hui – qui divise les travées entre les colonnes en bandes de colonnes et bandes centrales et utilise uniquement une disposition orthogonale des barres – a été conçu en 1912 par l’ingénieur suisse Robert Maillart.

Le dôme en béton

Le béton est également utilisé pour la construction de bâtiments de grande portée, dont un des premiers exemples est la salle du Centenaire (1913) de Breslau, en Allemagne (aujourd’hui Wrocław, en Pologne), réalisée par l’architecte Max Berg et les ingénieurs Dyckerhoff & Widmann ; son dôme nervuré s’étend sur 65 mètres (216 pieds), dépassant ainsi la portée du Panthéon. Plus spectaculaires, les grands hangars à dirigeables d’Orly, construits par l’ingénieur français Eugène Freyssinet en 1916, étaient constitués de voûtes paraboliques ondulées de 9 centimètres d’épaisseur, d’une portée de 80 mètres et percées de fenêtres. Dans les années 1920, Freyssinet a apporté une contribution majeure à la technologie du béton avec l’introduction de la précontrainte. Dans ce procédé, les fils d’armature étaient tendus et le béton était coulé autour d’eux ; lorsque le béton durcissait, les fils étaient libérés, et l’élément subissait une déflexion vers le haut et était entièrement en compression. Lorsque la charge de service a été appliquée, l’élément a fléchi vers le bas jusqu’à une position plate, restant entièrement en compression, et il n’a pas développé les fissures de tension qui affectent le béton armé ordinaire. L’application à grande échelle de la précontrainte n’a été faite qu’après 1945.

La construction de coques en béton a également commencé dans les années 1920 ; le premier exemple était une coque hémisphérique très mince (6 centimètres) pour un planétarium (1924) à Iéna, en Allemagne, d’une portée de 25 mètres (82 pieds). En 1927, un dôme octogonal en coquille nervurée d’une portée de 66 mètres a été construit pour abriter une halle de marché à Leipzig. De nombreuses variantes de coquilles minces ont été conçues pour être utilisées dans des bâtiments industriels. La coque s’est imposée comme une forme majeure de structure en béton de longue portée après la Seconde Guerre mondiale.

Développement des systèmes d’entretien et de soutien des bâtiments

Transport vertical

À la fin des années 1850, Elisha Graves Otis a mis au point les premiers ascenseurs à câble sûrs fonctionnant à la vapeur et équipés de rails de guidage et de loquets dentés. L’ascenseur hydraulique à vapeur, qui était limité aux bâtiments d’environ 15 étages, a été développé en 1867 par l’ingénieur français Léon Édoux. La mise au point du moteur électrique par George Westinghouse en 1887 a permis l’invention de l’ascenseur électrique à corde à grande vitesse (appelé ascenseur « éclair » par rapport à l’ascenseur hydraulique plus lent) en 1889 et de l’escalier mobile électrique, ou escalator, dans les années 1890.

Éclairage

Au cours du deuxième âge industriel, les technologies environnementales se sont développées rapidement. La plupart de ces technologies impliquent l’utilisation de l’énergie électrique, dont le coût a diminué au cours de cette période. La lampe électrique à arc de carbone a été démontrée dès 1808, et le physicien britannique Michael Faraday a conçu le premier générateur électrique à vapeur pour faire fonctionner une grande lampe à arc de carbone pour le phare de South Foreland en 1858. Mais la lampe à arc au carbone était si lumineuse et nécessitait tant d’énergie qu’elle n’a jamais été largement utilisée et a été rapidement remplacée par l’invention simultanée de l’ampoule à filament de carbone par Thomas Edison et Joseph Swan en 1879. L’ampoule à filament de carbone était très inefficace, mais elle a éliminé les risques de suie et d’incendie des jets de gaz de charbon et a rapidement été largement acceptée. Elle a été remplacée par l’ampoule à incandescence à filament de tungstène, plus efficace, mise au point par George Coolidge de la General Electric Company, qui est apparue en 1908 ; le filament à double enroulement utilisé aujourd’hui a été introduit vers 1930.

Edison a fait des expériences avec des tubes à décharge en 1896, et Georges Claude en France et Moore en Angleterre ont produit les premiers tubes à décharge pratiques utilisant des gaz nobles tels que le néon et l’argon ; ces tubes ont été utilisés pour la première fois pour souligner la façade du West End Cinema à Londres en 1913 et ont été rapidement exploités pour les enseignes et autres objets décoratifs. En 1938, General Electric et Westinghouse ont produit les premières lampes à décharge fluorescentes commerciales utilisant de la vapeur de mercure et des tubes recouverts de phosphore pour améliorer le rendement de la lumière visible. Les tubes fluorescents avaient une efficacité à peu près double de celle des lampes à tungstène et ont été rapidement adoptés pour les commerces et les bureaux. L’intensité lumineuse a augmenté dans tous les bâtiments à mesure que les coûts de l’électricité diminuaient, pour atteindre un pic vers 1970. Les lampes à décharge gazeuse utilisant du mercure à haute pression et de la vapeur de sodium ont été mises au point dans les années 1960, mais n’ont trouvé qu’une application limitée dans les bâtiments ; elles sont d’une intensité si élevée et d’une couleur si marquée qu’elles sont surtout utilisées dans les espaces à haut plafond et pour l’éclairage extérieur.

Systèmes de chauffage et de refroidissement

Les systèmes de chauffage à vapeur et à eau chaude de la fin du XIXe siècle constituaient un moyen raisonnable de chauffer l’hiver, mais il n’existait aucune méthode pratique pour le refroidissement artificiel, la ventilation ou le contrôle de l’humidité. Dans le système de chauffage à air pulsé, l’air a remplacé la vapeur ou l’eau comme fluide de transfert de chaleur, mais cela dépendait du développement de ventilateurs motorisés pour déplacer l’air. Bien que de grands ventilateurs rudimentaires destinés à des applications industrielles pour la ventilation des navires et des mines soient apparus dans les années 1860 et que l’hôpital Johns Hopkins de Baltimore ait installé avec succès un système à air pulsé à vapeur en 1873, l’application généralisée de ce système aux bâtiments n’a eu lieu qu’après le développement des ventilateurs électriques dans les années 1890.

D’importantes innovations dans la technologie du refroidissement ont suivi. Le développement des machines frigorifiques pour le stockage des aliments a joué un rôle, mais l’élément clé a été le brevet déposé en 1906 par Willis Carrier, qui a résolu le problème de l’élimination de l’humidité en condensant la vapeur d’eau sur des gouttelettes d’eau froide pulvérisées dans un courant d’air. Commençant par contrôler l’humidité dans les usines de tabac et de textile, Carrier a lentement développé son système de « météo artificielle », pour finalement l’appliquer avec des dispositifs de chauffage, de refroidissement et de contrôle en tant que système complet au Grauman’s Metropolitan Theatre, à Los Angeles, en 1922. Le premier immeuble de bureaux climatisé par Carrier est le Milam Building (1928), un immeuble de 21 étages situé à San Antonio, au Texas. Il était équipé d’une centrale frigorifique au sous-sol qui fournissait de l’eau froide à de petites unités de traitement de l’air à tous les deux étages ; celles-ci fournissaient de l’air conditionné à chaque espace de bureau par des conduits dans le plafond ; l’air était renvoyé dans les couloirs par des grilles dans les portes, puis retournait aux unités de traitement de l’air. Un système quelque peu différent a été adopté par Carrier pour le bâtiment de 32 étages de la Philadelphia Savings Fund Society (1932). Les unités centrales de traitement de l’air étaient placées avec l’installation frigorifique au 20e étage, et l’air conditionné était distribué par des gaines verticales aux étages occupés et horizontalement à chaque pièce, puis renvoyé par les couloirs vers des gaines d’évacuation verticales qui le ramenaient à l’installation centrale. Les deux systèmes de traitement de l’air, local et central, sont toujours utilisés dans les immeubles de grande hauteur. La Grande Dépression et la Seconde Guerre mondiale ont réduit la demande de systèmes de climatisation, et ce n’est que lors de la construction du Secrétariat des Nations Unies à New York, en 1949, que Carrier a mis au point une méthode de climatisation capable de traiter efficacement les importantes charges thermiques imposées par les murs-rideaux entièrement en verre du bâtiment. L’air conditionné n’est pas seulement fourni par le plafond, mais aussi par des convecteurs tubulaires situés juste à l’intérieur de la paroi vitrée. Les convecteurs à serpentin contiennent de l’eau chaude ou froide centralisée pour tempérer davantage les pertes ou les gains de chaleur au niveau du périmètre. L’air conditionné et l’eau sont fournis de manière centralisée à partir de quatre étages mécaniques répartis sur les 39 étages du bâtiment.

Le système « Weathermaster » de Carrier était gourmand en énergie, ce qui correspondait à la baisse des coûts énergétiques de l’époque, et il a été adopté pour la plupart des gratte-ciel tout en verre qui ont suivi au cours des 25 années suivantes. Dans les années 1960, le système dit à double conduit est apparu ; l’air chaud et l’air froid étaient acheminés de manière centralisée vers chaque partie du bâtiment et combinés dans des boîtes de mélange pour fournir l’atmosphère appropriée. Le système à double conduit consommait également beaucoup d’énergie et, lorsque les prix de l’énergie ont commencé à augmenter dans les années 1970, ce système et le système Weathermaster ont été supplantés par le système à volume d’air variable (VAV), qui fournit de l’air conditionné à une température unique, le volume variant en fonction des pertes ou des gains de chaleur dans les espaces occupés. Le système VAV nécessite beaucoup moins d’énergie et est largement utilisé.

Au début des années 1950, les systèmes de climatisation se réduisaient à de très petites unités électriques capables de refroidir une seule pièce. Ces unités étaient généralement montées dans les fenêtres pour aspirer l’air frais et évacuer la chaleur dans l’atmosphère. Ces unités ont trouvé une large application dans la modernisation des bâtiments existants – en particulier les maisons et les immeubles d’habitation – et ont depuis trouvé une application considérable dans les nouveaux bâtiments résidentiels.

Les coûts relativement élevés de l’énergie dans les années 1970 ont également suscité un intérêt pour diverses formes de chauffage solaire, tant pour les espaces intérieurs que pour l’eau chaude sanitaire, mais, à l’exception du chauffage solaire passif résidentiel, la baisse relative des prix de l’énergie dans les années 1980 a rendu ces systèmes peu attrayants.

L’étude de la thermodynamique à la fin du XIXe siècle a porté sur les propriétés de transfert de chaleur des matériaux et a conduit au concept d’isolation thermique, c’est-à-dire un matériau dont le taux de transfert de chaleur est relativement faible. Les atmosphères des bâtiments étant de plus en plus contrôlées après 1900, une attention accrue a été accordée à l’isolation thermique des enveloppes des bâtiments. L’air est l’un des meilleurs isolants, et les matériaux qui emprisonnent l’air en petites unités ont un faible taux de transfert de chaleur ; la laine et la mousse en sont d’excellents exemples. Les premiers isolants commerciaux, dans les années 1920, étaient des laines minérales et des panneaux de fibres végétales ; la laine de fibre de verre est apparue en 1938. La laine de fibre de verre est apparue en 1938. La mousse de verre, la première mousse isolante rigide, a été commercialisée dans les années 1930, et après 1945, une grande variété de mousses isolantes en plastique a été développée. Depuis les années 1970, la plupart des codes de construction fixent des exigences minimales pour l’isolation de l’enveloppe des bâtiments, et ces exigences se sont avérées très rentables pour économiser l’énergie.

Le verre comme matériau de construction

Le verre a connu un développement considérable au cours du deuxième âge industriel. La fabrication de verre plat transparent a été perfectionnée à la fin du XIXe siècle, tout comme les techniques de sablage et de gravure. Aux États-Unis, en 1905, la Libbey Owens Glass Company a commencé à fabriquer des feuilles de verre par un procédé d’étirage continu à partir d’un réservoir de verre fondu ; leur surface était quelque peu déformée, mais elles étaient beaucoup moins chères que le verre plat. Des panneaux préfabriqués de double vitrage d’environ 2,5 centimètres (1 pouce) d’épaisseur ont été fabriqués pour la première fois dans les années 1940, bien que le principe isolant de l’air emprisonné entre deux couches de verre ait été reconnu bien plus tôt. Les briques de verre creuses ont été introduites par la Corning Company en 1935. En 1952, les frères Pilkington, en Angleterre, ont mis au point le procédé de verre flotté, dans lequel un ruban de verre continu de 3,4 mètres (11 pieds) de large flotte sur de l’étain fondu et les deux faces sont finies au feu, sans polissage ni meulage ; cette méthode est devenue la méthode de production standard. Pilkington a également été le premier à développer des meneaux en verre structurel dans les années 1960. Dans les années 1950, l’essor de la climatisation a conduit à la commercialisation de verre teinté qui absorbe et réduit les apports solaires, et dans les années 1960, le verre réfléchissant avec de fines couches métalliques appliquées par le procédé de placage sous vide a été introduit, également pour réduire les apports solaires. Le verre thermo-miroir, dont la couche transparente laisse passer le rayonnement solaire de courte longueur d’onde mais tend à réfléchir le rayonnement de plus grande longueur d’onde provenant de l’intérieur des espaces occupés, a été introduit en 1984 ; associé à un double vitrage, son pouvoir isolant est proche de celui d’un mur.

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Retour sur l’histoire de la construction