Développement de la technologie du fer

La dernière moitié du XVIIIe siècle voit se dérouler, principalement en Angleterre, une série d’événements que les historiens ultérieurs appelleront la première révolution industrielle et qui auront une profonde influence sur la société dans son ensemble ainsi que sur la technologie de la construction. L’un des premiers événements a été la production de fer à grande échelle, à commencer par les travaux d’Abraham Darby, qui, en 1709, a été le premier à utiliser le coke comme combustible dans le processus de fusion. La disponibilité immédiate du fer a contribué au développement de machines, notamment la machine à vapeur à double effet de James Watt en 1769. Henry Cort a mis au point le procédé de puddlage pour fabriquer du fer forgé en 1784 et, la même année, il a construit le premier laminoir, alimenté par un moteur à vapeur, pour produire des longueurs laminées de barres, de cornières et d’autres formes en fer forgé. La fonte, dont la teneur en carbone est supérieure à celle du fer forgé mais qui est plus fragile, est également produite à grande échelle. Des éléments de construction en fer standard sont rapidement apparus, ouvrant la voie au développement des bâtiments en métal.

On trouve les premières applications du fer dans la construction plusieurs siècles avant l’ère industrielle. On trouve des traces de ponts suspendus en fer avec des tabliers en bois en Chine au début de la dynastie Ming (1368-1644) ; certains d’entre eux – comme le pont Liu-Tung, objet d’une célèbre bataille lors de la Longue Marche de Mao Zedong en 1935 – ont survécu dans un état très restauré. Les chaînes de tension en fer des dômes des cathédrales Saint-Pierre et Saint-Paul en sont d’autres exemples. Mais la première grande structure en fonte de l’ère industrielle a été le pont sur la rivière Severn à Ironbridge. Construit par le fondeur Abraham Darby III entre 1777 et 1779, il a une portée de 30 mètres (100 pieds) et comporte cinq arcs de forme circulaire réduits à une toile d’araignée de fines nervures de fer. Chaque arc était coulé en deux pièces d’une dimension maximale de 21 mètres (70 pieds), difficiles à déplacer de la fonderie au site et à mettre en place. Des pièces plus petites et plus faciles à manipuler ont caractérisé l’application rapide du fer aux bâtiments qui ont suivi. Des colonnes pleines en fonte ont été utilisées dans l’église Sainte-Anne de Liverpool dès 1772, et des colonnes tubulaires creuses d’une efficacité accrue ont été mises au point dans les années 1790. La première utilisation de fermes en fer forgé, constituées de barres plates rivetées ensemble, a eu lieu dans une travée de 28 mètres (92 pieds) pour le toit du Théâtre-Français à Paris en 1786 par l’architecte Victor Louis. Là, le fer n’était pas tant utilisé pour sa résistance que pour son incombustibilité, qui, espérait-on, réduirait les risques d’incendie. Pour la même raison, vers 1800, l’industrie textile britannique a commencé à utiliser des charpentes métalliques partielles dans les bâtiments des usines pouvant atteindre sept étages. Des colonnes cylindriques creuses en fonte étaient espacées d’environ 3 mètres (10 pieds) et supportaient des poutres en T en fonte d’une portée maximale de 4,5 mètres (15 pieds) ; les étages étaient reliés par des arcs en brique reposant sur les ailes inférieures des poutres en T ; au périmètre, les poutres reposaient sur des murs porteurs en maçonnerie, ce qui donnait à la structure sa stabilité latérale. Ce prototype de bâtiment à ossature de fer avec murs extérieurs en maçonnerie a rapidement établi une norme qui s’est maintenue jusqu’à la fin du siècle.

L’ossature en fer complètement indépendante sans adjonction de maçonnerie a émergé lentement dans une série de types de bâtiments spéciaux. Le premier exemple modeste est le Hungerford Fish Market (1835) à Londres. Le bois était interdit en raison des exigences sanitaires ; les poutres en fonte avaient une portée de 9,7 mètres (32 pieds) avec des porte-à-faux de 3 mètres (10 pieds) de chaque côté, et les colonnes creuses en fonte servaient également d’égouts de toit. Toute la stabilité latérale était assurée par les joints rigides entre les colonnes et les poutres. Le type suivant à utiliser la charpente métallique complète était la serre, qui fournissait un environnement lumineux et thermique contrôlé pour les plantes tropicales exotiques dans le climat froid de l’Europe du Nord. L’une des premières serres de ce type fut la Palm House à Kew Gardens, près de Londres, construite par l’architecte Decimus Burton dans les années 1840.

Une série spectaculaire de bâtiments en fer et en verre destinés aux conservatoires et aux salles d’exposition s’est poursuivie jusqu’à la fin du siècle. Le plus important d’entre eux est le Crystal Palace, construit dans le Hyde Park de Londres pour accueillir la Grande Exposition de 1851. Ce vaste bâtiment, long de 564 mètres (1 851 pieds), était entièrement construit en pièces standardisées. Des colonnes en fonte portaient des fermes en fer de trois portées différentes – 7,3 mètres (24 pieds), 14,6 mètres (48 pieds) et 21,9 mètres (72 pieds) – en fer forgé riveté ; entre les fermes se trouvaient d’ingénieuses « gouttières Paxton » composées d’éléments de compression en bois au-dessus de barres de tension en fer qui précontraints le bois pour réduire la déflexion. Tous ces éléments préfabriqués ont été simplement boulonnés ou clipsés sur le site pour fermer un espace de 90 000 mètres carrés (1 000 000 de pieds carrés) en seulement six mois. Mais le principal triomphe du Crystal Palace était son enceinte entièrement vitrée, composée de vitres standard de 25 × 124 centimètres (10 × 49 pouces) ; l’immense espace était inondé d’une lumière à peine interrompue par l’encadrement métallique diaphane – il ressemblait à une grande cathédrale séculaire réalisant l’ambition ultime des maçons médiévaux.

Les Français ont également produit un certain nombre d’excellents halls d’exposition en fer et en verre, dont un de 48 mètres (160 pieds) de portée en 1855. D’autres, avec des portées un peu plus petites, mais des espaces fermés plus grands que ceux du Crystal Palace, ont suivi en 1867 et 1878. Des fermes en fer avec des toits vitrés ont également été utilisées dans les hangars des gares ferroviaires construites dans toute l’Europe occidentale. La gare de New Street à Birmingham, en Angleterre (1854), possédait un hangar à trains dont le toit en treillis de fer s’étendait sur 64 mètres (211 pieds). Il s’agit apparemment du premier bâtiment dont la portée dépasse celle du Panthéon. L’une des plus grandes est la gare de St. Pancras (1873) à Londres, qui comporte un hall vitré soutenu par des arcs en fer à treillis de 74 mètres (243 pieds). Après les brillantes réussites du milieu du siècle, la construction en fer et en verre a été appliquée dans une série de bâtiments plus prosaïques qui ont continué à être construits jusqu’en 1900.

Matériaux de construction manufacturés

La production de briques s’est industrialisée au XIXe siècle. Le processus laborieux du moulage à la main, qui était utilisé depuis 3 000 ans, a été remplacé par des briques « pressées ». Celles-ci étaient produites en masse par un procédé d’extrusion mécanique dans lequel l’argile était pressée à travers une matrice rectangulaire sous forme de colonne continue et découpée à la taille voulue par une pince coupante. On assiste également à une prolifération d’éléments de maçonnerie aux formes élaborées et estampées. Les fours à ruche à cuisson périodique (alimentés au coke) continuaient à être utilisés, mais le four tunnel continu, dans lequel les briques étaient déplacées lentement sur un tapis roulant, était apparu à la fin du siècle. Les nouvelles méthodes ont considérablement réduit le coût de la brique, qui est devenue l’un des matériaux de construction de l’époque.

La technologie du bois a connu un développement rapide au 19e siècle en Amérique du Nord, où il y avait de grandes forêts de sapins et de pins résineux qui pouvaient être récoltés et transformés par des méthodes industrielles ; les scieries à vapeur et à eau ont commencé à produire du bois de dimension standard en quantité dans les années 1820. La production de clous bon marché fabriqués par des machines dans les années 1830 a fourni l’autre ingrédient nécessaire qui a rendu possible une innovation majeure dans la construction, la charpente à ballons ; le premier exemple serait un entrepôt érigé à Chicago en 1832 par George W. Snow. La colonisation du continent nord-américain a entraîné une forte demande de petits bâtiments de tous types, et l’ossature légère en bois a apporté une solution rapide, flexible et peu coûteuse à ce problème. Dans le système de charpente à ballons, les lourdes poutres traditionnelles et la menuiserie complexe étaient abandonnées. Les murs du bâtiment étaient constitués d’éléments verticaux de 5 × 10 centimètres (2 × 4 pouces), ou montants, placés à 40 centimètres (16 pouces) d’intervalle (c’est-à-dire mesurés entre les points centraux de chacun) ; ceux-ci supportaient à leur tour les solives de toit et de plancher, généralement de 5 × 25 centimètres (2 × 10 pouces) également placées à 40 centimètres (16 pouces) d’intervalle et pouvant atteindre une portée de 6 mètres (20 pieds). La stabilité latérale était assurée par des entretoises diagonales légères encastrées dans les montants ou, plus couramment, par des planches diagonales de 2 centimètres (0,75 pouce) d’épaisseur appliquées sur tous les murs extérieurs et sur les solives de plancher et de toit, créant ainsi une boîte rigide et légère. Des ouvertures ont été pratiquées dans l’ossature et le revêtement, selon les besoins. Tous les raccords ont été réalisés avec des clous fabriqués à la machine, qui ont pu être facilement enfoncés dans les bois tendres et minces. Une grande variété de matériaux de revêtement intérieur et extérieur pouvait être appliquée à l’ossature, notamment le bardage en bois, le stuc et le placage en brique. Le bâtiment à ossature de ballon, fabriqué avec des matériaux manufacturés et ne nécessitant que quelques outils manuels et peu d’habileté pour le construire, est resté une forme de construction populaire et peu coûteuse jusqu’à aujourd’hui.

La science du bâtiment

L’émergence de la science du bâtiment, en particulier de la théorie élastique des structures, est une réalisation importante du premier âge industriel. Grâce à cette théorie, des modèles mathématiques pouvaient être utilisés pour prédire les performances structurelles avec une précision considérable, à condition que les matériaux utilisés fassent l’objet d’un contrôle de qualité adéquat. Bien que certains éléments de la théorie élastique, comme la théorie du flambage des colonnes du mathématicien suisse Leonhard Euler (1757), aient été élaborés auparavant, le véritable développement a commencé avec la définition moderne du module d’élasticité par le scientifique anglais Thomas Young en 1807. Louis Navier a publié la théorie élastique des poutres en 1826, et trois méthodes d’analyse des forces dans les fermes ont été conçues par Squire Whipple, A. Ritter et James Clerk Maxwell entre 1847 et 1864. Le concept de structure statiquement déterminée – c’est-à-dire une structure dont les forces peuvent être déterminées à partir des seules lois du mouvement de Newton – a été énoncé par Otto Mohr en 1874, après avoir été utilisé intuitivement pendant peut-être 40 ans. La plupart des structures du XIXe siècle ont été conçues et fabriquées à dessein avec des joints à broche pour être statiquement déterminées ; ce n’est qu’au XXe siècle que les structures statiquement indéterminées sont devenues facilement solubles. La théorie élastique a constitué la base de l’analyse structurelle jusqu’à la Seconde Guerre mondiale, lorsque l’on a observé que les bâtiments endommagés par les bombes se comportaient de manière imprévisible et que les hypothèses sous-jacentes de la théorie devaient être modifiées.

L’émergence des professionnels de la conception

L’avènement de l’ère industrielle a également marqué un changement majeur dans le rôle de l’architecte. Les artistes-architectes de la Renaissance pouvaient compter sur le double mécénat de l’Église et de l’État pour obtenir des commandes. Dans les démocraties industrielles naissantes, le marché des grands bâtiments dignes de l’attention d’un architecte s’est élargi, et les différents utilisateurs ont demandé une gamme déconcertante de nouveaux types de bâtiments. La réponse de l’architecte a été de développer le nouveau rôle de professionnel agréé sur le modèle de professions telles que le droit et la médecine. En outre, l’arrivée de la science du bâtiment a entraîné une nouvelle division du travail dans le processus de conception ; l’ingénierie structurelle est apparue comme une discipline distincte, spécialisée dans l’application de modèles mathématiques à la construction. L’un des premiers bâtiments pour lesquels l’architecte et l’ingénieur étaient des personnes distinctes est le Grenier (1811) à Paris. Des sociétés représentant les professions de conception de bâtiments ont été fondées, notamment l’Institution of Civil Engineers (1818) et le Royal Institute of British Architects (1834), tous deux à Londres, et l’American Institute of Architects (1857). L’autorisation officielle des architectes et des ingénieurs par le gouvernement, un objectif de ces sociétés, n’a été réalisée que beaucoup plus tard, à partir de la loi sur les architectes de l’Illinois de 1897. L’essor du professionnalisme s’est accompagné du développement de la réglementation gouvernementale, qui a pris la forme de codes de construction municipaux et nationaux détaillés spécifiant les exigences normatives et de performance des bâtiments.

Améliorations des services de construction

Les technologies de contrôle de l’environnement ont commencé à se développer de façon spectaculaire au cours du premier âge industriel. La première avancée majeure a été l’utilisation du gaz de houille pour l’éclairage. Le gaz de houille a été fabriqué pour la première fois dans les années 1690 en chauffant du charbon en présence d’eau pour produire du méthane, et en 1792, William Murdock a mis au point le dispositif d’éclairage à jet de gaz. Le premier grand bâtiment à être éclairé au gaz (à partir d’une petite usine à gaz installée sur le site) fut la fonderie de James Watt à Birmingham en 1803. La Gas Light and Coke Company a été fondée à Londres en 1812. Il s’agissait du premier véritable service public, produisant du gaz de houille dans le cadre du processus de cokéfaction dans de grandes usines centrales et le distribuant aux utilisateurs individuels par des conduites souterraines. Cependant, le gaz était cher et servait principalement à l’éclairage, et non au chauffage ou à la cuisine ; il contenait également de nombreuses impuretés qui produisaient des produits de combustion indésirables (notamment de la suie de carbone) dans les espaces occupés. Le méthane relativement pur sous forme de gaz naturel ne sera pas disponible avant l’exploitation de grands gisements de pétrole au XXe siècle.

Le poêle et la cheminée sont restés les principales sources de chauffage des locaux pendant toute cette période, mais le développement de la machine à vapeur et de ses chaudières a donné naissance à une nouvelle technologie, le chauffage à la vapeur. Dès 1784, James Watt chauffait son propre bureau avec de la vapeur circulant dans des tuyaux. Au cours du XIXe siècle, des systèmes de chauffage à la vapeur, puis à l’eau chaude, ont été progressivement mis au point ; ils utilisaient des chaudières centrales alimentées au charbon et reliées à des réseaux de tuyaux qui distribuaient le fluide chauffé à des radiateurs en fonte et le renvoyaient à la chaudière pour le réchauffer. Le chauffage à la vapeur constituait une amélioration majeure par rapport aux poêles et aux cheminées, car tous les produits de combustion étaient éliminés des espaces occupés, mais les sources de chaleur étaient toujours localisées au niveau des radiateurs.

Les systèmes de plomberie et d’assainissement dans les bâtiments ont progressé rapidement à cette époque. Les systèmes publics de distribution d’eau étaient l’élément essentiel ; le premier exemple à grande échelle d’un système d’approvisionnement en eau sous pression mécanique était le grand réseau de roues hydrauliques installé par Louis XIV à Marley, sur la Marne, en France, pour pomper l’eau destinée aux fontaines de Versailles, situées à environ 18 kilomètres (10 miles). L’utilisation généralisée de tuyaux en fonte à la fin du 18e siècle a permis d’augmenter la pression, et Napoléon les a utilisés pour la première alimentation en eau municipale à vapeur d’une partie de Paris en 1812. Des systèmes de drainage souterrains alimentés par gravité ont été installés en même temps que les réseaux de distribution d’eau dans la plupart des grandes villes du monde industriel au cours du 19e siècle ; les stations d’épuration ont été introduites dans les années 1860. Des installations sanitaires permanentes sont apparues dans les bâtiments dotés d’un système d’approvisionnement en eau et d’évacuation des eaux usées, remplaçant les bassines, les seaux et les pots de chambre portables. Joseph Bramah a inventé les toilettes à clapet en métal dès 1778, et les premiers lavabos, éviers et baignoires étaient également en métal ; le plomb, le cuivre et le zinc ont tous été essayés. Les appareils sanitaires en métal s’avéraient toutefois difficiles à nettoyer et, en Angleterre, dans les années 1870, Thomas Twyford a mis au point les premiers grands lavabos en céramique d’une seule pièce ainsi que les toilettes en céramique pour le lavage. Au début, ces appareils sanitaires en céramique étaient très chers, mais leur prix a baissé jusqu’à ce qu’ils deviennent standard, et leurs formes restent largement inchangées aujourd’hui. La baignoire s’est avérée trop grande pour une construction fragile en céramique, et la baignoire en fonte émaillée de porcelaine a été conçue vers 1870 ; le type encastré à double coque encore courant aujourd’hui est apparu vers 1915.

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Retour sur l’histoire de la construction