L’Exposition universelle de 1889 : le règne du fer

PRÉPARATION DES PROJETS D’EXÉCUTION DU CHANTIER DE L’EXPOSITION UNIVERSELLE DE 1889

Principes généraux adoptés pour la Construction

Pour élever dans le peu de temps dont ils disposaient les immenses constructions dont ils avaient la charge, les organisateurs de l’Exposition de 1889 n’avaient évidemment pas un choix de matériaux bien étendu. Le fer s’imposait à eux, car seul il se prêtait à une exécution rapide. Aussi, dès les premiers instants, songea-t-on à l’utiliser pour l’ossature tout entière, laissant à la charpente en bois et à la pierre de taille un rôle extrêmement modeste.

CONSTRUCTIONS MÉTALLIQUES SUR LE CHANTIER DE L’EXPOSITION UNIVERSELLE DE 1889

L’art de la charpente métallique, qui n’existait pas il y a un siècle, a pris naissance le jour où l’industrie métallurgique, abandonnant ses anciens procédés de production, substitua le laminage au forgeage dans la fabrication des fers du commerce et des fers profilés.

Ses progrès, très rapides, ont suivi une marche constante, dont chacune de nos grandes Expositions internationales a marqué une étape nouvelle, accusant chaque fois des perfectionnements dans la fabrication et augmentant l’importance attribuée aux constructions métalliques. Ces progrès se caractérisaient surtout par une tendance de plus en plus prononcée à réduire au strict minimum l’emploi des pièces de forge et les soudures.

La Tour Eiffel
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En 1855, les grandes fermes en arc du Palais de l’Industrie, édifiées sur les plans et sous la direction de Barrault, produisirent la plus vive impression de grandeur sur ceux qui pénétraient pour la première fois sous une nef toute métallique de près de 50 mètres d’ouverture. Les pièces rivées, qui entraient pour une part importante dans l’ossature de cette immense nef, continuaient cependant à subir dans leur fabrication, au point de vue de la forme et des assemblages, des façons coûteuses comme main-d’oeuvre et travail de forge.

De 1855 à 1867 et à 1878, on simplifia les profils donnés aux pièces et les dispositions pour les assembler entre elles. Les constructeurs s’attachaient déjà à diminuer le nombre des pièces de forge, des soudures, à substituer le fer à la fonte dans les ossatures où on avait cru cette matière indispensable jusque-là. C’était une innovation absolument rationnelle. Le fer se prête très bien à la construction économique de piliers ou supports rigides à grandes dimensions, destinés à servir d’appui aux parties hautes de la charpente. Il facilite leur assemblage avec les pièces voisines et leur donne à peu de frais une fixité que des dispositions compliquées et coûteuses peuvent seules assurer à là fonte. Les piliers en fer résistent beaucoup mieux que les supports en fonte aux vibrations produites sur les constructions par l’action des vents violents. Leur fabrication enfin est plus rapide, et les précautions à prendre avant le montage dans les transports, chargements, déchargements et
coltinages inévitables des pièces sont bien moindres.

Une autre tendance se manifestait dans la même période. On essayait de réduire l’importance accordée aux tirants dans la composition des fermes, principalement avec les grandes portées. C’était le premier pas vers une nouvelle amélioration : les tendeurs, tirants, bielles et entraits exigent en effet l’emploi toujours dispendieux de la forge, comportent des assemblages nécessitant un travail mécanique soigné. Toutes ces pièces forcent à des soudures qui, malgré leur perfection, sont des causes, permanentes de dangers.

Les tirants ont en outre des inconvénients propres : on ne connaît jamais leur état de tension réel, et, soit pour les soutenir, soit pour les empêcher de fléchir, on alourdit de pièces auxiliaires les parties hautes de la construction.

Les fermes de 35 mètres que M. Krantz a fait construire pour l’Exposition de 1867 réalisaient partiellement ces théories. Entièrement en fer, elles offraient un aspect de grandeur tout à fait satisfaisant, grâce au report des tirants au-dessus de la toiture, disposition qui dégageait toute la partie haute de l’édifice.

L’Exposition de 1878 attesta la continuité du progrès. Les fermes de 35 mètres abritant la galerie des Machines, étudiées par de Dion, étaient entièrement en fer et dépourvues de tirants. En même temps apparaissaient les premiers spécimens de fermes à rampants, constituées par les faces inclinées d’une poutre évidée reposant librement et simplement par ses extrémités sur deux piliers verticaux.. C’est à peine si, dans une partie relativement secondaire des constructions métalliques, les galeries de 25 mètres, on retrouvait des tirants, bielles et entraits.

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Enfin ces divers types de fermes, d’apparence légère et agréable, d’une fabrication aisée, s’étaient encore perfectionnés entre l’Exposition de 1878 et l’époque où il s’agissait de déterminer les principes généraux à adopter pour l’ossature métallique des palais de l’Exposition de .1889. Leur utilisation semblait donc indiquée si les conditions du programme le permettaient ».. De ces conditions, les principales étaient les suivantes :

Les palais devaient dépasser dans leurs dimensions tout ce qui avait été fait jusque-là, sinon en surface, du moins en hauteur. Ils devaient être exécutés dans un temps relativement restreint. Enfin, malgré le grand développement accordé au plancher des étages, on ne disposait que d’une somme inférieure à celle qui avait été attribuée en 1878 à des constructions analogues et sans plancher.

Ainsi, augmentation de poids du mètre couvert, du fait tant de la hauteur que de l’action de plus en plus énergique du vent; diminution du crédit affecté à la dépense par unité superficielle, le tout comparé aux constructions du passé : voilà ce que distinguait tout d’abord l’entreprise nouvelle et rendait le problème difficile.

Le grand nombre d’ossatures à étudier et à composer venait aussi compliquer ce problème. En 1878, on s’était trouvé en présence de sept types de fermes ayant respectivement 35, 25, 15, 12, 7 et 5 mètres d’ouverture.

Dans le cas actuel, il s’agissait d’en-définir et composer onze avec des ouvertures variant entre 114, 51, 30, 25 et 15 mètres. Des solutions nouvelles, jointes aune exécution matérielle plus simple des éléments entrant dans la composition des ossatures, permettaient seules d’obtenir, sans dépasser les limites d’argent et de temps imposées, un résultat satisfaisant au point de vue de la forme et de la sécurité.

On est en conséquence parti de cette idée, que la construction devait être la réalisation d’hypothèses simples, et par suite qu’il fallait s’en tenir à des formes continues et aussi peu tourmentées que possible.

On a considéré que la suppression des tirants était une nécessite sous le double rapport de l’économie et de la sécurité; on s’est attaché à composer les poutres de telle sorte que » les pièces n’exigeassent aucune inflexion, aucun travail de forge. On a admis que la construction ne devait comporter que des fers de qualité courante, coupés et assemblés dans les conditions utilisant le mieux les propriétés résistantes dues à leur mode de fabrication, et on s’est imposé la condition de ne leur faire subir aucun travail incompatible avec ces propriétés, surtout de ne les soumettre qu’à des façons dont l’exécution fût facile à contrôler et à vérifier. Cette
manière de procéder donne, il est vrai, à l’emploi des fourrures une importance plus grande que si on admet l’inflexion et le forgeage des pièces; mais elle a l’avantage de diminuer singulièrement le prix unitaire de la matière et d’augmenter la rigidité des assemblages.

Dans les trois groupes de Palais de la future Exposition on retrouve des applications de ces principes généraux.

Dispositions spéciales au Palais des Machines.

Le Palais des Machines comportait l’établissement, dans des conditions de prix déterminé au mètre carré couvert, de fermes de 115 mètres d’ouverture offrant toutes garanties au point de vue de la sécurité. La réalisation de ces deux conditions présentait différentes difficultés. Les formules de résistance à appliquer aux poutres courbes supposent dans la courbure de la fibre moyenne et dans les variations que peuvent subir les sections transversales, une continuité facile à obtenir pour les poutres des ponts, mais incompatible avec l’effet architectural qu’on désirait assurer à la construction. Elles réclament pour les appuis une fixité que le sol tourmenté du Palais des Machines ne permettait pas de garantir. D’autre part, la question d’économie exigeait un emploi strict de la matière d’après les besoins de la résistance mise en jeu dans chaque section, et les calculs ne pouvaient pas assurer cette répartition d’une façon certaine.

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Un seul mode de construction produisait une détermination mathématique de la répartition des efforts dans les différentes sections de l’arc : c’était celui désarticulations sur les appuis et au sommet. Ce système, en supprimant la continuité au sommet, provoque dans les sections des efforts dépassant un peu ceux qui correspondent à l’hypothèse de la continuité; mais il garantit une distribution rationnelle absolument rigoureuse des efforts et de la matière employée. On a, pour cette raison, constitué la ferme; en faisant buter l’une contre l’autre deux véritables volées de grues articulées à leurs pieds, et s’appuyant l’une sur l’autre grâce à un troisième tourillon d’articulation placé au sommet.

La poussée un peu plus forte qui résulte de ce système n’occasionne qu’un excédent de dépense insignifiant, et la disposition, transformant les appuis en véritables culées de ponts est économique et pratique en ce qu’on n’a pas à faire usage des tirants. Aux considérations d’aspect architectural et de sécurité développées plus haut sur l’intérêt de la suppression de ces pièces, il faut ajouter que, dans le cas du Palais des Machines, pour équilibrer la poussée de 120000 kilog. qui se produit par instant, on eût été conduit à employer un tirant d’une section nette de près de 30 000 millimètres carrés, pesant 35000 kilog., sans compter les manchons, couvre-joints, pièces de jonction et appareils de tension. La construction de ce tirant aurait représenté une dépense de 15 à 18000 francs. Or la valeur moyenne des culées établies ne dépassait pas 8 500 francs par arc. Le rapprochement de ces chiffres montre combien il était avantageux de substituer à faction incertaine des tirants une réaction des appuis qui avait l’avantage d’être non seulement assurée, mais en outre bien moins coûteuse d’établissement. Enfin, en augmentant l’importance des appuis, on diminuait les chances de tassement dans la construction.

Le système des articulations avait un dernier avantage : celui de ne pas modifier sensiblement la. répartition intérieure des efforts moléculaires, au cas d’un léger tassement dans les fondations ou de variations de température dans le milieu où s’élève la construction. Si un tassement se produisait dans les fondations, on s’en trouvait averti par la déformation en résultant à la clef, et on pouvait y remédier sans autre préoccupation, puisque les fatigues moléculaires dans les volées ne se trouvent pas sensiblement altérées par ce fait.

Cette composition des fermes exige, par contre, un système de contreventement des travées extrêmes plus important que celui qui est nécessaire dans le cas des arcs continus pour résister aux efforts du vent dans le sens de l’axe de la construction pendant la période de montage et après sa mise en service; mais leur calcul ne présente aucune difficulté.

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Les éléments de l’ossature devaient être constitués par des fers simplement coupés, dressés, percés, ajustés à leurs extrémités et rivés les uns aux autres sans subir d’inflexions.

Les calculs ont été exécutés en vue de surcharges de neige de 50 kilog. par mètre superficiel de toiture, d’une pression de vent de 120 kilog. par mètre carré de section normale à sa direction, et, en admettant une fatigue extrême de la matière, de 9 kilog. par millimètre carré dans les points où se cumulent toutes les conditions défavorables à la résistance.

Dispositions spéciales aux Palais des Beaux-Arts et des Arts libéraux, des Galeries Rapp et Desaix.

Dans les Palais des Beaux-Arts et des Arts libéraux, on s’est inspiré des mêmes principes : laisser au fer les parties de la construction exposées à vibrer sous l’action des vents violents et à supporter de fortes charges, réserver à la fonte les parties décoratives.

Les hypothèses dont on a cherché ici la réalisation ont été encore choisies parmi les plus simples. Le profil donné à la section transversale des nefs centrales, caractérisées par une distance entre parements extérieurs des montants égale à 52m,70 et une hauteur sous clef de 28m,20, ne se prêtait pas pour le calcul des dimensions à l’application des formules se rapportant aux poutres courbes; on a composé l’ossature de chacune de ces fermes au moyen de deux grandes poutres arquées en. tôle et cornières, convenablement profilées, que l’on a fait reposer librement par leurs extrémités inférieures sur des tourillons placés dans des coussinets scellés sur les massifs de fondations, et qui viennent buter l’une contre l’autre, à leur sommet, par l’intermédiaire d’un troisième axe d’articulation. On aurait pu, par une disposition convenable des fondations, équilibrer la poussée dans les fermes sans intervention de tirants ; mais la condition d’établir des caves contre les pieds droits de ces fermes n’ayant pas permis de donner aux fondations les dimensions appropriées pour produire cet effet, on a été obligé de recourir à l’emploi de tirants, placés et dissimulés sous le sol.

Ici encore, le principe était de ne faire subir aux fers que des façons simples. En même temps, pour éviter l’emploi des larges plats dans l’établissement des profils transversaux et réduire ainsi la dépense, on jumelait les fermes, ce qui assurait, dans de bonnes conditions, leur résistance aux efforts de compression supportés par les plates-bandes.

Cette dernière disposition était, en outre, justifiée par une autre considération. En voulant donner aux rampants des fermes l’aspect de poutres courbes à simples treillis, on s’est trouvé, eu égard à la faible hauteur de là poutre et à l’importance laissée aux vides, éprouver de très grandes difficultés pour attacher les barres de treillis aux membrures par un nombre suffisant de rivets. Le doublement de la poutre diminuait de moitié l’effort subi par chaque barre et permettait de substituer, sans aucun inconvénient, le treillis simple au treillis double, dont l’aspect aurait été moins satisfaisant.

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Les Galeries latérales, les Galeries Rapp et Desaix et celles sur la Seine comprenaient des fermes à rampant constituées par des arbalétriers en poutres droites et à treillis. Pour ces fermes, la poussée était équilibrée par des tirants; mais il y avait là une exception inévitable.

La conservation, au point de vue architectural, des arbalétriers droits entraînait forcément l’existence de tirants; et, si sur ce point on était obligé d’abandonner les principes généraux adoptés, on y revenait de suite en réduisant au strict minimum l’importance des soudures dans les pièces assemblées. La construction des dômes a été établie avec les mêmes préoccupations. Pour être absolument certain des conditions de résistance des pièces de leurs ossatures, on a eu soin de ne constituer ces dernières que par des arceaux qui s’appuyaient à leur base sur le châssis polygonal supporté par les grands piliers verticaux et qui venaient buter librement à leur sommet contre la poutre circulaire soutenant le lanterneau. La poussée exercée par chaque arceau était équilibrée par l’intermédiaire de ceintures convenablement étudiées, et le calcul s’en effectuait facilement.

Dispositions spéciales aux Galeries des Industries diverses.

Les Galeries des Industries diverses constituaient, au point de vue de l’étendue des surfaces couvertes, le plus important des trois groupes de Palais élevés dans le Champ de Mars.

Elles comportaient la construction de fermes de 15, 25 et 30 mètres, de pavillons d’angle de grande hauteur et d’un dôme de dimensions magistrales.

L’ensemble des fermes présentait une ossature formée par de simples piliers supportant une poutre cintrée qui n’exerçait aucune poussée sur ses appuis; la membrure inférieure de cette poutre était arquée, en vue de l’effet architectural à produire; ses membrures supérieures, plus ou moins inclinées sur l’horizontale et convenablement raccordées ensemble, constituaient les rampants de la ferme. C’était l’expression la plus complète des règles exposées plus haut.

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La sécurité dans ce genre de charpente était facilement assurée. Pour qu’une pièce posée sur deux appuis n’exerce aucune poussée sur ses supports, il suffit, quand ces appuis sont de niveau, que la section milieu de la poutre et les sections intermédiaires puissent résister aux moments de flexion et aux efforts tranchants qui sont la conséquence des actions exercées par les forces dont la poutre doit subir l’effet. En donnant à chacune des sections les dimensions répondant à ces efforts, et en apppropriant le profil extérieur de la poutre au genre de couverture à supporter, la question est résolue et l’aspect satisfaisant.

Les fermes sont un peu plus lourdes que celles obtenues avec arbalétriers en poutres droites, butés les uns contre les autres et dont la poussée s’équilibre par des tirants; mais, aujourd’hui que les fermes écartées sont en faveur, le poids de la ferme n’est plus qu’une fraction de plus en plus réduite du poids total, et, si on tient compte de la composition plus avantageuse au point de vue du prix unitaire de la construction avec poutre évidée, on reconnaît que, toute compensation effectuée, cette façon de composer les ossatures offre, au point de vue de l’économie, des avantages sur la ferme à tirant.

Les pavillons de raccordement n’ont rien présenté de spécial.

Quant au dôme, il a été établi d’après les règles adoptées pour ceux des Palais des Arts, mais sur une échelle plus grande. Il comporte comme pièces essentielles d’immenses poutres arquées reposant simplement dans leurs parties inférieures sur des massifs de fondation arasés au niveau du sol, et dont les parties supérieures butent librement contre une forte couronne annulaire supportant le faîtage et une statue de grandes dimensions.

La distance très considérable qui sépare la couronne et les appuis sur le sol rend les poussées relativement faibles; elles sont équilibrées, dès qu’on arrive au sommet de la partie prismatique du dôme, par les ceintures métalliques qui réunissent les poutres et servent d’appui à la couverture.

Toute la partie prismatique n’a donc qu’à résister à l’action des charges verticales, et se présente, de ce fait, dans d’excellentes conditions pour le calcul de ses dimensions.

Tel est dans ses lignes générales le programme adopté pour les constructions métalliques de l’Exposition de 1889.

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source :

Titre : Exposition universelle internationale de 1889 à Paris. Monographie. Palais, jardins, constructions diverses, installations générales, par A. Alphand,… avec le concours de M. Georges Berger,… Publication achevée sous la direction de M. Alfred Picard,… accompagnée d’un atlas de 219 planches. Tome 1

Auteur : Berger, Georges (1834-1910)

Auteur : Alphand, Adolphe (1817-1891)

Éditeur : J. Rothschild (Paris)

Date d’édition : 1892-1895

Contributeur : Exposition internationale (1889 ; Paris). Éditeur scientifique

Sujet : Paris, Exposition, 1889

Type : monographie imprimée

Langue : Français

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