Le bton prcontraintfiche histoire n4

1 LE BETON PRECONTRAINT

1.1 FREYSSINET ET LE BETON ARME

1.1.1 La gense de linvention

Eugne Freyssinet a trs tt lintuition du concept de la prcontrainte - ds 1903 - lors de sa formation lcole des Ponts et Chausses, plus prcisment durant le cours dispens par Charles Rabut (1852-1925), sur le bton arm(1). Sa composition hybride, alliance de deux matriaux aux proprits si diffrentes, le gne demble. A tel point quil la toujours considr comme un mode de construction insatisfaisant et a constamment cherch rduire au maximum le rle des armatures mtalliques dans ses ouvrages pour donner la primaut structurelle au bton et empcher que la dilatation des mailles dacier ne fragilise ses projets en provoquant des fissures dans les parties soumises aux efforts de traction. Ainsi, pour les remarquables ponts de Villeneuve-sur-Lot (1914-1919) et de Tonneins (1922), lingnieur va-t-il jusqu liminer tout ferraillage.

Basilique de Lourdes, 1958, Le Donn, Pinsard et Vago, architectes, STUP, bet et Campenon-Bernard, constructeur. Photo d.r.

Lobjectif de Freyssinet est de supprimer le caractre hybride du matriau en inventant un procd indit permettant au bton seul dabsorber les diverses charges et contraintes. Pour ce faire, Freyssinet a lintuition quil suffit de comprimer le bton ds sa mise en oeuvre le pr-contraindre de sorte quil puisse absorber les efforts de tractions. Ces dernires en effet vont agir sur la structure en la dcomprimant , il faut donc calculer la prcontrainte adquate appliquer afin que le bton demeure comprim quelques soient les tensions qui apparaissent. (Voir fiche bton prcontraint) Pour obtenir ce rsultat, un pralable simpose : la connaissance scientifique des lois qui prsident aux dformations diffres du bton, seul moyen de pouvoir le prcontraindre de manire approprie. Au dbut du sicle, ces lois sont encore inconnues. Freyssinet entreprend de les dcouvrir. Directeur technique de lentreprise Limousin, il utilise ses ouvrages comme modles exprimentaux. Les alas de son activit et du contexte historique (la Grande Guerre) ralentissent lavancement de ses recherches. Elles aboutissent finalement en 1926, lors de la construction du majestueux pont de Plougastel (1925-1930), prs de Brest, dans le Finistre.

Pont Albert Louppe Plougastel (Finistre), 1930, Freyssinet, ingnieur. Chaque arche de louvrage atteint une porte record de 186 m. Photo d.r.

En dcouvrant la loi de dformation lente du bton (son fluage) en fonction de sa rsistance, des contraintes et du temps, lingnieur bouleverse alors la thorie contemporaine du comportement du matriau et, notamment, la normalisation officielle franaise la fameuse circulaire de 1906.

1.1.2 Le brevet fondateur de 1928

Freyssinet publie une premire synthse de ses travaux en 1928 lors du congrs de lAssociation internationale des ponts et charpentes (AIPC), Vienne en Autriche, ce qui lui vaut une reconnaissance mondiale. La mme anne, le 2 octobre 1928, il dpose en collaboration avec lingnieur Jean Sailles (1883-1966) son brevet fondateur du bton prcontraint.

E. Freyssinet et J. Sailles, planche du brevet fondateur de la prcontrainte, 1928. Photo d.r.

Il est rapidement suivi de nombreux autres qui prcisent les diffrents modes dapplication de linvention, ses systmes techniques et outillages adapts ainsi que les multiples procds de production envisageables. Afin de dvelopper la mise en oeuvre industrielle du bton prcontraint, Freyssinet collabore partir de 1929 avec lentreprise Forclum laquelle il cde une licence dexploitation de ses brevets en vue de fabriquer en srie des poteaux lectriques, produit accdant alors un march conomique porteur en raison du dveloppement des rseaux de distribution. La prcontrainte reprsente un atout commercial incontestable face la concurrence car elle confre aux poteaux des performances trs suprieures celles prsentes par les produits courants en bton arm, tant sur le plan de la rsistance structurelle que du cot. En 1933, la

production des poteaux peut donc dbuter mais la crise conomique mondiale, exporte par les Etats-Unis aprs le crash boursier de Wall Street en 1929, contraint Forclum interrompre lopration, ce qui conduit Freyssinet au bord de la ruine.

1.2 LA DIFFUSION DE LA TECHNOLOGIE

1.2.1 Le sauvetage de la gare maritime du Havre

La carrire de lingnieur rebondit cependant en 1934 : cette anne-l, la croisire inaugurale du plus prestigieux des paquebots franais du moment, le Normandie, doit tre lance depuis la nouvelle gare maritime du Havre (1932-1934 ; Urbain Cassan, architecte) avec une couverture mdiatique sans prcdent. Or ldifice flambant neuf menace de seffondrer en raison de linstabilit de ses fondations. Ne trouvant aucun constructeur prt se risquer dans la prilleuse opration de consolidation du btiment, le matre douvrage fait appel, en dernier ressort, Eugne Freyssinet qui accepte de relever le dfi. Grce lemploi du bton prcontraint, son intervention savre un franc succs ; elle apporte linvention une notorit immdiate et projette de nouveau Freyssinet lavant-garde de lingnierie franaise et internationale. A loccasion dune visite de chantier, il rencontre lentrepreneur Edm Campenon qui saisit immdiatement lenjeu technique et commercial majeur que reprsente la matrise de la technologie mise au point par Freyssinet. En 1935, les deux hommes signent un contrat de collaboration selon lequel lexploitation des brevets de la prcontrainte est confie la firme prside par Campenon, les tablissements CampenonBernard dont Freyssinet devient lingnieur-conseil.

1.2.2 La cration de la STUP

Pour faciliter lexploitation de ses brevets par dautres socits, une filiale du puissant constructeur est fonde en 1943 sous la forme dun bureau dtudes dirig par Freyssinet : la Socit technique pour lutilisation de la prcontrainte, la STUP. Grce au soutien de lentrepreneur qui reprsente lune des firmes franaises les plus dynamiques du moment, le bton prcontraint va ds lors connatre une diffusion mondiale. Parmi les trs nombreux ouvrages (viaducs, ponts et passerelles, barrages, caissons de fondation, tunnels, canalisations, phare, rservoirs, quais maritimes, pistes aronautiques) que Freyssinet conoit partir de 1935 pour Campenon-Bernard, le pont de Luzancy (1941-1945), sur la Marne, sillustre sans conteste comme son premier chef-duvre. Lintrt historique de louvrage ne concerne pas tant la performance de sa porte, somme toute modeste (55 m), mais plutt son concept constructif rvolutionnaire et sa dimension esthtique indite. Le projet tmoigne magistralement des avantages techniques et conomiques de lalliance de la prcontrainte et de la prfabrication. Il se compose de voussoirs raliss en srie dans un atelier proche du projet excuter. Fournies par lusine, ces pices sont ensuite mises en uvre laide de cbles de prcontrainte.

Pont de Luzancy sur la Marne (1941-1945), Freyssinet, ingnieur. Photo d.r.

Mise en uvre du pont de Luzancy. Louvrage est constitu de voussoirs prfabriqus. Assembls par prcontrainte, ils forment des poutres qui sont places entre les butes de rive au profil triangul. La mise en uvre seffectue par un dispositif de levage invent par Freyssinet. Photo d.r.

Entre 1947 et 1951, cinq autres ponts sur la Marne de 74 m de porte ( Annet, Trilbardou, Esbly, Ussy et Changis-Saint-Jean) sont conus et excuts daprs le modle de Luzancy.

Pont dEsbly. Vue du tablier en sous-face. On repre bien les poutres franchissant la Marne entre les butes de rive. Photo d.r.

Ces ponts inaugurent une esthtique neuve, propre la nouvelle technique. Abolissant la distinction traditionnelle entre arches et tablier, les ouvrages franchissent la Marne linstar dune structure plane. Ils paraissent simplement prolonger la route dont la chausse traverserait la rivire, comme sans effort. La suppression de tout contact entre louvrage plat et leau, la puret des lignes structurelles, le design rac des fines cules triangulaires librent une impression sans prcdent de lgret, voire de survol, une esthtique de tension dynamique qui exprime pleinement le concept technique de la prcontrainte. Celui-ci ne repose plus seulement sur les principes de masse et de gravit - impliquant une distribution verticale et plongeante des forces - mais sur lide de performance accrue grce lintroduction pralable de forces qui renforcent la rsistance de la structure et gnre une distribution principalement horizontale et non plus verticale des principale contraintes. Dveloppant ses recherches, Freyssinet construit en 1953 trois viaducs similaires Caracas (Vnzuela). Leur trave principale de 150 m de porte emploie une arche unique. Paralllement aux ouvrages dart, lingnieur met au point de nombreux autres projets dans le domaine des Travaux Publics. Considr unanimement comme le plus grand ingnieur du XXe sicle et il le sait -, il achve sa carrire par un dernier chef duvre alliant prouesse technologique et beaut plastique : le pont routier Saint-Michel Toulouse (1959-1962).

1.2.3 Une rvolution dans lart de btir

Innovation constructive majeure, la prcontrainte a boulevers lart de construire du XXe sicle et inaugur une esthtique architecturale indite. Elle a jou un rle historique considrable, comparable celui des grandes inventions prcdentes de lingnierie tel larc porteur romain, la vote ogivale mdivale ou encore lemploi des nouveaux matriaux industriels partir du XIXe sicle (mtal et bton arm). Son concept est universel, gnrique, cest--dire quil peut sappliquer tous types de matriaux et de structures comme les rsilles en cbles ou les toiles prtendues, par exemple, dont lAllemand Otto Frei (n en 1925) reprsente le pionnier le plus cratif au XXe sicle. Les prcontraintes peuvent par ailleurs tre appliques selon les modes les plus varis (cbles, vrins, barres rigides) si bien que les procds invents par Freyssinet ont trs rapidement donn lieu une multitude de variantes labores par ses concurrents afin de contourner lexploitation de ses brevets. Le phnomne observ propos du bton arm sest rpt pour la prcontrainte... Cela dit, dans lhistoire de la construction, rares sont les innovations aussi considrables qui ont t mises au point par un seul crateur ; elles rsultent gnralement dun effort collectif et international. A cet gard, il est ncessaire de souligner que le rle de Freyssinet comme inventeur de la prcontrainte a t contest, notamment aux Etats-Unis et en Allemagne o seraient attests dimportants antcdents qui nieraient le rle pionnier de lingnieur franais. Le biographe dEugne Freyssinet, Jos Ordoez souligne cette question. Selon lui, en mai 1950, le Journal of the American Concrete Institute mentionne lexistence dun brevet amricain de 1886 comme fondateur de la technique sans pour autant citer la moindre ralisation correspondante... De plus, le grand ingnieur allemand, Fritz Leonhardt (n en 1909), liste lui aussi dans un ouvrage publi en 1954 dautres pionniers antrieurs ou contemporains de Freyssinet afin de relativiser limportance de son oeuvre. A ces allgations, Ordoez rpond que cest en fait Freyssinet qui a introduit la prcontrainte aux USA en y diffusant ses brevets partir de 1934. Il affirme aussi que les premiers ouvrages en bton prcontraint sur le sol amricain nauraient t raliss qu partir de 1935 en sinspirant directement des conceptions du Franais et que les premiers ponts employant la nouvelle technologie nauraient t construits Outre-Atlantique qu partir de 1952. En ce qui concerne la contribution des Allemands, les connaissances actuelles savrent plus prcises. Dans tous les pays pionniers dans le domaine du bton arm, de nombreux brevets ont t dposs ds la fin du XIXe sicle qui prvoient la mise en tension des armatures mtalliques noyes dans le bton pour accrotre la rigidit du matriau. Freyssinet connaissait bien ces brevets et avance dans ses crits que leurs applications ont toutes choues car lobjectif vis par leurs inventeurs ne correspondait en rien la prcontrainte, comme lui lentendait, mais comme une simple amlioration du bton arm dans la mesure o la tension des armatures ne servait pas comprimer le matriau, cest--dire le prcontraindre. (Voir fiche bton prcontraint) Pour Ordoez, ces exprimentations ont pris fin lorsque lun des principaux thoriciens du moment, Matthias Koenen le reconnat publiquement, en 1908. En raison de laura de lingnieur allemand, plus aucun brevet traitant cette question naurait ainsi t dpos entre 1908 et 1928, date du brevet fondateur de Freyssinet. De surcrot, aucun autre constructeur na laiss autant de traces tangibles et irrfutables de son activit cratrice, que ce soit par ses crits, ses tudes thoriques et ses ralisations. Fait exceptionnel dans lhistoire, le directeur technique des tablissements Limousin a men seul toutes les recherches qui conduisent de linvention personnelle linnovation collective en laborant le concept de la prcontrainte moderne , en dcouvrant ses lois mathmatiques, en fabriquant les outillages ncessaires sa production industrielle, en ralisant les ouvrages pionniers de son invention et en assurant sa diffusion mondiale par la mdiatisation, le dpt de nombreux brevets et sa collaboration avec une entreprise particulirement dynamique. Les ingnieurs dOutre-Rhin ont toutefois apport une contribution importante la mise au point de la prcontrainte, en particulier lentreprise Wayss & Freytag qui obtient la concession des brevets de Freyssinet en 1934. En fait, Freyssinet a tabli ds 1925 des relations avec lun des membres du directoire de la firme allemande, lingnieur Karl Mautner (1881-1949). A partir de 1933, les deux hommes collaborent activement pour la mise au point de poutres dont le premier prototype est ralis Francfort en 1936. Il sagit alors de la premire poutre en bton prcontraint jamais ralise. De plus, en 1938, avec lappui technique de Campenon-Bernard, Wayss & Freytag construit sur lOelde le premier pont en bton prcontraint (32 m de porte). Le principal concurrent allemand de lentreprise, la firme Dywidag mne paralllement ses propres recherches sous la direction de Franz Dischinger puis de Ulrich Finsterwalder. En 1936-1938, la Dywidag utilise un procd de poutres en bton tirants prtendus pour la construction du pont Adolf Hitler Aue, en Saxe ainsi que le nouvel aroport berlinois du Tempelhof (1935-1939) ou encore la couverture de la clbre Halle de la Fort

Noire

(1954)

Dans ltat actuel des connaissances, on ne trouve donc pas dtudes sur la prcontrainte ni de ralisations qui savrent antrieures celles labores par Freyssinet. Mais il est toutefois attest que les premires applications majeures se font paralllement en France et en Allemagne dans les annes Trente. En bref, la relativisation du rle de Freyssinet concernant linvention du bton prcontraint ne peut passer que par une tude gnrale et internationale de la gense de la nouvelle technique. Une telle recherche ncessite notamment la consultation des archives allemandes. Mais ces archives ont-elles t conserves ? Et si cest le cas, sont-elles accessibles ? En effet, les relations troites quont lies avec le rgime dHitler les principaux constructeurs dOutre-Rhin Wayss & Feytag et la Dywidag semblent constituer un obstacle majeur cette tude dans la mesure o les deux firmes demeurent aujourdhui en activit...

1.3 ARCHITECTURE ET PRECONTRAINTE

1.3.1 Des Travaux Publics au btiment

Le bton prcontraint savre particulirement bien adapt lindustrialisation de la construction, cest--dire lexcution de projets laide dlments standardiss et prfabriqus. En effet, grce la mise en tension des cbles, lassemblage par prcontrainte des diffrents modules constructifs atteint une cohsion structurelle suprieure celle que permettent les modes courants de mise en oeuvre, que ce soit pour les ouvrages dart comme on la vu prcdemment avec le pont de Luzancy ou encore dans le domaine du btiment. Ainsi Freyssinet construit en 1948 de vastes rservoirs Orlans puis, en 1950, un phare Berk partir de modules en bton prfabriqus et prcontraints. En 1954-1959, Campenon-Bernard et la STUP tudient lune des projets majeurs de larchitecture sacre de laprs-guerre, la basilique souterraine de Lourdes (Le Donn, Pinsard et Vago, architectes).

Basilique de Lourdes, 1958, Le Donn, Pinsard et Vago, architectes, STUP, bet et Campenon-Bernard, constructeur. Photo d.r.

Basilique souterraine de Lourdes, 1959. Vue arienne de louvrage enterr. Photo d.r.

Vue des bas-cts entourant la nef en mandorle. La ressemblance entre les retombes des votes de Lourdes et les butes triangules du pont de Luzancy est patente. Photo d.r.

Prsentant un plan en mandorle, la structure enterre sinspire directement de la conception des ponts que Freyssinet labore au mme moment. La nef est en effet couverte par une succession de portiques qui, linstar du pont de Luzancy, reposent leurs deux extrmits sur des voussoirs trianguls. Ces butes ont t remodeles par les architectes et la STUP de sorte quelles abritent lgamment lespace priphrique du dambulatoire. Rapidement, les entreprises concurrentes de Campenon-Bernard, en France comme ltranger, mettent au point leurs propres procds de prcontrainte. Les tablissements Coignet, par exemple, ralisent en 19561958 les planchers et escaliers du CNIT en utilisant leurs systmes de mise en oeuvre de panneaux prfabriqus, en bton prcontraint vibr et chauff. Lentreprise dveloppe galement les applications de linvention dans le domaine des coques minces cylindriques en modules prfabriqus. Outre la basilique de Lourdes, la prcontrainte du bton est employe dans plusieurs projets marquants de la priode, notamment lglise Saint-Joseph du Havre (1949-1956) dAuguste Perret, le couvent de la Tourette (1953-1960) de Le Corbusier ou encore lglise Notre-Dame de Royan (1953-1958), conue par larchitecte Gillet et les ingnieurs Laffaille et Sarger.

Eglise Notre-Dame de Royan, 1953-1958, Gillet, architecte, Laffaille et Sarger, ingnieurs. La couverture est une surface gauche prcontrainte

dans le sens longitudinal (armatures prtendues) et transversal (tirant en sous-face prtendu). Vue arienne de louvrage et vue de lintrados de la vote avec son tirant prtendu. doc IFA

Eglise Saint-Joseph, Le Havre, A. Perret, architecte, 1951-1954. Les pendentifs permettant de passer du plan carr de lglise la configuration octogonale de la tour sont raliss en bton prcontraint systme Freyssinet . N. Nogue

Mais cest sans doute le Pavillon Philips (voir vido) - labor par Iannis Xenakis et Le Corbusier pour lExposition Universelle de Bruxelles en 1958 qui sillustre comme lun des difices franais les plus remarquables exploitant alors la nouvelle technologie. Le projet constitue un chef duvre darchitecturesculpture dans la mouvance contemporaine de la synthse des arts dans la mesure o il rvle avec clat le potentiel onirique des sciences et techniques davant-garde. Do le choix de son parti constructif, conu comme une combinaison plastique de coques minces en p.h., ralises en modules de bton prfabriqus et assembls par prcontrainte. Baptis le pome lectronique par Le Corbusier, le projet phmre prsente un plan libre original, tout en courbes et contre-courbes. Dans lintrados des coques gauches sont incrustes une multitude de minuscules ampoules qui couvrent lensemble du spectre des couleurs perceptibles par lil humain. Elles sallument alatoirement au gr dune musique compose spcialement par Edgar Varse. Le jeu des lumires et de la musique rvle dinfinies variantes de constellations qui se dploient dans les plis complexes de la vote, visualisant une reprsentation onirique des espaces-temps de lunivers formule daprs la thorie de la relativit gnrale, conue en 1916 par Albert Einstein.

1.3.2 Prcontrainte et rationalisme architectural

Linvention de Freyssinet a t adopte par tous les constructeurs en raison des performances suprieures celles du bton arm quelle offre, tant sur le plan conomique que technique et fonctionnel. Elle prsente galement des avantages pour les architectes car elle leur donne une libert accrue dans le champ structural. Ainsi, avant la prcontrainte, la stabilit des voiles minces de bton arm dpendait des lois strictes de la rsistance de forme que seuls les ingnieurs matrisaient. Or la nouvelle technologie bouleverse la donne. Elle modifie sensiblement les rapports de force quentretiennent architectes et techniciens dans le contrle des processus de la conception et de la mise en uvre des projets. Dans une certaine mesure, la prcontrainte a permis aux architectes dlaborer pratiquement toutes configurations de coques sans dpendre du savoir-faire de lingnieur, ce qui les conduit formaliser diffremment leurs projets en sattachant davantage leur expression symbolique et smiotique. Ce faisant, la prcontrainte consacrait la mort de la doctrine rationaliste selon laquelle la coque excute doit tre directement informe par les proprits spcifiques du matriau mis en uvre. Cest ce credo qui a guid Candela dans tous ses projets. On comprend ds lors pourquoi lingnieur, rest fidle aux thses de

Viollet-le-Duc, na jamais employ la prcontrainte. Il la mme vivement critique. Dans un article publi en 1956 par LArchitecture dAujourdhui, il prcise ses convictions : Le bton prcontraint nest quune trouvaille ingnieuse pour se dispenser de plans prcis et dune rflexion fatigante. Selon lui, elle favorise mme lindolence mentale car il est tellement plus facile de demander un peu plus de rsistance certains matriaux. Dune certaine faon, cest bien cette dmarche qua suivi larchitecte danois Jorn Utzon (1918 - 2008) pour concevoir lOpra de Sydney (1955-1972). Attachant plus dimportance la dimension sculpturale et symbolique du programme, il a largement nglig de conformer la gomtrie de louvrage aux raisons de la rsistance de forme. Le projet australien a exig du bureau dtudes - la socit anglaise Ove Arup - un travail remarquable pour aboutir la mise au point dun systme structurel spatial, ralis laide de cadres en bton arm nervurs, prfabriqus et prcontraints.

LOpra de Sydney (1955-1972), Jorn Utzon, architecte, Ove Arup, ingnieurs. Vue de lintrados des votes en construction. Photo d.r.

LOpra de Sydney (1955-1972), Jorn Utzon, architecte, Ove Arup, ingnieurs. Vue de la surface des votes o lon repre les lments prfabriqus, prcontraints et recouverts dun carrelage. Photo d.r.

Bien quil ait d modifier le profil initial de ses votes, la solution sculpturale mise au point par Utzon et Ove Arup a stimul linnovation constructive, tel point que lOpra de Sydney marque un jalon dans lhistoire de larchitecture du XXe sicle. La russite du projet rsulte du dialogue fcond qui sest instaur entre larchitecte, les techniciens, les entrepreneurs, les industriels et le matre douvrage afin de satisfaire aux exigences de lun et des autres. Deuximement, la structure finalement excute a induit une volution smantique du terme de coque qui nidentifie plus uniquement un voile continu de faible paisseur mais dsigne plus largement toute configuration spatiale enveloppante, continue ou non, fine ou paisse. Enfin, la qualit architecturale de louvrage sarticule intimement avec linnovation technologique quelle a induit et qui repose sur la prfabrication de voussoirs standards, lexploitation des ressources de la prcontrainte et, surtout, lutilisation du calcul informatique un degr de complexit encore jamais atteint. Pilote par lingnieur Peter Rice (19351992), la modlisation par ordinateur opre Sydney a inaugur une re nouvelle dans lhistoire de lart de btir.