IX. Consolidations par des barres en traction

L’usage du fer pour attacher les pierres des temples était déjà connu des Grecs, qui ignorant le ciment et le mortier, et tentaient ainsi de résister aux secousses sismiques du Péloponnèse. Au Moyen Age, le fer est utilisé pour exécuter des tirants qui servent à contrer les poussées des arcs et des voûtes. Le premier usage systématique du fer pour un confortement d’ampleur est rapporté pour la cathédrale d’Amiens vers 1499.

On applique, un siècle après sa construction, au niveau du triforium de l’édifice qui menace de s’effondrer une ceinture de fer de Tolède «!gros comme le poing!». Ce chaînage de près de 300 m court le long de la nef et des transepts et encercle presque tout l'édifice. Toujours en place aujourd'hui, cette chaîne de fer assure depuis plus de cinq siècles la stabilité de la cathédrale picarde. Les figures ci-contre montrent les crampons en fer forgé utilisés pour exécuter les chaînages dans les murs des cathédrales.

Décrits par Eugène Viollet-le-Duc dans l’un de ses ouvrages sur les constructions médiévales, ces éléments étaient fabriqués de manière répétitive par les forgerons du chantier et placés au milieu des lits de mortier.

La tour de l’horloge de la mairie, dans le centre historique de Bologne, date du XIVème siècle. Construite en brique, la tour fut consolidée au début du XVIe siècle pour faire face à des tassements différentiels des fondations, mais aussi à l’ajout d’une tour hexagonale. La consolidation a été faite au moyen d’une chaîne en barres épaisses de fer forgé clavetées par des poinçons et reliées au niveau des planchers par des plaques de pression et des cornières d’angle forgées.

La tour de l’horloge de la mairie, dans le centre historique de Bologne, date du XIVème siècle.
Construite en brique, la tour fut consolidée au début du XVIe siècle pour faire face à des tassements différentiels des fondations, mais aussi à l’ajout d’une tour hexagonale. La consolidation a été faite au moyen d’une chaîne en barres épaisses de fer forgé clavetées par des poinçons et reliées au niveau des planchers par des plaques de pression et des cornières d’angle forgées.

Le succès de la réhabilitation lourde d’un bâtiment dépend à parts égales du parti de l’architecte et de l’ingéniosité de la solution structurelle proposée par l’ingénieur. Un parti architectural audacieux pour garder l’esprit des lieux n’est pas suffisant si l’inventivité structurelle n’est pas au rendez-vous.

L’histoire récente de la réhabilitation est émaillée de nombreuses interventions malheureuses qui ont condamné définitivement tout changement éventuel de bâtis existants ayant pourtant évolué parfois depuis plus de cinq siècles, pour parvenir jusqu’à nous. Très souvent, il faut renforcer de manière invisible des structures existantes dont la stabilité n’est ni parfaite, ni forcément pérenne, tant l’histoire des transformations successives est complexe. L’un des avantages de l’acier réside dans sa grande résistance et sa discrétion, les exemples ne manquent pas pour illustrer ce propos.

Dans la réhabilitation du pavillon de l’Arsenal en 1978 à Paris, Bernard Reichen et Philippe Robert ont libéré le sol de poteaux disgracieux en suspendant élégamment les nouvelles mezzanines sur la structure en fer existante.

Après la suspension en 1997 des passerelles du musée du Chiado à Lisbonne, Jean-Michel Wilmotte a collaboré parfaitement avec son ingénieur structure pour ménager les voûtes et les colonnades gothiques du collège des Bernardins à Paris, en suspendant les planchers à une mégapoutre de 14 m de portée.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

La modification d’une construction par suppression d’éléments structuraux peut introduire une modification de la topologie de la structure et provoquer des situations d’instabilité nouvelles. L’exemple ci-dessus montre la mise en oeuvre de tirants en acier placés pour contenir la poussée au vide de la structure existante après modification. À l’origine, une dalle nervurée liait le mur porteur aux poteaux centraux; leur suppression a provoqué une réaction horizontale sur l’extérieur. Les tirants permettent à la fois d’obtenir un espace en double niveau, avec une présence structurelle discrète qui est assurée grâce au mode de chargement en traction.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Parfois, la nature du bâti ne permet pas d’accrocher une poutre ou de poser un poteau au point d’application de la charge ou au niveau souhaité. Une solution consiste à suspendre les poutres du plancher au moyen de tirants d’acier en reportant la descente de charges plus haut dans la construction, à un endroit où leur répartition est plus aisée, pour ensuite la diffuser dans les structures d’origine. Une manière de réduire l’impact de ces charges est de composer le plancher sur le principe d’une solution sèche qui réduit fortement le poids propre de la dalle. L’isolation acoustique et thermique, ainsi que la résistance à l’incendie en sous-face de ces planchers sont réalisées au moyen de laine minérale et de plaques de plâtre dont le nombre et l’épaisseur varient avec le niveau de performance souhaité.

Une fois le plancher haut mis en place, les poutres du plancher suspendu ont été déployées au moyen de palans et reliées aux poutres principales par les tirants de suspension. Les «aiguilles» à coulisseaux évitent de transmettre les charges du plancher sur les colonnes.

Fixées à l’intersection des poutres sous le plancher suspendu, elles descendent à l’aplomb des chapiteaux des colonnes de pierre de la construction gothique.

Relié aux planchers qui forment un plan rigide,ce dispositif constitue autant de points fixes qui bloquent les déplacements horizontaux des chapiteaux et contribuent à la stabilité générale des voûtes. Il a permis de supprimer les cloisons de confortement et les tirants en acier rajoutés au fil des siècles pour assurer la stabilité des colonnes.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

La réhabilitation du pavillon de l’Arsenal à Paris révèle un bel exemple d’extension des surfaces de planchers par suspension. Construit vers 1880, d’abord galerie d’art, entrepôt, puis atelier de confection, le bâtiment fut acheté par la ville de Paris en 1954 pour y conserver des archives, et enfin le faire transformer en 1987 par les architectes Reichen et Robert en un lieu d’exposition dont le programme nécessitait un accroissement des surfaces de planchers.

Moins employée aujourd’hui, la suspension était une pratique courante vers la fin du XIXe siècle. Elle a ici l’avantage de minimiser la matière nécessaire à la construction de l’extension, exécutée sans ajout de poteaux supplémentaires. Comme déjà expliqué, les considérations spatiales propres à l’architecture doivent trouver une logique structurelle. Ce genre d’opérations requiert des opérations préliminaires de modélisation de la charpente d’origine avec une bonne connaissance des propriétés réelles de ses matériaux.

On peut ensuite ajouter les éléments structuraux supplémentaires, décider de la nature des assemblages et, le cas échéant, procéder aux renforts rendus nécessaires par l’ajout de charges nouvelles sur la structure.

Le schéma statique montre le cheminement des forces de la nouvelle structure ajoutée sur l’existant.
Afin de perturber le moins possible la charpente, le parti structurel utilise uniquement des éléments travaillant en traction (tirants pleins de Ø 25 mm) et en compression (butons en tube Ø 80-5 mm), dont les directions coïncident avec les points d’épure pour ne pas générer de moments parasites.

Les longerons transversaux porteurs du plancher moisent les colonnes en fonte de la structure initiale sans les toucher. Une extrémité du longeron est accrochée sur le mur, l’autre est suspendue par le biais d’une série de tirants formant funiculaire qui renvoie les efforts dans la colonne (compression) et dans le mur (traction cisaillement). Le travail est achevé par la conception d’assemblages de liaison entre la nouvelle structure et l’ancienne pour assurer le transfert des efforts.
La protection de la structure à l’incendie est réalisée par peinture intumescente.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

L’acier inoxydable est très souvent utilisé pour consolider et maintenir en place les éléments architectoniques des monuments ou des bâtiments du patrimoine. Utilisé à bon escient sous forme de barres façonnées en agrafes, de câbles de rappel ou encore de bandes de maintien, l’acier inoxydable offre de nombreux avantages. Inaltérable, il ne nécessite pas d’entretien et évite les traînées et les éclatements produits par la rouille.

Les illustrations ci-contre et cidessus montrent la consolidation d’une casemate située sur la muraille d’accès aux propylées de l’Acropole d’Athènes. Aménagé durant la période ottomane cet édifice en appareil à gros blocs avait besoin d’être stabilisé pour prévenir son glissement. Un système de deux ceintures de retenue (80 x 8 mm en acier austéno- ferritique) complété par une paire de câbles et les ridoirs assure un maintien efficace des blocs de pierre.

Les agrafes en acier inoxydable sont façonnées dans des barres de 10 à 25 mm de diamètre de nuance 304 ou 316L, suivant la nature de l’environnement du projet. Elles servent à maintenir les rives de fissures conséquentes dans les maçonneries à gros blocs, comme par exemple les murs d’enceinte soumis à des tassements du sol. Contrairement aux reprises effectuées au XIXe siècle avec des barres de fer, l’emploi de l’acier inoxydable garantit un coefficient de dilatation réduit et un bon comportement à la corrosion. Ceci évite les dégradations comme l’éclatement dû à la rouille.

Pour réduire les contraintes thermiques, on pose ces équipements par une température ambiante de 20°C.

On procède généralement au comblement de la fissure, puis on perce les trous au milieu des blocs de pierre au diamètre de la barre augmenté de 3 mm. On injecte ensuite de la résine époxy et l’on introduit les agrafes en forme de U.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Provoquées par des causes diverses, comme les tassements ou la simple désolidarisation des éléments de construction par dégradation des liaisons entre les murs en maçonnerie et les poutres en bois, l’éloignement de façades ou de pignons parallèles d’un même édifice peut causer des dommages graves à la stabilité de l’ouvrage. Un remède simple consiste à mettre en place un ou plusieurs tirants pour retenir, voire ramener les porteurs divergents à leur point de départ. Provisoires ou temporaires, ces tirants sont, selon les cas, apparents ou dissimulés dans le bâti.

La technique consiste à percer des trous de passage d’un diamètre suffisant dans les murs et les cloisons pour passer un tirant d’acier fileté à ses extrémités. Une fois le tirant et les contre-plaques mis en place, on met la barre en tension par serrage des écrous. La mise en précontrainte de la tige sous un effort contrôlé avant le serrage des écrous des contre-plaques assure un meilleur résultat. Elle renseigne exactement sur la variation de l’effort de tension de la barre. Cet effort nécessaire pour mettre les contre-plaques en travail ne doit pas être excessif, car il peut provoquer des désordres locaux par application de contraintes trop élevées sur l’existant, ou encore produire une flexion des contre-plaques dont on décrit plus loin quelques variantes possibles.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Situées aux extrémités des tirants, les plaques d’about sont des éléments destinés à transformer l’effort de traction du tirant en contrainte de compression sur une surface appropriée de la maçonnerie.

Pour satisfaire à cet usage, la plaque doit avoir une surface d’assise proportionnelle à la charge transmise par le tirant, de manière à ce que la résistance à la flexion et au poinçonnement ne constituent pas le point faible du dispositif. La contrainte admissible des supports en maçonnerie de brique ou en bois est variable suivant la qualité du matériau. On conseille de ne pas dépasser une pression de 5 à 10 MPa pour la maçonnerie, 4 à 8 MPa pour la brique et 6 MPa pour le bois. Certaines pierres, comme les granits, ont des résistances plus élevées qu’il est souhaitable de préciser au cas par cas pour éviter des décisions trop optimistes.

La résistance du support dépend également de la qualité de l’appareil de construction : un montage en gros bloc sera plus propice à résister qu’une maçonnerie hétérogène mal agglomérée par un mortier à l’origine trop maigre. La mise en place des tirants et des plaques d’about n’est pas d’une difficulté insurmontable. La difficulté est de savoir où mettre en oeuvre de tels dispositifs sans risquer d’aggraver l’état de la construction.

Les tirants sont, dans la mesure du possible, positionnés au niveau des planchers, de manière à pouvoir exercer une précontrainte de ceux-ci sans risquer d’effet néfaste sur la structure existante.

Cette technique appartient au vocabulaire architectural des coupoles ou des voûtes comme on peut en observer dans bon nombre de bâtiments de la Renaissance italienne. À partir de l’époque gothique, les constructeurs de chaque époque ont appris à les utiliser pour renforcer ou conforter les ouvrages en difficulté. À ce titre, les câbles et les tirants en acier sont largement utilisés dans les travaux de réhabilitation et de confortement des ouvrages anciens. Provisoire ou temporaire, la technique du tirant offre des possibilités de maintenir des masses conséquentes en faisant transiter des efforts importants par une section très fine, qui peut facilement être dissimulée ou tout simplement passée sans gêner l’exploitation ni réduire les surfaces utiles.

Les tirants dotés de filetages rapides, associés à des barres de répartition des efforts composées de deux UPN mis dos à dos et reliés par des barrettes soudées sont généralement utilisés dans les consolidations temporaires. Parfois, le fruit pris par la maçonnerie et/ou l’état de dégradation est tel que l’on est obligé de laisser le dispositif en place. Au problème de l’esthétique s’ajoute alors celui de la pérennité. On utilise alors des tirants en acier inoxydable d’un diamètre suffisant reliés par des manchons filetés et connectés à des barres de répartition galvanisées à l’esthétique plus soignée, pour diffuser l’effort à une contrainte admissible.

Les câbles en acier inoxydable ou en acier galvanisé sont largement employés en réhabilitation où ils servent le plus souvent dans des phases intermédiaires de maintien des constructions. Contrairement aux tirants, les câbles n’ont pas un comportement linéaire, il peut donc y avoir un certain fluage si la force de tension n’est pas bien maîtrisée.

Leur grande longueur évite les assemblages complexes et les raboutages. Leur résistance, qui va au-delà de 1500 MPa en fait des outils précieux pour les situations particulières, évitant ainsi les assemblages de raccordement entre les barres.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Les déplacements différentiels complexes le long des façades historiques de grandes dimensions sont délicats à gérer. Le cas de la façade gothique du palais des Doges à Venise en est un cas d’école.

Construite sur des pieux de sapin battus dans le sol de la lagune, le monument du XIVème siècle connaît depuis quelques décennies des tassements différentiels d’ampleur qui sont difficiles à contrôler. Une solution de préservation consiste à lier ensemble de manière globale les éléments de la façade afin de stopper les déplacements différentiels des colonnes entre elles et de limiter l’ouverture préjudiciable des arcatures.

Le percement dans le haut du chapiteau et la pose d’un manchon fileté, scellé à la résine, permettent de relier les éléments entre eux par des barres de tension aux embouts filetés.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Le Caixa Forum de Madrid exécuté par les architectes suisses Herzog et de Meuron met en oeuvre une variante élégante d’un plancher suspendu à la structure de l’étage supérieur. Le premier étage du bâtiment est attaché par onze tirants aux poutres du deuxième étage, ce qui a ainsi permis de supprimer l’ensemble des poteaux sur la place couverte en dessous.

Ce mode structurel est possible grâce aux caissons du plafond qui constitue une sous-face polygonale structurelle.

Astucieux, c’est un sandwich à épaisseur variable constitué d’un ensemble composite dont la dalle de compression de 15 cm, les raidisseurs de hauteur variable et la sous-face en acier forment un ensemble de caissons rigides liés entre eux et suspendus aux tirants. L’intérieur du niveau d’accueil expose la mécanique structurelle de la suspension avec ses tirants aux poutres mixtes HEM 700 du deuxième étage. Structure et équipements techniques de ventilation, de climatisation ou d’éclairage sont laissés délibérément apparents.

Le faux-plafond est symboliquement suggéré par une maille triangulée en tubes de néon, pareille à une installation d’art lumineuse. Les meubles des comptoirs d’accueil et du vestiaire, exécutés en bois sombre, sont suspendus, à l’image de l’édifice, comme pour en répéter la lévitation.

Avant cette mise en suspension, la métamorphose de la vieille centrale électrique du Prado a débuté par une véritable opération chirurgicale : le maintien en l’air de ses murs de briques et de la super structure d’acier qui la surplombe est réalisé au moyen de trois plots disposés en triangle et contenant les circulations verticales (ascenseurs, monte-charges et cage d’escalier). Cette superstructure constituée d’un réseau de poutres et de voiles porte l’enveloppe de brique renforcée par un corset.

Détaché du sol par le découpage de son soubassement, le bâtiment défie les lois de la gravité, laissant plus d’un ingénieur pantois tant le parti constructif est audacieux. Au dessus du niveau du sol, suspendu par onze tirants aux poutres du 2ème étage, le plancher du niveau (R+1) est à lui seul un morceau de bravoure qui a permis de supprimer les poteaux sur la place couverte et justifie la sous-face polygonale qui en constitue le plafond. L’intérieur du lobby expose la mécanique structurelle de la suspension avec ses tirants au plancher du 2e étage et ses poutres mixtes HEM en acier laqué couleur gris métal.

Les niveaux d’exposition sont constitués par deux grands plateaux libres dont le réseau de poutres mixtes apparentes a été doublé pour franchir la portée de 21 mètres d’un seul trait. Les planchers sont composés par des poutres alvéolées HEB 750 espacées de 3 mètres, déployées à 916 mm et connectées à un plancher collaborant (PL 76/383/1 mm) garni de béton pour former une dalle de 20 cm d’épaisseur.

Disposé méthodiquement, l’éclairage et la ventilation sont placés au milieu de chaque trame. Pour les parties souterraines, structures et fondations sont réalisées au moyen de techniques traditionnelles. Enfin, la structure de brique est coiffée par une structure métallique pour augmenter la hauteur et le nombre d’étages.

Pierre Engel pour www.constructalia.com