"LA CULTURE EN PARTAGE" avec
Frédéric MORIN architecte-conférencier

Histoires d'Architectures
Les progrès dans la fabrication des
matériaux de construction
le travail du fer

Voici le diaporama projeté par Frédéric Morin, architecte-conférencier, sur l'histoire de la fabrication des matériaux de construction :
la fabrication du fer, de la fonte et de l'acier destinés à la construction.

conference 2019 histoire de la fabrication des materiaux de construction

histoire et techniques de la fabrication des matériaux de construction :
LE FER, DE LA FONTE A L'ACIER

La sculpture de l'Atomium de Bruxelles (par Waterkeyn + Polak - 1958 - h=102m) a été réalisée pour l'Exposition Universelle de Bruxelles de 1958. Elle eut le même destin que la Tour Eiffel pour l'expo de 1889 à Paris : elle est devenue un symbole national indéboulonnable. Elle montre les neuf atomes constitutifs d'un cristal de fer, l'une des structures moléculaires les plus solides qui soit, et qui est aussi la plus répandue non pas seulement sur la Terre mais aussi dedans (32%). Une partie de l'activité industrielle qui fit autrefois la richesse de la Belgique était liée à la métallurgie du fer, riche héritière des traditions métallurgiques celtes de la Gaule chevelue réputées dès l'Antiquité.


LE BAS FOURNEAU :


schéma d'un bas-fourneau fonctionnement alternatif ou intermitent

reconstitution d'un bas-fourneau de type celte fonctionnement alternatif ou intermitent

reconstitution ethno-archéologique d'un bas-fourneau de type celte fonctionnement intermitent

reconstitution ethno-archéologique d'un bas-fourneau de type celte - coulée obtenue par réduction de minette de fer

cubilot = bas-fourneau entre 1844-1961 à Tiquet-Baignes (70)

1844-1961 à la fonderie de Tiquet-Baignes(70) fonte coulée à la poche manuelle pour des ustensiles de cuisine

fonte industrielle coulée à la poche dans une aciérie : les lingots seront ensuite forgés pour en éliminer l'essentiel du carbone qui rend la fonte cassante

fonte pré-industrielle coulée à la poche dans la forge d'Indret, peinture de François Bonhommé (1809-1881) vers 1840

LE COMBUSTIBLE CHARBON DE BOIS et COKE :
Le charbon de bois est obtenu par carbonisation du bois en l'absence d'oxygène, c'est-à-dire par pyrolyse. Le même procédé fonctionne avec le charbon de pierre pour produire du coke. La consommation de l'un comme de l'autre combustible est de l'ordre de 0,7 tonne de charbon de bois (très léger) ou de coke par tonne de fonte produite. Le déboisement correspondant est de l'ordre de 1km² par tonne de fonte... Leur faible inertie thermique rend ces deux combustibles transformés plus aptes à produire des températures élevées :


charbonnière de production de charbon de bois par pyrolyse

charbonnière = meule de production de charbon de bois

dessin d'une charbonnière = meule de production de coke à partir de charbon de pierre par pyrolyse

four moderne de production du coke issu du charbon de pierre dans une cokerie

four moderne de production du coke issu du charbon de pierre dans une cokerie

construction d'un four de cokerie

fabrication très artisanale de coke, dont la faible inertie thermique le rend plus apte à produire des températures élevées

LE HAUT FOURNEAU => FONTE :
Le 11ème siècle européen voit apparaître des hauts-fourneaux dont le fonctionnement diffère de celui des bas-fourneaux hérités de l'Antiquité et des Celtes, notamment par leur capacité à fonctionner en continu. Chargés par le dessus d'un mélange de minerai, de fondant et de combustible, ils sont également plus grands. L'air est apporté par des soufflets qui peuvent être associés par paire délivrant un jet d'air continu, soufflets animés par une roue à aube autant que possible. La roue à aube sera également utile pour soulever le martinet précieux pour mécaniser progressivement la forge et produire du fer voire de l'acier à partir des lingots de fonte coulés au pieds du haut-fourneau. A partir du 12ème siècle, les moines cisterciens compteront parmi les spécialistes reconnus de la forge. Le dernier haut-fourneau à charbon de bois a fonctionné en France jusqu'en 1935 :


schéma du fonctionnement continu d'un haut-fourneau en 1842

schéma de fonctionnement d'un haut-fourneau moderne à fonctionnement continu

Schéma de fonctionnement d'un haut-fourneau continu à deux soufflets en 1842 :
a = les deux soufflets fonctionnant alternativement : quand l'un se vide en soufflant l'autre se remplit d'air
b = la roue à aubes "par dessus" alimentée par la retenue d'eau en amont
c = le mécanisme de roues dentées transmettant le mouvement à l'arbre rotatif du martinet dont les cames soulèvent et rabaissent alternativement les soufflets
d = maçonnerie du haut-fourneau cintré de tirants métalliques
e = ventre ou cuve du haut-fourneau, recevant en continu la charge de minerai mélangé à du charbon de bois et des fondants par le haut (= le gueulard)
f = la cuve de fusion reçoit à gauche l'air des soufflets pour activer la combustion, et la fonte sort à droite
g = pour former un long lingot qui sera ensuite réchauffé pour être battu (= la forge) pour en extraire l'excédent de carbone :


schéma de fonctionnement d'un haut-fourneau continu à deux soufflets en 1842

Moisdon-la-Rivière - reconstitution des forges en 1790, exploitant la force motrice hydraulique d'un barrage

Paimpont-les-Forges maquette de 2 hauts-fourneaux fonctionnant en 1653 et en 1822 - vue latérale

Paimpont-les-Forges maquette de 2 hauts-fourneaux fonctionnant en 1653 et en 1822 - vue de face

Paimpont-les-Forges maquette de 2 hauts-fourneaux fonctionnant en 1653 et en 1822 - vue de face

Paimpont-les-Forges maquette de 2 hauts-fourneaux fonctionnant en 1653 et en 1822 - vue depuis le barrage apportant la force motrice, montrant la charge du haut-fourneau par le gueulard sommital

Paimpont-les-Forges maquette de 2 hauts-fourneaux fonctionnant en 1653 et en 1822 - vue des soufflets cylindriques dont les pistons sont actionnés par les eaux du barrage

Paimpont-les-Forges vestiges de 2 hauts-fourneaux fonctionnant en 1653 et en 1822

Paimpont-les-Forges fonctionnement du haut-fourneau fonctionnant en 1822

LE HAUT-FOURNEAU MODERNE :
pour améliorer l'efficacité de la combustion, un dispositif particulier a été développé pour introduire de l'air le plus chaud possible (1.200°C). En effet, l'air que nous respirons refroidit le process lorsque celui-ci doit atteindre 1.800°C... Cette préchauffe de l'air est assurée par un groupe de 3 cowpers, des fours de préchauffage dont les échangeurs de brique sont alternativement et successivement traversés par les gaz brûlants de combustion puis par le l'air frais en vue de son admission dans le haut-fourneau pour apporter l'oxygène (chaud) indispensable à la combustion :


schéma de fonctionnement d'un haut-fourneau moderne à fonctionnement continu ; un seul cowper de préchauffage de l'air à 1.200°C est représenté

schéma de fonctionnement d'un groupe de 3 cowpers alimentant continuellement en air chaud un haut-fourneau moderne

Duisbourg-RFA haut-fourneaux en 1973 vue générale

Duisbourg-RFA hauts-fourneaux en 1973 schéma de fonctionnement

haut-fourneau échantillonnage de la fonte sur le plancher des coulées

haut-fourneau coulée de la fonte en lingotière

schéma de la flière fonte-fer-acier en continu

Florange hauts-fourneaux

Florange hauts-fourneaux

Uckange hauts-fourneaux

Longwy hauts-fourneaux

haut-fourneau système de refroidissement du réfractaire

haut-fourneau gueulard de charge

Longwy haut-fourneau plancher des coulées

poche de fonte

LE CONVERTISSEUR BESSEMER FONTE => FER et ACIER :
En reliquidifiant la fonte, il est possible de la faire traverser par un flux d'oxygène qui va brûler le carbone de la fonte et la transformer en fer doux, beaucoup moins cassant. La poursuite de ce process permet d'aciérer ce fer, c'est-à-dire d'obtenir différentes nuances d'aciers au chrome, au molybdène, au nickel... dont les caractéristiques de résistances sont multiques (inox, réfractaire, haute résistance mécanique...) et les intérêts pour la construction très avantageuses (sauf le prix...). Le convertisseur Bessemer inventé en 1855 puis amélioré par Thomas en 1877 fut certainement le plus répandu avant d'être supplanté par le four-réverbère Siemens-Martin dont la maîtrise était moins délicate.


convertisseur Bessemer

Dortmund convertisseur Bessemer

remplissage avec de la fonte liquide d'un convertisseur Bessemer

schéma de fonctionnement d'un convertisseur Bessemer

remplissage avec de la fonte liquide d'un convertisseur Bessemer

brulage-affinage dans un convertisseur Bessemer

brulage-affinage dans un convertisseur Bessemer

LE LAMINAGE :
La succession des opération de transformation d'un lingot de fer en des produits "marchands" (fers plats, carrés ou ronds, tôles, profils de construction genre IPN ou HPN) se fait après avoir réchauffé le fer dans des fours pour faire circuler ensuite le lingot entre des rouleaux de plus en plus serrés jusqu'à obtenir la section souhaitée. Ce furent autrefois des opérations très dangereuses car le retournement de direction du mouvement des profils dans la halle se faisait manuellement et nombre d'ouvriers ont été coupés en deux par le métal...


schéma du laminage à chaud

train de laminage à chaud à la sortie d'un four de réchauffage

Seraing la coulée est découpée en brames pour être réchauffées au four pour être laminées

Duisbourg brame réchauffée au four pour être laminée

laminage d'une brame en tôle

train de laminage à chaud de tôles à la sortie d'un four de réchauffage

Florange les billettes sortent de la salle de coulée continue

billettes réchauffées au four pour être laminées en continu

début du laminage de profils IPN ou HPN fer ou acier suivant la qualité de la composition

laminage de profils fer ou acier suivant la qualité de la composition, ici un fer plat

Au milieu du XIXème siècle, le peintre Ignace-François Bonhommé (1809-1881) s'est intéressé à restituer le travail de ces soldats de la métallurgie industrielle naissante. Après s'être lié avec Edouard Muel-Doublat, le propriétaire des Forges d'Abainville (Meuse), Bonhommé réalise plus de 75 dessins montrant le travail de la forge. Ses oeuvres peintes restituent les différentes ambiances, les fours, les serpents de métal brûlant qui courent partout et la multitudes des tâches indispensables à la production métallurgique :


Francois Bonhommé (1809-1881) halle de laminage de la Forge d'Abainville (55), vue générale vers 1838

Francois Bonhommé (1809-1881) halle de laminage de la Forge d'Abainville (55), vue générale vers 1838

Francois Bonhommé (1809-1881) halle de laminage de la Forge d'Abainville (55), détail des fours de réfauffage des lingots avant laminage

Francois Bonhommé (1809-1881) halle de laminage de la Forge d'Abainville (55), détail de l'étirage des fils-de-fer par des gamins qui courent

Francois Bonhommé (1809-1881) halle de laminage de la Forge d'Abainville (55), devant les roues à aubes de l'arière-plan actionnant les soufflets des fours de réchauffage, les ouvriers étirent les profils d'entre les galets de laminage

Francois Bonhommé (1809-1881) halle de laminage de la Forge d'Abainville (55), vue générale du laminage des tôles en 1838

Francois Bonhommé (1809-1881) halle de laminage de la Forge d'Abainville (55), détail du laminage d'une tôle tirée d'entre les rouleaux

Le site de Paimpont-les-Forges près de Rennes (35) a conservé une grande halle de laminage grâce à la ténacité des propriétaires des lieux qui l'ont magnifiquement restaurée pour l'ouvrir à la visite à côté des vestiges de deux hauts-fourneaux de 1635 et 1822, jouxtant la retenue d'eau d'un barrage :


Paimpont-les-Forges (35) halle de laminage - vue générale

Paimpont-les-Forges (35) halle de laminage - vue générale intérieure

Paimpont-les-Forges (35) halle de laminage - détail de l'arcature médiane en fonte

Paimpont-les-Forges (35) halle de laminage - vue générale intérieure

La construction des ponts est source de progrès dans les techniques et les matériaux : le péage que l'on peut percevoir en échange du passage, par ailleurs moins onéreux que tout autre, génère des ressources financières propres à mener ces expérimentations. Le premier pont métallique adopte la fonte en Angleterre à Coalbrookdale sur la Severn, conçu par Thomas Farnolls Pritchard et coulé par Abraham Darby III en 1777-1779. Ses cinq arches disposées côte-à-côte ont une portée de 30,60 mètres ; l'ensemble inauguré en 1781 associe environ 1.700 pièces et pèse près de 384 tonnes :


UK-Coalbrookdale pont en fonte sur la Severn par Pritchard en 1779 portée 30,60m - vue générale latérale

UK-Coalbrookdale pont en fonte sur la Severn par Pritchard en 1779 portée 30,60m - table des péages

UK-Coalbrookdale pont en fonte sur la Severn par Pritchard en 1779 portée 30,60m - les cinq arches de fonte coulée par Darby III

UK-Coalbrookdale pont en fonte sur la Severn par Pritchard en 1779 portée 30,60m - angrage des poinçons sur l'arche principale

UK-Coalbrookdale pont en fonte sur la Severn par Pritchard en 1779 portée 30,60m - détail de l'un des assemblages des quelques 800 pièces coulées en fonte

L'architecture métallique adopte également la fonte dans un premier temps, à l'exemple des serres royales de Kew Garden à Londres, construites en 1848 par l'architecte Decimus Burton et l'ingénieur Richard Turner :


usage de la fonte 1848 Londres Kew Gardens palm house = serre tropicale

Les premiers ponts suspendus à des cables métalliques furent construits en Europe par l'ingénieux Marc Seguin d'Annonay (07) avec son pont sur la Cance lancé en 1822-1823, d'une portée de 29 mètres. Les cables de fil-de-fer n'étaient pas torsadés :


1823 premier pont suspendu sur cables métalliques par Marc Seguin sur la Cance près d'Annonay, état en 2008

1823 premier pont suspendu sur cables métalliques par Marc Seguin sur la Cance près d'Annonay, section générale des 29m de portée

1823 premier pont suspendu sur cables métalliques par Marc Seguin sur la Cance près d'Annonay, état en 2008

1823 premier pont suspendu sur cables métalliques par Marc Seguin sur la Cance près d'Annonay, détail des cables juste avant la restauration en 2012

1823 premier pont suspendu sur cables métalliques par Marc Seguin sur la Cance près d'Annonay, restauré en 2012

Le second pont fut lancé sur le Rhône entre Tain l'Ermitage (26) et Tournon (07) en 1823-1825 par le même Marc Seguin, avec une portée de deux fois 85 mètres. Seguin entame ici sa grande série de ses "ponts de fil-de-fer" sur le Rhône qui permettent enfin de passer facilement d'une rive à l'autre sans interrompre le trafic fluvial :


Tain-l'Ermitage (26) <=> Tournon (07) : le deuxième pont suspendu de Seguin = deux travées de 85m dès 1825

Le pont qui est aujourd'hui visible sur le Rhône est encore de Marc Seguin mais construit en 1849 pour doubler la capacité de transport du premier. Le système de construction permet très astucieusement de changer toutes les pièces pour l'entretien sans interrompre le traffic. Il mêle des cables associés par 4, des suspentes métalliques du tablier, des raidisseurs métalliques en sous-face des traverses de bois du tablier et des pièces métalliques d'articulation du garde-corps triangulé qui participe à la rigidification de l'ensemble, souvent bousculé par le mistral, ce vent du Nord qui dévalle la vallée du Rhône :


Tain-l'Ermitage (26) <=> Tournon (07) : l'autre pont suspendu de Seguin = deux travées de 85m en 1849

Le fer est utilisé chaque fois qu'il est plus efficace que la pierre (adoptée pour les supports en compression) et le bois, plus léger, adopté pour les parties en compression du tablier et des garde-corps. Le métal facilite l'assemblage des pièces de bois entre elles ; il augmente en sous-face la rigidité des traverses du tablier qui sont comprimées par les tendeurs métalliques. Cette géométrie-là préfigure la répartition des ferraillages d'un ouvrage en béton-armé :


Tain-l'Ermitage (26) <=> Tournon (07) pont Seguin de 1849 : détail des cables et des suspentes

Tain-l'Ermitage (26) <=> Tournon (07) pont Seguin de 1849 : détail du garde-corps et des raidisseurs des traverses

Isambar Kingdom Brunel réalise entre 1854 et 1859 un pont étonnant à côté de Plymouth, le Royal Albert Bridge. Son design montre deux travées de 139 mètres chacune, associant une forte arche dont le cylindre est produit par rivetage de tôle, avec des tirants exactement opposés en-dessous qui compensent les poussées de l'arche. Chaque travée est équlibrée, ce qui a permis de les construire au sol avant de les monter à leur place. Elles n'exercent pas d'éfforts sur les piliers autres que leur poids et celui des trains :


Royal Albert Bridge à Plymouth par Brunel en 1859, vue générale

Royal Albert Bridge à Plymouth par Brunel en 1859, l'ancrage des tirants bas sur la grosse poutre arquée en tôles rivetées, à proximité d'un pilier du pont ferroviaire

Royal Albert Bridge à Plymouth par Brunel en 1859, vue générale du chantier de construction au moment de l'élévation en place de la 2ème travée construite au sol

L'américain Albert Fink a breveté en 1854 la conception de ponts métalliques en treillis pour des voies ferrées, dont la conception exploite très clairement la différence entre les pièces en compression qui sont trappues de celles en tension qui poeuvent demeurer plus fines :


Zoarville (Ohio) - pont en treillis métallique = Fink Truss breveté par Fink en 1854, construit en 1868

Pérou - pont en treillis métallique = Fink Truss breveté par Fink en 1854, construit en 1890

Le pont ferroviaire français le plus célèbre est sans doute le Viaduc de Garabit (15) construit par Gustave Eiffel en 1884, dont l'arche métallique rivetée franchit une portée de 164m à 122m de hauteur :


Viaduc de Garabit (15) par Eiffel en 1884, portée 164m

Viaduc de Garabit (15) par Eiffel en 1884, portée 164m - articulation d'une des culées de l'arche : le personnage donne l'échelle

En 1890 est ouvert à la circulation le pont ferroviaire franchissant l'estuaire du fleuve Forth jouxtant Edimbourg, un pont cantilever comportant deux arches de 517 mètres de portée, conçu par John Fowler et Benjamin Baker. Les travaux ont démarré en 1882 et ont nécessité plus de 58.000 tonnes d'acier et 6,5 millions de rivets. Il est devenu l'un des symboles de l'Ecosse :


UK Edinburgh Forth Railway Bridge portée = 2x517m 1882-1890

UK Edinburgh Forth Railway Bridge portée = 2x517m 1882-1890 - vue latérale

UK Edinburgh Forth Railway Bridge 2x517m 1882-1890 - démontration de l'efficacité du principe cantilever fondateur du design du pont

UK Edinburgh Forth Railway Bridge portée = 2x517m 1882-1890 - chantier de construction prenant soin d'équilibrer les charges de part et d'autre des piles

UK Edinburgh Forth Railway Bridge portée = 2x517m 1882-1890 - visite d'entretien : le personnage donne l'échelle de la poutre basse dont le cylindre a été réalisé par rivetage de fortes tôles métalliques

Le pont du détroit d'Akashi à Kobé au Japon franchit la mer intérieure de Seto ; il détient le record mondial de la portée avec 1.991 mètres. Sa construction entre 1988 et 1998 a vécu le tremblement de terre de 1995 qui a éloigné les deux piles du pont de 1 mètre supplémentaire. Les deux cables porteurs affichent un diamère de 1,12 mètre, ils sont composés de 290 torons qui contiennent chacun 125 brins. Un acier spécial a été développé pour atteindre une résistance minimale de 180 kilogrammes-force/mm². Chaque cable est censé afficher une résistance de 178.000 tonnes-force, ce qui a permis de n'utiliser économiquement qu'un seul cable de chaque côté :


Japon Kobe pont Akashi 1988-1998 portée = 1991m - vue aérienne générale

Japon Kobe pont Akashi 1988-1998 portée = 1991m - vue générale depuis le niveau de l'eau

Japon Kobe pont Akashi 1988-1998 portée = 1991m - vue du chantier de pose des éléments du tablier appportés par une barge : la forme du cable porteur montre la géométrie des efforts funiculaires

Japon Kobe pont Akashi 1988-1998 portée = 1991m - vue générale des 6 voies de circulation depuis le sommet d'une des piles à 299 mètres de hauteur

Japon Kobe pont Akashi 1988-1998 portée = 1991m - le tablier laisse un tirant d'air de 65 mètres, son caisson triangulé est prévu pour résister à des vents de 290 km/h


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complété et mis à jour le 10 juin 2023
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