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Les systèmes de transport par câble : un moyen de transport automatique aux multiples avantages

Wed, 26 Jan 2011 00:00:00 +0000

Transport par câble à Gdańsk (ou Dantzig) en 1644

Les téléphériques sont aujourd’hui utilisés presque exclusivement pour transporter les skieurs et les snowboardeurs en haut des pistes. Pourtant, avant les années 1940, les marchandises étaient souvent acheminées à l’aide de câbles dans les régions montagneuses, mais aussi sur des terrains plats, grâce à de grandes structures construites au Moyen-Âge.

Les téléphériques fonctionnent principalement voire entièrement grâce à la gravité. De plus, ils génèrent de l’excédent d’énergie souvent transformé en électricité pour faire fonctionner des grues ou des machines dans des usines à proximité. Ces dernières années, des systèmes innovants ont été fabriqués.

Pour la suite de cet article, il est important de savoir que les téléphériques (ou le transport par câble en général) sont divisés en deux groupes : les monocâbles et les bicâbles. Un seul câble sert à la fois à supporter et à déplacer les nacelles pour les monocâbles. Pour les systèmes bicâbles (voire tricâbles), chaque câble a une fonction. En effet, un ou deux câbles, appelés les « câbles porteurs », sont immobiles pour supporter les nacelles et un ou deux câbles, les « câbles tracteurs », servent à les déplacer.

Les transports par câble primitifs et du Moyen-Âge pouvaient être des deux sortes. Les téléphériques plus modernes (à partir des années 1850) étaient, au départ, exclusivement monocâbles. Plus tard, les systèmes bicâbles ont majoritairement remplacé leur alternative. À la fin du XIXe siècle, ces deux systèmes ont été appliqués au transport fluvial (lire l’article sur les toueurs) et les monocâbles aux funiculaires. Les bicâbles sont plus adaptés aux distances plus longues ou aux paysages plus abrupts.

Si un seul câble est utilisé pour supporter une cabine sur une longue distance ou une pente très raide, il est indispensable de le renforcer sur toute cette partie à cause des déformations qui peuvent apparaître à cet endroit. La taille du câble influe sur celle du pylône, des poulies et des autres éléments de la ligne du téléphérique, rajoutant ainsi des coûts supplémentaires. Dans un système de bicâble, le câble porteur fixe peut être adapté à certains endroits pour mieux supporter la charge.

Les ancêtres des téléphériques actuels

Le transport par câble est utilisé pour transporter des passagers et des marchandises depuis plus de 2 000 ans. Les premiers signes de son utilisation ont été remarqués dans les paysages escarpés de la Chine, de l’Inde et du Japon. Il est estimé que les prototypes datent de 250 avant J.-C. Des cordes étaient employées pour traverser des ravins, des fleuves et des gorges. Au départ, les passagers étaient retenus par un simple harnais et ils devaient avancer à la main. Le harnais allégeait la charge et facilitait leurs mouvements en glissant sur la corde.

Une sorte de panier ou de nacelle a ensuite été ajoutée pour se déplacer avec quelques objets. Cette amélioration est possible grâce à des cordes plus fines fixées à l’avant et à l’arrière de la nacelle ou à la gravité dans le cas où le point d’arrivée était plus bas que celui départ. La nacelle vide était ensuite remontée jusqu’au point de départ à l’aide d’une corde plus petite que les autres fixée aussi à l’arrière.

La corde était parfois passée dans un morceau de bambou creux avant d’être attachée pour que le passager traverse sans se brûler les mains. Pour construire un de ces téléphériques d’époque, il fallait juste une corde (nouée autour d’un arbre, d’un rocher, ou fixée des deux côtés) et un arc et des flèches pour la faire passer au-dessus de l’obstacle à franchir. Après l’invention chinoise de l’arbalète, il était possible de tirer des câbles plus lourds sur une distance plus grande. Parfois, la corde était fixée à de simples tréteaux en bois.

Ces systèmes transportaient parfois des bêtes de somme. Réciproquement, des bêtes de somme pouvaient tracter les câbles. Ces anciens systèmes de transport par câble sont les prémisses d’inventions plus modernes, comme les ponts suspendus et les ascenseurs. À l’époque, ils étaient ce qui s’approchait le plus du transport aérien.

Le transport par câble au Moyen-Âge

Une des premières traces écrites du transport par câble au Moyen-Âge se trouve dans le Taiheiki, une épopée historique sur l’histoire du Japon datée au XIVe siècle. La fuite d’un empereur japonais encerclé par les troupes ennemies y est racontée. Il se serait échappé grâce à une corde qui traversait la vallée. En Europe, la première mention de transport par câble se trouve dans Bellifortis, un manuel dédié aux armes et à la technologie militaire datant de 1405. On trouve aussi la première illustration d’un système de transport par câble dans un livre de 1411.

Les références à des systèmes monocâbles et bicâbles ont augmenté entre 1411 et 1440, quand les technologies de l’époque telles que les moteurs hydrauliques, les moulins à vent ou les grues portuaires sont devenues de plus en plus populaires. On retrouve également des traces de transport par câble d’or à partir de 1536 en Amérique du Sud.

On constate une amélioration des systèmes au XVIIe siècle. Dans la Machinae Novae publiée en 1615 et en 1617, Venetian Fausto Veranzio illustre un système bicâble assez complexe transportant des passagers. Une caisse en bois transporte les passagers à l’aide de poulies sur des câbles porteurs (voir la deuxième image au début de l’article). Les passagers peuvent ainsi traverser le fleuve en tirant sur le mou du câble. Le Néerlandais Wybe Adam a construit en 1644 un grand système de transport par câble décrit dans les Danzig Chronicles (voir l’image de l’introduction de l’article et celle ci-dessous).

Adam a inventé un système de câbles qui fonctionnait en continu pour transporter du matériel de terrassement dans des nacelles jusqu’à la forteresse située au sommet d’une colline à Dantzig. Des systèmes de transport par câble ont aussi été installés dans des monastères sur des pinacles pour transporter des ressources et des visiteurs.

Les téléphériques à partir des années 1850

Les systèmes de transport par câble n’ont pas évolué entre 1650 et 1850. À l’époque, les avancées étaient limitées par la résistance des cordes employées. La fabrication de câbles plus résistants au milieu du XIXe siècle a amorcé la période la plus fructueuse de l’histoire des téléphériques. L’invention du raccord standard au début des années 1870 par l’Autrichien Von Obach a également entraîné une avancée majeure. Les nacelles ont ainsi pu être séparées et rattachées aux câbles. De plus, de nouvelles sources d’énergie ont fait leur apparition à cette époque : d’abord la machine à vapeur, puis les moteurs électriques.

Énergie cinétique

Jusqu’à la fin du XIXe siècle, les systèmes de transport par câble fonctionnaient manuellement, parfois en utilisant un treuil ou une grue. Il était également possible de les tracter grâce à des bêtes de somme — principalement des chevaux ou des mules — à des roues à aubes ou dans certains cas à la gravité.

Cette dernière n’est possible que dans les régions montagneuses. Les nacelles qui descendent peuvent générer une partie ou la totalité de l’énergie nécessaire pour remonter les autres. Si les nacelles qui descendent sont plus lourdes que la charge montante et que l’inclinaison de la pente est suffisante, le téléphérique peut fonctionner sans énergie supplémentaire. C’est ainsi un moyen de transport qui peut être autosuffisant et propre. La vitesse des nacelles en descente était contrôlée à la main ou parfois grâce à un système de freinage hydraulique.

Même dans les cas où la charge montante était élevée, la gravité pouvait suffire à la hisser jusqu’en haut : il était possible d’utiliser les nacelles descendantes comme contrepoids en les remplissant d’eau, par exemple, si le téléphérique était construit près d’un point d’eau. Cette méthode rappelle celle utilisée pour faire fonctionner des funiculaires au début des années 1900.

Un moyen de transport qui produit de l’énergie

Si la charge descendante produisait plus d’énergie qu’il n’en fallait pour monter la charge ascendante, les téléphériques fonctionnant à l’aide de la gravité pouvaient générer une grande quantité d’énergie. L’énergie, récupérable sur l’ensemble du câble, pouvait être utilisée pour faire fonctionner des machines à proximité comme des broyeurs de minerai, des pompes ou des scieries.

Un téléphérique offrait donc la possibilité de faire fonctionner des usines en utilisant uniquement la gravité. Cet excédent d’énergie était distribué mécaniquement par des câbles métalliques avant l’arrivée de l’électricité. Les téléphériques contemporains utilisent cet excédent d’énergie pour créer de l’électricité (voir plus bas).

Une invention très performante

L’électricité n’a pas rendu le téléphérique moins durable, loin de là : ceux qui fonctionnent à l’électricité figurent parmi les moyens de transport les plus efficaces.

En effet, ils tirent tous les avantages de l’électricité (efficacité énergétique, assez silencieux, peut fonctionner grâce à des énergies renouvelables) sans les nombreux défauts des batteries et des stations de recharge (contrairement aux voitures électriques, par exemple). Dans les régions montagneuses, les moteurs électriques peuvent bénéficier de l’énergie générée par les cabines descendantes pour améliorer leur efficacité.

De plus, les téléphériques présentent de nombreux avantages énergétiques comparés aux autres modes de transports écologiques, tels que les trains de marchandises, les tramways, ou les trolleybus. Tout d’abord, l’énergie circule mieux avec un système de propulsion électrique dans un seul terminal plutôt que par câble sur une longue distance. Ensuite, la vitesse des nacelles peut être constante puisqu’il n’y a pas de bouchons dans les airs. L’efficacité énergétique des téléphériques est donc bien meilleure que tous les moyens de transport routier.

Les téléphériques et le transport de marchandises

Peu de téléphériques servaient au transport de passagers au début du XXe siècle. Ils étaient principalement employés pour transporter des marchandises. Leur utilisation était diverse et répandue dans le monde.

Il n’existe pas de source mentionnant tous les téléphériques qui ont été construits, mais le peu de données à notre disposition donne une estimation du nombre. Une source datant de 1899 mentionne 900 téléphériques d’un même type qui fonctionnaient dans le monde. Un catalogue datant de 1909 (bien avant l’âge d’or de ce mode de transport) parle de 2 000 téléphériques de la marque Bleichert dans le monde qui couvraient plus de 2 000 km et transportaient plus de 160 millions de tonnes par an. De toute évidence, les téléphériques n’étaient pas inconnus du grand public.

Une innovation au service de la guerre

Les Européens, et tout particulièrement l’Allemagne et les pays alpins (l’Autriche, la Suisse, la France et l’Italie), étaient les pionniers de l’ère des téléphériques modernes. Des transports par câble ont été utilisés pendant des guerres dans les Alpes entre le début des années 1900 et 1945. Les Italiens les ont également utilisés lors de la guerre contre la Turquie en 1908. Ils étaient aussi largement employés pendant les batailles entre les Italiens et les Autrichiens lors de la Première et de la Seconde Guerre mondiale. Les Italiens en avaient près de 2 000 et les Autrichiens plus de 400. La plupart étaient mobiles.

Ils pouvaient être démontés rapidement et transportés par des bêtes de somme pour être remontés ailleurs. Ils étaient utilisés sur les terrains difficiles pour approvisionner les champs de bataille et transporter des troupes, des provisions, des obusiers, des munitions et du matériel de fortification. Ils constituaient aussi une solution temporaire face à des ponts détruits ou pour traverser un cours d’eau. Ils servaient également à transporter les blessés vers les hôpitaux dans des civières, une alternative aux chevaux spécialement équipés dans ce but.

Les téléphériques au service des mines

Les systèmes de transport par câble ont aussi souvent été utilisés pour les mines. Les premiers installés aux États-Unis servaient à acheminer du matériel lorsque les exploitations minières étaient en plein essor dans l’ouest du pays. On trouve de nombreuses mentions de téléphériques qui transportaient des minerais comme de l’or, de l’argent, du fer, et du cuivre, ainsi que du charbon, de la pierre, de l’ardoise, de l’argile, du sable, du granite, de la quarte, de la chaux, de la phosphorite et du grès. À la sortie de la mine, les ressources étaient ensuite broyées puis transportées en train, en bateau ou, pour le charbon, par machine à vapeur. Des terminaux pouvaient être mis en place sur une petite partie de la ligne de chemin de fer, et ils pouvaient être ensuite déplacés vers le prochain terminal au fur et à mesure que les matériaux en étaient retirés.

Les téléphériques au service de l’agriculture

Les téléphériques transportaient aussi des aliments comme des fruits (des bananes), des céréales (du blé) et d’autres produits comme du coton, du thé ou de la canne à sucre. Ils étaient généralement transportés depuis les champs vers des moulins ou des gares. Des téléphériques ont été utilisés pour transporter de la canne à sucre jusqu’aux moulins à canne à sucre dans des plantations à Demerara, en Jamaïque, sur l’île Maurice, celle de Saint-Christophe-et-Niévès, au Guatemala, en Australie entre autres.

L’image ci-dessous montre le dispositif installé principalement sur l’île Maurice. Il comprenait plusieurs téléphériques aux câbles métalliques qui étaient déchargés au même endroit. Il était très avantageux puisqu’il créait un flux constant de cannes à sucre en quantité suffisante pour faire fonctionner le moulin, rappelant aujourd’hui la méthode de production dite « juste-à-temps ». Une seule personne s’occupait de décharger les nacelles.

Souvent, les cannes à sucre étaient transportées par un camion qui les déplaçait jusqu’à la ligne de téléphérique. Les téléphériques étaient aussi utilisés pour transporter la betterave vers les sucreries. Par exemple, aux Pays-Bas, ce mode de transport était employé sur des terrains plats.

Le transport du bois

De nombreuses innovations technologiques ont été employées pour le transport du bois et les produits issus du bois comme le bois de campêche, bois cordé, bois de sciage, charbon de bois, pâte de bois, pâte à papier et papier. Ces matériaux étaient souvent transportés depuis la forêt jusqu’à une scierie ou depuis la scierie jusqu’à une gare. Les téléphériques étaient utilisés pour apporter des briques et du matériel. Ils pouvaient apporter du ciment depuis les fourneaux jusqu’aux constructions, et les nacelles vides pouvaient rapporter du charbon.

Les téléphériques au service des usines

Les téléphériques étaient aussi employés au sein d’usines. Ils servaient à accomplir de nombreuses tâches, comme transporter des matériaux de fabrication, des déchets, des produits en cours de fabrication, diverses marchandises, et surtout des produits à manipuler avec précaution comme des explosifs, des liquides ou de la verrerie. Ces lignes de téléphérique étaient souvent petites et fixées tout le long des murs des bâtiments à proximité pour baisser les coûts de fabrication.

On les retrouvait dans des usines d’imprimerie, des fabriques de linoléum, et des moulins, entre autres. On peut citer comme exemple une usine d’engrais synthétique située près de Londres. Sa ligne de téléphérique passait au-dessus des bâtiments, des logements et des ouvriers au travail. Il y avait aussi une fabrique de linoléum près de Middlesex dont la ligne passait au-dessus d’une rivière et des toits des ateliers. Elle fonctionnait grâce à la force de l’eau.

Les téléphériques étaient utilisés pour relier les lignes de trains de chaque côté des rivières lorsque la construction d’un pont était trop coûteuse ou difficile. Une des lignes de téléphérique était conçue pour transporter les wagons et leurs charges pour ensuite les remettre sur les rails de l’autre côté, et vice versa. À la fin du XIXe siècle, des lignes de téléphérique miniatures étaient utilisées dans des boutiques pour transporter de l’argent liquide.

Les téléphériques et les ports de commerce

Les téléphériques étaient également employés dans certaines usines pour transporter des matériaux depuis les bateaux ou les voitures vers leur espace de stockage. Ils étaient aussi utilisés pour charger et décharger les bateaux ou pour souter du combustible (ou du charbon pour les bateaux à vapeur).

Ils étaient très pratiques pour charger et décharger les cargaisons lorsque la profondeur de l’eau empêchait les navires et les allèges de s’approcher du quai.

Un de ces téléphériques de quai, situé au Cap-Vert, mesurait 365 m de long, dont 300 m au-dessus de la plage et environ 70 m perpendiculaire à la partie la plus longue du quai, où le charbon arrivait et était ensuite distribué. Il pouvait transporter entre 15 et 25 tonnes de matériaux par heure vers le quai et vers les bateaux. Le mouvement des câbles était aussi mis à profit, puisqu’il faisait fonctionner des grues de chaque côté pour soulever ou faire descendre du charbon. Tout ce système fonctionnait grâce à une machine à vapeur de 16 ch. La mise en place de ce système a pris à peine trois mois. Des structures similaires ont été construites en Nouvelle-Zélande et en Afrique du Sud.

Il y a même eu quelques cas de téléphériques utilisés pour transporter du charbon d’un bateau à l’autre en pleine mer (voir l’image ci-dessous).

Les nacelles

À chaque matériel sa nacelle ! Ci-dessous se trouvent quelques exemples de nacelles destinées au transport de minéraux, d’aliments, d’engrais, de coke, de sacs de farine, de textiles (emballés pour les protéger du mauvais temps), du ciment, du pétrole, du vin et de la bière. Certaines nacelles étaient déchargées en débloquant un cran de sûreté. Le bas de la nacelle s’ouvrait alors, ou dans certains cas, la nacelle tout entière se renversait pour déverser son contenu. La plupart du temps, les nacelles étaient chargées à la main.

Longueur, vitesse et capacité de charge des téléphériques

La longueur, la vitesse et la capacité de charge des téléphériques ont peu à peu évolué tout au long du siècle. En 1911, les téléphériques transportaient en moyenne 15 à 20 tonnes de marchandise sur une distance de 305 à 4 600 mètres. Leur vitesse variait entre 3,2 et 8 km/h. Certaines installations fonctionnant à l’aide de la gravité étaient plus rapides et atteignaient 24 à 48 km/h. On considérait cependant qu’une vitesse plus élevée contribuait à l’usure de la machine. Le poids des charges allait de 25 à 375 kilogrammes.

Quand elle était utilisée, la force motrice était généralement comprise entre 2 et 15 ch. Le dénivelé, quant à lui, était compris entre zéro (ligne à l’horizontale) et 1 200 mètres. Une équipe comptait 2 à 5 ouvriers. Pour augmenter la capacité de chargement des lignes, certaines étaient construites en parallèle (un câble était limité à 800 tonnes par jour). Pourtant, certains câbles plus anciens étaient plus longs et puissants. Le transport par câble d’Usumbara, en Afrique, mesurait 9 kilomètres de long et servait à transporter des troncs d’arbres de plus d’une tonne (voir photo ci-dessus). À son point culminant, le téléphérique se trouvait à 130 mètres du sol.

Transport par câble argentin (1906-1927), photographié par [Patricio Lorente](http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Cable_line_of_the_Mexican_Mine_in_Chilecito,_Argentina.jpg).

Le transport par câble de Garrucha, installé dans les mines de fer d’Almería (Espagne), atteignait les 15 km de long. Il n’a fallu que 6 mois pour achever sa construction. Grâce à un moteur de 100 ch, il pouvait transporter 420 tonnes de minerai pendant 10 heures par jour. Des transports par câble similaires furent construits dans les mines du Pays basque, au nord-est de l’Espagne (voir les deux photos ci-dessous).

Le transport par câble de Transylvanie transportait du charbon et du minerai dans les hauts fourneaux en Hongrie. Il mesurait presque 30 km de long pour un dénivelé de quasiment 915 mètres. Il pouvait transporter 800 tonnes de marchandise par jour. Un transport par câble en Argentine (photo ci-dessus), en service de 1906 à 1927, mesurait 35 km de long.

Des téléphériques encore plus imposants ont vu le jour dans les années 1920. Le plus long d’Europe était celui construit à Grenade en Espagne en 1925. Il transportait des marchandises sur 39 kilomètres entre la ville et le port de Mortil. L’infrastructure comprenait 240 pylônes et 7 gares. Chacune des 300 nacelles transportait 700 kg et se déplaçait de 3 mètres par seconde.

Grâce à la construction du téléphérique, l’affluence du port de Motril a rapidement augmenté. En 1929, 200 nacelles de plus furent ajoutées. Contrairement à beaucoup d’autres, le téléphérique de Grenade était un service public : tout le monde pouvait l’utiliser. Le téléphérique a fermé ses portes en 1950 suite à la disparition de l’industrie et de l’agriculture locale.

Le plus grand téléphérique au monde dans les années 1920 était utilisé pour le transport du café entre les villes de Manizales et Mariquita en Colombie. Plus de 800 nacelles ont voyagé sur cette ligne de 72 kilomètres supportée par plus de 400 pylônes. Le téléphérique, mis en service en 1923, a fonctionné jusqu’en 1961.

Les plus grandes lignes de téléphérique ont été construites dans les années 1930 et 1940. Elles pouvaient mesurer jusqu’à 96 kilomètres.

Les plus grandes lignes de téléphérique ont été construites dans les années 1930 et 1940. Au moment de sa construction, le téléphérique calcaire reliant Forsby à Köping en Suède était le plus grand d’Europe : 42 km. Il est resté en service entre 1939 et 1997. Ce record a été battu par les 96 km du téléphérique de Norsöj, toujours en Suède. Il était doté de 514 pylônes et de 25 gares de contrepoids.

Cette télécabine, en service de 1943 à 1987, a été construite en seulement 370 jours. À ce jour, elle reste la plus longue télécabine jamais construite. Le [téléphérique de Massoua à Asmara en Érythrée] (http://www.trainweb.org/italeritrea/teleferica1.htm), construit par les Italiens, mesurait 75 km de long et était en usage de 1937 à 1941. En 1959, un téléphérique de 76 km de long supporté par 858 pylônes fut mis en service au Congo. Il a fonctionné en continu jusqu’en 1986.

Infrastructure du téléphérique

Les pylônes des téléphériques pouvaient être en bois ou en fer. Ils étaient généralement espacés de 30 à 90 mètres, mais cet intervalle pouvait être agrandi si nécessaire. Dans les téléphériques bicâbles, la tension du câble porteur était réalisée par des contrepoids placés dans une des deux gares terminus. Les lignes plus longues nécessitaient cependant des contrepoids supplémentaires placés sur des points intermédiaires,

c’est pourquoi des gares de contrepoids étaient construites à des intervalles de 900 mètres à 1,8 kilomètre. Les cabines passaient d’une section du câble à l’autre grâce à des rails intermédiaires, fonctionnant ainsi sans interruption. En outre, les téléphériques pouvaient être d’une longueur illimitée puisqu’ils étaient constitués de sections considérées comme séparables.

Cette technique était aussi utilisée dans les « gares d’angles » pour former un virage. Les gares de contrepoids et d’angles pouvaient être réunies, comme dans l’illustration ci-dessus. Les téléphériques ne peuvent être construits qu’en ligne droite. C’est aujourd’hui encore leur plus gros inconvénient. Chaque virage sur une ligne de téléphérique nécessite la construction d’une gare d’angle. Cette opération est coûteuse. Heureusement, les téléphériques peuvent être construits au-dessus de nombreux obstacles et ainsi se passer de gare d’angle.

De plus, chaque gare de contrepoids ou d’angle peut servir comme station de chargement ou de déchargement. Si des lignes de téléphérique se rejoignaient en un même point, les marchandises pouvaient être redirigées grâce à un aiguillage. La photo ci-dessus montre la gare de triage d’un téléphérique située dans une centrale à charbon allemande (comme décrite dans un livre de 1914) où trois lignes se rejoignent.

Pour éviter les accidents (dû, par exemple, au déchargement prématuré d’une nacelle) au-dessus d’une route ou d’un chemin de fer, des filets métalliques étaient installés entre les pylônes ou sur des structures construites dans ce but. On peut voir sur la droite, suite à la demande du conseil régional, la construction d’un filet de protection sous les lignes du téléphérique pour protéger la route.

Installer un téléphérique

Installer un téléphérique dans un milieu montagneux n’était pas chose aisée. La majeure partie du câble était souvent transportée à l’aide de bobines de plusieurs milliers de mètres. Cependant, les wagons pouvaient rarement desservir les parties de la ligne les plus hautes, le câble et le reste du mécanisme devaient donc être emballés puis chargés sur des mules.

Chaque animal transportait environ 115 kg, en comptant le câble lâche de 4 à 6 mètres de long reliant une charge à la suivante. Cette partie était souvent tenue par une personne pour qu’il ne traîne pas par terre.

Des accidents pouvaient arriver : un téléphérique long de 3,20 km au Mexique servant à livrer du bois à un moulin fit une chute de 1,10 mètre. Le constructeur précise :

« Le transport du câble fut entravé par la grande difficulté du terrain. Nous l’avons traversé en divisant la corde en 10 longueurs, elles-mêmes réparties en sept bobines d’environ 3 mètres. Les bobines étaient transportées à dos de mule. Le convoi était composé de 70 mules et 30 hommes (soit 3 hommes pour 7 mules).

Lors du transport du câble vers la gare supérieure, un incident a considérablement retardé l’installation — cela montre bien les difficultés d’une telle opération. La traversée comprenait une côte immédiatement suivie d’une descente abrupte. La première mule s’est ruée sur la côte jusqu’à ce que la corde la retienne. Elle a alors été projetée sur le flanc,emportant deux autres mules dans sa chute. Si la dernière n’avait pas été retenue par un arbre, le reste du convoi aurait suivi. »

Les nombreux avantages des téléphériques

Pourquoi les téléphériques ont-ils eu tant de succès au début du XXe siècle ? Premièrement, les téléphériques étaient bien plus économiques que leurs alternatives, que ce soit le transport par chevaux, par chariot ou par chemin de fer. Le fonctionnement du téléphérique était très rentable et nécessitait très peu d’apports de capitaux.

Dans une région vallonnée, le téléphérique évitait les frais de construction de tunnels, tranchées et remblais nécessaires pour une ligne de chemin fer. De plus, il pouvait être construit et utilisé à un coût à peine plus élevé que pour une région vallonnée. Les rivières et les ravins pouvaient être traversés sans ponts. Les endroits trop pentus et inaccessibles en locomotive étaient aisément accessibles en téléphérique.

Pour arriver au même point de décharge qu’un téléphérique de 1 630 mètres de long avec un dénivelé de 640 mètres, des calculs ont montré qu’il faudrait 24 km de voie ferrée. Le fonctionnement d’un téléphérique pouvait être quasiment en continu et revenait deux fois moins cher que le transport par mulets, chevaux ou bœufs.

Les lignes pouvaient être déplacées sans trop d’encombres. Un dispositif de 1,5 km de long dans une production de betteraves en Hollande pouvait transporter jusqu’à 50 tonnes quotidiennement. Il pouvait être déplacé en une journée par un groupe de 20 hommes si la distance pour transporter les matériaux n’excédait pas 8 kilomètres.

Même lorsque les conditions météorologiques bloquaient les transports au sol (pendant les inondations ou les tempêtes de neige, surtout en régions montagneuses), les téléphériques continuaient à fonctionner. Ils étaient aussi opérationnels toute la nuit. Le matériel s’usait très peu avec le temps. Les téléphériques n’occupaient que peu d’espace ; les parcelles de terre situées entre les différents pylônes pouvaient facilement être exploitées.

Pour éviter les frais de manutention, les gares terminus étaient placées pour que la marchandise transportée soit livrée à l’endroit voulu. En revanche, les téléphériques étaient plus fragiles face aux vents forts et aux tempêtes que leurs alternatives.

Les téléphériques de nouveau d’actualité !

Les avantages du transport par câbles sont si nombreux qu’il n’est pas étonnant qu’on s’y intéresse de nouveau. Entre les problèmes liés au réchauffement climatique, au pic pétrolier et à la dégradation de l’environnement, cette technologie semble est d’autant plus attrayante.

Sans compter les économies d’énergie, les téléphériques, à l’inverse des voies ferrées et des routes, peuvent être construits en pleine nature sans pour autant nuire à la faune et la flore. Ils peuvent même être installés en toute sécurité en pleine ville. Le trafic routier fait aussi gagner des points au téléphérique : les embouteillages n’existent pas en transport par câble.

L’association Practical Action conçoit depuis quelques années des téléphériques pertinents pour le transport de marchandises en Amérique latine. Dans leur cas, les téléphériques servent à remplacer les convois de bétail, comme pour Europe il y a un siècle de cela.

En 2007, une autre ONG a construit un téléphérique fonctionnant à l’aide de gravité pour approvisionner 2 000 familles indiennes. Il n’a coûté que 11 500 euros et transporte des produits agricoles jusqu’aux familles tout en récupérant du fumier pour fertiliser les champs. (Concept malin et pratique) !

Plusieurs entreprises reproposent des modèles de téléphérique industriel. Parmi elles, on retrouve Femecol, une entreprise colombienne qui propose des solutions à petite échelle. Les grandes entreprises s’y mettent aussi : Poma, l’une plus grandes firmes françaises spécialisées dans les télésièges, les télécabines, les funiculaires et les navettes automatiques, a construit des modèles de téléphériques industriels en France, au Brésil, en Iran et au Pérou. Dans ce cas de figure ainsi que dans ceux qui vont suivre, les téléphériques remplacent principalement le transport de marchandises en camion.

Le premier téléphérique moderne signé Poma a été créé en 1990 à Grenoble. Il opère dans usine de ciment et traverse une rivière et une autoroute (voir la photo ci-dessus). Sa ligne mesure 1,8 kilomètre, atteint les 121 mètres et peut transporter 324 tonnes de marchandises par heure. Bien que la ligne soit plutôt courte, sa capacité est bien meilleure que celle des anciens dispositifs. Chacune des 56 nacelles peut transporter 900 kg et se déplace jusqu’à 18 km/h.

Récemment,un modèle similaire a été construit à La Oroya au Pérou, pour l’entreprise Doe Run, spécialisée dans le plomb, le zinc et le cuivre. La longueur de la ligne est similaire à celle construite en France, mais elle atteint 1,65 km de hauteur (voir la photo ci-dessous). Ce modèle est beaucoup plus lent (5,4 km/h) et a une capacité de charge de 70 tonnes par heure, similaire à celle des plus grands systèmes construits au début du XXe siècle.

Le téléphérique (qui a remplacé un système bien plus ancien et moins efficace) semble être la seule solution durable adoptée par Doe Run, car l’entreprise est décriée par les écologistes locaux.

Un système de transport innovant : RopeCon

Le grand concurrent de Poma, le groupe suisse autrichien Dopplemayr Garaventa, prend la construction de téléphérique très au sérieux. Sur son site internet, il propose des téléphériques de matériel pouvant mesurer jusqu’à 10 km de long et transporter plus de 1 500 tonnes par heure grâce à des nacelles d’une capacité de 40 tonnes. Une ligne temporaire de 2 kilomètres de long est en fabrication pour aider à la construction d’une centrale hydroélectrique de pompage-turbinage en Suisse. L’entreprise a aussi créé une innovation révolutionnant le téléphérique : RopeCon.

Mining Weekly la décrit comme : « un système de transport pour matériaux en vrac et charges unitaires qui combine la technologie des téléphériques à celle d’une courroie transporteuse classique ».

En Jamaïque, RopeCon évite 1 200 trajets en camion par jour tout en produisant 1 300 kWh d’énergie cinétique. Cette dernière est ensuite réinjectée dans le réseau électrique.

Ce système présente quelques avantages intéressants par rapport au téléphérique classique : il peut transporter des charges plus lourdes, résiste mieux au vent et fonctionne avec moins de pylônes (les lignes s’intègrent encore mieux à tous les reliefs). Le convoyeur aérien est composé d’une courroie aux parois ondulées et de roues fonctionnant sur des câbles porteurs fixes guidés par les pylônes. Les sections individuelles peuvent mesurer jusqu’à 20 kilomètres de long et transporter un maximum de 10 000 tonnes par heure. À ce jour, 6 lignes RopeCon ont été construites.

La ligne la plus spectaculaire a résisté à des rafales de vent allant jusqu’à 249 km/h. Elle a été construite en 2007 sur le Mont Oliphant (Jamaïque) pour la mine de bauxite de l’entreprise Jamalco/Alcoa (voir photo ci-dessus). Elle mesure 3,4 km et descend à la verticale sur 470 mètres. L’installation transporte quelque 1 200 tonnes de bauxite de la mine à l’usine de traitement. RopeCon évite 1 200 trajets en camion par jour tout en produisant 1 300 kWh d’énergie cinétique. Cette dernière est ensuite réinjectée dans le réseau électrique. Ce réseau de transport devient ainsi une centrale d’énergie renouvelable.

Le RopeCon construit pour l’entreprise de fibres textiles Lenzing est un autre exemple remarquable. Il est utilisé pour transporter des copeaux de bois de la zone de stockage à l’usine de fabrication. Ce transport automatique de 665 mètres de long traverse des usines, convoyeurs préexistants, routes, et même une rivière avec un minimum de pylônes (voir photo ci-dessus et ci-dessous).

Le système transporte 350 tonnes par heure. Même si le terrain plat l’empêche de produire de l’énergie, la puissance du moteur est seulement de 53 kW (comparable à celle d’une petite voiture). Cette ligne a été spécialement conçue pour résister à des vents d’une vitesse de 130 km/h.

Depuis mai 2008, un système construit sur l’île de Simberi en Papouasie Nouvelle-Guinée transporte de l’or sur 2,7 km uniquement à l’aide de 3 pylônes (voir photo ci-dessous). Le minerai, extrait dans une mine située à l’intérieur du pays, traverse une forêt tropicale humide et un terrain crevassé avant d’atteindre la fonderie du port. Le dénivelé est de 237 mètres. Le système transporte 450 tonnes par heure et génère 221 kWh d’énergie cinétique par jour. Cette dernière est ensuite utilisée pour l’affinage de l’or.

Un dispositif RopeCon temporaire a été construit en Autriche pendant la construction d’un tunnel. Il servait à transporter le matériel pour l’excavation de la roche. Il transportait 600 tonnes par heure, pourtant la puissance du moteur n’était que de 30 kW. La ligne mesurait 270 mètres de long, avec un dénivelé de 23 mètres. Elle a remplacé 115 000 voyages en camion.

L’avenir du téléphérique

Pour réduire le trafic routier de marchandise (qu’importe le type de cargaison), des lignes similaires pourraient être construites dans le monde entier : un tramway cargo pourrait relier une gare ou un parking en dehors de la ville à un centre commercial, ou être construit le long de l’autoroute entre deux villes.

On pourrait transporter des produits tout juste cueillis dans les champs ou fabriqués dans une usine directement dans les zones commerciales ou dans un bateau amarré, sans qu’ils ne touchent le sol. On éviterait ainsi les retards liés au trafic ou aux accidents routiers. En outre, on diminuerait les nuisances sonores et les vibrations. Ces dispositifs, très peu gourmands en énergie, pourraient totalement fonctionner grâce aux énergies renouvelables. En bref, le téléphérique dispose des mêmes avantages que le réseau de fret souterrain, mais est beaucoup moins coûteux à mettre en place.

Nous pourrions même construire un véritable réseau de transport par câble local, régional voire national ou international utilisant des gares de triage. Cette solution coûterait moins cher que n’importe quelle autre (notamment les camions-trolleys, tramways cargo, trains et télécabines).

Alors bien sûr, les téléphériques d’antan ne sont pas adaptés aux charges de fret actuelles. Par exemple, 400 camions de 30 tonnes font aujourd’hui des allers-retours quotidiens entre Grenade et le port de Motril en Espagne. Cela représente une charge de 12 000 tonnes ; or le téléphérique en service de 1925 à 1950 ne pouvait transporter que 210 tonnes par jour (pendant 10 heures).

Cependant, l’entreprise Dopplemayr propose désormais des transports par câble transportant jusqu’à 1 500 tonnes par heure. Il serait donc possible de remplacer tous ces camions. Les systèmes RopeCon ont une encore plus grande capacité. D’autre part, une baisse des demandes de transport de marchandises serait favorable à l’expansion de la technologie des téléphériques. Parallèlement,une baisse des demandes énergétiques serait favorable aux infrastructures du secteur de l’énergie durable.

Les téléphériques ne fonctionnent pas dans tous les environnements, ils sont particulièrement efficaces dans les régions montagneuses ou vallonnées. Tout d’abord, le dénivelé fait passer le téléphérique d’un consommateur à un producteur d’énergie, et les autres alternatives sont bien plus coûteuses et difficiles à construire dans des régions vallonnées.

Et pourtant, les téléphériques restent plus durables que leurs alternatives dans les régions plates. La seule alternative motorisée pouvant rivaliser avec le téléphérique en matière de capacité, d’efficacité et de coûts est la batellerie, et plus particulièrement les toueurs. La batellerie est particulièrement adaptée aux régions vallonnées et s’allie bien avec les transports par câbles. Et les camions dans tout ça ? Ils sont totalement has been.

Sources :

« About ropeways », The Information Center for Ropeway Studies
« Hercules Aerial Tram Mobility Study & Report » Étudie plus largement l’utilisation des téléphériques de transport de voyageurs, mais dispose d’informations intéressantes sur les transports par câble.
« The wire rope and its applications », William Edward Hipkins, 1986
« Ropeways », The Elevator Museum, site internet
« Aerial or rope-ways: their construction and management », 1911
« Transport by Aerial Ropeways », W. T.H. Carrington, The Engineering Times, 1899
« Die Drahtseilbahnen », Paul Stephan, 1914
« Chemins de fer funiculaires
transports aériens »,A.Lévy-Lambert, 1894
« Wire rope tramways with special reference to the Bleichert patent system », Edmund Gybbon Spilsbury, 1890
« Wire rope transportation in all its branches », Trenton Iron Co. 1896
« The Bleichert system of aerial tramways », William Hewitt, 1909
« Across the Chilkoot pass by wire cable », William Hewitt, 1898
« El cable Dúrcal-Motril (Granada) », Francisco Calvo Poyo, Universidad de Granada.
« The Hallidie endless wire ropeway », California Wire Works, 1902
« Un po’ di storia degli impianti a fune », Associazione Nazionale Italiana Tecnici Impianti Funiviari.
« El bandido que asaltaba el cable más largo del mundo », Palomo Aguirre
« The genius of China: 3,000 years of science, discovery and invention », Robert Temple
« Science and technology in China », Volume IV:3, Joseph Needham.

Vers l’infini et au-delà : Les grues et les engins de levage manuels

Thu, 25 Mar 2010 00:00:00 +0000

Pour ériger des monuments titanesques, les hommes ont dû se servir de leur force, de leur sens de l’organisation et redoubler d’inventivité pour fabriquer des mécanismes ingénieux depuis le début de la civilisation jusqu’à la révolution industrielle. Ils étaient en mesure de soulever de très lourdes charges que la plupart des grues de chantier modernes seraient incapables de manipuler.

La grue manuelle la plus puissante de l’histoire multipliait la force de l’homme par 632.

La grue à tour la plus utilisée dans la construction de nos jours peut soulever 12 à 20 tonnes. La puissance de ce type de grue aurait été absolument insuffisante pour ériger de nombreux monuments du passé.

On compte près de 140 pyramides découvertes, construites entre 2750 et 1500 av. J.-C. La plupart des pierres qui les composent pèsent « seulement » 2 à 3 tonnes chacune, mais elles contenaient aussi des pierres de 50 tonnes, et parfois même plus lourdes. Le temple d’Amon-Rê de Karnak abrite un labyrinthe de 134 colonnes de 23 mètres de haut, soutenant des architraves qui pèsent chacune 60 à 70 tonnes.

La colonne Trajane, située à Rome, a un fût composé de 18 blocs. Il pèse plus de 53 tonnes et il a été soulevé à 34 mètres de hauteur. Le temple romain de Jupiter à Baalbek a été construit avec des blocs de pierre pesant plus de 100 tonnes qui ont été soulevés à une hauteur de 19 mètres. Aujourd’hui, pour soulever des poids de 50 à 100 tonnes à ces hauteurs, il faudrait une grue comme celle-ci.

Parfois, nos ancêtres soulevaient des pierres plus lourdes encore. Le mausolée de Théodoric le Grand situé à Ravenne a été érigé autour de 520 apr. J.-C. Il comprend un bloc de pierre qui pèse près de 275 tonnes et qui a été soulevé à une hauteur de 10 mètres. Le temple du pharaon Khéphren en Égypte est constitué de blocs monolithes pesant jusqu’à 425 tonnes.

Le plus grand obélisque égyptien pèse plus de 500 tonnes et mesure plus de 30 mètres. Un autre obélisque en Éthiopie, situé dans l’ancien royaume d’Aksoum, date du IVe siècle apr. J.-C. Il atteignait une hauteur similaire pour un poids de 520 tonnes. Les colosses de Memnon, deux statues de 700 tonnes chacune, mesurent 18 mètres de hauteur. Les murs des temples romains de Baalbek datant du Ier siècle av. J.-C. ont été construits avec près de 30 monolithes pesant 300 à 750 tonnes chacun.

Seules les grues les plus puissantes d’aujourd’hui seraient capables de soulever des pierres de ce calibre (voir l’image ci-dessus. plus d’informations ici).

Soulever du matériel de construction à des hauteurs impressionnantes ne semblait pas poser problème non plus. Le phare d’Alexandrie daté au IIIe siècle av. J.-C mesurait plus de 76 mètres de haut. Certaines pyramides égyptiennes atteignent 147 mètres de hauteur. On peut compter près de 80 cathédrales et 500 églises du Moyen-Âge qui mesurent jusqu’à 160 mètres de haut. Une telle hauteur est tout simplement hors de portée de toutes les grues modernes, mis à part les modèles les plus récents de grues sur chenille (voir l’image ci-dessous) qui sont bien plus performants.

La puissance de levage humaine

Comment ces civilisations anciennes étaient-elles capables de soulever de telles charges sans l’aide de machines sophistiquées ? Les monuments qu’elles ont laissés derrière elles sont d’autant plus impressionnants lorsque l’on voit le type de grue moderne qu’il faudrait pour réaliser le même exploit. En réalité, ils disposaient bien de machines sophistiquées. Mais à la différence des grues modernes qui fonctionnent grâce aux énergies fossiles, ces machines étaient alimentées par la seule force du corps humain.

En réalité, il n’y a pas vraiment de limite de poids ou de hauteur que les humains peuvent soulever à la seule force de leurs muscles. La vitesse de levage est le seul avantage que les grues à énergie fossile présentent.

Bien sûr, cela ne veut pas dire que les hommes, qu’ils soient seuls ou à plusieurs, peuvent soulever n’importe quelle charge à n’importe quelle hauteur. C’est d’ailleurs pour cela que des machines pensées pour améliorer la puissance de levage humaine sont inventées depuis plus de 5 000 ans.

Les engins de levage étaient principalement utilisés pour les projets de construction. Plus tard, ils ont aussi été employés pour charger des marchandises, hisser les voiles de bateaux ainsi que dans des mines.

La vitesse de levage est le seul avantage que les grues à énergie fossile présentent.

La vitesse de levage des premiers mécanismes inventés était extrêmement lente et il fallait beaucoup d’hommes pour les manipuler. Tout a changé à la fin du XIXe siècle, juste avant l’avènement de la machine à vapeur. Les engins de levage sont devenus si élaborés qu’un homme pouvait soulever d’une seule main une charge de 15 tonnes en un rien de temps.

Un avantage mécanique

Tous les engins de levage ont un avantage mécanique (AM) qui se calcule en faisant le rapport entre la force résistance et la force motrice. Une force appliquée plus basse doit toujours être appliquée sur une distance supérieure à celle parcourue par la force motrice obtenue ; ainsi le ratio des distances est appelé rapport de vitesse (RV).

En théorie, AM = RV. Ainsi, sur une machine avec un AM de 2 pour 1, la force appliquée est la moitié de la force motrice obtenue, mais doit être exercée sur le double de la distance. En pratique, la friction réduit toujours l’avantage mécanique théorique d’une machine. (source).

Rampes et leviers

Certaines personnes pensent que les Égyptiens auraient inventé une machinerie de levage sophistiquée, mais la plupart des historiens s’accordent à dire qu’ils se servaient uniquement de plans inclinés, un moyen de levage très simple, à l’aide de rampes (voir les illustrations ci-dessous, sur la droite) et de leviers qui fonctionne selon le même principe que les balançoires à bascule (voir l’illustration à droite). Les obélisques étaient aussi probablement dressés grâce à des rampes.

Lorsqu’un objet est déplacé à l’aide d’une rampe, la distance à parcourir est plus grande, mais il faut moins de force que s’il était à la verticale. L’avantage mécanique d’un plan incliné est égal à la distance divisée par l’inclinaison de la pente. L’avantage mécanique d’un levier est la distance entre le point d’appui et le point où la force est appliquée, divisé par la distance entre le point d’appui et la charge à soulever.

Cette méthode utilisée par les Égyptiens offre un avantage mécanique indéniable. Elle est bien plus efficace que simplement tirer à la verticale un poids avec une corde. Cependant, elle demandait beaucoup de main-d’œuvre pour tirer et pour retourner les pierres (il fallait 50 personnes pour tirer un bloc de pierre de 2,5 tonnes) et pour monter et démonter les gigantesques rampes en terre qu’il fallait mettre en place.

Les historiens estiment qu’il fallait entre 20 000 à 50 000 hommes, parfois davantage, pour construire une pyramide. De nos jours, une structure similaire pourrait être construite à l’aide de grues modernes et d’une petite main-d’œuvre en seulement quelques années, alors que la plupart des pyramides ont été érigées sur plusieurs décennies.

L’avènement de la grue : la poulie

Les premières grues sont apparues en Grèce entre la fin du VIe et le début du Ve siècle av. J.-C. Les Romains, désireux de bâtir de larges monuments, ont adopté cette innovation et l’ont adaptée à leurs besoins. Les premières grues étaient très simples : elles comportaient une simple poulie attachée à une corde. Avant d’être employée pour soulever des charges, la poulie simple était déjà utilisée depuis le VIIIe ou le IXe siècle av. J.-C. pour fabriquer des chadoufs qui servaient à puiser de l’eau.

Une poulie simple n’ajoute pas d’avantage mécanique en soi, mais elle tire la corde vers le haut plutôt que vers le bas, ce qui facilite l’action. Pousser un objet vers le haut, à la verticale, avec une seule main, génère environ 150 newtons, alors que pousser vers le bas, à la verticale, toujours avec une seule main, génère environ 250 newtons. (source).

L’avantage mécanique des grues a augmenté petit à petit avec l’introduction de nouvelles innovations. La poulie composée, un assemblage de poulies simples, est une innovation majeure du IVe siècle av. J.-C. qui est toujours utilisée. L’avantage mécanique est égal à la quantité de poulies utilisées.

Le « trispastos », une grue à trois poulies, est constitué de deux poulies fixées à la grue et d’une poulie mobile suspendue. Le trispastos a un avantage mécanique de 3 sur 1. Le « pentaspostos », une grue à cinq poulies organisées de manière similaire, a un avantage mécanique de 5 sur 1.

Un homme seul peut soulever une charge qu’il ne serait pas en mesure de porter à l’aide d’une poulie composée. Si on considère qu’un seul homme tirant sur une corde peut exercer une force de 50 kg, il pourra soulever (ou abaisser) un poids de 150 kg en utilisant un trispastos et 250 kg en utilisant un pentaspostos. Il en va de même pour les cordes. Une corde avec une résistance à la traction de 50 kg peut soulever (ou abaisser) un poids de 150 kg avec un trispastos et de 250 kg avec un pentaspostos.

Un homme peut soulever cinq fois la charge qu’il serait en mesure de porter grâce à un pentaspostos ; cependant, la corde doit être tirée sur une distance cinq fois plus grande.

Encore une fois, la contrepartie de la poulie composée — soit la distance à parcourir — ralentit la vitesse de levage. Soulever un poids à 3 mètres de hauteur en utilisant un trispastos demande de tirer la corde sur 9 mètres, alors que soulever un poids à la même hauteur avec un pentaspastos demande de la tirer sur 15 mètres.

Images : John Spirko.

En théorie, un nombre illimité de poulies peut être utilisé, mais en réalité, la friction limite le nombre de poulies à cinq sur ces grues antiques. Si plus de puissance de levage était nécessaire, plutôt que d’augmenter le nombre de poulies par blocs, les Romains utilisaient deux ou plus palans de trois à cinq poulies, avec chaque groupe fonctionnant indépendamment des autres (un « polyspastos »). Bien sûr, chaque corde peut aussi être tirée par plusieurs hommes à la fois pour augmenter la puissance de levage. La puissance perdue à cause de la friction sur les grues romaines et médiévales est estimée à 20 % tout au plus. (source).

Les treuils et les cabestans

L’introduction des treuils et des cabestans marque une avancée majeure dans l’histoire des engins de levage : il n’y avait plus besoin de tirer sur une corde. Ils ont été inventés à peu près en même temps que la poulie composée. Ces deux dispositifs sont très similaires, à la différence que le treuil est employé sur un axe horizontal et que le cabestan est utilisé sur un axe vertical.

Les deux utilisent des anspects ou des leviers insérés dans un tambour pour gagner un avantage mécanique grâce à la rotation, calculé en fonction du rayon de l’anspect par rapport à celui du tambour ou de l’essieu. L’avantage mécanique du treuil est calculé en fonction du rayon de l’essieu par rapport à celui de l’anspect.

Ainsi, un essieu de 5 cm avec des anspects de 30 cm de long a un avantage mécanique de 6 sur 1. Un homme peut donc soulever 6 fois la charge qu’il pourrait supporter en tirant sur une corde s’il utilise un treuil. Cependant, pour enrouler 1 mètre de corde, les anspects doivent être poussés sur 6 mètres.

La roue de carrier a été utilisée jusqu’à la fin du XIXe siècle.

Les treuils et les cabestans ont des performances accrues lorsqu’ils sont combinés avec des poulies composées. Un pentaspostos manipulé par un seul homme qui exerce une force de 25 à 50 kg sur un treuil peut soulever un poids d’entre 750 et 1 500 kg (25 ou 50 kg x 6 x 5 = 750 ou 1 500 kg). À l’époque des Égyptiens, il fallait entre 30 à 60 hommes pour hisser une pierre de 1 500 kg en haut d’une rampe.

Tout comme les cordes, les treuils et les cabestans doivent être manipulés par plusieurs personnes. Il faut deux personnes pour les treuils et beaucoup plus pour faire fonctionner un cabestan. Les cabestans peuvent être aussi poussés par des bêtes de somme. Un cabestan actionné par quatre hommes a un avantage mécanique similaire au treuil lorsqu’il est manipulé par deux personnes. Ces deux engins de levage exercent une force de 25 à 50 kg et ils peuvent soulever, si on fait abstraction de la friction, 3 à 6 tonnes (100 ou 200 kg x 6 x 5 = 3 000 ou 6 000 kg). Dans les deux cas cependant, pour chaque mètre soulevé, il faut tirer 30 mètres de corde.

La roue de carrier

La roue de carrier est un engin de levage bien plus puissant que le treuil ou le cabestan. Elle est mentionnée pour la première fois dans une source datant de 230 av. J.-C. et elle est l’une des innovations majeures dans l’histoire des engins de levage qui a été utilisée jusqu’à la seconde moitié du XIXe siècle. Les roues de carrier mesurent souvent 4 à 5 mètres de diamètre. Elles ont un avantage mécanique plus grand que celui des treuils et des cabestans puisque son rayon est plus large que celui de l’essieu.

Elles ne sont pas actionnées par la force du bras et de l’épaule d’une personne comme pour les treuils et les cabestans, mais par l’énergie générée en marchant (et pas en courant comme on pourrait le penser) à l’intérieur de la roue. Une roue de carrier de rayon de 213 cm et dont le tambour a un rayon de 15 cm a un avantage mécanique de 14 sur 1. Le calcul suivant admet une roue de carrier de 456 centimètres de diamètre : 2 x 213 cm de rayon de la roue + 2 x 15 cm de rayon du tambour (diamètre = 2 x le rayon). (source).

[Crédit photo](http://fotoalbum.seniorennet.be/viennes/reisfotos)

Un homme dans une roue de carrier qui contrôle un pentaspastos en exerçant une force de 50 kg a un avantage mécanique de 14 sur 1 et il peut soulever un poids de 3 500 kg. C’est environ 70 fois plus que la charge qui peut être soulevée à l’aide d’une poulie simple.

Certaines grues (surtout les grues de quai à partir du Moyen-Âge) étaient équipées de deux roues de carrier attachées au même essieu. Elles pouvaient ainsi soulever environ 7 tonnes.

Les roues de carrier étaient suffisamment larges pour que deux personnes marchent côte à côte. Ainsi, une grue avec deux roues de carrier pouvait être opérée par quatre personnes et pouvait soulever au maximum 14 tonnes, soit la charge qu’une grue moderne peut supporter. Même en prenant en compte les 20 % de perte dus à la friction, cela fait toujours 11,2 tonnes.

Une large roue de carrier offre un avantage mécanique de 14 sur 1

Cela veut dire que les personnes dans la roue devaient marcher 140 mètres pour soulever un poids à une hauteur de 10 mètres. En marchant à une vitesse de 5 kilomètres par heure, la charge pouvait être soulevée à une vitesse de 0,35 km/h, soit quasiment 6 mètres par minute (la vitesse de la roue divisée par celle du poids = le rayon de la roue divisé par celui du tambour). (source).

Le « château » de Domenico Fontana

La capacité de levage des anciennes roues de carrier est impressionnante, mais elle n’est pas toujours suffisante ; vous avez peut-être remarqué que certaines constructions romaines mentionnées au début de l’article contenaient des blocs de pierre bien plus lourds que cela.

Les Romains ont même fait venir des obélisques d’Égypte qui pesaient parfois plus de 500 tonnes pour les exposer. Comment ont-ils réussi à transporter d’aussi lourdes charges avec des grues qui ne pouvaient soulever que 6 ou 12 tonnes ? En fait, à l’instar des techniques modernes, ils combinaient plusieurs engins de levage pour pouvoir les manipuler.

Une méthode était de construire une gigantesque tour de levage qui fonctionnait grâce à plusieurs cabestans au sol. L’avantage mécanique des cabestans est beaucoup plus faible que celui d’une roue de carrier, mais davantage de personnes pouvaient les faire fonctionner, et donc il fallait moins de machines pour soulever ces lourdes charges.

Il était également possible d’employer des bêtes de somme. Les techniques de levage de l’époque sont mentionnées par quelques auteurs romains. Mille ans après, le maître d’œuvre du Vatican, Domenico Fontana a détaillé les méthodes employées dans un ouvrage qui nous est parvenu.

En 1586, le pape Sixte-Quint a demandé de déplacer l’obélisque du Cirque Maxime qui pèse 344 tonnes pour le disposer au centre de la place Saint-Pierre qui venait d’être achevée. Il fallait le déplacer de 256 mètres seulement, mais c’était une manœuvre délicate. Fontana raconte les détails de son entreprise dans son ouvrage La translation de l’obélisque du Vatican en 1589. À cette époque, le matériel de levage, les engins et les méthodes n’avaient pas beaucoup changé depuis celle les Romains. Les spécialistes estiment donc que les Romains soulevaient leurs pierres d’une manière similaire.

Domenico Fontana a fait construire une tour de levage en bois, qu’il appelle « château », de 27,3 mètres de haut et qui comportait des cordes longues de 220 mètres et 40 cabestans. Il fallait 800 hommes et 140 chevaux pour la manœuvrer, et 907 hommes et 75 chevaux pour abaisser l’obélisque.

Ce projet a duré plus d’un an, entre la construction du « château », de ses cabestans, celle des autres engins de levage employés et le transport de l’obélisque sur des rouleaux en bois. Pourtant, il a seulement fallu 13 heures et 52 minutes pour déplacer l’obélisque. À la suite de cette opération réussie, de nombreux obélisques ont été déplacés dans Rome. L’un d’eux pesait 510 tonnes.

Ce projet a nécessité la construction d’une tour de levage en bois de 27,3 mètres de hauteur qui comprenait des cordes longues de 220 mètres et 40 cabestans et qui devait être manœuvrée par 800 hommes et 140 chevaux.

Les personnes qui ont assisté au spectacle ont reçu l’ordre de rester silencieuses et de ne faire aucun bruit sous peine d’être exécutés. Des soldats avaient été mobilisés pour maintenir l’ordre. Le silence était crucial pour que les personnes qui contrôlaient les cordes et les poulies en haut de la tour puissent continuer à communiquer avec celles au sol qui s’occupaient des cabestans. Le signal pour commencer à tourner était donné par une trompette et celui pour s’arrêter, par une cloche. (source).

La réinvention des grues au Moyen-Âge

Après le déclin de l’Empire romain d’Occident, très peu de grues complexes ont été utilisées pendant plus de 800 ans. Les grues contrôlées par des treuils ne sont mentionnées qu’à partir du XIIe siècle, la roue de carrier en France qu’au XIIIe siècle et au XIVe en Angleterre, soit un peu plus tard que les moulins à vent et à eau.

Si l’on compare avec l’époque des Romains, très peu de documents techniques ont été rédigés au Moyen-Âge. La majorité de nos connaissances historiques proviennent de peintures et d’illustrations dans des manuscrits. Ci-dessous, un détail de La Tour de Babel de Pieter Brueghel l’Ancien (1563).

Heureusement, une petite quantité de roues de carrier ont été préservées dans les combles d’églises et de cathédrales. Pour bâtir les églises gothiques de la fin du Moyen-Âge qui étaient plus grandes que les monuments romains, il fallait des grues bien plus grandes. En outre, la zone de travail sur ces sites était plus limitée que celles des Romains. Ces deux facteurs ont mené à la fabrication de nouvelles grues.

Églises gothiques et cathédrales

Il est probable que les grues étaient montées à l’intérieur des bâtiments, d’abord au sol, puis de plus en plus haut au fur et à mesure de la construction. Elles pouvaient aussi être déplacées sur les côtés. Elles devaient donc être démontées et remontées maintes fois. Lorsque la construction était achevée, certaines grues étaient laissées entre les voûtes et le toit, où elles pouvaient encore servir pour les réparations. (illustration ci-dessous source).

Une de ces roues de carrier a été utilisée pour des travaux de rénovation dans les années 70 à la cathédrale de Canterbury en Grande-Bretagne (image ci-dessous, source). Elle date de la fin du XVe siècle. Elle pouvait accueillir jusqu’à deux travailleurs et son diamètre mesure 4,6 mètres.

Les grues sont souvent représentées à l’extérieur dans les illustrations médiévales, mais il est probable qu’il ne s’agisse que d’un parti pris esthétique ; en effet, les murs des églises et des cathédrales gothiques étaient généralement trop minces pour supporter une grue aussi lourde ainsi que sa charge.

Un autre engin de levage médiéval bien documenté est l’immense grue et ses roues de carrier pivotantes qui était installée au sommet de la cathédrale de Cologne en Allemagne, à 157 mètres de hauteur, pendant près de 450 ans (image ci-dessus, source).

Elle a été montée en 1400 et démontée des siècles plus tard, en 1842. La grue contenait deux roues de carrier et elle mesurait 15,7 mètres de haut avec une flèche de 15,4 mètres de long qui pouvait couvrir toute la zone de chantier ; elle fonctionnait donc comme une grue moderne.

Les grues de quai

Les grues de quai fixes qui fonctionnaient grâce à des roues de carrier ont été inventées pendant le Moyen-Âge. Elles n’ont jamais été utilisées par les Grecs ou les Romains, sans doute parce qu’ils avaient suffisamment d’esclaves à leur disposition. L’amphore était le récipient le plus commun pour transporter des objets à l’époque des Romains. Elle avait l’avantage d’être petite et elle pouvait facilement être chargée et déchargée par une chaîne humaine sur une rampe. (source).

Les grues de quai ont d’abord été employées dans les Flandres, en Hollande (illustration ci-dessus, source) et en Allemagne au XIIIe siècle, ainsi qu’en Angleterre au XIVe siècle. Elles étaient équipées de deux grandes roues de carrier qui pouvaient mesurer jusqu’à 6,5 mètres de diamètre ; elles étaient donc plus puissantes que celles utilisées pour la construction.

Ces puissants engins de levage étaient conçus non seulement pour manœuvrer des charges plus lourdes mais aussi pour les soulever et les abaisser plus rapidement. Elles étaient donc bien plus rapides que celles utilisées pour la construction de bâtiments, dont le rythme était dicté par la progression lente des maçons et charpentiers.

Les charpentiers-amoulageurs à l’œuvre

Les grues de quai qui comportaient des roues de carrier étaient souvent protégées de la pluie par un toit en bois pour préserver le mécanisme et les travailleurs. Ces structures fixes avaient tant de points communs avec les moulins à vent qu’elles étaient sûrement construites par les mêmes artisans.

Les grues à pivot et les grues à tour sont similaires aux moulins sur pivot et aux moulins-tours. Les premières étaient en bois et pivotaient sur un essieu central à la verticale et les secondes, qui étaient principalement fabriquées en Allemagne, avaient des tours maçonnées et seuls la flèche et le toit pouvaient pivoter.

On ne trouve pas de grues de quai en Europe du Sud et leur nombre total dans toute l’Europe médiévale était plutôt limité par rapport au nombre de moulins à vent : seulement une centaine de ces larges grues de quai ont été trouvées. (source). Il en existe encore aujourd’hui une douzaine.

La grue de quai la plus puissante avait deux roues de carrier qui pouvaient chacune accueillir 3 à 4 hommes.

Les grues de quai les plus puissantes ont été construites dans les docks de Londres dans les années 1850, avec deux roues de carrier de 3 mètres de diamètre, chacune pouvant accueillir 3 à 4 hommes. (source). Ces grues ne doivent pas être confondues avec les roues de carrier encore plus larges utilisées dans les prisons du XIXe siècle, où les hommes marchaient sur l’extérieur de la roue.

Les deux images ci-dessus représentent des grues de quai de Bruges. La première image est un modèle tardif, datant de 1765 qui a été détruit en 1886 (source). La seconde image est celle d’une grue similaire datant du XVIe siècle (source).

Des grues plus mobiles

Les grues d’aujourd’hui peuvent pivoter leur flèche sur 360° et ainsi déplacer la charge horizontalement. Au début, la plupart des grues utilisées dans les chantiers médiévaux étaient seulement capables de déplacer la charge sur un axe vertical. La charge pouvait être manipulée latéralement par le grutier au sol en utilisant une petite corde attachée à la charge. La première grue de quai pivotante documentée est mentionnée dans un ouvrage qui date du XIVe siècle.

Le pivot est devenu un élément commun des grues de construction du XVIIe siècle (illustration à droite) ; il réduisait considérablement le temps de travail.

En 1550, Georgius Agricola théorise le mécanisme pour réaliser une grue qui pourrait déplacer la charge sur un axe horizontal. Elle a été construite bien plus tard, en 1666, par un Français, Claude Perrault. Un chariot se déplaçait sur toute la longueur de la flèche grâce à un système complexe de cordes : deux cordes s’enroulaient et se déroulaient sur une tige attachée au chariot. (source).

Les grues grecques et romaines ne pouvaient déplacer leurs charges sur l’axe horizontal que si le mât était un peu abaissé ou levé. De plus, les Grecs avaient déjà imaginé une sorte de grue à pivot qui similaire à l’engin de levage mentionné précédemment, mais qui ne reposait que sur un seul mât, dirigé et maintenu par des hommes au sol tenant des cordes.

Les mécanismes de sécurité qui évitent que la charge ne tombe ou que la roue de carrier ou le cabestan ne tournent soudainement en sens inverse n’ont été introduits qu’à la fin du XVIIIe siècle.

Les grues en fer

Au XIXe siècle, trois innovations importantes voient le jour. La première consistait à utiliser le fer plutôt que le bois pour la structure et les engrenages, ce qui rendait les grues plus solides et efficaces. La première grue en fonte a été construite en 1834. Cette même année, le câble, une alternative bien plus solide que la simple corde en fibres naturelles ou la chaîne en métal, était inventé. Enfin, en 1851, la troisième innovation fait son apparition : la grue à vapeur. Avec l’arrivée de la vapeur, toute charge pouvait être soulevée à n’importe quelle vitesse, à condition que le moteur soit assez puissant (source).

Le câble métallique s’est popularisé rapidement mais les autres innovations ont mis un peu plus de temps à se démocratiser. Le bois, parfois combiné avec du fer, continuait d’être le matériau de choix pour la majorité des grues, jusqu’au XXe siècle, tout particulièrement dans les régions où le bois était une ressource abondante. À la seconde moitié du XIXe siècle, de plus en plus de grues à vapeur faisaient leur apparition, tandis que les grues manuelles continuaient d’être vendues et utilisées en grande quantité. Un livre sur la technologie des grues, publié en 1904, consacrait toujours la moitié de ses pages aux grues manuelles. Les grues à pédales étaient elles aussi commercialisées (image ci-dessous, source).

En toute logique, c’est aussi à cette époque qu’ont été produites les grues manuelles les plus puissantes jamais conçues, avec une structure et des engrenages en fer et des câbles. Elles n’étaient cependant pas encore actionnées par la vapeur. Un exemple unique de cette technologie intermédiaire est présenté ci-dessus : une grue à portique manuelle de 1843 utilisée pour le transfert de véhicules. Tout aussi intéressant, ces roues de carrier du début du XIXe siècle aux Pays-Bas, qui, bien qu’entièrement faites de bois, pouvaient hisser des bateaux sur terre (image ci-dessous).

Un livre sur la technologie des grues, publié en 1904, consacrait toujours la moitié de ses pages aux grues manuelles.

Le meilleur exemple reste cependant la Grue Fairbairn, brevetée en 1850. Fairbairn avait riveté deux plaques de fer ensemble, formant une flèche arquée beaucoup plus stable et pratique que les flèches droites en fer ou en bois. Les grues à vapeur Fairbairn sont devenues très célèbres et certaines d’entre elles ont été conservées.

La grue la plus puissante jamais construite

On ignore souvent que pendant une courte période, ces grues très puissantes étaient vendues comme grues manuelles. En effet, comme Fairbairn décrivait ces grues en détail dans l’édition de 1860 de son livre Useful Information for Engineers, nous savons exactement quel est - l’impressionnant - avantage mécanique de ces engrenages.

La première Grue Fairbairn manuelle était supposée soulever des poids allant jusqu’à 12 tonnes, sur une hauteur de 9 mètres au-dessus du sol tout en pivotant sur un cercle de 20 mètres de diamètre (illustration à gauche).

Ensuite, une grue de 60 tonnes a été construite pour les nouveaux docks de Keyham en Grande-Bretagne. Elle pouvait soulever des poids cinq fois plus lourds à une hauteur de 18 mètres sur un cercle de 32 mètres de diamètre.

Cette « grue colossale », sans doute la grue manuelle la plus puissante jamais construite, est décrite en détail par Fairbairn :

« La chaîne passe autour de quatre poulies, deux mobiles et deux fixes, au bout de la flèche. Elle est ensuite redirigée vers l’intérieur de la flèche sur trois cylindres, jusqu’au crochet, qui se trouve aussi dans le tube au niveau du sol. De chaque côté de la grue, un solide châssis en fonte est fixé pour accueillir les essieux des roues à ergots et des pignons. »

« Quatre hommes, chacun travaillant sur un treuil de 18 pouces, qui agissent sur des pignons de 6 pouces puis sur une roue de 63,75 pouces, qui à son tour active une roue droite cylindrique de 80 pouces au moyen d’un pignon de 8 pouces et enfin, sur l’essieu du premier, le barillet de chaînes de 24 pouces de diamètre, est fixé. »

« Ainsi l’avantage obtenu par cet engrenage sera: Roue/Pignon = 18 x 63,75 x 80 / 6 x 8 x 12 = 158, ou encore, si l’on prend en compte le nombre de rouages sur chaque roue R/P = 18 x 95 x 100 / 12 x 9 10 = 158 et comme ce résultat est quadruplé par les poulies mobiles et fixes, la force exercée par les hommes est multipliée par 632 grâce aux engrenages et aux systèmes de poulies. À eux seuls, deux hommes peuvent manipuler la grue avec 60 tonnes suspendues à l’extrémité de la flèche. »

Un avantage mécanique de 632 pour 1 signifie que chacun des quatre hommes devait exercer une force de seulement 23,7 kg pour soulever un poids de 60 tonnes - et cela tout en opérant un treuil, qui est bien moins efficace qu’une roue de carrier.

Nous préférons soulever des charges avec des machines électriques et nous courrons (et non, nous ne marchons pas) sur des tapis de course à la salle de sport pour nous maintenir en forme

La grue la plus puissante au monde aujourd’hui (depuis septembre 2009) a une capacité de levage de 20 000 tonnes. Si elle était équipée d’un système d’engrenages offrant le même avantage mécanique que la grue Fairbairn décrit ci-dessus, un poids de 20 000 tonnes pourrait être soulevé par 1 265 hommes chacun exerçant une pression de 25 kg.

C’est comparable à la main-d’œuvre requise pour soulever un obélisque de 340 tonnes au XVIe siècle. Nous pourrions sans aucun doute améliorer les engrenages du XIXe siècle et obtenir un avantage mécanique encore plus grand.

Nous pourrions soulever n’importe quoi sans énergie fossile. Toutefois, à part leur utilisation sur des chantiers d’architectes hyper écolos, les grues manuelles ont complètement disparu, même pour les charges les plus légères. Nous préférons soulever des charges avec des machines électriques et nous courrons (et non, nous ne marchons pas) sur des tapis de course à la salle de sport pour nous maintenir en forme.

Sources (dans l’ordre d’importance)

“The History of Cranes (The Classic Construction Series)”, Oliver Bachmann (1997). Ce livre reprend avec beaucoup de détails l’histoire des appareils de levage depuis leur invention jusqu’à la fin du XXe siècle. Il contient aussi des sources vers de superbes images.
“The Oxford Handbook of Engineering and Technology in the Classical World”, John Peter Oleson (2008). J’y ai trouvé la plupart des informations sur l’avantage mécanique des appareils de levage.
“Medieval treadwheels: artists’ views of building construction”, Andrea L. Matthies (1992). Cette étude s’intéresse aux roues de carrier médiévales, avec en plus le calcul de l’avantage mécanique d’une roue de carrier.
“Useful information for engineers”, William Fairbairn (1860, première édition -les éditions suivantes ne contiennent pas le chapitre sur les grues manuelles). Cet ouvrage met en évidence les performances impressionnantes des dernières grues manuelles.
“The construction of cranes and other lifting machinery”, Edward Charles Robert Marks, (1904). Des informations détaillées sur les grues manuelles récentes.
“Building Trajan’s column”, (.pdf), American Journal of Archeology, Lynne Lancaster (1999). Les techniques de levage des Romains et l’utilisation des tours de levage.
“Heavy goods handling prior to the nineteenth century”, F.R. Forbes Taylor (1963). Un document de recherche bien trop coûteux mais qui apporte des informations complémentaires à celui d’Andrea L. Matthies sur les grues de quai. Il apporte aussi une estimation du nombre de portiques portuaires médiévaux en Europe.
“Grue”, Wikipedia. Une introduction générale basée sur deux ouvrages allemands majeurs. Voir aussi : Liste de grues de quai.
“Claude Philip”, Illustrations de grues anciennes.
“Theatrum instrumentorum et machinarum”, Jacobi Bessoni (1582). Types de grues anciennes et médiévales.
“Engineering in History (Dover Books on Engineering)”, Richard Shelton Kirby (1990). Des informations supplémentaires sur des engins de levage romains et égyptiens.
“Lifting in early Greek architecture”, The journal of Hellenic studies, JJ Coulton (1974).
“Rudimentary treatise on the construction of cranes and machinery”, Joseph Glynn (1849)

Des tuiles pour remplacer l’acier : l’Art des voûtes catalanes

Wed, 12 Nov 2008 00:00:00 +0000

Image : [Lonja de la Seda de Valencia, 15e siècle](https://www.flickr.com/photos/paco_calvino/486287381/)

La brique, la pierre et le béton sont des matériaux résistants en compression (il est possible de les empiler presque indéfiniment) mais faibles en traction. Pour qu’elle ne s’effondre pas et si sa largeur augmente, une structure construite à l’aide de ces matériaux doit être supportée par de nombreuses colonnes.

L’architecture moderne contourne ce problème en utilisant de l’acier pour renforcer le béton, la traction de l’acier étant bien plus forte que celle de la brique, de la pierre ou du béton. C’est ce qu’on appelle le béton armé. Le savoir-faire unique de l’entre-deux-guerres compensait la faible traction de la brique.

Aujourd’hui, aucun architecte n’oserait construire de tels bâtiments sans renforts en acier, pourtant réalisables grâce à des voûtes catalanes. Cette technique était pourtant peu coûteuse, rapide, écologique et durable.

Image : Une voûte catalane.

La technique de fabrication de voûtes catalanes a été inventée aux alentours du XIVe siècle dans le bassin méditerranéen même si ses origines précises demeurent inconnues. Les voûtes catalanes sont également appelées « voûte en brique planes », « voûtes sarrasines », « voûte plate » ou « voûte du Roussillon » en fonction du nom qu’elles portent en français, en espagnol, en italien et en catalan.

Un toit de tuiles

La technique pour construire les voûtes catalanes est très différente de la méthode romaine pour édifier des arches, basée sur l’étude de la gravité. Une voûte romaine est constituée d’une rangée de pierres en forme de coin (voussoirs) (voir l’image ci-dessous).

Image : Une voûte catalane.

La voûte catalane, quant à elle, est composée de plusieurs couches de tuiles superposées assemblées à l’aide d’un mortier à prise rapide. Une seule couche de tuiles ne suffirait pas pour faire tenir la structure ; en ajoutant deux ou trois couches supplémentaires, elle devient presque aussi solide que du béton armé.

Le résultat semble défier la gravité. En effet, les voûtes catalanes sont très fines en comparaison avec les voûtes romaines. Pourtant, elles peuvent supporter des charges bien plus lourdes. Cette technique permet de réaliser de plus grandes structures et des courbes plus souples.

Image : Fabrication de voûtes catalanes.

Comme son nom l’indique, la technique a été perfectionnée en Catalogne, une région au nord-est de l’Espagne. La basilique Sainte-Marie-de-la-Mer et celle de Santa Maria del Pi, toutes deux situées à Barcelone, et la cathédrale Sainte-Marie de Gérone (qui possède la plus grande nef gothique d’Europe) sont des exemples notables d’architecture médiévale comportant des voûtes catalanes.

Image : Voûtes catalanes dans la basilique Sainte-Marie-de-la-Mer à Barcelone. Source : [Flickr](http://www.flickr.com/photos/paco_calvino/530552355/in/set-72157607202289124/).

Image : Voûtes catalanes dans la basilique Santa Maria del Pi à Barcelone.

Image : Voûtes catalanes dans la [cathédrale Sainte-Marie de Gérone](https://fr.wikipedia.org/wiki/Cath%C3%A9drale_Sainte-Marie_de_G%C3%A9rone).

Les architectes modernistes catalans ont redécouvert cette technique entre le XIXe et le XXe siècle. On peut citer par exemple la crypte de la Colònia Güell, imaginée par Antoni Gaudí à l’aide de simples cordes suspendues et de poids attachés au plafond (ce bâtiment a d’ailleurs souffert d’une restauration désastreuse), le Le Vapor Aymerich, Amat i Jover de Terrassa, une ancienne usine textile construite par Lluís Moncunill i Parellada ou la Cave Coopérative de Pinell de Brai construite par Cèsar Martinell.

Image : Le [Vapor Aymerich, Amat i Jover](https://www.hisour.com/fr/national-museum-of-science-and-technology-of-catalonia-terrassa-spain-54671/) de Terrassa est une ancienne usine textile construite par Lluís Moncunill i Parellada.

Image : La [crypte de la Colònia Güell](http://www.gaudidesigner.com/fr/colonia-guell.html) construite par Antoni Gaudí.

Image : La [Cave Coopérative de Pinell de Brai](http://www.catalunya.com/cave-cooperative-de-pinell-de-brai-17-16003-26?language=fr) construite par Cèsar Martinell.

Cependant, la plupart des chefs-d’œuvre des voûtes catalanes se trouvent aux États-Unis. Cette technique était inconnue du continent américain jusqu’à ce que la famille Guastavino l’importe. Rafael Guastavino, né à Valence en Espagne en 1842, l’a améliorée et renommée « cohesive construction ».Elle est plus connue sous le nom de « système Guastavino » en français. Il a remplacé les briques par de fines tuiles et le mortier traditionnel par du ciment Portland à prise rapide. Ces changements renforcent la structure pour ainsi construire des voûtes trois à cinq fois plus grandes.

Au début de sa carrière, aux alentours de 1880, Rafael Guastavino a immigré aux États-Unis. C’est là que lui et ses descendants ont collaboré avec des architectes pour ériger plus de mille immeubles et bâtiments durant plus de cinquante ans. Aujourd’hui encore, un grand nombre de leurs constructions sont des monuments célèbres. Il en existe presque quatre cents à New York. Les Guastavino construisaient des sols, des plafonds, des voûtes, des dômes et des escaliers en voûte catalane. Leurs œuvres sont en général méconnues du grand public puisqu’ils étaient entrepreneurs et non architectes.

Image : Le [Grand Hall d’enregistrement d’Ellis Island](http://jumelage.org/francais/ellis-island/)

Image : Le plafond du [Grand Central Oyster Bar](http://www.columbia.edu/cu/record/archives/vol21/vol21_iss25/record2125.30c.gif).

Image : La [cathédrale St John the Divine](https://frenchdistrict.com/new-york/articles/visite-eglise-gothique-cathedrale-saint-john-the-divine/).

On peut citer comme exemples des œuvres de la famille Guastavino la Bibliothèque publique de Boston (un projet extrêmement bien documenté en anglais), le plafond du Grand Central Oyster Bar, le Grand Hall d’enregistrement d’Ellis Island, Le Carnegie Hall, le bâtiment de la Cour suprême des États-Unis, le Capitole de l’État du Nebraska, le pont de Queensboro, le United States Army War College de Washington et la cathédrale St John the Divine qui possède le plus grand dôme jamais construit par Guastavino. Rafael Guastavino et son fils (aussi prénommé Rafael) ont obtenu plus de 20 brevets. En 1891, leur entreprise disposait de bureaux à New York, Boston, Providence, Milwaukee et Chicago. En 1900, ils ont ouvert leur propre usine pour fabriquer les tuiles dont ils avaient besoin.

Rapide et économique

La popularité de la voûte catalane n’est pas seulement due à son esthétique. Les structures sont économiques et rapides à construire, et ce pour deux raisons : elles demandent l’utilisation de beaucoup moins de matériaux et d’échafaudages en bois pour leur construction. À l’inverse, une grande quantité de bois est nécessaire pour édifier une voûte romaine ; en effet, elle doit être supportée par un cintre en bois longtemps après la construction.

Image : Un escalier construit sur une voûte catalane.

Image : Fabrication de voûtes catalanes.

Les voûtes catalanes, quant à elles, ont seulement besoin d’un système de coffrage déplaçable au début de la construction. Pour poursuivre leur travail, les ouvriers s’installent sur la partie de la voûte catalane qu’ils ont déjà construite (qui mesure de 5 à 10 cm d’épaisseur).

En utilisant si peu de matériaux et d’équipements de construction, la famille Guastavino pouvait proposer des prix défiant toute concurrence.

Durable et résistante au feu

Les bâtiments qui comprennent des voûtes catalanes sont plus résistants au feu ; on peut citer l’exemple de la basilique Sainte-Marie-de-la-Mer à Barcelone qui a brûlé pendant 11 jours pendant la guerre civile espagnole sans qu’elle ne s’effondre ou qu’il n’y ait beaucoup de dégâts. Au XIXe siècle, plusieurs incendies majeurs se sont déclarés, comme le Grand incendie de Chicago en 1871. La famille Guastavino a immédiatement saisi cette opportunité marketing et a renommé son entreprise la « Guastavino Fireproof Construction Company » pour vanter les mérites et les propriétés ignifuges de leurs œuvres.

Image : Escalier en voûte catalane.

Les voûtes catalanes comportent bien d’autres avantages. Les sols, les plafonds, les arches et les escaliers sont des isolants phoniques et résistent aux inondations et à l’humidité. Ils empêchent également les nuisibles tels que les rats ou les cafards de s’installer dans le bâtiment.

Convaincre le grand public

Il s’est également avéré que ce type de bâtiment résistait très bien à l’épreuve du temps. Depuis la dernière restauration des bâtiments d’Ellis Island dans les années 1980, seules 17 tuiles sur les 29 000 qui ont été utilisées lors de la construction ont été remplacées. D’ailleurs, on peut toujours admirer le savoir-faire médiéval des voûtes catalanes dans plusieurs églises comme celles mentionnées au début de l’article.

Image : Démonstration de construction d’une voûte catalane.

Image : Le Celler Cooperatiu de Gandesa.

Au départ, la famille Guastavino a eu du mal à convaincre le public que leurs voûtes étaient solides et robustes en dépit de leur finesse et de leur légèreté. Pour convaincre les potentiels acheteurs, elle a réalisé une démonstration publique (voir la photographie sur la droite).

À bien des égards, les voûtes catalanes ont les mêmes propriétés que le béton armé sans utiliser de l’acier. Pourtant, elles étaient réalisées sans l’aide d’ordinateur ou de calculs d’ingénierie. Le savoir-faire repose principalement sur l’intuition et l’expérience des ouvriers.

l’École Nationale d’Art de Cuba

Rafael Guastavino pensait que les voûtes catalanes étaient le futur de l’architecture. Il avait tort. L’entreprise de la famille Guastavino a fermé ses portes en 1962, douze ans après la mort de son fils. L’augmentation des coûts de la main-d’œuvre et l’invention du béton armé ont rendu la technique de fabrication des voûtes catalanes pratiquement obsolète. Pourtant, deux exemples plus récents ont retenu notre attention.

Le premier est en rapport avec l’architecte uruguayen Eladio Dieste qui a utilisé la technique des voûtes catalanes avec des renforcements en acier pour ériger des immeubles modernes. Cette combinaison lui a permis de construire des bâtiments plus larges, comme cette église située à Atlándida, une ville d’Uruguay.

Image : Voûte catalane à Cuba.

Cependant, l’exemple le plus important reste l’École Nationale d’Art de Cuba. La construction de bâtiment inachevé a débuté en 1961 pour s’arrêter en 1965. Il s’agissait d’un projet ambitieux qui prévoyait un complexe national d’écoles d’art. Cette technique a été utilisée puisqu’il y avait peu de matériaux et beaucoup de main-d’œuvre à disposition. Le savoir-faire avait été transmis par un maçon qui avait travaillé pour Antoni Gaudí.

L’intérêt de cette technique dans le contexte actuel

La quantité de matériaux disponibles est aujourd’hui encore un souci important à Cuba et ce problème s’aggrave dans le monde entier. Peut-être que les voûtes catalanes ressortiront de l’oubli un jour pour pallier ce manque.

Récemment, des recherches ont été menées sur la structure des voûtes catalanes et certaines personnes comme les chercheurs de MIT ont essayé de faire revivre cette technique. Ils ont donc réalisé plusieurs voûtes catalanes DIY (voir la photographie ci-dessous). L’université MIT et la Bibliothèque publique de Boston ont prévu d’organiser une exposition dédiée à la famille Guastavino en 2009.

Merci à Katrien