Unevoûte[a] (ouvoute[b]) est un ouvrage architectural, souvent construit enbrique,moellon,pierre, oubéton, dont le dessous (ouintrados) est fait enarc ou enplate-bande. Lorsqu'il est construit en pierre, il est formé par desvoussoirs ouclaveaux qui, par leurs dispositions, se soutiennent ensemble[1]. On donne aux voûtes différentes dénominations suivant leur forme.
Unevoûtelette est une petite voûte.
La surface intérieure ou concave d'une voûte (comme d'un arc ou d'unvoussoir) est nomméeintrados[2] ; la surface extérieure convexe étant nomméeextrados.
Une voûte (ou unarc) est dite « surbaissée » lorsqu'elle a moins de hauteur que la moitié de sa largeur. Elle est dite « surhaussée » lorsqu'elle a plus de hauteur que la moitié de sa largeur[3].
Plusieurs classifications des voûtes sont réalisables :
Une voûte est un ouvrage réalisé en maçonnerie (par exemple en pierre ou brique) ou en assemblages d'autres éléments de construction (par exemple du métal ou du bois), qui a une forme cintrée, en général ; elle sert à couvrir un espace (par exemple une pièce d'un bâtiment, un tunnel, un canal, une citerne, un four en maçonnerie)[4],[5].
clé d'arc : derniervoussoir ouclaveau que l'on pose au sommet d'une voûte, d'un arc ou d'une plate-bande, pour les fermer et les bander[6] ;
douelle : parement intérieur d'une voûte ou d'un voussoir, que l'on nomme aussiintrados[7] ;
écoinçon : ouvrage de menuiserie ou de maçonnerie formant l'encoignure de l'embrasure d'une baie. Il désigne aussi l'espace compris entre deux arcs ou entre un arc et une délimitation rectangulaire ;
extrados : la surface convexe extérieure d'une voûte qui est régulière[8], comme la surface concave intérieure est l'intrados[9] ;
intrados : surface inférieure ou concave d'une voûte, d'un arc, d'un voussoir[2].
La construction de telles cathédrales gothiques n'est pas avec lestyle architectural roman. Ce style étant principalement caractérisé par des constructions massives, et desvoûtes en berceau reposant sur d'épais murs porteurs. Une construction de style roman ne peut atteindre la hauteur d'une cathédrale gothique: elle s’effondrerait sous son propre poids. Néanmoins, comme l’analyse structurelle n'existait pas à l’époque, on remarque que les édifices de l’époque tel que la cathédrales de Chartres tiennent grâce à la stabilité et non à la résistance. Lastabilité d’une construction peut être atteinte par symétrie de construction ou proportionnalité lors de la construction. Par exemple, un haut mur peut être renforcé par des structures decontreventement pour éviter sa destruction. Cette situation est analogue l'effet produit si on comprime une longue barre fine: leflambage. Larésistance, quant à elle, joue plus sur la résistance intrinsèque des matériaux et vise à minimiser la quantité de matériaux de construction tout en gardant la même solidité. Une étude de résistance d’une structure requiert l’analyse structurelle. Ainsi il n’était pas nécessaire d’avoir l’analyse structurelle.
Il n’y a pas de logique interne déterministe ou fonction de forme qui définissent l’architecture gothique. La structure des cathédrales gothiques résulte d’une combinaison de plusieurs facteurs combinés entre eux. On peut noter entre autres: croyances religieuses, valeurs esthétiques, de seulement quelques notions de maçonnerie, d’opportunités économiques ou du mode de communication entre les constructeurs.
Il faut savoir que le style gothique tel qu’on le définit aujourd’hui n’était pas connu à l’époque par les constructeurs. Un style architectural est comme tout autre courant d’art, défini après coup par des historiens. Le style gothique est ainsi délimité dans le temps par des constructions de style architectural proche[11].
Distinction selon le mode de transmission des efforts
Comparaisonarc en plein cintre (à gauche) etencorbellement (à droite).Voûte en encorbellement du trésor d'Atrée.Galerie du temple de Ta Prom àAngkor : voûtement en pierres de taille, obtenu par deux encorbellements symétriquement opposés.Étude de la forme « funiculaire » des voûtes pour la reprise des charges de l'église de la Colonia Güell par l'architecteAntoni Gaudí.Pérouse : porte d'Auguste avec des éléments datant de la périodeétrusque.
Suivant le mode de transmission des efforts appliqués à la voûte, on distingue cinq types de voûtes :
Les voûtes en arc pour lesquelles la voûte travaille comme unarc ou unearche. Les charges verticales sont équilibrées par compression des éléments de la voûte. La stabilité de la voûte suppose la reprise des efforts de poussée au droit de ses appuis.
Elles constituent ce que certains appellent des structures à résistance de forme, c'est-à-dire suivant Salvadori et Heller,« des structures dont la résistance est obtenue en donnant au matériau une forme adaptée aux charges qu'elles doivent supporter[12] ».
Ces deux types de voûte sont connus depuis la plus haute Antiquité.
Les voûtes en arc sont déjà utilisées àUr dans des éléments de décoration de temples mais elles n'ont été développées que par lesRomains, soit sous la forme de voûtes en pierres taillées, en particulier pour les ponts en arc, les arcs de triomphe ou les portes des villes, soit enopus caementicium, une sorte debéton constitué de matériaux tout-venant maçonnés avec un mortier de chaux, comme on peut le voir auPanthéon, formant lavoûte concrète.
Funiculaire des charges dans une voûte. Courbe de poussée.
Un pont en arc, l'arc est funiculaire des charges qui lui sont appliquées.
Reprise des efforts de poussée des voûtes romanes et gothiques.
La forme d'une voûte peut être obtenue en traçant le polygone funiculaire des charges.
On peut distinguer les voûtes suivant les différentes formes de leurs intrados[13] :
les arcs surbaissés quand leur flèche est inférieure à la moitié de leur portée :
arc en anse-de-panier,
arc déprimé,
arc segmentaire,
arc plat ;
les arcs en plein cintre quand leur flèche est égale à la moitié de leur portée ;
les arcs surhaussés quand leur flèche est supérieure à la moitié de leur portée :
arcs brisé équilatère,
arc brisé,
arc brisé en tiers-point, en quart-point,
arc outrepassé ou surhaussé en plein cintre,
arc surhaussé en anse-de-panier.
On donne aux voûtes différentes dénominations, suivant leur forme[14] :
voûte cylindrique, voûte annulaire, voûte plein-cintre ouvoûte en berceau : voûte dont ladouelle (c'est-à-dire le parement intérieur ou intrados) a le contour de la surface d'un cylindre, d'un anneau, ou qui est en demi-cercle ;
voûte biaise : voûte en arc dont les faces ne sont pas perpendiculaires à l’axe directeur. Le plan ne forme pas un rectangle, mais un parallélogramme. La voûte biaise est utilisée pour des ponts au croisement de deux voies (route, rivière, canal, voie ferrée) formant un angle marqué.
Les voûtes caractéristiques de l'architectureromaine,paléochrétienne puisromane sont en berceau. Elles ont la forme d'un arc prolongé. On parle de berceau cintré lorsque la voûte est semi-cylindrique et de berceau brisé lorsque deux pans concaves se rejoignent en pointe au faîte. Le berceau est longitudinal s'il est parallèle à l'orientation de l'espace couvert, transversal s'il est perpendiculaire à celle-ci. Les collatéraux sont parfois voûtés en demi-berceau.
La voûte en berceau est, le plus souvent, renforcée par desnervures désignées par les termes dedoubleaux ou d'arcs-doubleaux.
On parle de voûte d'arête lorsque deux berceaux, d'égale hauteur, se croisent en pénétrant l'un dans l'autre (formant unecroix de saint André).
Le troisième type de voûte est lavoûte d'ogives. Elle peut être quadripartite ou sexpartite (selon qu'elle croise 2 ou 3 ogives, dessinant 4 ou 6 voûtains). La voûte d'ogives est ditebarlongue lorsqu'elle forme, à chaquetravée, un rectangle dont le côté le plus long est perpendiculaire à lanef. Elle est dite oblongue dans le cas contraire.
Ce qui est pesant, c'est la voûte elle-même et le problème dimensionnant est surtout lapoussée latérale qu'elle impose sur lesmurs. Une voûte « cylindrique » crée une poussée latérale qui tend à écarter les murs. La poussée est d'autant plus forte que la portée (largeur de lanef) est plus grande, et est d'autant plus difficile à compenser que les murs sont hauts (le bras de levier est plus important). L'art roman tend donc à faire des nefs étroites, plutôt basses, et des murs latéraux épais pour tenir la poussée. L'idée centrale de la croisée d'ogive, et dustyle gothique, est de faire des voûtes qui reposent non pas directement sur des murs, mais sur cesogives croisées ; et les ogives elles-mêmes convergent vers des piliers. Avec cette méthode, la poussée n'est plus répartie tout au long du mur, mais concentrée sur un point au sommet du pilier. De ce fait, le mur lui-même ne sert à rien, on peut le vider et le remplacer par desvitraux. Et la poussée reçue au sommet despiliers peut être facilement compensée par desarcs-boutants, au lieu d'être reçue par descontreforts.
Tout type de voûte peut être construit enbrique, au même titre que la pierre. En général, l’épaisseur de faible importance de la brique permet de l’utiliser sans avoir recours à la taille ou au moulage des claveaux. L’épaisseur du mortier seule permet de compenser la différence entre l’intrados et l’extrados de la voûte ou de l’arc.
Lavoûte catalane est une voûte utilisant la brique posée à plat, c’est-à-dire présentant sa face principale, et non sonchant. Les briques sont assemblées par leurs chants au moyen de plâtre ; elles sèchent rapidement et donc dispensent souvent de l’utilisation d’un cintre. Les voûtes réalisées ainsi sont légères, robustes et peuvent affecter une infinité de formes différentes. Elles servent souvent de support à des escaliers.
Une application particulière de la voûte catalane est la couverture d’un espace sous forme de plafond : des solives, en bois et plus tard en métal, sont disposées parallèlement à intervalles réguliers, et sont réunies par de petites voûtes en berceau ou en arc surbaissé. Cette pratique courante en Catalogne auXIXe siècle, est réutilisée et développée par les architectes dumodernisme catalan.
La maitrise de la géométrie est indispensable dans l’art de la construction. L’implantation au sol des édifices au Moyen-Âge est faite en carré, elle suit la même logique depuis l’Antiquité : la construction ad quadratum. Elle assure la stabilité, tout comme celle du triangle (construction ad trigonum) dont on se sert pour les structures verticales telles que les échafaudages et les charpentes. Le cercle est aussi d’usage commun, on le retrouve dans le plan des tours et dans le dessin des voûtes et des arcs.
Ensuite, les échafaudages en bois s’élancent au fur et à mesure de la construction. Ils sont portés par les murs grâce aux trous de boulins, les boulins étant des poutres horizontales. Elles supportent chaque plancher d’échafaudage de chacun des côtés du mur.
Le cintre est un ouvrage de charpente qui soutient provisoirement les pierres jusqu'à la pose de la clé. Il clave l’ensemble des claveaux qui sont posés sur chacun d’eux, ceci pour fonder les arcs et les voûtes.
Il arrive que leremplage (réseau de pierre garnissant l'intérieur d'une fenêtre ou d'une rose) prenne le rôle d’un cintre permanent lors de la construction de grandes baies.
Ces constructions plus hautes et plus lumineuses inaugurent les volontés des bourgeois et marchands, souhaitant exposer la richesse de leur ville. En effet, les activités commerciales connaissent un essor important à cette période précise du Moyen-Âge. Ainsi, d’un désir exhibitionniste naît un nouveau style sous le nom de gothique. Cette transition, lente et graduelle, n’a en réalité jamais connu de coupure radicale entre les deux courants en question : les principes gothiques sont un prolongement du courant précédent tel que l’arc brisé, en étant l’aboutissement des expériences tentées à l’époque romane.
Enfin, on assiste à des changements radicaux : en quête de lumière, les voûtes sur croisées d'ogives permettent l’ouverture dans les parois des fenêtres, qui sont de plus en plus grandes. De même, les vitraux remplacent la pierre et permettent à la lumière de pénétrer dans la nef. On assiste donc à une réduction de l’espace mural qui par conséquent laisse un espace moindre à lafresque, cédant la place à l’art du vitrail.
C’est l’abbé de Saint-Denis, Suger, qui a été le premier à voir un usage différent de la croisée d’ogive, en la faisant porter le poids de la voûte sur des piliers et non sur des murs. C’est lorsqu’il entreprend la reconstruction de son abbaye en 1140 qu’il en montre l’exemple. En reposant de même sur des piliers et des contreforts les cathédrales sont donc immédiatement plus hautes, car les murs n’ont plus à supporter tout le poids. Ils deviennent plus fins.
Les maçons utilisaient jusqu’au milieu duXIIe siècle une grande quantité demortier et des constructions en bois pour définir la construction définitive en pierre. Cela permettait de pallier un taillage de pierre grossier et imprécis. Malgré tout, les imprécisions engendrées par cette méthode de construction ne permettaient pas de créer la finesse de construction que l’on attribue aux édifices construits à partir de milieu duXIIe siècle et qui définissent aujourd’hui lestyle gothique.
En effet, l'arrivée de simples arches en ogive a nécessité l’utilisation d’outils comme unrapporteur ou lebiseau pour biseauter la pierre afin qu’elle soit bien ajustée dans l’ensemble. La clef de voûte, pièce maîtresse de la construction, ne pouvait plus être taillée grossièrement. Il était nécessaire de réaliser la taille de manière précise avec les outils énoncés précédemment[15].
Lecintre est un support provisoire nécessaire pour mettre en place les éléments d'une structure à résistance de forme qui ne peuvent jouer leur rôle que lorsqu'ils sont complètement posés et clavés :
voûte à assises rayonnantes ;
voûte maçonnée. Lavoûte concrète est la manière de faire les voûtes par les Romains, par moulage descementa liées à la chaux, sur descintres en bois.
Voûte en encorbellement d'après Besenval (1984).
Voûte en tranches inclinées d'après Choisy (1883).
Entrée de la grande pyramide.
Cintre pour la réalisation d'une voûte à assises rayonnantes.
L'étude de la stabilité et de la résistance des voûtes n'a été possible que lorsque la science physique est passée d'un savoir empirique qualitatif à une connaissance basée sur la recherche expérimentale avec le développement d'outils mathématiques auXVIIe siècle et la création d'une nouvelle science basée sur larésistance des matériaux à partir deGalilée. Le traité de mécanique dePhilippe de La Hire, publié en 1695, développe les idées dePierre Varignon sur la mécanique statique. Dans une lettre deJohann Bernoulli àGottfried Wilhelm Leibniz en, il écrit que« dans sonTraité de mécanique les propositions 123, 124 et 125, La Hire flaire une affinité entre les voûtes et lescaténaires ; mais il ne peut poursuivre suffisamment la chose car il est démuni de notreCalcul. Autrement dit, ce qu'il voit pourtant, il ne peut le comprendre ». Il y a cependant une différence entre l'étude de la chaînette faite par Johann Bernoulli, en 1691, dans lesLeçons au marquis de L'Hôpital et l'étude des voûtes par La Hire. Dans le premier cas, on cherche la forme d'une chaînette parfaitement flexible sous l'action de son poids, dans le second cas la forme est imposée et on étudie les conditions de sa stabilité. La Hire utilise la géométrie pour faire apparaître pour la première fois la ligne de pression comme funiculaire des forces[16].
La voûte transforme les actions verticales dues à lapesanteur en efforts de pression dans son épaisseur. La stabilité des voûtes est assurée par la reprise de la poussée de la voûte par les murs ou les piles[17]. Dans deux mémoires publiés dans lesMémoires de l'Académie royale des Sciences, en 1729 et 1731,Pierre Couplet de Tartereaux étudie l'équilibre des voûtes en partant de l'hypothèse d'une simple rotation autour des arêtes de leurs voussoirs. Il étudie la stabilité de la voûte en la supposant constituée de quatre voussoirs égaux attachés ensemble par des charnières.Augustin Danyzy fait des expériences en modèle réduit qui démontrent la validité de la théorie de Couplet sur le mode de renversement des voûtes.
↑DavidTurnbull, « The Ad Hoc Collective Work of Building Gothic Cathedrals with Templates, String, and Geometry »,Science, Technology, & Human Values,vol. 18,no 3,,p. 315–340(ISSN0162-2439,lire en ligne, consulté le).
↑DavidTurnbull, « The Ad Hoc Collective Work of Building Gothic Cathedrals with Templates, String, and Geometry »,Science, Technology, & Human Values,vol. 18,no 3,,p. 315–340(ISSN0162-2439,lire en ligne, consulté le).
↑Antonio Becchi, Hélène Rousteau-Chambon et Joël Sakarovitch (dir.) et Patricia Radelet-Degrave,Philippe de La Hire, 1640-1718. Entre architecture et sciences, Paris, Éditions A. et J. Picard,(ISBN978-2-7084-0942-2), « La mécanique »,p. 159-175.
↑Philippe de La Hire,Histoire de l'Académie royale des sciences. Année 1712. Avec les Mémoires de Mathématique & de Physique, pour la même année. Tirés des registres de cette Académie, Paris, Imprimerie royale,(lire en ligne), « Sur la construction des voûtes dans les édifices »,p. 69-77.
