Gustave Eiffel, constructeur de ponts métalliques en arc

Jean-François Coste et Bruno Godart

Gustave Eiffel est mondialement connu comme constructeur de la tour Eiffel sur le champ de mars à Paris mais il est aussi passé à la postérité en tant que constructeur d’ouvrages ferroviaires en métal et notamment de ponts métalliques en arc.

Les deux ouvrages d’art les plus emblématiques sont le pont Maria Pia sur le Douro à Porto et le viaduc de Garabit sur la vallée de la Truyère dans le Cantal. Jean-François Coste et Bruno Godart ont endossé l’habit d’historiens des sciences et techniques pour le compte du comité génie civil et bâtiment de la Société des ingénieurs et des scientifiques de France (IESF). À l’aide des archives de la Société des ingénieurs civils de France et de la Bibliothèque nationale de France (BNF), ils ont retracé l’histoire de la conception et la réalisation de ces deux ouvrages d’art.

L’IESF a des liens historiques forts avec Gustave Eiffel. En effet, Gustave Eiffel est devenu en 1880 membre sociétaire de la Société des ingénieurs civils de France, ancêtre de l’IESF. Il en a été le président pour l’année 1889.

La conception des deux ponts métalliques en arc a fait l’objet de l’écriture de plusieurs mémoires par Gustave Eiffel lui-même, Théophile Seyrig, son collaborateur, qui a dessiné le premier projet du pont sur le Douro, et Léon Boyer pour l'Administration, qui a proposé un tracé innovant pour la ligne de chemin de fer, comportant un grand viaduc sur la Truyère. Les projets d’ouvrages d’art faisaient alors l’objet de présentations devant la Société des ingénieurs civils de France, suivies de comptes-rendus qui sont conservés par l’IESF¹.

L’IESF a souhaité participer à la commémoration du centenaire de la disparition de Gustave Eiffel, grand ingénieur, entrepreneur et scientifique, en mettant en avant durant l’année 2023, douze de ses réalisations. L’occasion de partir à la découverte de deux de ses ponts ferroviaires métalliques : le pont Maria Pia et le viaduc de Garabit qui sont remarquables à plusieurs titres et qui ont servi d’exemples pour la construction et la réalisation d’ouvrages ultérieurs.

Lorsque Gustave Eiffel s’attaque à la conception du pont sur le Douro, cela fait plus de 15 ans qu’il construit de grands ouvrages ferroviaires : le pont métallique ferroviaire de Bordeaux sur la Garonne (1858-1860), les ponts-rails de Capdenac sur le Lot (1860–1861) et de Floirac sur la Dordogne (1860-1861), le pont sur l’Adour à Bayonne (1864), puis les deux grands viaducs à piles métalliques de Rouzat et de Neuvial sur la ligne de chemin de fer Commentry – Gannat (1868-1869).

Tous ces ouvrages ferroviaires ont en commun, l’utilisation d’un tablier constitué d’une poutre métallique continue en treillis², dont les longueurs de travée restent limitées. La grande innovation introduite, pour les ouvrages de Porto et de Garabit, est l’utilisation de l’arc qui va permet de franchir des obstacles naturels de grande portée.

L’utilisation du fer puddlé, nouveau matériau issu de la fonte et apparu en France à partir des années 1850, va également permettre le franchissement de portée beaucoup plus grande. En effet, la faible teneur en carbone du fer puddlé contribue à améliorer sa ductilité³ et ses propriétés mécaniques, par rapport à la fonte. Les éléments d’un arc en fer puddlé vont donc pouvoir travailler en traction et en compression, alors que les éléments en fonte ne pouvaient travailler qu’en compression.

Enfin, le recours systématique au calcul de résistance des matériaux va permettre d’alléger les structures par rapport au dimensionnement empirique, pratiqué jusqu’alors et qui amenait à multiplier les renforts dans un soucis de sécurité. Les effets du vent vont être pris en compte lors du dimensionnement des ouvrages, cette expertise sera déterminante par la suite pour dimensionner la Tour Eiffel et adapter sa forme aux effets du vent.

La réalisation du chantier proprement dit des deux ouvrages a fait l’objet d’innovations afin de réduire les coûts et les délais de construction. Les éléments métalliques constitutifs de l’arc et du tablier ont été préfabriqués en usine puis assemblés sur le chantier. La méthode de construction par encorbellement⁴ des arcs et le lançage⁵ des tabliers a limité les échafaudages. Les éléments métalliques ont été peints afin de prévenir la corrosion du fer puddlé et de limiter les coûts d’entretien.

Les techniques de génie civil ont beaucoup évolué depuis la fin du 19^ème siècle. La prise en compte de l’ingénierie des structures pour la conception d’un ouvrage d’art était à son début. Les calculs étaient limités à l’époque au domaine élastique, en intégrant de façon simplifiée les effets de la température et du vent. Les calculs se sont depuis enrichis en prenant en compte les états limites, l’approche probabiliste et les coefficients de sécurité, le flambement de l’arc, …

La science des matériaux a également connu des avancées importantes avec le remplacement du fer puddlé par l’acier à partir de 1900, puis jusqu’à nos jours, l’augmentation continuelle des performances des aciers, l’augmentation de l’épaisseur des tôles, le développement d’aciers bas-carbone et l’utilisation d’aciers auto-patinables et d’aciers recyclés.

Par contre, les méthodes de construction expérimentées sur les deux ouvrages perdurent : préfabrication d’éléments en usine, assemblage des éléments sur le site, lançage et/ou encorbellement de tablier. Le lançage du tablier a été, par exemple, utilisé pour le viaduc de Millau et pour le pont Simone Weil de Bordeaux.

A la fin du 19^ème siècle, la conception des ouvrages faisaient l’objet de mémoires présentés devant des sociétés savantes ou même publiés et diffusés largement comme le mémoire de Gustave Eiffel présenté à l’appui du projet définitif du viaduc de Garabit. De nos jours, on peut regretter que la conception et la réalisation d’ouvrages ne fassent plus l’objet de mémoires aussi détaillés. On trouve essentiellement des articles techniques décrivant les chantiers mais ne présentant pas les méthodes de calcul pour le dimensionnement des ouvrages.

En 1893, Gustave Eiffel démissionne de la présidence de son entreprise et se tourne vers les sciences. Après avoir étudié les effets de la résistance de l’air sur la chute d’objets depuis le haut de la tour Eiffel, il installe, en 1912, le premier laboratoire d’aérodynamique expérimentale équipé d’une soufflerie, au 67 rue Boileau à Paris. La soufflerie Eiffel est toujours en activité et exploitée par le CSTB. Initialement utilisée pour l’aéronautique et la construction automobile, elle a été utilisée, dès 1945, pour dimensionner au vent des ouvrages d’art.

De nos jours, le franchissement de grandes portées est toujours d’actualité et on continue à avoir recours à l’acier, en raison de ses propriétés mécaniques, pour la construction de grands arcs ou de ponts suspendus ou haubanés.

Les ponts métalliques en arc continuent de battre des records de portée, notamment en Chine avec le pont de Chaotianmen (552 m de portée, 2009) et le pont de Lupu (550 m de portée, 2003).

Du côté des ponts haubanés ou suspendus, on peut citer le viaduc de Millau (6 travées de 342 m de portée, 2001-2004), le 3^ème pont sur le Bosphore, le pont Yavuz Sultan Selim (1408 m de portée, 2013-2016) et le pont du détroit des Dardanelles, le pont Canakkale⁶ (2023 m  de portée, 2017-2022).

Les tabliers en acier sont également utilisés en milieu urbain pour le franchissement de fleuve où les contraintes de gabarit de navigation et d’aménagements urbains nécessitent souvent le recours à des tabliers métalliques minces comme dans le cas du 6^ème pont de Bordeaux, le pont Simone-Veil.

La plupart des nouvelles passerelles piétons-vélos sont métalliques et présentent souvent des formes architecturales originales comme la passerelle Simone de Beauvoir à Bercy (2004-2006) ou le franchissement urbain de Pleyel.

Les ouvrages d’art métalliques ont encore de beaux jours devant eux.

¹ L’IESF conserve l’intégralité des mémoires et comptes-rendus des travaux de la Société des ingénieurs civils de France publiés de 1848 à 1925. Ce fond d’archives a été intégralement numérisé par le Conservatoire national des arts et métiers (CNAM) et est accessible sur sa bibliothèque numérique.

² Une poutre en treillis désigne une poutre constituée de deux poutrelles métalliques, appelées membrures, reliées par des diagonales formant des croisillons.

³ La ductilité est la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre.

⁴ L’encorbellement consiste à construire l’arc sans cintre ni échafaudage. Chaque portion d’arc en cours de construction s’appuie sur la portion précédemment construite. L’arc se construit donc en porte-à-faux au-dessus du vide, en étant soutenu par des câbles en acier fixés provisoirement au tablier. La construction s’achève lors que les deux parties de l’arc se rencontrent et que la clef est posée.

⁵ Les éléments du tablier métallique sont assemblés sur les deux rives et posés sur des rouleaux ou des appareils d’appuis glissants. Les deux parties du tablier sont ensuite poussées dans le vide au fur et à mesure de la construction, de façon à passer successivement sur les piles déjà construites, et afin que les deux parties du tablier se rejoignent. Cette opération s’appelle le lançage ou le poussage.

⁶ Le pont Canakkale détient actuellement le record du monde de la travée suspendue la plus grande : 2023 m de longueur.

L'interview a été réalisée par le service DSOS de l'Université Gustave Eiffel.