Nous annonçons la création de BESTREMA, un bureau d'études structure basé à Paris, spécialisé dans les monuments anciens. Un des objectifs de cette société est de participer à la diffusion des connaissances sur la structure des monuments anciens auprès du grand public.

Les nouveaux articles que nous écrirons seront désormais mis en ligne sur bestrema.fr. Les anciens articles qui ont déjà été publiés ces deux dernières années resteront à votre disposition sur Combien ça porte. Nous vous remercions d'avoir suivi ce blog, et nous remercions tout particulièrement les lecteurs qui ont partagés avec nous leurs observations sur les structures des monuments anciens.


21 mars 2013

Opéra Garnier - structure de la salle de concert

1  Le nouvel Opéra de Paris

Le nouvel Opéra de Paris, qui est connu aujourd'hui sous le nom de Palais Garnier, a été construit sous la direction de Charles Garnier entre 1861 et 1875, avec une interruption entre 1870 et 1873. Une grande salle entourée d'une galerie circulaire, le vestibule circulaire, est située exactement sous le parterre de la grande salle de concert de l'opéra. La voûte de cette salle semble reposer sur seize colonnes, qui séparent l'espace central du vestibule de la galerie. Malgré les apparences, cette voûte n'est pas porteuse. En stuc, elle masque un grand plancher métallique circulaire.
La structure porteuse du plancher bas de la grande salle de concert est donc complètement cachée aux yeux du visiteur. Au musée d'Orsay, la grande maquette du Palais Garnier qui coupe ce plancher en son centre, ne laisse rien deviner non plus de la structure du plancher, qui n'est pas représentée (Fig. 1). D'autres éléments porteurs métalliques essentiels pour la stabilité de la grande salle de l'opéra ne sont pas représentés.
Les structures porteuses principales de la grande salle de concert sont des colonnes en fonte et des poutres métalliques (probablement en fer puddlé). Complètement masqués par les décors, l'Opéra a aujourd'hui les apparences d'une structure maçonnée, alors que du sol du parterre au niveau de la coupole intérieure, les éléments porteurs principaux sont métalliques.
Nous ne disposons pas d'informations privilégiées sur l'opéra Garnier. On trouve aujourd'hui en libre accès sur internet l'ensemble des informations qui permettent de redécouvrir cette structure cachée. Les liens sont donnés dans la bibliographie et avec les photos d'archives.
Nous allons donc retrouver la trace de la structure de la salle de concert de l'opéra par le biais de ces sources historiques. Nous parlerons dans la suite :
  • des colonnes de la salle de concert, qui bien qu'étant les seuls éléments porteurs soulignés par les décors... ne portent en réalité qu'une très faible partie des charges. Ces colonnes sont visibles sur les figures 1 et 2, et indiquées par des points jaunes sur le plan 4.
  • du plancher bas de la salle de concert (représenté schématiquement sur la figure Fig. 1)
  • des colonnes creuses en fonte des loges, située dans le murs séparant les loges du couloir extérieur. Elles sont localisées sur le demi-cercle extérieur bleu de la (Fig. 3)
  • du plancher à bascule des loges
Fig 1: Maquette de l'opéra Garnier, Richard Peduzzi, musée d'Orsay
d'après photo de Benh Lieu Song / Wikimedia Commons / GFDL
Fig 2: Vue de la salle de concert depuis la scène
d'après Nuitter 1875 [5]
Fig 3: Plan au niveau du vestibule circulaire
d'après Nuitter 1875 [5]
Fig 4: Plan au niveau des premières loges
d'après Nuitter 1875 [5]
Les photos que nous utiliserons dans la suite pour la description des structures sont présentées ci-dessous, par ordre chronologique. Ce sont des épreuves sur papier albuminé datant de la construction, attribuées à Louis-Emile Durandelle. Outre ces photos, on doit entre autres à Durandelle les fameuses photographies des différentes phases de construction de la tour Eiffel.
Fig 5: Vue du vestibule circulaire et du plancher du parterre - 25/03/1864
Fonds Delmaet et Durandelle - Bibliothèque numérique INHA - 2
Fig 6: Vue des couloirs du parterre - 14/05/1864
Fonds Delmaet et Durandelle - Bibliothèque numérique INHA - 2
Fig 7: Photo sans titre - Vue de la grande salle de concert
Fonds Delmaet et Durandelle - Bibliothèque numérique INHA - 2
Fig 8: Vue de la charpente métallique avec des ouvriers
Fonds Delmaet et Durandelle - Bibliothèque numérique INHA - 2
Fig 9: Vue de la salle prise de la scène
Fonds Delmaet et Durandelle - Bibliothèque numérique INHA - 2
Fig 10: La cage de scène1
Fonds Delmaet et Durandelle - Bibliothèque numérique INHA - 2

2  Plancher métallique en parapluie

Le plancher du parterre de la salle de concert est situé au dessus du vestibule circulaire. Il est décrit par Denfer dans le premier tome de son ouvrage sur la charpenterie métallique (1894 [1]). C'est un plancher polygonal à 16 pans, de 23mètres de portée. Il est formé de poutres rayonnantes s'assemblant sur une enrayure polygonale. Les poutres sont en tôles et cornières rivetées. Ce plancher apparaît sur les photos 5, 7 et 12, et il a donc probablement été construit en 1863-1864.
Garnier indique que douze grandes baies permettaient l'accès au vestibule circulaire. Certaines de ces baies sont aujourd'hui fermées par des miroirs.
Seize colonnes séparent l'espace central du vestibule de la galerie. Sur le plan 3, le cercle bleu intérieur représente l'axe de ces colonnes, le cercle extérieur l'axe des colonnes en fonte dont nous parlerons plus loin, et le cercle intérieur la limite du vestibule circulaire. Les colonnes ne sont pas mises en place pour diminuer la portée du plancher : Garnier précise que leur fonction est de diminuer l'impression d'écrasement que créé une grande pièce avec une faible hauteur sous plafond, en divisant l'espace entre une pièce centrale et une galerie ou portique (Garnier 1878 [2, p.313-314]).
Ainsi les colonnes sont en pierre rouge de Sampan, les arcs en pierre de Saint-Ylie, mais la voûte d'arête annulaire qui contourne le vestibule est un enduit en stuc.
Fig 11: Plancher bas de la salle de l'Opéra à Paris
d'après Denfer 1894 [1] - scanné par la BNF
Fig 12:
Agrandissement de la photo 9
Le plancher fonctionne comme une série de fermes composées de deux arbalétriers, avec une très faible flèche2 : environ 1m75 pour 23m de portée. Les pieds des arbalétriers poussent vers l'extérieur, et les tirants rayonnants habituels sont remplacés par une ceinture circulaire. Cette ceinture est composée de gros fers rectangulaires, dont le dimensionnement a posé de grandes difficultés3. Ces fers sont assemblés bout à bout par des assemblages à clés (assemblages visibles sur les agrandissements 13 et 14).
Outre cette ceinture, les solives qui forment des cercles concentriques contribuent peut-être également à cet effet de chaînage.
Le liaisonnement entre la ceinture en gros fers rectangulaires et les pieds d'arbalétriers n'est pas visible sur les photos, mais on imagine facilement les efforts très importants dont il faut répartir les actions au niveau des abouts des pieds d'arbalétriers. On aperçoit un épais sabot en fonte sur la Fig.  dont le rôle est probablement de répartir au mieux la charge verticale sur la pierre de taille, et surtout de permettre cet assemblage entre pied d'arbalétrier et ceinture pour la transmission des efforts horizontaux.
Après la mise en place de la ceinture, cette dernière a disparu par endroit sous les massifs de briques qui ont été maçonnés autour des abouts des arbalétriers (avant construction du massif brique Fig. 13 - après construction du massif brique Fig. 14)
Fig 13: Sabot et ceinture
Vue depuis l'intérieur du vestibule circulaire
Agrandissement de la photo 5
Fig 14: Sabot et ceinture
Vue depuis l'extérieur et au dessus du niveau du vestibule circulaire
Agrandissement de la photo 6

3  Colonnes creuses en fonte

Dans son ouvrage de 1881, Garnier décrit en ces termes les colonnes creuses en fonte qui forment s'ossature verticale de la salle de concert : une partie de la construction que personne ne peut plus soupçonner, puisqu'elle est cachée maintenant par des cloisons et des tentures.
Ces piles portent des efforts très importants : une bonne partie des charges des planchers des loges et des couloirs qui les desservent, les maçonneries des combles, la charpente du dôme métallique extérieur... Elles sont formées de deux colonnes creuses principales de 500mm de diamètre et 35 mm d'épaisseur, auxquelles sont accolées une successions de colonnes creuses en fonte plus petites de 200mm aux étages inférieurs et 160mm aux étages supérieurs (dimensions indiquées par Garnier 1881 [3]).
Fig 15: Colonnes creuses en fonte des loges en cours de construction
Agrandissement de la photo 6
L'assemblage des colonnes les unes au dessus des autres par un système de rainures et de coliers circulaires en fer est décrit avec détails par Garnier. Il précise les précautions importantes qu'il s'imposa pour s'assurer de la qualité de la mise en oeuvre. Par exemple sur les 72 tronçons de colonnes de 500mm de diamère mis en œuvre, 7 furent refusés et remplacés car leurs dimensions n'étaient pas conformes à celles attendues. La variation d'épaisseur admise par Garnier était de +/- 2mm (Garnier 1881 [3]).
Les photos n'illustrent pas complètement le système constructif en place, puisque Garnier mentionne l'ajout d'étais en fer forgé sur les angles des piles formés par les colonnes après que ces dernières aient été chargées pendant un an.
A cet effet j'ai pris le parti de doubler, pour ainsi dire, la force des supports, en leur adjoignant des espèces d'étais en fer forgé, qui, à eux seuls déjà et étant suffisamment reliés entre eux, pouvaient, le cas échéant, soutenir la charge permanente de tout l'ensemble. Je laissai d'abord pendant près d'un an tous les tassements qui pouvaient se faire produire leur effet, et à vrai dire, je n'en ai constaté aucun, et c'est alors que j'armai les quatre angles de chaque pile par des supports en fer de 0m12 de côté. Ces supports placés bout à bout au moyen de surface polies et dressées, reposant sur des feuilles de plomb et entourées de frettes carrées, serrées à force de coins, étaient reliés de mètre en mètre par des ceintures de fer à boulons, empêchant tout fléchissement extérieur, tandis que les parties comprises entre les colonnes et ces supports d'angles, étaient remplies en brique de Bourgogne, coulées en ciment, et garnies d'une sorte de fourreau coulé, lui en plâtre, de façon à ce que la dilatation de celui-ci serrât aussi les supports à l'intérieur et empêchât également un autre fléchissement intérieur. Cet arrangement donnait une rigidité complète à l'ensemble, qui fut arrêté sous les filets supérieurs au moyen de gaînes et serrés par des cales dressées et enfoncées par un système de vis à grand bras de levier.
Garnier 1881 [3, p. 206]

4  Plancher à bascule des loges

Les planchers des loges ne sont pas portés par les colonnes décoratives qui donnent l'impression de porter la coupole (colonnes visibles sur la Fig. 2) Ils sont portés par de discrets poteaux en fonte intégrés aux cloisons séparatrices des loges. La partie du plancher proche de la rambarde est soumise à un porte-à-faux sur le dernier poteau intégré à la cloison, qui se trouve en retrait par rapport à la rembarde, afin de ne pas géner la vues des spectateurs. Garnier parle pour désigner ces plancher de plancher à bascule. Les poteaux en fonte et la poutre à inertie variable permettant le porte-à-faux sont visibles sur la Fig. 9
Fig 16: Plancher à bascule des loges
Agrandissement de la photo 9
Une photo d'un plancher situé en retrait par rapport à la salle de concert donne des détails intéressants de la mise en oeuvre de ces planchers métalliques à hourdis plâtre (Fig. 8). On peut y voir :
  • L'appui des abouts de solives sur les poutres. Cet appui est assuré à la fois par une cornière rivetée à la poutre qui réceptionne les abouts des solives, et par des morceaux de cornières boulonnées (Fig. 17)
  • les solives cintrées. Livrées ainsi sur le chantier, elles étaient disposées de façon à présenter une contre-flèche lors de la construction (Fig. 18)
  • Les entretoises. Ces dernières sont des barres en fer coudées de manière à s'accrocher sur l'aile supérieure des solives (voir Fig. 20 pour la définition des entretoises et des fentons). Sur la figure 19, les entretoises sont en place au premier plan, avec également le coffrage pour permettre le hourdage. A l'arrière plan, le coffrage n'est pas encore en place, et deux ouvriers semblent être occupés (peut-être à la demande du photographe) à peindre les entretoises qu'il reste à placer, pour les protéger de la corrosion. Aucun fenton n'est visible sur cette photo.
Fig 17: Appui des solives sur une cornières rivetées à la poutre
Agrandissement de la photo 8
Fig 18: Vue des poutrelles cintrées
Agrandissement de la photo 8
Fig 19: Entretoises avant mise en place des fentons
Agrandissement de la photo 8
Fig 20: Treillage métallique d'un hourdis en auget - A. solive B. entretoise C. fentons
d'après Jolly et Joly (1863 [4])
scanné par la BNF

5  Conclusion

Il aurait été difficile de comprendre les photos du chantier de la construction sans le texte de Garnier, qui apporte des précisions sur des éléments non visibles car pas encore en place lors des photos. Réciproquement les photos de ce chantier permettent d'observer certains éléments qui ne figurent pas sur les documents écrits que nous avons retrouvés (les sabots en fonte qui permettent l'assemblage de la ceinture et des arbalétriers du plancher haut du vestibule circulaire par exemple).
Nous aurions du accompagner notre description des structures d'un certain nombre de précautions oratoires pour tenir compte des nécessaires modifications, corrections, réparations, transformations qui accompagnent la construction puis la vie de la structure, et qui entraînent de nécessaires incertitudes sur les structures en place aujourd'hui. Nous avons mis de côté ces précautions pour rendre la lecture de ce descriptif plus agréable. Il est donc utile de rappeler que l'ensemble de ces observations se base uniquement sur des sources écrites qui peuvent parfois de fiabilité, et que naturellement notre description manque de l'éclairage qu'apporterait la confrontation de ces sources aux structures effectivement relevées sur place.
Cet article est finalement un exemple limité de l'ensemble des informations que l'on peut réunir sur les monuments les plus prestigieux pour lesquels il existe des informations disponibles sur internet grâce aux campagnes de numérisation du patrimoine (livres, plans, photos) menées ces dernières années. Il pourrait être étendu à d'autres zones du Palais Garnier, et très certainement précisé à partir de nouvelles informations qu'il reste à trouver dans les archives.
Nous mentionnerons pour terminer quelques sites particulièrement intéressants pour tous ceux intéressés par le Palais Garnier :
 
Article mis en ligne le : 21/03/2013.

Bibliographie

[1]
J.  DENFER : Charpenterie métallique - Menuiserie en fer & Serrurerie, vol. 1 de Encyclopédie des travaux publics. Gauthier-Villars, Paris, 1894. URL http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k910002.
[2]
C.  GARNIER : Le nouvel Opéra de Paris, vol. 1. Ducher et Cie, Paris, 1878. URL http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5550798q.
[3]
C.  GARNIER : Le nouvel Opéra de Paris, vol. 2. Ducher et Cie, Paris, 1881. URL http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k55553962.
[4]
C.  JOLLY et T.  JOLY : Études pratiques sur la construction des planchers et poutres en fer, avec notice sur les colonnes en fer et en fonte. Dunod, Paris, 1863. URL http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5819280q.
[5]
C.  NUITTER : Le nouvel opéra. Hachette, Paris, 1875. URL http://archive.org/details/lenouveloperanui00nuit.

Notes:

1 Nous n'avons pas pu localiser précisément cette photo. Elle pourrait correspondre à la partie haute de la grande salle de concert avant la construction de la coupole intérieure, comme le suggèrent les poutres treillis du plafond associées aux colonnes en fonte disposées en arc de cercle.
2 La flèche est la différence de hauteur entre la tête et le pied de ces arbalétriers
3 Garnier rapporte l'anecdote suivante sur les difficultés rencontrées pour dimensionner ces ceintures. "Me trouvant en désaccord avec l'entrepreneur de serrurerie sur les dimensions à donner à ces ceintures, je pris le parti de demander avis à l'un des mathématiciens les plus consciencieux. Son évaluation différait encore des deux nôtres ; je fis alors in petto comme une espèce de concours entre diverses sommités d'ingénieurs de l'État ou d'ingénieurs civils, en leur posant le problème à résoudre ; et j'arrivai à ce résultat que, sur six solutions, j'obtins six résultats différents ! naturellement chacun faisait bien les calculs exacts ; mais ce qui différait, c'était la méthode, les conditions d'équilibre statique, la résistance des fers, la répartition des forces, etc. Me voilà assez embarrassé ! Un général d'artillerie, bien connu, à qui je soumis le cas, me donna comme recette de faire d'abord le plancher, puis de faire venir un bataillon de soldats, et de les faire danser dessus en mesure, et en marquant le pas ; si cela résistait ainsi, le plancher était bon ! - Oui ; mais s'il s'effondrait ? Je trouvai le conseil peu pratique. J'envoyai au diable toutes les formules, et me fiant à mon instinct, je donnai aux ceintures les dimensions qui me semblaient convenables pour défier toute rupture. Au fait, ce plancher a été éprouvé maintes fois, non-seulement dans les bals, mais encore pendant la construction, où il servait de chantier et était rempli de matériaux fort lourds et d'échafaudages qui, à eux seuls, valaient le poids de tous les spectateurs. L'épreuve a donc été faite sans prendre un bataillon de soldats, et l'on peut danser sur ce plancher sans craindre de passer au travers." (Garnier 1881 [3])