Poutres composées [1/2]

Par le détour d’un voyage en Finlande, avec en tête une certaine approche de l’architecture et des milieux, ainsi qu’une certaine diversité dans la technique des charpentes – diversité impliquée par la nature des éléments de la construction – dont l’origine réside dans la facilité de travail mécanique du matériau bois ¹, l’évocation du gymnase conçu par Alvar Aalto dans la ville finlandaise d’Espoo-Otaniemi (district Suur-Tapiola, à l’ouest d’Helsinki) et inauguré en 1952 ², nous permettra de parler de la technique des poutres composées à âmes pleines, rapprochant ainsi le matériau bois des constructions métalliques utilisant des poutres en I à grands moments d’inertie. Si le principe de ces systèmes est relativement ancien, il faut reconnaître que l’ingénieur Hilding Brosenius a apporté dans sa mise au point un talent hors pair de réalisateur ³ ; nous parlerons donc aussi de cet ingénieur scandinave, de mise en œuvre et de techniques de construction élaborées en Suède, car le point commun entre ces lieux et entre ces concepteurs se trouve dans une série d’inventions, autour d’un système de poutres dites HB, conçues à partir de 1940.

Hilding Brosenius (1905-2004) – inventeur du système de poutres composées qui porte ses initiales (HB) – a suivi des études de génie civil à l’École royale polytechnique de Stockholm [Kungliga Tekniska högskolan – KTH] pour devenir ingénieur. Après quelques années passées dans des bureaux d’études de la capitale suédoise, il reçut en 1935, une offre pour un poste de directeur de la construction au sein de la coopérative d’habitations HSB ⁴. Dans le cadre de ses nouvelles fonctions, Hilding Brosenius concevra les usines créés (ou acquises) par cette coopérative d’habitation comme, par exemple : la manufacture Junohus à Uddevalla, construite en 1939 pour produire des maisons préfabriquées en bois destinées à l’exportation, ou l’entreprise Borohus, fondée en 1928 à Landsbro (vendue à la coopérative HSB en 1936) et connue pour être l’une des plus anciennes entreprises produisant des maisons préfabriquées en Suède ⁵. Grâce à cette opportunité professionnelle Hilding Brosenius s’immergea alors dans les constructions en bois, élabora l’édification de hangars sur les sites de production des manufactures gérées par la coopérative HSB et participa au développement de la production de ces usines en créant, notamment, la poutre HB, qu’il emploiera pour la construction d’entrepôts sur le site de production de Landsbro. Par la suite, de 1958 à 1971, il enseigna à l’École royale polytechnique de Stockholm : école qui l’avait formé.

Des divers procédés techniques inventés par Hilding Brosenius (un nouveau système de chauffage solaire, un système de réfrigération centrale pour les immeubles d’habitations ⁶, des panneaux composites à parements en contreplaqué et éléments intercalaires ⁷, notamment), le système de poutres composées de planches – également dénommé HB-balkar ⁸ – connut l’engouement le plus significatif. Son auteur écrira, à ce titre : de mes diverses inventions, c’est en fait le système de poutre HB qui a principalement été exploité à l’étranger ⁹, pour atteindre, en effet, près de 15 pays où le système trouva des applications pour la mise en œuvre de divers types de constructions. En Belgique, par exemple, la société des Scieries Anversoises [Antwerpse Zagerijen S.A.Z.] – constituée en 1933 – possédait, depuis 1954, le brevet belge des poutres HB. À l’Exposition universelle et internationale de Bruxelles, qui se tint du 17 avril au 19 octobre 1958, huit pavillons ont été édifiés selon ce procédé, parmi lesquels on trouve même un ‘toit suspendu’ pour l’église du pavillon du Vatican. Il s’agit d’un toit à câbles lestés dont les supports latéraux sont en HB. Les poutres porteuses du toit sont des poutres collées dans lesquelles sont intégrés des câbles porteurs dans la direction longitudinale, selon le projet de l’architecte Roger Bastin et l’ingénieur suédois Nils-Eric Lindskoug ¹⁰. En Finlande, le brevet des poutres HB semble avoir été exploité par la société Oy Wilh. Schauman AB ¹¹ ; une collaboration très agréable – selon les mots d’Hilding Brosenius – fut alors engagée avec un homme du célèbre nom Schauman et quelques-uns de ses résultats les plus intéressants peuvent être mentionnés ici ¹² : un entrepôt pour la scierie Westas Pihlava Oy à Pori, constitué d’une structure à double cadre d’une hauteur de 26,5 mètres, ou encore le gymnase construit par l’architecte Alvar Aalto à Espoo-Otaniemi qui était, à l’époque de son édification, un bâtiment techniquement avancé avec les plus grandes travées du monde pour une construction à poutres en bois clouées, à savoir 47 mètres ¹³.

D’après Hilding Brosenius, l’invention se diffusa en Finlande à travers des revues spécialisées dans lesquelles avait été publiés quelques courts articles à son sujet après sa création à l’automne 1939 ¹⁴ ; au cours de l’été 1940, l’auteur – poursuivant l’explicitation de son invention – publia, dans la revue suédoise Teknisk Tidskrift ¹⁵, un article sobrement intitulé HB-balkar.
Sans évoquer ici en détails les rapports entre la Suède et la Finlande au cours de l’Histoire de ces deux pays, le fait que ces revues fussent en langue suédoise ne sembla pas faire obstacle à leur diffusion en Finlande ; dès longtemps, le suédois a été parlé sur le territoire finlandais, ce qui explique probablement la reconnaissance officielle, aujourd’hui dans ce pays, de deux langues, à savoir : le finnois et le suédois. Il ne semble dès lors pas étonnant que l’invention de l’ingénieur Hilding Brosenius ait pu être adoptée par de proches voisins ; elle le fut, en tout cas, de façon spectaculaire pour la conception du gymnase construit à Espoo-Otaniemi.
Hilding Brosenius mentionne dans son livre intitulé En uppfinnare minns, que ce fut l’architecte Alvar Aalto qui le contacta pour ce projet, non l’inverse ; de cet échange, l’ingénieur écrira : j’ai constaté au cours de nos conversations à quel point il m’impressionnait ¹⁶. À la lecture de son ouvrage, ce qui paraît avoir marqué Hilding Brosenius semble être la capacité d’Alvar Aalto à intégrer les enjeux techniques du bâtiment dans le dessin de l’architecture ; pour l’ingénieur suédois, Alvar Aalto cherchait à combiner les problèmes d’ingénierie – et, plus particulièrement ici, la statique et la résistance des matériaux – à ses intuitions architecturales. Pour l’élaboration du gymnase, Hilding Brosenius dit avoir discuté avec l’architecte de la conception architecturale du système de poutre ¹⁷, en particulier pour la mise en œuvre et l’incorporation de raidisseurs spéciaux de flambage ¹⁸ ; car, au regard de la portée des plus grandes poutres couvrant la salle de sport (47 mètres) un élancement ¹⁹ conséquent desdites poutres s’avéra nécessaire (3,36 mètres). Ce renforcement des poutres, par des raidisseurs de flambage, apparut donc incontournable et la question fut alors pour l’architecte de trouver la manière la plus satisfaisante (du point de vue de l’apparence) de les intégrer. Alors qu’Hilding Brosenius mentionne que la plupart des autres constructions finlandaises ont été en grande partie conçues par les ingénieurs des entreprises titulaires de la licence d’exploitation du brevet, dans le cas du gymnase d’Espoo-Otaniemi, un rapport plus étroit entre l’architecte Alvar Aalto et l’ingénieur-inventeur Hilding Brosenius parut se nouer, au début des années 1950, tant et si bien que ce dernier se dira d’ailleurs heureux d’avoir rencontré le célèbre homme et d’avoir eu une discussion si approfondie avec lui ²⁰.
En outre, il est à souligner que, dans ce cas précis, la collaboration entre architecte et ingénieur s’avère d’autant plus nécessaire que le programme amène à envisager des efforts dans les structures qui sont considérables et que les questions statiques et dimensionnelles apparaissent primordiales. Aussi, de par la dimension des éléments : la hauteur de la poutre au faîte de la charpente est de 3,36 m ²¹, et de par l’importance de la portée libre des poutres, la fabrication d’une telle structure en bois n’est pas sans questionner.
Dans un article, paru en 1953 dans la revue Unasylva, quelques éléments viennent éclairer la mise en œuvre de la structure de ce gymnase : ces fermes furent fabriquées dans trois usines situées en différentes parties de la Finlande, toutes produisant des maisons préfabriquées, et furent transportées à Helsinki. À leur arrivée sur le chantier, elles furent assemblées sur un plan horizontal, une par une, et clouées au marteau pneumatique. Elles furent ensuite levées verticalement et transportées à leur emplacement définitif par des chariots roulants sur trois voies parallèles à l’édifice ²². La position de chacune de ces fermes en bois avait été définie et matérialisée, en amont du levage, par la mise en œuvre de sabots métalliques ancrés dans des massifs de fondation en béton, visibles à la base de leur piétement.

Les quelques précisions données sur la marche du chantier par l’auteur de l’article, laissent entrevoir l’un des problèmes majeurs de toute construction d’envergure : la question du transport des différents éléments la constituant. L’un des avantages du procédé technique proposé par l’ingénieur Hilding Brosenius réside, ici, dans la possibilité de fabriquer par morceaux ces fermes de bois, afin de les assembler in situ, mais aussi d’assembler – par un procédé particulier – des tronçons de poutres en garantissant leur résistance par la parfaite transmission des efforts d’un élément à l’autre.

Au tournant des années 1940, Hilding Brosenius déposait, en Suède, un premier brevet pour les poutres HB ; celui-ci consistait en un moyen d’agencer et d’assembler des planches pour constituer des poutres droites. Ces planches – de bois résineux : ressource locale abondante – constituent un matériau renouvelable, issu de la production des scieries suédoises qui, à la fin du XIX^e siècle, se modernisèrent. Au sortir des usines, sont disponibles des éléments standards d’une longueur d’environ 4 mètres pour une largeur moyenne de 5 à 6 pouces (soit 127 mm à 152 mm ²³) et une épaisseur de 1 pouce environ (soit 22 mm pour une planche rabotée et 25 mm pour une planche non rabotée ²⁴).
Par la mise au point de la poutre HB, la volonté de l’ingénieur Hilding Brosenius était de trouver une alternative à la construction de fermes traditionnelles, afin d’augmenter la portée libre des charpentes de bois ; cette recherche ouvrait aussi une voie à la normalisation de la construction passant par une meilleure maîtrise du dimensionnement et du calcul des structures. Enfin, l’invention allait aussi permettre d’envisager la question de l’optimisation des coûts de construction par la réduction du nombre de pièces de liaison nécessaires dans la fabrication des fermes d’alors, et qui étaient devenues principalement métalliques : plaques, boulons, rondelles, tiges filetées, etc.
Dès le début des années 1930, diverses expériences avaient été menées en Allemagne sur les assemblages à clous dans la construction en bois ²⁵, qui démontraient déjà les propriétés de résistance de ces structures de fabrication simple et peu coûteuse, ainsi que leur capacité à supporter d’importantes charges. Hilding Brosenius se servit des résultats de ses confrères allemands pour proposer l’invention qu’il nomma HB-balkar, c’est-à-dire : l’élaboration d’une poutre en bois, reconstituée, dont l’âme est formée de deux ou plusieurs couches de planches ²⁶ se croisant en diagonale, et dont les ailes sont composées de deux ou plusieurs couches de planches superposées ²⁷ ; invention pour laquelle – selon un principe similaire à celui des ingénieurs allemands – Hilding Brosenius proposa de clouer à l’âme les ailes de la poutre.
Peu avant le dépôt du brevet d’Hilding Brosenius, l’ingénieur Felix Fonrobert proposa le dessin d’une poutre semblable, qu’il publia dans l’édition datée de 1940 de son ouvrage intitulé Grundzüge des Holzbaues im Hochbau (Berlin : Wilhelm Ernst & Sohn).
Il est indéniable que la proposition de Felix Fonrobert fût connue de l’ingénieur suédois Hilding Brosenius, qui y fera référence dans le rapport sur la poutre HB qu’il publiera en 1990.
La différence entre ces deux poutres réside essentiellement dans la manière de réaliser l’assemblage des planches : si, dans le cas de la poutre de Felix Fonrobert, les ailes sont constituées de planches clouées à l’âme par recouvrements successifs, dans le cas de la poutre HB, les clous solidarisant les planches des ailes aux planches de l’âme sont enfoncés à partir de la planche externe d’une aile, unissant ainsi toutes les planches de la poutre en une seule fois ; et si les semelles des poutres de Felix Fonrobert sont composées de planches disposées verticalement et horizontalement de part et d’autre de l’âme, celles d’Hilding Brosenius sont constituées de planches uniquement mises en œuvre verticalement.

Si l’invention de la poutre HB rencontra un certain succès au sortir de la Seconde Guerre mondiale, il faut reconnaître qu’elle était le fruit d’expériences qui dépassèrent largement les frontières de son territoire d’origine ; Hilding Brosenius le reconnaissait lui-même volontiers en citant dans ses ouvrages les essais allemands relatifs aux planches clouées.
Sans qu’il soit question de démontrer quelque paternité, ni même l’efficacité ou la prééminence d’un procédé par rapport à l’autre, cette concomitance des recherches, la publication des découvertes et la circulation des idées relatent – surtout – une forme d’émulation technique, alors à l’œuvre.

Aussi, pour l’ensemble de ces raisons, nous a-t-il semblé que le procédé constructif mis au point par Hilding Brosenius méritait d’être présenté, dans cette première partie, et explicité plus en détail, dans la seconde partie de cet article, en prenant aussi appui sur la réalisation d’Alvar Aalto.
Parmi les édifices qui constituent l’œuvre de cet architecte finlandais, cet équipement – relativement peu publié – est l’un des premiers construits dans ce quartier d’Espoo-Otaniemi : mis en service au début de février 1952 ²⁸, peu avant l’ouverture des Jeux olympiques d’été organisés à Helsinki du 19 juillet au 3 août de la même année, les sportifs purent [alors] commencer à s’entraîner dans le hall ²⁹.

 

1. Robert Le Ricolais, La technique du bois : nouvelles charpentes en Suède, L’Architecture d’Aujourd’hui, n° 10, mars 1947. retour
2. Juste après la Seconde Guerre mondiale, il fut décidé de déplacer l’université Technologique d’Helsinki sur le site d’Espoo-Otaniemi ; l’architecte Alvar Aalto (1898-1976) remportera, en 1949, la compétition alors organisée pour le dessin de ce nouveau campus universitaire, où il construira ensuite un certain nombre de bâtiments. Cependant, le gymnase dont il sera question dans cet article est en lien avec les Jeux Olympiques organisés en 1952 à Helsinki et servait, dans ce cadre, de lieu d’entraînement pour les sportifs. retour
3. Robert Le Ricolais, La technique du bois : nouvelles charpentes en Suède, op. cit.
   Le terme moment d’inertie employé par Robert Le Ricolais (1894-1977) renvoie à la notion de résistance, en particulier à la difficulté de mettre le système en rotation. retour
4. Les initiales HSB correspondent à Hyresgästernas sparkasse-och byggnadsförening, que l’on pourrait traduire en français, par Caisse d’épargne des locataires et association du bâtiment. Il s’agit de la plus grande coopérative d’habitations de Suède, créée en 1923 – suite à la crise du marché immobilier à Stockholm pendant la Première Guerre mondiale – à l’initiative de l’architecte Sven Wallander (1890-1968). Dès sa création, cette coopérative fut pionnière dans le développement du logement en Suède en proposant un certain nombre d’équipements : salles de bains dans chaque appartement ou buanderies partagées, par exemple. retour
5. Sur le site de Landsbro, le point de départ est une scierie fondée en 1896 par Emil Johansson ; après sa mort en 1915, ses enfants dirigent l’entreprise et commencent la production de maisons préfabriquées en 1923 (source : Jönköpings läns museum, rapport de Britt-Marie Börjesgård (daté de 2017) sur la zone industrielle de Landsbro). retour
6. Ce procédé est décrit dans la revue L’Architecture d’Aujourd’hui, n° 36, août 1951. retour
7. Ce brevet d’invention sera demandé, en France, le 23 octobre 1941 sous le numéro 876.313 et délivré le 27 juillet 1942. retour
8. Balkar signifie poutre en suédois. retour
9. Hilding Brosenius. En uppfinnare minns. Stockholm : Carlssons, 1999. Un inventeur se souvient, telle pourrait être la traduction française du titre de cet ouvrage ; dans ce livre, l’auteur revient sur l’ensemble de ses inventions. retour
10. Rika Devos, Nouvelle image pour un matériau connu. La promotion et l’utilisation du bois comme matériau de construction moderne à Bruxelles, Actes de la journée d’étude du 7 juin 2011 organisée dans le cadre de l’exposition Bruxelles, prouesses d’ingénieurs tenue au CIVA du 20 mai au 2 octobre 2011 : Le patrimoine d’ingénierie – 150 ans d’innovations structurales à Bruxelles. retour
11. Dans son ouvrage, Hilding Brosenius ne mentionne pas précisément le nom de cette société mais indique que son concessionnaire du nom de Schauman est un industriel à la tête d’une société finlandaise de construction de maisons en bois et précise par ailleurs un lien de parenté avec Eugen Schauman (1875-1904) qui assassina, le 16 juin 1904, au Sénat, à Helsinki, Nikolaï Bobrikov (1839-1904), gouverneur-général du grand-duché de Finlande. La société Oy Wilh. Schauman AB, quant à elle, constituée en 1937, est issue de la réunion de plusieurs usines créées par l’industriel Wilhelm Schauman (1857-1911) : la première usine de contreplaqué de Finlande fondée en 1912 à Jyväskylä, puis, dans les années 1920, une usine de carton à Savonlinna et une scierie à Joensuu. La société Oy Wilh. Schauman AB construira des maisons en bois, dans les années 1940, dans la région de Savonlinna. retour
12. Hilding Brosenius. En uppfinnare minns. op. cit. retour
13. Ibid. retour
14. Ibid. retour
15. Nous renvoyons ici au fascicule numéro 6, daté du 22 juin 1940. La revue Teknisk Tidskrift, fondée en 1871, relatait les résultats de recherches issues de divers domaines comme la technologie ou l’ingénierie. retour
16. Hilding Brosenius. En uppfinnare minns. op. cit. retour
17. Ibid. retour
18. Dans le domaine de la résistance des matériaux, le flambage (ou flambement) est la tendance qu’a une poutre sollicitée en compression à se déformer sous une charge dans une direction perpendiculaire à l’axe de compression, et ainsi perdre sa résistance. retour
19. Dans une poutre, dont le profil dessine un I, l’élancement définit la hauteur de ladite poutre, qui est constituée d’une âme (partie centrale verticale) et de deux ailes (ou semelles) qui sont les parties horizontales (l’une supérieure, l’autre inférieure) qui définissent la largeur. retour
20. Hilding Brosenius. En uppfinnare minns. op. cit. retour
21. Heimo Rahtu, Les constructions en bois aux Jeux olympiques, revue Unasylva, volume 7, n° 1, mars 1953. retour
22. Ibid. retour
23. Source : Hilding Brosenius. HB-BALKEN – Projektering, beräkning, provning och tillverkning (rapport). Stockholm : Statens råd för byggnadsforskning, 1990 [le titre de ce rapport pourrait être traduit : Poutre HB – Conception, calcul, essais et fabrication]. Ce rapport bénéficia d’une subvention de recherche octroyée, à son auteur, par l’Agence nationale suédoise pour la recherche sur le bâtiment.
    Les épaisseurs des planches (rabotées et non rabotées) indiquées par Hilding Brosenius correspondent à la production suédoise ; en Finlande, les planches rabotées semblent légèrement moins épaisses. retour
24. Ibid. retour
25. Pour relater certaines des expériences menées en Allemagne, nous pouvons citer quelques articles (parmi de nombreux) : Wilhelm Stoy, Über Versuche mit Drahtstiften als Holzverbindungsmittel [À propos d’expériences de clouage comme moyen d’assemblage des bois], revue Deutsche Bauzeitung, tome 64, 1930 ; Ernst Gaber, Statische und dynamische Versuche mit Nagelverbindungen [Essais statiques et dynamiques sur des assemblages cloués], revue Versuchsanstalt für Holz, Stein und Eisen, n°3, 1935 (Technischen Hochschule Karlsruhe). L’ingénieur Felix Fonrobert travailla également, au milieu des années 1930, sur des systèmes de poutres en bois clouées. Un ouvrage, traduit en français et intitulé Le clou dans la construction, sera publié par Wilhelm Stoy et Felix Fonrobert en 1939 (réédité en 1951), aux Éditions de la Librairie Polytechnique Ch. Béranger (une première édition de ce livre parut, dès 1933, avec Wilhelm Stoy et Erich Seidel comme auteurs) ; cet ouvrage contient une bibliographie détaillée au sujet des assemblages à clous dans la construction en bois. retour
26. Pour apporter quelques précisions sur les planches à employer, ainsi que sur leur traitement, Hilding Brosenius préconise d’utiliser du bois séché à la vapeur : ce principe de séchage consiste à faire circuler (dans un espace clos) un courant d’air chaud et humide entre les planches pour absorber l’humidité du bois ; l’évaporation étant ainsi temporisée, ce procédé a la particularité de ne pas faire se fendre le bois. Après quoi l’ingénieur préconise l’application de deux couches d’huile de lin pour limiter la capacité des poutres à absorber l’humidité. retour
27. Brevet n° 111 493, accordé en Suède le 15 juin 1944 et publié le 15 août 1944, sous le titre : Anordning för skarvning av flänsbalkar av trä [Dispositif pour réunir des poutres à semelles (ou ailes) en bois]. retour
28. Heimo Rahtu, Les constructions en bois aux Jeux olympiques, op. cit. retour
29. Ibid. retour