Arcs et voûtes : comment les édifices portent leur toit

Un arc est une construction courbe de pierres en forme de coin qui porte une charge au-dessus d’une ouverture en pressant les pierres les unes contre les autres. Une voûte est un arc élargi en toit ou en couvrement de pierre. Arcs et voûtes permettent de couvrir de grandes salles sans poutres de bois.

Faits

L’arc : comment il fonctionne

Une poutre de pierre droite ne peut franchir une grande distance, car la pierre résiste à la compression mais mal à la traction, et la poutre se fend au milieu. L’arc résout le problème en retournant les forces de façon que toutes les pierres se pressent les unes contre les autres. Les claveaux en forme de coin viennent de deux côtés et se rejoignent à la clef au sommet. Quand la clef est en place, l’arc se verrouille par son propre poids. C’est pourquoi on peut franchir de grandes ouvertures avec de petites pierres.

Mais un arc pousse aussi sur le côté. Les appuis doivent donc être lourds et stables, ou un contrepoids doit reprendre la poussée latérale. La base de toute construction voûtée est la lutte entre poids et contrepoids. Voir les parties de l’édifice sous arcs et voûtes.

Les Romains : l’arc en plein cintre et le béton

Les Romains firent de l’arc en plein cintre leur marque. On le voit partout, dans les étages d’aqueducs comme le pont du Gard et dans la façade du Colisée, où des arcades portent les gradins. Ils inventèrent aussi la voûte d’arêtes, où deux voûtes en berceau se croisent à angle droit, et, avec le béton romain, purent bâtir des coupoles d’une taille énorme.

La coupole du Panthéon de Rome, achevée vers 125 apr. J.-C., a une portée de 43,3 mètres et reste la plus grande coupole en béton non armé du monde. Le béton s’amincit et s’allège vers le sommet, et au milieu de la coupole se trouve une ouverture, l’oculus. C’est l’art de bâtir romain dans sa forme la plus célèbre ; voir le guide de l’architecture romaine.

Les voûtes médiévales : roman et gothique

Dans l’architecture romane, on employait des voûtes en berceau et d’arêtes en pierre au-dessus des églises, par exemple dans la cathédrale de Spire. Elles exigent des murs épais et de petites fenêtres. À Durham, l’une des premières grandes voûtes d’ogives d’Angleterre fut bâtie vers 1093–1133 : des nervures de pierre sont tendues en diagonale et remplies de panneaux de pierre plus légers, ce qui allège la voûte.

Le gothique poussa plus loin la voûte d’ogives et la combina avec l’arc brisé. L’arc brisé pousse plus directement vers le bas que l’arc en plein cintre, ce qui permet de bâtir plus haut et plus étroit. La poussée latérale est conduite par des arcs-boutants vers des piliers, et les murs peuvent s’ouvrir en grandes fenêtres ; voir Saint-Denis. La façon de faire est décrite dans les guides sur la construction et sur la manière de reconnaître le gothique.

Coupoles, éventails et modernité

La coupole est une voûte qui tourne autour d’un axe. Les architectes byzantins plaçaient des coupoles sur des salles carrées par des pendentifs à Sainte-Sophie ; voir l’architecture byzantine. Brunelleschi bâtit en 1420–1436 la coupole de la cathédrale de Florence, la coupole de Florence, à deux coques et briques posées en épi, si bien qu’on put l’élever sans cintre de bois complet.

En Angleterre se développa la voûte en éventail, où les nervures s’ouvrent comme un éventail ; la chapelle de King’s College à Cambridge, bâtie en 1446–1515, en possède l’une des plus célèbres. Antoni Gaudí employa à la Sagrada Família des chaînes suspendues pour trouver les formes idéales : une chaîne librement suspendue donne une chaînette qui, retournée, devient un arc en pure compression. Voir aussi le guide sur Gaudí et la cathédrale.

Comment le reconnaître

Exercice

Comment s’appelle la pierre du sommet qui verrouille un arc ?