Pour palier les inconvénients liés au couvrement en bois que nous avons évoqués dans le chapitre « la charpente », les architectes médiévaux ont développé de façon intensive le couvrement des édifices religieux en voûtes de pierre.

La voûte en berceau fut la première à être généralisée car elle est facile à concevoir et à construire du point de vue de la géométrie. Cette technique était déjà connue depuis les Égyptiens pour couvrir des entrepôts de grains et elle a été largement utilisée par les Romains pour réaliser des ponts. Comme nous le verrons elle fut abandonnée à l’époque médiévale au profit des voûtes d’arête puis d’ogive pour pallier les contraintes qu’elle exerce sur la structure de l’édifice et les difficulté de la rendre lumineuse.

Grâce aux progrès de l’art de bâtir accumulés au cours du Moyen Âge, son utilisation fut reprise et généralisée à partir du XVIIème siècle dans l’architecture renaissance puis classique.

Nous allons explorer l’application et les évolutions de la voûte en berceau ainsi que les conditions de son équilibre selon les différents types de plans et d’élévation des églises.

-    Définition

-    Édifices à une seule nef

-    Édifices à 3 nefs de type "halle"

-    Edifices à 3 nefs et nef centrale surélevée

-    Forces et faiblesses de la voûte en berceau

-    Couvrement en voûte postérieur à la construction

DÉFINITION

La voûte en berceau ressemble à un arc très large que l’on aurait construit comme un mur, par une succession d’assises dont les pierres sont disposées en quinconce comme dans un mur. Les ruines de la nef de la chapelle Saint Michel à Crillon le Brave dans le Vaucluse illustrent ce principe. On voit sur la photo de droite comment la voûte repose sur l’arc doubleau.

La fiche Technique de la voûte en berceau explique les grands principes de leur construction et de leur équilibre.

ÉDIFICES AVEC UNE SEULE NEF

Nef couverte par un berceau continu

C’est la plus simple des structures voûtées en pierre. Il en existe peu d’exemples car ce type de construction s’est limité à de petites églises, principalement rurales.

Plus la portée de la voûte (c'est-à-dire sa largeur) est grande plus la voûte doit être épaisse pour assurer sa rigidité et sa robustesse. Plus la voûte est épaisse, plus elle est lourde et plus elle doit résister à son écrasement sous son propre poids et plus les poussées latérales sont fortes.

La poussée latérale s’exerce de façon continue tout le long da la voûte. L’équilibre est assuré par l’épaisseur des mur qui la soutiennent et qui ne peuvent pas être fragilisés par de grandes ouvertures.

Le petite église Saint Laurent de Verneuil (58) fait la transition avec le chapitre précédent concernant le couvrement en bois. Couverte d’une fausse voûte en bois, elle montre l’aspect du berceau continu et à l’extérieur elle illustre les principes des murs gouttereaux épais et sans contreforts.

La voûte en berceau continu fut utilisée en Auvergne pour les édifices dont l’élévation comporte des tribunes pour contrebuter la poussée de la voûte. La réalisation de la voûte continue nécessite un coffrage de la dimension de la nef dont l’étaiement doit être très robuste pour éviter le gauchissement et donc très consommateur en bois.

Nef couverte par un berceau nervé

L’usage de la voûte nervée pour les églises à une seule nef est plus répandu que le berceau continu. Cette structure est caractérisée à l’extérieur par les contreforts qui renforcent les murs. A l’intérieur les murs sont renforcés par les colonnes engagées qui supportent les arcs doubleaux lesquelles supportent la voûte (doubleaux parce qu’ils doublent la voûte). On appelle colonne engagée une demi colonne adossée à un mur.

En réalité le contrefort, le mur et la demi-colonne constituent un seul élément de maçonnerie dont la cohésion est assurée par l’enchevêtrement des pierres.

Le schéma ci-dessous illustre la notion d’enchevêtrement des pierres qui sont disposées de façon à ce que les joints verticaux de deux assises consécutives ne soient jamais alignés.

Il montre un mur constitué de deux parements en pierres de tailles réunis par du blocage, c'est-à-dire des pierres irrégulières jetées dans un bain de mortier.

L’assise supérieure a été isolée pour montrer l’agencement différent des pierres par rapport à l’assise sous-jacente. Cette alternance se répète dans les assises inférieures.

Cette disposition assure la rigidité et la robustesse de la structure qui soutient la voûte.

L’ensemble contrefort - portion de mur - colonne engagée constitue une pile qui s’élève du sol jusqu’à la naissance de l’arc doubleau et constitue l’élément principal du soutien de la voûte.

Cette pile prend la forme :

-   d’un massif rectangulaire à l’extérieur (le contrefort)

-   d’une demi colonne à l’intérieur (la colonne engagée)

-   d’une portion de mur  

Ceci donne l’impression d’avoir à l’extérieur un contrefort adossé au mur et à l’intérieur une demi colonne adossée au mur, alors qu’il s’agit d’une seule et même structure. Nous l’illustrons sur les ruines de l'abbatiale des Vaux de Cernay (78) et sur l’église de Saint Ouenne (79).

L’abbatiale des Vaux de Cernay avait une nef couverte de voûtes d’arêtes. Les photos montrent le détail d’une pile :

1 : pilastre supportant l’arc doubleau de la nef

2 : pile supportant la grande arcade

3 : colonnette prismatique supportant l’arc formeret du bas-côté

4 : colonnette prismatique supportant la voûte d’arête du bas-côté

5 : pilastre supportant l’arc doubleau du bas côté

Cet ensemble constitue la pile qui soutient la voûte d’arête de la nef, pile dont on peut apprécier l’épaisseur.

Ce principe fondamental de la construction en maçonnerie sera utilisé dans tous les édifices religieux médiévaux et postérieurs. L’architecture gothique fera disparaître totalement le mur, comme à la Sainte Chapelle de Paris, pour ne laisser que l’ensemble contrefort - colonne engagée pour soutenir les ogives de la voûte.

Voici quelques exemples d’édifices à une seule nef couverts d’une voûte en berceau.

Renforcement et allègement du mur par des arcs de décharge

La technique de l’arc de décharge permet de répartir le poids de la voûte sur les "piles-contreforts". La portion de mur située sous l’arc de décharge ne supportant plus le poids de la voûte peut donc être amincie. Ceci limite le volume de pierres nécessaires, donc le coût, et renforce l’esthétique en créant des jeux d’ombres et de lumières.

Cette technique est un des piliers de l’architecture médiévale.

Voici quelques exemples d’édifices à une seule nef où les murs sont renforcés par des arcs de décharge.

Équilibre assuré par des berceaux transversaux sur de faux bas-côtés

Cette technique consiste à ménager dans chaque travée de part et d’autres de la nef un espace couvert par une voûte en berceau perpendiculaire à l’axe de la nef.

Elle se situe entre la disposition des arcs de décharges, décrite ci-dessus, et celle des bas côtés des édifices à trois nefs comme nous le verrons au chapitre suivant.

La largeur de cet espace permet de ménager un étroit passage dans la pile qui soutient l’arc doubleau. La succession de ces espaces forme un couloir qui peut être assimilé à un très étroit bas-côté

Cette disposition peut être vue soit comme un gros arc de décharge soit comme un très étroit bas-côté.

La technique du berceau transversal permet de contrebuter efficacement les poussées de la voûte de la nef. C’est une solution compliquée pour un édifice à une seule nef et coûteuse en pierre et en étaiement pour la construction. Elle n’est pas très esthétique et fonctionnellement peu efficace pour répondre aux besoins des collatéraux d’une nef.

La disposition du berceau transversal pour contrebuter la voûte de la nef a été adoptée pour les tribunes de la collégiale Notre Dame de Mantes la Jolie et reprise au 16ème siècle pour les collatéraux de la cathédrale d’Albi.

Cette solution a été très peu développée, car elle n’avait pas d’avenir tant sur les plans économiques, fonctionnels et esthétiques. Elle ne connut pas d’évolution et fut abandonnée.

ÉDIFICES AVEC 3 NEFS DE TYPE "HALLE"

L’expression "église halle" est généralement réservée aux édifices de facture gothique caractérisés par des collatéraux de la même hauteur que la nef ou presque. La charpente couvre alors tout l’édifice d’une seule portée.

Je me permets de l’utiliser pour des édifices typiquement romans à 3 nefs où nef centrale et bas côtés sont sensiblement de la même hauteur ainsi que pour les édifices où la nef centrale légèrement plus haute que les bas-côtés reste "aveugle" car dépourvue de fenêtres.

Dans cette solution parfois appelée angevine car elle fut développée jusqu’à l’époque gothique en Anjou et dans le Poitou, la nef est contrebutée par les bas côtés, couverts d’une voûte en berceau, qui sont presque aussi hauts que la nef. Cette technique offre un contrebutement suffisant aux poussées exercées par la voûte de la nef, elle est facile à réaliser mais elle diminue sérieusement la luminosité de l’édifice qui n’est éclairé que par les fenêtres ouvertes dans les murs des bas côtés.

Bas côtés en demi berceaux, nef aveugle sans fenêtres hautes 

Les demi berceaux qui couvrent les bas côtés agissent selon les mêmes principes que les arcs-boutants qui seront développés à l’époque gothique. Ils ont la fonction d’étayer le mur sur lequel la voûte repose et qui est soumis tout du long à la poussée latérale de la voûte de la nef.

La poussée latérale est ainsi transmise aux murs des bas côtés qui peuvent avoir l’épaisseur suffisante pour résister et être renforcés par des contreforts à l’extérieur.

Cette solution résout le problème posé par le remplacement de la couverture en bois par une voûte en pierre en offrant un contrebutement suffisant mais il diminue sérieusement l’éclairage de la nef à cause de l’absence de fenêtres hautes comme dans les édifices couvert en bois.

Souvent les arcs doubleaux dans le bas côté sont des arcs diaphragmes qui soutiennent la voûte, sans doute pourr faciliter la construction. Un arc complet est en équilibre dès qu’il est construit alors qu’un arc en quart de cercle doit être étayé tout au long de la construction et le maintien de son équilibre est plus délicat à réaliser puisqu’il n’a pas d’axe de symétrie vertical. Ainsi l’arc doubleau soutient le diaphragme qui soutient la  voûte en ¼ de cercle.

Bas côtés en berceaux rampants, nef aveugle sans fenêtres hautes

La technique du berceau rampant (voir vocabulaire illustré), à mi-chemin entre le ½ berceau et le berceau complet fut parfois expérimentée comme pour renforcer la transmission de la poussée de la voûte de la nef vers les murs des bas-côtés. Ce dessin d’arc fut largement réutilisé à l’époque gothique pour des valeurs esthétiques.

(voir la définition d'arc rampant dans le vocabulaire illustré)

La structure avec bas côtés voûtés en demi berceaux ne fut utilisée qu’au début de la période romane car elle présente l’inconvénient de réduire la largeur des bas côtés et donc en limiter les fonctionnalités.

Le voûtement en berceau des bas-côtés permet d’avoir des collatéraux plus larges, donc mieux adaptés aux déplacements des fidèles dans l’église.

Les solutions techniques retenues pour les églises de type halle avec nef centrale aveugle sont très pertinentes pour garantir la stabilité de l’édifice et faciliter sa construction mais très pénalisantes pour son éclairage limité à d’étroites fenêtres percées dans les murs des bas côtés.

Aussi pour rendre l’église plus lumineuse la solution fut de rehausser la voûte de la nef centrale afin de permettre l’ouverture de fenêtres hautes comme dans les édifices à trois nefs couverts par une charpente ou un plafond en bois. Mais la naissance de la voûte de la nef se situe au dessus des fenêtres hautes et donc bien au dessus de la clé du demi berceau du bas côté. Par rapport à la solution précédente l’équilibre est fragilisé et doit être renforcé par l’épaisseur  du mur gouttereau et des piles des arcades.

Bas côtés en ½ berceaux, nef avec fenêtres hautes

Ce principe fut appliqué principalement dans des édifices de taille modeste car les bas côtés en ½ berceau n’assurent plus la fonction d’arc boutant et sont donc moins efficaces pour contrebuter les poussées de la voûte de la nef que dans les églises halle.

La cathédrale Saint Trophime d’Arles est une exception avec une hauteur sous voûte de 20m et des collatéraux hauts de 12 m seulement.

Bas côtés en berceaux, nef avec fenêtres hautes

Cette structure est la suite logique des églises à trois nefs couvertes d’une charpente (1102) où celle-ci est remplacée par des voûtes en berceau. 

L’équilibre est assuré par l’épaisseur du mur gouttereau et des piles des arcades et la voûte des collatéraux qui d’une part s’oppose partiellement aux poussées de la nef et transmettent la poussée résiduelle vers les murs extérieurs. Mais les ouvertures doivent rester modestes pour ne pas fragiliser l’ensemble.

Ce type d’architecture fut peu développé car il a beaucoup d’inconvénients et peu d’avantages : il n’apporte pas de solution satisfaisante au besoin de construire plus haut, plus vaste et plus lumineux.

L’abbatiale de Saint Guilhem le Désert en est un des rares exemples avec des dimensions honorables : hauteur de 18 mètres pour une largeur de 6 mètres mais au prix d’une très grande obscurité dans l’édifice.

Ces techniques, nef en berceau, fenêtres hautes, bas côtés en berceau ou en ½ berceau a vite atteint ses limites : bas côtés étroits, faible portée de la voûte de la nef, hauteur limitée et faible luminosité. Elle ne connut pas d’évolution majeure à l’époque médiévale.

Pour améliorer l’éclairage une timide amélioration est visible dans l’église de Vaison la Romaine avec le percement de petites ouvertures dans la voûte, que l’on appelle lunettes (voir vocabulaire illustré). Cette technique fut peu utilisée car elle d’une part elle fragilise la voûte et d’autre part rend sa construction plus difficile. En effet chaque pierre constituant l’ouverture a une forme différente, leur taille et l’ajustement entre elles est  délicat.

Comme nous le verrons, la voûte en berceau fut encore utilisée au début de l’introduction du voûtement en arête des bas côtés ainsi qu’au début de l’apparition des structures en tribunes puis fut abandonnée.

La technique de la voûte en berceau fut largement reprise à partir du XVIème siècle, époque renaissance puis classique, grâce aux progrès réalisés dans l’art de bâtir : la généralisation des plans sur papier réutilisables, la stéréotomie pour l’exactitude dans la taille des pierres, le mesurage pour garantir la justesse des positions dans l’espace, les techniques d’étaiement et d’échafaudage pour sécuriser la construction, l’organisation du travail et la formation des compagnons.

FORCES ET FAIBLESSES DE LA VOÛTE EN BERCEAU

Les forces

Le voûtement en pierre est ininflammable et offre une très grande résistance aux épreuves du temps car la pierre est un matériau stable.

La forme en berceau cylindrique est facile à tracer : cintres en forme de demi cercle (voûte en plein cintre) ou de deux arcs de cercles qui se coupent (voûte en arc brisé). La forme est facile à réaliser au sol puis à lever en position verticale.

La réalisation du couchis pour supporter les pierres durant la construction est simple : planches de bois orientées dans l’axe de la voûte et reposant sur les cintres.

Les faiblesses

La voûte en berceau exerce une poussée latérale tout le long des murs sur lesquelles elle repose.  Le mur doit donc être étayé ou renforcé sur toute sa longueur et seules de petites ouvertures peuvent être percées pour ne pas l’affaiblir.

Les percements d’ouverture dans une voûte en berceau sont géométriquement difficiles à dessiner et ils l’affaiblissent en créant des discontinuités dans la transmission régulière des forces du sommet vers la base. Les voûtes en berceau ont donc généralement été utilisées sans ouverture. Dans le cas d’une nef unique et de hauteur modeste ceci ne pose pas de problèmes car des ouvertures peuvent être pratiquées dans les murs et ainsi éclairer l’édifice. Il en est de même pour les collatéraux voûtés en berceau.

Pour percer des fenêtres hautes dans une nef à laquelle sont accolés des bas côtés il faut surélever la voûte mais la stabilité de l’édifice est alors difficile à réaliser.

Cette solution technique ne permet pas de construire des édifices hauts, larges et lumineux.

Couvrement en voûte postérieur à la construction

Des édifices à une seule nef initialement conçus pour recevoir un couvrement en bois, charpente apparente ou plafond, ont été modernisés pour recevoir un couvrement en pierre plus robuste et pérenne que le bois. Lorsque la portée entre les murs gouttereaux était trop grande pour construire une voûte en berceau avec une telle ouverture, on érigeait pour supporter la voûte deux rangées d’arcades qui délimitaient ainsi deux bas-côté de part et d’autre de la nef. Ceux-ci étaient ensuite voûtés en ½ berceau ou en berceau.

L’absence de contreforts à l’origine de la construction et l’étroitesse des collatéraux presque inutilisables sont les preuves que le couvrement en pierre fut postérieur à la construction.