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T.P.E-Tour Eiffel

  • Exploit technique

 

1/ La construction

 

     La Tour Eiffel, a été construite en 1889 lors de l'Exposition universelle de Paris pour célébrer le centenaire de la révolution française, qui a été organisée pour oublier la défaite.

 

 

L'évolution de la construction de la Tour Eiffel.

 

a) La Tour Eiffel en elle-même

 

    Les piliers 2 et 3, côté du Champs de Mars, se sont construits sans trop de difficultés. Tout s'est compliqué pour les piliers 1 et 4, qui sont du côté de la Seine. Il a fallut alors faire des fondations à l'air comprimé à l'aide de caissons de tôle enfoncé à 5 m sous l'eau. La tour est donc composée de 4 piliers en tout, qui recueillent les locaux et les équipements servant au tourisme de la tour, sur lesquels reposent 4 piles, membres de la tour Eiffel allant du sol jusqu'au deuxième étage. Des poutres de 7m servent de structure primaire, elles soutiennent le plancher du première étage, ensuite des poutres de 4.90m faisant elles aussi partie de la structure primaire soutenant le plancher du deuxième étage, qui contient aussi deux grandes poutres diagonales qui sont les principales poutres de contreventement placées en croix et fixées au dessus des quatre arbalétriers d'angles au niveau du sommet pour assurer la cohésion de celui-ci. Elles mesurent 4,5m. Ces poutres sont construites à l'aide d'entretoises qui sont de petites poutres creuses et légères. Un laçage des poutres entre elles permet le maintient de la structure tout en laissant passer la lumière du jour, celui-ci peut être composé de plats, de cornières ou de tout autre profilé fixés par des rivets qui sont des pièces d'assemblage en fers présent sur toute la structure. Sur cette partie centrale se trouve le pylonné appelé aussi la "flèche" qui est un pylône placé au centre de la Tour, fixé au dessus des poutres demi-circulaires jusqu'au sommet où sont fixées les antennes hertziennes.

    Mais la Tour est particulièrement faite de 7000 tonnes de fer, 18 038 pièces métalliques et de 2 500 000 rivets.

 

 

Schéma des dimensions de la Tour.

 

Plan de la Tour:  

 

 

b) Sa transformation

 

    Toutes les poutrelles sont arrivées déjà assemblée et percées, pour pouvoir y placer les rivets. Les premières pièces sont hissées par des engins de levage normal puis il a fallut des grues plus astucieuses. Elles fonctionnaient à vapeur, elles pivotaient, ... Elles pouvaient soulever des charges allant jusqu'à 3000Kg.

    En décembre 1887, ils rencontrent une opération très délicate, peut être même la plus délicate du chantier. Le premier étage étant bientôt terminé, ils ont construit de grands échafaudages en bois entre chaque pied de la tour. Ce qui a permit de soutenir les quatre grosses poutres de ceintures du premier étage. Alors les quatre pieds doivent rencontrer les poutres et s'ajuster parfaitement avec elles. Et pour cela ils corrigent donc l'inclinaison des pieds et la hauteur. Le premier étage étant terminé la suite de la construction se fera alors sans échafaudage. 


 Photographie des échafaudages en bois.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Avec l'apparence d'une pyramide quadrangulaire à face courbe, elle se compose de trois étages, le premier fut achevé le 1er avril 1888, le second, le 14 août 1888 et le montage s'acheva définitivement avec le sommet le 31 mars 1889. Il ne manque plus alors, qu'à mettre en marche les ascenseurs. A cette époque les ascenseurs, sont tout nouveaux. C'est donc un véritable défi technique, de vouloir les installer sur la plus hautes tour du monde. De plus que les piliers de cette tour sont de biais. Au total ils sont cinq. Deux qui permettent d'accéder au premier étage, deux autres qui desservent au second étage et un dernier qui relit le deuxième et le troisième étage. Il faut savoir également que ce sont des ascenseurs hydrauliques, c'est donc l'eau sous pression qui fournit la force nécessaire à leur déplacement. L'ascension jusqu'au sommet prend alors 7 minutes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Le principal fonctionnement des ascenseurs hydrauliques :

   Comme il est expliqué sur ce schéma, c'est composé de deux bacs et on remarque bien que lorsqu'un monte l'autre descend.

 

    Explication :

   Tout d'abord un bac en haut (en amont) et l'autre en bas (en aval), La vanne est fermée. On surcharge alors le bac en amont (d'environs 75 tonnes d'eau. Plus tard on utilisera plutôt de l'huile). Ensuite il y a l'ouverture de la vanne ce qui permet à l'eau de s'écouler vers l'autre côté puisque la surcharge provoque une pression et permet de soulever l'autre bac et donc de descendre le premier.

 

   Chaque étage a sa propre fonction spécifique :

      - Le premier étage, est constitué d'un cineiffel, d'une salle Gustave Eiffel, et d'un restaurant "Altitude 95".

      - Le deuxième étage, est composé également d'un restaurant, le "Jules Verne", mais aussi de boutiques et de la galerie.

      - Le troisième étage, est le plus important car il est composé des antennes qui ont permit de sauver la tour qui allait être détruite. Mais il est composé également du bureau de Gustave Eiffel et d'un laboratoire.

    Mais la tour nous cache aussi cinq ascenseurs vu précédemment et des escaliers comportant pas moins de 1710 marches, permettant à tous les visiteurs de parcourir ce phénomène dans tous ses recoins.

 

               

                        Les antennes de la tour.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Gustave Eiffel recevant Thomas Edison

                                                                                                                                      dans son bureau

  

Video récapitulant les techniques de construction de la Tour:


 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

  

2/ Le choix de la forme et des matériaux :

 

a) La forme de la tour

 

    La forme de la tour n'a pas été créée au hasard. Il fallait qu'on admire ce monument, donc lui apporter de l'esthétique et de la hauteur. Pour atteindre ses 300 mètres, la tour est composée de deux éléments, une base solide reposant sur quatre piles liaisonnées et prolongées jusqu’à la plate-forme que constitue le deuxième étage et un pylône ancré fortement dessus. Chacun des quatre piliers est orienté en direction d'un point cardinal.

  

 

 

 

 

    Mais la tour n'a pas été construite sous cette forme que pour son esthétique. Il fallait qu’elle soit solide. D’après Gustave Eiffel "Tout l'effort tranchant dû au vent passe ainsi dans l'intérieur des montants d'arête. Les tangentes aux montants menées en des points situés à la même hauteur viennent toujours se rencontrer au point de passage de la résultante des actions que le vent exerce sur la partie de la pile au-dessus des deux points considérés. Les montants avant de se réunir à ce sommet si élevé, semblent jaillir du sol, et s'être en quelque sorte moulés sous l'action du vent".

    De nombreux calculs ont donc été réalisés pour qu’elle résiste à la force des vents. L’empattement ainsi que la structure elle-même ont été étudiés, ce qui donne à la tour cette forme particulière.

 

 

 

 

 

b) Les matériaux utilisés

 

    Le principal matériau qui constitue la tour Eiffel est le fer puddlé. On le trouve dans des pièces de toutes tailles. Le fer provient des mines de Zaccar et Rouina en Algérie.

  

    Cependant, Gustave Eiffel a beaucoup hésité pour l’utilisation du fer puddlé parce qu’il était cher et qu'il était nécessaire d’en avoir une grande quantité pour cette construction.

  

    S’il a finalement choisi ce métal, c'est avant tout parce qu'il y trouvait des avantages : "C'est en premier lieu pour sa résistance. Au point de vue des charges que l'ont peut faire supporter avec sécurité à l'un ou l'autre de ces matériaux, on sait que, à surface égale, le fer est dix fois plus résistant que la pierre". Il précise "C'est dans les grandes constructions surtout que la résistance du métal le rend supérieur aux autres matériaux. La légèreté relative des constructions métalliques permet en même temps de diminuer l’importance des supports et des fondations. » Et il conclut « Pour ne citer qu’un exemple, celui de la Tour de l’exposition, j’ai étonné plus d’une personne qui s’inquiétait de la charge sur le sol des fondations, en disant qu’il ne serait pas plus chargé que celui d’une maison de Paris ».

  

Mais qu’est ce que le fer puddlé ?

  

    Le puddlage est un procédé d'affinage de la fonte consistant d'abord à la décarburer en la brassant dans un four pour obtenir du fer puddlé, plus souple que de la fonte, puis le martelage qui consiste à donner à une pièce métallique sa forme définitive, et enfin un laminage qui consiste à un écrasement entre deux cylindres pour réduire l'épaisseur du métal. Ce procédé fut mis au point par l'Anglais Henry Cort (1740 – 1800) en 1784.

 

 

Texte d'époque concernant le fer puddlé

 

 

 

 

 

Four à puddlé

  Légende:

   - A : sole avec l'ouverture qui permet au puddler de passer son ringard. On distingue au-dessus le crochet qui permet l'ouverture de la trappe.
   - C : cheminée avec un couvercle permettant de régler le tirage et de réguler le chauffage.
   - D : Séparation entre le foyer et la sole pour éviter le contact direct de la fonte avec le combustible.
   - F : Foyer

 

    Ces différentes pièces en fer puddlé seront assemblées par des rivets, des cornières ainsi que des tôles.

  

    Les rivets permettent d'assembler toutes les pièces métalliques. Les assemblages sont d'abord réalisés sur place par des boulons provisoires, remplacés au fur et à mesure par des rivets posés à chaud. En se refroidissant, ils se contractent, ce qui assure le serrage des pièces les unes avec les autres. Il faut une équipe de quatre hommes pour poser un rivet : un pour le chauffer, un pour le tenir en place, un pour former la tête, un dernier pour achever l'écrasement à coups de masse. La tour comprend 2 500 000 rivets. Ceux-ci ont été fournis par Messieurs Letroyeur et Bouvard à Paris.

 

Forme générale d'un rivet

 

 

    Les cornières ouvertes et fermées sont des barres de métal dont la section est recourbée en équerre, quelle qu'en soit la destination. Ces cornières sont construites par laminage à chaud, c'est à dire que le métal est écrasé entre deux cylindres pour réduire son épaisseur.

 


Forme générale d'une cornière

 

 

    Les tôles striées et ordinaires sont de fines feuilles de métal, obtenues par laminage. Le laminage est un procédé de fabrication par déformation plastique. Le métal subit une réduction d'épaisseur par écrasement entre les deux cylindres.

 


 


 Le laminage

 

 

3/ La tour et la physique

 

    Plaçons nous d'abord dans un référentiel terrestre supposé Galiléen et prenons comme système la tour. (Poids de la Tour Eiffel 10 100 tonnes)

 

a) La physique sauve la tour


    La tour Eiffel, construite pour un concours, devait être détruite au bout de 20 ans. Gustave Eiffel, tenu au courant, savait que seule l'utilité scientifique pouvait la sauver. Il fit parvenir alors, que la tour pouvait servir d'observatoire météorologique et astronomique, d'expérience de physique, de poste d'observation stratégique, de poste de communication par télégraphe optique, de phare pour l'éclairage électrique et même pour l'étude du vent.

    Et dès 1889, la tour est utilisée comme laboratoire de mesures et d'expériences scientifiques. On y installe même des appareils scientifiques tels que, des baromètres, des anémomètres, des paratonnerres, ...

    La tour Eiffel, est sauvée !

 

 

b) Comment s'y prend-t-elle

 

    Gustave Eiffel se réserve un bureau au 3ème étage, puis y installe un laboratoire de météorologie, pour y faire ses propres expériences d'observation. Il se passionne également d'aérodynamisme et effectue plusieurs expériences sur la chute des corps. (De 1903 à 1905, il fait installer des appareils de chute.) Il construit donc un dispositif automatique, glissant le long d'un câble tendu entre le 2ème étage et le sol, puis fait glisser un échantillon et étudie la vitesse et la résistance. Il fait construire également une petite soufflerie au pied de la tour. Il tentera ainsi 5 000 essais, de 1909 à 1911.

    Puis il encourage de nombreuses expériences scientifiques telles que, le pendule de Foucault, le manomètre à mercure, sans oublier l'étude de physiologie et liaisons radio en 1898.

    Il faut savoir aussi que la tour n'est pas aussi immobile qu'on pourrait le penser. En effet, la tour à tendance à s'incliner sous l'effet du vent. On a relevé par exemple qu'elle s'est inclinée d'environ 13 centimètres lors de la tempête de 1999. Mais le vent n'est pas le seul à la faire bouger, en effet la chaleur "tord" la tour. Ainsi quand il fait chaud, la structure exposée au soleil se dilate plus que celle qui est à l'ombre. La tour peut alors s'incliner jusqu'à 18 centimètres.

    Nous avons donc fait un calcul pour prouver cette inclinaison:

Nous avons prit cette formule, D=Cd x ∆T x H

Avec :

         D: Dilatation.

         Cd: Le coefficient de dilatation, soit d'environs 12 millionième de mètre par mètre de longueur et par degrés centigrade. (12 x 10-6/m/°C).

         ∆T: Variation de Température (nous prendrons une température de 35° Celsius).

         H: hauteur de la Tour, soit 324 mètres.

 

Nous obtenons donc ceci:

 

         D=12 x 10(-6) x 35 x 324

         D=0,13608 m Soit environs 14cm.

Avec ce calcul, pour obtenir une inclinaison d'environs 18cm il faudrait une chaleur à peut prés de 47° Celsius.

 

 

C) L'expérience qui va changer tous les regards posés sur la Tour: Les Ondes

 

    La Tour depuis sa construction jusqu'à la première guerre mondiale, a servie comme lieu d'expériences scientifiques et radiodiffusion. En effet, Gustave Ferrié (1868-1932) général et savant français, perfectionnera la télégraphie sans fil, notamment en installant une antenne au sommet de la tour Eiffel. En 1889, Eleuthère Mascart, directeur du bureau central météorologique de France, fait installer, avec l'autorisation de Gustave Eiffel, une petite station d'observation en haut de la tour. Eugène Ducretet, en octobre 1898 établit la première liaison téléphonique hertzienne entre la tour et le Panthéon de Paris, distant de quatre kilomètres.

     La tour qui mesurait déjà 300 mètres de haut a atteint les 324 mètres grâce au rajout d'antennes au dernier étage qui permettent d'émettre et de recevoir les ondes de radio ou encore de télévision. C'est en 1912 que les recherches sur les longueurs d'ondes sont suffisamment aboutit pour permettre à la tour d'émettre  partout dans le monde. Les ondes qu'émet la tour se nomme "Ondes hertzienne", ce nom est juste le synonyme des "ondes radioélectriques" (dite onde radio) qui sont des ondes électromagnétique dont leurs fréquences est inférieure a 3000 GHz (Giga Hertz). Selon l'UIT (Union internationale des télécommunications), le mot "hertzien" ne désigne que les signaux transmit par rayonnement, soit ici d'un rayonnement électromagnétique. C'est à dire sans support matériel, comme la télévision et tout autres modes de transmission sans fil.