thumb|Ouvriers de la construction métallique. alt=charpente métallique|vignette|Une charpente métallique est une structure généralement en acier. Composée d’éléments usinés en atelier et assemblés sur le chantier, elle constitue une alternative économique et pratique à la construction traditionnelle. Elle nécessite cependant un certain nombre de compétences techniques pour sa conception, ce qui peut expliquer qu’elle ait longtemps été réservée aux sites industriels et aux bâtiments de grande ampleur. Aujourd’hui, la charpente métallique commence à s’implanter dans la construction de logements et de maisons individuelles, où elle permet la réalisation d’une grande variété de formes. La construction métallique est un domaine de la construction, mais aussi de la mécanique ou du génie civil qui s'intéresse à la construction d'ouvrages en métal et plus particulièrement en acier.
Le fer et l'acier dans la construction sont longtemps utilisés de manière marginale, avant les développements et progrès de la métallurgie, liés à la révolution industrielle. La construction fait alors un usage intensif des produits présentés dans le catalogues des fonderies.
L'acier ne trouvera pas immédiatement ses lettres de noblesse et servira dans la construction des charpentes, caché derrière une façade qui demeurera en pierre.
Fin , quelques ingénieurs, architectes et plasticiens font toutefois l'effort de regarder plus loin les possibilités offertes par le matériauHelmut C. Schulitz, Werner Sobek, Karl J. Habermann. Construire en acier. PPUR presses polytechniques, 2003. Consulter en ligne.
Histoire
Le métal a été dans un premier temps travaillé comme de la pierre. Les premiers métaux reconnus par l’homme comme différents de la pierre, le cuivre et l’or, ont été trouvés dans la nature à l’état de métal et non de minerai. Parmi ces métaux natifs, le plus anciennement utilisé (en Anatolie au ) est le cuivre. Une riche collection d’objets en or datant du a été découverte à Varna (Bulgarie) et, par ailleurs, quelques rares objets du également, en fer natif probablement météoritique, ont été mis au jour en Iran. De nouvelles propriétés du cuivre sont par la suite reconnues telles la malléabilité, la fusion du métal pur avec ses applications dans le moulage, la fusion réductrice qui permet d’obtenir le métal à partir de son minerai, et le recuit qui homogénéise le métal dans sa masse. La métallurgie à ses débuts n’était guère plus encombrante ni polluante qu’un atelier de potier et ces ateliers se trouvaient aussi bien dans des maisons que dans des quartiers spécialisés. Les essais effectués soit à Göltepe avec le minerai de Kestel enrichi en cassitérite, soit à Arslantepe avec un minerai sulfuré complexe indiquent qu’une température de l’ordre de peut être atteinte dans le creuset où le minerai est mélangé à du charbon de bois, ce qui est suffisant pour faire fondre le cuivre ().
C'est à partir du second Âge du Fer qu'une industrie sidérurgique se développe véritablement en Europe. Le fer, dont la température de fusion de ne peut être atteinte par les bas fourneaux, est obtenu par cinglage d'une quantité de minerai dans un état intermédiaire, la loupe, pour en extraire les scories. Des inclusions de fiches en fer ont été découvertes dans le murus gallicus celtiquePleiner R. Les débuts du fer en Europe. In: Dialogues d'histoire ancienne, vol. 8, 1982. . Consulter en ligne. Les premières productions métallurgiques sont marginales par rapport à l'industrie lithique et céramique et intéressent très peu la construction si ce n'est pour les outils. Pour les outils et les armes, les premiers exemples ont des formes qui reproduisent les modèles en pierre, os, céramique et coquillage. Ils se sont substitués aux objets réalisés dans ces matériaux après que les avantages des métaux, essentiellement les alliages cuivre-arsenic et cuivre-étain, ont été reconnus, soit au stade de la fabrication (rapidité d’exécution, facilité du moulage et de l’obtention de petites séries, réparations possibles, réutilisation du métal), soit du fait des qualités propres du matériau (robustesse, dureté et tranchant des armes). L’aspect extérieur du bronze, argenté pour celui à l’arsenic et doré pour celui à l’étain, a été de plus probablement apprécié non seulement pour les bijoux mais aussi pour les outils et les armes cérémoniels.
Le bronze participe à la décoration du temple de Salomon vers -1000 et les colonnes Jakin et Boaz, coulées par Hiram, alimenteront bien plus tard la symbolique maçonnique. Les Égyptiens, les Grecs, et jusqu'aux Celtes feront usage de crampons en fonte dans le Grand appareil. Quelques inventions sont déterminantes, telles la scie pour l'industrie du bois et de la pierre, les premières canalisations dans le complexe du Temple mortuaire de Sahourê () en Basse Égypte, l'usage ancien des métaux dans les pièces d'usure tels les pistons pour les premières pompes hydrauliques par Ctésibios et Philon de Byzance, les pivots des premières machines - histoire des grues. L'utilisation structurelle la plus importante du fer dans l'Orient médiéval concerne de nombreuses grandes et petites poutres en fer forgé dans les temples hindous à Puri et Konarak en Odisha (Inde, ). Dans l'Europe médiévale, les architectes byzantins adoptent des tirants de fer exposés pour contenir les poussées des arcs de maçonnerie et des voûtes. Le Moyen Âge européen fera usage de chaînes en fer coulées dans les maçonneries, d'où est issu le terme technique de « chaînage ». Les plaques de cheminée sont un débouché de choix pour la fonte brute. Un traité de serrurerieMathurin Jousse La fidelle ouverture de l’art de Serrurier..., La Flèche, Georges Griveau, 1627 (lire en ligne). par Mathurin Jousse en 1627 décrit les procédés employés par les ouvriers du Moyen Âge. Mais il faut attendre la fin du pour que se développe l'usage structurel et intensif du bronze, du fer forgé et de l'acier.
En Angleterre, du fait de la pénurie de bois, Abraham Darby, fondeur et métallurgiste à Coalbrookdale a l'idée de remplacer le charbon de bois par du charbon de houille, le coke. Il obtient ver 1750 un fer forgeable, utilisant ce procédé. Différentes découvertes, dont celle de Benjamin Huntsman, un horloger de Sheffield, permettent de produire des aciers dont la qualité ne cesse de s'améliorer. Les guerres, sont des vecteurs de développement puissant de l'industrie, celle de Sept Ans favorisant des installations telles celle de John WilkinsonRené Vittone. Bâtir : Manuel de construction. Presses polytechniques et universitaire romandes. 2010..
Au début du , l'essor de la production d'acier modifie de manière fondamentale la manière de construire, car la construction était jusque-là limitée par l'utilisation du bois et de matériaux exclusivement sollicités à la compression, telles la pierre ou la brique. L'usage de l'acier permet tout à coup de construire des bâtiments aux performances structurelles inégalées. Le fer est à la fois un matériau dur, plastique, élastique et ductile; il est façonnable, fléchit, se contracte ou se dilate sans se rompre. Laminé, il devient profilé: il prend la forme de barres, de plaques, de tôles, de tringle ou de fils. Ceux-ci sont assemblés par rivet, à chaud ou à froid, en atelier ou sur chantier. L'organisation en treillis multiplie les possibilités constructives (la tour Eiffel les multiplie à l'envi). Entre 1850 et 1915, on utilise simultanément, fer puddlé et acier).
L'utilisation du fer, de la fonte et de l'acier dans des ossatures porteuses se fait en trois étapesRobert Halleux. Cockerill. Deux siècles de technologie. Éditions du Perron. 2002: L'ère dite de la fonte (1780-1850), qui débute avec la généralisation du haut fourneau au coke. Un exemple de l'architecture en fonte est la Halle au blé à Paris, restauration d'une ancienne charpente en bois qui avait brûlé, par François-Joseph Bélanger, constituée de fines membrures en fonte ; L'ère du fer forgé (1850-1900), qui remplace progressivement la fonte grâce à la mise au point du puddlage ; L'ère de l'acier (de 1880 à nos jours), qui succède au fer, avec la mise au point du convertisseur.
L'industrie de l'aluminium ne se développera véritablement qu'à la fin du
Le fer et la serrurerie
thumb|Pierre armée, Panthéon de Paris
Les quantités traitées de fer produites dans un premier temps étaient modestes et ne permettait que la confection d'objets de taille limitée, dans la construction, des éléments d'assemblage ou de renfort, ainsi que les serrureries qui ont donné le nom à la discipline qui s'occupe des objets manufacturés en fer, la serrurerie. L'étampage qui consiste à frapper le métal chauffé dans une forme en fer lui conférait éventuellement une résistance plus importante.
Au Moyen Âge, l'emploi de soufflantes permet d'augmenter la température de la fonte, qui liquéfiée peut être introduite dans des moules et ainsi produire des barres. Celles-ci étaient refondues et introduites dans de nouveaux moules pour produire les éléments désirés. Avant la révolution industrielle le fer n'est donc employé que de manière marginale sous forme d'ancres, d'agrafes, de chaînes, de grilles. Certains bâtiments gothiques ne tiendraient pas sans l'usage de tirants dissimulés dans la maçonnerie. Au Panthéon, des pièces métalliques viennent suppléer à la faiblesse des éléments de structure en pierre (pierre armée).
Avec la révolution industrielle, la production des pièces en fer, en fonte et en acier se déplace des ateliers des forgerons vers les ateliers des usines sidérurgiques (La Société anonyme John Cockerill, par exemple, en 1842 se répartit en cinq divisions: houillères; minières; fonderie; fabrique de fer; la cinquième étant les ateliers de construction qui totalisent . On y fabrique de tout: machines à vapeur, chaudières, ponts, navires en fer et de tout ce qui s'y rattache, métiers mécaniques pour filature et tissage, de cardes, tondeuses, broches, outils A Lecocq. Description de l'établissement John Cockerill à Seraing: accompagnée d'une notice biographique sur John Cockerill; J. Desoer, 1847 (Consulter en ligne)) Des accessoires et éléments de décoration, des colonnes et poutrelles en fonte sont fabriqués de manière standardisée et en continu. La conception d'un bâtiment passe par la connaissance du catalogue des fonderiesAdriaan Linters, Industria, Architecture industrielle en Belgique, Pierre Mardaga éditeur 1986. Le "Traité théorique et pratique de l'art de bâtir" (1817) de Jean-Baptiste Rondelet est une source d'information sur l’émergence de l'acier dans la construction et un état des connaissances en serrurerie avant que cette mutation ne se produise. Rondelet esquisse pour l'acier un avenir dans les charpentes: L'acier se rapproche en effet très fort du bois dans ses propriétés élastiques.
Caractérisation des matériaux
thumb|La machine de test Emery avait une capacité de de compression et de traction et pouvait accueillir des spécimens jusqu'à de longueur. Les avantages de la machine d'essai horizontale étaient qu'il simplifiait l'application de charges latérales dans les essais de colonnes, rendait l'examen des spécimens plus facile et compensait la nécessité de pièces élevées. La poutre se trouve ici en compression thumb|Essais de colonnes d'un pont sur l'HudsonNew York