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Les brevets d’invention de Gustave Eiffel

Gustave Eiffel, en tant que jeune ingénieur ambitieux voulant conquérir des parts de marché dans le domaine des travaux publics ferroviaires, devait affronter la concurrence de groupes industriels puissants possédant de solides garanties financières. Pour y parvenir il dut faire preuve d’inventivité notamment en matière  de montage et d’optimisation des structures pour abaisser le prix de revient. Au cours de sa vie il déposa plus de 32 brevets d’invention dans des domaines très divers allant  des techniques de montage sans échafaudage jusqu’à des domaines de la vie pratique comme celui du thermostat électrique de régulation de chauffage.

Techniques de construction

Dès 1864 Eiffel dépose un brevet, pour un mécanisme hydraulique facilitant le déplacement et le transport horizontal de grandes masses pesantes et notamment  des tabliers métalliques de ponts ou de viaducs construits préalablement sur la terre ferme sur les rails de la voie dans l’axe de l’espace à franchir. En 1874 il perfectionne ce dispositif par le dépôt d’un nouveau brevet protégeant un dispositif de roulement de galets oscillants réduisant les frottements. En 1869 il commença à s’intéresser aux grues de montage qu’il perfectionna si bien pour la construction de la Tour Eiffel pour laquelle il inventa des grues qui pouvaient se hisser d’elle mêmes sur les rails des futurs ascenseurs. Il déposa deux  brevets dans ce domaine pour protéger une grue à pivot tournant sans fondation avec lest en sable ou béton pouvant se mouvoir par bras, eau, vapeur ou moteur. En 1876 Eiffel dépose un brevet pour une ossature de pont surélevé pour faciliter le passage de navires dans les estuaires. Il s’agit d’une ossature en forme d’arc dont la hauteur est plus grande à la clef qu’aux naissances pour offrir moins de déformation sous les charges du tablier qui se trouve suspendu au dessous de l’ossature. Il peut avoir une partie mobile pour faciliter le passage des navires comme un pont levis avec ou sans contre poids. En 1879 Eiffel dépose un dispositif d’entretoises supportant la voie dans les viaducs métalliques sur piles en fer de grande hauteur, en plaçant la voie au milieu du tablier au lieu du sommet pour atténuer les risques de déraillement et diminuer l’action du vent.

Pour le pont Maria Pia de Porto, Eiffel invente un nouveau système de montage, celui du porte à faux, où les deux demi-arcs sont construits de proche en proche retenus par des câbles provisoires à la base de la construction jusqu’à la pose des clefs intrados et extrados. En 1885 Eiffel dépose un brevet pour remplacer l’action oblique des câbles par l’appui de la charpente métallique sur des pylônes métalliques placés au centre de gravité des deux demies travées venant supporter chacun des demis arcs dans sa partie moyenne avec la possibilité d’agir sur le plan horizontal ou vertical grâce à des presses hydrauliques.

Pont Maria Pia

Pont Maria Pia

L’une des plus profitables inventions d’Eiffel concerne le domaine des ponts préfabriqués dans lequel il déposa des brevets en 1881 et 1882 pour un système de construction de ponts à portée variable composée par des éléments semblables entre eux, dont la superposition et l’assemblage par des axes permettent de donner aux poutres principales du pont une longueur et une résistance variable selon la portée. Les éléments composés de pièces indéformables et triangulaires en forme de poutres armées ou de poutres en treillis et s’assemblent l’un à l’autre par des axes situés de manière à obtenir la  superposition latérale et partielle des éléments dont les parties inférieures peuvent être réunies les unes aux autres par des pièces spéciales. A l’aide de ces éléments triangulés, on peut constituer les poutres principales d’un pont de la longueur variable est ainsi un multiple d’un demi élément. On peut aussi disposer ces éléments de manière à les superposer en hauteur en construisant une poutre d’une hauteur multiple de celle de ces éléments. Un entretoisement convenable réunit transversalement les poutres ainsi constituées et assure leur solidité. Le tablier proprement dit peut ensuite facilement s’installer soit à la partie supérieure, soit à la partie inférieure, soit intermédiairement. En 1882 il complète ce brevet initial par le dépôt d’une nouvelle disposition des membrures en forme de I majuscule pour augmenter la résistance à la flexion et pour faciliter le lançage par des appareils placés sous les poutres et il dépose en même temps un dessin d’un boulon d’assemblage avec un cône d’introduction et des écrous chambrés pour faciliter le montage sans abimer le filet et en évitant les rondelles.

système de lancage des ponts démontables, signé par Gustave Eiffel

dépot de brevet d’un système de lançage pour ponts démontables, signé par Gustave Eiffel

Dans le domaine de l’optimisation des structures métalliques, Eiffel a déposé en 1879 un brevet pour une disposition augmentant la rigidité des piles en fer supportant des viaducs métalliques afin d’éviter leur renversement. Pour y arriver, il faut que les pièces diagonales ou horizontales présentent le maximum de résistance dans tous les sens contre la compression et la traction, ce qui conduit à donner à toutes les pièces la forme de caissons rectangulaires identiques à ceux utilisés dans l’entretoisement des arcs intrados et extrados des arcs du pont du Douro. Chacune des faces de la pile est une grande poutre verticale formée d’éléments de grandes dimensions et de sections transversales très développées, ses membrures sont des caissons ouverts sur la face intérieure réunis par des treillis également en caissons, le tout assembléde façon rigide dans l’ensemble et dans chacune de ses parties..

En 1884, Eiffel avec deux de ses collaborateurs, Emile Nouguier et Maurice Koechlin, dépose un brevet pourt construire une pile de pont de plus de 300 mètres de haut. A la fin de la même année il rachète les droits de ses deux collaborateurs pour rester le seul dépositaire de ce qui deviendra la Tour Eiffel. Dans ce dispositif Eiffel supprime l’emploi des barres de treillis pour relier les nervures d’angle des faces des quatre montants. Il y parvient en donnant aux montants une courbure telle que les tangentes à ces montants menées en des points situés à la même hauteur, viennent  toujours de rencontrer au point de passage de la résultante, les actions du vent que le vent exerce sur la partie du pylone qui se trouve au dessus des points considérés. Il en résulte que l’effort tranchant se trouve ainsi équilibré complètement dans les montants, ce qui permet de supprimer les treillis dans les faces.

On ne peut pas parler des méthodes de construction inventées par Eiffel sans parler du domaine des fondations à air comprimé qu’il perfectionna toute sa vie depuis sa première utilisation au pont de Bordeaux en 1858 jusqu’aux fondations de la Tour Eiffel. En 1884, il déposa un brevet pour appliquer de la charge hydraulique à l’enfoncement des tubes, caissons et pieux de fondation pour le forçage des puits et en général l’enfoncement d’un tube de forage. Ce dispositif empêche toute rentrée de matière ou d’eau de l’extérieure vers l’intérieur du tube à enfoncer et sert aussi de propulseur à l’expulsion des déblais à extraire du tube à l’aide d’un tube siphon.

Construction de phares

Conjointement avec l’entreprise Sautter, Eiffel a déposé dès 1868 un brevet pour la construction de tours et de lanternes métalliques (cf. article Gustave Eiffel constructeur de phares)

Phare métallique Eiffel

Phare métallique Eiffel

Construction d’écluses

Eiffel a construit de nombreux barrages et a déposé trois brevets pour la construction d’écluses. En 1869 il perfectionne les portes d’écluse en remplaçant les tôles pleines fixées sur des poutres métalliques formant ossature de la porte par des tôles bombées embouties industriellement ce qui permet de réduire leur épaisseur (gain de poids et de dépense), et une meilleure résistance aux chocs. En 1886 Eiffel dépose un nouveau brevet pour un système de porte d’écluse abaissable ou relevable se logeant dans une chambre en contrebas  du ravier par l’adjonction ou retrait d’air ou eau.  Cette invention est à l’origine des digues mobiles du système MOSE mis en place à Venise. En 1887 Eiffel brevète un mécanisme de déplacement des portes roulantes formant vantail d’écluse. La porte ne roule pas dans l’eau mais son système de roulement est fixé à un pont mobile supérieur placé transversalement à l’écluse pour faciliter l’entretien de son roulement. Ce système avait été mis au point pour la construction des écluses du canal de Panama.

Construction de bâtiments industriels

Gustave était un spécialiste des charpentes métalliques qu’il avait été chargé de contrôler lors de la première exposition universelle de Paris en 1867. Il a déposé de nombreux brevet dans ce domaine. En 1886 c’est un dispositif de fermes droites ou courbes venant buter sur les cloisons métalliques obliques.   Pour éviter le surdimensionnement ou l’emploi de culées ou de tirants, Eiffel décide de faire buter chaque pied de la ferme sur un système métallique rigide permettant de reporter les poussées, sur des massifs de maçonnerie noyés dans le sol. La même année il brevète un autre dispositif de charpente équilibrée avec une ferme continue avec toiture en partie en dessus et en partie en dessous de la ferme, rendant celle-ci apparente à l’extérieur dans les parties latérales à la façon des contreforts des nefs d’église pour diminuer le poids et équilibrer l’ensemble. En 1893 c’est un nouveau dispositif de charpente permettant d’employer des châssis vitrés verticaux dans les hauteurs des arbalétriers ce qui permet d’éclairer l’usine, avec un dispositif de fenêtres en dent de scie.

Coupole de l’Observatoire de Nice

Pour faciliter l’orientation de la coupole de l’Observatoire de Nice, Eiffel dépose un brevet en 1881 pour un système de contre balancement du poids de la coupole par un dispositif hydrostatique. La coupole repose sur une cuve annulaire remplie de liquide non congelable. Le plancher qui porte l’escalier d’observation est réunit à la coupole et c’est l’observateur qui commande les mouvements de la coupole en ajoutant une quantité de liquide pour atteindre la libre flottaison.

Coupole de l'observatoire de Nice

Coupole de l’observatoire de Nice

Chemin de fer aérien

En 1886, Eiffel dépose un brevet pour la création d’un chemin de fer aérien suspendu à un circuit continu applicable au transport des visiteurs dans une exposition. Les voitures supportées par quatre roues sont entrainées dans un circuit général fermé par un câble continu ou un système pneumatique ou par une motorisation électrique.

Tunnel sous la Manche

Le projet le plus utopique d’Eiffel est dans son brevet déposé en 1890 pour un système de pont tubulaire sous-marin à parois métalliques résistantes avec enveloppe intérieure en béton reposant sur des points d’appuis reposant au fond de la mer Le tube étant composé d’éléments standardisés transportés par flottage et assemblés au moyen des techniques d’air comprimé !

Projet de pont sous-marin des etablissements Eiffel 1890

Projet de pont sous-marin des etablissements Eiffel 1890

Soufflerie type Eiffel et avion de chasse LE

En 1907 Eiffel construit au pied de la tour la première soufflerie aérodynamique du monde pour élaborer les premières lois de l’aérodynamisme. Cette soufflerie sera déplacée et améliorée en 1912 rue Boileau dans l’ouest parisien. Il y fera plusieurs milliers d’expériences pour optimiser l’aérodynamisme des avions et des voitures et améliorer chacun de leurs composants.

Soufflerie type Eiffel

En 1917 il déposa un brevet pour protéger les résultats de ses travaux dans le domaine des avions et des hélices. La même année il déposa un brevet pour un avion de chasse qui devait être le plus rapide du monde, le LE (le prototype qui fut construit atteint des vitesses admirables avant qu’un accident tragique ne mette fin à l’entreprise).

Avion de chasse à grande vitesse LE

Brevet de l’avion de chasse à grande vitesse Eiffel

Eiffel et la vie pratique

Dès 1866 Eiffel avait déposé un brevet de mécanisme d’ouverture et de fermeture d’une porte de bâtiment à l’aide d’une rotation manuelle au moyen d’une crémaillère horizontale transmettant par des pignons d’angle, un mouvement vertical ou horizontal d’ouverture et de fermeture.

Le brevet le plus surprenant et le plus utile d’Eiffel est certainement celui qu’il déposa en 1885 pour réguler automatiquement la température d’un bâtiment, c’est l’ancêtre du thermostat d’ambiance qui existe dans tous les logements. Ce dispositif était constitué d’un thermomètre à dilatation déplaçant une aiguille qui déclenche en se déplaçant un électro-aimant ouvrant ou fermant la vanne d’admission de l’air chaud. La même année Eiffel déposa un autre brevet pour appliquer son thermostat comme régulateur de température pour optimiser l’incubation des œufs dans les couveuses industrielles qui doivent avoir une température constante entre 39 et 40 degrés. Il perfectionne ce brevet en donnant la description complète de la couveuse optimisée avec description du schéma d’organisation, des matériaux et des systèmes de ventilation.

Eiffel est enfin l’inventeur du vide-ordure qu’il installa pour la première fois en 1889 pour évacuer les ordures des quatre restaurants installés sur la plate forme du premier étage de la tour. Il avait en effet installé dans les piliers des tuyaux de 80 centimètres de diamètre pour faire descendre automatiquement les détritus dans des wagonnets installés dans les piliers de la tour et qui étaient ensuite évacués dans des péniches.

Il ne faut pas enfin oublier le rôle essentiel d’Eiffel dans le domaine de la transmission sans fil, l’ancêtre de la radio. En effet Gustave Eiffel a été le mécène  d’Eugène Ducretet qui put faire les premiers essais de transmission sans fil entre le Panthéon et la tour en 1897. Il fut ensuite le mécène de l’Armée en finançant toutes les expériences du jeune ingénieur, le lieutenant Ferrié, qui aboutit à la création d’un corps de transmission militaire efficace qui contribua à la victoire de la Marne à la fin de la guerre de 1914-1918. C’est grâce au rôle stratégique de la Tour qu’Eiffel obtint la prolongation de la durée d’exploitation de la Tour Eiffel.

Sylvain Yeatman-Eiffel - Président d’honneur de l’ADGE