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1. IntroductionL’emploi du fer dans l’architecture médiévale a longtemps été décrié, sous-estimé et jugé comme l’indication d’un manque de compétence et d’une ignorance des règles architecturales. Cependant, depuis les années 1980 et les études novatrices sur le fer forgé appliqué aux édifices médiévaux, la perception de l’emploi du métal dans l’architecture a largement évolué (Wilcox, 1981 ; Stroobants, 1985 ; Benoît, 1985 ; Belhoste, 1996 ; Férauge, 1996). Les recherches se sont multipliées et la problématique abordée sous les angles historique, archéologique et archéométrique est devenue un foyer de l’interdisciplinarité (Erlande-Brandenburg, 1996 ; Taupin, 1996 ; Bernardi et Dillmann, 2002 ; Texier et al., 2007 ; L'Héritier, 2009 ; Timbert, 2009). Ainsi, aujourd’hui, il est admis que le fer tient une place importante dans la grande famille des matériaux mis en œuvre dans la construction des édifices gothiques et modernes. Néanmoins, les recherches se concentrent essentiellement sur le fer forgé utilisé dans la maçonnerie. En ce qui concerne l’emploi du métal dans les charpentes, ces travaux ont rarement dépassé l’étape de l’observation (Fischer-Kohnert, 1999 ; Hoffsummer, 1999 ; Tampone, 2002 ; Eissing, 2009 ; L’Héritier et al., 2010 ; Aumard et al., 2011). C’est pour contrecarrer cet état des lieux qu’en région wallonne, essentiellement dans la province de Liège (Belgique), des études ont été conduites sur l’emploi du fer dans les charpentes de comble. Les enquêtes bénéficiaient ici de la conservation exceptionnelle d’un nombre important de charpentes anciennes et des études dendrochronologiques et technologiques détaillées dont elles avaient fait l’objet depuis les années 1980 (Hoffsummer, 1989 ; Hoffsummer, 1995 ; Hoffsummer, 2002). Le présent article vise à discuter les premiers résultats obtenus à la suite d’investigations menées dans vingt-trois combles d’églises du sud de la Belgique et des Pays-Bas depuis 2007 (Mertens, 2009). Les questions de l’approvisionnement en bois et des volumes de bois et de fer présents au sein des combles sont successivement abordées puis confrontées aux résultats des analyses archéométallurgiques réalisées sur quarante-deux échantillons prélevés dans des éléments en fer de trois des charpentes liégeoises étudiées. L’objectif était notamment d’évaluer l’impact des innovations sidérurgiques sur l’utilisation de ces fers, sachant que la Wallonie a connu à la fin du Moyen Age le développement précoce de la métallurgie du fer indirecte1 (métallurgie moderne), puis à l’Epoque moderne, le développement industriel de cette technique en lieu et place de la métallurgie du fer directe2 (métallurgie ancienne) (Évrard, 1956 ; Pirotte, 1966 ; Gillard, 1971 ; Hansotte, 1968 ; Hansotte, 1972 ; Pasquasy, 2005 ; Awty, 2007). Les méthodes d’investigations développées pour cette recherche relèvent à la fois de l’archéologie du bâti et de l’archéométrie. Le croisement de ces deux disciplines permet d’envisager de façon parallèle l’évolution des techniques de construction et des procédés de production et de fabrication des matériaux bois et fer. Cette confrontation est replacée dans le contexte socio-économique du bassin mosan afin de distinguer les origines et les moteurs ayant influencé l’utilisation des différentes matières : modifications des styles architecturaux, variations de l’approvisionnement en matériaux de construction ou des modes de production, etc. Dans cette perspective, l’étude d’éléments en bois et en fer présents dans les charpentes de comble est optimisée par l’emploi de la dendrochronologie qui permet de dater précisément les phases de construction et de réparations auxquelles appartiennent les fers. Plus avant, les résultats obtenus autorisent une première appréhension du rôle que jouent les renforts en fer sur la longue durée, du xiie au xviiie siècle, au sein des charpentes de comble, tant dans l’architecture que dans l’esprit de ceux qui les utilisent. 2. Corpus et objet d’étudeDans le cadre de cette recherche, l’étude des sources écrites n’a pas été retenue parce que la grande majorité des archives médiévales liégeoises ont été détruites au cours de la Seconde Guerre Mondiale. Les investigations reposent exclusivement sur les analyses de vingt-trois charpentes de comble. Certaines d’entre elles comprennent plusieurs phases de constructions. Ainsi, le corpus est composé de trente-sept phases de construction réparties entre le xiie et le xviiie siècle, c’est-à-dire, entre la fin de l’« époque romane » et la fin des Temps modernes, entre les productions de type artisanal et la proto-industrialisation notamment sidérurgique (tableau 1).Tableau 1 : Corpus et caractéristiques des charpentes des édifices étudiés (La lettre « d » accolée à la date signifie datation dendrochronologique).Tableau 1: Corpus and features of the studied buildings roof frame (The letter « d » after the date means a dendrochronological dating) (Ch. Maggi, G. Pagès).Le corpus est uniquement constitué d’édifices religieux de plan basilical avec des toitures à double pente. De plus, toutes les charpentes étudiées sont entièrement construites avec du bois de chêne et structurées par des fermes disposées à l’aplomb des zones fortes. Cela permet d’appréhender un schéma constructif unique au sein duquel les forces architectoniques en vigueur sont relativement similaires d’une charpente à l’autre. Seule la façon d’assimiler ces forces varie en fonction de la structure de la charpente. En revanche, le mode de couverture n’a pu être pris en compte, car il a été régulièrement renouvelé et demeure rarement antérieur au xixe siècle. Dans le but de dresser un véritable panorama de l’utilisation du fer et du bois dans les charpentes de comble du Moyen Âge et de l’Epoque moderne, les édifices en question sont autant des grandes cathédrales que de petites églises paroissiales.Les bâtiments étudiés sont situés en Wallonie (Belgique), dans les provinces de Liège et de Namur, et aux Pays-Bas, dans la ville de Maastricht. Au cœur de ces localités coule la Meuse qui façonne le territoire auquel elle prête d’ailleurs son nom (fig. 1). Ce fleuve est dans la région un axe de circulation majeur qui permet d’acheminer, notamment depuis les Ardennes, les matériaux sidérurgiques et forestiers nécessaires à la construction (Suttor, 2006). Cet aspect est d’autant plus considérable que les Ardennes sont à la fois un des plus importants espaces métallurgiques en Europe au Moyen Âge et une source d’approvisionnement remarquable en bois. Ainsi, la Principauté de Liège et le Comté de Namur sont reconnus pour leurs productions sidérurgiques et pour avoir exporté du fer en France, en Hollande, dans le Saint-Empire et jusqu’en Angleterre depuis le xiiie siècle (Yante, 1985 ; Suttor, 2006).Figure 1 : Localisation des édifices et des prélèvements (Les numéros renvoient aux tableaux 1 et 2).Figure 1: Localization of buildings and samples (Numbers refer to tables 1 and 2) (Ch. Maggi).3. MéthodesLa dendrochronologieLa dendrochronologie permet de dater à l’année près les diverses phases de construction qui constituent une charpente. Cela n’est concevable que parce que le bois de charpente est mis en œuvre frais (Epaud, 2007). Si l’étude se fonde en partie sur des datations publiées (J. de Vries, 2003, Hoffsummer, 1995, Hoffsummer 2002), les anciennes comme les récentes carottes prélevées ont été soumises au même mode opératoire. La surface des échantillons est préparée au cutter ou à la lame de rasoir. Les cernes de croissance sont mesurés à l’aide d’une chaîne de mesure reliée à un ordinateur ou grâce au traitement d’une image de très haute qualité traitée par un logiciel de Dessin Assisté par Ordinateur3. La calibration des séries de largeurs de cernes en indices de croissance, les calculs de corrélation et les inter-datations sont exécutés sur le logiciel Dendron mis au point et régulièrement perfectionné par Georges Lambert (CNRS-UMR 6249 laboratoire de chrono-environnement, Besançon) dans le cadre d’échanges de données entre divers laboratoires français, belge, hollandais, allemand, suisse et anglais. La qualité des corrélations est donnée par le coefficient de corrélation de Pearson et la valeur t de Student qui permettent de calculer le risque d’erreur. L’estimation de la contemporanéité entre le bois et le ferA défaut de sources écrites qui pourrait aider à établir la contemporanéité entre un renfort en fer et le bois sur lequel il est appliqué, il faut privilégier une approche strictement archéologique du rapport fer/bois pour soutenir ou réfuter la contemporanéité de ce couple de pièces (fig. 2). Plusieurs aspects sont alors à prendre en compte pour évaluer cette contemporanéité et dater la mise en place du renfort en fer.Figure 2 : Exemple d’étrier en fer dans l’église Saint-Denis à Liège renforçant l’assemblage entre un poinçon et un entrait daté par dendrochronologie du premier du tiers du xive siècle.Figure 2: Example of iron reinforcements in Saint-Denis church in Liege at the truss between a king-post and a tie-beam dated by dendrochronology from de first third of the 14th century (G. Pagès).Premièrement, les recherches réalisées in-situ démontrent que chaque phase de construction d’une charpente fait l’objet d’un traitement particulier et répétitif. Cela signifie que dans le cas d’une charpente construite en plusieurs étapes, chaque phase de construction renferme un ensemble de renforts morphologiquement homogène qui varie d’une phase à l’autre de façon plus ou moins importante en fonction du nombre d’années qui sépare l’édification des différentes phases. Ainsi, lorsqu’une charpente est construite d’une seule volée, elle ne renferme qu’une morphologie de renforts en fer.Deuxièmement, si la charpente fait l’objet d’une réparation postérieure, les renforts employés sont la plupart du temps installés à des endroits circonscrits et ont, de plus, une morphologie différente de celle des renforts éventuellement déjà présents. Dans le même ordre d’idées, si une charpente, dont l’édification a été réalisée en plusieurs phases, ne contient qu’un seul ensemble de renforts homogène réparti entre les différentes phases, il faut conclure que cet ensemble a été mis en place a posteriori.Troisièmement, certaines formes de renforts donnent des jalons chronologiques qui peuvent être comparés aux datations dendrochronologiques pour estimer la contemporanéité entre le bois et le fer. C’est spécialement le cas des renforts composés d’écrous d’au moins 1,5 centimètres de diamètre et de tiges taraudés régulièrement qui sont inévitablement postérieurs aux xviiie-xixe siècles. Enfin, quatrièmement, la répétition de cette méthodologie sur les différents édifices amène à recouper les informations morphologiques dans le dessein de créer un inventaire typo-chronologique des renforts en fer4. Celui-ci permet de répondre aux questions de cohérence et d’homogénéité, de juger de la présence originelle dans l’édifice des renforts et de facto d’estimer leur contemporanéité ou leur postériorité par rapport au bois sur lequel ils sont appliqués. Actuellement, on discerne quatre grands types de renforts en fer employés en charpenterie : les plates-bandes, les étriers, les tirants et les chevilles-goujons. Ainsi, afin de comprendre les rapports chronologiques qui lient les renforts en fer et les éléments en bois au sein d’un comble, il est primordial d’adopter cette lecture critique et cette dialectique entre les matériaux.L’estimation des quantités de bois et de fer L’estimation du nombre de grumes5 utilisé dans la construction d’une charpente est fondée sur l’examen des traces d’outils et sur les mesures des sections des pièces de bois. Par l’intermédiaire de ces observations, il est possible de remonter aux dimensions des « grumes capables6 » recherchées par le maître charpentier et ainsi d’acquérir une approximation de la quantité d’arbres abattus7 (Bernard et al., 2007). De façon à pouvoir comparer la consommation de bois entre plusieurs charpentes, les résultats obtenus en fonction de la longueur originelle des combles sont ramenés à une longueur virtuelle de 100 mètres. Cette procédure d’estimation n’est pas applicable dans tous les combles, soit parce que la charpente a subi de trop lourdes modifications soit, pour les périodes plus récentes, parce que l’équarrissage et le débitage de plus en plus poussés des arbres empêchent de remonter à la grume capable d’origine. Le volume de bois est calculé pour une travée, ferme principale, fermes secondaires et contreventements compris, et multiplié par le nombre de travées qui composent une phase de construction. Le calcul ne prend en compte que les pièces d’origine de la charpente. En outre, il ne porte que sur les éléments forts de la charpente. Le calcul n’inclut donc pas les voligeages et de possibles planchers.Le volume de fer est estimé pour chaque type d’éléments en fer et multiplié par le nombre de pièces se rapportant à chaque type dans chaque phase. Les seules pièces prises en compte dans le calcul sont celles dont la contemporanéité avec le bois est avérée par la démarche sus décrite. Les éléments de fixation, clous et agrafes, ne sont pas inclus dans le calcul car leur exhaustivité est souvent difficile à garantir comme leur homogénéité. L’influence de ce choix est minime au regard du volume total. Il s’agit donc bien d’une estimation a minima qui porte sur les éléments en fer architecturaux employés dans les combles de charpente mosans au cours du Moyen Âge et de l’Epoque moderne. Par ailleurs, la présence du fer est aussi évaluée grâce au nombre de types d’éléments en fer qui sont utilisés dans chaque phase de construction (entre plate-bande, étrier, tirant et cheville-goujon) et à partir du nombre effectif d’éléments en fer mis en œuvre dans chaque phase sans distinction typologique. Ce dernier dénombrement par éléments ferreux ne tient pas compte non plus des pièces de fixation et autres clous et agrafes. On entend par « élément » l’ensemble du système ferreux utilisé par exemple pour le renforcement d’un assemblage de bois, c’est-à-dire autant l’étrier que les clous et les agrafes qui sont nécessaires à sa fixation au bois. Au final, pour comparer l’évolution chronologique des différentes données quantitatives (nombre de grumes utilisées, estimations volumétriques de bois et de fer, etc.), celles-ci sont présentées dans des tableaux et sous la forme d’histogrammes où les ordonnées représentent la chronologie par demi-siècles depuis le xiie jusqu’au xviiie siècle, et les abscisses les données quantitatives moyennées prenant en compte les différents édifices se rapportant à chaque demi-siècle. Certains demi-siècles ne sont pas évoqués dans la présente étude, faute de témoin pour la région concernée.L’analyse chimique semi-quantitative des inclusions piégées dans les fersLes études archéométallurgiques conduites visent à déterminer le procédé de production des éléments ferreux mis en œuvre dans les combles pour mesurer l’incidence sur l’emploi du fer dans les charpentes médiévales de l’arrivée des productions issues de la réduction indirecte par rapport aux productions issues de la réduction directe. De fait, ces études servent aussi à alimenter nos connaissances sur la mise en place de la métallurgie du fer moderne (réduction indirecte) en lieu et place de la métallurgie ancienne (réduction directe) à la fin du Moyen Âge dans le bassin mosan et, plus largement, en Europe occidentale. A ce jour, quarante-deux échantillons ont été analysés. Ils proviennent de trois édifices liégeois comportant neuf phases de construction de charpente datées du début de la période considérée, entre les années 1251-1252 et 1423-1424 (tableaux 2 et 3). Ces églises ont été sélectionnées pour deux raisons. D’une part, les édifices sont localisés au cœur de la zone d’étude, dans un même environnement urbain où se concentrent les richesses et les innovations, d’autre part, ils permettent d’avoir une vue cohérente sur l’utilisation du fer entre la seconde moitié du xiiie siècle et le premier tiers du xve siècle, dans une fourchette chronologique qui voit l’apparition de la réduction indirecte.Tableau 2 : Caractéristiques des éléments en fer des charpentes des édifices étudiés. (La lettre « d » accolée à la date signifie datation dendrochronologique)Tableau 2: Iron reinforcements features of the studied buildings roof frame (The letter « d » after the date means a dendrochronological dating) (Ch. Maggi, G. Pagès).Tableau 3 : Les échantillons ferreux analysés des églises Saint-Paul, Sainte-Croix et Saint Denis à Lège : morphologie et dimensionsTableau 3: The analysed ferrous samples from Saint-Paul, Sainte-Croix and Saint Denis church in Liège: morphology and dimensions (G. Pagès).Ces études nécessitent un protocole archéométrique approprié qui repose en grande partie sur la métallographie (fig. 3) et sur les analyses chimiques inclusionnaires semi-quantitatives par spectrométrie à dispersion d'énergie (EDS) couplée à un microscope électronique à balayage (MEB).Figure 3 : Analyse métallographique du spécimen n° 11 de la cathédrale Saint-Paul à Liège (daté par dendrochronologie de 1251-1252) qui permet de distinguer des inclusions de réduction piégées dans une matrice ferritique (cliché métallographique n° 1) d’inclusions éventuellement polluées par des ajouts de forge dans une zone de soudures où se côtoient des parties ferritiques et d’autres légèrement aciérées (cliché métallographique n° 2).Figure 3: Metallographic analysis of the sample n° 11 of the cathedral Saint-Paul in Liege (dated by dendrochronology to 1251-1252) which allows to distinguish the inclusions of reduction trapped in a ferritic matrix (metallographic image n° 1) of the inclusions possibly polluted by additions of forge in a zone of welding where are mixed some ferritic parts and other slightly steeled (metallographic image n° 2) (G. Pagès).La première étape de l’analyse archéométallurgique consiste à prélever des morceaux d’éléments en fer sans pour autant dénaturer l’édifice ou l’affaiblir. Par conséquent, la plupart du temps, des échantillons de l’ordre de quelques centimètres ont été prélevés (tableau 3). Cependant, onze pièces de plus grandes dimensions et n’étant plus fonctionnelles ont été soustraites en sus afin d’avoir une vue plus exhaustive sur le matériau ferreux utilisé. Les éléments en fer prélevés sont photographiés, pesés, mesurés et inventoriés. Ensuite, à l’aide des réactifs Nital et Oberhoffer et suivant une méthodologie établie visant à examiner les échantillons dans leur globalité afin d’appréhender l’hétérogénéité des matériaux ferreux, les échantillons ont été analysés en métallographie pour préciser la qualité inclusionnaire des pièces, la présence de soudure et la répartition des différents alliages ferreux (ferrite, aciers, fer phosphoreux, etc.) (Fluzin et al., 2000 ; Pagès et al., 2011)8. Cette phase analytique est primordiale pour préparer les analyses chimiques inclusionnaires. En effet, elle permet de reconnaître les parties dans lesquelles les analyses inclusionnaires vont être effectuées pour éviter de mesurer des zones non représentatives (Dillmann, L’Héritier, 2007 ; Pagès et al., 2011). Ainsi, par exemple, les soudures et les masses ferreuses recyclées sont identifiées et exclues des analyses chimiques étant donné que des ajouts de forgeage sont souvent présents dans ces zones et que ces derniers modifient la composition des inclusions (fig. 3). On préférera réaliser les analyses inclusionnaires au cœur des masses primaires de métal pour discriminer le procédé de réduction, entre réduction directe et réduction indirecte, selon une méthodologie reconnue et publiée (Dillmann et L’Héritier, 2007). Cette méthodologie se fonde sur la migration différentielle de certains éléments chimiques majeurs dans les inclusions piégées dans le métal lors des phases de réduction directe et indirecte (Dillmann, L’Héritier, 2007). Plus précisément, suite à la phase de réduction, les oxydes d'aluminium, de potassium et de magnésium ne sont pas réduits. Dans le procédé direct, ces éléments se retrouvent dans les scories, et par conséquent dans les inclusions piégées dans le métal. Dans le procédé indirect, ils passent très largement dans les laitiers, si bien qu'ils se retrouvent en faible quantité dans les inclusions piégées dans le métal. Quant au phosphore, il se comporte différemment puisqu’il s’agit d’un élément réduit : il migre autant dans le métal que dans la scorie. Il est donc présent dans les inclusions issues des deux filières. Cependant, au cours des opérations d’affinage9 qui jalonnent la filière indirecte, le phosphore est réoxydé notamment dans les inclusions qui présentent alors des concentrations très élevées en phosphore contrairement à celles associées à la filière directe. Ainsi, suivant ces différents comportements, il est possible de distinguer les procédés de réduction à l’aide d’un abaque représentant, en ordonnée, les teneurs en phosphore et, en abscisse, la somme des teneurs en aluminium, potassium et magnésium pondérée par les teneurs en fer. Notons qu’il existe une zone intermédiaire indéterminée où il est impossible de définir le système de réduction (Dillmann et L'Héritier, 2007) (fig. 8 à 10).Pour mesurer les teneurs des composés chimiques constituant les inclusions, nous avons utilisé le MEB (Philips de modèle FEG-ESEM XL30) du Center for Applied Technology in Microscopy (Catµ) de l’Université de Liège. Son détecteur EDS (spectromètre EDAX équipé d'un détecteur Si/Li) est équipé d’une fenêtre mince qui permet de doser tous les éléments chimiques majeurs, dont le numéro atomique est supérieur ou égal à celui de l’oxygène, avec une bonne précision si leur teneur en masse est supérieure à 1 % – de l’ordre de 2 % d’erreur relative. La tension d’accélération des électrons est de 15 keV. Les teneurs massiques sont exprimées en équivalent oxyde et normalisées à 100. Pour que les résultats soient significatifs et permettent la distinction et l’élimination des inclusions parasites qui proviennent d’ajouts, d’épiphénomènes divers ou d’effets de concentration locale10, une trentaine d’inclusions de section supérieure à 20 µm2 ont été analysées par échantillons (tab. 4). Aussi, dans notre étude près de mille deux cents mesures MEB-EDS ont été réalisées pour analyser les éléments chimiques majeurs des inclusions des quarante-deux spécimens sélectionnés. Pour faciliter le maniement de ces données, une moyenne des mesures des pourcentages massiques est calculée. Elle est pondérée par rapport à la surface de l’inclusion analysée et signalée par un astérisque pour la différencier des autres moyennes (%mass*), toujours suivant la méthodologie publiée (Dillmann &#38; L'Héritier 2007). 4. RésultatsÉvolution de la consommation en boisSuivant le protocole décrit, le graphique représentant l’évolution de la consommation en bois (fig. 4) rend compte d’une forte diminution de la quantité de grumes consommées pour la réalisation des charpentes entre le xiie et le xviiie siècles, de 650 à environs 250 arbres abattus pour la construction de charpentes d’une longueur de 100 mètres. La première époque de décroissance apparaît à la transition entre l’architecture à caractère roman et l’architecture à caractère gothique11, c’est-à-dire dans le courant du xiiie et du xive siècles. Ensuite, durant la période s’étalant du xive siècle jusqu’à la seconde moitié du xvie siècle, la quantité de grumes consommées demeure relativement constante. Il faut attendre la transition entre le xvie et le xviie siècles pour voir une nouvelle époque de décroissance du nombre de grumes consommées. Cette seconde diminution est très importante, notamment par rapport à celle du xiiie siècle, puisque la consommation chute alors de moitié.Figure 4 : Évolution de la consommation en bois.Figure 4: Evolution of wood consumption (Ch. Maggi). Évolution du pourcentage de volume de bois sur le volume de la charpenteComme pour l’évolution de la consommation en bois, on constate une décroissance du xiie au xviiie siècle du pourcentage de volume de bois par rapport au volume de la charpente : de plus de 6% à environ 3,7% (fig. 5). Ici, la diminution est surtout visible à la transition entre l’« architecture romane » et l’« architecture gothique », aux xiiie et xive siècles. S’en suit une phase de stabilisation durant la période comprise entre le xiiie et le xviie siècles où le pourcentage de volume de bois par rapport au volume de la charpente oscille légèrement au dessus de 4% avec localement un pic à 6%. Le xviiie siècle semble être marqué par une nouvelle phase de fléchissement du pourcentage du volume de bois par rapport au volume de la charpente qui passe alors à 3,7%, ce dernier pourcentage étant la moyenne la plus basse enregistrée.Figure 5 : Évolution du pourcentage de volume de bois sur le volume de la charpente.Figure 5: Evolution of the percentage of the volume of wood on the volume of the frame (Ch. Maggi).Évolution du pourcentage du volume de fer sur le volume de la charpenteLe plus ancien renfort en fer répertorié dans un comble de la région mosane est daté de 1252. Il est situé dans le transept de la cathédrale Saint-Paul à Liège où il renforce l’assemblage entre un entrait et un poinçon dans une charpente à chevrons formant fermes de conception typiquement gothique. Les observations menées dans des charpentes de typologie romane ont effectivement révélé l’absence récurrente d’éléments en fer originels. L’utilisation du fer dans la charpente de comble semble donc apparaître de pair avec l’avènement de l’« architecture gothique » (tableau 2 et fig. 6).Figure 6 : Évolution du pourcentage du volume de fer sur le volume de la charpente.Figure 6: Evolution of the percentage of the volume of iron on the volume of the frame (Ch. Maggi).Suite à l’apparition de l’emploi du fer en charpenterie durant la seconde moitié du xiiie siècle, la pratique connaît une phase d’assimilation et de développement entre le xive et la fin du xvie siècles. Ce phénomène est visible dans le rapport entre volume de fer et le volume de la charpente. Il est aussi nettement perceptible dans le rapport entre le nombre d’éléments en fer et le volume de bois (tableau 2 et fig. 6 et 7), ce qui prouve que cette accroissement n’est pas dû à l’amplification des dimensions des renforts, mais bien à la multiplication de leurs usages.Figure 7 : Évolution du nombre d’éléments en fer par rapport au volume de bois.Figure 7: Evolution of the number of iron elements compared to the volume of wood (Ch. Maggi).Cependant, si l’emploi du fer en charpenterie se développe de façon régulière, cet usage ne devient pas systématique pour autant et certaines charpentes sont toujours construites sans faire l’usage d’aucun renfort jusqu’au xviiie siècle (tableau 2). Aux alentours des xviie et xviiie siècles, cette pratique connaît néanmoins un essor intensif et se retrouve utilisée massivement et pratiquement systématiquement (tableau 2 et fig. 6 et 7). Ce long processus est couplé dans le même temps à la multiplication des types de renforts (tableau 2). Alors que du xiiie siècle au xve siècle inclus, une charpente contient en moyenne un ou deux types de renforts distincts, à partir du xvie et surtout au xviie siècle, ce nombre augmente et certaines charpentes renferment jusqu’à cinq ou six types de pièce en fer jouant chacun un rôle différent. Aux xviie et xviiie siècles, le fer prend ainsi de plus en plus d’importance dans la conception des charpentes.Évolution du procédé de fabrication des fers de charpente, entre réduction directe et indirecteAucun spécimen des quarante-deux prélèvements ferreux réalisés dans neuf phases de construction de trois charpentes liégeoises n’est issu de recyclage. Aucun échantillon n’a donc été soustrait au raisonnement, bien que certaines zones de soudures aient été nettement identifiées et, de fait, mises à l’écart des mesures MEB-EDS. Cependant, dix échantillons sur les quarante-deux analysés n’apparaissent pas dans les résultats parce que les inclusions mesurées n’étaient pas assez nombreuses ou les mesures trop hétérogènes pour être significatives (tab. 4).Tableau 4 : Composition inclusionnaires en éléments chimiques majeurs des 42 échantillons ferreux : synthèse des moyennes pondérées des mesures MEB-EDS.Tableau 4: Slag inclusion composition for detected compounds (weighted content) for each analysed ferrous samples (G. Pagès).Ainsi, selon les analyses chimiques des éléments majeurs piégés dans les inclusions des trente-deux échantillons analysés restant, la totalité du fer fabriquée dans la seconde moitié du xiiie siècle est issue du procédé direct (6 des 14 pièces analysées se trouvent dans la zone indéterminée) (fig. 8). Cette conclusion est conforme à ce qui est connu par ailleurs. En revanche, dans le premier tiers du siècle suivant, au xive siècle, la situation est différente. Deux spécimens (LPAU14 et LDEN1_LP) issus de deux édifices différents (Saint-Paul et Saint-Denis à Liège) proviennent de la filière indirecte, alors que trois spécimens sont issus de la filière directe (fig. 9). Les sept autres se trouvent dans la zone indéterminée. On ne peut donc rien affirmer à leur sujet. Les deux spécimens issus de la filière indirecte sont datés du premier tiers du xive siècle. Il s’agit donc là des plus vieux témoins de l’utilisation de fer issu du procédé indirect en Wallonie et peut-être de production indirecte dans la région (Pasquasy, 2005). En conséquence, on peut supposer que les productions issues de la réduction indirecte sont utilisées en Wallonie à partir du premier tiers du xive siècle. Cependant, les réseaux d’approvisionnement restaient très diversifiés, puisque les deux filières de production pouvaient entrer en jeu. Pour le premier tiers du xve siècle, les résultats sont aussi très surprenants. En effet, ici, quatre spécimens proviennent de la filière directe, alors qu’aucun n’est issu du procédé indirect (fig. 10). Seuls deux autres spécimens se trouvent dans la zone indéterminée, il est donc impossible de se prononcer à leur sujet. Aussi, si la distribution de fer issu du procédé indirecte en Wallonie est intervenue tôt dans le xive siècle, les productions de réduction directe restent très importantes et encore largement majoritaires au début du xve siècle.Figure 8 : Abaque permettant de discriminer le système de production duquel sont issus les spécimens ferreux liégeois de la seconde moitié du xiiie siècle, entre réduction directe et réduction indirecte.Figure 8: Abacus allowing to discriminate the system of production from which result the ferrous samples of Liege from the second half of the 13th century, between direct reduction and indirect (G. Pagès, d’après Dillmann, L’Héritier, 2007).Figure 9 : Abaque permettant de discriminer le système de production duquel sont issus les spécimens ferreux liégeois du premier tiers du xive siècle, entre réduction directe et réduction indirecteFigure 9: Abacus allowing to discriminate the system of production from which result the ferrous samples of Liege from the first third of the 14th century, between direct reduction and indirect (G. Pagès, d’après Dillmann, L’Héritier, 2007).Figure 10 : Abaque permettant de discriminer le système de production duquel sont issus les spécimens ferreux liégeois du premier tiers du xve siècle, entre réduction directe et réduction indirecte.Figure 10: Abacus allowing to discriminate the system of production from which result the ferrous samples of Liege from the first third of the 15th century, between direct reduction and indirect (G. Pagès, d’après Dillmann, L’Héritier, 2007).5. DiscussionFers et bois dans les charpentes de comble : premiers jalons d’une évolutionLes évolutions de la consommation en bois et du pourcentage du volume de bois sur le volume de la charpente connaissent deux phases de décroissance identiques : une première aux xiii-xive siècles et une seconde entre le xvie et le xviiie siècles. Cependant, la décroissance du pourcentage du volume de bois sur le volume de la charpente est beaucoup plus forte aux xiiie-xive siècles alors que la baisse la consommation en bois est nettement plus marquée aux xvie-xviie siècles. On comprend dès lors que les origines de ces deux phénomènes sont à chercher dans des causes différentes.Aux xiii-xive siècles, la décroissance importante du pourcentage du volume de bois sur le volume de la charpente et le faible infléchissement de la consommation en bois apparaissent au moment de la transition entre l’architecture à caractère roman et l’architecture à caractère gothique. Il semble donc que ces phénomènes doivent être mis en relation avec les modifications typologiques des charpentes qui surviennent à l’avènement de l’« architecture gothique ». La mise en œuvre de structures tramées, l’emploi de pièces de contreventement et l’économie de poteaux permettent de libérer de l’espace et d’allonger la distance entre chaque ferme (Hoffsummer, 2002), favorisant ainsi l’économie de bois-d’œuvre malgré la mise en place de charpentes toujours plus hautes et plus volumineuses (fig. 11).Figure 11 : Moyennes des aires (en m2) des combles étudiés.Figure 11: Averages of areas (in m2) of the stutied roofs. (Ch. Maggi).Aux xviie-xviiie siècles, la forte diminution observée dans la consommation de grumes et la faible décroissance du pourcentage du volume de bois sur le volume de la charpente pourrait respectivement être la conséquence de la réduction générale des dimensions des combles (l. x h.) (fig. 11), et d’une nouvelle modification importante des techniques de construction mettant en œuvre davantage de bois de faible longueur et de forte section (fig. 12). Aux alentours des xve-xvie siècles, les forêts sont clairsemées (Williams, 2000). Avec le manque de compétition, les arbres ont plus tendance à grossir qu’à grandir. Les plus longs arbres vont être conservés pour des usages privilégiés et des pièces particulières comme les entraits ou la charpenterie marine alors en plein développement dans les Pays-Bas (Suttor, 1999). D’ailleurs, la circonférence des grumes capables utilisées dans les charpentes de combles augmente très fortement entre le xve et le xviiie siècles et dépasse majoritairement les 30 centimètres à partir du xve siècle (fig. 12). Dans son traité de 1702, La Hire distingue clairement ce qu’il appelle deux sortes de bois : les « Bois de Brin » et les « Bois de Sciage ». Les premiers sont employés « pour être mis en œuvre de leur grosseur » alors que les seconds « se débitent ordinairement de bois courts et gros » (La Hire, 1702). Comme cela a été observé par ailleurs (Hunot, 2001), c’est également au xve siècle que l’usage de la scie devient de plus en plus intense car elle simplifie et accélère le débitage de ces grosses grumes en de multiples pièces. L’élargissement des grumes et la réduction de leur longueur vont donc avoir une incidence directe sur les typologies des charpentes et sur les dimensions des combles (l. x h.) qui sont alors revues à la baisse (fig. 11) (Hoffsummer, 1995). En outre, l’emploi de ces grosses grumes débitées explique, du moins en partie, la constance aux xvie et xviie siècles du pourcentage du volume de bois sur le volume de la charpente (fig. 5), ce type de grume permettant de mettre en œuvre moins d’arbre pour un même pourcentage de volume de bois utilisé dans la charpente.Figure 12 : Évolution du pourcentage de grumes de sections ≥ 30 cm utilisées dans les charpentes de comble.Figure 12: Evolution of the percentage of barks of sections ≥ 30 cm used in the frames of roofs (Ch. Maggi).L’utilisation de renforts en fer dans une charpente à partir du xiiie siècle semble être à mettre en parallèle avec l’avènement de l’« architecture gothique » qui s’accompagne d’une modification importante des conceptions de charpentes et des typologies de fermes, ainsi que d’une augmentation générale des dimensions des combles (fig. 11) et de l’inclinaison des toits. Le bois occupe alors un espace moins important dans des combles qui deviennent plus dégagés (fig. 4). L’installation des pièces en fer semblerait donc répondre, au moins en partie, à un sentiment de précaution et à la volonté de renforcer les assemblages au cas où surviendraient des turbulences. En effet, avec l’augmentation des dimensions des combles et des pentes des toits dans l’« architecture gothique », la prise au vent est plus importante et augmente les risques de déchaussement des assemblages et d’inclinaison des fermes.Par la suite, l’usage de renforts en fer dans la charpenterie de comble ne cesse d’augmenter du xiiie au xviiie siècle comme le montrent autant le pourcentage du volume de fer sur celui de la charpente que la quantité d’éléments en fer sur le volume du bois (tableau 2 et fig. 6 et 7). L’utilisation plus importante et diversifiée du fer en charpenterie aux Temps modernes semblerait donc être la conséquence d’un processus de longue durée, où le fer s’impose de plus en plus comme un élément constitutif de la charpente. Ce phénomène pourrait peut-être être stimulé par la mise en œuvre de grumes plus courtes dans les charpentes dès les xvie-xviie siècles (fig. 12). Ainsi, en 1627, dans son « théâtre de l’art de charpentier », Mathurin Jousse cite naturellement l’emploi d’agrafe, de barres, d’étriers ou de chevilles de fer, notamment pour « supporter par le milieu » entraits, liernes et tirants (Jousse, 1627). Le rôle du fer en charpente a donc évolué. Etant d’abord employé comme renfort de précaution, il devient, aux Temps modernes, un support, c'est-à-dire élément actif dans la confection du comble.En résumé, entre le xiie et le xviiie siècles, la situation change. Alors qu’au xiiie siècle, c’est l’avènement d’un style nouveau, l’« architecture gothique », accompagné de la diminution de la consommation en bois dans les charpentes qui semblent influencer de début de l’emploi du fer en charpenterie, au xvie siècle, ce sont des contraintes économique et technique qui auraient engendré la réduction de la consommation de bois en partie au moins compensée par le développement régulier d’une utilisation du renfort en fer toujours plus diversifiée et importante. Quid des évolutions techniques ?Les variations des modalités de construction semblent principalement influencées par des composantes esthétiques et économiques, mais il est tout aussi légitime de s’interroger sur le rôle joué par l’influence des changements techniques.Qu’en est-il de l’incidence de l’arrivée de production issue de la filière indirecte sur l’utilisation du fer dans les charpentes ? Le témoin le plus ancien de l’utilisation du procédé indirect de réduction du minerai de fer dans le bassin Mosan est un renfort de charpente daté du premier tiers du xive siècle. Or, l’utilisation du fer dans les charpentes de comble apparaît et se généralise rapidement à partir du xiiie siècle, époque à laquelle seul le procédé de réduction directe est avéré. L’utilisation du fer dans les combles semble donc davantage liée aux précautions d’usage appliquées au début du développement de l’« architecture gothique » qu’à la mise en place d’une nouvelle technique de réduction qui aurait rendu le fer plus disponible ou moins onéreux (Cantelaube et Verna, 2002). Plus avant, entre le xive et le xvie siècles, l’utilisation du fer augmente constamment dans les charpentes sans cependant que l’on ne puisse faire de lien avec l’apparition de la réduction indirecte. D’ailleurs, il faut noter que jusqu’au début xve siècle le procédé direct de réduction semble rester largement majoritaire dans les volumes de production utilisés dans les combles.L’Héritier fait la même constatation concernant le fer employé en maçonnerie dans les églises de Bourgogne, de Champagne12 et de Haute-Normandie. Le procédé de réduction direct reste ici majoritairement employé jusqu’à la fin du xve siècle et subsiste durant une bonne partie du xvie siècle (L’Héritier, 2010). En outre, constatant que le vitrail est le premier consommateur de fer dans les cathédrales gothiques de Troyes et de Rouen, L’Héritier a examiné l’évolution du rapport entre la masse de fer et le volume de verre entre le xiie et le xve siècles (L’Héritier, 2007). Ainsi, il constate que la masse de fer utilisée dans un vitrail dépend directement des dimensions de celui-ci et que ces dimensions augmentent de façon générale dès le début du xiiie siècle. Deuxièmement, il montre que le rapport entre la surface vitrée et la masse de fer diminue lorsque la taille des baies vitrées augmente et que se multiplient les remplages en pierre. Troisièmement, il établit que les fers antérieurs à l’extrême fin du xve siècle sont majoritairement issus de production directe (L’Héritier et al., 2010). Ainsi, ici aussi, il apparaît que l’utilisation de plus en plus massive du fer dans l’architecture à la fin du Moyen Age et au début de l’Epoque moderne semble le fruit d’une longue évolution influencée plus par les modifications des styles et des méthodes de construction que par l’introduction de nouveaux modes de production du matériau.Dans l’avenir, de nouvelles analyses archéométallurgiques sont à conduire pour différencier les modes de production des fers utilisés dans les charpentes et mieux évaluer l’apparition de la métallurgie du fer indirecte dans le premier tiers du xive siècle et l’impact de son développement entre le xve et le xviiie siècles. Notons dès à présent qu’il est avéré que la métallurgie du fer indirecte connaît durant les xvie, xviie et xviiie siècles une phase d’expansion en Ardennes (Évrard, 1956 ; Pirotte, 1966 ; Gillard, 1971 ; Hansotte, 1968 ; Hansotte, 1972 ; Pasquasy, 2005 ; Awty, 2007). Il faudra alors mesurer si ce phénomène de généralisation et de développement est à corréler avec l’utilisation plus importante du fer démontrée dans les charpentes de comble à partir du xviiie siècle (fig. 6 et 7). 6. Conclusion Il ressort de ces travaux que l’utilisation du fer est importante dans les charpentes médiévales et modernes du bassin de la Meuse et que l’usage de ces renforts augmente à mesure que la quantité de bois mise en œuvre diminue. Plus encore, la combinaison des informations dendrochronologiques, architecturales et archéométallurgiques, tant d’un point de vue qualitatif que quantitatif, a permis d’appréhender l’évolution de l’emploi du fer et des techniques de charpenterie en plusieurs étapes en rapport avec l’histoire de l’architecture, l’histoire des techniques et l’histoire économique.Effectivement, l’étude tend à démontrer que dans la région mosane, les premières pièces en fer apparaissent dans les charpentes avec l’avènement de l’« architecture gothique » pour renforcer les assemblages sans qu’il n’y ait de lien avec le développement de la réduction indirecte, mais plutôt pour répondre à un sentiment de précaution, alors qu’augmentent les dimensions des combles et l’inclinaison des pentes des toits. Les analyses chimiques inclusionnaires ont en effet révélé que l’utilisation de fer issu du procédé indirect de réduction apparaît dans le premier tiers du xive siècle, mais reste largement minoritaire au moins jusqu’au premier tiers du xve siècle. Ainsi, si cette datation est la plus précoce attestation en Wallonie de l’utilisation de fer produit en indirect, elle montre aussi que le développement de cette technique en Occident connaît une expansion longue et progressive au moins depuis le xiie siècle en Suède jusqu’à son épanouissement durant l’Epoque moderne spécialement en Ardennes (Magnusson, 1994 ; Awty, 2007). La lente mise en place de cette technique en Wallonie au cours du xve siècle pourrait aussi être due, au moins en partie, aux importants conflits qui agitent toute la région à cette époque entre les ducs de Bourgogne et le roi de France. Entre le xvie et le xviiie siècles, ensuite, si les techniques de construction des charpentes évoluent peu, il apparaît que la diminution des ressources forestières engendre l’utilisation de bois de plus grande circonférence et de plus courte longueur travaillés à la scie et entraine de ce fait une évolution des typologies de charpentes de comble dans lesquelles l’utilisation du fer continue à prendre une place toujours plus importante.On retiendra alors que les innovations notamment sidérurgiques sont des processus à appréhender sur la longue durée en maniant dans le même temps les concepts de diffusion, d’acceptation, d’assimilation voir d’adaptation et de développement, comme cela a d’ailleurs déjà été observé dans des régions plus méridionales (Cantelaube et Verna, 2002).Nous tenons à remercier le service DGO4 de la Région Wallonne, ainsi que les fabriques d’églises pour nous avoir autorisé les études et les prélèvements analytiques et permis d’accéder aux combles. Nous souhaitons également remercier François Mathis et l’ensemble de l’équipe du Centre Européen d’Archéométrie de l’Université de Liège qui ont soutenu et participé à ce travail. Enfin, nous remercions Philippe Dillmann (IRAMAT LMC CNRS UMR5060) et Maxime L’Héritier (SIS2M LAPA CEA/CNRS UMR3299) de nous avoir permis d’utiliser l’abaque discriminant des procédés de réduction et, plus largement, pour avoir collaboré à la réflexion.