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A partir de la fin du Xe siècle, les bâtisseurs romans remplacent le plafond horizontal en bois de la nef par des voûtes en pierre pour raison esthétique tout d'abord : la ligne courbe de la voûte en pierres évite un arrêt brutal et traduit mieux l’image d’un monde sans limite, mais aussi pour raison matérielle : la pierre est résistante au feu. Les difficultés imposées par ce choix vont déterminer les principes de construction des édifices romans.

Les piliers

Ils ont pour fonction de porter la voûte avec ses arcs. ; ce qui amènera l’architecte à concevoir d’abord la voûte pour ensuite dessiner les piliers.

Schéma commenté d'un pilier

Les chapiteaux, grâce à leur forme évasée, assurent le raccordement entre les piliers et les arcs dont les sections sont différentes. Dans certains édifices, ils sont absents lorsque les sections des éléments sont identiques, sinon il s’en suivrait une confusion.

Les arcs

Pour clôturer le volume en partie supérieure, on utilise l’arc qui consiste à assembler des pierres en suivant une ligne courbe. De la sorte, on peut franchir plusieurs dizaines de mètres (comme pour les ponts).

Il existe deux types d’arcs : l’arc en plein-cintre (demi-circulaire) et l’arc brisé (deux portions de cercle se butant à leur sommet). Le premier est caractéristique du roman alors que le second sera surtout utilisé par les bâtisseurs gothiques. L’arc brisé est plus stable et permet d’harmoniser des arcs d’ouverture différentes en portant leur sommet à la même hauteur. En marquant davantage le vide, l'arc brisé renforce la sensation d’espace. Il a été adopté dans la basilique de Paray-le-Monial, le prieuré de la Charité-sur-Loire, la cathédrale d’Autun, … Il sera systématiquement adopté par les cisterciens.

On a trop souvent expliqué de façon simpliste le passage du roman au gothique par le remplacement de l'arc en plein-cintre par l'arc brisé. Cela vaut un peu pour la France mais pas du tout pour des pays comme l'Italie où l'évolution de l'architecture n'a pas du tout suivi la même voie. Ainsi, la façade de l’Eglise Saint Michel de Lucques est très souvent présentée comme "romane" parce qu'elle utilise l'arc en plein cintre réputé typiquement roman. Cette façade est pourtant presque contemporaine de la fin du gothique classique en France.

Les voûtes

Pour franchir les vides, les voûtes se comportent comme des arcs grâce à la taille et à la disposition identique de leurs pierres.

La voûte la plus simple a la forme d'un demi-cylindre et s'appelle "voûte en berceau". Elle est posée sur le haut des murs et ressemble à un long volume perdu dans l'ombre, les fenêtres étant situées bien en-dessous. Ces fenêtres sont étroites car la voûte pèse sur toute la longueur des murs, ce qui interdit de les évider.
La "voûte d’arêtes" permet de résoudre ce problème. Pour comprendre sa forme, il faut imaginer deux demi-cylindres se pénétrant à angle droit. Dès lors, la voûte s’appuie seulement sur quatre points qu’il suffit de renforcer. L’ouverture de grande fenêtres est possible sans mettre en péril la stabilité. Les murs étant dégagés sur toute leur hauteur, les fenêtres peuvent s’élever jusqu’au faîte du volume intérieur et par la même chasser toute zone obscure.
Lorsqu’on doit franchir plus de 8 mètres, la solidité des voûtes est insuffisante. La coupole permet de s’en affranchir. En exerçant des poussées réparties sur tout son pourtour, on réduit les forces qui agissent sur les murs. Dans le cas d’une coupole sur pendentif, les pendentifs (parties triangulaires) reportent le poids de la coupole sur les arcs qui à leur tour les renvoient sur les 4 piliers.

A la croisée du transept s’ouvrait généralement un puit de lumière : on aurait pu se contenter de quatre hauts murs avec des ouvertures, mais le souci du symbolisme imposait une coupole rappelant la sphère céleste.

Le passage du carré au cercle sera solutionné de différentes manières : la difficulté consiste essentiellement à couper les angles du carré, car ensuite, en s’appuyant sur un octogone, on peut facilement passer au cercle.

Les bâtisseurs gothiques négligeront l’éclairage de l’église par une coupole placée à la croisée du transept. L’idée resurgira plus tard avec le dôme de Florence, Saint-Pierre de Rome, Saint-Louis des Invalides, …