Ученые раскрыли секрет куполов итальянских соборов

Итальянские инженеры раскрыли инженерные методы создания самонесущих каменных куполов соборов эпохи Возрождения. Результаты описаны в журнале Engineering Structures.

Исследователи из Университета Бергамо проанализировали технику кладки восьмигранных куполов итальянских соборов, таких как Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции, построенных без использования опор или других элементов несущих каркасов.

Это первое подобное исследование, в котором приводятся физические расчеты конструкции и в количественных терминах объясняются силы, которые позволяют строить такие огромные конструкции без опалубки, обычно требуемой даже при современных технологиях.

До этого было известно только, что вся нагрузка купола приходится на стены основного здания, но непонятно, как можно было построить купол без использования временных конструкций, удерживающих его во время строительства.

Детальный компьютерный анализ, учитывающий действие всех сил с детализацией до отдельного кирпича, позволил объяснить, за счет чего достигалось равновесие. Ученые использовали так называемую технику дискретного элементного моделирования, позволяющую анализировать возводимую структуру на всех этапах строительства. С помощью такого метода можно не только рассчитать механические свойства готовой конструкции и определить предельные состояния равновесия и стабильность завершенного сооружения, но и воссоздать технологии строительства.

Купол собора Санта-Мария-дель-Фьоре был построен в XV веке итальянским архитектором эпохи Возрождения Филиппо Брунеллески. При строительстве купола впервые была использована своеобразная техника кладки, в которой роль каркаса, обеспечивающего жесткость, играли ромбы из уложенных «елочкой» вертикальных кирпичей. Пространство внутри ромбов закладывалось горизонтальными рядами так называемых полевых кирпичей.

Каждый такой ряд выполнял роль плоской арки, или пластины, конечные элементы которой упирались в торцевые упоры в виде горизонтальных кирпичей ромбов и фактически распределял нагрузку по всей конструкции.

Ученые раскрыли секрет куполов итальянских соборов

Авторы исследования показали, что сопротивление пластин предотвращало скольжение рядов кирпичей во время строительства и обрушение каменного купола. Но, самое интересное, что ряды ромбов в куполе Санта-Мария-дель-Фьоре и более поздних соборов XVI века идут не горизонтально, а по спирали, поднимающейся к вершине купола в виде линии, имеющей название локсодрома. При таком рисунке кладке прочность конструкции обеспечивается не за счет цементного раствора, скрепляющего между собой кирпичи, а за счет расположения самих кирпичей.

Ученые считают, что использование подобной технологии позволит осуществлять возведение куполообразных конструкций из кирпича не только без раствора, но и без участия человека, с помощью роботов-беспилотников, доставляющих материал к месту укладки. Такой метод, по мнению исследователей, — не только наиболее безопасный и дешевый, но и наиболее экологичный.

«Строительная отрасль является одной из самых расточительных, — приводятся в пресс-релизе слова руководителя исследования Сигрид Адриаенсенс (SigridAdriaenssens), профессора гражданского и экологического проектирования в Принстонском университете. — Поэтому, если мы не изменим технологии, строительных отходов будет все больше и больше».