Инженеры рассказали о секретах куполов соборов эпохи кватроченто

Секреты зодчества мастеров эпохи Возрождения давно были предметом изучения инженеров и историков. Почему великолепный каменный купол флорентийского собора Санта-Мария-дель-Фьоре в Италии простоял шесть веков невредимым, как он выдерживает собственный вес без видимых опор и как вообще его возводили снизу вверх без какой-либо внешней поддержки типа опалубки? Такие же вопросы возникают при изучении собора Святого Петра в Ватикане и многих других храмов эпохи раннего Возрождения - она же эпоха кватроченто, датируемая XV веком.

Ученые Принстонского университета в США и их итальянские коллеги провели исследование с помощью математического анализа и современных инструментов, результаты этого труда публикует научный журнал Engineering Structures.

Саму технологию изобрел итальянский архитектор XV века Филиппо Брунеллески при строительстве кафедрального собора Флоренции. Купол состоит из двух типов кладок. Одним слоем шли вертикально, под углом 45 градусов, уложенные кирпичи, а вторым - горизонтальные прослойки кирпичей, которые заполняли пустоты внутри ячеек, образовавшихся внутри первой кладки. Получался поперечно-еловый спиральный рисунок кладки, позволявший конструкции удерживать устойчивое равновесие и самосбалансироваться.

Такая технология, по словам ученых, использовалась в Италии на протяжении века и более для возведения каменных куполов без опалубки. Однако до сих пор было непонятно, каким образом этот поперечный спиральный узор елочки обеспечивает равновесные состояния самобалансирующихся каменных куполов и не дает ему разрушаться еще в процессе строительства.

В своем исследовании ученые провели анализ дискретной элементной модели, доказали существование имеющегося сопротивления и просчитали, как меняется распределение напряжения внутри купола при добавлении каждого нового слоя кирпичей. Даже на этапе возведения конструкции благодаря такой укладке было предотвращено сползание или опрокидывание купола. Также они установили роль в структурных свойствах собора так называемых бордюров - особых выступов из кирпичей.

Архитектор вставлял эти бордюры в купол под определенным углом, больше 10 градусов. Это обеспечивало стабильность конструкции, и она никогда не двигалась. Поэтому при возведении купола не нужна была поддержка в виде опалубки, да и много рабочих рук тоже не требовалось.

Эти выводы важны не только и для истории, архитектуры и современного строительства. Старинная технология может иметь практическое применение в создании полностью автоматизированных методик постройки зданий при помощи дронов или роботов.