Il Duomo fiorentino di Filippo Brunelleschi oltre ad essere una meraviglia, è anche un mistero dell’ingegneria da oltre 500 anni. Ma come il maestro orafo e scultore creò la più grande cupola in muratura esistente? È un’opera ingegneristica mai vista nell’antichità. Brunelleschi non ha lasciato disegni o appunti di costruzione per spiegare come il famoso Duomo, parte della Cattedrale di Santa Maria del Fiore, fosse autoportante e costruito senza l’uso di armature (un sistema di supporti) e casseforme.

I ricercatori dell’Università di Bergamo in Italia e dell’Università di Princeton negli Stati Uniti hanno collaborato a uno studio che ha rivelato le tecniche ingegneristiche alla base delle cupole in muratura autoportanti inerenti del Rinascimento italiano. I loro risultati sono stati pubblicati nel numero di luglio 2020 di Engineering Structures. Il loro studio è il primo a dimostrare quantitativamente la fisica al lavoro e a spiegare le forze che hanno permesso la costruzione di tali strutture senza le casseforme tipicamente richieste per la costruzione moderna. I ricercatori si sono posti due domande significative: come furono costruite queste grandi e belle strutture senza l’uso di strutture temporanee per sostenere tutta la costruzione? Cosa possiamo imparare e cosa possiamo usare oggi?

I ricercatori non hanno potuto studiare il Duomo di Firenze o qualsiasi altro intonacato.  Per risolvere il mistero, hanno studiato la cupola di Santa Maria, a Ciel d’Oro, a Montefiascone (Viterbo, Lazio) e una delle cupole laterali di San Pietro, costruita da Antonio Sangallo il Giovane. Poiché queste cupole non erano intonacate, mostravano la disposizione dei mattoni. L’analisi dettagliata del computer condotta dai ricercatori ha tenuto conto del ruolo di ogni singolo mattone. La loro analisi ha mostrato che il disegno geometrico dei mattoni era il perno nel rendere la struttura autoportante. Il motivo a spina di pesce ha generato una curva a spirale dall’equilibrio perfetto. Come ha affermato Attilio Pizzigoni, professore all’Università di Bergamo e uno degli autori dello studio, “abbiamo visto che ogni mattone incide sull’equilibrio e la resistenza della cupola”.

Le cupole di queste chiese sono state costruite con una doppia elica di sostegno che distribuisce ed equalizza il peso e la spinta all’interno della struttura. Questo sistema a spina di pesce è chiamato doppio loxodrome, che fu utilizzato, dopo il Brunelleschi, dai maestri del Sangallo in tutta Italia, inclusa la Basilica di San Pietro in Vaticano. Erano un’evoluzione dell’originale struttura a singolo loxodromo del Brunelleschi. Sebbene la fisica delle strutture sia ora compresa, le origini della tecnica rimangono un mistero. Alcuni ricercatori attribuiscono la tecnica a un’influenza delle cupole arabe e bizantine. Altri lo considerano una derivazione della tecnica romana chiamata opus spicatum, in cui i mattoni venivano posati saldamente a spina di pesce senza richiedere molta malta. Questo modello era comunemente usato negli antichi schienali romani e medievali nei focolari di pietra per prevenire la corrosione della malta di calce che si verifica per esposizione al calore e alle fiamme.

Rimane un mistero anche il motivo per cui il metodo loxodrome non è stato utilizzato dopo il XVI secolo. Ma i ricercatori sperano di resuscitare queste tecniche dimenticate. Credono che il loro studio potrebbe avere applicazioni pratiche per lo sviluppo di tecniche di costruzione che impiegano droni, aerei e robot. L’uso di macchine senza pilota per l’edilizia aumenterebbe la sicurezza dei lavoratori, oltre a migliorare la velocità di costruzione e ridurre i costi di costruzione. Ci sono anche vantaggi ambientali: il settore delle costruzioni è uno dei più dispendiosi. L’uso di tecniche di drone per la costruzione di tetti di grandi dimensioni che sono autoportanti e non richiedono puntellature o casseforme creerebbe molto meno rifiuti da costruzione. I sistemi del Brunelleschi e dei Maestri Sangallo, conclude Pizzigoni, possono essere applicati in modo che “anche un robot possa costruire una cupola in questo modo … che è quello che stanno già facendo in America … facendo cupole con mattoni di vetro”.