Il Pantheon: chimica e record

Oggi, per tutti gli appassionati di:

• storia dell’architettura
• chimica
• leggende
• e record mondiali

parliamo del Pantheon.

Cambiate canale invece appassionati di storia dell’arte perchè non ho niente per voi, un po’ perchè non mi compete e un po’ perchè non voglio addormentarvi parlando di absidi, timpani, colonne corinzie ecc. Mi interessa di più evidenziare invece alcune caratteristiche particolari dal punto di vista dell’ingegneria di questo edificio.

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A parte essere una delle meraviglie ingegneristiche più assurde dell’antichità, ci dovrebbe interessare a prescindere anche solo per il fatto che:

• è in Italia
• ha praticamente 2000 anni
• e la sua cupola detiene il record di cupola in calcestruzzo non armato più grande del mondo, con un diametro (interno, e poi vedremo perchè lo specifico) di oltre 43 m (quelli che all’epoca erano 150 piedi romani).

Calcestruzzo non armato significa che non ci sono i ferri dentro.

Rendo l’idea?...

43 metri di cupola...

senza ferri...

e sta lì da 2000 anni...

Come ci sono riusciti?

I motivi sono sostanzialmente due: per il primo, che poi è anche il più significativo (e non solo per il Pantheon ma praticamente per tutte le grandi opere romane), dobbiamo spostarci da Roma e scendere a Napoli, nei Campi Flegrei.

La Pozzolana

I campi flegrei sono un’area vulcanica attiva da 80.000 anni che si estende per circa 15-18 km tra Posillipo, Camaldoli, Quarto, il monte di Cuma e quello di Procida (e una buona parte sconfina anche nel mare).

Questa enorme caldera è composta da vari crateri, i principali sono oltre 24. Ma a noi interessa di uno in particolare, la Solfatara di Pozzuoli, che da secoli non fa altro che sbuffare fumarole di anidride solforosa e schizzare getti di fango bollente.

I Romani a quell’epoca non facevano altro che andare in giro a conquistare e fabbricare e lo facevano usando le tecniche che conoscevano adattandole al contesto e ai materiali che trovavano in zona (mica avevano la betoniera che partiva da Roma tutte le volte, la loro era edilizia km0).

Comunque un bel giorno scoprirono, probabilmente in modo casuale mentre erano intenti a costruire qualcosa da quelle parti (magari una pizzeria), che il materiale estratto dalle falde della Solfatara di Pozzuoli, una volta mischiato con calce e acqua generava un legante idraulico, che vuol dire un cemento particolarmente resistente all’umidità e agli agenti atmosferici, tanto che poteva fare presa anche sott’acqua (motivo per cui poi ci hanno dato dentro con la costruzione di porti, acquedotti, dighe e un sacco di altra roba bagnata, ma quella è un’altra storia).

Detto questo parentesi del piccolo chimico, mi spiace ma non ci posso fare niente, vedo di farla facile comunque.

Step A, che molti già conoscono: se prendiamo l’ossido di calcio, la calce viva (\(CaO\)) e le facciamo fare il bagno avviene una reazione esotermica (cioè che libera calore, che scalda) che produrrà quella che viene comunemente chiamata calce idrata, che tutti conosciamo per fare la malta, l’intonaco ecc.. Il suo nome corretto è idrossido di calcio ( \(Ca(OH)_2\) ).

Step B, già un po’ meno famoso: questo materiale estratto dalla solfatara, che praticamente è come cenere, prende il nome di pozzolana (che se lavorate in edilizia o in architettura è facile l’abbiate già sentito) e nonostante vi siano diverse tipologie (Vitruvio per dire ne elencava 4: bianca, nera, grigia e rossa) generalmente è sempre composta da abbondanti biossidi di silicio (\(SiO_2\)) e ossidi di alluminio (\(Al_2O_3\)).

Ora, se mischi la pozzolana con l’acqua non succede niente, ma se lo fai con la calce idrata, cioè pozzolana + calce viva + acqua, allora l’idrossido di calcio reagisce con gli ossidi di silicio e di alluminio della pozzolana, generando silicati di calcio idrati e alluminati di calcio. Questi composti sono molto famosi nell’ingegneria edile e civile perchè sono degli importanti leganti idraulici che conferiscono maggior resistenza alla compressione e - soprattutto - l’impermeabilità, al cemento che stai facendo.

Quindi finiscono di costruire quel che stavano costruendo lì in zona Napoli e si mettono a cavare e a portar su a Roma quintali di questa “cenere”. Con questo composto magico che Wanna Marchi scansati cominciano quindi a costruirci di tutto, tra cui anche il Pantheon. Ecco quindi spiegato il primo motivo del perchè sia ancora lì dopo 2000 anni di piogge e senza ferri, perchè il calcestruzzo è fatto con la pozzolana.

L'alleggerimento progressivo del materiale

Il secondo motivo della riuscita di questa opera è meno chimico da raccontare ed anche più “banale” se vogliamo, in un certo senso, ma non per questo meno furbo, ed è l’alleggerimento progressivo, che qui è stato ottenuto a sua volta in due modi:

• lavorando sulla densità
• e lavorando sullo spessore.

Per spiegare la questione densità dobbiamo prima fare una piccola parentesi edile, e capire la differenza tra cemento, magico o meno, e calcestruzzo, ovvero il materiale vero e proprio finale che si usa nella costruzione: per dirla in due parole per i non addetti ai lavori, la differenza sta nel fatto che il calcestruzzo è composto da cemento + inerti (sabbia, graniglia, pietrisco ecc.). Si chiamano inerti perchè non prendono parte alla reazione chimica, fanno gli asociali in pratica, ma sono importantissimi nella composizione del calcestruzzo finale ottenuto in termini di peso e di volume.

Quindi il cemento è la parte liquida diciamo, in cui sta avvenendo la reazione chimica che lo porterà a solidificarsi, imprigionando così gli inerti, la parte solida. Liquido e solido messi insieme fanno il calcestruzzo.

Dicevamo, per ridurre il peso hanno lavorato su densità e spessore.

Densità

Per quanto riguarda la densità, per ridurre il peso della cupola senza però comprometterne la stabilità, hanno utilizzato aggregati più leggeri man mano che si procedeva verso l'alto. Quindi alla base della cupola il calcestruzzo è molto più denso, con inerti “pesanti”, diciamo, mentre verso l'oculo (cioè il buco, ma il nome giusto è oculo) gli inerti usati sono materiali più leggeri, come il tufo e la pietra pomice (sì, la stessa che usa la prozia sui talloni, quella lì).

Spessore

Per quanto riguarda invece lo spessore, hanno ridotto il peso facendo in modo che alla base la cupola fosse spessa quasi 6 metri, così da sostenere il carico, mentre all’oculo diventa circa 1 metro e mezzo, dove il carico da sostenere è di meno.

Le pareti della cupola quindi non sono sempre spesse uguali, ma si rastremano verso l’alto, dove il carico è via via minore. Questo è anche il motivo per cui, se ci fate caso, se prendete qualche immagine esterna un po’ dall’alto (cioè non dalla strada), vedrete che da fuori la cupola non è una semisfera perfetta, è più tozza, più schiacciata, più sgonfia diciamo, mentre invece da dentro si, è una semisfera perfetta: il suo diametro è il doppio della sua altezza. Il motivo appunto è per via del fatto che lo spessore non è sempre uguale ma diminuisce man mano che si sale.

In aggiunta hanno creato anche i cassettoni, sempre per la riduzione del peso.

I cinque anelli interni alla cupola non sono lì solo per bellezza ma servono ad alleggerire ulteriormente la struttura perchè permettono di ridurre il volume di calcestruzzo necessario. Però già che c’erano si sono divertiti con la numerologia: i cassettoni sono 28 che era un numero che gli antichi consideravano perfetto, in quanto somma dei numeri da 1 a 7, a sua volta il numero perfetto perchè 7 erano i corpi celesti visibili ad occhio nudo (Saturno, Giove, Marte, Mercurio, Venere, Sole e Luna, numero legato anche, ai tempi di Pitagora, alle 7 note musicali ma qui entriamo in altre questioni).

La semisfera della cupola inoltre è collocata in cima ad un cilindro di uguale altezza e questo vuol dire che il diametro dell’edificio è pari all’altezza tra pavimento e oculo. Praticamente dentro il Pantheon potrebbe starci una sfera perfetta da 150 piedi romani di diametro (appunto i circa 43 m odierni).

In ultimo, per chiudere l’argomento peso, anche l’oculo vuole la sua parte, come dice il proverbio. Infatti, nonostante la sua funzione primaria sia un’altra, il fatto che ci sia un buco di 9 metri di diametro è comunque un bel risparmio di peso... Qualche etto sicuro...

Quando piove l'acqua entra nel Pantheon?

Veniamo quindi all’oculo e sfatiamo anche la falsa leggenda che dice che non ci possa piovere dentro per effetto camino.

L’oculo del Pantheon è un’apertura circolare di 9 metri di diametro, dicevamo, posto in cima al centro della cupola, ed è l’unica fonte di luce della struttura. Crea quindi un’illuminazione molto particolare, che cambia e si sposta all’interno dell’edificio durante il giorno, praticamente come una meridiana.

Ma se piove, certo che l’acqua entra...

L’effetto camino comunque esiste: una massa di aria calda che dal basso sale verso l’alto, nel nostro caso da terra verso l’oculo.

Facciamo che magari 1000 anni fa era amplificato dalle centinaia di candele e bracieri accesi necessari per fare luce mentre oggi è rimasto solo il calore umano dei turisti, ok.

Facciamo anche che sicuramente la massa d’aria calda, a prescindere dal motivo che l'ha generata, aiuti a “contrastare” - diciamo - la caduta della pioggia, ok, però se davvero non piovesse dentro allora perchè avrebbero fatto il pavimento convesso con i fori di scolo di al centro?

Eh si perchè il pavimento del Pantheon non è piatto, è in pendenza: è come un cono rovesciato.

Tra il perimetro esterno e il centro c’è un dislivello di 30 cm, e al centro ci sono 22 fori di drenaggio, collegati poi ad un sistema di canalizzazione sotterranea che permette all’acqua di defluire.

Quindi un po’ magari l’effetto camino che mitiga, nebulizza, alleggerisce il carico d’acqua, un po’ il pavimento che drena e scola essendo inclinato senza che tu te ne accorga, ma da lì a dire che l’acqua non entri ce ne passa...

Basta vedere che quando piove il pavimento è bagnato, e sicuramente non a causa delle scarpe bagnate dei turisti... Ci sarebbe bagnato in terra anche se fosse vuoto.

Quello che dovremmo dire, piuttosto, è che il vero effetto wow è che non si allaga, se mai, grazie a queste soluzioni tecniche, non che sia impermeabile e resti asciutto: c’è un buco grande come una casa 3 piani, come potrebbe non entrare acqua...?!

Concludo quindi con queste due riflessioni:

1. edificio vecchio di 2000 anni con una voragine in cima che non si allaga quando piove (e in certe nostre case invece, che in confronto sono nuove, devi chiudere finestra, ante, tapparelle tutto e mettere gli stracci ai serramenti se no ti entra in casa)
2. edificio vecchio di 2000 anni con 43 metri di cupola in calcestruzzo NON armato ancora in piedi tranquillo (mentre invece ponti, insegne, palazzine che ogni due per tre crollano e ammazzano gente quelle vanno bene)

Io non sono quello che a prescindere dice: “bisogna fare le cose come si faceva una volta” o “ai miei tempi non sarebbe successo” giusto per screditare un presente che forse impaurisce perchè non lo si conosce. La tecnologia oggi è molto migliore e a metterci la testa potremmo fare cose simili o anche meglio. Il problema è che bisogna smettere di girare la testa dall’altra parte quando si progetta e si firmano gli appalti, e bisogna pensare di più alle conseguenze strutturali di domani e dopodomani invece che solo ai finanziamenti e ai piaceri politici di oggi.

Quindi sveglia: fosse che abitiamo in un’altra galassia lo capirei ma abbiamo centinaia di esempi sotto il naso, eppure le opere pubbliche sono sempre delle puttanate pazzesche.