Inginerie în spatele Colosseumului Roman

Inginerie în spatele Colosseumului RomanAutor: Dr: Megan Anderson

Colosseumul, cunoscut alternativ sub numele de Amfiteatrul Flavian, este, fără îndoială, cel mai cunoscut monument al Romei. Structura eliptică care se întinde pe 6 acri semnifică prezența și importanța ingineriei romane, legând mai multe concepte inginerești în cadrul structurii sale. După ce am văzut prima dată Colosseumul, am fost imediat atras de arcurile repetate din beton care mărginesc perimetrul. Știind că Colosseumul a servit ca principală sursă de divertisment pentru oamenii din inima orașului, am fost intrigat de amploarea proiectului și de practicile vulgare care erau văzute ca divertisment și putere. Clădirea în sine a definit cândva religia și cultura pentru comunitatea romană. Aspectul impresionant al clădirii a fost uluitor și am știut că vreau să studiez mai departe cel mai mare amfiteatru al Imperiului Roman. După ce am vizionat exteriorul de mai multe ori, am făcut un tur în profunzime, apoi am făcut cercetări extinse în literatura de specialitate și online pe această temă, am reușit să învăț și să aplic concepte despre istoria, construcția, ingineria, restaurarea și utilizarea în zilele noastre a Colosseumului roman.

Istorie

Începutul Colosseumului datează din anul 69 d.Hr., când împăratul Vespasian a construit amfiteatrul pentru a readuce orașul Roma la ceea ce a fost înainte de războiul civil (Cartwright, 2012). Acesta a fost conceput pentru a fi un loc de divertisment pentru oameni. Un amfiteatru preexistent, mai mic, construit de Statilius Taurus, fusese distrus în incendiul care a avut loc în anul 64 d.Hr. (Pepe,n.red.). Decizia lui Vespasian de a construi noul amfiteatru grandios în centrul orașului, pe care Nero îl revendicase anterior ca fiind proprietatea sa, poate fi văzută ca un gest politic de trecere a acestei zone înapoi în folosul comunității și de returnare a proprietății lui Nero către popor, ceea ce implică incluziune pentru romani. Colosseumul trebuia să reprezinte bogăția și puterea care înfloreau în Imperiul Roman la acea vreme (Pepe, s.n.).

Structura trebuia să fie planificată cu înțelepciune, deoarece locația sa urma să fie construită acolo unde avea loc lacul artificial al lui Nero. Canalele de scurgere de 26 de picioare au scos apa din văile din jur, în timp ce fundațiile din beton în formă de gogoașă au fost plasate sub pereții exteriori și elipsa interioară. Nivelul solului a fost ridicat cu 23 de picioare din vale pentru ca amfiteatrul să fie așezat pe el. Cantitatea de expertiză care a intrat în planificarea proiectului este unul dintre principalii factori care au contribuit la motivul pentru care acesta este încă în picioare astăzi (Hopkins, s.n.).

Construcția a început în anul 72 d.Hr. și a fost finanțată de relicvele luate de la Templul evreiesc după Marea Revoltă Evreiască din anul 70 d.Hr. Forța de muncă a fost formată din 12.000 de prizonieri evrei luați, de asemenea, din Asediul Ierusalimului. În timp ce sclavii evrei erau o sursă de muncă necalificată, romanii au întreprins lucrări mai specializate. Prizonierii lucrau ore îndelungate, în condiții grele, inclusiv pentru a transporta blocuri de construcție din travertin de la o carieră aflată la 20 de mile distanță, în Tivoli. Construcția a durat opt ani, o durată considerabil de rapidă pentru că avea puține echipamente și a fost construită pe vârful lacului lui Nero. După ce Vespasian a murit în anul 79 d.Hr., fiul său, Titus, a preluat conducerea și a organizat în anul 80 d.Hr. jocurile inaugurale, care au durat 100 de zile și au fost sponsorizate de împărat, în noul Amfiteatru Flavian, unde animalele și gladiatorii au luptat până la moarte. Spectatorii ieșeau în fiecare zi și urmăreau ore lungi de lupte între gladiatori, printre alte spectacole. În interiorul Colosseumului, aceste bătălii erau văzute ca o distracție extremă care simboliza supremația comunității romane.

Structura completă, care măsoară 620×513′ și are o capacitate de peste 50.000 de spectatori (History.com, 2010), are forma unui Amfiteatru, o formă creată de romani prin combinarea a două teatre semicirculare pentru a face o elipsă continuă (Pepe, n.red.). Clădirea avea scopul de a oferi diverse tipuri de divertisment pentru a deservi comunitatea romană. Scaunele erau aranjate în funcție de clasa socială – împăratul avea cel mai bun platou din sală, în timp ce senatorilor le erau rezervate următoarele cele mai bune locuri. Arhitectul, care este necunoscut, a dorit să construiască cu un raport de 5:3, sau 300×180 de picioare romane. Simetria arăta că lățimea arenei, lățimea auditoriului și înălțimea fațadei exterioare erau toate egale. Perimetrul, de 1.885 de picioare romane, era important pentru proiectare, deoarece 80 de arcuri egale trebuiau să se alinieze pe întreaga sa suprafață (Hopkins, n.red.). Conceptele romane de proporții și simetrie se regăsesc în alte părți ale clădirii. Conceptele inginerești romane, cum ar fi arcurile, coloanele și bolțile, sunt, de asemenea, foarte frecvente în design.
Mai jos este o figură a structurii în plan, așa cum a fost construită în anul 82 d.Hr.

Figura 1. Vedere în plan a Colosseumului

Vederea amfiteatrului care prezintă scaunele și dispunerea.

Cavea constituia partea de scaune a auditoriului, susținută structural de bolțile de dedesubt. Primele trei rânduri, rezervate senatorilor, erau alcătuite din scaune de marmură. Rândurile următoare erau realizate din travertin pentru spectatorii obișnuiți. Secțiunile erau împărțite pe verticală, iar locurile erau alese în funcție de clasa socială (Pepe, s.n.).

La începuturile sale, cele mai frecvente lupte erau venationes (vânători de animale sălbatice) și munera (jocuri de gladiatori). La început, jocurile au fost puternic asociate cu religia și magia, dar această legătură s-a încheiat odată cu trecerea timpului. Cel mai popular joc erau vânătorile de care au avut loc în circ. Alte practici care aveau loc includeau reconstituiri ale unor bătălii celebre, drame bazate pe mitologie și execuții ale criminalilor condamnați. Jocurile erau reglementate prin legi și erau determinate de interesul publicului. Ultimul joc de gladiatori înregistrat în Colosseum a avut loc în anul 438 d.Hr., când Valentinian al III-lea a abolit aceste practici (Nero, n.red.).

În epoca medievală, a fost construită o mică capelă, iar arena a fost folosită ca cimitir. Mai târziu, spațiile de sub bolți au fost închiriate ca locuințe și ateliere până în secolul al XII-lea. După ce un cutremur major a distrus două treimi din clădire în 1349, treimea rămasă a fost preluată de un ordin religios până în secolul al XIX-lea, dar, în rest, monumentul a fost neglijat timp de mai multe secole.
În epoca modernă, fațada a fost consolidată și restaurată de mai multe ori și a devenit una dintre cele mai populare atracții turistice din centrul Romei, găzduind tururi pentru 4 milioane de turiști în fiecare an (Wikipedia, s.n.).

La început, amfiteatrul avea capacitatea de a transporta apă de la apeductul Aqua Claudia, principala sursă de apă a orașului, pentru a inunda substructurile și a crea scene de luptă marinărească. În anii următori, când fratele lui Titus, Domitian, a preluat puterea, hipogeul a fost excavat pentru a reține luptătorii înainte de începerea spectacolelor, punând astfel capăt luptelor navale. Odată ce hipogeul a fost construit, construcția întregii structuri a fost considerată finalizată.

De-a lungul anilor au avut loc multe dezastre care au distrus structura, unele mai grave decât altele. Deși amfiteatrul a fost abandonat timp de mai multe secole, iar două treimi din structură a fost dărâmată, au avut loc multiple restaurări pentru a menține clădirea în picioare și pentru a-i păstra semnificația istorică. Restaurările sunt încă în vigoare până în prezent. Consultați secțiunea „Restaurări ale clădirii” pentru a afla mai multe.

Amfiteatrul a fost și este situat în inima Romei, între colinele Esquiline, Palatine și Caelian. Structura a fost construită în locul în care Nero își revendica odată terenul și își ținea lacul artificial. Deoarece Colosseumul este cea mai înaltă ruină din Roma, cu o înălțime de 48 de metri, este greu de ratat atunci când vă aflați în zonă. Am trecut de multe ori pe lângă această structură pe parcursul șederii mele la Roma.

Descriere generală

Hipogeu

Când Domițian a venit la putere, a făcut efortul de a construi hipogeul în subsolul Colosseumului, unde exista anterior sistemul de canalizare. Zona era formată din două etaje cu camere pentru gladiatori, 32 de cuști pentru animalele sălbatice, puțuri și un sistem de scripeți. Puțurile verticale aveau lifturi pentru ca animalele să fie transportate la scena principală, în timp ce sclavii acționau scripetele (History.com, 2010).

Colosseumul a găzduit multe tipuri diferite de evenimente într-o perioadă scurtă de timp, așa că hipogeul a fost structurat pentru a trece rapid de la un tip de spectacol la altul. Inginerii romani au fost responsabili de asigurarea unei rețele eficiente de mecanisme care să permită schimbări rapide ale efectelor speciale și ridicarea rapidă a animalelor. Pentru cele mai mari animale, inginerii au creat hegmata, o platformă solidă care era articulată și putea susține greutatea animalului și putea fi ridicată împreună cu acesta pe scenă. Acestea erau manevrate de sclavi.

Existau multiple tuneluri în hipogeu care duceau spre exteriorul Colosseumului și spre clădirile din jur, cum ar fi școlile de gladiatori, grajdurile și Spoliarium, unde erau păstrate armele și unde cadavrele erau dezbrăcate. Aceste tuneluri facilitau transportul luptătorilor și al cadavrelor rămase de la jocurile macabre.

Ipogeul era în continuă schimbare pentru a desfășura mai eficient spectacolele și concursurile cu cea mai recentă tehnologie romană. Sunt cunoscute douăsprezece etape diferite de construcție pentru dezvoltarea ruinelor hypogeumului (Alchin, n.red.).
Mai jos sunt prezentate ruinele hypogeumului așa cum sunt văzute astăzi de turiști. Etapa a fost dărâmată în urma unor dezastre, iar hypogeum-ul este în prezent vizibil de la nivelurile superioare.

Figura 2. Vedere a hipogeului de la etajul al treilea

Ce a mai rămas din hipogeul preexistent.

Velarium

Pentru că amfiteatrul în aer liber îi făcea pe spectatori să se simtă inconfortabil de cald în zilele de vară, Colosseumul avea un Velarium format din benzi lungi de pânză conectate la frânghii, atârnate de 240 de catarge amplasate în prize în jurul amfiteatrului. Pușcașii marini au urmat ani de zile cursuri de pregătire și au fost angajați pentru a manevra Velarium-ul în funcție de vreme. Procesul de ridicare și coborâre a marchizei era asemănător cu cel al unei bărci cu pânze (Bomgardner, s.n.).
Mai jos se arată modul în care Velarium era atașat de structură la prize și suporți.

Figura 3. Soclu și suport: Velarium

Fluxul de mulțime

Colosseumul a fost proiectat astfel încât amfiteatrul, la capacitate maximă, să poată fi golit complet în cinci minute. Acest lucru arată că proiectarea a necesitat o abundență de intrări și ieșiri, deci o abundență sau arcuri prin care mulțimea să poată naviga rapid. Proiectarea structurală a ținut cont de eficiență din punct de vedere al funcționalității (UNRV, s.n.).

Piese standardizate

Romanii au folosit noul concept de măsurători al „pieselor standardizate” atunci când au construit Colosseumul. Pentru a construi eficient peste 50.000 de locuri, constructorii au construit scările și scaunele în afara șantierului și le-au făcut pe toate interschimbabile la dimensiuni egale. Meșteri experimentați au construit aceste piese în ateliere, apoi le-au adus pe șantier. Acest lucru întărește ideea că constructorii au construit Colosseumul într-un mod calificat și eficient (Alchin, s.n.).

Mai multe materiale principale

Multe materiale au fost folosite în scopuri decorative și structurale pentru a construi Colosseumul, pentru a crea o structură durabilă și de lungă durată. Cu toate acestea, mă voi adresa materialelor care au fost cele mai comune în construcțiile romane antice și la Colosseum.

Calcar travertin

Calcarul travertin a fost folosit pentru coloane, parter și pereții exteriori. A fost extras din cariera de la Tivoli. Numai peretele exterior avea 100.000 de metri cubi de calcar travertin, cu 300 de tone de cleme de fier care le țineau împreună (Alchin, n.red.). Engineering Rome a avut ocazia să viziteze o carieră reală de travertin și să fie martoră la scara mare a acestor blocuri.

Figura 4. Vizitarea carierei de travertin – Tivoli, Italia

Figura 5. Bloc de travertin de 20 de tone

Tuff

Tuful, o piatră obținută prin cimentarea cenușii vulcanice ejectate în urma unei erupții, a fost folosită pentru alte coloane și pereți radiali. Romanii obțineau tuf prin erupții vulcanice. Acesta a fost unul dintre principalele materiale de construcție ale romanilor în epoca antică.

Țiglă

Țiglele și cărămizile, produse prin amestecarea argilei și a apei, apoi prin uscare la soare, erau plasate în structurile murale pentru acoperișuri și umplutură. Cărămizile romane sunt mai plate și mai lungi decât cărămizile pe care le vedeți în general astăzi. Cea mai obișnuită dimensiune a cărămizilor romane este de 1,5 picioare romane pe 1 picior roman.

Betonul roman

Betonul roman a fost folosit pentru a construi bolțile bolților. Acesta era compus dintr-un amestec de silice amorfă care acționa ca o puzzolană naturală, var din producția de var și apă (Muench, 2015). Betonul roman s-a dovedit a fi prelucrabil cu pasta sa lipicioasă unică ce conținea cenușă vulcanică și var. Pozzolana le-a permis romanilor să întărească rapid betonul, permițând construirea rapidă a structurilor (History.com, 2010). Invenția recentă a betonului roman a permis o construcție rapidă și eficientă, care a fost realizată într-o manieră calificată.

Marmură

Marmura a fost folosită pentru scaune, statui, fântâni cu apă și alte decorațiuni. Fiind un material preponderent decorativ, romanii l-au adus mai întâi din Grecia, dar mai târziu l-au găsit într-o carieră din Tivoli, Italia.

Alte

Țevile din plumb și teracotă au fost folosite pentru sistemul de apă și canalizare existent sub structură (Alchin, s.n.).

Fundații

Colosseumul s-a așezat deasupra unei văi în care se afla lacul lui Nero, iar una dintre principalele probleme a fost drenajul. Pentru a construi fundația pentru amfiteatru, au fost construite mai întâi drenaje masive pentru a scurge lacul. Valea a fost apoi excavată până când s-a ajuns la patul de argilă de sub nisip și nămol, măsurând 31 de metri lățime și 6 metri adâncime. Săpătura a fost apoi ocupată cu beton roman compactat cu ajutorul unor ciocane. Umplutura a continuat pe încă 6 metri deasupra săpăturii, deoarece structura a fost construită deasupra nivelului solului. Fundația a fost întărită cu cărămidă în jurul perimetrului său. Odată ce fundația a fost așezată, construcția amfiteatrului era gata să înceapă (Pepe, s.n.).

Potrivit lui M. Cerone de la La Sapienza Roma (s.n.), „Fundațiile se află pe un teren eterogen, necunoscut în totalitate (și acum în curs de studiu), format din depozite aluviale holocene recente, mai puțin compacte și mai puțin rezistente decât stratificația pliocenă de dedesubt. Rigiditatea redusă a solului, care nu este distribuită omogen sub monument, este cauza unor prime așezări diferențiale, a unor mișcări relative și, în consecință, a creșterii tensiunilor locale”. Tensiunile crescute din fundație pot explica așezările și unele dintre daunele suferite de structură de-a lungul timpului, necesitând numeroase lucrări de restaurare. Construcția sistemului de metrou subteran al Romei, în apropierea Colosseumului, a făcut ca rezistența fundației să scadă, de asemenea, ceea ce explică și pagubele.

Arcuri, bolți și nervuri

Arcuri

Clădirile romane antice foloseau arcuri deoarece acestea permiteau ca blocurile mari de piatră să fie plasate într-un mod care să susțină structura și să suporte greutatea. Aceasta este, fără îndoială, cea mai importantă caracteristică arhitecturală a arenei, care înconjoară întreaga fațadă. Scopul ingineresc al arcului este de a direcționa presiunea în jos și în afară, creând o tensiune de compresie în arc. Când a fost construit Colosseumul, betonul roman era o descoperire recentă care putea susține greutatea structurilor de mari dimensiuni, dar romanii nu erau siguri de durata sa de viață. Constructorii au combinat betonul roman cu piatra pentru a construi arcadele, pentru a-i crește rezistența (Alchin, s.n.).
Colosseumul are 80 de arcade de-a lungul perimetrului său, fiecare cu o lățime de 4,2 metri și o înălțime de 7,05 metri la parter și de 6,45 metri la etajele superioare, cu un total de patru etaje (Pepe, s.n.).
Pentru că arcadele Colosseumului sunt realizate din zidărie, putem folosi ipotezele simplificatoare, așa cum am predat la cursul de Structuri: Unitățile de zidărie sunt infinit de rigide și puternice, nu alunecă la îmbinări, iar tensiunea nu se transmite la îmbinări (Muench, 2015). Potrivit lui Thomas E. Boothby (s.n.), „arcul sub sarcină moartă este în general considerat a fi un arc cu două balamale, iar împingerea orizontală este aleasă ca mărime redundantă și rezolvată prin teorema lui Castigliano. Pentru un arc cu două balamale… sub influența unei sarcini concentrate semnificative, arcul va dezvolta o a treia balama și va deveni static determinat”. Prin urmare, putem să presupunem un arc cu trei balamale, cu două la piloni și una la partea superioară a arcului. Am rezolvat pentru reacțiile unui arc static determinat și în tema de acasă de la Structuri.

Arcuri boltite (bolți)

Arcele boltite, ca și cele exterioare, au fost realizate din beton roman, ceea ce a adăugat rezistență clădirii fără a adăuga prea multă greutate. Bolțile au fost inventate de romani prin combinarea mai multor arcuri pentru suport structural. Tavanele pasajelor și ale coridoarelor din exterior aveau toate arcuri boltite, cu suporturi realizate din calcar rezistent. Bolțile făceau ca tavanul să fie mult mai rezistent decât un tavan plat și transferau greutatea de la arcade în jos prin coloane (Alchin, n.red.). Pentru a evita prăbușirea, rezistența la împingerea orizontală trebuie să fie prezentă la coifuri. Romanii au configurat acest lucru prin îngroșarea pereților coamei cu contraforturi plasate în zonele de împingere orizontală extremă (The Columbia Electronic Encyclopedia, 2012). Bolțile de butoi erau prezente la primul etaj al colosseumului, căptușind întregul perimetru exterior. Bolțile cu caneluri au fost construite în interiorul structurii (Pepe, s.n.).
Există diferite tipuri de bolți: bolțile în formă de butoi, care sunt arcuri normale, dar mai adânci și sunt suficient de late pentru a acoperi acoperișul, bolțile cu caneluri, care sunt bolți în formă de butoi care se intersectează în unghiuri de 90 de grade, și bolțile cu nervuri. Mai jos este prezentată o diagramă care descrie bolțile în formă de butoi față de bolțile în gropi, apoi fotografii care arată bolțile reale din amfiteatru.

Figura 6. Tipuri de bolți

Figura 7. Bolțile din Colosseum