Đền Pantheon: mái vòm bê tông không cốt thép đứng vững gần 1.900 năm nhờ đâu

Giữa trung tâm Rome có một tòa nhà gần 1.900 tuổi mà tới nay vẫn đang được dùng hằng ngày. Đó là đền Pantheon, với mái vòm bê tông rộng hơn 43 m, không có một thanh thép nào bên trong. Theo Wikipedia, đây vẫn là mái vòm bê tông không cốt thép lớn nhất thế giới. Bí quyết giúp nó đứng vững không nằm ở một vật liệu thần kỳ nào, mà ở cách người La Mã tính toán hình dáng, độ dày và trọng lượng của từng phần vòm.

Mặt tiền đền Pantheon ở Rome với hàng cột đá granite kiểu Corinth và dòng chữ ghi tên Agrippa. Phía sau là khối tròn xây bằng bê tông bọc gạch đỡ lấy mái vòm

Ngôi đền đầu tiên ở vị trí này do Marcus Agrippa, cánh tay phải của hoàng đế Augustus, cho xây từ năm 27 TCN. Sau khi công trình cũ bị cháy, hoàng đế Hadrian cho xây lại hoàn toàn trong khoảng năm 118 tới 128, theo Britannica. Hadrian không ghi tên mình mà cho khắc lại dòng chữ cũ M·AGRIPPA·L·F·COS·TERTIVM·FECIT, nghĩa là Marcus Agrippa, con trai Lucius, xây khi làm chấp chính quan lần thứ ba. Dòng chữ này khiến nhiều thế kỷ sau người ta vẫn tưởng tòa nhà hiện tại là của Agrippa.

Năm 609, hoàng đế Byzantine Phocas trao tòa nhà cho Giáo hoàng Boniface IV, người biến nó thành nhà thờ Đức Mẹ và các Thánh Tử đạo. Theo Wikipedia, việc được sử dụng liên tục suốt lịch sử là lý do lớn khiến Pantheon thuộc nhóm công trình La Mã cổ được bảo tồn tốt nhất.

Theo Wikipedia, chiều cao từ sàn tới lỗ mở trên đỉnh đúng bằng đường kính trong của tòa nhà, cùng là 43,3 m. Nói cách khác, một quả cầu khổng lồ có thể nằm vừa khít bên trong. Tính theo đơn vị La Mã, vòm rộng 150 bộ, còn lỗ mở oculus rộng 30 bộ, khoảng 9 m.

Mặt cắt đơn giản hóa của Pantheon: vòm dày 6,4 m ở chân và chỉ 1,2 m gần lỗ mở, cốt liệu trong bê tông nhẹ dần từ dưới lên, cả không gian bên trong vừa một quả cầu đường kính 43,3 m

Mỏng dần lên đỉnh : vòm dày 6,4 m ở chân và chỉ còn 1,2 m quanh lỗ mở. Nhẹ dần lên đỉnh : phần dưới trộn đá travertine nặng, lên trên là mảnh gạch ngói nung, gần đỉnh là đá tufa và đá bọt pumice xốp nhẹ. Bỏ phần đỉnh : thay vì xây kín, người La Mã để trống một lỗ tròn ở đúng nơi vòm dễ sụp nhất, giúp phần trên cùng nhẹ đi. Khoang rỗng giấu trong tường : theo Wikipedia, các khoang được tính toán sẵn bên trong khối tròn tạo thành một hệ kết cấu và giúp giảm trọng lượng. Tường trụ dày : theo Britannica, bức tường tròn dày khoảng 6 m, bên trong có các vòm gạch và trụ chồng lên nhau để đỡ lực đẩy ngang của vòm.

Toàn bộ mái vòm nặng khoảng 4.535 tấn. Lực đẩy của nó được dẫn qua tám vòm cuốn trong bức tường xuống tám trụ lớn.

Bê tông chịu nén rất tốt nhưng chịu kéo kém, vì vậy công trình hiện đại phải đặt thép vào những chỗ bị kéo. Cách người La Mã chọn là tạo hình sao cho vòm gần như chỉ bị nén. Wikipedia dẫn kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn của Mark và Hutchison: ứng suất kéo lớn nhất trong vòm chỉ khoảng 0,128 MPa, tại chỗ vòm nối với bức tường. Trong khi đó, mẫu bê tông La Mã thử nghiệm ở Libya có cường độ chịu kéo ước tính khoảng 1,47 MPa. Cũng theo hai nhà nghiên cứu này, nếu dùng bê tông nặng như nhau từ chân tới đỉnh, ứng suất trong vòm sẽ lớn hơn khoảng 80%.

Bản thân bê tông La Mã cũng khác bê tông ngày nay. Nó gồm vữa vôi trộn tro núi lửa pozzolana và những cục đá, mảnh gạch lớn, được đắp từng lớp thay vì đổ lỏng. Năm 2023, nhóm nghiên cứu của MIT công bố trên tạp chí Science Advances rằng người La Mã có thể đã trộn vôi sống ở nhiệt độ cao. Cách làm này để lại những hạt vôi nhỏ trong bê tông. Khi có vết nứt và nước thấm vào, các hạt vôi hòa tan rồi kết tinh lại thành canxi cacbonat, tự lấp vết nứt. MIT cho biết mẫu thử làm theo cách này tự liền vết nứt trong vòng hai tuần.

Nhìn từ dưới lên mái vòm: năm vòng ô trần lõm, mỗi vòng 28 ô, bao quanh lỗ mở oculus luôn để ngỏ, nguồn sáng tự nhiên chính của cả tòa nhà

Ánh sáng và mưa qua cùng một lỗ

Lỗ mở oculus chưa bao giờ được che lại. Theo Wikipedia, cùng với cửa chính, đây là nguồn sáng tự nhiên duy nhất của không gian bên trong, và vệt nắng di chuyển trên trần, trên tường theo giờ trong ngày như một chiếc đồng hồ mặt trời đảo ngược. Khi mưa, nước rơi thẳng xuống sàn, nên sàn được làm hơi dốc khoảng 30 cm về phía các lỗ thoát nước.

Gần 1.300 năm sau, Brunelleschi xây mái vòm 42 m cho nhà thờ Santa Maria del Fiore ở Florence, hoàn thành năm 1436, và Pantheon trở thành hình mẫu cho nhiều mái vòm ở châu Âu về sau. Dù vậy, chưa mái vòm bê tông không cốt thép nào vượt được kích thước của nó.

Nguồn: Wikipedia: Pantheon, Rome , Britannica: Pantheon , Wikipedia: Roman concrete , MIT News: Riddle solved: Why was Roman concrete so durable? , Wikipedia: Dome