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Exploring the Pantheon and Roman Concrete
Como a cúpula de concreto de 2.000 anos do Panteão aqui em Roma durou tanto tempo?
Olá, eu sou Paul Kasavian. Sou engenheiro estrutural.
E nós vamos entrar no Panteão e vamos ver tudo sobre isso.
Então vamos entrar no Panteão. Venham.
Panteão. Certo, estamos dentro do Templo do Panteão.
Este é o templo de todos os pan-deuses, os theos.
Ou seja, o templo de todos os deuses.
Por ser para todos os deuses, ele é circular.
Estamos neste espaço circular, de 142 pés, cerca de 43 metros.
Certo, então um lembrete rápido de como as cúpulas funcionam.
Você começa com um arco,
e depois, ao girar o arco ao redor... em 3D,
você forma uma cúpula, e isso significa que,
assim como um arco,
as forças de compressão em uma cúpula vão do chão até o topo e descem até a base novamente.
E aqui, essas forças de compressão, estou mostrando-as a você na cor azul.
Mas estas não são as únicas forças em uma cúpula tridimensional,
porque o que você também tem são forças nesta direção.
Chamamos estas de forças anelares por razões muito óbvias.
Agora, essas forças anelares no topo de uma cúpula também estão em compressão.
Mas então, conforme você desce mais até a base de uma cúpula,
essas forças anelares estão em tração, o que estou mostrando a você em vermelho.
Pense nisso como as cintas ao redor de barris para conter as forças de expansão internas.
Então, ambas as forças existem ao mesmo tempo em uma cúpula completa.
O que você também pode fazer,
no entanto, é remover a área superior e o material de uma cúpula.
E isso pode parecer estranho, porque certamente com um arco, as forças sobem pela base, vão de um lado ao outro, como elas… o que acontece aqui neste vão livre, como elas passam?
Bem, o que realmente acontece com uma cúpula tridimensional… cúpula, é que essas forças sobem totalmente até a abertura superior e depois contornam a direção do aro em compressão e descem pelo outro lado.
Então, você ainda pode fazer uma cúpula funcionar, uma cúpula tridimensional,
com uma abertura no topo,
assim como se vê no Panteão, aquele óculo, aquela abertura para os céus.
Agora, a diferença,
no entanto, com o Panteão,
que estou mostrando aqui neste diagrama, é que ele tem o óculo,
a abertura, ela tem formato de cúpula, na verdade é uma cúpula hemisférica, meia esfera, é que ela é feita de concreto não armado, por isso não pode suportar
tensão ao redor desta direção circunferencial.
Não consegue fazer isso de jeito nenhum. Mas
o que ela tem são paredes muito espessas e profundas para suportar o fato de que as forças ainda estão empurrando para fora.
E este é um close daquela área inferior onde há compressão descendo, mas
tensão na direção que estou mostrando aqui. E se houver tensão nesta direção,
então isso significa que o concreto não armado vai tender a rachar.
E é um pouco difícil de ver aqui, mas essas rachaduras foram realmente mapeadas, mostradas aqui.
Então o que temos,
no geral,
no incrível Panteão é uma cúpula de concreto não armado.
Tem rachaduras nessa área, mas é estável porque funciona como uma série de arcos empurrando as muito espessas,
e profundas paredes perimetrais.
Ok, de volta ao Panteão.
Então, esses arcos estão empurrando as paredes ao nosso redor.
Funciona porque essas paredes são muito espessas, certo?
Os romanos eram espertos.
Eles fizeram essas paredes espessas para resistir ao empuxo dos arcos.
Eles também deixaram o concreto mais leve à medida que subia pela cúpula.
Então, quanto mais alto subia, mais leve ficava.
Há mais para saber sobre isso, e eu quero que você ouça uma especialista.
É a Linda Seymour.
Ela fez doutorado no MIT sobre a durabilidade do concreto romano antigo.
E por acaso nós trabalhamos juntos na mesma empresa em Boston.
Então, é um tchau de minha parte, ciao da Roma, de minha parte, e passo para você, Linda, em
Boston. Obrigada, Paul.
Como o Paul disse, meu nome é Linda e eu fiz minha pesquisa de doutorado sobre a durabilidade do concreto romano antigo.
O Panteão é uma das minhas estruturas favoritas.
Mas antes de mergulharmos no porquê de o concreto romano ser tão legal,
vamos entender um pouco do básico.
Tenho aqui um pedaço de concreto que nós polimos
para podermos ver o interior e o que está acontecendo.
Então, este é o concreto moderno, mas o concreto romano é bem parecido.
Temos as nossas pedras aqui.
Elas serão o agregado graúdo.
Entre as pedras, nós temos estes pequenos pontos.
Isso é areia, também conhecida como nosso agregado miúdo.
Entre a areia, nós temos aquela coisa cinza.
Aquela coisa cinza é o cimento.
Esse é o aglutinante que mantém tudo unido.
Agora, eu quero voltar a duas coisas que o Paul disse.
A primeira coisa que ele disse é que, no Panteão,
conforme subiam, eles de fato tornavam o concreto mais leve.
Uma das maneiras de fazer isso foi mudando os agregados graúdos,
aquela rocha, por algo mais leve, como pedra-pomes.
É um pouco mais aerada, um pouco mais leve, e isso os ajudou a reduzir o peso.
Acontece que o concreto romano não é apenas uma fórmula mágica.
Eles o alteravam entre estruturas e até mesmo dentro de uma única estrutura.
A segunda coisa que eu quero destacar que o Paul disse
foi que a base do Panteão precisa ser muito espessa
para resistir às forças de empuxo dos arcos que compõem a cúpula.
A maneira como conseguiram fazer isso é, na verdade, bem interessante.
Então, antes do concreto romano como o conhecemos,
grande parte do concreto na verdade curava pela exposição ao ar.
Então, imagine que se você tiver uma estrutura muito espessa,
o interior vai ficar como uma papa.
O que os romanos fizeram foi perceber que, se usassem uma areia específica, uma areia vulcânica, aquele agregado fino,
eles podiam realmente fazer o concreto endurecer tanto no meio de uma estrutura muito grande ou até debaixo d'água.
Isso é o que é conhecido como uma reação de hidratação,
e nós usamos a mesma coisa no concreto moderno para manter o nosso concreto forte.
Então aí está, duas coisas interessantes sobre o concreto, sobre o concreto romano.
Primeiro, não é apenas uma receita única, e eles realmente a mudaram e inovaram entre as estruturas e dentro das estruturas.
E dois,
as reações de que eles dependiam para o ganho de resistência não são tão diferentes
das que nós usamos.
Obrigado, Linda.
Então, aí está, a sequência da estrutura
e do material da cúpula de concreto de 2.000 anos aqui no Templo do Panteão, em Roma.
Espero que tenha gostado.
Se gostou, curta e se inscreva.
Até mais.
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Original transcript (English)
How has the 2,000-year-old concrete dome of the Pantheon here in Rome lasted for so long? Hi, I'm Paul Kasavian. I'm a structural engineer. And we're going to go inside the Pantheon and going to see all about that. So let's go inside the Pantheon. Come. Pantheon Okay, we're inside the Pantheon Temple.
This is the temple of all pan-gods, the pheo. So the temple of all gods. Because it's for all gods, it's circular. We're in this circular space, 142 feet down, and it's about 43 heaters. Okay, so a quick reminder on how domes work.
You start with an arch, and then, as you rotate the arch around... into 3D, you form a dome, and that means, just like an arch, the compression forces in a dome go from ground up to the top and down to the bottom again.
And here, those compression forces, I'm showing them to you in a blue colour. But these aren't the only forces in a three-dimensional dome, because what you also have are forces in this direction. We call these hoop forces for very obvious reasons. Now, those hoop forces at the top of a dome are also in compression.
But then, as you go further down to the bottom of a dome, those hoop forces are in tension, which I'm showing you in red. Think of it like the straps around barrels to contain the bursting forces within. So, both of these forces exist at the same time in a complete dome. What you can also do,
though, is remove the top area and material of a dome. And that might seem odd, because surely with an arch, you go up the forces in the bottom, you go across, how do they, what happens here in this air gap, how do they get across? Well, what actually happens with a three-dimensional dome... dome, is those forces go all the way up to the top opening and then around the hoop direction in compression and back down the other side. So you can still have a dome work, a three-dimensional dome, with an opening at the top,
much like you see at the Pantheon, that oculus, that opening to the heavens. Now, the difference, though, with the Pantheon, which I'm showing here in this diagram, it has the oculus, the opening, it has a dome shape, it's actually a hemispherical dome, half a sphere, is that it is made out of concrete that is not reinforced, so it cannot carry
tension around this hoop direction. Can't do that at all. But what it does have are very thick, deep walls to take the fact that the forces are still pushing outwards. And this is a close-up of that lower area where there's compression coming down, but tension in the direction I'm showing you here. And if there's tension in this direction,
then that means unreinforced concrete is going to want to crack. And it's a little hard to see here, but those cracks have actually been mapped out, shown here. So what we have, overall, in the amazing Pantheon is an unreinforced concrete dome.
It has cracks in that area, but it's stable because it's working like a series of arches pushing on the very thick, deep perimeter walls. Okay, back to the Pantheon. So those arches are pushing on the walls around us. It's working because those walls are so thick, right?
Now, the Romans were smart. They made those walls thick to resist the thrust of the arches. They also made the concrete lighter as it moved up the dome. So as it got further up, it became lighter. Now, there's more to know about this, and I want you to hear from an expert.
It's Linda Seymour. She did her Ph.D. at MIT on the durability of ancient Roman concrete. And we happen to both work together at the same company in Boston. So, it's bye from me, ciao da Roma, from me, and over to you, Linda, in Boston. Thanks, Paul.
As Paul said, my name is Linda and I did my PhD research on the durability of ancient Roman concrete. The Pantheon is one of my favorite structures. But before we dive into why Roman concrete's so cool, let's get a little bit of the basics down. I have here a piece of concrete that we've polished
in order to be able to see inside and see what's going on. So this is modern concrete, but Roman concrete's pretty similar. We have our rocks here. Those are going to be the coarse aggregate. In between the rocks, we have these little specks.
That's sand, otherwise known as our fine aggregate. In between the sand, we have that gray stuff. That gray stuff is the cement. That's the binder that holds everything together. Now, I want to circle back to two things that Paul said.
First thing he said is that in the Pantheon, as they went up, they actually made the concrete lighter. One of the ways they did that was by changing those coarse aggregates, that rock, to something lighter, like pumice. It's a little more airy, a little lighter, and that helped them get the weight down.
So it turns out Roman concrete isn't just one magic formula. They changed it between structures and even within a single structure. Now the second thing that I want to point out that Paul said was that that base of the pantheon has to be really thick to resist those thrust forces from the arches that make up the dome.
The way that they were able to do that is actually pretty interesting. So before Roman concrete as we know it, a lot of the concrete's actually set by exposure to the air. So you can imagine if you have a really thick structure, the inside's going to stay like mush.
What the Romans did was they realized that if they used a particular sand, a volcanic sand, that fine aggregate, They could actually get the concrete to set either in the middle of a really large structure or even underwater. This is what's known as a hydration reaction, and we utilize the same thing in modern concrete to keep our concrete strong. So there you have it, two interesting things about concrete, about Roman concrete.
One, it's not just a single recipe, and they actually changed it and innovated between structures and within structures. And two, the reactions that they relied on for strength gain aren't so different from what we use. Thanks Linda.
So there you have it, the sequence into the structure and material of the 2,000 year old concrete dome here at the Pantheon Temple in Rome. I hope you enjoyed that. If you did, like and subscribe. See ya.
