Największe  kopuły świata wykonano ze stali. Oddana do użytkowania w roku 2014 stalowa kopuła prętowa, rozpięta nad Stadionem Narodowym w Singapurze ma rozpiętość 312 m [1] . Najwyższą kopułą świata jest kopuła Tropical Island w Berlinie [2] wysokości 107 m (wysokość kopuły, a nie obiektu z kopułą i iglicą lub krzyżem). Lista największych kopuł zawiera podział na kontynenty oraz materiały, a także przedstawia najbardziej znane kopuły, niekoniecznie zbieżne z wielkością.

Rys historyczny

Kopuła, to sklepienie, powstałe przez obrót dowolnej krzywej wokół dowolnej  osi, wzniesione na okrągłej podstawie (rzadziej eliptycznej, prostokątnej lub wielokątnej), spoczywające na koronie muru lub na bębnie cylindrycznym przeprutym oknami, często zwieńczona latarnią wprowadzającą światło. Główną częścią kopuły jest czasza- jej wewnętrzna powierzchnia jest zwana podniebieniem, które często rozczłonkowane jest żebrami, pasami sklepiennymi i kasetonami, często bogato zdobiona dekoracją rzeźbiarską i malarską [3] , [4] , [5] , [6] , [7] . Kopuły należą do najdawniej znanych i stosowanych przekryć o dużej rozpiętości. Pierwsze konstrukcje przypominające kopuły odkryto już 20 tysięcy lat temu na terenie Ukrainy, powstawały one z kości i ciosów mamutów. Szczątki kopuł o kształcie znanym nam dzisiaj odkryto na terenie starożytnej Mezopotamii, datuje się je na ok 4 tysiące lat przed naszą erą. Materiałem, który je tworzyły były łatwo dostępne wtedy cegły mułowe pozyskiwane z osadów rzek Tygrysu i Eufratu Pierwotnie kopuły wznoszono z naturalnych surowców głównie kamienia lub cegieł. Przełomem w ich budowie okazało się wynalezienie żelbetu, co pozwoliło zmienić metodę ich kształtowania. Dziś kopuła pojawia się w miejskim krajobrazie nie tylko w budownictwie sakralnym, ale także jako lokale gastronomiczne dyskoteki, obiekty sportowe.

Podstawowe materiały używane do budowy kopuł to: kamienie, cegły, drewno, beton niezbrojony, żeliwo, stal i żelbet [4] , [8] . W tab.1. zestawiono historyczne kopuły zbudowane w Rzymie i Włoszech ze wskazaniem na materiał, i cechy geometryczne. Współczesne kopuły buduje się przede wszystkim ze stali lub żelbetu, a na znaczeniu straciły problemy związane z geometrią kopuł , ich pracą statyczną i wreszcie problemy technologii wykonania kopuł.

 Tab.1. Kopuły historyczne: materiał, geometria i konstrukcja [4]

Kopuły z kamienia

Global Vipassana Pagoda w Bombaju

Największą  kopuła kamienną na świecie jest  Global Vipassana Pagoda, Bombaj w Indiach (rys.1). Została zaprojektowana jako replika pagody Shwe Dagon w dawnej Birmie. Obecnie jest  największą kopułą kamienną na świecie. Jej średnica wewnętrzna to ponad 85m (280 stóp), a wysokość ok. 100m (325 stóp ) [9] .

Do budowy hali, w której odbywają się medytacje, zużyto w przybliżeniu 2.5 miliona ton kamieni. Ociosane bloki ułożono, łącząc zaprawą. Świątynia może pomieścić 8000 wiernych. Ukończenie jej zajęło 11 lat, począwszy od 1997 r. do 2008 r. Iglicę wykończono szczerym złotem, natomiast resztę pomalowano z zewnątrz złotą farbą.

Zwracamy uwagę, że Global Vipassana Pagoda jest kopułą złożoną. Zawiera dwukrzywiznowe powierzchnie w przeważającej części o krzywiźnie ujemnej . Ograniczenie w klasycznej definicji kopuły do powierzchni o krzywiźnie dodatniej w tym przypadku zawodzi.

 Rys 1. Global Vipassana Pagoda, Bombaj, Indie [9]

Kopuły z cegły

Katedra Santa Maria del Fiore we Florencji

Katedra  Najświętszej Marii Panny  z kwiatów we Florencji Bazylika  jest jednym z największych kościołów we Włoszech Kopula nad bazyliką (rys.2) jest autorstwa  Filipo Brunelleschi i pozostaje największą kopułą murowaną świata. Średnica kopuły jest rozmaicie podawana przez różne źródła:  archINFORM poddaje 45 m,  Structurae poddaje 43 m , a inni jedynie 42 m, co i tak jest więcej niż dłuższa średnica 33 m kopuły Hagia Sophia. Wysokość kopuły Duomo wynosi  107 m.

Konstrukcja Brunelleschi to szkielet zbudowany z podwójnego (dwuwarstwowego) wiązania belkowego,  wzmacnianego poziomymi wieńcami (platformami), które podczas wznoszenia służyły jako baza do konstruowania wyższego poziomu. Konstrukcję uzupełniono dwoma powłokami wymurowanymi z cegły. Obydwie warstwy w połączeniu z żebrami i wieńcami tworzą sztywną całość. Każdy kolejny wieniec ma coraz mniejszą średnicę, ostatni już tylko 6 metrów i na nim ustawiono tzw. latarnię spełniającą rolę kamiennego zwornika zapobiegającego rozerwaniu kopuły przez masę żebrowania.

Rys.2. Kopuła katedry Santa Maria del FIore we Florencji  [10]

Hagia Sofia w Stambule

Druga, największa ceglana kopuła, to Kościół Mądrości Bożej (Hagia Sofia), Stambuł, Turcja (rys.3). Hagia Sofia to kościół wzniesiony w latach 532-562 (później meczet, a obecnie muzeum), w którym po raz pierwszy na świecie zastosowano pendentywy, elementy narożne w postaci sklepienia o kształcie trójkąta sferycznego. Takie rozwiązanie umożliwia swobodne przejście z planu czworoboku do koła wspierającego kopułę.

Rys 3. Kościół Mądrości Bożej (Hagia Sofia), Stambuł, Turcja [11]

Kształt kościoła łączy w sobie cechy bazyliki i budowli na planie centralnym o wymiarach 71 × 77 m. Centralna część nawy środkowej przykrywa olbrzymia kopuła o średnicy podstawy wynoszącej 31,2 m na krótszej osi, zaś 32,8 m na dłuższej. Wysokość od posadzki do najwyższego punktu kopuły wynosi 55,6 m. (regularna wysokość 52,0 m) [11] .
Konstrukcja opiera się na czterech potężnych filarach, umieszczonych w narożach kwadratu, oraz 107 kolumnach. Obciążenia przenoszone są przez cztery pendentywy. Jest to rozwiązanie typowe dla architektury bizantyjskiej. Wszystkie wcześniejsze kopuły opierały się całym obwodem na masywnych murach. Od wschodu i zachodu do kopuły przylegają dwie mniejsze półkopuły, przykrywające pozostałą powierzchnię nawy głównej. Jednocześnie wspierają one kopułę centralną. Filary wzmacniają dwie pary przypór, zbudowanych od południa i północy. Od zewnątrz kopuły zasłonięte są bębnami, w których umieszczono szeregi okien oświetlających wnętrze kościoła [12] . Kopuła składa się ceglanego podniebienia ułożonego na z 40-tu ceglanych żebrach wspartych na stopkach umieszczonych w wieńcu podstawy.

Bazylika św Piotra w Rzymie

Bazylika św. Piotra (rys.4) przez wiele lat była największym kościołem chrześcijańskim, a obecnie jest drugim po bazylice w Yamoussoukro na Wybrzeżu Kości Słoniowej (1989).

Rys.4. Kopuła bazylika św Piotra w Rzymie [13]

Wymiary bazyliki św Piotra: 211,5 m długości, długość nawy poprzecznej 137,5 m., Bazylika jest zwieńczona kopułą o wymiarach:

• wysokość kopuły 119 m,
  – zewnętrzna (od poziomu ulicy do wierzchołka krzyża na kopule) – 133,30 m;
  – wysokość wewnętrzna (od posadzki do brzegu latarni): 117,57 m;
• średnica 42 m (zewnętrzna – 58,90 m; wewnętrzna: m 41,50).
  Kopuła jest tylko zewnętrznie ceglana. Faktyczną konstrukcję stanowi układ żeber.
  Dlatego pierwszeństwo wśród kopuł z cegły przyznajemy kopule Hagia Sophia.

Kopuły z betonu niezbrojonego

Panteon w Rzymie

Największą kopułą z betonu niezbrojonego jest do dzisiaj  Panteon, Rzym, Włochy (Rys.5). Kopuła Panteonu, o średnicy i wysokości równym 43,3m (142 stopy), od 125 roku n.e. do dnia dzisiejszego pozostaje największą, wykonaną z betonu niezbrojonego . Zdobi ją pięć rzędów kasetonów. U szczytu znajduje się otwór oświetlający wnętrze (oculus), zwany inaczej łubniem.

 Rys.5a. Kopuła Panteonu w Rzymie (125 r. ne) [14]

Rys.5b. Kopuła Panteonu w Rzymie (widok wnętrza) [15]

Kopuła odlana jest z niezbrojonego, monolitycznego betonu z centralnym otworem (oculusem) o średnicy ok. 7,9 m, jedynym otworem w kopule oświetlającym wnętrze. Ponieważ otwór nie ma przykrycia, posadzka na środku jest lekko wklęsła z odpływem na zewnątrz do odprowadzania wód opadowych. Struktura kopuły jest pozbawiona nadmiernej masy oraz usztywniona żebrami przez zastosowanie kasetonów, a masywne ściany bębna podporowego kopuły zostały usztywnione i uelastycznione (na ich ruchy od zmian termicznych) przy jednoczesnym znacznym obniżeniu ich masy poprzez regularnie rozmieszczone wnęki. Siły poziomego rozporu kopuły zostały zrównoważone przez nadbudowanie w postaci schodkowo spiętrzonych siedmiu pierścieni dociążających płaszcz kopuły w polu jej oparcia na bębnie podporowym ścian Panteonu. Prostokątne i półkoliste wnęki występują przemiennie w murze ściany podpierającej kopułę.

Kopuły z drewna

Kopuły drewniane, to głównie konstrukcje żebrowe. Kopuły żebrowe drewniane stosowane są na powierzchniach o rzutach wielobocznych lub kolistych. W skład elementów konstrukcyjnych wchodzą poszczególne płaskie żebra wychodzące promieniście z wierzchołka. Ze względów konstrukcyjnych połączenie żeber w wierzchołku wykonuje się za pomocą pierścienia lub czaszy. Pierścień zwornikowy lub czasza pracuje na ściskanie. Żebro u wezgłowia opiera się na pierścieniu podporowym, który pod wpływem rozporu żeber ulega rozciągnięciu. W kopułach spłaszczonych pierścień podporowy może być wsparty na słupach lub systemie łuków tworzących podstawę układu skąd obciążenie przekazywane jest na fundamenty. W tym przypadku przy dużym odstępie punktów podparcia, pierścień podporowy pracuje nie tylko na rozciąganie, lecz również na zginanie i skręcanie. Drewniane kopuły żebrowe najczęściej mają  rozpiętość 50-100m. i są konstrukcjami łukowe kratowymi, łączonymi przegubowo w zworniku i wezgłowiu.

Superior Dome (USA)

Obecnie największą kopuła drewnianą jest Superior Dome (rys.6). Kopuła ma wysokość 44 metry (143 stopy) i  średnicę 163 m (536 stóp). Kopuła przekrywa powierzchnię  (21 000 m²). Jest to kopuła geodezyjna zbudowana z 781 daglezji i 174,6 km  jodły.  Pod kopułą zmieszczono 8 tys. miejsc siedzących przy całkowitej liczbie osób do 16 tys   Edycja Guinness World Records z 2010 roku wymienia ją jako piątą co do wielkości kopułę i największą drewnianą kopułę na świecie.

Rys. 6. Największa kopuła drewniana Superior Dome

Tacoma Dome (USA)

Kopuła Superior Dome wyprzedziła swoją poprzedniczkę Tacoma Dome, Takoma, Waszyngton, Stany Zjednoczone (Rys.7).

Rys 7a. Jedna z większych kopuł drewnianych  -Tacoma Dome, Tacoma, Waszyngton, Stany Zjednoczone [16]

Rys.7b Kopuła Tacoma (wnętrze) [16]

Tacoma Dome ma średnicę 160m (530 stóp) oraz wysokość 46m (152 stopy). Obiekt ten wyróżniają połączone ze sobą sferyczne trójkąty równoboczne, tworzące ruszty trójkierunkowe, charakterystyczne dla przekryć strukturalnych, jakim jest kopuła geodezyjna. Zaprojektowana w 1922 roku w Niemczech przez W. Bauersfelda, wykazuje się dużą sztywnością oraz nośnością.

Kopuły z żeliwa

Devonshire Royal Hospital w Buxton (UK)

Największą kopułą wykonaną z elementów żeliwnych jest Devonshire Royal Hospital, Buxton, Derbyshire (Rys.8).
Wykonana z elementów żeliwnych kopuła posiada  średnicę 46.9m (153stopy) i wyprzedziła swoją poprzedniczkę, którą była kopuła Kapitolu Stanów Zjednoczonych.

Rys. 8. Devonshire Royal Hospital, Buxton, Derbyshire [17]

Zbudowana została między 1780, a 1789 rokiem, a oryginalny budynek został zaprojektowany przez John’a Carr [17] .

Kopuły z żelbetu

Norfolk Scope w Norfolk (USA)

Największa kopuła z betonu zbrojonego, to Norfolk Scope, Norfolk, Stany Zjednoczone (Rys.9). Ta monolityczna żelbetowa kopuła liczy 134,1m (440 stóp) średnicy oraz 33,5m (110 stóp). Wspierana jest przy pomocy systemu przyporowo-oporowego. Ze względu na rozmiary, warto również wspomnieć  jej poprzedniczkę – kupułę King County Multipurpose Domed Stadium w Seattle. Jej średnica wynosiła 201,2m (660 stóp) a wysokość 76,2m (250 stóp) [18] .

Rys. 9. Norfolk Scope, Norfolk, Stany Zjednoczone [18]

Kopuły ze stali

Kopuła Stadionu Narodowego w Singapurze

W czerwcu 2014 r. oddano do użytkowania Stadion Narodowy w Singapurze,  o pojemności 55 tys. widzów, przekryty kopułą o największej w świecie rozpiętości 312 m i wysokości od niecki 80 m, ze środkową częścią ruchomą. Konstrukcja ruchoma ma wysokość 5 m na górze i 2,5 m przy podstawie [1] (rys.10).
Autorem projektu stadionu byli: Arup Sport, DP Architects, CICADA (Singapore Sports Hub Consortium).
Pojemność stadionu w zależności od potrzeb może zostać zwiększona do 70 000. W nocy wewnętrzna część dachu może tworzyć 2 wielkie ekrany. Stadion charakteryzuje się rozsuwanym dachem. Mieści dwie hale widowiskowye (po 3 000 miejsc każda), halę do zawodów kartingowych, 4 boiska do koszykówki, światowej klasy skatepark, pływalnię z basenem olimpijskim (6 000 widzów), park wodny, sztuczny tor do spływu górskiego („white water”), tory do zawodów wioślarskich i kajakowych, promenadę z kompleksem komercyjnym łącząca wszystkie elementy kompleksu.

Rys. 10a  Stadion Narodowy w Singapurze (2014). Projekt Arup  Sport (2007) [[19]

Rys. 10b Stadion Narodowy w Singapurze (Widok wnetrza) [[19]

Kopułę skonstruowano  na bazie łuków kratownicowych, które również są największe na świecie -mają aż 310 metrów rozpiętości, podczas gdy wcześniej rekordowa konstrukcja tego typu na Cowboys Stadium w Arlington mierzyła 275m. Warto przy tym zwrócić uwagę, że zbudowany stadion Cowboys mieści maksymalnie ok. 110 tys. widzów (w tym 80 tys. miejsc stałych i 30 tymczasowych), podczas gdy ten w Singapurze ma mieć pojemność dokładnie o połowę mniejszą.

Kopuła Louisiana Superdome w Nowym Orleanie

Przed oddaniem do użytkowania stadionu w Singapurze, największą, wzniesioną współcześnie, kopułą stalową była Louisiana Superdome, Nowy Orlean, Stany Zjednoczone (Rys.11), która liczy 77,1m (253 stopy) wysokości oraz 207,3m (680 stóp) średnicy i została pokryta okładziną poliuretanową oraz polietylenowym elastomerem. Jest to typ kopuły lamella.

Rys.11a Kopuła Luiziana SuperDome (Merecedes-Benz) [20]

Rys.11b Kopuła Luiziana SuperDome (wnętrze) [20]

Inne wielkie kopuły stalowe

Na świecie wybudowano wiele kopuł w konstrukcji stalowej, które zewnętrznie mają większe rozmiary od kopuły w Sinagapurze.

O2 Arena w Londynie

Należy do nich Millennium Dome (znana także jako O2 Arena) [21]CPV3FVZR , która ma średnicę 365 m (jeden metr za jeden dzień w roku). Kopuła jest jednak wyposażona w dwanaście (jeden za każdy miesiąc w roku) zewnętrznych masztów podtrzymujących. (rys.12). Dlatego pierwszeństwo wielkości oddajemy kopule w Singapurze.

Rys.12. Kopula MIllenium (O2) w Londynie [21]CPV3FVZR

Aquapark Tropical Island pod Berlinem

Ponadto należy wymienić Aquapark Tropical Island pod Berlinem [2]o (rys.13), która ma 360 metrów długości, 210 metrów szerokości i 107 metrów wysokości. Kubatura 5,5 mln m³. Głównym elementem nośnym są łuki kartowe.  Kształt geometryczny, to dwie półkopuły połączone walcem. Ze względu na kubaturę jest to największa samonośna konstrukcja świata.

Rys.13a , Kopuła Tropical Island. Berlin [2]

Rys.13b Tropical Island (wnętrze) [2]

Kopuła na Reichstagu w Berlinie

Kopuła wieńcząca gmach Reichstagu w Berlinie (rys.14) nie jest największa, bo jej średnica wynosi  40 m, a wysokość 24 m i  jest jedną z najbardziej znanych współczesnych kopuł. Autorem kopuły jest światowej sławy architekt  sir Norman Foster.

Rys. 14. Kopuła na gmachu parlamentu niemieckiego [22]

Kopuła na gmachu Reichstagu jest jednym z najczęściej odwiedzanych celów turystycznych Berlina i stała się symbolem stolicy.  Stalowy szkielet złożony jest z 24 prostopadłych żeber w odległości 15° i 17 poziomych obręczy, rozmieszczonych co 1,65 m. Całość wypełnia 3 tys. m² szkła. Wewnątrz znajdują  się dwie rampy, przesunięte o 180°, wiodące na platformę widokową. Każda o długości 230 m, szeroka na 1,8 m, przypomina spiralę. Szczyt kopuły leży 47 m nad poziomem ulicy.

Literatura

1. Kobielak S., Hutnik E. (2014). Przekrycia stalowe dużych rozpiętości – cz. I. Przykła-dy obiektów projektowanych bądź zrealizowanych w ostatnim okresie wraz z ich zwięzłą charakterystyką, Inżynier Budownictwa, [ http://www.inzynierbudownictwa.pl/drukuj,7462 ]
2. Wikipedia, (2015), Tropical Islands, [ https://pl.wikipedia.org/wiki/Tropical_Islands ]
3. Bogucki, W. (1977), Budownictwo stalowe, Tom II (4 Wydanie.), Arkady, Warszawa
4. Kowal Ewa A.,( 1998), Kopuła kościała w Gostyniu, Praca doktorska, Wydział Architektury Politechniki Wrocławskiej, Wrocław
5. Macdonald A. J. (2001), Structure and architecture (2 Wydanie), Architectural Press, Oxford
6. Schierle G. G. (2006), Architectural structures, University of Southern California, Los Angeles
7. Chodor, L. (2013). Kopuły w architekturze, Wykład 4 z przedmiotu Konstrukcje bu-dowlane 2 dla Architektów, Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [ https://chodor-projekt.net/wp-content/uploads/PIPress/Wyklady/KB2/4-(2015)-KB2-Kopuly-w-architekturze.pdf ]
8. Charleson A. (2005), Structure as architecture: a source book for architects and structural engineers. Elsevier/Architectural Press, Oxford ; Burlington, MA
9. Wikipedia, Global Vipassana Pagoda, [ https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Vipassana_Pagoda ]
10. Wikipedia, Katedra Santa Maria del Fiore [https://pl.wikipedia.org/wiki/Katedra_Santa_Maria_del_Fiore ]
11. Wikipedia, Hagia Sophia [https://pl.wikipedia.org/wiki/Hagia_Sophia ]
12. LiveScience.com, Hagia Sophia: Facts, History & Architecture, [livesci-ence.com/27574-hagia-sophia.html ]
13. Wikipedia, Bazylika Świętego Piotra na Watykanie, [https://pl.wikipedia.org/wiki/Bazylika_%C5%9Bw._Piotra_na_Watykanie ]
14. Pantheon-rome (obraz), http://image.slidesharecdn.com/b002-it-pantheon-rome-2v0c-120331110114-phpapp01/95/pantheon-rome-15-728.jpg?cb=1333191953
15. Pantheon Historical Facts and Pictures, The History Hub. (2015), [ http://www.thehistoryhub.com/pantheon-facts-pictures.htm ]
16. Wikipedia. (2015), Tacoma Dome. In Wikipedia, the free encyclopedia, [ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Tacoma_Dome&oldid=682001945 ]
17. Wikipedia, (2014). Devonshire Royal Hospital. In Wikipedia, the free encyclopedia, [ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Devonshire_Royal_Hospital&oldid=617735741 ]
18. Wikipedia, Norfolk Scope, [ https://pl.wikipedia.org/wiki/Norfolk_Scope ]
19. Stadiony net. (2014). Singapore Sports Hub. Stadiony.Net , Wszystko o stadionach, [ http://stadiony.net/w_budowie/sin/singapore_sports_hub ]
20. Wikipedia. (2013), Mercedes-Benz Superdome, [ https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Mercedes-Benz_Superdome&oldid=36429775 ]
21. Wikipedia, O2 Arena (Londyn), [ https://pl.wikipedia.org/wiki/O2_Arena_(Londyn) ]
22. Wikipedia, (2015). Reichstag dome, [ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reichstag_dome&oldid=678447772 ]

________________________________