Ученые раскрыли тайну строительства доисторических башен Сардинии

Фото из открытых источников

Исследование выявило решающую роль внутреннего заполнителя в устойчивости этих знаковых памятников бронзового века. Его выводы имеют ключевое значение для их будущего сохранения, особенно в свете их кандидатуры на включение в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.

В уникальном ландшафте Сардинии, среди холмов и долин, возвышаются таинственные каменные сооружения, которые бросили вызов времени и пониманию экспертов. Это нураги — эмблематические башни в форме усеченного конуса нурагической цивилизации, процветавшей на острове между 1800 и 700 годами до нашей эры.

Тысячи этих сооружений, одни простые, другие образующие лабиринтообразные комплексы, десятилетиями являются предметом археологических и исторических исследований. Однако оставался один насущный вопрос: как эти башни уцелели, построенные без какого-либо раствора или связующего материала, используя только сложенные каменные блоки?

Группа итальянских исследователей опубликовала в International Journal of Architectural Heritage, которое проливает свет на эту древнюю инженерную загадку. В работе объясняются статические принципы, обеспечивающие их устойчивость, и предлагается убедительная гипотеза о том, как они были построены. Результаты исследования имеют решающее значение в то время, когда 32 нурагических объекта были номинированы на включение в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.

Нураги, которых насчитывается около восьми тысяч, являются определяющей чертой нурагической цивилизации. Они эволюционировали от простых коридорообразных сооружений до внушительных башен среднего и позднего бронзового века. Основной единицей, и предметом данного исследования, является нурагическая башня: сооружение круглой формы с внешней стеной в виде усеченного конуса и внутренней камерой, покрытой своего рода ложным куполом или консольным сводом, известным как толос.

Что всегда завораживало инженеров, так это то, что это «сухая» конструкция. То есть каменные блоки, как во внешней стене, так и во внутреннем толосе, уложены друг на друга без цемента, раствора или каких-либо связующих материалов. Пространство между двумя каменными стенами заполнено рыхлым зернистым материалом: мелкими камнями, землей или щебнем. Именно это полное отсутствие «связующего» материала делает её устойчивость такой загадкой.

Предыдущие научные дискуссии были сосредоточены на том, ведет ли себя толос как настоящий купол и на значимости круглой формы. Некоторые утверждали, что устойчивость зависит исключительно от веса блоков, делая каждую часть самонесущей. Другие считали, что ключевое значение имеют трехмерная форма и взаимодействие между элементами. Но, по мнению авторов этого нового исследования, предыдущие исследования статики Нурагических башен не учитывали влияние заполняющего материала на структурную устойчивость. И в этом заключается главное открытие.

Чтобы разгадать эту загадку, команда под руководством Аугусто Бортолусси, Валентины Дентони, Кристины Леванти, Стефано Кара, Франческо Пинна и Баттисты Гроссо обратилась к передовым технологиям. Вместо того чтобы рассматривать башню как сплошной блок, они смоделировали ее как то, чем она является на самом деле: дискретную совокупность тысяч отдельных блоков. Они использовали метод дискретных элементов (DEM), вычислительную технику, которая позволяет моделировать поведение гранулированных материалов или конструкций, состоящих из отдельных элементов, подобно гигантскому каменному конструктору Lego.

В программе 3DEC были созданы две подробные трехмерные модели: одна для внутреннего толоса, а другая для внешней башни. Геометрия была точно определена на основе измерений реальных нурагов (диаметр внешней башни у основания составляет 10–15 м, а высота — 7–16 м; диаметр внутренней камеры — 3,5–6 м), и учтены реальные свойства камня и заполнителя. Ключевым аспектом стало моделирование горизонтальных сил, действующих на рыхлый зернистый материал при его уплотнении под весом конструкции.

Цель была ясна: подвергнуть эти цифровые модели воздействию силы тяжести и постепенно уменьшать сопротивление скольжению между блоками (имитируя износ или отсутствие трения) до тех пор, пока не будет установлено, как и когда произойдет обрушение конструкции. Таким образом, можно было бы определить механизм разрушения и коэффициент запаса прочности.

Результаты моделирования оказались весьма показательными и опровергли ранее существовавшие представления. Устойчивость Нурагической башни объясняется не только весом огромных блоков, но и трехсторонним и идеально скоординированным балансом сил между толосом, заполняющим материалом и внешней частью башни.

Модель показала, что если бы наполнитель не оказывал внешнего давления, толос обрушился бы. Кольца блоков, образующие его, стремились бы повернуться внутрь камеры и расшириться наружу. Однако постоянное горизонтальное давление уплотненного наполнителя предотвращает это. Этот материал оказывает радиальную силу, направленную внутрь, которая «обнимает» толос, удерживая его кольца блоков в сжатом состоянии и на месте.

Исследование убедительно доказывает, что толос состоит из наложенных друг на друга горизонтальных колец из каменных блоков, статическое равновесие которых достигается за счет вклада горизонтальных радиальных сил, действующих на их внешние поверхности со стороны зернистого материала, заполняющего пространство между толосом и внешней башней, поясняют авторы. По сути, заполнение превращает ряд независимых блоков в непрерывное и устойчивое кольцо.

Внутренний рыхлый материал, представляющий собой далеко не простой балласт или щебень, является элементом, передающим силу. Под тяжестью верхней конструкции этот материал уплотняется и создает горизонтальное давление во всех направлениях. Именно это давление стабилизирует толос изнутри. Но законы физики неумолимы: это же давление также давит наружу на внешнюю башню.

Здесь в дело вступают огромные, иногда метрические по размеру, блоки внешней стены. Их большая масса и вес создают огромное трение в горизонтальных стыках. Именно это трение противодействует и преодолевает центробежную силу, создаваемую насыпью. Внешняя башня действует как массивная опора, сдерживающая давление насыпи. Хотя насыпной материал вносит значительный вклад в устойчивость толоса, он оказывает напряжение на внешнюю башню, которая служит удерживающей конструкцией, как подробно описывается в исследовании.

Такое понимание статики напрямую приводит к гипотезе о технике строительства. Строительство сначала всего толоса, затем насыпи, а затем внешней башни было бы нецелесообразным, поскольку толос обрушился бы без поддержки насыпи. Также было бы невозможно сначала построить обе стены, а затем насыпь, поскольку материал нельзя было бы должным образом уплотнить.

Единственная логичная последовательность, подтвержденная исследованием, — это строительство путем последовательного наложения горизонтальных колец. Древние нурагики, уровень за уровнем, возводили внутреннее кольцо блоков (толос), внешнее кольцо блоков (башню), а между ними заливали и уплотняли насыпной материал. Этот метод обеспечивал на каждом этапе немедленную горизонтальную опору толосу, в то время как внешняя башня с более крупными блоками противодействовала давлению. Единственной правдоподобной гипотезой остается строительство путем наложения горизонтальных колец, заключают исследователи.

Моделирование позволило количественно оценить безопасность конструкции. Коэффициент статической безопасности, который связывает фактическое сопротивление с сопротивлением, необходимым для обрушения, составляет 6,7 для толоса (очень высокий показатель благодаря эффекту заполнения) и 1,5 для внешней башни. Это подтверждает, что толос чрезвычайно устойчив в нормальных условиях, в то время как внешняя башня является более критическим элементом: ее устойчивость напрямую зависит от трения между ее крупными блоками.

В статье отмечается, что результаты данного исследования могут стать полезным инструментом для разработки и реализации мер по сохранению, эффективность которых зависит от понимания принципов, определяющих устойчивость нурагических сооружений.

Поскольку 32 нурагических объекта находятся в процессе выдвижения на включение в список Всемирного наследия ЮНЕСКО, понимание их внутренней механики имеет важное значение для планирования реставраций, укрепления и технического обслуживания, которые были бы бережными и эффективными. Любое вмешательство, игнорирующее этот хрупкий трехсторонний баланс — например, удаление или изменение насыпного материала или вмешательство в блоки внешней башни без учета трения — может серьезно поставить под угрозу устойчивость памятника.

В заключение исследования подтверждается, что проанализированная модель, хотя и упрощенная, применима ко всем нурагическим башням в пределах типичных диапазонов размеров. Нурагическая башня является элементарным модулем, из которого были сформированы более сложные комплексы. Данная работа закладывает основу для будущих исследований этих более сложных сооружений.

В конечном итоге исследование показывает, что многовековая прочность нурагов — это не случайность или простое накопление камня. Это результат сложных эмпирических знаний физики и статики, примененных посредством методичной и блестящей строительной техники. Нурагики были интуитивными инженерами, которым удалось создать конструктивную систему, в которой каждый элемент — от небольшого блока камеры до циклопического камня фасада и скромной насыпи из земли и гальки — играет решающую роль в идеально рассчитанном балансе сил.

Их наследие, теперь лучше понятое, является символом сардинской идентичности и всеобщим свидетельством человеческой изобретательности перед лицом вызовов гравитации и времени. Наследие, которое современная наука помогает сохранить для будущих поколений.