Tại sao dùng vòm cuốn có thể vượt qua khoảng cách lớn hơn so với dùng dầm?

Khi khẩu độ rất lớn, thường phải dùng dầm vừa dày vừa to, nhưng như vậy trọng lượng bản thân của dầm lại càng tăng lên nhiều. Một dầm đá có diện tích 1 m2, nếu phải bắc qua một khoảng cách 30 m thì bản thân nó nặng gần 300 tấn. Đá là một vật liệu rất chịu nén, mỗi cm2 có thể chịu một trọng lực 2000 - 3000 N, nhưng khả năng chịu kéo lại rất kém, mỗi cm2 chỉ chịu được vài trăm N. Hơn nữa, bản thân đá còn có nhiều vết nứt và đường vân. Do vậy, một dầm đá dài 30 m, nặng 300 tấn, dù rất to, nhưng khi gác lên cao, dù không chịu tải trọng nào cũng tự nó bị gãy.

Khẩu độ vài chục mét, đối với các kết cấu vỏ mỏng, kết cấu khung lưới, kết cấu cáp treo v.v... trong kiến trúc hiện đại, có thể giải quyết một cách dễ dàng. Thậm chí khẩu độ 100 - 200 m cũng chẳng phải chuyện khó. Nhưng đối với “kết cấu dầm cột” của kiến trúc cổ thì không thể làm được. Tuy nhiên, thời cổ đại vẫn có nhiều mái nhà kiến trúc với khẩu độ rất lớn, như đền thờ một vạn vị thần cổ của La Mã. Khẩu độ mái vòm của nó đạt đến 43 m, tức đường kính. Vậy nó được xây dựng như thế nào?

Trong các kiến trúc trước kia, ta thường thấy bên trong một số cửa sổ hoặc cửa ra vào, người ta dùng các viên đá hoặc gạch có dạng hình cung tròn, hình bầu dục và hình tròn nhọn. Đó là “vòm cuốn”. Kết cấu vòm cuốn thường được ứng dụng ở các cầu xây bằng đá thời cổ đại. Ngoài ra, một số đền miếu, nhà thờ có mái dạng nửa hình cầu, đó cũng là một loại vòm cuốn, trong kiến trúc gọi là “mái vòm”.

Vậy tại sao vòm cuốn có thể vượt qua khẩu độ hàng chục mét? Hóa ra vòm cuốn có thể dùng từng viên gạch, từng viên đá ghép vào nhau mà thành, không giống như dầm, nhất định phải dùng cả thanh đá hoặc thanh gỗ. Nguyên nhân là sau khi vòm cuốn chịu tải trọng, bên trong nó không sinh ra lực kéo, mà chủ yếu sinh ra lực nén. Các viên đá và viên gạch đều là những vật liệu có khả năng chịu nén rất lớn. Các vật liệu dạng viên nhỏ chỉ cần viên này ép chặt vào viên kia, không lơi lỏng, thì sẽ không thể bị phân tán ra. Đó là nguyên nhân khiến vòm cuốn có thể dễ dàng vượt qua khẩu độ lớn hơn so với dầm. Dĩ nhiên, ở phần chân của vòm cuốn sẽ sinh ra lực đẩy hướng ra ngoài. Vòm cuốn càng “dẹt” thì lực đẩy càng lớn, giống như khi ta đứng xoạc chân sẽ có cảm giác như bị trượt ra hai bên. Vì vậy, phần chân của kết cấu vòm cuốn cần làm tường dày hoặc móng vững chắc để chống lại lực đẩy.

Kết cấu vỏ mỏng trong kiến trúc hiện đại về nguyên lý cũng tương tự như vòm cuốn. Vì vậy, kết cấu vỏ mỏng tuy rất mỏng nhưng có thể vượt qua được khoảng cách rất lớn.