In circa sedici anni, Brunelleschi realizza l'imponente cupola di Santa Maria del Fiore, un'opera attesa dai fiorentini per più di cinquant'anni. Su di essa si dibatte a lungo, alla ricerca della soluzione tecnica ideale per coprire l'enorme spazio ottagonale della cattedrale che Arnolfo di Cambio aveva progettato per testimoniare la fede in Dio e, contemporaneamente, l'orgoglio cittadino. Viste le dimensioni, il problema maggiore era l'impossibilità di usare le tradizioni impalcature lignee da terra. Quando, nel 1418, Brunelleschi vince una soluzione innovativa, che suscita polemiche, ma risolve i numerosi problemi tecnici, permettendo alla struttura di autosorreggersi durante la costruzione.
Brunelleschi, in realtà, costruisce due cupole separate da un'intercapedine e legate da 24 sproni verticali, 8 angolari maggiori e 16 intermedi. La calotta esterna ha funzione di rivestimento e i costoloni che la decorano non hanno alcuna funzione strutturale. Nell'intercapedine tra le due cupole si trovano le scale che permettono di salire fino alla lanterna. Per quanto riguarda i materiali vi è il cotto, usato per le tegole di copertura; il marmo per il rivestimento del tamburo, i costoloni esterni e la lanterna. La decorazione a mosaico prevista da Brunelleschi non fu mai realizzata per non appesantire la cupola.

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