Hybrid double dome: building performance and cable-net strengthening of Esfahan Shah Mosque's dome

In 1611, the construction of the Esfahan Shah Mosque, Masjed-e Shah, became a part of the re-modeling of the Safavid capital (the Safavids ruled from 1501 to 1722 a large area of Western Asia, with Esfahan being the third and last capital). It is a building that adopts a glazed bulbous curvature as a hybrid double dome (HDD) of brick and wooden elements. This is one of the enormous masonry double domes (MDD) which suffers from the lack of knowledge in their building technology and structural behavior. This research aims to present the building techniques, construction sequences and conservation actions of the complex HDD of Shah Mosque through historical evidence, onsite surveys as well as structural analysis. This work also proposes a cable-net strengthening of the dome, based on its intrinsic capacities and an inspired pattern of HDD in another major dome, the Chahar Bagh (1704), to reach a reversible, cost-effective, optimized and sustainable intervention that responds to the original concept and construction technique of the structure. For these purposes, an overview on the development of MDD in Persia is provided. The different typological categories of MDD and HDD allow extending the discussion about constructive components and techniques, basic principles of form, structure and equilibrium of domes. In particular, the investigation explores the geometry, interventions and consequences of both Safavid domes, the Shah and Chahar Bagh HDDs, during the last century, from the Salnameh report (1934–36) up till the present. In the case study, the construction sequences and structural features constitute fundamental knowledge to recognize the role of each wooden element of Shah's HDD as well as any deflection in intermediate configurations of the dome and existing damage. The exploration of the construction sequences of the Shah mosque HDD is an indispensable part of this research that can be complemented by the early history of the structure, both of which support in diagnosing the causes of damage. To assess the dome's safety, the investigation examines subsequently the structural behavior of the Shah Mosque’s HDD, through finite element (FE) modeling and analysis with Midas FX+ and DIANA 10.2, including non-linear analysis due to vertical and horizontal loading. The study allows the development of a crack pattern to explore redistribution of the force flow. Historical studies indicate that economic, social and aesthetic reasons required a lofty double dome structure in Naghsh-e Jahan meidan, which had to be optimized and hybridized by walls and wooden elements. Time limitations of the initial construction, the earthquake of 1844 and the modern strengthening of 1932 are particularly relevant historical events. The techno-poetic solution for strengthening the frontal semi dome proposed by Moarefi in 1932 used an integrated structural system that gives an appropriate lesson for the proposal developed in this work. The structural analysis reveals that the radial walls and the wooden ties prevent horizontal thrust of the bulbous dome and increase the capacity of the structure due to vertical and horizontal loading. However, the drum is the most vulnerable part of the double dome as it includes 8 openings. The discussion on the crack patterns and the structural condition leads to plausible strengthening alternatives which would enhance the structural capacity of the existing Shah's HDD by tie-encircling components and deploying the pattern of wooden tie system in Chahar Bagh's HDD in order to join the walls to the domes. All in all, this investigation primarily echoes that on-going conservation requires structural analysis that deeply considers historical evidence and performance. An attempt to bring together the contribution of the structural knowledge of Chahar Bagh and scientific measures of cable-net system has been made to achieve a more durable, flexible and compatible strengthening. As such, the obtained result is a combination of local practices and global modern codes.

[tradotto dall’inglese] Nel 1611 La realizzazione della Moschea di Esfahan Shah, Masjed-e Shah, è stata iniziata come parte della rimodellazione della capitale Safavide. Dal 1501 al 1722 i Safavidi hanno governato una vasta area dell'Asia occidentale, di cui Esfahan è stata la terza ed ultima capitale. La moschea presenta una copertura a doppia cupola ibrida (HDD), in laterizio e legno, che adotta una geometria con curvature a bulbo. La copertura è annoverabile tra le più grandi cupole doppie in muratura (MDD) delle quali, tuttavia, si ha ancora una scarsa conoscenza, per quanto riguarda la tecnologia costruttiva eppure di comportamento strutturale. La presente ricerca si rivolge ad illustrare e commentare le tecniche di esecuzione, le sequenze delle costruzioni e le operazioni di consolidamento della cupola della Moschea di Shah, attraverso testimonianze storiche e rilievi in loco, nonché analisi strutturali. La ricerca è finalizzata con una proposta di intervento che consiste nello rinforzo della cupola mediante l'uso di una rete di cavi, intervento ispirato da quello realizzato sull’HDD della grande cupola di Chahar Bagh (1704). L’obiettivo quindi è individuare un sistema di rinforzo reversibile, economico, ottimizzato e sostenibile, tenendo conto dei concetti costruttivi e delle tecniche di costruzione originarie della struttura. A tal fine nella parte iniziale della tesi viene fornita una panoramica sullo sviluppo storico delle MDD in Persia. Le differenti tipologie di MDD e HDD hanno consentito infatti di ampliare la conoscenza dei componenti e delle tecniche costruttive, oltre ai principi di base della forma, della struttura e dell'equilibrio delle cupole. In particolare, l'indagine approfondisce la geometria e gli interventi realizzati su entrambe le cupole safavidi (quella di Shah e quella di Chahar Bagh) nel corso dell'ultimo secolo. Nei casi analizzati, le sequenze delle costruzioni e le caratteristiche strutturali costituiscono una base di conoscenza fondamentale per individuare il ruolo degli elementi in legno dell'HDD di Shah. L'indagine delle sequenze di costruzione dell'HDD della moschea di Shah rappresenta un componento indispensabile per la presente ricerca, sulla quale viene integrata dalla storia recente della struttura, allo scopo di indagare le cause dei dissesti. Per valutare la sicurezza della cupola si è esaminato il comportamento strutturale dell'HDD della Moschea di Shah attraverso modellazione ed analisi ad elementi finiti (FE) condotte con Midas FX + e DIANA 10.2, includendo anche l'analisi non lineare sotto carichi verticali e orizzontali. Lo studio ha consentito di seguire lo sviluppo del quadro fessurativo, così da analizzare le modifiche del flusso delle tensioni all’interno della cupola. La ricerca storica individua in ragioni economiche, sociali ed estetiche la necessità di adottare una struttura a doppia cupola in Naghsh-e Jahan Meidan, la quale doveva essere ottimizzata strutturalmente affiancando muri ed elementi in legno. I limiti temporali della costruzione, il terremoto del 1844 eppure il moderno intervento di rinforzo del 1932 sono eventi storici particolarmente rilevanti che hanno fornito spunti alla ricerca. Ad esempio, la soluzione tecnica adottata per rafforzare la semi cupola frontale, proposta da Moarefi nel 1932, utilizza un sistema strutturale integrato che offre uno spunto appropriato per la proposta sviluppata nel presente lavoro. L'analisi strutturale rivela che le pareti radiali interne ed I tiranti in legno contrastano la spinta orizzontale della cupola a bulbo e aumentano la capacità della struttura, sia sotto carico verticale che orizzontale. Il tamburo, che include 8 aperture, resta tuttavia come la parte più vulnerabile della doppia cupola. La discussione relativa al quadro fessurativo e alle differenti condizioni strutturali delle cupole analizzate, hanno condotto ad alternative di consolidamento possibili in grado di migliorare la capacità strutturale dell'HDD di Shah mediante cerchiature con cavi e che, allo stesso tempo, tengono conto del sistema di tirantatura in legno utilizzato nell'HDD di Chahar Bagh per unire tra loro le pareti radiali e la cupola. La ricerca condotta evidenzia come i criteri attuali di restauro e consolidamento necessitino di una preventiva ed approfondita conoscenza degli aspetti storici. Nella tesi si è tentato di legare tra loro la conoscenza strutturale di Chahar Bagh ai moderni sistemi di consolidamento a rete di cavi così da ottenere una soluzione il più possibile duratura, flessibile e compatibile. Il risultato ottenuto costituisce quindi una combinazione di antiche pratiche locali e moderni criteri strutturali.