Bautechnik 25.04.2023, 14:59 Uhr

Kuppelbauten: Wie die alten Meister Kuppeln bauten

Pantheon, Hagia Sophia, Petersdom: Wie konnten die alten Baumeister Kuppeln bauen, die Jahrhunderte und Jahrtausende überdauerten? Erfahren Sie hier etwas über die Bautechnik und welche Kuppelbauten die größten ihrer Zeit waren.

Kuppel Petersdom

Michelangelo war der führende Architekt für die Kuppel des Petersdoms.

Foto: Panthermedia.net/bloodua

Dank moderner Baumaterialien und neuen Bauweisen sind Kuppelbauten heute kein so ganz großes Thema mehr, wenn auch nach wie vor sehr imposant. Gehen wir jedoch 2.000 Jahre zurück, bedeuteten Kuppeln höchste Baukunst. Nehmen wir nur das Pantheon in Rom, das zur damaligen Zeit mit der größten Kuppel der Welt ausgestattet war und diese Auszeichnung über 1.000 Jahre behalten durfte. Wir wollen uns in diesem Beitrag anschauen, wie die alten Baumeister Kuppeln bauen konnten und welche Technik dafür sorgte, dass manche der Bauten noch heute zu bewundern sind.

Kleiner Blick zurück in die Geschichte des Kuppelbaus

Ursprünglich waren Kuppeln einfache Mauergewölbe mit einer inneren Form, die sich in den äußeren Umrissen widerspiegelte. Die Römer bauten dann die ersten Kuppeln aus Beton, später kamen Gusseisen, Stahl oder Stahlbeton dazu, auch Kuppelbauten aus Holz. Eines ist klar: Im Laufe der Jahrhunderte wurden Kuppelbauten zu Wahrzeichen und immer höher gebaut. Schon bald waren die Proportionen des Innengewölbes nicht mehr befriedigend. Architekten lösten dieses Problem, indem sie eine zweite Kuppel in die erste einbauten. Bald wurden bis zu drei Kuppeln oder kuppelähnliche Formen übereinandergestapelt, was ihre Bedeutung als Symbol religiöser, kultureller und staatlicher Institutionen erhöhte.

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Mit der raschen Entwicklung der Technik im 20. Jahrhundert und der Verwendung stabilerer Baustoffe wurden riesige Kuppeln über Stadien und Kongresshallen gebaut. Das Wort „Dome“ wurde so selbstverständlich für große Versammlungsorte verwendet, dass man eine Reihe von beeindruckenden Plätzen damit bezeichnete, die von gewölbten Dächern bedeckt waren. Beispiele hierfür sind der PSD Bank Dome in Düsseldorf oder das AT&T Stadium in Arlington, das derzeit die größte Kuppel der Welt mit einem Durchmesser von 275 Metern besitzt. Obwohl diese modernen Kuppeln beeindruckend sein mögen, fragt man sich, ob sie dieselbe Faszination ausüben wie die historischen Kuppelbauten Pantheon oder Petersdom in Rom.

Wie funktionieren Kuppeln?

Eine Kuppel ist ein gewölbtes Dach, das sich über einem kreisförmigen, ovalen oder eckigen Grundriss erhebt und nur einen Scheitelpunkt hat. Die Kuppelkonstruktion beruht auf der Kraftübertragung von Druck- und Zugkräften.

Die Kräfte auf eine Kuppel sind unterschiedlich verteilt, je nachdem, ob sie sich über einem kreisförmigen oder eckigen Grundriss befindet. Bei einer halbkreisförmigen Kuppel, die über einem runden Grundriss errichtet wurde, werden die horizontalen Druckkräfte nach innen gerichtet, während im unteren Kuppelbereich Zugkräfte auftreten. Die Kräfte werden von der Kuppel auf das Widerlager abgeleitet, das den Umfang des Grundrisses umschließt.

Bei einer Kuppel, die über einem eckigen Grundriss errichtet wurde, müssen die Ecken des Quadrats in eine runde Form überführt werden. Hierfür gibt es verschiedene Lösungen, wie beispielsweise die Hängekuppel, bei der der Fußkreis der Kuppel die Ecken des Grundrisses umschreibt, oder die Pendentifkuppel, bei der die Kuppel auf eine Art waagerecht abgeschnittene Behelfskuppel gesetzt wird.

So bauten die Römer die Kuppel des Pantheons

Das Pantheon in Rom soll um 114 n.Chr. von Kaiser Trajan begonnen und unter Kaiser Hadrian zwischen 125 n.Chr. und 128 n.Chr. fertiggestellt worden sein. Das Kirchengebäude hatte, bezogen auf das Innengewölbe, mehr als 1.300 Jahre lang die größte Kuppel der Welt. Der Durchmesser liegt bei über 43 Metern. Charakteristisch ist die Öffnung am Scheitel des Kuppelbaus, das sogenannte Okulus. Bemerkenswert ist zudem, dass das Pantheon 2000 Jahre alt werden konnte und zu den besterhaltenen Bauwerken der römischen Antike zählt.

Die Kuppel des Pantheons ist ein Meisterwerk römischer Baukunst. Bis in die Gegenwart besitzt das Bauwerk die größte nicht-bewehrte Betonkuppel der Welt. Die Kuppel selbst ruht auf einem mit Ziegelsteinen verkleideten Betonzylinder. Genau genommen handelt es sich dabei um einen Ring aus massiven Pfeilern, die durch dünne Wände und im Mauerwerk verborgenen Bögen verbunden waren. Die Bögen hatten die Aufgabe, die gewaltigen Lasten an den Fenstern, Durchgängen und Nischen vorbei nach unten ins Fundament zu leiten.

Kuppel Pantheon

Das Okulus am Scheitel der Kuppel lässt Licht ins Pantheon.

Foto: Panthermedia.net/valery

Holz spielte beim Bau des Pantheons eine wichtige Rolle – und zwar als Baugerüst. Und das war riesig, es umfasste den kompletten Innenraum des Bauwerks und trug zudem die Verschalung für die Betonkuppel. Um Gewicht zu sparen und visuelle Vielfalt zu realisieren, wurden in die innere Oberfläche der Kuppel trapezförmige Kassetten gegossen. Dazu mussten diese zunächst einmal umgekehrt in der Verschalung hervorstehen.

An der Basis der Kuppel wurden sogenannte Stufenringe betoniert. Sie wirken den Spannungskräften entgegen und leiten die horizontalen Kräfte nach unten in die Mauern. Insgesamt gibt es an der Kuppelbasis sieben zusätzliche und unterschiedlich starke Stufenringe, so dass die Kuppel auf bis zu fünf Meter Dicke anwächst. Ganz oben, am sogenannten Scheitelpunkt ist die Kuppel lediglich 1,50 Meter dick. Dort ist die Kuppel jedoch nicht geschlossen, sondern besitzt eine Öffnung, obwohl dort der Druck am größten ist. Ein 1,4 Meter dicker Ring aus Ziegelsteinen fungiert dort als Druckring und leitet den Druck ab.

So bauten die Byzantiner die Kuppel der Hagia Sophia

Neben dem Pantheon ist die Kuppel der Hagia Sophia in Istanbul Vorbild für zahlreiche Kuppelbauten auf der ganzen Welt. Sie wurde zwischen 532 und 537 n. Chr. erbaut und gilt als bedeutendstes Bauwerk frühbyzantinischer Architektur und Kunst der Spätantike. Nicht zuletzt wurde der Sakralbau als Ausdruck und Demonstration der kaiserlichen Macht Justinians gebaut. Die Hagia Sophia war zunächst römische Reichskirche, dann orthodox, katholisch und griechisch-orthodox. Es folgte eine lange islamische Phase, dann war sie Museum und seit 2020 ist sie wieder eine Moschee.

Anders als beim Pantheon handelt es sich bei der Kuppel der Hagia Sophia um eine Backsteinkuppel, die mit einer Bleihülle versehen ist. Außerdem ruht die Kuppel auf einem quadratischen Grundriss und nicht auf einem Zylinder wie beim Pantheon. Das machte den Bau durchaus etwas anspruchsvoller für die Architekten Anthemios von Tralles und Isidor von Milet. Das Quadrat hatte hierbei eine Seitenlänge von 30 Metern.

Kuppel Hagia Sophia

Die Kuppel der Hagia Sophia in Istanbul musste nachgebessert werden, da sie durch ein Erdbeben zerstört wurde.

Foto: Panthermedia.net/ravel Photography

Die Kuppel der Hagia Sophia wird von vier Hauptpfeilern aus Kalkstein getragen, wobei die Spitzen der Pfeiler durch ausladende Mauerbögen miteinander verbunden sind. Den Raum zwischen den Bögen ließen die Baumeister mit Mauerwerk ausfüllen, es entstanden vier sogenannte Hängezwickel. Deren Oberseite bildet eine kreisförmige Basis für die Kuppel. Diese wurde – wie der Rest des Gebäudes – aus flachen Ziegelsteinen gebaut. Ein hölzernes Lehrgerüst half dabei. Es sorgte dafür, dass die Backsteine mit dicker Mörtelfuge zu einem Gewölbe zusammengefügt werden konnten.

In der Basis der Kuppel bauten die Architekten Fenster ein. Der Druck wird aber nicht wie beim Pantheon mit Hilfe von durchgehenden Stufenringen abgetragen. Sie verwendeten stattdessen Segmente von Stufenringen zwischen den Fenstern als Stützstreben und stabilisierten die Kuppel mit dünnen Rippen. Zusätzlich zur Hauptkuppel besitzt die Hagia Sophia noch zwei Halbkuppeln, die sich direkt an die Hauptbögen anschließen.

Etwa 20 Jahre nach der Fertigstellung stürzten Teile der Kuppel und der Halbkuppeln infolge eines Erdbebens ein. Der den Wiederaufbau leitende Architekt erkannte, dass die ursprüngliche Kuppel zu flach geformt war und dadurch enorme Spannungen verursachte. Durch eine steile Kuppelform konnte er die Spannungen verringern. Noch heute sehen wir diese Form, wobei die Hagia Sophia immer wieder mit Erdbeben zu kämpfen hatte.

So baute Michelangelo die Kuppel des Petersdoms

Zu den größten und bedeutendsten Kirchen der Welt gehört der Petersdom in Rom. Er wurde zwischen 1506 und 1626 errichtet, hatte daher nicht einen Baumeister, sondern ganz viele. Für die Ausbildung der Kuppel wurde kein geringerer als Michelangelo auserkoren, der 1546 bei seiner Berufung zum Chefarchitekten des Kirchenbaus bereits 72 Jahre alt war. Als er seinen Dienst antrat, standen die massiven Mittelpfeiler der Vierung bereits und die Außenmauer wurde hochgezogen.

Was den Durchmesser angeht, ist die Kuppel etwa einen Meter kleiner als die des Pantheons, dafür ist der Petersdom um einiges höher. Allein die Basis beginnt etwa drei Meter über der Gesamthöhe des Pantheons, die Entfernung vom Boden bis zur Laternenspitze beträgt etwa 133 Meter, im Inneren sind es knapp 118 Meter. Die Kuppel selbst besteht aus mehreren Schichten. Auf die Basis, die auf Haupthängezwickeln ruht, folgen Tambour, Kuppeldach und Laterne.

Kuppel Petersdom

Die Kuppel des Petersdoms wurde aus Ziegelsteinen gemauert und besteht aus mehreren Ebenen.

Foto: Panthermedia.net/dpcrestock (Jan Wachala)

Die doppelschalige 16-eckige Kuppel des Peterdoms gilt als das größte freitragende Bauwerk, das jemals aus Ziegeln gebaut wurde. Sie wird durch zwei 190 Spannen große Ringanker aus Eisenketten stabilisiert, um horizontalen Schubkräften entgegenzuwirken. Nach mehr als 100 Jahren traten vertikale Risse in der Kuppel auf und drei Mathematikprofessoren wurden beauftragt, die Ursache zu finden und Lösungsvorschläge zu unterbreiten.

Sie erstellten 1743 eine wissenschaftliche Abhandlung, die als Vorläuferin der modernen Tragwerksplanung gilt. Sie erkannten, dass am Kuppelfuß zu große horizontale Schubkräfte auftraten und empfahlen die Stabilisierung mit fünf weiteren Eisenketten. Grund für die Schäden an der Kuppel war auch, dass die Ketten ohne Vorspannung ins Mauerwerk eingelegt wurden. Sie konnten ihre stabilisierende Wirkung daher erst entfalten, als es bereits zu spät war – die Kuppel sich bereits verformt hatte und Risse sichtbar wurden.

Stadion der Dallas Cowboys

Das Stadion der Dallas Cowboys besitzt aktuell das größte Kuppeldach der Welt.

Foto: Panthermedia.net/CamelBlag (YAYMicro)

Die größten Kuppeln ihrer Zeit

Das Pantheon hatte über 1.300 Jahre die größte Kuppel seiner Zeit, doch wie sieht es davor und danach aus? Hier kommt die Zeitleiste mit den wahrscheinlich größten Kuppelbauten des jeweiligen Zeitalters:

Atreus von Mykene: Zwischen 1250 v.Chr bis 1. Jh. v. Chr.

Das Schatzhaus des Atreus von Mykene hat eine Kuppel von 14,50 Metern Durchmesser. Das Königsgrab gilt als eines der prachtvollsten noch erhaltene von Mykene.

Tempel des Merkurs: Zwischen 1. Jh. v. Chr. bis 19 v.Chr.

Der Tempel des Merkurs in der antiken Siedlung am Golf von Neapel hatte eine Kuppel mit einem Durchmesser von 21,50 Meter. Sie gilt als erste Großkuppel der Welt.

Agrippatherme: Zwischen 19 v.Chr. bis Anfang 2. Jh.

Die Kuppel der Agrippatherme in Rom hatte einen Durchmesser von 25 Metern. Sie ist die erste römische Therme mit einem kuppelförmigen Zentralbau

Trajanstherme: Anfang 2. Jh. bis 128

Die Trajansthermen hatten eine Halbkuppel mit einem Durchmesser von 30 Metern. Die Thermen sollen mit Abwärme geheizt worden sein.

Pantheon: 128 bis 1436

Die Kuppel des Pantheons hat einen Durchmesser von 43,40 Meter, sie ist das Vorbild für westliche Kuppelbaukunst bis ins 20. Jahrhundert.

Santa Maria del Fiore: 1436 bis 1873

Der Dom Santa Maria del Fiore in Florenz hat einen Durchmesser von bis zu 45 Metern. Es handelt sich um die erste doppelschalige Kuppel der Renaissance.

Rotunde Wien: 1873 bis 1937

Die Rotunde auf dem Wiener Prater hatte einen Durchmesser von 108 Metern. Die mit Holz und Gips verkleidete Stahlkonstruktion wurde zur Weltausstellung 1873 gebaut.

Belgrade Fair: 1957 bis 1963

Halle 1 der Belgrader Messe hat einen Durchmesser von 109 Metern. Es handelt sich dabei nach wie vor um die größte Spannbetonkuppel der Welt.

Assembly Hall: 1963 bis 1965

Die Assembly Hall in Champaign wurde von der Universität von Illinois erbaut und hat eine Stahlbeton-Kuppel mit einem Durchmesser von 121,90 Metern.

Reliant Astrodome: 1965 bis 1975

Der Reliant Astrodome hat eine Kuppel mit einem Durchmesser von 195,50 Metern. Er war das erste vollständig überdachtes und klimatisierte Stadion der Welt.

Louisiana Superdome: 1975 bis 2001

Der Louisiana Superdome in New Orleans hat einen Kuppeldurchmesser von 207 Metern. Der Stahlskelettbau bietet Platz für über 70.000 Zuschauer.

Kyūshū Sekiyu Dome: 2001 bis 2009

Die Kuppel des Kyūshū Sekiyu Dome hat einen Durchmesser von 274 Metern. Das Stadion wurde anlässlich der Fußball-WM 2002 in Japan und Südkorea errichtet.

AT&T Stadium – seit 2009

Seit 2009 hat das AT&T Stadium in Arlington USA mit 275 Metern Durchmesser die größte Kuppel der Welt. Das Stadion hat je nach Sitzkonfiguration zwischen 80.000 und 108.000 Plätze.

Kuppel St. Blasius

St. Blasius ist die größte Kuppelkirche nördlich der Alpen.

Foto: Panthermedia.net/Regina Koch

Kuppelbauten in Deutschland

In den Rekordlisten der größten Kuppeln der Welt sucht man Deutschland vergebens, einige bekannte Kuppelbauten wollen wir an dieser Stelle dennoch vorstellen.

Dom St. Blasius

St. Blasien ist ein kleiner Ort im Schwarzwald mit nicht einmal 4.000 Einwohnern. Gleichwohl gibt es dort die größte Kuppelkirche nördlich der Alpen zu bestaunen, bei der Einweihung im Jahr 1783 war sie sogar die drittgrößte von Europa. Die Kuppel hat einen Durchmesser von 36 Metern, insgesamt ist der Bau 62 Meter hoch. Als Vorbild für den Dom des Klosters St. Blasius diente das Pantheon in Rom.

Reichstag Berlin

Das Reichstagsgebäude erhielt im Jahr 1999 wieder eine Kuppel, die 23 Meter hoch und 40 Meter breit ist. Der Architekt Sir Norman Foster entwarf die Konstruktion aus Stahl und Glas gemeinsam mit Fachingenieuren und setzte sich damit gegen andere Entwürfe durch. Im Frühjahr 1995 entschied sich der Ältestenrat des Deutschen Bundestages für diese moderne Version einer Kuppel.

Frauenkirche Dresden

Die Kuppel der Frauenkirche Dresden besteht vollständig aus Sandstein und wiegt über 12.000 Tonnen. Mit einer Höhe von 24 Metern und einem Durchmesser von 26 Metern ist sie die größte steinerne Kuppel nördlich der Alpen. Die Form ist ebenfalls einzigartig: Durch den konvexen Kuppelanlauf und den konkaven Verlauf entsteht der Eindruck einer Glocke. Diese Anmutung verlieh der Frauenkirche ihren Beinamen „steinerne Glocke“.

Jahrhunderthalle Frankfurt am Main

Die Jahrhunderthalle in Frankfurt am Main wird von einer Kuppel mit etwa 85 Metern Durchmessern überspannt. Insgesamt sechs Auflagerpunkte leiten die auftretenden Kräfte in den Untergrund ein. Der Kuppelsaal ist 4.800 Quadratmeter groß, je nach Bestuhlung bietet er Platz für bis zu 4.800 Personen. Er ist bekannt für seine einzigartige Raumakustik, die durch eine Lamellendecke der Kuppel ermöglicht wird.

Tonhalle Düsseldorf

Markantes Merkmal der Tonhalle Düsseldorf ist die Kuppel mit einem Durchmesser von 38 Metern. Außen ist die Kuppel mit Kupferblech verkleidet, innen finden Konzerte dank geschickter Beleuchtung unter „Sternenhimmel“ statt. Bei der Einweihung im Jahr 1927 konnte man eine leinwandbespannte Innenkuppel nach oben ziehen und den Versammlungsraum auch als Planetarium nutzen. Im Krieg wurde die alte Kuppel zerstört, sie wurde zwischen 1976 und 1978 wieder originalgetreu aufgebaut.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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