La cúpula de san Pedro fue diseñada por Miguel Ángel a mediados del siglo XVI.
Pablo III había mandado a Miguel Ángel la terminación de la basílica encomendada por Julio II a Bramante a comienzos del XVI.
Miguel Ángel retomó el diseño de cruz griega original, planteada por Bramante, con una gran cúpula en el centro, para ello tiene que reforzar los cuatro pilares que había previsto Bramante y que servirían para sostener la enorme cúpula de 42,5 metros de diámetro.
Sitúa la cúpula sobre el altar mayor y sobre la tumba del apóstol Pedro.
El tambor sobre el que se levanta la cúpula está decorado con columnas pareadas entre las ventanas. La alternancia de frontones triangulares y semicirculares sobre las ventanas y gruesas guirnaldas decoran el exterior.
La cúpula, apuntada para darla mayor prestancia, está atada por unos nervios que sirven para embellecer, con la articulación del espacio, una superficie que de otra forma sería demasiado monótona. La obra estaría rematada con una linterna.
Miguel Ángel no puede ver la obra terminada pues muere antes. Giacomo della Porta, sin variar apenas los planos del maestro, le dará el empuje final dotándola de una línea más aguda que la proyectada inicialmente por Miguel Ángel, que tenía algunos errores y aumento 7 metros su altura. Domenico Fontana, finalmente, agregará la linterna.
Se ha mantenido firme 500 años, gracias a un sistema de refuerzos similar al cemento armado, descubierto hace poco gracias a un Georadar que «ve» en el interior de la estructura y ha revelado arcos barras y cadenas, una estructura metálica compleja formada por siete grandes anillos de hierro, dos de ellos colocados sobre la linterna, 64 barras transversales entre las dos bóvedas, 32 cadenas en la bóveda interna, 16 cadenas en las nervaduras y 16 pasadores en la zona inferior del ojo de la cúpula. Escondidos en la pared, estos materiales nunca fueron localizados antes, las lastras de travertino están encajadas entre sí con plomo fundido.
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