cupola
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Affresco della cupola

L'innovazione mirabile del Brunelleschi fu quella di voltare la Cupola senza armature, grazie all'uso di una doppia volta con intercapedine, di cui l'interna (spessa oltre due metri) realizzata con conci a spina di pesce, aveva una funzione strutturale essendo autoportante e quella esterna solo di copertura. Svetta sulla Cupola la lanterna con copertura a cono, su disegno del Brunelleschi, che fu realizzata dopo la morte dell'artista (1446) e la palla di rame dorato con la croce, contenente reliquie sacre, opera d'Andrea del Verrocchio, che vi fu collocata nel 1466.

La decorazione ad affresco della Cupola del Brunelleschi fu realizzata tra il 1572 ed il 1579 da Giorgio Vasari e Federico Zuccari, e presenta lo stesso tema iconografico del Battistero: il Giudizio Universale. Gli affreschi della cupola sono stati oggetto di un restauro globale tra il 1978 ed il 1994.