Controlli dinamici e monitoraggio strutturale non invasivo nella tutela dei beni monumentali: il caso studio del Mausoleo di Sant’Elena a Roma

Il monitoraggio strutturale rappresenta oggi uno degli strumenti più efficaci per la tutela dei beni monumentali complessi. Il caso del Mausoleo di Sant’Elena a Roma mostra come tecniche avanzate di diagnostica dinamica possano supportare la conoscenza del comportamento strutturale di edifici storici caratterizzati da stratificazioni costruttive e quadri fessurativi complessi. L’impiego dell’analisi modale operazionale (OMA), integrata con rilievi accelerometrici, indagini geofisiche e monitoraggio fessurimetrico, consente di individuare frequenze proprie, deformate modali e parametri dinamici utili alla calibrazione dei modelli numerici e alla valutazione della vulnerabilità strutturale. L’approccio adottato consente inoltre di impostare strategie di conservazione preventiva e manutenzione predittiva del patrimonio culturale.

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Sommario tematico

• il Mausoleo di Sant’Elena: caratteristiche storiche e strutturali
• tecniche di monitoraggio dinamico non invasivo
• analisi modale operazionale (OMA)
• integrazione con modellazione FEM
• risultati della campagna diagnostica

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Monitoraggio strutturale dei beni monumentali: perché le indagini dinamiche sono fondamentali per la conservazione

Nel contesto del Mausoleo di Sant’Elena, la complessità stratigrafica, la rilevanza storica e la vulnerabilità strutturale del manufatto rendono evidente come gli studi preliminari, le indagini diagnostiche avanzate e il monitoraggio dinamico continuo non rappresentino un semplice supporto alla progettazione, ma costituiscano l’unico percorso realmente compatibile con la tutela del bene.

La natura monumentale dell’opera – caratterizzata da elementi murari antichi, da superfetazioni successive, da quadri fessurativi complessi e dalla presenza di interfacce tra strutture di epoche diverse – impone infatti un approccio conoscitivo profondo e non invasivo, condotto attraverso tecniche capaci di leggere il comportamento reale della struttura senza alterarla.

Monitoraggio dinamico delle strutture storiche: come funziona e quali informazioni fornisce
Il monitoraggio dinamico strutturale consiste nella registrazione continua delle vibrazioni di un edificio tramite sensori accelerometrici e sistemi di acquisizione dati installati in punti strategici della struttura. L’analisi delle vibrazioni consente di determinare i principali indicatori globali di comportamento dinamico, tra cui frequenze proprie, forme modali e coefficienti di smorzamento. Nel caso degli edifici storici, queste informazioni assumono un valore diagnostico particolarmente elevato: variazioni nel tempo dei parametri modali possono indicare modifiche nella rigidezza strutturale, evoluzione dei quadri fessurativi o fenomeni di degrado dei materiali. Quando il monitoraggio viene integrato con sistemi di acquisizione automatica e algoritmi di identificazione modale, è possibile realizzare un vero e proprio sistema di sorveglianza strutturale continua, capace di segnalare anomalie prima che queste si traducano in danni evidenti. Questo approccio rappresenta oggi uno degli strumenti più efficaci per attuare strategie di conservazione preventiva e manutenzione predittiva del patrimonio monumentale.

  

Il Mausoleo di Sant’Elena a Roma: caratteristiche storiche e struttura architettonica del monumento

Il Mausoleo di Sant'Elena (Roma, municipio V) venne edificato tra il 315 e il 326 d.C. dall'imperatore Costantino all’interno di una vasta proprietà imperiale collegata al palazzo imperiale del Sessorium, presso Porta Maggiore.

 

  

La località prescelta, definita come ad (o inter) duas lauros, era interessata a partire dalla tarda epoca repubblicana da necropoli poste lungo l’antica via Labicana, l’attuale Casilina. Tra il II e il III secolo d.C. fu occupata dal cimitero degli equites singulares, cavalieri della guardia imperiale, mentre al tempo delle ultime persecuzioni i cristiani scelsero l’area per impostare un cimitero ipogeo e seppellire alcuni martiri. Proprio in questa zona, dopo la vittoria di Ponte Milvio Costantino decise di realizzare la Basilica in onore dei Santi Marcellino e Pietro, periti durante la persecuzione dioclezianea e un mausoleo dinastico in cui sarà sepolta, intorno al 329 d.C., la madre Elena, dando inizio alla cristianizzazione monumentale del suburbio.

Il Mausoleo presenta una pianta circolare con diametro di oltre 20 metri e un basamento articolato internamente con nicchie circolari e rettangolari e in origine era arricchito da notevoli decorazioni. Era sovrastato da un’imponente cupola alla base della quale furono inserite delle anfore vuote, dette in età moderna pignatte, da cui il nome attuale del quartiere (Tor Pignattara).

Al di sotto della basilica è presente l’impianto delle catacombe dedicate ai Santi Marcellino e Pietro, considerate, per il ricco corredo di pitture per lo più risalenti al IV sec. d.C., una vera e propria pinacoteca dell’epoca.

 

  

La distruzione dell’edificio avvenne in un periodo tra l’XI secolo, epoca della traslazione del corpo di Sant’Elena, e il XII secolo, quando il suo sarcofago di porfido venne trasportato in Laterano. All’interno del Mausoleo, nel XVII secolo, furono costruite la chiesetta dedicata ai Santi Marcellino e Pietro e l’annessa canonica, ampliata nel XVIII secolo, in concomitanza con la chiusura della nicchia dove era posto il sarcofago in porfido di Sant’Elena.

A seguito di un lungo periodo di forte abbandono, il restauro del monumento fu intrapreso nell'ottobre del 1993 dall'allora Soprintendenza Archeologica di Roma in collaborazione con la Pontificia Commissione di Archeologia Sacra, per realizzare al centro del quartiere un nuovo polo monumentale destinato alla conoscenza del patrimonio storico e archeologico dell'area.

Le attività di restauro, che hanno coinvolto un gruppo di lavoro multidisciplinare di esperti, ispirandosi alla complessa struttura architettonica originaria, hanno consentito il ripristino della sicurezza conservativa degli antichi apparati, migliorando allo stesso tempo le condizioni generali dell'edificio. All’interno della chiesetta e della canonica sorte nei resti del Mausoleo, è stato allestito un piccolo antiquarium aperto nel 2019 grazie alla sinergia tra Soprintendenza Speciale di Roma e Pontificia Commissione di Archeologia Sacra. In esso sono esposti reperti che illustrano le vicende storiche dell'area, dalla necropoli e dalle catacombe al complesso costantiniano, secondo un allestimento pensato per raccontare il contesto di appartenenza.

Grazie ai fondi PNRR (Missione Digitalizzazione, Innovazione, Competitività, Cultura e Turismo. Componente C3 Turismo e Cultura 4.0. Investimento Caput Mundi – Next Generation EU per Grandi Eventi Turistici. Linea di intervento #lacittàcondivisa), la Soprintendenza Speciale di Roma ha potuto infine realizzare importanti lavori volti ad accrescere la fruibilità del luogo, associati ad attività di manutenzione, restauro e messa in sicurezza del complesso; è stata inoltre eseguita un'articolata campagna di indagini diagnostiche e monitoraggio strutturale.

 

     

Indagini diagnostiche e monitoraggio strutturale nel progetto PNRR Caput Mundi

Interventi per fruibilità, manutenzione, restauro e messa in sicurezza del complesso. Misura PNRR Caput Mundi – Next Generation EU per Grandi Eventi Turistici.

Le indagini adottate – analisi modale operazionale (OMA), rilievi accelerometrici, HVSR, indagini geofisiche e fessurimetriche – consentono di cogliere le vibrazioni naturali dell’organismo architettonico, determinarne le frequenze proprie, definire le forme modali e di identificare con precisione le aree maggiormente sensibili alle sollecitazioni.
Questi dati, integrati con misure statiche e con lo studio dei dissesti esistenti, offrono un quadro di conoscenza impossibile da ottenere tramite sole ispezioni visive o analisi tradizionali.

Particolare attenzione è stata riservata al monitoraggio dinamico e alla caratterizzazione modale con tecnica OMA delle due corone circolari storiche (superiore ed inferiore), le quali sono poste in aderenza con successive strutture sorte nella parte interna del manufatto e mostrano segni di pregresse sofferenze strutturali, quali lesioni verticali (di cui si è lasciata memoria in occasione dei lavori di restauro del monumento intrapresi a partire dall’ottobre del 1993) che dividono la corona circolare superiore in 3 settori circolari. Queste attività rivestono oggi un ruolo primario nell’ingegneria per il restauro, consentendo una comprensione profonda e non invasiva del comportamento globale di edifici monumentali, attraverso la misurazione di vibrazioni ambientali e la determinazione delle frequenze proprie, delle deformate modali e dei parametri di smorzamento.

L’applicazione sistematica di tali tecniche rientra in un approccio moderno orientato alla conservazione preventiva e alla manutenzione predittiva, strumenti fondamentali per assicurare continuità funzionale, sicurezza e sostenibilità nella tutela dei beni culturali.

  

Obiettivi del monitoraggio dinamico: identificazione delle frequenze proprie e calibrazione dei modelli FEM

Gli obiettivi tecnici e conoscitivi della campagna sono stati sviluppati secondo una logica multidisciplinare. In particolare, il controllo dinamico ha perseguito finalità quali:

• Identificazione delle frequenze proprie della struttura e delle relative forme modali;
• Definizione di un modello dinamico discreto di riferimento in grado di costituire termine di paragone per verifiche evolutive;
• Supporto alla calibrazione numerica del modello agli elementi finiti (FEM) finalizzato alla valutazione di vulnerabilità sismica;
• Integrazione tra dati dinamici e informazioni statiche, ottenute dai sensori fessurimetrici posti a cavallo di quadri fessurativi;
• Predisposizione di un sistema di sorveglianza strutturale continua idoneo a rilevare eventuali variazioni prestazionali dovute ad eventi eccezionali, fenomeni di degrado o altro.

 

  

Analisi modale operazionale (OMA): principi, strumenti e applicazione agli edifici storici

L’OMA si basa sull'acquisizione di timehistory dove l’eccitazione è costituita dalle vibrazioni ambientali: se tali vibrazioni hanno le caratteristiche tipiche del c.d. “white noise”, siamo allora in grado di cogliere le frequenze modali proprie della struttura e le relative deformate.

Due approcci sono stati adottati in sinergia:

• Frequency Domain Decomposition (FDD), idoneo a individuare modi prevalenti mediante decomposizione spettrale;
  
• Stochastic Subspace Identification (SSI), tecnica che elabora modelli dinamici in dominio del tempo per una definizione precisa dei parametri modali.

La doppia elaborazione ha permesso di verificare la coerenza delle frequenze estratte e di rafforzare la robustezza dei risultati.

Infatti, la particolare configurazione strutturale e l’assenza di piani rigidi sono gli elementi che costituiscono il maggior elemento di incertezza per decretare la corrispondenza tra risposta in frequenza e reale individuazione dei modi propri del sistema.

Tale problematica (comune ad ogni monitoraggio di sistemi complessi dal quale si vogliono dedurre sperimentalmente le caratteristiche dinamiche del sistema in assenza di modelli analitici) viene superata sia confrontando i risultati ottenuti nel dominio del tempo e nel dominio delle frequenze, sia analizzando l’evoluzione dei parametri dinamici nel tempo.

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Identificazione dinamica di una torre piezometrica
L'articolo tratta il tema del monitoraggio delle torri piezometriche e più nello specifico la loro identificazione dinamica, ovvero l'individuazione delle frequenze fondamentali d'oscillazione attraverso l'elaborazione dei dati accelerometrici acquisiti nel corso del monitoraggio.

 

   

Risultati del monitoraggio dinamico: frequenze proprie e comportamento modale della struttura

Prima di procedere con le OMA si è effettuata l’analisi delle acquisizioni al fine di adottare le opportune pulizie di segnale e lavorare su timehistory con il rapporto segnale/rumore quanto più alto possibile.
Le frequenze principali ottenute per la risposta strutturale si collocano nel range 0–9 Hz, in linea con le aspettative per una struttura muraria massiva. Le forme modali individuate descrivono principalmente oscillazioni flessionali e torsionali.

Figura 8: FFT delle basse frequenze visualizzate su piattaforma di interfaccia cliente della Meccaingegneria SRL

I risultati ottenuti hanno consentito di:

• Definire parametri dinamici affidabili della struttura;
• Comprendere la risposta globale e la distribuzione delle deformazioni modali;
• Raccogliere dati utili per calibrare un modello FEM finalizzato alle verifiche di sicurezza strutturali;
• Costruire un pacchetto dati che costituisca il punto di zero per valutare future evoluzioni del comportamento strutturale;
•  Supportare progettisti e istituzioni nella pianificazione di interventi conservativi mirati.

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Commento della redazione. Il caso studio del Mausoleo di Sant’Elena evidenzia come le tecnologie di monitoraggio dinamico rappresentino oggi uno strumento centrale per la conservazione del patrimonio storico. L’integrazione tra diagnostica avanzata, modellazione numerica e acquisizione dati continua offre ai progettisti strumenti concreti per comprendere il comportamento strutturale di edifici complessi e pianificare interventi conservativi compatibili con la tutela del bene.

 

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FAQ

Quando conviene utilizzare l’analisi modale operazionale (OMA)?

L’analisi modale operazionale è particolarmente indicata per lo studio di strutture esistenti e monumentali quando non è possibile applicare forzanti artificiali. La tecnica utilizza le vibrazioni ambientali – traffico, vento, microtremori – per identificare frequenze proprie, deformate modali e parametri di smorzamento. In edifici storici, dove interventi invasivi o prove dinamiche controllate possono risultare incompatibili con la tutela del bene, l’OMA rappresenta una metodologia diagnostica efficace e non distruttiva.

Quali informazioni si ottengono dal monitoraggio dinamico di un edificio storico?

Il monitoraggio dinamico consente di individuare i parametri modali della struttura, come frequenze proprie, forme modali e smorzamento. Questi dati permettono di comprendere il comportamento globale dell’edificio e di individuare eventuali variazioni nel tempo. Le variazioni dei parametri dinamici possono indicare fenomeni di degrado, variazioni di rigidezza o modifiche nella distribuzione delle masse.

Qual è il rapporto tra monitoraggio dinamico e modellazione FEM?

I dati sperimentali ottenuti dal monitoraggio dinamico sono utilizzati per calibrare modelli numerici agli elementi finiti. Il confronto tra frequenze modali sperimentali e numeriche consente di verificare la correttezza del modello e di migliorare la rappresentazione del comportamento strutturale reale. Un modello FEM calibrato diventa uno strumento fondamentale per la valutazione della vulnerabilità sismica.

Perché il monitoraggio continuo è importante nella conservazione dei monumenti?

Il monitoraggio continuo permette di registrare nel tempo l’evoluzione dei parametri strutturali dell’edificio. Eventuali variazioni significative delle frequenze o delle deformate modali possono segnalare l’insorgenza di problemi strutturali prima che diventino evidenti. Questo approccio consente di adottare strategie di manutenzione predittiva e di ridurre la necessità di interventi invasivi.

Quali sono i principali vantaggi delle tecniche diagnostiche non invasive?

Le tecniche non invasive permettono di analizzare il comportamento strutturale degli edifici storici senza alterarne i materiali o le strutture originarie. Ciò è fondamentale nel caso dei beni monumentali, dove la tutela della materia storica rappresenta un principio fondamentale della conservazione. Inoltre, queste tecniche consentono di raccogliere dati oggettivi e ripetibili nel tempo.