Duomo di Milano: come il clima modifica il comportamento dinamico di una cattedrale gotica

La comprensione del comportamento dinamico delle grandi costruzioni storiche rappresenta oggi una delle sfide più avanzate nel campo dell'ingegneria strutturale e della conservazione del patrimonio monumentale. Le variazioni delle condizioni ambientali, e in particolare della temperatura, possono infatti influenzare in modo significativo le proprietà dinamiche degli edifici, rendendo complessa l'interpretazione dei dati provenienti dai sistemi di monitoraggio. In questo contesto si inserisce la ricerca presentata da Carmelo Gentile ad ANIDIS 2025, dedicata al Duomo di Milano, uno dei monumenti più iconici e complessi d'Europa. Grazie a quasi sette anni di monitoraggio continuo, lo studio offre una lettura innovativa delle relazioni tra clima, caratteristiche costruttive e risposta strutturale, evidenziando il ruolo determinante delle storiche catene metalliche che contribuiscono alla stabilità della cattedrale.

Il monitoraggio permanente di un monumento unico al mondo

La conservazione delle grandi architetture storiche richiede oggi strumenti di conoscenza sempre più sofisticati, capaci di cogliere non soltanto l'evoluzione dei fenomeni di degrado, ma anche le normali variazioni di comportamento indotte dall'ambiente. In questo contesto si inserisce il lavoro presentato dal professor Carmelo Gentile ad ANIDIS 2025, dedicato agli effetti delle variazioni ambientali sulla caratterizzazione dinamica del Duomo di Milano, uno dei più importanti esempi di architettura gotica europea.

Il Duomo rappresenta un caso di studio straordinario sia per dimensioni sia per complessità strutturale. Con una lunghezza superiore a 158 metri, una facciata larga 66 metri e la Guglia Maggiore che supera i 100 metri di altezza, la cattedrale è il risultato di una costruzione protrattasi per secoli, dal 1386 fino agli ultimi completamenti del Novecento. La sua peculiarità strutturale più significativa è costituita dalla presenza di un sistema di 122 catene metalliche storiche, ancora oggi pienamente attive, che contribuiscono in modo determinante all'equilibrio statico dell'edificio.

Dal 2018 il Duomo è oggetto di un sistema di monitoraggio permanente sviluppato dal gruppo di ricerca coordinato da Gentile. La rete comprende sensori statici per il controllo delle catene e delle condizioni ambientali, oltre a 27 sensori dinamici distribuiti nelle zone più significative della struttura. Grazie a questa infrastruttura è stato possibile raccogliere quasi sette anni di dati continui, generando oltre 60.000 dataset utilizzati per l'identificazione automatica delle caratteristiche dinamiche della cattedrale.

La presente relazione è stata presentata ad ANIDIS 2025 (Assisi, 7-11 settembre) e gli autori sono: Carmelo Gentile e Ana Avramova.

Otto modi di vibrare raccontano lo stato di salute della cattedrale

Uno degli aspetti più interessanti del monitoraggio riguarda l'identificazione delle frequenze naturali e delle forme modali del Duomo. L'analisi automatica dei dati ha consentito di riconoscere con continuità otto principali modi di vibrazione della struttura, associati sia ai movimenti globali dell'intera cattedrale sia a deformazioni più localizzate delle navate e degli elementi portanti.

Le forme modali costituiscono una sorta di "impronta digitale" della struttura: eventuali modifiche significative possono infatti essere associate all'insorgenza di danni, dissesti o variazioni dello stato tensionale. Proprio per questo motivo il monitoraggio continuo delle deformate modali rappresenta uno degli strumenti più efficaci nell'ambito dello Structural Health Monitoring applicato ai beni monumentali.

I risultati emersi dal monitoraggio del Duomo mostrano un'elevata stabilità delle forme modali nel tempo. Le rare anomalie registrate durante il periodo di osservazione non sono risultate correlate a fenomeni strutturali, bensì a problematiche temporanee del sistema di acquisizione, in particolare alla perdita della sincronizzazione GPS di alcuni gruppi di sensori a causa delle attività di cantiere che interessano costantemente il monumento. Questo dato conferma l'affidabilità dell'approccio e dimostra come il controllo delle forme modali possa distinguere efficacemente tra variazioni strumentali e reali modifiche del comportamento strutturale.

XX Convegno ANIDIS: focus su sicurezza sismica e vulnerabilità del costruito
Ad Assisi si è svolto il XX Convegno ANIDIS, principale appuntamento per la comunità dell’ingegneria sismica. Al centro del dibattito: vulnerabilità del costruito, tecniche di rinforzo, monitoraggio strutturale, nuovi materiali, strategie multi-hazard e politiche di riduzione del rischio. INGENIO segue l’evento con video e interviste ai protagonisti.
LEGGI L'APPROFONDIMENTO

L'effetto della temperatura sulle frequenze naturali

L'aspetto più innovativo dello studio riguarda l'analisi dell'influenza della temperatura sulle proprietà dinamiche della cattedrale. Sebbene il Duomo presenti dimensioni eccezionali, le misure effettuate attraverso dodici sensori distribuiti all'interno dell'edificio hanno evidenziato una sorprendente uniformità termica interna, con differenze molto limitate tra le diverse zone della struttura.

L'analisi delle frequenze naturali ha però rivelato comportamenti estremamente peculiari. In una struttura in muratura tradizionale ci si aspetta generalmente che l'aumento della temperatura determini un incremento della rigidezza apparente dovuto all'espansione termica dei materiali e alla conseguente chiusura di fessure e microfessure. Questo fenomeno è effettivamente osservabile nel Duomo durante la stagione estiva.

Tuttavia, durante i mesi invernali emerge un comportamento opposto e decisamente insolito. Le frequenze naturali aumentano al diminuire della temperatura, indicando un incremento della rigidezza globale della struttura. L'origine di questo fenomeno è stata individuata nel sistema delle catene storiche. Le misure effettuate sugli elementi metallici mostrano infatti un incremento delle tensioni durante la stagione fredda: le catene entrano maggiormente in trazione e producono un effetto di irrigidimento complessivo dell'edificio che prevale sul comportamento tipico della muratura.

Si tratta di una scoperta particolarmente significativa perché dimostra come il comportamento dinamico di una grande struttura storica possa essere governato contemporaneamente da meccanismi differenti e antagonisti. Da un lato agisce l'effetto termico diretto sui materiali lapidei e murari; dall'altro interviene la risposta delle catene metalliche, che modificano il proprio stato tensionale in funzione delle variazioni climatiche. La risposta finale osservata nelle frequenze naturali è il risultato dell'interazione tra questi due fenomeni.

Verso una nuova interpretazione dei dati di monitoraggio dei beni storici

I risultati ottenuti sul Duomo di Milano offrono indicazioni di grande interesse per il settore della conservazione e del monitoraggio delle costruzioni storiche. Lo studio evidenzia infatti come la corretta interpretazione dei dati dinamici richieda una conoscenza approfondita degli effetti ambientali, evitando di attribuire erroneamente a possibili danneggiamenti variazioni che in realtà derivano da normali cicli stagionali.

L'esperienza maturata sul Duomo dimostra inoltre il valore strategico dei sistemi di monitoraggio permanente applicati ai monumenti di grande rilevanza. La disponibilità di serie storiche pluriennali consente di costruire modelli interpretativi sempre più accurati, capaci di distinguere tra comportamento fisiologico della struttura e segnali di possibili criticità. In questo senso il monitoraggio non rappresenta soltanto uno strumento di controllo, ma diventa una vera e propria attività di conoscenza del monumento, fondamentale per pianificare interventi di conservazione più efficaci e sostenibili.

La ricerca presentata da Carmelo Gentile conferma infine come il Duomo di Milano continui a rappresentare un laboratorio unico per l'ingegneria strutturale applicata al patrimonio storico, offrendo informazioni preziose non solo per la tutela della cattedrale stessa, ma anche per la comprensione del comportamento di molte altre grandi architetture monumentali europee

DI SEGUITO L'INTERVENTO INTEGRALE DI CARMELO GENTILE.

Il testo è stato redatto mediante la videoregistrazione dell'intervento, mediante l'uso dell'IA.

IN SINTESI
-Il Duomo di Milano è monitorato in continuo dal 2018 attraverso una rete integrata di sensori statici e dinamici che consente di analizzarne il comportamento strutturale in tempo reale.
-L'elaborazione di oltre 60.000 dataset ha permesso di identificare otto principali modi di vibrazione della cattedrale, fornendo una "firma dinamica" utile per la valutazione dello stato di salute dell'opera.
-Le forme modali si sono dimostrate estremamente stabili nel tempo e poco influenzate dalle variazioni ambientali, confermandosi indicatori affidabili per individuare eventuali anomalie o danneggiamenti.
-Le frequenze naturali mostrano invece una forte dipendenza dalla temperatura, con comportamenti differenti tra stagione estiva e stagione invernale.
-Il sistema delle 122 catene storiche del Duomo svolge un ruolo determinante: durante i mesi freddi l'aumento delle tensioni nelle catene irrigidisce la struttura, generando una risposta dinamica peculiare che distingue la cattedrale milanese da molte altre grandi costruzioni in muratura.