Un sistema completo di monitoraggio a lungo termine per un complesso monumentale iconico: il caso studio della Basilica di Assisi

La tutela del patrimonio storico costruito richiede oggi strumenti sempre più avanzati di conoscenza e controllo del comportamento strutturale. Questo è particolarmente vero nei contesti ad elevato rischio sismico, dove monumenti di grande valore artistico convivono con una lunga storia di eventi tellurici. La Basilica di San Francesco ad Assisi rappresenta uno dei casi più emblematici in Italia, anche alla luce del terremoto del 1997 che provocò il collasso parziale delle volte della Basilica Superiore. Negli ultimi anni è stato quindi sviluppato un sistema integrato di monitoraggio strutturale che combina sensori, infrastrutture digitali e tecniche di analisi avanzata dei dati. Il progetto rappresenta un interessante esempio di applicazione delle tecnologie di Structural Health Monitoring alla conservazione dei beni culturali.

Un patrimonio fragile in un contesto sismico complesso

La Basilica di San Francesco ad Assisi rappresenta uno dei siti di maggiore valore storico e culturale al mondo. Oltre al suo straordinario patrimonio artistico, il complesso monumentale presenta anche caratteristiche strutturali di grande interesse ingegneristico, in particolare perché sorge in un’area caratterizzata da elevata pericolosità sismica.

Il ricordo più recente della vulnerabilità di questo patrimonio è legato al terremoto del 1997, un evento estremamente distruttivo che provocò il collasso parziale delle volte della Basilica Superiore, causando gravi danni alla struttura e alle celebri superfici affrescate. Tuttavia, quello del 1997 non è stato l’unico episodio sismico significativo nella storia del sito. La letteratura storica documenta terremoti rilevanti nell’area anche nel 1279, nel 1747, nel 1751 e nel 1832, con epicentri talvolta ancora più vicini alla città rispetto agli eventi recenti.

Questo contesto rende evidente come la conservazione della Basilica non possa prescindere da strategie di monitoraggio strutturale continuo. Dopo il sisma del 1997 fu infatti installato un primo sistema di monitoraggio basato su trasduttori di spostamento lineare (LVDT), progettato per controllare le deformazioni delle strutture sopra le volte della Basilica Superiore. Il sistema ha funzionato per alcuni anni ma ha progressivamente smesso di trasmettere dati a causa di malfunzionamenti dell’hardware di acquisizione, aggravati dalle condizioni climatiche presenti negli ambienti tecnici.

Il sistema attualmente operativo nella Basilica si basa su un’infrastruttura distribuita che integra sensori installati sulla struttura, server di elaborazione locale ed una piattaforma cloud accessibile via web.

Sopra le volte della Basilica Superiore sono stati installati trasduttori LVDT collegati alle molle presenti nel sistema strutturale di rinforzo. I cablaggi e l’elettronica di acquisizione sono stati completamente rinnovati, garantendo maggiore affidabilità e robustezza operativa. I dati acquisiti vengono inizialmente processati da un edge server installato localmente, che esegue una prima elaborazione e invia successivamente le informazioni alla piattaforma cloud.

L’infrastruttura digitale è stata progettata con criteri tipici delle moderne architetture IoT: elaborazione distribuita, sicurezza informatica multilivello e crittografia dei dati durante la trasmissione. L’accesso avviene attraverso una web application che consente ai tecnici responsabili della Basilica di consultare i dati in tempo reale, configurare soglie di allerta e ricevere notifiche automatiche in caso di superamento dei limiti impostati.

Un elemento particolarmente interessante della piattaforma è la disponibilità di API aperte, che permettono l’integrazione dei dati di monitoraggio con software di terze parti. Questo approccio consente di utilizzare strumenti avanzati di analisi strutturale, machine learning o modellazione numerica, ampliando significativamente le possibilità di utilizzo delle informazioni raccolte.

Negli ultimi anni questo sistema è stato recuperato e completamente modernizzato, trasformandosi in una piattaforma digitale di monitoraggio strutturale con accesso remoto e capacità di elaborazione distribuita.

La presente relazione è stata presentata in occasione del XX Convegno ANIDIS (Assisi, 7-11 settembre 2025) e gli autori sono: Daniele Storni, Harpal Singh, Gianni Alessandroni, Nicola Di Donato, Marco Giuseppe Moroni, Sergio Fusetti, Daniele Ciarlariello, William Yang, Claudio Martino, Herbert Gross, Domenico Patanè e Giuseppe Occhipinti.

Architettura del sistema di monitoraggio: sensori, edge computing e cloud

Uno degli elementi principali del sistema di monitoraggio riguarda la Torre Campanaria della Basilica. La struttura raggiunge un’altezza di circa 52 metri e presenta una base quadrata di circa 11 metri di lato. Come in molte torri medievali in muratura, lo spessore delle pareti si riduce progressivamente salendo verso la cella campanaria, condizionando in modo significativo il comportamento dinamico globale.

L’organizzazione interna è caratterizzata da un sistema di scale articolato, con archi rampanti e pilastri in muratura disposti agli angoli. Nella parte sommitale si trova la cella campanaria, caratterizzata da ampie aperture finestrate che riducono la rigidezza locale e tendono a concentrare le deformazioni proprio in questa zona.

Un ulteriore aspetto strutturale rilevante è l’interazione parziale tra la torre e il corpo della Basilica. Questo fattore è stato preso in considerazione nella progettazione del sistema di monitoraggio dinamico e nella scelta delle quote di installazione dei sensori accelerometrici, posizionati a circa 29, 36 e 47 metri di altezza.

Per il monitoraggio sono stati utilizzati accelerometri MEMS ad alte prestazioni sviluppati da Epson, selezionati dopo una fase di analisi comparativa. Questi sensori presentano prestazioni comparabili a quelle dei tradizionali sensori force-balance utilizzati in ambito sismologico e sono particolarmente adatti per analisi dinamiche basate su tecniche di Operational Modal Analysis (OMA). La conversione analogico-digitale avviene con una risoluzione di 32 bit, di cui 24 effettivi, e una banda di frequenza fino a 400 Hz.

Le dimensioni compatte dei sensori e la semplicità di installazione hanno consentito di realizzare un intervento completamente reversibile, un requisito fondamentale quando si opera su un monumento di eccezionale valore storico e artistico.

Accanto al sistema installato nella torre, è stata inoltre predisposta una stazione strumentale in prossimità della stazione della Rete Accelerometrica Nazionale (RAN). Qui l’INGV ha installato velocimetri e accelerometri che consentono di registrare l’input sismico alla base della struttura.

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

Identificazione dinamica e comportamento della torre

La prima campagna di identificazione dinamica ha permesso di individuare le principali frequenze proprie della torre. Le prime due forme modali flessionali sono state identificate rispettivamente a circa 2,14 Hz e 2,59 Hz, mentre le seconde forme flessionali si collocano a circa 3,4 Hz e 3,9 Hz. Le prime due forme torsionali sono state individuate intorno a 5,4 Hz e 5,6 Hz.

Gli spostamenti modali maggiori risultano concentrati nella parte superiore della torre, in particolare in corrispondenza della cella campanaria, coerentemente con la riduzione progressiva dello spessore murario e con la presenza delle grandi aperture.

Durante il periodo di monitoraggio sono stati registrati diversi eventi sismici naturali. Uno di questi, avvenuto il 7 dicembre 2023, ha prodotto uno spostamento massimo di circa 2,4 mm al livello più alto della torre. L’analisi degli spostamenti interpiano ha evidenziato un comportamento strutturale coerente con la risposta attesa, senza indicazioni di anomalie o fenomeni di danneggiamento.

L’analisi delle frequenze nel periodo compreso tra settembre 2023 e gennaio 2024 ha mostrato una chiara correlazione con le variazioni di temperatura. In particolare, quando la temperatura è scesa da circa 30 °C a 22 °C, le frequenze modali hanno mostrato variazioni nell’ordine dei millesimi, un comportamento in linea con quanto documentato nella letteratura scientifica sul monitoraggio dinamico delle strutture in muratura.

Machine learning per l’individuazione automatica degli eventi sismici

Uno degli aspetti più innovativi del sistema riguarda l’utilizzo di tecniche di intelligenza artificiale per l’identificazione automatica dei segnali sismici all’interno dei dati accelerometrici.

L’elevata attività sismica dell’area genera infatti una grande quantità di dati, rendendo estremamente complessa un’analisi manuale delle registrazioni. Per affrontare questo problema è stata sviluppata un’architettura di deep learning ibrida che combina reti neurali convoluzionali (CNN), modelli LSTM per l’analisi delle sequenze temporali e un’architettura transformer dotata di meccanismo di attenzione.

Il sistema è in grado di individuare automaticamente i segnali sismici all’interno delle tracce accelerometriche con una precisione superiore rispetto ai metodi tradizionali basati sugli algoritmi STA/LTA. In un caso specifico, relativo a una finestra temporale di un’ora nel dicembre 2023, l’algoritmo è riuscito a identificare automaticamente cinque eventi sismici distinti.

La rete neurale è stata addestrata su milioni di tracce accelerometriche provenienti da dataset pubblici internazionali e attualmente è in corso un processo di fine tuning utilizzando i dati specifici acquisiti sul sito della Basilica, con l’obiettivo di migliorare ulteriormente l’accuratezza del sistema.

Prospettive future del monitoraggio

Il sistema di monitoraggio della Basilica di Assisi è in continua evoluzione. Tra gli sviluppi previsti vi è l’estensione del monitoraggio accelerometrico anche alle volte della Basilica Superiore, che attualmente sono controllate principalmente tramite trasduttori di spostamento.

Un altro passo importante sarà l’aggiornamento del modello numerico della Torre Campanaria, utilizzando i dati modali identificati durante il periodo di osservazione per eseguire un processo di model updating.

È inoltre prevista l’installazione di una stazione meteorologica direttamente sul sito, che permetterà di acquisire dati ambientali più accurati rispetto a quelli attualmente disponibili da stazioni limitrofe. Questo consentirà di migliorare i modelli statistici utilizzati per distinguere gli effetti ambientali dalle possibili variazioni strutturali.

L’esperienza maturata ad Assisi dimostra come le tecnologie digitali, integrate con tecniche avanzate di analisi dei dati e intelligenza artificiale, possano offrire strumenti estremamente efficaci per la tutela e la gestione del patrimonio storico costruito, specialmente in contesti caratterizzati da elevato rischio sismico.

IN SINTESI
-Installazione di un sistema di monitoraggio strutturale sulla Basilica di Assisi, con sensori LVDT sulle volte della Basilica Superiore e accelerometri sulla Torre Campanaria.
-Infrastruttura digitale distribuita con edge computing e piattaforma cloud che consente accesso remoto ai dati e gestione delle soglie di allerta.
-Identificazione delle principali frequenze modali della torre e analisi del comportamento dinamico tramite tecniche di Operational Modal Analysis.
-Registrazione e analisi degli eventi sismici con spostamenti misurati fino a circa 2,4 mm nella parte sommitale della torre.
-Utilizzo di algoritmi di deep learning per l’identificazione automatica dei segnali sismici nei dati accelerometrici e sviluppo di ulteriori attività di monitoraggio e model updating.

DI SEGUITO LA REGISTRAZIONE INTEGRALE DELL'INTERVENTO DI DANIELE STORNI

Il testo è stato elaborato tramite la videoregistrazione dell'intervento, con l'aiuto dell'IA.