Un gemello digitale alimentato da dati acquisiti in tempo reale attraverso una rete di sofisticati sensori e potenziato dall’intelligenza artificiale per il monitoraggio dello stato di salute di una delle opere storico-architettoniche più iconiche del Paese, la cupola della cattedrale di Santa Maria del Fiore di Firenze, frutto del genio rinascimentale di Filippo Brunelleschi. Questo l’obiettivo di ‘Tutela dei beni storico-architettonici con riferimento alla Cupola del Brunelleschi’, uno dei più ambiziosi ed emblematici casi studio nati nell’ambito delle attività di ricerca che trovano casa all’interno dallo Spoke 5 ‘Environment and Natural Disasters’ dell’ICSC – Centro Nazionale di Ricerca in HPC, Big Data e quantum Computing. Ambizioso perché aspira a validare un sistema di manutenzione e prevenzione innovativo che possa essere adattato alle esigenze dell’esteso patrimonio architettonico italiano; emblematico in quanto rappresenta un esempio della sempre maggiore pervasività delle ricadute derivanti dalla convergenza tra calcolo ad alte prestazioni e soluzione avanzate per l’analisi e la rappresentazione dei dati, come digital twin e modelli di intelligenza artificiale. Il progetto, sviluppato dal Dipartimento di Statistica Informatica, Applicazioni (DiSIA) “G. Parenti” dell’Università degli Studi di Firenze (UNIFI) in partnership con l’Opera di Santa Maria del Fiore, mira ad aumentare precisione ed accuratezza del sistema automatizzato per l’analisi dei dati relativi all’evoluzione strutturale degli edifici di elevato interesse storico. A tale scopo, la Cupola del Brunelleschi verrà dotata di un nuovo dispositivo di monitoraggio, il cui sviluppo e installazione sono stati oggetto di uno specifico bando a cascata pubblicato dallo Spoke 5 di ICSC.
Con le sue eccezionali dimensioni, che la rendono ancora oggi la più grande cupola in muratura al mondo, la Cupola di Santa Maria del Fiore ha sempre rappresentato una sfida ingegneristica unica: a partire dalla sua costruzione – avviata nel 1420 -, per la quale fu necessario ideare e progettare nuove soluzioni capaci di supplire all’impossibilità di fare ricorso alle centine, impalcature utilizzate fin dall’antichità per sostenere archi e volte fino al loro completamento; per proseguire nei periodi successivi la sua realizzazione – terminata nel 1436 -, contraddistinti da un costante lavoro di mappatura e manutenzione delle condizioni della cupola, il cui delicato equilibrio strutturale fu messo in evidenza dalla presenza di lesioni fessurative individuate già a partire dal 1639.
In tempi recenti, la necessità di studiare più da vicino il comportamento strutturale di uno dei principali capolavori della storia dell’architettura mondiale, al fine di salvaguardarne la sicurezza garantendo al contempo la sua fruibilità, è concisa con l’istituzione di commissioni ministeriali e l’utilizzo di sistemi di monitoraggio sempre più sofisticati. Fino all’installazione, tra il1986 e il 1987 – in concomitanza con i lavori di restauro della cupola -, di sensori elettronici per la misura degli spostamenti e della temperatura in prossimità dei punti più interessati da fenomeni fessurativi. Preso in carico dall’Opera di Santa Maria del Fiore, l’istituzione responsabile della gestione del complesso monumentale del Duomo di Firenze, l’impianto di monitoraggio è stato potenziato negli ultimi anni grazie all’aggiunta di sismometri per la rilevazione di vibrazioni e microterremoti.
È in questo contesto che si inserisce il progetto di ricerca proposto dal Dipartimento DiSIA dell’Università di Firenze e svolto insieme a Opera di Santa Maria del Fiore, che, sulla base dell’analisi dei dati così prodotti, effettuata tramite tecniche statistiche di data mining, ha individuato la Cupola del Brunelleschi come caso studio all’interno del quale testare l’efficacia di un sistema monitoraggio in grado di individuare situazioni di rischio strutturale consentendo la pianificazione tempestiva di misure di intervento adeguate. Un’attività che ha portato allo sviluppo di un primo modello della Cupola, descritto all’interno di un articolo pubblicato all’inizio del 2024. Un modello accurato ma non completo.
“A causa della loro complessità, la ricostruzione delle dinamiche che contraddistinguono il profilo strutturale della Cupola del Brunelleschi, costituita in realtà da due calotte, una interna e una esterna, rappresenta una vera sfida”. Spiega Bruno Bertaccini, Professore del Dipartimento DiSIA UNIFI, ricercatore dello Spoke 5 di ICSC e responsabile del progetto. “La sua geometria, il peso della lanterna – l’elemento posto in cima al Duomo di Firenze -, insieme alle variazioni di temperatura stagionali, che determinano contrazioni e dilatazioni continue durante l’anno, influiscono infatti sul suo delicato equilibrio e sono tra la ragione dei fenomeni fessurativi riscontrati dopo appena un secolo dalla conclusione dei lavori di costruzione. Ciò rende evidente che per aspirare a sviluppare un modello fedele della Cupola, capace di simulare in maniera dettagliata la sua evoluzione strutturale, ci sia bisogno di acquisire dati in maniera omogenea – e a differenti quote d’altezza – da ogni vela, termine con cui vengono indicati gli otto ‘spicchi’ che compongono la cupola.”
A fornire una soluzione a questo problema, il progetto ‘Gestione Smart dello Structural Health Monitoring del Heritage Italiano: il caso Brunelleschi’, che ha beneficiato di un finanziamento di circa 450.000 euro messo a disposizione da un bando a cascata dedicato promosso dallo Spoke 5 del Centro Nazionale ICSC. Il progetto prevede infatti l’installazione di un nuovo impianto di monitoraggio della Cupola del Brunelleschi composto da un laser scanner e da una serie di sensori di movimento all’avanguardia disposti in maniera concentrica nei tre livelli della cupola e in punti d’interesse. Il costo dell’intervento, che avrà luogo a partire di dicembre 2025 sotto la supervisione dall’Alta Sorveglianza della Soprintendenza Archeologia, Belle Arti e Paesaggio per le provincie di Firenze, Prato e Pistoia, sarà co-finanziato nella restante quota di 172.000 euro dalle due aziende vincitrici del bando a cascata, Nowtech Solutions srl e IP Ingegneria srl.
Complementare all’attività di ricerca già avviata dal Dipartimento DiSIA dell’Università di Firenze e da Opera di Santa Maria del Fiore, che avrà in carico la direzione dei lavori e svolgerà attività di coordinamento in cantiere mediante la presenza continua di proprio personale, questo progetto consentirà quindi di affinare e migliorare l’accuratezza delle soluzioni per l’analisi dei dati impiegate per il monitoraggio della Cupola del Brunelleschi, con l’intento di esportarle anche nel contesto di differenti strutture complesse di alto valore storico-architettonico. E lo farà utilizzando i nuovi dati acquisiti dal sistema di monitoraggio per lo sviluppo di un modello digitale tridimensionale della cupola e di un modello di intelligenza artificiale predittivo rispetto all’evoluzione strutturale della cupola stesso addestrato dalle risorse di calcolo UNIFI potenziate grazie al contributo del Centro nazionale ICSC.
“Nell’ambito dello Spoke 5 del Centro Nazionale ICSC, abbiamo selezionato la Cupola del Brunelleschi come caso studio per mettere a punto nuovi strumenti e tecniche sviluppate dal nostro gruppo di ricerca per il monitoraggio strutturale di tutto il patrimonio di interesse storico-architettonico italiano. Per ottenere ciò ci avvarremo di sensoristica diffusa, una sorta di vestito da posizionare intorno ai monumenti. In questa maniera riusciremo ad alimentare un sistema informativo che può generare degli early warning puntali, sulla base dei quali valutare interventi adeguati. L’insieme di questa strumentazione collaborerà inoltre alla costruzione di un modello di machine learning per l’addestramento di modello di intelligenza artificiale previsionale di medio lungo periodo sulla salute del monumento”, conclude Bruno Bertaccini.
Per maggiori informazioni: Al via l’aggiornamento e l’implementazione del sistema di monitoraggio della Cupola di Brunelleschi (Comunicato Stampa, 23/07/2025)
Immagine: Complesso monumentale del Duomo di Firenze con la Cupola del Brunelleschi: courtesy ©Opera di Santa Maria del Fiore, foto di Fabio Muzzi
