Progetto ReSeMM – Sviluppo di una rete sensoristica multimodale finalizzata al monitoraggio strutturale e ambientale. Spoke 6, Sito di intervento Monastero dei Benedettini, Catania

Il progetto si è svolto nell’ambito del bando pubblico PNRR Spoke 6, Missione 4 “Istruzione e Ricerca” – componente 2 “dalla ricerca all’impresa” – linea di investimento 1.3 “Partenariati estesi alle università, ai centri di ricerca, alle aziende per il finanziamento di progetti di ricerca di base” – programma di ricerca e innovazione “Changes  – Creativity and Intangible Cultural Heritage”, finanziato dall’Unione Europea – NextGenerationEU.

L’iniziativa ha previsto, per i siti indicati dal bando e nel rispetto delle indicazioni del committente e degli enti territoriali preposti per la tutela, la progettazione e la fornitura di una rete sensoristica multimodale e la realizzazione di una piattaforma software in cloud, integrata con una banca dati geospaziale, in grado di gestire da remoto la rete, acquisire, conservare, processare e visualizzare in real-time i dati raccolti ed impostare soglie di allarme.

Al progetto, coordinato daI Dipartimento di Ingegneria Civile (DICIV) dell’Università degli Studi di Salerno, avente come Responsabile Scientifico il Prof. Luigi Petti, hanno partecipato anche i Dipartimenti di Ingegneria Industriale (DIIN) e Scienze dei Beni Culturali (DISPAC), unitamente alla Start-up innovativa Modula S.r.l..  

Obiettivi

I patrimoni architettonico e archeologico sono esposti a pericoli e rischi, non solo naturali e antropici, ma anche al cambiamento climatico; a ciò si aggiungono i processi naturali di degrado generati dall’invecchiamento dei materiali ed alla variabilità delle condizioni ambientali. In un’ottica di uso sostenibile delle risorse e di tutela del patrimonio, lo sviluppo di approcci metodologici che promuovano il minimo intervento e la manutenzione proattiva assumono un ruolo cardine in un processo gestionale. La proposta mira ad implementare un modello ed una rete integrata di monitoraggio multi-scala e multi-livello, attraverso lo sviluppo di sistemi robusti ed espandibili che garantiscono un controllo costante dello stato di salute dei beni, consentendo di caratterizzare il comportamento dei manufatti, anche implementando modelli BIM al fine di documentare il ciclo di vita delle strutture e lo sviluppo di modelli previsionali.

Il progetto di monitoraggio elaborato per il Monastero dei Benedettini di San Nicolò l’Arena nasce dall’esigenza di controllare in modo continuo e scientificamente accurato le condizioni strutturali, microclimatiche e conservative di uno dei complessi monumentali più estesi e stratificati d’Europa. L’intervento si concentra su tre aree principali – il Chiostro di Levante, le sale del refettorio e la Domus Romana – ciascuna con proprie criticità e caratteristiche funzionali che richiedono approcci di monitoraggio differenti, selezionati e calibrati in base alla morfologia degli spazi, ai materiali costruttivi e ai rischi conservativi.

Pianta del piano terreno del Monastero dei Benedettini a Catania, con evidenziazione della sala del refettorio e del chiostro di Levante, aree oggetto del monitoraggio

Pianta del seminterrato del Monastero dei Benedettini a Catania, con indicazione dell’area della Domus Romana, area soggetta a monitoraggio

Il Chiostro di Levante rappresenta una porzione del monastero particolarmente interessante dal punto di vista strutturale: si tratta di un ambiente aperto, con un porticato che incornicia un giardino centrale dominato dal Caffeaos ottocentesco. La presenza della cisterna, dei livelli sfalsati e delle murature portanti, unite alla continua interazione tra interno ed esterno, rende necessario uno studio approfondito della risposta dinamica delle strutture. In questo contesto vengono installati accelerometri MEMS ad alta sensibilità, strumenti progettati per rilevare vibrazioni di bassissima ampiezza e micro-movimenti che, in un edificio storico, possono rappresentare indicatori iniziali di stress strutturale o di variazioni dovute a fenomeni esterni. I sensori vengono collocati in punti che rappresentano veri e propri nodi di comportamento: uno sul piano rialzato, sfruttando fori esistenti per evitare nuove perforazioni; uno sul bordo della cisterna, per intercettare le vibrazioni provenienti dal piano di fondazione; due nel terreno, alloggiati all’interno di pozzetti appositamente realizzati, privi di fondo e dotati di una gettata permeabile in cemento che garantisce il contatto diretto con il suolo e la corretta trasmissione delle vibrazioni; un quinto sulla muratura perimetrale, essenziale per comprendere come le sollecitazioni raggiungano le strutture verticali. Questa disposizione consente di creare una rete accelerometrica tridimensionale che permette di interpretare la risposta del chiostro a fenomeni esterni, a variazioni naturali o a eventuali attività antropiche.

Chiostro di Levante ai Monastero dei Benedettini di San Nicolò l’Arena a Catania

Parallelamente alla componente strutturale, nel Chiostro viene inserito un sensore di temperatura e umidità che svolge un ruolo fondamentale nel confronto con gli ambienti interni. La misurazione continua delle condizioni microclimatiche esterne permette di studiare gli scambi termici, le variazioni giornaliere e stagionali e gli effetti che questi sbalzi possono produrre sulle superfici interne più sensibili.

Le sale del refettorio costituiscono invece un contesto completamente diverso, dove la criticità principale è legata al microclima. Si tratta di ambienti seminterrati, privi di ricambio d’aria naturale e caratterizzati da un’elevata tendenza all’accumulo di umidità. Le murature in pietra, le arcate in ferro e la scarsa luminosità creano un quadro in cui la conservazione richiede un controllo rigoroso e continuo. Qui la sensoristica installata è pensata per monitorare sia le condizioni climatiche sia lo stato dei materiali. La rilevazione delle condizioni microclimatiche è affidata a un sensore interno che misura temperatura e umidità relativa con continuità, inviando i dati alla piattaforma centrale. Per ottenere una lettura realistica degli sbalzi termici, viene posizionato un secondo sensore verso il Chiostro di Ponente, collocato su un davanzale interno esposto verso l’esterno. Questo consente di interpretare come l’ambiente esterno influenzi quello interno e soprattutto in quali momenti si verifichino condizioni favorevoli alla condensazione.

Accanto ai sensori climatici, nelle sale del refettorio vengono installate due telecamere multispettrali che svolgono un ruolo profondamente complementare. A differenza delle telecamere tradizionali, quelle multispettrali registrano porzioni dello spettro luminoso invisibili all’occhio umano. Questa caratteristica permette di individuare microfessurazioni, infiltrazioni, variazioni di pigmenti, zone di accumulo di umidità o alterazioni delle superfici lapidee prima che siano visibili. Le telecamere sono collocate nelle zone più profonde e critiche del refettorio, dove le pareti di roccia e la scarsità di ricambio d’aria rendono più probabile l’insorgere di degradi nascosti. Il loro funzionamento è automatizzato grazie a un PC industriale installato all’interno delle sale, che funge sia da unità di controllo sia da router Wi-Fi dedicato. Quest’ultimo aspetto è essenziale: le telecamere comunicano senza cavi, evitando installazioni invasive in ambienti fragili e difficili da raggiungere con un cablaggio.

La Domus Romana, terza area oggetto di studio, richiede un approccio ancora più leggero. Qui la fragilità dei mosaici, delle pavimentazioni originarie e dei manufatti archeologici rende impossibile qualunque intervento invasivo. Per questo motivo viene impiegata una sola telecamera multispettrale utilizzata manualmente da un operatore. Le immagini vengono acquisite direttamente sul posto e trasferite tramite rete Wi-Fi o tramite memoria rimovibile, senza installare sensori fissi né alterare in alcun modo le strutture antiche. Questo approccio permette di controllare l’evoluzione delle superfici e di documentare eventuali alterazioni, garantendo al contempo il massimo rispetto per il contesto archeologico.

Domus Romana ai Monastero dei Benedettini di San Nicolò l’Arena a Catania

Rete sensoristica

L’intera rete sensoristica è governata da un’architettura a doppio livello: una parte completamente cablata e stabile, dedicata al Chiostro di Levante, e una parte mista cablata–wireless, impiegata nelle sale del refettorio. Nel Chiostro, gli accelerometri sono collegati in sequenza tramite cavo Ethernet con protocollo EtherCAT, alimentati da un power injector che fornisce tensione e comunicazione sullo stesso cavo. Tutti i sensori confluiscono nel PC industriale posizionato nel corridoio tra i chiostri, nodo centrale che invia i dati alla piattaforma IoT dell’università. Nelle sale del refettorio, invece, il PC dedicato dialoga in wireless con le telecamere e con il sensore microclimatico interno, mentre è collegato via Ethernet alla rete del monastero per la trasmissione finale dei dati alla piattaforma di raccolta centrale. Questo doppio sistema – cablato dove necessario per garantire affidabilità, wireless dove serve minimizzare l’impatto – consente di monitorare in modo costante e integrato aree estremamente diverse tra loro, producendo un quadro completo delle condizioni del monastero.

Il risultato è una rete di sorveglianza scientifica che combina sensori ad alta precisione, tecnologie di imaging avanzato e un’architettura digitale progettata per funzionare in modo continuo e discreto, senza interferire con il valore storico del sito. Un sistema capace di raccogliere dati strutturali, ambientali e conservativi, utili non solo per individuare criticità attuali, ma anche per anticipare possibili fenomeni futuri e guidare le scelte di tutela di uno dei monumenti più preziosi della Sicilia.

Tabella riassuntiva dei sensori selezionati per il monitoraggio del Monastero dei Benedettini

L’installazione della sensoristica nel Monastero dei Benedettini è progettata per adattarsi alla complessità architettonica del sito e per ridurre al minimo l’impatto su strutture storiche, superfici delicate e aree archeologiche. Le modalità variano in modo significativo a seconda degli ambienti monitorati.

Nel Chiostro di Levante, l’obiettivo principale è rilevare le vibrazioni e la risposta dinamica delle strutture. Per questo motivo vengono installati cinque accelerometri MEMS in punti strategici: uno sul piano rialzato del chiostro, sfruttando perforazioni già esistenti e limitando al minimo nuovi interventi; uno in corrispondenza della cisterna, per intercettare le vibrazioni che provengono dal livello inferiore; due nel terreno, inseriti all’interno di pozzetti creati ad hoc, privi di fondo e dotati di una base in cemento permeabile che assicura contatto diretto con il suolo; uno infine sulle murature perimetrali, utile per misurare come le sollecitazioni si propagano verticalmente. La rete degli accelerometri è collegata tramite cavo Ethernet con protocollo EtherCAT, rispettando la distanza massima di 50 metri tra un sensore e l’altro. Il cablaggio segue un percorso studiato per sfruttare spazi già accessibili e raggiunge un PC industriale posizionato nel corridoio tra i due chiostri, nodo centrale per la raccolta dei dati.

Planimetria del sito che illustra la posizione dei sensori e la configurazione della catena di collegamento

Nelle sale del refettorio, la priorità è monitorare le condizioni microclimatiche e le superfici interne, fortemente soggette a umidità. In queste aree vengono installate due telecamere multispettrali nelle zone più profonde e critiche, dove le pareti rocciose e la scarsa ventilazione aumentano il rischio di degrado. Le telecamere non sono cablate singolarmente: comunicano in modalità wireless con un PC industriale posizionato all’interno delle sale, che funge anche da router Wi-Fi locale. Per garantire stabilità e velocità nella trasmissione dei dati, il PC viene collegato tramite cavo Ethernet alla rete LAN situata all’esterno del refettorio. All’interno delle sale viene installato anche un sensore di temperatura e umidità, mentre un secondo sensore esterno viene collocato su un davanzale affacciato sul Chiostro di Ponente per valutare lo sbalzo climatico. Questo secondo sensore comunica anch’esso in wireless con il PC industriale.

Planimetria del sito che illustra la posizione dei sensori e il percorso di collegamento dei cablaggi da realizzare

Per la Domus Romana, le modalità di installazione sono volutamente minimali per non compromettere l’integrità dell’area archeologica. Qui non vengono eseguiti cablaggi né fissaggi permanenti. L’unico strumento impiegato è una telecamera multispettrale utilizzata manualmente: l’operatore la posiziona in prossimità del mosaico storico e ne trasferisce i dati tramite rete Wi-Fi o scheda SD. L’assenza di installazioni fisse risponde all’esigenza di proteggere materiali antichi particolarmente sensibili.

Planimetria del seminterrato del sito che illustra la posizione dei sensori

In sintesi, le modalità di installazione privilegiano soluzioni discrete, non invasive e compatibili con le caratteristiche storiche degli ambienti: cablaggi strutturati e pozzetti protetti dove è necessario garantire continuità dei dati, connessioni wireless nelle zone più delicate, utilizzo manuale nella parte archeologica. Il risultato è una rete tecnologica integrata progettata per coesistere con un patrimonio monumentale complesso senza alterarlo.

Schema del sistema di monitoraggio del Chiostro di Levante del Monastero dei Benedettini di San Nicolò l’Arena a Catania, con rappresentazione dei dispositivi, delle alimentazioni richieste e dei protocolli di comunicazione impiegati

Schema del sistema di monitoraggio delle Sale del Refettorio del Monastero dei Benedettini di San Nicolò l’Arena a Catania, con rappresentazione dei dispositivi, delle alimentazioni richieste e dei protocolli di comunicazione impiegati