Indagini ultrasoniche applicate ai beni monumentali: il caso studio per il Duomo di Milano

La Cattedrale di Santa Maria Nascente, universalmente conosciuta come Duomo di Milano, è un edificio complesso, di grandi dimensioni, costruito in ben sei secoli. Si tratta quindi di un organismo difficile da conoscere dal punto di vista della tecnica costruttiva, ancorché sia quella di un edificio in muratura, in ragione delle speciali accortezze che furono impiegate per la sua importanza e il suo valore storico, simbolico e religioso.

Indagini ultrasoniche su beni monumentali: lo studio sul Duomo di Milano

La struttura è costituita da maschi murari, ricoperti sia esternamente che internamente da un rivestimento lapideo in marmo di Candoglia ed è ornata da migliaia di statue ed elementi decorativi dello stesso materiale.

Nel corso del tempo, però, per la natura stessa del marmo di Candoglia molte parti in marmo, siano esse decorative o strutturali, hanno manifestato segni di degrado come fessurazioni, perdita di coesione e polverizzazione con conseguenti distacchi di materiale. Alcuni di questi fenomeni sono principalmente innescati da fattori naturali, come la scistosità del materiale, mentre altri sono causati da agenti esterni dovuti all’inquinamento e all’esposizione climatica.

La Veneranda Fabbrica del Duomo di Milano, le cui maestranze da secoli impiegano e conoscono questo particolarissimo materiale, aspira comunque a rimanere – per quanto possibile – al passo con i tempi. Per questa ragione ha deciso di intraprendere ricerche mirate, con lo scopo di individuare ulteriori, eventuali metodi utili ad individuare le aree o gli elementi lesionati e a comprendere come ridurre il rischio di distacchi dell’apparato decorativo e dei rivestimenti in marmo di Candoglia che avvolgono la cattedrale. Alcune di queste attività di ricerca sono state affidate allo studio Arch-Indagini, che ha curato la pianificazione di un progetto di diagnostica e lo svolgimento delle prove.

Si è scelto di approfondire l’applicabilità dell’indagine ultrasonica che, in questo contesto, si potrebbe configurare come metodo oggettivo per integrare il parere esperto delle maestranze che si occupano della manutenzione nel Duomo e per fornire inoltre indicazioni precise sullo stato dei manufatti in marmo che sono utilizzati nel restauro e nella manutenzione della cattedrale.

Configurazione delle prove ultrasoniche

La tecnica ultrasonica si basa sull’analisi della relazione tra le proprietà meccaniche del materiale e la velocità di propagazione (V) delle onde elastiche attraverso lo stesso. Quest’ultima è infatti direttamente correlata alle caratteristiche strutturali e fisiche del materiale indagato.

Il sistema utilizzato per l’indagine si compone di una centralina di acquisizione dati e di sensori piezoelettrici ad alta frequenza, che permettono di misurare il tempo di propagazione delle onde ultrasoniche. Quando le onde attraversano il materiale si rileva una diminuzione della velocità apparente di propagazione se nel materiale sono presenti fessure o vuoti e qualora la densità del materiale sia compromessa da fenomeni di degrado.

Tipologie di configurazioni

Sono state adottate tre configurazioni principali per l’indagine ultrasonica:

1. Prova per trasparenza: questa configurazione analizza l’intero spessore dell’elemento lapideo. Grazie alla massima potenza dell’impulso ultrasonico, permette di ottenere informazioni sull’integrità del materiale in profondità.
2. Prova di superficie: utilizzata per valutare le condizioni superficiali dei manufatti in marmo. Questa configurazione è particolarmente efficace nell'individuare l’incidenza di alterazioni e degradi superficiali legati alla presenza di croste nere e agli effetti delle erosioni o fessurazioni.
3. Prova di superficie in presenza di lesioni evidenti anche all’esterno: Questa configurazione stima la profondità delle fessure, posizionando i sensori a cavallo delle soluzioni di continuità. È stata utilizzata in particolare per analizzare alcune statue fessurate all'interno del tiburio del Duomo.

Le prove sono state calibrate confrontando i risultati ottenuti su elementi originali degradati e le loro copie realizzate in marmo di Candoglia. Questo approccio ha permesso di identificare con precisione le differenze tra elementi simili per geometria e complessità di lavorazione, ma con diversi livelli di degrado.

Scelta dei campioni tra i marmi del Duomo di Milano

Per garantire una rappresentatività adeguata dei manufatti artistici lapidei appartenenti a diverse tipologie decorative del Duomo, sono stati selezionati manufatti aventi geometrie differenti, sia complesse che non. Inizialmente, le verifiche sono state condotte su blocchi di marmo di forma prismatica, per determinare le velocità caratteristiche del materiale prima della sua lavorazione e della sua esposizione agli agenti meteorici.

Successivamente, sono stati selezionati elementi con un livello di lavorazione sempre più complesso, tra cui:

• Blocchi prismatici con differente giacitura dei piani di scistosità;
• Un basamento di piramide decorato;
• Un elemento terminale di piramide;
• Uno spallone con cornici modanate;
• Tre statue, di cui una a tuttotondo e due lesionate.

Esempi delle tipologie di conci e elementi decorativi considerati per la sperimentazione.

La scelta di questi elementi decorativi è stata eseguita per rappresentare le più comuni casistiche di lavoro con le quali gli operatori del Duomo si devono misurare quotidianamente.

Risultati del caso studio: prove ultrasoniche per i manufatti in marmo di Candoglia

I risultati ottenuti hanno confermato anzitutto che una corretta calibrazione è essenziale per interpretare correttamente i dati.

Le misurazioni effettuate su campioni regolari di nuova realizzazione hanno rivelato velocità ultrasoniche di circa 6000 m/s lungo i piani di scistosità, mentre velocità più basse, circa 5400 m/s, sono state raggiunte nelle prove eseguite perpendicolarmente a essi. Tale differenza conferma l’anisotropia del marmo di Candoglia e come la sola presenza dei piani di scistosità costituisca una prima discontinuità “naturale” della pietra. Le velocità ultrasoniche rilevate negli elementi decorativi nuovi maggiormente elaborati, non ancora messi in opera, risultano sensibilmente più basse. Questa evidenza può essere causata dal lavoro meccanico di diversi strumenti da parte degli scalpellini che comunque indebolisce, seppur in misura limitata, il volume di marmo di partenza. Negli elementi omologhi “storici”, a parità di geometria, le velocità registrate sono risultate significativamente inferiori, con una riduzione fino al 45% nei marmi degradati rispetto a quelli nuovi.

In particolare, le superfici con evidenti segni di degrado hanno mostrato un notevole calo delle velocità di propagazione, indice di una alterazione delle caratteristiche meccaniche del marmo (la “cottura”, ben nota a restauratori e marmisti) e pure in qualche misura di una maggiore presenza di discontinuità all’interno del materiale.

Infine, le statue all'interno del tiburio sono state invece analizzate, per necessità dettate dalla posizione degli elementi stessi, utilizzando la configurazione di superficie, posizionando cioè i sensori a cavallo delle fessure con la finalità di stimare la profondità delle stesse. Anche in questo caso le analisi hanno confermato che sembra esservi una solida correlazione fra la presenza di lesioni interne e la velocità ultrasonica delle onde che si propagano entro la matrice litoide.

La ricerca non può però dirsi conclusa a questo punto: molto ancora resta da scoprire.

In una futura fase di indagine, sarà fondamentale focalizzare l’attenzione su due aspetti cruciali: la analisi ultrasonica in cava della qualità del materiale vergine ed il perfezionamento della caratterizzazione degli elementi lapidei che presentino difetti nascosti all’interno. I dati raccolti in entrambe le situazioni serviranno come base per ulteriormente indagare le dinamiche di degrado del materiale e se sia possibile identificare eventuali punti di debolezza non visibili all’occhio delle maestranze, per evitare di usare i blocchi più vulnerabili e garantire agli elementi in opera una vita utile il più lunga possibile; oppure per meglio valutare la necessità di sostituzione.

Nota conclusiva: I risultati numerici e considerazioni più approfondite sono stati raccolti e pubblicati nell’articolo “Calibrazione di una metodologia sperimentale per la mitigazione del rischio e la conservazione dei rivestimenti del Duomo di Milano”, presentato alla Conferenza “Scienza e Beni Culturali” a Bressanone, nel luglio 2024.

Maggiori dettagli e chiarimenti possono essere richiesti via mail agli autori: arch. Laura Bolondi e arch. Riccardo De Ponti.