INTEGRATED SURVEY FOR THE DIAGNOSIS OF ARCHITECTURAL HERITAGE. THE ANCIENT CHURCH OF ST. FRANCIS OF...

Vth Conference “Diagnosis, Conservation and Valorization of Cultural Heritage” 11/12 December 2014

INTEGRATED SURVEY FOR THE DIAGNOSIS OF ARCHITECTURAL HERITAGE. THE ANCIENT CHURCH OF ST. FRANCIS OF PAOLA (PAOLA, CS)

Giuseppe Fortunato*, Valentina Spataro**

*Ricercatore, via Pietro Bucci, Cubo 39B, Rende (CS) 0984.496936, e-mail: giuseppe.fortunato@unical

**ingegnere, Università della Calabria, via Pietro Bucci, Cubo 39B, Rende (CS) 0984.496950, e-mail: [email protected]

Key words: survey, 3D model, architectural representation, graphical analysis, diagnostics Abstract: in english The survey is increasingly becoming a scientific operation through the introduction of innovative tools. New devices make available a considerable amount of information, with high levels of precision and acquisition times significantly faster than traditional instruments. Innovative instruments and techniques lead the way for new cognitive frameworks, new investigation opportunities and unusual architectural heritage representation. Through the integrated use of 3D scanners and photogrammetric techniques it's possible to detect and easily analyze the true shape of investigated structures (irregular geometries, protrusions, misalignments, out of plumbs, material failures,...). With the additional contribution of the thermography investigation it's also possible identify the type of masonry structures hidden by plastered surfaces (elements average size and scarfing, laying regularity, alterations, lack of homogeneity,...). The intention is to illustrate the preliminary results achieved in the experience of survey of the ancient church of the shrine of St. Francis of Paola. The church has a remarkable architectural complexity, due to the many time layers and the historical and architectural events that have characterized it. Therefore all these aspects deserve attention and represents a useful pretext for a cognitive process implementation, based on the integrated use of the instruments mentioned above and the construction, testing and analysis of advanced digital geometric models. In particular the latter will be applied to the vaulted structures. Introduzione

Il rilievo dell’antica basilica di San Francesco di Paola è parte di un complesso progetto di ricerca (avviato nel 2012 e non ancora concluso) ed è frutto di una collaborazione tra il Laboratorio di Rilievo dell’Architettura del Dipartimento di Ingegneria Civile dell’UNICAL (coordinato dal Prof. A. De Sanctis), e la Fondazione “S. Francesco di Paola”. L’obiettivo del rilevamento è stato quello di analizzare le fasi evolutive circa l’architettura del santuario, di acquisire dati essenziali per l’interpretazione critica del suo stato di conservazione e di avere una base conoscitiva, scientificamente fondata, con cui operare ai fini della salvaguardia e della valorizzazione. Il rilevamento è stato condotto prevalentemente col laser scanner 3D, che ha consentito di


ottenere informazioni accurate sulla geometria d’insieme del santuario (sull’assetto dell’intero complesso architettonico e delle sue parti principali) e su quella di dettaglio dei singoli elementi (deformazioni di archi e volte, fuori piombo delle murature portanti, ecc…). Inoltre, grazie all’utilizzo della termocamera e di un georadar, è stato possibile indagare la tessitura muraria delle fabbriche e vedere (ove le condizioni al contorno l’hanno consentito) cosa c’è sotto la superficie degli intonaci e sotto la pavimentazione. In alcune circostanze ci si è avvalsi anche della tecnica fotogrammetrica che ci ha consentito di superare i limiti imposti da quella range based. Ma, come noto, in un rilevamento la somma di operazioni tecniche si rivela del tutto insufficiente, se queste non sono coordinate ed illuminate da una viva coscienza storico-critica dell’opera da rilevare. Pertanto, unitamente alle indagini di tipo strumentale è stata condotta una complessa indagine storica ed archivistica, complessità dovuta principalmente alla carenza di fonti documentarie certe ed esaurienti. Le informazioni sull’evoluzione del complesso sono, per la parte più antica, spesso affidate alle varie pubblicazioni che descrivono la vita e i prodigi del santo fondatore e mai accompagnate da descrizioni grafiche. Nonostante il complesso fondi le sue origini nella seconda metà del XV secolo, la prima veduta che raffigura lo stato dei luoghi è della seconda metà del XVII secolo, poche altre ne seguiranno, ma non tutte attendibili. La basilica che conosciamo oggi è il frutto di numerose aggiunte e stratificazioni il cui nucleo originario è stato fondato, secondo la tradizione, in presenza stessa di san Francesco. Mutazioni stilistiche non sempre lineari col trascorrere del tempo giacché, dopo aver conosciuto gli stili medievali, rinascimentali e barocchi, tra il 1960 e 1970 l’architettura della basilica ritorna (in parte) a quella medievale per la volontà, diffusa a quei tempi e scatenata da urgenti opere di consolidamento, di riportare il monumento allo stile originario. La struttura (Fig.1) presenta una grande aula composta di due ampie campate con volte a crociera costolonate, seguita da altre due più piccole e leggermente disallineate rispetto alle prime, che accolgono il presbiterio e il coro. La navata principale è affiancata da una minore (su cui si affacciano quattro cappellette) e conduce alla cappella del santo, prezioso esempio di architettura rinascimentale, al cui interno sono custodite alcune reliquie del santo. Diverse le modifiche subite dall’architettura del complesso e le ipotesi avanzate sulla loro evoluzione. Si ricorda l’importante intervento di ampliamento avvenuto nella seconda metà del XVI secolo e promosso da Isabella di Toledo per rimediare ai danni subiti dall’incursione turchesca nel 1555. Nel XVII secolo avviene un’altra importante trasformazione che ha coinvolto non solo la basilica ma l’intero complesso, consistente principalmente nella riorganizzazione degli accessi, nella costruzione del pronao e del braccio conventuale collegato al coro della chiesa. L’edificazione del pronao ha comportato l’abbattimento di parte della navata laterale, come si evince da alcuni costoloni interrotti visibili al suo interno. Probabilmente trattavasi di una piccola cappelletta di testata, diversa dalle altre campate della navata giacchè è l’unica che presenta le mensole su cui poggiano i costoloni, a quota più alta di quella dei capitelli delle colonne, come invece avviene invece con le altre volte che proseguono. Un’altra anomalia si riscontra nell’ultima campata gotica, i cui costoloni, invece, trasmettono i loro sforzi non più su mensole ma direttamente a terra tramite alcune varianti della composizione architettonica delle colonne. La geometria delle volte presenti nel complesso è varia. Sono presenti volte gotiche, a vela, a padiglione, a cupola e irregolari. (Figg. 2 e 3).


Fig.1- Pianta attuale della basilica.


Figg 2,3. – Modelli numerici che mostrano i diversi tipi di superfici voltate che compongono la basilica


Rilievo preliminare A causa della complessità e vastità dell’opera da rilevare è stato necessario utilizzare più strumentazioni e modalità di acquisizione: ad un metodo tradizionale sono state affiancate delle tecnologie più sofisticate, quali la scansione laser e la fotogrammetria. L’impostazione di un progetto preliminare della fase di acquisizione, a tal proposito, è stata fondamentale: uno degli aspetti troppo spesso trascurati nel rilievo 3D, infatti, è che già in questa fase intervengono le capacità di un rilevatore, dal momento che è necessario definire una serie di parametri e di scelte che andranno sicuramente ad influenzare le fasi successive di lavoro. Per il rilievo metrico della fabbrica è stato utilizzato un laser scanner a tempo di volo (ToF) Leica HDS 3000, dotato di una fotocamera interna a bassa risoluzione (1 megapixel), il che ha reso necessario integrare le informazioni da foto, utilizzando una fotocamera digitale Reflex ad alta risoluzione, Nikon D80 da 10 megapixel. Le interfacce software utilizzate sono state Cyclone per il funzionamento del laser scanner e Cloudworks per la gestione delle nuvole di punti in ambiente CAD. Acquisizione e prime elaborazioni dei dati A causa della dimensione e della complessità della basilica i punti di stazione sono stati scelti accuratamente, al fine di ridurre al minimo le zone d’ombra e le sovrapposizioni. Un’attenta pianificazione delle stazioni ha permesso di conciliare due esigenze ben precise: da un lato, quella di ottenere dei dati esaustivi in base alle caratteristiche morfologiche da rilevare e, dall’altro, quello di ottimizzare i tempi di acquisizione, minimizzando il numero di riprese e andando ad effettuare una selezione, nell’ambito di ogni singola scansione, di quei dati già rilevati che sarebbero potuti risultare inutilmente ridondanti. In seguito si è proceduto col posizionare dei target riflettenti nella scena da riprendere, del tipo Leica Geosystems Target planar HDS blu, che sono dotati di elevata riflettività alla lunghezza d’onda del laser impiegato. I target hanno rappresentato i punti omologhi scelti al fine di sovrapporre e allineare diverse scene, operazione che è stata svolta in un momento successivo. È stato considerato che ogni stazione dovesse avere in comune con quella precedente e quella successiva almeno tre target. Quest’esigenza è legata alla successiva operazione di allineamento, in cui il software Cyclone, riconoscendo i tre target in comune per ogni coppia di scansioni, può compiere la rototraslazione della seconda scansione rispetto alla prima. Di seguito è riportato un quadro sinottico relativo al posizionamento degli ScanWorld e dei target all’interno della scena e le relative nuvole di punti (Fig. 4). Le risoluzioni scelte per l’acquisizione della scena sono state di due tipi: una più bassa per l’inquadramento generale, ideale per le superfici piane, come le pavimentazioni o le pareti, ed altre parziali più dense in funzione delle specifiche caratteristiche formali dell’oggetto da rilevare e del grado di dettaglio desiderato. Per questi ultimi, tuttavia, si è usufruito anche di tecniche di rilievo integrato, come la misurazione diretta dell’oggetto considerato e l’utilizzo di fotopiani, ottenuti dall’applicazione della tecnica fotogrammetrica.


Sono stati necessari 19 ScanWorld per l’interno della basilica e 14 per l’immediato intorno. In totale, per l’acquisizione della fabbrica, è stato necessario posizionare 33 punti di ripresa e 71 target, per un totale di circa 110 milioni punti acquisiti. Il database 3D è stato un prezioso archivio nel quale è stato possibile isolare i dati, filtrarli, e posizionare il punto di osservazione in condizioni libere. Tutto ciò è stato successivamente tradotto in una serie di elaborati grafici “canonici”, motivati dalla necessità di avere a disposizione piante, prospetti, sezioni in grado di mettere in luce determinate informazioni (metriche, geometriche) e, solo per alcune parti della basilica, sono stati sviluppati dei modelli geometrici tridimensionali. Interpretazione dei dati Le osservazioni avanzate a valle del rilievo integrato trovano grande accoglimento se confrontate con il rilievo tradizionale degli anni precedenti, soprattutto nell’ambito della geometria delle volte della basilica antica, ottenendo risultati inediti. Nella fattispecie è emersa la particolare geometria ad arco policentrico delle diagonali principali delle volte, il che induce ad indagare e ad avanzare delle nuove ipotesi sulle modalità costruttive e sul loro stato tensionale. Trattandosi, infatti, di strutture resistenti per forma, l’analisi della loro configurazione geometrica è alla base di qualsiasi studio. Sono quattro le volte a crociera presenti all’interno della navata principale della basilica antica, suddivisibili in due gruppi, il primo composto dalle due volte a pianta rettangolare e dimensioni pronunciate, il secondo composto da altre due volte a crociera a pianta pseudo-quadrata e dimensioni ridotte (Fig. 5).

Fig. 4 – Snapshot della nuvola di punti. Vista dall’alto dell’interno della basilica antica in cui è evidenziata la posizione degli ScanWorld e dei Target.


Nella tabella seguente sono stati riportati i dati geometrici delle quattro volte in esame.

VOLTA 1 VOLTA 2 VOLTA 3 VOLTA 4 Altezza totale della campata 12.44 m 12.50 m 11.15 m 10.14 m Altezza piano di imposta 6.03 m 5.85 m 6.76 m 6.28 m Altezza monta 6.60 m 5.24 m 5.30 m 3.76 m Luce generatrice longitudinale 9.60 m 7.63 m 6.04 m 5.42 m Luce generatrice trasversale 8.32 m 9.81 m 6.28 m 4.98 m Luce direttrice longitudinale 9.85 m 7.98 m 5.24 m 4.32 m Luce direttrice trasversale 8.44 m 6.97 m 4.81 m 4.04 m Luce diagonale A 12.58 m 10.48 m 8.78 m 7.20 m Luce diagonale B 12.72 m 10.02 m 8.46 m 7.42 m Spessore medio 0.25 m 0.24 m 0.24 m 0.25 m

Dal punto di vista geometrico, in tutti e quattro i casi, parlare di volte a crociera non è esaustivo, ma è più idoneo considerarle delle volte a crociera rialzata giacché il punto in chiave di tutte le volte non si trova alla stessa quota dei conci in chiave degli archi generatori. Il confronto tra le geometrie ideali e quelle reali di questi ultimi ha messo in luce che mentre gli archi generatori a sesto acuto riescono a conservare la propria geometria (corrispondenza quasi netta tra il modello ideale e quello reale), quelli a tutto sesto si rivelano essere in realtà degli archi policentrici. (Figg. 6 e 7)

Fig. 5- Snapshot della nuvola di punti. Vista zenitale della basilica antica in cui è indicata la nomenclatura assegnata alle volte della navata principale.


E’ interessante soprattutto confrontare i risultati ottenuti dai dati sperimentali confrontando la volta 1 e la volta 4. Mentre alla volta 1 appartengono delle generatrici la cui luce varia dagli 8,32 m ai 9,60 m, la volta 4 presenta delle dimensioni nettamente minori, con luci che vanno dai 4,04 m ai 5,42 m. In entrambi i casi, lo spessore medio della volta è pari a 25 cm. Nel caso della volta 1 gli scostamenti tra le geometrie reali e quelle ideali arrivano a toccare in più punti i 30 cm, mentre nel caso della volta 4 arrivano solo a 10 cm.

Fig. 6 – Fotopiani dedotti dalla nuvola di punti. Analisi degli archi generatori della volta 1. La volta a crociera è generata da tre archi a tutto sesto e uno a sesto acuto. Tutti gli archi generatori si discostano dal modello ideale, con scarti che vanno dai 3 cm ai 30 cm.

Fig. 7 – Fotopiani dedotti dalla nuvola di punti Analisi degli archi generatori della volta 4. La volta a crociera è generata da quattro archi a sesto acuto, il cui profilo reale coincide quasi perfettamente con quello ideale.


L’osservazione delle informazioni metriche relative agli archi diagonali (Fig. 8), invece, ha messo in luce una geometria reale che si discosta molto da quella ideale, soprattutto in riferimento alle volte 1 e 2, quelle di dimensione maggiore.

Questo, probabilmente, è dovuto ad una serie di problematiche causate dalla loro conformazione geometrica nata già in fase costruttiva, ma anche all’elevata luce da coprire (Fig. 9). Le volte 3 e 4, invece, presentano degli archi diagonali a tutto sesto (Fig. 10).

Fig. 8 – Sezione longitudinale della basilica antica.

Fig. 9 – Analisi delle diagonali della volta 1. Gli scostamenti tra la geometria reale e quella ideale arriva a toccare i 34 cm.


Della volta 1, che presenta deformazioni più accentuate, è stato quindi costruito un modello geometrico della superficie intradossale, attraverso la triangolazione delle superfici per mezzo di mesh. Per costruire il modello geometrico è stato utilizzato il software Geomagic 12. Il modello finale presenta un numero di triangoli pari a 1015409, diventando gestibile in maniera efficiente sia in fase statica che dinamica, al fine di essere sottoposto a tutte le operazioni di analisi successive (Fig. 11).

Fig. 10 - Analisi delle diagonali della volta 4. La geometria reale e quello ideale coincidono perfettamente.

Fig. 11 – Modello geometrico della volta 1, vista assonometrica.

Fig. 12 – Modello geometrico della volta 1. Vista zenitale dell’intradosso in cui viene evidenziata la superficie che unisce i quattro punti di frattura collocati lungo le diagonali.


L’elaborato prodotto ha evidenziato la localizzazione dei punti di frattura lungo gli archi diagonali della volta, che formano un angolo compreso tra i 40° e i 50° rispetto al piano d’ imposta. In figura (Fig. 12) è stata evidenziata l’area che abbraccia i quattro punti di frattura dei costoloni. La localizzazione di questi lungo la diagonale ha indotto a riflettere sulle modalità di

trasmissione dei carichi e sulle problematiche strutturali presenti nell’ambito della volta in esame. In considerazione di quest’aspetto e dello stato deformativo che potrebbe interessare la volta nel suo complesso, per analizzare lo stato deformativo, il modello geometrico è stato sezionato con piani orizzontali aventi un passo di 30 cm (riferiti alle unghie della volta 1), evidenziando l’intensità degli scostamenti alle differenti quote (Fig. 13).

Fig. 13 – Modello geometrico della volta 1. Vista dall’alto e proiezione delle curve di livello ottenute sezionando il modello con dei piani orizzontali aventi un passo di 30 cm.

Fig. 14 – Parete che separa la basilica antica dal chiostro. Il modello è stato sezionato trasversalmente con quattro piani verticali. Sono evidenziate i piani di sezione e i relativi profili. Su di essa sono proiettate anche le curve di livello ottenute per intersezioni di piani verticali paralleli alla parete.


Se la volta avesse avuto una geometria regolare, le curve di livello avrebbero presentato una certa simmetria, cosa che non è avvenuta nel caso in questione. Dall’analisi dei dati ottenuti sono anche emersi altri aspetti interessanti. La parete ha uno sviluppo longitudinale pari a 20,2 m ed è stata sezionata trasversalmente con un passo di 2,4 m. Dall’analisi dei profili tracciati in corrispondenza dei piani di taglio è emerso che, a partire dalla sezione in chiave all’arco di parete, generatore della volta stessa, si interrompe l’azione di contro bilanciamento del volume del chiostro. Superiormente, di conseguenza, la spinta della volta provoca uno spanciamento della zona della parete non vincolata dal chiostro. In corrispondenza di quest’ultima sezione è possibile notare che il filo esterno della parete, rispetto al piede della stessa, è fuori piombo di 24 cm (Fig. 14). Il dato è stato poi approfondito costruendo il modello geometrico della parete e sezionandolo con una serie fitta di piani paralleli verticali ad essa paralleli che hanno prodotto una serie di curve di livello che ne evidenziano le irregolarità.

La stessa parete è stata ulteriormente investigata tramite indagini termografiche che hanno rivelato alcune arcate murate (Figg 15 a, b). Conclusioni Il percorso conoscitivo della basilica antica del manufatto architettonico si è mosso attraverso un approccio multidisciplinare: l’operazione di rilievo non si è esaurita con la semplice indagine metrica del manufatto architettonico, ma ha tenuto conto di tutti quegli aspetti che hanno contribuito inquadrarla, nella sua globalità, in un preciso apparato conoscitivo che la collega con il contesto e con la storia. Il confronto con i dati ottenuti dalla campagna di rilevamento ha messo in luce delle questioni sugli aspetti geometrici e strutturali. Gli elaborati fin qui prodotti potranno essere comunque un utile punto di partenza per un eventuale approfondimento, finalizzato al monitoraggio e al consolidamento delle strutture in esame.

Figg. 15 a, b –Termogrammi che rivelano la presenta di archi murati all’interno della parete

Date post:	28-Feb-2023
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