A machine learning approach to define conservation protocols for the Duomo di Milano. Climate change responsive passive strategies

Climate change is having a huge and serious impact on many different aspects of human life on the Earth. It is important to know that one of those aspects concern the cultural heritage buildings. They are historical buildings realized with old and precious materials, containing historical works of art such as paintings and sculptures easily perishable. Therefore, it is crucial to study and understand how future climate changes will influence not only the outdoor climate, but also the indoor conditions of cultural heritage buildings: the change of the outdoor conditions is not only affecting the buildings’ exterior surface, but also the resulting climate on the inside of the building. Especially in the case of sensitive interiors, like in the case of cultural heritage buildings, this may lead to future risks impacting the preservation of artworks. Consequently, it is necessary to evaluate the potential risks and effects to which the cultural heritage buildings are subjected to. Indeed, the different types of materials inside this kind of buildings can start developing problems related to deterioration and damages. An approach has been defined to evaluate the effects of climate change on cultural heritage buildings, based on preliminary site inspections, followed by damage and degradation surveys, development and calibration of models able to simulate the hygro-thermal response and finally the prediction of materials degradation accounting for future climate conditions. The principal parameters measured and then analysed are the indoor dry bulb temperature and the relative humidity. Moreover, a study of the importance of the holes present in the vault of the main volume of the building with a Computational Fluid Dynamics analysis has been carried out. The aim is to investigate the possible risks of deterioration of the materials related to the thermal stratification of the air. Only after having understood the future threats for the degradation of the materials, it is possible to propose and test strategies to reduce the risks. The strategies, active and passive, have to be easily feasible and adaptable to different climate conditions; it is also important to verify their effectiveness. Hence, there is the need to translate these strategies into protocols, based on the change of few parameters to control the indoor dry bulb temperature and the relative humidity. This approach is studied in a case study building, the Duomo of Milano. The thesis aims to evaluate the effects of climate change on the cathedral and to find feasible strategies. It is important to take into account the characteristics of the church, to define which are the possible solutions. Indeed, the installation of an HVAC system is not suitable. Hence the focus of the study is related to the passive strategies, such as the control of the occupancy rate and the optimization of the natural ventilation exploiting the windows. After the definition of the best strategy for the conservation of the material, a protocol is created; it has to be feasible and adaptable to different climatic conditions. To do so, Machine Learning is applied. Predicting the weather conditions of the following week, it is possible to calculate the optimal number of people inside the building to minimize the risks of deterioration of the materials. The monitoring of cultural heritage buildings is fundamental to preserve them from the changes of the climate and must be implemented in future years.

Il cambiamento climatico sta avendo un impatto enorme e grave su molti aspetti diversi della vita umana sulla Terra. È importante sapere che uno di questi aspetti riguarda gli edifici del patrimonio culturale. Sono edifici storici realizzati con materiali antichi e preziosi, contenenti opere d'arte storiche come dipinti e sculture facilmente deperibili. Pertanto, è fondamentale studiare e comprendere come i futuri cambiamenti climatici influenzeranno non solo il clima esterno, ma anche le condizioni interne degli edifici del patrimonio culturale: il cambiamento delle condizioni esterne non riguarda solo la superficie esterna degli edifici, ma anche il microclima interno dell'edificio. Soprattutto nel caso di interni sensibili, come nel caso degli edifici del patrimonio culturale, ciò può comportare rischi futuri che incidono sulla conservazione delle opere d'arte. Di conseguenza, è necessario valutare i potenziali rischi ed effetti a cui sono soggetti gli edifici del patrimonio culturale. Infatti, i diversi materiali all'interno di questa categoria di edifici possono iniziare a sviluppare problemi legati ai danni del loro degrado. È stato definito un approccio per valutare gli effetti del cambiamento climatico sugli edifici del patrimonio culturale, basato su sopralluoghi preliminari, seguiti da indagini sui danni e sul degrado, sviluppo e calibrazione di modelli in grado di simulare la risposta igro-termica e infine la previsione del degrado dei materiali tenendo conto delle condizioni climatiche future. I principali parametri misurati e poi analizzati sono la temperatura interna e l'umidità relativa interna. Inoltre, è stato effettuato uno studio dell'importanza dei fori presenti nella volta del volume principale dell'edificio con un'analisi fluidodinamica computazionale. Lo scopo è quello di indagare i possibili rischi di degrado dei materiali legati alla stratificazione termica dell'aria. Solo dopo aver compreso le future minacce per il degrado dei materiali, è possibile proporre e testare strategie per ridurre i rischi. Le strategie, attive e passive, devono essere facilmente attuabili e adattabili alle diverse condizioni climatiche; è anche fondamentale verificarne l'efficacia. È dunque necessario tradurre queste strategie in protocolli, basati sulla modifica di pochi parametri, per controllare la temperatura interna e l'umidità relativa interna. Questo approccio è studiato in un edificio caso studio, il Duomo di Milano. La tesi si propone di valutare gli effetti dei cambiamenti climatici sulla cattedrale e di trovare strategie attuabili. È importante tenere conto delle caratteristiche della chiesa, per definire le possibili soluzioni. Infatti, l'installazione di un impianto di condizionamento non è appropriata. Quindi il focus dello studio è legato alle strategie passive, quali il controllo del tasso di occupazione e l'ottimizzazione della ventilazione naturale sfruttando le finestre. Dopo la definizione della migliore strategia per la conservazione del materiale, viene creato un protocollo; deve essere fattibile e adattabile alle diverse condizioni climatiche. Per fare ciò, viene applicato il Machine Learning. Prevedendo le condizioni meteorologiche della settimana successiva, è possibile calcolare il numero ottimale di persone all'interno dell'edificio per ridurre al minimo i rischi di deterioramento dei materiali. Il monitoraggio degli edifici del patrimonio culturale è fondamentale per preservarli dai cambiamenti climatici e deve essere implementato negli anni futuri.