El TB-3 era un avión totalmente metálico de construcción de acero, ya que uno de los diseños de la oficina de diseño de Andrei Tupolev consistía en basarse en las prácticas y tecnología de diseño de aviones totalmente metálicos de 1918 en adelante, pioneras de Hugo Junkers. El marco estaba compuesto por vigas de sección en V cubiertas con piel ondulada no estresada que iban desde 0,3 mm (1⁄64 in) a 0,8 mm (1⁄32 in) de espesor. Las ondulaciones eran de 13 mm (0.51 in) y 50 mm (1.97 in) de profundidad. El ala cantilever estaba soportada por cuatro esparras de sección de tubo. En 1934, gracias al desarrollo de aleaciones de acero más fuertes, las alas se incrementaron de 39,5 a 41,85 metros (129,6 a 137,3 pies) con una superficie de ala principal de 234,5 m2 (2,47 a 2,56 pies cuadrados) de cada lado, con un sistema de protección contra incendios.
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