Il TB-3 era un velivolo interamente in metallo di costruzione in acciaio, come uno dei disegni dell'ufficio di progettazione di Andrei Tupolev, che si basava sulle pratiche di progettazione di velivoli interamente in metallo dal 1918 in poi e sulla tecnologia introdotta da Hugo Junkers. Il telaio era composto da travi a sezione V ricoperte di pelle ondulata non sollecitata con spessori compresi tra 0,3 mm (1⁄64 in) e 0,8 mm (1⁄32 in). Le ondulazioni erano 13 mm (0,51 in) e profonde di 50 mm (1,97 in). L'ala a manovella era sostenuta da quattro spine a sezione tubolare. Nel 1934, grazie allo sviluppo di leghe d'acciaio più forti, le ali sono state aumentate da 39,5 a 41,85 metri (129,6 a 137,3 piedi) con un'area di ala principale che andava da 234,5 m2 a 234,6 m2 (2,47 a 2,56 ft) e la tecnologia pioniera di Hugo Junkers.
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