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キッチリと理論から計算する場合は提示された条件のみでは計算に必要なパラメーターが足りませんので計算できません。
それらの理論はそれだけで一冊の書籍になるほどの内容です。それをこの掲示板で提示するのは字数制限上不可能ですし、図等も使えませんので、とりあえず以下のＵＲＬをご参照ください。

ＭＩＳＵＭＩさんのＨＰ
http://cp.misumi.jp/tech/tech20.html

ＰＤＦファイルの一例
http://tohnichi.jp/technical/pdf/02_bolt_tightening_J.pdf


ご提示いただいた条件から求める大雑把な数値でいいなら、一般的にはオネジの破断トルクの６割以上７割未満（絶対に超えない事）が適正締め付けトルクとされています。とりあえずということでしたら中央値でいいと思いますが、工具類のトルク表示のバラツキが現実的には無視できないくらい大きいことをご承知置きください。
ちなみに「破断トルクの６割以上７割未満のトルク」はオネジが破断しないで少し伸びるくらいの力を掛けて締結することを目的にしています。
但し、ご質問の②のようなケース（トルク法の締め付けが適用できるメネジの強度が確保できているかどうかわからない場合）はメネジのねじ山の出来具合も強度に大きく影響しますので理論だけでメネジの強度を想定するのは無理があります。そういった場合は予備実験を実施して不具合が起きないようにするのが一般的です。